file dapat didownload di wbsusanto.blogspot.com 1Kisi-kisi Tercantum di halaman belakang (hal 7)

MATERI REKAYASA PEMBANGKIT LISTRIK

    Awal pembangkit listrik dimulai oleh penemuan Faraday tentang GGL Induksi (tegangan induksi) yang dapat dihasilkan saat magnet digerakkan mendekati atau menjauhi suatu kumparan yang terhubung dengan Galvanometer. Galvanometer merupakan alat untuk mendeteksi ada tidaknya arus yang mengalir pada rangkaian.

Gambar Percobaan Faraday yang dilengkapi fluks medan magnetuntuk menunjukkan medan magnetik induksi yang menentang perubahan medan magnetic (Hukum Lenz1)

Hasil percobaan Faraday 2

Ketika magnet digerakkan ( keluar- masuk ) dalam kumparan, jarum pada galvanometer akan menyimpang. Ketika magnet tidak digerakkan (berhenti) dalam kumparan, jarum pada galvanometer tidak menyimpang

(menunjukkan angka nol). Penyimpangan jarum galvanometer ini menunjukkan bahwa di dalam kumparan mengalir arus listrik. Arus

listrik seperti ini disebut arus induksi . Arus listrik timbul karena adanya perubahan jumlah garis gaya magnet, yang mengakibatkan pada ujung-

ujung kumparan timbul beda potensial. Beda potensial ini disebut gaya gerak listrik induksi (ggl induksi)

Persamaan Ggl induksi (Eind) yang memenuhi hukum Faraday adalah sebagai berikut:

ε ind= -NΔΦΔt

Tanda negatif berati sesuai dengan Hukum Lenz, yaitu “Ggl Induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetiknya berlawanan dengan sumber perubahan fluks magnetik”.

Penemuan ini berkembang menjadi landasan desain suatu Generator yang pada dasarnya memiliki struktur komponen/bagian hampir sama seperti motor listrik, namun berbeda pada penggunaan atau fungsinya. Kalau motor listrik digunakan untuk mengubah energy listrik menjadi energy mekanik/ energy gerak, sebaliknya generator mengubah energy mekanik/energy gerak dari bagian turbinnya menjadi energy listrik. Generator dapat menghasilkan arus AC jika menggunakan 2 cincin dan akan menghasilkan arus DC jika menggunakan cincin belah(komutator) seperti gambar berikut.3

Generator Arus Bolak-balik

 

Generator Arus Searah

Energi mekanik dari gerak turbin generator diperoleh dari beberapa macam sumber energy lainnya bergantung kepada bahan bakar yang digunakan pada pembangkit listrik tersebut. Misalnya GENSET ( Generator Set) yang digunakan menggunakan bahan bakar solar, maka disebut Pembangkit Listrik Tenaga Diesel, karena mesin Diesel menggunakan bahan bakar solar.

Berkaitan dengan sumber energy penggerak turbin generator dibedakan menjadi dua macam, yakni sumber energy tidak terbarukan (umumnya bahan bakar fosil, seperti minyak bumi, batu bara, bahan tambang) dan

file dapat didownload di wbsusanto.blogspot.com 2sumber energy terbarukan (sumber energy yang dapat diperbaharui, misalnya angin, air, energy matahari, biomassa/biogas). Berikut penjelasan dari pembangkit listrik yang menggunakan energy terbarukan.

1. Pembangkit Listrik Tenaga MatahariPembangkit listrik tenaga matahari juga dapat digolongkan menjadi 2, sebagai berikut4

a. solar cell (sel surya) / sel photovoltaic, yaitu sistem pembangkit listrik yang berdasarkan efek foto listrik, dimana energy cahaya matahari akan diserap electron valensi dari bahan semikonduktor dalam solar sel, sehingga dapat mengalir lepas dari ikatan intinya. Sistem ini tergolong sistem pasif karena tidak memerlukan peralatan tambahan untuk mengumpulkan radiasi matahari.

b. pembangkit listrik termal tenaga surya (Solar Thermal Power Plant). Sistem ini tergolong aktif karena untuk dapat mengumpulkan panas matahari dibutuhkan peralatan ribuan cermin pemantul yang dipusatkan atau ditujukan kepada suatu titik penangkap panas5 (tower) yang terintegrasi dengan sistem siklus mesin generator.

Penjelasan detail sebagai berikut.

a. Pembangkit Listrik sel surya /Solar CellBagian struktur lapisan sel surya secara sederhana6 7: 1.) Front electrode sebagai lapisan kontak kutub negatif2.) anti-reflection coating / lapisan anti pemantulan berfungsi membuat agar cahaya matahari tidak dipantulkan

tetapi dengan mudah diserap oleh material semi konduktor (tipe n dan tipe p)3.) Material semi konduktor, terdiri atas sambungan semi konduktor tipe n dan semikonduktor tipe p4.) Back electrode sebagai lapisan kontak kutub positif.Cara pembuatan semi konduktor tipe n dan semi konduktor tipe p sebagai berikut.8

Semi konduktor tipe n Semi konduktor tipe pDibuat dengan cara Silikon (dengan electron valensi 4) dikotori/dicampur/didoping dengan bahan dengan atom pentavalen (punya electron valensi 5 contoh: antimony (Sb), arsenic, pospor)) sehingga ada bagian yang kelebihan electron (tidak dapat pasangan ikatan kovalen)

Dibuat dengan cara Silikon (dengan electron valensi 4) dikotori/dicampur/didoping dengan bahan dengan atom yang punya electron valensi 3 contoh: boron (B), galium, dan indium sehingga ada bagian yang tidak mendapat pasangan ikatan kovalen electron dan akhirnya menjadi hole (pembawa muatan positif)

Cara kerja sel surya Cara kerja sel surya dilandasi oleh efek Fotolistrik penemuan Einsten.Penjelasan efek Fotolistrik

Pada proses efek fotolistrik dimana partikel sinar/cahaya disebut foton yang memiliki energy foton melebihi energy ambang atau energy ikat electron pada logam maka akan menyebabkan electron valensi terlepas dari permukaan. Elektron lepas dari katoda bergerak menuju anoda dengan energy kinetik tertentu. Pergerakan muatan electron inilah yang menyebabkan arus listrik dapat dideteksi dengan amperemter.Energi foton / energy cahaya disebut pula dengan energy

kuantum (E) yang dirumuskan E=h f = h

cλ , dimana h

=6,63x10-34 J.s (konstanta Planck), f = frekuensi gelombang cahaya, = panjang gelombang cahaya, c=3x108

m/s (kecepatan cahaya). Energi kinetik electron terlepas yang mengalir pada efek fotolistrik merupakan selisih

energy cahaya dengan energy ambang logam (energy ikat electron =

W o=h f o= hcλo ) .

Rumus kinetik electron tersebut adalah EK e=E−W o

file dapat didownload di wbsusanto.blogspot.com 3Prinsip kerja mengalirnya arus listrik pada sel suryaBagian sel surya terdiri atas sambungan bahan semikonduktor tipe p dan n. Semikonduktor tipe n yang memiliki kelebihan elekron diletakan di atas semikonduktor tipe p yang memiliki kelebihan hole (pembawa muatan positif). Ketika cahaya matahari mengenai susunan sambungan semikondutor tipe p dan n ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negative (front electrode), yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif (back electrode). Jika kedua kontak dihubungkan dengan sebuah lampu, maka lampu akan menyala karena mendapat aliran electron dari semikonduktor tipe N melewati front electrode ke lampu lalu kembali ke back electrode menuju semikonduktor tipe p. Sedangkan aliran arus listrik (electric current) diperjanjikan berlawanan arah atau kebalikan dari arah electron tersebut.

Komponen sistem pembangkit listrik dari panel sel surya.9

1. Modul surya merupakan gabungan dari beberapa susunan seri atau parallel sel surya. Rata-rata energy listrik yang dihasilkan oleh tiap modul adalah 130 Watt. Gabungan dari beberapa modul akan membentu array.

2. Charge Controller berfungsi mengontrol penyimpanan arus/ jalurnya arus listrik DC yang dihasilkan oleh modul sel surya ke dalam baterai /aki. Simpanan arus listrik DC dalam baterai ini dapat langsung dimanfaatkan untuk keperluan beban DC seperti lampu /alat elektronik DC lainnya. Kontroler ini dapat mengatur tegangan aki dalam selang tegangan 12 volt plus minus 10 persen. Bila tegangan turun sampai 10,8 volt, maka kontroler akan mengisi aki dengan panel surya sebagai sumber dayanya. Tentu saja proses pengisian itu akan terjadi bila berlangsung pada saat ada cahaya matahari. Jika penurunan tegangan itu terjadi pada malam hari, maka kontroler akan memutus pemasokan energi listrik. Setelah proses pengisian itu berlangsung selama beberapa jam, tegangan aki itu akan naik. Bila tegangan aki itu mencapai 13,2 volt, maka kontroler akan menghentikan proses pengisian aki itu.

3. Inverter berfungsi mengubah arus DC dari baterai menjadi arus AC sehingga bisa digunakan untuk sumber daya listrik peralatan listrik AC

b. pembangkit listrik tenaga panas dari matahari (solar thermal power plants)Prinsip kerja :Pembangkit listrik ini masih perlu menggunakan turbin generator untuk menghasilkan arus listrik. Turbin tersebut digerakkan oleh aliran gas/udara panas (pada siklus mesin Brayton) atau aliran uap panas (pada siklus mesin Rankine). Panas matahari dipantulkan ratusan bahkan ribuan cermin dan dipusatkan ke solar receiver pada tower. Panas yang terkumpul pada solar receiver digunakan untuk memanaskan udara/gas yang mengalir dari compressor untuk dialirkan pada topping combustor (pembakar lapisan atas). Udara panas yang bertekanan tinggi tersebut akan memutar turbin generator sehingga dihasilkan listrik.Sisa udara/gas panas dari gas turbin masih memiliki panas yang cukup tinggi dan kalau dibuang ke lingkungan udara bebas begitu saja menjadikan efisiensinya berkurang. Untuk meningkatkan efisiensi, udara/gas panas hasil pembuangan gas turbine dari mesin siklus Brayton masih dapat dimanfaatkan pada steam generator (penghasil uap panas) pada mesin siklus Rankine. Uap panas memutar steam turbin generator (generator

file dapat didownload di wbsusanto.blogspot.com 4turbin uap) sehingga menghasilkan listrik juga. Sisa uap dari steam turbin diembunkan menjadi air oleh condenser dan selanjutnya dipompa kembali ke steam generator.Komponen/bagian pembangkit listrik tenaga panas dari matahari (solar thermal power plants)1. Cermin (jumlahnya bisa ratusan bahkan ribuan) untu memantulkan cahaya matahari ke solar receiver pada

menara (tower)2. Menara (tower) sebagai tempat pemasangan solar receiver pada puncaknya3. Solar receiver untuk mengumpulkan panas matahari4. Sistem Mesin Siklus Brayton, merupakan mesin yang menggunakan aliran udara /gas untuk memutar gas

turbin. Sistem ini terdiri atasa.Compressor10 untuk menaikkan tekanan udara yang diambil dari lingkungan b.Topping Combustor untuk tempat pembakaran udara bertekanan tinggi dari compressor c.Gas Turbine sebagai alat pemutar poros generator. Gas Turbine dapat berputar karena aliran udara

panas bertekanan tinggi yang mengenainyad.Electric Generator sebagai alat yang mengubah energy mekanik gas turbine menjadi listrik

5. Sistem Mesin Siklus Rankine, merupakan mesin yang menggunakan aliran uap air untuk memutar steam turbin (turbin yang berputarnya karena aliran uap panas bertekanan tinggi)Sistem ini terdiri atasa.Pompa air untuk memompa air sehingga bertekanan tinggi dari condenser ke steam generatorb.Steam generator untuk mendidihkan air dengan panas udara/gas dari gas turbin di siklus rankine

sehingga menghasilkan uap air yang panasc.Steam turbine sebagai alat pemutar poros generator yang memanfaatkan aliran uap panas bertekanan

tinggid.Electric Generator sebagai alat yang mengubah energy mekanik gas turbine menjadi listrik.

2. Pembangkit Listrik Tenaga Air / Pembangkit Listrik HidroPembangkit listrik tenaga air (PLTA) adalah pembangkit yang mengandalkan energi potensial dan kinetik dari air untuk menghasilkan energi listrik.Energi listrik yang dibangkitkan ini biasa disebut sebagai hidroelektrik. Pembangkit Listrik Mikrohidro merupakan pembangkit listrik tenaga air skala kecil dengan kapasitas daya listrik yang dihasilkan 5000 watt, sedangkan disebut minihidro jika kapasitas daya listriknya 1000 watt.

Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Air: Alat utama yang dibutuhkan pada pembangkit listrik tenaga air adalah berupa turbin dan generator Air yang telah ditampung di dalam bendungan dialirkan melalui dasar bendungan sehingga membentuk

air terjun Air terjun inilah yang dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin karena air akan menabrak sudut - sudut

turbin sehingga membuat turbin menjadi berputar.  Turbin ini terhubung secara langsung dengan generator, sehingga bila turbin bergerak secara berputar,

maka secara otomatis generator juga akan ikut bergerak berputar. Selama bergerak berputar, generator ini akan menghasilkan tenaga listrik. Tenaga listrik inilah yang kemudian oleh PLN dialirkan ke rumah - rumah pelanggan.

Komponen/Bagian Alat:1.Penggerak Mula (Prime Mover) adalah bagian berputar yang langsung berhubungan dengan air. Ada 2 jenis penggerak mula yang umum digunakan yakni kincir air dan turbin air.2.Speed Reducer (perubah kecepatan) adalah alat yang berfungsi untuk merubah (menaikkan atau menurunkan) kecepatan putaran. Dalam hal ini speed reducer yang diperlukan adalah penaik kecepatan karena putaran penggerak mula biasanya lambat, oleh karena itu harus dipercepat agar putaran yang direkomendasikan pada generator dapat dicapai (pada umumnya generator memiliki putaran 1500 rpm). Kecepatan putaran yang tepat pada sisi generator diperlukan sebagai salah satu syarat agar listrik yang dihasilkan baik.Bila putaran generator tidak tepat (kurang atau melampui batas yang direkomendasikan) dapat merusak peralatan listrik dan termasuk generator itu sendiri. Oleh karena itu diperlukan perhitungan yang tepat untuk memilih speed reducer pada pembangkit listrik.3.Generator adalah mesin listrik yang dapat merubah energi mekanik menjadi energi listrik. Dalam pembangkit listrik tenaga air, energi yang terkandung di dalam air dengan bantuan penggerak mula dan speed reducer energi tersebut dirobah menjadi energi listrik.4. Transformator adalah alat yang berfungsi untuk menaikkan tegangan listrik yang dihasilkan agar dapat ditransmisikan ke jarak yang jauh

3. Pembangkit Listrik Tenaga BioMassa (PLTBM)Energi biomassa adalah energi yang berasal dari "biomassa," yang terdiri dari bahan tanaman maupun dari kotoran hewan. Biomassa merupakan sumber energi terbarukan yang mengacu pada bahan biologis yang berasal dari organisme yang belum lama mati  seperti kayu dan limbah11. Biosmassa juga merupakan bahan organik yang dihasilkan melalui proses fotosintesis, baik berupa produk maupun buangan. Contoh biomassa antara lain tanaman, pepohonan, rumput, ubi, limbah pertanian dan limbah hutan, tinja dan kotoran ternak12.

file dapat didownload di wbsusanto.blogspot.com 5Cara kerja :Cara kerja PLTBM adalah fermentasi dalam digester atas segala jenis biomassa ( dari limbah pertanian, perkebunan, peternakan, perikanan, gulma air eceng gondok dan ganggang maupun sampah organik) akan hasilkan biogas. Setelah dilewatkan pemurnian, akan menjadi biometan. Biometan, adalah bahan bakar, yang menggantikan secara sempurna BBM dalam menjalankan generator listrik.Daya listrik yang dihasilkan generator, kemudian, dapat disimpan ( charging) dalam power bank - yang terdiri dari rangkaian accu/ battery. Kemudian, arus DC dari accu/ battery dihubungkan ke jaringan listrik (arus AC) menggunakan power inverter-charger.Pada katagori PLTBM ini, kapasitas listrik/ instalasi dihasilkan dapat dipilih mulai 6 KWH, 9 KWH, 12 KWH serta kelipatannya dalam bentuk Instalasi Shelter (tempat teduh/lindung) ( kapasitas 18 KWH, 36 KWH, dan 108 KWH. Pada dasarnya, tiap 1 ton biomassa akan hasilkan 40 m3 biometan, dengan kapasitas membangkitkan besaran daya listrik setara dengan 40 KWH. Ketersediaan bahan baku ( biomassa, sampah, kotoran ternak) menentukan besaran ukuran digester dan generator.

Komponen/Bagiannya :1. Digester sebagai tempat fermentasi bahan biomassa menjadi biogas2. Sistem Generator sebagai alat pembangkit listrik dari energy mekanik turbin. Turbin berputar karena aliran energy panas dari bahan bakar. Dalam hal bahan bakar yang digunakan adalah biogas berupa biometan. Selain itu, Biogas dari biomassa tersebut dapat pula sebagai bahan bakar untuk sistem mesin siklus Brayton yang menggunakan bahan bakar udara /gas3. Power Bank sebagai sistem penyimpanan energy listrik, macamnya dapat berupa aki atau baterai

4. Pembangkit Listrik Tenaga AnginPembangkit listrik tenaga bayu / angin (PLTB) merupakan pembangkit listrik yang dapat mengkonversi (mengubah) energi angin menjadi energi listrik.Energi angin memutar tubin angin / kincir angin.Turbin angin yang berputar juga menyebabkan berputarnya rotor generator karena satu poros sehingga dapat menghasilkan energi listrik.

Cara Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Angin :Suatu pembangkit listrik dari energi angin merupakan hasil dari penggabungan dari beberapa turbin angin sehingga akhirnya dapat menghasilkan listrik. Cara kerja dari pembangkitan listrik tenaga angin ini yaitu awalnya energi angin memutar turbin angin.Turbin angin bekerja berkebalikan dengan kipas angin (bukan menggunakan listrik untuk menghasilkan listrik, namun menggunakan angin untuk menghasilkan listrik). Kemudian angin akan memutar turbin, lalu diteruskan untuk memutar rotor pada generator letaknya di bagian belakang turbin angin. Generator mengubah energi putar rotor menjadi energi listrik dengan prinsip hukum Faraday, yaitu bila terdapat penghantar didalam suatu medan magnet, maka pada kedua ujung penghantar tersebut akan dihasilkan beda potensial.Komponen/Bagiannya (utama) : (sumber Buku Paket Prakarya Rekayasa halaman 97)1. Sirip Kincir Angin sebagai turbin2. Body dan Generator /Dinamo3. Menara sebagai tiang penyangga body generator dan sirip kincir angin4. Fondasi Menara5. Control System yang mencakup inverter untuk mengubah arus DC menjadi arus AC6. Penyimpan Energi Listrik seperti battery/accumulator

5. Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid (PLTH)Pembangkit listrik tenaga hybrid adalah pembangkitan energy listrik yang berasal dari perpaduan dua atau lebih sumber energy yang berbeda misalnya energy surya, energy angin, energy biogas untuk mencapai kehandalan ketersediaan listrik yang dihasilkan (Definisi menurut Buku Paket Prakarya halaman 83). Tujuan PLTH adalah mengkombinasikan keunggulan dari setiap pembangkit sekaligus menutupi kelemahan masing-masing pembangkit untuk kondisi-kondisi tertentu sehingga keseluruhan sistem dapat beroperasi lebih ekonomis dan efisien, sehingga mampu menghasilkan daya listrik secara efisien. Contoh Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid yang telah dikembangkan yakni di Pantai Baru, Kecamatan Srandakan Kabupaten Bantul, Yogyakarta menggabungkan pembangkit listrik dengan energy angin , energy sel surya, dan energy biogas. Cara Kerja : Pada prinsipnya supply listrik dari masing-masing pembangkit yang jenis tenaga/energinya berbeda adalah tidak tetap. Pembangkit listrik sel surya hanya dapat menghasilkan listrik maksimum selama mendapatkan cahaya matahari di siang hari yang cerah. Ketika hari mulai gelap, cahaya yang mengenai sel surya semakin sedikit sehingga pasokan listriknya berkurang. Pada malam hari pembangkit listrik tenaga surya tidak beroperasi, tetapi tergantikan oleh baterai yang menyimpan energy listrik yang dihasilkan sel surya sepanjang siang hari. Sedangkan pembangkit listrik tenaga angin/bayu (PLTB) dapat beroperasi 24 jam, walaupun energy listrik yang dihasilkannya berubah setiap saat tergantung kecepatan angin. Jika anginnya kencang maka energy listrik yang dihasilkan pun makin besar. Energi listrik yang dihasilkan dari pembangkit listrik tenaga angin dan tenaga sel surya digabungkan dengan energy listrik dari pembangkit listrik dari biogas (biomassa), selanjutnya baru dimanfaatkan untuk mengaliri listrik di perumahan.

file dapat didownload di wbsusanto.blogspot.com 6

Komponen/Bagian-bagiannya Pembangkit Listrik Tenaga Hibrid:Komponen pembangkit listrik tenaga hybrid merupakan gabungan dari komponen masing-masing pembangkit listrik gabungannya. Contoh komponen untuk pembangkit listrik hybrid yang menggabungkan energy sel surya, energy angin, dan energy biogas adalah : panel/modul surya,turbin angin, generator untuk turbin angin, digester, pipa biogas, generator dengan bahan bakar biogas, sistem control yang terintegrasi.

REFERENSI

1 http://fisikazone.com/hukum-lenz/2 https://belajarfisika91.wordpress.com/2009/11/06/3-6-induksi-elektromagnetik/3 http://bahanajaripa.blogspot.com/4 https://ugmmagatrika.wordpress.com/2014/05/06/cara-kerja-pembangkit-listrik-tenaga-surya/5 http://www.attayaya.net/2011/07/pembangkit-listrik-tenaga-mataharisurya.html6 http://jendeladenngabei.blogspot.com/2012/11/pembangkit-listrik-tenaga-surya-plts.html7 https://teknologisurya.wordpress.com/dasar-teknologi-sel-surya/prinsip-kerja-sel-surya/8 http://zonaelektro.net/semikonduktor/9 http://yohannes-purba.blogspot.com/2013/04/apa-itu-panel-surya.html10 http://nazar-m05.blogspot.com/2012/05/siklus-brayton.html11 http://www.indoenergi.com/2012/04/pengertian-biomassa.html12 https://yefrichan.wordpress.com/2011/02/05/pengertian-biomassa/.

KISI-KISI UJIAN MID SEMESTER 3 FISIKA TERAPAN KELAS XI AKSEL JUMLAH SOAL UTAMA = 10 NOMORJUMLAH SOAL SUSULAN = 10 NOMOR

Kompetensi : Siswa dapat menjelaskan percobaan Faraday untuk menghasilkan gaya gerak listrik dan

arus listrik induksi Siswa dapat menjelaskan fungsi generator dan membedakan generator AC dan DC Siswa dapat menghitung GGL induksi sesaat dan rata-rata Siswa dapat menghitung arus induksi sesaat dan rata-rata Siswa dapat menghitung fluks magnetic yang mengenai bidang luasan tertentu Siswa dapat menjelaskan efek fotolistrik penemuan Einsten yang melandasi sel surya/solar

cell sebagai pembangkit listrik Siswa dapat menjelaskan pengertian pembangkit listrik tenaga hybrid dan menyebutkan

komponen/bagiannya Siswa dapat menjelaskan cara kerja pembangkit listrik tenaga air dan menyebutkan

komponen/bagiannya Siswa dapat menjelaskan cara kerja pembangkit listrik tenaga angin/bayu dan

menyebutkan komponen/bagiannya Siswa dapat menjelaskan cara kerja pembangkit listrik tenaga biomassa dan

menyebutkan komponen/bagiannya Siswa dapat menjelaskan cara kerja pembangkit listrik sel surya dan menyebutkan

komponen/bagiannya Siswa dapat menjelaskan cara kerja pembangkit listrik tenaga panas matahari (solar

thermal power plants) dan menyebutkan komponen/bagiannya