BAB II DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA
2.3 Energi Tenaga Air
Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air atau turbin air. Total daya yang terbangkitkan dari suatu turbin air adalah merupakan reaksi antara head dan debit air seperti ditunjukkan pada persamaan berikut ini
P = . . ℎ (2.1) Dimana : P = daya (W)
Q = debit air (m3/s) h = tinggi jatuh air (m)
g = percepatan gravitasi (9,8 m/s2)
Daya dalam rumus di atas merupakan daya secara teoritis. Daya teoritis PLTMH tersebut di atas, akan berkurang setelah melalui turbin dan generator. Daya setelah keluar dari generator dapat dituliskan pada Persamaan 2.2.
Dimana :
effT : Efisiensi Turbin effG : Efisiensi Generator
2.3.1 Debit
Debit adalah jumlah air yang mengalir melalui suatu penampang sungai tertentu persatuan waktu. Debit dipengaruhi oleh beberapa faktor, misalnya oleh P = . . . �. (2.2)
curah hujan, keadaan geologi, flora, temperatur, dan lain-lain. Debit selalu berubah dari musim ke musim dan dari hari ke hari. Pengukuran debit sungai sangat penting untuk menentukan tenaga yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga air.
Debit sungai merupakan data pokok untuk perencanaan pembangkit listrik tenaga air sehingga harus diukur secara teliti dalam jangka waktu yang selama mungkin.
Adapun beberapa cara untuk mengukur debit sungai :
a. Kecepatan rata-rata aliran sungai pada suatu bagian dari penampangnya diukur, kemudian dikalikan dengan luas penampang pada bagian itu. Hasil perkalian luas penampang dengan kecepatan tersebut adalah debit sungai.
= �. (2.3) Dimana: Q = Debit aliran (m3/s)
A = Luas penampang vertikal (m2) V = Kecepatan aliran sungai (m/s)
b. Debit sungai diperoleh dari pengamatan tinggi permukaan air dengan mempergunakan lengkung debit tinggi air yang pada umumnya dilakukan dengan gardu-gardu pengamatan.
Luas penampang diukur dengan menggunakan meteran dan piskal (tongkat bambu atau kayu). Dalam mengukur luas penampang perlu diukur kedalaman sungai di beberapa titik. Kemudian kedalaman titik yang telah didapat dihitung dengan menggunakan Persamaaan 2.4.
� = �
×
�− + � (2.4)Dimana : A = luas penampang
i = jarak atau panjang segmen n = nomor segmen atau nomor titik d = kedalaman titik
Untuk kecepatan aliran diukur dengan menggunakan currentmeter atau juga dengan metode apung. Pengukuran kecepatan aliran dengan metode apung dilakukan dengan jalan mengapungkan suatu benda, misalnya bola pingpong atau botol berisi air setengah penuh. Kecepatan aliran merupakan hasil bagi antara jarak lintasan dengan waktu tempuh atau dapat dituliskan dengan persamaan
(2.5)
Dimana: V = kecepatan (m/s) L = panjang lintasan (m) t = waktu tempuh (s)
2.3.2 Curah Hujan dan Aliran Sungai
2.3.2.1 Curah Hujan dan Pengukuran Curah Hujan
Air yang mengandung uap air dan naik ke atas karena suhu yang makin rendah akan mengembun dan berkumpul. Kumpulan embun tersebut membentuk awan dan bergabung menjadi titik-titik air dan kemudian jatuh ke tanah. Titik-titik air inilah yang disebut dengan hujan dan jumlah hujan yang jatuh disebut curah hujan. Sebagian dari curah hujan tersebut menghilang karena menguap dan meresap kedalam tanah dan sebagian mengalir diatas permukaan tanah dan mengalir menuju sungai-sungai. Perbandingan antara curah hujan dengan aliran sungai disebut faktor kedap (run-off coefficient).
Curah hujan dinyatakan dengan tingginya air dalam satu tabung, biasanya dalam mm. Untuk mengukur curah hujan, digunakan alat ukur curah hujan (rain gauge) yang digunakan untuk mengukur curah hujan tersebut yang akan dibuat dalam data tahunan.
2.3.2.2 Aliran sungai
Aliran sungai atau debit adalah jumlah air yang mengalir melalui suatu penampang sungai tertentu persatuan waktu. Debit dipengaruhi oleh beberapa faktor, misalnya oleh curah hujan, keadaan geologi, flora, temperatur, dan lain- lain. Debit selalu berubah dari musim ke musim dan dari hari ke hari. Pengukuran
debit sungai sangat penting untuk menentukan tenaga yang dihasilkan oleh pusat listrik tenaga air.
2.3.2.3 Hubungan antara Curah Hujan dan Aliran Sungai
Sebagian dari air hujan mengalir dari permukaan tanah menuju ke sungai. Yang meresap ke tanah dan diserap oleh akar tanaman akan menjadi air tanah. Hubungan antara curah hujan dan aliran sungai tergantung dari berbagai faktor, antara lain sifat menahan air dari tanah (misalnya pepohonan, dan geologi tanah), curah hujan, waktu datangnya hujan, keadaan geologi dan lain-lain. Dan karena banyak faktor tersebut, sulit menjelaskan hubungannya dengan cara yang sederhana. Kondisi tanah maupun hutan di sekitar sungai juga perlu dipelihara. Hal ini mengingat perubahan musim yang dapat mempengaruhi debit sungai. Pada musim hujan, debit sungai cenderung besar sedangkan pada musim kemarau debitnya kecil. Apabila kondisi tanah di sekitar sungai tidak dipelihara dapat menimbulkan banjir pada musim hujan sedangkan di musim kemarau timbul kekeringan.
2.3.3 Tinggi Jatuh Efektif (Head)
Penentuan head pada PLTMH mempunyai arti yang sangat penting dalam menghitung potensi tenaga listrik. Tingkat kemiringan diwakili oleh indikator gradien skematik dimana semakin miring areal, semakin besar kemungkinan untuk ditemukannya head yang cukup untuk PLTMH.
Tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total (dari permukaan air pada pengambilan sampai permukaan air saluran bawah) dengan kehilangan tinggi pada saluran air. Tinggi jatuh penuh (full head) adalah tinggi air yang bekerja efektif pada turbin yang sedang berjalan. Untuk jenis saluran air, bila diketahui permukaan air pada bangunan pengambilan dan pada saluran bawah serta debit air, maka tinggi jatuh efektif dapat ditentukan dengan dasar pertimbangan ekonomis yaitu berdasarkan biaya konstruksi paling ekonomis dengan memperhatikan kemiringan, ukuran penampang saluran air, dan luas penampang pipa pesat.
2.3.4 Hubungan Debit dan Head
Dari Persamaan 2.1 tersebut di atas dapat dipahami bahwa daya yang dihasilkan adalah hasil kali dari tinggi jatuh dan debit air. Oleh karena itu, berhasilnya pembangkitan tenaga air tergantung daripada usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air yang besar secara efektif dan ekonomis. Pada umumya, debit yang besar membutuhkan fasilitas dengan ukuran yang besar untuk misalnya, bangunan ambil air (intake), saluran air dan turbin sehingga tinggi jatuh yang besar dengan sendirinya lebih murah. Di hulu sungai dimana umumnya kemiringan dasar sungai lebih curam akan mudah diperoleh tinggi jatuh yang besar. Sedangkan di sebelah hilir sungai, tinggi jatuh rendah dan debit besar. Oleh karena itu, bagian hulu sungai lebih ekonomis dibandingkan bagian hilirnya mengingat tinggi jatuh yang kecil dan debit yang besar tadi. Selain itu, di bagian hilir tersebut penduduknya padat, sehingga akan timbul masalah pemindahan penduduk dan karenanya tak dapat dihindari tambahnya biaya untuk konstruksi.