Desain Kincir Air untuk Proyek Pembangkit Listrik Tenaga Air

Desain Kincir Air untuk Energi Hidro
Energi hidro adalah teknologi yang mengubah energi kinetik air yang mengalir menjadi energi mekanik atau listrik, dan salah satu perangkat paling awal yang digunakan untuk mengubah energi air yang mengalir menjadi kerja yang dapat digunakan adalah Desain Kincir Air.
Desain kincir air telah berevolusi dari waktu ke waktu, dengan beberapa kincir air berorientasi vertikal, beberapa horizontal, dan beberapa dilengkapi dengan katrol dan roda gigi yang rumit, tetapi semuanya dirancang untuk melakukan fungsi yang sama, yaitu, "mengubah gerakan linier air yang mengalir menjadi gerakan putar yang dapat digunakan untuk menggerakkan mesin apa pun yang terhubung dengannya melalui poros yang berputar".

Desain Kincir Air Khas
Desain kincir air awal cukup primitif dan sederhana, terdiri dari roda kayu vertikal dengan bilah atau ember kayu yang dipasang secara merata di sekeliling lingkarannya, semuanya ditopang pada poros horizontal dengan gaya air yang mengalir di bawahnya mendorong roda ke arah tangensial melawan bilah-bilah tersebut.
Kincir air vertikal ini jauh lebih unggul daripada desain kincir air horizontal sebelumnya yang dibuat oleh orang Yunani dan Mesir kuno, karena dapat beroperasi lebih efisien dengan mengubah momentum air yang bergerak menjadi tenaga. Katrol dan roda gigi kemudian dipasang pada kincir air yang memungkinkan perubahan arah poros yang berputar dari horizontal ke vertikal untuk mengoperasikan batu penggiling, menggergaji kayu, menghancurkan bijih, mencetak dan memotong, dll.

Jenis-jenis Desain Kincir Air
Sebagian besar kincir air, juga dikenal sebagai kincir air atau hanya roda air, adalah roda yang dipasang secara vertikal dan berputar di sekitar poros horizontal, dan jenis kincir air ini diklasifikasikan berdasarkan cara air dialirkan ke roda, relatif terhadap poros roda. Seperti yang mungkin Anda duga, kincir air adalah mesin yang relatif besar yang berputar dengan kecepatan sudut rendah, dan memiliki efisiensi rendah, karena kehilangan akibat gesekan dan pengisian ember yang tidak sempurna, dll.
Aksi air yang mendorong ember atau dayung roda menghasilkan torsi pada poros, tetapi dengan mengarahkan air ke dayung dan ember ini dari posisi yang berbeda pada roda, kecepatan putaran dan efisiensinya dapat ditingkatkan. Dua jenis desain kincir air yang paling umum adalah "kincir air undershot" dan "kincir air overshot".

Desain Kincir Air Bawah
Desain Kincir Air Undershot, juga dikenal sebagai "kincir aliran", adalah jenis kincir air yang paling umum digunakan yang dirancang oleh orang Yunani dan Romawi kuno karena merupakan jenis kincir yang paling sederhana, murah, dan mudah dibangun.
Pada desain kincir air jenis ini, roda ditempatkan langsung di sungai yang berarus deras dan ditopang dari atas. Gerakan air di bawahnya menciptakan gaya dorong terhadap baling-baling yang terendam di bagian bawah roda, sehingga memungkinkan roda berputar hanya dalam satu arah relatif terhadap arah aliran air.
Jenis desain kincir air ini umumnya digunakan di daerah datar tanpa kemiringan alami atau di tempat aliran air cukup deras. Dibandingkan dengan desain kincir air lainnya, jenis desain ini sangat tidak efisien, dengan hanya sekitar 20% dari energi potensial air yang digunakan untuk memutar kincir. Selain itu, energi air hanya digunakan sekali untuk memutar kincir, setelah itu mengalir bersama sisa air.
Kelemahan lain dari kincir air tipe undershot adalah membutuhkan sejumlah besar air yang bergerak dengan kecepatan tinggi. Oleh karena itu, kincir air tipe undershot biasanya ditempatkan di tepi sungai karena aliran atau anak sungai yang lebih kecil tidak memiliki energi potensial yang cukup pada air yang mengalir.
Salah satu cara untuk sedikit meningkatkan efisiensi kincir air bawah adalah dengan mengalihkan sebagian air di sungai melalui saluran atau pipa sempit sehingga 100% air yang dialihkan digunakan untuk memutar kincir. Untuk mencapai hal ini, kincir air bawah harus sempit dan pas dengan sangat akurat di dalam saluran untuk mencegah air keluar di sekitar sisi atau dengan meningkatkan jumlah atau ukuran dayungnya.

Desain Kincir Air Overshot
Desain Kincir Air Overshot adalah jenis kincir air yang paling umum. Kincir air overshot lebih rumit dalam konstruksi dan desainnya dibandingkan kincir air undershot sebelumnya karena menggunakan ember atau kompartemen kecil untuk menangkap dan menampung air.
Ember-ember ini terisi air yang mengalir masuk dari bagian atas roda. Berat gravitasi air dalam ember yang penuh menyebabkan roda berputar di sekitar sumbu tengahnya, sementara ember-ember kosong di sisi lain roda menjadi lebih ringan.
Jenis kincir air ini menggunakan gravitasi untuk meningkatkan daya keluaran serta air itu sendiri, sehingga kincir air tipe overshot jauh lebih efisien daripada desain undershot karena hampir semua air dan beratnya digunakan untuk menghasilkan daya keluaran. Namun seperti sebelumnya, energi air hanya digunakan sekali untuk memutar kincir, setelah itu air tersebut mengalir bersama air lainnya.
Kincir air overshot digantung di atas sungai atau aliran air dan umumnya dibangun di sisi bukit untuk menyediakan pasokan air dari atas dengan head rendah (jarak vertikal antara air di atas dan sungai atau aliran air di bawahnya) antara 5 hingga 20 meter. Bendungan kecil atau bendung dapat dibangun dan digunakan untuk menyalurkan dan meningkatkan kecepatan air ke bagian atas kincir, sehingga memberikan lebih banyak energi, tetapi volume air, bukan kecepatannya, yang membantu memutar kincir.

Secara umum, kincir air tipe overshot dibangun sebesar mungkin untuk memberikan jarak head maksimum agar berat gravitasi air dapat memutar kincir. Namun, kincir air berdiameter besar lebih rumit dan mahal untuk dibangun karena berat kincir dan airnya.
Ketika ember-ember individual diisi dengan air, berat gravitasi air menyebabkan roda berputar searah aliran air. Saat sudut putaran mendekati bagian bawah roda, air di dalam ember akan mengalir ke sungai atau aliran air di bawahnya, tetapi berat ember-ember yang berputar di belakangnya menyebabkan roda terus berputar dengan kecepatan yang sama. Ember kosong terus berputar mengelilingi roda yang berputar hingga kembali ke atas dan siap diisi dengan air lagi, dan siklus pun berulang. Salah satu kelemahan desain kincir air overshot adalah air hanya digunakan sekali karena mengalir melewati roda.

Desain Kincir Air Pitchback
Desain Kincir Air Pitchback merupakan variasi dari kincir air overshot sebelumnya karena juga menggunakan berat gravitasi air untuk membantu memutar kincir, tetapi juga menggunakan aliran air limbah di bawahnya untuk memberikan dorongan tambahan. Jenis desain kincir air ini menggunakan sistem pemasukan air bertekanan rendah yang menyediakan air di dekat bagian atas kincir dari palung di atasnya.
Berbeda dengan kincir air tipe overshot yang mengalirkan air langsung ke atas roda sehingga roda berputar searah dengan aliran air, kincir air tipe pitchback mengalirkan air secara vertikal ke bawah melalui corong dan masuk ke dalam ember di bawahnya sehingga roda berputar berlawanan arah dengan aliran air di atasnya.
Sama seperti kincir air overshot sebelumnya, berat gravitasi air di dalam ember menyebabkan roda berputar tetapi berlawanan arah jarum jam. Saat sudut putaran mendekati bagian bawah roda, air yang terperangkap di dalam ember akan keluar ke bawah. Saat ember kosong terpasang pada roda, ember tersebut terus berputar bersama roda seperti sebelumnya hingga kembali ke atas dan siap diisi dengan air lagi, dan siklus pun berulang.
Perbedaannya kali ini adalah air limbah yang dikeluarkan dari ember berputar mengalir ke arah roda yang berputar (karena tidak ada tempat lain untuk mengalir), mirip dengan prinsip kincir air tipe undershot. Dengan demikian, keuntungan utama kincir air pitchback adalah ia menggunakan energi air dua kali, sekali dari atas dan sekali dari bawah untuk memutar roda di sekitar sumbu tengahnya.
Hasilnya adalah efisiensi desain kincir air meningkat pesat hingga lebih dari 80% energi air karena digerakkan oleh berat gravitasi air yang masuk dan oleh gaya atau tekanan air yang diarahkan ke dalam ember dari atas, serta aliran air limbah di bawah yang mendorong ember. Namun, kelemahan kincir air jenis pitchback adalah membutuhkan pengaturan pasokan air yang sedikit lebih kompleks tepat di atas kincir dengan saluran dan palung.

Desain Kincir Air Breastshot
Desain Kincir Air Breastshot adalah desain kincir air yang dipasang secara vertikal di mana air masuk ke dalam ember sekitar setengah tinggi pada ketinggian poros, atau tepat di atasnya, dan kemudian mengalir keluar di bagian bawah searah putaran roda. Umumnya, kincir air breastshot digunakan dalam situasi di mana ketinggian air tidak cukup untuk menggerakkan desain kincir air overshot atau pitchback dari atas.
Kelemahannya di sini adalah berat gravitasi air hanya digunakan untuk sekitar seperempat putaran, tidak seperti sebelumnya yang digunakan untuk setengah putaran. Untuk mengatasi ketinggian head yang rendah ini, ember kincir air dibuat lebih lebar untuk mengekstrak jumlah energi potensial yang dibutuhkan dari air.
Kincir air tipe breastshot menggunakan berat gravitasi air yang hampir sama untuk memutar kincir, tetapi karena ketinggian air sekitar setengah dari kincir air tipe overshot pada umumnya, embernya jauh lebih lebar daripada desain kincir air sebelumnya untuk meningkatkan volume air yang ditampung di dalam ember. Kerugian dari desain jenis ini adalah peningkatan lebar dan berat air yang dibawa oleh setiap ember. Seperti halnya desain pitchback, kincir air tipe breastshot menggunakan energi air dua kali lipat karena kincir air dirancang untuk berada di dalam air sehingga air limbah dapat membantu rotasi kincir saat mengalir ke hilir.

Menghasilkan Listrik Menggunakan Kincir Air
Secara historis, kincir air telah digunakan untuk menggiling tepung, sereal, dan tugas mekanis lainnya. Namun, kincir air juga dapat digunakan untuk pembangkitan listrik, yang disebut sistem tenaga air. Dengan menghubungkan generator listrik ke poros putar kincir air, baik secara langsung maupun tidak langsung menggunakan sabuk penggerak dan puli, kincir air dapat digunakan untuk menghasilkan daya secara terus menerus 24 jam sehari, tidak seperti energi matahari. Jika kincir air dirancang dengan benar, sistem tenaga air kecil atau "mikro" dapat menghasilkan listrik yang cukup untuk menyalakan penerangan dan/atau peralatan listrik di rumah rata-rata.
Carilah generator kincir air yang dirancang untuk menghasilkan daya keluaran optimal pada kecepatan yang relatif rendah. Untuk proyek kecil, motor DC kecil dapat digunakan sebagai generator kecepatan rendah atau alternator otomotif, tetapi ini dirancang untuk bekerja pada kecepatan yang jauh lebih tinggi sehingga mungkin diperlukan semacam sistem transmisi. Generator turbin angin merupakan generator kincir air yang ideal karena dirancang untuk operasi kecepatan rendah dengan daya keluaran tinggi.
Jika terdapat sungai atau aliran air yang cukup deras di dekat rumah atau kebun Anda yang dapat Anda manfaatkan, maka sistem tenaga air skala kecil mungkin merupakan alternatif yang lebih baik daripada bentuk sumber energi terbarukan lainnya seperti "Energi Angin" atau "Energi Matahari" karena dampaknya terhadap lingkungan jauh lebih kecil. Sama seperti energi angin dan matahari, dengan sistem pembangkit tenaga air skala kecil yang terhubung ke jaringan listrik lokal, listrik yang Anda hasilkan tetapi tidak digunakan dapat dijual kembali ke perusahaan listrik.
Pada tutorial selanjutnya tentang Energi Hidro, kita akan melihat berbagai jenis turbin yang tersedia yang dapat kita pasang pada desain kincir air kita untuk pembangkit listrik tenaga air. Untuk informasi lebih lanjut tentang Desain Kincir Air dan cara menghasilkan listrik sendiri menggunakan tenaga air, atau mendapatkan informasi lebih lanjut tentang energi hidro mengenai berbagai desain kincir air yang tersedia, atau untuk mengeksplorasi keuntungan dan kerugian energi hidro, maka Klik Di Sini untuk memesan salinan Anda dari Amazon hari ini tentang prinsip dan konstruksi kincir air yang dapat digunakan untuk menghasilkan listrik.