PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO
DENGAN TINGGI JATUH AIR KURANG DARI 3 METER
Tugas Akhir
Oleh : Muhammad Rizki Kresnawan
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia Jalan Kaliurang km. 14,5 Sleman, Jogjakarta 55501
Telp. (0274) 895007, 895287 Faks. (0274) 895007 Ext 147 E-mail : muhammadrizkikresnawan@rocketmail.com
Abstrak
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) merupakan salah satu sumber energi terbarukan, ramah lingkungan dan mudah diterapkan di daerah-daerah pedesaan dan terpencil. Di Indonesia, potensi energi PLTMH cukup besar namun kurang termanfaatkan karena pada umumnya aliran sungai memiliki tinngi jatuh yang relatif rendah dan dipandang kurang layak secara teknik dan ekonomi. Hal tersebut menimbulkan gagasan untuk melakukan penelitian yang berupa perancangan PLTMH yang sesuai untuk tinggi jatuh yang rendah dengan menggunakan bahan-bahan yang murah dan mudah didapat di dalam negeri.
Dari potensi tenaga listrik yang didapat dari data tinggi jatuh dan debit aliran maka dapat dirancang komponen-komponen pembangkit utama yaitu turbin dan generator. Agar dapat diperkirakan kinerja turbin digunakan simulasi aliran berbasis computational fluid dynamic (CFD) menggunakan flow simulation software solidworks. Komponen yang dirancang meliputi, runner, rumah turbin, generator dan transmisi mekanis,.
Dari hasil penelitian diperoleh hasil rancangan sebuah turbin generator low head jenis cross flow lengkap dengan spesifikasi tinggi jatuh aliran maksimal sebesar 3 m dan debit aliran 1 m3/s dengan daya yang dihasilkan sebesar 25,116 kW dan efisiensi turbin sebesar 85,43%. Turbin generator ini memiliki panjang runner sebesar 1,5478 m dengan sudu sejumlah 18 buah dan memiliki diameter runner sebesar 0,29 m. serta biaya produksi Rp. 284,550,000 yang cukup bersaing dengan harga PLTMH di pasaran yang diperuntukkan pada lokasi tinggi jatuh yang lebih tinggi.
Kata kunci : PLTMH, low head, cross flow, computational fluid dynamic (CFD), energi terbarukan, mikro hidro
1.
Pendahuluan
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala kecil (kurang dari 200kW), yang memanfaatkan aliran air sebagai sumber penghasil energi. PLTMH merupakan salah satu sumber energi terbarukan dan sangat layak disebut clean energy karena ramah lingkungan.
PLTMH lebih mudah diterima masyarakat luas karena minim resiko yang fatal dan sangat dibutuhkan di desa yang memiliki letak geografis terpencil yang belum mendapatkan listrik dari PLN namun memiliki potensi aliran air irigasi, sungai yang dapat dibendung, maupun air terjun kecil yang memiliki tinggi jatuh air berkisar antara 0,5 – 3 meter.
Dengan menilik latar belakang yang telah dijelaskan maka penilitian ini bertujuan merancang pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan tinggi jatuh air 0,5 - 3 meter menggunakan turbin crossflow.
2.
Tinjauan Pustaka
Dari penelitian yang sudah ada yang memiliki kedekatan dengan penelitian ini.
Penelitian yang dilakukan oleh Ifhan Firmansyah, Syariffuddin Mahmudsyah, dan Teguh Yuwono, 2011, mengenai studi pembangunan PLTMH Dompyong 50kW di Desa Dompyong, Trenggalek. Penelitian ini membahas cara merancang PLTMH dengan memanfaatkan air sebagai sumber penggerak dari turbin dan segala aspek mekanikal serta elektrikal yang diperlukan dalam sebuah pembangunan PLTMH. [1].
Penelitian oleh Bilal Abdullah Nasir, 2013, mengenai desain turbin cross flow efisiensi tinggi untuk pembangkit listrik mikro hidro. Penelitian ini membahas tentang cara merancang turbin cross flow yang memiliki tingkat efisiensi tinggi dan menghasilkan formula-formula perhitungan komponen dari turbin cross flow dengan mengasumsikan tinggi jatuh rendah dan debit air kecil [3].
Penelitian berikutnya oleh Bryan Patrick Ho-Yan, 2012, mengenai desain turbin low head untuk pembangkit listrik piko hidro di Kamerun. Penelitian ini membandingkan beberapa desain turbin low head yang cocok digunakan di suatu wilayah tertentu. Beberapa turbin yang digunakan tersebut di antaranya adalah crossflow dan propeller [4].
A. Mikro Hidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah suatu sistem pembangkit listrik yang dapat mengubah potensi air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya (power) yang dihasilkan merupakan reaksi antara head dan debit air yang dapat dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut:
P = ρ . g . H . Q (2.1) Ket:
P = daya teoritis yang dikeluarkan (kW)
ρ = Massa jenis air (1000 kg/m3)
H = tinggi jatuh air efektif (m) Q = debit air (m3/s)
g = gravitasi (m/s2)
Gambar 1 Skema Mikro Hidro [5]
B. Turbin Cross Flow
Turbin Crossflow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin aksi (impulse turbine). Crossflow adalah jenis turbin air yang paling mudah dibuat, dikarenakan ruang kerjanya berada pada tekanan atmosfer, dan sistem kerjanya memanfaatkan impulse dari fluida air.
Berikut ini daftar persamaan yang digunakan untuk merancang sebuah turbin cross flow:
Tabel 1 Rumus-rumus menghitung komponen turbin cross flow
Parameter Rumus Unit
Daya (P) ῤ x Q x g x H Watt Keliling Runner (y)
0,05 x Do m
Radius Kelengkungan
Blade (rc) 0,163 x Do m
Sistem transmisi adalah sistem yang berfungsi untuk konversi torsi dan kecepatan (putaran) dari mesin menjadi torsi dan kecepatan yang berbeda-beda untuk diteruskan ke penggerak akhir. Konversi ini mengubah kecepatan putar yang tinggi menjadi lebih rendah tetapi lebih bertenaga, atau sebaliknya.
Adapun perhitungan dari pulley transmisi disini menggunakan persamaan berikut ini :
x (2.12)
Keterangan :
x = rasio pembanding
Ns = Kecepatan generator sinkron (rpm) N = Kecepatan turbin (rpm)
Sedangkan panjang dari belt yang akan digunakan dapat dihitung dengan persamaan berikut :
2 1,57 げ 1 2こ げ こ (2.13)
Keterangan :
C. Generator
Generator adalah sumber tegangan listrik yang diperoleh melalui perubahan energi mekanik menjadi energi listrik. Generator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik, yaitu dengan memutar suatu kumparan dalam medan magnet sehingga timbul ggl induksi.
Generator mempunyai dua komponen utama, yaitu bagian yang diam (stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Rotor berhubungan dengan poros generator yang berputar di pusat stator. Poros generator biasanya diputar menggunakan usaha luar yang dapat berasal dari turbin, baik turbin air atau turbin uap dan selanjutnya berproses menghasilkan arus listrik.
Untuk menjaga keandalan dari kerja generator, maka dilengkapilah generator dengan peralatan-peralatan proteksi. Peralatan proteksi generator harus betul-betul mencegah kerusakan generator, karena kerusakan generator selain akan menelan biaya perbaikan yang mahal juga sangat mengganggu operasi sistem. Jenis-jenis proteksi minimal pada generator meliputi:
a) Overcurrent protection
Proteksi jenis ini difungsikan untuk mengamankan generator dari arus melebihi rating sebenarnya.
b) Earth-fault protection
Proteksi jenis ini difungsikan untuk mengamankan generator dari arus gangguan tanah yang mengalir ke fase netral generator.
PLTMH pada umumnya tidak memanfaatkan governor untuk mengendalikan keluaran dayanya. Hal ini disebabkan oleh alasan ekonomis dimana harga governor yang sangat mahal bahkan lebih mahal dari harga turbin untuk keperluan mikrohidro. Untuk menjaga agar tegangan dan frekuensi keluaran PLTMH tetap baik dan tidak membahayakan generator dan beban/peralatan yang terhubung
kepadanya, diperlukan sebuah sistem dummy load.
3.
Metodologi Penelitian
Diagram alir penelitian perancangan pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan tinggi jatuh kurang dari 3 meter ditunjukkan pada gambar 2.
Perancangan pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan tinggi jatuh kurang dari 3 meter ini dimulai dengan menentukan spesifikasi tinggi jatuh dan debit air, kemudian
menghitung prakiraan daya output turbin. Kemudian dapat diketahui besarnya kecepatan putaran turbin saat beroperasi. Setelah itu penelitian dilanjutkan dengan menghitung dan merancang komponen-komponen dari turbin yang akan dirancang.
Penelitian dilanjutkan dengan menganalisis aliran fluida yang mengalir di dalam turbin. Parameter aliran fluida yang dianalisis adalah parameter kecepatan aliran fluida dan parameter tekanan aliran fluida karena memiliki andil dalam putaran turbin. Setelah menganalisis aliran fluida, tahap selanjutnya adalah menentukan spesifikasi generator yang akan digunakan pada penelitian ini.
Tahapan penelitian dilanjutkan menghitung dan merancang sistem transmisi mekanik antara turbin dan generator. Kemudian membuat single line diagram dan sistem pengamanan dari generator serta kalkulasi kebutuhan material dan biaya produksi dari turbin ini.
TIDAK
YA
YA
TIDAK
4.
Hasil Penelitian
A. Perancangan Turbin Cross Flow
head. Turbin cross flow juga merupakan satu-satunya turbin impuls yang dapat digunakan pada head rendah.
Setelah mengkalkulasi semua komponen baik utama maupun pendukung dari pembangkit listrik mikro hidro ini maka dihasilkanlah spesifikasi yang cocok untuk perancangan pembangkit listrik mikro hidro ini, seperti pada tabel 3.1.
Tabel 2 Hasil Perhitungan Komponen Turbin Cross Flow
Parameter Hasil
Daya (P) 29400 Watt
Efisiensi (η) 85,43 %
Daya Turbin (Pt) 25116 Watt Diameter Runner (Do) 0,29 m Jarak Antar Blade (tb) 0,05046 m
Jumlah Blade 18 buah
Kec. Turbin (N) 232,17 rpm Panjang Runner (L) 1,5478 m
Lebar Nosel (tj) 0,0841 m Jarak Antara Pemancar
Dengan Keliling Runner (y) 0,0145 m Radius Kelengkungan Blade
(rc) 0,04727 m
Sistem transmisi yang digunakan adalah sistem transmisi dengan pulley belt. Berikut adalah perbandingan rasio kecepatan turbin cross flow dan generator, serta panjang belt yang akan digunakan.
a) Rasio pulley
, = 6,46 Rasionya menjadi 1 : 6,5 b) Panjang belt
2げ1000こ 1,57 げ100
650こ げ げ ここ
= 3253,125 mm atau 3,253 m Note : C = Jarak kedua shaft 1000 mm
B. Analisis Aliran Fluida Turbin Cross Flow Setelah melakukan simulasi dengan mengikuti perintah pada bagian metodologi penelitian menggunakan tools Computational Fluid Dynamics (CFD) yang tersedia pada software solidworks yaitu Flow Simulation. Hal ini diperlukan agar dapat diketahui karakteristik aliran fluida dari turbin cross flow hasil rancangan. Dimana parameter hasil simulasi
yang didapatkan berupa parameter kecepatan fluida dan tekanan fluida.
1) Analisis Kecepatan Aliran Fluida
Gambar 3 Kecepatan Aliran Fluida Turbin Cross Flow
Aliran fluida yang cukup cepat pada nosel masuk sudu runner ditandai dengan warna kuning pada bagian nosel (± 9 m/s). Kecepatan menurun saat fluida menabrak 2 sudu teratas turbin cross flow, aliran fluida yang menjadi lebih kehijauan (± 7 m/s).
Setelah itu fluida mengalir ke bagian bawah runner dengan kecepatan yang semakin melambat dan kemudian masuk ke bagian draft tube dari turbin cross flow sebelum dialirkan keluar dari turbin (± 3 m/s). Sebagian energi kinetik air dirubah menjadi energi putar turbin (± 66,67 %)
2) Analisis Tekanan Aliran Fluida
Gambar 4 Tekanan Aliran Fluida Turbin Cross Flow
bawah nosel cenderung kebiru mudaan (± 100000Pa = 1,0 bar). Parameter dari tekanan aliran fluida sendiri memiliki andil sebesar 16,7% dalam putaran turbin. Faktor besarnya sudut dari nosel mempengaruhi tekanan fluidanya.
C. Spesifikasi Generator
Generator yang digunakan pada penelitian ini mengacu pada data teknikal dari IEC frame size generator dimana untuk daya sebesar 30 kW dengan 4 kutub harus menggunakan tipe 200L dengan spesifikasi sudah terlampir seperti pada tabel IEC frame size.
Tabel 3 Spesifikasi Generator IEC Frame Size Y2-200L-4
Merk STC 3 Phase Synchronous Generator
Model STC-30
Daya 30 kW
Tegangan 380 Volt
Fase 3 Fase terhubung Y Kecepatan
Putaran
1500 rpm
Frekuensi 50 Hz
Kutub 4 Horse Power 40 HP
Arus 57,6 Amps
Efficiency 96%
Cos 0,86
Exciter Built In Brushless Exciter Ballast Load Heater 10 kW
Harga IDR 7,500,000
Sistem koordinasi proteksi ini sendiri terdiri dari beberapa peralatan pengaman seperti molded case circuit breaker (MCCB) dan fuse.
Gambar 5 Single Line Diagram Generator Beserta Dummy Load
MCCB yang digunakan dengan merk Merlin Gerin type NS 100H dengan menggunakan model STR 22ME ini disetting dengan memperhitungkan 1,5 kali arus maksimum yang akan mengalir saat generator dibebani secara penuh yaitu sebesar 45,58 A. Sehingga arusnya sebesar 68,37 A. MCCB ini memiliki rating 80 A.
Fuse difungsikan untuk mengamankan arus lebih dari dummy load yang berupa water heater. Pemilihan fuse didasarkan pada arus maksimal dari water heater yang memiliki daya sebesar 10kVA ini sendiri, dimana nominal arus tersebut berkisar di angka 15,01 A. Fuse yang digunakan merk ABB dengan tipe CEF/CMF 5964 GB dengan rating arus sebesar 16 A. Kurva proteksi dari generator seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 6 Kurva Proteksi Generator Dan Water Heater
D. Kalkulasi Biaya Produksi Turbin Generator Untuk memproduksi sebuah turbin generator pada penelitian ini membutuhkan dana seperti pada yang tercantum pada tabel 4.
Tabel 4 Estimasi Anggaran Biaya Produksi
No Items Spesifikasi Qty Harga
1 Turbin Cross Flow St 31 Mild Steel 1 IDR 225,000,000.00
2 Generator 30 kW (AVR) 1 IDR 7,500,000.00
3 Pulley Ratio 1 : 6,5 2 IDR 200,000.00
4 Panel Box Kotak 1 IDR 400,000.00
5 Proteksi MCCB & Fuse 2 IDR 600,000.00
6 Alat Ukur Voltmeter & Ammeter 2 IDR 400,000.00
7 Belt Siegling Extremultus 3 IDR 450,000.00
8 Jasa Orang/Hari 10 IDR 50,000,000.00
Total Biaya IDR 284,550,000.00
E. Detail Engineering Design (DED)
Gambar 7 Housing Turbin
Gambar 9 Generator 30 kW Gambar 10 Pulley Generator
Gambar 12 Layout Hasil Perancangan Turbin Cross Flow Beserta Generatornya
5.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian perancangan pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan tinggi jatuh kurang dari 3 meter, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Penelitian ini berhasil merancang sebuah turbin generator dengan spesifikasi head 3 m dan debit 1 m3/s, dengan daya sebesar
25,116 kW dan efisiensi turbin sebesar 85,43%. Panjang runner 1,5478m, sudu 18 buah dengan diameter runner sebesar 0,29m.
2. Rasio dari transmisi pulley ini sendiri didapatkan 1 : 6,5.
3. Analisis fluida turbin menggunakan parameter kecepatan aliran dan tekanan aliran, dimana turbin cross flow sendiri yang merupakan turbin impulse sangat dipengaruhi kecepatan putarannya terhadap kedua parameter ini.
4. Generator yang digunakan mengambil data teknik dari IEC Frame Size generator, dimana untuk generator 30 kW, 380 V, dengan 4 pole merupakan tipe generator Y2-200L-4.
5. Sistem proteksi dari generator sendiri dikhususkan pada gangguan arus lebih dan gangguan tanah. MCCB sendiri akan memiliki setting rating arus 1,5 kali dari arus nominal generator saat beban penuh yang bernilai 45,58 A. Fuse yang digunakan memiliki setting arus diangka 16 A dan difungsikan untuk mengamankan dummy load dari gangguan arus lebih.
6.
Daftar Pustaka
[1] I. Firmansyah, S. Mahmudsyah and T. Yuwono, “Studi Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Hikro Hidro (PLTMH) Dompyong 50kW di Desa Dompyong, Bendungan, Trenggalek,” 2011.
[2] R. Primachristi and R. Pongdatu, "Studi Rancang Bangun PLTMH di Sungai Sampean Baru, Desa Bunutan, Kecamatan Tapen, Kabupaten Bondowoso,” 2014.
[3] B. A. Nasir, "Design of High Efficiency Cross-Flow Turbine for Hydro-Power Plant," 2013. [4] B. P. Ho-Yan, "Design of a Low Head Pico
Hydro Turbine for Rural Electrification in Cameroon Thesys. Ontario, Canada," 2012. [5] Anonim, "RainWindSun," 2015. [Online].
Available:
