252950222 Knowledge Sharing Tahapan Perencanaan Dan Design PLTM

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Knowledge Sharing
“ Tahapan Perencanaan dan Design
Pusat Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro”
Oleh
Yuliandra Syahrial Nurdin
Mahasiswa Tugas Belajar PLN - Program Studi Teknik Mesin
Di Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara
Institut Teknologi Bandung
I. Latar Belakang
Pengembangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro hidro (PLTMH) selama ini
merupakan kegiatan dari usaha pelistrikan ke daerah pedesaan, selain
kebutuhan akan tenaga listrik di daerah pedalaman dan begitu besar, juga
sebagai konsukuensi dari desakan globalisasi (komonikasi dan informasi) dan
kegiatan produktif masyarakat, namun ketersediaan tenaga listriknya sangat
terbatas seperti halnya di daerah pedalaman, kepulauan, dan pegunungan dan
daerah terisolir lainnya. Hal ini disebabkan selain kapasitas daya mesin yang
terbatas juga disebabkan oleh semakin mahalnya harga BBM.
Pembangkit Listrik Tenaga Disel (PLTD) merupakan solusi instan untuk
mengatasi permasalahan tersebut. Tetapi mengingat biaya operasionalnya yang

tinggi, dalam hal ini harga bahan bakar (BBM) yang mahal, maka perlu dibuat
pembangkit listrik alternatif selain PLTD.

1|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

II. Tinjauan Pustaka
II.1 Pembangkit Tenaga Air
Pembangkit tenaga air adalah suatu bentuk perubahan tenaga air dengan
ketinggian

dan

debit

air

tertentu

menjadi

tenaga

listrik

dengan

menggunakan turbin air dan generator. Turbin air merupakan suatu alat
yang dapat berputar karena adanya aliran air, dengan perputaran turbin ,
dimanfaatkan dengan menggunakan

generator,

maka

demikian

akan

menghasilkan aliran listrik yang dapat dipakai untuk berbagai keperluan.
Pada proses kerja turbin air dalam pembangkitan listrik sampai dengan
pemakaian

litrik

telah terjadi

beberapa

perubahan

energi.

Pertama;

adalah perubahan energi potensial yang ada di dalam aliran air menjadi energi
perubahan mekanik (gerak) oleh turbin. Kedua; energi mekanik ini akan
memutar generator, akibat perputaran generator terjadilah lompatan elektron, hal
inilah yang menghasilkan energi listrik. Proses selanjutnya energi listrik akan

didistribusikan ke produsen atau apa saja yang membutuhkan. Disini
listrik diubah tergantung keperluan.

arus

Dapat menjadi energi panas, energi

tenaga penggerak.
Besarnya daya yang dapat dibangkitkan oleh sebuah PLTA ditentukan oleh :


Besarnya aliran air atau istilah lainnya debit atau kapasitas aliran.



Besarnya perbedaan tinggi muka air atau istilah lainnya tinggi terjun
yang dapat dimanfaatkan.

Berdasarkan pembatasan masalah maka Tugas Akhir ini penulis hanya

2|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

membahas tentang tenaga air dengan kapasitas daya listrik terpasang di
bawah 100 KVA, Istilah yang umum dikenal untuk pembangkit jenis ini
adalah “Mikro Hidro”. Hidro yaitu nama lain dari air sedangkan istilah Mikro di
pakai untuk menyatakan ukuran yang kecil.
II.2 Pandangan Umum Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit listrik skala kecil atau yang dikenal dengan nama Pembangkit Listrik
Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang
mengubah potensi air menjadi kerja mekanis, memutar turbin dan generator
untuk menghasilkan
digunakan untuk
masyarakat

di

listrik skala kecil
masyarakat

di

5 – 100 kW. PLTMH sering

sekitar

wilayah

pedesaan

atau

daerah pedalaman. PLTMH menggunakan tenaga air yang

diperoleh dari sungai-sungai kecil atau sedang maupun dari saluran-saluran
irigasi yang mempunyai tinggi terjun ± 2(dua) meter, tinggi terjun dapat
diperoleh melalui bendungan- bendungan kecil, pipa terowongan, bendung
pengelak, membuat kolam peninggi atu saluran

air atas. Berikut adalah

gambaran umum suatu PLTMH.

Gambar 2.2 Bagian bagian umum PLMH

3|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Dengan membangun PLTMH berarti kita memanfaatkan sumber tenaga alam
yang belum digali.
Keterangan Gambar :
1. Sungai kecil yang dimanfaatkan untuk membangkitkan tenaga listrik karena
adanya aliran air (disebut: debit) sepanjang tahun yang mencukupi
dan dapat menyediakan perbedaan tinggi muka air(disebut; tinggi terjun)
2. Bendungan kecil yang mempunyai dua buah peranan:
a. Menaikan muka air sehingga dapat memperbesar tinggi terjun,
adalah perbedaan muka air antara tinggi puncak bendungan dan tinggi
muka air di saluran penmbuang.

b. Mengalirkan air ke turbin melalui saluran penghantar dan pipa pesat.
3. Pemasukan air pada umumnya di lengkapi dengan pintu air
4. Saluran pengantar air.
5. Wadah air sebagai tandon kecil dengan pemasukan air ke pipa pesat.
6. Saringan di muka lubang pemsukan air ke pipa pesat .
7. Pelimpah.
8.

Pipa pesat ialah pipa yng menyalurkan air ke dalam tekanan karena adanya
tinggi terjun

9.

Pintu air untuk menghentikan aliran air ke turbin perlukan jika jarak ke pintu
nomor 3 tidak jauh .

10. Bangunan sentral / bangunan pusat listrik .
11. Turbin air yang di putar oleh tenaga air yng mengubah potensi kedalam

4|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

kemampuan mekanis.
12. Generator listrik yang di putar oleh turbin sehingga membangkitkan tenaga
listrik.
13. Saluran pembuang air.
Nama Dan Fungsi Bangunan Sipil Untuk PLTMH.
♦ Bendung (Weir),berfungsi untuk mengarahkan aliran air sungai
♦ Bangunan Sadap (Intake), adalah bangunan yang terletak di sisi kiri
atau kanan bendung

yang berfungsi menyalurkan

air ke saluran

pembawa.
♦ Saluran Pembawa/Penghantar , berfungsi untuk mengalirkan ke bak
penenang atau pengendap , sehingga mengurangi perembesan dan
pengikisan agar dapat diperoleh air sesuai dengan perencanaan.

♦ Bak pengendap, adalah bangunan yng berfungsi mengurangi kecepatan
aliran sehingga sehingga material yang terbawa oleh air akan mengendap.
♦ Bak Penenang, adalah bangunan yang berfungsi untuk mengurangi kecepatan
air yang berasal dari saluran pembawa.
♦ Saluran pelimpah, adalah bangunan yang berfungsi untuk

menjaga

tinggi muka air pada bak penenang atau saluran pembawa, sehingga
selalu dapat di jamin perolehan air sesuai debit perencanaan.
♦ Pondasi pipa pesat , bangunan berfungsi sebagai dudukan pipa pesat.
♦ Pipa pesat ,berfungsi untuk menghantarkan air ke turbin .

5|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

♦ Rumah pembangkit ,bangunan tempat ke dudukan turbin, alat-alat
pembangkit serta merupakan pusat kontrol dari sistem pembangkit.
♦ Saluran pembuang, adalah saluran yang berfungsi untuk membawa

aliran air, setelah memutar turbin.
Survei Potensi
Survei potensi ini dibagi menjadi 2 bagian yaitu :
♦ Survei masalah air yang meliputi :
-

Pengukuran debit air

-

Tinggi Terjun (beda Tinggi)

-

Prakiraan Penempatan Komponen PLTMH

♦ Survei minat dan kemampuan masyarakat akan kebutuhan tenaga listrik
-

Untuk

mengetahui minat dan kemampuan

masyarakat akan kebutuha

tenaga listrik. Untuk mengetahui keadaan lokasi di tinjau dari aspek
sosial ekonomi masyaraskat di lokasi remcana maka dilakukan persiapan
terlebih dahulu yaitu :
♦ Desk Studi , Yang dimaksud dengan desk studi adalah mempelajari semua
pengetahuan termasuk studi literatur yang berhubungan dengan survei
potensial untuk PLTMH, agar dapat di perkirakan arah sasaran lokasi dan
kondisi daerah yang survai.
Data yang pergunakan adalah data sekunder yang meliputi; Data kondisi,
dan situasi daerah sasaran :
♦ Peralatan Survei, Untuk survei di lapangan di perlukan beberapa
peralatan

yaitu; kompas , untuk

menentukan arah pada gambar

6|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

sketsa. Theodolit /Waterpas/selang kecil berisi air dan tongkat
pengukur. Teodolit adalah untuk

mengukur arah / sudut , beda

tinggi / tinggi dan jarak , Waterpas, adalah alat untuk mengukur beda
tinggi atau tinggi. Sekang kecil berisi air

dan tongkat pengukur

adalah alat ukur sederhana untuk mengukur beda tinggi. Current
Meter , atau pelampung ukuran 10 kali 5 kali kali 5 cm .alat untuk
mengukur debit air. Pelampung adalah, alat ukur sederhana untuk
mengukur kecepatan air. Stop Watch alat untuk mengukur kecepatan . Data
isian , hasil survei dimasukan pada data isian. Ditambah Seutas tali .
♦ Mempersiapkan data isian, Data isian ini merupakan data yang berisi
pertanyaan yang harus di isi pada saat melakukan survei . data isian ini
di kelompokan menjadi dua kelompok yaitu; Kelompok teknisi dan
kelompok non teknis.
Penentuan Lokasi.
Tidak sembarang tempat pada suatu aliran air atau sungai dapat dipakai
untuk membangun sbuah PLTMH, jika disepanjang tahun ternyata sungai tidak pernah
kering dan debit minimum masih cukup besar sedang perbedaan tinggi muka air
atau bahkan mungkin ada bagian air terjun yang memadai maka tidak perlu sangsi
lagi untuk membangun sebuah PLTMH. Aliran air yang cukup deras menandakan
cukupnya kemiringan pada bagian sungai tersebut, berarti adanya perbedaan tinggi
muka air antara dua tempat tertentu di bagian hulu dan hilir sungai.

7|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Tinggi terjun selain memanfaatkan air terjun jika ada, dapat juga dan diperbesar
dengan membangun sebuah bendungan yang diperlukan untuk membelokkan air
menuju ke PLTMH. Tersedianya debit dan tinggi terjun yang mencukupi berarti
bahwa di tempat tersebut sungai mempunyai cukup daya guna pembangkitan tenaga
listrik. Kendati demikian perlu diperhatikan bahwa air diperlukan untuk berbagai
kepentingan. Karena sebelum menentukan besarnya debit

yang akan dipakai

untuk membangkitkan tenaga listrik, perlu didapat kepastian bahwa air disebelah
hilirnya tidak dapat dipakai pada jarak dan waktu yang dekat. Misalkan untuk
irigasi air, air minum dan aneka penggunaan konsumsi lainnya. Dengannya
demikian diperlukan perhatian terhadap beberapa hal penting :
♦ Hendaknya dibicarakan terlebih dahulu dengan yang berwenang setempat
dan

penduduk,

penggunaan

dan

khususnya
pengaturan

mereka
air

yang
dari

berkepentingan

sungai

atau

aliran

dengan
yang

bersangkutan.
♦ Harus berhati-hati jika menggunakan

saluran irigasi karena dapat

menimbulkan permasalahan. Kemungkinan secara berkala akan terjadi
pengeringan saluran dalm rangka pemeliharaan atau mungkin juga terjadi
perubahan dalam jumlah pemakaian air irigasi dibagian hulu pada kelak
kemudian sehingga bisa berakibat kurangnya debit yang diperlukan PLTMH
dan lain sebagainya
2.3. Pengukuran Debit Air

8|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Debit air adalah banyaknya air yang mengalir dalam waktu 1 detik. Diharapkan
PLTMH yang akan dibangun dapat membangkitkan tenaga listrik disepanjang
tahun. Dengan demikian maka, pengukuran – pengukuran debit yang dilakukan
dalam musim kemarau disaat aliran air dalam keadaan paling kecil, adalah
penting sekali untuk menjamin pembangkitan tenaga listrik sepanjang tahun
tersebut. Lebih banyak pengukuran (catatan pengukuran) debit dilakukan
pada

waktu

berlainan

adalah

dinjurkan

karena

semakin

lengkap

diproleh perbedaan aliran cukup besar, baik selama musim kemarau maupun
musim penghujan.
Wawancara dengan penduduk sekitar aliran begitupun dengan pihak lain yang
mengetahui perlu dilakukan untuk mendapatkan gambaran yang lebih luas
tentang

kejadian-kejadian

debit pada

saat-saat

yang paling kering dan

sewaktu banjir besar yang pernah terjadi. Jika di kemudian hari ternyata bahwa
debit yang dimanfaatkan terlalu kecil, akan berarti masih ada kemungkinan
guna memasang pembangkit tenaga listrik kedua andai diperlukan.
Untuk Memanfaatkan Air Sebagai Sumber Tenaga, harus diperhatikan hal
sebagai berikut :
♦ Debit air yang mengalir dengan konstan
♦ ketinggian terjun
♦ Besarnya daya yang terkandung dalam aliran air
♦ Lokasi bebas dari banjir
♦ Turbin, generator/dinamo yang harus digunakan
♦ Keadaan sekitar lokasi

9|P a ge

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

♦ Minat dan kemampuan konsumen atau pemakai.
Ada beberapa metoda untuk mengkukur debit air, diantaranya :
� Metode 1. dengan menggunakan bendung atau (Weir)
� Metode 2. Pengukuran dengan Menggunakan Papan duga air.
� Metode 3. perhitungan debit berdasarkan rumus rasional.
� Metode 4. Dengan Menggunakan Pelampung.
Dari ke-empat metode pengukuran di atas,

maka dengan cara menggunakan

pelampung sangat sederhana.Metode ini sangat mudah dilaksanakan, dengan
ketentuan sbb :
-

Berdasarkan pengalaman masyarakat desa, pada umunya musim hujan dan
musim kering setiap tahun dapat diperhitungkan akan terjadi pada bulan
tertentu. Pada akhir musim kering. Dan yang dianggap paling kering
dilakukan suatu pengukuran terhadap sungai yang direncanakan akan
dibangun PLTMH.

-

Mengukur kecepatan air V (m/det).

Untuk mendapatkan kecepatan aliran air sungai dengan menggunakan persamaan
sebagai berikut:
V=

S (m/det)
T

……………………….. ( 2.1 )

Dimana :

10 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

V = kecepatan aliran (m/det)
S = jarak tempuh (m)
T = Waktu tempuh (det)
- Cari suatu tempat yang lurus, dengan panjang 5 meter dan tidak ada arus
putar yang menghalangi pelampung.

Gambar
Contoh Pengukuran Debit
Dengan Menggunakan Pelampung
- Pengukuran

ini

dilakukan

dengan

Gambar
Pengasumsian Bentuk Luas
Penampang Basah
menggunakan

pelampung

yang

diampungkan dengan jarak tertentu (± 5-7 meter), sedangkan waktu tempuh
dicatat dan diukur dengan menggunakan stop watch. Pengukuran ini
dilakukan beberapa kali, selanjutnya rata-rata (V rata- rata m/det).
- Pengukuran lebar sungai L (m), diukur dengan menggunakan rol meter.
- Pengukuran tinggi muka air

h (m), diukur denngan menggunakan

tongkat pengukur dan rol meter dan dilakukan berulang kali untuk selanjutnya
diambil rata-rata (H rata-rata).
- Menghitung besarnya debit sungai Q (m3 / det)

11 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Untuk menghitung besarnya luas penampang basah sangatlah rumit karena
permukaan luas penampang basah tidaklah rata atau tidak beraturan sehingga
pengasumsian bentuk luas penampang adalah merupakan bagian-bagian luas
segi empat, sehingga apabila semakin kecil pembagian luas segi empat maka
semakin mendekati nilai yang sebenarnya, pengukuran tersebut terlihat seperti
digambar 2.4. Dari gambar 2.4 dapat ditarik persamaan sebagai berikut
Luas penampang 1 adala : A1 = d1 x l1
A2 = d2 x l2
Dan perhitungan luas penampang segi empat yang lainnya hingga ke-n :
An = dn x ln ………………………………………………….(2.2)
Sehingga luas Penampang keselurahan adalah penjumlahan dari luas segi
empat adalah :
A total = A1 + A2 + An

………………………………...(2.3)

Dimana : A = Luas penampang (m2); d = kedalaman sungai (m) L = lebar
sungai (m).
Maka untuk menghitung debit air digunakan rumus :
( Q ) = K. A x V ( M3/det)

…….……………………( 2.4 )

♦ Koefisien Pengairan :
 Kondisi dasar sungai berbatu K = 0,60.
 Kondisi dara sungai berbatu campur pasir K = 0,65.
 Kondisi dasar sungai berpasir ( K = 0,75).
 Kondisi dasar sungai cadas ( K = 0,85).

12 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

II.4. Mengukur Tinggi Terjun dan Membuat Data Situasi
Pengukuran Tinggi terjun dapat dilakukan dengan berbagai

cara, antara

lain :
♦ Menggunakan theodolite atau waterpass untuk dapat mengetahui beda tinggi.
♦

Menggunakan peralatan sederhana, yaitu selang berisi air diameter ½ cm,
tongkat pengukur dan rol meter, pengukuran dilakukan secara beertahap,
hal ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Dengan membangun PLTMH berarti kita memanfaatkan sumber tenaga alam
yang belum digali.

Gambar 2.5 Mengukur Tinggi Terjun.
Selanjutnya rata-rata Tinggi Total, dihitung dengan rumus :
H Total = H1 + H2 + H3 (m) ……………

(2.5)

Teori di atas merupakan data hasil survei Teknis yang dikelompokan
dan dimasukan dalam data isian, meliputi :
Kelompok data Isian Teknis :

13 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

- Data ini mengutarakan tentang kondisi dan situasi jalan menuju desa
sasaran, bentuk pemukiman, sistim pengairan desa.
- Data tentang potensi air dan kondisi sungai. Data isian ini merupakan hasil
survei potensi air, yang berisikan data lebar sungai, tinggi dasar, tinggi air,
kecepatran air, luas penampang basah, debit rata-rata dan daya yang dapat
dihasilkan.
- Jarak jaringan listrik PLN dengan lokasi sasaran. Data ini tentang jarak
jaringan listrik, dan nama desa terdekat dengan lokasi yang telah mendapat
sambungan listrik PLN.
II.5. Menentukan Besar Daya
Tenaga potensial yang terkandung didalam air adalah akibat debit air yang
mengalir di sungai dan adanya tinggi terjun, dan adanya tinggi terjun , dengan
memanfaatkan untuk dirubah menjadi energi mekanis air terseebut dengan
menggunakan Turbin air dan Generator disalurkan tenaga mekanis
tersebut menuju generator hingga menghasilkan energi listrik yang di outputkan
oleh generator. Besarnya daya dapat dihitung dengan mengalikan angka
gaya berat atau gravitasi, debit air, tinggi terjun. Daya hasil perhitugan
dinamakan daya mampu yang sebenarnya yang dikandung oleh air tetapi
untuk memperoleh daya mampu yang sebenarnya mempertimbangkan daya
guna adalah 10%. Sehingga persamaan untuk besarnya daya yang terkandung
dalam air adalah :

14 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

P = g x Q x h (Kw ) …………………...….....(2.6)
Dimana : P = Daya nyata (KW); g = Percepatan gravitasi bumi (9,8m/s2)
h = Besarnya tinggi terjun air (m); Q = Besarnya debit air (m3/s)
Untuk mendapatkan daya yang secara nyata dapat dibangkitkan. Perlu
diperhitungkan kerugian-kerugian tekanan di dalam pemasukan air, saluran air
dan sebagainya, serta faktor-faktor efisiensi turbin dan generator. Dengan
demikian daya yang secara nyata dapat dibangkitkan adalah lebih kecil dari
pada daya teoritis atau daya yang diperhitungkan semulah.

II.6. Potensi Beban Listrik
II.6.1. Kelompom Pengguna Listrik
Untuk

mengetahui

kebutuhan

listrik pada konsumen

yang dikaitkan

dengan rencana pengelolaan, diperlukan data tentang calon penggguna
listrik. Yang dikelompokan menjadi beberapa calon pengguna listrik yaitu ;
♦ Listrik rumah tangga, Pada umumnya rumah tangga di pedesaan
menggunakan listrik hanya penerangan. Sehingga kebutuhan listriknya relaitif
kecil yaitu berkisar 50 – 100 watt. Sedangkan untuk desa yang dekat
dengan kota kecamatan, maksimum penggunaan listriknya berkisar 200
watt. Untuk itu maka daerah pedesaan dapat diprediksi atau melalui untuk
menentukan kebutuhan beban listrik rumah tangga.
♦ Industri Rumah Tangga, Tidak semua pedesaan terdapat home industri,
kondisi ini dapat diketahui dari karakteristik daerah yang disurvei.

15 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Secara umum data industri rumah tangga ini dilihat di kantor kelurahan.
♦ Sosial, Kebutuhan listrik untuk fungsi sosial hampir semua pedesaan ada,
namun besar dan kecilnya pemakaian beban listrik akan ditentukan oleh
masyarakat itu sendiri melaui rapat desa. Pada umumnya yang dimaksud
fungsi sosial di sini adalah tempat ibadah yang benyak tersebar di
daerah pedesaan.
Ketiga kategori ini berpengaruh pada perencanaan catu daya, jenis pentaripan,
agar tidak menimbulkan kesenjangan dikemudian hari. Selain itu tidak semua
pedesaan menggunakan cara pengelompokan tersebut, karena dipengaruhi oleh
potensi energi yang tersedia.
II.6.2 Survei Kebutuhan Beban Listrik
Kebutuhan beban listrik dapat dilakukan dengan melakukan wawancara langsung
dengan calon konsumen atau ditentukan dengan data kependudukan yang
ada dikelurahan. Apabila dilakukan dengan wawancara langsung, tentunya
data isian seharusnya dilengkapi dengan daftar pertanyaan yang menyangkut hal
tersebut.
II.6.3. Survei jaringan listrik.
Survei ini menyangkut arah jalur jaringan listrik yang akan dibangun, yang
meliputi; penempatan tiang listrik, arah jaringan, letak pert-tiang sehingga dapat
diketahui jumlah masing-masing.

16 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

II.6.4. Kelayakan
Kelayakan pembangunan PLTMH dapat dikategorikan menjadi kelayakan
secara teknis maupun finansial, kelayakan teknis ditinjau dari beberapa faktor :
 Letak pembangkit yang dipengaruhi jarak antara letak potensi energi air
dengan rumah penduduk.
 Kapasitas Pembangkit yang ada dengan kebutuhan listrik.
Kelayakan Finasial dipengaruhi oleh besarnya biaya investasi, harga jual dan
tingkat suku bunga bank. Namun demikian pada umumnya kelayakan
pembangunan PLTMH hanya dilihat secara teknis saja.

17 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

III.

DESIGN TURBIN AIR

III.1 Pengertian Umum Turbin Air
Air yang mengalir karena adanya perbedaan ketinggian, memiliki energi kinetik
yang akan dirubah menjadi energi putar (mekanik) pada sudu-sudu gerak pada
turbin air. Energi gerak ini diteruskan melalui poros turbin yang kemudian
dirubah menjadi energi listrik pada generator listrik. Teori yang dijadikan dasar
perhitungan besarnya energi kinetik dari air, menggunakan hukum Bernaulli.
Besarnya energi aliran (persamaan energi) adalah :

Gambar 2.6 Prinsip Konversi Energi Pada PLTMH
W = m.g.z + m.P/Q + C 2 /2 (Newton meter)………….……..(2.7)
Dimana ; m.g.z (energi potensial)
m = masa air (Kg)
z = Ketinggian (meter)
m.P / Q (energi tekan)

18 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

C2 / 2 (energi Kecepatan)
C = Kecepatan (m / dt2)
Energi tersebut sering juga disebut dengan energi Potensial, energi yang bersumber
dari berat (massa) dan ketinggian air dan kecepatan yang disebutkan dalam Hukum
Bernaulli di atas, sedangkan energi kinetik adalah massa air dengan percepatan dari
air yang mengalir karena perbedaan ketinggian. Energi mekanik adalah energi yang
diakibatkan oleh gaya putaran pada poros turbin. Jadi dapat disimpulkan bahwa
pengertian turbin air adalah alat yang merubah energi air yang terdiri dari energi
potensial, energi tekan dan energi kinetik, dirubah menjadi energi mekanik atau
energi putar.
III.2

Jenis-Jenis Turbin
Turbin air biasanya mempunyai 3 jenis turbin yaitu :
� Turbin Reaksi
� Turbin Impuls
� Turbin Cross Flow
Turbin Reaksi adalah jenis turbin yang bekerja karena tekanan air, oleh
karena ketinggian yang memutar rotor dari turbin. Jenis turbin ini adalah :
- Turbin Francis
- Turbin Kaplan (turbin aliran diagonal)
- Turbin baling-baling (“Propeler turbine’)
Turbin Francis adalah turbin dimana air yang masuk rotor dengan arah
radial dan keluar dengan arah aksial perubahan arah aliran tersebut terjadi saat
melewati rotor. Turbin ini digunakan untuk head yang sedang, sekitar 8 s.d

19 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

40 meter dengan kecepatan yang tinggi, turbin ini memiliki bentuk “Casing”
seperti keong sehingga dalam pembuatannya lebih runit dari turbin jenis lain.
Turbin Kaplan (aliran diagonal) adalah turbin dimana air ke dalam rotor
dengan arah diagonalenuju poros. Turbin ini lebih maju dari turbin balingbaling biasanya sudu rotor dapat dirubah, posisinya dapat disesuaikan dengan
kecepatan dan dan debit air yang masuk ke dalam turbin, sehingga dapat dibuat
kinerja yang lebih baik (efisiensi lebih tinggi), biasanya turbin ini dalam
pembuatannya lebih rumit dari turbin lain juga pengoperasian lebih rumit.
Turbin baling-baling (Propeler) dimana arah air masuk ke dalam rotor
dengan arah aksial dan digunakan untuk head yang rendah dan debit yang
tinggi, sudu-sudi rotor todak dapat dirubah-rubah pada saat operasi. Turbin
jenis ini sudah dapat di buat di Indonesia khusunya pada daerah pedesaan
Turbin impuls bekerja karena kecepatan air oleh head yang tinggi pada
sebuah nozel, jenis turbin ini adalah : Turbin Pelton,Turbin targo keliling
rotor. Ada beberapa hal yang menjadi peertimbangan dalam memilih jenis
turbin impuls ini, yaitu : memiliki toleransi yang besar terhadap pasir atau
partikel lain yang terbawa air, Mudah mengganti suku cadang, Mudah
pemeliharaannya dan Tidak masalah dengan adanya kapitasi
Turbin

Pelton, turbin

ini

memanfaatkan

energi

potensial

dari

air

ditransformasikan seluruh energi kinetik sebelum mendekati tekanan atmospir.
Turbin ini biasanya digunakan untuk daya yang kecil tetapi dengan head
yang tinggi.

20 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

Turbin Turgo, perbedaan antara turbin pelton dengan turbin targo adalah
pada nozel yang akan menekan sudu turbin, turbin ini dirancang untuk
kecepatan yang lebih tinggi dari pelton, sudu-sudu turbin ini lebih rumit
bentuknya dan lebih sulit pembuatannya.
Turbin Crossflow, dikenal dengan Michell-Bangki termasuk juga pada
jenis turbin impuls, turbin ini banyak ditemui pada PLTMH di Indonesia
karena rancangannya mudah, serta variasi head dan debit yang besar, tetapi
mempunyai efisiensi yang rendah.
III.3

Perhitungan daya Turbin
Apabila

kita merencanakan suatu PLTMH, harus kita dapat mengetahui

daya yang dihasilkan oleh potensi air yang ada untuk menggerakan turbin
yang akan direncanakan atau yang akan dipilih. Secara teoritis kekuatan air
yang akan menekan / menggerakan sudu turbin adalah; Energi potensial,
Energi tekan, Energi kinetik karena kecepatan aliran.
Seperti yang dijelaskan di dalam rumus persamaan energi di atas, ketiga dari
energi

ini

da;pat

dihitung

dengan

rumus

empiris

sebagai

berikut.

Dalam perubahan nilai besaran dapat melihat tabel konversi pada lampiran.
Daya teoritis P = 13,33 H x Q (HP)
= 9,8 H x Q

(kW)

Daya Keluar turbin = 9,8 H x Q x ηt (kW)
Daya listrik
Dimana ;

= 9,8 H x Q x ηt x ηg
P = daya dalam horse power (daya kuda) ( kW)

21 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

ηt = Efisiensi Turbin (0,75 s/d 0,85)
ηg = Efisiensi Generator ( 0,82 s/d 0,93)

Gambar Instalasi PLTMH
Dalam memperhitungkan head suatu PLTMH, beberapa hal perlu diketahui
bahwa, head tersebut harus diperhitungkan

adanya losses head pada

pemipaan, mulai dari Bak penenang s/d penstok, sehingga yang masuk
dalam perhitungan head efektif (He).
III.4

Pemilihan Turbin Untuk PLTMH
Turbin yang digunakan untuk menggerakan

generator

suatu PLTMH

terlebih dahulu harus diketahui besaran Head (meter) dan debit (m3/ menit).
Disamping

kedua Variabel tersebut

perlu

ditentukan terlebih

dahulu

adalah besarnya putaran (n), dimana putaran ini dapat diperoleh dengan
mengetahui kecepatan air yang akan masuk ke sudu-sudu turbin dengan
merubah kecepatan linier menjadi kecepatan keliling ( sentrifugal ) pada poros

22 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

turbin tersebut yang disebut dengan kecepatan keliling :
Kecepatan keliling : ú1 = D x Π x n…………………….(2.8)
Dimana

:

ú1 = Kecepatan keliling
D = Diameter turbin
Π = Konstanta ( 22 / 7 )
n

= Putaran Turbin

Jadi putaran turbin diusahakan

sebesar mungkin

untuk mendapatkan

konstruksi dari turbin yang lebih kecil dengan daya yang besar.
Selanjutnya yang sangat penting untuk diketahui dalam merencanakan
turbin adalah dengan menentukan kecepatan spesifik (ηs) yang akan
menentukan jenis turbin yang akan digunakan , kecepatan spesifik tersebut
dengan rumus di bawah ini.
ηs = n . V/ H………………………………………………………...(2.9)
dimana :

ηs

= Kecepatan spesifik turbin

V

= Kecepatan air masuk turbin

H

= head efektif dari potensi

ηs dapat juga diperoleh dengan menggunakan grafik kecepatan spesifik ini
setelah diketahui putaran turbin, head dan debit. untuk mengetahui kecepatan
spesifik tersebut, dapat

ditentukan jenis turbin

apakah propeler/kaplan, turbin reaksi,

yang akan digunakan,

turbin pelton atau aliran silang

(“cross flow”). Penentuan jenis turbin dapat juga secara langsung dengan
menggunakan nilai kecepatan spesifik ηs dari perhitungan di atas.

23 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

III.5 Komponen Turbin dan Fungsinya

Gambar Contoh Turbin
♦

Rumah turbin fungsinya adalah ; sebagai dudukan runner, untuk

melindungi runner dan poros turbin, aliran air ke dalam rumah tubin, dll. Spt
gambar pada lampiran
♦ Alat Pengarah (Guide Vane) fungsinya :mengarahkan aliran air ke runner,
sebagai katub pengatur.
♦

Runner fungsinya;

Tempat sudu-sudu,

Tempat poros turbin, Alat

mengubah daya kinetik menjadi daya mekanik.
♦ Bantalan fungsinya ; Tempat dudukan poros, Sebagai dudukan rumah tubin
dan poros sekaligus pengunci terhadap gerakan / goncangan, Menghindari panas
pergesekan antara dua mopdel yang bergesek, Mempertinggi efisiensi
♦ Casing fungsinya; Ruang pelindung runner, Pembebas air saat turbin tidka
beroperasi, Pengarah air ke arah saluran pembuang

24 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

♦ Katub Udara fungsinya;

Pelepas udara pada trumah turbin maupun pada

cassing, Untuk menghindari kapitasi yang terjadi pada turbin, Sebagai alat
kontrol, Peralatan utama sebelum turbin yaitu pipa pesat, bak penenang,
bangunan sentral dan saluran pembuang.

III.6 Transmisi Mekanik PLTMH
Komponen utama lain yang perlu direncanakan dan meruapakan peralatan
mekanik suatu PLTMH adalah transmisi mekanik atau mekanik penghantar
daya, yang berfungsi untuk menyalurkan daya poros turbin ke poros generator
yang menggunakan transmisi mekanik yang dapat dibagi dalam 2 jenis yaitu :
♦ Transmisi secara langsung

(pengahantar daya langsung), Sistim ini

merupapan daya dari poros turbin langsung ditransmisikan ke poros
genetator yang disatukan oleh sebuah kopling, jadi kontruksinya lebih
sederhana, lebih kompak dan mudah perawatannya, tetapi sistim ini diperlukan
putaran turbin dan putaran generator harus sama dan untuk kondidsi ini pada
PLTMH

jarang

hampir

semua

menggunakan

transmisi

karena

pada

kenyataannya putaran turbin dan generator tidak sama.
♦ Transmisi tidak langsung

(pengahantar daya tidak langsung), Daya dari

turbin tidak langsung disalurkan ke poros turbin tetapi labih dahulu dengan
menggunakan transmisi, yaitu; belt, roda gigi (gear box).
Transmisi dengan belt (sabuk) yang bentuknya ada plat dan bentuk V belt,
keuntungan dari sistim ini adalah tahan terhadap kejutan, dapat menyerap beban

25 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

kejut dan getaran, sistim ini selalu menggunakan dua buah puil yang dipasang
pada poros turbin dan pada poros generator yang bersifat permanen ( dilas
atau dapat dipindah)
Transmisi dengan roda gigi kurang tahan beban kejut dan getaran tetapi
putaran yang dihasilkan lebih akurat, tidak perlu menggnakan puil,
konstruksinya lebih bila dibandingkan dengan menggunakan transmisi belt.
Transmisi dengan menggunakan belt (sabuk), ukuran yang diperlukan
ditentukan oleh ukuran diameter puli dari turbin dan generator. Yang di dasari
kepada ukuran diameter puli dari turbin dan generator adalah seperti pada
gambar di bawah ini :

Gambar Transmisi Mekanik
dalam perhitungan apabila diketahui daya yang akan ditransmisikan, maka
dapat ditentukan : Diameter penggerak (dalam hal ini diemeter puli
turbin) dan lebar belt, tebal belt untuk jenis flat belt maupun untuk V belt,
sedangkan untuk menentukan

panjang

dan

diameter

puli

generator

dengan memperhitungkan putaran antara turbin dan generator. Menentukan

26 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

ukuran diameter roda gigi ditetapkan dengan jumlah gigi, dihitung
berdasarkan besarnya perbedaan putaran antara turbin dan generator.
III.7 Elektrikal PLTMH
III.7.1 Generator Sinkron
Generator sinkron merupakan alat untuk mengubah daya poros turbin
menjadi energi listrik. Prinsip kerja dari generator sinkron secara sederhana
dapat dijelaskan sebagai berikut; Arus AC (arus searah) yang mengalir pada
kumparan rotor
menciptakan

(bagian

dari

generator

yang

dapat

diputar)

akan

medan magnetik homogen, apabila rotor yang dihubungkan

dengan generator diputar dengan kecepatan konstan, maka pada kumparan
stator

(bagian

balik),

pada generator dengan penguatan sendiri (eksitasi

sendiri), arus DC akan disuplay oleh stator, besarnya arus listrik diatur oleh
AVR

(automatic

Viltage

Rogulator). Exciter

sendiri

generator kecil yang menyatu dengan generator utama.

pada

dasarnya

Generator excitier

merupakan generator di kutub luar (medan magnetic pada sator, tegangan
induksi dibangkitkan pada rotor). Arus DC untuk mensuplay stator generator
exciter yang dihasilkan oleh AVR dengan cara menyearahkan tegangan AC
yang dihasilkan oleh stator generator utama, pada saat start dimana sator
generator utama belum bertegangan, arus DC dihasilkan oleh tegangan
residu / tegangan sisa AVR. Apabila rotor utama generator berputar, akan ikut
berputar juga dan membangkitkan tegangan AC tiga fasa. Tegangan AC tiga
fasa ini akan disearahkan oleh jembatan dioda sehingga menghasilkan arus

27 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

searah untuk mensuplay rotor generator utama. Tegangan yang dibangkitkan
sebanding dengan arus rotor generator utama, pada stator generator utama
dihubungkan ke beban (konsumen) tegangan akan berubah sesuai dengan
bebannya. Untuk menjaga agar tegangan selalu konstan, tidak tergantung dari
perubahan beban melainkan AVR yang akan mengatur besar kecilnya arus yang
disuplay ke rotor generator utama. Berikut merupakan beberapa hal penting
yang perlu di bahas dari genertor sinkron dalam perencanaan PLTMH ;
Generator sinkron untuk Mikrohidro,
Klas

Isolasi,

Rating Daya, Hubungan 3 Fasa,

Rating Penggunaan, Jumlah Kutub, Run away speed,

Proteksi, AVR, Bearing.
III.7.2 Electronik Load Control
Pada prinsipnya pengontrolan dengan ELC bertujuan agar besar daya yang
dibangkitkan oleh generator sinkron selalu stabil sama dengan besar daya yang
diserap oleh beban konsumen, ditambah daya yang dibuang ke beban
ballast. Prinsip kerja dari ELC secara sederhana dapat dijelaskan sebagai
berikut : apabila daya yang diserap oleh beban konsumen berubah akan
mengakibatkan pula perubahan frekuensi
konsumen bertambah demikian
segera

dideteksi

(frekuensi akan turus bila beban

sebaliknya),

perubahan

frekuensi

akan

dan dimanipulasi untuk mengatur sudut penyelaan pada

tyristor. Tyeristor pada ELC tidak lain merupakan saklar elektronik yang
mengatur besar kecilnya daya yang harus dibuang ke beban ballast atau diambil
dari beban ballast sesuai dengan perubahan

frekuensi yang terjadi, sehingga

28 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

dapat dicapai kembali kondisi daya yang dibangkitkan oleh generator sama
dengan daya yang diserapoleh beban konsumen dan beban ballast karena
dilakukan secara elektronik,

perubahan frekuensi untuk kembali stabil ke

setting frekuensi yang telah ditetapkan akan berlangsung singkat, hanya
memerlukan waktu kurang dari 0,25 detik. Di bawah merupakan beberapa
hal penting dari ELC dalam perencanaan: PLTMH; ELC Untuk Mikro
Hidro, Pemasangan ELC,

Arus Netral,

Setting dan Komissioning ELC,

Beban Ballast.
III.7.3 Motor Induksi Sebagai Generator
Penggunaan motor induksi sebagai generator (MISG) telah diterapkan secara
luas

pada

PLTMH

dan

diakui

keandalannya,

meskipun

dari

segi

efisiensi, khususnya pada kondisi beban tidak penuh (part load), MISG
tidak sebaikgenerator singkron, tetapi karena motor induksi banyak tersedia di
pasaran dengan range daya yang luas dan konstruksi motor induksi jauh lebih
handal terhadap run away sped serta untuk pembangkit mikro hidro.
Prinsip kerja dari MISG secara sederhana lebih mudah dipahami dari prinsip
kerja

motor

tegangan

indusksi.

3 pahasa

Apabila

motor

induksi

dihubungan

dengan

pada kumparan statornya. Medan magnet putar pada

kumparan stator akan memotong batang konduktor pada kumparan rotor.
Akibatnya pada kumparan rotor akan dibangkitkan tegangan induski. Pada
komparan rotor, karena batang konduktor

umumnya

merupakan

slot

alumunium yang dihubung singkatkan pada kedua ujungnya) merupakan

29 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

rangkaian tertutup, tegangan yang induksi pada rotor yang disebabkan oleh
medan magnet putar pada stator dengan arus pada rotor akan menimbulkan
kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada
stator. Seperti telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor timbul
karena terpotongnya batang konduktor oleh medan magnet putar, agar tegangan
induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relatif
antara kecepatan medan medan magnet putar

(kecepatan sinkron) akan

selalu lebih besar dari kecepetan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi
pada MISG, kopel kopel pada rotor digerakan oleh turbin, adanya magnetisasi
sisa (remanent magnetism) pada rotor umumnya cukup untruk membangkitkan
medan magnet putar, pada kasus MISG beroperasi sendidri (isolator grid daya
reaktif tersebut harus disuplay Via kapasitor eksitasi. pada kasus MISG
diinterkoneksikan

dengan jaringan listrik lain (grid connected)

reaktrif disuplai via

daya

jaringan tersebut, kapasitor umumnya hanya dipakai

sebagai kompensator. kebalikan dari proses sebagai

motor, sebagai

generator, slip yangterjadi haruslah negatif artinya kecepatan rotor harus selalu
lebih besar dari pada kecepatan medan magnet putarnya. Berikut merupakan
hal penting dari MISG yang perlu di bahas dalam perencanaan PLTMH;
Motor

Induksi

Sebagai generator Untuk

Mikrohidro, Jenis Motor

Induksi, Ratting Daya dan Tegangan, Hubungan Fasa,

Klass Isolasi,

Jumlah Kutub, Run Away Spead, Proteksi, Bearing.

30 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

III.7.4 Induction Generator Controller (IGC)
Sistim control IGC harus dianggap sebagai satu kesatuan yang terdiri : panel
kontrol IGC dan ballast load agar tegangan yang dibangkitkan oleh MISG
selalu stabil tidak tergantung oleh perubahan beban diperlukan IGC. Pada
prinsipnya pengontrolan

dengan

IGC

bertujuan

agar

daya

yang

dibangkitkan oleh MISG selalu sama besar dengan daya yang diserap
sehingga
membuang

dapat

dibangkitkan tegangan

kelebihan

daya

yang

yang

stabil

dengan

cara

tidak digunakan oleh konsumen Ke

ballast load. Ballast laod adalah bagian dari IGC, tidak untuk keperluan
konsumen, ballast load merupakan beban resistif. Prinsip kerja dari IGC
secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut. Apabila daya yang
diserap oleh konsumen

berubah akan mengakibatkan

pula perubahan

tegangan (tegangan akan turun bila daya yang diserap konsumen bertambah dan
sebaliknya), perubahan tegangan ini akan segera dideteksi dan dimanipulasikan
untuk mengatur waktu penyalaan dari insulated Gate Bipolar Transistor
(IGBT). IGBT pada IGC tidak lain merupakan saklar elektronik yang
mengatur kecilnya daya yang harus dibuang ke ballast load atau diambil
dari ballast load sesuai dengan perubahan tegangan yang terjadi, sehingga
dapat dicapai kembali kondisi daya yang dibangkitkan sama dengan daya
yang diserap oleh konsunmen dari ballast load. Arus listrik yang dikontrol
oleh IGBI adalah arus searah (direct current), untuk itu sebelum masuk
ke dalam

IGBI arus bolak-balik

dari MSG disearahkan dulu melalui

31 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

jembatan dioda. Dalam perancangan maupun pemasangan IGC untuk
mikrohidro, perlu dipertimhangkan beberapa faktor yang akan dipaparkan
berikut ini: IGC untuk Mikrohidro, Pemasangan IGC,

Setting dan

Komisioning IGC, Beban Ballast.
III.7.5 Ballast Load (Beban Komplemen)
Ballast Load merupakan Elemen pemanas air / udara yang termasuk dalam
pengontrolan PLTMH, ketika katyup turbin dibuka perlahan-lahan maka
daya yang dibangkitkan oleh generatir makin lama maikn besar, seluruh daya
yang dibangkitkan disalurkan oleh LOAD CONTROL ke Ballast Load. Pada
saat beban ke produsen dihubungkan maka ELC atau IGC akan mengatur
beban yang tidak daya yang tidak terpakai (kelebihan daya yang masuk
ke konsumen) akan disalurkan ke Ballast Load.
III.7.6 Instalasi Rumah Pembangkit dan Pentanahan
Tata

letak

kabel

power

diatur

dengan

memperhatilkan

kemudahan

perawatan dan pengamanan dari kemungkinan banjir. Kabel power sebaiknya
menggunakan kabel NVFGbY agar tahan terhadap gigitan tikus yang cepat atau
lambat pasti akan menimbulkan masalah di rumah pembangkit. Ukuran
kabel power
generator.

harus

sesuai

dengan

daya

yang

dibangkitkan

oleh

Suply penerangan untuk rumah pembangkit harus terpisah dari

Suplai utama untuk konsumen, agar pada saat jaringan untuk konsumen
mengalami gangguan masih tersedia suplai untuk rumah pembangkit.

32 | P a g e

Knowledge Sharing – Yuliandra Syahrial Nurdin

III.7.8. Pentanahan
Sistem pentanahan harus mengacu kepada sistem hubungan fasa pada generator
yang digunakan. Jenis, ukuran dan jumlah elektroda maupun konduktor
pentanahan harus disesuaikan dengan kondisi tanah di rumah pembangkit
agar dapat dicapai nilai tahanan pentanahan yang disyaratkan.
Disamping produiksi standar yang ada di dalam panel kontrol, generator
maupun panal kuntrol perlu dilindungi dari bahaya petir. Lightning arrester
jenis metal oxide perlu dipasang pada jaringan sebelum masuk ke dalam rumah
pembangkit. Apabila rumah pembangkit berada pada daerah yang terbuka
dan rawan terhadap petir, pada atap sebaiknya dipasang penangkap petir
kerucut tembaga.
III.7.8. Jaringan Distribusi Dan Instailasi Konsumen
Jaringan distribusi dan intalasi untuk konsumen dapat mengacu kepada buku
Petunjuk Umum Instalasi Listrik (PUIL) disesuaikan dengan kondisi setempat.

33 | P a g e