TUGAS MAKALAH TURBIN AIR & ANGIN

Oleh :NAMA : AGUNG NUGROHO NIM : 111.03.1051

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT SAINS & TEKNOLOGI AKPRINDYOGYAKARTA2014

I. PENDAHULUANTurbin merupakan sebuah alat yang salah satunya digunakan untuk membangkitkan suatu energi.Di Indonesia telah tersebar berbagai macam turbin, mulai dari turbin gas, turbin air dan turbin uap.Turbin sangat membantu dalam kehidupan sehari-hari kita, salah satunya untuk memenuhi kebutuhan kita yang tidak lepas dari alat tersebut, yaitu listrik.Dengan turbin kita dapat melakukan kegiatan malam tanpa harus dalam kondisi gelap. Kegiatan malam akan berjalan lancar dengan adanya listrik yang tidak lepas dari turbin tersebut.Semakin banyaknya turbin dan pesatnya perkembangan turbin tersebut, kini turbin tak asing lagi. Segala macam cara dilakukan untuk memodifikasi kembali turbin tersebut hanya untuk meningkatkan kenyamanan bagi pemakai, baik individu maupun kelompok. Terlebih lagi dengan adanya perkembangan teknologi saat ini, proses pemodifikasian turbin tersebut menjadi lebih mudah dilakukan.Dengan adanya berbagi macam turbin tersebut yang telah tersebar hingga dipelosok Indonesia, maka kami berupaya untuk menulis sebuah makalah yang menyangkut permasalahan tersebut yaitu Turbin Air danTurbin Angin.

I. TINJAUAN TEORI

PENGERTIAN TURBIN AIR

Turbin berfungsi mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik yang kemudian diubah lagi menjadi energi listrik pada generator. Komponen -komponen turbin yang penting adalah sebagai berikut :1.Sudu pengarahbiasanya dapat diatur untuk mengontrol kapasitas aliran yang masuk turbin.2.Roda jalan atau runner turbinpada bagian ini terjadi peralihan energi potensial fluida menjadi energi mekanik.3.Poros turbinpada poros turbin terdapat runner dan ditumpu dengan bantalan radial dan bantalan axial.4.Rumah turbinbiasanya berbentuk keong atau spiral, berfungsi untuk mengarahkan aliran masuk sudu pengarah.5.Pipa hisapmengalirkan air yang ke luar turbin ke saluran luar.Adapun perbandingan karakteristik turbin dapat kita lihat pada grafik net head (m) VS flow (m3/s) di bawah ini.

Grafik 1. Perbandingan karakteristik Turbin.Dapat dilihat pada grafik 1 turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merspon perubahan kapasitas.Berkebalikan dengan turbin kaplan, turbin pelton adalah turbin yang beroperasi pada head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteristik yang berbeda dengan yang lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi.Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata-rata alirannya. Umumnya, turbin impuls digunakan untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiiensinya baik dalam segala kondisi aliran.

Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini :1)Turbin Kaplan:2 < H < 100 meter2)Turbin Francis:5 < H < 500 meter3)Turbin Pelton:H < 30meter4)Turbin Banki:2 < H < 200 meter

JENIS-JENIS TURBIN AIRTurbin air dapat dikelompokan menjadi 2 tipe yaitu :a)Turbin ReaksiTurbin reaksi adalah turbin yang memanfaatkan energi potensial untuk menghasikan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

b)Turbin ImpulsTurbin Impuls adalah Turbin yang memanfaatkan energi potensial air diubah menjadi energi kinetik dengan nozel. Air keluar nozel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls memiliki tenakan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Energi potensial yang masuk ke nosel akan dirubah menjadi energi kecepatan (kinetik).

Adapun contoh contoh turbin reaksi dan turbin impuls yaitu :1. Turbin ImpulsEnergi potensial air diubah menjadi energi kinetik pda nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Turbin Air Pelton

Gambar 1.5 Turbin PeltonSumber. http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheelTurbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Gambar 1 NozleSumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

Gambar 2. NozleSumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdfBentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.

Gambar 3. Turbin Pelton dengan banyak nozleSumber. http://en.wikipedia.org/wiki/pelton_wheelTurbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi. Turbin Air TurgoTurbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 4. Sudu turbin Turgo dan nozleSumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf Turbin Air CrossflowSalah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m.

Gambar 5. Turbin CrossflowSumber: http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

Gambar 6. Turbin CrossflowSumber: http://home.carolina.rr.com/microhydro2. Turbin ReaksiSudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Turbin Air FrancisTurbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.Gambar 7. Turbin FrancisSumber :http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine

Keterangan gambar ;1. Generator Rotor2. Generator Stator3. Turbine Shaft4. Runner5. Turbine Head Cover6. StayRingDischarge Ring7. Supporting Cone8. Guide Vane9. Operating Ring10. GuideVaneServomotor11. Lower Guide Bearing12. Thrust Bearing13. Upper Guide Bearing14. Spiral Case15. Draft Tube Cone

Gambar 1.11. Sketsa Turbin FrancisSumber : http://lingolex.com/bilc/engine.html Turbin Kaplan & PropellerTurbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

Gambar 1.11. Turbin KaplanSumber. http://en.wikipedia.org/wiki/Kaplan_turbine PENGERTIAN TURBIN ANGIN

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal (Contoh: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui (Contoh : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah :P = \frac{1}{2}\rho\pi R^2 v^3 dimana \rho adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan v adalah kecepatan angin pada waktu tertentu.

ASAL ENERGI ANGIN

Semua energi yang dapat diperbaharui dan bahkan energi pada bahan bakar fosil-kecuali energi pasang surut dan panas bumi-berasal dari Matahari. Matahari meradiasi 1,74 x 1.014 kilowatt jam energi ke Bumi setiap jam. Dengan kata lain, Bumi menerima 1,74 x 1.017 watt daya.Sekitar 1-2 persen dari energi tersebut diubah menjadi energi angin. Jadi, energi angin berjumlah 50-100 kali lebih banyak daripada energi yang diubah menjadi biomassa oleh seluruh tumbuhan yang ada di muka Bumi.

Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena ada perbedaan temperatur antara udara panas dan udara dingin. Daerah sekitar khatulistiwa, yaitu pada busur 0, adalah daerah yang mengalami pemanasan lebih banyak dari Matahari dibanding daerah lainnya di Bumi.Daerah panas ditunjukkan dengan warna merah, oranye, dan kuning pada gambar inframerah dari temperatur permukaan laut yang diambil dari satelit NOAA-7 pada Juli 1984. Udara panas lebih ringan daripada udara dingin dan akan naik ke atas sampai mencapai ketinggian sekitar 10 kilometer dan akan tersebar ke arah utara dan selatan.Jika Bumi tidak berotasi pada sumbunya, maka udara akan tiba di kutub utara dan kutub selatan, turun ke permukaan lalu kembali ke khatulistiwa. Udara yang bergerak inilah yang merupakan energi yang dapat diperbaharui, yang dapat digunakan untuk memutar turbin dan akhirnya dapat menghasilkan listrik.

JENIS TURBIN ANGIN ADA 2 JENIS :

Turbin angin sumbu horizontal Turbin angin sumbu tegak /vertikal (misalnya turbin angin Darrieus)

TURBIN ANGIN SUMBU HORIZONTALTurbin angin sumbu horizontal (TASH) memiliki poros rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin berukuran kecil diarahkan oleh sebuah baling baling angin (baling-baling cuaca) yang sederhana, sedangkan turbin berukuran besar pada umumnya menggunakan sebuah sensor angin yang digandengkan ke sebuah servo motor. Sebagian besar memiliki sebuah gearbox yang mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat berputar. TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKALturbin angin sumbu vertikal/tegak (atau TASV) memiliki poros/sumbu rotor utama yang disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus diarahkan ke angin agar menjadi efektif. Kelebihan ini sangat berguna di tempat-tempat yang arah anginnya sangat bervariasi. VAWT mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah.Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di dekat tanah, jadi menara tidak perlu menyokongnya dan lebih mudah diakses untuk keperluan perawatan. Tapi ini menyebabkan sejumlah desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida (zat cair atau gas) bisa saja tercipta saat kincir berputar. MEKANISME TURBIN ANGIN

Sebuah pembangkit listrik tenaga angin dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa turbin angin sehingga menghasilkan listrik ke unit penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui kabel transmisi dan didistribusikan ke rumah-rumah, kantor, sekolah, dan sebagainya.Turbin angin dapat memiliki tiga buah bilah turbin. Jenis lain yang umum adalah jenis turbin dua bilah.Jadi, bagaimana turbin angin menghasilkan listrik? Turbin angin bekerja sebagai kebalikan dari kipas angin. Bukannya menggunakan listrik untuk membuat angin, seperti pada kipas angin, turbin angin menggunakan angin untuk membuat listrik.Angin akan memutar sudut turbin, kemudian memutar sebuah poros yang dihubungkan dengan generator, lalu menghasilkan listrik. Turbin untuk pemakaian umum berukuran 50-750 kilowatt. Sebuah turbin kecil, kapasitas 50 kilowatt, digunakan untuk perumahan, piringan parabola, atau pemompaan air. Gambar 1. Sistem Konversi Energi Angin Sumbu Vertikal & HorizontalII. APLIKASI TURBIN AIR DAN ANGIN

a. Aplikasi Turbin Air Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Dalam pemakaiannya kita harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai pada ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin (PAT), prinsip kerja pompa dibalik - yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeller pompa. Putaran impeller ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Instalasi Pump As Turbin ini merupakan salah satu instalasi turbin air yang mempunyai kapasitas lebih kecil daripada turbin-turbin yang lazim digunakan pada pembangkit listrik. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pompa sentrifugal dengan total head (H) 8,2 m dan kapasitas (Q) 0,8 m3/menit lebih effisien dioperasikan sebagai turbin daripada pompa sentrifugal dengan head (H) 12m dan kapasitas (Q) 1,25 m3/menit. Pompa ini dapat diandalkan dengan effisiensi yang cukup tinggi (46,66 %) dan menghasilkan daya 501,75 Watt pada head 9,29 meter (diukur dari poros pompa) dengan ketinggian air dalam tempat penampungan atas (TPA) 50 cm.b. Aplikasi Turbin Angin

Aplikasi turbin kecil di luar jaringan (off-grid) diarahkan untuk listrik pedesaan atau pemompaan air pada pertanian/peternakan, sedangkan turbin angin besar terhubung jaringan (grid-connected) diarahkan untuk pembangkitan skala besar. Sumber daya angin merupakan dasar pertimbangan dalam rancangan, aplikasi dan kelayakan sistem energi angin. Pemanfaatan energi angin di Indonesia dewasa ini diarahkan untuk listrik pedesaan, dan berkontribusi sebagai energi altematif di masa mendatang. Informasi kecepatan angin menunjukkan bahwa penggunaan turbin angin kecil adalah potensial, sementara penggunaan turbin angin besar juga dimungkinkan. Dengan terus berkembangnya teknologi energi angin dan meningkatnya kebutuhan energi, sistem energi angin akan semakin berdaya saing.

Aplikasi Turbin angin di Pedesaan Di desa Bulak Baru dan Kalianyar, Jepara, telah dioperasikan 40 unit lebih turbin angin (0,07 - 2,5 kW), dan di dusun Selayar, Lombok Timur sebanyak 7 unit turbin angin (1 kW). Di Oeaso, Kupang Barat, juga telah diaplikasikan satu unitnturbin angin kecil (1,5 kW) yang digunakan untuk penggerak pompa air dangkal (1,5 hp.) dengan head 4- 6 m dan kapasitas rata-rata 150 m3/hari sebagai percontohan irigasi. Selain itu, di Tanglad, Nusa Penida, Bali telah diaplikasikan turbin angin (2x10 kW), yang digabung dengan fotovoltaik (2 x 9,7 kW) dan diesel (2 x 40 kW), beroperasi sejak akhir November 1993 dengan produksi energi 200 kWh/hari. Juga telah diaplikasikan sekitar 500 unit turbin angin (0,1 dan 0,3 kW) secara mandiri di pedesaan, yang tersebar di wilayah Sumbawa Timur, pulau Selayar dan Buton. Guna lebih meningkatkan hasil yang dicapai, beberapa masalah krusial memerlukan pemecahan lebih lanjut sebagai berikut:

Prestasi turbin angin sering tidak maksimal karena masalah dalam pemeliharaan akibat terbatasnya sarana pendukung di pedesaan memerlukan pengembangan keandalan lebih lanjut. Turbin angin buatan luar negeri yang kebanyakan lebih sesuai untuk kondisi angin yang lebih tinggi memerlukan kajian dan penyesuaian lebih lanjut dengan kondisi angin setempat. Pemanfaatan energi angin tampaknya memerlukan diseminasi informasi dan teknologi yang lebih handal secara lebih intensif agar dapat lebih dikenali dan diyakini.

III. KESIMPULAN Kesimpulan dari Turbin Air

Potensi sumber daya air di indonesia dapat dimaksimalkan sebagai pembangkit listrik tenaga air meskipun dalam skala kecil, sedang ataupun besar dengan memanfaatkan aliran sungai, irigasi, ataupun waduk. Dengan demikian didaerah yang belum tersentuh aliran listrik dapat memanfaatkan aliran air di sungai dan irigasi sebagai penggerak turbin air. Pembangkit Listrik Tenaga Angin sangat pantas apabila ditempatkan di pesisir pantai karena mempunyai kecepatan angin yang cukup kencang di bandingkan tempat lain sehingga mampu memutar sudu turbin dan menghasilkan arus listrik yang cukup besar.

Kesimpulan dari Turbin AnginSalah satu upaya untuk mengatasi krisis energi adalah mengurangi ketergantungan terhadap sumber energi fosil dengan cara memanfaatkan sumber energi alternatif. Salah satu energi alternatif yang dapat digunakan adalah energi angin. Kebutuhan Energi Listrik di Indonesia khususnya dan di dunia pada umumnya terus meningkat. Hal ini disebabkan oleh pertambahan jumlah penduduk, pertumbuhan ekonomi serta pola konsumsi energi yang terus meningkat. Energi listrik merupakan energi yang sangat penting bagi peradabann manusia baik dalam kegiatan sehari hari hinggadalam kegiatan industri

DAFTAR PUSTAKAMahyunis Irfan ,2010, Makalah Turbin Air, termuat di https://www.academia.edu/5681351/34547383-Makalah-Turbin-Air diunduh 16-11-2014Anonim, "Instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Angin di Jepara dan Lombok Timur", aporan Intern, LAPAN, Jakarta, 1994. Anonim, "Data Angin di Beberapa Lokasi di Indonesia", Laporan Intern, LAPAN, Jakarta. 1995.