PEMILIHAN TURBIN AIR SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR 3 KW DI DESA PADAYO KECAMATAN LUBUK KILANGAN

Transkripsi

1 PEMILIHAN TURBIN AIR SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR 3 KW DI DESA PADAYO KECAMATAN LUBUK KILANGAN TUGAS AKHIR Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Ahli Madya dari Politeknik Negeri Padang JONI HARISANDI BP: PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI PADANG 2016

2 PEMILIHAN TURBIN AIR SEBAGAI PENGGERAK GENERATOR 3 KW DI DESA PADAYO KECAMATAN LUBUK KILANGAN TUGAS AKHIR Oleh: JONI HARISANDI BP Telah disetujui oleh : Pembimbing 1 Pembimbing 2 Dasrul Yunus, ST.,M.Kom Nasrul Harun, ST., M.Kom NIP NIP

3 HALAMAN PENGESAHAN Tugas Akhir yang berjudul Pemilihan Turbin Air Sebagai Penggerak Generator 3 kw di Desa Padayo Kecamatan Lubuk Kilangan telah disidangkan atau dipertanggungjawabkan di depan tim penguji sebagai berikut pada hari rabu 14 Desember 2016 di Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang. No Nama Jabatan Tanda Tangan 1. Firmansyah,ST.,MT NIP Ketua Surfayondri,ST.SST.,M.Kom NIP Sekretaris Wiwik Wiharti,ST.,MT NIP Anggota Dasrul Yunus,ST.,M.Kom NIP Anggota... Mengetahui Ketua Jurusan Teknik Elektro Ketua Program Studi Teknik Listrik Afrizal Yuhanef ST., M.Kom Herisajani,ST.,M.Kom Nip NIP

4 ABSTRAK Pemilihan Turbin Air Sebagai Penggerak Generator 3 kw di Desa Padayo Kecamatan Lubuk Kilangan Joni Harisandi Aliran anak sungai yang ada di desa Padayo memiliki potensi energi air untuk dibuat pembangkit listrik skala kecil yang dikenal dengan istilah pikohidro. Secara teknis pikohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin air dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah turbin. Di rumah turbin, air tersebut akan menumbuk 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. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik. Dengan memperhatikan potensi energi air yang tersedia di desa Padayo, akhirnya timbullah perencanaan dalam pemilihan turbin air yang akan digunakan berdasarkan tinggi jatuh (head) dan debit air yang tersedia. Kata kunci: Pikohidro, Energi Air, Turbin Air, tinggi jatuh air, debit air vi

5 KATA PENGANTAR Alhamdulillahirabbil alamin, Puji Syukur kehadirat Allah SWT, berkat Rahmat dan Karunia-Nya Penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini yang berjudul Pemilihan Turbin Air Sebagai Penggerak Generator 3 kw di Desa Padayo Kecamatan Lubuk Kilangan, seterusnya shalawat beserta salam teruntuk Rasulullah SAW. Laporan ini disusun dengan tujuan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan pada Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang Tahun Dalam menyelesaikan laporan ini, Penulis banyak mendapatkan bantuan dan dorongan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu Penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua dan seluruh keluarga tercinta yang selalu mendo akan dan mendukung setiap langkah yang penulis tempuh dalam pendidikan. 2. Bapak Aidil Zamri, ST, MT selaku Rektor Politeknik Negeri Padang. 3. Bapak Afrizal Yuhanef, ST.,M.Kom selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang. 4. Bapak Herisajani, ST.,M.Kom selaku Ketua Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang. 5. Bapak Dasrul Yunus, ST.,M.Kom. selaku Pembimbing I Penulis dalam pembuatan Tugas Akhir, yang telah memberikan banyak ilmu dan masukan sehingga penulis mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini. vii

6 6. Bapak Nasrul Harun, ST., M.Kom. selaku Pembimbing II Penulis dalam pembuatan Tugas Akhir, yang telah memberikan banyak ilmu sehingga penulis mampu menyelesaikan Tugas Akhir ini. 7. Seluruh staf pengajar, staf teknisi, dan tenaga administrasi di jurusan Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang. 8. Teman-teman seperjuangan pembuatan tugas akhir. 9. Teman-teman 3 C Teknik Listrik Untuk semua pihak yang telah membantu Penulis sampai laporan ini selesai yang tak dapat penulis sebutkan sau persatu. Semoga semua bantuan yang telah diberikan kepada penulis mendapat balasan yang setimpal dari Allah SWT. Harapan penulis agar laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, namun penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis mohon saran dan kritikan dari pembaca yang bersifat membangun demi kelancaran laporan penulis untuk kedepan. Atas kritik dan saran yang pembaca berikan penulis ucapkan terima kasih. Padang, 1 Desember 2016 Joni Harisandi BP viii

7 DAFTAR ISI Hal ABSTRAK... vi KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xii BAB I BAB II PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Batasan Masalah Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan... 4 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Energi Air Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH) Turbin Jenis Turbin Bagian-Bagian Umum Turbin Turbin Air Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya Pemilihan Turbin Air Aspek-Aspek Pemilihan Turbin Air Syarat-Syarat Pemilihan Turbin Air Jenis dan Ciri Untuk Pemilihan Turbin Air Generator Sinkron ix

8 Prinsip Dasar Generator Sinkron Kecepatan Putar Generator Sinkron BAB III BAB IV BAB V METODA DAN PROSES PENYELESAIAN 3.1. Tahap Survei Potensi Air di Lokasi Tahap Perencanaan Layout PLTPH Tahap Pelaksanaan Konstruksi Sipil Pemilihan Jenis Turbin Tahap Pengoperasian dan Pengujian HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Potensi Air Pemilihan Jenis Turbin Pada PLTPH Padayo Pengoperasian dan Pengujian PLTPH Padayo Keunggulan Turbin Crossflow KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN 1: Layout PLTPH Padayo LAMPIRAN 2: Dokumentasi Survei Lapangan LAMPIRAN 3: Dokumentasi Pembersiham Lokasi PLTPH Padayo LAMPIRAN 4: Dokumentasi Pembuatan Konstruksi Sipil PLTPH Padayo LAMPIRAN 5: Dokumentasi Pemasangan Turbin PLTPH Padayo LAMPIRAN 6: Dokumentasi Pengoperasian dan Pengujian PLTPH Padayo.. 67 LAMPIRAN 7: Lokasi Pemasangan PLTPH Padayo LAMPIRAN 8: Runner Turbin Crossflow LAMPIRAN 9: Bagian-Bagian Turbin Crossflow x

9 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Proses Perubahan Energi Air Menjadi Energi Listrik... 5 Gambar 2. Proses pada pembangkitan listrik tenaga pikohidro... 8 Gambar 3. Turbin Pelton Gambar 4. Bagian Utama Turbin Pelton Gambar 5. Turbin Crossflow Gambar 6. Turbin Turgo Gambar 7. Turbin Francis Gambar 8. Daerah Kerja Turbin Francis Gambar 9. Turbin Kaplan Gambar 10. Generator AC satu fasa dua kutub Gambar 11. Generator AC tiga fasa dua kutub Gambar 12. Generator sinkron Gambar 13. Tahapan kegiatan PLTPH Gambar 14. Intake PLTPH desa Padayo Gambar 15. Bak penenang PLTPH desa Padayo Gambar 16. Saluran pembawa (headrace) PLTPH desa Padayo Gambar 17. Pipa pesat PLTPH desa Padayo Gambar 18. Power house PLTPH desa Padayo Gambar 19. Saluran pembuangan (tail race) PLTPH desa Padayo Gambar 20. Peta Lokasi Pembuatan PLTPH Padayo Gambar 21. Diagram aplikasi berbagai jenis turbin Gambar 22. Lokasi Pemasangan PLTPH xi

10 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Jenis dan ciri setiap tipe turbin Tabel 4.1. Daerah operasi turbin Tabel 4.2. Data hasil pengujian lampu pijar 150 watt x 4 dan lampu hemat energi 10 watt x xii

11 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Listrik merupakan salah satu kebutuhan yang sangat berperan penting bagi manusia di bumi. Di negara Indonesia pemasok energi listrik terbesar yaitu Perusahaan Listrik Negara (PLN). Energi yang dihasilkan PLN digunakan untuk kepentingan umum diantaranya untuk perumahan-perumahan, industri, penerangan jalan atau umum dan lainnya. Akan tetapi peran PLN belum dapat dinikmati oleh sebagian masyarakat terutama pada daerah yang terpencil. Sebagai contoh faktor kondisi jalan yang sulit dijangkau oleh peralatan berat dan kondisi perumahan penduduk tersebut tidak membentuk sebuah desa (terpencar). Desa Padayo adalah salah satu desa terpencil yang terdapat di Kecamatan Lubuk Kilangan. Pada desa ini terdapat beberapa rumah semi permanen milik petani kebun yang tidak dialiran listrik dari PLN. Hal tersebut dikarenakan hanya terdapat beberapa rumah saja serta letaknya yang sudah jauh dari pemukiman yang dialiri listrik PLN. Pada desa ini terdapat aliran anak sungai yang memiliki potensi untuk dibuat sebuah pembangkit. Dengan memanfaatkan sumber dan potensi aliran tersebut, direncanakan untuk membangun sebuah Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH). Secara teknis pikohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin air dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi, air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin akan menerima 1

12 2 energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan menggunakan sabuk/belt. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik. Dengan memperhatikan potensi energi air yang tersedia di desa Padayo, akhirnya timbullah perencanaan dalam pemilihan turbin berdasarkan tinggi jatuh (head) dan debit air yang tersedia. Oleh sebab itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistim, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi turbin yang maksimum. 1.2 Rumusan Masalah Dalam pelaksanaan tugas akhir ini terdapat beberapa hal yang menjadi rumusan masalah, yaitu: 1. Bagaimana cara membuat sebuah PLTPH? 2. Bagaimanakah pemanfaatan turbin air sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Air? 3. Bagaimana cara menentukan jenis turbin yang akan digunakan pada sebuah PLTPH? 1.3 Tujuan Adapun tujuan tugas akhir ini adalah : 1. Untuk dapat menghasilkan energi listrik sendiri dengan memanfaatkan sumber daya alam yang terdapat di desa Padayo Lubuk Kilangan. 2. Menentukan jenis turbin yang akan digunakan berdasarkan tinggi jatuh air dan debit air yang ada di desa Padayo.

13 3 3. Membantu memenuhi kebutuhan listrik untuk rumah petani di desa Padayo. 1.4 Batasan Masalah Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis akan membahas tentang: Spesifikasi dalam pemilihan turbin air untuk penggerak generator. 1.5 Metodologi Penelitian Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis menggunakan beberapa metode penelitian guna mencapai hasil yang terbaik, diantaranya : a. Observasi Penulis melakukan pengamatan langsung ke lapangan dalam pelaksanaan pembuatan PLTPH, mencatat masalah-masalah yang ditemukan, kemudian menganalisa dan memperbaiki kesalahan yang ditemukan, sehingga mendapatkan hasil yang maksimal. b. Konsultasi Pembimbing Penulis melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing dengan cara melakukan tanya jawab yang berhubungan dengan pokok bahasan yang penulis rancang sehingga kesulitan yang dihadapi dapat teratasi. c. Studi Literatur Metode ini adalah salah satu kegiatan penelitian yang mana penulis mencari data bahan-bahan yang diperlukan sesuai dengan materi, dan membuat prosedur pengujian peralatan di lapangan. Lalu membuat data dan menyimpulkan dari hasil analisa untuk memaksimalkan alat yang mungkin bisa menjadi referensi pengembangan dari yang sebelumnya.

14 4 1.6 Sistematika Penulisan Dalam penulisan laporan ini penulis menggunakan sistematika penulisan laporan yang baik dan benar sehingga mudah dimengerti. Sistematika yang digunakan adalah sebagai berikut: BAB I PENDAHULUAN, bab ini berisikan tentang latar belakang, tujuan, rumusan masalah, batasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan laporan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA, bab ini berisikan tentang teori-teori yang penulis gunakan sebagai dasar pemikiran pada perancangan alat ini. BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN, bab ini berisi tentang bagaimana cara atau proses perancangan dan pembuatan alat yang penulis buat BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN, bab ini menerangkan tentang bagaimana cara mengoperasikan alat dan pinsip kerja dari alat tersebut serta menyajikan hasil-hasil pengujian yang telah dilakukan dan analisis berdasarkan hasil percobaan tersebut. BAB V PENUTUP, bab ini berisikan kesimpulan tentang alat yang dibuat dan saran-saran yang diperlukan terhadap alat tersebut. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

15 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Energi Air Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Adapun perubahan energi air menjadi energi listrik dapat dilihat pada gambar berikut: Energi Air Turbin Energi Mekanik Generator Energi Listrik Gambar 1. Proses Perubahan Energi Air Menjadi Energi Listrik Dari gambar diatas dapat dilihat energi air dimanfaatkan untuk menjadi energi listrik. Energi air digunakan untuk memutar turbin yang menyebabkan timbulnya energi mekanik dari turbin berupa putaran. Energi mekanik ini dihubungkan/dikopelkan ke generator listrik sehingga generator ikut berputar dan menghasilkan energi listrik. Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir/waduk air, maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air 5

16 6 keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :...(1) Dengan : Ep = energi potensial air (Joule) m = massa air (kg) h = head [m] g = percepatan gravitasi [m/s 2 ] Daya merupakan energi tiap satuan waktu ( )sehingga persamaan (1) dapat dinyatakan sebagai:...(2) Dengan mensubsitusikan P terhadap ( ) dan mensubstitusikan ρq terhadap ( ) maka...(3) Dengan: P = daya [watt] Q = kapasitas aliran [m 3 /s] ρ = densitas air [kg/m 3 ] Selain memanfaatkan air jatuh, hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik...(4) Dengan: v = kecepatan aliran air [m/s]

17 7 Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut:...(5) atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas Q = Av, maka...(6) Dengan: A = luas penampang aliran air [m 2 ] 2.2. Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH) Pikohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. Berdasarkan output yang dihasilkan, pembangkit listrik tenaga air dibedakan atas: 1. Large-hydro : lebih dari 100 MW 2. Medium-hydro : antara MW 3. Small-hydro : antara 1 15 MW 4. Mini-hydro : Daya diatas 100 KW, dibawah 1 MW 5. Micro-hydro : Output yang dihasilkan berkisar KW 6. Pico-hydro : Output yang dihasilkan tidak lebih dari 5 KW

18 8 Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro (PLTPH) adalah pembangkit listrik yang sifatnya berskala kecil (kurang dari 5 kw), yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sungai sebagai sumber energi. PLTPH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTPH dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. Pembangkit listrik tenaga air dengan menggunakan turbin pada prinsipnya adalah dengan memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan generator menghasilkan listrik. Gambar 2. Proses pada pembangkitan listrik tenaga pikohidro Dari gambar di atas dapat diketahui secara garis besar komponenkomponen dari pembangkit listrik tenaga pikohidro adalah sebagai berikut: 1. Bendungan (Weir) dan Intake

19 9 Konstruksi bangunan intake untuk mengambil air langsung dapat berupa bendungan (weir) yang melintang sepanjang lebar sungai atau langsung membagi aliran air sungai tanpa dilengkapi bangunan bendungan. Lokasi intake harus dipilih secara cermat untuk menghindarkan masalah di kemudian hari. 2. Saluran Pembawa (Head Race) Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria: Nilai ekonomis yang tinggi Efisiensi fungsi Aman terhadap tinjauan teknis Mudah pengerjaannya Mudah pemeliharaannya Struktur bangunan yang memadai Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil 3. Bak/Kolam Penenang (Forebay Tank) Bak penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu bak penenang ini juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat. 4. Pipa Pesat (Penstock) Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material, diameter penstock, tebal dan jenis sambungan (coordination point). Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibility, berat, sistem penyambungan dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan

20 10 pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugi-rugi (fiction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi. 5. Pintu Saluran Pembuangan Pintu saluran pembuangan ini berfungsi untuk membuang air apabila terjadi kelebihan volume air pada saluran pembawa. 6. Rumah Pembangkit (Power House) Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan peralatan lainnya. Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi peralatan dari hujan dan gangguan-gangguan lainnya. 7. Turbin Air Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Kemudian Energi mekanis yang didapat tersebut akan diubah menjadi tenaga listrik dengan menggunakan generator. 8. Generator Generator merupakan mesin listrik yang berfungsi untuk merubah energi mekanik dalam membentuk putaran menjadi energi listrik. Generator mempunyai dua bagian pokok, yaitu bagian stator atau bagian dari generator yang tidak bergerak dan bagian rotor atau bagian generator yang berputar/bergerak. Pada generator yang berukuran besar, bagian stator dipergunakan sebagai tempat belitan medan magnet. 9. Saluran Buang (Tail Race) Saluran buang berfungsi mengalirkan air keluar setelah memutar turbin.

21 11 Pada sebuah PLTPH, besarnya daya listrik sebelum masuk ke turbin/daya input turbin secara matematis dapat dituliskan seperti pada persamaan (2.3) dan besarnya daya output turbin adalah sebagai berikut: Pout turbin ρ.q.h.g.ηturbin...(7) Sehingga secara matematis daya real yang dihasilkan dari pembangkit adalah sebagai berikut : Preal ρ.q.h. g.ηturbin.ηgenerator...(8) Dimana : Pin turbin Pout turbin Preal = daya masukan ke turbin (kw) = daya keluaran dari turbin (kw) = daya sebenarnya yang dihasilkan (kw) ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) Q h = debit air (m 3 /s) = ketinggian efektif (m) g = gaya gravitasi (m/s 2 ) ηturbin = efisiensi turbin ( untuk turbin pelton; untuk turbin francis; untuk turbin crossflow; untuk turbin propeller/kaplan) ηgenerator = efisiensi generator

22 Turbin Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak yang disebut "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air Jenis Turbin A. Turbin Uap Turbin uap adalah suatu alat yang memamfaatkan uap sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran eksternal.didalam turbin uap pengubahan tenaga didasarkan atas kecepatan uap. Secara sederhana prinsip kerja turbin uap yaitu: mula-mula uap diekspansikan didalam pipa pemancar, yaitu dengan jalan merubah tekanan uap yang tinggi menjadi kecepatan uap yang sangat cepat. Dengan kecepatan uap ini, digunakan untuk mendorong sudu jalan. B. Turbin Gas Turbin gas adalah suatu alat yang memamfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya.sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor, ruang bakar dan gas. Energi ditambahkan di arus gas di pembakar, dimana udara dicampur dengan bahan bakar dan dinyalakan. Pembakaran meningkatkan suhu, kecepatan dan volume dari aliran gas. Kemudian diarahkan melalui sebuah penyebar (nozzle) melalui baling-baling turbin, memutar turbin dan mentenagai kompresor.energi

23 13 diambil dari bentuk tenaga shaft, udara terkompresi dan dorongan, dalam segala kombinasi, dan digunakan untuk mentenagai pesawat terbang, kereta, kapal, generator dan bahkan tank. C. Turbin Angin Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.saat ini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energy dan menggunkan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. D. Turbin Air Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri untuk jaringan listrik.turbin air aliran kedalam mempunyai susunan mekanis yang lebih baik dan semua turbin reaksi modern menggunakan desain ini. Putaran massa air berputar hingga putaran yang semakin cepat, air berusaha menambah kecepatan untuk membangkitkan energy. Jenis turbin air yang banyak digunakan asalah turbin crossflow, karena turbin cocok dengan skala pembangkit listrik tenaga air di Indonesia. Contoh turbin air sederhana adalah kincir air atau roda air.turbin air berperanuntuk mengubah energi air (energy potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energy mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran putaran poros turbin akan diubah oleh generator menjadi energi listrik Bagian- Bagian Umum Turbin A. Rotor, yaitu bagian yang berputar pada sistem yang terdiri dari : Sudu-sudu, berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkan oleh nosel.

24 14 Poros, berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu. B. Stator, yaitu bagian yang diam pada sistem yang terdiri dari : Pipa pengarah/nosel yang berfungi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan fluida yang digunakan didalam sistem besar. Rumah turbin, berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen-komponen turbin. Bantalan, berfungsi untuk merapatkan komponen-komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem Turbin Air Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Francis yang bernama Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling" (putaran) atau "vortex" (pusaran air). Turbin air ini biasanya digunakan untuk tenaga industri untuk jaringan listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Dalam pembangkit listrik tenaga air, turbin air merupakan peralatan utama selain generator. Turbin air berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Perputaran turbin ini di hubungkan ke generator.

25 15 Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis dan energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, aliran air yang mempunyai energi potensial akan disemprotkan ke sudu-sudu turbin oleh nosel. Putaran dari sudu-sudu tersebut akan mengakibatkan poros turbin ikut bergerak dan kemudian putaran poros turbin akan diteruskan ke generator listrik untuk diubah menjadi energi listrik Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner Berdasarkan arah alirannya, turbin dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitu: 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 Crossflow. 2. Turbin Aliran Aksial Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner. Turbin dengan aliran aksial digunakan untuk laju alir tinggi dan dengan perbedaan tekanan rendah (1 40 bar). Axial-flow turbines kebanyakan digunakan dalam aplikasi yang melibatkan fluida kompresibel. Dalam banyak penggunaan, efisiensi Axial-flow turbines lebih tinggi dibandingkan radial-inflow turbines. Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini.

26 16 3. Turbin Aliran Aksial - Radial Turbin aliran radial adalah turbin yang arah alirannya tegak lurus dengan arah putaran poros turbin. Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros. Turbin dengan aliran radial digunakan untuk laju alir (aliran working fluid) rendah dan dengan perbedaaan tekanan (difference pressure) tinggi. Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi air menjadi energi kinetik, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu: 1. Turbin Impuls Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial + tekanan + kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Turbin impuls merubah aliran semburan air. Semburan turbin membentuk sudut yang membuat aliran turbin. Hasil perubahan momentum (impuls)

27 17 disebabkan tekanan pada sudu turbin. Sejak turbin berputar, gaya berputar melalui kerja dan mengalihkan aliran air dengan mengurangi energi. Sebelum mengenai sudu turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi menjadi energi kinetik oleh sebuah nosel dan difokuskan pada turbin. Tidak ada tekanan yang dirubah pada sudu turbin, dan turbin tidak memerlukan rumahan untuk operasinya. Hukum kedua Newton menggambarkan transfer energi untuk turbin impuls. Turbin impuls paling sering digunakan pada aplikasi turbin tekanan sangat tinggi. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton, turbin Crossflow, dan turbin Turgo. a. Turbin Pelton Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi. Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala kecil head 20 meter sudah mencukupi.

28 18 Gambar 3. Turbin Pelton [4] Turbin pelton digolongkan ke dalam jenis turbin impuls atau tekanan sama. Karena selama mengalir di sepanjang sudu-sudu turbin tidak terjadi penurunan tekanan, sedangkan perubahan seluruhnya terjadi pada bagian pengarah pancaran atau nosel. Energi yang masuk ke roda jalan dalam bentuk energi kinetik. Pada waktu melewati roda turbin, energi kinetik dikonversikan menjadi kerja poros dan sebagian kecil energi terlepas dan sebagian lagi digunakan untuk melawan gesekan dengan permukaan sudu turbin. Turbin pelton biasanya berukuran besar, hal ini dapat dimaklumi karena dioperasikan pada tekanan yang tinggi dan perubahan momentum yang diterima sudu-sudu sangat besar, dengan sendiri struktur turbin harus kuat. Pada turbin pelton semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk kesudu jalan turbin telah diubah menjadi energi kecepatan Seperti terlihat pada gambar dibawah ini:

29 19 Gambar 4. Bagian Utama Turbin Pelton [4] Turbin pelton terdiri dari dua bagian utama yaitu: Nosel Nosel mempunyai beberapa fungsi, yaitu: - Mengarahkan pancaran air ke sudu turbin - Mengubah tekanan menjadi energi kinetik - Mengatur kapasitas air yang masuk turbin Jarum yang berada pada nosel bertujuan untuk mengatur kapasitas dan mengkonsentrasikan air yang terpancar di mulut nosel. Panjang jarum sangat menentukan tingkat konsentrasi air, makin panjang jarum air makin terkonsentrasi. Untuk turbin pelton dengan daya kecil, debit bisa diatur dengan hanya menggeser kedudukan jarum sudu. Untuk instalasi yang lebih besar harus

30 20 menggunakan dua buah sistem pengaturan atau lebih. Tujuan pengaturan ini adalah untuk menghindari terjadinya tekanan tumbukan yang besar dalam pipa pesat yang timbul akibat penumpukkan nosel secara tiba-tiba ketika beban turbin berkurang dengan tiba-tiba. Untuk mengurangi putaran turbin pada kondisi atas, pembelokkan pancaran akan berayaun kedepan jarum nosel terlebih dahulu sehingga pancaran air dari nosel berbelok sebagian. Roda Jalan Roda jalan berbentuk pelek (rim) dengan sejumlah sudu di sekelilinnya. Pelek ini dihubungkan dengan poros dan seterusnya menggerakkan generator. Sudu turbin pelton berbentuk elipsoida yang dibuat dengan bucket (sudu) dan di tengahnya mempunyai splitter (pemisah air). Bentuk sudu sedemikian dimaksudkan supaya bisa membalikkan putaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya samping. b. Turbin Crossflow Turbin crossflow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada Perusahaan Ossberger tersebut sampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin crossflow yang terkemuka di dunia. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 10 liter/s hingga 10 m 3 /s dan head antara 6 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan

31 21 mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Gambar 5 merupakan bentuk turbin crossflow. Gambar 5. Turbin Crossflow [4] Pemakaian jenis Turbin Crossflow lebih menguntungkan dibanding dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin skala kecil lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan penggerak mula sampai 50% dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran Turbin Crossflow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda jalan atau runnernya biasanya 2 meter ke atas, tetapi diameter Turbin Crossflow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa

32 22 lebih murah. Demikian juga daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini lebih tinggi dari pada daya guna kincir air. Hasil pengujian laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman Barat yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang paling unggul sekalipun hanya mencapai 70 % sedang effisiensi turbin crossflow mencapai 82 % ( Haimerl, L.A., 1960). Tingginya effisiensi Turbin crossflow ini akibat pemanfaatan energi air pada turbin ini dilakukan dua kali, yaitu energi tumbukan air pada sudu-sudu pada saat air mulai masuk dan daya dorong air pada sudu-sudu saat air akan meninggalkan runner. Adanya kerja air yang bertingkat ini ternyata memberikan keuntungan dalam hal efektifitasnya yang tinggi dan kesederhanaan pada sistim pengeluaran air dari runner. c. Turbin Turgo Turbin turgo dapat beroperasi pada head 50 m s/d 250 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nosel membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. Pada Gambar berikut menunjukkan bentuk turbin turgo:

33 23 Gambar 6. Turbin Turgo [4] 2. Turbin Reaksi Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksisepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Turbin reaksi disebut juga dengan turbin tekanan lebih karena tekanan air sebelum masuk roda turbin lebih besar dari pada tekanan air saat keluar roda turbin. Secara umum dapat dikatakan bahwa aliran air yang masuk keroda turbin mempunyai energi penuh, kemudian energi ini dipakai sebagian untuk menggerakkan roda turbin dan sebagian lagi dipergunakan untuk mengeluarkan air kesaluran pembuangan. Jenis turbin reaksi yang sering digunakan antara lain, turbin francis, turbin propoller atau kaplan.

34 24 a. Turbin Francis Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Gambar berikut menunjukkan sketsa dari turbin francis. Gambar 7. Turbin Francis [1] Turbin francis bekerja dengan memakai proses tekanan lebih. Pada waktu air masuk ke roda jalan, sebagian dari enrgi tinggi jatuh telah bekerja di dalam sudu pengarah diubah sebagai kecepatan air masuk. Sisa energi tinggi jatuh dimanfaatkan dalam sudu jalan, dengan adanya pipa isap memungkinkan energi tinggi jatuh bekerja di sudu jalan dengan semaksimum mungkin.

35 25 Turbin yang dikelilingi dengan sudu pengarah semuanya terbenam dalam air. Air yang masuk kedalam turbin dialirkan melalui pengisian air dari atas turbin (schact) atau melalui sebuah rumah yang berbentuk spiral (rumah keong). Semua roda jalan selalu bekerja. Daya yang dihasilkan turbin diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah. Pembukaan sudu pengarah dapat dilakukan dengan tangan atau dengan pengatur dari oli tekan (gobernor tekanan oli), dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Pada sisi sebelah luar roda jalan terdapat tekanan kerendahan (kurang dari 1 atmosfir) dan kecepatan aliran yang tinggi. Di dalam pipa isap kecepatan alirannya akan berkurang dan tekanannya akan kembali naik sehingga air bisa dialirkan keluar lewat saluran air di bawah dengan tekanan seperti keadaan sekitarnya. Pipa isap pada turbin ini mempunyai fungsi mengubah energi kecepatan menjadi energi tekan. Jenis konstruksi turbin francis pertama kali dilaksanakan sekitar tahun Sekarang turbin francis adalah yang paling banyak dipakai, karena tinggi air jatuh dan kapasitasnya yang paling sesuai dengan kebutuhannya. Dari hasil penggunaan dan penelitian yang terus-menerus untuk pengembangan selanjutnya, turbin francis sekarang sudah bisa digunakan untuk tinggi air jatuh sampai 700m dengan kapasitas air dan kecepatan air serta kecepatan putar yang memenuhi harapan. Gambar berikut adalah daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda.

36 26 Gambar 8. Daerah Kerja Turbin Francis [1] Pokok utama pada Gambar 8 adalah adanya daerah penggunaan tipe turbin. Untuk diketahui pada gambar diatas di dalam daerah yang dibatasi dengan garis terdapat banyak jenis turbin yang dibuat, jadi sebetulnya garis tersebut sudah bukan merupakan garis batas lagi. Karena ada turbin yang titik muatan beban penuhnya terletak di bawah atau di atas daerah yang diberi tanda. Titik beban penuh turbin dapat juga terletak di bawah daerah tersebut, bila dari kondisi tempat membutuhkan pemasangan turbin dengan tinggi khusus dan berdasarkan alasan untuk menghindari kavitasi, sehingga dengan demikian harus dipilih kecepatan spesifik yang kecil. Turbin francis yang kecil sering terletak di bawah daerah tersebut, karena harus menggerakkan generator yang mempunyai kecepatan putar yang tinggi dsan dihubungkna langsung dengan roda gigi transmisi. Didalam daerah batas antara turbin francis dengan turbin kaplan, Turbin kaplan lebih menguntungkan yaitu pada keadaan beban tidak penuh randemennya lebih tinggi, karena sudu-suda turbin kaplan bisa diatur sesuai dengan beban yang ada.

37 27 b. Turbin Kaplan & Propeller Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. Gambar 9 merupakan bentuk dari turbin Kaplan. Gambar 9. Turbin Kaplan [1] Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan

38 28 generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal ini dikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada. Turbin kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis untuk merespon perubahan kapasitas berkebalikan dengan turbin kaplan turbin pelton adalah turbin yang beroperasi dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untuk turbin francis mempunyai karakteritik yang berbeda dengan lainnya yaitu turbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasi pada head yang tinggi Pemilihan Turbin Air Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut Keller dikelompokkan menjadi: a. Low head power plant b. Medium head power plant c. High head power plant Secara umum hasil survei lapangan mendapatkan potensi pengembangan PLTPH dengan tinggi jatuhan (head) 6-60 m, yang dapat dikategoirikan pada head rendah dan medium.

39 Aspek-Aspek Pemilihan Turbin Air Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Teknis pemilihan jenis turbin pada tahap awal dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan aspek - aspek yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu: a) 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. b) Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. c) Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. 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 1/2 )/ H 5/4...(10) dimana : Ns = Kecepatan spesifik (m-kw) N = kecepatan putaran turbin (rpm) P = Output turbin (kw)

40 30 H = head efektif (m) Kecepatan spesifik dari setiap turbin adalah dikhususkan dan dikisarkan menurut konstruksi dari setiap tipe dengan berdasarkan pada percobaan dan contoh-contoh pembuktian nyata. Batasan dari kecepatan spesifik turbin (Ns-max) dapat diperiksa dengan rumus berikut. Turbin Pelton: Ns-max 85.49H Turbin Crossflow: Ns-max 650H -0.5 Turbin Francis: Turbin Propeller: Ns-max (20000/(H+20))+30 Ns-max (20000/(H+20))+50 Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air itu adalah sebagai berikut: Turbin pelton TurbinFrancis Turbin Crossflow : 12 Ns 25 : 60 Ns 300 : 40 Ns 200 Turbin Propeller : 250 Ns 1000 Dalam pemilihan suatu turbin juga perlu dipertimbangkan aspek posisi poros turbin dan posisi penyemburan aliran terhadap sumbu roda jalan pada turbin. Dimana untuk suatu turbin penggunaannya bisa dengan posisi poros secara horizontal ataupun posisi poros vertikal. Hal tersebut tergantung pada kondisi lingkungan pemasangan turbin dan efesiensi turbin yang akan dihasilkan. Sementara itu untuk posisi penyemburan terhadap sumbu roda jalan dapat berupa posisi penyemburan vertikal, posisi penyemburan horizontal ataupun posisi penyemburan miring.

41 Syarat-Syarat Pemilihan Turbin Air Penggunaan suatu jenis turbin untuk pembagkit listrik tenaga air haruslah memperhatikan syarat-syarat yang harus terpenuhi dalam pemilihan turbinnya. Adapun syarat-syarat tersebut adalah: a. Tinggi jatuh / head turbin Pada suatu jenis turbin memiliki daerah kerja atau operasi pada head tertentu yaitu head rendah, head sedang dan head tinggi. Sebagai contoh untuk turbin crossflow efektif digunakan untuk head sedang, sedangkan untuk turbin kaplan dan propoller efektif digunakan pada head rendah. b. Debit air turbin Debit air dalam pembuatan suatu pembangkit listrik tenaga air harus diketahui karena berhubungan dengan perencanaan turbin yang akan digunakan. Dimana untuk tiap-tiap turbin bisa digunakan pada kisaran debit air yang berbeda-beda. c. Kebutuhan daya Daya yang dihasilkan dari suatu pembangkit listrik tenaga air dapat dicari secara perhitungan dengan mengetahui tinggi jatuh air dan debit air yang tersedia. Setelah daya didapatkan maka dapat dipertimbangkan pembagian daya berdasarkan kebutuhan pada konsumen yang akan menggunakannya Jenis dan Ciri Untuk Pemilihan Turbin Air Pemilihan turbin air untuk pembangkit listrik skala kecil dipertimbangkan dari jenis dan ciri pada suatu turbin. Hal tersebut dilihatkan pada tabel berikut:

42 Turbin Reaksi Turbin Impulsl 32 Tabel 2.1. Jenis dan ciri setiap tipe turbin Head (m) dan Debit Jenis Penampakan Umum Kapasitas (kw) (m 3 /s). Turbin Head: Debit: Pelton Turbin Crossflow Turbin kecil (1kW) dapat dirancang dan dibuat Head: Debit: Turbin Turgo Turbin kecil (1kW) dapat dirancang dan dibuat Head: Debit: Turbin Francis Head: Debit: Turbin Kaplan dan Propoller 0, Turbin kecil (<1kW) dapat dirancang dan dibuat Head: 2-20 Debit: Generator Sinkron Generator merupakan komponen listrik yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik melalui perantaraan medan magnet. Berdasarkan jenis tegangan yang dihasilkan generator terdiri dari : 1. Generator AC (Alternator) Merupakan generator yang menghasilkan tegangan bolak-balik (alternating current AC)

43 33 2. Generator searah (DC) Merupakan generator yang menghasilkan tegangan searah (Direct Current DC) Generator sinkron merupakan mesin listrik bolak-balik yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis dalam bentuk putaran ke energi listrik arus bolak-balik. Generator sinkron mempunyai dua bagian pokok yaitu bagian stator atau bagian generator yang tidak bergerak/berputar. Pada generator sinkron yang berukuran besar yaitu stator yang digunakan untuk tempat belitan magnet. Generator arus bolak balik dibagi menjadi dua jenis yaitu : a. Generator arus bolak-balik 1 fasa b. Generator arus bolak-balik 3 fasa Gambar diagram kedua bentuk generator arus bolak balik tersebut dapat dilihat dari gambar 10 dan gambar 11 berikut: Gambar 10. Generator AC satu fasa dua kutub [2] Gambar 11. Generator AC tiga fasa dua kutub [2]

44 34 Generator sinkron sering dijumpai pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik, misalnya pada PLTA, PLTU, PLTD dan lain-lain. Selain generator kapasitas besar, kita mengenal juga generator dengan kapastias yang relatif kecil, misalnya generator yang digunakan untuk penerangan darurat yang sering disebut generator set. Kapasitas sebuah generator dinyatakan dalam volt-ampere atau VA. Sebuah generator harus memiliki kapasitas (volt-ampere) yang cukup untuk memenuhi kebutuhan pada set beban maksimum. Dengan memperhatikan rugirugi generator serta untuk menjamin kinerja generator maka perlu adanya faktor keamanan biasanya 25% Prinsip Dasar Generator Sinkron Generator sinkron bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik. Generator sinkron mempunyai belitan jangkar yang merupakan elemen diam pada stator dan belitan eksitasi itu dimagnetisasi oleh arus searah yang dipasok oleh sumber arus searah dari luar atau dari generator itu sendiri dengan jalan mengambil sebagian arus yang keluar dari stator lalu diserahkan sebagai penguat. Jika stator generator sinkron diputar pada suatu kecepatan tertentu yang disebut dengan putaran sinkron, belitan magnet pada rotor tersebut dialiri arus searah, sehingga menghasilkan fluksi yang turut berputar dan memotong belitan jangkar yang terdapat dibagian stator, akibatnya adanya fluksi persatuan waktu yang dirasakan oleh belitan jangkar. Maka pada belitan jangkar akan terjadi perbedaan tegangan listrik. Tegangan induksi yang timbul pada ujung belitan jangkar mencapai suatu siklus penuh pada satu pasang kutub yang melewatinya atau dengan kata lain P/2

45 35 kali setiap satu siklus rotor. Dengan demikian frekuensi tegangan induksi dapat dinyatakan dalam rumus sebagai berikut : f = P. N : (11) Dimana : N F P = kecepatan putar (rpm) = frekuensi tegangan (Hz) = jumlah kutub Secara umum frekuensi yang dihasilkan generator sinkron diindonesia yaitu 50 Hz. Ini berarti untuk generator sinkron yang mempunyai satu pasang kutub diperlukan sebanyak 50 putaran setiap detik atau sama dengan 60 x 50 = 3000 rpm. Gambar generator terlihat pada Gambar berikut: Gambar 12. Generator sinkron [2] Kecepatan Putar Generator Sinkron Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor.

46 36 Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah : N = 120. f : P...(12) Dimana : N = kecepatan putar (rpm) f = frekuensi tegangan (Hz) P = jumlah kutub Kecepatan putar sangat berpengaruh terhadap tegangan yang dihasilkan generator sinkron. Jika putaran turun, maka tegangan generator sinkron. Jika putaran turun, maka tegangan generator sinkron juga akan turun, serta apabila putarannya bertambah juga akan mengakibatkan bertambahnya tegangan yang dihasilkan oleh generator. Jadi jika putaran generator bertambah, maka akan mengakibatkan bertambahnya kemampuan pembangkit daya generator sinkron, tetapi biasanya pada pengoperasian jumlah putaran dijaga konstan dan diatur biasanya adalah arus penguat medannya. Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50 Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Efisiensi generator secara umum adalah: a. Aplikasi < 10 KVA efisiensi b. Aplikasi KVA efisiensi c. Aplikasi KVA efisiensi 0.85 d. Aplikasi KVA efisiensi

47 BAB III METODA DAN PROSES PENYELESAIAN Tahapan kegiatan dimulai dengan mengetahui potensi air secara topografi dari keberadaan sungai-sungai, sehingga dapat direncanakan sebuah pembangunan listrik potensi air PLTPH sebagai berikut: Tahap survei Survei potensi air dan jumlah pemakai listrik Perhitungan daya terbangkit dan disain Tahap Perencanaan Layout PLTPH Tahap Pelaksanaan Pengerjaan Kontruksi Sipil dan Pemilihan Jenis Turbin Tahap Pengoperasian Pengoperasian dan Pengujian PLTPH Gambar 13. Tahapan kegiatan PLTPH 37

48 Tahap Survei Potensi Air di Lokasi Survei dilakukan untuk mengetahui potensi air dan keberadaan air secara berkelanjutan, potensi energi kinetik air dapat dihitung berdasarkan debit tinggi jatuh air dan komponen-komponen lain yang terkait agar listrik dapat terbangkitkan. Adapun data-data yang dikumpulkan pada tahap survei ini adalah sebagai berikut: a. Temuan Data Primer Suatu penelitian yang langsung dilakukan di lapangan dengan kegiatankegiatan pokok sebagai berikut : Mengidentifikasi kondisi lokasi sumber air, dimana aliran air yang akan digunakan bersumber dari aliran air bukit didesa Padayo Mengukur debit sungai dan didapatkan debit air sebagai berikut: - Musim kemarau Q = = 10 l/s = 0,01 m 3 /dtk - Musim hujan Q = = 25 l/s = 0,025 m 3 /dtk Mengukur kemiringan sungai atau terjalan sungai, dan didapatkan data sebagai berikut: - Tinggi jatuh air = 11,2 m - Jarak perencanaan bak sampai ke rumah turbin / Panjang pipa = 28,5 m Mengukur jarak lokasi pikohidro ke lokasi rumah dan didapatkan jarak yang terukur ke salah satu rumah sekitar 41 m Mengidentifikasi kemungkinan kebutuhan tenaga listrik sekitar lokasi, dari kondisi yang ada direncakan tenaga listrik yang dihasilkan akan disalurkan untuk 3 buah rumah yang akan dipergunakan untuk kebutuhan seperti penerangan.

49 39 b. Data Sekunder yang dibutuhkan Dalam survei data sekunder yang akan dibutuhkan dapat dilakukan dengan wawancara dan diskusi dengan masyarakat terkait untuk mendapatkan data yang akurat sebagai pedoman dalam perencanaan listrik berkelanjutan masa depan. Informasi-informasi yang dikumpulkan sebagai berikut: - Data fisik wilayah, meliputi: jenis tanah, kondisi topografi, morfologi, klimatologi, vegetasi, hidrologi, daya dukung lahan dan lain-lain. - Data sosial dan kependudukan meliputi : sosial dan budaya, jumlah konsumen dan prilaku penduduk dalam mengkosumsi listrik. - Data perekonomian meliputi: produksi pertanian, sarana dan prasarana ekonomi, mata pencaharian penduduk dan lain-lain. - Sumber daya, meliputi : sumber daya air, hutan dan sumber daya manusia Tahap Perencanaan Layout PLTPH Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro (PLTPH) pada dasarnya memanfaatkan energi potensial air (jatuhan air). Semakin tinggi jatuhan air (head) maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografis yang memungkinkan, tinggi jatuhan air (head) dapat pula diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi. Secara umum layout sistem PLTPH merupakan pembangkit jenis run off river, memanfaatkan aliran air permukaan (sungai). Komponen sistern PLTPH tersebut terdiri dari bangunan intake (bendungan), saluran pembawa, bak pengendap dan penenang, saluran pelimpah, pipa pesat, rumah pembangkit dan saluran pembuangan. Layout dasar pada perencanaan pengembangan PLTPH

50 40 dimulai dari penentuan lokasi intake, bagaimana aliran air akan dibawa ke turbin dan penentuan tempat rumah pembangkit untuk mendapatkan tinggi jatuhan (head) optimum dan aman dari banjir. a. Lokasi bangunan intake Pada umumnya instalasi PLTPH merupakan pembangkit listrik tenaga air jenis aliran sungai langsung, jarang yang merupakan jenis waduk (bendungan besar). Konstruksi bangunan intake untuk mengambil air langsung dari sungai dapat berupa bendungan (intake dam) yang melintang sepanjang lebar sungai atau langsung membagi aliran air sungai tanpa dilengkapi bangunan bendungan. Lokasi intake harus dipilih secara cermat untuk menghindarkan masalah di kemudian hari. Gambar 14. Intake PLTPH desa Padayo

51 41 b. Kondisi dasar sungai Dasar sungai yang tidak stabil mudah mengalami erosi sehingga permukaan dasar sungai lebih rendah dibandingkan dasar bangunan intake, hal ini akan menghambat aliran air memasuki intake. Dasar sungai berupa lapisan lempeng batuan merupakan tempat yang stabil. Tempat di mana kemiringan sungainya kecil, umumnya memiliki dasar sungai yang relatif stabil. Pada kondisi yang tidak memungkinkan diperoleh lokasi intake dengan dasar sungai yang relatif stabil dan erosi pada dasar sungai, maka konstruksi bangunan intake dilengkapi dengan bendungan untuk menjaga ketinggian dasar sungai di sekitar intake. Begitu juga untuk bak penenang yang disesuaikan dengan kondisi dasar sungai, bentuk bak penenang harus seimbang dan mempunyai kedalaman lebih dari dasar sungai sehingga memungkinkan air masuk ke pipa pesat dengan mudah dan lancar. Bak penenang akan mengatur perbedaan keluaran air ke pipa pesat dari saluran pembawa (headrace), oleh sebab itu konstruksi bangunan bak penenang harus memiliki kedalaman lebih dibandingkan dasar sungai. Gambar 15. Bak penenang PLTPH desa Padayo

52 42 c. Bentuk aliran sungai Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada instalasi PLTPH adalah kerusakan pada bangunan intake yang disebabkan oleh banjir. Hal tersebut sering terjadi pada intake yang ditempatkan pada sisi luar sungai. Pada bagian sisi luar sungai mudah erosi serta rawan terhadap banjir karena batu-batuan, batang pohon serta berbagai material yang terbawa banjir akan mengarah pada bagian tersebut. Sementara itu bagian sisi dalam sungai merupakan tempat terjadinya pengendapan lumpur dan sedimentasi, sehingga tidak cocok untuk lokasi intake. Lokasi intake yang baik terletak sepanjang bagian sungai yang relatif lurus, di mana aliran akan terdorong memasuki intake secara alami dengan membawa beban (bed load) yang kecil. Gambar 16. Saluran pembawa (headrace) PLTPH desa Padayo d. Lokasi rumah pembangkit (power house) Pada dasarnya setiap pembangunan pikohidro berusaha untuk mendapatkan head yang maksimum. Konsekuensinya lokasi rumah

53 43 pembangkit (power house) berada pada tempat yang serendah mungkin. Karena alasan keamanan dan konstruksi, lantai rumah pembangkit harus selalu lebih tinggi dibandingkan permukaan air sungai. Data dan informasi ketinggian permukaan sungai pada waktu banjir sangat diperlukan dalam menentukan lokasi rumah pembangkit. Selain lokasi rumah pembangkit berada pada ketinggian yang aman, saluran pembuangan air (tail race) harus terlindung oleh kondisi alam, seperti batu-batuan besar. Disarankan ujung saluran tail race tidak terletak pada bagian sisi luar sungai karena akan mendapat beban yang besar pada saat banjir, serta memungkinkan masuknya aliran air menuju ke rumah pembangkit. Gambar 17. Pipa pesat PLTPH desa Padayo

54 44 Gambar 18. Power house PLTPH desa Padayo Gambar 19. Saluran pembuangan (tail race) PLTPH desa Padayo

55 45 e. Layout Sistem PLTPH Layout sebuah sistem PLTPH merupakan rencana dasar untuk pembangunan PLTPH. Pada layout dasar digambarkan rencana untuk mengalirkan air dari intake sampai ke saluran pembuangan akhir. Air dari intake dialirkan ke turbin menggunakan saluran pembawa air berupa kanal dan pipa pesat. Penggunaan pipa pesat memerlukan biaya yang lebih besar dibandingkan pembuatan kanal terbuka, sehingga dalam membuat layout perlu diusahakan agar menggunakan pipa pesat sependek mungkin. Pada lokasi. tertentu yang tidak memungkinkan pembuatan saluran pembawa, penggunaan pipa pesat yang panjang tidak dapat dihindari. Pendekatan dalam membuat layout sistem PLTPH adalah dimana air dari intake dialirkan melalui penstok sampai ke turbin. Jalur pemipaan mengikuti aliran air, paralel dengan sungai, long pesat (following river). Metoda ini dapat dipilih seandainya pada medan yang ada tidak memungkinkan untuk dibuat kanal, seperti sisi sungai berupa tebing batuan. Perlu diperhatikan bahwa pesat harus aman terhadap banjir Tahap Pelaksanaan Pembangunan pembangkit listrik tenaga pikohidro dilaksanakan di: Desa Kelurahan Kecamatan Kota Posisi : Padayo : Indarung : Lubuk Kilangan : Padang : 0º 56ʹ 12,17692ʺ LS dan 100º 30ʹ 9,20041ʺ BT

56 46 Pembangunan dilaksanakan pada bulan September 2016 hingga bulan November Adapun lokasi pada desa Padayo tersebut dapat dilihat pada gambar berikut: Gambar 20. Lokasi Pembuatan PLTPH Padayo Kontruksi Sipil Pelaksanaan pembangunan pikohidro yang dilakukan terdiri atas pembangunan pekerjaan sipil dilapangan berupa bendungan, saluran pembawa, bak penenang,saluran pelimpah, pipa pesat, rumah turbin dan saluran buang. Bangunan sipil pada PLTPH berperan penting dalam penyaluran air ke turbin. Dalam proses penyaluran air sendiri, membutuhkan sebuah saluran penghantar yang berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria: a. Nilai ekonomis yang tinggi b. Efisiensi fungsi c. Aman terhadap tinjauan teknis d. Mudah pengerjaannya

57 47 e. Mudah pemeliharaannya f. Struktur bangunan yang memadai g. Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil Pemilihan Jenis Turbin Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Teknis pemilihan jenis turbin pada tahap awal dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan aspek - aspek yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu: 1. Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi. 2. Faktor daya (power) yang diinginkan. 3. Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator. Selain aspek-aspek diatas, teknis pemilihan turbin juga dipertimbangkan berdasarkan lokasi yang akan dibuat sebuah pembangkit listrik. Kondisi lokasi yang akan dibangun pembangkit digunakan untuk pertimbagan posisi poros turbin yang akan digunakan. Posisi poros suatu turbin dapat berupa vertikal ataupun horizontal. Hal ini juga berhubungan dengan arah aliran yang masuk ke dalam turbin. Pemilihan suatu turbin memiliki hubungan dengan kapasitas generator yang akan digunakan. Kapasitas generator yang akan digunakan dapat diketahui setelah jenis turbin ditentukan. Hubungan antara turbin dan generator tersebut adalah:

58 48 a. T T < T G Jika torsi turbin lebih kecil daripada torsi generator, maka generator tidak akan bergerak / diam. b. T T = T G Jika torsi turbin sama dengan torsi generator, maka generator akan bergerak tetapi tidak berputar. c. T T > T G Jika torsi turbin lebih besar daripada torsi generator maka generator akan berputar Tahap Pengoperasian dan Pengujian Proses pengoperasian merupakan tahap akhir dari pembangunan PLTPH ini sebelum digunakan untuk masyarakat. Pada tahap ini dilakukan pengujian terhadap PLTPH yang telah dibuat.

59 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Potensi air Setelah dilakukan survei lapangan didesa padayo maka didapatkan datadata sebagai berikut: a. Debit air yang terukur (Q) Musim kemarau Q = Vol / waktu = 20l / 2s = 10 l / s = 0,01 m 3 /s Musim hujan Q = Vol / waktu = 20l / s = 0,025 m 3 /s b. Tinggi jatuh air (head) = 11,2 m Jika yang digunakan adalah sumber air pada musim kemarau, maka daya air / daya yang akan masuk ke turbin adalah: P = x Q x h x g = 1000 kg/m 3 x 0,01 m 3 /s x 11,2 m x 9,8 m/s 2 = 1097 kg.m 2 /s 3 = 1097 watt 49

60 Pemilihan Jenis Turbin Pada PLTPH Padayo Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, teknis pemilihan jenis turbin pada PLTPH padayo diperhitungkan dengan mempertimbangkan aspek - aspek 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. Dari data yang didapatkan, dapat diketahui pada pembangunan PLTPH ini memiliki tinggi jatuh air sejauh 11,2 meter dan debit yang akan dimanfaatkan sebesar 10 liter per detik atau 0,01 meter kubik per detik. Dari data head dan debit air tersebut bisa didapatkan / dihitung daya yang akan dihasilkan air (daya yang akan masuk ke turbin) sebesar 1097 watt. Daya yang dihasilkan akan masuk ke dalam turbin dan putaran turbin akan ditransmisikan ke generator. Sistem transmisi yang akan digunakan adalah dengan menggunakan sabuk atau belt. Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin dapat mengacu pada tabel berikut:

61 51 Tabel 4.1. Daerah operasi turbin No Jenis Turbin Variasi Head (m) Kaplan dan Propeller 2 < H < 20 Francis 10 < H < 350 Pelton 50 < H < 1000 Crossflow 6 < H < 100 Turgo 50 < H < 250 Dari tabel diatas dapat dilihat bahwa variasi head yang memenuhi untuk operasi turbin pada desa Padayo adalah jenis turbin Kaplan, turbin Francis dan turbin crossflow. Hal tersebut dikarenakan head yang terdapat pada desa padayo adalah 11,2 m. Sedangkan untuk jenis turbin pelton dan turgo sudah untuk operasi head yang tinggi yakni lebih besar dari 50 m. Pemilihan turbin pada PLTPH Padayo juga dipertimbangkan dengan diagram aplikasi berbagai jenis turbin berikut ini: Gambar 21. Diagram aplikasi berbagai jenis turbin

62 52 Dari gambar 21 dapat dilihat turbin jenis pelton, francis serta turgo digunakan untuk head yang tinggi dan daya yang terbangkitkan untuk skala besar. Sedangkan untuk turbin crossflow dan turbin kaplan memenuhi untuk head dan debit air yang tersedia pada desa Padayo. Pertimbangan dari pilihan antara turbin crossflow dan kaplan ini selanjutnya dilihat pada kondisi lokasi yang akan dibangun PLTPH. Kondisi lokasi yang akan dibangun PLTPH dapat digambarkan posisi bak penenang sampai rumah turbin. Kondisi lokasi pada pemasangan PLTPH Padayo memiliki kemiringan tanah seperti terlihat pada gambar berikut ini: Gambar 22. Lokasi Pemasangan PLTPH

63 53 Berdasarkan gambar 22 dapat diketahui jika nilai head (h) adalah 11,2 m dan jarak antara bak penenang dengan rumah turbin (s) adalah sejauh 28,5 m. Dari data tersebut maka dapat dicari sudut kemiringan a dengan cara berikut ini: x = (s² - h²) = (28,5² - 11,2²)m 2 = 686,81 m 2 = 26,20 m Jadi panjang sisi x adalah 26,20m, dengan demikian maka dapat juga ditentukan sudut kemiringan dari pipa penstock yaitu: tan α = h/ x = 11,2m/26,20m = 0,43 α = arc tan 0,43 = 23 Jadi didapatkan sudut elevasi dari pipa penstock adalah. Sudut ini dapat digunakan untuk acuan menentukan pembuatan elbow turbin yang menghubungkan ujung pipa dengan turbin. Berdasarkan lokasi tempat pemasangan turbin yang terlihat pada gambar 22, maka bisa ditentukan posisi poros turbin yang akan digunakan. Jika menggunakan turbin kaplan maka posisi poros turbin yang akan digunakan adalah posisi poros vertikal. Penggunaan poros horizontal juga bisa digunakan pada turbin kaplan ini, namun penggunaan poros vertikal lebih efisien dibandingkan dengan horizontal. Sementara jika menggunakan turbin crossflow maka posisi poros turbin yang digunakan adalah posisi poros horizontal.

64 54 Pada PLTPH Padayo generator yang digunakan adalah generator sinkron 3 kw. Penggunaan generator ini dilakukan karena pemanfaatan dari generator bekas penggunaan mesin diesel yang ada pada desa Padayo tersebut. Penggunaan generator ini adalah pada posisi poros horizontal dan sistem transmisi yang bisa digunakan pada generator ini adalah sistem transmisi sabuk. Berdasarkan generator yang ada tersebut maka bisa dijadikan pertimbangan untuk pemilihan turbin. Dimana jika menggunakan turbin kaplan posisi poros yang efektif untuk turbin ini adalah vertikal, sedangkan generator yang ada untuk penggunaan poros horizontal. Selain itu sistem transmisi putaran untuk turbin kaplan ini adalah dikopel langsung / direct couple dengan generator dan generator yang ada hanya untuk sistem tranmisi sabuk. Jadi penggunaan turbin pada PLTPH padayo adalah turbin jenis crossflow yang dikarenakan penggunaan poros turbin dan poros generator yang digunakan adalah penggunaan poros horizontal. Selain itu sistem transmisi putaran yang akan digunakan dari turbin ke generator adalah sistem transmisi sabuk. Setelah mengetahui turbin yang akan digunakan pada PLTPH maka besar daya keluaran turbin dapat diketahui. Besarnya daya listrik sebelum masuk ke turbin secara matematis didapatkan sebesar 1097 watt, sedangkan besar daya keluaran turbin adalah sebagai berikut: Pout turbin = ρ. Q. h. g. ηturbin = 1000 kg/m 3. 0,01 m 3 /s. 11,2 m. 9,8 m/s 2. 0,7 = 768 kg.m 2 /s 3 = 768 watt

65 55 Sehingga secara matematis daya real yang dihasilkan dari pembangkit adalah sebagai berikut : Preal = ρ. Q. h. g. ηturbin. ηgenerator = 1000 kg/m 3. 0,01 m 3 /s. 11,2 m. 9,8 m/s 2. 0,7. 0,8 = 614 kg.m 2 /s 3 = 614 watt 4.3. Pengoperasian dan Pengujian PLTPH Padayo Pengoperasian dimulai setelah pembangkit selesai dibangun. Pengoperasian dimulai dengan membuka tutup air dan mengalirkan air ke bak penenang. Setelah permukaan air di bak penenang naik hingga sebagian air ada yang terbuang / melimpah melalui saluran limpah, maka pada saat itu pula tutup di mulut pipa pesat dibuka hingga pipa pesat penuh terisi. Selanjutnya kegiatan pengoperasian berlangsung di rumah pembangkit, dilakukan pembukaan katup secara berkala dengan perantaraan regulator tangan. Karena pengontrolan beban pada PLTPH Padayo masih dilakukan secara manual, penggunaan beban dapat disesuaikan dengan bukaan katup. Apabila dilakukan penambahan beban tegangan akan turun, maka beban ditambahkan lalu bukaan katup ditambah hingga tegangan kembali normal. Sedangkan bila melakukan pengurangan beban, bukaan katup dikurangkan dan beban dikurangkan. Setelah PLTPH dioperasikan, maka dilakukan pengujian dengan menggunakan beban. Beban yang digunakan pada pengujian ini sebanyak 5 buah beban dengan data sebagai berikut:

66 56 a. Lampu pijar 150 watt x 4 b. Lampu hemat energi 10 watt x 1 Pada pengujian beban-beban tersebut dilakukan pengambilan data berupa tegangan, arus dan frekuensi. Adapun data yang didapatkan dapat dilihat pada tabel 4.2 berikut: Tabel 4.2. Data hasil pengujian lampu pijar 150 watt x 4 dan lampu hemat energi 10 watt x 1 No Parameter Ukur Nilai Terukur 1 Tegangan (V) 200 Volt 2 Arus (I) 3,08 A 3 Frekuensi (F) 47 Hz Pada pengujian beban diatas kondisi air pada bendugan masih ada sedikit limpahan air. Tegangan bisa diatur menjadi 220V pada pengoperasian beban tersebut, yaitu dengan cara menambah bukaan katup pada turbin. Tetapi hal ini tidak memungkinkan untuk pengoperasian dalam waktu yang lama, hal tersebut dikarenakan limpahan air pada bendungan menjadi berkurang dan air dalam bak mengalami penurunan debit. Penggunaan generator pada PLTPH Padayo memiliki torsi generator yang jauh lebih besar daripada torsi turbin (T T < T G ). Dimana generator memiliki kapasitas untuk 3 kw, sedangkan kapasitas yang ada pada turbin hanya 768 W. Generator pada PLTPH tetap bisa berputar karena penggunaan generator hanya sampai beban sekitar 760 W. Generator tersebut tidak digunakan sampai daya maksimal dan persentase penggunaan generator didapatkan sebagai berikut:

67 57 = 100 = 100 = Jadi penggunaan maksimal generator pada PLTPH Padayo hanya sampai 25.33%. Apabila sudah melebihi persentase tersebut maka generator tidak akan berputar bahkan bisa mengakibatkan generator menjadi diam Keunggulan Turbin Crossflow Adapun keunggulan-keunggulan turbin crossflow ini dibandingkan dengan jenis turbin lainnya adalah: a. Kisaran operasi yang luas Turbin crossflow ini banyak dipakai pada pembangkit listrik tenaga air skala kecil dengan kisaran head yang sama (overlapping) dengan turbin jenis kaplan, francis dan pelton. Kisaran operasinya meliputi debit antara 10 liter sampai 10m 3 /detik, serta head antara 1 sampai 200 meter. Turbin crossflow ini selalu mempunyai sumbu runner yang horizontal. b. Pengaturan Efisiensi yang tetap tinggi pada debit yang rendah Turbin crossflow mempunyai keunggulan dimana dapat diatur agar efesiensinya tetap tinggi meskipun aliran air yang mengalir sangat kecil sekali. Misalnya hanya seperempat atau 25% dari debit aliran penuh/ nominal sedang rendah, maka air dapat dialirkan hanya pada dua pertiga maupun sepertiga dari runner. Dengan demikian efesiensinya turbin secara keseluruhan tetap tinggi meskipun aliran air yang ada hanya sebesar 25% debit nominalnya.

68 58 c. Mudah dan murah proses fabrikasi dan pemeliharaan Turbin crossflow merupakan turbin air jenis impuls yang berbeda dengan turbin reaksi (Francis, Propoller dan Kaplan) tidak memerlukan casing yang mampu menahan tekanan yang tinggi, juga tidak memerlukan clearance yang sangat teliti. Dengan sifat-sifat tersebut turbin ini lebih gampang difabrikasi dan dipelihara, misalnya untuk perbaikan (disassembling) bagian yang berputar (runner) tidak memerlukan teknisi dan peralatan yang khusus.

69 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Dari hasil pembahasan pada bab-bab sebelumnya, maka penulis dapat menyimpulkan sebagai berikut: 1. Pembangkit listrik yang dibuat di desa Padayo dikategorikan menjadi pembangkit listrik skala pikohidro. Hal tersebut karena daya yang dihasilkan pada pembangkit ini kurang dari 5 kw. 2. Potensi air di desa Padayo yang dimanfaatkan untuk pembangunan PLTPH adalah sebagai berikut: P = x Q x h x g = 1000 kg/m 3 x 0,01 m 3 /s x 11,2 m x 9,8 m/s 2 = 1097 kg.m 2 /s 3 = 1097,6 watt 3. Turbin yang digunakan pada PLTPH ini adalah turbin jenis crossflow. Pertimbangan dalam pemilihan turbin ini didasari dari head, debit dan kondisi lokasi yang ada didesa padayo. Besar daya keluaran turbin/ yang dihasilkan dari turbin ini menjadi sebesar 767 watt. 4. Generator yang digunakan pada PLTPH ini adalah generator sinkron 3 kw dan daya real yang dihasilkan pada PLTPH ini adalah sebesar 614 watt. Daya ini akan dibagi untuk penggunaan tiga buah rumah yang terdapat didesa Padayo. 59

70 Saran 1. Kemiringan dari pipa penstok harus diperhatikan, supaya pada saat pembuatan turbin tidak terjadi kesalahan dalam pembuatan elbow sambungan antara ujung pipa penstok degan turbin 2. Penggunaan ELC pada PLTPH ini diperlukan, yaitu untuk menjaga dan dapat menyeimbangkan beban serta menstabilkan putaran generator 3. Cara untuk menjaga agar PLTPH dapat digunakan dalam jangka waktu yang lama kita harus melakukan perawatan terhadap komponen-komponen yang ada pada PLTPH tersebut agar beroperasi dalam keadaan yang baik.

71 DAFTAR PUSTAKA [1] Dietzel F., Sriyono D. 1980, Turbin, Pompa Dan Kompresor Ciracas, Jakarta: Erlangga [2] Kadir,Abdul Prinsip kerja Generator. Jakarta : Penerbit Erlangga [3] Nugraha I.N.E., Waluyo, Syahrial Penerapan dan Analisis Pembangkit Listrik Tenaga Pikohidro. Bandung: Jurusan Teknik Elektro - Institut Teknologi Nasional [4] Paryatmo, Wibowo. 2007, Turbin Air Yogyakarta: Graha Ilmu [5] Subroto, I Perencanaan PLTM di indonesia. BPPT. Jakarta. [6] Wibawa, U Sumber Daya Energi. Universitas Brawijaya. Malang hal

72 LAMPIRAN 1: LAYOUT PLTPH PADAYO 62

73 LAMPIRAN 2: DOKUMENTASI SURVEI LAPANGAN 63

74 LAMPIRAN 3 : DOKUMENTASI PEMBERSIHAN LOKASI PLTPH PADAYO 64

75 LAMPIRAN 4 : DOKUMENTASI PEMBUATAN KONSTRUKSI SIPIL PLTPH PADAYO 65

76 LAMPIRAN 5 : DOKUMENTASI PEMASANGAN TURBIN PLTPH PADAYO 66

77 LAMPIRAN 6 : DOKUMENTASI PENGOPERASIAN DAN PENGUJIAN PLTPH PADAYO 67

78 LAMPIRAN 7 : PETA LOKASI PLTPH PADAYO 68

79 LAMPIRAN 8 : RUNNER TURBIN CROSSFLOW 69

80 LAMPIRAN 9 : BAGIAN-BAGIAN TURBIN CROSSFLOW 70