Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Dengan Turbin Pelton Sebagai Alat Peraga Mata Kuliah Energi Baru Dan Terbarukan T1 612007038 BAB II

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro

Mikrohidro atau yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan ketinggian jatuhnya air (Head) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air.

Menurut data dari departemen ESDM tahun 2006, Potensi tenaga air di seluruh Indonesia diperkirakan sebesar 75.67 GW. Hingga saat ini baru dimanfaatkan sebesar 4.2 GW atau sekitar 5.55% nya saja. Pembangkit listrik mikrohidro mengacu pada pembangkit listrik dengan skala di bawah 200 kW. Banyak daerah pedesaan di Indonesia yang dekat dengan aliran sungai yang memadai untuk pembangkit listrik pada skala yang demikian. Diharapkan dengan memanfaatkan potensi yang ada di desa-desa tersebut dapat memenuhi kebutuhan energinya sendiri dalam mengantisipasi kenaikan biaya energi atau kesulitan jaringan listrik nasional untuk menjangkaunya.

PLTMH juga termasuk sumber energi terbarukan dan layak disebut Clean energy karena ramah lingkungan. Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena konstruksinya yang sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan dan penyediaan suku cadang.

4

Perhitunganya teknis daya PLTMH adalah sebagai berikut:

P = ρ Q g H (2.0)

P = Daya (W)

Q = Debit Aliran Air (m3/s) H = Head (m)

ρ = massa jenis air (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2)

Berdasarkan persamaan daya teknis PLTMH terlihat debit dan tinggi jatuhnya air sangat menentukan seberapa besar daya yang akan dihasilkan oleh sistem PLTMH yang akan dirancang. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air sebagai sumber energi, turbin, dan generator.

2.2 Turbin Air

Turbin adalah alat yang berfungsi merubah energi dari air menjadi energi mekanis (putar). Energi mekanis ini kemudian akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Turbin banyak sekali macamnya, berdasarkan cara kerjanya dibagi menjadi 2 yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

Turbin reaksi adalah turbin yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin. Contoh turbin reaksi adalah turbin francis, turbin propeller dan turbin kaplan.

Turbin francis dapat berupa volute-case ataupun open-flume. Konstruksi rumah keong (spiral case) memungkinkan air terdistribusi secara uniform sepanjang perimeter dari runner dan guide vane menyalurkan air tersebut pada sudut yang tepat. Sudu runner merupakan profil yang kompleks dan terendam air. Dorongan air ke sudu runner memindahkan energi air ke runner sebelum air tersebut keluar turbin lewat draft tube. Turbin Francis biasanya mempunyai

5

guide-vane yang dapat diatur. Gerakan guide-vane ini mengatur aliran air yang masuk ke runner dan biasanya dihubungkan dengan sistem governor yang mengatur besar laju aliran air. Jika aliran air berkurang maka efisiensi turbin juga turun.

Gambar 2.2 Turbin Francis

Turbin propeller pada dasarnya terdiri dari sebuah propeller (baling-baling), yang sama bentuknya dengan baling-baling kapal laut, yang dipasang pada tabung setelah pipa pesat. Poros turbin menyambung keluar dari tabung. Turbin propeller biasanya mempunyai tiga sampai enam sudu, biasanya tiga sudu untuk turbin yang mempunyai head sangat rendah dan aliran air diatur oleh sudu statis atau wicket gate yang dipasang tepat di hulu propeller. Turbin propeller ini dikenal sebagai fixed blade axial flow turbine karena sudut sudu rotornya tidak dapat diubah. Efisiensi operasi turbin pada beban untuk turbin jenis ini sangat rendah.

Untuk hydropower yang berskala lebih besar maka dipakai turbin propeller yang lebih canggih. Pada turbin ini sudu propeller dan wicket gate dapat diatur sehingga efisiensi nya pada saat beroperasi pada beban rendah tetap baik. Turbin dengan variable pitch ini dikenal sebagai turbin kaplan. Untuk turbin propeller dan turbin Kaplan dapat dilihat pada gambar 2.3.

6

Gambar 2.3 Turbin Propeller / Kaplan

Turbin impuls adalah turbin air yang cara kerjanya merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi kinetik. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozzle. Air yang keluar nozzle mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nozzle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton.

7

Selanjutnya adalah pemilihan jenis turbin didasarkan dari perbandingan antara debit air dan head dapat dilihat pada gambar 2.4. Dipilih turbin pelton pada perancangan kali ini karena tidak membutuhkan debit air yang besar, mengingat tempat dan ukuran alat seminimal mungkin.

Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun 1880. Turbin ini dioperasikan pada head sampai 1800 m, turbin ini relative membutuh kan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Prinsip kerja turbin pelton adalah mengubah daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar generator listrik. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran air diubah menjadi energi mekanik oleh roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros generator listrik, maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada generator.

Turbin pelton sendiri mempunyai beberapa komponen utama yaitu nozzle yang berfungsi mengarahkan aliran air, kedua yaitu sudu turbin yang berfungsi menangkap aliran air dan juga rumah turbin untuk tempat roda jalan dan penahan air yang keluar dari sudu-sudu turbin.

Gambar 2.5 Turbin Pelton

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan

8

pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozzle. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkuk sudu lebih kecil.

Kemudian untuk penghitungan pada skripsi kali ini digunakan teori tentang laju aliran volume air atau disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :

Q = A.v (2.1)

Dimana :

v = Kecepatan aliran (m/s) A = Luas penampang pipa (m) Q = Debit aliran (m³_/s)

Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai berikut:

Q = V/t (2.2)

Dimana :

V = Volume aliran (m3) Q = Debit aliran (m³_/s)

t = waktu aliran (s)

Untuk mengetahui Head yang ada pada perancangan PLTMH dapat menggunakan rumus (2.3). Rumus ini merupakan penerapan dari hukum bernoulli untuk menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah.

9

Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah:

Massa jenis zat cair (air) sama, maka kita sederhanakan.

v = √(2gH) (2.3)

Dimana : H = Head (m)

g = percepatan gaya gravitasi (m2/s)

Selanjutnya adalah persamaan kontinuitas yaitu perkalian antara luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang tabung aliran adalah konstan. Persamaan berikut menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika melalui pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit.

Gambar 2.7 Persamaan Kontinuitas Q1 = Q2

10 2.3 Generator

Generator merupakan alat yang dapat menghasilkan arus listrik dengan cara merubah energi kinetik menjadi energi listrik. Generator listrik pertama kali ditemukan oleh Faraday pada tahun 1831. Pada saat itu, generator listrik dibuat dalam bentuk gulungan kawat pada besi yang berbentuk U. Generator listrik tersebut terkenal dengan nama Generator cakram faraday. Cara kerja generator listrik adalah menggunakan induksi elektromagnet, yaitu dengan memutar suatu kumparan dalam medan magnet sehingga timbul tegangan induksi.

Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik, yaitu: stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan berhubungan dengan poros generator listrik yang berputar pada pusat stator. Kemudian poros generator listrik tersebut biasanya diputar dengan menggunakan usaha yang berasal dari luar, seperti yang berasal dari turbin air.

Salah satu jenis generator adalah generator AC (Alternating Current) atau generator arus bolak-balik atau biasa disebut juga sebagai generator sinkron.

2.4 Pengatur Tegangan

Pengatur tegangan (voltage regulator) adalah suatu rangkaian yang berfungsi menyediakan suatu tegangan keluaran tetap dan tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan masukan dan beban yang digunakan.

Sebagai contoh saat turbin berputar dengan cepat maka output generator juga akan bertambah, begitu pula sebaliknya apabila turbin berputar lambat maka generator akan menghasilkan output yang lebih kecil. Tugas dari voltage regulator disini untuk menjaga tegangan yang dihasilkan generator stabil agar dapat digunakan pada alat listrik dan tidak cepat rusak karena adanya perubahan tegangan.

2.5 Mikrokontroler ATMega16

Mikrokontroler ATMega16 merupakan mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel keluarga AVR. AVR mempunyai 32 register general-purpose,

11

timer/counter dengan metode compare, interrupt eksternal dan internal, serial UART, progammable Watchdog Timer, ADC dan PWM internal.

Beberapa keistimewaan ATMega16 yaitu mempunyai saluran Input/Output (I/O) ada 32 buah, yaitu PORTA, PORTB, PORTC, PORTD. ADC / Analog to Digital Converter 10 bit sebanyak 8 channel pada PORTA. 2 buah timer/counter 8-bit dan 1 buah timer/counter 16-bit dengan prescalers dan kemampuan pembanding. Watchdog timer dengan osilator internal. Tegangan operasi 2,75 - 5,5 V pada ATMega16L dan 4,5 - 5,5 V pada ATMega16. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. Antarmuka komparator analog. 4 channel PWM. Kecepatan nilai (speed grades) 0 - 8 MHz untuk ATMega16L dan 0 - 16 MHz untuk ATMega16.

Gambar 2.8 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATMega16

Dari Gambar 2.3 dapat dijelaskan cara kerja fungsional masing – masing pin, yaitu :

 VCC merupakan pin masukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika digital tentunya butuh sumber catu daya yang umumnya sebesar 5V, itulah sebabnya di PCB kit mikrokontroller selalu ada IC regulator 5V.

12

 Port.A (PAO..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram sebagai pin masukan ADC.

 Port B (PBO..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Tirner/Counter, Komparator analog, dan SPI.

 Port C (PCO..PC7) merupakan pin I/0 dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog, dan Timer Osilator.

 Port D (PDO..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.

 Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroller.

 XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock ekstemal. Suatu mikrokontroler membutuhkan sumber detak (clock) agar dapat mengeksekusi instruksi yang ada di memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat mikrokontroller tersebut.

 AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC.

 AREF sebagai pin masukan tegangan referensi. 2.6 Akumulator

Akumulator merupakan sebuah alat yang dapat menyimpan energi (umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Contoh-contoh akumulator adalah baterai dan kapasitor. Pada umumnya di Indonesia, kata akumulator biasa diartikan sebagai aki atau accu.

13 2.7 Sensor Flowmeter

Sensor debit aliran air ini terbuat dari bahan plastik di dalamnya terdapat sebuah rotor yang akan berputar jika ada aliran air. Output sinyal dari sensor ini akan berubah-ubah frekuensinya sesuai dengan kecepatan aliran air yang lewat.

Gambar 2.10 Sensor Flowmeter

2.8 Display

Display disini berfungsi untuk menampilkan nilai dari suatu alat dengan nomor desimal. Biasanya sebagai jam digital, voltmeter, ampere meter dan lain lain yang membutuhkan tampilan nomor digital.

8

pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozzle. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkuk sudu lebih kecil.

Kemudian untuk penghitungan pada skripsi kali ini digunakan teori tentang laju aliran volume air atau disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :

Q = A.v (2.1)

Dimana :

v = Kecepatan aliran (m/s) A = Luas penampang pipa (m) Q = Debit aliran (m³_/s)

Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai berikut:

Q = V/t

(2.2)

Dimana :

V = Volume aliran (m3) Q = Debit aliran (m³_/s) t = waktu aliran (s)

Untuk mengetahui Head yang ada pada perancangan PLTMH dapat menggunakan rumus (2.3). Rumus ini merupakan penerapan dari hukum bernoulli untuk menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah.

9

Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah:

Massa jenis zat cair (air) sama, maka kita sederhanakan.

v = √(2gH) (2.3)

Dimana : H = Head (m)

g = percepatan gaya gravitasi (m2/s)

Selanjutnya adalah persamaan kontinuitas yaitu perkalian antara luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang tabung aliran adalah konstan. Persamaan berikut menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika melalui pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit.

Gambar 2.7 Persamaan Kontinuitas Q1 = Q2

10 2.3 Generator

Generator merupakan alat yang dapat menghasilkan arus listrik dengan cara merubah energi kinetik menjadi energi listrik. Generator listrik pertama kali ditemukan oleh Faraday pada tahun 1831. Pada saat itu, generator listrik dibuat dalam bentuk gulungan kawat pada besi yang berbentuk U. Generator listrik tersebut terkenal dengan nama Generator cakram faraday. Cara kerja generator listrik adalah menggunakan induksi elektromagnet, yaitu dengan memutar suatu kumparan dalam medan magnet sehingga timbul tegangan induksi.

Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik, yaitu: stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan berhubungan dengan poros generator listrik yang berputar pada pusat stator. Kemudian poros generator listrik tersebut biasanya diputar dengan menggunakan usaha yang berasal dari luar, seperti yang berasal dari turbin air.

Salah satu jenis generator adalah generator AC (Alternating Current) atau generator arus bolak-balik atau biasa disebut juga sebagai generator sinkron.

2.4 Pengatur Tegangan

Pengatur tegangan (voltage regulator) adalah suatu rangkaian yang berfungsi menyediakan suatu tegangan keluaran tetap dan tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan masukan dan beban yang digunakan.

Sebagai contoh saat turbin berputar dengan cepat maka output generator juga akan bertambah, begitu pula sebaliknya apabila turbin berputar lambat maka generator akan menghasilkan output yang lebih kecil. Tugas dari voltage regulator disini untuk menjaga tegangan yang dihasilkan generator stabil agar dapat digunakan pada alat listrik dan tidak cepat rusak karena adanya perubahan tegangan.

2.5 Mikrokontroler ATMega16

Mikrokontroler ATMega16 merupakan mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel keluarga AVR. AVR mempunyai 32 register general-purpose,

11

timer/counter dengan metode compare, interrupt eksternal dan internal, serial UART, progammable Watchdog Timer, ADC dan PWM internal.

Beberapa keistimewaan ATMega16 yaitu mempunyai saluran Input/Output (I/O) ada 32 buah, yaitu PORTA, PORTB, PORTC, PORTD. ADC / Analog to Digital Converter 10 bit sebanyak 8 channel pada PORTA. 2 buah timer/counter 8-bit dan 1 buah timer/counter 16-bit dengan prescalers dan kemampuan pembanding. Watchdog timer dengan osilator internal. Tegangan operasi 2,75 - 5,5 V pada ATMega16L dan 4,5 - 5,5 V pada ATMega16. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. Antarmuka komparator analog. 4 channel PWM. Kecepatan nilai (speed grades) 0 - 8 MHz untuk ATMega16L dan 0 - 16 MHz untuk ATMega16.

Gambar 2.8 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATMega16

Dari Gambar 2.3 dapat dijelaskan cara kerja fungsional masing – masing pin, yaitu :

 VCC merupakan pin masukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika digital tentunya butuh sumber catu daya yang umumnya sebesar 5V, itulah sebabnya di PCB kit mikrokontroller selalu ada IC regulator 5V.  GND sebagai pin ground.

12

 Port.A (PAO..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram sebagai pin masukan ADC.

 Port B (PBO..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Tirner/Counter, Komparator analog, dan SPI.

 Port C (PCO..PC7) merupakan pin I/0 dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog, dan Timer Osilator.

 Port D (PDO..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.

 Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroller.  XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock ekstemal. Suatu mikrokontroler membutuhkan sumber detak (clock) agar dapat mengeksekusi instruksi yang ada di memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat mikrokontroller tersebut.

 AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC.  AREF sebagai pin masukan tegangan referensi. 2.6 Akumulator

Akumulator merupakan sebuah alat yang dapat menyimpan energi (umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Contoh-contoh akumulator adalah baterai dan kapasitor. Pada umumnya di Indonesia, kata akumulator biasa diartikan sebagai aki atau accu.

13 2.7 Sensor Flowmeter

Sensor debit aliran air ini terbuat dari bahan plastik di dalamnya terdapat sebuah rotor yang akan berputar jika ada aliran air. Output sinyal dari sensor ini akan berubah-ubah frekuensinya sesuai dengan kecepatan aliran air yang lewat.

Gambar 2.10 Sensor Flowmeter

2.8 Display

Display disini berfungsi untuk menampilkan nilai dari suatu alat dengan nomor desimal. Biasanya sebagai jam digital, voltmeter, ampere meter dan lain lain yang membutuhkan tampilan nomor digital.