PROPELLER PEMBANGKIT LISTRIK DI LAUT
II.1 Pendahuluan
Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang semakin meningkat, saat ini PLN melaksanakan proyek percepatan pembangunan pembangkit listrik berbahan bakar batubara 10.000 Mega Watt yang segera akan disusul dengan proyek 10.000 MW tahap II. Namun selain membangun pembangkit-pembangkit listrik berkapasitas besar tersebut, pada daerah-daerah terpencil dan jauh dari lokasi jaringan transmisi, diperlukan pasokan dari pembangkit-pembangkit listrik berkapasitas kecil, terutama yang memanfaatkan potensi energi setempat yang bersifat terbarukan (renewable).
Salah satu sumber energi terbarukan yang berpotensi untuk dikembangkan adalah pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH). Keunggulan PLTMH terletak pada biaya pembangkitan energi listrik yang kompetitif dan teknologi yang sederhana sehingga dapat dikelola dan dioperasikan oleh masyarakat setempat.
Makalah ini membahas tentang keunggulan turbin cross-flow (aliran silang) dibanding dengan jenis lainnya. Karena dapat dibuat dan dioperasikan dengan teknologi yang sederhana, turbin cross-flow cocok dikembangkan sebagai penggerak mula PLTMH.
II.2 Klasifikasi Turbin Air
Fungsi turbin adalah mengubah energi ketinggian air menjadi daya putaran poros. Pemilihan jenis turbin air yang dipakai pada PLTMH tergantung pada karakteristik site tempat lokasi PLTMH tersebut, terutama tinggi head serta besar aliran air yang ada.
Setiap turbin mempunyai kecepatan putar tertentu, dimana turbin tersebut akan beroperasi dengan efisiensi terbaik pada kombinasi head dan debit tertentu. Kecepatan putar desain turbin sebagian besar ditentukan oleh besar head operasi turbin air tersebut. Turbin air dapat dibagi atas head tinggi, head menengah dan head rendah. Disamping itu dari segi beroperasinya turbin air dibedakan atas turbin impuls dan turbin reaksi.
II.3 Prinsip Kerja Turbin
Untuk memperlihatkan perbedaan antara berbagai jenis turbin air, pada bagian ini secara ringkas kita membahas jenis-jenis turbin air selain turbin cross-flow. Selanjutnya kita akan kembali ke pokok bahasan, yaitu tentang Turbin Cross-Flow secara rinci. Jenis-jenis turbin air tersebut adalah sebagai berikut :
II.3.1 Turbin Pelton
Turbin Pelton ,bersama-sama dengan turbin Turgo dan turbin aliran silang (Cross-flow) termasuk dalam kelompok turbin impuls. Karakteristik umum dari turbin impuls adalah pemasukan air ke dalam runner pada tekanan atmosfir. Turbin ini ditemukan sekitar tahun 1880 oleh seorang Amerika yang bernama Pelton, sehingga turbin ini disebut sebagai turbin Pelton.
Turbin Pelton tersusun dari satu set sudu gerak berbentuk mangkuk yang dipasang pada roda gerak/ runner. Jika mangkuk- mangkuk tersebut didorong pancaran air berkecepatan tinggi / jet dari nosel , maka runner turbin pelton tersebut akan berputar menghasilkan energi mekanik yang dapat menggerakkan generator.
II.3.2 Turbin Francis
Turbin Francis dapat berupa volute-case ataupun type open-flume. Konstruksi rumah keong (spiral case) memungkinkan air terdistribusi secara uniform sepanjang perimeter dari runner dan guide vane menyalurkan air tersebut pada sudut yang tepat. Sudu runner merupakan profil yang kompleks dan terendam air. Dorongan air ke sudu runner memindahkan energi air ke runner sebelum air tersebut keluar turbin lewat draft tube.
Gambar : Turbin Francis type Open Flume
Turbin Francis biasanya mempunyai guide-vane yang dapat diatur (adjustable). Gerakan guide-vane ini mengatur aliran air yang masuk ke runner dan biasanya dihubungkan dengan system governor yang mengatur besar laju aliran air. Jika aliran air berkurang maka efisiensi turbin juga turun.
II.3.3 Turbin Propeller
Pada dasarnya turbin propeller terdiri dari sebuah propeller (baling-baling) ,yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Poros turbin menyambung keluar dari tabung. Turbin propeller biasanya mempunyai tiga sampai enam sudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudut sudu rotornya tidak dapat diubah. Efisiensi operasi turbin pada beban sebagian (part-flow) untuk turbin jenis ini sangat rendah.
II.3.4 Turbin Kaplan
Untuk hydropower yang berskala lebih besar maka dipakai turbin propeller yang lebih canggih. Pada turbin ini sudu propeller dan wicket gate dapat diatur sehingga efisiensi nya pada saat beroperasi pada beban rendah (part-flow) tetap baik. Turbin dengan variable pitch ini dikenal sebagai turbin Kaplan.
II.4 Turbin Cross-Flow
Salah satu turbin jenis impuls yang banyak dipakai pada listrik tenaga mikrohidro adalah turbin Cross-Flow (aliran silang).
Turbin cross-flow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada 1922. Perusahaan Ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin cross-flow yang terkemuka di dunia
Turbin ini mempunyai runner yang berbentuk seperti drum yang mempunyai 2 atau lebih piringan paralel yang masing-masingnya dihubungkan oleh susunan sudu yang berbentuk lengkung. Dalam pengoperasian turbin cross-flow ini sebuah nosel empat persegi mengarahkan pancaran air (jet) ke sepanjang runner. Pancaran air tersebut mendorong sudu dan memindahkan sebagian besar energi kinetiknya ke turbin. Pancaran air tersebut lalu melewati runner dan kembali mendorong bagian sudu yang lain sebelum keluar dari runner, memindahkan sebagian kecil energi kinetiknya yang masih tersisa.
II.4.1 Bagian – Bagian Turbin Cross-Flow
Peralatan elektromekanik pada PLTMH terdiri dari turbin, generator, transmisi mekanik, trafo dan jaringan listrik. Sedangkan bagian utama yang menjadi pokok bahasan kita , yaitu turbin cross-flow terdiri dari rotor, rumah turbin, guide vane, puli, adapter dan base frame. Puli sebenarnya merupakan bagian dari transmisi mekanik yang meneruskan daya putar turbin ke generator, serta mengubah putaran turbin air sehingga sesuai dengan putaran generato.n dapat dibeli dan diperoleh dengan harga yang murah.
Dalam pembuatannya puli atau transmisi mekanik ini merupakan bagian yang tak terpisahkan dari turbin. Demikian juga generator, biasanya memakai generator yang ada tersedia di pasaran sehingga dapat dibeli dan diperoleh dengan harga yang murah.
Secara ringkas komponen-komponen utama turbin cross-flow adalah sebagai berikut :
1. Rotor atau runner turbin.
Rotor atau adalah bagian yang berputar dari turbin. Runner ini terdiri dari poros, blade dan piringan atau disk.
2. Rumah turbin.
Rumah turbin adalah bagian turbin yang merupakan tempat memasang bagian-bagian turbin lain, seperti poros atau runner, guide vane dan adapter.
3. Guide Vane.
Guide vane atau sering juga disebut sebagai distributor berfungsi untuk mengarahkan aliran air sehingga secara efektif meneruskan energinya ke blade atau rotor turbin. Dengan demikian energi kinetik yang ada pada pancaran air akan menggerakkan rotor dan menghasilkan energi mekanik yang seterusnya memutar generator melalui puli.
4. Puli dan belt :
Puli merupakan salah satu dari sistem transmisi mekanik yang sering dipakai pada PLTMH. Sistem transmisi tersebut juga berfungsi untuk mengubah kecepatan putar dari satu poros ke poros yang lain, jika kecepatan putar turbin berbeda dengan kecepatan generator atau peralatan lain yang harus diputarnya.
Sebenarnya terdapat beberapa jenis system penggerak / transmisi mekanik pada mikrohidro , yaitu : Penggerak langsung, Flat belt dan pulley, V atau wedge belt dan pulley, Chain and sprocket dan Gearbox. Namun Puli dan belt merupakan yang paling banyak dipakai.
5. Adapter
Merupakan ”pipa” penghubung antara rumah turbin dengan pipa pesat. Bentuk adapter pada satu sisi yang terhubung dengan rumah turbin adalah persegi sesuai dengan rumah turbin, sedangkan bagian yang disambung dengan inlet valve atau pipa pesat berbentuk lingkaran.
6. Base frame.
Base frame merupakan tempat atau rangka untuk meletakkan turbin. Biasanya pada PLTMH berkapasitas kecil, base frame turbin menyatu dengan base frame generator sehingga dudukan turbin dan generator telah tertentu susunannya dan tidak berubah-ubah.
II.4.2 Generator
Generator induksi dan generator sinkron menghasilkan arus bolak-balik (AC). Keunggulan dari arus bolak-balik (AC) adalah dapat menyalurkan daya listrik pada jarak yang cukup jauh. Berlainan jika kita menggunakan arus searah yang hanya dapat menghasilkan listrik untuk penggunaan pada jarak yang sangat dekat atau pada power house. Dengan demikian maka arus bolak-balik cocok untuk proyek kelistrikan karena beban listrik biasanya tersebar dan sering jaraknya jauh dari generator.
Generator induksi mempunyai keunggulan dan sering dipakai untuk penyediaan tenaga listrik di daerah terpencil karena generator tersebut cukup kuat, kompak dan sangat andal.
Generator Sinkron :
Mempunyai rotor eksitasi yang terpisah, dipakai baik pada system terisolasi maupun interkoneksi dengan system tenaga listrik.
Generator Asinkron (induksi)
Tidak mempunyai rotor exiter, biasanya dipakai pada networks dengan sumber listrik yang lain. Pada system yang terisolasi atau independent, generator ini harus dihubungkan dengan kapasitor untuk menghasilkan listrik.
II.4.3 Keunggulan – Keunggulan Turbin Cross-Flow
Keunggulan-keunggulan turbin cross-flow dibandingkan dengan turbin jenis lainnya adalah sebagai berikut :
1. Kisaran Operasi yang Luas
Turbin cross-flow ini banyak dipakai pada PLTA skala kecil dengan kisaran head yang sama (overlapping) dengan turbin jenis Kaplan, Francis dan Pelton. Kisaran operasinya meliputi debit antara 20 liter sampai 10 m3 per detik, serta head antara 1 sampai 200 meter. Turbin cross-flow ini selalu mempunyai sumbu runner yang horizontal.
Kisaran operasi turbin cross-flow dan turbin jenis lainnya dapat dilihat dari gambar grafik Debit air Vs Head netto Kisaran Operasi Turbin Air berikut :
Dari gambar grafik tersebut jelaslah bahwa turbin cross-flow dapat beroperasi pada berbagai debit, dibandingkan dengan jenis-jenis turbin lainnya seperti Pelton dan Turgo yang hanya beroperasi pada Head yang tinggi, atau propeller dan Kaplan pada Head yang Rendah. Demikian juga halnya dibandingkan dengan turbin Francis, daerah operasi turbin Cross-flow lebih luas.
Dengan adanya kisaran operasi yang luas tersebut maka turbin cross-flow memungkinkan untuk dipakai pada berbagai PLTMH yang debit dan headnya berbeda.
2. Sebagai alternatif turbin Francis.
Dengan kisaran operasi yang luas tersebut, Turbin cross-flow dapat menjadikan alternatif menggantikan turbin Francis yang dulu sering dipakai sebagai penggerak mula PLTM, termasuk juga yang berkapasitas kecil (PLTMH).
Keunggulan-keunggulan turbin cross-flow ini dibandingkan dengan jenis turbin lainnya adalah sebagai berikut :
- Turbin cross-flow yang merupakan jenis turbin impul harganya lebih murah dari turbin reaksi karena tidak memerlukan casing yang mampu menahan tekanan tinggi, juga tidak memerlukan clearance yang sangat teliti.
- Kisaran operasi turbin cross-flow cukup fleksibel pada berbagai head dan debit, khususnya untuk daya sampai 1 MW.
- Desain turbin cross-flow lebih fleksibel, dimana untuk kisaran debit dan head yang berbeda ukuran diameter turbin air tetap sama, manufacturer tinggal mengatur lebar turbin dan transmisi mekanik yang sesuai. Dengan demikian memungkinkan untuk produksi massal tanpa harus memesan desain khusus.
- Turbin type cross-flow saat ini telah banyak diproduksi di dalam negri sehingga terbuka untuk memperoleh dengan harga lebih murah dan mutu yang baik.
- 3. Pengaturan Efisiensi yang Tetap Tinggi pada Debit Rendah
- Turbin cross-flow mempunyai keunggulan dimana dapat diatur agar agar efisiensinya tetap tinggi meskipun aliran air yang mengalir sangat kecil sekali, misalnya hanya seperempat atau 25 % dari debit aliran penuh / nominal. Hal tersebut dapat dilihat pada diagram pada gambar berikut dimana runner turbin cross-flow tersebut dilengkapi piringan (disc) ditengah-tengah piringan yang ada, sehingga runner turbin menjadi 3 (tiga) bagian.
Jika aliran air (debit) yang ada sedang rendah, maka air dapat dialirkan hanya pada dua pertiga maupun sepertiga dari runner, dengan demikian efisiensinya turbin secara keseluruhan tetap tinggi meskipun aliran air yang ada hanya sebesar 25 % debit nominal. .
Adanya karakteristik yang memungkinkan turbin ini dapat tetap mempertahankan efisiensinya meski beroperasi pada debit yang jauh dibawah titik optimalnya, merupakan suatu solusi dari bervariasinya debit air sungai pada PLTMH. Mengingat debit sungai tersebut sangat tergantung pada musim, dimana pada saat kemarau akan jauh lebih rendah. Disamping itu biasanya PLTMH tidak dilengkapi kolam tando harian apalagi waduk.
4. Mudah dan Murah Proses Fabrikasi dan Pemeliharaan.
Turbin Cross-flow merupakan turbin air jenis impuls yang berbeda dengan turbin reaksi (Francis, Propeller dan Kaplan) tidak memerlukan casing yang mampu menahan tekanan tinggi, juga tidak memerlukan clearance yang sangat teliti. Dengan sifat-sifat tersebut turbin ini lebih gampang difabrikasi dan dipelihara, misalnya untuk memperbaiki (disassembling) bagian yang berputar (runner) tidak memerlukan teknisi dan peralatan yang khusus.
