DESAIN DAN ANALISIS PEMBANGKIT LISTRIK MIKROHIDRO

Transkripsi

1 DESAIN DAN ANALISIS PEMBANGKIT LISTRIK MIKROHIDRO Sunardi 1*, Wahyu Sapto Aji 2*, Hernawan Aji Nugroho 3 1,2,3 Teknik Elektro Universitas Ahmad Dahlan Jl. Prof. Soepomo Janturan Yogyakarta * sunargm@gmail.com Abstrak Penelitian PLTMH ini merupakan salah satu cara untuk membantu memecahkan masalah kebutuhan energi listrik di daerah pedesaan yang berguna bagi kegiatan produktivitas masyarakat. Permasalahan utama dalam penelitian ini adalah bagaimana membuat desain dan analisis pembangkit listrik mikrohidro (PLTMH) yang sesuai dengan sumber daya yang tersedia dalam hal debit air, kemiringan aliran air, dan ketinggian lokasi sehingga dinyatakan layak dibangun dan bagaimana proses pembangunannya. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengidentifikasi lokasi dan sumberdaya untuk PLTMH, mendesain dan membangun PLTMH, dan menganalisis dalam pembangunan PLTMH. Berdasarkan data dan perhitungan yang diperoleh diketahui daya terbangkitkan sekitar 13,556kW dan dengan memperhatikan rugi-rugi serta menjamin kinerja generator maka diperlukan faktor keamanan minimal 25%. Berdasarkan hasil penelitian maka dilakukan pembangunan PLTMH dengan menggunakan generator berkapasitas 3kVA. Manfaat dari penelitian ini adalah menyediakan listrik bagi masyarakat yang tidak terjangkau listrik PLN dan sebagai bahan kajian dan referensi pembanguan PLTMH di tempat lain yang memiliki potensi. Kata Kunci : air, listrik, pembangkit listrik, mikrohidro PENDAHULUAN Mikrohidro dikenal sebagai white resources dengan terjemahan bebas bisa dikatakan energi putih. Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini menggunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air dapat diubah menjadi energi listrik. Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam prakteknya, istilah ini bukan merupakan sesuatu yang baku namun bisa dipastikan bahwa Mikrohidro pasti mengunakan air sebagai sumber energinya (Dream Indonesia., 2011). Air yang mengalir dengan kapasitas dan ketinggian tertentu di salurkan menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah turbin, instalasi air tersebut akan menumbuk turbin. Turbin yang menerima energi air tersebut kemudian mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan/dihubungkan ke generator. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya. Skema dari sistem PLTMH dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Komponen Pokok PLTMH (Kadir, 2010). 126

2 METODOLOGI Lokasi yang akan dijadikan tempat pembangunan PLTMH adalah di daerah Wonosobo. Lokasi ini dipilih berdasarkan survei yang telah dilakukan dan mempertimbangkan lokasi yang jauh dari jangkauan jaringan listrik PLN, terdapat sungai yang mengalirkan air secara konstan dan terdapat sebuah bendungan yang digunakan untuk mengalirkan air ke saluran irigasi. Debit air cukup untuk menggerakan turbin sebagai penggerak utama PLTMH, dan kebutuhan akan tenaga listrik untuk meningkatkan perekonomian masyarakat disekitar. PLTMH membutuhkan pasokan air yang konstan agar bisa membangkitkan tenaga listri disepanjang tahun. Wawancara dengan penduduk sekitar aliran dilakukan untuk mendapatkan gambaran lebih luas tentang kejadian-kejadian debit pada saat-saat yang paling kering dan sewaktu banjir besar yang pernah terjadi. Jika dikemudian hari ternyata debit yang dimanfaatkan terlalu kecil, akan berarti masih ada kemungkinan guna memasang pembangkit tenaga listrik yang baru. Pengukuran debit air dilakukan dengan metode menggunakan pelampung. Alat yang digunakan yaitu meteran, stopwatch, dan bola pingpong sebagai pelampung. Pengukuran dilakukan dengan tahapan sebagai berikut: 1. Mengukur jarak sampling aliran sungai yang akan digunakan sebagai daerah penelitian dari hulu sampai hilir menggunakan meteran. Area sampling dipilih berdasarkan jarak terdekat dengan lokasi rencana pembangunan. 2. Mengukur kedalaman aliran sungai di daerah sampling yaitu pada bagian sisi kiri dan kanan serta pada bagian tengah sungai. Pengukuran ini dilakukan dengan bantuan bilah kayu yang dimasukan kedalam aliran air kemudian diukur panjang bilah kayu yang tenggelam dalam air menggunakan meteran. Pengukuran ini dilakukan diarea daerah sempling dengan pembagian lima tempat sebagai sempel kemudian diambil rata-rata. 3. Mengukur lebar aliran sungai menggunakan meteran. Pengukuran ini dilakukan dengan cara mengambil sempel pada tempat yang sama dengan pengambilan sempel pengukuran kedalaman aliran air. 4. Mengukur kecepatan aliran sungai dengan cara menjatuhkan bola pingpong kedalam aliran air pada daerah sampling dimulai dari hulu sampai hilir dan dihitung waktu tempuhnya menggunakan stopwatch. Pengukuran ini dilakukan dalam lima kali percobaan dan diambil nilai rata-rata. 5. Menghitung debit air menggunakan rumus: Q = K.A.V...(1) Q = Debit aliran air (m³/detik) A = Luas penampang (m²) V = Kecepatan aliran air (m/detik) K = Koefisien Pengairan Dalam pengukuran tinggi terjun menggunakan cara pengukuran sebagai berikut: 1. Mengukur panjang lintasan miring dari tebing 2. Mengukur panjang lintasan datar menggunakan bantuan tongkat kayu kemudian diukur panjangnya menggunakan rol meter 3. Kemudian dari hasil pengukuran sisi miring dan sisi datar digunakan untuk menghitung sisi tegak atau ketinggiannya. dkk): Diameter minimum pipa pesat dapat menggunakan persamaan sebagai berikut (Firmansyah, d = 2,69 x ( n2 x Q 2 x L ) 0, (2) H d = Diameter pipa pesat (m) Q = Debit pembangkitan (m³/s) H = Tinggi jatuh (m) L = Panjang pipa pesat (m) n = Koefisien meanning ( Saluran yang terbuat dari metal logam halus 0,011 0,013) 127

3 Kecepatan pada pipa pesat dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan Darcy Weisbach sebagai berikut: V=Q/A...(3) V = Kecepatan (m/s) Q = Debit pembangkitan (m³/s) A = Luas penampang (m²) Tebal pipa pesat yang direncanakan dapat menggunakan persamaan sebagai berikut; δ = d³ np₀ 2E...(4) d = Diameter pipa (m) n = faktor keamanan (2 untuk pipa yang tertutup tanah, 4 untuk pipa di luar) p₀ = Tekanan udara (0,1 Mpa) E = Modulasi elastisitas (200 Gpa) Rugi-rugi pada pipa pesat disebabkan oleh perubahan pipa pesat dan adanya kelokan pada pipa. Pada penelitian ini, desain pipa pesat tidak ada perubahan ukuran pipa dan kelokan, sehingga rugi-rugi yang diakibatkan pipa pesat tidak diperhitungkan. HASIL DAN PEMBAHASAN Tenaga potensial yang terkandung didalam air adalah akibat debit air yang mengalir di sungai dan adanya tinggi terjun, dengan memanfaatkan tenaga tersebut untuk dirubah menjadi energi mekanis dengan menggunakan turbin air kemudian disalurkan menuju generator sehingga menghasilkan energi listrik. Besarnya dapat dihitung dengan mengalikan angka gaya berat atau gravitasi, debit air dan tinggi terjun. Persamaan untuk besarnya daya yang terkandung dalam air adalah: P = g x Q x h...(5) dimana : P = Daya nyata (kw) g = Percepatan gravitasi bumi (9,8m/s²) Q = Besarnya debit air (m³/s), didapatkan pengukuran 0,4901m³/s h = Besarnya tinggi terjun air (m), didapatkan pengukuran 5,6m maka didapatkan P = 9,8m/s² x 0,4901m³/s x P = 26,897kW Daya terbangkitkan: P = g x Q x h x ɳp x ɳt x ɳg...(6) ɳp = efisiensi pipapesat 0,90 0,95 (tergantung pada panjang pipa pesat) ɳt = efisiensi turbin 0,70 0,85 (tergantung pada jenis turbin) ɳg = efisiensi generator 0,80 0,95 (tergantung pada kapasitas generator) dengan menggunakan batas efisiensi terendah maka dapat diperoleh hasil seperti berikut: P = 9,8m/s² x 0,4901m³/s x 5,6m x 0,90 x 0,70 x 0,80 P = 13,556kW Berdasarkan data dan perhitungan yang diperoleh diketahui daya terbangkitkan sekitar 13,556kW dan dengan memperhatikan rugi-rugi generator serta menjamin kinerja generator maka diperlukan faktor keamanan minimal 25% dari daya terbangkitkan. Berdasarkan Sanjayaputra (2015) dan Keen (2004), generator menggunakan generator baru yaitu generator sinkron satu phase seri ST-3 dengan kapasitas 3kVA. Generator ini memiliki 4 kutup sehingga memerlukan putaran rotor sebesar 1500rpm untuk membangkitkan energi listrik dengan frekuensi 50Hz. 128

4 Berdasarkan hasil penelitian maka dilakukan pembangunan PLTMH dengan menggunakan generator berkapasitas 3kVA. Desain lengkap PLTMH dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3. Gambar 2. Power House Gambar 3. Pintu Air Pipa Pesat Pipa pesat menggunakan pipa PVC dengan diameter 10 inci = 0,254m dan panjang 9 meter. Dengan debit air Q = 0,4901 maka kecepatan pada pipa pesat dapat dihitung sebagai berikut: A = ¼πd²...(7) A = ¼ x 3,14 x (0,254)² A = 0,051m² 129

5 V = 0,4901 0,051 V = 9,677m/s Turbin/Kincir Air Turbin menggunakan turbin air bekas yang sudah tersedia di lokasi pembangunan. Pada kincir air, air beroperasi pada tekanan atmosfer dan air mengalir melalui sudu-sudu, yang mengakibatkan kincir berputar pada putaran tertentu. Berdasarkan Bachtiar (2015) dan Efendi (2011), spesifikasi teknis kincir air dan mempertimbangkan ketersediaan kincir air yang sudah ada maka dipilih jenis breast-shot sebagai desain pembangunan, dengan spesifikasi sebagai berikut: Diameter turbin = 1m = 39,37inci Lebar turbin = 15cm Jarak antar sudu = 15cm Jumlah sudu = 20 Diketahui tinggi jatuh 5,6 meter maka dapat dihitung kecepatan putaran kincir air sebagai berikut: N t = 862 x H½ N t = 39,37 N t = 93,85rpm D 1...(8) 862 x 18,373½ Faktor Kecepatan, berdasar D = 100 cm, Nt = 93,85 rpm maka diperoleh hasil sebagai berikut: 1 x 93,85 φ = = 0,468 84,6 x 5,6 Kecepatan Satuan, berdasar D = 100 cm, Nt = 93,85 rpm maka diperoleh hasil sebagai berikut: 93,85 x 1 N 11 = = 39,656 rad/s 5,6 Debit Satuan, berdasar D = 100cm, Q = 0,4901m³/s, dan Nt = 93,85 rpm maka diperoleh hasil sebagai berikut: Q 11 = 0,4901 1² 5,6 = 0,207m³/s Putaran Spesifik, berdasar P = 3kw, H = 5,6m maka diperoleh putaran spesifik turbin sebagai berikut: 93,85 x 30,5 Ns = = 18,869 rad/s 5,6 5/4 Transmisi Mekanik Pully dan v-belt sebagai komponen utama pada transmisi mekanik menggunakan barang baru. Dengan mempertimbangakan kecepatan turbin yang dihasilkan berdasarkan perhitungan dan kecepatan yang diperlukan oleh generator untuk menghasilkan daya dengan frekuensi yang diinginkan, maka dibuat desain transmisi mekanik sesuai Gambar 4. Berdasarkan rumus perhitungan perbandingan jari-jari pully dengan kecepatan putar pully berikut: n 1 = r 2...(9) n 2 r 1 Diketahui: n1 =1500rpm n4 = 93,85rpm kemudian mengunakan pully dengan ukuran r4 = 50cm dan r3= 20cm, maka diperoleh hasil putaran pada n2=n3 sebagai berikut: n 4 n 2 = r 2 r 3 130

6 93,85 = 20 n2 50 n2 = 234,625rpm Kemudian r2 = 50cm,maka dapat diketahui r1 sebagai berikut: n 1 = r 2 n 2 r = ,625 r 1 r1= 7,82cm n2 n3 r1 n1 n4 r4 r2 r3 Gambar 4. Desain Susunan Pully DAFTAR PUSTAKA Bachtiar, Asep Neris. Karakteristik Turbin Cross Flow. 22 Oktober Dream Indonesia. Panduan Sederhana Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. 22 Oktober Efendi, Z.K. (2011). Perancangan Kincir Air Untuk PLTA Mini Di Kanagarian Sungai Batuang. Padang: Universitas Bung Hatta. Firmansyah, R., Utomo, T., Purnomo, H. Perancanan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Gunung Sawur Unit 3 Lumajang. Malang: Universitas Brawijaya. Kadir Ramli, Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Di Sungai Marimpa Kecamatan Pinembani. Tugas Akhir, Fakultas Teknik Universitas Tadulako Palu. Keen, R.G. (2004). ST Series Single-Phase AC Synchronous Generator Instruction For Operation and Maintenance. Sanjayaputra, Ardinatha. Generator AC DC. 22 Oktober