Analisa Proses Pembangkit Daya Listrik Pada Pembangkit Listrik Tenaga Air ( PLTA ) Bili-bili

BAB I I

Energi Air

Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head (tinggi jatuh air) dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu :

 ........................................................................... (1.1)

dengan

            Ep adalah energi potensial

m adalah massa air

h adalah head (m)

g adalah percepatan gravitasi

Daya merupakan energi tiap satuan waktu , sehingga persamaan (1.1) dapat dinyatakan sebagai :

Dengan mensubsitusikan P terhadap  dan mensubsitusikan  terhadap  maka :

 ........................................................................ (1.2)

dengan

P adalah daya (watt) yaitu

Q adalah kapasitas aliran

adalah densitas air  

Selain memanfaatkan air jatuh hydropower dapat diperoleh dari aliran air datar. Dalam hal ini energi yang tersedia merupakan energi kinetik

 ........................................................................ (1.3)

dengan

            Ek adalah energi kinetik

v adalah kecepatan aliran air

Daya air yang tersedia dinyatakan sebagai berikut :

 ..................................................................... (1.4)

atau dengan menggunakan persamaan kontinuitas   maka

 ...................................................................... (1.5)

dengan

A adalah luas penampang aliran air

2.2.  Generator

Suatu pembangkit listrik baik itu Pembangkit Listrik Tenaga Gas ( PLTG ), Pembangkit Listrik Tenaga Uap ( PLTU ), dan Pembangkit Listrik Tenaga Air itu membutuhkan generator di mana generator di sini berfungsi untuk menghasilkan listrik, seperti halnya Pembangkit Listrik Tenaga Air ( PLTA ) Bili-bili yang memiliki dua generator untuk membangkitkan daya listrik.

Generator adalah sebuah mesin listrik yang dapat mengubah daya mekanis menjadi daya listrik. Jika sepotong kawat terletak di antara kutub-kutub magnet, kemudian kawat tersebut kita gerakkan, maka di ujung kawat itu timbul gaya gerak listrik karena induksi, dari teori dapat di tentukan dengan persamaan:

P = g x Q x h x  

Dimana :

            g = grafitasi bumi                                         m/s

            Q = debit air                                                   m                    

            h = tinggi jatuh air                                        m³/s

              = Efesiensi dari PLTA Bili-bili  0,97     

            P = Daya                                                        kW

        Arah GGL tersebut adalah sesuai dengan kaidah tangan kanan di mana apabila Bila tangan kanan dipampang sedemikian rupa hingga garis-garis fluks jatuh pada telapak tangan dan ibu jari menunjukan ke arah gerakan (penyebab) maka jari-jari yang lain menunjukkan arah GEM 

 

Gambar 1.1

        Dari gambar di atas menjelaskan bahwa kalau arah gerak kawat di balik maka arah GGL juga membalik. Gelombang yang dihasilkan generator dalam bentuk pulsa, GGL induksi yang timbul di ujung-ujung kumparan seperti di tunjukkan pada gambar di bawah ini.

 

Gambar 1.2.

        Untuk mengalirkan GGL induksi bolak-balik di ujung-ujung kumparan armatur ke beban generator, dipakai dua cincin yang ikut berputar dengan kumparan, dan pada cincin dipasang sikat arang yang tidak ikut berputar dengan putaran tersebut. Lihat pada gambar

Gambar 1.3

Sedangkan GGl yang selalu berubah-ubah serta tegangan yang berubah-ubah secara periodik disebut tegangan bolak-balik dan arus yang mengalir disebut arus bolak balik.

Gambar 1.4.

            Maka dengan teori ini menunjukkan bahwa arus yang ditimbulkan oleh generator adalah arus bolak-balik (arus DC).

2.3. Turbin air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk pembangkit tenaga listrik.. Turbin air mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis. Energi mekanis diubah dengan generator listrik menjadi tenaga listrik. Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. 

Penggunaan turbi pada PLTA Bili-bili yaitu turbin Kaplan ini di karenakan aliran aksial atau tinggi aliran air terjun yang relatif rendah. 

Adapu macam-macam turbin ialah :

             

1. Turbin Kaplan

Turbin Kaplan  merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu.. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu.

Turbin kaplan digunakan untuk tinggi terjun yang rendah, yaitu dibawah 20 meter. Teknik mengkonversikan energi potensial air menjadi energi mekanik roda air turbin dilakukan melalui pemamfaatan kecepatan air. Roda air tubin Kaplan  menyerupai baling-baling dari kipas angin. 

2  Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pda nozle. Air keluar nozle yang 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 nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

3. Turbin Pelton

turbin pelton merupakan turbin impuls. turbin pelton terdiri dari satu set sudut jalan yang diputar oleh pancaran air yang di semprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. turbin pelton adalah salah satu jenis turbin air yang lebih efisien. turbin pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi 

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 pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil.

Gambar 1.7 

Turbin Pelton dengan banyak nozle

Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

4  Turbin Turgo

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 ^o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. 

Gambar 1.8. 

Sudu turbin Turgo dan nozle

5  Turbin Crossflow

Salah satu jenis turbin impuls ini juga dikenal dengan nama Turbin Michell-Banki yang merupakan penemunya. Selain itu juga disebut Turbin Osberger yang merupakan perusahaan yang memproduksi turbin crossflow. Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m³/sec dan head antara 1 s/d 200 m. 

Turbin Zcrossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.

 

Gambar 1.10.  Turbin Crossflow

6.  Turbin Reaksi

            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.

7.  Turbin Francis

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar.  Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

 

Gambar 1.10. 

Turbin Francis