BAB II
DASAR TEORI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO
2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Air
Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) adalah pembangkit yang
menggunakan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi
listrik. Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik.
Cara kerja pembangkit listrik tenaga air adalah dengan mengkonversikan
tenaga air menjadi tenaga mekanik dalam turbin air. Kemudian turbin air memutar
generator yang membangkitkan tenaga listrik. Sementara air yang tadi digunakan untuk memutar turbin air dikembalikan ke alirannya. Besarnya energi yang dapat
dikonversikan menjadi energi listrik bergantung pada ketinggian jatuh air (head) dan begitu pula pemilihan turbin untuk PLTA.
Secara luas, pembangkit listrik tenaga air tidak hanya terbatas pada air dari
sebuah waduk atau air terjun, melainkan juga meliputi pembangkit listrik yang menggunakan tenaga air dalam bentuk lain seperti tenaga ombak.
Hidroelektrisitas adalah sumber energi terbarukan.
2.2 Klasifikasi Pembangkit Listrik Tenaga Hidro
Pada dasarnya, suatu pembangkit listrik tenaga hidro berfungsi untuk
mengubah potensi tenaga air yang berupa aliran air (sungai) yang mempunyai
debit dan tinggi jatuh (head) untuk menghasilkan energi listrik.
Secara umum, pusat listrik tenaga air terdiri dari: 1. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)
2. Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) 3. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Pembangkit listrik tenaga hidro dapat dikategorikan dan diklasifikasikan
sesuai besar daya yang dihasilkannya, sebagaimana diperlihatkan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Jenis Pembangkit Tenaga Air dan Kapasitasnya
No Jenis Daya/Kapasitas
1 PLTA >5 MW (5.000 kW)
2 PLTM 100kW-5000kW
3 PLTMH < 100 kW
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
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
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
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.
2.4 Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
2.4.1 Pengertian Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit
listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan
teknis, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu
air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Pembangkit listrik tenaga
mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu.
Pada dasarnya, pembangkit listrik tenaga mikrohidro memanfaatkan energi potensial jatuhan air (head). Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar
energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Di samping faktor
geografis (tata letak sungai), tinggi jatuhan air dapat pula diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi. Air dialirkan
melalui sebuah pipa pesat kedalam rumah pembangkit yang pada umumnya dibangun di bagian tepi sungai untuk menggerakkan turbin atau kincir air
mikrohidro. Energi mekanik yang berasal dari putaran poros turbin akan diubah
menjadi energi listrik oleh sebuah generator.
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian air
yang tidak terlalu besar, misalnya dengan ketinggian air 2,5 m dapat dihasilkan
listrik 400 W. Relatif kecilnya energi yang dihasilkan pembangkit listrik tenaga
mikrohidro dibandingkan dengan PLTA skala besar, berimplikasi pada relatif
sederhananya peralatan serta kecilnya areal yang diperlukan guna instalasi dan pengoperasian pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Hal tersebut merupakan
salah satu keunggulan pembangkit listrik tenaga mikrohidro, yakni tidak menimbulkan kerusakan lingkungan.
Perbedaan antara pembangkit listrik tenaga air (PLTA) dengan pembangkit
listrik tenaga mikrohidro terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan.
PLTA dibawah ukuran 100 kW digolongkan sebagai pembangkit listrik tenaga
mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro cocok
untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah-daerah terpencil
dan pedesaan. Beberapa keuntungan yang terdapat pada pembangkit listrik tenaga
mikrohidro adalah sebagai berikut:
1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini
2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah
terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit
latihan.
3. Tidak menimbulkan pencemaran.
4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan. 5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan
sehingga ketersediaan air terjamin.
2.4.2 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Prinsip dasar pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah memanfaatkan energi potensial yang dimiliki oleh aliran air pada jarak ketinggian tertentu dari
tempat instalasi pembangkit listrik. Sebuah skema pembangkit listrik tenaga
mikrohidro memerlukan dua hal yaitu, debit air dan ketinggian jatuh (head) untuk
menghasilkan tenaga yang dapat dimanfaatkan. Hal ini adalah sebuah sistem
konversi energi dari bentuk ketinggian dan aliran (energi potensial) ke dalam
bentuk energi mekanik dan energi listrik.
Secara umum, skema suatu sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro
(PLTMH) ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Skema Suatu PLTMH
2.4.3 Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Dalam suatu lokasi, pembangkit listrik tenaga mikrohidro dapat dipetakan
sebagai suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen bangunan sipil serta
komponen elektrikal dan mekanikal. Beberapa komponen sipilnya seperti
penenang, pipa pesat, rumah pembangkit, dan saluran pembuang. Pada komponen
elektrikal dan mekanikalnya terdapat komponen seperti turbin, generator,
transmisi mekanik, panel, dan juga jaringan distribusi.
2.4.3.1 Bendungan (Weir)
Bendungan (weir) dapat didefinisikan sebagai bangunan yang berada
melintang sungai yang berfungsi untuk membelokkan arah aliran air. Konstruksi
bendungan (weir) bertujuan untuk menaikkan dan mengontrol tinggi air dalam sungai secara signifikan sehingga elevasi muka air cukup untuk dialihkan ke
dalam intake pembangkit listrik tenaga mikrohidro.
Bendungan dapat digolongkan menurut strukturnya, bahan-bahan
konstruksinya, tujuan kegunaannya, prinsip perencanaannya, tingginya, dan lain
sebagainya. Penggolongan bendungan menurut bahan konstruksi dan prinsip
perencanaan yang umum dipakai adalah sebagai berikut:
1. Bendungan beton
Bendungan beton dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu
- Bendungan gravitas (gravity dam)
- Bendungan busur (arch dam)
- Bendungan rongga (hollow dam atau buttress dam)
2. Bendungan urugan
Bendungan urugan dapat dibagi menjadi 2 bagian yaitu
- Bendungan urugan batu (rock fill dam)
- Bendungan tanah (earth dam)
3. Bendungan kerangka baja (steel frame dam)
4. Bendungan kayu (timber dam)
Di samping itu bendungan dapat pula digolongkan sesuai dengan tujuan
penggunaannya, misalnya, bendungan pemasukan (intake dam), bendungan penyimpan (storage dam), bendungan pengatur (regulating dam) dan bendungan
penyimpan dipompa (pumped storage dam). Pada umumnya bendungan pemasukan menampung aliran air sungai untuk PLTA jenis aliran sungai
sungai guna memperoleh tinggi terjun buatan (artificial). Di samping itu
bendungan-bendungan ini menampung, menyimpan dan memasukkan air ke
turbin sesuai dengan kebutuhan. Bendungan penyimpan dipompa adalah bendungan yang dibuat untuk menyimpan air hasil pemompaan dari pusat listrik
dipompa (pumped storage power plant). Di samping itu, dilihat dari segi tujuan penggunaan air yang disimpan, bendungan dapat digolongkan dalam berbagai
jenis bendungan tanggul (embankment dam) untuk pengendalian banjir dan
pengairan, pembangkitan tenaga listrik, penyediaan air untuk pelayanan umum, penyediaan air untuk industri, pelayaran dan sebagainya. Dari sekian banyak
tujuan penggunaan bendungan dengan dua kegunaan atau lebih disebut bendungan serba guna (multi-purpose).
2.4.3.2 Saluran Penyadap (Intake)
Saluran penyadap adalah bagian dari konstruksi sipil yang digunakan
untuk masuknya air dari sungai menuju saluran pembawa dengan dilengkapi
penghalang sampah.
2.4.3.3 Saluran Pembawa (Headrace)
Saluran pembawa berfungsi untuk mengalirkan air dari intake sampai ke
kolam penenang. Selain itu, saluran ini juga berfungsi untuk mempertahankan kestabilan debit air. Saluran air untuk sebuah pembangkit skala kecil cenderung
untuk memiliki bangunan yang terbuka.
2.4.3.4 Saluran Pelimpah (Spillway)
Saluran pelimpah berfungsi untuk mengurangi kelebihan air pada saluran
pembawa.
2.4.3.5 Kolam Penenang (Forebay)
Kolam penenang berfungsi untuk mengendapkan dan menyaring kembali
air agar kotoran tidak masuk dan merusak turbin. Selain itu, kolam penenang ini juga berfungsi untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke dalam pipa
2.4.3.6 Pipa Pesat (Penstock )
Pipa pesat (penstock) adalah pipa yang yang berfungsi untuk mengalirkan
air dari kolam penenang (forebay) menuju turbin air.
2.4.3.7 Rumah Pembangkit (Power House )
Pada rumah pembangkit ini terdapat turbin, generator dan peralatan
lainnya. Bangunan ini menyerupai rumah dan diberi atap untuk melindungi
peralatan dari hujan dan gangguan- gangguan lainnya.
2.4.3.8 Saluran Pembuang (Tailrace )
Saluran pembuang berfungsi untuk mengalirkan air keluar setelah
memutar turbin.
2.4.3.9 Turbin
Turbin berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi
mekanik. Air akan memukul sudu-sudu dari turbin sehingga turbin berputar.
Perputaran turbin ini dihubungkan ke generator. Turbin terdiri dari berbagai jenis
seperti turbin Francis, Kaplan, Pelton, dan lain-lain.
2.4.3.9.1 Pengelompokkan Turbin
Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin
impuls dan turbin reaksi.
1. Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua
energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Adapun jenis-jenis turbin impuls adalah sebagai
berikut:
a. Turbin Pelton
Turbin Pelton adalah Turbin yang digunakan untuk tinggi terjun yang
energi mekanik pada roda air turbin dilakukan melalui proses impuls, sehingga
turbin Pelton disebut juga sebagai turbin impuls.
Gambar 2.3 Turbin Pelton
b. Turbin Turgo
Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin
pelton, turbin Turgo merupakan turbin impuls, tetapi sudunya berbeda. Dan
kecepatan putar turbin Turgo lebih besar dari turbin Pelton, akibatnya
dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan
efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.
Gambar 2.4 Turbin Turgo
c. Turbin Crossflow
Turbin Crossflow merupakan jenis turbin yang dikembangkan oleh
Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger
(Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada tahun 1903. Turbin
Crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 l/s hingga 10 m3/s dan head antara 1
m s/d 200 m. Turbin Crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang
lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pada dasarnya turbin ini bekerja
Gambar 2.5 Prinsip Kerja Turbin Crossflow
Penggunaan jenis turbin Crossflow lebih menguntungkan dibanding
dengan penggunaan kincir air maupun jenis turbin mikrohidro lainnya. Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat biaya pembuatan
penggerak mula sampai 50 % dari penggunaan kincir air dengan bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran turbin Crossflow lebih kecil
dan lebih kompak dibanding kincir air. Diameter kincir air yakni roda jalan atau
runnernya biasanya 2 m ke atas, tetapi diameter turbin Crossflow dapat dibuat hanya 20 cm saja sehingga bahan-bahan yang dibutuhkan jauh lebih sedikit, itulah
sebabnya bisa lebih murah. Dari kesederhanaannya jika dibandingkan dengan jenis turbin lain, maka turbin Crossflow yang paling sederhana. Runner turbin
dapat dibuat dari material baja sedang, dibentuk dingin kemudian dirakit dengan
konstruksi las dan komponen-komponen lainnya dari turbin ini semuanya dapat
dibuat di bengkel-bengkel umum dengan peralatan pokok mesin las listrik, mesin
bor, mesin gerinda meja, bubut, dan peralatan kerja bangku. Dari
kesederhanaannya itulah maka turbin Crossflow dapat dikelompokkan sebagai
teknologi tepat guna yang pengembangannya di masyarakat pedesaan memiliki
prospek cerah karena pengaruh keunggulannya sesuai dengan kemampuan dan
Gambar 2.6 Turbin crossflow
2. Turbin Reaksi
Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan
terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini
memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat
berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai
turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.
a. Turbin Francis
Turbin Francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang
diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah
mengarahkan air masuk secara tangensial.
Sudu pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu
pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk
penggunaan pada berbagai kondisi aliran air, penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.
b. Turbin Kaplan & Propeller
Turbin Kaplan dan Propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial.
Turbin ini tersusun dari Propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.
Gambar 2.8 Turbin Kaplan
Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.9 Diagram klasifikasi turbin air
2.4.3.9.2 Pemilihan Turbin
turbin pada daerah operasi yang overlaping ini memerlukan perhitungan yang
lebih mendalam.
Aplikasi penggunaan turbin berdasarkan tinggi head yang didapatkan adalah sebagai berikut ini :
1) Turbin Kaplan & Propeller : 2 < H < 20 meter
2) Turbin Francis : 10 < H < 350 meter
3) Turbin Pelton : 50 < H < 1000 meter 4). Turbin Turgo : 50 < H < 250 meter
5). Turbin Crossflow : 6 < H < 100 meter
Gambar 2.10 Grafik Klasifikasi Turbin
2.4.3.9.3 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, yaitu faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head
mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh turbin pelton efektif untuk
operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada
head rendah. 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 di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns", yang didefinisikan dengan formula :
�
�=
� √� / (2.6)Dimana : �� = kecepatan spesifik
N = kecepatan putaran turbin (rpm)
P = maksimum turbin output (kW) H = head efektif (m)
Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air
ditunjukkan pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Beberapa Turbin
Turbin Pelton 12 ≤ Ns ≤ 25
Turbin Francis 60 ≤ Ns ≤ 300
Turbin Crossflow 40 ≤ Ns ≤ 200
Turbin Propeller 250 ≤ Ns ≤ 1000
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Dengan mengetahui besaran
2.4.3.10 Generator
Generator dihubungkan ke turbin dengan bantuan poros dan gearbox,
memanfaatkan perputaran turbin untuk memutar kumparan magnet didalam generator sehingga terjadi pergerakan elektron yang membangkitkan arus AC.
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang
digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron
dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan.
Gambar 2.11 Komponen Generator dalam PLTA
Berdasarkan arah porosnya, generator turbin air dibagi dalam golongan poros datar (horisontal) dan golongan poros tegak (vertikal). Golongan poros datar
sesuai untuk mesin-mesin berdaya kecil atau mesin-mesin berputaran tinggi, sedangkan golongan poros tegak sesuai untuk mesin-mesin berdaya besar atau
mesin berputaran rendah. Penggunaan golongan poros tegak sangat baik bagi
generator-turbin air antara lain, karena golongan poros tegak memerlukan luas
ruangan yang kecil dibandingkan dengan golongan poros datar.
Satuan dasar generator perlu ditetapkan. Tegangan yang lebih tinggi akan
menyebabkan bertambah tebalnya isolasi sehingga dapat diberikan standard kasar,
standard tegangan 3,3 kV untuk 3 MVA atau kurang; 6,6 kV untuk 5–10 MVA;
Volt Ampere. Sebuah generator harus memiliki kapasitas yang cukup untuk
memenuhi kebutuhan pada saat beban maksimum. Dengan memperhatikan rugi
rugi (losses) generator serta untuk menjamin kinerja generator maka perlu adanya faktor keamanan biasanya ditentukan 25%.
Pada umumnya faktor daya dipilih antara 0,85-0,90. Akan tetapi pada keadaan faktor daya beban yang baik, dapat dipilih faktor daya lebih dari 0,95
untuk sentral-sentral yang dihubungkan saluran transmisi jarak jauh dengan
tegangan tinggi. Bagi generator turbin air yang sedikit jumlah kutubnya, peninggian faktor daya secara ekonomis lebih baik daripada pengurangan
perbandingan hubung singkat. Kecepatan putar yang lebih tinggi sebaiknya dipilih dari angka yang tercantum dalam daftar-daftar standar seperti Tabel 2.3 berikut
ini, dengan catatan bahwa kecepatan yang dipilih harus tetap ada dalam
batas-batas kecepatan jenis turbin. Apabila kecepatan yang dipilih tidak terdapat dalam
tabel tetapi ternyata lebih menguntungkan, maka sebaiknya diminta penjelasan
lebih lanjut dari pabriknya.
Transmisi mekanik adalah komponen yang menghubungkan antara turbin
langsung dikopel (biasanya menggunakan gearbox). Sistem transmisi mekanik
dibagi menjadi 2 bagian yaitu :
- Sistem Transmisi Daya Langsung
Pada sistem transmisi daya langsung ini (direct drives), daya dari poros
turbin rotor langsung ditransmisikan ke poros generator yang bersatu dengan sebuah kopling. Konstruksi sistem transmisi ini menjadi lebih kompak mudah
untuk melakukan perawatan efisiensi tinggi dan tidak memerlukan elemen mesin
lain, seperti belt dan pulley kecuali sebuah kopling. Sistem transmisi daya langsung (direct drives) menyebabkan generator yang digunakan harus memiliki
kecepatan putaran optimum yang hampir sama dengan kecepatan putaran poros turbin (rotor) atau sekitar 15 % perbedaannya.
- Sistem Transmisi Tidak Langsung
Sabuk dipakai untuk memindahkan daya antara dua poros yang sejajar.
Pemilihan jenis sabuk bergantung pada besar kecilnya daya yang akan
ditransmisikan. Sabuk merupakan peran penting dalam menyerap beban kejut dan
meredam pengaruh getaran. Sabuk yang digunakan umumnya jenis flat belt dan
V-belt. Penggunaan sistem transmisi sabuk ini memerlukan komponen pendukung
seperti bantalan beserta asesorisnya dan kopling.
2.4.3.12 Sistem Kontrol
Sistem kontrol berfungsi untuk menyeimbangkan energi input dan energi
output dengan cara mengatur input (flow) atau mengatur output (listrik) sehingga
sistem akan seimbang. Perubahan beban terhadap waktu peran sistem kontrol sangat penting untuk menjaga stabilitas sistem terutama kualitas listrik yang
dihasilkan pembangkit (tegangan dan frekuensi). Tujuan pengontrolan pada PLTMH adalah untuk menjaga sistem elektrik dan mesin agar selalu berada pada
daerah kerja yang diperbolehkan. Flow control dapat diartikan sebagai pengaturan
besarnya daya hidrolik berupa debit air yang masuk ke turbin dengan mengatur
katup turbin (guide vane).
Penggolongan sistem kontrol yang dikenal adalah sebagai berikut:
a. Sistem kontrol yang otomatis sepenuhnya (fully automatic)
Sistem ini mengontrol jalannya turbin secara otomatis yang meliputi
operasi kontinu, serta operasi penghentiannya bila keadaan menghendaki atau bila
terjadi gangguan secara otomatis. Sistem ini tepat untuk pusat listrik berkapasitas
kecil yang terletak berdekatan dengan pusat listrik pengontrolnya. Jadi, sistem ini dipakai untuk mesin-mesin berkapasitas rendah.
b. Sistem kontrol yang dijalankan oleh satu orang (one man control system) Pada sistem ini, seorang operator dapat melakukan operasi start, operasi
jalan dan operasi berhenti dari turbin air dan generator serta berbagai
pengontrolan lain dan pengawasan terhadap panel hubung (switch-board). Sistem ini juga dilengkapi dengan alat penghentian otomatis dan pemberitahuan tanda
bahaya bila ada gangguan. Sistem ini paling lazim dipakai pada suatu pusat listrik tenaga air.
c. Sistem kontrol pengawasan jarak jauh (remote supervisory control system)
Pada sistem ini, sebuah pusat listrik dikontrol oleh pusat listrik yang lain
yang terletak jauh dari pusat listrik yang dikontrol. Dalam beberapa hal, banyak
pusat-pusat listrik yang dikontrol dengan sistem yang terintegrasikan dan terpusat
dari pusat listrik pengontrol. Ini berarti bahwa panel hubung yang harus dipasang
dipusat listrik yang dikontrol dipindahkan ke pusat listrik yang mengontrol
sehingga dalam sistem ini dikenal sistem hubungan langsung, sistem gabungan, sistem frekuensi, sistem sandi (code) dan sistem sinkron.
d. Sistem kontrol dengan tangan (manual control system)
Dalam sistem ini, operasi mulai jalan (start), putar dan berhenti dari
turbin-air generator, dan berbagai operasi pengontrolan lainnya dilakukan dengan tangan
dengan perkiraan operator sendiri.
e. Sistem kontrol setengah otomatis (semi automatic control system)
Dalam sistem ini, operasi mulai jalan, putar dan berhenti normal dari
generator-turbin air dikerjakan dengan tangan; penghentian secara otomatis
dilakukan bila ada gangguan.
2.4.3.13 Panel Hubung dan Lemari Hubung
sistem kontrol, jumlah petugas kerja (operating personel) serta skala dan
pentingnya pusat listrik yang bersangkutan.
Panel hubung terdiri dari jenis tegak yang berdiri sendiri, jenis bangku dan gabungan antara jenis bangku, dan jenis tegak berdiri sendiri. Sakelar-sakelar
diatur diatas panel untuk mempermudah dalam pelayanannya. Peralatan yang dihubungkan pada ril generator dan rangkaian tegangan tinggi pemakaian sendiri
dimasukkan ke dalam lemari hubung (cubicle). Pemasangan dalam lemari ini
mempunyai banyak keuntungan, yaitu keandalan peralatan yang lebih tinggi, keamanan yang lebih terjamin, luas lantai yang dipakai berkurang, dan bentuknya
lebih baik. Panel hubung suatu pusat listrik dapat diklasifikasikan seperti pada tabel berikut ini.
Tabel 2.4 Jenis–Jenis Panel Hubung untuk PLTA
Nama Uraian
Panel Generator Turbin Air, Generator, Penguat
(Exciter), Transformator (Unit system)
Panel Saluran Transmisi Saluran Transmisi
Panel Sinkronisasi Pensinkronisasian, Penyeimbangan Tegangan, Penyesuaian Kecepatan
Panel Distribusi Tegangan Tinggi Transformator Distribusi, Saluran Distribusi
Panel Distribusi Daya Rangkaian Tegangan Rendah, Rangkaian Batere
2.4.3.14 Jaringan Distribusi
Jaringan distribusi terdiri dari kawat penghantar, tiang, isolator, dan
transformator. Jaringan tersebut dapat menggunakan kawat penghantar berbahan aluminium atau bahan campuran lain. Pada jaringan distribusi tegangan rendah
Tiang pada saluran distribusi dapat berupa tiang baja, beton atau kayu.
Isolator digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang aktif atau bertegangan
jika penghantar yang digunakan merupakan konduktor tanpa isolasi.
2.4.4 Manfaat Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Manfaat pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah 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. Disamping
itu juga akan menambah waktu belajar anak sekolah di malam hari. Informasi dari
media televisi akan menambah pengetahuan bagi masyarakat dan dengan
pengetahuan yang beguna dapat mengubah cara hidup yang lebih baik sesuai
dengan pemanfaatan masyarakat itu sendiri.
2. Pengembangan potensi wilayah
Energi listrik yang mencukupi untuk terbentuknya suatu industri pengelola
hasil pertanian, perkebunan, peternakan, dan kerajinan tangan, 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 akhirnya akan menjadikan daerah industri yang berwawasan potensi daerah. Dengan potensi
