TUGAS MAKALAH FISIKAHubungan antara Debit Air dengan Efisiensi Generator

Disusun Oleh :

1. Bayu Hendriansa

(06)

2. Diah Ayu Puspitasari (07)

3. Gufron FitrionO

(15)

4. Mahmuda Nur Khomariah (17)

5. Nindya Kirana Putri

(19)

SMA NEGERI 1 PONOROGOJl. Budi Utomo no. 1 Telp. (0352)

Siman - PonorogoKATA PENGANTAR

Puji syukur bagi-Mu ya Robb, hanya dengan rahmat dan hidayahMu penulis dapat menyelesaikan makalah ini. Makalah ini berjudul "Hubungan antara Debit Air dengan Efisiensi Generator". Penulis menyusun makalah ini sebagai salah satu tugas mata pelajaran Fisika semester II kelas XI IPA 1. Penulis sangat menyadari dalam pembuatan makalah ini masih jauh dari kesempurnaan,dan tidak lepas dari kekurangan dan kelemahan.Dari segi isi, data, maupaun analisisnya. Oleh karena itu, saran dan kritik yang bersifat membangun sangat penulis harapkan sebagai bahan pertimbangan dan perbaikan dalam penulisan karya ilmiah selanjutnya. Penyusunan makalah ini tidak lepas dari bantuan dan dorongan rekan-rekan ,guru mata pelajaran, dan orang tua. Semoga Allah senantiasa melimpahkan rahmat-Nya kepada semua pihak yang begitu baik dan tulus atas segala hal yang diberikan kepada penulis.Akhirnya penulis berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca dandapat menambah wawasan tentang perkembangan teknologi yang tak lepas dari Fisika sebagai bidang mata pelajaran ilmu pengetahuan.Ponorogo, April 2014Penyusun

DAFTAR ISI1.JUDULi

2.KATA PENGANTARii

3.DAFTAR ISIiii

4.BAB I PENDAHULUAN

a. Latar Belakang Masalah1

b. Batasan Masalah1

c. Rumusan Masalah2

d. Tujuan 2

e. Manfaat2

5.BAB II PEMBAHASAN

a. Debit Air3

b. Generator dan Turbin3

c. Efisiensi Generator4

d. Cara Kerja Generator dan Turbin4

e. Hubungan antara Debit Air

dengan Efisiensi Generator4

f. Faktor-Faktor yang

Mempengaruhi Efisiensi

Generator

g. PLTA dan PLT Mikrohidro

h. Komponen PLTA

6.BAB III PENUTUP

a. Kesimpulan

b. Kritik dan Saran

BAB IPENDAHULUAN

A. Latar Belakang MasalahSecara geografis kondisi Negara Indonesia adalah perbukitan dan memiliki hutan dengan curah hujan yang tinggi dan kondisi topografi yang bergunung-gunung dengan aliran sungai yang berpotensi untuk dikembangkan sebagai pembangkit tenaga listrik. Potensi ini sebagian besar tersebar di daerah pedesaan, sementara diperkirakan masih banyak penduduk desa yang belum menikmati energi listrik sehingga sangat tepat untuk mengembangkan pembangkit listrik menggunakan tenaga alam yang tersedia. Di Indonesia terdapat banyak sungai yang tersebar di berbagai wilayah Indonesia, khususnya di daerah pedesaan yang didominasi dengan sungai dengan aliran deras. Potensi ini bisa digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air maupun mikrohidro. Pembangkit semacam ini memerlukan turbin dan generator. Turbin digunakan untuk menggerakkan air, sedangkan generator digunakan untuk mengubah energi potensial air menjadi listrik. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja pembangkit ini, salah satunya adalah debit air. Dari uraian diatas, maka kami memilih judul Hubungan antara Debit Air dengan Efisiensi Generator.

B. Batasan MasalahPermasalahan yang menjadi pokok bahasan pada makalah ini adalah hubungan antara debit air dan efisiensi generator, serta faktor-faktor lain yang mempengaruhi hal tersebut. Selain itu, juga implementasi teori fisika pada kehidupan sehari-hari. C. Rumusan MasalahMasalah yang dibahas dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :1. Apa yang dimaksud dengan debit air ? 2. Apa yang dimaksud dengan generator dan turbin? 3. Apa yang dimaksud dengan efisiensi generator?4. Bagaimana cara kerja generator dan turbin?

5. Apa hubungan antara debit air dengan efisiensi generator? 6. Apa saja faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi generator? 7. Bagaimana implementasinya pada PLTA maupun PLT Mikrohidro? D. TujuanAdapun tujuan dari dibuatnya makalah ini adalah untuk mengetahui hubungan antara debit air dan efisiensi generator, serta faktor-faktor lain yang mempengaruhi hal tersebut. Selain itu, juga untuk mengetahui implementasi teori fisika pada kehidupan sehari-hari.

E. ManfaatMaafaat dari dibuatnya makalah ini adalah agar para pembaca makalah ini bisa memahami hubungan antara debit air dan efisiensi generator, serta faktor-faktor lain yang mempengaruhi hal tersebut. Selain itu, juga untuk mengetahui implementasi teori fisika pada kehidupan sehari-hari dan mengembangkan teori untuk menciptakan hal yang lebih berguna bagi kehidupan. BAB IIPEMBAHASANA. Debit Air

Debit air adalah kecepatan aliran air per satuan waktu.Debit air yang berada di sungai maupun di bendungan sangat bergantung sekali pada curah hujan. Semakin tinggi volume air, semakin sedikit satuan waktunya, maka semakin tinggi pula debit air yang mengalir. Oleh karena itu, debit air berkaitan erat dengan satuan volume dan satuan waktu. Berikut adalah rumus untuk menentukan suatu debit aliran sungai :

B. Generator dan Turbin

Generator adalah sebuah alat yang mengubah energimekanik (gerak) menjadi energi listrik (arus tegangan), biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik.

Prinsip kerja generator sesuai dengan hukum Faraday yang menyatakan Ketika sepotong kawat bergerak dalam medan magnet, itu menyebabkan arus akan diinduksidalam konduktor. Terdapat 2 komponen utama pada generator listrik, yaitu: sator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Rotor akan berhubungan dengan poros generator listrik yang berputar pada pusat stator. Kemudian poros generator listrik tersebut biasanya diputar dengan menggunakan usaha yang berasal dari luar, seperti yang berasal dari turbin air.

Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida. Turbin sederhana memiliki satu bagian yang bergerak, "asembli rotor-blade". Fluida yang bergerak menjadikan baling-baling berputar dan menghasilkan energi untuk menggerakkan rotor. Prinsip kerjanya adalah mengubah energi mekanik dari aliran fluida dan memasukkannya ke generator. Komponen-komponen generator terdiri atas rotor yang tersusun atas sudu-sudu, poros, bantalan dan stator yang tersusun atas pipa pengarah dan rumah turbin.

C. Efisiensi Generator

Efisiensi generator adalah Rasio antara input dan output generator yang dihasilkan. Semakin tinggi efisiensi generator semakin baik kemampuan dari generator sehingga energi yang hilang tak cukup banyak.

Keterangan :

1. = efisiensi [ % ]

2. P output : Daya Keluaran

3. P input : Daya masukan

D. Cara Kerja Generator dan Turbin

Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-baling pengarah yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati tahapan pertama runner yang berputar penuh dengan derajat reaksi yang kecil. Turbin Kaplan dan baling-baling adalah turbin reaksi dengan aliran aksial, biasanya digunakan untuk head-head rendah. Turbin Kaplan memiliki bilah runner yang bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling pemandu yang bisa disesuaikan. Jika bilah dan bilang-bilang pemandu bisa disesuaikan maka turbin ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling pemandunya adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal. Turbin baling-baling yang tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika aliran dan head secara praktis tetap konstan. 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 mekanik.

Cara kerja generator adalah melalui pergerakan medan magnet yang ada di rotor terhadap kumparan tetap yang terdapat di stator. Medan magnet tersebut dihasilkan dengan cara memberikan tegangan DC (Direct Current) pada kumparan penguat medan yang ada di rotor yang dapat dihasilkan melalui penguat sendiri maupun penguat terpisah. Sumber tegangan DC sendiri bisa didapat dari aki (accumulator). Setelah itu pemotong medan magnet bisa menggunakan bahan konduktor untuk memotong medan magnet yang ada, karena apabila tidak memotong maka prinsip kerja generator tidak akan timbul yang berupa gaya gerak listrik.

Prinsip kerja generator sangatlah sederhana yaitu kumparan jangkar yang memotong medan pada magnet yang dihasilkan kumparan medan akan menimbulkan gerak gaya listrik terhadap kumparan jangkar.Cara kerja generator yang utama adalah adanya medan magnet dan pemotong medan magnet.

Jadi untuk menggerakkan generator dan turbin yang diperlukan adalah energi mekanik yang merupakan perubahan energi dari energi potensial air menjadi energi kinetik.

E. Hubungan antara Debit Air dengan Efisiensi GeneratorEfesiensi generator sangat bergantung sekali dengan input yang masuk pada generator, sehingga output yang diterima juga cukup besar. Untuk mendapat input yang besar cukup dipengaruhi oleh beberapa faktor yang salah satunya adalah jumlah debit air yang mengalir, serta ketinggian air yang mengalir sehingga dari energi potensial karena faktor ketinggian tersebut dapat menjadi energi kinetik karena faktor kecepatan aliran untuk menggerakkan turbin. Berikut ini adalah kaitan erat antara ketinggian, debit air, gravitasi, serta massa jenis zar cair dengan daya yang akan masuk ke dalam generator :

Dari rumus tersebut itu, dapat dilihat jika P atau daya yang salah satunya adalah debit air. Jika input tersebut di substitusi ke rumus efisiensi, dapat dipastikan daya output juga besar pula.

F. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi GeneratorDari rumus diatas, faktor yang mempengaruhi efisiensi generator adalah massa jenis, debit air, grafitasi, serta ketinggian. Massa jenis, debit air, grafitasi, serta ketinggian suatu zat cair besarnya akan berbanding lurus dengan daya yang akan dihasilkan. Oleh karena itu, jika faktor fisik zat cair besar maka dayanya pun juga semakin besar.

G. PLTA dan PLT Mikrohidro Dari penjelasan diatas, contoh penerapannya adalah pada PLTA dan PLT mikrohidro. Prinsip kerja PLTA ini sangat sederhana, air dibendung agar dapat dialirkan dari ketinggian tertentu dengan pipa . Tujuannya adalah untuk meningkatkan energi potensialnya. Semakin tinggi suatu benda dari permukaan bumi, maka energi potensialnya semakin besar.

Dengan energi potensial yang tinggi maka laju aliran air di ujung pipa akan tinggi pula. Apabila diameter pipa tidak berubah (semua pipa diameternya sama) maka kita dapat menentukan laju aliran air tersebut:

Dengan demikian kita juga dapat menentukan debit airnya:

Daya listrik yang dihasilkannya adalah:

Namun, tidak semua energi potensial dari air diubah menjadi energi listrik. Oleh karena itu kita mengenal konsep efisiensi:

Dengan demikian daya listrik yang dihasilkan dari pembangkit listrik tenaga air adalah:

H. Komponen PLTA

PLTA yang paling konvensional mempunyai empat komponen utama sebagai berikut :1. Bendungan, berfungsi menaikkan permukaan air sungai untuk menciptakan tinggi jatuh air. Selain menyimpan air, bendungan juga dibangun dengan tujuan untuk menyimpan energi. 2. Turbine, gaya jatuh air yang mendorong baling-baling menyebabkan turbin berputar. Turbin air kebanyakan seperti kincir angin, dengan menggantikan fungsi dorong angin untuk memutar baling-baling digantikan air untuk memutar turbin. Selanjutnya turbin merubah energi kenetik yang disebabkan gaya jatuh air menjadi energi mekanik. 3. Generator, dihubungkan dengan turbin melalui gigi-gigi putar sehingga ketika baling-baling turbin berputar maka generator juga ikut berputar. Generator selanjutnya merubah energi mekanik dari turbin menjadi energi elektrik. Generator di PLTA bekerja seperti halnya generator pembangkit listrik lainnya. 4. Jalur Transmisi, berfungsi menyalurkan energi listrik dari PLTA menuju rumah-rumah dan pusat industri.

Pembangkit listrik tenaga air (PLTA) merupakan salah satu pembangkit listrik yang menggunakan energi terbarukan berupa air. Salah satu keunggulan dari pembangkit ini adalah responnya yang cepat sehingga sangat sesuai untuk kondisi beban puncak maupun saat terjadi gangguan di jaringan. Selain kapasitas daya keluarannya yang paling besar diantara energi terbarukan lainnya, pembangkit listrik tenaga air ini juga telah ada sejak dahulu kala. Besarnya listrik yang dihasilkan PLTA tergantung dua faktor sebagai berikut :

1. Seberapa besar air yang jatuh. Semakin tinggi air jatuh, maka semakin besar tenaga yang dihasilkan. Biasanya, tinggi air jatuh tergantung tinggi dari suatu bendungan. Semakin tinggi suatu bendungan, semakin tinggi air jatuh maka semakin besar tanaga yang dihasilkan. Ilmuwan mengatakan bahwa tinggi jatuh air berbanding lurus dengan jarak jatuh. Dengan kata lain, air jatuh dengan jarak dua satuan maka akan menghasilkan dua satuan energi lebih banyak. 2. Jumlah air yang jatuh. Semakin banyak air yang jatuh menyebabkan turbin akan menghasilkan tenaga yang lebih banyak. Jumlah air yang tersedia tergantung kepada jumlah air yang mengalir di sungai. Semakin besar sungai akan mempunyai aliran yang lebih besar dan dapat menghasilkan energi yang banyak. Tenaga juga berbanding lurus dengan aliran sungai. Dua kali sungai lebih besar dalam mengalirkan air akan menghasilkan dua kali lebih banyak energi.Sedangkan pada PLT Mikrohidro semua prinsip, cara kerja, dan konsepnyasama dengan PLTA. Tetapi, pada PLT Mikrohidro energi listrik yang dihasilkan lebih kecil, karena memang dikhususkan untuk daerah pedesaan. Syaratnya adalah kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber daya (resources) penghasil listrik memiliki kapasitas aliran (debit air) dan ketinggian tertentu dan instalasi yang memadai. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari instalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untukmenghasilkan energi listrik.Secara teknis, mikrohidro memiliki tigakomponenutama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Mikrohidro bisa memanfaatkanketinggian air yang tidak terlalu besar, misalnya dengan ketinggian air 2.5 meter dapat dihasilkan listrik 400 watt. Relatif kecilnya energi yang dihasilkan mikrohidro dibandingkan dengan PLTA skala besar

Keuntungan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH ini cukup murah karena menggunakan energi alam.2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di daerah terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat dengan sedikit latihan.3. Tidak menimbulkan pencemaran.4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan perikanan.5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian hutan sehingga ketersediaan air terjamin.Daya yang masuk (Pgross) merupakan penjumlahan dari daya yang dihasilkan (Pnet) ditambah dengan faktor kehilangan energi (loss) dalam bentuk suara atau panas. Daya yang dihasilkan merupakan perkalian dari daya yang masuk dikalikan dengan efisiensi konversi (Eo).Pnet = Pgross Eo kW

Daya kotor adalah head kotor (Hgross) yang dikalikan dengan debit air (Q) dan juga dikalikan dengan sebuah faktor gravitasi (g = 9.8), sehingga persamaan dasar dari pembangkit listrik adalah :

Pnet = g Hgross Q Eo kW

Dimana head dalam meter (m), dan debit air dalam meter kubik per detik (m/s3).1. Komponen Pembangkit Listrik Tenaga MikrohidroDam/Bendungan Pengalih (intake). Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai ke dalam sebuah bak pengendap.2. Bak Pengendap (Settling Basin). 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.3. Saluran Pembawa (Headrace). Saluran pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang disalurkan.4. 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.5. Pipa Pesat (Penstock). Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah turbin.6. Turbin. Turbin berfungsi untuk mengkonversi energi aliran air menjadi energi putaran mekanis.

7. Generator. Generator berfungsi untuk menghasilkan listrik dari putaran mekanis.

8. Pipa Hisap. Pipa hisap berfungsi untuk menghisap air, mengembalikan tekanan aliran yang masih tinggi ke tekanan atmosfer.

9. Panel kontrol. Panel kontrol berfungsi untuk menstabilkan tegangan.

10. Pengalih Beban (Ballast load). Pengalih beban berfungsi sebagai beban sekunder (dummy) ketika beban konsumen mengalami penurunan. Kinerja pengalih beban ini diatur oleh panel kontrol.

BAB IIIPENUTUPA. KESIMPULAN1. Debit air adalah kecepatan aliran air per satuan waktu.

2. Generator adalah sebuah alat yang mengubah energimekanik (gerak) menjadi energi listrik (arus tegangan), biasanya dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Turbin adalah sebuah mesin berputar yang mengambil energi dari aliran fluida.

3. Efisiensi generator adalah Rasio antara input dan output generator yang dihasilkan.

4. Air memasuki turbin, kemudian diarahkan oleh salah satu baling-baling pengarah yang terletak di bagian arus atas dari runner, dan melewati tahapan pertama runner yang berputar penuh dengan derajat reaksi yang kecil. Turbin Kaplan dan baling-baling adalah turbin reaksi dengan aliran aksial, biasanya digunakan untuk head-head rendah. Turbin Kaplan memiliki bilah runner yang bisa disesuaikan atau tidak memiliki baling-baling pemandu yang bisa disesuaikan. Jika bilah dan bilang-bilang pemandu bisa disesuaikan maka turbin ini disebut dengan turbin pengaturan ganda. Jika baling-baling pemandunya adalah tetap maka disebut dengan turbin pengaturan tunggal. Turbin baling-baling yang tidak berpengaturan biasanya digunakan ketika aliran dan head secara praktis tetap konstan. Dan Cara kerja generator adalah melalui pergerakan medan magnet yang ada di rotor terhadap kumparan tetap yang terdapat di stator. Medan magnet tersebut dihasilkan dengan cara memberikan tegangan DC (Direct Current) pada kumparan penguat medan yang ada di rotor yang dapat dihasilkan melalui penguat sendiri maupun penguat terpisah. Sumber tegangan DC sendiri bisa didapat dari aki (accumulator). Setelah itu pemotong medan magnet bisa menggunakan bahan konduktor untuk memotong medan magnet yang ada, karena apabila tidak memotong maka prinsip kerja generator tidak akan timbul yang berupa gaya gerak listrik.

5. Efisiensi generator sangat bergantung sekali dengan input yang masuk pada generator, sehingga output yang diterima juga cukup besar

6. Prinsip kerja PLTA ini sangat sederhana, air dibendung agar dapat dialirkan dari ketinggian tertentu dengan pipa . Tujuannya adalah untuk meningkatkan energi potensialnya.B. KRITIK DAN SARAN1. Hendaknya para siswa mengembangkan konsep ini sehingga cocok dengan kondisi geografis Indonesia.

2. Hendaknya warga desa maupun pihak aparatur desa saling bekerjasama untuk membangun infrastruktur PLT Mikrohidro.3. Warga diharapkan memanfaatkan bendungan yang ada dan merawatnya sehingga energi potensial yang dihasilkan menjadi lebih besar.

Ponorogo, April 2014

Penyusun

-2 -