BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala kecil yang memanfaatkan tenaga (aliran) air sebagai sumber penghasil energi. PLTMH termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut clean energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena konstruksinya sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang. PLTMH pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan menghasilkan listrik. (Mulyadi,2017). Contoh dari prinsip kerja PLTMH diperlihatkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Prinsip Kerja PLTMH Sumber: Basuh, 2012
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/turbin air.
2.2 Turbin Air
Turbin adalah sebuah mesin penggerak yang memanfaatkan energi dari aliran fluida seperti air dan gas. Sedangkan turbin air merupakan turbin yang bekerja dengan menggunakan fluida air yang mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah. Dalam hal ini air memiliki energi potensial yang akan menjadi mekanik untuk menggerarakan sudu turbin. Energi mekanik ini kemudian diubah menjadi energi listrik oleh generator. (Idrus, 2011)
P = ρ x g x H x Q Dimana :
P : Daya turbin (Watt) ρ : Densitas air (𝑘𝑔
m3) g : Gravitasi (𝑚
s2)
H : Tinggi air pada reservoir (m) Q : Debit ( m3
𝑠 )
2.3 Prinsip Kerja Turbin Air
Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis.
Aliran air yang mempunyai energi potensial akan disemprotkan ke sudu-sudu turbin oleh nozzle. Putaran dari sudu-sudu tersebut akan mengakibatkan poros
turbin ikut bergerak dan kemudian putaran poros turbin akan diteruskan ke generator listrik untuk diubah menjadi energi listrik.
2.4 Klasifikasi Turbin Air
Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik, turbin air dibedakan menjadi dua yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
2.4.1 Turbin Impuls
Turbin reaksi adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air (yang terdiri dari energi potensial, tekanan, kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar dari nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu pengarah kecepatan aliran air berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Dimana roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan yang sama karena aliran air yang keluar dari nozzle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika aliran air masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. (Frisca Anugra Putra, 2018)
2.4.2 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Pada turbin reaksi aliran air yang masuk kedalam rumah turbin dalam keadaan bertekanan dan kemudian mengalir masuk ke celah-celah bagian sudu yang dimana air akan memutar balin-baling pada turbin. Sewaktu aliran air masuk mengalir ke sekeliling sudu piringan, turbin akan
berputar secara maksimal sesuai debit aliran yang masuk kedalam rumah turbin dan saluran belakang (tail race) akan terendam air seluruhnya. Tinggi laju aliran air sewaktu mengalir ke sekeliling sudu akan diubah menjadi tinggi laju kecepatan dan akhirnya berkurang hingga tekanan atmosfer sebelum meninggalkan piringan turbin. Yang termasuk kedalam jenis ini adalah turbin francis dan kaplan. Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Turbin jenis ini adalah turbin yang paling banyak digunakan. 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. Untuk tipe turbin reaksi runner sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. (Sahroni, 2002).
2.5 Turbin Kaplan
Sesuai dengan persamaan Euler, maka makin kecil tinggi air jatuh yang tersedia makin sedikit belokannya aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, maka akan bertambah besar pula luas penampang saluran yang dilalui air, dan selain itu kecepatan putar turbin yang demikian bisa ditentukan lebih tinggi. Keuntungan pada Turbin Kaplan mempunyai baling-baling bila dibandingkan dengan turbin Francis adalah kecepatan putarannya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel (dihubungkan) langsung dengan generator dan ukurannyapun lebih kecil.
Jadi dengan demikian sudut sudu dapat diatur sesuai dengan kondisi saat diterpakan pada Turbin. Sudu jalan alirannya kecil dan pada saluran sudu jalan belokannya kecil. Sudu jalan dapat diatur pada saat bekerja, kedudukannya dapat diatur dan disesuaikan dengan tinggi jatuh air sehingga sesuai untuk tenaga air pada aliran sungai yang diinginkan. Turbin kaplan ini direncanakan untuk laju
aliran yang besar dengan tekanan tinggi. (Frisca Anugra Putra, 2018). Contoh dari Turbin Kaplan diperlihatkan pada gambar 2.2
Gambar. 2.2 Turbin Kaplan Sumber: Naveenagrawal, 2009
2.6 Faktor – Faktor yang Mempengaruhi Putaran Turbin
Adapun faktor-faktor yang mempengaruhi daya turbin yang dihasilkan, dimana daya turbin ini natinya akan dikonversikan menjadi energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu :
2.6.1 Tinggi Jatuh Air
Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin. Semakin tinggi jatuh air maka kecepatannya semakin tinggi.
2.6.2 Debit
Faktor selanjutnya yaitu debit, dimana semakin banyak debit atau volume dari aliran air sungai tersebut maka daya yang dihasilkan akan besar. Dan konversi ke energi listrikpun semakin besar.
2.7 Komponen Utama Turbin Air
Pada suatu turbin air terdapat beberapa komponen utama pada turbin sehingga dapat menghasilkan daya yang dapat dirubah menjadi energi listrik, komponen turbin yang paling utama dibagi menjadi 2 bagian, yaitu stator dan rotor. Contoh dari komponen utama turbin air diperlihatkan pada gambar 2.3
Gambar 2.3 Komponen Turbin Sumber: Najamudinmt, 2010
2.7.1 Rotor
Rotor adalah bagian yang berputar pada sisitem yang terdiri dari:
a. Sudu-sudu adalah bagian yang berfungsi untuk menerima beban pancaran yang disemprotkan oleh nozzle
b. Poros adalah bagian yang berfungsi untuk meneruskan aliran tenaga yang berupa gerak putar yang dihasilkan oleh sudu
c. Bantalan adalah bagian yang berfungsi sebagai perapat-perapat komponen-komponen dengan tujuan agar tidak mengalami kebocoran pada sistem.
2.7.2 Stator
Stator adalah bagian yang diam pada sistem yang terdiri dari :
a. Pipa pengarah / nozzle yang berfungi untuk meneruskan aliran fluida sehingga tekanan dan kecepatan fluida yang digunakan didalam sistem besar
b. Rumah turbin, berfungsi sebagai rumah kedudukan komponen- komponen turbin.
2.8 Generator
Pengertian generator listrik adalah sebuah mesin yang dapat mengkonversikan energi gerak (mekanik) menjadi energi listrik (elektrik).
Energi yang menggerakkan generator sendiri sumbernya bermacam macam.
Pada pembangkit listrik tenaga angin misalnya generator bergerak karena adanya kincir yang berputar karena angin. Demikian pula pada pembangkit pembangkit listrik tenaga air yang memanfaatkan energi gerak dari air. Contoh dari generator diperlihatkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 Generator Sumber: Mirwan, 2014
2.8.1 Prinsip Kerja Generator
Generator bekerja berdasarkan hukum faraday yakni apabila suatu penghantar diputarkan didalam sebuah medan magnet sehingga memotong garis garis gaya magnet maka pada ujung penghantar tersebut akan timbulkan ggl (garis gaya listrik) yang mempunyai satuan volt.
Ada 2 komponen utama pada generator listrik yaitu bagian yang diam (stator) dan bagian yang bergerak (rotor). Rotor akan selalu berhubungan dengan poros generator yang memutari pusat stator.
Lalu poros generator listrik tersebut biasanya diputar menggunakan turbin air ataupun turbin uap yang dihubungkan oleh pulley atau gear.
2.9 Rasio Pulley
Biasanya jika perbedaan putaran antara mesin dan motor listrik tidak terlalu besar, maka tidak perlu menggunakan gearbox, cukup dengan megatur perbandingan pada pulley atau sprocket saja. Pulley digunakan untuk mesin yang memiliki putaran tinggi, tetapi torque rendah. Sehingga didapat persamaan :
Nt
Ng= Dg Dt
Ng =Nt Dt Dg
Dimana :
Nt : Putaran output turbin Ng : Putaran generator
Dt : Diameter pulley output turbin
Dg : Diameter pulley generator 2.10 Alat Ukur yang Digunakan
Alat ukur adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur benda atau suatu kejadian. Mengukur merupakan aktivitas membandingkan kuantitas fisik dari suatu objek dengan alat ukur. Alat ukur juga dapat membantu proses pengambilan data.
2.10.1 Tachometer
Tachometer adalah alat ukur yang digunakan untuk pengujian yang dirancang untuk mengukur kecepatan rotasi dari sebuah objek dalam pengukuran putaran per menit (RPM) dari poros engkol mesin.
(Hasan, 2007). Contoh dari tachometer diperlihatkan pada gambar 2.5
Gambar 2.5 Tachometer Digital Sumber : Toko Alat Ukur Jakarta, 2009
2.10.2 Current Meter
Current meter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran air. Dari kecepatan air kita bisa mengetahui debit yang tersedia. Contoh dari current meter diperlihatkan pada gambar 2.6
Gambar 2.6 Current Meter Sumber : Tokopedia, 2011
