3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro

Mikrohidro atau yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro

Hidro (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 ketinggian jatuhnya air

(Head) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri

dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air.

Menurut data dari departemen ESDM tahun 2006, Potensi tenaga air di

seluruh Indonesia diperkirakan sebesar 75.67 GW. Hingga saat ini baru

dimanfaatkan sebesar 4.2 GW atau sekitar 5.55% nya saja. Pembangkit listrik

mikrohidro mengacu pada pembangkit listrik dengan skala di bawah 200

kW. Banyak daerah pedesaan di Indonesia yang dekat dengan aliran sungai

yang memadai untuk pembangkit listrik pada skala yang

demikian. Diharapkan dengan memanfaatkan potensi yang ada di desa-desa

tersebut dapat memenuhi kebutuhan energinya sendiri dalam mengantisipasi

kenaikan biaya energi atau kesulitan jaringan listrik nasional untuk

menjangkaunya.

PLTMH juga termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut Clean

energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena

konstruksinya yang sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam

perawatan dan penyediaan suku cadang.

Gambar 2.1 Skema PLTMH

4

Perhitunganya teknis daya PLTMH adalah sebagai berikut:

P = ρ Q g H (2.0) P = Daya (W)

Q = Debit Aliran Air (m3/s)

H = Head (m)

ρ = massa jenis air (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Berdasarkan persamaan daya teknis PLTMH terlihat debit dan tinggi

jatuhnya air sangat menentukan seberapa besar daya yang akan dihasilkan oleh

sistem PLTMH yang akan dirancang. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga

komponen utama yaitu air sebagai sumber energi, turbin, dan generator.

2.2 Turbin Air

Turbin adalah alat yang berfungsi merubah energi dari air menjadi energi

mekanis (putar). Energi mekanis ini kemudian akan diubah menjadi energi

listrik oleh generator. Turbin banyak sekali macamnya, berdasarkan cara

kerjanya dibagi menjadi 2 yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air

yang tersedia menjadi energi kinetik. 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. Contoh

turbin reaksi adalah turbin francis, turbin propeller dan turbin kaplan.

Turbin francis dapat berupa volute-case ataupun open-flume. Konstruksi

rumah keong (spiral case) memungkinkan air terdistribusi secara uniform

sepanjang perimeter dari runner dan guide vane menyalurkan air tersebut pada

sudut yang tepat. Sudu runner merupakan profil yang kompleks dan terendam

air. Dorongan air ke sudu runner memindahkan energi air ke runner sebelum

air tersebut keluar turbin lewat draft tube. Turbin Francis biasanya mempunyai

5

guide-vane yang dapat diatur. Gerakan guide-vane ini mengatur aliran air yang

masuk ke runner dan biasanya dihubungkan dengan sistem governor yang

mengatur besar laju aliran air. Jika aliran air berkurang maka efisiensi turbin

juga turun.

Gambar 2.2 Turbin Francis

Turbin propeller pada dasarnya terdiri dari sebuah propeller (baling-

baling), yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang

pada tabung setelah pipa pesat. Poros turbin menyambung keluar dari tabung.

Turbin propeller biasanya mempunyai tiga sampai enam sudu, biasanya tiga

sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur

oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin

propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudut sudu

rotornya tidak dapat diubah. Efisiensi operasi turbin pada beban untuk turbin

jenis ini sangat rendah.

Untuk hydropower yang berskala lebih besar maka dipakai turbin propeller

yang lebih canggih. Pada turbin ini sudu propeller dan wicket gate dapat diatur

sehingga efisiensi nya pada saat beroperasi pada beban rendah tetap baik.

Turbin dengan variable pitch ini dikenal sebagai turbin kaplan. Untuk turbin

propeller dan turbin Kaplan dapat dilihat pada gambar 2.3.

6

Gambar 2.3 Turbin Propeller / Kaplan

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi

air yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga

menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik

pada nozzle. Air yang keluar nozzle mempunyai kecepatan tinggi membentur

sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga

terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar.

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari

nozzle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Contoh

turbin impuls adalah turbin Pelton.

Gambar 2.4 Perbandingan Jenis Turbin Berdasarkan Debit Air dan Head

7

Selanjutnya adalah pemilihan jenis turbin didasarkan dari perbandingan

antara debit air dan head dapat dilihat pada gambar 2.4. Dipilih turbin pelton

pada perancangan kali ini karena tidak membutuhkan debit air yang besar,

mengingat tempat dan ukuran alat seminimal mungkin.

Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu

Lester A. Pelton pada tahun 1880. Turbin ini dioperasikan pada head sampai

1800 m, turbin ini relative membutuh kan jumlah air yang lebih sedikit dan

biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Prinsip kerja turbin pelton adalah

mengubah daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar

generator listrik. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran air diubah menjadi energi

mekanik oleh roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros

generator listrik, maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi

energi listrik pada generator.

Turbin pelton sendiri mempunyai beberapa komponen utama yaitu nozzle

yang berfungsi mengarahkan aliran air, kedua yaitu sudu turbin yang berfungsi

menangkap aliran air dan juga rumah turbin untuk tempat roda jalan dan

penahan air yang keluar dari sudu-sudu turbin.

Gambar 2.5 Turbin Pelton

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

8

pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping.

Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi

lewat beberapa nozzle. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil

dan mangkuk sudu lebih kecil.

Kemudian untuk penghitungan pada skripsi kali ini digunakan teori

tentang laju aliran volume air atau disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah

volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan

sebagai berikut :

Q = A.v (2.1)

Dimana :

v = Kecepatan aliran (m/s)

A = Luas penampang pipa (m)

Q = Debit aliran (m³/s)

Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai

berikut:

Q = V/t (2.2)

Dimana :

V = Volume aliran (m3)

Q = Debit aliran (m³/s)

t = waktu aliran (s)

Untuk mengetahui Head yang ada pada perancangan PLTMH dapat

menggunakan rumus (2.3). Rumus ini merupakan penerapan dari hukum

bernoulli untuk menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah

wadah.

Gambar 2.6 Kecepatan Zat Cair yang Keluar Dari Dasar Sebuah Wadah

9

Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan

titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter lubang pada dasar wadah jauh

lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah

dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang terbuka

sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan

demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah:

Massa jenis zat cair (air) sama, maka kita sederhanakan.

v = √(2gH) (2.3)

Dimana :

H = Head (m)

g = percepatan gaya gravitasi (m2/s)

Selanjutnya adalah persamaan kontinuitas yaitu perkalian antara luas

penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang tabung aliran

adalah konstan. Persamaan berikut menunjukkan bahwa kecepatan fluida

berkurang ketika melalui pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa

sempit.

Gambar 2.7 Persamaan Kontinuitas

Q1 = Q2

A1v1 = A2v2 (2.4)

10

2.3 Generator

Generator merupakan alat yang dapat menghasilkan arus listrik dengan

cara merubah energi kinetik menjadi energi listrik. Generator listrik pertama

kali ditemukan oleh Faraday pada tahun 1831. Pada saat itu, generator listrik

dibuat dalam bentuk gulungan kawat pada besi yang berbentuk U. Generator

listrik tersebut terkenal dengan nama Generator cakram faraday. Cara kerja

generator listrik adalah menggunakan induksi elektromagnet, yaitu dengan

memutar suatu kumparan dalam medan magnet sehingga timbul tegangan

induksi.

Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik, yaitu: stator (bagian

yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan berhubungan dengan

poros generator listrik yang berputar pada pusat stator. Kemudian poros

generator listrik tersebut biasanya diputar dengan menggunakan usaha yang

berasal dari luar, seperti yang berasal dari turbin air.

Salah satu jenis generator adalah generator AC (Alternating Current) atau

generator arus bolak-balik atau biasa disebut juga sebagai generator sinkron.

2.4 Pengatur Tegangan

Pengatur tegangan (voltage regulator) adalah suatu rangkaian yang

berfungsi menyediakan suatu tegangan keluaran tetap dan tidak dipengaruhi

oleh perubahan tegangan masukan dan beban yang digunakan.

Sebagai contoh saat turbin berputar dengan cepat maka output generator

juga akan bertambah, begitu pula sebaliknya apabila turbin berputar lambat

maka generator akan menghasilkan output yang lebih kecil. Tugas dari voltage

regulator disini untuk menjaga tegangan yang dihasilkan generator stabil agar

dapat digunakan pada alat listrik dan tidak cepat rusak karena adanya

perubahan tegangan.

2.5 Mikrokontroler ATMega16

Mikrokontroler ATMega16 merupakan mikrokontroler CMOS 8-bit

buatan Atmel keluarga AVR. AVR mempunyai 32 register general-purpose,

11

timer/counter dengan metode compare, interrupt eksternal dan internal, serial

UART, progammable Watchdog Timer, ADC dan PWM internal.

Beberapa keistimewaan ATMega16 yaitu mempunyai saluran

Input/Output (I/O) ada 32 buah, yaitu PORTA, PORTB, PORTC, PORTD.

ADC / Analog to Digital Converter 10 bit sebanyak 8 channel pada PORTA. 2

buah timer/counter 8-bit dan 1 buah timer/counter 16-bit dengan prescalers dan

kemampuan pembanding. Watchdog timer dengan osilator internal. Tegangan

operasi 2,75 - 5,5 V pada ATMega16L dan 4,5 - 5,5 V pada ATMega16.

EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. Antarmuka

komparator analog. 4 channel PWM. Kecepatan nilai (speed grades) 0 - 8 MHz

untuk ATMega16L dan 0 - 16 MHz untuk ATMega16.

Gambar 2.8 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATMega16

Dari Gambar 2.3 dapat dijelaskan cara kerja fungsional masing – masing

pin, yaitu :

VCC merupakan pin masukan positif catu daya. Setiap peralatan

elektronika digital tentunya butuh sumber catu daya yang umumnya sebesar

5V, itulah sebabnya di PCB kit mikrokontroller selalu ada IC regulator 5V.

GND sebagai pin ground.

12

Port.A (PAO..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram

sebagai pin masukan ADC.

Port B (PBO..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,

yaitu Tirner/Counter, Komparator analog, dan SPI.

Port C (PCO..PC7) merupakan pin I/0 dua arah dan pin fungsi khusus,

yaitu TWI, komparator analog, dan Timer Osilator.

Port D (PDO..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,

yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.

Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroller.

XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock ekstemal. Suatu

mikrokontroler membutuhkan sumber detak (clock) agar dapat mengeksekusi

instruksi yang ada di memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin

cepat mikrokontroller tersebut.

AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC.

AREF sebagai pin masukan tegangan referensi.

2.6 Akumulator

Akumulator merupakan sebuah alat yang dapat menyimpan energi

(umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Contoh-contoh

akumulator adalah baterai dan kapasitor. Pada umumnya di Indonesia, kata

akumulator biasa diartikan sebagai aki atau accu.

Gambar 2.9 Aki

13

2.7 Sensor Flowmeter

Sensor debit aliran air ini terbuat dari bahan plastik di dalamnya terdapat

sebuah rotor yang akan berputar jika ada aliran air. Output sinyal dari sensor

ini akan berubah-ubah frekuensinya sesuai dengan kecepatan aliran air yang

lewat.

Gambar 2.10 Sensor Flowmeter

2.8 Display

Display disini berfungsi untuk menampilkan nilai dari suatu alat dengan

nomor desimal. Biasanya sebagai jam digital, voltmeter, ampere meter dan lain

lain yang membutuhkan tampilan nomor digital.