BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 PEMAHAMAN PLTM Secara umum instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air terdiri dari beberapa macam yang dibedakan berdasarkan besaran keluaran hasil energi.kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi.semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang biasa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Berdasarkan output yang dihasilkan pembangkit listrik tenaga air dibedakan atas: 1. Large-hydro daya lebih dari 100 kw 2. Medium-hydro daya antara kw 3. Small-hydrodaya antara 1 15 kw 4. Micro-hydro daya diatas 100 kw, tetapi dbawah 1 MW 6

2 5. Mini-hydro daya output yang dihasilkan berkisar dari 1 MW sampai 10 MW. 6. Pico-hydro daya yang dikeluarkan berkisar ratusan watt sampai 5kW Pembangkit listrik mikrohidro adalah suatu pembangkit yang dapa menghasilkan energi listrik sampai dengan 100 kw sedangkan untupembangkit listrik yang dapat menghasilkan energi listrik sebesar 100 kw kw didefinisikan sebagai pembangkit listrik 2.2 Skema Sistem PLTM Prinsip kerja Minihidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu.energi tersebut dimanfaatkan untuk memutar turbin yang dihubungkan dengan generator listrik.minihidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator.air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Dirumah instalasi, air tersebut akan memutar turbin dimana turbin akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik, sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Energi yang digunakan untuk menggerakkan turbin didapatkan dari dua cara: 6

3 7 a. Dengan head yaitu memanfaatkan beda ketinggian permukaan air (energi potensial sungai) b. Tanpa head yaitu memanfaatkan aliran sungai (energi kinetik sungai) Dimana head adalah jarak vertical atau besarnya ketinggian jatuhnya air. Semakin besar head umumnya akan semakin baik karena air yang dibutuhkan semakin sedikit dan peralatan semakin kecil, dan turbin bergerak dengan kecepatan tinggi. Masalahnya adalah tekanan pada pipa dan kekuatan sambungan pipa harus kuat dan diperhatikan dengan cermat. Dalam suatu lokasi potensi pembangan energi mikrohidro dapat dipetakan sebagai suatu skema sistem (gambar) yang terdiri dari bererapa komponen bangunan sipil seperti bendungan (weir), saluran pengambil (intake), bak pengendap (sittling basin), saluran pembawa (canal), bak penenang (forebay), pipa pesat (penstock), rumah pembangkit (power house) dan saluran pembuang (tail race).

4 8 Gambar 2.1 Skema Sistem PLTM (sumber.internet, KNIK%20LISTRIK%20INDUSTRI%203/BAB%2015%20%20Pembangkit%20Lstri k%20minihydro.pdf) Sistem Minihidro Sistem minihidro Gambar 2.4 terdiri dari penampungan air dalam bentuk bendungan kecil (A), melalui sebuah pipa yang ujungnya dipasangkan filter untuk menyaring air sehingga kotoran tidak masuk ke pipa dan turbin.

5 9 Gambar 2.2 Sistem pembangkit listrik minihidro (sumber.internet, KNIK%20LISTRIK%20INDUSTRI%203/BAB%2015%20%20Pembangkit%20Lstri k%20minihydro.pdf)

6 10 Keterangan Gambar 2.4 A. Tangki air dari bendungan B. Pipa lubang angin C. Pipa pesat D. Katup pembuka atau Gate valve E. Spear valve F. Generator G. Turbin H. Dudukan Turbin Pipa menuju turbin sering disebut pipa pesat (C), dilengkapi dengan pipa pernapasan udara (B) gunanya agar udara yang terjebak dalam pipa bisa keluar dan tidak menghantam sudu-sudu turbin. Katup pembuka (D) dipasang sebelum turbin, gunanya untuk menutup aliran air ke Turbin, ketika dilakukan perbaikan berkala pada turbin. Aliran air dari pipa pesat melewati katup spear (E) untuk mengatur debit air yang masuk ke turbin air (G). Akibat energi potensial air, sudu-sudu turbin akan memutar poros turbin yang dikopel langsung dengan generator listrik (F). Generator akan menghasilkan energi listrik yang siap digunakan untuk berbagai kebutuhan. Air buangan dialihkan ke saluran pembuangan dan kembali ke sungai.

7 Bendungan Bendungan adalah tembok yang dibangun melintasi sebuah sungai.bendungan dapat dibuat dari tanah, batu, atau beton. Struktur ini menghambat aliran sungai, sehingga menciptakan danau buatan yang dinamakan waduk. Air yang ditampung dalam waduk dapat digunakan untuk membangkitkan listrik, untuk menyediakan air untuk irigasi dan minum,dan untuk membantu pergerakan air dan perahu, mengendalikan banjir dan untuk rekreasi. Beberapa bendungandibangun dengan tujuan untuk memenuhi fungsi lebih dari satu hal Jenis-Jenis Bendungan Pembagian type bendungan dapat dibagi menjadi 6 keadaan yaitu : 1. Type bendungan berdasarkan ukurannya, ada 2 type yaitu : a. Bendungan besar (Large Dams). Berdasarkan klasifikasi :Ketinggian bendungan. Panjang puncak bendungan tidak kurang dari 500 meter.kapasitas waduk yang terbentuk tidak kurang dari 1juta meter kubik Debit banjir maksimum yang diperhitungkan tidak tidak kurang dari 2000 /detik

8 12 b. Bendungan kecil (Small Dam) yaitu semua bendungan yang tidak termasuk sebagai bendungan besar. 2. Tipe bendungan berdasar tujuan pembangunannya. Ada 2 (dua) tipe yaitu : a. Bendungan dengan tujuan tunggal (Single purpose dam). Adalah bendungan yang dibangun untuk memenuhi satu tujuan saja, misalnya untuk PLTA, irigasi, pengendalian banjir dan kebutuhan lain. b. Bendungan serba guna (multi purpose) adalah bendungan yang dibangun untuk memenuhi beberapa tujuan, misalnya PLTA dan irigasi, irigasi dan pengendalian banjir. 3. Tipe bendungan berdasarkan penggunaannya. Ada 3 (tiga) tipe yaitu : a. Bendungan untuk membentuk waduk (storage dam) adalah bendungan yang dibangun untuk membentuk waduk guna menyimpan air waktu kelebihan agar dapat dipakai pada waktu diperlukan. b. Bendungan penangkap/pembelok air (diversion dam) bendungan yang dibangun agar permukaan airnya lebih tinggi sehingga dapat mengalir masuk kedalam saluran air atau terowongan air.

9 13 c. Bendungan untuk rnernperlarnbat jalannya air (detention dam) adalah bendungan yang dibangun untuk rnernperlambat jalannya air, sehingga dapat rnencegah banjir besar. Masih dapat dibagi lagi rnenjadi 2 (dua) bagian: * Untuk rnenyirnpan air sementara dan dialirkan kedalam saluran alam dibagian hilir * Untuk rnenyirnpan air selama mungkin agar dapat rneresap didaerah sekitarnya 4. Tipe bendungan berdasarkan jalannya air. Ada 2 (dua) tipe yaitu : a. Bendungan untuk dilewati air (overflow dams) adalah bendungan yang dibangun untuk dilewati air misalnya pada bangunan pelirnpah. b. Bendungan untuk rnenahan air (non overflow dam) adalah bendungan yang sarna sekali tidak boleh dilewati air. 5. Tipe bendungan berdasarkan konstruksinya. a. Ada 2 (tiga) tipe yaitu :

10 14 1. Bendungan urugan (fill type dam) adalah bendungan yang dibangun dari hasil penggalian bahan tanpa bahan tambahan lain yang bersifat campuran secara kimia jadi betul-betul bahan pembentuk bendungan asli. Gambar 2.3 Skema bendungan (sumber.internet, ab7-bendungan.pdf)

11 15 Keterangan bendungan pada skema : (a) Bendungan homogen Suatu bendungan urugan digolongkan dalam type homogen, apabila bahan yang membentuk tubuh bendungan tersebut terdiri dari tanah yang hampir sejenis dan gradasinya (susunan ukuran butirannya) hampir seragam. Tubuh bendungan secara keseluruhannya berfungsi ganda, yaitu sebagai bangunan penyangga dan sekaligus sebagai penahan rembesan air. (Gambar 2.4.a) (b) Bendungan zonal Bendungan urugan digolongkan dalam tipe zonal, apabila timbunan yang membentuk tubuh bendungan terdiri dari batuan dengan gradasi (susunan ukuran butiran) yang berbeda-beda dalam urutan-urutan pelapisan tertentu. (Gambar 2.5.b). Pada bendungan type ini sebagai penyangga terutama dibebankan kepada timbunan yang lulus air (zone lulus air), sedang penahan rembesan dibebankan kepada timbunan yang kedap air (zone kedap air). Berdasarkan letak dan kedudukan dari zone kedap airnya, maka type ini masih dapat dibedakan menjadi 3 (tiga) yaitu : Bendungan urugan zonal dengan tirai kedap air atau "bendungan tirai" (front core fill type dam), ialah bendungan zonal dengan zona kedap air yang membentuk lereng

12 16 udik bendungan tersebut( Gambar 2.5.b.1). Bendungan urugan zonal dengan inti kedap air miring atau "bendungan inti miring" (inclinedcorefill type dam), ialah bendungan zonal yang zone kedap aimya terletak didalam tubuh bendungan dan berkedudukan miring ke arah hilir (Gambar 2.5.b.l dan Gambar 2.5.b.2). Bendungan urugan zonal dengan inti kedap air tegak atau "bendungan inti tegak" (central-core fill type dam), ialah tubuh bendungan dengan kedudukan vertikal. Biasanya inti tersebut terletak di bidang tengah dari tubuh bendungan. (Gambar 2.5.b.) (c) Bendungan urugan bersekat (bendungan sekat) Bendungan urugan digolongkan dalam type sekat (facing) apabila di lereng di tubuh bendungan dilapisi dengan sekat tidak lolos air (dengan kekedapan yang tinggi) seperti lembaran baja tahan karat, beton aspal, lembaran beton bertulang, hamparan plastik, susunan beton blok, dan lainlain. (Gambar 2.5.c)

13 17 Gambar 2.4 Contoh potongan melintang bendungan urugan(ukuran : meter) Gambar 2.5.a Contoh potongan melintang bendungan, zonal dengan tirai kedap air (ukuran : meter) Gambar 2.5.b Contoh potongan melintang bendungan dengan inti kedap air miring (satuan : meter)

14 18 Gambar 2.5.c Contoh bendungan urugan Zonal inti miring (satuan : meter) Gambar 2.6.a Contoh potongan melintang bendungan urugan Zonal inti tegak (satuan:meter) Gambar 2.6.b Contoh potongan melintang bendungan Type Zonal dengan inti kedap air.

15 19 Gambar 2.6.c Contoh rencana teknis Bendungan Sekat (gambar26a-26g bersumber internet, bendungan.pdf) 2. Bendungan beton(concrete dam) adalah bendungan yang dibuat dengan konstruksi beton dengan tulang maupun tidak. Ada 4 tipe bendungan beton : * Bendungan beton berdasarkan berat sendiri (concrete gravity dam) adalah bendungan beton yang direncanakan untuk menahan beban dan gaya yang bekerja padanya hanya berdasar atas berat sendiri.

16 20 * Bendungan beton dengan penyangga (concrete buttress dam) adalah bendungan beton yang mempunyai penyangga untuk menyalurkan gayagaya yang bekerja padanya. Banyak dipakai apabila sungainya sangat lebar dan geologinya baik. * Bendungan beton berbentuk lengkung atau busur (concrete arch dam) adalah bendungan beton yang direncanakan untuk menyalurkan gaya yang bekerja padanya melalui pangkal tebing (abutment) kiri dan kanan bendungan. * Bendungan beton kombinasi (combination concrete dam atau mixed type concrete dam) adalah kombinasi lebih dari satu tipe bendungan. Apabila suatu bendungan beton berdasar berat sendiri berbentuk lengkung disebut concretearch gravity dam dan kemudian apabila bendungan beton merupakan gabungan beberapa lengkung, maka disebut concrete multiple arch dam. Bendungan gravity beton berdasarkan berat sendiri berongga. 6. Tipe bendungan berdasar fungsinya. Ada 8 tipe yaitu : a. Bendungan pengelak pendahuluan (Primary coffer dam) adalah bendungan yang pertama-tama dibangun di sungai pada debit air rendah agar

17 21 lokasi rencanabendungan pengelak menjadi kering yang memungkinkan pembangunan secara teknis. b. Bendungan pengelak (coffer dam) adalah bendungan yang dibangun sesudah selesainya bendungan pengelak pendahuluan sehingga lokasi rencana bendungan utama menjadi kering, yang memungkinkan pembangunan secara teknis. c. Bendungan utama (Main dam) adalah bendungan yang dibangun untuk satu atau lebih tujuan tertentu. d. Bendungan (high level dam) adalah bendungan yang terletak disisi kiri atau kanan bendungan utama, yang tinggi puncaknya juga sama. e. Bendungan di tempat rendah (sadlle dam) adalah bendungan yang terletak ditepi waduk yang jauh dari bendungan utama yang dibangun untuk mencegah keluarnya air dari waduk, sehingga air waduk tidak mengalir kedaerah sekitarnya. f. Tanggul adalah bendungan yang terletak di sisi kiri atau kanan bendungan utama dan ditempat yang dari bendungan utama yang tingginya maksimum 5 meter dengan panjang mercu maksimum 5 kali tingginya.

18 22 g. Bendungan limbah industri (Industrial waste dam) adalah bendungan yang terdiri atas timbunan secara bertahap untuk menahan limbah yang berasal dari industri. h. Bendungan pertambangan (Main Tailing dam) adalah bendungan yang terdiri atas timbunan secara bertahap untuk menahan hasil galian pertambangan dan bahan pembuatannya berasal dari hasil galian pertambangan itu. Menurut ICOLD (The International Commossion on Large Dams) dibagi menjadi 6 tipe bendungan : a. urugan tanah b. urugan batu c. beton berat sendiri d. beton penyangga e. beton lengkung f. beton lebih dari satu lengkung Aspek terpenting bagi bendungan sebagai berikut.: 1) Membiarkan air mengalir terus-menerus ke pipa pesat sehingga turbin terus berfungsi.

19 23 2) Memilki pengaman yang cukup untuk mencegah pasir, tumbuh-tumbuhan atau kotoran lainnya masuk ke dalam pipa pesat karena dapat menggangu Turbin. Mencakup aspek keselamatan untuk menjauhkannya dari jangkauan anak dan binatang yang mungkin masuk ke dalam pipa pesat. 3) Memiliki jalur yang memudahkan untuk menghentikan aliran air saat mengganti bearing. Gambar 2.7 menunjukkan tandon air yang didesain sederhana yang biasa digunakan untuk segala keberhasilan. Saringan sampah akan membantu menjaga agar bendungan selalu bersih dan tertutup untuk anak-anak. Tandon air terbuat dari kotak anti air terletak di saluran daya atau power dan pipa pesat. Fitting elbow disisipkan di antara inlet pipa pesat dan pipa pipa pesat. Aliran pipa pesat dihentikan oleh tarikan kawat jadi inlet keluar dari air. Sumbat pengering digunakan secara periodik untuk mengosongkan pasir dan daunatau benda lainnya yang dapat menyumbat.ujung pipa dilubangi untuk masuk air.ukuran lubang sangat penting, jadi aliran tidak terhambat dan 50% daerah ujung permukaan pipa harus dibor dengan lubang yang luasnya 1 cm.

20 24 Gambar 2.7 Tandon air (sumber.internet, KNIK%20LISTRIK%20INDUSTRI%203/BAB%2015%20%20Pembangkit%20Lstri k%20microhydro.pdf) Bendungan atau dam (Gambar2.7a) yang berfungsi untuk menampung air dalam jumlah besar yang dapat menciptakan tinggi jatuh air karena turbin memerlukan pasokan air yang cukup dan stabil. Selain itu bendungan juga dapat digunakan untuk menyimpan energi.

21 25 Gambar 2.7a Bendungan(sumber internet, pembangkit-listrik.html) Dam juga berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai ( Intake pembuka) ke dalam sebuah bak pengendap / Settling Basin (Gambar2.7b). Gambar2.7b Intake (pembuka)(sumberinternet, listrik.blogspot.com/2008/09/panduan-pembangunan-pembangkit-listrik.html)

22 26 Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikelpartikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari dampak pasir. Saluran pembawa(gambar2.7c) mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan. Gambar 2.7c Saluran pembawa (sumber internet, pembangkit-listrik.html) Fungsi dari bak penenang (Gambar 2.7d) adalah untuk mengatur perbedaan keluaran air antara sebuah penstock dan headrace, dan untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu-kayuan. Bak penenang dilengkapi trash rack untuk mencegah sampah dan benda-benda yang tidak diinginkan memasuki pipa pesat bersama aliran air. Pipa penguras ditempatkan di bak pengendap dan bak penenang sebagai kelengkapan untuk perawatan (pembuangan endapan sedimen). Bak penenang

23 27 dilengkapi pelimpas yang direncanakan untuk membuang kelebihan debit pada saat banjir. Bangunan bakpenenang dan saluran pembawa direncanakan terjaga ketinggian permukaan pada saat banjir sampai maksimum 25% dari debit desain. Konstruksi bak penenangdan pengendap berupa pasangan batu diplester dengan dasar bak berupa cor-an beton tumbuk (tanpa tulangan) kedap air. Gambar 2.7 d Bak penenang (sumber internet, Pipa pesat Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank) yang membawa air jatuh kearah mesin Turbin. Di samping itu, pipa pesat juga mempertahankan tekanan air jatuh sehingga

24 28 energi di dalam gerakan air tidak terbuang. Air di dalam pipa pesat tidak boleh bocor karena mengakibatkan hilangnya tekanan air. Pipa pesat (gambar 2.8) dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah Turbin. Pipa pesat harus terbuat dari baja dengan diameter 150cm dan ketebalan 2 cm. Pipa pesat ditempatkan 15 cm di atas dasar bak penenang untuk menghindarkan masuknya batu atau benda-benda yang tidak diijinkan terbawa memasuki turbin, karena berpotensi merusak runner turbin. Pipa pesat ditempatkan pada jarak minimum 4 x D (diameter pipa pesat) dari muka air untuk menjamin tidak terjadi urbulensi dan pusaran yang memungkinkan masuknya udara bersama aliran air di dalam pipa pesat. Gambar 2.8 Pipa pesat (sumber.internet, &bih=809&q=pipa+pesat&gbv=2&aq=f&aqi=&aql=&oq=&gs_rfai=)

25 Turbin Turbin, berfungsi untuk mengub energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin dapat berputar. Perputaran turbin ini dihubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis, contohnya turbin Francis, Kaplan, Pelton,Cross Flow dan lain-lain. Berdasarkan prinsip kerjanya, turbin air dibagi menjadi dua kelompok: Turbin impuls (cross-flow, pelton & turgo) karakteristiknya: a. Ruangan roda tidak penuh berisi air. b. Tekanan pada setiap sisi sudu / bagian turbin yang berputar - sama. c. Hanya energi kinetis yang dipergunakan oleh roda. d. Air masuk pada satu tempat atau dua pada lingkaran roda. Gambar 2.9a Turbin crossflo (sumber, 8&source=og&sa=N&tab=wi&biw=1440&bih=809)

26 30 Gambar 2.9b Turbin Pelton (sumber, 8&source=og&sa=N&tab=wi&biw=1440&bih=809) Turbin reaksi ( francis, Kaplan, propeller) karakteristiknya: a. Ruangan roda penuh berisi air. b. Air yang bekerja pada sekup sekup roda tekanannya lebih besar dari tekanan udara. c. Energi potensial dan energy kinetisyang dipergunakan oleh roda. d. Air masuk dari segala arah dari sekitar lingkaran roda.

27 31 Gambar2.9cTurbin francis (sumber, 8&source=og&sa=N&tab=wi&biw=1440&bih=809) Kontruksi-Kontruksi Turbin a. Turbin Kaplan - Mempunyai daun roda yang dapat diatur - Mempunyai pintu kecil untuk mengatur jumlah air masuk kedaun roda - Rendemennya tinggi pada keadaan berlainan beban -H lebih kurang dari 50 meter - Air masuk parallel sumbu: axial-flow

28 32 b. Turbin kipas(propeller turbin) - Mempunyai daun roda yang tetap - Pengaturan dilakukan daun Pembina(guide vanes) - Tidak dapat bekerja dengan baik pada keadaan setengah beban - Rendemennya hanya mencakup daerah beban yang terbatas, kiri kanan puncak rendemen, rendemennya cepat menurun - H rendah sekali c. Turbin pipa - Prinsipnya seperti turbin kipas - Turbin dan generator dimasukkan dalam suatu pipa - Dapat bekerja untuk pompa kembali air -H rendah d. Turbin francis - Daun roda dibuat sedemikian rupa sehingga tercapai rendemen yang tinggi

29 33 - Pengaturan dilakukan oleh daun Pembina - Rendemen berkurang pada beban ringan -H medium antara m, yang terbaru mencapai H 350m -Air masuk radial dan axial:mixed flow e. Turbin Deriaz (diagonal flow turbin) - Perbaikan dari turbin Kaplan dan francis - H antara m - Sudut Ø berubah dengan Untuk Ø = 0, = rendah, air radial flow Untuk Ø = 900, = tinggi, air axial flow f. Turbin pelton -H besar dan Q kecil - Dipakai jet satu atau lebih -H meter - Pengaturan dengan nozzle, ujung jet dan deflextor - Rendemen seperti turbin Kaplan

30 34 Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut Keller dikelompokkan menjadi: - Low head powerplant: dengan tinggi jatuhan air (head) rendah -Medium head power plant: dengan tinggi jatuhan antara low head dan high- head - High head power plant:dengan tinggi jatuhan air diatas 100 m Secara umum hasil survei lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTM dengan tinggi jatuhan (head) 6-60 m, yang dapat dikategorikan pada head rendah dan medium. Tabel 2.1 Daerah Operasi Turbin: Jenis Turbin Variasi Head, m Kaplan Propeller 2 < H < 20 Francis 10 < H < 350 Pelton 50 < H < 1000 Cross Flow 6 < H < 100 Turgo 50< H < 250 ( sumberinternet, micro-hydro-power/169--pelaksanaan-turbin-air.html)

31 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin Pemilihan turbin kebanyakan didasarkan pada head air yang didapatkan dan kurang lebih pada rata untuk tempat dengan head tinggi, dan turbin reaksi digunakan untuk tempat dengan head rendah. Turbin Kaplan baik digunakan untuk semua jenis debit dan head, efisiensinya baik dalam segala kondisi aliran. Turbin kecil ( umumnya dibawah 10 MW) mempunyai poros horisontal, dan kadang dipakai juga pada kapasitas turbin mencapai 100 MW. Turbin Francis dan Kaplan besar biasanya mempunyai poros atau sudu vertikal karena ini menjadi penggunaan paling baik untuk head yang didapatkan, dan membuat instalasi generator lebih ekonomis. Poros Pelton bisa vertikal maupun horisontal karena ukuran turbin lebih kecil dari head yang di dapat atau tersedia. Beberapa turbin impuls menggunakan beberapa semburan air tiap semburan untuk keseimbangan gaya poros.

32 36 Grafik 2.1 Aplikasi Turbin (sumber internet, ) Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu : Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah. Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator.

33 37 Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi. Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns", yang didefinisikan dengan formula: Ns = N x P x H dimana : Ns = kecepatan putaran turbin, rpm P = maksimum turbin output, kw H = head efektif, m Output turbin dihitung dengan formula: P = 9.81 xqxhx Qt dimana Q = debit air, /detik H = efektif head, m

34 38 Qt = efisiensi turbin = untuk turbin pelton = untuk turbin francis = untuk turbin crossfiow = untuk turbin propeller Kaplan Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen.kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut: Turbin pelton = 12 Ns 25 TurbinFrancis = 60 ;Ns 300 Turbin Crossflow = 40 Ns 200 Turbin Propeller = 250 Ns 1000 Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Beberapa formula yang dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu : Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/ (Siervo & Lugaresi, 1978)

35 39 Turbin Francis Ns = 3763 (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Kaplan Ns = 2283/ (Schweiger & Gregory, 1989) Turbin Crossfiow Ns = / (Kpordze & Wamick, 1983) Turbin Propeller Ns = 2702/ (USBR, 1976) Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). Tabel 2.2 Run-away speed Turbin, N maks/n Jenis Turbin Putaran Nominal, N (rpm) Runaway speed Semi Kaplan, single regulated Kaplan, double regulated Small-medium Kaplan Francis (medium & high head) Francis (low head) Pelton Crossflow Turgo ( sumber internet, micro-hydro-power/169--pelaksanaan-turbin-air.html) Transmisi Daya Mekanik Transmisi daya berperan untuk menyalurkan daya dari poros turbin ke poros generator. Elemen-elemen transmisi daya yang digunakan terdiri dari : sabuk (belt), pulley, kopling dan bantalan (bearing). Belt berfungsi untuk

36 40 menyalurkan daya dari poros turbin ke poros generator.belt harus cukup tegang sesuai dengan jenis dan ukurannya. Pulley berfungsi untuk menaikkan putaran sehingga putaran generator sesuai dengan putaran daerah kerjanya. Sedangkan kopling, bantalan dan cone clamp merupakan komponen atau elemen pendukung. Secara umum sistem transmisi daya dapat dikelompokkan menjadi : Sistem transmisi daya langsung ( direct drives ). Sistem transmisi daya tidak langsung ( indirect drives ),dalam hal ini menggunakan belt. a. Sistem Transmisi Daya Langsung Pada sistem transmisi daya langsung ini (direct drives), daya dari poros turbin (rotor) langsung ditransmisikan ke poros generator yang disatukan dengan sebuah kopling. Dengan demikiankonstruksi sistem transmisi ini menjadi lebih kompak, mudah untuk melakukan perawatan, efisiensi tinggi dan tidak memerlukan elemen mesin lain seperti belt dan pulley kecuali sebuah kopling. Karena sistem transmisi dayanya langsung (direct drives), maka generator yang digunakan harus memiliki kecepatan (putaran) optimum yang hampir sama dengan kecepatan (putaran) poros turbin (rotor), sekitar 15% perbedaannya. Alternatif lain adalah menggunakan gearbox untuk mengoreksi rasio kecepatan (putaran) antara generator dan poros turbin.

37 41 b. Sistem Trasmisi Daya Dengan Sabuk (Belt) Sabuk dipakai untuk memindahkan daya antara dua poros yang sejajar. Pemilihan jenis sabuk bergantung pada besar kecilnya daya yang akan ditransmisikan. Sabuk memainkan peranan yang penting dalam menyerap beban kejut dan meredam pengaruh getaran. Sabuk yang digunakan umumnya jenis flat belt dan V-belt. Flat belt banyak digunakan pada sistem transmisi daya mekanik untuk minihidro dengan daya yang besar. V-belt digunakan pada instalasi PLTM dengan daya di bawah 20 kw. Penggunaan sistem transmisi sabuk inimemerlukan komponen pendukung seperti : pulley, bantalan beserta asesorisnya dan kopling. Pada sistem transmisi daya dengan sabuk, putaran turbin dan generator yang dihubungkan dapat berbeda atau dengan kata lain ada rasio putaran. Dengan demikian range generator yang akan digunakan lebih luas dan bervariasi. Transmisi adalah komponen yang menghubungkan antara turbin dan generator.sistem ini hanya memiliki dua sistem yaitu menggunakan belt, atau langsung di kopel dan biasanya menggunakan gearbox.

38 Generator Untuk pembangkit tenaga listrik yang lazim dipakai ialah generator sinkron. Generator dihubungkan dengan turbin melalui gigi-gigi putar sehingga ketika baling-baling turbin berputar maka generator juga ikut berputar. Generator selanjutnya mengubah energi mekanik dari turbin menjadi energi elektrik atau listrik. Energi mekanik ini dikonversi menggunakan media medan magnet. Komponen utama generator terdiri dari bagian berputar yang disebut rotor dan bagian tidak berputar yang disebut stator. Generator di PLTM bekerja seperti halnya generator pada pembangkit listrik lainnya Macam macam penggerak utama generator: a. Generator Hidro (water a heel generator),lazimnya macam sumbu vertical dipergunakan pada Pembangkit. Tapi ada pula macam sumbu horizontal untuk kapasitas kecil dengan penggerak utama turbin francis, atau untuk kapasitasmenengah, medium dengan penggerak utamanya turbin pelton.atau sepertitubular dan silinder dipergunakan untuk PLTA dengan turbin tubular (pipa). b. Generator turbo, dipakai dengan penggerak utamanya turbinturbin thermos,generator semacam ini didinginkan dengan udara, gas atau air. c. Generator darurat, biasanya dapat diangkat angkat, dipakai untuk keperluan pembangkitan tenaga listrik dirumah,stasiun radio, TV dsb.

39 43 d. Generator dikapal-kapal, dikapal-kapal pembangkitan tenaga listrik merupakan PLT kecil,dan dipergunakan sebagai pembangkitan untuk menggerakkan baling-baling kapal, untuk penerangan kapal, untuk komunikasi kapal, dsb. Pada dasarnya generator sinkron hidro sama dengan generator sinkron turbo, tapi kontruksinya agak berbeda mengingat tugasnya yang berbeda. Generator yang pertama berputar dengan kecepatan rendah sedangkan generator turbo perputarannya tinggi Macam - Macam Listrik Generator a. Listrik dengan mesin serempak, apabila generator itu menggunakan penguatan medan,dan biasanya medan berputar sebagai rotor,dipakai untuk pembangkitan listrik dengan transmisi. b. Listrik dengan mesin tidak serempak, generator ini tidak menggunakan medan penguat arus searah seperti pada generator serempak. Generator tak serempak digunakan untuk stasiun-stasiun pembangkitan tenaga listrik yang tidak memerlukan banyak petugas.terbatas pada kapasitas sampai 1000 kva. c. Mesin serempak dengan jangkar berputar, dalam kontruksi yang khusus dipergunakan sebagai motor-generator-set,dan kapasitasnya kecil.

40 44 d. Listrik dengan mesin frekuensi tinggi, generator khusus untuk pembangkitan tegangan dengan frekuensi c.s Putaran Generator Sinkron Rumus perputaran pada mesin mesin2 dinamis, n= atau n = Dimana 2p = jumlah kutub, dan f = frekuensi jala-jala Dari rumus ini dapatlah dihitung, dengan f = 50 c.s dan 60 c.s Perputaran generator sinkron : n= 3000 rpm dan 3600 rpm dengan dua kutub sebagai kutub yang minimum. Oleh karena itu perputaran generator turbo terbatas pada: 3000 rpm untuk 50 c.s dan kutub dua atau 3600 rpm untuk 60 c.s dan kutub dua, sedangkan untuk generator hidro, karena perputarannya rendah antara 60 sampai 750 rpm, tergantung pada H, daya keluar, macam turbin, maka kutub-kutub generator sinkron dapat lebih banyak lagi. Jadi jelas perbedaan kontruksi pada kedua macam generator sinkron itu dapat dilihat pada jumlah kutubnya.

41 45 Tabel 2.3 Putaran Generator Sinkron(rpm) Jumlah Pole (kutub) Frekuensi, 50 Hz (sumber internet, micro-hydro-power/169--pelaksanaan-turbin-air.html) Kalau diperhatikan rotornya, maka biasanya untuk mesin-mesin dengan perputaran tinggi dipakai rotor dengan bentuk silinder, sedangkan untuk mesin dengan perputaran rendah dipakai kutub-kutub salient (bukan silinder) Hal itu disebabkan untuk mengurangi gaya tarik sentrifugal pada mesin-mesin dengan perputaran tinggi. Demikian pula dapat kita lihat pada perbedaan pada diameter rotor.untuk generator hidro dipakai diameter yang yang besar bagi rotornya, sehingga kutub-kutub yang banyak itu dapat ditampung ( 8 meter atau lebih ), sedangkan diameter generator turbo maksimum 1 meter besarnya. Pada mesin arus bolak balik ini, statornya hampir sama semuanya. Stator terdiri dari inti stator, tempat lewat fluksi, rumahnya dan kumparan stator. Inti stator terdiri dari laminasi-laminasi besi baja setebal 0,35 0,5 mm untuk mengurangi rugi rugi hysteresis dan arus pusar. Laminasi-laminasi itu terisolasikan satu sama lain dengan

42 46 menggunakanlapisan varnish. Perumahan stator dibuat dari besi tuang untuk tempat inti stator. Kumparan stator terdiri dari konduktor-konduktor dengan penampang persegi panjang, untuk mesin-mesin dengan kapasitas sedang dan tinggi, kumparan itu terdiri dari lilitan tunggal,belitan gelombang. Karena tak ada isolasi yang diperlukan antara lilitan, dan tak ada penghubung antar kutub-kutub, maka kerusakan karena isolasi hampir jarang terjadi di stator.kumparan itu diletakkan dalam alur dari stator. Kumparan ini membentuk medan putar tiga fasa, sehingga tegangan keluar menjadi tegangan arus bolak balik tiga fasa Karakteristik Generator Sinkron a. Tegangan nominal: Untuk frekuensi 50 c.s tegangan normalisasi adalah sebagai berikut: 100, 110,125,220,380,500 volt. 3,5,6,10,15,20,25,30,60,110,150,220,380 kv. Demikian untuk jala-jala, sehingga tekanan untuk generator-generator arus bolak balik dinormalisasikan sebagai : 133, 230, 400, 525, 3.150, 6.300, , , volt b. Daya keluar generator " = V.I kva

43 47 c. Arus nominal generator = d. Faktor kerja nominal = cos Ø = 0,8 (lazimnya) 0,85 0,9 generator besar Pemilihan Jenis Arus Listrik : Arus Bolak Balik ( AC ) Pada umumnya tegangan yang keluar dari PLTM adalah arus bolakbalik AC atau Alternating Current) dapat juga searah (DC,direct current). Tegangan murah AC dapat diubah menjadi tegangan tinggi secara mudah dan dengan menggunakan transformator. Dengan demikian energi listriknya dapat ditransmisikan pada jarak yang cukup jauh dari rumah pembangkit (power house) sehingga lebih ekonomis, rugi-rugi transmisinya dapat diminimalkan. Keuntungan lain dari penggunaan arus AC ialah konstruksi generator AC yang lebih sederhana. Arus ACmenuntut frekuensi sistem tetap konstan, terutama jika menggunakan motor induksi sebagai generator. Untuk itu diperlukan pengaturan kecepatan putar generator di samping pengatur tegangan (voltage regulator). Pada prakteknya, kombinasi pengadaan tenaga listrik ACdan DC merupakan pilihan yang baik. Penyimpanan tenaga listrik AC ke baterai-baterai (accumulator) memberikan alternatif lain bagi masyarakat yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLTM untuk dapat menikmati

44 48 penerangan, televisi, radio atau penerapan lainnya yang memerlukan tenaga listrik dalam jumlah kecil. Frekuensi yang dipakai untuk arus AC adalah 50 Hz. Tegangan standar yang dihasilkan adalah 110 V dan 240 V untuk generator satu fasa, serta 240/415 V untuk generator tiga fasa Penentuan Sistem Satu Fasa atau Sistem Tiga Fasa Pada dasarnya sistem satu fasa ini hampir sama dengan rangkaian DC. Keuntungan sistem satu fasa adalah : Instalasi listrik dengan sistem satu fasa lebih sederhana. Sistem pengaturan beban (ELC) untuk satu fasa atau lebih murah. Ukuran (size) generator ditentukan oleh beban maksimum (kebutuhan konsumen), sementara pada sistem tiga fasa kapasitas maksimum generator dipilih lebih besar daripada beban maksimum (kebutuhan). Sistem tiga fasa pada dasarnya terdiri dari tiga buah sistem satu fasa dengan satu buah penghantar netral untuk pengubahan arus. Dalam pelaksanaan atau praktek ada 2 cara membuat hubungan pada sistem tiga fasa yaitu : Hubungan delta (segi tiga)

45 49 Hubungan bintang (Y) Hubungan delta diperoleh dengan cara menghubungkan ujung lilitan fasa pertama ke pangkal lilitan fasa berikutnya berturutturut, sehingga diperoleh rangkaian tertutup yang simetris. Jika beban pada setiap fasanya seimbang maka besarnya arus listrik untuk setiap fasa sama. Pada hubungan bintang (Y) ketiga ujung yang sejenis ( boleh pangkal maupun ujung ) dari ketiga lilitan pada sistem tiga fasa disatukan. Titik persambungannya disebut titik bintang atau titik nol. Sistem penghantaran arus listriknya dapat menggunakan : Tiga hantaran tanpa kawat nol (merah, kuning, biru) Tiga hantaran kawat fasa (merah, kuning, biru) dan satu hantaran kawat nol (hitam) Keuntungan sistem tiga fasa ini adalah : Generator dan motor induksi tiga fasa banyak tersedia dipasaran dengan harga yang relatif murah dibandingkan bila menggunakan generator satu fasa di atas 5 kw. Dimensi generator dan motor induksi tiga fasa lebih kecil dibandingkan generator satu fasa untuk rating (kapasitas) yang sama.

46 50 Penggunaan sistem tiga fasa menghemat pemakaian penghantar (tembaga) lebih dari 75% dibandingkan sistem satu fasa dengan tegangan yang sama. Pada prakteknya, pemilihan penggunaan sistem satu fasa atau tiga fasa tergantung biaya yang tersedia dan kemudahan untuk mendapatkan perlengkapan instalasi listrik yang diperlukan. Umumnya untuk kapasitas di bawah 5 kw menggunakan sistem satu fasa dan untuk kapasitas di atas 5 kw menggunakan sistem tiga fasa. Bila sistem tiga fasa akan digunakan perlu dipertimbangkan batasan agar saat sistem beban satu fasa dihubungkan tetap diperoleh keseimbangan. Semua sistem beban satu fasa (rumah tangga) dapat dihubungkan ke salah satu fasa dari jala-jala sistem tiga fasa Perhitungan Daya Arus Bolak-Balik dan Faktor Daya Besarnya daya listrik yang dipakai oleh suatu alat listrik ditentukan oleh besarnya tegangan (V) dan arus listrik (l) yang mengalir di dalam listrik tersebut. Daya sesungguhnya yang terpakai (P) adalah : P = E x I.CosФ

47 51 Di mana : P = daya sesungguhnya dalam satuan watt (W). E x l = daya semu dalam satuan volt ampere (VA). Cos Ф = faktor daya, P f. Ф = geseran sudut antara tegangan dan arus listrik. Pada peralatan listrik faktor daya ini penting sekali diketahui. Semakin tinggi faktor dayanya, semakin tinggi mutunya.sebaliknya semakin rendah faktor dayanya, semakin rendah pula mutunya Pemilihan Generator Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTM umumnya adalah : Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless excitation) dengan menggunakan dua tumpuan bantal (two bearing) Induction motor as Generator (IMAG) sumbu vertikal, yang umumnya digunakan bersama turbin PAT dan turbin propeller open flume.

48 52 Spesifikasi generator adalah putaran 1500 rpm, 50 Hz, 3 fasa dengan keluaran tegangan 220V/380V. Efisiensi generator secara umum adalah : Aplikasi < 10 kva, efisiensi 0,7 0,8 Aplikasi kva, efisiensi 0,8 0,85 Aplikasi kva, efisiensi 0,85 Aplikasi kva, efisiensi 0,85 0,9 Aplikasi > 100 kva, efisiensi 0,9 0,95 Kecepatan sinkron untuk generator arus bolak-balik dinyatakan dengan persamaan : N = Di mana : N= kecepatan putar (rpm) f= frekuensi tegangan (Hz) P= jumlah kutub

49 Pemilihan Generator Sinkron Kapasitas sebuah generator dinyatakan dalam Volt-Ampere atau VA. Sebuah generator harus memiliki kapasitas (Volt-Ampere) yang cukup untuk memenuhi kebutuhan pada saat beban maksimum. Dengan memperhatikan rugi-rugi generator serta untuk menjamin kinerja generator maka perlu adanya faktor keamanan, biasanya 25%. Jadi untuk memenuhi kebutuhan (beban) sebesar 100 kva dipergunakan generator 125 kva. Bila akan digunakan pengontrol beban (ELC, Electronic Load Controller) maka kapasitas daya tambahan (ekstra) sebesar 60%.Di samping itu perlu dipertimbangkan kemungkinan bertambahnya beban akibat adanya penambahan permintaan suplai listrik. Efisiensi generator sinkron umumnya meningkat sebanding dengan kapasitasnya, dari 65% untuk daya 1 kva sampai 90% untuk daya 20 kva. Generator yang dipakai disesuaikan dengan sistem arus bolakbalik yang dipilih, apakah sistem satu fasa atau tiga fasa Generator Asinkron Penggunaan generator asinkron (generator induksi) sebagai pembangkit listrik pada PLTM dengan kapasitas yang kecil lebih reliable (handal) dibandingkan bila menggunakan generator sinkron. Biasanya sebagai generator asinkron digunakan motor induksi.

50 54 Sistem IMAG ( asynchronous) jika dibandingkan dengan sistem syncronouse (generator sinkron) memiliki beberapa keunggulan yang sangat berarti untuk proyek-proyek PLTM, terutama dengan kapasitas sampai 30 kw. Keunggulan utamanya antara lain : Harga lebih murah dibandingkan generator sinkron Produk memenuhi standar industri sehingga daya tahan lebih terjamin. Tersedia dalam beberapa ukuran mulai dari 1 kw 100 kw. Tersedia dengan tiga ukuran putaran (1000, 1500 dan 3000 rpm) sehingga lebih mudah untuk disesuaikan dengan putaran turbin. Motor tiga fasa dapat dipasang dengan sistem satu fasa tanpa perubahan apapun pada motor Karakteristik Generator Induksi Motor induksi umumnya berputar dengan kecepatan konstan mendekati kecepatan sinkronnya. Perubahan beban pada motor induksi mempengaruhi putaran motor induksi. Akibatnya akan terjadi perubahan frekuensi yang menimbulkan tenaga listrik. Pada generator induksi (IMAG). Tegangan akan turun dengan cepat pada saat beban bertambah, sehingga

51 55 perlu adanya pengaturan tegangan dan putaran. Saat ini untuk instalasi mikrohidro, dengan menggunakan motor induksi sebagai generator, tersedia sistem pengaturan IGC (Induction Generator Controller). Pada saat motor induksi digunakan sebagai generator, tegangan yang dihasilkan umumnya 10% lebih rendah dari tegangan yang diperlukan untuk mengoperasikannya sebagai motor listrik dengan frekuensi yang sama. 2.8 Trafo Trafo digunakan untuk menaikkan tegangan arus bolak-balik (AC) agar listrik tidak banyak terbuang saat dialirkan melalui transmisi. Trafo yang digunakan adalah trafo step up. Namun sebelum listrik dipakai, tegangannya diturunkan lagi dengan trafo step down. Trafo distribusi step-up (menaikkan) dan step down (menurunkan) harus pada kontruksi tiga -fasa, dan kapasitas standar adalah sebagai berikut : 5 kva, 10 kva, 16 kva,25 kva dan 50 kva. Dalam memutuskan penempatan lokasi trafo, dimana trafo step up harus diletakkan dekat rumah pembangkit (power house), dan trafo step down harus diletakkan dalam atau dekat area pusat beban. Dalam memutuskan tersebut harus diuji dan dipertimbangkan beberapa hal sebagai berikut : Mudah untuk akses dan pekerjaan-pekerjaan pergantian.

52 56 Dipisahkan dari bangunan-bangunan lain atau pepohonan dengan jarak yang cukup. Untuk tipe dipasang pada tiang, pemasangan tiang harus tidak rumit. Tipe di atas tanah harus dibangun dengan tidak menimbulkan masalah umum. Sebelum memutuskan kapasitas trafo baru, area suplai trafo baru harus ditentukan dengan mempertimbangkan beberapa hal : Area suplai dari trafo baru tidak overlap dengan suplai trafo lain dari feeder lain. Area suplai dari setiap trafo harus mandiri. Pembatasan kerugian tegangan harus memuaskan pada setiap bagian dari area suplai. Kapasitas trafo baru mempertimbangkan pertumbuhan permintaan yang diharapkan dari area. Tabel 2.4 Hubungan antara kapasitas trafo dan generator Kapasitas Trafo Kapasitas generator 5 kva 10 kva 16 kva 25 kva 50 kva < 4 4 kw 8 20kW 40 kw kw 8kW 12.8kW 12.8kW 20 kw kw

53 57 Isi dari trafo: a.kumparan primer ialah kumparan trafo yang dihubungkan pada sumber tenaga. Kumparan primer itu dapat merupakan kumparan tegangan tinggi atau tegangan rendah, tergantung pada penggunaannya. b. Kumparan sekunder ialah kumparan yang mengeluarkan tenaganya pada beban, dapat merupakan tegangan tinggi atau rendah tergantung pada penggunaanya. c. Inti transformator ialah bagian besi tempat lalu fluksi bersama. Terbuat dari laminasi-laminasi besi, diisolasi satu sama lain dengan oksidasi, seperti pada mesin-mesin listrik. d. Bushing, piringan isolasi. e. Tanki tempat minyak dengan radiator untuk pendinginan dan alat Bucholz. f. Ruangan meteran,pengatur tegangan. g.konservator minyak dan lain lain.

54 58