Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian PLTMH Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro PLTMH, biasa disebut mikro-hidro,
adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai penggeraknya, misalnya saluran irigasi, sungai atau air terjun alam, dengan cara
memanfaatkan tinggi terjunnya head, dalam meter dan jumlah debit airnya m
3
detik. Gambar 2.1. menunjukkan contoh keseluruhan sistem PLTMH.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 2.1: Bagan sebuah PLTMH
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.
Bentuk pembangkit tenaga mikro hidro adalah bervariasi, tetapi prinsip kerjanya adalah sama, yaitu ;
“ Perubahan tenaga potensial air menjadi tenaga elektrik listrik “. Perubahan memang tidak langsung, tetapi berturut-turut melalui perubahan sebagai berikut :
- Tenaga potensial ………Tenaga kinetik - Tenaga kinetik ..……… Tenaga mekanik
- Tenaga mekanik ……… Tenaga listrik Tenaga potensial adalah tenaga air karena berada pada ketinggian. Tenaga kinetik
adalah tenaga air karena mempunyai kecepatan. Tenaga mekanik adalah tenaga kecepatan air yang terus memutar kincir turbin. Tenaga 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 turbinkincir air. Efisiensi kincir air yang dipilih untuk menangkap energi air tersebut
menentukan besarnya energi mekanik atau energi poros guna memutar generator listrik.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
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 ke
rumah 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 dibawah ukuran 300 KW digolongkan sebagai PLTMH. Dalam perencanaan pembangunan sebuah PLTMH, diperlukan pengetahuan
tentang:
Hidrologi
Kelistrikan
Bangunan sipil
Permesinan
Ekonomi untuk studi kelayakan. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro PLTMH mempunyai beberapa
keuntungan yang tidak dapat dpisahkan, seperti berikut ini : 1.
Tenaga utama menggunakan air, yang merupakan sumber energi yang abadi tidak seperti bahan bakar untuk PLTU atau PLTN yang menggunakan bahan baker
fosil atau nuklir. 2.
Biaya pengoperasian dan pemeliharan PLTMH sangat rendah jika dibandingkan dengan PLTU atau PLTN.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
3. Melayani kebutuhan aktual daya listrik di wilayah pedesaan terpencil yang
umumnya rendah dengan daya beli masyarakat yang juga rendah, 4.
PLTMH cukup sederhana untuk dimengerti dan cukup mudah untuk dioperasikan.
5. Perkembangan mutakhir yang telah dicapai pada pengembangan turbin air, telah
dimungkinkan untuk memanfaatkan jenis turbin yang sesuai dengan keadaan setempat.
6. Pengembangan PLTMH dengan memanfaatkan arus sungai dapat menimbulkan
manfaat lain seperti pariwisata, perikanan, irigasi dan pengendalian banjir. Adapun kelemahan PLTMH diantaranya yang paling menonjol :
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 Komponen-komponen Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro Komponen-komponen sebuah PLTMH meliputi:
1 Diversion Weir dan Intake DamBendungan Pengalih dan Intake Bendungan untuk instalasi PLTMH berfungsi untuk menampung aliran air sungai
danatau hanya sekedar untuk mengalihkan air supaya masuk ke dalam intake. Sebuah bendungan biasanya dilengkapi dengan pintu air untuk membuang kotoran dan endapan
lihat Gambar 2.2. Perlengkapan lainnya adalah: penjebaksaringan sampah. PLTMH, umumnya adalah pembangkit tipe run of river, sehingga bangunan intake dibangun
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
berdekatan dengan bendungan dengan memilih dasar sungai yang stabil dan aman terhadap banjir.
Gambar 2.2: bendung dan pintu air
1.i Tipe-tipe dasar dam 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 batu
5 Dam pasangan batu basah 6 Dam batu bronjong
7 Dam batu bronjong diperkuat beton 8 Dam ranting kayu
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
9 Dam kayu 10 Dam bingkai kayu dengan kerikil
Dari jenis-jenis diatas, dam urugan batu fleksibel dan dam batu bronjong, secara umum terkenal digunakan di negara-negara Asia Tenggara karena beberapa keuntungan
seperti i tidak terlalu dipengaruhi oleh kondisi dari tanah dasarnya dan ii relatif mudah diperbaiki jika mengalami kerusakan. Bagaimanapun, mereka dapat ditembus oleh banjir
karena itu struktur dan penggunaannya harus didahului dengan pengujian yang hati-hati dari konstruksi yang penting seperti struktur sipil dan kondisi dari arus bawah. Tabel 2.1
dapat dijadikan referensi untuk menentukan tipe dasar dam intake untuk PLTA skala kecil.
Table 2.1: Jenis dam intake yang sering dipakai untuk pembangkit listrik tenaga air skala kecil dan kondisi aplikasinya
Tipe Garis Besar Gambar
Kondisi aplikasinya
Dam Beton graviti
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 penampilannya. Fondasinya : kerikil
Kondisi sungai : tidak dipengaruhi oleh kemiringan,
keluaran air atau tingkat beban
sedimen
Kondisi intake : penampilan yang baik, intake efisien
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Dam tanah Tanah earth digunakan untuk bahan utama
dan penggunaan dari batu gosong dan 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 Kondisi sungai : sungai dimana dam
tanah dapat hanyut jika menggunakan keluaran
air yang normal
Kondisi intake : keterbatasan 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 bronjong
Batu belah dibungkus dengan jarring logam untuk menyempurnakan kesatuannya.
Fondasi : berbagai jenis tanah earth sampai
lapisan batu Kondisi tanah : sungai dimana dam
urugan batu bisa
hanyut dengan menggunakan
keluaran air yang normal
Kondisi intake : keterbatasan penggunaan sungai
karena efisiensi intake yang rendah
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Dam batu bronjong
diperkuat beton
Penguatan permukaan batu bronjong dengan beton.
Fondasi : berbagai jenis tanah sampai lapisan batu
Kondisi sungai : sungai dimana jaring logam dapat
mengalami kerusakan jika aliran
sungai terlalu deras
Kondisi intake : dapat diterapkan jika efisiensi intake yang
tinggi diperlukan
Dam ranting kayu
Dam sederhana dengan menggunakan
ranting pohon lokal. Fondasi : berbagai jenis tanah
earth sampai lapisan kerikil.
Kondisi sungai : pengikisan terjadi jika terdapat banjir.
Kondisi intake : pada bagian dengan volume intake yang
rendah atau 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. Kondisi sungai : aliran yang tidak
deras dengan
pergerakan sedimen yang rendah.
Kondisi intake : suatu tingkat dari efisiensi intake
dalam keadaan yang aman jika
permukaannya dilapisi, dll.
Dam bingkai kayu dengan
kerikil Didalam 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
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Debit banjir rencana Design Flood
Di Indonesia, metode unit hidrograf adalah metode yang paling sering digunakan dalam memperkirakan debit banjir berdasarkan curah hujan sekitar 70 . Sedangkan
metode rasional tidak pernah dipakai lagi sejak permulaan tahun 1970-an Ibnu Kasiro, dkk, 1989. Hidrograf terdiri dari tiga bagian yang penting yaitu :
a. Bagian lengkung naik rising limb
b. Bagian lengkung puncak crest segment
c. Bagian lengkung turun decreasing limb.
Unit hidrograf adalah hidrograf dari aliran permukaan tanah yang terjadi oleh curah hujan efektif yang tingginya 10 mm pada suatu waktu tertentu ke daerah aliran sungai secara
merata. Unit hidrograf diperkenalkan oleh DR. K. Sherman pada tahun 1932. Pada tahap permulaan disebut unitgraph dan telah dimodifikasi oleh beberapa ahli hidrologi. Salah
satu diantaranya adalah Universitas Gadjah Mada yang disebut dengan hidrograf satuan sintetik GAMA I Dr. Ir. Sri Harto : Hidrograf satuan GAMA I, dan seorang ahli
hidrologi Jepang DR. Nakayasu yang disebut dengan hidrograf satuan sintetik Nakayasu. Hidrograf satauan sintetik GAMA I digunakan apabila data hidrologi sangat
sedikit dan luas daerah aliran sungainya kurang dari 3.250 km
2
dan hanya berlaku di pulau Jawa. Untuk hidrograf satuan sintetis, hidrograf satuan sintetis Nakayasu
merupakan hidrograf satuan yang mengalami penyimpangan paling kecil terhadap hidrograf satuan terukur Sumianti, 2003 yaitu 16,67 untuk waktu capai puncak, 12,34
untuk debit puncak dan 26,32 untuk waktu dasar Sumianti, 2003.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Hidrograf Satuan Sintetis Nakayasu HSS Nakayasu Analisa ini digunakan untuk menghitung banjir rencana dengan periode ulang
tertentu. Untuk menganalisa debit banjir ini digunakan hidrograf satuan sintetik Nakayasu dengan persamaan :
. 3
, 6
, 3
3 ,
T T
CxAxR Q
P p
+ =
Dimana, Q
P
= Debit puncak banjir m
3
detik C
= Angka koreksi A
= Luas DAS km
2
R = Hujan satuan mm
T
P
= Waktu dari permulaan hujan sampai puncak banjir jam T
0,3
= Waktu yang diperlukan oleh penurunan debit, dari debit puncak sampai menjadi 30 dari debit puncak jam.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Bagian lengkung naik rising limb hidrograf satuan dihitung dengan persamaan :
4 ,
2
=
P P
a
T t
Q Q
Dimana, Q
a
= Limpasan sebelum mencapai debit puncak m
3
detik t
= waktu jam
Bagian lengkung turun decreasing limb Untuk Qd 0,3 Q
P 3
,
3 ,
T Tp
t
Qpx Qd
−
= Untuk 0,3Qp Qd0,3
2
Qp
3 ,
. 5
, 1
3 ,
. 5
,
3 ,
T T
Tp t
Qpx Qd
+ −
= Gambar 2.3 :
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Untuk 0,3
2
Qp Qd
3 ,
. 2
3 ,
. 5
,
3 ,
T T
Tp t
Qpx Qd
+ −
= T
0,3
= .tg T
p
= tg + 0,8.tr tr
= 0,5 tg sampaik tg jam dimana untuk
L 15 km, maka tg = 0,21.L
0,7
L 15 km, maka tg = 0,4 + 0,058.L
Dengan L
= panjang alur sungai km Tg
= waktu konsentrasi jam
Untuk daerah pengaliran biasa = 2
Untuk bagian naik hidrograf yang lambat dan bagian turun cepat = 1,5
Untuk bagian naik hidrograf yang cepat dan bagian turun yang lambat v = 3. Selanjutnya perhitungan debit banjir dilakukan dengan tabel, dengan memasukkan nilai
hujan satuan jam-jaman dan memasukkan angka koreksi.
Cara Memutuskan ketinggian dam Seperti volume dam adalah proposional ke persegi dari tingginya, adalah penting
untuk memutuskan ketinggian dam dalam hal meminimalkan kondisi-kondisi berikut kedalam pertimbangan.
A. Kondisi yang membatasi ketinggian saluran
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Untuk menentukan ketinggian dam, diperlukan pertimbangan mengenai kondisi topografi dan geologi dari rute saluran yang akan digunakan sebagai tambahan bahan
pertimbangan pada lokasi konstruksi dam. Pemeriksaan yang teliti terutama dibutuhkan pada sebuah lokasi dimana perhitungan biaya konstruksi saluran air memiliki proporsi
yang besar dari total biaya konstruksi. Ketinggian dam pada lokasi dimana saluran air dikonstruksi di bawah jalan yang
sudah ada, seringkali ditentukan dengan referensi pada ketinggian jalan yang bersangkutan.
B. Kemungkinan kenaikan dasar sungai dibagian hilir Ketinggian dam untuk pembangkit listrik skala kecil pada umumnya rendah, ada
perhatian bahwa fungsi normalnya dapat terganggu oleh naiknya dasar sungai di bagian hilir.
Oleh karena itu, kenaikan dasar sungai di masa depan harus diperkirakan untuk memutuskan ketinggian dari dam jika lokasi yang direncanakan terdapat pada kasus
kasus berikut ini. 1
Kemiringan sungai yang tidak terlalu curam dengan tingkat perubahanpergerakan sedimen yang cukup tinggi
2 Keberadaan check dam yang tidak terisi penuh, dll. di bagian hilir dari dam intake
yang direncanakan. 3
Keberadaan dari lokasi yang rusak di bagian hilir yang cenderung akan berlanjut mengalami kerusakan di kemudian hari.
4 Keberadaan bagian sempit di daerah hilir yang akan menghalangi jalannya aliran
sedimen danatau sampah kayu.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
C. Kondisi untuk memindahkan sedimen dari depan dam dan bak pengendap dengan metode intake intake tyrolean dan intake sisi
Dibawah keadaan normal, ketinggian dari dam harus direncanakan untuk melebihkan nilai perhitungan dengan metode berikut untuk memastikan kemudahan
dalam memindahkan sedimen dari depan dam dan bak pengendap. 1 Intake sisi
Pada kasus intake sisi, kasus berikut a atau b, yang mana saja lebih tinggi, diadopsi.
a. Tinggi dam D
1
ditentukan dalam hubungan dengan elevasi dasar dari pintu pemeriksaan dari dam intake
D
1
= d
1
+ h 2.1
b. Tinggi dam D
2
ditentukan dengan kemiringan dasar dari bak pengendap D
2
= d
2
+ h + L i
c
– i
r
2.2 Dimana,
d
1
: Tinggi dari dasar pintu pemeriksaan ke dasar dari pintu pemasukan air biasanya 0.5 – 1.0 m
L : Panjang bak pengendap d
2
: Perbedaan antara dasar dari pintu pemeriksaan dari bak pengendap dasar sungai pada lokasi yang sama biasanya sekitar 0.5 m
h
i
: Kedalam air dari pintu pemasukan air biasanya ditentukan untuk membuat kecepatan aliran masuk mendekati 0.5 – 1.0 mdet
i
c
: Kemiringan dari dasar bak pengendap biasanya sekitar 120 – 130
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
i
r
: Kemiringan sungai sekarang.
Gamb ar
2.2.2: Poton
gan dari
Intak e Sisi
dan Dam
Gambar 2.4 : Potongan dari intake sisi dan dam 2 Intake tyrolean
Intake tyrolean dimana air diambil dari asumsi dasar bahwa didepan dam diisi dengan sedimen dan oleh karena itu, ketinggian dam ditentukan dengan kasus D
2
persamaan 2.2 untuk intake sisi. \
Gambar 2.5: Potongan dari Intake Tyrolean dan Dam D. Pengaruh pada pembangkitan daya listrik
Inlet L
i
c
i
r
d
2
d
1
hi
Inlet L
i
c
i
r
d
2
D
2
hi
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Pada sebuah lokasi dimana penggunaan ketinggian kecil atau dimana dirancang untuk mengamankan ketinggian dengan sebuah dam, ketinggian dam secara signifikan
mempengaruhi tingkat pembangkitan energi listrik. Berdasarkan hal tersebut, adalah perlu untuk menentukan ketinggian dam pada lokasi seperti itu dengan membandingkan
perubahan yang diharapkan dari kedua biaya konstruksi dan pembangkitan energi listrik karena perbedaan dari ketinggian dam.
E. Pengaruh dari air di bagian belakang Ketika jalan, tanah pemukiman, pertanian dan jembatan, dll. ada di area yang
elevasinya lebih rendah di bagian hulu dari sebuah lokasi dam intake yang direncanakan, adalah perlu untuk menentukan ketinggian dam untuk mencegah banjir karena air di
bagian belakang. Terutama sekali pada sebuah lokasi dengan ketinggian dam tinggi, tingkat pengaruh pada penampakan diatas harus diperiksa dengan menghitung air di
bagian belakang atau metode lainnya.
Lebar bendung
Yang dimaksud dengan lebar bendung adalah jarak antara tembok pangkal Abutment di satu sisi dengan abutment di sisi yang lain, termasuk pilar-pilar dan pintu
pembilas Untuk tidak terlalu banyak mengganggu aliran sungai setelah ada bendung, maka lebar bendung yang paling ideal adalah sama dengan lebar normal sungai B = Bn.
Bila ternyata dengan B = Bn mengakibatkan muka air di atas mercu tinggi sekali maka lebar bendung masih dapat dibesarkan sampai 1,2 lebar normal sungai. Jadi B
≤ 1,20 Bn Ref. Konstruksi bendung Tetap Departemen Pekerjaan Umum Tenaga Listrik, Ir.
Sunarno.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Lebar bendung diambil 1,2 kali lebar normal sungai pada debit penuh Q
50
sebelum adanya bendung yaitu sebagai berikut
Jadi lebar bendung B = 1,20 Bn = 1,20 b+m.h total Lebar bendung = Lebar rata-rata sungai x 1,2
Lebar efektif bendung Lebar efektif yang bermanfaat untuk melewatkan debit disebut lebar efektif
bendung yaitu lebar bendung dikurangi pengaruh pintu pembilas dan pilar-pilar termasuk pangkal bendung Abutment.
Harga koefisien kontraksi akibat bentuk pilar kp dan akibat bentuk tembok sayap ka dapat dilihat pada tabel 2.2. dan tabel 2.3. berikut
No Keterangan
Bentuk Pilar Kp
1 Untuk pilar berujung segi empat dengan
sudut-sudut dibulatkan pada pinggirnya sebesar yang hampir sama dengan 0,1 dari
0,02 Gambar 2.6 : Penampang rata-rata sungai aek silang
W Bn
b MA Banjir
h M = 1,5
1
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
lebar pilar
2 Untuk pilar berujung bulat
0,01
3 Untuk pilar berujung runcing
0,00
Tabel 2.2 : Harga-harga koefisien kontraksi Kp
No Keterangan
Bentuk tembok sayap Ka
1 Untuk pangkal bendung dengan sayap di
hulu tegak lurus terhadap aliran 0,20
2 Untuk pangkal bendung bulat dengan
tembok hulu pada 90° ke arah aliran dengan 0,5 H1 r 0,15 H1
0,10
3 Untuk pangkal bendung bulat dimana r
0,5 H1 dan tembok hulu tidak lebih dari 45° ke arah aliran
45° 0,00
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Tabel 2.3 : Harga-harga koefisien kontraksi Ka
Dihubungkan dengan lebar mercu yang sebenarnya B , maka lebar effektif bendung
B
e
dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut : B
e
= B
1
– 2 nKp + Ka H
1
B
1
= B – 2.b
pilar
dimana : n
= Jumlah Pilar Kp
= Koefisien Kontraksi Pilar Ka
= koefisien Kontraksi pangkal bendung abutment H
1
= Tinggi energi di atas mercu m Dari rumus debit bendung, muka air rencana dapat ditentukan
2 3
1
. .
3 2
3 2
H Be
g Cd
Q =
Jari-jari mercu bendung r = H2 Menghitung tinggi air di atas mercu bendung h
1
H
1
= h
1
+
g V
. 2
2 1
H
1
= Tinggi energi di atas bendung m h
1
= Tinggi air di atas bendung m V
1
= Kecepatan air di atas bendung mdetik V
1
=
1
h P
B Q
+ Q = Debit banjir rencana m
3
detik
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
B = Lebar total bendung m P = Tinggi bendung m
Maka, tinggi elevasi muka air maksimum dari dasar hulu bendung = P + h
1
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
2 Saluran Pembawa Head Race Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air
yang disalurkan Gambar 2.10. Ada berbagai macam saluran pembawa, antara lain terowongan, saluran terbuka dan saluran tertutup. Konstruksi saluran pembawa dapat
berupa pasangan batu kali atau hanya berupa tanah yang digali. Pada saluran yang panjang perlu dilengkapi dengan saluran pelimpah pada jarak tertentu. Ini untuk menjaga
jika terjadi banjir maka kelebihan air akan terbuang melalui saluran tersebut.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 2.10: Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit
Tipe dan Struktur Dasar Saluran
Karena secara umum jumlah air yang terangkut kecil, saluran pembawa untuk sebuah pembangkit listrik tenaga air secara mendasar mengadopsi struktur terbuka,
seperti sebuah saluran terbuka atau sebuah saluran tertutup, dll. Sejumlah contoh dan struktur dasar dapat dilihat masing-masing dalam Tabel 2.4
dan tabel 2.5.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Tabel 2.4: 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 diatasnya
• 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 berbelok
-belok, dll
Pipa tertutup saluran tertutup
Keuntungan •
Pada umumnya volume pekerjaan tanahnya besar.
• Rendahnya rata - rata sedimen
dan daun – daunan yang jatuh di saluran.
Permasalahan •
Sulitnya merawat dan meninjau saluran, termasuk pembersihan
dan perbaikkannya. •
Tabung yang dipendam Hume, PVC or FRPM
• Box culvert
• Pagar saluran dengan
tutupnya.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Tabel 2.5: Struktur Dasar Saluran Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air Skala Kecil
Tipe Garis Besar Diagram
Keuntungan dan Permasalahan Saluran tanah
sederhana Keuntungan
• Mudah dikonstruksi
• Murah
• Mudah diperbaiki
Permasalahan •
Mudah mengalami kerusakan pada dindingnya
• Tidak dapat diterapkan pada
tanah yang tinggi tingkat permeabelnya permeable =
mudah ditembus air
• Sulit untuk membersihkan
timbunan sedimennya. Saluran lajur
batu dan batu keras
Keuntungan •
Konstruksinya relatif mudah •
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 = mudah ditembus air Saluran
pasangan batu basah
Keuntungan •
Dapat dibangun dengan
menggunakan bahan - bahan lokal
• 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
pasangan batu kering saluran lajur batubatu keras.
• Relatif banyak memerlukan
tenaga kerja
n=0.030
n=0.025
Plastered : n=0.015 Non Plastered : n=0.020
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Saluran beton Keuntungan
• Tingkat kebebasan yang cukup
tinggi untuk desain potongan melintang.
Permasalahan •
Konstruksi sulit jika diameter dalamnya kecil
• Masa konstruksinya relatif lama
Saluran berpagar
kayu Keuntungan
• Lebih murah bila dibandingkan
dengan saluran dari beton. •
Susunannya fleksible jika terjadi deformasi tanah kecil.
Permasalahan •
Penggunaan yang terbatas jika menggunakan
fondasi tanah earth
• Kurang cocok untuk cross -
section yang cukup besar. •
Sulit untuk memastikan kerapatan air water-tightnessyang
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 relatif
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 bersangkutan.
n=0.015
n=0.015
n=0.015
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Saluran pipa hume
Keuntungan •
Mudah dikonstruksi di daerah tidak terlalu curam
• Periode konstruksinya relatif
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.
Menentukan Potongan Melintang dan Kemiringan slope Longitudinal
Ukuran potongan melintang dan kemiringan harus ditentukan supaya debit yang dibutuhkan turbin dapat diarahkan secara ekonomis ke bak penenang. Pada umumnya
ukuran potongan melintang berhubungan erat dengan kemiringan. Kemiringan saluran pembawa harus dibuat sehalus mungkin untuk mengurangi kehilangan ketinggian
perbedaan antara level air pada intake dan bak penenang tetapi hal ini akan menyebabkan kecepatan yang lebih rendah dan potongan melintang yang lebih besar.
Selain itu kemiringan yang curam, akan menyebabkan kecepatan aliran yang tinggi dan bagian yang lebih kecil tetapi juga kehilangan ketinggian yang besar.
Sebelum mulai menghitung dimensi potongan melintang saluran pembawa, pertama-tama kita harus mengetahui panjang saluran yang akan dibuat serta material
yang digunakan pada saluran apakah saluran akan dilining atau tidak dan apakah menggunakan saluran talang.
Bagian penampang melintang dari saluran pembawa ditentukan berdasarkan metode dibawah ini.
n=0.015
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Qd= A × R
23
× S
L 12
n Qd : disain debit untuk saluran pembawa m
3
s A : luas dari potongan melintang m
2
R : R=AP m P : panjang sisi-sisi basah m mengacu pada Gambar 2.2.9.
S
L
: Slope mendatar saluran pembawa contoh S
L
= 1100=0.01 n : koefisien kekasaran lihat Tabel 2.3
Selain dengan menggunakan rumus Manning di atas, dimensi saluran dapat juga dihitung dengan cara berikut :
a. tentukan harga kecepatan aliran pada saluran pembawa, dimana kecepatan tidak
boleh melebihi kecepatan maksimum dan kurang dari kecepatan minimum yang diberikan oleh tabel 2.6.
Material Kecepatan Maksimum mdetik
Lempung berpasir 0,5
Lempung 0,6
Lanau berlempung 0,7
Lanau 1,8
Pasangan batu 2,0
Beton 2,0
Tabel 2.6 : Kecepatan maksimum aliran pada saluran Sementara untuk kecepatan minimum, diambil sebesat 0,3 mdetik untuk menghindari
terjadinya sedimentasi. b.
Dari tabel 2.7. tentukan nilai kemiringan sisi saluran N bila saluran berbentuk trapesium dan untuk saluran persegi nilai N = 0. Kemudian tentukan nilai koefisien
kekasaran n dari tabel 2.3.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Material Kemiringan sisi saluran N
Lempung berpasir 2
Lempung 1,5
Lanau berlempung 1
Lanau 0,58
Pasangan batu 0,58
Beton 0,58
Tabel 2.7 : kemiringan sisi saluran c.
Hitung luas penampang saluran A dengan menggunakan persamaan : A =
v F
Q.
Q = Debit rencana saluran F = freeboard yang biasanya bernilai 1,3.
d. Hitung ketinggian saluran H, lebar saluran bawah B dan lebar saluran atas T.
Gunakan suatu variabel x sebagai bantuan untuk saluran trapesium yang berhubungan dengan harga N.
X = xN
N 2
1 2
2
− +
H = N
X A
+
B = H x X T = B + 2 x H x N
Untuk saluran persegi dengan nilai N = 0, maka X = 2 sehingga H =
2 A
T = B = 2.H e.
Hitung jari-jari hidrolik R dan kemiringan dasar saluran S dengan menggunakan
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
persamaan Manning : R =
P A
S =
2 667
,
R nxv
3 Pipa Pesat Penstock Pipa pesat lihat Gambar 2.11 berfungsi untuk mengubah energi potensial air di bak
penenang menjadi energi kinetik air di dalam pipa pesat, dan kemudian mengarahkan energi kinetik tersebut untuk memutar roda gerak turbin air. Penstock atau pipa pesat
merupakan pipa yang mengantarkan air bertekanan menuju turbin. Komponen-komponen utama dari sebuah pipa pesat dapat dilihat pada gamabar :
Pipa pesat merupakan salah satu biaya terbesar yang dikelurkan dalam pembuatan mikrohidro. Untuk optimalisasi harga disain pipa pesat sangat diperlukan dengan
memperkecil pengeluaran biaya bahan baku dan perawatan pemakaian.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 2.11: Penstock Pipa Pesat
Bahan 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 :
1. Besarnya tekanan air yang harus dipikul
2. Topografi dari lokasi penempatannya
3. Volume air yang harus ditampung
4. Metode penyambungan
5. Diameter pipa dan gaya gesek
6. Berat dan tingkat kesulitan dalam pemasangangannya
7. Umur rencana
8. Kondisi iklim dan cuaca
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
9. Harga dan biaya perawatan
10. Transportasi menuju lokasi
Material yang baik untuk digunakan untuk pipa pesat pada mikrohidro diantaranya : 1.
Besi ringan Mild steel 2.
Unplasticized polyvinyl choloride uPVC 3.
High-density polyethylene HDPE 4.
Medium-density polyethylene MDPE. .
Karakteristik pipa–pipa ini diperlihatkan pada Tabel 2.8 Bahan pipa penstock untuk pembangkit listrik tenaga air skala kecil.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Tabel 2.8: 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
seperti sering dipakai untuk
suplai air dan jaringan saluran
• Efektif untuk
sebuah jaringan pipa dengan debit
kecil •
Mempunyai banyak jenis pipa-pipa siap
pakai •
Sering dikubur dalam tanah karena
resistensi yang lemah dan koefisien
linear expansi yang besar
• Pada dasarnya
resisten terhadap tekanan eksternal
tetapi pipa siap pakai yang tahan
tekanan internal ada
• Relatif mudah
dalam pembuatannya
karena mudah dilas •
Pada dasarnya
digunakan dengan ditanam dalam
tanah •
Pipa plastik yang diperkuat dengan
fibergalss •
Digunakan untuk pipa yang terbuka
dan dapat dibuat lebih ringan dari
pipa FRPM dengan dinding yang lebih
tipis dengan syarat tidak ada beban
eksternal kecuali salju
• Populer menjadi
pilihan untuk pipa penstock dalam
pembangkit listrik tenaga air
• Bahan yang baik
untuk disain teknik yang ada
• Sering dipakai untuk
suplai air, saluran, irigasi dan pipa
industri •
Secara umum digunakan dengan
ditanam meskipun penggunaan di tempat
terbuka memungkinkan
• Tahanan tinggi
terhadap tekanan eksternal maupun
internal •
Sejumlah contoh penggunaan untuk
jaringan pemipaan •
Pada dasarnya digunakan untuk
ditanam karena untuk
menyembunyikan jalur spiral
pengelasan
• Dapat digunakan
sebagai lapisan pipa besi
Diameter Maksimum Pipa
mm Pipa tebal:
∅300 Pipa tipis:
∅800 ∅2,000
∅3,000 mendekati
∅3,000 ∅2,600
∅2,500
Tekanan di dalam yang diijinkan
kgfcm
2
Pipa tebal: 10 Pipa tipis: 6
2.0 – 3.0 Class A: 22.5
133 mendekati 40
15
Hydraulic Property n
0.009 – 0.010 0.010 – 0.011
0.010 – 0.012 umumnya mendekati
0.011 0.010 – 0.014
umumnya mendekati 0.012
0.011 – 0.015 umumnya mendekati
0.012 -
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Pipa Resin Pipa Besi
Pipa Hard Vinyl
Chlorid Pipa Howell
Pipa FRP Pipa Baja
Pipa Ductile Iron Pipa Spiral Welded
Kemampuan kerja •
Disain dan pengoperasiannya
mudah bebannya ringan dan terdapat
bebagai macam variasi pipa
• Kemampuan kerja
bagus karena beratnya ringan
• Kemampuan kerja
baik karena beratnya ringan dan
tidak perlu pengelasan di
lokasi
seperti membentuk cincin
karet yang digunakan untuk
menyambung pipa •
Pipa baja digunakan untuk
bagian khusus karena persediaan
yang terbatas dari pipa FRP khusus
• Kurang bagus
kemampuan kerjanya dibandingkan dengan
pipa-pipa FRP •
Kurang bagus kemampuan
kerjanya dibandingkan
dengan pipa-pipa FRP
• Kurang bagus
kemampuan kerjanya
dibandingkan dengan pipa-pipa
FRP
Kerapatan terhadap kebocoran
• Kerapatan bagus
memungkinkan sebagai pengikat
sambungan •
Tidak ada masalah kebocoran pada
sambungan •
Tidak ada masalah dengan kebocoran
selama cara penyambungannya
mantap •
Tidak ada masalah dengan kebocoran
selama cara penyambungannya
mantap •
bagus •
Tidak ada masalah
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Untuk mendisain pipa pesat mula-mula tentukan jenis bahan pipa pesat yang direncanakan dan hitung jarak antara saluran penampung menuju turbin dan beda
tinggi H
Gross
dari saluran penampung ke turbin. Panjang pipa pesat, didapat dengan menggunakan rumus trigonometri
L
pipa
=
2 2
gross Horizontal
H L
+
Kecepatan optimum dapat dicari dengan menggunakan rumus United State Bureau of Reclamation USBR sebagai hubungan anatara kecepatan dengan head untuk pipa.
gH V
2 125
, =
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,
smabungan dan transportasi. 2.
Biaya perawatan pipa seperti pembersihan dan pengecatan ulang. 3.
Daya yang dapat dihantarkan pipa setelah mengalami kehilangan akibat gesekan
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
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
=
V Q
V Q
d =
2
. .
4 1
π
Ketebalan pipa : t =
40 80
+ D
dimana, t = ketebalan minimum pipa
D = diameter pipa 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 kd terhadap nilai 1,2.Qd. Dari tabel 2.9. didapat koefisien ‘k’ untuk
beberpapa material pipa dengan umur kondisinya Melalui grafik kehilangan akibat gesekan didapat faktor gesekan fL.
H
kehilangan pada dinding
=
5 2
. 08
, .
. d
Q L
fL
pipa
=
5 2
168 ,
1 6
08 ,
53 ,
429 016
, x
x x
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
= 9,105 m
Material Umur kondisi
5 tahun 5 - 15 tahun
15 tahun Pipa lunak
PVC, HDPE, MDPE Fiberglas
0,003 0,01
0,05
Beton 0,06
0,15 1,5
Baja ringan : Baja tak berlapis
Baja galvanis 0,01
0,06 0,1
0,15 0,5
0,3
Besi Baru
Lama - karat rendah - karat sedang
- karat tinggi 0,15
0,6 1,5
6,0 0,3
1,5 3,0
10,0 0,6
3,0 6,0
20,0
Tabel 2.9 : koefisien kekasaran pipa ‘k’ dalam mm
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 2.12 : grafik faktor gesekan pada pipa Dari tabel didapat faktor kehilangan akibat gerakan turbulen aliran pada pipa,
diasumsikan pipa pesat tidak membengkok, namun terdapat putaran pada ketajaman sudut masuk K
entrance
. dan bukaan klep K
Valve
. No
Bentuk ketajaman sudut masuk Kvalve
1 1,0
2 0,8
3 0,5
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
4 0,2
Tabel 2.10 : koefisien ketajaman sudut masuk
Tipe klep bola
pintu Kupu-kupu K klep
0,1 0,3
Tabel 2.11 : koefisien bukaan klep
H
kehilangan pada turbin
= .
2
2 entrance
valve
K K
g V
+
Kehilangan kibat gesekan H
kehilangan akibat gesekan
H
kehilangan akibat gesekan
= h
kehilangan pada dinding
+ h
kehilangan pada turbin
Kehilangan =
gross loss
H H
x 100
Efisiensi penstock =
Hgross - Hloss Hgross
4. Turbin
Pengertian Turbin
Turbin berfungsi untuk mengubah energi air potensial, tekanan dan kinetik menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran gagang dari roda ini
dapat digunakan untuk memutar berbagai macam alat mekanik penggilingan biji, pemeras minyak, mesin bubut, dll, atau untuk mengoperasikan generator listrik.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Mesin-mesin atau alat-alat, yang diberi tenaga oleh skema hidro, disebut dengan ‘Beban’ Load.
Turbin-turbin hidraulik, berhubungan erat dengan generator, fungsi utamanya adalah mengubah energi air menjadi tenaga listrik. Air mengalir melalui turbin,
memberi tenaga pada penggerak runner dari turbin dan membuatnya berputar. Corong dari penggerak berhubungan langsung dengan generator, asalkan tenaga
mekanik yang penting tersalur pada generator. Jadi, turbin-turbin menempati posisi kunci dalam bidang teknik hidroelektrik dan membentuk suatu bagian besar dari
seluruh jumlah biaya proyek. Menurut sejarahnya, turbin hidraulik sekarang ini berasal dari kincir-kincir air
pada zaman pertengahan yang dipakai untuk memecah batubara dan keperluan pabrik gandum. Salah satu dari kincir angin tersebut dapat dilihat di Aurangabad India,
yang telah berumur 400 tahun. Namun tetap terdapat perbedaan antara kincir dengan turbin, turbin-turbin modern saat ini merupakan kemenangan dari kemajuan teknologi
dari cabang-cabang bidang teknik seperti mekanika zat cair, ilmu logam dan mekanika teknik.
Jenis-Jenis Turbin
Fourneyron, Jonval, Girard adalah beberapa jenis turbin pada zaman dahulu. Jenis- jenis turbin yang dipergunakan di bidang teknik hidroslistrik pada saat ini, adalah :
a. Turbin Francis
b. Turbin Pelton
c. Turbin baling-baling dan Kaplan
d. Turbin Turgo
e. Turbin Crossflow atau Bank
a. Turbin Francis
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Turbin-turbin Francis adalah jenis turbin yang paling banyak dipakai pada PLTA saat ini. Turbn Francis bekerja dengan aliran air yang bertekanan. Jadi untuk
turbin Francis itu selalu mengalir penuh pada penggerak yang sama dewngan selubung penuh air.
Penggerak turbin terdiri dari sebuah pisau melengkung yang dilas pada dua shroud. Deretan pisau bervariasi dari 12 sampai 22 tergantung pada kecepatan
spesifik nomor rendah untuk kecepatan-kecepatan spesifik di atas 300 rpm. Cara kerja turbin Francis
Air dari pipa pesat masuk ke dalam selubung spiral di bawah tekanan dan mengalir melalui pintu-pintu kecil masuk ke dalam penggerak runner. Setelah
mengalir meninggalkan penggerak, air melalui sebuah tube sementara dan saluran buang. Tujuan dari tube sementara adalah untuk mengetahui kecepatan dari tinggi
aliran air yang keluar dari penggerak, juga untuk mengusahakan penggerak mempunyai tingkat aliran hilir tanpa mengurangi tinggi air yang bersangkutan.
b. Turbin Pelton Turbin ini terdiri dari sebuah piringan-piringan lingkaran pada pinggir-
pinggirnya periphery. Pada instalasi pembangkit listrik tenaga air ukuran besar, Turbin Pelton normalnya diperhitungkan memiliki head gross setinggi 150 meter.
Namun, untuk instalasi mikro hidro Turbin Pelton dapat digunakan pada head yang lebih rendah. Diameter turbin Pelton berukuran kecil yang berputar dengan kecepatan
tinggi dapat menghasilkan 1 kW listrik pada head tidak lebih dari 20 meter. Prinsip kerja dari turbin Pelton adalah mengubah energi kinetik air yang
masuk ke jet menjadi gaya rotasi angular dan menghantarkannya ke generator sehingga menghasilkan energi listrik. Turbin Pleton tewrmasuk turbin yang memilki
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
efisiensi yang sangat baik, air yang terbuang setelah memberikan tekanan pada runner hanya menyisakan energi kinetik yang sangat sedikit.
Dahulu, turbin Pleton pada mikro hidro selalu menggunakan pemancar air tunggal single jet karena kemudahannya dan biayanya lebih murah dibandingkan
dengan jet ganda atau lebih dari dua multi jet. Namun sebenarnya multi jet memiliki keuntungan yang lebih banyak dibandingkan dengan single jet, diantaranya :
- Dapat menghasilkan putaran yang lebih cepat - Penggerak runner menjadi lebih kecil
- Sebagian alirannya dapat dikendalikan tanpa katup berbentuk tombak spear valve - Mengurangi kesempatan penghambat yang dapat mengurangi tekanan.
c. Turbin Kaplan dan Baling-Baling Pengaturan umum untuk baling-baling dan turbin Kaplan adalah kurang lebih
sama dengan teurbin Francis. Jadi, selubung scroll, cincin stay dan tube sementara dalam keadaan similar seperti dalam selubung-selubung turbin Francis dan
menjalankan fungsi yang sama. Perbedaan yang besar yaitu dimana turbin-turbin Francis dicampurkan dengan turbin-turbin aliran. Balin-baling dan Kaplan merupakan
turbin aliran aksial. Penggerak turbin ini menyurupai sebauh baling-baling yang terdiri dari pusat pada pinggirnya, dimana baling-baling berbentuk lengkung
ditegakkan. Baling-baling bertindak seperti kantiliver-kantiliver didukung hanya pada pusat. Jumlah dayung untuk sebuah baling-baling turbin Kaplan bervariasi dari 3
hingga 8 tergantung pada jangkauan kecepatan spesifik. Baling-baling berbentuk sebuah badan berongga semikonal permukaan luar diman menjadi batas dari
pemasukan air. Di dalam poros terdapat corong turbin. d. Turbin Turgo
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Turbin Turgo merupakan sakah satu turbin penggerak yang mirip dengan turbin Pelton. Tetapi, pemancar air jet di disain untuk memberikan tekanan kepada
penggerak runner yang memiliki sudut biasanya 20°. Pada turbin ini, air masuk menuju runner melalui satu sisi dan keluar dari sisi yang berbeda. Sebagai akibatnya,
aliran dari runner Turgo dapat masuk tanpa batas oleh cairan yang bercampur dengan jet yang baru masuk.Selanjutnya, turbin turgo dapat memilki diameter runner yang
lebih kecil dari pada Pelton namun memilki daya yang sebanding. Turbin Turgo memilki beberapa kerugian. Pertama, turbin Turgo lebih sulit
pembuatannya dibandingkan dengan turbin Pelton karena bentuk baling-baling lebih kompleks. Kedua, tampilan turbin Turgo merupakan muatan aksial yang kokohpada
runner dimana harus menyediakan kecocokan poros pada ujung lobangnya. e. Turbin Crossflow
Turbin Crossflow sering juga disebut dengan turbin Banki, Mitchell atau turbin Ossberger. Turbin Crossflow terdiri dari sebuah tong berbentuk penggerak
runnerterbuat dari dua buah piringan yang terhubung dengan lingkaran terdekat oleh beberapa gerigi yang melengkung. Turbin Crossflow memiliki penggerak horizontal
pada bawah kotaknya tidak seperti Pelton atau Turgo yang dapat memiliki runner horizontal atau vertikal. Pada operasiannya, pipa berbentuk kotak secara langsung
memancarkan air sepanjang runner. Air mendorong gerigi dan memberikan banyak energi kinetik.
5. Daya dan Energi
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Daya yang masuk atau total daya yang diserap oleh suatu mikrohidro merupakan daya kotor bruto ,P gross. Daya yang biasanya disampaikan adalah daya bersih P net .
Keseluruhan efesiensi yang mempengaruhi daya ini dimasukkan dalam e .
P gross didapat dari head gross h gross dikalikan dengan debit aliran Q dan dikalikan dengan percepatan gravitasi; yang diambil 9,81. Sehingga, didapat
persamaan dasar kekuatan air pada mikrohidro yaitu : P net = h x Q x 9,81 x e
kW Dimana :
H = head meter Q = Debit air m
3
detik Dalam pekerjaan mikrohidro diperlukan faktor koreksi. Diantaranya :
Power Output = e saluran x e pipa pesat x e turbin x e generator x e trafo x e transmisi x power input
Eo = E
saluran
× E
penstock
× E
turbin
× E
generator
× E
sistem kontrol
× E
jaringan
× E
trafo
Biasanya E
saluran
: 1.0 - panjang saluran × 0.002 ~ 0.005 H
gross
E
penstock
: 0.90 ~ 0.95 tergantung pada panjangnya E
turbin
: 0.70 ~ 0.85 tergantung pada tipe turbin E
generator
: 0.80 ~ 0.95 tergantung pada kapasistas generator E
jaringan
: 0.90 ~ 0.98 tergantung pada panjang jaringan E
trafo
: 0.98
Efisiensi turbin Efisiensi jaringan
Daya terbangkit
Efisiensi trafo step- up dan step-down
Tenaga potensial penuh Tenaga masuk
Efisiensi generator Efisiensi penstock
Efisiensi saluran
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 2.13 : Efisiensi pada skema PLTMH Energi yang dilepaskan didapat dari berat air yang jatuh dikalikan dengan tinggi jatuh
vertikalnya. Berat jatuh didapat dari massa m dikalikan dengan percepatan gravitasi. Sementara tinggi jatuh vertikal merupakan harga h gross.
Energi yang dilepas = m x g x h gross Joule
Karena berat air merupakan perkalian antara berat jenis dengan volume air V , sehingga didapat :
Energi yang dilepas = V x x g x h gross Joule
Saat air masuk ke turbin dengan debit tertentu, energi yang dilepas dapat dinyatakan dalam kondisi daya power , dimana Power merupakan energi yang dilepas
persatuan waktu. P gross = x Q x g x h
gross
Jouledetik atau Watt Dengan memasuki harga massa jenis air air = 1.000 kgm
3
, dan percepatan gravitasi g = 9,8 mdetik
2
. Daya yang dihasilkan pada turbin akan banyak berkurang dari daya kotornya P gross , karena kehilangan akibat gesekan pada pipa
pesat penstock dan pada turbin. Daya yang keluar pada generator berkurang lagi akibat kurang efisiennya sistem kerja dan generator. Selanjutnya, pada transmisi
power hilang, dengan daya akhir yang mampu dihasilkan dan didistribusikan kepada pengguna listrik mikrohidro ini hanya mencapai setengah dari kapasitas daya
kotornya P gross . Nilai efesiensi keseluruhannya e cenderung berkisar antara 0,4
hingga 0,6.
Muhammad Asy’ari Perangin-angin : Perencanaan Pembuatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro, 2008. USU Repository © 2009
BAB III PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN