PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MI
PERANCANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO
DENGAN TINGGI JATUH AIR KURANG DARI 3 METER
Tugas Akhir
Oleh : Muhammad Rizki Kresnawan
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia
Jalan Kaliurang km. 14,5 Sleman, Jogjakarta 55501
Telp. (0274) 895007, 895287 Faks. (0274) 895007 Ext 147
E-mail : muhammadrizkikresnawan@rocketmail.com
Abstrak
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) merupakan salah satu sumber energi
terbarukan, ramah lingkungan dan mudah diterapkan di daerah-daerah pedesaan dan terpencil.
Di Indonesia, potensi energi PLTMH cukup besar namun kurang termanfaatkan karena pada
umumnya aliran sungai memiliki tinngi jatuh yang relatif rendah dan dipandang kurang layak
secara teknik dan ekonomi. Hal tersebut menimbulkan gagasan untuk melakukan penelitian yang
berupa perancangan PLTMH yang sesuai untuk tinggi jatuh yang rendah dengan menggunakan
bahan-bahan yang murah dan mudah didapat di dalam negeri.
Dari potensi tenaga listrik yang didapat dari data tinggi jatuh dan debit aliran maka dapat
dirancang komponen-komponen pembangkit utama yaitu turbin dan generator. Agar dapat
diperkirakan kinerja turbin digunakan simulasi aliran berbasis computational fluid dynamic
(CFD) menggunakan flow simulation software solidworks. Komponen yang dirancang meliputi,
runner, rumah turbin, generator dan transmisi mekanis,.
Dari hasil penelitian diperoleh hasil rancangan sebuah turbin generator low head jenis
cross flow lengkap dengan spesifikasi tinggi jatuh aliran maksimal sebesar 3 m dan debit aliran
1 m3/s dengan daya yang dihasilkan sebesar 25,116 kW dan efisiensi turbin sebesar 85,43%.
Turbin generator ini memiliki panjang runner sebesar 1,5478 m dengan sudu sejumlah 18 buah
dan memiliki diameter runner sebesar 0,29 m. serta biaya produksi Rp. 284,550,000 yang cukup
bersaing dengan harga PLTMH di pasaran yang diperuntukkan pada lokasi tinggi jatuh yang
lebih tinggi.
Kata kunci : PLTMH, low head, cross flow, computational fluid dynamic (CFD), energi
terbarukan, mikro hidro
1. Pendahuluan
2. Tinjauan Pustaka
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro
(PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala
kecil (kurang dari 200kW), yang memanfaatkan
aliran air sebagai sumber penghasil energi.
PLTMH merupakan salah satu sumber energi
terbarukan dan sangat layak disebut clean
energy karena ramah lingkungan.
PLTMH lebih mudah diterima masyarakat
luas karena minim resiko yang fatal dan sangat
dibutuhkan di desa yang memiliki letak
geografis terpencil yang belum mendapatkan
listrik dari PLN namun memiliki potensi aliran
air irigasi, sungai yang dapat dibendung,
maupun air terjun kecil yang memiliki tinggi
jatuh air berkisar antara 0,5 – 3 meter.
Dengan menilik latar belakang yang telah
dijelaskan maka penilitian ini bertujuan
merancang pembangkit listrik tenaga mikro
hidro dengan tinggi jatuh air 0,5 - 3 meter
menggunakan turbin crossflow.
Dari penelitian yang sudah ada yang
memiliki kedekatan dengan penelitian ini.
Penelitian yang dilakukan oleh Ifhan
Firmansyah, Syariffuddin Mahmudsyah, dan
Teguh Yuwono, 2011, mengenai studi
pembangunan PLTMH Dompyong 50kW di
Desa Dompyong, Trenggalek. Penelitian ini
membahas cara merancang PLTMH dengan
memanfaatkan air sebagai sumber penggerak
dari turbin dan segala aspek mekanikal serta
elektrikal yang diperlukan dalam sebuah
pembangunan PLTMH. [1].
Penelitian kedua oleh Rizky Primachristi
dan Ryantira Pongdatu, 2014, mengenai studi
rancang bangun PLTMH di sungai Sampean
Baru, Bondowoso. Penelitian ini membahas
tentang studi perancangan PLTMH dengan
memanfaatkan aliran sungai yang dibendung
kemudian digunakanlah debit andalan sebagai
parameter debit air yang akan digunakan untuk
merancang turbin airnya [2].
Penelitian oleh Bilal Abdullah Nasir, 2013,
mengenai desain turbin cross flow efisiensi
tinggi untuk pembangkit listrik mikro hidro.
Penelitian ini membahas tentang cara
merancang turbin cross flow yang memiliki
tingkat efisiensi tinggi dan menghasilkan
formula-formula perhitungan komponen dari
turbin cross flow dengan mengasumsikan tinggi
jatuh rendah dan debit air kecil [3].
Penelitian berikutnya oleh Bryan Patrick
Ho-Yan, 2012, mengenai desain turbin low head
untuk pembangkit listrik piko hidro di Kamerun.
Penelitian ini membandingkan beberapa desain
turbin low head yang cocok digunakan di suatu
wilayah tertentu. Beberapa turbin yang
digunakan tersebut di antaranya adalah
crossflow dan propeller [4].
A. Mikro Hidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
(PLTMH) adalah suatu sistem pembangkit
listrik yang dapat mengubah potensi air dengan
ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga
listrik dengan menggunakan turbin air dan
generator. Daya (power) yang dihasilkan
merupakan reaksi antara head dan debit air yang
dapat dihitung berdasarkan persamaan sebagai
berikut:
P=ρ.g.H.Q
(2.1)
Ket:
P = daya teoritis yang dikeluarkan (kW)
ρ = Massa jenis air (1000 kg/m3)
H = tinggi jatuh air efektif (m)
Q = debit air (m3/s)
g = gravitasi (m/s2)
Gambar 1 Skema Mikro Hidro [5]
B. Turbin Cross Flow
Turbin Crossflow adalah salah satu turbin
air dari jenis turbin aksi (impulse turbine).
Crossflow adalah jenis turbin air yang paling
mudah dibuat, dikarenakan ruang kerjanya
berada pada tekanan atmosfer, dan sistem
kerjanya memanfaatkan impulse dari fluida air.
Berikut ini daftar persamaan yang
digunakan untuk merancang sebuah turbin cross
flow:
Tabel 1 Rumus-rumus menghitung komponen
turbin cross flow
Parameter
Rumus
Unit
Daya (P)
ῤxQxgxH
1/2 x C^2 x (1+
ψ) x 〖cos〗^2 (α)
ῤxQxgxHxη
Watt
Efisiensi (η)
Daya Turbin (Pt)
Diameter Runner
(Do)
Jarak Antar Blade (tb)
Jumlah Blade
Kec. Turbin (N)
Panjang Runner (L)
Lebar Nosel (tj)
Jarak Antara
Pemancar Dengan
Keliling Runner (y)
Radius Kelengkungan
Blade (rc)
%
Watt
40 x √H/N
m
0,174 x Do
m
(π x Do)/tb
(513,25 x
H^0,745)/√Pt
(Q x N)/((50 x H))
buah
0,29 x Do
m
0,05 x Do
m
0,163 x Do
m
rpm
m
Sistem transmisi adalah sistem yang
berfungsi untuk konversi torsi dan kecepatan
(putaran) dari mesin menjadi torsi dan kecepatan
yang berbeda-beda untuk diteruskan ke
penggerak akhir. Konversi ini mengubah
kecepatan putar yang tinggi menjadi lebih
rendah tetapi lebih bertenaga, atau sebaliknya.
Adapun perhitungan dari pulley transmisi
disini menggunakan persamaan berikut ini :
x
(2.12)
Keterangan :
x = rasio pembanding
Ns = Kecepatan generator sinkron (rpm)
N = Kecepatan turbin (rpm)
Sedangkan panjang dari belt yang akan
digunakan dapat dihitung dengan persamaan
berikut :
げ
2
1,57 げ 1
2こ
Keterangan :
L = Panjang belt/sabuk (mm)
C = Jarak antara poros (mm)
D1 = Diameter pulley generator (mm)
D2 = Diameter pulley turbin (mm)
こ
(2.13)
C. Generator
Generator adalah sumber tegangan listrik
yang diperoleh melalui perubahan energi
mekanik menjadi energi listrik. Generator
bekerja
berdasarkan
prinsip
induksi
elektromagnetik, yaitu dengan memutar suatu
kumparan dalam medan magnet sehingga timbul
ggl induksi.
Generator mempunyai dua komponen
utama, yaitu bagian yang diam (stator) dan
bagian yang bergerak (rotor). Rotor
berhubungan dengan poros generator yang
berputar di pusat stator. Poros generator
biasanya diputar menggunakan usaha luar yang
dapat berasal dari turbin, baik turbin air atau
turbin uap dan selanjutnya berproses
menghasilkan arus listrik.
Untuk
menjaga
keandalan
dari
kerja generator, maka dilengkapilah generator
dengan
peralatan-peralatan
proteksi.
Peralatan proteksi generator harus betul-betul
mencegah kerusakan generator, karena
kerusakan generator selain akan menelan biaya
perbaikan yang mahal juga sangat mengganggu
operasi sistem. Jenis-jenis proteksi minimal
pada generator meliputi:
a) Overcurrent protection
Proteksi jenis ini difungsikan untuk
mengamankan generator dari arus
melebihi rating sebenarnya.
b) Earth-fault protection
Proteksi jenis ini difungsikan untuk
mengamankan generator dari arus
gangguan tanah yang mengalir ke fase
netral generator.
PLTMH
pada
umumnya
tidak
memanfaatkan governor untuk mengendalikan
keluaran dayanya. Hal ini disebabkan oleh
alasan ekonomis dimana harga governor yang
sangat mahal bahkan lebih mahal dari harga
turbin untuk keperluan mikrohidro. Untuk
menjaga agar tegangan dan frekuensi keluaran
PLTMH tetap baik dan tidak membahayakan
generator dan beban/peralatan yang terhubung
kepadanya,
diperlukan
sebuah
sistem dummy load.
menghitung prakiraan daya output turbin.
Kemudian dapat diketahui besarnya kecepatan
putaran turbin saat beroperasi. Setelah itu
penelitian dilanjutkan dengan menghitung dan
merancang komponen-komponen dari turbin
yang akan dirancang.
Penelitian dilanjutkan dengan menganalisis
aliran fluida yang mengalir di dalam turbin.
Parameter aliran fluida yang dianalisis adalah
parameter kecepatan aliran fluida dan parameter
tekanan aliran fluida karena memiliki andil
dalam putaran turbin. Setelah menganalisis
aliran fluida, tahap selanjutnya adalah
menentukan spesifikasi generator yang akan
digunakan pada penelitian ini.
Tahapan penelitian dilanjutkan menghitung
dan merancang sistem transmisi mekanik antara
turbin dan generator. Kemudian membuat single
line diagram dan sistem pengamanan dari
generator serta kalkulasi kebutuhan material dan
biaya produksi dari turbin ini.
TIDAK
YA
YA
TIDAK
3. Metodologi Penelitian
Diagram alir penelitian perancangan
pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan
tinggi jatuh kurang dari 3 meter ditunjukkan
pada gambar 2.
Perancangan pembangkit listrik tenaga
mikro hidro dengan tinggi jatuh kurang dari 3
meter ini dimulai dengan menentukan
spesifikasi tinggi jatuh dan debit air, kemudian
4. Hasil Penelitian
A. Perancangan Turbin Cross Flow
Pemilihan turbin cross flow pada penelitian
ini didasarkan pada ranah pengoperasian yang
luas dan bisa digunakan di hampir seluruh tipe
head. Turbin cross flow juga merupakan satusatunya turbin impuls yang dapat digunakan
pada head rendah.
Setelah mengkalkulasi semua komponen
baik utama maupun pendukung dari pembangkit
listrik mikro hidro ini maka dihasilkanlah
spesifikasi yang cocok untuk perancangan
pembangkit listrik mikro hidro ini, seperti pada
tabel 3.1.
yang didapatkan berupa parameter kecepatan
fluida dan tekanan fluida.
1) Analisis Kecepatan Aliran Fluida
Tabel 2 Hasil Perhitungan Komponen Turbin
Cross Flow
Parameter
Hasil
Daya (P)
29400 Watt
Efisiensi (η)
85,43 %
Daya Turbin (Pt)
25116 Watt
Diameter Runner (Do)
0,29 m
Jarak Antar Blade (tb)
0,05046 m
Jumlah Blade
18 buah
Kec. Turbin (N)
232,17 rpm
Panjang Runner (L)
1,5478 m
Lebar Nosel (tj)
Jarak Antara Pemancar
Dengan Keliling Runner (y)
Radius Kelengkungan Blade
(rc)
0,0841 m
0,0145 m
0,04727 m
Sistem transmisi yang digunakan adalah
sistem transmisi dengan pulley belt. Berikut
adalah perbandingan rasio kecepatan turbin
cross flow dan generator, serta panjang belt yang
akan digunakan.
a) Rasio pulley
= 6,46
Gambar 3 Kecepatan Aliran Fluida Turbin
Cross Flow
Aliran fluida yang cukup cepat pada
nosel masuk sudu runner ditandai dengan
warna kuning pada bagian nosel (± 9 m/s).
Kecepatan menurun saat fluida menabrak 2
sudu teratas turbin cross flow, aliran fluida
yang menjadi lebih kehijauan (± 7 m/s).
Setelah itu fluida mengalir ke bagian
bawah runner dengan kecepatan yang
semakin melambat dan kemudian masuk ke
bagian draft tube dari turbin cross flow
sebelum dialirkan keluar dari turbin (± 3
m/s). Sebagian energi kinetik air dirubah
menjadi energi putar turbin (± 66,67 %)
2) Analisis Tekanan Aliran Fluida
,
Rasionya menjadi 1 : 6,5
b) Panjang belt
2げ1000こ 1,57 げ100
650こ
げ
げ
こ
こ
= 3253,125 mm atau 3,253 m
Note : C = Jarak kedua shaft 1000 mm
B. Analisis Aliran Fluida Turbin Cross Flow
Setelah melakukan simulasi dengan
mengikuti perintah pada bagian metodologi
penelitian menggunakan tools Computational
Fluid Dynamics (CFD) yang tersedia pada
software solidworks yaitu Flow Simulation. Hal
ini diperlukan agar dapat diketahui karakteristik
aliran fluida dari turbin cross flow hasil
rancangan. Dimana parameter hasil simulasi
Gambar 4 Tekanan Aliran Fluida Turbin
Cross Flow
Tekanan pada nosel terlihat konstan (±
120000Pa = 1,2 bar), tekanan meningkat saat
aliran menabrak sudu-sudu turbin (± 135000Pa
= 1,35 bar). Tekanan fluida pada sisi lain dari
nosel cenderung sama dengan nosel itu sendiri
(± 120000Pa = 1,2 bar), tekanan fluida pada sisi
bawah nosel cenderung kebiru mudaan (±
100000Pa = 1,0 bar). Parameter dari tekanan
aliran fluida sendiri memiliki andil sebesar
16,7% dalam putaran turbin. Faktor besarnya
sudut dari nosel mempengaruhi tekanan
fluidanya.
C. Spesifikasi Generator
Generator yang digunakan pada penelitian
ini mengacu pada data teknikal dari IEC frame
size generator dimana untuk daya sebesar 30 kW
dengan 4 kutub harus menggunakan tipe 200L
dengan spesifikasi sudah terlampir seperti pada
tabel IEC frame size.
Tabel 3 Spesifikasi Generator
IEC Frame Size
Y2-200L-4
Merk
STC 3 Phase Synchronous
Generator
Model
STC-30
Daya
30 kW
Tegangan
380 Volt
Fase
3 Fase terhubung Y
Kecepatan
1500 rpm
Putaran
Frekuensi
50 Hz
Kutub
4
Horse Power
40 HP
Arus
57,6 Amps
Efficiency
96%
0,86
Cos
Exciter
Built In Brushless Exciter
Ballast Load
Heater 10 kW
Harga
IDR 7,500,000
MCCB yang digunakan dengan merk
Merlin Gerin type NS 100H dengan
menggunakan model STR 22ME ini disetting
dengan memperhitungkan 1,5 kali arus
maksimum yang akan mengalir saat generator
dibebani secara penuh yaitu sebesar 45,58 A.
Sehingga arusnya sebesar 68,37 A. MCCB ini
memiliki rating 80 A.
Fuse difungsikan untuk mengamankan arus
lebih dari dummy load yang berupa water
heater. Pemilihan fuse didasarkan pada arus
maksimal dari water heater yang memiliki daya
sebesar 10kVA ini sendiri, dimana nominal arus
tersebut berkisar di angka 15,01 A. Fuse yang
digunakan merk ABB dengan tipe CEF/CMF
5964 GB dengan rating arus sebesar 16 A. Kurva
proteksi dari generator seperti ditunjukkan pada
gambar 4.
Sistem koordinasi proteksi ini sendiri terdiri
dari beberapa peralatan pengaman seperti
molded case circuit breaker (MCCB) dan fuse.
Gambar 6 Kurva Proteksi Generator Dan Water
Heater
D. Kalkulasi Biaya Produksi Turbin Generator
Untuk memproduksi sebuah turbin
generator pada penelitian ini membutuhkan
dana seperti pada yang tercantum pada tabel 4.
Setelah mendapatkan total biaya produksi
turbin generator, maka dapat diperkirakan harga
turbin generator per 1 kW berkisar antara IDR
9,500,000.00 – 10,000,000.
Gambar 5 Single Line Diagram Generator
Beserta Dummy Load
Tabel 4 Estimasi Anggaran Biaya Produksi
No
Items
Spesifikasi
Qty
Harga
1
Turbin Cross Flow
St 31 Mild Steel
1
IDR 225,000,000.00
2
Generator
30 kW (AVR)
1
IDR
7,500,000.00
3
Pulley
Ratio 1 : 6,5
2
IDR
200,000.00
4
Panel Box
Kotak
1
IDR
400,000.00
5
Proteksi
MCCB & Fuse
2
IDR
600,000.00
6
Alat Ukur
Voltmeter & Ammeter
2
IDR
400,000.00
7
Belt
Siegling Extremultus
3
IDR
450,000.00
8
Jasa
Orang/Hari
10
IDR
50,000,000.00
Total Biaya
IDR 284,550,000.00
E. Detail Engineering Design (DED)
Gambar 7 Housing Turbin
Gambar 8 Runner Turbin
Gambar 9 Generator 30 kW
Gambar 10 Pulley Generator
Gambar 11 Pulley Turbin
Gambar 12 Layout Hasil Perancangan Turbin Cross Flow Beserta Generatornya
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian perancangan
pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan
tinggi jatuh kurang dari 3 meter, dapat diambil
beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Penelitian ini berhasil merancang sebuah
turbin generator dengan spesifikasi head 3
m dan debit 1 m3/s, dengan daya sebesar
25,116 kW dan efisiensi turbin sebesar
85,43%. Panjang runner 1,5478m, sudu 18
buah dengan diameter runner sebesar
0,29m.
2. Rasio dari transmisi pulley ini sendiri
didapatkan 1 : 6,5.
3. Analisis fluida turbin menggunakan
parameter kecepatan aliran dan tekanan
aliran, dimana turbin cross flow sendiri
yang merupakan turbin impulse sangat
dipengaruhi kecepatan putarannya terhadap
kedua parameter ini.
4. Generator yang digunakan mengambil data
teknik dari IEC Frame Size generator,
dimana untuk generator 30 kW, 380 V,
dengan 4 pole merupakan tipe generator
Y2-200L-4.
5. Sistem proteksi dari generator sendiri
dikhususkan pada gangguan arus lebih dan
gangguan tanah. MCCB sendiri akan
memiliki setting rating arus 1,5 kali dari
arus nominal generator saat beban penuh
yang bernilai 45,58 A. Fuse yang digunakan
memiliki setting arus diangka 16 A dan
difungsikan untuk mengamankan dummy
load dari gangguan arus lebih.
6. Daftar Pustaka
[1] I. Firmansyah, S. Mahmudsyah and T. Yuwono,
“Studi Pembangunan Pembangkit Listrik
Tenaga Hikro Hidro (PLTMH) Dompyong
50kW di Desa Dompyong, Bendungan,
Trenggalek,” 2011.
[2] R. Primachristi and R. Pongdatu, "Studi
Rancang Bangun PLTMH di Sungai Sampean
Baru, Desa Bunutan, Kecamatan Tapen,
Kabupaten Bondowoso,” 2014.
[3] B. A. Nasir, "Design of High Efficiency CrossFlow Turbine for Hydro-Power Plant," 2013.
[4] B. P. Ho-Yan, "Design of a Low Head Pico
Hydro Turbine for Rural Electrification in
Cameroon Thesys. Ontario, Canada," 2012.
[5] Anonim, "RainWindSun," 2015. [Online].
Available:
http://www.rainwindsun.com/faqs/microhydro.html.
DENGAN TINGGI JATUH AIR KURANG DARI 3 METER
Tugas Akhir
Oleh : Muhammad Rizki Kresnawan
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia
Jalan Kaliurang km. 14,5 Sleman, Jogjakarta 55501
Telp. (0274) 895007, 895287 Faks. (0274) 895007 Ext 147
E-mail : muhammadrizkikresnawan@rocketmail.com
Abstrak
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) merupakan salah satu sumber energi
terbarukan, ramah lingkungan dan mudah diterapkan di daerah-daerah pedesaan dan terpencil.
Di Indonesia, potensi energi PLTMH cukup besar namun kurang termanfaatkan karena pada
umumnya aliran sungai memiliki tinngi jatuh yang relatif rendah dan dipandang kurang layak
secara teknik dan ekonomi. Hal tersebut menimbulkan gagasan untuk melakukan penelitian yang
berupa perancangan PLTMH yang sesuai untuk tinggi jatuh yang rendah dengan menggunakan
bahan-bahan yang murah dan mudah didapat di dalam negeri.
Dari potensi tenaga listrik yang didapat dari data tinggi jatuh dan debit aliran maka dapat
dirancang komponen-komponen pembangkit utama yaitu turbin dan generator. Agar dapat
diperkirakan kinerja turbin digunakan simulasi aliran berbasis computational fluid dynamic
(CFD) menggunakan flow simulation software solidworks. Komponen yang dirancang meliputi,
runner, rumah turbin, generator dan transmisi mekanis,.
Dari hasil penelitian diperoleh hasil rancangan sebuah turbin generator low head jenis
cross flow lengkap dengan spesifikasi tinggi jatuh aliran maksimal sebesar 3 m dan debit aliran
1 m3/s dengan daya yang dihasilkan sebesar 25,116 kW dan efisiensi turbin sebesar 85,43%.
Turbin generator ini memiliki panjang runner sebesar 1,5478 m dengan sudu sejumlah 18 buah
dan memiliki diameter runner sebesar 0,29 m. serta biaya produksi Rp. 284,550,000 yang cukup
bersaing dengan harga PLTMH di pasaran yang diperuntukkan pada lokasi tinggi jatuh yang
lebih tinggi.
Kata kunci : PLTMH, low head, cross flow, computational fluid dynamic (CFD), energi
terbarukan, mikro hidro
1. Pendahuluan
2. Tinjauan Pustaka
Pembangkit listrik tenaga mikro hidro
(PLTMH) adalah pembangkit listrik berskala
kecil (kurang dari 200kW), yang memanfaatkan
aliran air sebagai sumber penghasil energi.
PLTMH merupakan salah satu sumber energi
terbarukan dan sangat layak disebut clean
energy karena ramah lingkungan.
PLTMH lebih mudah diterima masyarakat
luas karena minim resiko yang fatal dan sangat
dibutuhkan di desa yang memiliki letak
geografis terpencil yang belum mendapatkan
listrik dari PLN namun memiliki potensi aliran
air irigasi, sungai yang dapat dibendung,
maupun air terjun kecil yang memiliki tinggi
jatuh air berkisar antara 0,5 – 3 meter.
Dengan menilik latar belakang yang telah
dijelaskan maka penilitian ini bertujuan
merancang pembangkit listrik tenaga mikro
hidro dengan tinggi jatuh air 0,5 - 3 meter
menggunakan turbin crossflow.
Dari penelitian yang sudah ada yang
memiliki kedekatan dengan penelitian ini.
Penelitian yang dilakukan oleh Ifhan
Firmansyah, Syariffuddin Mahmudsyah, dan
Teguh Yuwono, 2011, mengenai studi
pembangunan PLTMH Dompyong 50kW di
Desa Dompyong, Trenggalek. Penelitian ini
membahas cara merancang PLTMH dengan
memanfaatkan air sebagai sumber penggerak
dari turbin dan segala aspek mekanikal serta
elektrikal yang diperlukan dalam sebuah
pembangunan PLTMH. [1].
Penelitian kedua oleh Rizky Primachristi
dan Ryantira Pongdatu, 2014, mengenai studi
rancang bangun PLTMH di sungai Sampean
Baru, Bondowoso. Penelitian ini membahas
tentang studi perancangan PLTMH dengan
memanfaatkan aliran sungai yang dibendung
kemudian digunakanlah debit andalan sebagai
parameter debit air yang akan digunakan untuk
merancang turbin airnya [2].
Penelitian oleh Bilal Abdullah Nasir, 2013,
mengenai desain turbin cross flow efisiensi
tinggi untuk pembangkit listrik mikro hidro.
Penelitian ini membahas tentang cara
merancang turbin cross flow yang memiliki
tingkat efisiensi tinggi dan menghasilkan
formula-formula perhitungan komponen dari
turbin cross flow dengan mengasumsikan tinggi
jatuh rendah dan debit air kecil [3].
Penelitian berikutnya oleh Bryan Patrick
Ho-Yan, 2012, mengenai desain turbin low head
untuk pembangkit listrik piko hidro di Kamerun.
Penelitian ini membandingkan beberapa desain
turbin low head yang cocok digunakan di suatu
wilayah tertentu. Beberapa turbin yang
digunakan tersebut di antaranya adalah
crossflow dan propeller [4].
A. Mikro Hidro
Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
(PLTMH) adalah suatu sistem pembangkit
listrik yang dapat mengubah potensi air dengan
ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga
listrik dengan menggunakan turbin air dan
generator. Daya (power) yang dihasilkan
merupakan reaksi antara head dan debit air yang
dapat dihitung berdasarkan persamaan sebagai
berikut:
P=ρ.g.H.Q
(2.1)
Ket:
P = daya teoritis yang dikeluarkan (kW)
ρ = Massa jenis air (1000 kg/m3)
H = tinggi jatuh air efektif (m)
Q = debit air (m3/s)
g = gravitasi (m/s2)
Gambar 1 Skema Mikro Hidro [5]
B. Turbin Cross Flow
Turbin Crossflow adalah salah satu turbin
air dari jenis turbin aksi (impulse turbine).
Crossflow adalah jenis turbin air yang paling
mudah dibuat, dikarenakan ruang kerjanya
berada pada tekanan atmosfer, dan sistem
kerjanya memanfaatkan impulse dari fluida air.
Berikut ini daftar persamaan yang
digunakan untuk merancang sebuah turbin cross
flow:
Tabel 1 Rumus-rumus menghitung komponen
turbin cross flow
Parameter
Rumus
Unit
Daya (P)
ῤxQxgxH
1/2 x C^2 x (1+
ψ) x 〖cos〗^2 (α)
ῤxQxgxHxη
Watt
Efisiensi (η)
Daya Turbin (Pt)
Diameter Runner
(Do)
Jarak Antar Blade (tb)
Jumlah Blade
Kec. Turbin (N)
Panjang Runner (L)
Lebar Nosel (tj)
Jarak Antara
Pemancar Dengan
Keliling Runner (y)
Radius Kelengkungan
Blade (rc)
%
Watt
40 x √H/N
m
0,174 x Do
m
(π x Do)/tb
(513,25 x
H^0,745)/√Pt
(Q x N)/((50 x H))
buah
0,29 x Do
m
0,05 x Do
m
0,163 x Do
m
rpm
m
Sistem transmisi adalah sistem yang
berfungsi untuk konversi torsi dan kecepatan
(putaran) dari mesin menjadi torsi dan kecepatan
yang berbeda-beda untuk diteruskan ke
penggerak akhir. Konversi ini mengubah
kecepatan putar yang tinggi menjadi lebih
rendah tetapi lebih bertenaga, atau sebaliknya.
Adapun perhitungan dari pulley transmisi
disini menggunakan persamaan berikut ini :
x
(2.12)
Keterangan :
x = rasio pembanding
Ns = Kecepatan generator sinkron (rpm)
N = Kecepatan turbin (rpm)
Sedangkan panjang dari belt yang akan
digunakan dapat dihitung dengan persamaan
berikut :
げ
2
1,57 げ 1
2こ
Keterangan :
L = Panjang belt/sabuk (mm)
C = Jarak antara poros (mm)
D1 = Diameter pulley generator (mm)
D2 = Diameter pulley turbin (mm)
こ
(2.13)
C. Generator
Generator adalah sumber tegangan listrik
yang diperoleh melalui perubahan energi
mekanik menjadi energi listrik. Generator
bekerja
berdasarkan
prinsip
induksi
elektromagnetik, yaitu dengan memutar suatu
kumparan dalam medan magnet sehingga timbul
ggl induksi.
Generator mempunyai dua komponen
utama, yaitu bagian yang diam (stator) dan
bagian yang bergerak (rotor). Rotor
berhubungan dengan poros generator yang
berputar di pusat stator. Poros generator
biasanya diputar menggunakan usaha luar yang
dapat berasal dari turbin, baik turbin air atau
turbin uap dan selanjutnya berproses
menghasilkan arus listrik.
Untuk
menjaga
keandalan
dari
kerja generator, maka dilengkapilah generator
dengan
peralatan-peralatan
proteksi.
Peralatan proteksi generator harus betul-betul
mencegah kerusakan generator, karena
kerusakan generator selain akan menelan biaya
perbaikan yang mahal juga sangat mengganggu
operasi sistem. Jenis-jenis proteksi minimal
pada generator meliputi:
a) Overcurrent protection
Proteksi jenis ini difungsikan untuk
mengamankan generator dari arus
melebihi rating sebenarnya.
b) Earth-fault protection
Proteksi jenis ini difungsikan untuk
mengamankan generator dari arus
gangguan tanah yang mengalir ke fase
netral generator.
PLTMH
pada
umumnya
tidak
memanfaatkan governor untuk mengendalikan
keluaran dayanya. Hal ini disebabkan oleh
alasan ekonomis dimana harga governor yang
sangat mahal bahkan lebih mahal dari harga
turbin untuk keperluan mikrohidro. Untuk
menjaga agar tegangan dan frekuensi keluaran
PLTMH tetap baik dan tidak membahayakan
generator dan beban/peralatan yang terhubung
kepadanya,
diperlukan
sebuah
sistem dummy load.
menghitung prakiraan daya output turbin.
Kemudian dapat diketahui besarnya kecepatan
putaran turbin saat beroperasi. Setelah itu
penelitian dilanjutkan dengan menghitung dan
merancang komponen-komponen dari turbin
yang akan dirancang.
Penelitian dilanjutkan dengan menganalisis
aliran fluida yang mengalir di dalam turbin.
Parameter aliran fluida yang dianalisis adalah
parameter kecepatan aliran fluida dan parameter
tekanan aliran fluida karena memiliki andil
dalam putaran turbin. Setelah menganalisis
aliran fluida, tahap selanjutnya adalah
menentukan spesifikasi generator yang akan
digunakan pada penelitian ini.
Tahapan penelitian dilanjutkan menghitung
dan merancang sistem transmisi mekanik antara
turbin dan generator. Kemudian membuat single
line diagram dan sistem pengamanan dari
generator serta kalkulasi kebutuhan material dan
biaya produksi dari turbin ini.
TIDAK
YA
YA
TIDAK
3. Metodologi Penelitian
Diagram alir penelitian perancangan
pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan
tinggi jatuh kurang dari 3 meter ditunjukkan
pada gambar 2.
Perancangan pembangkit listrik tenaga
mikro hidro dengan tinggi jatuh kurang dari 3
meter ini dimulai dengan menentukan
spesifikasi tinggi jatuh dan debit air, kemudian
4. Hasil Penelitian
A. Perancangan Turbin Cross Flow
Pemilihan turbin cross flow pada penelitian
ini didasarkan pada ranah pengoperasian yang
luas dan bisa digunakan di hampir seluruh tipe
head. Turbin cross flow juga merupakan satusatunya turbin impuls yang dapat digunakan
pada head rendah.
Setelah mengkalkulasi semua komponen
baik utama maupun pendukung dari pembangkit
listrik mikro hidro ini maka dihasilkanlah
spesifikasi yang cocok untuk perancangan
pembangkit listrik mikro hidro ini, seperti pada
tabel 3.1.
yang didapatkan berupa parameter kecepatan
fluida dan tekanan fluida.
1) Analisis Kecepatan Aliran Fluida
Tabel 2 Hasil Perhitungan Komponen Turbin
Cross Flow
Parameter
Hasil
Daya (P)
29400 Watt
Efisiensi (η)
85,43 %
Daya Turbin (Pt)
25116 Watt
Diameter Runner (Do)
0,29 m
Jarak Antar Blade (tb)
0,05046 m
Jumlah Blade
18 buah
Kec. Turbin (N)
232,17 rpm
Panjang Runner (L)
1,5478 m
Lebar Nosel (tj)
Jarak Antara Pemancar
Dengan Keliling Runner (y)
Radius Kelengkungan Blade
(rc)
0,0841 m
0,0145 m
0,04727 m
Sistem transmisi yang digunakan adalah
sistem transmisi dengan pulley belt. Berikut
adalah perbandingan rasio kecepatan turbin
cross flow dan generator, serta panjang belt yang
akan digunakan.
a) Rasio pulley
= 6,46
Gambar 3 Kecepatan Aliran Fluida Turbin
Cross Flow
Aliran fluida yang cukup cepat pada
nosel masuk sudu runner ditandai dengan
warna kuning pada bagian nosel (± 9 m/s).
Kecepatan menurun saat fluida menabrak 2
sudu teratas turbin cross flow, aliran fluida
yang menjadi lebih kehijauan (± 7 m/s).
Setelah itu fluida mengalir ke bagian
bawah runner dengan kecepatan yang
semakin melambat dan kemudian masuk ke
bagian draft tube dari turbin cross flow
sebelum dialirkan keluar dari turbin (± 3
m/s). Sebagian energi kinetik air dirubah
menjadi energi putar turbin (± 66,67 %)
2) Analisis Tekanan Aliran Fluida
,
Rasionya menjadi 1 : 6,5
b) Panjang belt
2げ1000こ 1,57 げ100
650こ
げ
げ
こ
こ
= 3253,125 mm atau 3,253 m
Note : C = Jarak kedua shaft 1000 mm
B. Analisis Aliran Fluida Turbin Cross Flow
Setelah melakukan simulasi dengan
mengikuti perintah pada bagian metodologi
penelitian menggunakan tools Computational
Fluid Dynamics (CFD) yang tersedia pada
software solidworks yaitu Flow Simulation. Hal
ini diperlukan agar dapat diketahui karakteristik
aliran fluida dari turbin cross flow hasil
rancangan. Dimana parameter hasil simulasi
Gambar 4 Tekanan Aliran Fluida Turbin
Cross Flow
Tekanan pada nosel terlihat konstan (±
120000Pa = 1,2 bar), tekanan meningkat saat
aliran menabrak sudu-sudu turbin (± 135000Pa
= 1,35 bar). Tekanan fluida pada sisi lain dari
nosel cenderung sama dengan nosel itu sendiri
(± 120000Pa = 1,2 bar), tekanan fluida pada sisi
bawah nosel cenderung kebiru mudaan (±
100000Pa = 1,0 bar). Parameter dari tekanan
aliran fluida sendiri memiliki andil sebesar
16,7% dalam putaran turbin. Faktor besarnya
sudut dari nosel mempengaruhi tekanan
fluidanya.
C. Spesifikasi Generator
Generator yang digunakan pada penelitian
ini mengacu pada data teknikal dari IEC frame
size generator dimana untuk daya sebesar 30 kW
dengan 4 kutub harus menggunakan tipe 200L
dengan spesifikasi sudah terlampir seperti pada
tabel IEC frame size.
Tabel 3 Spesifikasi Generator
IEC Frame Size
Y2-200L-4
Merk
STC 3 Phase Synchronous
Generator
Model
STC-30
Daya
30 kW
Tegangan
380 Volt
Fase
3 Fase terhubung Y
Kecepatan
1500 rpm
Putaran
Frekuensi
50 Hz
Kutub
4
Horse Power
40 HP
Arus
57,6 Amps
Efficiency
96%
0,86
Cos
Exciter
Built In Brushless Exciter
Ballast Load
Heater 10 kW
Harga
IDR 7,500,000
MCCB yang digunakan dengan merk
Merlin Gerin type NS 100H dengan
menggunakan model STR 22ME ini disetting
dengan memperhitungkan 1,5 kali arus
maksimum yang akan mengalir saat generator
dibebani secara penuh yaitu sebesar 45,58 A.
Sehingga arusnya sebesar 68,37 A. MCCB ini
memiliki rating 80 A.
Fuse difungsikan untuk mengamankan arus
lebih dari dummy load yang berupa water
heater. Pemilihan fuse didasarkan pada arus
maksimal dari water heater yang memiliki daya
sebesar 10kVA ini sendiri, dimana nominal arus
tersebut berkisar di angka 15,01 A. Fuse yang
digunakan merk ABB dengan tipe CEF/CMF
5964 GB dengan rating arus sebesar 16 A. Kurva
proteksi dari generator seperti ditunjukkan pada
gambar 4.
Sistem koordinasi proteksi ini sendiri terdiri
dari beberapa peralatan pengaman seperti
molded case circuit breaker (MCCB) dan fuse.
Gambar 6 Kurva Proteksi Generator Dan Water
Heater
D. Kalkulasi Biaya Produksi Turbin Generator
Untuk memproduksi sebuah turbin
generator pada penelitian ini membutuhkan
dana seperti pada yang tercantum pada tabel 4.
Setelah mendapatkan total biaya produksi
turbin generator, maka dapat diperkirakan harga
turbin generator per 1 kW berkisar antara IDR
9,500,000.00 – 10,000,000.
Gambar 5 Single Line Diagram Generator
Beserta Dummy Load
Tabel 4 Estimasi Anggaran Biaya Produksi
No
Items
Spesifikasi
Qty
Harga
1
Turbin Cross Flow
St 31 Mild Steel
1
IDR 225,000,000.00
2
Generator
30 kW (AVR)
1
IDR
7,500,000.00
3
Pulley
Ratio 1 : 6,5
2
IDR
200,000.00
4
Panel Box
Kotak
1
IDR
400,000.00
5
Proteksi
MCCB & Fuse
2
IDR
600,000.00
6
Alat Ukur
Voltmeter & Ammeter
2
IDR
400,000.00
7
Belt
Siegling Extremultus
3
IDR
450,000.00
8
Jasa
Orang/Hari
10
IDR
50,000,000.00
Total Biaya
IDR 284,550,000.00
E. Detail Engineering Design (DED)
Gambar 7 Housing Turbin
Gambar 8 Runner Turbin
Gambar 9 Generator 30 kW
Gambar 10 Pulley Generator
Gambar 11 Pulley Turbin
Gambar 12 Layout Hasil Perancangan Turbin Cross Flow Beserta Generatornya
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian perancangan
pembangkit listrik tenaga mikro hidro dengan
tinggi jatuh kurang dari 3 meter, dapat diambil
beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Penelitian ini berhasil merancang sebuah
turbin generator dengan spesifikasi head 3
m dan debit 1 m3/s, dengan daya sebesar
25,116 kW dan efisiensi turbin sebesar
85,43%. Panjang runner 1,5478m, sudu 18
buah dengan diameter runner sebesar
0,29m.
2. Rasio dari transmisi pulley ini sendiri
didapatkan 1 : 6,5.
3. Analisis fluida turbin menggunakan
parameter kecepatan aliran dan tekanan
aliran, dimana turbin cross flow sendiri
yang merupakan turbin impulse sangat
dipengaruhi kecepatan putarannya terhadap
kedua parameter ini.
4. Generator yang digunakan mengambil data
teknik dari IEC Frame Size generator,
dimana untuk generator 30 kW, 380 V,
dengan 4 pole merupakan tipe generator
Y2-200L-4.
5. Sistem proteksi dari generator sendiri
dikhususkan pada gangguan arus lebih dan
gangguan tanah. MCCB sendiri akan
memiliki setting rating arus 1,5 kali dari
arus nominal generator saat beban penuh
yang bernilai 45,58 A. Fuse yang digunakan
memiliki setting arus diangka 16 A dan
difungsikan untuk mengamankan dummy
load dari gangguan arus lebih.
6. Daftar Pustaka
[1] I. Firmansyah, S. Mahmudsyah and T. Yuwono,
“Studi Pembangunan Pembangkit Listrik
Tenaga Hikro Hidro (PLTMH) Dompyong
50kW di Desa Dompyong, Bendungan,
Trenggalek,” 2011.
[2] R. Primachristi and R. Pongdatu, "Studi
Rancang Bangun PLTMH di Sungai Sampean
Baru, Desa Bunutan, Kecamatan Tapen,
Kabupaten Bondowoso,” 2014.
[3] B. A. Nasir, "Design of High Efficiency CrossFlow Turbine for Hydro-Power Plant," 2013.
[4] B. P. Ho-Yan, "Design of a Low Head Pico
Hydro Turbine for Rural Electrification in
Cameroon Thesys. Ontario, Canada," 2012.
[5] Anonim, "RainWindSun," 2015. [Online].
Available:
http://www.rainwindsun.com/faqs/microhydro.html.