Panduan Pembangunan Pembangkit Listrik Mikro Hidro

1. Tujuan Pembangunan Mikro Hidro

Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dan instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Biasanya Mikrohidro dibangun berdasarkan kenyataan bahwa adanya air yang mengalir di suatu daerah dengan kapasitas dan ketinggian yang memadai. Istilah kapasitas mengacu kepada jumlah volume aliran air persatuan waktu (flow capacity) sedangan beda ketinggian daerah aliran sampai ke instalasi dikenal dengan istilah head. Mikrohidro juga dikenal sebagai white resources dengan terjemahan bebas bisa dikatakan "energi putih". Dikatakan demikian karena instalasi pembangkit listrik seperti ini menggunakan sumber daya yang telah disediakan oleh alam dan ramah lingkungan. Suatu kenyataan bahwa alam memiliki air terjun atau jenis lainnya yang menjadi tempat air mengalir. Dengan teknologi sekarang maka energi aliran air beserta energi perbedaan ketinggiannya dengan daerah tertentu (tempat instalasi akan dibangun) dapat diubah menjadi energi listrik,

Seperti dikatakan di atas, Mikrohidro hanyalah sebuah istilah. Mikro artinya kecil sedangkan hidro artinya air. Dalam prakteknya, istilah ini tidak merupakan sesuatu yang baku namun bisa dibayangkan bahwa Mikrohidro pasti mengunakan air sebagai sumber energinya. Yang membedakan antara istilah Mikrohidro dengan Miniihidro adalah output daya yang dihasilkan. Mikrohidro menghasilkan daya lebih rendah dari 100 W, sedangkan untuk minihidro daya keluarannya berkisar antara 100 sampai 5000 W. Secara teknis, Mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sumber energi), turbin dan generator.

Air yang mengalir dengan kapasitas dan ketinggian tertentu di salurkan menuju rumah instalasi (rumah turbin). Di rumah turbin, instalasi air tersebut akan menumbuk turbin, dalam hal ini turbin dipastikan akan menerima energi air tersebut dan mengubahnya menjadi energi mekanik berupa berputamya poros turbin. Poros yang berputar tersebut kemudian ditransmisikan/dihubungkan ke generator dengan mengunakan kopling. Dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan ke rumah-rumah atau keperluan lainnya (beban). Begitulah secara ringkas proses Mikrohidro, merubah energi aliran dan ketinggian air menjadi energi listrik.

Terdapat sebuah peningkatan kebutuhan suplai daya ke daerah-daerah pedesaan di sejumlah negara, sebagian untuk mendukung industri-industri, dan sebagian untuk menyediakan penerangan di malam hari. Kemampuan pemerintah yang terhalang oleh biaya yang tinggi dari perluasan jaringan listrik, sering membuat Mikro Hidro memberikan sebuah alternatif ekonomi ke dalam jaringan. Ini karena Skema Mikro Hidro yang mandiri, menghemat biaya dari jaringan transmisi dan karena skema perluasan jaringan sering memerlukan biaya peralatan dan pegawai yang mahal. Dalam kontrak, Skema Mikro Hidro dapat didisain dan dibangun oleh pegawai lokal dan organisasi yang lebih kecil dengan mengikuti peraturan yang lebih longgar dan menggunakan teknologi lokal seperti untuk pekerjaan irigasi tradisional atau mesin-mesin buatan lokal. Pendekatan ini dikenal sebagai Pendekatan Lokal. Gambar 1 menunjukkan betapa ada perbedaan yang berarti antara biaya pembuatan dengan listrik yang dihasilkan.

Gambar 1. Skala Ekonomi dari Mikro-Hidro (berdasarkan data tahun 1985)

Keterangan gambar 1
Average cost for conventional hydro = Biaya rata-rata untuk hidro konvensional.
Band for micro hydro = Kisaran untuk mikro-hidro
Capital cost = Modal
Capacity = Kapasitas (kW)

2. Komponen-Komponen Pembangkit Listrik Mikro Hidro

Gambar 2. Komponen-komponen Besar dari sebuah Skema Mikro Hidro

• Diversion Weir dan Intake (Dam/Bendungan Pengalih dan Intake)
Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai (‘Intake’ pembuka) ke dalamsebuah bak pengendap (Settling Basin).


• Settling Basin (Bak Pengendap)
Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partikel-partikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk melindungi komponen-komponen berikutnya dari dampak pasir.


• Headrace (Saluran Pembawa)
Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.


• Headtank (Bak Penenang)
Fungsi dari bak penenang adalah untuk mengatur perbedaan keluaran air antara sebuah penstock dan headrace, dan untuk pemisahan akhir kotoran dalam air seperti pasir, kayu-kayuan.


• Penstock (Pipa Pesat/Penstock)
Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah Turbin.

• Turbine dan Generator
Perputaran gagang dari roda dapat digunakan untuk memutar sebuah alat mekanikal (seperti sebuah penggilingan biji, pemeras minyak, mesin bubut kayu dan sebagainya), atau untuk mengoperasikan sebuah generator listrik. Mesin-mesin atau alat-alat, dimana diberi tenaga oleh skema hidro, disebut dengan ‘Beban’ (Load),dalam Gambar 2. bebannya adalah sebuah penggergajian kayu.



Tentu saja ada banyak variasi pada penyusunan disain ini. Sebagai sebuah contoh, air dimasukkan secara langsung ke turbin dari sebuah saluran tanpa sebuah penstock seperti yang terlihat pada penggergajian kayu di Gambar 2. Tipe ini adalah metode paling sederhana untuk mendapatkan tenaga air, tetapi belakangan ini tidak digunakan untuk pembangkit listrik karena efisiensinya rendah. Kemungkinan lain adalah bahwa saluran dapat dihilangkan dan sebuah penstock dapat langsung ke turbin dari bak pengendap pertama. Variasi seperti ini akan tergantung pada karakteristik khusus dari lokasi dan skema keperluan-keperluan dari pengguna.

sumber: energiterbarukan.net

Hubungan Daya Aktif dan Frekuensi

Dalam sistem tenaga listrik, umumnya digunakan generator sinkron fasa tiga untuk pembangkit tenaga listrik yang utama, maka pengaturan frekuensi sistem praktis tergantung pada karakteristik dari generator sinkron tersebut.

Untuk dua buah generator sinkron yang bekerja secara paralel, diagram vektor dari fluks magnetik, tegangan, arus dan dayanya, digambarkan sebagai berikut:


Gambar 1.1 Diagram vektor dua buah generator sinkron yang bekerja paralel

Apabila kopel penggerak salah satu generator pada gambar (1.1) diperbesar, maka rotor (kutub) generator akan bergerak maju dalam arti bahwa vektor Φ akan bergerak ke arah yang memperbesar komponen daya aktif MW dari generator, misalkan hal ini dilakukan terhadap generator nomor 2, maka keadaan akan berubah seperti ditunjukkan oleh vektor Φ2’, E2’ dan I2’.

Selanjutnya komponen daya aktif generator 2 akan berubah dari MW2 menjadi MW2’. Penambahan kopel penggerak generator memerlukan tambahan bahan bakar pada unit thermis dan pada unit hydro memerlukan penambahan air. Oleh karenanya produksi MWH dari unit-unit pembangkit listrik memerlukan bahan bakar untuk unit thermis dan memerlukan sejumlah air untuk unit hydro. Sedangkan untuk daya reaktif (VAR) tidak akan terpengaruh dengan penambahan kopel penggerak ini, karena komponen daya reaktif lebih di pengaruhi oleh perubahan pada komponen penguat medan magnet dan tegangan.

Menurut prinsip dasar dalam dinamika rotor, ada hubungan antara kopel mekanis penggerak generator dengan perputaran generator, dapat dituliskan dalam bentuk persamaan[2]:
(TG – TB) = M x(1)

dimana:
TG = torsi atau kopel penggerak generator
TB = torsi atau kopel beban yang membebani generator
M = momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya
= kecepatan sudut perputaran generator

Karena frekuensi yang dihasilkan generator merupakan sama dengan kecepatan rotornya, sehingga dapat dituliskan dengan:
f =(2)

Hal ini berarti bahwa pengaturan frekuensi sistem merupakan pengaturan dari kopel penggerak generator atau pengaturan daya aktif dari generator. Untuk mesin penggerak generator, pengaturan frekuensi sistem di lakukan dengan pengaturan pemberian bahan bakar pada unit thermis dan pengaturan pemberian air pada unit hydro.

Sedangkan untuk sistem beban, frekuensi akan turun apabila daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan sebaliknya frekuensi akan naik apabila ada kelebihan daya aktif dalam sistem. Secara mekanis, dengan melihat persamaan (1) dan (2) dinamika frekuensi sistem dalam kaitannya dengan pembangkitan daya aktif dapat dituliskan sebagai berikut [2]:
a. Jika TG – TB = ΔT < 0, maka< 0, sehingga frekuensi akan turun (3)
b. Jika TG – TB = ΔT > 0, maka> 0, sehingga frekuensi akan naik (4)

Namun secara tidak langsung penyediaan daya reaktif dapat pula mempengaruhi frekuensi sistem, karena penyediaan daya reaktif mempunyai pengaruh besar terhadap kenaikan tegangan, yang selanjutnya dapat menyebabkan kenaikan beban daya aktif. Namun pengaturan frekuensi sistem lebih dominan kaitannya dengan penyediaan daya aktif.

ditulis oleh: hanif guntoro
referensi:
Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995

Elektromekanis Dalam Sistem Tenaga (bagian I)

1.1 Gaya Gerak Listrik

Apabila sebuah konduktor dengan panjang efektif ℓ digerakkan tegak lurus sejauh ds dan memotong suatu medan magnet dengan kerapatan fluks B, maka perubahan fluks pada konduktor tersebut adalah[3]:
d = Bℓds (1.1)
Dari hukum faraday, diketahui bahwa gaya gerak listrik (ggl) dinyatakan dengan:

e = (1.2)

atau,
e = (1.3)

dan jika ds/dt = v = kecepatan, maka:

e = Bℓv (1.4)

Persamaan (1.4) dapat diartikan bahwa apabila dalam medium medan magnet diberikan energi mekanik untuk menghasilkan kecepatan (v), maka akan dibangkitkan energi listrik (e), dan ini merupakan prinsip dasar dari generator. Arah gaya gerak listrik ini ditentukan oleh aturan tangan kanan, dimana ibu jari, telunjuk dan jari tengah saling tegak lurus, dengan ibu jari menunjukan arah kecepatan (v), telunjuk menunjukan arah kerapatan fluks (B) dan jari tengah menunjukan arah energi listrik (e).

Gambar 1.1 Generator yang dihubungkan dengan sebuah beban

Bila konduktor tersebut, dalam hal ini sudah merupakan sebuah rangkaian generator, kemudian dihubungkan dengan beban, misalnya suatu tahanan (R), seperti tampak pada gambar 1.1, maka pada konduktor tersebut akan mengalir arus listrik (I) atau energi mekanik berubah menjadi energi listrik. Arus listrik (I) yang mengalir pada konduktor tadi, merupakan medan magnet pula dan akan berinteraksi dengan medan magnet yang telah ada (B). interaksi medan magnet merupakan gaya reaksi (lawan) terhadap gerak mekanik yang di berikan. Agar konversi energi mekanik ke energi listrik dapat berlangsung, energi mekanik yang yang diberikan haruslah lebih besar dari gaya reaksi tadi.

1.2 Karakteristik Mesin Sinkron

Suatu mesin sinkron dengan kumparan medan 4 kutub, kumparan jangkarnya terdiri atas 2 kumparan yaitu a1, -a1 dan a2, –a2 seperti tampak pada gambar 1.2. kedua kumparan tersebut bila dihubungkan secara seri akan berbentuk seperti gambar 1.3.


Gambar 1.2 Mesin sinkron dengan kumparan medan 4 kutub.


Gambar 1.3 Hubungan seri kumparan jangkar mesin sinkron 4 kutub.

Kerapatan fluks B yang ditimbulkan akibat berputarnya kumparan medan akan berbentuk sinusoida terhadap ruang (sebagai fungsi ruang, bukan sebagai fungsi waktu). Sehingga distribusi fluks B terhadap ruang digambarkan terlihat pada gambar 1.4.


Gambar 1.4 Grafik sinusoidal antara kecepatan rotor ω dan θ.

Pada mesin empat kutub seperti pada gambar 1.2, terlihat bahwa setiap satu kali putaran mesin, tegangan induksi yang di timbulkan sudah menyelesaikan dua siklus penuh, atau dengan kata lain 360° perputaran mekanik sama dengan 720° perputaran listrik, karena itu secara umum dapat dituliskan sebagai berikut[3]:
(1.5)

dimana:
p = jumlah kutub
= sudut listrik
= sudut mekanik

Dari persamaan (1.5) diketahui bahwa untuk setiap satu siklus tegangan yang dihasilkan, mesin akan menyelesaikan kali putaran. Karena itu frekuensi gelombang tegangan adalah:
f = (1.6)

dimana:
n = rotasi per menit (rpm)

Kecepatan sinkron untuk mesin arus bolak-balik lazim dinyatakan dengan:
rpm (1.7)

Jadi misalkan untuk generator sinkron yang bekerja dengan frekuensi 50 Hz dan mempunyai jumlah kutub dua (p = 2), maka kecepatan putaran mesin tersebut adalah:


lanjutkan membaca elektromekanis dalam sistem tenaga bagian 2 di sini

Elektromekanis Dalam Sistem Tenaga (bagian II, Tamat)

1.3 Dinamika Rotor Dan Persamaan Ayun

Artikel kali ini merupakan lanjutan dari artikel sebelumnya, dan dapat dibaca di sini

Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin sinkron didasarkan pada prinsip dasar dalam dinamika yang menyatakan bahwa momen-putar percepatan atau torsi adalah hasil kali dari momen-kelembaman (momen-inersia) rotor dan percepatan sudut. Untuk generator sinkron dapat ditulis dalam persamaan [1]:
N-m (1.8)

dimana:
J = momen-kelembaman total (momen inersia) dari massa rotor, dalam kg-m2
= pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu diam, dalam mekanikal radian
t = waktu, dalam detik
Tm = torsi mekanik dari mesin penggerak, dikurangi dengan rugi-rugi gesekan,dalam N-m
Te = torsi elektromagnetik, dalam N-m
Ta = torsi percepatan, dalam N-m


Gambar 1.5 Representasi dari rotor generator dengan arah rotasi dari torsi mekanik dan torsi elektrik.

Torsi mekanik Tm dan torsi elektromagnetik Te pada generator sinkron akan saling meniadakan. Artinya bahwa Tm merupakan hasil dari torsi shaft yang memutar rotor atau percepatan gerak putar shaft, sedangkan Te merupakan perlambatan gerak putar shaft, seperti di tunjukkan pada gambar 1.4. Pada pengoperasian generator dalam kondisi tetap, nilai Tm dan Te adalah sama dan nilai torsi percepatan Ta adalah nol. Jika tidak ada percepatan atau perlambatan dari massa rotor dan kecepatan putarnya juga tetap, maka hal ini disebut juga dengan kecepatan sinkron.

Karena θm diukur terhadap suatu sumbu pedoman yang diam pada stator, maka pada kecepatan sinkron yang tetap, nilai θm akan terus bertambah terhadap waktu, dan dinyatakan dengan [1]:
(1.9)

dimana;
merupakan kecepatan sinkron atau sama juga dengan frekuensi listrik serempak, dalam mekanikal radian per detik.
adalah sudut listrik antara suatu titik pada rotor dan rangka patokan serempak, dalam mekanikal radian.

Seringkali besarnya diambil sama dengan sudut daya mesin sinkron. Sehingga turunan dari persamaan (1.9) terhadap waktu adalah [1]:

=+(1.10)

dan percepatannya adalah:
=(1.11)

Pada persamaan (1.10) terlihat bahwa kecepatan angular rotoradalah tetap dan sama dengan kecepatan sinkron pada saatsama dengan nol.

Kemudian dengan memasukan persamaan (1.11) ke dalam persamaan (1.8), maka akan diperoleh:
N-m(1.12)

Persamaan (1.12) ini dikenal sebagai persamaan ayun (swing equation) dan digunakan untuk mengetahui dinamika elektromekanis suatu mesin sinkron atau dinamika rotor.

Dalam dinamika rotor, diketahui bahwa besarnya daya percepatan yang disimpan adalah sama dengan torsi putar dan dikalikan dengan kecepatan sudut
, dituliskan dengan persamaan [1]:

W (1.13)

dimana;
=,dalam radian per detik (rad/det)
Pm adalah daya mekanik dari shaft dikurangi dengan rugi-rugi gesekan
Pe adalah daya listrik yang dihasilkan
Pa adalah daya percepatan, yang didapat berdasarkan ketidak seimbangan antara Pm dan Pe

Dalam hal ini rugi-rugi gesekan dan rugi-rugi armature R diabaikan, sehingga dianggap bahwa Pm merupakan energi mekanik dari mesin penggerak dan Pe adalah daya listrik yang dihasilkan.

Koefisienadalah momen sudut (angular momentum) rotor, pada kecepatan serempak, momen ini dinyatakan dengan M dan disebut dengan konstanta inersia mesin, maka persamaan (1.13) dapat juga dituliskan sebagai berikut [1]:

W (1.14)

dimana:
M = konstanta inersia, yang dinyatakan dalam joule-detik per derajat mekanik.

Untuk studi kestabilan, diperlukan suatu konstanta lagi yang ada hubungannya dengan kelembaman atau momen inersia, yaitu konstanta H yang merupakan energi kinetik yang tersimpan pada kecepatan sinkron, dalam megajoules dan dibagi dengan rating mesinnya, dalam MVA, didefinisikan dengan [1]:
MJ/MVA (1.15)

dimana:
Smesin = rating daya mesin serempak fasa tiga, dalam MVA.

Dengan bentuk lain untuk M pada persamaan (1.15), didapat:
MJ/mekanik radian (1.16)

Bila persamaan (1.16) ini disubstitusikan ke persamaan (1.14), maka akan diperoleh:
(1.17)

Karena= 2πf dan berubah terhadap waktu, maka persamaan (1.17) dengandalam radian listrik, dapat juga dituliskan sebagai berikut:

per unit (1.18)

atau,

per unit (1.19)

danjika, dalam derajat listrik, maka:

per unit (1.20)

Persamaan (1.18) disebut dengan persamaan ayun mesin (swing equation) atau persamaan dasar yang mengatur dinamika (gerak) perputaran dari mesin serempak dalam studi kestabilan.

Nilai dari kelembaman atau momen inersia(H), untuk beberapa jenis mesin listrik dapat di lihat dari tabel 1.1[1].

Tabel 1.1 Nilai momen inersia (H) dari beberapa jenis mesin listrik

1. Turbine generator
a. Full condensing stream turbine generator, dengan nilai H, 4-9 MJ/MVA.
b. Non-Condensing steam turbine generator, dengan nilai H, 3 – 4 MJ/MVA.

2. Waterwheel Generator
a. Slow-speed <200 rpm, dengan nilai H, 2 – 3 MJ/MVA.
High-speed >200 rpm, dengan nilai H, 2 – 4 MJ/MVA.

3. Gas turbine generator, dengan nilai H, 2 – 5 MJ/MVA.

4. Diesel generator
a. Low-speed, dengan nilai H, 1-3 MJ/MVA.
b. With flywheel, dengan nilai H, 4-5 MJ/MVA.

4. Motor sinkron berbeban, dengan nilai H, 1 – 5 MJ/MVA.

5. Motor induksi berbeban, dengan nilai H, 0,03 – 1,4 MJ/MVA ( 100 kW-2000kW, tergantung pada kecepatannya)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Anderson, P.M and Fouad, A.A, “Power System Stability”, The Iowa State University Press, Ames, Iowa, U.S.A,1982

[2] Marsudi, D, “Operasi Sistem Tenaga Listrik”, Penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta, 2006

[3] Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995

Ditulis oleh: Hanif Guntoro, sebagai bahan skripsi untuk menyelesaikan S1 Teknik Elektro di Universitas Mercu Buana Jakarta.