2. PEMBANGKIT TENAGA AIR
AIR MERUPAKAN SUMBER ENERGI YANG MURAH DAN
RELATIF MUDAH DIDAPAT, KARENA PADA AIR TERSIMPAN ENERGI
POTENSIAL (PADA AIR JATUH) DAN ENERGI KINETIK (PADA AIR
MENGALIR). TENAGA AIR (HYDROPOWER) ADALAH ENERGI YANG
DIPEROLEH DARI AIR YANG MENGALIR. ENERGI YANG DIMILIKI AIR
DAPAT DIMANFAATKAN DAN DIGUNAKAN DALAM WUJUD ENERGI
MEKANIS MAUPUN ENERGI LISTRIK. PEMANFAATAN ENERGI AIR
BANYAK DILAKUKAN DENGAN MENGGUNAKAN KINCIR AIR ATAU
TURBIN AIR YANG MEMANFAATKAN ADANYA SUATU AIR TERJUN
ATAU ALIRAN AIR DI SUNGAI. SEJAK AWAL ABAD 18 KINCIR AIR
BANYAK DIMANFAATKAN SEBAGAI PENGGERAK PENGGILINGAN
GANDUM, PENGGERGAJIAN KAYU DAN MESIN TEKSTIL. MEMASUKI
ABAD 19 TURBIN AIR MULAI DIKEMBANGKAN.
BESARNYA TENAGA AIR YANG TERSEDIA DARI SUATU
SUMBER AIR BERGANTUNG PADA BESARNYA HEAD DAN DEBIT AIR.
DALAM HUBUNGAN DENGAN RESERVOIR AIR MAKA HEAD ADALAH
BEDA KETINGGIAN ANTARA MUKA AIR PADA RESERVOIR DENGAN
MUKA AIR KELUAR DARI KINCIR AIR/TURBIN AIR.
3. TOTAL ENERGI YANG TERSEDIA DARI SUATU RESERVOIR AIR
ADALAH MERUPAKAN ENERGI POTENSIAL AIR YAITU :
……….. (A)
DENGAN
M = ADALAH MASSA AIR
H = ADALAH HEAD (M)
G = ADALAH PERCEPATAN GRAVITASI
DAYA MERUPAKAN ENERGI TIAP SATUAN WAKTU , SEHINGGA
PERSAMAAN (A) DAPAT DINYATAKAN SEBAGAI :
DENGAN MENSUBSITUSIKAN P TERHADAP DAN
MENSUBSITUSIKAN TERHADAP MAKA :
……….. (B)
DENGAN
P = ADALAH DAYA (WATT)
Q = ADALAH KAPASITAS ALIRAN
= ADALAH DENSITAS AIR
mghE
2
s
m
t
E
gh
t
m
t
E
t
E
Q
t
m
QghP
3
m
kg
s
m3
4. SELAIN MEMANFAATKAN AIR JATUH
HYDROPOWER DAPAT DIPEROLEH DARI ALIRAN AIR
DATAR. DALAM HAL INI ENERGI YANG TERSEDIA
MERUPAKAN ENERGI KINETIC.
……….. (C)
DENGAN :
V = ADALAH KECEPATAN ALIRAN AIR
DAYA AIR YANG TERSEDIA DINYATAKAN SEBAGAI
BERIKUT :
……….. (D)
ATAU DENGAN MENGGUNAKAN PERSAMAAN
KONTINUITAS MAKA
……….. (E)
DENGAN :
2
2
1
mvE
s
m
2
2
1
QvP
AvQ
3
2
1
AvP
2
m
5. UNTUK MENGHITUNG DAYA YANG DI
BANGKITKAN TURBIN DAPAT DI PERHATIKAN PADA
GAMBAR BERKUT :
6. DAYA YANG DIBANGKITKAN OLEH TURBIN
SEBESAR :
P = ……….( WATT )
JADI DALAM DAYA KW ( KILOWATT ) ADALAH
:
P =
DIMANA : P = DAYA YANG DIBANGKITKAN
TURBIN ( KW )
= RAPAT MASSA AIR ( 1000 KG/M3 )
G = PERCEPATAN GRAVITASI ( 9,81
M/DTK2 )
Q = KAPASITAS ALIRAN AIR ( M3/DTK )
H = HEAD EFFEKTIF ( M )
DAYA YANG SEBENARNYA ADALAH :
HQg ...
)(
1000
...
kw
HQg
t
HQg
.
1000
...
7. PUTARAN SPESIFIK TURBIN
KECEPATAN SPESIFIK TURBIN ADALAH
KECEPATAN TURBIN MODEL ATAU TURBIN BENTUK
SAMA, TETAPI SKALANYA BERLAINAN YANG BEKERJA
PADA SATU-SATUAN HEAD DAN SATUAN DEBIT AIR
YANG MENGHASILKAN SATU-SATUAN DAYA.
PENENTUAN SPESIFIK INI BERGUNA UNTUK
MEMBANDINGKAN SEMUA JENIS TURBIN AIR PADA
BASIS YANG SAMA.
KECEPATAN SPESIFIK DAPAT DIDEFENISIKAN
SEBAGAI JUMLAH PUTARAN PERMENIT PADA MASA
SUATU RUNNER TERTENTU AKAN BERPUTAR
SEHINGGA DIHASILKAN SATU-SATUAN DAYA UNTUK
SATU-SATUAN HEAD.
JIKA KECEPATAN ALIRAN AIR DINYATAKAN
DENGAN V MAKA ;
V = DENGAN H = HEAD ( TINGGI JATUH
gh2
8. SUBSTITUSI PERSAMAAN PUTARAN SPESIFIK TURBIN : (
RPM )
………( RPM )
DIMANA : PUTARAN SPESIFIK ( RPM )
KECEPATAN PUTARAN TURBIN ( RPM )
DAYA TURBIN ( HP )
HEAD EFEKTIF ( M )
PERSAMAAN INI DIGUNAKAN UNTUK
MENGHITUNG KECEPATAN SPESIFIK TURBIN. KECEPATAN
SPESIFIK SANGAT MENENTUKAN TERHADAP TYPE
TURBIN YANG DIRENCANAKAN.
2/32/1
H
N
H
n
ns
4/5
H
Nn
ns
sn
n
N
H
9. TABEL.1. BERIKUT MENUNJUKAN JENIS – JENIS TURBIN SESUAI DENGAN KECEPATAN SPESIFIK
MASING – MASING TURBIN.
Jenis Turbin
Putaran Spesifik Turbin ( rpm )
British Metric
Pelton Turbin 2 – 10 10 – 40
Francis Turbin 10 – 130 40 – 550
Kaplan Turbin 82 – 247 350 - 1050
10. PERENCANAAN TURBIN AIR
SEBAGAIMANA DAPAT DIPAHAMI PADA SEBELUMNYA,
DAYA YANG DIHASILKAN ADALAH HASIL KALI DARI TINGGI JATUH
DAN DEBIT AIR; OLEH KARENA ITU BERHASILNYA PEMBANGKITAN
TENAGA AIR TERGANTUNG DARI PADA USAHA UNTUK
MENDAPATKAN TINGGI JATUH AIR DAN DEBIT YANG BESAR
SECARA EFEKTIF DAN EKONOMIS. PADA UMUMNYA DEBIT YANG
BESAR MEMBUTUHKAN FASILITAS DAN UKURAN YANG BESAR.
SEHINGGA DI DALAM PERENCANAAN TURBIN PEMILIHAN
LOKASI ( SITE LOCATION ) MERUPAKAN SUATU KEGIATAN STUDY
DAN PENYELIDIKAN PADA SUATU DAERAH ALIRAN SUNGAI (DAS)
ATAUPUN PADA IRIGASI TERTENTU UNTUK MEMILIH SATU ATAU
BEBERAPA LOKASI/TEMPAT, DIMANA POTENSI AIR YANG ADA
PADA LOKASI TERSEBUT DAPAT DIMANFAATKAN MENJADI DAERAH
11. DAYA GENERATOR.
DAYA OUTPUT DARI SUATU GENERATOR AC ADALAH
DAYA YANG DIRENCANAKAN ATAU DAYA YANG EFEKTIF ( KW ),
DAYA REAKTIF ( KVAR ) DAN DAYA YANG SEMU ( KVA ) YAITU
TEGANGAN PADA SAAT INI ADALAH NOL DAN MERUPAKAN
HARGA ELECTRO MOTOR FORCE ( EMF ) MAKSIMUM.
MAKA SESUAI DENGAN SPESIFIKASI TUGAS YANG
DIRENCANAKAN DALAM PERENCANAAN DARI PADA TURBIN AIR
YAITU, UNTUK MENGGERAKKAN SEBUAH GENERATOR 600 KVA.
SEHINGGA DAYA OUTPUT GENERATOR ADALAH :
DARI PERSAMAAN DAPAT DIPEROLEH DAYA NYATA ( KW ) YAITU
:
DAYA NYATA ( KW ) = DAYA SEMU ( KVA ) X FACTOR DAYA
DENGAN FACTOR DAYA (COS O) = 0,8
MAKA, NG = 600 . 0,8
NG = 480 KW
SEHINGGA DAYA OUTPUT GENERATOR ADALAH 480 KW.
12. DAYA TURBIN.
TURBIN YANG DIRENCANAKAN DIGUNAKAN
UNTUK MENGGERAKKAN GENERATOR DENGAN
KAPASITAS 600 KVA DAN TINGGI JATUH AIR ( HEAD ) 30
METER.
DATA DI ATAS AKAN DITENTUKAN DAYA YANG
DIBANGKITKAN TURBIN DAN KAPASITAS ALIRAN AIR
PENGGERAK TURBIN YANG DIBUTUHKAN. BESARNYA
DAYA YANG DIPERLUKAN UNTUK MENGGERAKKAN
GENERATOR DAPAT DIHITUNG MENURUT PERSAMAAN.
NG = 9,8 ( KW )…………( A )
NT = 9,8 ( KW ).………..( B )
SUBSITUSI PERSAMAAN ( B ) KE PERSAMAAN ( A )
DIDAPAT :
NG = ( KW ) .………( C )
AKIBAT ADANYA TRANSMISI ANTARA POROS TURBIN
DAN POROS GENERATOR MAKA PERSAMAAN ( C )
MENJADI :
NG = ( KW )
HQgt ...
HQt ..
Tg N.
Ttrg N..
13. SEHINGGA,
NT = ( KW )
DIMANA :
NT = DAYA TURBIN
NG = DAYA GENERATOR = 480 KW
= EFFESIENSI GENERATOR = 0,9
= EFFISIENSI TRANSMISI KOPLING FLENS
= 0,95
MAKA DAYA TURBIN :
NT =
= 561,40 KW
= 763,50 HP
NT = 764 HP
DENGAN 1 KW = 1,36 HP.
SEHINGGA DAYA YANG DIBANGKITKAN TURBIN ADALAH
764 HP.
tr
N
g
g
.
g
tr
95,0.9,0
480
14. HEAD EFFEKTIF.
BERDASARKAN SPESIFIKASI TUGAS YANG DIRENCANAKAN
DALAM PEMANFAATAN SUMBER AIR YANG DAPAT DIALIRKAN KE
SUATU LOKASI TERSEBUT TERDAPAT PERBEDAAAN KETINGGIAN
DENGAN ALIRAN SUMBER AIR YANG DIHARAPKAN. AKIBAT
PERBEDAAN KETINGGIAN ( HEAD ) 30 METER, SEBAGAI PENGGERAK
SUDU-SUDU TURBIN DIMANA RODA SUDU-SUDU TURBIN TERSEBUT
DITEMPATKAN DIDEPAN DARI SALURAN AIR YANG LANGSUNG
MENERPA SUDU-SUDU TURBIN.
SALURAN AIR YANG MENERPA SUDU-SUDU TURBIN MAKA,
LOSSES YANG TERJADI ADALAH AKIBAT DARI PANJANGNYA JARAK
SALURAN UNTUK MENERPA SUDU DAN JUGA DIAKIBATKAN
BESARNYA SUDU PENGARAH AIR JATUH. JADI UNTUK
MEMBANGKITKAN TURBIN TERSEBUT YANG BERGUNA ADALAH
HEAD EFFEKTIF.
BESARNYA HEAD EFFEKTIF DAPAT DIPEROLEH DENGAN
MENGURANGI TINGGI JATUH AIR TOTAL ( HEAD TOTAL ) DENGAN
KEHILANGAN TINGGI PADA SALURAN AIR ( HEAD LOSSES ).
PERSAMAAN-PERSAMAAN TERSEBUT DAPAT DITULIS SEBAGAI
BERIKUT : HEAD EFFEKTIF = HEAD ACTUAL – HEAD LOSSES,
DENGAN, HEAD ACTUAL = 30 METER.
15. DIDALAM PERENCANAAN INI KETINGGIAN JATUH AIR (
HEAD ) YANG DAPAT DIMANFAATKAN ADALAH YANG
MEMPUNYAI HEAD SEBESAR 30 METER, MAKA BESARNYA HEAD
LOSSES SEBESAR :
HLS = . HACT, DENGAN HACT = 30 METER
= . 30 M
= 10 METER
KETINGGIAN JATUH AIR EFFEKTIP ( HEFF ) ADALAH :
HEFF = HACT - HLS
= 30 M – 10 M
= 20 METER
3
1
3
1
16. KAPASITAS ALIRAN AIR
BESARNYA KAPASITAS ALIRAN AIR YANG MENGALIR KE
TURBIN DAPAT DIPEROLEH DENGAN MENGGUNAKAN PERSAMAAN
SEBAGAI BERIKUT :
NT = ( HP )
DIMANA :
NT = DAYA TURBIN = 764 HP
= BERAT JENIS AIR = 1000 KG/M3
= EFFESIENSI TURBIN = 0,9
Q = KAPASITAS ALIRAN ( M3/DTK )
HEFF = HEAD EFFEKTIF = 20 ( M )
MAKA :
Q = ( M3/DTK )
=
= 3,18 M3/DTK
JADI BESARNYA KAPASITAS ALIRAN AIR ADALAH 3,18 M3/DTK
75
... efft HQ
t
efft
T
H
N
..
.75
20.9,0.1000
764.75
17. PERENCANAAN INSTALASI PIPA PESAT ( PENSTOCK )
PIPA PESAT ( PENSTOCK ) ADALAH SALURAN YANG DIGUNAKAN
UNTUK MENGALIRKAN AIR UNTUK MENGALIRKAN AIR DARI SUMBER AIR
( HEAD RACE WATER ) KE RUMAH TURBIN. BERDASARKAN TYPE
KONSTRUKSINYA MAKA.
MAKA,PIPA PESAT ( PENSTOCK ) DIBAGI ATAS :
1. CONCRETE PENSTOCK.
2. FIBERGLASS OR PLASTIK PENSTOCK.
3. STEEL PENSTOCK.
4. WOOD STAVE PIPE.
STEEL PENSTOCK LAZIM DI PAKAI DAN DIGUNAKAN KARENA
PEMBUATANNYA MUDAH,KEKUATANNYA YANG TINGGI SEHINGGA
TAHAN LAMA DAN DIPRODUKSI DALAM UKURAN – UKURAN YANG
BERVARIASI. DALAM PERENCANAAN INI DPILIH STEEL PENSTOCK.
INSTALASI PIPA YANG DIRENCANAKAN ;
H1 = TINGGI AIR MASUK DI BAWAH HEAD RACE 6 M.
H3 = TINGGI SISI AIR KELUAR DI ATAS TAIL RACE 1,5 M.
L1 = PANJANG PIPA DARI RESERVOIR ATAS 7 M.
L2 = PANJANG PIPA BAWAH KEPUSAT TURBIN 5 M.
18. SECARA TRIGONOMETRI DAPAT DIHITUNG PANJANG
L2 :
L2 = DENGAN SUDUT
= 30
=
= 45 M
SEHINGGA PANJANG PIPA PESAT ( PENSTOCK )
KESELURUHAN ADALAH :
L = L1 + L2 + L3
= ( 7 M + 45 M + 5 M )
= 57 M
sin
31 hhH
30sin
5,1630 mmm
19. DIAMETER PIPA PESAT
BESARNYA DIAMETER PIPA PESAT ( PENSTOCK ) DIHITUNG
DENGAN MEMPERGUNAKAN PERSAMAAN RUMUS :
Q =
DIMANA : N = KOEFISIEN KEKASARAN SALURAN,
BESARNYA TERGANTUNG DARI BAHAN
PIPA.
= 0,012 ( BAHAN PIPA BAJA LAS )
Q = KAPASITAS ALIRAN AIR.
D = DIAMETER PIPA PESAT ( PENSTOCK )
S = SLOPE OF HYDRAULIC GRADIENT.
DENGAN, S =
2/13/8
..
4
.
3968,0
SD
n
L
Hls
20. JIKA, HLS = HEAD LOSSES = 10 M
L = PANJANG PIPA PESAT 57 M
MAKA, S =
= 0,175M
SEHINGGA PERSAMAAN DIATAS DAPAT DIPEROLEH BESARNYA
DIAMETER PIPA PESAT ( PENSTOCK ) :
3,18 =
D8/3 =
D = 0,293 M
DARI DIAMETER PIPA PESAT (PENSTOCK) DIPILIH STANDART
PIPA ASA B.36. 10-1939, MAKA UKURAN TERSEBUT ADALAH :
SCHEDULE 40. DIAMETER LUAR ( DO ) = 24”
DIAMETER DALAM ( DI ) = 23,313”
TEBAL PIPA ( T ) = 0,687”
m
m
57
10
3/82/1
.)175,0.(
4
.
012.0
3968,0
D
85,10
18,3
21. KECEPATAN ALIRAN AIR.
BESARNYA KECEPATAN ALIRAN AIR DIDALAM
PIPA DIPEROLEH DARI PERHITUNGAN BERIKUT ;
V =
DENGAN, Q = KAPSITAS ALIRAN = 3,18 M3
D = DIAMETER DALAM PIPA =
23,313”
= 0,592 M
MAKA, V =
= 11,55 M/DTK
2
.4/ D
Q
2
3
)592,0.(4/
18,3
m
22. PUTARAN TURBIN
KECEPATAN POROS DARI PADA TURBIN DIBATASI, DAN
BERKISAR ANTARA ( 125 – 750 ) RPM. PUTARAN TURBIN DAPAT
DITENTUKAN BERDASARKAN PERSAMAAN DARI SPEED RATIO
SEBAGAI BERIKUT :
= 0,8
SEADANGKAN ;
D.N =
DIMANA,
D = DIAMETER MASUK SISI RUNNER
N = PUTARAN RUNNER ( RODA TURBIN )
G = PERCEPATAN GRAVITASI ( 9,81 M/DET2 )
HEFF = TINGGI JATUH EFFEKTIF ( 20 M )
MAKA DAPAT DIPEROLEH ;
D.N =
= 304
60
.. nD effHg..2
effHg..28,0.60
14,3
20.81,9.28,0.60 m
23. UNTUK HARGA-HARGA “N” SELANJUTNYA, BESARNYA D1 AKAN
DAPAT DITABELKAN BERIKUT INI :
TABLE .2. HUBUNGAN PUTARAN TURBIN DENGAN DIAMETER
RUNNER SISI MASUK.
Putaran Turbin
n = rpm
Diameter Runner
D1 = m
125
225
300
350
400
500
550
600
650
700
750
3,59
1,99
1,50
1,28
1,12
0,90
0,82
0,75
0,69
0,64
0,60
24. PUTARAN TURBIN BERKISAR ANTARA 125 –
750 RPM MAKA DENGAN MEMILIH PUTARAN “N”
DIDAPAT DIAMETER D1 AKAN TERTENTU. MISALNYA
UNTUK N = 125 RPM.
MAKA DIDAPAT ;
D1 =
= 2,43 M
DARI TABLE DI ATAS DAPAT DILIHAT UNTUK
PUTARAN TURBIN YANG LEBIH KECIL MAKA,
DIAMETER RUNNER AKAN LEBIH BESAR, SEDANGKAN
PADA PUTARAN YANG BESAR AKAN KECIL.
MAKA PERENCANAAN INI DIPILIH YANG
SESUAI ATAU MENDEKATI DENGAN DIAMETER ALIRAN
DARI PADA PIPA PESAT (PENSTOCK).
SEHINGGA DIPILIH :
- PUTARAN TURBIN ( N ) = 225
RPM
- DIAMETER RUNNER ( D1 ) = 20 MM
rpm
m
125
304
25. PUTARAN GENERATOR TURBIN
DALAM HAL INI, PUTARAN GENERATOR TURBIN ADALAH
MERUPAKAN FUNGSI HUBUNGAN DARIPADA FREKUWENSI
DENGAN JUMLAH PASANG KUTUB DARI GENERATOR ITU SENDIRI.
SEDANGKAN FREKWENSI YANG UMUMNYA DIPAKAI DI INDONESIA
ADALAH 50 HZ MAKA DALAM BENTUK PERSAMAAN DAPAT DI
TULIS :
NG =
DENGAN, NG = KECEPATAN PUTAR GENERATOR
F = FREKWENSI, HZ
P = JUMLAH PASANG KUTUB GENERATOR
P
f.120
26. KECEPATAN PUTAR GENERATOR UNTUK BEBERAPA KONDISI
DAPAT DILIHAT PADA TABLE .3. BERIKUT;
Jumlah Kutub 50 ( Hz ) 60 ( Hz )
6
8
10
12
14
16
18
20
24
28
32
36
40
48
56
64
72
80
88
1.000
750
600
500
429
375
333
300
250
214
188
167
150
125
107
94
83
75
68
1.200
900
720
600
514
450
400
360
300
257
225
200
180
150
129
113
100
90
82
27. DARI TABLE DI ATAS TERLIHAT BAHWA MAKIN BANYAK
JUMLAH KUTUB MAKIN RENDAH PUTARAN GENERATOR, SEBAIKNYA
JUMLAH KUTUB SEDIKIT PUTARAN GENERATOR MAKIN TINGGI.
PUTARAN GENERATOR PERLU DIPERTIMBANGKAN DIDALAM
PEMILIHAN SEBAGAI BERIKUT ;
1.JIKA PUTARAN TINGGI :
JUMLAH KUTUB SEDIKIT, MAKA GENERATOR AKAN SEMAKIN
RINGAN/KECIL DAN LEBIH KOMPAK DAN EKONOMIS.
TURBIN AKAN LEBIH KECIL.
JIKA TURBIN DAN GENERATOR KECIL MAKA, PEMBUATANNYA
AKAN LEBIH MUDAH NAMUN MEMBUTUHKAN BAHAN MATERIAL
YANG LEBIH KUAT.
2.JIKA PUTARAN RENDAH ;
JUMLAH KUTUB BANYAK MAKA, GENERATOR AKAN LEBIH BERAT
DAN TIDAK EKONOMIS.
TURBIN DAN GENERATOR RELATIVE BESAR, MAKA PASANGAN
KUTUB AKAN LEBIH BANYAK.
GAYA CENTRIFUGAL YANG TIMBUL KECIL.
DIMANA POROS TURBIN DIKOPEL LANGSUNG MEMAKAI
KOPLING FLENS TEMPA MAKA DIPILIH ;
KECEPATAN PUTAR GENERATOR ( NG ) = 750 RPM.
JUMLAH PASANG KUTUB ( P ) = 4 PASANG ( 8 BUAH ).
28. PUTARAN SPESIFIK TURBIN
DARI PERSAMAAN ( 10 ) DAPAT DIPEROLEH :
NS = ( RPM )
DARI ANALISA SEBELUMNYA TELAH DIDAPAT :
NT = DAYA TURBIN = 764 HP
H = TINGGI JATUH EFFEKTIF = 20
M
N = PUTARAN TURBIN = 225 RPM
MAKA, NS =
= 145,13 RPM ( METRIC )
4/5
H
Nn T
4/5
)20(
764225 Hprpm
29. TIPE PENGGUNAAN HEAD
· KAPLAN 2<H<40 (H=HEAD DALAM METER)
· FRANCIS 10<H<350
· PELTON 50<1300
· TURGO 50<H<250
30.
31. ns (rpm) SI Jenis Turbin
4 – 5
17 – 50
24 – 70
80 – 120
120 – 220
220 – 350
350 – 430
300 – 1000
Pelton dengan 1 nosel
Pelton dengan 2 nosel
Pelton dengan 4 nosel
Francis dengan putaran rendah
Francis dengan putaran normal
Francis dengan putaran tinggi
Francis dengan putaran ekspress
Propeler dan Kaplan
32. KECEPATAN SPESIFIK
, N = RPM
, Ω = KECEPATAN SUDUT (RADIAN/DETIK)
4/5
H
P
nns
4/5
/
gH
P
Ns
Gambar diadaptasi dari European Community's Layman's Guidebook
(on how to develop a small hydro site)
