5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi Air
Indonesia memiliki banyak sekali keindahan gunung-gunung dan laut yang tersebar di
seluruh wilayah Indonesia. Pembangkit listrik ramah lingkungan yang seharusnya teknologinya
bisa kita kuasai sebagai pembangkit listrik masa depan di Indonesia adalah pembangkit listrik
tenaga air (PLTA). Indonesia memiliki banyak sekali potensi aliran energi air yang bisa
dimanfaatkan untuk dijadikan sumber energi listrik baru. Biasanya sumber energi air ini terdapat
di daerah pegunungan atau tempat tinggi lainnya.
Cara paling mudah untuk mendapatkan energi listrik dari aliran air adalah dengan
menggunakan baling-baling. Kecepatan aliran air dari tempat yang tinggi dimanfaatkan
sedemikian rupa sehingga bisa menggerakan baling-baling air tersebut untuk mengubah energi
aliran menjadi energi gerak untuk menggerakan generator dan menghasilkan listrik. Pada artikel
kali ini, akan coba dipaparkan tentang jenis-jenis pembangkit listrik tenaga air (PLTA) yang
umum digunakan hingga saat ini. Semoga artikel ini dapat memberikan inspirasi untuk
mengembangkan segala potensi tenaga air yang ada di Indonesia.
Gambar 2.1. Prinsip Kerja Turbin Air
2.2 Jenis – jenis PLTA
2.2.1 PLTA jenis terusan aliran sungai (run-of-river)
6
PLTA jenis ini memanfaatkan aliran sungai secara alami untuk menghasilkan energi
listrik. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2, air di hilir sungai dimanfaatkan sedemikian rupa
tanpa mengganggu aliran sungai ke hulu. Energi listrik yang dihasilkan sebanding dengan jumlah
volume air perdetik yang mengalir. Sehingga saat sungai kering tidak ada air, generator tidak
bisa menghasilkan energi listrik. Namun keuntungan dari PLTA tipe ini adalah biaya
konstruksinya yang murah dan pembangunannya yang sederhana. PLTA tipe ini cocok dibangun
pada sungai-sungai besar di Indonesia yang lokasinya masih terisolasi dan bertujuan untuk
mendapatkan sumber energi listrik yang ramah lingkungan dengan segera.
Gambar 2.2. PLTA terusan aliran sungai (run-on-river)
2.2.2 PLTA dengan kolam pengatur (regulatoring pond)
PLTA jenis ini menggunakan bendungan yang melintang disungai, yang bertujuan untuk
menaikkan permukaan air dibagian hulu sungai guna membangkitkan energi potensial yang lebih
besar sebagai pembangkit listrik. PLTA jenis ini memiliki efisiensi yang lebih baik daripada
PLTA tipe terusan aliran sungai.
Dengan menggunakan cara seperti ini, kita juga dapat mengatur aliran sungai per hari
ataupun per minggu untuk membangkitkan listrik sesuai dengan kebutuhan beban. Karena bisa
7
mengatur aliran sungai, PLTA jenis ini bisa digunakan sewaktu-waktu untuk memenuhi
kebutuhan sumber energi pada saat beban puncak.
Gambar 2.3. PLTA dengan kolam pengatur (regulatoring pond)
2.2.3 PLTA dengan menggunakan waduk (reservoir)
PLTA tipe ini mirip dengan prinsip PLTA yang menggunakan kolam pengatur. Cuma
disini dibuatkan sebuah waduk yang dapat menampung air dalam jumlah besar, sehingga
kapasitas pembangkitan energi listrik PLTA juga menjadi lebih besar lagi. Waduk ini biasanya
berbentuk hampir seperti danau buatan, atau dapat dibuat dari danau asli sebagai penampung air
hujan sebagai cadangan untuk musim kemarau. PLTA jenis banyak terdapat di negara-negara
yang memiliki curah hujan sedikit, hanya 2-3 bulan saja, atau negara 4 musim.
Sayangnya pembuatan PLTA yang menggunakan bendungan ini selain menghabiskan tanah dan
modal yang besar. terkadang bisa menyebabkan perubahan atau kerusakan lingkungan yang
fatal.
8
Gambar 2.4. PLTA yang menggunakan bendungan
2.2.4 PLTA jenis pompa – generator (pomped storage)
PLTA jenis ini membutuhkan dua buah kolam pengatur. Saat kebutuhan listrik
meningkat, air akan dialirkan dari kolam pengendali atas dan ditampung di kolam pengendali
yang bawah. Energi potensial aliran air inilah yang dimanfaatkan menjadi energi listrik.
Sedangkan saat beban minimal, listrik yang dihasilkan pembangkit listrik lain digunakan untuk
memompa balik air ke kolam penampung diatas untuk digunakan kembali saat dibutuhkan.
Di Indonesia pembangkit ini cocok dikembangkan karena pada saat malam hari, semua
orang serempak menggunakan listrik sehingga beban melonjak secara seketika, sedangkan siang
hari hanya sedikit orang yang menggunakan listrik. Pembangkit ini bertujuan untuk menyimpan
energi listrik sisa yang dibangkitkan. Sisa listrik yang dibangkitkan oleh PLTU lainnya
digunakan untuk memompa air dan digunakan saat beban puncak di malam hari.
9
Gambar 2.5. PLTA pompa – generator (pomped storage)
2.2.5 PLTA Hydroseries
Konsep PLTA ini adalah dengan memanfaatkan aliran sungai yang panjang dan deras
dari ketinggian tertentu. Dimana sepanjang aliran sungai terdapat lebih dari satu bendungan yang
diseri pada ketinggian tertentu untuk menghasilkan energy listrik yang lebih optimal.
Sebagai objek berada di Desa Suwangi kecamatan Sakra, Lombok Timur, Nusa
Tenggara Barat. Desa ini adalah desa transmigrasi yang sejak berdirinya (1998) hingga kini
(2013) masih belum maksimal teraliri listrik. Namun memiliki sumber air yang sangat potensial
untuk dijadikan sebagai sumber energi pembangkit listrik tenaga air skala kecil Studi kelayakan
sebenarnya sudah dilakukan oleh Dinas Pertambangan dan Energi Provinsi NTB pada tahun
2008 dan terbilang layak untuk dibangun sebuah PLTB.
10
Gambar 2.6. Bendungan Pandan Duri di Desa Suwangi kec. Sakra, Lombok Timur
Gambar 2.7. Saluran Irigasi Pandan Duri di Desa Suwangi kec. Sakra, Lombok Timur
Gambar 2.8. Peta lokasi Pandan Duri di Desa Suwangi kec. Sakra, Lombok Timur
Bendungan Pandan Duri didesa Suwangi digunakan sebagai penyedia air untuk irigasi
dibidang pertanian, air yang cukup melimpah selain digunakan untuk keperluan irigasi dapat
11
juga digunakan sebagai sumber tenaga listrik. Tenaga listrik dapat diperoleh melalui turbin air
yang nantinya energi listrik tersebut dapat bermanfaat untuk warga sekitar.
2.3 Karakteristik Turbin
Turbin air adalah suatu pesawat tenaga, dimana air merupakan media pokok sebagai sumber
energi yang di ubah sedemikian rupa sehingga didapatkan energi mekanis. Adapun uraian
singkat dari blok diagram konversi energinya dapat digambarkan seperti dibawah ini.
Energi
Potensial
Energi
Kinetik
Energi
Mekanis
Dimana dapat diuraikan sebagai berikut : air mengalir dari tempat yang tinggi menuju ke
tempat yang lebih rendah, dalam hal ini air memiliki energi potensial. Dalam proses aliran dalam
pipa, energi potensial tersebut berangsur – angsur berubah menjadi energi kinetik. Dalam turbin
air, energi kinetik air diubah menjadi energi mekanis, dimana air yang menumbuk sudu-sudu
pada turbin untuk memutar roda turbin.
Turbin air di sebut juga sebagai pesawat air, dimana air dapat dikatakan secara langsung
memutar poros pada rotor, jadi bertentangan atau berbeda dengan motor bakar atau mesin uap,
dimana diperlukan hubungan antara peralatan gerak untuk mengembangkan momen putar.
Adapun bagian-bagian utama dari turbin air adalah sebagai berikut :
a. Rotor adalah bagian yang berputar yang terdiri atas poros, disc dan sejumlah sudu. Pada
sudu-sudu inilah energi kinetik air diubah menjadi energi mekanis.
b. Stator adalah bagian yang diam, terdiri dari rumah turbin dan beberapa sudu tetap / nozzle.
Adapun Karakteristik dari turbin air adalah :
12
2.3.1 Kecepatan Spesifik (ns)
Kecepatan spesifik (specific speed) adalah kecepatan turbin model yang bekerja pada
tinggi jatuh 1 meter dan menghasilkan daya – output 1 Hp.
Rumusannya adalah sebagai berikut :
√
Dimana : n = Putaran turbin (rpm)
Q = Kapasitas (
)
H = Head (m)
2.3.2 Efisiensi Turbin
Setiap jenis turbin dan setiap kecepatan jenis masing-masing mempunyai effesiensi yang
berbeda-beda, seperti terlihat dalam gambar (2.15). Tabel (2.3). dan (2.4). Memperlihatkan
lengkungan effesiensi ( untuk setiap roda putar pada turbin Francis dan satu nozzle pada turbin
Pelton), dengan daya keluar masing-masing 2500 Kw dan 10000 Kw.
13
Gambar 2.9. Efisiensi Turbin Menurut Jenis Turbin dan Daya Keluarnya (Sumber :
Lal, Jagdish, 1975)
Table 2.1. Efisiensi Turbin Pelton( Sumber : Lal, Jagdish, 1975)
Diameter Total/Diameter 8 10 12 16
Pada Daya Maksimum (%) 85 87 87,5 87,5
Pada Efisiensi Maksimum (%) 86 88,5 89,5 89,5
Table 2.2. Efisiensi Turbin Francis dan Turbin Kaplan
ηs 6 90 IN 15 190 250 30 350 400 45 56 660
Pada daya max (%) 8 88 88 89 89 88,5 87 88 88: 88,8 89 87,5
Pada efisiensi max (%)
8 90 90 91 91 91 40 90 90,5 90;8 91 90
(Sumber : Lal, Jagdish,1975)
14
2.3.3 Perubahan Debit air dan Efisiensi dengan Perubahan Kecepetan
Untuk turbin pelton akan mempengaruhi debitnya. Hal ini disebabkan karena kecepatan
aliran pada mulut pancaran akan berubah sesuai dengan berubahnya kecepatan. Perubahan
kecepatan akan sedikit mempengaruhi debitnya. Perubahan debit yang sangat kecil sesuai dengan
kecepatan jenis turbin. Untuk turbin aliran diagonal dan turbin jenis baling – baling ( propeller )
perubahan kecepatan sangat besar pengaruhnya pada perubahan debit. Perubahan kecepatan akan
mempengaruhi besarnya efisiensi turbin. Oleh karna itu turbin selalu dibuat sedemikian rupa
hingga dicapai efisiensi yang tinggi pada kecepatan yang telah di tetapkan. Bertambah atau
berkurangnya efisiensi karena perubahan kecepatan diperlihatkan dalam gambar (2.10).
Gambar 2.10. Efisiensi dan Debit Sebagai Fungsi Perubahan Kecepatan (Sumber :
Lal, Jagdish, 1975)
2.3.4 Perubahan Debit, Efisiensi dan Daya dengan Tinggi Jatuh
15
Turbin air selalu dibuat sedemikian rupa sehingga dapat diperoleh efisiensi tertinggi pada
tinggi jatuh tertentu. Apabila tinggi jatuh bertambah besar, maka kecepatan putar akan
bertambah pula. Demikian pula debit dan daya yang keluar dari turbin akan bertambah besar,
apabila H bertambah besar. Hubungan itu dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
(
)
⁄
(
)
⁄
(
)
⁄
Dimana H, Q, N dan n adalah nilai – nilai sebelum perubahan, H' , 0' , N' dan n' adalah nilai –
nilai sesudah perubahan. Untuk PLTA jenis Waduk, perubahan tinggi jatuh sesuai dengan
perubahan musim. Untuk Waduk – Waduk yang perubahan tinggi permukaan airnya yang sangat
besar, tinggi jatuhnya akan mengalami perubahan yang besar pula. Debit yang mengalir melalui
rotor berubah sebanding dengan dan daya yang keluar berubah sebanding dengan H3/2 Oleh
karena itu akan tidak menguntungkan apabila turbin dibuat untuk debit Q yang paling besar,
karena di samping ukuranya akan menjadi sangat besar, dan dengan demikian akan menjadi
mahal, juga karena penurunan debit akan mengakibatkan penurunan efisiensi.
Juga tinggi terjun H harus dipilih sehingga tercapai produksi tenaga tahunan yang
maksimum. Karakteristik dari turbin pada perubahan H selalu diketahui, karena perubahan
kecepatan putar, debit dan lain – lain, selalu akan sesuai dengan perubahan H. Gambar (2.11).
memperlihatkan satu contoh grafik efisiensi sebagai fungsi dari perubahan tinggi jatuh air H.
16
Gambar 2.11. Efisiensi, Debit dan Daya Keluar sebagai Fungsi Perubahan Tinggi
Jatuh Sumber : Lal, Jagdish, 1975
1.3.4 Kecepatan Lari
Kecepatan lari ( runaway speed ) suatu turbin adalah kecepatan putaran turbin tanpa beban
dengan debit tertentu. Kecepatan maksimum yang mungkin terjadi dinamakan kecepatan lari
maksimum. Pada turbin yang memiliki rotor yang dapat digerakkan, ini akan terjadi bila kedudukan
sudu rotor ( runner blade ) dan baling – baling antara ( guide vane ) yang berbeda beda dan tak ada
hubunganya satu sama lain. Apabila tinggi jatuh air berubah ubah, makadipakai kecepatan lari yang
terbesar yaitu sesuai dengan H yang terbesar. Pada umumnya, kecepatan lari adalah 1,85 – 2 kali
kecepatan putar normal ( kecepatan putar yang direncanakan ) untuk turbin Pelton, 1,6 – 2,2 kali
untuk turbin Francis, 1,8 – 2,3 kali untuk turbin Kaplan.
2.3.5 Kapasitas
17
Kapasitas adalah suatu peistiwa terjadinya gelembung – gelembung uap didalam cairan
(air ) yang mengalir apabila tekanan ditempat tersebut sama dengan tekanan uapnya. Gelembung
tersebut akan terbawa arus. Aapabila gelembung – gelembung tersebut sampai disuat tempat
dimana tekananya melebihi tekanan uapnya ( tekana uap air pada T = 25o C + 3,169 Kpa ), maka
gelembung akan pecah dengan tiba – tiba. Pecahanya gelembung – gelembung tersebut bukan
saja menimbulkan bunyi berisik dan getaran, tetapi dapat menyebabkan lubang – lubang kikisan
pada permukaan sudu – sudu, rumah turbin dan dinding bagian atas dari saluran hisap.
Kapasitas dapat dicegah atau dikurangi dengan jalan
1. Memasang turbin pada tempat tepat yang sebaik – baiknya, yaitu memperkecil jarak vertikal
antara roda turbin dan permukaan air bawah ( memperkecil tinggi hisap Hs ).
2. Memperbaiki konstruksi dan mengusahakan agar tidak terdapat belokan – belokan yang
tajam. Kerusakan akibat kavitasi dapat dicegah dengan jalan menggunakan material yang
kuat atau melapisi dengan bahan yang tahan terhadap kavitasi, seperti baja tahan karat (
Stainless sttel ) dan Cron, terutama untuk bagian – bagian dimana diperkirakan dapat terjadi
kavitasi.
2.4 Prinsip Pembangkit Tenaga Air
Pembangkit tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga air dengan ketinggian dan debit
tertentu menjadi tenaga listrik, dengan mengunakan turbin air dan generator. Daya (power) yang dihasilkan
dapat dihitung berdasarkan rumus sebagai berikut :
Dimana : N = Tenaga yang dikeluarkan secara teoritis (HP)
H = Tinggi jatuh air effectif (meter)
18
Q = Debit air (m3/dt)
Daya yang keluar dari Generator dapat diperolah dari perkalian effisieni turbine dan generator
dengan Daya yang keluar secara teoritis.
Berdasarkan rumus di atas maka erhasil tidaknya suatu pembangkit tenaga air tergantung
dari pada usaha untuk mendapatkan tinggi air dan debit air yang besar secara effektif dan
ekonmis. Pada umumnya debit air (intake), saluran air dan turbin, oleh karena itu tinggi jatuh
yang besarnya dengan sendirinya lebih murah. Dihulu sungai dimana pada umumnya kemiringan
dasar sungai lebih curam akan mudah diperoleh tinggi jatuh yang besar. Sebaliknya sebelah hilir
sungai, tinggi jatuh rendah dan debit besar. Oleh karena itu bagian hulu sungai lebih ekonomis,
sedangkan bagian hilirnya kurang ekonomis mengingat tinggi jatuh yang kecil dan debit besar.
2.5 Debit Air
Pada turbin air, debit air yang continue merupakan faktor yang penting, dimana debit air
adalah berapa liter atau meter kubik tiap detik air. Yang dapat tersedia sepanjang waktu. Apabila
debit air berkurang maka daya turbin air akan berkurang karena daya turbin air berkolerasi kuat
terhadap debit air. Debit air dirumuskan sebagai berkut :
Dimana : Y =berat jenis air (N/m3)
Neff = Daya effektif turbin, (Hp)
H = tinggi air (meter)
ƞT = efisiensi turbin
2.5.1 Penentuan Debit Air
19
2.5.1.1 Debit Maksimum
Untuk pembangkit Listrik Tenaga Air jenis waduk,waduknya di gunakan untuk
menyimpan dan melepaskan simpanan air sepanjang tahun, guna memenuhi kebutuhan pada
waktu beban puncak. Debit maksimum di tentukan oleh jumlah air yang dapat diatur selama
beban puncak dalam musim kemarau.
Hal ini dapat dihitung dari kondisi beban dalam musim kemarau, jumlah air yang di
tersimpan di dalam waduk untuk persediaan pada hari – hari kering dan debit alami dari sungai
pada musim kemarau. Pada umumnya, besarnya debit maksimum adalah sekitar 3 – 4 kali
jumlah debit rata – rata dari waduk dalam musim kemarau, dan debit alami dari sungai itu
sendiri.
2.5.1.2 Jumlah Air Pasti
Jumlah air pasti (firm water quantity) adalah jumlah air yang pasti dapat di manpaatkan
sepanjang tahun. Ini di peroleh dari jumlah air dalam musim kering di kurangi dengan, jumlah
air ang dialirkan dibagian hilir untuk keperluan pengairan, perikanan, pariwisata dan lain-lain.
Untuk jenis waduk, nilainya adalah jumlah air ang dapat di pakai selama 355 hari dalam setahun,
dikurngi dengan jumlah debit air bagi pemakaian seperti tersebut diatas, disamping itu
diperhatikan pula persediaan air yang dapat disimpan dalam waduk pada musim kemarau.
2.6 Head Turbine Air
Head pada turbin air pada dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu :
2.6.1 Gross Head
Gross head adalah merupakan perbedaan tinggi antara permukaan didaerah atas (Dead
Race) terhadap permukaan air di bagian bawah (Tail Race) pada saat permukaan tenang.
2.6.2 Net Head atau Effektif Head
20
Adalah head yang berguna pada daerah masuk turbin, ini di dapat dengan mengurangi
Gross head dengan semua losses yang terjadi sepanjang aliran air dari head race sampai daerah
masuk turbin, dimana losses utama yang terjadi adalah pada gesekan antara fluida kerja dengan
pipa penstock, nozzle, dan sebagainya.
2.7 Klasifikasi Turbin
Seperti halnya pada turbin uap, turbin air juga di bedakan dalam beberapa golongan,
antara lain :
- Dilihat dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya
- Berdasarkan Head dan kapasitas air
- Berdasarkan kecepatan spesifikasinya (ns)
- Berdasarkan model aliran masuk Runner
2.7.1 Dilihat dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya
2.7.1.1 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah sebuah turbin yang berputar karena adanya aksi dari air. Pada turbin
impuls, air dari sebuah bendungan / dam dialirkan melalui pipa pesat (penstock), kemudian melalui
mekanisme pengarah dan terakhir melalui nozzle. Yang termasuk jenis turbin impuls ini adalah turbin
pelton, turbin Banki (Cross Flow).
2.7.1.2 Turbin Reaksi
Pada turbin ini konstruksi rotornya dibuat sedemikian rupa sehingga bekerja karena adanya
aliran yang di timbulkan oleh energi tekanan karena tinggi terjun yang di rubah secara bertahap
21
menjadi energi kecepatan yang termasuk jenis turbin reaksi antara lain Turbin Francis, turbin aliran
diagonal, turbin baling – baling (propeller).
2.7.2 Berdasarkan Head dan Kapasitas Air
Berdasarkan pada besarnya head dan kapasitas air yang tersedia, turbin air dapat
dikelompokkan menjadi :
a. Turbin air head tinggi dan kapasitas air kecil, Untuk head diatas 500 m biasanya
mempergunakan turbin air Pelton.
b. Turbin air head sedang dan kapasitas air sedang, Untuk head antara 16 -70 m digunakan
untuk turbin Francis.
c. Turbin air head rendah dan kapasitas air besar. Untuk head antara 2 – 15 m digunakan
untuk turbin air Kaplan.
Tabel 2.3. Tinggi jatuh air dan jenis turbin air. Sumber : Lal, Jagdish, 1975
Tinggi jatuh air (head) Jenis Turbin
Lebih dari 300 m Pelton
250-300 Francis atau Pelton (diutamakan Pelton)
150-250 Francis atau Pelton (diutamakan Francis)
50-150 Francis
25-50 Francis atau Kaplan (diutamakan Francis)
0-25 Francis atau Kaplan (diutamakan Kaplan)
2.7.3 Berdasarkan Kecepatan Spesifik (ns)
Yang dimaksud dengan kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah kecepatan putaran
runner yang dapat dihasilkan daya effektif 1 BHP untuk setiap tinggi jatuh 1 meter atau dengan
rumus dapat di tulis (Lal, Jagdish, 1975)
ns = n . Ne1/2 / Hefs5/4
22
dimana : ns = Kecepatan spesifikasi turbin
n = Kecepatan putaran turbin (rpm)
Hefs = Tinggi jatuh effektif (m)
Ne = Daya turbin effektif (HP)
Setiap turbin air memiliki nilai kecepatan spesifik masing-masing, tabel 2.2 menjelaskan
batasan kecepatan spesifik untuk beberapa turbin konvensional.
Tabel 2.4. Kecepatan Spesifik Turbin Konvensional
Sumber : Lal, Jagdish, 1975
No Jenis Turbin Kecepatan Spesifik
1 Pelton dan kincir air 10 - 35
2 Francis 60 - 300
3 Cross-Flow 70 - 80
4 Kaplan dan propeler 300 - 1000
2.7.4 Berdasarkan Model Aliran Masuk Air Runner
Berdasarkan modul aliran masuk air runner, maka turbin air dapat di bagi menjadi tiga tipe yaitu
:
2.7.4.1 Turbin Aliran Tangensial
Pada kelompok turbin ini posisi air masuk runner dengan arah tangensial atau tegak lurus
dengan poros runner mengakibatkan runner berputar, contohnya Turbin Pelton dan Turbin Cross-
Flow.
23
Gambar 2.12. Turbin Aliran Tangensial
Sumber : Haimerl,L.A., 1960
2.7.4.2 Turbin Aliran Aksial
Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner, Turbin Kaplan
atau Propeler adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini.
Gambar 2.13. Model Turbin Aliran Aksial
Sumber : Haimer,L,A., 1960
2.7.4.3 Turbin Aliran Aksial – Radial
Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radian dan keluar runner secara aksial
sejajar dengan poros. Turbin Franacis adalah termasuk dari jenis turbin ini.
24
Gambar 2.14. Model Turbin Aliran Aksial – Radial
Sumber : Haimerl, L.A., 1960
2.8 Konstruksi Turbin Air
2.8.1 Konstruksi Turbin Pelton
Turbin air pelton merupakan salah satu dari jenis turbin air impuls. Turbin air ini
dinamakan berdasarkan orang yang menemukannya yaitu Lester Allan Pelton (1829-1908). Roda
jalan pada turbin Pelton dilengkapi dengan ember-ember (buckets) yang dipasang pada keliling
luar roda jalan.
Gambar 2.15. Perubahan tekanan dan tinggi jatuh trbin pelton
Sumber : Seri Konversi Energi, 2010
25
Ember-ember tersebut menerima pancaran air dari mulut nozzel yang kemudian
menggembalikan pancaran air ini setelah membaginya ke arah kiri dan kanan dengan bantuan
punggung (ridge) yang terdapat di tengah ember.
Gambar 2.16. Penampang nozzel dan pancaran air
Sumber : Seri Konversi energy, 2010
Turbin air pelton umumnya dipakai untuk tinggi terjun air (head) yang besar. Tinggi
terjun air (head) dihitung dari permukaan air atas sampai ketengah-tengah pancaran air,
seperti ditunjukkan pada gambar 2.6.
Di bagian bawah roda jalan terdapat suatu tempat yang dinamakan sebagai ruang bebas
sehingga roda jalan turbin pelton tidak terendam di dalam air.
Jenis turbin air pelton dapat dibedakan berdasarkan kedudukan poros yaitu :
1. Turbin Pelton poros tegak (vertikal)
2. Turbin Pelton poros mendatar (horizontal)
26
Gambar 2.17. Konstruksi Turbin Pelton Tegak
Sumber : Seri Konversi Energi, 2010
Berdasarkan jumlah pancaran (nozzle) turbin air Pelton dibedakan menjadi 2 :
1. Turbin Pelton nozzle tunggal
2. Turbin Pelton nozzle banyak
Gambar 2.18. Turbin Pelton Nozzle Tunggal
Sumber : Seri Konversi Energy, 2010
27
Gambar 2.19. Turbin Pelton Nozzle Banyak
Sumber : Seri Konversi Energy, 2010
2.8.1.1 Diagram Alir Perpindahan Energi Pada Turbin Pelton
Air dari bendungan mempunyai energi potensial. Air dialirkan lewat pipa mempunyai
energi kinetik, setelah memutar runner akan menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran.
Putaran poros turbin dihubungkan dengan generator. Dan generator akan menghasilkan energi
listrik.
Karakteristik utama dari turbin pelton adalah pemasukan sebagian aliran air ke dalam
runner pada tekanan atmosfer. Pancarn air dari pipa akan mengenai sudu-sudu turbin melalui
nozzle dan sesuai dengan perimbangan tempatnya. Air pancar akan belok dan ada kemungkinan
membaliknya air bias diarah tegak lurus, runner dan rumah turbin.
2.8.1.2 Nozzle
Nozzle merupakan mekanisme pancaran yang berbentuk melengkung yang mengarahkan
air sesuai dengan arah aliran sungai yang direncanakan dan mengatur aliran air. Aliran air yang
keluar dalam bentuk jet dan akan menumbuk bucket (mangkok). Untuk mengatur keluaran air
28
dari nozzle, menggunakan jarum mekanis dibagian dalam nosel sebuah jarum mekanis dibagian
dalam nosel tersebut akan mengakibatkan jumlah air melalui jet berkurang,dan apa bila jarum
ditarik menjauhi jet maka jumlah air yang keluar akan bertambah. Gerakan dari jarum diatur
dengan roda pemutar secara manual atau otomatis, sesuai dengan keperluan yang dikehendaki,
nosel diusahakan diletakkan sangat dekat dengan garis putaran mangkok, sebagaian usaha untuk
memperkecil kerugian akibat putaran.
Gambar 2.20. Penampang Nozzle
Sumber : http://www.nzdl.org
2.8.1.2.1 Diameter Jet
Diameter jet dapat di tentukan berdasarkan kapasitas aliran air pada nozzle
⁄ (Jagdish lal, 1956 : 112)
√√
Dimana : √
29
K = koefisien kecepatan untuk nozzle = 0,98 – 0,99
Sehingga :
√
2.8.1.3 Runner dan Bucket (mangkok)
Runner dari sebuah turbin pelton harus merupakan piringan melengkung yang di pasang
pada poros vertikal. Pada bagian keliling luar dari runner terdapat sejumlah bucket (mangkok)
secara sama baik bentuk, ukuran maupun jaraknya.
Permukaan bucket dibuat sangat halus dan rata. Untuk tinggi angkat yang rendah bucket
terbuat dari besi cor, tetapi tetai untuk pemakaian tinggi angkat yang besar, bucket dibuat dari
bronze ( stainless steel) atau panduan yang lainnya. Sedangkan pemasangan bucket pada runner
biasanya dilakukan dengan baut tetapi ada pula ada pula yang langsung dicor jadi satu dengan
piringan, dengan anggapan seluruh bucket akan aus dalam waktu yang bersamaan dan akan
diganti dalam waktu bersamaan pula.
Gambar 2.21. Runner dan Bucket
Sumber : http://sanjose.quebarato.co.cr/
2.8.1.3.1 Diameter runner
30
Diameter runner turbin Pelton merupakan diameter rata-rata roda turbin yang kena
pancaran air. Diameter runner dapat dihitung dari persamaan.
Dimana : η h = Efisiensi hidrolis : 0,92 – 0,95
n 1 = Kecepatan spesifik
n 1 = √
Diameter luar runner ditentukan dengan persamaan
Dc = 2 (Rm + K d )
Dimana : Rm = D / 2 jari-jari runner rata-rata
d = Diameter
K = Konstanta : 0,56 – 0,60
2.8.1.3.2 Bucket (mangkok)
Lembar Bucket : B = (3-8 - 4.0) (Suprianto, 2008 : 127)
Tinggi Bucket : H = (3-2 - 2.8)
Kedalama Bucket :
T = (0.6 - 0.9) E = 0.85 d
a = 1.1 d f = 0.35 d
Kelengkungan Bucket
a. – sisi masuk : β1 = 40 - 100
b. – sisi masuk : β2 = 100 - 200
Jumlah Bucket : z = 3600 / θ , : θ = 2φ - ψ
Sehingga
31
2.8.1.4 Cassing Turbin (rumah turbin)
Dalam sebuah turbin pelton casing dapat dikatakan tidak berperan penting sebagai system
hydrolis, akan tetapi merupakan bagian utama yang sangatlah diperlukan sebagai pelindung dari
benturan air yang terjadi dan juga untuk menahan semburan dan pancaran jet serta untuk
mengarahkan air melewati generator dan mengamankan dari kontak langsung dengan manusia.
2.8.2 Kontruksi Turbin Francis
Turbin air Francis seperti di tunjukan pada gambar 2.11 bekerja dengan memakai proses
tekanan lebih.
Gambar 2.22. Konstruksi Turbin Francis
Sumber : Seri Konversi Energi, 2010
Gambar 2.23. Turbin Francis Poros Horizontal
Sumber : Seri Konversi Energi, 2010
32
Pada waktu air masuk sudu jalan, sebagaian dari energi tinggi jatuh telah bekerja di
dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan arus masuk. Sisa energi tersebut dimanfaatkan
di dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap kemungkinan energi tinggi jatuh bekerja di sudu
jalan dengan maksimal.
Pada sisi sebelah luar sudu jalan terdapat tekanan rendah ( di bawah 1 atmosfir ) dan
kecepatan aliran air yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan aliran akan berkurang dan
tekanannya akan kembali naik, sehigga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air bawah dengan
tekanan sama seperti keadaan sekitarnya.Turbin aliran Francis berdasarkan kedudukan porosnya
dapat di golongkan menjadi:
1. Turbin air Francis poros horizontal
2. Turbin air Francis poros vertikal.
Gambar 2.24. Turbin Francis Poros Vertikal
Sumber : Seri Konversi Energy, 2010
33
Gambar 2.25. Konstruksi Turbin Kaplan
Sumber : Seri Konversi Energy,2010
Debit aliran yang melewati baling-baing yang dibatasi oleh Boss (Db) dan diameter
laluan D, sehingga :
(
) (
)