Perancangan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro Dengan

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.
Gambar 2.1 Skema PLTMH
3
Perhitunganya teknis daya PLTMH adalah sebagai berikut:
P=ρQgH
(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
4
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 (balingbaling), 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.
5
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.
Gambar 2.4 Perbandingan Jenis Turbin Berdasarkan Debit Air dan Head
6
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
7
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.
Gambar 2.6 Kecepatan Zat Cair yang Keluar Dari Dasar Sebuah Wadah
8
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
A1v1 = A2v2
(2.4)
9
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,
10
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.
11

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.
Gambar 2.9 Aki
12
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.
13