Model Elektronik PLNH

Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA,
Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 2 Juni 2012
MODEL ELEKTRONIK PEMBANGKIT LISTRIK NANO HIDRO
Mohammad Taufik
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran, Bandung, Indonesia
Abstrak
Secara global, trend pembangunan pembangkit listrik sudah beralih dari sentralisasi menjadi
desentralisasi. Desentralisasi berarti bahwa pembangkit listrik harus dekat dengan sumber dan juga
dekat dengan pemakai. Pembangkit listrik yang dekat dengan sumber dan pemakai akan
memberikan keuntungan yang besar karena tidak memerlukan sistem transmisi, efisiensi yang
tinggi, energy losses yang sangat rendah, serta biaya investasi dan pemeliharaan yang rendah.
Pembangkit listrik yang dikembangkan dengan prinsip desentralisasi akan memanfaatkan sumber
energi setempat berupa energi terbarukan.
Telah dikembangkan suatu model elektronik untuk merepresentasikan Pembangkit Listrik
Nano Hidro (PLNH). PLNH adalah pembangkit listrik yang tidak memerlukan head dan dapat
beroperasi dengan debit yang kecil dan berubah-ubah. Model elektronik tersebut menghasilkan
tegangan AC, power factor, daya listrik, dan efisiensi. Tegangan AC yang dihasilkan sebesar 21,1
Volt - 145,3 Volt dan rata-rata sebesar 82,7 Volt (pada pengujian open circuit), serta sebesar 31,3
Volt - 86,4 Volt dan rata-rata sebesar 60,1 Volt (pada pengujian dengan beban). Power factor yang
dihasilkan sebesar 0,112 - 0,194 dan rata-rata sebesar 0,163 (pada pengujian open circuit), serta
0,302 - 0,712 dan rata-rata sebesar 0,563 (pada pengujian dengan beban). Daya listrik yang
dihasilkan sebesar 48,21 Watt - 367,32 Watt, dengan daya listrik rata-rata sebesar 193,12 Watt.
Efisiensi sistem berkisar 84,87% - 99,76%, dengan efisiensi sistem rata-rata sebesar 92,32%. Debit
yang digunakan sebesar 0,002104 m3/s - 0,004208 m3/s.
Kata kunci : Pembangkit Listrik Nano Hidro, Head, Debit, Model Elektronik.
PENDAHULUAN
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) sudah banyak dibangun dan diimplementasikan di
Indonesia. PLTA skala besar dapat menghasilkan daya listrik yang sangat besar (dalam orde Mega
Watt). PLTA skala besar memerlukan dam/waduk/bendungan yang berfungsi untuk mengumpulkan
dan menahan air agar diperoleh ketinggian jatuh (head) dan debit yang besar dan relatif konstan.
Dengan demikian PLTA skala besar merupakan sistem pembangkit yang bersifat tetap. Untuk
membangun PLTA skala besar dibutuhkan investasi yang sangat besar pula. Selain itu, untuk
beberapa kasus, PLTA skala besar dapat memberikan dampak lingkungan berupa kerusakan
lingkungan di sekitar dam/waduk/bendungan.
PLTA skala mikro atau Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) merupakan
pembangkit listrik yang menghasilkan daya listrik dalam orde kilo Watt. PLTMH ini tidak
membutuhkan dam/waduk/bendungan, akan tetapi masih membutuhkan pekerjaan konstruksi
berupa pembuatan saluran pengalih, bak penampung, bak penenang, saluran pembawa, pipa pesat,
dan powerhouse. PLTMH merupakan sistem pembangkit yang bersifat tetap. Untuk membangun
PLTMH dibutuhkan investasi yang cukup besar.
PLTA skala besar dan PLTMH kedua-duanya memerlukan jaringan transmisi untuk
mendistribusikan dan mentransmisikan listrik kepada pemakai. Pembangunan jaringan transmisi ini
juga memerlukan biaya investasi yang tidak kecil. Panjang jaringan transmisi bisa mencapai ribuan
kilo meter. Secara teknis, penggunaan jaringan transmisi akan memberikan dampak terjadinya
losses yang cukup tinggi, sehingga efisiensi sistem akan berkurang.
F-1
Mohammad Taufik / Studi Pengembangan Model
Secara global, trend pembangunan pembangkit listrik mengarah ke desentralisasi.
Desentralisasi artinya bahwa sistem pembangkit listrik berada dekat dengan pemakai. Ini berarti
tidak memerlukan jaringan transmisi. Selain itu, dengan desentralisasi maka sistem pembangkit
listrik dibangun dengan memanfaatkan potensi sumber Energi Baru Terbarukan yang tersebar
(seperti energi air, energi angin, energi gelombang laut, energi geotermal, dan sebagainya),
sehingga dapat menjangkau daerah-daerah terpencil yang tidak dapat dijangkau oleh jaringan
transmisi listrik. Secara ekonomis, sistem pembangkit listrik yang desentralisasi ini tidak
membutuhkan investasi yang besar, karena tidak memerlukan pekerjaan konstruksi dan
pembangunan jaringan transmisi, selain itu juga tidak merusak lingkungan.
Pembangkit Listrik Nano Hidro (PLNH) merupakan pembangkit listrik tenaga air skala kecil
(dalam orde puluhan hingga ratusan Watt) yang bersifat baru dan orisinal, yang memiliki
keutamaan :
1. No Dam. PLNH tidak memerlukan dam/waduk/bendungan atau bak penampung sehingga tidak
memerlukan pekerjaan konstruksi. Oleh karena itu, PLNH merupakan sistem pembangkit listrik
yang ramah lingkungan.
2. No Transmission. PLNH dioperasikan dekat dengan sumber energi setempat dan pemakai,
sehingga tidak memerlukan jaringan transmisi yang panjang. Oleh karena itu, PLNH memiliki
efisiensi yang sangat besar.
3. No Head. Konsekuensi dari No Dam, maka PLNH dapat bekerja dengan tanpa memerlukan
tinggi jatuh air (head).
4. Low Debit. PLNH secara khusus dibuat untuk dapat beroperasi dengan memanfaatkan aliran air
yang memiliki debit yang kecil dan berubah-ubah yang berasal dari aliran sungai atau irigasi,
yang potensinya banyak di Indonesia.
5. Portable. PLNH tidak memerlukan dam dan head, PLNH dibuat dengan ukuran yang kecil dan
berbentuk portable sehingga dapat dipindah-pindahkan.
6. Easy Operating. Bentuk PLNH yang portable dan sistem konversi listriknya yang sudah
distabilkan maka PLNH memberikan kemudahan dalam mengoperasikannya karena listrik
yang dihasilkan berupa listrik AC yang memiliki tegangan stabil.
7. Low Invesment. PLNH dapat dibuat dengan biaya investasi yang relatif kecil jika dibandingkan
dengan PLTMH maupun PLTA skala besar..
PEMBAHASAN
Pembuatan model elektronik PLNH dilakukan dalam beberapa tahap. Setiap tahap akan
memberikan suatu hasil, kemudian hasil tersebut diukur dan diuji. Tahapan pembuatan model
elektronik PLNH dapat digambarkan dalam suatu diagram alir, seperti yang diperlihatkan pada
gambar 1
Dari gambar 1, tahap pertama yang dilakukan adalah memodelkan debit aliran sungai. Debit
aliran sungai perlu dimodelkan karena PLNH yang dibuat akan dioperasikan dengan menggunakan
aliran sungai langsung. Pada kenyataannya, aliran sungai memiliki debit yang berubah-ubah. Aliran
sungai yang memiliki debit tertentu akan memutar turbin air.
Tahap selanjutnya adalah memodelkan turbin air. Turbin air perlu dimodelkan karena
eksperimen dilakukan di laboratorium. Turbin air yang berputar akan memutar generator, sehingga
generator akan menghasilkan energi listrik. Konfigurasi turbin dan generator disebut sistem
pembangkit listrik. Dari model elektronik PLNH ini, diperoleh output berupa tegangan AC, power
factor, daya listrik, dan efisiensi.
Model PLNH yang terdiri atas rangkaian sistem elektronik berupa turbin air dan generator,
menghasilkan tegangan AC yang nilainya berubah-ubah. Hal ini disebabkan debit aliran sungai
yang berubah-ubah. Tegangan AC yang berubah-ubah tidak sesuai dengan kebutuhan pemakai.
Pemakai memerlukan tegangan AC yang stabil/konstan agar dapat digunakan untuk
mengoperasikan peralatan elektronik. Nilai tegangan stabil yang diharapkan adalah 120 Volt atau
220 Volt.
F-2
Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA,
Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 2 Juni 2012
Gambar 1. Diagram Alir Pembuatan Model Elektronik PLNH
Dalam penelitian ini, debit aliran sungai dimodelkan dengan menggunakan peralatan
elektronik berupa Adjustable Speed Drive (ASD). ASD akan berputar dengan frekuensi dan RPM
(Rotation Per Minute) tertentu.
Dari model debit aliran sungai, diperoleh kisaran debit antara 0,000748367 m3/s hingga
0,004511133 m3/s atau 0,748367 l/s hingga 4,511133 l/s. Sedangkan kecepatan alirannya berkisar
antara 0,047667 m/s hingga 0,287333 m/s. Nilai debit tersebut menunjukkan nilai debit yang kecil
(low debit). Nilai debit ini sesuai dengan kebutuhan untuk menghasilkan listrik dari PLNH.
Skema PLNH diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 2. Skema Pembangkit Listrik Nano Hidro
Berdasarkan skema PLNH yang diperlihatkan pada gambar 2, maka turbin air dimodelkan
dengan menggunakan motor induksi. Turbin air dapat berputar karena ada debit yang mengenai
sudu turbin air. Dalam model ini, motor induksi diputar oleh ASD. Selanjutnya motor induksi
dihubungkan dengan generator, sehingga generator dapat berputar. Generator yang digunakan
berupa generator sinkron 3 fasa. Pemilihan generator sinkron didasarkan atas kemampuan
generator sinkron beroperasi pada putaran rendah dan ketersediaannya yang mudah diperoleh.
Model elektronik PLNH, diperlihatkan pada gambar 3.
F-3
Mohammad Taufik / Studi Pengembangan Model
Gambar 3. Model elektronik Pembangkit Listrik Nano Hidro
V0 (V)
Pengujian open circuit bertujuan untuk mengetahui tegangan output generator (V0), power
factor (PF) serta daya listrik yang hilang dari motor induksi dan generator (Plosses).
Daya (P) yang diperoleh merupakan daya yang masuk ke dalam generator sinkron (P = P i)
dan juga merupakan daya yang keluar dari Adjustable Speed Drive (P = Po). Daya ini menunjukkan
besar losses yang terjadi di dalam motor induksi dan generator sinkron. Besar daya losses adalah
12,6 W hingga 60,9 W.
Dari hasil pengujian open circuit diperoleh hubungan antara tegangan AC (V0) terhadap
Kecepatan Putaran Turbin Air seperti yang diperlihatkan pada gambar 4.
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Open Circuit, Model PLNH
143 201 258 316 373 431 488 546 603 661 718 776 833
Kecepatan Putaran Turbin Air (RPM)
Gambar 4. Karakteristik tegangan AC pada pengujian open circuit Model PLNH
Dari gambar 4, terlihat bahwa tegangan AC yang dihasilkan oleh generator sinkron memiliki
nilai yang berubah-ubah, bergantung pada kecepatan putaran turbin air. Semakin cepat putaran
turbin air, maka semakin besar tegangan AC yang dihasilkan. Tegangan AC yang dihasilkan
sebesar 21,1 Volt hingga 145,3 Volt. Tegangan AC rata-rata adalah 82,7 Volt.
Pengujian dengan beban menggunakan beban berupa resistor sebesar 35,2 ohm. Beban ini
diperoleh dari rata-rata 3 buah resistor yang terdiri atas 34,3 ohm, 34,6 ohm, dan 36,7 ohm yang
dirangkaikan secara paralel. Konfigurasi rangkaian resistor ini masih memungkinkan suatu
tegangan minimum yang keluar dari generator sinkron dapat melalui masing-masing beban resistor.
Pengujian dengan beban dilakukan agar sistem beroperasi sesuai kondisi nyata dan sesuai
kebutuhan. Pengujian dengan beban bertujuan untuk mengetahui karakteristik dari model PLNH
berupa tegangan AC (V0), power factor (PF), dan daya listrik yang masuk ke dalam sistem (Pi).
Dari hasil pengujian dengan beban, maka dapat ditentukan besarnya daya listrik output dan
efisiensi sistem PLNH.
Karakteristik tegangan AC output diperlihatkan pada gambar 5.
F-4
V0 (V)
Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA,
Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, 2 Juni 2012
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Dengan Beban, Model PLNH
143 201 258 316 373 431 488 546 603 661 718 776 833
Kecepatan Putaran Turbin Air (RPM)
Gambar 5. Karakteristik tegangan AC pada pengujian dengan beban Model PLNH
Gambar 5 memperlihatkan output tegangan AC yang dihasilkan oleh model PLNH.
Tegangan AC ini besarnya berubah-ubah, bergantung pada kecepatan putaran turbin air. Semakin
besar kecepatan putaran turbin air maka semakin besar tegangan AC yang dihasilkan. Nilai
tegangan AC ini adalah 31,3 Volt hingga 86,4 Volt, dan tegangan AC rata-rata sebesar 60,1 Volt.
Pada pengujian dengan beban, power factor memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan
pada pengujian open circuit, yaitu sebesar 0,302 hingga 0,712, dengan power factor rata-rata
sebesar 0,563. Hal ini berarti bahwa daya listrik yang bisa dimanfaatkan jumlahnya semakin besar.
Daya listrik output minimum sebesar 48,21 Watt, daya listrik output maksimum sebesar
367,32 Watt, dan daya listrik output rata-rata sebesar 193,12 Watt. Daya listrik output minimum
terjadi pada debit sebesar 0,748367 l/s, sedangkan daya listrik output maksimum terjadi pada debit
sebesar 4,511133 l/s.
Efisiensi rata-rata model PLNH sebesar 93,32 %, dengan efisiensi minimum sebesar 84,87 %
dan efisiensi maksimum sebesar 99,76 %. Nilai efisiensi yang sangat tinggi ini menunjukkan
bahwa model PLNH yang dihasilkan sangat baik karena losses yang terjadi sangat kecil. Losses
sangat kecil berarti bahwa rugi-rugi akibat mechanical system yang terjadi di dalam motor induksi
dan generator sinkron nilainya kecil.
400
350
Dengan Beban, Model PLNH
300
P (W)
250
200
Pi
150
Po
100
50
0
143 201 258 316 373 431 488 546 603 661 718 776 833
Kecepatan Putaran Turbin Air (RPM)
Gambar 6. Karakteristik daya listrik pada pengujian dengan beban Model PLNH
F-5
Mohammad Taufik / Studi Pengembangan Model
KESIMPULAN
Melalui penelitian ini telah dihasilkan model elektronik PLNH. Berdasarkan pembahasan
terhadap hasil, maka dapat dikemukakan simpulan sebagai berikut :
1. Model elekronik PLNH menghasilkan tegangan AC, power factor, daya listrik, dan efisiensi.
Tegangan AC yang dihasilkan sebesar 21,1 Volt - 145,3 Volt dan rata-rata sebesar 82,7 Volt
(pada pengujian open circuit), serta sebesar 31,3 Volt - 86,4 Volt dan rata-rata sebesar 60,1
Volt (pada pengujian dengan beban). Power factor yang dihasilkan sebesar 0,112 - 0,194 dan
rata-rata sebesar 0,163 (pada pengujian open circuit), serta 0,302 - 0,712 dan rata-rata sebesar
0,563 (pada pengujian dengan beban). Pada pengujian open circuit diperoleh daya losses yang
terjadi di dalam motor induksi dan generator sinkron sebesar 12,6 Watt - 60,9 Watt dan ratarata sebesar 41,03 Watt. Sedangkan daya listrik yang dihasilkan sebesar 48,21 Watt - 367,32
Watt, dengan daya listrik rata-rata sebesar 193,12 Watt. Efisiensi sistem berkisar 84,87% 99,76%, dengan efisiensi sistem rata-rata sebesar 92,32%.
2. Model elektronik PLNH memberikan output berupa tegangan AC yang berubah-ubah, yang
bergantung kepada kecepatan putaran turbin air. Semakin besar kecepatan putaran turbin air,
maka semakin besar tegangan AC yang dihasilkan. Tegangan AC yang berubah-ubah ini tidak
sesuai dengan kebutuhan pemakai untuk mengoperasikan peralatan elektronik yang
dimilikinya.
3. Untuk menghasilkan tegangan AC yang stabil/konstan sebesar 120 Volt atau 220 Volt dapat
dilakukan optimasi berdasarkan teknologi power electronics.
DAFTAR PUSTAKA
ASME Hydro Power Technical Committee. 1996. The Guide to Hydropower Mechanical Design.
Kansas City: HCI Publications
Bernard Y. Tumbelaka dan Mohammad Taufik. 2011. Optimization Model of Nano-Hydropower
Generation Design. Prosiding Seminar Nasional Fisika 2011. Serpong: Pusat Penelitian
Fisika-LIPI
Mohammad Taufik. 2010. Aplikasi Nano Hydro Power untuk Daerah Terpencil. Proseding
Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan, dan Penerapan MIPA. Yogyakarta: FMIPA
Universitas Negeri Yogyakarta
Mohammad Taufik, Bernard Y. Tumbelaka, Taufik. 2011. Model Hardware Pembangkit Listrik
Tenaga Air Skala Kecil. Prosiding Seminar Nasional Fisika 2011. Serpong: Pusat Penelitian
Fisika-LIPI
Mohibullah et al. 2004. Basic Design Aspects of Micro Hydro Power Plant and Its Potential
Development in Malaysia. National Power & Energy Conference (PECon) Proceedings.
Malaysia. Melalui <http://www.ieee.org/ web/publications/xplore> [22/02/2010]
Ranjitkar et al. 2006. Application of Micro-hydropower Technology for Remote Regions. Melalui
<http://www.ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=& arnumber=4057337> [22/02/2010]
F-6