5
BAB II
TINJAUN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
Marthin, dkk. (2014) melakukan penelitian tentang analisa pada pemanenan
air hujan dan pemanfaatannya untuk pembangkit listrik tenaga picohydro.
Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan air hujan yang terbuang percuma
untuk dijadikan sebagai sumber pembangkit tenaga listrik. Konsep yang dibawa
adalah dengan menggunakan sistem pemanenan air hujan (rainwater
harvesting/RWH) yang ditampung terlebih dahulu dalam baik air yang kemudian
didistribusikan kedalam rumah turbin melalui saluran pipa. Turbin yang dipilih
dalam penelitian ini adalah jenis turbin pelton dengan sistem kerja menggunakan
nozzle untuk menambah tekanan aliran air. Hasil dari pengujian menunjukkan
bahwa sistem turbin tersebut menghasilkan efisiensi sebesar 78 %.
Chen, dkk (2012) melakukan penelitian tentang turbin air poros vertikal
(vertical axis water turbine) untuk pembangkit listrik pada pipa saluran air. Dalam
penelitian ini telebih dahulu dilakukan simulasi komputasional dinamika fluida dan
pengujian dalam skala lab. Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan aplikasi
ANSYS CFD guna untuk mengetahui performa dari turbin air dan karakteristik
aliran air yang ada didalam pipa saluran tersebut. Setelah dilakukan simulasi,
kemudian beberapa prototipe dibuat dan diuji guna untuk mengukur power output
aktual dan membandingkan dengan hasil simulasi. Hasil dari penelitian ini
menunjukkan bahwa hasil yang diperoleh dari simulasi dapat menjadi panduan
yang baik dalam mendesain rotor atau turbin, walaupun terdapat perbedaan antara
hasil simulasi dengan pengujian.
Myint dan Win (2014) melakukan penelitian tentang desain dan simulasi
aliran pada blade turbin propeller dengan menggunakan aplikasi flow simulation
solidowrks. Parameter yang digunakan dalam penelitian tersebut adalah ketinggian
jatuh air (head) dan mass flow rate yang digunakan sebagai parameter masukkan.
6
6
Ketinggian jatuh air (head) yang digunakan dalam penelitian ini adalah
sebesar 1,5 m, sementara untuk mass flow rate adalah sebesar 1,499 m3/s. Hasil
yang dicapai dalam penelitian tersebut adalah berupa distribusi kecepatan turbin
yaitu sebesar 10,949 m/s.
Gambar 2.1. Distribusi Kecepatan pada Turbin Propeller
(Sumber: Myint, 2014)
Souari, dkk (2013) melakukan penelitian tentang Simulasi Numerik aliran
pada putaran bucket turbin pelton. Metode komputasi yang digunakan dalam
penelitian ini adalah dengan menggunakan sliding mesh yang diterapkan dengan
FLUENT. Karakteristik utama yang diteliti adalah tekanan statis yang terkena pada
dinding bucket dan pergeseran lapisan air. Hasil yang didapat dalam penelitian ini
adalah ploting lapisan air yang mengenai bucket dengan beberapa variasi sudut
tembakan air. Selain dari pada itu hasil lain yang diperoleh adalah berupa ploting
tekanan statis yang terkena pada bucket dengan jumlah variasi yang sama. Dari
kedua hasil tersebut kemudian dibandingkan antara variasi yang satu dengan yang
lain untuk mencari variasi yang terbaik. Variasi yang terbaik didapatkan pada
bucket dengan sudut tembakan sebesar 80°, dimana pada posisi ini tekanan statis
yang didapatkan adalah yang paling besar.
Nuantong, dkk (2009) melakukan penelitian mengenai efek tekanan dan
kecepatan dari aliran fluida pada sudu turbin yang ditujukan untuk meningkatkan
efisiensi turbin air tersebut. Studi yang dilakukan pada penelitian ini adalah flow
simulation dengan menggunakan software Fluent. Turbin air yang digunakan dalam
penelitian ini adalah jenis hydro bulb turbine dengan sudu berjumlah lima dan
7
berputar pada 980 rpm. Ketinggian jatuh air yang diaplikasikan dalam penelitian
ini adalah sebesar 21 m. Sudut sirip pengarah (guide vane) menjadi parameter
variasi turbin yaitu sebesar 60°, 65°, dan 70°, dengan sudut twist turbin sebesar 25°
dan sudut sudu turbin sebesar 32°. Hasil yang didapatkan dalam penelitian ini
adalah tekanan maksimum dan tekanan minimum dari sertiap masing-masing
variasi turbin. Tekanan maksimum secara berurutan didapatkan sebesar 213 kPa,
217 kPa dan 207 kPa, sedangkan tekanan minimum sebesar -473 kPa, -465 kPa dan
-581 kPa. Selain dari pada itu juga didapatkan plot distribusi tekanan dan aliran
fluida pada turbin tersebut.
Gambar 2.2. Distribusi Tekanan pada turbin dengan sudut sirip pengarah 70°
(Sumber: Nuantong, 2012)
Gambar 2.3. Distribusi Kecepatan pada turbin dengan sudut sirip pengarah 70°
(Sumber: Nuantong, 2012)
Masjuri Musa, dkk. (2011) Melakukan penelitian tentang analisa CFD pada
turbin picohydro yang hemat biaya, dimana dalam penelitian ini dilakukan pada
kondisi head dan flow rate yang rendah. Evaluasi dalam penelitian ini lebih
berdasarkan pada parameter blade (sudu) guna untuk meningkatkan performa yang
sudah ada pada sebelumnya. Dalam penelitian ini lebih berfokus pada variasi hub
to tip ratio dan jumlah blade (sudu) yang digunakan. Nilai hub to tip ratio yang
digunakan sebagai parameter antara 0,4 – 0,7, sedangkan jumlah sudu yang
digunakan ada empat variasi yaitu 3, 4, 5 dan 6. Analisa simulasi pada setiap variasi
8
turbin dilakukan untuk mencari kecepatan arus optimum dan daya ouput yang
diperoleh. Hasil penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa sistem turbin
dengan nilai hub to tip ratio yang paling rendah yaitu 0,4 dengan jumlah sudu paling
sedikit yaitu 3 sudu, memberikan performa yang terbaik untuk turbin axial-flow.
2.2. Dasar Teori
2.2.1. Pembangkit Listrik Tenaga Picohydro (PLTPH)
Pembangkit listrik tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga potensial
dan kinetik dari air menjadi energi listrik melalui sebuah turbin dan generator.
Daya teoritis yang dihasilkan oleh generator diperoleh dari hasil perkalian antara
efisiensi turbin dan generator. Daya yang dihasilkan juga sangat dipengaruhi oleh
tinggi jatuh (head) dan debit air. Oleh sebab itu keberhasilan dari suatu pembangkit
listrik tenaga air sangat tergantung pada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air
dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis.
Pembangkit listrik tenaga air terdapat beberapa klasifikasi, salah satunya
adalah pembangkit listrik tenaga picohydro (PLTPH). Pembagian jenis pembangkit
listrik tenaga air tersebut didasarkan pada daya keluaran yang dihasilkan.
Pembangkit listrik tenaga picohydro merupakan pembangkit listrik tenaga air yang
menghasilkan daya keluaran maksimum 5 kW. Berikut ini merupakan klasifikasi
jenis-jenis pembangkit listrik tenaga air menurut daya keluaran yang dihasilkan
Tabel 2.1 Klasifikasi daya keluaran dari sistem pebangkit listrik tenaga air
( Sumber : Williams & Porter, 2006)
Clasification Power Output
Large > 100 MW
Medium 10 – 100 MW
Small 1 – 10 MW
Mini 100kW – 1 MW
Micro 5 – 100 Kw
Pico < 5 Kw
2.2.2. Turbin Air
Dalam suatu sistem pembangkit listrik tenaga air turbin merupakan peralatan
yang memepunyai peran sangat penting. Turbin berfungsi untuk mengubah energi
9
potensial dan kinetik air menjadi energi puntir. Energi puntir inilah yang akan
dikonversi menjadi energi listrik oleh generator.
a. Jenis – Jenis Turbin
Turbin air dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis turbin, yaitu turbin implus dan
turbin reaksi. Klasifikasi ini lebih berdasarkan pada cara turbin tersebut dalam
merubah energi dari air.
Turbin Implus
Turbin implus adalah turbin yang seluruh energi-tersedia di dalam alirannya
diubah oleh nosel menjadi energi kinetik pada tekanan atmosfer sebelelum
fulida menyentuh sudu-sudu yang bergerak. Yang termasuk dalam
klasifikasi turbin implus adalah turbin pelton dan crosflow (Victor L.
Streeter & E Benjamin Wylie, 1985).
Turbin Reaksi
Turbin reaksi sangat berlainan dengan turbin implus, dalam turbin reaksi
hanya sebagian energi fluida yang diubah menjadi energi kinetik dengan
mendalirnya fluida melalui pintu-pintu krepyak yang dapat disetel sebelum
memasuki rotor, dan pengubahan selebihnya terjadi didalam rotor. Yang
termasuk dalam klasifikasi turbin reaksi adalah turbin francis, turbin
propeler, dan turbin kalpan. (Victor L. Streeter & E Benjamin Wylie, 1985).
b. Seleksi Awal Jenis Turbin
Pemilihan turbin yang akan digunakan merupakan suatu proses yang penting
didalam merancang sistem pembangkit listrik tenaga air. Pada umumnya pemilihan
tersebut didasarkan pada keadaan lokasi dimana akan diaplikasikannya sistem
pembangkit tersebut. Ketinggian jatuh (head) dan laju aliran massa (mass flow rate)
air merupakan parameter yang biasanya digunakan untuk pemilihan turbin pada
tahap awal.
Berikut ini merupakan gambar grafik sebagai acuan dalam pemilihan turbin
berdasarkan head dan mass flow rate:
10
Gambar 2.4. Grafik Aplikasi Turbin
(Sumber: Water turbine chart; 2012)
1) Turbin Kaplan
Turbin Kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu
dibawah 20 meter. Teknik mengkorvesikan energi potensial air menjadi
energi mekanik roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan
kecepatan air. Roda air turbin kaplan menyerupai baling-baling dari
kipas angin, (Djiteng Marsudi).
Gambar 2.5. Turbin Kaplan
(Sumber: Courtesy Sulzer Hydro Ltd., Zurich)
11
2) Turbin Francis
Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini
digunakan untuk tinggi terjun sedang, yaitu antara 20 – 400 meter.
Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik
pada roda air turbin dilakukan melalui proses reaksi sehingga turbin
Francis termasuk dalam turbin reaksi, (Djiteng Marsudi).
Gambar 2.6. Turbin Francis
(Sumber: Permission Granted to Copy Under the Terms of the GNU Free
Documentation License)
3) Turbin Pelton
Turbin Pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu diatas
300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi
energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses implus
sehingga turbin Pelton juga disebut sebagai turbin implus, (Djiteng
Marsudi).
Gambar 2.7. Turbin Pelton
(Sumber: Courtesy Sulzer Hydro Ltd., Zurich)
12
4) Turbin Cross Flow
Turbin cross flow adalah turbin air yang akhir-akhir ini dikembangkan
untuk debit air yang besarnya mencapai 30 m3/detik. Konstruksi turbin
ini digambarkan pada gambar dibawah, dan tampak bahwa roda air
turbin cross fl.ow panjang yang berfungsi menangkap air yang terjun
dari sungai. Panjangnya roda air ini tergantung pada bnyak sedikitnya
air yang akan ditangkap, (Djiteng Marsudi).
Dari berbagai jenis turbin konvensional yang ada, turbin kaplan merupakan
satu-satunya turbin yang dapat diaplikasikan dalam penelitian ini, karena hanya
membutuhkan head kurang dari 20 m. Namun jika dilihat dari sisi flow rate yang
dibutuhkan yaitu sebesar 0,01917 m3/s tidak ada satu pun turbin yang dapat
diaplikasikan dalam penelitian ini. Selain dari pada itu yang menjadi kendala dari
semua turbin tersebut adalah akan dipasang di dalam saluran pipa, sehingga akan
sedikit sulit untuk membuat instalasinya. Mengacu pada penelitian yang dilakukan
oleh Chen (2013) ia menggunakan turbin dengan tipe drag yang juga dipasang
dalam saluran pipa. Oleh karena itu dalam penelitian ini juga akan menggunakan
turbin dengan tipe drag dengan pertimbangan head dan kemudahan dalam instalasi.
Dalam pengkajian turbin angin, istilah Drag-type turbine adalah sebutan lain dari
Savonius rotor turbine. Berikut ini merukapan model dari turbin tipe drag.
Gambar 2.8. Solid dan hollow Drag-type Turbine
(Sumber: Chen, 2013)
13
2.2.3. Perhitungan Torsi Turbin
Torsi atau momen puntir merupakan komponen yang sangat penting untuk
menentukan daya keluaran dari suatu turbin. Nilai torsi didapatkan dari gaya
tangensial yang bekerja pada sudu turbin dikalikan dengan jari-jari rata-rata dari
turbin. (Fritz Dietzel, 1986)
Gambar 2.9. Gaya yang bekerja pada turbin
2.2.4. Komputasi Dinamika Fluida/Computational Dynamics Fluid (CFD)
Komputasi Dinamika Fluida biasanya disingkat sebagai CFD (Computational
Dynamics Fluid), merupakan suatu teknologi komputasi yang memungkinkan anda
untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. CFD
adalah cabang dari mekanika fluida yang menggunakan metode numerik dan
algoritma untuk memecahkan dan menganalisis masalah yang melibatkan dari
aliran fluida tersebut. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara
memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia dan fenomena lainnya
dengan menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika).
Pada analisis ini komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang
diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang
didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil
analisis yang lebih baik dapat dicapai, (Erwin ST., MT, dkk, 2014).
14
2.2.5. Flow Simulation Solidworks
Flow Simulation Solidworks adalah sebuah perangkat yang tersedia dalam
software solidworks yang digunakan untuk menganalisa aliran fluida guna untuk
memperoleh persamaan Navier-Stokes dari gerakan fluida tersebut, (John E
Matsson, Ph.D, 2014). Berikut ini adalah bagan alir dari tahap-tahap dalam
menggunakan Flow Simulation Solidworks:
Gambar 2.10. Flowchart analisa aliran fluida menggunakan Flow Simulation SolidWorks
(Sumber: John E Matsson, Ph.D, 2014)
Model the Part or Assembly in SolidWorks
Report
Set Up a Flow Simulation Project
Initialize the Mesh
Calculation Control Options
Insert Boundary Conditions
Choose Goals
Run Calculations
Acceptable
Solution ?
View Results
Refine Mesh
15
2.2.6. Permodelan Numerik
2.2.6.1. Computational Domain
Computational Domain merupakan suatu batas wilayah yang digambarkan
dengan prisma persegi panjang yang menyelimuti daerah perhitungan aliran dan
perpindahan panas dilakukan, (John E Matsson, Ph.D, 2014).
Pembuatan computational domain dengan Flow Simulation Solidworks
2014 dalam penelitian ini dilakukan pada seluruh rumah turbin dan sepanjang
sambungan pipa. Sehingga perhitungan yang akan dilakukan dalam simulasi adalah
pada seluruh volume air yang melewati pipa dan rumah turbin. Berikut ini
merupakan gambar computational domain pada permodelan rangkaian rumah
turbin dan sambungan pipa.
Gambar 2.11. Computational Domain
2.2.6.2. Computational Mesh dan Boundary Conditions
a. Computational Mesh
Computational mesh didalam flow simulation solidworks 2014 diibagun
secara otomatis berdasarkan dari computational domain yang telah dibuat
sebelumnya. Flow simulation solidworks 2014 mempunyai pilihan mesh yang
berupa tingkatan yaitu tingkat 1 sampai dengan 8. Semakin tinggi tingkatan yang
dipilih maka semakin akurat pula hasil yang akan didapatkan. Berikut ini
merupakan gambar meshing dari model rumah turbin dan sambungan pipa.
16
Gambar 2.12. Computational Mesh
b. Boundary Conditions
Sebuah kondisi batas (boundary conditions) diperlukan di setiap area di
mana terdapat aliran fluida masuk atau keluar model. Sebuah kondisi batas dapat
diatur dalam bentuk Tekanan, Mass Flow Rate, Volume Flow Rate atau Kecepatan.
Anda juga dapat menggunakan dialog Boundary Conditions dalam Flow Simulation
Solidworks 2014 untuk menentukan kondisi Ideal Wall pada sistem adiabatik,
Frictionless wall atau kondisi Real Wall untuk mengatur kekasaran dinding
dan/atau suhu dan/atau koefisien konduksi panas pada permukaan model yang
dipilih, (John E Matsson, Ph.D, 2014).
Kondisi batas (boundary conditions) yang akan diterapkan dalam penelitian
ini terdapat dua macam yaitu kondisi batas saluran masuk dan kondisi batas saluran
keluar. Kondisi batas saluran masuk diatur dalam bentuk Volume Flow Rate,
dimana sebagai parameter acuan dalam penelitian ini. Sedangkan untuk kondisi
batas saluran keluar diatur dalam bentuk Tekanan. Terdapat beberapa macam
pilihan tekanan dalam Flow Simulation Solidworks 2014, namun yang paling
dianjurkan adalam tekanan lingkungan (Environment pressure). Kondisi Tekanan
Lingkungan ditafsirkan sebagai tekanan statis untuk arus keluar dan sebagai
tekanan total untuk arus masuk.