BAB II DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO 2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) adalah pembangkit yang menggunakan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Cara kerja pembangkit listrik tenaga air adalah dengan mengkonversikan tenaga air menjadi tenaga mekanik dalam turbin air. Kemudian turbin air memutar generator yang membangkitkan tenaga listrik. Sementara air yang tadi digunakan untuk memutar turbin air dikembalikan ke alirannya. Besarnya energi yang dapat dikonversikan menjadi energi listrik bergantung pada ketinggian jatuh air (head) dan begitu pula pemilihan turbin untuk PLTA. Secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti tenaga ombak. Hidroelektrisitas adalah sumber energi terbarukan. 2.2 Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro Pada dasarnya, suatu pembangkit listrik tenaga hidro berfungsi untuk mengubah potensi tenaga air yang berupa aliran air (sungai) yang mempunyai debit dan tinggi jatuh (head) untuk menghasilkan energi listrik. Secara umum, pusat listrik tenaga air terdiri dari: 1. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) 2. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) 3. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Pembangkit listrik tenaga hidro dapat dikategorikan dan diklasifikasikan sesuai besar daya yang dihasilkannya, sebagaimana diperlihatkan pada Tabel 2.1 berikut:
Tabel 2.1 Jenis Pembangkit Tenaga Air dan Kapasitasnya No Jenis Daya/Kapasitas 1 PLTA >5 MW (5.000 kw) 2 PLTM 100kW-5000kW 3 PLTMH < 100 kw 2.3 Energi Tenaga Air Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air atau turbin air. Total daya yang terbangkitkan dari suatu turbin air adalah merupakan reaksi antara head dan debit air seperti ditunjukkan pada persamaan berikut ini P = Q. g. h (2.1) Dimana : P = daya (W) Q = debit air (m 3 /s) h = tinggi jatuh air (m) g = percepatan gravitasi (9,8 m/s 2 ) Daya dalam rumus di atas merupakan daya secara teoritis. Daya teoritis PLTMH tersebut di atas, akan berkurang setelah melalui turbin dan generator. Daya setelah keluar dari generator dapat dituliskan pada Persamaan 2.2. P = Q. g. H. efft.effg (2.2) Dimana : efft effg : Efisiensi Turbin : Efisiensi Generator 2.3.1 Debit Debit adalah jumlah air yang mengalir melalui suatu penampang sungai tertentu persatuan waktu. Debit dipengaruhi oleh beberapa faktor, misalnya oleh
curah hujan, keadaan geologi, flora, temperatur, dan lain-lain. Debit selalu berubah dari musim ke musim dan dari hari ke hari. Pengukuran debit sungai sangat penting untuk menentukan tenaga yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga air. Debit sungai merupakan data pokok untuk perencanaan pembangkit listrik tenaga air sehingga harus diukur secara teliti dalam jangka waktu yang selama mungkin. Adapun beberapa cara untuk mengukur debit sungai : a. Kecepatan rata-rata aliran sungai pada suatu bagian dari penampangnya diukur, kemudian dikalikan dengan luas penampang pada bagian itu. Hasil perkalian luas penampang dengan kecepatan tersebut adalah debit sungai. Q = A.V (2.3) Dimana: Q = Debit aliran (m 3 /s) A = Luas penampang vertikal (m 2 ) V = Kecepatan aliran sungai (m/s) b. Debit sungai diperoleh dari pengamatan tinggi permukaan air dengan mempergunakan lengkung debit tinggi air yang pada umumnya dilakukan dengan gardu-gardu pengamatan. Luas penampang diukur dengan menggunakan meteran dan piskal (tongkat bambu atau kayu). Dalam mengukur luas penampang perlu diukur kedalaman sungai di beberapa titik. Kemudian kedalaman titik yang telah didapat dihitung dengan menggunakan Persamaaan 2.4. Dimana : A n = i n ( d n 1 +d n ) (2.4) 2 A = luas penampang i = jarak atau panjang segmen n = nomor segmen atau nomor titik d = kedalaman titik
Untuk kecepatan aliran diukur dengan menggunakan currentmeter atau juga dengan metode apung. Pengukuran kecepatan aliran dengan metode apung dilakukan dengan jalan mengapungkan suatu benda, misalnya bola pingpong atau botol berisi air setengah penuh. Kecepatan aliran merupakan hasil bagi antara jarak lintasan dengan waktu tempuh atau dapat dituliskan dengan persamaan (2.5) Dimana: V = kecepatan (m/s) L = panjang lintasan (m) t = waktu tempuh (s) 2.3.2 Curah Hujan dan Aliran Sungai 2.3.2.1 Curah Hujan dan Pengukuran Curah Hujan Air yang mengandung uap air dan naik ke atas karena suhu yang makin rendah akan mengembun dan berkumpul. Kumpulan embun tersebut membentuk awan dan bergabung menjadi titik-titik air dan kemudian jatuh ke tanah. Titik-titik air inilah yang disebut dengan hujan dan jumlah hujan yang jatuh disebut curah hujan. Sebagian dari curah hujan tersebut menghilang karena menguap dan meresap kedalam tanah dan sebagian mengalir diatas permukaan tanah dan mengalir menuju sungai-sungai. Perbandingan antara curah hujan dengan aliran sungai disebut faktor kedap (run-off coefficient). Curah hujan dinyatakan dengan tingginya air dalam satu tabung, biasanya dalam mm. Untuk mengukur curah hujan, digunakan alat ukur curah hujan (rain gauge) yang digunakan untuk mengukur curah hujan tersebut yang akan dibuat dalam data tahunan. 2.3.2.2 Aliran sungai Aliran sungai atau debit adalah jumlah air yang mengalir melalui suatu penampang sungai tertentu persatuan waktu. Debit dipengaruhi oleh beberapa faktor, misalnya oleh curah hujan, keadaan geologi, flora, temperatur, dan lainlain. Debit selalu berubah dari musim ke musim dan dari hari ke hari. Pengukuran
debit sungai sangat penting untuk menentukan tenaga yang dihasilkan oleh pusat listrik tenaga air. 2.3.2.3 Hubungan antara Curah Hujan dan Aliran Sungai Sebagian dari air hujan mengalir dari permukaan tanah menuju ke sungai. Yang meresap ke tanah dan diserap oleh akar tanaman akan menjadi air tanah. Hubungan antara curah hujan dan aliran sungai tergantung dari berbagai faktor, antara lain sifat menahan air dari tanah (misalnya pepohonan, dan geologi tanah), curah hujan, waktu datangnya hujan, keadaan geologi dan lain-lain. Dan karena banyak faktor tersebut, sulit menjelaskan hubungannya dengan cara yang sederhana. Kondisi tanah maupun hutan di sekitar sungai juga perlu dipelihara. Hal ini mengingat perubahan musim yang dapat mempengaruhi debit sungai. Pada musim hujan, debit sungai cenderung besar sedangkan pada musim kemarau debitnya kecil. Apabila kondisi tanah di sekitar sungai tidak dipelihara dapat menimbulkan banjir pada musim hujan sedangkan di musim kemarau timbul kekeringan. 2.3.3 Tinggi Jatuh Efektif (Head) Penentuan head pada PLTMH mempunyai arti yang sangat penting dalam menghitung potensi tenaga listrik. Tingkat kemiringan diwakili oleh indikator gradien skematik dimana semakin miring areal, semakin besar kemungkinan untuk ditemukannya head yang cukup untuk PLTMH. Gambar 2.1 Head PLTMH
Tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total (dari permukaan air pada pengambilan sampai permukaan air saluran bawah) dengan kehilangan tinggi pada saluran air. Tinggi jatuh penuh (full head) adalah tinggi air yang bekerja efektif pada turbin yang sedang berjalan. Untuk jenis saluran air, bila diketahui permukaan air pada bangunan pengambilan dan pada saluran bawah serta debit air, maka tinggi jatuh efektif dapat ditentukan dengan dasar pertimbangan ekonomis yaitu berdasarkan biaya konstruksi paling ekonomis dengan memperhatikan kemiringan, ukuran penampang saluran air, dan luas penampang pipa pesat. 2.3.4 Hubungan Debit dan Head Dari Persamaan 2.1 tersebut di atas dapat dipahami bahwa daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air. Oleh karena itu, berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air yang besar secara efektif dan ekonomis. Pada umumya, debit yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar untuk misalnya, bangunan ambil air (intake), saluran air dan turbin sehingga tinggi jatuh yang besar dengan sendirinya lebih murah. Di hulu sungai dimana umumnya kemiringan dasar sungai lebih curam akan mudah diperoleh tinggi jatuh yang besar. Sedangkan di sebelah hilir sungai, tinggi jatuh rendah dan debit besar. Oleh karena itu, bagian hulu sungai lebih ekonomis dibandingkan bagian hilirnya mengingat tinggi jatuh yang kecil dan debit yang besar tadi. Selain itu, di bagian hilir tersebut penduduknya padat, sehingga akan timbul masalah pemindahan penduduk dan karenanya tak dapat dihindari tambahnya biaya untuk konstruksi. 2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro 2.4.1 Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara
teknis, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Pembangkit listrik tenaga mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pada dasarnya, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memanfaatkan energi potensial jatuhan air (head). Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografis (tata letak sungai), tinggi jatuhan air dapat pula diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi. Air dialirkan melalui sebuah pipa pesat kedalam rumah pembangkit yang pada umumnya dibangun di bagian tepi sungai untuk menggerakkan turbin atau kincir air mikrohidro. Energi mekanik yang berasal dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator. Pembangkit listrik tenaga mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian air yang tidak terlalu besar, misalnya dengan ketinggian air 2,5 m dapat dihasilkan listrik 400 W. Relatif kecilnya energi yang dihasilkan pembangkit listrik tenaga mikrohidro dibandingkan dengan PLTA skala besar, berimplikasi pada relatif sederhananya peralatan serta kecilnya areal yang diperlukan guna instalasi dan pengoperasian pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Hal tersebut merupakan salah satu keunggulan pembangkit listrik tenaga mikrohidro, yakni tidak menimbulkan kerusakan lingkungan. Perbedaan antara pembangkit listrik tenaga air (PLTA) dengan pembangkit listrik tenaga mikrohidro terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan. PLTA dibawah ukuran 100 kw digolongkan sebagai pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro cocok untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah-daerah terpencil dan pedesaan. Beberapa keuntungan yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah sebagai berikut: 1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini cukup murah karena menggunakan energi alam.
2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit latihan. 3. Tidak menimbulkan pencemaran. 4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan. 5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan sehingga ketersediaan air terjamin. 2.4.2 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Prinsip dasar pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari tempat instalasi pembangkit listrik. Sebuah skema pembangkit listrik tenaga mikrohidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan. Hal ini adalah sebuah sistem konversi energi dari bentuk ketinggian dan aliran (energi potensial) ke dalam bentuk energi mekanik dan energi listrik. Secara umum, skema suatu sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Skema Suatu PLTMH 2.4.3 Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Dalam suatu lokasi, pembangkit listrik tenaga mikrohidro dapat dipetakan sebagai suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen bangunan sipil serta komponen elektrikal dan mekanikal. Beberapa komponen sipilnya seperti bendungan, saluran penyadap, saluran pembawa, saluran pelimpah, kolam
penenang, pipa pesat, rumah pembangkit, dan saluran pembuang. Pada komponen elektrikal dan mekanikalnya terdapat komponen seperti turbin, generator, transmisi mekanik, panel, dan juga jaringan distribusi. 2.4.3.1 Bendungan (Weir) Bendungan (weir) dapat didefinisikan sebagai bangunan yang berada melintang sungai yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran air. Konstruksi bendungan (weir) bertujuan untuk menaikkan dan mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga elevasi muka air cukup untuk dialihkan ke dalam intake pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Bendungan dapat digolongkan menurut strukturnya, bahan-bahan konstruksinya, tujuan kegunaannya, prinsip perencanaannya, tingginya, dan lain sebagainya. Penggolongan bendungan menurut bahan konstruksi dan prinsip perencanaan yang umum dipakai adalah sebagai berikut: 1. Bendungan beton Bendungan beton dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu - Bendungan gravitas (gravity dam) - Bendungan busur (arch dam) - Bendungan rongga (hollow dam atau buttress dam) 2. Bendungan urugan Bendungan urugan dapat dibagi menjadi 2 bagian yaitu - Bendungan urugan batu (rock fill dam) - Bendungan tanah (earth dam) 3. Bendungan kerangka baja (steel frame dam) 4. Bendungan kayu (timber dam) Di samping itu bendungan dapat pula digolongkan sesuai dengan tujuan penggunaannya, misalnya, bendungan pemasukan (intake dam), bendungan penyimpan (storage dam), bendungan pengatur (regulating dam) dan bendungan penyimpan dipompa (pumped storage dam). Pada umumnya bendungan pemasukan menampung aliran air sungai untuk PLTA jenis aliran sungai langsung. Bendungan-bendungan penyimpan dan pengatur membendung air
sungai guna memperoleh tinggi terjun buatan (artificial). Di samping itu bendungan-bendungan ini menampung, menyimpan dan memasukkan air ke turbin sesuai dengan kebutuhan. Bendungan penyimpan dipompa adalah bendungan yang dibuat untuk menyimpan air hasil pemompaan dari pusat listrik dipompa (pumped storage power plant). Di samping itu, dilihat dari segi tujuan penggunaan air yang disimpan, bendungan dapat digolongkan dalam berbagai jenis bendungan tanggul (embankment dam) untuk pengendalian banjir dan pengairan, pembangkitan tenaga listrik, penyediaan air untuk pelayanan umum, penyediaan air untuk industri, pelayaran dan sebagainya. Dari sekian banyak tujuan penggunaan bendungan dengan dua kegunaan atau lebih disebut bendungan serba guna (multi-purpose). 2.4.3.2 Saluran Penyadap (Intake) Saluran penyadap adalah bagian dari konstruksi sipil yang digunakan untuk masuknya air dari sungai menuju saluran pembawa dengan dilengkapi penghalang sampah. 2.4.3.3 Saluran Pembawa (Headrace) Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke kolam penenang. Selain itu, saluran ini juga berfungsi untuk mempertahankan kestabilan debit air. Saluran air untuk sebuah pembangkit skala kecil cenderung untuk memiliki bangunan yang terbuka. 2.4.3.4 Saluran Pelimpah (Spillway) Saluran pelimpah berfungsi untuk mengurangi kelebihan air pada saluran pembawa. 2.4.3.5 Kolam Penenang (Forebay) Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu, kolam penenang ini juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa pesat.
2.4.3.6 Pipa Pesat (Penstock ) Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari kolam penenang (forebay) menuju turbin air. 2.4.3.7 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. 2.4.3.8 Saluran Pembuang (Tailrace ) Saluran pembuang berfungsi untuk mengalirkan air keluar setelah memutar turbin. 2.4.3.9 Turbin Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin berputar. Perputaran turbin ini dihubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain. 2.4.3.9.1 Pengelompokkan Turbin Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. 1. Turbin Impuls 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. Adapun jenis-jenis turbin impuls adalah sebagai berikut: a. Turbin Pelton Turbin Pelton adalah Turbin yang digunakan untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu di atas 300 m. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi
energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls, turbin Pelton disebut juga sebagai turbin impuls. sehingga Gambar 2.3 Turbin Pelton b. Turbin Turgo Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Dan 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. Gambar 2.4 Turbin Turgo c. 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 tahun 1903. Turbin Crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 l/s hingga 10 m 3 /s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin Crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pada dasarnya turbin ini bekerja menggunakan tenaga jatuhan air sehingga turbin akan berputar, dan putaran itu akan menggerakkan generator yang akan menghasilkan listrik.
Gambar 2.5 Prinsip Kerja Turbin Crossflow Penggunaan jenis turbin Crossflow lebih menguntungkan dibanding dengan penggunaan kincir air maupun jenis turbin mikrohidro 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 m ke atas, tetapi diameter turbin Crossflow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah sebabnya bisa lebih murah. Dari kesederhanaannya jika dibandingkan dengan jenis turbin lain, maka turbin Crossflow yang paling sederhana. Runner turbin dapat dibuat dari material baja sedang, dibentuk dingin kemudian dirakit dengan konstruksi las dan komponen-komponen lainnya dari turbin ini semuanya dapat dibuat di bengkel-bengkel umum dengan peralatan pokok mesin las listrik, mesin bor, mesin gerinda meja, bubut, dan peralatan kerja bangku. Dari kesederhanaannya itulah maka turbin Crossflow dapat dikelompokkan sebagai teknologi tepat guna yang pengembangannya di masyarakat pedesaan memiliki prospek cerah karena pengaruh keunggulannya sesuai dengan kemampuan dan harapan masyarakat.
Gambar 2.6 Turbin crossflow 2. Turbin Reaksi 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 reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. 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. Gambar 2.7 Turbin Francis
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. b. Turbin Kaplan & Propeller Turbin Kaplan dan Propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari Propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. Gambar 2.8 Turbin Kaplan Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air 2.4.3.9.2 Pemilihan Turbin 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. Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini : 1) Turbin Kaplan & Propeller : 2 < H < 20 meter 2) Turbin Francis : 10 < H < 350 meter 3) Turbin Pelton : 50 < H < 1000 meter 4). Turbin Turgo : 50 < H < 250 meter 5). Turbin Crossflow : 6 < H < 100 meter Gambar 2.10 Grafik Klasifikasi Turbin 2.4.3.9.3 Kriteria Pemilihan Jenis Turbin 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 daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. 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. 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 : N S = N x P H 5/4 rpm (2.6) Dimana : N S = kecepatan spesifik N = kecepatan putaran turbin (rpm) P = maksimum turbin output (kw) H = head efektif (m) Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin Turbin Pelton 12 Ns 25 Turbin Francis 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. Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).
2.4.3.10 Generator Generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan poros dan gearbox, memanfaatkan perputaran turbin untuk memutar kumparan magnet didalam generator sehingga terjadi pergerakan elektron yang membangkitkan arus AC. Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan. Gambar 2.11 Komponen Generator dalam PLTA Berdasarkan arah porosnya, generator turbin air dibagi dalam golongan poros datar (horisontal) dan golongan poros tegak (vertikal). Golongan poros datar sesuai untuk mesin-mesin berdaya kecil atau mesin-mesin berputaran tinggi, sedangkan golongan poros tegak sesuai untuk mesin-mesin berdaya besar atau mesin berputaran rendah. Penggunaan golongan poros tegak sangat baik bagi generator-turbin air antara lain, karena golongan poros tegak memerlukan luas ruangan yang kecil dibandingkan dengan golongan poros datar. Satuan dasar generator perlu ditetapkan. Tegangan yang lebih tinggi akan menyebabkan bertambah tebalnya isolasi sehingga dapat diberikan standard kasar, standard tegangan 3,3 kv untuk 3 MVA atau kurang; 6,6 kv untuk 5 10 MVA; 11 kv untuk 10-50 MVA; 13,2 kv untuk 50 100 MVA; 15,4 kvatau 16,5 kv untuk kapasitas diatas 100 MVA. Kapasitas sebuah generator dinyatakan dalam
Volt Ampere. Sebuah generator harus memiliki kapasitas yang cukup untuk memenuhi kebutuhan pada saat beban maksimum. Dengan memperhatikan rugi rugi (losses) generator serta untuk menjamin kinerja generator maka perlu adanya faktor keamanan biasanya ditentukan 25%. Pada umumnya faktor daya dipilih antara 0,85-0,90. Akan tetapi pada keadaan faktor daya beban yang baik, dapat dipilih faktor daya lebih dari 0,95 untuk sentral-sentral yang dihubungkan saluran transmisi jarak jauh dengan tegangan tinggi. Bagi generator turbin air yang sedikit jumlah kutubnya, peninggian faktor daya secara ekonomis lebih baik daripada pengurangan perbandingan hubung singkat. Kecepatan putar yang lebih tinggi sebaiknya dipilih dari angka yang tercantum dalam daftar-daftar standar seperti Tabel 2.3 berikut ini, dengan catatan bahwa kecepatan yang dipilih harus tetap ada dalam batasbatas kecepatan jenis turbin. Apabila kecepatan yang dipilih tidak terdapat dalam tabel tetapi ternyata lebih menguntungkan, maka sebaiknya diminta penjelasan lebih lanjut dari pabriknya. Tabel 2.3 Kecepatan Putar Sinkron dari Generator (rpm) Jumlah Jumlah 50 (Hz) 60 (Hz) Kutub Kutub 50 (Hz) 60 (Hz) 6 1.000 1.200 32 188 225 8 750 900 36 167 200 10 600 720 40 150 180 12 500 600 48 125 150 14 429 514 56 107 129 16 375 450 64 94 113 18 333 400 72 83 100 20 300 360 80 75 90 24 250 300 88 68 82 28 214 257 2.4.3.11 Sistem Transmisi Mekanik Transmisi mekanik adalah komponen yang menghubungkan antara turbin dan generator. Sistem ini hanya memiliki dua sistem, yaitu menggunakan belt atau
langsung dikopel (biasanya menggunakan gearbox). Sistem transmisi mekanik dibagi menjadi 2 bagian yaitu : - Sistem Transmisi Daya Langsung Pada sistem transmisi daya langsung ini (direct drives), daya dari poros turbin rotor langsung ditransmisikan ke poros generator yang bersatu dengan sebuah kopling. Konstruksi 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. Sistem transmisi daya langsung (direct drives) menyebabkan generator yang digunakan harus memiliki kecepatan putaran optimum yang hampir sama dengan kecepatan putaran poros turbin (rotor) atau sekitar 15 % perbedaannya. - Sistem Transmisi Tidak Langsung Sabuk dipakai untuk memindahkan daya antara dua poros yang sejajar. Pemilihan jenis sabuk bergantung pada besar kecilnya daya yang akan ditransmisikan. Sabuk merupakan peran penting dalam menyerap beban kejut dan meredam pengaruh getaran. Sabuk yang digunakan umumnya jenis flat belt dan V-belt. Penggunaan sistem transmisi sabuk ini memerlukan komponen pendukung seperti bantalan beserta asesorisnya dan kopling. 2.4.3.12 Sistem Kontrol Sistem kontrol berfungsi untuk menyeimbangkan energi input dan energi output dengan cara mengatur input (flow) atau mengatur output (listrik) sehingga sistem akan seimbang. Perubahan beban terhadap waktu peran sistem kontrol sangat penting untuk menjaga stabilitas sistem terutama kualitas listrik yang dihasilkan pembangkit (tegangan dan frekuensi). Tujuan pengontrolan pada PLTMH adalah untuk menjaga sistem elektrik dan mesin agar selalu berada pada daerah kerja yang diperbolehkan. Flow control dapat diartikan sebagai pengaturan besarnya daya hidrolik berupa debit air yang masuk ke turbin dengan mengatur katup turbin (guide vane). Penggolongan sistem kontrol yang dikenal adalah sebagai berikut: a. Sistem kontrol yang otomatis sepenuhnya (fully automatic) Sistem ini mengontrol jalannya turbin secara otomatis yang meliputi operasi dengan keadaan awal yang telah ditentukan, pembebanan otomatis dan
operasi kontinu, serta operasi penghentiannya bila keadaan menghendaki atau bila terjadi gangguan secara otomatis. Sistem ini tepat untuk pusat listrik berkapasitas kecil yang terletak berdekatan dengan pusat listrik pengontrolnya. Jadi, sistem ini dipakai untuk mesin-mesin berkapasitas rendah. b. Sistem kontrol yang dijalankan oleh satu orang (one man control system) Pada sistem ini, seorang operator dapat melakukan operasi start, operasi jalan dan operasi berhenti dari turbin air dan generator serta berbagai pengontrolan lain dan pengawasan terhadap panel hubung (switch-board). Sistem ini juga dilengkapi dengan alat penghentian otomatis dan pemberitahuan tanda bahaya bila ada gangguan. Sistem ini paling lazim dipakai pada suatu pusat listrik tenaga air. c. Sistem kontrol pengawasan jarak jauh (remote supervisory control system) Pada sistem ini, sebuah pusat listrik dikontrol oleh pusat listrik yang lain yang terletak jauh dari pusat listrik yang dikontrol. Dalam beberapa hal, banyak pusat-pusat listrik yang dikontrol dengan sistem yang terintegrasikan dan terpusat dari pusat listrik pengontrol. Ini berarti bahwa panel hubung yang harus dipasang dipusat listrik yang dikontrol dipindahkan ke pusat listrik yang mengontrol sehingga dalam sistem ini dikenal sistem hubungan langsung, sistem gabungan, sistem frekuensi, sistem sandi (code) dan sistem sinkron. d. Sistem kontrol dengan tangan (manual control system) Dalam sistem ini, operasi mulai jalan (start), putar dan berhenti dari turbinair generator, dan berbagai operasi pengontrolan lainnya dilakukan dengan tangan dengan perkiraan operator sendiri. e. Sistem kontrol setengah otomatis (semi automatic control system) Dalam sistem ini, operasi mulai jalan, putar dan berhenti normal dari generator-turbin air dikerjakan dengan tangan; penghentian secara otomatis dilakukan bila ada gangguan. 2.4.3.13 Panel Hubung dan Lemari Hubung Jenis dan pengaturan suatu panel hubung (switch board) ditentukan dengan memperhatikan jumlah unit peralatan, jumlah rangkaian saluran transmisi,
sistem kontrol, jumlah petugas kerja (operating personel) serta skala dan pentingnya pusat listrik yang bersangkutan. Panel hubung terdiri dari jenis tegak yang berdiri sendiri, jenis bangku dan gabungan antara jenis bangku, dan jenis tegak berdiri sendiri. Sakelar-sakelar diatur diatas panel untuk mempermudah dalam pelayanannya. Peralatan yang dihubungkan pada ril generator dan rangkaian tegangan tinggi pemakaian sendiri dimasukkan ke dalam lemari hubung (cubicle). Pemasangan dalam lemari ini mempunyai banyak keuntungan, yaitu keandalan peralatan yang lebih tinggi, keamanan yang lebih terjamin, luas lantai yang dipakai berkurang, dan bentuknya lebih baik. Panel hubung suatu pusat listrik dapat diklasifikasikan seperti pada tabel berikut ini. Tabel 2.4 Jenis Jenis Panel Hubung untuk PLTA Panel Generator Nama Uraian Turbin Air, Generator, Penguat (Exciter), Transformator (Unit system) Panel Saluran Transmisi Panel Sinkronisasi Panel Distribusi Tegangan Tinggi Panel Distribusi Daya Saluran Transmisi Pensinkronisasian, Penyeimbangan Tegangan, Penyesuaian Kecepatan Transformator Distribusi, Saluran Distribusi Rangkaian Tegangan Rendah, Rangkaian Batere 2.4.3.14 Jaringan Distribusi Jaringan distribusi terdiri dari kawat penghantar, tiang, isolator, dan transformator. Jaringan tersebut dapat menggunakan kawat penghantar berbahan aluminium atau bahan campuran lain. Pada jaringan distribusi tegangan rendah biasanya digunakan kawat penghantar berisolasi.
Tiang pada saluran distribusi dapat berupa tiang baja, beton atau kayu. Isolator digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang aktif atau bertegangan jika penghantar yang digunakan merupakan konduktor tanpa isolasi. 2.4.4 Manfaat Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Manfaat pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah sebagai berikut : 1. Meningkatkan taraf hidup masyarakat Dengan adanya energi listrik untuk penerangan di malam hari, akan meningkatkan taraf hidup masyarakat, karena dengan penerangan tersebut dapat meningkatkan kerja masyarakat desa dalam meningkatkan pendapatan. Disamping itu juga akan menambah waktu belajar anak sekolah di malam hari. Informasi dari media televisi akan menambah pengetahuan bagi masyarakat dan dengan pengetahuan yang beguna dapat mengubah cara hidup yang lebih baik sesuai dengan pemanfaatan masyarakat itu sendiri. 2. Pengembangan potensi wilayah Energi listrik yang mencukupi untuk terbentuknya suatu industri pengelola hasil pertanian, perkebunan, peternakan, dan kerajinan tangan, merupakan sasaran utama bagi peningkatan sumber daya manusia. Sehingga dengan bertumbuhnya industri seperti tersebut di atas sekaligus juga akan menambah keterampilan masyarakat tersebut dalam bidang yang ditekuninya, yang pada akhirnya akan menjadikan daerah industri yang berwawasan potensi daerah. Dengan potensi daerah yang sudah terbentuk akan dapat mengembangkan wilayah sesuai dengan potensi tersebut.