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 yang mahal.
Sebuah skema mikrohidro memerlukan dua hal, yaitu debit air dan ketinggian jatuh air atau yang biasa disebut dengan head untuk menghasilkan tenaga yang bermanfaat. Ini merupakan suatu konversi tenaga, menyerap tenaga dari bentuk ketinggian dan aliran dan menyalurkan tenaga dalam bentuk daya listrik atau gagang mekanik. Tidak ada sistem konversi yang daya yang dapat mengirim sebanyak yang diserap, akan tetapi sebagain daya hilang oleh sistem itu sendiri dalam bentuk gesekan, panas dan sebagainya.
Pada pengukuran debit air, sering dihadapkan dengan keterbatasan data dan waktu yang tersedia sehingga pengukuran air sepanjang tahun tidak memungkinkan. Sebagai jalan keluar, pengukuran debit dilakukan pada musim kemarau, dengan asumsi debit air yang terukur mendekati kondisi ketersediaan air minimum sepanjang tahun. Pada tahap perencanaan, perhitungan potensi daya suatu lokasi dilakukan pada 70%-80% debit air terukur tersebut, untuk menjamin ketersediaan air sepanjang tahunnya itu.
Dengan demikian, konsep PLTMH direncanakan dengan memanfaatkan kondisi debit air minimum sepanjang tahun, untuk menjamin PLTMH beroperasi pada output optimum sepanjang tahun.
Untuk mengetahui potensi daya listrik di suatu lokasi diperlukan data mengenai:
• Debit minimum yang mengalir pada saluran air/ sungai
• Perencanaan debit yang dapat digunakan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH)
• Debit air pada saat banjir
• Tinggi terjun (beda tinggi/head) yang tersedia.
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) merupakan suatu bentuk perubahan tenaga dari tenaga air dengan ketinggian dan debit tertentu menjadi tenaga listrik, dengan menggunakan turbin air dan generator. Daya (power) yang dihasilkan dapat dihitung dengan rumus :
PG = 9,8 . Q . Hg
Dimana :
PG = Potensi daya (kW)
Q = Debit aliran air (m3/s)
Hg = Head kotor (m)
9,8 = Konstanta gravitasi m/det2
Daya yang keluar dari generator dapat diperoleh dari perkalian efisiensi turbin dan generator dengan daya yang keluar secara teoritis. Bentuk pembangkit tenaga mikro-hidro adalah bervariasi, tetapi prinsip kerjanya adalah sama, yaitu ; “ Perubahan tenaga potensial air menjadi tenaga elektrik (listrik) “.
Perubahan memang tidak langsung, tetapi berturut-turut melalui perubahan sebagai berikut :
- Tenaga potensial Tenaga kinetik
- Tenaga kinetik Tenaga mekanik
- Tenaga mekanik Tenaga listrik
Tenaga potensial adalah tenaga air karena berada pada ketinggian. Tenaga kinetik adalah tenaga air karena mempunyai kecepatan. Tenaga mekanik adalah tenaga kecepatan air yang terus memutar kincir / turbin. Tenaga elektrik adalah hasil dari generator yang berputar akibat berputarnya kincir / turbin.
Prinsip kerja PLTMH yang paling utama adalah memanfaatkan semaksimal mungkin energi air yang dapat ditangkap oleh peralatan utamanya yang disebut turbin/kincir air. Efisiensi kincir air yang dipilih untuk menangkap energi air tersebut menentukan besarnya energi mekanik atau energi poros guna memutar generator listrik.
Untuk keperluan praktis, estimasi kapasitas daya listrik terbangkit keluaran generator dapat didekati dengan formula berikut :
Kapasitas daya listrik terbangkit
P = 9,8 .0,5 . Q . Hg
Dimana :
P = Daya listrik yang keluar dari generator (kW)
Q = Debit aliran air (m3/s)
t = Efisensi turbin
g = Efisiensi generator
tm = Efisiensi transmisi mekanik
hloss = Efisiensi head (faktor head losses)
Hg = Head kotor (tinggi terjun) (m)
0.5 = Konstanta dengan memperhitungkan efisiensi total sistem 50%
Komponen PLTMH
Situasi umum PLTMH yang biasa ditemui di Indonesia dapat di lihat pada gambar dibawah ini. PLTMH mempunyai beberapa bagian penting yang mendukung kemampuan kerjanya. Komponen penting yang ada antara lain:
Bendungan (Weir) dan Bangunan Intake (Bangunan penyadap)
Bendungan merupakan bagian yang sangat penting pada suatu pembangkit listrik tenaga air, karena bendungan merupakan tempat penampungan air. Bendungan untuk instalasi PLTMH dapat berupa bendungan beton atau bendungan beronjong. Pemilihan jenis bendungan yang terbaik untuk suatu tempat tertentu merupakan suatu masalah kelayakan teknis dan biaya. Kelayakan dipengaruhi oleh keadaan topografi, geologis dan cuaca. Perlengkapan lainnya adalah : penjebak/saringan sampah. Pada umumnya PLTMH, merupakan pembangkit type run of river sehingga bangunan intake dibangun berdekatan dengan bendungan dengan memilih dasar sungai yang stabil dan aman terhadap banjir.
Saluran Pembawa ( Head Race )
Saluran Pembawa merupakan saluran mengalirkan air dari intake menuju pipa pesat dengan menjaga ketinggian muka airnya. Saluran ini biasanya mempunyai kemiringan relative kecil. Tipe saluran pembawa biasanya sangat tergantung pada kondisi topografi geologi daerah yang dilewati, dan dapat berupa saluran terbuka, pipa ataupun terowongan., baik bertekanan ataupun tidak bertekanan. Konstruksi saluran penghantar dapat berupa pasangan batu kali atau hanya berupa tanah yang digali. Pada saluran penghantar yang panjang perlu dilengkapi dengan saluran pelimpah untuk setiap jarak tertentu. Jika terjadi banjir pada saluran tersebut, kelebihan air akan terbuang melalui saluran pelimpah.
Kolam Pengendap
Kolam ini biasanya dibuat dengan memperdalam dan memperlebar sebagian saluran penghantar dan menambahnya dengan saluran penguras. Fungsinya untuk mengendapkan pasir dan menyaring kotoran yang hanyut, sehingga air yang masuk ke turbin relatif bersih.
Bak Penenang (Forebay)
Bak penenang (forebay) terletak diujung saluran pembawa. Fungsi bak penenang secara kasar ada dua jenis.
a. Mengontrol perbedaan debit dalam penstock dan sebuah saluran pembawa karena fluktuasi beban.
b. Pemindahan sampah terakhir (tanah dan pasir, kayu yang mengapung, dll.) dalam air yang mengalir
Struktur bak penenang terdiri dari bak pengendap (setting basin), saluran pelimpah (spillway), trashrack, dan bak penenang sendiri. Bangunan ini sering kali dikenal dengan istilah head tank sebagai reservoir air yang terletak pada sisi atas untuk aliran ke unit turbin yang terletak dibagian bawah. Beda jatuh air ini yang dikenal head.
Kapasitas bak penenang didefinisikan sebagai kedalaman air dan panjang bak penenang. Untuk menentukan kapasitas dari bak penenang digunakan persamaan yaitu
Vsc = As×dsc＝B×L×dsc
Dimana:
As = area bak penenang
B = lebar bak penenang
L = panjang bak penenang
Dsc = kedalaman air dari kedalaman aliran yang sama dari sebuah saluran ketika menggunakan debit maksimum menuju kedalaman kritis dari ujung tanggul untuk menjebak pasir dalam sebuah bak penenang.
Untuk menghemat panjang pipa pesat, biasanya kolam atas ini diletakkan sedekat mungkin diatas powerhouse. Bak penenang dilengkapi dengan saluran pelimpah dan saringan agar sampah tidak masuk ke dalam pipa pesat.
Pipa Pesat (Penstock)
Pipa pesat (penstock) merupakan pipa pengatur dengan diameter besar, berfungsi untuk menyalurkan air dari bendungan ke sudu-sudu turbin. Pipa pesat umumnya terbuat dari baja, bisa juga dengan beton bertulang dan kayu dan tempat pemasukan pipa pesat terdapat saringan halus, sedangkan untuk pengosongan pipa terdapat pintu air.
Proses konversi energi dari energi potensial hidrolik menjadi energi kinetik yang akan dirubah menjadi energi mekanik oleh unit turbin terjadi melalui pemanfaatan potensi air yang berkumpul di bak penenang (head tank). Air dari bak penenang mengalir melalui penstock (pipa pesat) menuju turbin yang terdapat di dalam rumah pembangkit.
Untuk menentukan diameter dari penstock (pipa pesat) digunakan persamaan yaitu:
D = H-1/7 x Qd3/7
Di mana :
D = diameter pipa pesat (m)
H = perkiraan tinggi jatuh bersih (m)
Qd = desain debit (m3/dt)
Pondasi dan Dudukan Pipa Pesat
Dudukan pipa pesat harus mampu menahan beban statis dan dinamis dari pipa pesat dan air yang mengalir di dalamnya. Untuk itu, harus dihindari belokan - belokan karena akan mengakibatkan gaya yang cukup besar.
Bila gaya ini tak dapat ditahan oleh tanah (misalnya karena luas penampang dudukan pipa pesat terlalu kecil), maka pipa pesat akan terdorong - bergeser dan rusak. Untuk itu, perencanaan dimensi dudukan pipa pesat ini harus dilakukan secara matang, tentu saja berdasarkan kondisi tanah yang ada pada lokasi mikrohidro.
Rumah Pembangkit (Power House)
Di dalam rumah pembangkit (power house), dipasang turbin dan generator yang selalu mendapat beban dinamis dan bergetar, Dalam desain powerhouse, pondasi turbin - generator harus dipisahkan dari pondasi bangunan power house. Di samping itu perlu dipikirkan keleluasaan bongkar pasang turbin dan generator. Persoalan ini masih ditambah lagi dengan perlunya saluran pembuang di dalam sampai keluar powerhouse.
