PERANCANGAN PICO HYDRO PORTABLE TYPE KINCIR AIR SEBAGAI PEMBANGKIT ENERGI LISTRIK , , (1) Mahasiswa Teknik Elektro, Universitas Bung Hatta, (2) Dosen Teknik Elektro, (3) Dosen Teknik Mesin. Universitas Bung Hatta. E-mail:
[email protected]
Abstrak Picohydro adalah jenis pembangkit listrik tenaga dengan kapasitas kecil, sangat banyak sumbersumber potensi air yang dapat dimanfaatkan untuk Picohydro Portable. Hal ini selara dengan intruksi Bapak Presiden dan Gubernur untuk mencari sumber daya listrik sebagai upaya untuk menaikan elektrifikasi di Sumatera Barat. Sumber air yang ada di Sumatera Barat, ada dalam skala kecil dan kincir dapat dirancang untuk saluran irigasi dan aliran sungai kecil. Elektrifikasi 100% bahwa saluran irigasi ini tidak dimanfaatkan, hal ini disebabkan tidak adanya upaya masyarakat atau pemerintah untuk membuatnya. Untuk itu perlu dibuat suatu pembangkit listrik tenaga air dengan kapasitas kecil, pengoperasian terdiri dari dari sebuah kincir kecil yang dirancang sedemikian rupa agar ringan dan mudah untuk dibawa – bawa sebagai pembangkit listrik, digunakan motor listrik dengan diubah fungsi menjadi generator agar tegangan yang dihasilkan oleh generator dapat konstan. Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk merancang pembangkit listrik tenaga picohydro dengan memanfaatkan aliran air yang berkecepatan rendah. Metode dari penelitian ini menentukan jenis sumber air yang dimanfaatkan dalam memilih aliran irigasi atau sungi-sungai kecil, mengukur debit air untuk mendapatkan daya, menentukan jenis dan bahan untuk kincir air portable, merancang kontruksi berupa (rangka luar, rangka dalam, dudukan sudu, tapak poros), menentukan jenis atau kapasitas motor yang akan digunakan sebagai generator, membuat kontruksi dan membuat bagian kincir air (assembling), melakukan pengujian dilabor dan dilapangan. Dari hasil yang dilakukan didapatkan besaran energi air yang diuji dari lapangan sebesar 2 m/s maka daya terbangkit yaitu sebesar 2200 watt dengan tegangan 220 volt. Dan ELC (Electrical Load Controller) ini yang dapat mengatur tegangan yang berlebih, yang dihasilkan oleh pembangkit pico hydro ini. Kata kunci : Picohydro, ELC
1. Pendahuluan Pemerintah melalui PT. Perusahaan Listrik Negara (Persero) memiliki komitment yang tinggi untuk pembangunan kelistrikan, terutama untuk mewujudkan misi pembangunan yaitu rasio elektrifikasi mencapai 100%. Untuk itu pembangunan prasarana kelistrikan harus terus berjalan, termasuk diantaranya percepatan pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH). Untuk itu pembanguan di daerah Sumatera Barat dapat dijadikan salah satu pembangkit untuk menambah pasokan daya listrik. Dan energi yang ramah lingkungan serta berdampak positif pada pengembangan ekonomi, untuk
menjadikan listrik yang dapat mensejahterakan masyarakat untuk kehidupan yang lebih baik bagi masyarakat sumatera barat. ELC (Electronic Load Controller) ketika air besar atau akibat pembebanan dapat menimbulkan fluktuasi tegangan. ELC akan terhubung dengan menggunakan relay yang diatur hidup dan matinya dengan menggunakan MC (Micro Controller). Beban ELC ada berupa elemen pemanas yang secara otomatis akan dihubungkan oleh MC apabila tegangan yang dikeluarkan generator lebih dari (>) dari 220 volt. 2. Landasan Teori
Pico hydro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik yang menggunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik memiliki kapasitas aliran dan ketinggian tertentu dari instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik. pembangkit listrik tenaga air dibedakan atas : 1. Large-hydro : lebih dari 100 MW 2. Medium-hydro: antara 15 – 100 MW 3. Small-hydro : antara 1 – 15 MW 4. Mini-hydro : Daya diatas 100 kW, tetapi dibawah 1 MW 5. Micro-hydro: antara 5kW – 100 kW 6. Pico-hydro : daya yang dikeluarkan 5kW Pembangkit pico hydro merupakan pembangkit energi listrik yang menghasilkan keluaran daya listrik tidak lebih dari 5 kW. Pembangkit ini memiliki beberapa keunggulan, seperti : 1. Biaya pembuatannya relatif murah. 2. Bahan-bahan pembuatannya mudah ditemukan di pasaran. 3. Ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan bakar fosil. 4. Pembangunannya dapat dipadukan dengan pembangunan jaringan irigasi. 5. Perkembangan teknologinya relatif masih sedikit, sehingga cocok digunakan dalam jangka waktu yang lama. 6. Tidak membutuhkan perawatan yang rumit dan dapat digunakan cukup lama. Ukurannya yang kecil, cocok digunakan untuk daerah pedesaan yang belum terjangkau jaringan aliran listrik PLN.
Prinsip Kerja Pembangkit Energi Listrik Skala Pico adalah Pembangkit listrik skala piko pada prinsipnya memanfaatkan beda ketinggian dan jumlah debit air per detik yang
ada pada aliran air saluran irigasi, sungai atau air terjun. Aliran air ini akan memutar poros turbin sehingga menghasilkan energi mekanik. Energi ini selanjutnya menggerakkan generator dan generator menghasilkan listrik. Pada Pembangkit Energi Listrik Skala Pico Kelebihan Dan Kekurangan antara lain: - Kelebihan Pembangkit Listrik Skala Pico a. Sederhana dan Praktis digunakan. b. Teknologinya mudah masuk ke masyarakat. c. Mampu mensuplai energi listrik dengan debit kecil dan energi potensial yang minim. - Kekurangan Pembangkit Listrik Skala Pico Konsumen berkewajiban untuk membayar tarif setiap bulan. 2.1 Perancangan Pico Hydro Portable Type Kincir Sebagai Pembangkit Energi Listrik 2.1.1 Perancangan Kincir Air Kincir air adalah sebuah alat berbentuk lingkaran yang dibangun di sungai. Atau suatu bagian dari sistem pembangkit listrik yang berfungsi untuk mengubah energi yang ada pada air menjadi energi gerak putar, dan memutar poros yang dihubungkan dengan roda gigi (Gear), untuk menggerakan generator sehingga menghasilkan arus listrik. ada tiga jenis kincir air berdasarkan sistem aliran airnya, yaitu : overshot, breastshot, dan under-shot. Pada kincir overshot, air melalui atas kincir dan kincir berada di bawah aliran air. Air memutar kincir dan air jatuh ke permukaan lebih rendah. Kincir bergerak searah jarum jam. Pada kincir breast-shot, kincir diletakkan sejajar dengan aliran air sehingga air mengalir melalui tengah-tengah kincir. Air memutar kincir berlawanan dengan arah jarum jam. Pada kincir under-shot, posisi kincir air diletakkan agak ke atas dan sedikit menyentuh air. Aliran air yang menyentuh kincir menggerakkan kincir sehingga berlawanan arah dengan jarum jam.
Spesifikasi Ketinggian jatuh air (m) Debit air (m³/detik)
Overshot
Breastshot
Undershot
3 – 12
2–5
0,4 - 3,0
0,1 1,0
0,3 - 3,0
0,2 - 5,0
Diameter Kincir D (m)
2,5 – 10
5,5 - 8,5 (D=h+3,5)
2–9 D=(3h s/d 5h)
Kecepatan Peripheral U (m/detik)
1,5 2,0
1,4 - 2,0
2 – 12
RPM
3 – 25
3–7
2 – 12
Efisiensi 25 – Maksimum 20 – 75 20 – 70 80 (%) Tabel 1 Spesifikasi Kincir Air Untuk mengetahui debit kincir, maka harus dicari luas penampang yang terkena air terlebih dahulu. Q=V.A Dimana Q V A
: : debit air (m³/s) : kapasitas air (m²) : luas penampang saluran (m)
Analisa daya terbangkitkan : Besarnya daya hidrolik (Ph) yang merupakan potensi sumber daya energi air pada suatu wilayah, ditentukan melalui persamaan :
Dimana Q g H
: : daya hidrolik (kW) : debit air (m³/detik) :massajenis air(= 1000 kg/m³) :gravitasibumi(= 9,8 m/detik²) : tinggi jatuh air (m)
Dengan menggunakan efisiensi kincir (ηk) maka didapatkan daya mekanik kincir dengan persamaan :
Dimana
: η
: daya efisensi : nilai efisiensi (= 0,8) : daya hidrolik
2.1.2 Poros Kincir Poros adalah bagian yang berputar, biasanya berpenampang bulat, dimana terpasang elemen-elemen seperti roda gigi, engkol, dan elemen-elemen pemindah daya lainnya. Poros biasanya mendapatkan bebanbeban lentur, tarik, tekan, atau puntir, yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan yang lainnya. Daya rencana dihitung dengan rumus :
Dimana : : Daya rencana (kW) : Faktor koreksi : Daya kincir (kW) 2.1.3 Bantalan Bantalan adalah suatu komponen atau elemen mesin yang berfungsi menumpu atau mendukung poros berbeban, sehingga putaran atau gerakan bolak-balik dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur. Bantalan harus kokoh sehingga memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja baik. Jika bantalan tidak berfungsi dengan baik maka kemampuan seluruh kerja alat akan menurun atau tidak dapat bekerja dengan baik. Jadi bantalan dalam permesinan dapat disamakan peranannya dengan pondasi pada bangunan gedung. Persamaan - persamaan yang digunakan untuk perencanaan bantalan. Untuk mencari umur bantalan dalam putaran.
Dimana L
: : umur bantalan (putaran) : umur pemakaian bantalan (jam) : putaran poros
2.1.4 Perancangan Transmisi - Puli (Pulley) Puli adalah cakra (disc) yang dilengkapi dengan tali (rope), terbuat dari logam atau non logam, misalnya besi tuang, kayu, atau plastik. Perhitungan momen puntir maksimum pada lengan puli dapat dicari dengan rumus :
Dimana : : Momen puntir maksimum (N.mm) T : Torsi yang dipindahkan (N.mm) n: jumlah lengan puli yang direncanakan Sabuk-V Sabuk adalah suatu alat yang mentrasmisikan daya dari suatu poros atau As ke poros lainnya. Rasio kecepatan yang dihasilkan sabuk tidak tepat, akan ada kehilangan daya karena slip atau creep antara 3 – 5%. Perhitungan koefisien gesekan antara belt dan pulley dapat dihitung dengan rumus :
: putaran generator (rpm) : kecepatan air (m²/s) 2.1.5 Alternator Pengubahan energi angin menjadi energi listrik pada alat-alat yang kecil dapat dilakukan memakai alternator. Juga terdapat gejala bahwa energi yang harus dibangkitkan pada jumlah putaran yang banyak berubahubah. Karena daya usaha yang dibangkitkan itu harus dapat diredam, maka dari itu alternator mempunyai konstruksi yang sederhana, dan selain itu terdapat beberapa kebaikan bila dibandingkan dengan dynamo.
-
Dimana : : Koefisien gesekan yang terjadi antara belt dan pulley V : Kecepatan belt (m/menit) -
Gearbox (Speed Reducer) Roda gigi digunakan untuk mentransmisikan daya besar dan putaran yang tepat. Roda gigi memiliki gigi di sekelilingnya, sehingga penerusan daya dilakukan oleh gigi gigi kedua roda yang saling berkait. Gear box sebagai penaik kecepatan memberikan banyak kelebihan, karena pemasangan dan perawatan mudah, tampak rapi, dan yang lebih utama kehilangan daya rendah hanya saja harganya jauh lebih mahal dibanding kedua model sebelumnya. Gear box sangat cocok digunakan untuk penggerak mula yang putarannya sangat lambat (pada aliran sungai dengan head sangat rendah tetapi debit air tinggi).
rasio putaran dinyatakan dengan rumus : Rasio putaran =
Dimana :
Gambar 1. Alternator 2.1.5 ELC (Electronic Load Controller Electronic Load Controller (ELC) sebagai pengontrol frekuensi dan tegangan agar tetap stabil yang dihasilkan oleh sistem pembangkit mikrohidro. Pengaturan putaran generator mikro hidro dengan beban komplemen menggunakan sakelar elektronik. Pada dasarnya ELC mengatur agar beban generator selalu konstan walaupun terjadi perubahan beban secara mendadak dan menjaga agar beban generator selalu maksimum, dengan cara mengalihkan beban generator yang tak terpakai pada beban komplemen (complement load). Dengan demikian putaran generator juga akan konstan, sehingga perubahan frekuensi dan tegangan yang terjadi tidak signifikan atau masih dalm range yang ditentukan. 2.1.6 Inverter Inverter adalah rangkaian yang mengubah DC menjadi AC. Atau lebih tepatnya inverter memindahkan tegangan dari sumber DC ke beban AC. Inverter digunakan pada aplikasi seperti adjustable speed AC motor drives, uninterruptible power supplies (UPS), dan aplikasi ac yang dijalankan dari baterai.
2.2 Data 2.2.1 Analisa data terbangkit Parameter-parameter yang sudah didapatkan maka dapat dijadikan dasar perhitungan daya hidrolik dengan, maka :
Dengan ketinggian 1,8 meter diasumsikan kincir air yang digunakan aalah jenis dengan efisiensi maksimum sebesar 80%, maka akan didapatkan, maka daya mekanik kincir sebesar :
2.2.2 Hasil Pengukuran Hasil pengukuran pada tower trasmisi 150 kV yang diukur pada tower 33, yang terletak di Kecamatan Lubuk kilanagan, Kelurahan tarantang seperti yang ditunjukan pada tabel 2. berikut ini: Tabel 2. Hasil pengukuran alternator berbeban Beban Variabel Ukur
Frekuensi (
Variabel Ukur
Frekuensi (
1 (0 V)
2 (5 V)
Beban 3 4 (8 V) (15 V)
0
0,028
0,060
0,125
0,1875
220
200
140
120
100
12,8
12,07
11,6
11,37
11,37
50
50,6
50,4
50,8
45
5 (15 V)
Tabel 3. Pembebanan Alternator Memakai Inverter bahwa tegangan pada putaran tertentu, hal ini sangat jelas pada naiknya arus beban akan mempengaruhi tegangan output alternator. Tegangan yang dihasilkan oleh alternator jika dibandingkan dengan tegangan keluaran inverter, selalu mengikuti naik turunnya arus beban. Jadi pada dasarnya daya yang dikeluarkan alternator menjadi naik sebesar 73 %. Alat ini bisa dikatakan masuk dalam kategori Pico hidro. Tegangan tertinggi yang dihasilkan 231 Volt, sedangkan terendah 109 Volt dan tegangan yang satabil yaitu sebesar 220 volt, namun apabila tegangan melebihi dari 231 Volt alternator tidak dapat menghasilkan daya 2.3 Analisa
1 (0 V)
2 (5V)
3 (8 V)
4 (15 V)
5 (15 V)
0
0,028
0,060
0,125
0,1875
220
200
140
120
80
50
50,6
50,4
50,8
45
1200
975
640
455
350
Dalam hal ini, rotor sebagai bagian yang bergerak terdiri atas rangkaian-rangkaian elektromagnet dengan baterai sebagai sumber DC. Dengan tegangan baterai sebesar 12 volt, yang digunakan untuk membangkitkan medan magnet pada alternator.
Berdasarkan perhitungan serta pengukuran yang telah dilakukan pada rancangan pico hydro portable type kincir ini, penggunaan alternator dengan menghubungkan pada transmisi puli, sabuk-V dan gearbox maka putaran yang dihasilkan 1300 rpm dengan tegangan 30 volt dalam kondisi tidak stabil. Dengan daya 600 watt. Peneliti menambahkan rancangan pico hydro dengan menggunakan inverter maka daya yang dihasilkan menjadi 2200 watt dengan tegangan 220. Putaran terendah rancangan ini adalah 800 rpm (109) dan putaran tertinggi adalah 1900 rpm(231 Volt). Jadi apabila tegangan turun dan arus naik akan merusak alat-alat elektronik maka peneliti memakai ELC sebagai pengatur tegangan (V) dan frekuensi(Hz).
2.5. Kesimpulan Dari hasil penelitian, pengukuran dan perhitungan yang diperoleh dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Daya Pico hidro tidak melebihi dari 5 kW, alat rancangan ini memiliki daya 2200 Watt (2,2 kW) dengan menggunakan inverter sebagai penstabil. 2. Tegangan yang dihasilkan oleh alternator sebesar 600 Watt dengan tegangan 30 Volt tanpa beban 3. Pada arus 10 A daya yang dihasilkan mencapai 2200 Watt dengan tegangan 220 Volt dalam keadaan stabil 4. Hasil dari perancangan Pico hidro portabel type kincir air sebagai pembangkit tenaga listrik dengan spasifikasi alternatornya menunjukan bahwa penaikan putaran alternator sebesar 5% menjadi 1900 rpm, maka pada saat putaran tertinggilah alternator mampu berputar, lebih dari itu alternator tidak berfungsi. 5. Rancangan Pico hidro ini menghasilkan putaran 1300 rpm dengan tegangan 220 Volt, daya 2200 Watt dalam kondisi stabil.
4. S. Warsito, Abdul Syakur, Agus Adhi Nugroho. 2005. “Studi Awal Perencanaan Sistem Mekanikal dan Kelistrikan Pembangkit Listrik Tenaga Mini – Hydro”. Universitas Islam Sultam Agung. Semarang. 5. Machmud Effendy. 2009. “Rancang Bangun Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro”. Universitas Muhammadiyah Malang.
Jawa
Timur.Muklis.
2008.
Implementasi Sistem Pentanahan Grid (Aplikasi Pada Kampus III UBH). Padang. Universitas Bung Hatta. 6. Sularso, Kiyokatsu siga. 2004. “Dasar Perencanaan
Dan
Pemilihan
Elemen
Mesin”. PT. Pradnya Paramitha. Jakarta. 7. Dika Zulfikar, Hari Siswoyo S.T, M.T, Ir. Teguh Utomo, M.T. 2012. “Perancangan PLTMH Tipe Kincir Air Di Kecamatan Pasujambe
Kabupaten
Lumajang”.
Universitas Brawijaya. Malang. 8. Riza Widia, Dasrul Yunus, Staf Pengajar Teknik
Elektro.
2012.“Simulasi
Arus
Beban PLTMH Menggunakan Pengatur 2.6. Daftar Pustaka
Beban Elektonik (ELC) Fasa Satu”. Politeknik Negeri Padang. Padang.
1. Aryo Hendrato P, Jatmiko, Hasyim Asy’ari. 2012. “Pemanfaatan Pemandian Umum Untuk Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro (PLTMH) Menggunakan Kincir Tipe Overshot”. Universitas Muhammadiyah Surakatra. 2. Edryan setyo, Mochammad Rif’an S.T, M.T, Ir. Teguh Utomo, M.T. 2012. “Perancangan Electronic Load Controller (ELC) sebagai Pengstabil Frekuensi Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro”.Universitas Brawijaya. Malang. 3. Nursun Hardi Kresna. 2007. “Model Perhitungan Pengaruh Kapasitor Terhadap Kinerja Motor Induksi”. Universitas Bung Hatta. Padang.
.
