15
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro PLTMH
Secara teknis, mikro hidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin, dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan melalui pipa pesat (penstock) dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah instalasi, air akan menumbuk turbin yang akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputarnya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan menggunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses mikro hidro merubah energi aliran dan ketinggian air menjadi energi listrik.
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) merupakan salah satu alternatif energi yang bisa dibangkitkan dari potensi air yang terdapat di pedesaan, yang menggunakan tenaga air seperti sungai atau air terjun alam, dengan cara memanfaatkan tinggi terjun (head) dalam meter, dan jumlah debit airnya dalam m3/det. Debit air dan tinggi terjun akan disesuaikan dengan jenis turbin untuk menghasilkan energi listrik yang optimal.
Berdasarkan kapasitas pembangkit, Pembangkit Listrik Tenaga Air dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik tenaga air skala kecil (bisa mencapai beberapa ratus kW). Relatif kecilnya energi yang dihasilkan mikro hidro (dibandingkan dengan PLTA skala besar) berimplikasi pada relatif sederhananya peralatan serta kecilnya areal tanah yang diperlukan guna instalasi dan pengoperasian mikro hidro. Hal tersebut merupakan salah satu keunggulan mikro hidro, yakni tidak menimbulkan kerusakan lingkungan.
Umumnya PLTMH yang dibangun jenis run of river di mana head diperoleh tidak dengan membangun bendungan besar, melainkan dengan mengalihkan aliran air sungai ke satu sisi dari sungai dan menjatuhkannya lagi ke sungai pada suatu tempat di mana beda tinggi yang diperlukan dapat diperoleh melaiui saluran pipa (penstock) air dialirkan ke power house (rumah pembangkit) yang dibangun dipinggir sungai. Melalui nozzle, air akan menyemprot keluar dan memutar roda turbin (runner), kemudian air tersebut dikembalikan ke sungai asalnya. As turbin dikopel dengan generator sehingga energi mekanik dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator. Energi listrik yang dihasilkan generator kemudian dapat disalurkan ke pemakai yaitu masyarakat. Gambaran umum PLTMH ditunjukkan Gambar 2. 1.
Gambar 2. 1 Bagan komponen-komponen PLTMH. Tabel 2. 1 Komponen PLTMH dan Fungsinya
Mercu Bendung
(Weir)
Bangunan yang berada melintang sungai yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran air
Bangunan Pengambilan
(Intake)
Bangunan yang berfungsi mengarahkan air dari sungai masuk ke dalam Saluran Pembawa (Headrace).
Bak Penangkap Pasir (Sand Trap) dapatmenjadi satu (terintegrasi) dengan bangunan ini.
Saluran Pembawa
(Headrace)
Bangunan yang berfungsi mengalirkan/membawa air dari Intake ke Forebay. Headrace dapat juga terbuat dari pipa.
Bak Penampungan (Forebay)
Bangunan yang mempunyai potongan melintang(luas
penampang basah) lebih besar dari Headrace yang berfungsi untuk memperlampat aliran air.
Saringan (Trash Rack) Terbuat dari plat besi yang berfungsi menyaring sampah-sampah atau puing-puing agar tidak masuk ke dalam
bangunan selanjutnya. Trash Rack diletakkan pada posisi melintang di bangunan Intake atau Forebay dengan kemiringan 65 - 75º
Saluran Pembuangan (Spillway)
Bangunan yang memungkinkan agar kelebihan air di dalam Headrace untukmelimpah kembali ke dalam sungai.
Pipa Pesat (Penstock) Pipa bertekanan yangmembawa air dari Forebay ke dalam Power House.
Rumah Pembangkit Power House)
Bangunan yang di dalamnya terdapat turbin, generator dan peralatan control.
Tailrace Saluran yang berfungsi mengalirkan/membawa air dari turbin kembali ke sungai.
Jaringan Transmisi Terdiri dari tiang, kabel dan aksesoris lainnya (termasuk trafo; jika diperlukan) yang berfungsi mengalirkan energi
Komponen penting yang ada antara lain:
1. Intake dan bendung, berada di bibir sungai ke arah hulu sungai. Pada pintu air biasanya terdapat perangkap sampah. Di beberapa sungai, pengambilan air dilakukan tanpa membendung alur sungai, dan biasa disebut free intake.
2. Saluran pembawa, membawa air dari penangkap air ke arah bak pengendap. 3. Bak Pengendap (Bak Penenang), mengendapkan tanah yang terbawa dalam air
sehingga tidak masuk ke pipa pesat. Bak Pengendap sama dengan Bak Penenang pada PLTMH kecil.
Fungsi banguan ini adalah untuk :
a. Penyalur yang menghubungkan intake dengan bak pengendap sehingga panjangnya harus dibatasi.
b. Mengatur aliran air dari saluran penyalur sehingga harus mencegah terjadinya kolam pusaran dan aliran turbulen serta mengurangi kecepatan aliran masuk ke bak pengendap sehingga perlu bagian melebar.
c. Sebagai bak pengendap adalah untuk mengendapkan sedimen dimana untuk detil desainnya perlu dihitung dengan formulasi hubungan panjang bak, kedalaman bak, antara kecepatan pengendap, dan kecepatan aliran.
d. Sebagai penimbunan sedimen, sehingga harus didesain mudah dalam pembuangan sedimen.
e. Sebagai spillway yang mengalirkan aliran masuk ke bagian bawah dimana mengalir dari intake.
5. Pipa pesat, adalah pipa yang membawa air jatuh ke arah mesin turbin. Di samping itu pipa pesat juga mempertahankan tekanan air jatuh sehingga energi tidak terbuang.
Gambar 2. 2 Contoh bendung, intake, dan saluran pembawa di PLTMH.
Gambar 2. 4 Contoh pipa pesat, perhatikan beda ketinggian yang ada.
6. Rumah Pembangkit (power house), adalah rumah di mana semua peralatan mekanik dan elektrik PLTMH berada.
Gambar 2. 5 Contoh Rumah pembangkit
8. Turbin dengan bantuan sabuk pemutar memutar generator (dinamo besar penghasil listrik) untuk mengubah tenaga putar/gerak menjadi listrik.
Gambar 2. 6 Contoh turbin, perhatikan generator yang berwarna silver dan sabuk pemutar.
9. Panel atau peralatan pengontrol listrik, biasanya berbentuk kotak menempel di dinding, berisi peralatan elektronik untuk mengatur listrik yang dihasilkan generator.
10.Jaringan kabel listrik yang menyalurkan listrik dari rumah pembangkit ke pelanggan.
Gambar 2. 8 Contoh jaringan kabel listrik pada tiang jaringan.
Gambar 2. 9 Contoh jaringan listrik tepatnya pada sambungan rumah.
Pembangkit tenaga air merupakan suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator.Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya yang keluar secara teoritis.
energi potensial energi kinetik energi kinetik energi mekanik energi mekanik energi listrik
energi potensial adalah energi air karena berada pada ketinggian. Energi kinetik adalah energi air karena mempunyai kecepatan. Energi mekanik adalah energi kecepatan air yang terus memutar kincir/turbin. Energi elektrik adalah hasil dari generator yang berputar akibat berputarnya kincir/turbin.
Prinsip kerja PLTMH yang paling utama adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yang disebut turbin/kincir air. Efisiensi kincir air yang dipilih untuk menangkap energi air tersebut menentukan besarnya energi mekanik atau energi poros guna memutar generator listrik.
Umumnya PLTMH yang dibangun jenis run off river dimana head diperoleh tidak dengan membangun bendungan besar, melainkan dengan mengalihkan aliran air sungai ke satu sisi dari sungai dan menjatuhkannya lagi ke sungai pada suatu tempat dimana beda tinggi yang diperlukan sudah diperoleh. Dengan menggunakan pipa, air dialirkan kerumah pembangkit (power house) yang biasanya dibangun di pinggir sungai. Kemudian air akan menyemprot keluar memutar roda turbin (runner), kemudian air tersebut dikembalikan ke sungai asalnya. Energi mekanik putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator. Pembangkit listrik tenaga air ukuran 100 KW digolongkan sebagai PLTMH.Dalam perencanaan pembangunan sebuah. PLTMH, diperlukan pengetahuan tentang:
Bangunan sipil Permesinan
Ekonomi untuk studi kelayakan.
2.1.1 Kelebihan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Pembangunan PLTMH mempunyai beberapa keuntungan yang tidak dapat dipisahkan, seperti berikut ini:
1. Lokasi sumber daya air untuk PLTM dan PLTMH pada umunya berada di wilayah pedesaan dan desa terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik.
2. Tenaga utama menggunakan air, yang merupakan sumber energi yang abadi tidak seperti bahan bakar untuk PLTU atau PLTN yang menggunakan bahan bakar fosil atau nuklir.
3. Biaya pengoperasian dan pemeliharan PLTMH sangat rendah jika dibandingkan dengan PLTU atau PLTN.
4. Melayani kebutuhan aktual daya listrik di wilayah pedesaan terpencil yang urnumnya rendah dengan daya beli masyarakat yang juga rendah, 5. PLTMH cukup sederhana untuk dimengerti dan cukup mudah untuk
dioperasikan.
6. Perkembangan mutakhir yang telah dicapai pada pengembangan turbin air, telah dimungkinkan untuk memanfaatkan jenis turbin yang sesuai dengan keadaan setempat.
8. Meningkatkan kegiatan perekonomian sehingga diharapkan dapat menambah penghasilan masyarakat.
2.1.2 Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Adapun kelemahan dari pembangunan PLTMH di antaranya:
1. Sangat tergantung pada aliran sungai secara alamiah. Sedangkan aliran sungai tersebut sangat bervariasi sehingga pada umumnya tenaga andalan atau tenaga mantap akan sangat kecil jika dibandingkan dengan kapasitas totalnya.
2. Tidak mampu menghasilkan tenaga yang besar.
2.2 Tenaga Listrik dan Air
Sebuah skema hidro memerukan dua hal yaitu debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini adalah sebuah sistem konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran, dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau daya mekanik. Tidak ada sistem konversi daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap dikurangi sebagian daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas, dan suara.
Persamaan konversinya adalah:
Daya yang masuk = Daya yang keluar + kehilangan daya (losess) Pers 2. 1
atau
Daya yang keluar = Daya yang masuk x Efisiensi konversi Pers 2. 2
daya kotor pffms. Daya yang bermanfaat dikirim adalah daya bersih Pnet. Semua
efisiensi dari skema gambar diatas disebut E0.
Pnet = Pgross x E0 Pers 2. 3
Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga
dikaitkan dengan sebuah faktor gravitasi bumi (g = 9,8m/s2), sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah:
Pnet = g x Hgross x Q x Eo(kW) Pers 2. 4
Dimana head dalam meter, dan debit air dalam m3/s, dan total E0 sebagai
berikut:
E0 = Ekonstruksi sipil x Epenstock x Eturbin x Egenerator x Esistem control x Ejaringan x Etrafo Pers 2. 5
Biasaya:
Ekonstruksi sipi = 1,0 – (panjang saluran x 0,002 – 0,005) / Hgross
Epenstock = 0,90 – 0,95 (tergantung pada panjangnya)
Eturbin = 0,70 – 0,85 (tergantung pada tipe turbin)
Egenerator = 0,80 – 0,95 (tergantung pada kapasitas generator)
Esistem control = 0,97
Ejaringan = 0,90 – 0,98 (tergantung pada panjang jaringan)
Etrafo = 0,98
Ekonstruksi sipil dan Epenstock adalah yang biasa diperhitungkan sebagai “Head
Loss (Hloass) / kehilangan ketinggian. Dalam kasus ini, persamaan di atas dirubah ke
persamaan berikut.
Persamaan sederhana ini harus diingat : ini adalah inti dari semua perencanaan pekerjaan pembangkit listrik. Ini penting untuk menggunakan unit-unit yang benar.
Gambar 2. 10 Efisiensi sistem yang spesifik untuk sebuah skema yang berjalan pada perencanaan aliran listrik.
2.3 Perencanaan Pembangunan PLTMH
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) pada dasamya memanfaatkan energi potensial air. Semakin tinggi jatuh air (head) maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor geografis yang memungkinkan, tinggi jatuh air (head) dapat pula diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi.
1. Penentuan lokasi bangunan intake
Pada umumnya instalasi PLTMH 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 hams memitiki dasar sungai yang relatif stabt), apaiagi 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.
medan yang ada tidak memungkinkan untuk dibuat kanal, seperti sisi sungai berupa tebing batuan. Perlu diperhatikan bahwa penstock harus aman terhadap banjir.
2. Penentuan bentuk aliran sungai
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 yang kecil.
3. Penentuan lokasi rumah pembangkit (power house)
Pada dasamya setiap pembangunan mikro hidro 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 seialu lebih tinggi dibandingkan permukaan air sungai. Data dan informasi ketinggian permukaan sungai pada waktu banjir sangat diperlukan dalam menentukan lokasi rumah pembangkit.
karena akan mendapat beban yang besar pada saat banjir, serta memungkinkan masuknya aliran air menuju ke rumah pembangkit.
2.3.1 Perencanaan Sipil Perencanaan sipil terdiri dari:
1. Pengerjaan saluran penghantar (head race)
Saluran penghantar berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke bak penenang. Perencanaan saluran penghantar berdasarkan pada kriteria:
Nilai ekonomis yang tinggi Efisiensi fungsi
Aman terhadap tinjauan teknis Mudah pengerjaannya
Mudah pemeliharaannya
Struktur bangunan yang memadai
Kehilangan tinggi tekan (head losses) yang kecil
2. Perencanaan hidrolis
Kecepatan aliran pada saluran penghantar direncanakan sedemikian rupa untuk mencegah sedimentasi akibat kecepatan rendah. Kecepatan aliran yang diizinkan dalam saluran ditetapkan dengan asumsi ukuran butir material sedimen 0,2 - 0,3 mm. Kecepatan aliran yang diizinkan pada perencanaan ini adalah:
• Kecepatan maksimum: 2 m/det saluran pasangan batu tanpa plesteran.
3. Perencanaan bak penenang dan pengendap (head tank)
Perhitungan dimensi bak penenang diiakukan dengan beberapa kriteria, yaitu • 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.
• Bak penenang direncanakan dengan menetapkan kecepatan vertikal partikel sedimen 0,03 m/det.
• Pipa pesat ditempatkan 15 cm di atas dasar bak penenang untuk menghindarkan masuknya batu atau benda-benda yang tidak diizinkan terbawa memasuki turbin, karena berpotensi merusak runner turbin.
• 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
• Bak penenang dilengkapi trash rack untuk mencegah sampah dan benda-benda yang tidak diinginkan memasuki pipa pesat bersama aliran air.
• Pipa penguras ditempatkan di bak pengendap dan bak penenang sebagai kelengkapan untuk perawatan (pembuangan endapan sedimen).
• Bak penenang dilengkapi pelimpah yang direncanakan untuk membuang kelebihan debit pada saat banjir. Bangunan bak penenang dan saiuran pembawa direncanakan terjaga ketinggian permukaan pada saat banjir sampai maksimum 25% dari debit desain.
4. Perencanaan pipa pesat (penstock)
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penenang (forebay tank). Perencanaan pipa pesat mencakup pemilihan material, diameter penstock, tebal, dan jenis sambungan (coordination joint). Pemilihan material berdasarkan pertimbangan kondisi operasi, aksesibilitas, berat, sistem penyambungan, dan biaya. Diameter pipa pesat dipilih dengan pertimbangan keamanan, kemudahan proses pembuatan, ketersediaan material, dan tingkat rugi-rugi (friction losses) seminimal mungkin. Ketebalan penstock dipilih untuk menahan tekanan hidrolik dan surge pressure yang dapat terjadi. Data dan asumsi awal perhitungan pipa pesat meliputi:
1. Material pipa pesat menggunakan plat baja di-roll dan dilas (welded rolled steel). Hal ini dipilih sebagai altematif terbaik untuk mendapatkan biaya terkecil. Material yang digunakan adalah mild steel dengan kekuatan cukup. 2. Head losses pada sistem pemipaan (penstock) diasumsikan sekitar 4%
terhadap headgross.
3. Diameter minimum pipa pesat dapat dihitung dengan persamaan
D = (10,3 n2 Q2 L / H gross) 0,1875 Pers 2. 7
di mana: n= Koefisien kekasaran (roughness) untuk welded steel, 0,012, Q = Debit desain (m3/s), L= Panjang penstock (m), Hgross = Tinggi jatuh
Tabel 2. 2 Material Pipa Pesat
Perhitungan tebal plat dapat menggunakan persamaan
tp =(PiD/2SfKf) + ts Pers 2. 8
di mana: ts = adalah penambahan ketebalan pipa untuk faktor korosi, Pi = tekanan
hidrostatik, kNi P mm 2, D= diameter dalam pipa, Kf = faktor pengelasan
sebesar 0,9 untuk pengelasan dengan inspeksi x-ray, faktor pengelasan sebesar 0,8 untuk pengelasan biasa, Sf =desain tegangan pipa yang
diizinkan. 5. Waterhammer
Pada saat penutupan inlet valve dapat terjadi tekanan gelombang aliran air di dalam pipa yang dikenal sebagai waterhammer. Tekanan bak akibat tertahannya aliran air oleh penutupan katup akan berinteraksi dengan tekanan air yang menuju inlet valve sehingga terjadi tekanan tinggi yang dapat merusak penstock.
6. Tumpuan pipa pesat (saddles support)
oleh besamya defleksi maksimum penstock yang diizinkan. Jarak maksimum dudukan pondasi penstok dapat dihitung dengan formula:
L = 182,61 x {[(D + 0,0147)4 – D.4]/P}0,333 Pers 2. 9 di mana: D = diameter dalam penstock (m), P = berat satuan dalam keadaan penuh berisi air (kg/m).
2.3.2 Perencanaan Elektromekanikal Perencanaan elektromekanikal terdiri dari: 1. 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:
1. Turbin impuls (cross-flow, pelton, dan turgo)
Untuk jenis ini, tekanan pada setiap sisi sudu bagian turbin yang berputar sama.
2. Turbin reaksi (Francis, Kaplan, dan propeller)
Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihan jenis turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam.
Tabel 2. 3 Daerah Operasi Turbin
Jenis Turbin Variasi Head (m) Kaplan dan Propeller 2 < H < 20
Francis 10 < H < 350
Pelton 50 < H < 1000
Crossflow 6< H <100
Turgo 50 < H < 250
Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu:
1. Faktor tinggi jatuhan air efektif (nethead) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin. Sebagai contoh turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah. 2. Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang
tersedia.
Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai kecepatan spesifik Ns,
yang didefinisikan dengan formula
Ns = N x Pt x 0,51 x H Pers 2. 10
di mana: N = kecepatan putaran turbin (rpm) , Pt = maksimum turbin output
(kW), H = head efektif (m).
Output turbin dihitung dengan formula: Pt = 9,8 x Q x H x ηt
di mana: Q = debit air (m3/s), H = head efektif (m), ηt = 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 dan Kaplan
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air dapat dilihat pada Tabel 2. 4.
Tabel 2. 4 Range kecepatan spesifik berbagai jenis turbin
Jenis Turbin Range Kecepatan Spesifik (rpm)
Turbin pelton 12≤Ns≤25
Turbin Francis 60≤Ns≤300
Turbin Crossflow 40≤Ns≤200
Turbin Propeller 250≤Ns≤ 1000
data eksperimental berbagai jenis turbin dapat digunakan untuk melakukan estimasi perhitungan kecepatan spesifik turbin, yaitu:
Tabel 2. 5 Rumusan kecepatan spesifik berbagai jenis turbin
Jenis Turbin Kecepatan spesifik
(rpm) Referensi
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 Crossflow Ns = 513.25/H0,505 (Kpordze & Wamick, 1983) Turbin Propeller Ns = 2702/H0,5 (USBR, 1976)
Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).
Pada perencanaan PLTMH ini, pilihan turbin yang cocok untuk lokasi yang tersedia adalah:
1. Turbin propeller tipe open flume untuk head rendah sampai dengan 6 m 2. Turbin crossflow 1 banki-mithell untuk head 6 m < H < 60 m.
Pemilihan jenis turbin tersebut berdasarkan ketersediaan teknologi secara lokal dan biaya pembuatan/fabrikasi yang lebih murah dibandingkan tipe lainnya seperti pelton dan francis. Untuk jenis turbin crossflow 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.
dibandingkan jenis crossflow 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.
Tabel 2. 6 Putaran Generator Sinkron (rpm) Jumlah Pole (kutub) Frekuensi, 50 Hz
2 3000
4 1500
6 1000
8 750
10 600
12 500
14 429
Tabel 2. 7 Run-away speed turbin, N maks/N Jenis Turbin Putaran Nominal, N
(rpm)
Runaway speed Semi Kaplan, single regulated 75-100 2-2.4
Kaplan, double regulated 75-150 2.8-3.2
Small-medium Kaplan 250-700 2.8-3.2
Francis (medium & high head) 500-1500 1.8-2.2
Francis (low head) 250-500 1.8-2.2
Pelton 500-1500 1.8-2
2. 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:
1. Generator sinkron, sistem eksitasi tanpa sikat (brushless exitation) dengan penggunaan dua tumpuan bantalan (two bearing).
2. 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:
1. Aplikasi < 10 KVA efisiensi 0,70 - 0,80 2. Aplikasi 10 – 20 KVA efisiensi 0,80 - 0,85 3. Aplikasi 20 – 50 KVA efisiensi 0,85 4. Aplikasi 50 – 100 KVA efisiensi 0,85 - 0,90 5. Aplikasi > 100 KVA efisiensi 0,90 - 0,95
Sistem kontrol yang digunakan pada perencanaan PLTMH 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/dummy load. Sistem pengaturan beban yang digunakan pada perencanaan ini adalah:
Sistem kontrol tersebut telah dapat difabrikasi 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:
1. Kontrol start/stop, baik otomatis, semi otomatis, maupun manual 2. Stop/berhenti secara otomatis
3. Trip stop (berhenti pada keadaan gangguan: over-under voltage, over-under frequency).
4. Emergency shut down, bila terjadi gangguan listrik (misal arus lebih)
3. Distribusi
Sistem transmisi dan distribusi perencanaan PLTMH tidak menggunakan transformer untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. Jarak transmisi dan distribusi sampai dengan maksimum 3 km masih memungkinkan tanpa transformer. Losses sepanjang transmisi dan distribusi diasumsikan maksimum 5%. Sistem transmisi menggunakan tegangan 220 V/380 V Untuk mencapai kondisi tersebut, maka digunakan kabel transmisi utama 3 phasa Twisted AI 4 x 70 mm2. Kabel distribusi digunakan Twisted AI 4 x 35 mm2, dan kabel koneksi ke konsumen menggunakan Twisted AI 2 x 10 mm2. Setiap sambungan rumah menggunakan pembatas arus untuk membatasi penggunaan beban berlebih.
4. Rumah pembangkit
Rumah pembangkit yang merupakan titik pusat pembangkitan direncanakan dengan ukuran 3 x 4 m atau 4 x 4 m tergantung kondisi di lapangan. Pada rumah pembangkit ini akan ditempatkan peralatan elektrikal - mekanikal yang terdiri dari:
1. Turbin dan sistem mekanik 2. Generator
3. Panel control 4. Ballast load
5. Tempat peralatan/tools.
Rumah pembangkit dilengkapi dengan pengamanan terhadap petir dan arus berlebih (lightning arrester). Rumah pembangkit berupa pasangan bata dengan bangunan coran bertulang pada pondasi turbin dan penampungan air di bawah turbin sebelum keluar ke tail race.
Hal utama yang menjadi perhatian dalam pembangunan rumah pembangkit adalah aksesibilitas dan sirkulasi udara untuk melepas panas pada ballast load. Sirkulasi udara yang baik akan menjaga temperatur kerja sekitar rumah pembangkit tidak berlebih, sehingga temperatur kerja mesin dapat dijaga dengan baik.
2.3.3 Standar Nasional Indonesia untuk PLTMH
Standar Nasional Indonesia (SNI) untuk PLTMH ditunjukkan pada. Tabel 2. 8 Standar Nasional Indonesia untuk PLTMH
SNI 03-7014.1-2004 Proteksi bangunan terhadap petir - Bagian 1: Prinsip umum
SNI 03-7017.1-2004 Lift traksi listrik pada bangunan gedung-Bagian 1: Pemeriksaan dan pengujian serah terima
SNI 04-0227-2003 Tegangan standar
SNI 04-3869-2003 Karakteristik insulator tonggak saluran
SNI 04-3892. 1.1-2003 Tusuk kontak dan kotak kontak untuk keperluan rumah tangga dan sejenisnya - Bagian 1-1: Persyaratan umum (bentuk dan ukuran)
SNI 04-6186.25-2003 Relai listrik - Bagian 25: Uji emisi elektromagnet pada relai pengukuran dan periengkapan proteksi SNI 04-6267.446-2003 Istilah teknik ketenagalistrikan - Bagian 446: Relai
istrik
SNI 04-6282.1-2003 Periengkapan hubung-bagi dan kontrol tegangan rendah - Bagian 1: Ketentuan umum
SNI 04-6292.1-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan -Bagian 1 : Persyaratan umum
SNI 04-6292.2.14-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-14: Persyaratan khusus untuk mesin dapur
SNI 04-6292.2.2-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-2: Persyaratan khusus untuk pembersih vakum dan peranti pembersih sedot air SNI 04-6292.2.25-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya
-Keselamatan - Bagian 2-25: Persyaratan khusus untuk oven gelombang micro termasuk oven gelombang mikro kombinasi
SNI 04-6292.2.41-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-41: Persyaratan khusus untuk pompa
SNI 04-6292.2.60-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-60: Persyaratan khusus untuk bak rendam pusaran air
SNI 04-6292.2.69-2003 Peranti listrik untuk rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-69: Persyaratan khusus untuk pembersih vakum kering dan vakum basah, ermasuk sikat bertenaga, untuk penggunaan ndustri dan komersial
SNI 04-6292.2.7-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-7: Persyaratan khusus untuk mesin cuci
SNI 04-6292.2.8-2003 Peranti listrik rumah tangga dan sejenisnya -Keselamatan - Bagian 2-8: Persyaratan khusus untuk alat cukur, alat pangkas rambut dan peranti sejenis SNI 04-6545.7-2003 Keselamatan listrik dalam sistem distribusi tegangan
rendah sampai dengan 1000 V a.b dan 1500 V a.s - Periengkapan untuk pengujian, pengukuran atau pemantauan terhadap pengukuran yang bersifat proteksi - Bagian 7: Urutan fase
SNI 04-6545.8-2003 Keselamatan listrik dalam sistem distribusi tegangan rendah sampai dengan 1000 V a.b dan 1500 V a.s - Periengkapan untuk pengujian, pengukuran atau pemantauan terhadap Dengukuran yang bersifat proteksi - Bagian 8: Gawai monitoring isolasi untuk siste
$NI 04-6950-2003 Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT) dan Saluran Udara Tegangan Ekstra Tinggi (SUTET) -Nilai ambang batas medan listrik dan medan magnet SNI 04-6951. 1-2003 Metode uji listrik untuk kabel listrik - Bagian 1: Uji
istrik untuk kabel, kabel senur dan kawat berinsulasi dengan tegangan sampai dengan 450/750 V
SNI 04-6951. 2-2003 Metode uji listrik untuk kabel listrik - Bagian 2: Uji uahan parsial
SNI 04-6951.3-2003 Metode uji listrik untuk kabel listrik - Bagian 3: Metode uji untuk pengukuran luahan parsial pada panjang kabel tegangan terekstrasi
SNI 04-6952.2-2003 Gawai penghubung - Persyaratan keselamatan unit penjepit tipe sekrup dan tipe tanpa sekrup untuk konduktor tembaga listrik - Bagian 2: Persyaratan khusus konduktor 35 mm2 s.d. 300 mm2
SNI 04-6953-2003 Pembangkit listrik hidro skala kecil SNI 04-6954.1-2003 Transformator tenaga - Bagian 1: Umum
SNI 04-6955.1-2003 Koordinasi insulasi untuk periengkapan pada sistem tegangan rendah - Bagian 1: Prinsip, pensyaratan dan pengujian
SNI 04-6956.1-2003 Pemutus sirkit arus sisa tanpa proteksi arus lebih terpadu untuk pemakaian rumah tangga dan sejenisnya (RCCB) - Bagian 1: Umum
SNI 04-6957-2003 Pemutus sirkit untuk periengkapan (PMS - P)
SNI 04-6959.1-2003 Perlengkapan-kendali lampu - Bagian 1: Persyaratan umum dan keselamatan
SNI 04-6959.2.3-2003 Perlengkapan-kendali lampu - Bagian 2-3: Persyaratan khusus ballas elektronik disuplai a.b. untuk lampu fluoresen
SNI 04-6960-2003 Saturan udara - Persyaratan dan pengujian untuk spanser
SNI 04-6971-2003 Insulator untuk saluran udara dengan tegangan nominal diatas 1000 V - Unit insulator keramik atau gelas untuk sistem arus bolak-balik -Karakteristik unit insulator jenis kap dan pin
SNI 04-6972-2003 Penyajian dan spesifikasi data keandalan untuk komponen elektronik
2.3.4 Manfaat PLTMH
Manfaat PLTMH sebagai berikut:
1. Meningkatkan taraf hidup masyarakat
Dengan adanya energi listrik untuk penerangan di malam hari, akan meningkatkan taraf hidup masyarakat, karena dengan penerangan tersebut dapat meningkatkan kerja masyarakat desa dalam meningkatkan pendapatan. Di samping itu juga akan menambah waktu belajar anak sekolah di malam hari. Informasi dari media televisi akan menambah pengetahuan bagi masyarakat dan dengan pengetahuan yang berguna dapat mengubah cara hidup yang lebih baik sesuai dengan pemanfaatan masyarakat itu sendiri. 2. Pengembangan potensi wilayah
merupakan sasaran utama bagi peningkatan sumber daya manusia, sehingga dengan bertumbuhnya industri seperti tersebut di atas sekaligus juga akan menambah keterampilan masyarakat tersebut dalam bidang yang ditekuninya, yang pada akhimya akan menjadikan daerah industri yang berwawasan potensi daerah. Dengan potensi daerah yang sudah terbentuk akan dapat mengembangkan wilayah sesuai dengan potensi tersebut.
3. Penurunan harga produksi
Mengingat sumber daya air dapat diperoleh secara alami maka energi listrik yang didapatkan dan tenaga air adalah energi listrik yang murah, sehingga dalam suatu proses produksi akan mendapatkan hasil yang lebih murah apabila energi industri tersebut didapat dari proses menggunakan bahan bakar minyak. Dengan memanfaatkan tenaga air sekaligus juga menghemat energi yang diproduksi oleh pembangkit lain. Semakin banyak energi murah ini digunakan untuk industri-industri kecil maka akan dapat menekan harga produksi kerajinan.
4. Terbentuknya usaha kelistrikan yang baru
5. Pembentukan usaha kelistrikan mikro hidro
Usaha kelistrikan mikro hidro dapat merupakan suatu usaha Pemerintah Daerah dengan tujuan untuk dapat meningkatkan taraf hidup masyarakat di daerahnya dan menambah pendapatan daerah sesuai daya yang dihasilkan. Usaha kelistrikan PLTMH ini dapat dikelola oleh masyarakat desa dengan bantuan teknis dan bimbingan dari kantor Direktorat Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi. Di dalam pemeliharaan diharapkan pengetahuan masyarakat di bidang teknik semakin bertambah.
2.3.5 Aspek Lingkungan
PLTMH ramah terhadap lingkungan karena tidak menghasilkan gas atau limbah lainnya dan tidak merusak ekosistem. Dengan demikian kelebihan PLTMH dari segi lingkungan adalah:
1. Mengurangi pemakaian bahan baker fosil untuk penerangan dan kegiatan rumah tangga lainnya.
2. Terpeliharanya catchment area, untuk menjamin suplai air bagi kelangsungan PLTMH dan sekaligus membantu Pemerintah menjaga lahan kritis maupun kawasan lindung.
3. Ramah terhadap lingkungan.
2.3.6 Aspek Sosial Ekonomi
Kehadiran PLTMH di suatu desa akan meningkatkan interaksi sosial dan menumbuhkan aktifitas perekonomian baru. Dari sudut pandang ini kelebihan PLTMH adalah:
1. Mendorong aktifitas perekonomian di pedesaan dengan cara meningkatkan produktivitas melalui industri rumah tangga yang lebih modern.
2. Penciptaan lapangan kerja di desa (meningkatkan aktifitas masyarakat). 3. Pelayananan masyarakat berupa penerangan.
4. Mendorong lembaga desa untuk berperan dalam pengelolaan dan pengoperasian.
5. Menambah pengetahuan masyarakat desa di dalam teknologi pembangkit, pengoperasian, maupun pemeliharaan.
2.3.7 Aspek Lembaga Kemasyarakatan
Pengoperasian PLTMH menuntut adanya suatu lembaga tersendiri yang menjalankan fungsi-fungsi pengelolaan dan perawatan. Lembaga tersebut akan menambah keberadaan lembaga yang sudah ada di desa. Dinamika masyarakat akan berkembang dan keuntungan yang diperoleh adalah:
1. Masyarakat dapat berperan dalam pengelolaan PLTMH (pengoperasian dan pemeliharaan).
2. Peningkatan peran Pemerintah Desa, LKMD, dan koperasi dalam mengembangkan desa.
2.4 Perhitungan Debit Andalan
Debit andalan adalah debit yang selalu tersedia sepanjang tahun. Dalam penelitian ini debit andalan merupakan debit yang memiliki probabilitas 90%. Debit dengan probabilitas 90% adalah debit yang memiliki kemungkinan terjadi di bendung sebesar 90% dari 100% kejadian. Jumlah kejadian yang dimaksud adalah jumlah data yang digunakan untuk menganalisis probabilitas tersebut. Jumlah data minimum yang diperlukan untuk analisis adalah lima tahun dan pada umumnya untuk memperoleh nilai yang baik data yang digunakan hendaknya berjumlah 10 tahun data.
Guna mendapatkam kapasitas PLTM, tidak terlepas dari perhitungan berapa banyak air yang dapat diandalakan untuk membangkitkan PLTM. Debit andalan adalah debit minimum (terkecil) yang masih dimungkinkan untuk keamanan operasional suatu bangunan air, dalam hal ini adalah PLTM.
Debit minimum sungai dianalisis atas dasar debit hujan sungai. Dalam evaluasi kinerja Listrik Tenaga Mikrohidro ini, dikarenakan minimalnya data maka metode perhitungan debit andalan menggunakan metode simulasi perimbangan air dari Dr. F.J.Mock (KP.01,1936). Dengan data masukan dari curah hujan di Daerah Aliran Sungai, evapotranspirasi, vegetasi dan karakteristik geologi daerah aliran.
2.4.1 Perhitungan Curah Hujan Regional
Data jumlah curah hujan (CH) rata -rata untuk suatu daerah tangkapan air (catchment area) atau daerah aliran sungai (DAS) merupakan informasi yang sangat diperlukan oleh pakar bidang hidrologi. Dalam bid ang pertanian data CH sangat berguna, misalnya untuk pengaturan air irigasi , mengetahui neraca air lahan, mengetahui besarnya aliran permukaan (run off).
Untuk dapat mewakili besarnya CH di suatu wilayah/daerah diperlukan penakar CH dalam jumlah yang cukup. Semakin banyak penakar dipasang di lapangan diharapkan dapat diketahui besarnya rata -rata CH yang menunjukkan besarnya CH yang terjadi di daerah tersebut. Disamping itu juga diketahui variasi CH di suatu titik pengamatan.
Menurut (Hutchinson, 1970; Browning, 1987 dalam Asdak C. 1995) Ketelitian hasil pengukuran CH tegantung pada variabilitas spasial CH, maksudnya diperlukan semakin banyak lagi penakar CH bila kita mengukur CH di suatu daerah yang variasi curah hujannya besar. Ketelitian akan semakin meningkat dengan semakin banyak penakar yang dipasang, tetapi memerlukan biaya mahal dan juga memerlukan banyak waktu dan tenaga dalam pencatatannya di lapangan.
2.4.1.1 Cara rata-rata aritmatik
Rata-rata CH = ( ∑Ri)/n Pers 2. 11
dimana Ri = besarnya CH pada stasiun I, n = jumlah penakar (stasiun)
2.4.1.2 Cara Poligon (Thiessen polygon)
Cara ini untuk daerah yang tidak seragam dan variasi CH besar. Menurut Shaw (1985) cara ini tidak cocok untuk daerah bergunung dengan intensitas CH tinggi. Dilakukan dengan membagi suatu wilayah (luasnya A) ke dalam beberapa daerah-daerah membentuk poligon (luas masing-masing daerah ai).
Tabel 2. 9 Perhitungan prosentasi luas daerah (a1) pada suatu wilayah A (10.000 ha)
Daerah Luas Daerah a1 (ha) Tetapan Thiessen* Prosentasi Luas
a1 1000 0.10 10%
a2 3000 0.30 30%
a3 1.500 0.15 15%
a4 4.500 0.45 45%
Jumlah A=10.000 1,00 100%
Tabel 2. 10 Perhitungan Curah Hujan rata -rata cara poligon di suatu Wilayah A
Stasiun di daerah Kedalaman CH yang terukur (cm)
Ratio s/A Volume CH (cm) daerah a
a1 6 x 0.10 0.60
a2 10 x 0.30 3.00
a3 8 x 0.15 1.20
a4 11x 0.45 4.95
Curah hujan rata-rata wilayah A = 9.75iguoh
pada catchment area sebagian akan hilang sebagai evapotranspirasi, sebagian akan langsung menjadi aliran permukaan (direct run off) dan sebagian lagi akan masuk kedalam tanah (infiltrasi), dimana infiltrasi pertama-tama akan menjenuhkan top soil, kemudian menjadi perkolasi membentuk air bawah tanah (ground water) yang nantinya akan keluar ke sungai sebagai aliran dasar (base flow). Adapun ketentuan dari metode ini adalah sebagai berikut :
1. Data meteorologi
Data meterologi yang digunakan mencakup :
a. Data presipitasi dalam hal ini adalah curah hujan bulanan dan data curah hujan harian.
b. Data klimatologi berupa data kecepatan angin, kelembapan udara, tempratur udara dan penyinaran matahari untuk menentukan evapotranspirasi potensial (Eto) yang dihitung berdasarkan metode “Penman Modifikasi “
2. Evapotranspirasi Aktual ( Ea)
Penentuan harga evapotranspirasi actual ditentuakan berdasarkan persamaan :
E = Eto x d/20 x m Pers 2. 12
E = Eto x (m / 20) x (18-n) Pers 2. 13
Ea = Eto – E Pers 2. 14
lahan dengan hutan sekunder pada akhir musim dan bertambah 10 % setiap bulan berikutnya. m = 10 – 40% untuk lahan yang erosi , m = 20 –50 % untuk lahan pertanian yang diolah ( sawah ).
3. Keseimbangan air dipermukaan tanah (ΔS)
a. Air hujan yang mencapai permukaan tanah dapat dirumuskan sebagai berikut:
ΔS = R – Ea Pers 2. 15
di mana : ΔS= Keseimbangan air dipermukaan tanah, R = Hujan Bulanan , Ea = Evapotranspirasi Aktual.
Bila harga positif (R > Ea) maka air akan masuk ke dalam tanah bila kapasitas kelembapan tanah belum terpenuhi. Sebaliknya bila kondisi kelembapan tanah sudah tercapai maka akan terjadi limpasan permukaan (surface runoff).
Bila harga tanah ΔS negatif ( R > Ea ) , air hujan tidak dapat masuk kedalam tanah (infltrasi) tetapi air tanah akan keluar dan tanah akan kekurangan air (defisit).
b. Perubahan kandungan air tanah (soil storage) tergantung dari harga ΔS. Bila ΔS negatif maka kapasitas kelembapan tanah akan kekurangan dan bila harga ΔS positif akan menambah kekurangan kapasitas kelembapan tanah bulan sebelumnya.
d. Kelebihan Air (water surplus)
e. Besarnya air lebih dapat mengikuti formula sbb:
WS = ΔS - Tampungan tanah Pers 2. 16
di mana : WS = water surplus, S = R-Ea, Tampungan Tanah = Perbedaan Kelembapan tanah.
4. Limpasan dan penyimpanan air tanah (Run off dan Ground Water storage ). a. Infiltrasi (i)
Infiltrasi ditaksir berdasarkan kondisi porositas tanah dan kemiringan daerah pengaliran. Daya infiltrasi ditentukan oleh permukaan lapisan atas dari tanah. Misalnya kerikil mempuyai daya infiltrasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan tanah liat yang kedap air. Untuk lahan yang terjal dimana air sangat cepat menikis diatas permukaan tanah sehingga air tidak dapat sempat berinfltrasi yang menyebabkan daya infiltrasi lebih kecil. Formula dari infiltrasi ini adalah sebagai berikut:
i = Koefisien Infiltrasi x WS Pers 2. 17
dimana : i = Infiltrasi (Koefisien Infiltrasi (i) = 0 s/d 1,0 ), WS = kelebihan air b. Penyimpanan air tanah (ground water storage).
Pada permulaan perhitungan yang telah ditentukan penyimpanan air awal yang besarnya tergantung dari kondisi geologi setempat dan waktu. Persamaan yang digunakan adalah (sumber : PT. Tricon Jaya, Sistim Planing Irigasi Ongka Persatuan Kab. Donggala Hal V-4)
di mana : Vn = Volume simpanan ait tanah periode n ( m3), Vn – 1 = Volume simpanan air tanah periode n – 1 (m3), K = qt/qo = Faktor resesi aliran air tanah (catchment are recession factor ). Faktor resesi aliran tanah (k) berkisar antara 0 s/d 1 , qt = Aliran tanah pada waktu t (bulan ke t) , qo = Aliran tanah pada awal (bulan ke 0), in = Infiltrasi bulan ke n (mm).
Untuk mendapatkan perubahan volume aliran air dalam tanah mengikuti persamaan :
Vn = Vn - Vn – 1 Pers 2. 19
c. Limpasan (Run off )
Air hujan atau presipitasi akan menempuh tiga jalur menuju kesungai. Satu bagian akan mengalir sebagai limpasan permukaan dan masuk kedalam tanah lalu mengalir ke kiri dan kananya membentuk aliran antara. Bagian ketiga akan berperkolasi jauh kedalam tanah hingga mencapai lapisan air tanah. Aliran permukaan tanah serta aliran antara sering digabungkan sebagai limpasan langsung (direc run off) Untuk memperoleh limpasan, maka persamaan yang digunakan adalah :
BF = I - (Δ Vn ) Pers 2. 20
Dro = WS – I Pers 2. 21
Ron = BF +Dro Pers 2. 22
dimana : BF = Aliran dasar (M3/dtk/km), I = Infltrasi (mm), Δ Vn = Perubahan volume aliran tanah (M3), Dro = Limpasan Langsung (mm), WS = Kelebihan air , Ron = Limpasan periode n (M3/dtk/km2)
Qn = Ron x A Pers 2. 23
dimana: Qn= Banyaknya air yg tersedia dari sumbernya, periode n (m3/dtk), A = Luas daerah tangkapan (catchment area) Km2.
2.4.3 Flow Duration Curve (FDC)
Untuk kepentingan perancangan PLTMH, sangat penting untuk bisa mendapatkan data debit dari tahun ke tahun sebanyak mungkin sehingga dapat diketahui berapa banyak air (baik di musim kemarau atau penghujan) yang bisa dipergunakan untuk menggerakkan turbin. Data ini memberikan masukan paling mendasar bagi perancang untuk memilih jenis turbin yang paling efisien dan cocok dengan sumber daya yang ada. Dengan data debit di tangan ditambah dengan data kebutuhan energi listrik konsumen, maka perancang dapat memilih turbin dan generator yang cocok bagi sebuah PLTMH yang berdiri sendiri. Dapat dilihat pada Gambar 2. 11.
Gambar 2. 11 Contoh Hidrograf dari data sepanjang 16 tahun
Gambar 2. 12 Contoh Flow Duration Curve (Kurva Durasi Debit Air)
Flow Duration Curve (FDC) disusun dengan mengelompokkan data debit berdasarkan besar debitnya lalu memplotkannya pada grafik terhadap 100% waktu pengukuran. Sebagai contoh, berdasarkan kurva di atas bahwa selama 23% waktu dalam satu tahun, debit air adalah lebih dari 10 m3 Kurva ini sangat penting sebagai data bagi perancangan PLTMH. Jika tidak didasarkan pada data yang mantap maka hasil rancangannya pun akan sangat spekulatif.
Jika tidak ada data yang tersedia, maka diharuskan mengukur dan merekam debit air setiap hari minimal selama satu tahun untuk mendapatkan seperti pada gambar berikut:
Flow Duration Curve (FDC) dihasilkan dari kurva debit aliran sungai dengan mengelompokkan keseluruhan 365 data yang ada. Berdasarkan Flow Duration Curve, perancang memperkirakan kapasitas PLTMH yang mungkin. Proses pendimensian PLTMH tergantung dari debit air dan perkiraan kebutuhan energi listrik dari konsumen. Idealnya energi listrik PLTMH dapat memenuhi permintaan listrik sepanjang tahun. Jika permintaan lebih tinggi dari kapasitas yang tersedia, maka alternatif sumber energi lainnya harus dicari atau usaha-usaha eisiensi energi perlu dipertimbangkan.
Jika tidak memungkinkan untuk mendapatkan data dalam jangka waktu tertentu, maka dianjurkan untuk menggunakan jasa keahlian ahli hidrologi yang berpengalaman untuk melakukan analisis tersebut.
2.5 Dam dan intake
Terdapat beberapa jenis tipe dasar dam intake seperti yang disebutkan dibawah ini yaitu:
1. Dam beton graviti 2. Dam beton mengapung 3. Dam tanah
4. Dam urugan bath
5. Dam pasangan batu basah 6. Dam batu bronjong
7. Dam batu bronjong diperkuat beton 8. Dam ranting kayu
9. Dam kayu
10.Dam bingkai kayu dengan kerikil
secara umum terkenal digunakan di negara-negara Asia Tenggara karena beberapa keuntungan seperti:
a) tidak terlalu dipengaruhi oleh kondisi dan tanah dasarnya dan b) relatif mudah diperbaiki jika mengalami kerusakan.
Bagaimanapun, mereka dapat ditembus oleh banjir karena itu struktur dan penggunaannya harus didahului dengan pengujian yang hati-hati dan konstruksi yang penting seperti struktur sipil dan kondisi dari arus bawah. Tabel 2.2 dapat dijadikan referensi untuk menentukan tipe dasar dam intake untuk PLTA skala kecil.
Tabel 2.11 Jenis dam Intake
Tipe Garis Besar Gambar Kondisi Aplikasinya
Dam Beton
gravity
Beton digunakan untuk
mengkonstruksi bangunan secara
keseluruhan.
Fondasi: Lapisan Batu
Kondisi sungai: Tidak dipengaruhi
oleh kemiringan,
keluaran air atau
tingkat beban
sedimen.
Kondisi intake: Penampilan yang
baik, intake
efisien.
Dam beton
mengapung
Bagian infiltrasi yang diperpanjang
dari fondasinya dengan diputus,
dll. Untuk menyempurnakan
Fondasinya: Kerikil
Kondisi sungai: Tidak dipengaruhi
Tipe Garis Besar Gambar Kondisi Aplikasinya
penampilannya. keluaran air atau
tingkat beban
sedimen.
Kondisi intake: Penampilan yang
baik, intake efisien
Dam tanah Tanah (earth) digunakan untuk
bahan utama dan penggunaan dari
batu gosong dinding utama
tergantung dari kondisi jika
diperlukan.
Fondasi: bervariasi dari tanah (earth)
sampai lapisan batu
Kondisi sungai: Aliran yang tidak
deras dan mudah
diatasi bila terjadi
banjir.
Kondisi intake: Efisiensi intake yang
baik dikarenakan penampilan yang
baik jika dikerjakan dengan hati-hati.
Dam urugan
batu
Kerikil digunakan sebagai bahan
utama dari bangunannya.
Penggunaan dari dinding utama
tergantung dari kondisi jika
diperlukan
Fondasi: Berbagai jenis tanah (earth)
sampai lapisan batu
Tipe Garis Besar Gambar Kondisi Aplikasinya
penggunaan sungai karena
efisiensi intake yang
rendah.
Dam
pasangan
batu basah
Pengisian ruang dengan kerikil dan
semen, dll.
Fondasi: Berbagai jenis tanah (earth)
sampai lapisan batu
Kondisi sungai: Tidak dipengaruhi
oleh kemiringan,
keluaran air atau
tingkat beban
sedimen.
Kondisi intake: Penampilan yang
baik dan intake yang efisien
Dam batu
Kondisi intake: Keterbatasan
penggunaan sungai karena
efisiensi intake yang
Tipe Garis Besar Gambar Kondisi Aplikasinya
Fondasi: Berbagai jenis tanah sampai
lapisan batu
Kondisi sungai: Sungai dimana
jarring logam dapat
mengalami
kerusakan jika
aliran sungai terlalu
deras
Kondisi intake: Dapat diterapkan jika
efisiensi intake yang
tinggi diperlukan.
Kondisi sungai: Pengikisan terjadi
jika terdapat banjir.
Kondisi intake: Pada bagian dengan
volume intake dari aliran
(stream) sampai suplemen
untuk sungai di musim
kemarau.
Dam kayu Dam dengan menggunakan kayu Fondasi: Berbagai jenis tanah (earth)
sampai lapisan batu.
Tipe Garis Besar Gambar Kondisi Aplikasinya
deras dengan
pergerakan sedimen
yang rendah.
Kondisi intake: Suatu tingkat dari
efisiensi intake dalam
keadaan yang aman jika
Di dalam frame kayu diisi dengan
kerikil untuk meningkatkan
stabilitasnya
Fondasi: Berbagai jenis tanah
(earth) sampai lapisan
batu.
Kondisi sungai: Dam urugan kerikil
dapat hanyut jika
menggunakan debit
air yang normal.
Kondisi intake: Keterbatasan
penggunaan bagian air
sungai karena efisiensi
intake yang rendah.
2.6 Tipe dan Struktur Dasar Saluran
Tabel 2.12 Tipe-Tipe Saluran Pembawa Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil
Tipe Gambar Keuntungan dan Permasalahan Kekhasan Strukturnya
Saluran
terbuka
<Keuntungan>
Relatif murah
Mudah mengkonstruksinya
<Permasalahan>
Kemungkinan aliran sedimen dari
lereng di atasnya
Tingginya tingkat jatuh daun-daunan,
dll
Saluran tanah sederhana
Jalur saluran (jalur pasangan
batu basah atau kering, jalur
beton)
Pagar saluran (Terbuat dari
kayu, beton atau tembaga)
Jalur saluran berbentuk
lembaran
Saluran berbentuk setengah
tabung (seperti pipa-pipa yang
Pipa tertutup/
saluran
tertutup
<Keuntungan>
Pada umumnya volume pekerjaan
tanahnya besar
Rendahnya rata-rata sedimen dan
daun-dananan yang jatuh di saluran
<Permasalahan>
Sulitnya merawat dan meninjau
saluran, termasuk pembersihan dan
perbaikannya
Tabung yang dipendam
(Hume, PVC or FRPM)
Box culvert
Tabel 2.13 Struktur Dasar Saluran Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil.
Tipe Garis Besar Diagram Keuntungan dan Permasalahan
Saluran
Mudah mengalami kerusakan pada
dindingnya
Tidak dapat diterapkan pada tanah yang
tinggi tingkat permeabelnya (permeable =
mudah ditembus air)
Sulit untuk membersihkan timbunan
sedimennya.
Dapat dibangun dengan menggunakan
bahan-bahan lokal
Ketahanan tinggi terhadap gerusan
Relatif mudah diperbaiki
<Permasalahan>
Tidak dapat diterapkan pada tanah yang
tinggi tingkat permeabelnya (permeable =
Saluran
pasangan
batu basah
<Keuntungan>
Dapat dibangun dengan menggunakan
bahan-bahan local
Ketahanan yang tinggi terhadap gerusan
Dapat diterapkan pada tanah yang tinggi
tingkat permeabelnya (permeable =
mudah ditembus air)
<Permasalahan>
Lebih mahal daripada saluran tanah
sederhana atau saluran apsangan batu
kering (saluran lajur batu/batu keras)
Relatif banyak memerlukan tenaga kerja
Saluran
Konstruksi sulit jika diameter dalamnya
kecil
Susunannya fleksibel jika terjadi
deformasi tanah kecil.
Penggunaan yang terbatas jika
menggunakan fondasi tanah (earth)
Kurang cocok untuk cross-section yang
cukup besar
Sulit untuk memastikan kerapatan air
(water-tightness) yang sempurna
Mudah rusak
Saluran
Box
Culvert
<Keuntungan>
Konstruksi yang mudah bila
dibandingkan dengan pipa hume pada
lereng curam dengan kemiringan
potongan melintang
Periode konstruksi yang relative singkat
dapat diterapkan pada potongan
melintang yang kecil, jika produk siap
pakainya digunakan
Kaya dengan berbagai jenis variasi
produk siap pakai
<Permasalahan>
Beban yang berat
Biaya transportasi yang cukup tinggi, jika
menggunakan produk siap pakai
Periode konstruksi yang cukup lama, jika
dibuat langsung di daerah yang
Saluran
pipa hume
<Keuntungan>
Mudah dikonstruksi di daerah tidak
terlalu curam
Periode konstruksinya relative singkat
Ketahanan yang tinggi
Dapat diterapkan pada potongan
melintang yang kecil
Memungkinkan untuk konstruksi yang
tinggi dengan bentangan yang pendek
<Permasalahan>
Biaya transportasi yang cukup tinggi dan
beban yang berat.
2.7 Pipa Pesat (Penstock)
Saat ini, bahan utama pipa pesat adalah pipa-pipa baja, pipa-pipa ductile dan pipa FRPM (fibre reinforced plastic multi-unit). Sedangkan pembangkit tenaga air skala kecil menggunakan pipa-pipa hard vinyl chloride, pipa-pipa howell atau pipa-pipa spiral welded dapat dipertimbangkan karena diameternya kecil dan tekanan internalnya relatif rendah. Material yang digunakan.
Faktor-faktor utama yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan material yang digunakan :
4. Metode penyambungan 5. Diameter pipa dan gaya gesek
6. Berat dan tingkat kesulitan dalam pemasangangannya 7. Umur rencana
8. Kondisi iklim dan cuaca 9. Harga dan biaya perawatan 10. Transportasi menuju lokasi
Material yang baik untuk digunakan untuk pipa pesat pada mikrohidro di antaranya:
1. Besi ringan (Mild steel)
2. Unplasticized polyvinyl choloride (UPVC) 3. High-density polyethylene (HDPE)
4. Medium-density polyethylene (MDPE).
Tabel 2. 14 Bahan-bahan pipa penstock untuk pembangkit listrik tenaga air Skala kecil
Pipa Resin Pipa Besi
Pipa Hard Vinyl
Chlorid
pipa Howell Pipa FRP Pipa Baja Pipa Ductile Iron
_
Pipa Spiral Welded
Karakterisrik Bahan yang populer untuk pemipaan
02,000 03,000 mendekati 03,000 02,600 02,500
Tekanan di dalam yang diijinkan (kgf/cm2)
Pipa Resin Pipa Besi
Untuk mendisain pipa pesat mula-mula tentukan jenis bahan pipa pesat yang direncanakan dan hitung jarak antara saluran penampung menuju turbin dan beda tinggi (Huss) dari saluran penampung ke turbin.
Panjang pipa pesat, didapat dengan menggunakan rumus trigonometri Lpipa =
2 2
gross
Horizontal H
L Pers 2. 24
Kecepatan optimum dapat dicari dengan menggunakan rumus United State Bureau of Reclamation (USBR) sebagai hubungan anatara kecepatan dengan head untuk pipa.
V = 0,125 2gH Pers 2. 25
2.7.1 Diameter Pipa pesat
Pada umumnya diameter pipa pesat ditentukan berdasarkan pembandingan dengan biaya pipa pesat dan biaya kehilangan head pipa pesat. Karena pipa pesat mengeluarkan biaya yang besar pada pemasangannya, sehhingga dalam menentukan diameter pipa pesat harus berdasarkan perbandingan dengan biaya pipa pesat dan biaya kehilangan head pipa pesat.
Untuk memilih diameter terbaik dan tipe pipa pesat harus memperhitungkan faktor-faktor berikut :
1. Biaya pembelian pipa dan biaya tambahan seperti pemasangan, disain, sambungan dan transportasi.
2. Biaya perawatan pipa seperti pembersihan dan pengecatan ulang.
4. Jumlah aliran yang dapat menyuplai turbin untuk menghasilkan listrik terutama pada saat musim kemarau
5. Daya (power) optimum
Secara sederhana, diameter pipa dapat dicari dengan menggunakan persamaan dasar :
A =
2.7.2 Kehilangan Akibat Gesekan Pada Pipa Pesat
Setelah mendapatkan diameter pipa pesat, kita akan menghitung nialai kehilangan head pada pipa pesat dengan mencari harga faktor gesekan (fl).Untuk mencari fl digunakan garfik 2.1 dengan cara menghubungkan garis lengkung antara harga k/d terhadap nilai (1,2.Q/d). Dari tabel 2.6. didapat koefisien untuk beberpapa material pipa dengan umur kondisinya.
Melalui grafik kehilangan akibat gesekan didapat faktor gesekan (fL).
Hkehilangan pada dinding 5
Tabel 2. 15 Koefisien kekasaran pipa dalam mm
Material Umur kondisi
< 5 tahun 5 - 15 tahun > 15 tahun Pipa lunak
PVC, HDPE, MDPE 0,003 0,01 0,05
Fiberglas
Beton 0,06 0,15 1,5
Baja ringan :
Baja tak berlapis 0,01 0,1 0,5
Baja galvanis 0,06 0,15 0,3
Besi
Baru 0,15 0,3 0,6
Lama - karat rendah 0,6 1,5 3,0
- karat sedang 1,5 3,0 6,0
- karat tinggi 6,0 10,0 20,0
Dari table didapat faktor kehilangan akibat gerakan turbulen aliran pada pipa, diasumsikan pipa pesat tidak membengkok, namun terdapat putaran pada ketajaman sudut masuk (Kentrance) dan bukaan klep (KValve).
Tabel 2. 16 koefisien ketajaman sudut masuk
No. Bentuk ketajaman sudut masuk K Valve
1 1,0
2 0,8
3 0,5
4 0,2
Tabel 2. 17 Koefisien bukaan klep
Tipe Klep Bola Pintu Kupu-kupu
K Klep 0 0,1 0,3
Hkehilangan pada turbin =
g V
. 2
2
Kehilangan akibat gesekan (Hkehilangan akibat gesekan)
Hkehilangan akibat gesekan = hkehilangan pada dinding + hkehilangan pada turbin
% Kehilangan =
2.8 Rumah Pembangkit (Power House)
Sesuai posisinya, rumah pembangkit ini dapat diklasifikasikan kedalam tipe di atas tanah, semi di bawah tanah, di bawah tanah. Sebagian besara rumah pembangkit PLTMH adalah di atas tanah. Untuk pertimbangan desain rumah pembangkit, perlu dipertimbangkan :
a. Lantai rumah pembangkit dimana peralatan PLTMH ditempatkan, perlu memperhatikan kenyamanan selama operasi, mengelola, melakukan perawatan dimana terjadi pekerjaan pembongkaran dan pemasangan peralatan.
b. Memiliki cukup cahaya masuk untuk penerangan di siang hari dan adanya ventilasi udara.
c. Kenyamanan jika operator berada didalamnya seperti untuk melakukan pengendalian ataupun pencatatan secara manual pada jenis dan tipe turbin yang digunakan, dan sirkulasi air yang dikeluarkan setelah menggerakkan turbin. Karena itu ada beberapa pertimbangan tipe desain rumah pembangkit sesuai jenis turbin yang digunakan, sebagai beriku
Desain konstruksi rumah pembangkit ini perlu mempertimbangkan jarak bebas antara dasar rumah pembangkit dengan permukaan air buangan turbin (afterbay). Pada kasus turbin implus (turbin pelton, turgo dan crossflow), air yang dilepas oleh runner turbin secara langsung dikeluarkan kedalam udara di tailrace. Permukaan air di bawah turbin akan bergelombang. Oleh karena itu jarak bebas antara rumah pembangkit dengan permukaan air afterbay harus dijaga paling tidak 30-50 cm. kedalaman air di afterbay harus dihitung berdasarkan suatu formulasi antara desain debit dan lebar saluran di tailrace. Kemudian air di afterbay harus ditentukan lebih tinggi dari pada estimasi air banjir. Juga head antarapusat turbin dan level air pada outlet harus menjadi headloss. Rumah turbin menggunakan turbin jenis “Turbin Reaction”
Hal yang sama dalam desain konstruksi rumah turbin menggunakan jenis reaction (Francais, Propeller), adalah prilaku air afterbay. Pada kasus menggunakan turbin tipe reaction, air dikeluarkan kedalam afterbay melalui turbin. Head antara turbin dan level air dapat digunakan untuk membangkitkan tenaga. Dengan demikan desain konstruksinya memperbolehkan posisi tempat pemasangan turbin berada di bawah level air banjir, dan pada desain konstruksinya perlu disediakan tempat untuk menempatkan peralatan seperti pintu tailrace, dan pompa.
2.9 Daya Energi Listrik
turbin air dan generator. Daya (power) teoritis yang dihasilkan dapat dihitung berdasarkan persamaan empiris berikut (Arismunandar dan Kuwahara, 1991) :
P = 9,8 x Q x Heff (kW) Pers 2. 30
Dimana :P = Tenaga yang dihasilkan secara teoritis (kW), Q = Debit pembangkit (m³/det) Heff= Tinggi jatuh efektif (m), 9,8 = Percepatan gravitasi (m/s2). Seperti telah dijelaskan bahwa daya yang keluar merupakan hasil perkalian dari tinggi jatuh dan debit, sehingga berhasilnya suatu usaha pembangkitan tergantung dari usaha untuk mendapatkan tinggi jatuh air dan debit yang besar secara efektif dan ekonomis. Selain itu pembangkitan tenaga air juga tergantung pada kondisi
geografis, keadaan curah hujan dan area pengaliran (catchment area) (Arismunandar dan
Kuwahara, 1991).
Penentuan tinggi jatuh efektif dapat diperoleh dengan mengurangi tinggi jatuh total (dari permukaan air sampai permukaan air saluran bawah) dengan kehilangan tinggi pada saluran air. Tinggi jatuh penuh adalah tinggi air yang kerja efektif saat turbin air berjalan (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).
Adapun debit yang digunakan dalam pembangkit adalah debit andalan yang terletak tepat setinggi mercu yaitu debit minimum. Karena pembangkit ini direncanakan beroperasi selama 24 jam sehari semalam (Arismunandar dan Kuwahara, 1991).
