Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangkan beda ketinggian daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources dengan terjemahan bebas bisa dikatakan “energi putih“. Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini mengunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan.

Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik.

Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam, prakteknya istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro, pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Minihidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikrohidro menghasilkan daya lebih rendah dari 500 kW, sedangkan untuk minihidro daya keluarannya berkisar antara 500 kW sampai 10 MW. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator.

Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dari ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi air tersebut akan menumbuk turbin dimana turbin sendiri, dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban).

Terdapat sebuah peningkatan kebutuhan suplai daya ke daerah-daerah pedesaan di sejumlah negara, sebagian untuk mendukung industri-industri, dan sebagian untuk menyediakan penerangan di malam hari. Kemampuan pemerintah yang terhalang oleh biaya yang tinggi dari perluasan jaringan listrik, sering membuat Mikrohidro memberikan sebuah alternatif ekonomi ke dalam jaringan. Ini karena skema Mikrohidro yang mandiri menghemat biaya dari jaringan transmisi, dan karena skema perluasan jaringan sering memerlukan biaya peralatan dan pegawai yang mahal. Dalam kontrak, skema Mikrohidro dapat didesain dan dibangun oleh pegawai lokal dan organisasi yang lebih kecil dengan mengikuti peraturan yang lebih longgar dan menggunakan teknologi lokal seperti untuk pekerjaan irigasi tradisional atau mesin-mesin buatan lokal. Pendekatan ini dikenal sebagai pendekatan lokal.

Komponen Pembangkit Listrik Mikrohidro

Berikut ini adalah gambar 2.6 menunjukan skema dari komponen PLTMH

Komponen Hidrolisis

Komponen hidrolisis adalah komponen paling penting dalam perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), diantaranya adalah sebagai berikut

Perencanaan hidrolis

Kecepatan aliran pada saluran penghantar direncanakan sedemikian rupa untuk mencegah sedimentasi akibat kecepatan rendah maupun pengerusan tanah akibat kecepatan tinggi. Kecepatan aliran yang diijinkan dalam saluran ditetapkan dengan asumsi ukuran butir material sedimen 0.2 – 0.3 mm, yang dikutip dari

Kecepatan aliran yang diijinkan pada perencanaan ini adalah :

• Kecepatan maksimum : 4.8 m3/det, saluran pasangan batu tanpa plesteran • Kecepatan minimum : 2.4 m3/det, saluran pasangan batu plesteran 2.0

m/det, saluran tanpa pasangan/plesteran

Kecepatan rata aliran yang diijinkan pada perencanaan ini berkisar 2.0 sampai 4.8 m3/det.

Teori Debit aliran Sungai Dengan Rumus Empiris

Menentukan debit aliran sungai Mantenan dengan air terjun Mantenan dapat dihitung menggunakan persamaan yang dikutip dari buku Kensakku Takkada yang berjudul “Hidrologi Untuk Pengairan”, sebagai berikut.

Q = 0,277 x f x I x Adas

Dimana

Q = debit rata-rata (m3/s)

F = Koefisien pengaliran

I = Intensitas curah hujan rata-rata(mm/hari)

Adas = Daerah tadah hujan (Km2)

Daerah Aliran sungai ( DAS )

DAS merupakan tempat melimpahnya air hujan yang terkonsentrasi ke sungai, Luas DAS diperkirakan dengan melakukan pengukuran peta topografi dan kemudan dikalikan

dengan skalanya. Dalam hal ini luas DAS sungai Mantenan adalah sekitar 162 Km2, ( Sumber Dinas ESDM Merangin)

Teori Koefisien Pengaliran (f)

Koefisien pengaliran (f) bergantung pada faktor fisik seperti topografi daerah pengaliran, perbedaan kegunaan tanah dan telah diketahui kondisi sekitar sungai yang ada ialah tanah bergelombang dan hutan. Secara umum teori koefisien pengaliran diperlihatkan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1. Koefisien pengaliran (f)

Kondisi daerah pengaliran Harga (f)Daerah pegunungan yang curam 0,75 – 0,90Daerah pegunungan yang tersier 0,75 – 0,80Tanah bergelombang dan hutan 0,50 – 0,75Tanah daratan yang ditanami 0,45 – 0,60Persawahan yang diairi 0,70 – 0,80Sungai di daerah pegunungan 0,75 – 0,85Sungai kecil di dataran 0,45 – 0,75Sungai besar yang lebih dari setengah daerah pengaliran terdiri dari daratan 0,50 – 0,75

Sumber : Dinas pertanian dan Pengembangan agribisnis, Kabupaten Merangin, 2008

Berdasarkan tabel diatas sesuai dengan kondisi daerah sekitar sungai Mantenan di Desa Pulau Tengah maka koefisien pengaliran yang di pilih adalah 0,75 – 0,85 ( sumber hasil olah data lapangan)

Teori Debit Rencana Optimum

Perhitungan Debit air sungai Mentenan ( m3/s ) berdasarkan pengaruh curah hujan selama masa periode 1995 – 2007 ( 13 tahun ), maka diperoleh debit air yang tersedia sepanjang 13 tahun terakhir adalah menurut persamaan 2.2 yang dikutip buku “Manual Pembangunan PLTMH” halaman 4-6.

Q=∑ rata 2 debit ntahun

n tahun

Dimana, Q = debit air, n = jumlah tahun

Secara umum teori persentase penggunaan air diberbagai proyek diperlihatkan pada tabel 2.2.

Tabel 2.2. Persentase penggunaan air diberbagai proyek

Untuk penyediaan air minum 99%

Untuk penyediaan air industry 85 – 95 %a.Daerah beriklim setengah lembab 70– 85 %b.Daerah beriklim terang 80 – 95 %

Untuk pembangkit listrik tenaga air 85 – 95 %

Sumber : Dinas pertanian dan Pengembangan agribisnis, Kabupaten Merangin, 2008

Komponen Bangunan Sipil

Berikut ini adalah komponen sipil dari suatu Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro yang pada dasarnya merupakan gabungan dari pengembangan sistem irigasi air dengan Pembangkit Listrik Tenaga Air pada umumnya adalah sebagai berikut ;

Diversion Weir dan Intake (Dam/Bendungan Pengalih dan Intake)

Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai (Intake pembuka) ke dalam sebuah bak pengendap (Settling Basin).

Pada umumnya instalasi PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro) 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.

Lokasi intake harus memiliki dasar sungai yang relatif stabil, apalagi bila bangunan intake tersebut tanpa bendungan (intake dam). 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 tidak stabil dan erosi pada dasar sungai memungkinkan terjadi, maka konstruksi bangunan intake dilengkapi dengan bendungan untuk menjaga ketinggian dasar sungai di sekitar intake.

Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada instalasi PLTMH 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. 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 (load) yang kecil.

Settling Basin (Bak Pengendap)

Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari dampak pasir.

Headrace (Saluran Pembawa)

Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.

Headtank (Bak Penenang)

Fungsi dari bak penenang adalah untuk mengatur perbedaan keluaran air antara sebuah penstock dan headrace, dan untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu-kayuan.

Perhitungan dimensi bak penenang dilakukan dengan beberapa criteria, yaitu :

1. Volume bak 10 – 20 kali debit yang masuk untuk menjamin aliran steady di pipa pesat dan mampu meredam tekanan balik pada saat penutupan aliran di pipa pesat.

2. Bak penenang direncanakan dengan menetapkan kecepatan vertikal partikel sedimen 0.03 m/det.

3. Pipa pesat ditempatkan 15 cm di atas dasar bak penenang untuk menghindarkan masuknya batu atau benda-benda yang tidak diijinkan terbawa memasuki turbin, karena berpotensi merusak turbin.

4. Pipa pesat ditempatkan pada jarak minimum 4 x D (diameter pipa pesat) dari muka air untuk menjamin tidak terjadi turbulensi dan pusaran yang memungkinkan masuknya udara bersama aliran air di dalam pipa pesat

5. Bak penenang dilengkapi trash rack untuk mencegah sampah dan benda-benda yang tidak diinginkan memasuki pipa pesat bersama aliran air.

6. Pipa penguras ditempatkan di bak pengendap dan bak penenang sebagai kelengkapan untuk perawatan (pembuangan endapan sedimen).

7. Bak penenang diiengkapi pelimpas yang direncanakan untuk membuang kelebihan debit pada saat banjir. Bangunan bak penenang dan saluran pembawa direncanakan terjaga ketinggian permukaan pada saat banjir sampai maksimum 25% dari debit desain.

8. Konstruksi bak penenang dan pengendap berupa pasangan batu diplester dengan dasar bak berupa cor-an beton tumbuk (tanpa tulangan) kedap air.

Penstock (Pipa Pesat/Penstock)

Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah Turbin. Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang. 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 pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material dan tingkat rugi-rugi seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi.

Data dan asumsi awal perhitungan pipa pesat:

1) Material pipa pesat menggunakan plat baja diroll dan dilas (welded rolled steel. Hat ini dipilih sebagai alternatif terbaik untuk mendapatkan biaya terkecil. Material yang digunakan adalah mild steel (St 37) dengan kekuatan cukup.

2) Head losses pada sistem pemipaan (penstock) diasumsikan sekitar 4% terhadap head gross.

3) Diameter pipa pesat

Diameter minimum pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan 2.3 yang dikutip dari internet yang beralamatkan www.M Suhud/blogers.com, 23 Januari 2011

D=7 . 72 x n xQ x LH

Di mana:

n = koefisien kekasaran (roughness) untuk welded steel, 0.012

Q = debit desain sebesar m3/S

L = panjang penstock, m

H = tinggi jatuhan air (gross head), m

Tabel 2.3 Karakteristik macam – macam pipa pesat

Young’s modulus linear expansion Ultimateof elasticity a (n/m QC)E6 tensile strength

E (N/m 2 )E9 (N/m 2 )E6Weleded steel 206 12 400 0.012

Polyvinyl chloride (PVC)

2.75 54 13 3,009

Dutiie iron 16,7 11 340 0.015

Asbestos cement n.a 8.1 Na 0.011Cast iron 78.5 10 140 0.014

Material N

Polyethylene 0.55 140 5 0.009

Perhitungan tebal plat pipa pesat dapat menggunakan persamaan yang dikutip dari buku Kensakku Takkada yang berjudul “Hidrologi Untuk Pengairan”,

tp= Pt x D2x Sf x Kf

+t

dimana :

ts = penambahan ketebalan pipa untuk faktor korosi

P1 = tekanan hidrostatik, atm/mm2

D = diameter dalam pipa

Kf = faktor pehgelasan sebesar 0.9 untuk pengelasan dengan inspeksi x-ray factor pengelasan sebesar 0.8 untuk pengelasan biasa

Sf = desain tegangan pipa yang diijinkan

Pendekatan paling sederhana menggunakan rekomendasi ASME untuk tebal penstock minimum (mm) adalah 2,5 kali diameter pipa (m) di tambah 1,2 mm. Persamaan 2.5 dan 2.6 yang dikutip dari buku Kensakku Takkada yang berjudul “Hidrologi Untuk Pengairan”

t min = ( 2.5 x D ) + 1.2 mm

Rekomendasi lain adalah

t min ¿ (D+508)1400

Waterhammer

Terjadi pada saat penutupan inlet valve dapat terjadi tekanan gelombang aliran air di dalam pipa yang dikenal sebagai waterhammer. Tekanan balik akibat tertahannya aliran air oleh penutupan katup akan berinteraksi dengan tekanan air yang menuju inlet valve sehingga terjadi tekanan tinggi yang dapat merusak penstock (pipa pesat). Besarnya tekanan tersebut dipengaruhi oleh factor. Kecepatan gelombang tekanan ( pressure wave speed ), c yang besarnya dapat dihitung menggunakan persamaan dari buku Kensakku Takkada yang berjudul “Hidrologi Untuk Pengairan”,

c=5−0 .5 x Et(1+K . D)

x 3 . K

Dimana :

K = modulus bulk air, 2.1 x 10′ N/m2

Et = modulus elastilk material, untuk welded steel 2.1 x 11C N/m2

D = diameter pipa (mm)

t = tebal pipa (mm)

Surge pressure pada pipa, Ps ( kolom air) dapat dihitung menggunakan persamaan

Ps = C x Pvg

di mana :

PV = kecepatan aliran air didalam pipa adalah 4Q/ PD2

g = percepatan gravitasi m/det2

Tekanan total (tekanan kritis) di dalam pipa adalah sebesar, Pc dapat dihitung menggunakan persamaan

Pc = PO + PS

= (0.96 Hgross) + PS

Dimana Po adalah tekanan hidrostatik dalam pipa dengan asumsi headloss 4% Sementara itu tegangan yang terjadi pada dinding pipa dapat dihitung menggunakan persamaan

s= Pc . D2 .t

Dimana S= tegangan pada dinding (atm), D = diameter (m), dan t= tebal pipa (m)

Tegangan pada dinding pipa tersebut dibandingkan dengan kekuatan tarik material dan tegangan yang diijinkan. Apabila tegangan pada dinding pipa lebih besar maka penentuan diameter dan ketebalan pipa diulang sampai diperoleh kondisi yang aman. Perhitungan rinci kekuatan dan keamanan pipa dilampirkan pada setiap lokasi rencana pengembangan PLTMH.

Tumpuan Pipa Pesat (Saddles Support)

Tumpuan pipa pesat, baik pondasi anchor block, saddle support, berfungsi untuk mengikat dan menahan penstock. Jarak antar tumpuan (L) ditentukan oleh besarnya defleksi maksimum penstock yang diijinkan. Jarak maksimum dudukan pondasi penstok dapat dihitung dengan persamaan

L=( D+0 . 0147 ) .4−D . 4

Px 60 ,8

Dimana.

D = diameter dalam penstock (m)

P = berat satuan dalam keadaan penuh berisi air (kg/m).

Berat satuan pipa pesat dapat dihitung menggunakan persamaan

W pipa = PD x t x l x Pbaja

Di mana

W pipa = kg 1 m pipa pesat

D = diameter pipa, m

t = tebal pipa, m

Pbaja = 7860 kg/m3

Berat air di dalam pipa dapat dihitung menggunakan persamaan

W air = 0.25 D 2 x 1 x ρair

Di mana:

W air = kg 1 m pipa pesat

D = diameter pipa, m

1 = panjang pipa satuan, 1 m

ρ air = 1000 kg/m3

Berat satuan pipa berisi penuh air adalah, P = W pipa + W air . Pada perencanaan PLTMH ini, jarak antar tumpuan pipa pesat rata-rata adalah 4 m

Kavitasi

Kavitasi adalah suatu pembebanan yang tidak seragam, terutama pada permukaan sudu. Peristiwa ini biasanya diawali dengan terjadinya gelembung-gelembung uap di dalam fluida kerja (air) yang mengalir apabila tekanan ditempat tersebut sama dengan tekanan uapnya. Apabila gelembung tersebut terbawa arus dan kemudian sampai pada suatu daerah dimana tekanannya melebihi tekanan uap jenuhnya, maka gelembung tersebut akan pecah secara tiba-tiba. Pecahnya gelembung-gelembung tersebut bukan saja menimbulkan suara yang berisik dan getaran, tetapi juga menimbulkan lubang-lubang kikisan pada permukaan dinding saluran atau bagian-bagian turbin. Kavitasi yang berlebihan dapat pula mengurangi daya dan efisiensi turbin.

Komponen Pengkonversian Energi

Komponen pengkonversian energi adalah suatu sistem yang mengkonversikan energi potensial air menjadi suatu energi mekanik dengan suatu mekanisme yang telah dirancang sebelumnya, komponen – komponen ini terdiri dari :

Komponen Turbin Air

Turbin Air adalah suatu sistem pembangkit tenaga yang mengkonversikan energi air menjadi energi mekanis. Sebelum fluida cair (air) memasuki tubin di dalam salurannya terjadi perubahan dari head ketinggian menjadi head kecepatan, atau energi potensial menjadi energi kinetis. Perubahan energi potensial menjadi kinetis tidak hanya terjadi dalam saluran air memasuki turbin, tetapi yang utama terjadi di dalam turbin melalui nosel.

Selanjutnya energi kinetis berpindah menjadi energi mekanis pada poros turbin melalui mekanisme perubahan momentum. Gaya dari perubahan momentum aliran terhadap sudu turbin yang bekerja pada jarak tertentu dari sumbu poros mengakibatkan terjadinya torsi yang menghasilkan daya turbin. Mekanisme semacam ini berlangsung pada turbin impuls atau turbin aksi. Dengan kata lain bahwa pada turbin impuls, kerja poros turbin (momen putar) yang terjadi diakibatkan secara langsung oleh perubahan momentum yang mengakibatkan terjadinya impuls. Sedangkan pada turbin reaksi, momen putar yang terjadi tidak semata-mata terjadi oleh perubahan momentum dan gaya impuls, tetapi juga dipengaruhi oleh adanya gaya-gaya reaksi.

Pada roda turbin terdapat sudu-sudu yang bergerak sesuai dengan gerakan roda, yang befungsi untuk menerima momentum dari fluida kerja atau air. Gaya-gaya yang memutar roda turbin sepenuhnya bekerja pada sudu-sudu gerak.

Pemilihan Turbin

Turbin air berperan untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibagi menjadi dua kelompok , yaitu:

a) Turbin impuls (cross-flow, pelton & turgo)b) Turbin reaksi ( francis, Kaplan, propeller)

Secara umum terdapat daerah operasi turbin berdasarkan tinggi jatuhan air

( Head) diperlihatkan pada tabel 2.4

Tabel 2.4 Daerah Operasi TurbinJenis Turbin Variasi Head (m)

Kaplan dan Propeller 2 < H < 20

Peiton 50 < H < 1000Crossfiow 6 < H < 100

Turgo 50 < H < 250

Francis 10 < H < 350

Sumber www. Energi Terbarukan.com, 17.00, 23 Januari 2011

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 ( Kadir,A. Manual Pembangunan PLTMH, hal 15), yaitu :

a) Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) 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 tersebut seringkali diekspresikan sebagai “kecepatan spesifik, (Ns)”, yang dapat dihitung menggunakan persamaan

Ns = N x P0.h

dimana :

N = kecepatan putaran turbin, rpm

P0 = maksimum turbin output, kW

h = head efektif , m

Output turbin dapat dihitung dengan persamaan

P = 9.81 x Q x Hx ήt

Dimana

Q = debit air, m 3 ldetik

H = efektif head, m

ήt = efisiensi turbin

= 0.8 – 0.85 untuk turbin pelton

= 0.8 – 0.9 untuk turbin francis

= 0.7 – 0.8 untuk turbin crossfiow

= 0.8 – 0.9 untuk turbin propeller kaplan

Pada perencanaan PLTMH ini, pilihan turbin yang cocok untuk lokasi yang tersedia adalah :

1. Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah s.d 6 m2. Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m.

Pemilihan jenis turbin tersebut berdasarkan ketersedian teknologi secara lokal dan biaya pabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya seperti pelton dan francis. Jenis turbin crosstlow yang dipergunakan pada perencanaan ini adalah crossfiow T-14 dengan diameter runner 0.3 m. Turbin tipe ini memiliki efisiensi maksimum yang baik sebesar 0.74 dengan efisiensi pada debit 40% masih cukup tinggi di atas 0.6. Sementara untuk penggunaan turbin propeller open flume pabrikasi lokal ditetapkan efisiensi turbin sebesar 0.75.

Penggunaan kedua jenis turbin tersebut untuk pembangkit tenaga air skala mikro (PLTMH), khususnya crossfIlow T-14 telah terbukti handal di lapangan dibandingkan jenis crossfiow lainnya yang dikembangkan oleh berbagai pihak (lembaga penelitian, pabrikan, import). Putaran turbin baik propeller open flume head rendah dan turbin crossflow memiliki kecepatan yang rendah. Pada sistem mekanik turbin digunakan transmisi sabuk flat belt dan pulley untuk menaikkan putaran sehingga sama dengan putaran generator 1500 rpm. Efisiensi sistem transmisi mekanik flat belt diperhitungkan 0.98. Sementara pada sistem transmisi mekanik turbin propeller open flume menggunakan sabuk V, dengan efisiensi 0.95.

Berikut ini adalah tabel putaran nominal turbin air yang berdasarkan atas jenis turbin yang diperlihatkan pada tabel 2.5

Tabel 2.5 Putaran nominal turbin air berdasarkan jenisnya

Jenis turbin Putaran nominal(Rpm)

Runaway speed

Semi Kaplan,single regulated 75-100 2-2,4Kaplan,double regulated 75-150 2,8-3,2Small-medium Kaplan 250-700 2,8-3,2

Francis (medium & high head) 500-1500 1,8-2,2

Francis (low head) 250-500 1,8-2,2Pelton 500-1500 1,8-2

Crossflow 100-1000 1,8-2Turgo 600-1000 2

Klasifikasi Turbin Air

Dengan kemajuan ilmu Mekanika fluida dan Hidrolika serta memperhatikan sumber energi air yang cukup banyak tersedia di pedesaan maka pengembangan perencanaan-perencanaan turbin yang divariasikan terhadap tinggi jatuh ( head ) dan debit air secara maksimal.

Dari itu maka masalah turbin air menjadi masalah yang menarik dan menjadi objek penelitian untuk mencari sistem, bentuk dan ukuran yang tepat dalam usaha mendapatkan effisiensi turbin yang maksimum.Pada uraian berikut akan dijelaskan pengklasifikasian turbin air berdasarkan beberapa kriteria, yaitu

Berdasarkan Model Aliran Air Masuk Runner.

Berdasaran model aliran air masuk runner, maka turbin air dapat dibagi menjadi tiga tipe yaitu

a. 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 Cross-Flow, gambar 2.12 menggambarkan turbin aliran tangensial berikut ini.

Sumber : Didik.NS, 2009, Diktat kuliah energy terbarukan, FT Pakuan Bogor Gambar . 2.12 Turbin aliran tangensial

b. Turbin Aliran Aksial

Pada turbin ini air masuk runner dan keluar runner sejajar dengan poros runner, Turbin Kaplan atau Propeller adalah salah satu contoh dari tipe turbin ini, gambar 2.13 menggambarkan turbin aliran aksial berikut ini

Sumber : Didik.NS, 2009, Diktat kuliah energy terbarukan, FT Pakuan Bogor

Gambar 2.13 Model turbin aksial

c. Turbin Aliran Aksial - Radial

Pada turbin ini air masuk ke dalam runner secara radial dan keluar runner secara aksial sejajar dengan poros. Turbin Francis adalah termasuk dari jenis turbin ini. Gambar 2.14 menggambarkan model turbin aksial-radial berikut ini

Sumber : Didik.NS, 2009, Diktat kuliah energy terbarukan, FT Pakuan Bogor

Gambar 2.14 Model turbin aksial-radial

Berdasarkan Kecepatan Spesifik (ns)

Kecepatan spesifik dari suatu turbin ialah kecepatan putaran runner yang dapat dihasilkan daya effektif untuk setiap tinggi jatuh 1 meter. Setiap turbin air memiliki nilai kecepatan spesifik masing-masing, tabel 2.6. menjelaskan batasan kecepatan spesifik untuk beberapa turbin kovensional ( Lal, Jagdish, 1975 ). Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Beberapa formula yang dikembangkan dari data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yang diperlihatkan pada tabel 2.6, yaitu :

Tabel 2.6 Macam – macam Turbin berdasarkan Kecepatan

Turbin pelton (1 jet) Ns = 85.49/H0.243 (Siervo & Lugaresi, 1978)

Turbin Francis Ns = 3763/H0.854 (Schweiger & Gregory, 1989)Turbin Kaplan Ns = 2283/H0.486 (Schweiger & Gregory, 1989)Turbin Crossfiow Ns = 513.25/H0.505 (Kpordze & Wamick, 1983)Turbin Propeller Ns = 2702/H0.5 (USBR, 1976)

Sumber : Didik.NS, 2009, Diktat kuliah energy terbarukan, FT Pakuan Bogor

Berdasarkan Head dan Debit.

Dalam hal ini pengoperasian turbin air disesuaikan dengan potensi head dan debit yang ada yang dikutip dari www.M.Suhud /blogers.com, yaitu :

1. Head yang rendah yaitu dibawah 40 meter tetapi debit air yang besar, maka Turbin Kaplan atau propeller cocok digunakan untuk kondisi seperti ini.

2. Head yang sedang antara 30 sampai 200 meter dan debit relatif cukup, maka untuk kondisi seperti ini gunakanlah Turbin Francis atau Cross-Flow.

3. Head yang tinggi yakni di atas 200 meter dan debit sedang, maka gunakanlah turbin impuls jenis Pelton.

Berdasarkan Perubahan Momentum Fluida Kerjanya.

Dalam hal ini turbin air dapat dibagi atas dua tipe yaitu :

a. Turbin Impuls (Crossflow, Pelton, Turgo)

Turbin ini dibuat sedemikian sehingga rotor (runner) bekerja karena aliran air, disini beda tinggi diubah menjadi kecepatan karena perbedaan tinggi, yang khas dari jenis ini adalah turbin pelton, dengan pasangan ember-ember (buckets) pada keliling luar rotor yang bekerja karena pancaran air (jet discharge) dari mulutnya (nozzle) (Dr. Arismundar jilid I, 1975 ;53), beberapa contoh turbin impuls antara lain adalah sebagai berikut:

b. Turbin Crossflow

Merupakan salah satu jenis turbin aliran silang yang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki ( Hungaria), dan Fritz Ossberger (Jerman). Berbeda dengan jenis turbin lainnya dengan aliran aksial atau radial, pada turbin aliran silang air dilewatkan turbin secara transversal. Seperti pada kincir air lainnya, air dilewatkan melalui tepi kincir melewati silinder pusat dan keluar melewati tepi kincir berbeda. Ketika air melewati silinder pusat, air dapat membersihkan silinder dari kotoran dan polusi. Tipe kincir ini mempunyai kecepatan mesin rendah.

Turbin aliran silang (Crossflow) ini biasanya terdiri dari dua turbin yang mempunyai kapasitas yang berbeda. Kincir turbin mempunyai diameter yang sama namun mempunyai panjang yang berbeda, untuk mempertahankan perbedaan volume pada tekanan yang sama. Turbin ini biasanya menghasilkan volume rasio 1:2. Efisiensi total dari jenis turbin ini lebih rendah jika dibandingkan dengan turbin Kaplan, Francis, dan Pelton. Namun turbin ini mempunyai kurva efisiensi mendatar dibawah beban yang bervariasi.

Turbin crossflow menggunakan Nozzle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk ke turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energy kinetic menjadi energy mekanik. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibandingkan saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner

turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan parallel. Untuk lebih jelasnya diperlihatkan pada gambar 2.15 dan 2.16.

Sumber : Didik.NS, 2009, Diktat kuliah energy terbarukan, FT Pakuan Bogor

Gambar 2.15 Komponen turbin crossflow

Sumber hasil survey lapangan di Desa Pulau Tengah, 2010

Gambar 2.16 tampak atas turbin crossflow

c. Turbin pelton

Turbin pelton adalah turbin untuk tinggi terjun yang tinggi, yaitu diatas 300 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls sehingga turbin pelton juga disebut sebagai turbin impuls ( Marsudi, Djateng, 2005:93)

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 kedua arah sehingga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozzle. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil, gambar 2.17 menggambarkan model turbin Pelton.

Sumber. www.wikipedia/macam-macam turbin.com, 20.00, 23 Januari 2011

Gambar 2.17 Contoh turbin Pelton

d. Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 sampai 300 meter. Seperti turbin Pelton, turbin Turgo merupakan turbin impulse tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozzle membentur sudu pada sudut 200. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan effisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan, gambar 2.18

Gambar 2.18 contoh turbin Turgo

e. Turbin Reaksi (Francis, Kaplan, Propeller).

Pada turbin reaksi, seluruh energi potensial dari air dirubah menjadi energi kinetis pada saat air melewati lengkungan sudu-sudu pengarah, dengan demikian putaran runner disebabkan oleh perubahan momentum oleh air. beberapa contoh turbin reaksi antara lain adalah sebagai berikut:

f. Turbin FrancisTurbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber

air tekanan tinggi dibagian masuk, dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah, sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial dan dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Turbin Francis paling banyak digunakan di Indonesia. Turbin ini digunakan untuk tinggi terjun air sedang, yaitu 20-400 meter. Teknik mengkonversikan energy potensial air menjadi energy mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses reaksi sehingga turbin Francis juga disebut sebagai turbin reaksi (Marsudi, Djateng, 2005 : 91)

Dengan memanfaatkan aliran sungai yang memiliki debit air yang cukup besar. Air tersebut ditampung dalam sebuah waduk dan kemudian air dialirkan melalui pintu pengambil air, yang pengaturannya dilakukan melalui pusat pengendali bendungan ( DAM Control

Center). Selanjutnya masuk kedalam terowongan tekan (headrace tunnel). Sebelum memasuki pipa pesat (Penstock), air tersebut harus melewati tangki pendatar (surge Tank) yang berfungsi mengamankan pipa pesat apabila terjadi tekanan kejut atau tekanan mendadak yang bisa disebut sebagai pukulan air ( Water Hammer) saat katup utama ditutup seketika. Setelah katup utama dibuka, aliran air memasuki rumah keong (Spiral Case) bergerak memutar turbin. Dari turbin, air mengalir keluar melalui pipa pelepas ( tail race) dan selanjutnya dibuang kesaluran pembuangan.

Poros turbin yang berputar tersebut dikopel dengan poros generator sehingga menghasilkan energi listrik. Melalui transformator utama energi listrik tersebut disalurkan kepada konsumen melalui jaringan Gardu Induk dan disalurkan melalui jaringan tegangan tinggi.

Pada roda turbin terdapat guide vane yang berfungsi untuk mengatur aliran air yang masuk kedalam turbin. Sehingga putaran turbin dapat diatur dengan kecepatan yang diinginkan. Guide vane ini terletak pada celah penggerak (runner), sehingga aliran air pada guide vane menimbulkan momentum yang selanjutnya menimbulkan gaya. Gaya yang bekerja pada guide vane ini yang menyebabkan roda turbin berputar, untuk lebih jelasnya diperlihatkan pada gambar 2.19

Gambar 2.19 contoh turbin Francis

g. Turbin KaplanTurbin Kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu dibawah 20 meter.

Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui pemanfaatan kecepatan air, roda air turbin menyerupai baling-baling dari kipas angin. Turbin Kaplan dan Propeler merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu. Propeler tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

h. Turbin Propeler Open FlumeBanyak orang beranggapan untuk membuat pembangkit listrik harus dari air terjun

alami, tidak selamanya demikian. Seperti terlihat pada gambar ilustrasi, beda tinggi (head) bisa diperoleh dengan pembuat intake dari sungai dan mengalirkannya pada posisi yang tepat sehingga terbentuk ketinggian yang optimal. Untuk lebih jelasnya diperlihatkan pada gambar 2.20 berikut ini

Gambar 2.20 contoh turbin Propeller dan kaplan

Fungsi dan Prinsip Kerja Turbin AirTurbin air sebagai penggerak mula merupakan komponen awal proses pembangkitan

berlangsung . Turbin air bekerja sebagai penggerak mula yang menggunakan energi air dengan debit air tertentu untuk menggerakkan generator. Turbin bergerak secara melingkar (Rotasi) hal ini ditandai dengan perputaran poros turbin yang dikopel dengan poros generator atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar disebut stator atau rumah turbin.

Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik, dari rotasi yang dihasilkan roda turbin air. Pada roda turbin terdapat guide vane yang berfungsi mengatur aliran air yang masuk kedalam turbin sehingga turbin bisa berputar dengan kecepatan yang diinginkan, guide vane terletak diantara celah-celah runer.

Aliran air pada guide vane menimbulkan perubahan momentum yang selanjutnya menimbulkan gaya. Gaya yang bekerja pada guide vane inilah yang menyebabkan roda turbin berputar

Peralatan Utama Turbin AirBerikut ini beberapa bagian dari peralatan utama turbin air, diantaranya adalah

sebagai berikut. a. Spiral Cassing (Rumah Keong)

Rumah keong adalah tempat lajuan air yang menghubungkan katup utama dengan runner, yang berfungsi untuk mengarahkan air menuju runner dan sekaligus mengubah energy potensial yang masih tersisa dalam air menjadi energi kinetis.

b. Stay Ring ( Sudu Tetap)Sudu tetap adalah sudu pengarah yang terpasang secara tetap dan berfungsi untuk mengarahkan air menuju runner

c. WicketgateWicketgate adalah sudu pengatur yang dapat bergerak secara bersama-sama dan ditempatkan antara sudu tetap dan runner. Fungsinya untuk mengatur jumlah air yang digunakan untuk memutar runner dengan cara membuka dan menutup air yang menuju runner sesuai yang diinginkan atau dengan kata lain perubahan beban turbin dapat diatur dengan wicketgate.

d. RunnerRunner adalah peralatan yang berbentuk roda yang dilengkapi dengan daun sudu-sudu, yang berfungsi untuk mengubah energi kinetis air menjadi energi mekanik dalam bentuk daya pada poros turbin. Bahan runner terbuat dari baja stainless steel, bahan anti karat

e. Drafftube

Drafftube adalah pipa yang menghubungkan spiral case dengan saluran pembuangan, fungsinya untuk mengalirkan air yang keluar dari runner ke saluran pembuangan dan memamfaatkan daya sisa untuk memperbaiki effisiensi turbin

f. ShaftShaft berfungsi untuk meneruskan daya turbin ke generator

g. Koppling Koppling fungsi utamanya adalah untuk memindahkan energi putaran dari poros turbin ke poros generatorFungsi lainnya adalah : Mengantisipasi ketidakstabilan dari poros Memberikan kemungkinan kepada poros untuk berekspansi (memuai) yang disebabkan

oleh panas Merendam getaran Pengatur putaran bagi poros yang digerakkan khusus koppling fluida Memungkinkan pelepasan dari bagian-bagian poros untuk pekerjaan perbaikan

h. Protection dan Wearing RingProtection dan wearing ring fungsinya sebagai pengaman head cover ( upper dan lower) turbin.

i. Turbin Head Cover Upper dan LowerTurbin head cover upper dan lower fungsinya sebagai penutup spiral case atas dan bawah

j. bearing Bearing adalah sebagai tempat tumpuan poros beban, sehingga dapat berlangsung secara halus, aman, dan durable ( awet/tahan lama).

Komponen Koppling turbinKopling yang digunakan adalah jenis kopling fleksible tipe FCL. Kopling fleksible yang

digunakan di PLTMH berfungsi mentransmisikan torsi dari poros penggerak (Turbin Air) ke poros lain yang di gerakan (Poros generator), kontruksi kopling FCL cukup sederhana, koppling ini mudah di pasang, mudah dilepas dan bebas pemeliharaan, Flange kopling dipasang pada poros transmisi dan diperkuat dengan pasak (Baut).

a. PulleyPulley yang digunakan dalam system transmisi mekanik PLTMH dirancang untuk

menaikan kecepatan dari 625 rpm pada poros turbin menjadi 1500 rpm pada poros generator. Diameter nominal Pulley pada sisi turbin adalah 1190 mm dan pada sisi generator 400 mm. Lebar kedua pulley adalah 180 mm sedangkan lebar flat belt penghubung kedua pulley tersebut 100 mm. Material yang digunakan untuk membuat pulley adalah mild steel SS 400/St 37.

Pulley yang lebih besar (Pada sisi Turbin) juga mempunyai fungsi sebagai flywheel ( Roda gila) untuk menstabilkan putaran turbin meskipun ada sedikit peningkatan atau pengurangan kecepatan ketika beroperasi. Pulley perlu dibersihkan sehingga bebas dari kotoran debu, minyak.

b. BelltBelt dioperasikan berdasarkan prinsip gesekan dengan permukaan Pulley.

Kerenggangan belt disesuaikan dengan batas tegangan yang diperbolehkan. Belt yang digunakan pada transmisi mekanik adalah jenis flat belt merek SIEGLING EXTREMULTUS TIPE GT 54, ukuran 5115 x 100 mm, endless. Flat belt ini dapat beroperasi dengan effisiensi 98%. Suara yang ditimbulkan flat belt ini ketika beroperasi dengan kecepatan tinggi cukup keras tetapi tidak bising.

Berikut ini adalah gambar 2.21 tabel pemilihan turbin berdasarkan head dan debit menurut Didik, N.S, Diktat kuliah Energi Terbarukan, 2009, Bogor

Sumber. Didik, N.S, Diktat kuliah Energi Terbarukan, 2009, BogorGambar. 2.21 Perbandingan Debit dan Head untuk pemlihan turbin

Komponen Pembangkitan Energi Listrik

Komponen pembangkitan energi Listrik ini adalah proses kelanjutan dari suatu sistem komponen pengkonversian energi listrik, untuk menciptakan suatu energi listrik diperlukan komponen – komponen sebagai berikut :

Pemilihan Generator dan Sistem Kontrol

Generator adalah suatu peralatan yang berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Jenis generator yang digunakan pada perencanaan PLTMH ini adalah :

a) Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing).

b) Induction Motor sebagai Generator (IMAG) sumbu vertikal, pada perencanaan turbin propeller open flume

Spesifikasi generator adalah putaran 1500 rpm, 50 Hz, 3 phasa dengan keluaran tegangan 220 V/380 V. Efisiensi generator secara umum adalah

a) Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0.7 – 0.8 b) Aplikasi 10 – 20 KVA efisiensi 0.8 – 0.85 c) Aplikasi 20 – 50 KVA efisiensi 0.85 d) Aplikasi 50 – 100 KVA efisiensi 0.85 – 0.9 e) Aplikasi >. – 100 KVA efisiensi 0.9 – 0.95

Generator

Generator merupakan alat untuk mengubah daya poros turbin menjadi energi listrik. Pada MikroHidro umumnya digunakan generator sinkron dan generator induksi sebagai generator. Terdapat beberapa tipe generator sinkron, tetapi yang tersedia dipasaran untuk aplikasi mikrohidro biasanya menggunakan generator sinkron tipe kutub di dalam (internal poles) dimana medan magnetiknya terletak pada rotor dan daya listrik yang dibangkitkan melalui kumparan statornya eksitasi sendiri ( self excited generator) dengan kontruksi rotor kutub menonjol (salient Poles). Meskipun generator sinkron dengan eksitasi melalui slip ring dan sikat karbon masih tersedia dipasaran tetapi sebaiknya dihindari untuk dipakai di PLTMH, karena membutuhksn perawatan dan pergantian secara berkala sikat karbon tersebut.

Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untukMengahasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover, menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini, menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Gambaran bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.22 di bawah ini.

Sumber. www.wikipedia/generator.com 19.00, 9 Febuari 2011Gambar 2.22 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron

Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator.

Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar 2.23 di bawah ini.

Sumber. www.wikipedia/generator.com 19.00, 19 Febuari 2011Gambar 2.23 (a) rotor Non-salient (rotor silinder),(b) penampang rotor pada generator sinkron

Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring dan

sikat.2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada batang rotor

generator sinkron.

Kontruksi Generator AC ( Generator sinkron)Kontruksi generator sinkron ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu

a. Stator, yakni bagian diam yang mengeluarkan tegangan Bolak balik ACb. Rotor, yakni bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan

ke stator.

Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate ditempakan disisi luar badan generator. Inti stator yang terbuat dari bahan ferromagnetic yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat meletakan lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan tegangan. Sedangkan, Rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara sama rata ( Rotor silinder).

Komponen Generator dan FungsinyaBerikut ini adalah komponen dan fungsi dari generator, yaitu;

a. Main Stator ( Stator utama)Berfungsi sebagai pembangkit utama tegangan listrik

b. Main rotor ( Rotor utama)c. Rotating diode ( Rangkaian diode putar)

Berfungsi sebagai penyearah arus ac menjadi dcd. Excitor rotor ( rotor eksitasi)

Berfungsi sebagai eksitasi awal dari AVR ke diodee. Excitor stator ( Stator eksitasi)f. Permanent magnit rotor

Berfungsi sebagai pembangkit atau penyatu daya pertama ke AVRg. Permanent magnit stator

Berfungsi sebagai pembangkit atau penyatu daya pertama ke AVRh. AVR ( Automatic voltage Regulator)

Befungsi sebagai pengatur dan pengontrol system kerja generator

Kecepatan Putar Generator SinkronFrekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan

putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian electromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik

pada stator, bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1 Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk kecepatan rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi dari kecepatan rotor, dan diformulasikan

Dimana f = Frekuensi (Hz), P = Jumlah Kutub, N = Putaran (rpm)

Effisiensi generatorDalam mengkonversikan energi mekanis menjadi energi listrik, alternator mengalami

kehilangan daya (losses). Rugi – rugi tersebut adalah sebagai berikuta) Rugi – rugi angin dan gesekan (Pa dan Pg)

Rugi-rugi angin dan gesekan yang dipengaruhi oleh ukuran dan bentuk dari bagian yang berputar, rancangan sudut kipas rotor, desain bantalan (bearing) dan susunan rumah (housing) mesin.

b) Rugi – rugi inti besi ( Pi)Rugi – rugi inti besi disebabkan oleh fluksi utama mesin dan terjadi terutama pada gigi

– gigi stator (jangkar), pada bagian inti jangkar dekat gigi – gigi stator dan pada permukaan kutub rotor. Inti stator pada umumnya dibentuk dari laminasi tipis baja silicon yang terisolasi satu sama lain untuk membatasi rugi-rugi histeris dan arus tolak (eddy current) pada baja

c) Rugi – rugi tembaga kumparan medan penguat(Ptp)Rugi – rugi tembaga penguat dihitung dari arus medan dan tahanan arus searah dari

kumparan penguat pada suhu 750. Jatuh tegangan pada cincin kolektor sikat umumnya diabaikan, tapi bisa juga disertakan dalam rugi-rugi penguat.

d) Rugi – rugi tembaga kumparan jangkar(Ptj)Rugi – rugi tembaga jangkar dihitung dari tahanan arus searah kumparan jangkar pada

suhu 750 ( pada umumnya)e) Rugi – rugi buta (stray losses) (Pb)

Pelat Nama Generator

Hal – hal yang tertera pada pelat nama alternator pada umumnya adalah sebagai berikut :

a) merek dagang alternatorb) system fasa listrik (umumnya 3 fasa)c) daya semu alternator (umumnya dinyatakan dalam kVA). Besarnya daya nominal didasarkan

pada besaran daya semu dalam satuan kVA bukan berdasar daya aktif dalam satuan kW, hal ini dikarenakan pembatasan beban yang dipikul oleh alternator adalah berdasarkan batasan pemanasan yang terjadi pada kumparan stator, hal ini terlihat sebagai besarnya pemanasan akibat rugi tembaga stator.

d) Frekuensi yang dapat diaplikasikan pada alternator (umumnya 50 Hz atau 60 Hz). Pada dasarnya mesin pada frekuensi 50 Hz dapat dioperasikan pada system 60 Hz dan sebaliknya, asalkan perhitungan batas fluks maksimum yang dapat dicapai oleh mesin yang bersangkutan. Sebagaimana diketahui Ea = k . φ . ω ini akan mempengaruhi besarnya Ea maksimum yang dizinkan, dan berubah ketika kecepatan putarannya diubah.Misalnya alternator dengan frekuensi nominal 60 Hz dioperasikan pada frekuensi 50 Hz, maka besarnya GGL yang dibangkitkan sekitar 50 Hz atau 60 Hz tegangan nominalnya atau sebesar 83,3% tegangan nominalnya.

e) Nomor identifikasi alternatorf) Tanggal pembuatan (manufacturing date)g) Standar teknis (technical standart). Menyatakan bahwa spesifikasi teknis mengacu referensi

pada badan standart teknis tertentu, misalnya IEC, NEMA, BS, JIS, DIN, dan sebagainya. Hal ini akan memudahkan kita mengetahui pasti spesifikasi teknis peralatan tersebut, karena mengacu pada suatu standar yang baku.

h) Besarnya gaya gerak listrik (Ea) dalam satuan volt.i) Arus medan penguat dalam satuan ampere. Arus medan ini menentukan maksimum panas

pada kumparan medan yang diperbolehkan. Karena Ea = k . φ . ω, maka secara tidak langsung besarnya Ir ini akan berpengaruh pada besarnya nilai Ea maksimum yang diperbolehkan. Adapun pengaruh pencapaian Ifmaks da Eamaks ini diterjemahkan secara langsung sebagai nilai minimum dari factor daya yang diperbolehkan ketika alternator beroperasi dalam kondisi beban penuhnya (sesuai nilai nominalnya)

j) Factor daya atau cos φk) Kelas isolasi

Menurut standat IEC kelas isolasi kumparan mesin sinkron adalah:

Kelas A : suhu maksimum yang diizinkan adalah 600 diatas temperature ruangan

Kelas B : suhu maksimum yang diizinkan adalah 600 diatas temperature ruangan

Kelas F : suhu maksimum yang diizinkan adalah 600 diatas temperature ruangan

Kelas H : suhu maksimum yang diizinkan adalah 600 diatas temperature ruangan

l) Factor pelayanan (service factor). Factor pelayanan ini didefinisikan sebagai perbandingan antara kemampuan aktual dengan kemampuan nominalnya.

Komponen Pengkontrolan Energi Listrik

Komponen pengkontrolan energi listrik ini berguna untuk menjaga kualitas dari produksi listrik. Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro) ini menggunakan pengaturan beban sehingga jumlah output daya generator selalu sama dengan beban. Apabila terjadi penurunan beban di konsumen, maka beban tersebut akan dialihkan ke sistem pemanas udara (air heater) yang dikenal sebagai ballast load/dumy load.

Sistem pengaturan beban yang digunakan pada perencanaan ini adalah

a) Electronic Load Controller (ELC) untuk penggunaan generator sinkronb) Induction Generator Controller (IGC) untuk penggunaan IMA

Sistem kontrol tersebut telah dapat dipabrikasi secara lokal, dan terbukti handal pada penggunaan di banyak PLTMH. Sistem kontrol ini terintegrasi pada panel kontrol (switch gear).

Fasillitas operasi panel kontrol minimum terdiri dari

a) Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manualb) Stop/berhenti secara otomatisc) Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under frekuensi.d) Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)

Electronik Load control ( ELC )

Governour beroperasi pada mesin penggerak sehingga generator menghasilkan keluaran arus yang dapat diatur dari 0% sampai dengan 100% kemampuannya. Jadi masukkan ke mesin penggerak sebanding dengan keluaran arus generatornya atau dengan kata lain pengaturan governor 0% sampai dengan 100% sebanding dengan arus generator 0% sampai dengan 100% pada tegangan dan frekuensi konstan. Governour bekerja secara hidrolik atau mekanis, sedangkan sinyal masukan dari keluaran arus generator berupa elektris, sehingga masukan ini perlu diubah ke mekanis dengan menggunakan elektrik actuator untuk menggerakkan motor listrik yang menghasilkan gerakan mekanis yang diperlukan oleh governour.

Seperti diketahui bahwa governour pada PLTMH merupakan peralatan pengatur jumlah air yang masuk kedalam turbin agar tenaga air yang masuk turbin sesuai dengan daya listrik yang dikeluarkan oleh pembangkit hingga putaran konstan. Penggunaan governour

tersebut kurang menguntungkan bila ditinjau secara ekonomis, karena harganya hampir sama bahkan melebihi harga generator.

Sistem Kontrol Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) pada dasarnya ada dua macam sistem pengaturan pada pembangkit listrik mikrohidro, yaitu governour (Sistem pengatur debit air) dan electronic load controller (ELC) (sistem pengatur beban elektronis). Governour didesain agar putaran turbin-generator konstan dalam range yang dikehendaki dengan menambah atau mengurangi debit air yang masuk ke runner turbin untuk mempertahankan keseimbangan daya antara masukan daya (Power input) dan permintaan daya (power demand). Governour bekerja bila terjadi suatu perubahan pada permintaan daya yang menyebabkan fluktuasi putaran turbin-generator. Turbin air seperti layaknya penggerak mula, membutuhkan sistem pengaturan agar suatu perubahan beban tidak mengakibatkan terjadinya perubahan putaran.

Hal ini secara tradisional dicapai dengan pengaturan debit air yang masuk ke turbin dengan menggunakan governour mekanis. Kerugian sistem ini adalah ketidakmampuannya bereaksi cepat bila terjadi perubahan beban secara mendadak. Pada beberapa sistem kontrol debit air, dibutuhkan suatu katup pengontrol air yang mahal. Governor mekanis membutuhkan kesesuaian antara turbin dan pipa pesat (penstock).

Sistem Control ELC

Electronic Load Controller (ELC), pada prinsipnya bertujuan agar besar daya yang dibangkitkan oleh generator selalu sama dengan daya yang diserap oleh konsumen ditambah dengan daya yang dibuang ke beban ballast, dengan demikian akan diperoleh frekuensi yang stabil. Pada kondisi penyerapan daya oleh beban konsumen melebihi daya yang dibangkitkan generator (overload) akan terjadi penurunan frekuensi (under frequency). Kondisi ini umumnya tidak diinginkan karena penurunan frekuensi bersifat merusak khususnya peralatan listrik yang bersifat induktif (kumparan, transformator). ELC dilengkapi fasilitas under frequency trip yang akan memutuskan hubungan ke beban konsumen dan semua daya akan dibuang pada beban ballast. Prinsip kerja ELC secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut. Apabila daya yang diserap pada beban konsumen berubah akan mengakibatkan pula perubahan frekuensi (frekuensi akan menurun bila beban konsumen bertambah dan sebaliknya), perubahan frekuensi akan segera dideteksi dan dimanipulasikan untuk mengatur sudur penyalaan pada thyristor. Thyristor pada ELC tidak lain merupakan sakelar elektronik yang mengatur besar kecilnya daya yang harus dibuang ke beban ballast atau diambil dari beban ballast sesuai dengan perubahan frekuensi yang terjadi, sehingga dapat dicapai kembali kondisi daya yang dibangkitkan oleh generator sama dengan daya yang diserap oleh beban konsumendan beban ballast. Karena dilakukan secara elektronik, perubahan frekuensi yang terjadi untuk kembali stabil ke setting frekuensi yang telah ditetapkan akan berlangsung singkat, hanya memerlukan waktu kurang dari 0.25 detik, dengan penyimpangan frekuensi kurang dari 0,25 Hz

pengaturan putaran generator mikrohidro dengan beban komplemen menggunakan saklar elektronik yang terdiri atas tiga bagian utama, yaitu :

Alat ini berfungsi untuk mendeteksi perubahan arus beban yang dihasilkan oleh generator sebagai akibat adanya perubahan arus pada beban konsumen yang kemudian akan dibandingkan dengan harga referensi yang telah ditentukan. Selanjutnya rangkaian control akan memberikan aksi atas perubahan tersebut dengan memberikan trigger pada SCR sesuai dengan perubahan yang terjadi.

AVR (Automatic Voltage regulator)

Fungsi dari sistem AVR secara umum adalah untuk menghubungkan, menyearahkan dan mengendalikan arus eksitasi yang berasal dari PMG (Permanent Magnet Generator) ke generator exciter. Gambar 2.26 merupakan salah satu produk AVR (Automatic Voltage Regulator).

Gambar 2.26 AVR

Exciter tanpa sikat terdiri atas alternator yang menghasilkan arus AC yang kemudian disearahkan dan diumpankan ke generator untuk menghasilkan medan penguat.

Energi eksitasi didapatkan dari PMG (Permanent Magnet Generator) yang disambungkan ke stator exciter melalui sebuah power amplifier yang terdiri atas beberapa thyristor. Pengontrolan eksitasi dilakukan dengan mengendaikan output dari thyristor.

Berikut ini adalah bagian – bagian utama dari AVR (Automatik Voltage Regulator) antara lain :

a) Regulator drawer

Berfungsi mendeteksi tegangan dan arus keluaran generator utama dan menghasilkan sinyal control yang sesuai untuk mengubah keluaran generator tersebut agar sesuai dengan yang diinginkan. Sinyal control ini akan dikirimkan ke pembangkit pulsa pada bagian firing drawer, untuk menentukan sudut pemicuan thyristor

b) Firing drawer

Berfungsi untuk menghasilkan pulsa untuk kaki GATE dari thyristor yang terdapat di power drawer. Pulsa ini mempunyai nilai peak tertentu yang cukup untuk memicu kerja thyristor

c) Power drawer, field breaker (41E)

Berisi thyristor – thyristor penyearah dan piranti pendukungnya yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan yang sesuai untuk kendali arus medan generator melalui AC exciter, dan Field Breaker berfungsi sebagai saklar penghubung AVR dengan generator exciter

d) Base adjusting equipment (70E)

Berfungsi untuk menentukan sinyal basis bagi system MWTA AVR. Potensiometer ini digerakkan dengan motor DC dan dikendalikan dari ruangan control

e) Voltage adjusting equipment(90R)

Berfungsi untuk mendapatkan level tegangan deteksi (sensing) dari generator agar sesuai dengan nilai tertentu sehingga didapatkan tegangan keluaran generator yang diinginkan. Alat ini digerakkan dengan motor DC dan dikendalikkan dari ruangan kontrol

f) Balance meter dan Fault indication

Berfungsi sebagai parameter yang mengindikasikan derajat kurang atau lebih sinyal eror dari regulator yang akan diumpankan ke bagian power drawer, dan fault indication berfungsi sebagai penunjuk beberapa kondisi alarm antara lain : Loss of DC power source, Blow Out of Fuse, Loss of Pulse, Minimum excitation limit, dan cooling fan trouble.

Panel Hubung Bagi ( PHB)

Panel hubung bagi ( PHB ) adalah panel berbentuk kotak (cubicle), yang dapat dibedakan sebagai :

a) panel utama/MDP : Main Distribution Panelb) Panel cabang/SDP : Sub – Distribution Panelc) Panel Beban/SSDP : Sub – distribution Panel

Untuk PHB sistem tegangan rendah, hantaran utamanya merupakan kabel feeder dan biasanya menggunakan NYFGBY. Di dalam panel biasanya busbar (rel) dibagi menjadi dua segmen yang saling berhubungan dengan saklar pemisah, yang satu mendapat saluran masuk dari APP ( pengusaha ketenagalistrikan) dan satunya lagi dari sumber listrik sendiri (genset). Dari kedua busbar didistribusikan ke beban secara langsung, melalui SDP, atau SSDP. Tujuan busbar dibagi menjadi dua segmen ini adalah jika sumber listrik dari PLN mati akibat gangguan ataupun karena pemeliharaan, maka suplai ke beban tidak akan terganggu dengan adanya sumber listrik sendiri (genset) sebagai cadangan.

Komponen Pendistribusian Tenaga Listrik

Pendistribusian listrik memerlukan tegangan tinggi, teangan yang lebih tinggi ini diperoleh dengan transformator penaik tegangan (step up transformator). Pemakaian tegangan tinggi ini diperlukan untuk berbagai alasan efisiensi. Antara lain, penggunaan penampang penghantar menjadi efisien karena arus yang mengalir akan menjadi lebih kecil, ketika tegangan tinggi diterapkan. Setelah saluran transmisi mendekati pusat pemakaian tenaga listrik, yang dapat merupakan suatu daerah industri atau suatu kota, tegangan melalui gardu induk (GI) diturunkan menjadi tegangan menengah (TM) 20kV.

Setiap GI sesungguhnya merupakan Pusat Beban untuk suatu daerah pelanggan tertentu, bebannya berubah-rubah sepanjang waktu sehingga daya yang dibangkitkan dalam pusat-pusat Listrik harus selalu berubah. Perubahan daya yang dilakukan di pusat pembangkit ini bertujuan untuk mempertahankan tenaga listrik tetap pada frekuensi 50 Hz. Proses perubahan ini dikoordinasikan dengan Pusat Pengaturan Beban (P3B). Tegangan menengah dari GI ini melalui saluran distribusi primer disalurkan ke gardu – gardu distribusi (GD) atau pemakai tegangan menengah.

Dari saluran distribusi primer, tegangan menengah (TM) diturunkan menjadi tegangan rendah (TR) 220/380 V melalui gardu distribusi (GD). Tegangan rendah dari gardu distribusi disalurkan melalui saluran tegangan rendah ke konsumen tegangan rendah (Sakti, 2008:4)

Sistem tenaga listrik secara umum dibagi menjadi empat bagian utama, diantaranya:a. Pembangkitan:

Generator-generator dan prime mover Tegangan yang dibangkitkan 3-13 kV Peralatan pengatur tegangan dan frekuensi Transformator tegangan tinggi

b. Saluran transmisi Saluran-saluran transmisi tegangan tinggi (isolator, arrester) Tegangan 70-150 kV ( tegangan tinggi ) dan 500 kV ( tegangan extra tinggi ) Transformator pengatur daya aktif dan reaktif

c. Distribusi Saluran yang menghubungkan ke beban Tegangan 11-33 kV

Transformator-transformator gardu dan tiangd. Instalasi:

Saluran beban terhubung ke peralatan Tegangan 110-400 V Beban-beban listrik (motor, trafo, peralatan listrik, dll)

Bagian-Bagian Sistem Distribusi Listrik

Berikut ini adalah bagian – bagian dari sistem pendistribusian energi listrik, yaitu :

a. Jaringan subtransmisi

Jaringan subtransmisi berfungsi menyalurkan daya listrik dari sumber daya besar menuju gardu induk yang terletak di daerah tertentu. Biasanya menggunakan tegangan tinggi (70-150 kv) ataupun tegangan extra tinggi (500 kv) dalam penyaluran tegangannya, hal dilakukan untuk berbagai alasan efisiensi, antara lain, penggunaan penampang penghantar menjadi efisien, karena arus yang mengalir akan menjadi lebih kecil, ketika tegangan tinggi diterapkan (Sakti, 2008:4)

b. Gardu Induk (GI)Gardu induk berfungsi menerima daya listrik dari jaringan subtransmisi dan

menurunkan tegangannya menjadi tegangan jaringan distribusi primer (Jaringan Tegangan Menengah/ JTM). Jadi pada bagian ini terjadi penurunan tegangan dari tegangan tinggi ataupun tegangan extra tinggi ke tegangan menengah 20 kV.

c. Gardu Hubung (GH)Gardu hubung berfungsi menerima daya listrik dari gardu induk yang telah diturunkan

menjadi tegangan menengah dan menyalurkan atau membagi daya listrik tanpa merubah tegangannya melalui jaringan distribusi primer (JTM) menuju gardu atau transformator distribusi.

d. Jaringan Distribusi Primer / Jaringan Tegangan Menengah (JTM)Jaringan distribusi primer berfungsi menyalurkan daya listrik, menjelajahi daerah

asuhan ke gardu / transformator distribusi. Jaringan distribusi primer dilayani oleh gardu hubung atau langsung dari gardu induk dan atau dari pusat pembangkit.

e. Gardu Distribusi (GD)Gardu distribusi berfungsi untuk menurunkan tegangan primer (tegangan menengah)

menjadi tegangan sekunder (tegangan rendah) yang biasanya 127/220 Volt atau 220/ 380 Volt.

f. Jaringan distribusi sekunder/ Jaringan Tegangan Rendah (JTR)Jaringan distribusi sekunder berfungsi untuk menyalurkan/ menghubungkan sisi

tegangan rendah transformator distribusi ke konsumen mengunakan jaringan hantaran udara 3 fasa 4 kawat dengan tegangan distribusi sekunder 127/ 220 Volt atau 220/ 380 Volt. Kecuali untuk daerah-daerah khusus dengan pertimbangan keindahan, keselamatan dan keandalan yang tinggi dipergunakan sistem kabel bawah tanah.

g. Sambungan rumahPada sambungan rumah, biasanya tegangan yang diterima sebesar 110-400 volt, yaitu

tegangan saluran beban menghubung kepada peralatan. Pada sambungan rumah, tegangan yang diterima disesuaikan antara 220/380 volt.

Transformator

Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak

sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

a. Prinsip Kerja Transformator

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).

Pada skema transformator di samping, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.

Hubungan antara tegangan primer, jumlah lilitan primer, tegangan sekunder, dan jumlah lilitan sekunder, dapat dinyatakan dalam persamaan

Sehingga dapat dituliskan:

dimana Vp = tegangan primer (volt) Vs = tegangan sekunder (volt) Np = jumlah lilitan primer Ns = jumlah lilitan sekunder Simbol Transformator

Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu:

1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np).

2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns).

Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah:

1. Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs ~ Ns).2. Sebanding dengan besarnya tegangan primer ( VS ~ VP). 3. Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer,

b. Penggunaan Transformator

Transformator (trafo) digunakan pada peralatan listrik terutama yang memerlukan perubahan atau penyesuaian besarnya tegangan bolak-balik. Misal radio memerlukan tegangan 12 volt padahal listrik dari PLN 220 volt, maka diperlukan transformator untuk mengubah tegangan listrik bolak-balik 220 volt menjadi tegangan listrik bolak-balik 12 volt. Contoh alat listrik yang memerlukan transformator adalah: TV, komputer, mesin foto kopi, gardu listrik dan sebagainya.

c. Trafo Tegangan (Potential Transformer “PT”)

Pada prinsipnya transformator banyak digunakan disekitar rumah tangga, perkantoran dan lain-lain sebagai suatu peralatan listrik yang berfungsi untuk menaikkan tegangan (Step up) atau penurun tegangan (Step down) dan juga sebagai peralatan untuk menstabilisasikan tegangan (Stabilizer).

Dengan dioperasikannya tranformator melayani bebannya maka akan terjadi dua arah fluksi pada inti yaitu pada sisi primer dan sisi sekunder, kedua arah fluksi tersebut mempunyai arah yang berlawanan yang secara vektoris saling mengkompensasi, tetapi di dalam inti akan terjadi tingkat saturasi medan magnit, yang bearti inti besi telah mencapai tingkat titik jenuh yang sesaat oleh fluksi medan.Hal tersebut akan berpengaruh terhadap inti besi yang membuat inti besi tidak mampu lagi menampung fluksi medan, dengan demikian akan terpengaruh terhadap pembangkitan tegangan.

Transformator dipakai untuk mencatui rangkaian tegangan alat penunjuk, dan rele pengaman. Batas dasar dari trafo tegangan adalah perbandingan transformasi dan bebannya, dalam hal ini jumlah beban diberikan oleh alat yang tersambung.

Pengaruh – pengaruh yang ada pada transformator tegangan- perubahan tegangan- frekuensi- arus sekunder (VA)- power faktor sekunder

Perencanaan PLTMH ( Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro)

Berikut ini adalah beberapa langkah dalam pemilihan perencanaa Pembangkit listrik Tenaga Mikrohidro, diantaranya adalah sebagai berikut.

Pemilihan Lokasi dan Lay out Dasar

Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) pada dasarnya memanfaatkan energi potensial airdari 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 lay-out sistem PLTMH merupakan pembangkit jenis run off river, memanfaatkan aliran air permukaan (sungai). Komponen sistern PLTMH tersebut terdiri dari bangunan intake (penyadap) – bendungan, saluran pembawa, bak pengendap dan penenang, saluran pelimpah, pipa pesat, rumah pembangkit dan saluran pembuangan. Basic lay-out pada perencanaan pengembangan PLTMH dimulai dari penentuan lokasi intake, bagaimana aliran air akan dibawa ke turbin dan penentuan tempat rumah pembangkit untuk rnendapatkan tinggi jatuhan ( head ) optimum dan aman dari banjir.

Lokasi Rumah Pembangkit (Power House)

Pada dasarnya setiap pembangun an mikrohidro berusaha untuk mendapatkan head yang maksimum. Konsekuensinya lokasi rumah 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.

Lay-out Sistem PLTMH

Lay out sebuah sistem PLTMH merupakan rencana dasar untuk pembangunan PLTMH. Pada lay out 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 (penstock). Penggunaan pipa pesat memerlukan biaya yang lebih besar dibandingkan pembuatan kanal terbuka, sehingga dalam membuat lay out 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.

Rugi-Rugi Head (Head Losses) Diberikan Oleh Faktor:

Berikut ini adalah beberapa kerugian yang terdapat dalam perencanaan PLTMH, diantaranya adalah kerugian yang harus diperhatikan adalah.

b) Kerugian karena gesekan saat aliran air melewati trashrack c) Kerugian gesekan aliran fluida di dalam pipa d) Kerugian karena turbulensi aliran yang dipengaruhi belokan, bukaan katup, perubahan

penampang aliran

Reduksi head losses dapat dilakukan dengan cara :

a. Penggunaan diameter pipa yang lebih besar (harus mempertimbangkan biaya) b. Mengurangi belokan pada penstock dan pemilihan dimensi yang terbaik

untukmendapatkan rugi-rugi yang kecil.

Besarnya rugi-rugi pada pipa pesat terdiri dari:

Rugi-rugi karena gesekan selama aliran didalam pipa, hfriction

H friction=P . L. Vg . D

Di mana ;

P =koefisien gesekan berdasarkan diagram Moody, bilangan Reynolds dan koefisien kekasaran material

L = panjang penstock, m

V = kecepatan rata-rata, m/det

G = percepatan gravitasi, m/det2

D = diameter pipa pesat, m

Berdasarkan perhitungan menggunakan formula-formula di atas, maka pada perencanaan PLTMH ini ukuran pipa pesat distandarisasi untuk

Teori Analisa Drop Tegangan

Drop tegangan adalah suatu rugi-rugi dalam system pendistribusian listrik, adapun untuk menghitung drop tegangan menggunakan beberapa persamaan - persamaan berikut yang dikutip dari buku Prof. Ir. Abdul Kadir Pembangkit Listik Tenaga Air

% ∆ V=Vs−VrVr

x 100 %

P=I 2 x Z x L

P=V x I xcos ø

Dimana P = Daya dalam watt

V = Tegangan dalam volt

Vs = tegangan kirim dalam volt

Vr = Teganan terima dalam volt

I = Arus dalam Ampere

Cos ø = power factor

%∆V = Jatuh tegangan dalam Prosentase

Perencanaan Daya

Berikut ini adalah teori dasar dari system pembangkitan energy listrik dari tenaga air yang dikutip dari buku buku Takedda

a) Perhitungan daya listrik pada sistem PLTMH

a. Daya poros turbin

Pt=9.81 xQxHx ή

b. Daya yang ditransmisikan ke generator

Ptrans = 9.81 x Q x H x ήt x ήbelt

c. Daya yang dibangkitkan generator

P~. = 9.81 x Q x H x ήt x ή belt x ή gen

dimana : Q = debit air, m3/detik

H = efektif head, m

ήt = efisiensi turbin

= 0.74 untuk turbin crossflow T-14

= 0.75 untuk turbin propeller open flume lokal

ή belt = 0.98 untuk flat belt, 0.95 untuk V belt

ή gen = efisiensi generator

Daya yang dibangkitkan generator ini yang akan disalurkan ke pengguna. Dalam perencanaan jumlah kebutuhan daya di pusat beban harus di bawah kapasitas daya terbangkit, sehingga tegangan listrik stabil dan sistem menjadi lebih handal (berumur panjang)

b. Kebutuhan listrik masyarakat

Kebutuhan listrik masyarakat, khususnya pada program pelistrikan desa sangat dibatasi. Hal ini didasarkan ketersediaan potensi sumber daya air, kemampuan memelihara dan membiayai penggunaan listrik, serta besaran biaya pembangunan.

Salah satu faktor pembatas adalah. pemilihan pembatas arus terkecil di pasaran, yaitu 0.5 A, sehingga daya yang dapat digunakan untuk setiap sambungan instalasi rumah rata-rata sebesar 110 W. Penggunaan listrik masyarakat perdesaan dengan PLTMH ini, khusus untuk penerangan digunakan pada malam hari dengan pertimbangan pada siang hari sebagian besar masyarakat bekerja

Estimasi Biaya Pembangunan PLTMH

Berikut adalah estimasi dalam pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ( PLTMH ).

Harga Satuan

Perhitungan harga satuan merupakan tahapan paling terdepan dari estimasi biaya pembangunan. Parameter perhitungan dan analisis harga satuan pekerjaan pada perencanaan PLTMH antara lain

a. Lokasi sumber material diharapkan pada jarak terdekat dengan lokasi pekerjaan konstruksi

b. Tenaga kerja yang digunakan menggunakan tenaga kerja lokal di lokasi proyek dengan upah didasarkan pada harga satuan yang berlaku di wilayah tersebut. Penggunaan tenaga kerja diluar lokasi, hanya pada tingkatan pengawas dan tukang untuk pekerjaan tertentu dengan upah didasarkan pada harga yang wajar.

c. Harga satuan material diperoleh dari harga satuan material dan bahan yang berlaku di wilayah rencana pembangunan PLTMH dan disesuaikan dengan faktor lokasi proyek (penyesuaian biaya transportasi dan pengangkutan)

d. Komponen peralatan

Perhitungan koefisien peralatan didasarkan pada peralatan yang digunakan dalam satuan pekedaan, sebagaimana yang berlaku secara umum dalam pekerjaan sipillkonstruksi.

Hasil perhitungan analisis harga satuan sesuai jenis pekerjaan dapat dilihat pada lampiran setiap lokasi rencana pembangunan PLTMH.

Komponen Biaya Pembangunan PLTMH

Komponen biaya pembangunan PLTMH pada studi perencanaan ini terdiri dari

a. Engineering

Komponen engineering pada pembangunan PLTMH dialokasikan untuk kegiatan detail desain, supervisi pembangunan, dan penyiapan dokumen teknis akhir pembangunan PLTMH. Pada beberapa kasus kegiatan ini dapat diasumsikan terintegrasi pada pelaksana pembangunan. Pada model pembangunan lainnya, khususnya yang melibatkan dana cukup besar, kegiatan engineering dilaksanakan oleh konsultan teknik yang bertanggung jawab mereview basic desain, mengawasi pelaksanaan (supervisi), menyiapkan dokumen teknis akhir, dan melaksanakan komisioning bersama pelaksana pembangunan.

Komponen biaya engineering ini dihitung berdasarkan kebutuhan minimum penggunaan tenaga ahli senior dan berpengalaman pada bidang pekerjaan sipil, teknik mesin atau elektro, dan juru gambar.

b. Peralatan Elektrikal – Mekanik

Komponen peralatan elektrikal – mekanik meliputi pengadaan sarana dan peralatanTurbin dan perlengkapannya yang terdiri dari unit turbin, sistem transmisi mekanik, base frame, biaya instalasi dan trial run Generator dan base frame Panel kontrol (switch gear dan kontrol beban) Ballast Load Instalasi peralatan elektrikal dan sistem pengkabelan Biaya lain-lain (10%)

c. Pekerjan Sipil

Pekerjaan sipil pada pembangunan PLTMH meliputi:Bangunan intake -weir, Saluran pembawa, Bak pengendap, Bak penenang, Pipa pesat, Bangunan pelimpas, Rumah pembangkit,Pondasi turbin (under ground),Saluran pembuangan,Biaya fain-lain (5%)

d. Jaringan Transmisi, Distribusi, dan Instalasi Rumah

1) Tiang lisfrik2) Pengadaan kabel 3) Instalasi rumah 4) Biaya lain-lain (5%)

e. Komponen Lain-lain

Komponen lain-lain yang dimaksud pada bagian ini adalah alokasi untuk penggunaan alat bantu khusus apabila harus diperlukan seperti alat berat untuk penataan lokasi, alat angkut khusus untuk peralatan yang berat Keuntungan pelaksana pembangunan (15%) pelatihan operator dan pengelola

f. Pajak

Komponen pajak dihitung terhadap total pekerjaan. Pajak yang diperhitungkan pada perencanaan ini adalah PPn sebesar 10%.

g. Biaya Pengembangan (Project Development)

Biaya pengembangan dapat dikatakan sebagai indirect cost. Komponen ini diperhitungkan sebagai akibat proses penyiapan dan perencanaan pembangunan PLTMH yang tidak mudah dan memerlukan kegiatan pendukung.

Aktivitas yang berkait dengan kegiatan pengembangan ini adalah kegiatan administrasi proyek, manajemen proyek di tingkat owner (pemilik pekerjaan), biaya legal, penyiapan dan pelaksanaan tender, ganti rugi atas pembebasan tanah apabila ada, monitoring dan evaluasi proyek di tingkat owner.

Komponen Biaya Operasional

Perawatan PLTMH memegang peranan penting dalam menjaga sustanibility dan kehandalan operasi. Pengelola harus dapat menangani kegiatan perawatan dan membiayainya. Kegiatan perawatan ada yang bersifat periodik (penggantian oli) ada yang bersifat temporer setiap ada kerusakan pada fasilitas bangunan sipil, peralatan elektrikal – mekanik, maupun jaringan transmisi dan distribusi.

Sebagai gambaran kebutuhan biaya perawatan PLTMH, analisis dilakukan untuk periode tahunan (annual cost). Besar biaya perawatan setiap lokasi akan berbeda. Estimasi biaya operasional untuk setiap PLTMH terlampir pada laporan masing~ masing lokasi PLTMH.

Finansial Skema On Grid

Pada pembangunan PLTMH dengan skerna On-Grid System dilakukan perhitungan kelayakan secara ekonomis. Aspek penilaian kelayakan dilakukan dengan kriteria :

a. Pay back periods atau pengembalian investasi maksimum 213 dari umur ekonomis proyek.

b. NPV (net present value) investasi > 0 c. IRR (internal rate of return) > discount rate d. Profitability Indeks > 1

Parameter atau asumsi yang digunakan pada perhitungan cash flow ditetapkan sebagai berikut:

a. Kenaikan biaya OM (operasi dan maintenance) setiap tahun sebesar 4%b. Suku bunga pinjaman kornersial 17%-18%c. Suku bunga deposito 10%d. Tingkat resiko penggunaan equity 5%

e) Penyesuaian tarif jual listrik ke PLN setiap tahun 2,5%f) Skerna investasi 100% equity, dan equity.. loan (60%: 40%)g) Depresiasi 10 tahunh) Grace periods pengembalian pinjaman 2 tahuni) Jangka waktu pengembalian pinjaman 10 tahun

Pengukuran Debit Air

Debit air adalah banyaknya air yang mengalir dalam waktu 1 detik, misalkan sebagai contoh. Didapat dari hasil pengukuran sebesar Q = 200 m/det. Diharapkan PLTMH yang akan dibangun dapat membangkitkan tenaga listrik disepanjang tahun. Dengan demikian maka, pengukuran – pengukuran debit yang dilakukan dalam musim kemarau disaat aliran air dalam keadaan paling kecil, adalah penting sekali untuk menjamin pembangkitan tenaga listrik sepanjang tahun tersebut. Lebih banyak pengukuran (catatan pengukuran) debit dilakukan pada waktu berlainan adalah dianjurkan karena semakin lengkap diperoleh perbedaan aliran cukup besar, baik selama musin kemarau maupun musim penghujan.

Wawancara dengan penduduk sekitar aliran begitupun dengan pihak lain yang mengetahui perlu dilakukan untu mendapatkan gambaran yang lebih luas tentang kejadian-kejadian debit pada saat-saat yang paling kering dan sewaktu banjir besar yang pernah terjadi. Jika di kemudian hari ternyata bahwa debit yang dimanfaatkan terlalu kecil, akan berarti masih ada kemungkinan guna memasang pembangkit tenaga listrik kedua andai diperlukan.

Untuk memanfaatkan air sebagai sumber tenaga, harus diperhatikan hal sebagai berikut : Debit air yang mengalir dengan konstan ketinggian terjun Besarnya daya yang terjkandung dalam aliran air Lokasi bebas dari banjir Turbin, generator/dinamo yang harus digunakan Keadaan sekitar lokasi Minat dan kemampuan konsumen atau pemakai

Ada beberapa metoda untuk mengkukur debit air, diantaranya : Metode 1. dengan menggunakan bendung atau (Weir) Metode 2. Pengukuran dengan Menggunakan Papan duga air. Metode 3. perhitungan debit berdasarkan rumus rasional. Metode 4. Dengan Menggunakan Pelampung.

Dari ke-empat metode pengukuran di atas, maka dengan cara menggunakan pelampung sangat sederhana.Metode ini sangat mudah dilaksanakan, dengan ketentuan sbb :

Berdasarkan pengalaman masyarakat desa, pada umunya musim hujan dan musim kering setiap tahun dapat diperhitungkan akan terjadi pada bulan berapa. Pada akhir musim kering, yang dianggap paling kering dilakukan suatu pengukuran terhadap sungai yang direncanakan akan dibangun PLTMH.

Untuk mendapatkan kecepatan aliran air sungai denganmenggunakan persamaan sebagai berikut:

V= S

T(m/det )

Dimana :

V = kecepatan aliran (m/det)

S = jarak tempuh (m)

T = Waktu tempuh (m/det)

Pada gambar 2.35 dan 2.36 diperlihatkan ilustrasi perhitungan debit air dengan konsep sederhana Cari suatu tempat yang lurus, dengan panjang 5 meter dan tidak ada arus putar yang menghalangi pelampung.

Gambar 2.35 Gambar 2.36 Contoh Pengukuran Debit Pengasumsian Bentuk Luas Dengan Menggunakan Pelampung Penampang Basah

Pengukuran ini dilakukan dengan menggunakan pelampung yang diampungkan dengan jarak tertentu ( 5 – 7 meter), sedangkan waktu tempuh dicatat dan diukur dengan menggunakan stop watch.

Pengukuran ini dilakukan beberapa kali, selanjutnya rata-rata (V rata-rata m/det).Pengukuran lebar sungai ( L = m), diukur dengan menggunakan rol meter. Pengukuran tinggi muka air ( h = m), diukur denngan menggunakan tongkat pengukur dan rol meter dan dilakukan berulang kali untuk selanjutnya diambil rata-rata (H rata-rata).

Menghitung besarnya debit sungai ( Q = m3 / det) Untuk menghitung besarnya luas penampang basah sangatlah rumit karena permukaan luas penampang basah tidaklah rata atau tidak beraturan sehingga pengasumsian bentuk luas penampang adalah merupakan bagian-bagian luas segi empat, sehingga apabila semakin kecil pembagian luas segiempat maka semakin mendekati nilai yang sebenarnya, pengukuran tersebut terlihat seperti digambar 2.3. Dari gambar 2.3 dapat ditarik persamaan sebagai berikut Luas penampang 1 adalah :

A1 = d1 x l1A2 = d2 x l2

Dimana. A= luasan (m2) I = lebar sungai (m)

d = kedalaman sungai (m)

Sehingga luas Penampang keselurahan adalah penjumlah dari luas segi adalah :

A total = A1 + A2 + An

Dimana : A = Luas penampang (m2); d = kedalaman sungai (m)

l = lebar sungai (m)

Maka untuk menghitung debit air digunakan rumus :

( Q ) = K. A x V ( M/det)

Koefisien Pengairan. Kondisi dasar sungai berbatu K = 0,60 Kondisi dara sungai berbatu campur pasir K = 0,65 Kondisi dasar sungai berpasir ( K = 0,75) Kondisi dasar sungai cadas ( K = 0,85)

Mengukur Tinggi Terjun dan Membuat Data Situasi. Pengukuran Tinggi terjun dapat dilakukan dengan berbagai cara, antara lain :

Menggunakan theodolite atau waterpass untuk dapat mengetahui beda tinggi. menggunakan peralatan sederhana, yaitu selang berisi air diameter ½ cm, tongkat

pengukur dan rol meter, pengukuran dilakukan secara bertahap, hal ini dapat dilihat pada gambar berikut ini :

Beda Tinggi : HI = H2 – h1

HII = H3 – h2

HIII = H4 – h3

Gambar 2.37. Mengukur Tinggi Terjun

Selanjutnya, dihitung dengan rumus :

H = H1 + H2 + H3 (m)

Dimana. H = tinggi (m)

Berikut ini adalah gambar tentang sistem PLTMH ( Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro yang diperlihatkan pada gambar 2.38

Lokasi wadah

air

Lokasi bendungan sentral

Sungai

Gambar 2.38. Sistem PLTMH (Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro)

2.11 Teori Daerah Tadah HujanUntuk mengukur debit air yang dipengaruhi oleh daerah tadah hujan dapat

menggunakan persamaan 2.34 yang dikutip dari diktat kuliah energi terbarukan Prof Didik N halaman 6-18 adalah sebagai berikut

Dimana, V = Volume air ( m3 ), Q= debit air ( m3/s ), ĝt= curah hujan rata-rata ( mm ), Ķ= koefisien pengaliran, A= luas DAS ( m2 ), dan t = waktu ( s ).

Q= ĝ t x Ķ x At ……………………………………..2.34