BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Pengertian Fisika

(1)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Pengertian Fisika

Fisika merupakan salah satu mata pelajaran jurusan IPA yang terbilang sulit dipahami. Namun pelajaran Fisika juga bisa menjadi keahlian kita ketika kita bisa belajar dengan sungguh-sungguh. Fisika berasal dari kata “physic” yang artinya alam. Jadi ilmu Fisika yaitu sebuah ilmu pengetahuan di mana di dalamnya mempelajari tentang sifat dan fenomena alam atau gejala alam dan seluruh interaksi yang terjadi di dalamnya. Untuk mempelajari fenomena atau gejala alam, Fisika menggunakan proses dimulai dari pengamatan, pengukuran, analisis dan menarik kesimpulan. Sehingga prosesnya lama dan berbuntut panjang, namun hasilnya bisa dipastikan akurat karena Fisika termasuk ilmu eksak yang kebenarannya terbukti.

Beberapa Pengertian Fisika Menurut Ahli

Menurut KBBI, Fisika yaitu ilmu tentang zat dan energi seperti panas, bunyi, cahaya dan sebagainya. Selain itu pengertian Fisika lainnya juga disampaikan oleh Hough D Young yang mengatakan bahwa Fisika adalah suatu ilmu yang sangat dasar dari berbagai ilmu pengetahuan lain. Menurut ensiklopedia, Fisika adalah ilmu yang di dalamnya mempelajari benda dan gerakannya serta manfaatnya bagi kehidupan manusia.

Berdasarkan sejarah, Fisika adalah ilmu tertua karena ilmu ini diawali dengan kegiatan mengamati benda - benda yang ada di langit, periodenya, bagaimana usianya dan lintasannya. Oleh sebab itu, Fisika merupakan salah satu ilmu pengetahuan alam yang paling dasar dan banyak digunakan sebagai dasar untuk ilmu - ilmu lain yang berkaitan.

1.2 Tujuan Mempelajari Fisika

Tujuan mempelajari ilmu Fisika yaitu agar kita dapat mengetahui bagian dasar dari

benda dan mengerti interaksi antar benda - benda, serta mampu untuk menjelaskan

mengenai fenomena alam yang terjadi. Dari beberapa pengertian Fisika menurut para

ahli, maka dapat dikatakan bahwa konsep - konsep dasar Fisika tidak hanya mendukung

(2)

2 perkembangan ilmu Fisika saja, namun juga mendukung perkembangan ilmu lain dan teknologi. Ilmu Fisika menunjang riset murni dan terapan. Beberapa ahli geologi dalam risetnya menggunakan metode gravimetric, akustik, listrik dan mekanika. Selain itu peralatan modern di rumah sakit juga menerapkan ilmu fisika. Ahli astronomi juga membutuhkan ilmu Fisika, begitu pula dengan ahli meteorologi, oseanologi dan seismologi.

Di zaman modern sekarang ini ilmu Fisika tentu dapat diterapkan di berbagai bidang yang ada di dunia. Bahkan, ilmu kedokteran pun dapat menggunakan ilmu Fisika sebagai dasar pengetahuan dan dasar bertindak. Ilmu fisika terbagi menjadi dua, yaitu fisika modern dan fisika klasik. Fisika modern muncul setelah penemuan Albert Einstein mengenai atom dan sebagainya. Sementara itu, fisika klasik merujuk pada bunyi, gerak dan lain-lain.

1.3 Tujuan Penulisan

Tujuan dari penyusunan makalah ini selain untuk memenuhi tugas akhir semester satu mata kuliah Fisika Dasar, juga bertujuan untuk ;

1. Mengetahui perkembangan ilmu Fisika dalam bentuk energi kalor

2. Mengetahui perkembangan ilmu Fisika dalam bentuk energi elektromagnetik 3. Mengetahui perkembangan ilmu Fisika dalam bentuk energi cahaya

4. Mengetahui perkembangan ilmu Fisika dalam bentuk energi alternatif

(3)

3

BAB II PEMBAHASAN

A. Perkembangan Ilmu Fisika dalam Bentuk Energi Kalor

1. Mesin Kalor

Mesin kalor atau panas adalah sistem yang melakukan konversi panas atau energi termal untuk pekerjaan mekanik. Hal ini dilakukan dengan membawa suatu zat yang bekerja dari suhu tinggi ke keadaan suhu yang lebih rendah. Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik ( sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja ), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti gambar 1 di samping.

Berdasarkan gambar tersebut, suhu tinggi ( T

_H

) dan suhu rendah ( T

_C

) dikenal juga dengan julukan suhu operasi mesin ( suhu = temperature ). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu tinggi diberi symbol Q

_H

, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi symbol Q

C

. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian Q

H

diubah menjadi energi mekanik ( digunakan untuk melakukan kerja / W ), sebagian lagi dibuang sebagai Q

C

. Sebenarnya sangat diharapkan bahwa semua Q

H

bisa diubah menjadi W, tetapi pengalaman sehari - hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan hukum kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa Q

H

= W + Q

C

.

Gambar 1 : Skema mesin kalor Sumber

http://www.scribd.com/doc/33020667/

MESIN-KALOR

(4)

4 2. Mesin Pendingin ( Refrigenerator )

Kalor dapat dipaksakan mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara seperti ini disebut mesin pendingin ( refrigenerator ), contohnya lemari es dan pendingin ruangan ( air conditioner ).

Berdasarkan gambar 2, dengan melakukan usaha ( W ) pada sistem ( pendingin ), sejumlah kalor Q

₂

diambil dari reservoir bersuhu rendah T

₂

( misalnya, dari dalam lemari es ). Kemudian, sejumlah kalor Q

₁

dibuang ke reservoir bersuhu tinggi T

₁

( misalnya, lingkungan di sekitar lemari es ). Ukuran kemampuan sebuah mesin pendingin dinyatakan sebagai koefisien daya guna ( koefisien performansi ) yang diberi lambang K

p

dan dirumuskan dengan persamaan:

K

p

= Q

2

/ W

K

p

= Q

2

/ ( Q

1

– Q

2

)

Jika gas yang digunakan dalam mesin pendingin adalah gas ideal, maka :

K

p

= T

2

/ ( T

1

– T

2

)

Lemari es dan pendingin ruangan memiliki koefisien performansi dalam jangkauan 2 sampai 6.

Semakin tinggi nilai Kp, semakin baik mesin pendingin tersebut.

B. Perkembangan Ilmu Fisika dalam Bentuk Energi Elektromagnetik

1. Menara BTS a. Efek Termal

Level batas radiasi elektromagnetik yang diperbolehkan menurut standar WHO ( World Health Organization ) adalah 4,5 watt/m2 untuk perangkat yang menggunakan frekuensi 900 MHz dan 9 watt/m2 untuk frekuensi 1800 MHz. Level maksimum yang dikeluarkan oleh

Gambar 2 : Skema kerja mesin pendingin ( refiregenerator )

Sumber http://www.scribd.com/doc/33010667/MESIN- KALOR

(5)

5 IEEE ( Institute of Electrical and Electronic Engineers ) 6 watt/m2 untuk frekuensi 900 MHz dan 12 watt/m2 untuk frekuensi 1800 MHz.

Berdasarkan pengukuran di lapangan, pada jarak sekitar 1 meter dari jalur pita pancar utama menara BTS yang berfrekuensi 1800 MHz, diketahui bahwa total radiasi yang dihasilkan sebesar 9,5 watt/m2. Jika tinggi pemancarannya sekitar 12 meter, maka orang yang berada di bawahnya terpapar radiasi sebesar 0,55 watt/m2. Secara teoritis, jumlah ini memang tidak berbahaya.

Meskipun hitungan secara matematis menunjukkan bahwa efek negatif pemancar berfrekuensi tinggi ini relatif kecil, beberapa negara justru mulai memperhatikannya secara serius.

Menurut Joachim Schuz, peneliti dari Universitas Mainz, Jerman, efek termal dan radiasi pemancar seluler merupakan wacana yang sedang diteliti secara intensif. Beberapa negara seperti Jerman, Austria, Spanyol dan Prancis, telah meneliti efek radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi dalam kaitannya dengan kesehatan.

Di samping efek radiasi, pemancar berfrekuensi tinggi ini juga menghasilkan efek termal di sekitar pemancarnya. Semakin tinggi frekuensi suatu pemancar, semakin tinggi pula panas yang dihasilkan. Sebagai contoh, pemancar berfrekuensi 1900 MHz dapat menghasilkan panas sampai 200 derajat Celcius dalam radius dua meter.

b. Jangan Cemas

Membahas dampak radiasi gelombang radio terhadap kesehatan manusia, tidak lepas dari energi yang dihasilkan oleh perangkat tersebut. Pancarannya selalu mengikuti kaidah pancaran radiasi gelombang elektromagnetik. Hal ini dapat ditunjukkan dalam spektrum elektromagnetik.

2. Microwave Oven

Dalam spektrum elektromagnetik, dikenal adanya gelombang mikro. Gelombang

mikro ( microwave ) adalah gelombang elektromagnetik dengan frekuensi supertinggi ( Super

High Frequency, SH F), yaitu di atas 3 GHz ( 3 x 10

⁹

Hz ). Jika gelombang mikro diserap

oleh sebuah benda, akan muncul efek pemanasan pada benda tersebut. Jika makanan

menyerap radiasi gelombang mikro, makanan menjadi panas dan masak dalam waktu singkat.

(6)

6 Proses inilah yang dimanfaatkan dalam microwave oven untuk memasak makanan dengan cepat dan ekonomis.

Gelombang mikro juga dimanfaatkan pada RADAR ( Radio Detection and Ranging ), untuk mencari dan menentukan jejak suatu benda dengan gelombang mikro dengan frekuensi sekitar 10

¹⁰

Hz seperti tergambar berikut :

Gelombang Mikro dalam Spektrum Elektromagnetik

Microwave oven adalah sebuah peralatan dapur yang menggunakan radiasi gelombang mikro untuk memasak atau memanaskan makanan. Bagian utama microwave oven umumnya terdiri atas sebuah magnetron, sebuah magnetron control circuit ( usually with a microcontroller ), sebuah waveguide, dan sebuah ruang pemasak. Alat ini bekerja dengan memancarkan radiasi gelombang mikro, biasanya pada frekuensi 2,45 GHz ( dengan panjang gelombang 12,24 cm ), melalui makanan. Molekul air, lemak dan gula dalam makanan akan menyerap energi dari gelombang mikro tersebut dalam sebuah proses yang disebut pemanasan dielektrik. Kebanyakan molekul adalah dipol listrik, yang berarti mereka memiliki sebuah muatan positif pada satu sisi dan sebuah muatan negatif di sisi lainnya, dan oleh karena itu mereka akan berputar pada saat mereka mencoba mensejajarkan diri mereka dengan medan listrik yang berubah-ubah yang diinduksi oleh pancaran gelombang mikro.

Gerakan molekuler inilah yang menciptakan panas.

Pemanasan oleh oven ini sangat efektif terhadap air, namun tidak begitu dengan

lemak, gula dan es. Pemanasan dengan menggunakan microwave oven kadang - kadang

dijelaskan salah sebagai resonansi dari molekul air, hal ini terjadi hanya pada frekuensi yang

jauh lebih tinggi, di sekitar 10 Gigaherts.

(7)

7 Microwave meskipun disinyalir menimbulkan gelombang elektromagnetik yang cukup besar. Akan tetapi, gelombang elektromagnetik tersebut tidak dapat tembus ke luar karena tertahan oleh tabung logam pada microwave sehingga tubuh pun aman dari paparan radiasi elektromagnetik. Karena itu, untuk lebih amannya, usahakan peralatan elektromagnetik tersebut terpisah agak jauh dari tubuh pengguna. Lama kontak juga hendaknya diusahakan seminimal mungkin. Artinya, gunakan microwave hanya untuk keperluan tertentu yang mendesak seperti menghangatkan makanan. Tidak kalah penting, ikuti petunjuk penggunaan dengan baik seperti yang tertera di buku manual.

C. Perkembangan Ilmu Fisika dalam Bentuk Energi Cahaya Hologram ( Difraksi Cahaya )

Salah satu fitur keamanan pada kartu kredit, surat izin mengemudi ( SIM ), paspor, dan banyak jenis kartu pengenal lainnya adalah peraga variabel yang gambarnya berubah jika kartu tersebut dimiringkan.

Peraga variabel seperti itu sering disebut hologram, yang berupa sejenis foto yang memberikan kedalaman dan perspektif pada gambarnya. Hologram dibuat dengan membuat sinar laser berpencar dari satu objek menjadi emulsi. Sekali hologramnya terbentuk, bayangan objeknya dapat diciptakan dengan menerangi hologramnya dengan cahaya laser yang sejenis.

Bayangan yang terbentuk akan sangat menarik karena memiliki kedalaman sehingga dapat dilihat dengan berbagai perspektif atau sudut pandang atas hologramnya.

Hologram dianggap sebagai penangkal pemalsuan yang ideal untuk kartu kredit dan

jenis kartu pribadi lainnya. Tetapi hologram ini memiliki beberapa kelemahan yaitu

bayangan holografik dapat menjadi jelas jika dilihat dalam cahaya laser, yang koheren dan

datang dari satu arah saja. Tetapi bayangannya kabur apabila dilihat dengan cahaya yang

(8)

8 biasanya pada pertokoan. Cahaya yang terbaur merupakan cahaya yang tidak koheren dan datang dari segala arah. 2 hologram mudah dipalsukan karena hologram merupakan foto objek yang sesungguhnya. Pemalsu cukup membuat model objeknya dan menempelkan hologram pada kartu kredit palsu

Umumnya kartu kredit berisi grafik variable optics ( optically variable graphic – OVG) yang menghasilkan bayangan melalui difraksi cahaya terbaur oleh kisi yang ditanamkan dalam alatnya. Kisi ini mengirimkan ratusan bahkan ribuan orde yang berbeda. Seseorang yang membuat kartu tersebut akan menangkap sebagian orde dan cahaya yang bergabung menciptakan bayangan maya seperti pada logo kartu kredit.

Memang, versi awal peraga variabel ini pada kartu kredit merupakan hologram sebenarnya. Akan tetapi, penggunaan hologram sebagai suatu upaya keamanan ternyata kurang begitu berhasil karena dua alasan. Alasan pertama, hologram ini sifatnya gelap, kabur, dan sulit dilihat dalam penerangan yang terdapat pada kebanyakan toko.

Alasan kedua, dan yang jauh lebih buruk, hologram ini mudah digandakan oleh para pemalsu.

Sekarang peraga variabel ini sudah terang, tajam, dan mudah dilihat pada penerangan yang biasa ada di sebuah toko. Yang lebih baik lagi, peraga variabel saat ini sangat sulit dipalsukan.

Difraksi dan Teori Gelombang dari Cahaya

Difraksi adalah penyebaran ketika cahaya tersebut keluar dari satu celah sempit. Akan tetapi,

bukan saja penyebaran yang terjadi, malah cahaya ini menghasilkan pola interferensi yang

disebut pola difraksi. Sebagai contoh, ketika cahaya monokromatik dari sumber yang jauh (

atau laser ) lewat melalui sebuah celah sempit kemudian ditangkap oleh layar, cahaya ini

akan menghasilkan pola difraksi pada layar tersebut seperti pola. Pola ini terdiri atas maksima

sentral yang lebar dan intens ( sangat terang ) ditambah sejumlah maksima yang lebih sempit

(9)

9

Gambar 3 : PLTB

Sumber : http://jendeladenngabei.wordpress.com

dan kurang intens ( yang disebut maksima sekunder atau sisi ) pada kedua sisinya. Di antara maksima ini terdapat sejumlah minima.

D. Perkembangan Ilmu Fisika dalam Bentuk Energi Alternatif

1. Pembangkit Listrik Tenaga Bayu / Angin ( PLTB )

Konsumsi energi fosil dalam pemenuhan energi listrik sangat besar dan lambat laun menimbulkan dampak buruk terhadap lingkungan. Dampak buruk yang paling terasa saat ini adalah global warming ( pemanasan global ). Semakin banyaknya dampak buruk yang timbul akibat penggunaan energi fosil ini, menyebabkan banyak negara membangun dan mengembangkan berbagai pembangkit listrik dengan energi alternatif. Salah satunya adalah pembangkit listrik tenaga bayu / angin ( PLTB ).

Pembangkit listrik tenaga bayu / angin ( PLTB ) merupakan pembangkit listrik yang dapat mengonversi energi angin menjadi energi listrik. Energi angin memutar turbin angin / kincir angin ( Gambar 3 ). Turbin angin yang berputar menyebabkan berputarnya rotor generator sehingga dapat menghasilkan energi listrik.

Sebuah turbin angin lebih menyerupai baling - baling pesawat ketimbang turbin uap atau rotor gas. Menurut Fay dan Golomb ( 2002 ), “The wind turbine blades are long and slender; the tip of the blade moves at a speed muchgreater than the wind speed.”

Turbin angin bergerak dengan kecepatan yang jauh lebih besar dari kecepatan angin. Sebuah baling - baling mesin ini dirancang untuk menghasilkan daya dorong yang besar

sehingga turbin angin dapat menghasilkan listrik. Namun demikian, pisau bentuk turbin angin

sangat mirip itu sebuah baling-baling pesawat.

(10)

10 a. Komponen Pembangkit Listrik Tenaga Bayu / Angin ( PLTB )

Komponen-komponen PLTB terdiri dari beberapa bagian. Berikut komponen- komponen PLTB beserta fungsinya :

1) Blades ( Bilah Kipas )

Kebanyakan turbin angin mempunyai dua atau tiga bilah kipas. Angin yang mengembus menyebabkan turbin tersebut berputar.

2) Brake ( Rem )

Suatu rem cakram yang dapat digerakkan secara mekanis, dengan tenaga listrik atau hidrolik untuk menghentikan rotor atau saat keadaan darurat.

3) Controller ( Alat Pengontrol )

Alat pengontrol ini menstart turbin pada kecepatan angin kira-kira 12-25 km / jam, dan mematikannya pada kecepatan 90 km / jam. Turbin tidak beroperasi di atas 90 km / jam, karena angin terlalu kencang dapat merusakkannya.

4) Gear Box ( Roda Gigi )

Roda gigi menaikkan putaran dari 30 - 60 rpm menjadi kira-kira 1.000 - 1.800 rpm yaitu putaran yang biasanya diisyaratkan untuk memutar generator listrik.

5) Generator

Generator pembangkit listrik, biasanya sekarang alternator arus bolak balik.

6) High-Speed Shaft ( Poros Putaran Tinggi ) Menggerakkan generator.

7) Low Speed Shaft ( Poros Putaran Rendah )

Poros turbin yang berputar kira - kira 30 - 60 rpm.

8) Nacelle ( Rumah Mesin )

Rumah mesin ini terletak di atas menara. Di dalamnya berisi gear box, poros putaran

tinggi / rendah, generator, alat pengontrol, dan alat pengereman.

(11)

11 9) Pitch ( Sudut Bilah Kipas )

Bilah kipas bisa diatur sudutnya untuk mengatur kecepatan rotor yang dikehendaki, tergantung angin terlalu rendah atau terlalu kencang.

10) Rotor

Bilah kipas bersama porosnya dinamakan rotor.

11) Tower ( Menara )

Menara bisa dibuat dari pipa baja, beton, rangka besi. Karena kencangnya angin bertambah dengan ketinggian, maka makin tinggi menara makin besar tenaga yang didapat.

12) Wind Direction ( Arah Angin )

Turbin yang menghadap angin, desain turbin lain ada yang mendapat embusan angin dari belakang.

13) Wind Vane ( Tebeng Angin )

Mengukur arah angin, berhubungan dengan penggerak arah yang memutar arah turbin disesuaikan dengan arah angin.

14) Yaw Drive ( Penggerak Arah )

Penggerak arah memutar turbin ke arah angin untuk desain turbin yang menghadap angin. Untuk desain turbin yang mendapat hembusan angin dari belakang tak memerlukan alat ini.

15) Yaw Motor ( Motor Penggerak Arah )

Motor listrik yang menggerakkan penggerak arah.

(12)

12 Komponen-komponen PLTB

Sumber : http://www.alpensteel.com/article b. Prinsip Kerja PLTB

Suatu pembangkit listrik dari energi angin merupakan hasil dari penggabungan beberapa turbin angin sehingga dapat menghasilkan listrik. Pada mulanya, energi angin memutar sudut - sudut turbin, lalu diteruskan untuk memutar rotor pada generator yang letaknya di bagian belakang turbin angin. Generator mengubah energi putar rotor menjadi energi listrik dengan prinsip hukum Faraday, yaitu bila terdapat penghantar di dalam suatu medan magnet, maka pada kedua ujung penghantar tersebut akan dihasilkan beda potensial.

Ketika poros generator berputar, maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya dihasilkan tegangan dan arus listrik.

Besarnya energi listrik yang dihasilkan dipengaruhi oleh beberapa faktor, di antaranya :

1) Rotor ( kincir ) : rotor turbin sangat bervariasi jenisnya, diameter rotor akan berbanding lurus dengan daya listrik. Semakin besar diameter smeakin besar pula listrik yang dihasilkan, dilihat dari jumlah sudut rotor ( baling-baling ), sudut dengan jumlah sedikit berkisar antara 3 - 6 buah lebih banyak digunakan.

2) Kecepatan angin : kecepatan angin akan memengaruhi kecepatan putaran rotor akan

menggerakkan generator.

(13)

13 3) Jenis generator : generator terbagi dalam beberapa karakteristik yang berbeda, generator yang cocok untuk Sistem Konversi Energi Angin ( SKEA ) adalah generator yang dapat menghasilkan arus listrik pada putaran rendah.

Karena energi angin tidak tersedia sepanjang hari, maka ketersediaan listrik juga tidak menentu. Oleh karena itu, digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu, kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang. Contoh sederhana alat penyimpan energi listrik ini adalah aki mobil.

c. Potensi Energi Angin di Indonesia

Pemanfaatan energi angin merupakan pemanfaatan energi terbaru yang paling berkembang saat ini. Berdasarkan data dari WWEA ( World Wind Energy Association ), total kapasitas pembangkit listrik tenaga angin dunia telah mencapai 254.000 MW atau 254 GW.

Jumlah tersebut sudah merupakan penambahan 16.546 MW selama enam bulan pertama tahun 2012. Hal ini menunjukkan 10 persen lebih sedikit jika dibandingkan dengan periode yang sama tahun 2011, yaitu terdapat penambahan yaitu terdapat penambahan 18.405 MW.

Total installed Capacity 2010-2012 ( MW )

Kapasitas pembangkit listrik tenaga bayu

Sumber : www.sustainablebusiness.com

(14)

14 Berdasarkan laporan akhir tahun 2011 The World Wind Energy Association ( WWEA ), Indonesia menempati urutan ke-84 dalam kaitan total kapasitas pembangkit listrik tenaga bayu ( PLTB ) serta penambahan kapasitas di tahun 2011. Peringkat ini merosot, pada akhir 2010 menempati peringkat 74. Di akhir tahun 2011, total kapasitas PLTB yang dimiliki oleh Indonesia hanya 1,4 MW dan tidak ada penambahan kapasitas jika dibandingkan tahun 2010.

Pada akhir tahun 2007 telah dibangun kincir angin pembangkit di empat lokasi masing-masing di Pulau Selayar tiga unit, Sulawesi Utara dua unit, dan Nusa Penida, Bali serta Bangka Belitung, masing-masing satu unit. Mengacu pada kebijakan energi nasional, maka PLTB ditargetkan mencapai 250 MW pada tahun 2025. M. Najib Habibie meneliti potensi energi angin di wilayah Sulawesi dan Maluku, meliputi 12 stasiun pengamatan, yaitu : Stasiun Tolitoli, Kayuwatu, Majene, Hasanudin, Gorontalo, Kendari dan Naha di Maluku ( lima stasiun pengamatan ) meliputi Stasiun Tual, Saumlaki, Bandaneira, Ambon dan Ternate.

Dalam kajian ini, diolah data dari tujuh stasiun observasi di Sulawesi dan lima stasiun observasi di Maluku didapatkan kecepatan rata - rata harian daerah yang memenuhi syarat untuk pengembangan pembangkit listrik tenaga angin yaitu Makassar, Naha, Saumlaki, Banda Neira dan Tual. Kelima daerah tersebut memilik rata - rata kecepatan harian antara 2,6-3,1 m / s. Frekuensi jumlah hari yang memiliki kecepatan lebih dari 2,5 m / s pada kelima stasiun ini pun sangat tinggi Antara 52,7 - 81,3 persen artinya jika turbin yang digunakan adalah yang bisa berputar dengan kecepatan angin 2,5 m / s, maka turbin akan menghasilkan energi listrik selama 193 - 297 hari dalam setahun.

Dari hasil analisis menunjukkan bahwa daerah yang paling berpotensi dikembangkan masing-masing yaitu Tual, Saumlaki, Banda Neira dan Naha dengan potensi 11.861,4, 5.797,7, 4.727,8 dan 3.455,8 wattday / year. Frekuensi jumlah hari yang memiliki kecepatan lebih dari 2,5 m / s pada stasiun ini pun sangat tinggi Antara 81,3 - 52,7 persen artinya jika turbin yang digunakan adalah yang bisa berputar dengan kecepatan angin 2,5 m / s, maka turbin akan menghasilkan energi listrik selama 193 - 297 hari dalam setahun. Tual, Banda Neira, dan Saumlaki berada berada di Maluku Barat Daya, ketiga daerah ini merepresentasikan keadaan kepulauan yang ada di sekitarnya yang berada di Laut Banda.

Pulau - pulau tersebut merupakan pulau kecil yang dikelilingi laut dan umumnya memiliki topografi yang hampir rata.

Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa berdasarkan tinjauan meteorologi

pada data harian selama enam tahun ( 2003-2008 ) di Sulawesi, Maluku dapat

(15)

15 direkomendasikan empat lokasi yang potensial untuk pembangunan pembangkit listrik tenaga angin yaitu di Tual, Naha, Saumlaki, dan Banda Neira dengan potensi energi angin yaitu berkisar antara 3455,8 s/d 11861,4 watt day / tahun. Dari keempat lokasi tersebut, Tual merupakan lokasi yang paling berpotensi untuk pembangunan pembangkit listrik tenaga angin.

d. Prinsip-prinsip Fisika dalam PLTB

Karena turbin mengurangi sebagian energi kinetik dalam aliran angin, kecepatan angin berkurang menjadi Vt pada turbin dan nilai yang lebih rendah dari Vw hilir turbin, yang disebut daerah bangun. Turbin listrik P kemudian adalah produk dari laju aliran massa melalui turbin, ρVtA, dan pengurangan energi kinetik dari angin,

V

²

/2 – V

¹

/2

Udara mengalami tekanan naik yang sangat kecil dibandingkan dengan tekanan atmosfer. Ini memberikan penurunan tekanan diseluruh turbin angin jumlah ρ ( V

²

– V

²

) A/2 gaya dorong aksial ρ ( V

²

– V

²

) A / 2 tetapi gaya ini juga harus sama dengan pengurangan momentum aliran angin, ρVtA( V.Vw ). Kemudian berikut bahwa Vt adalah rata-rata V dan Vur.

V

1

=

¹

/

2

( V + V

w

)

Daya P dapat dirumuskan dalam V dan V

w

P =

¹

/

2

pV

³

A

^{(1+𝑉𝑚 /𝑉)}²₂^{(1−𝑉𝑤 /𝑉)}

Faktor dalam tanda kurung memiliki nilai maksimum 16 / 27 ketika Vw = V / 3, dalam hal ini 8 / 9 dari energi kinetik angin telah diubah oleh turbin angin. Akibatnya daya turbin angin tidak bisa melebihi batas :

p≤

¹⁶₂₇ ¹₂

𝑝𝑉𝐴 persamaan lain yang dapat digunakan sebagai berikut :

p =

¹

/

2 .

C.p.A.v

³₁

Dengan :

P = potensi energi angin ( watt day / year ) C = konstanta Betz

konstanta Betz adalah konstanta yang harganya 16 / 27 = 59,3%

(16)

16 A = luas satuan rotor ( dianggap 1 m

²

) v

1

= kecepatan angin rata-rata harian ( m / s ) p = kerapatan udara rata-rata ( kg / m

²

) kerapatan udara diformulasikan sebagai berikut : ρ = p/ R.T

Dengan :

ρ = kerapatan udara ( kg / m

³

) P = tekanan udara ( Pa )

R = konstanta gas 287,05JKg

^-1

K

^-1

T = temperatur udara ( K )

2. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro ( PLTMH ) a. Pengertian Mikrohidro

Mikrohrido atau yang dimaksud dengan pembangkit listrik tenaga mikrohidro ( PLTMH ), adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan ( head ) dan jumlah debit air. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama, yaitu air ( sebagai sumber energi ), turbin dan generator. Mikrohidro mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pada dasarnya, mikrohidro memanfaatkan energi potensial jatuhan air ( head ). Semakin tinggi jatuhan air, maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik.

Di samping faktor geografis ( tata letak sungai ), tinggi jatuhan air dapat pula

diperoleh dengan membendung aliran air sehingga permukaan air menjadi tinggi. Air

dialirkan melalui sebuah pipa pesat ke dalam rumah pembangkit yang pada umumnya

dibangun di bagian tepi sungai untuk menggerakkan turbin atau kincir air mikrohidro. Energi

mekanik yang berasal dari putaran poros turbin akan diubah menjadi energi listrik oleh

sebuah generator. Mikrohidro bisa memanfaatkan ketinggian 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, berimplikasi

pada relatif sederhananya peralatan serta kecilnya areal yang diperlukan guna instalasi dan

(17)

17 pengoperasian mikrohidro, yakni tidak menimbulkan kerusakan lingkungan. Perbedaan antara pembangkit listrik tenaga air ( PLTA ) dengan mikrohidro terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan, PLTA di bawah ukuran 200 KW digolongkan sebagai mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit mikrohidro cocok untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah - daerah terpencil dan pedesaan.

b. Komponen-komponen Besar dari Sebuah Skema Mikrohidro

Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama dalam pemuatan PLTMH yaitu air ( sebagai sumber energi ), turbin dan generator. Air yang mengalir dengan kapasitas tertentu disalurkan dengan ketinggian tertentu menuju rumah instalasi ( rumah turbin ). Pada rumah tersebut ( power house ) instalasi air tersebut akan menumbuk turbin, dipastikan turbin akan menerima langsung energi dari air dan mengubahnya menjadi energi mekanik yang menyebabkan berputarnya poros turbin. Poros tersebut kemudian ditransmisikan ke generator dengan menggunakan kopling. Kemudian dari generator akan dihasilkan energi listrik yang akan masuk ke sistem kontrol arus listrik sebelum dialirkan pada rumah-rumah masyarakat sekitar ataupun untuk keperluan lainnya. Di bawah ini diperlihatkan gambar dari komponen PLTMH.

Gambar 4 : Komponen-komponen BEsar dari sebuah Skema Mikrohidro (Sumber :http://dreamindonesia.wordpress.com/tag/komponen-pitmly/)

(18)

18

Intake

Sumber:http://dreamindonesia.wordpress.com/t ag/komponen-pitmly/

Sand Trap

Sumber:http://dreamindonesia.wordpress.com/tag/ko mponen-pitmly/

Headrace

Head Tank

1. Diversion Weir dan Intake

Dam / bendungan pengalih dan intake. Dam pengalih berfungsi untuk mengalihkan air melalui sebuah pembuka di bagian sisi sungai ( “intake”

pembuka ) ke dalam sebuah bak pengendap ( setting basin ) atau perangkap pasir ( sand trap ).

2. Settling Basin ( Bak Pengendap )

Bak pengendap digunakan untuk memindahkan partíkel - partikel pasir dari air. Fungsi dari bak pengendap adalah sangat penting untuk melindungi komponen – komponen berikutnya dari dampak pasir.

3. Headrace ( Saluran Pembawa )

Saturan pembawa mengikuti kontur dari sisi bukit untuk menjaga elevasi dari air yang

disalurkan.

(19)

19

Penstock

Head Tank

4. Headtank ( Bak Penenang ) atau Forebay

Fungsi dari bak penenang adalah untuk mengatur perbedaan keluaran air antara sebuah pensctock dan headrace, dan untuk pemisahanakhir kotoran dalam air seperti pasir,kayu-kayuan.

5. Penstock ( Pipa Pesat )

Penstock dihubungkan pada sebuah elevasi yang lebih rendah ke sebuah roda air, dikenal sebagai sebuah Turbin.

6. Turbin dan Generator

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 mengubah energi kinetik yang disebabkan gaya jatuh air menjadi energi mekanik. Di bawah ini salah satu contoh gambar turbin :

c. Prinsip Kerja PLTMH

PLTMH 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 menghasilkan listrik. Skema prinsip kerja pembangkit listrik

terlihat pada gambar berikut ini :

(20)

20

Gambar Pembangkit listrik tenaga air umumnya

( Sumber :http://konversi.wordpress.com/2010/05/01/sekilas-mengenai-pembangkit-listrik-tenaga-air-pita/

) Pembangunan PLTMH perlu diawali dengan pembangunan bendungan untuk mengatur aliran air yang akan dimanfaatkan sebagai tenaga penggerak PLTMH. Bendungan ini dapat berupa bendungan beton atau bendungan beronjong. Bendungan perlu dilengkapi dengan pintu saringan sampah untuk mencegah masuknya kotoran atau endapan lumpur.

Bendungan sebaiknya dibangun pada dasar sungai yang stabil dan aman terhadap banjir. Di dekat bendungan dibangun bangunan pengambilan ( intake ). Kemudian dilanjutkan dengan pembuatan saluran penghantar yang berfungsi mengalirkan dari intake. Saluran ini dilengkapi dengan saluran pelimpah pada setiap jarak tertentu untuk mengeluarkan air yang berlebih.

Saluran ini dapat berup asaluran terbuka atau tertutup. Di ujung saluran pelimpah dibangun kolam pengendap. Kolam ini berfungsi untuk mengendapkan pasir dan menyaring kotoran sehingga air yang masuk ke turbin relatif bersih. Saluran ini dibuat dengan memperdalam dan memperlebar saluran penghantar dan menambahnya dengan saluran penguras. Kolam penenang ( forebay ) juga dibangun untuk menenangkan aliran air yang akan masuk ke turbin dan mengarahkannya masuk ke pipa pesat ( penstock ).

Pipa pesat berfungsi mengalirkan air sebelum masuk ke turbin. Dalam pipa ini, energi

potensial air di kolam penenang diubah menjadi energi kinetik yang akan memutar roda

turbin. Biasanya terbuat dari pipa baja yang dirol, lalu dilas. Untuk sambungan antarpipa

digunakan flens. Pipa ini harus didukung oleh fondasi yang mampu menahan beban statis dan

dinamisnya. Fondasi dan dudukan ini diusahakan sleurus mungkin, karena itu perlu dirancang

sesuai dengan kondisi tanah. Pada turbin, generator dan sistem kontrol masing - masing

diletakkan dalam sebuah rumah yang terpisah. Fondasi turbin generator juga harus dipisahkan

(21)

21 dari fondasi rumahnya. Tujuannya adalah untuk menghindari masalah akibat getaran. Rumah turbin harus dirancang sedemikian agar memudahkan perawatan dan pemeriksaan.

Setelah keluar dari pipa pesat, air akan memasuki turbin pada bagian inlet. Di dalamnya terdapat guided vane untuk mengatur pembukaan dan penutupan turbin serta mengatur jumlah air yang masuk ke runner / blade ( komponen utama turbin ). Runner terbuat dari baja dengan kekuatan tarik tinggi yang dilas pada dua buah piringan sejajar.

Aliran air akan memutar runner dan menghasilkan energi kinteik yang akan memutar poros turbin. Energi timbul akibat putaran poros kemudian ditransmisikan ke generator. Seluruh sistem ini harus balance. Turbin perlu dilengkapi casing yang berfungsi mengarahkan air ke runner. Pada bagian bawah casing terdapat pengunci turbin. Bantalan ( bearing ) terdapat pada sebelah kiri dan kanan poros dan berfungsi untuk menyangga poros agar dapat berputar dengan lancar. Daya poros dari turbin ini harus ditransmisikan ke generator agar dapat diubah menjadi energi listrik. Generator yang dapat digunakan pada mikrohidro adalah generator sinkron dan generator induksi. Listrik yang dihasilkan oleh generator dapat langsung ditransmisikan lewat kabel pada tiang-tiang listrik menuju rumah konsumen.

E

p

= ρQtgh P = ρQgh

Dari persamaan di atas daya listrik ( P ) bergantung pada ketinggian air, semakin tinggi keadaan air, maka energi potensialnya akan semakin besar. Ketika energi potensial besar maka daya yang dihasilkan juga akan besar.

d. Potensi Mikrohidro di Indonesia

Salah satu sumber energi yang sangat cocok di Indonesia adalah pembangkit listrik

tenaga mikrohidro ( PLTMH ). PLTMH adalah salah satu pembangkit listrik tenaga air (

PLTA ) low head dengan kapasitas kurang dari 500 Kilo Watt ( KW ). Potensi total PLTMH

di Indonesia tahun 2002 adalah sebesar 500 Mega Watt ( MW ), yang sudah dimanfaatkan

baru 21 MW. Potensi tersebut sebenarnya masih akan meningkat sejalan dengan intensitas

studi potensi yang dilakukan untuk menemukan lokasi - lokasi baru. Jika potensi PLTMH

dapat dikembangkan, maka paling tidak 12.000 MWh ( Mega Watt hour ) atau sebesar 14

persen dari kebutuhan energi total Indonesia tahun 2013 dapat disumbang dari PLTMH. Jika

studi potensi PLTMH dapat diintensifkan, maka persentase sumbangan PLTMH terhadap

kebutuhan energi nasional meningkat juga.

(22)

22 Potensi PLTMH di Indonesia tersebar di seluruh kepulauan Nusantara. Baik pulau besar maupun kecil. Jutaan sungai dari hulu sampai hilir di Sumatra, Jawa, Kalimantan, Bali, Madura, Lombok, Sumbawa, Flores, Timor, Sulawesi, Maluku dan Papua semuanya dapat dimanfaatkan untuk dibangun PLTMH baik berskala 5 KW sampai 500 KW. Karena potensi PLTMH tersebut tersebar, maka tingkat kesulitan distribusi kecil, dibanding dengan pembangkit yang terpusat. Di samping itu, PLTMH dapat dimanfaatkan untuk daerah - daerah terpencil yang sama sekali belum mendapat pasokan listrik, sehingga dengan mengembangkan PLTMH pemerataan kesempatan untuk mendapatkan pembangunan dan informasi lebih cepat tercapai.

PLTMH dipilih karena di samping ramah lingkungan ( tidak mengeluarkan emisi ) juga secara teknologi dan investasi dapat dijangkau oleh setiap pemerintah provinsi dan kabupaten di Indonesia dan hasil energinya dapat segera dinikmati masyarakat. Teknologi PLTMH dapat dikatakan sederhana. Jika terdapat beda tinggi air di suatu wilayah atau alur sungai, baik berupa terjunan, alur sungai yang curam atau aliran air sungai yang bisa dibendung, maka di situ dapat dibangun PLTMH. Besar kecilnya tenaga listrik yang dihasilkan tergantung debit air dan beda tinggi ( head ) yang ada, misalnya untuk debit 0,5 m

³

/dt ( misal sungai kecil ) dengan beda tinggi 8 m dan efisiensi 60 persen, dapat dibangkitkan sekitar 24.000 watt listrik. Listrik 24.000 watt ini dapat dipakai mengaliri 240 rumah penduduk dengan tiap rumah 100 watt secara terus menerus ( 24 jam ). Listrik tersebut dapat dipakai untuk industri kecil sebanyak 24 unit dan tiap unit mendapat 1.000 watt dalam 24 jam menyala terus menerus. Jika dilengkapi dengan komponen penyimpanan energi misal Accumulator ( Accu ) atau alat lain yang sejenis, maka energi dari PLTMH ini menjadi sangat efektif.

PLTMH untuk daerah - daerah yang sudah terdapat jaringan PLN, dapat digunakan sebagai pemasok energi untuk industri, baik menengah maupun industri kecil yang ada. Di samping itu, berdasarkan Kepmen No. 1122/K/30/MEM/2002, PLTMH dapat menjual energi bangkitannya langsung kepada PLN melalui interkoneksi ke jaringan PLN. Dalam Kepmen tersebut ditegaskan bahwa PLN punya kewajiban untuk membeli listrik dari PLTMH yang menjual energi bangkitannya. Harga beli PLN untuk per KWh listrik tegangan menengah dan rendah masing-masing sebesar 80 persen dan 60 persen dari Harga Pokok Penjualan ( HPP ).

Kepmen ini merupakan langkah maju dalam desentralisasi penyediaan energi listrik, namun perlu diadakan perubahan sehingga harga listrik dari PLTMH minimal sama dengan HPP.

Hal ini mengingat PLTMH merupalan pembangkit listrik terbarukan yang ramah lingkungan,

(23)

23 sehingga harus mendapatkan perlakuan lebih baik dari pembangkit listrik dibandingkan dengan pembangkit listrik yang berbahan bakar fosil.

Namun demikian, pemerintah dan masyarakat perlu waspada terhadap pembangunan PLTMH ini, karena sebenarnya kita punya pengalaman pahit dengan PLTMH pada era 80-90 an. Di mana PLTMH dibangun dengan konsep sangat top down tanpa melibatkan masyarakat dan tanpa dibarengi dengan penyediaan dan pengembangan sumber daya manusia ( SDM ) yang menguasai teknologi dan sosio-ekonomi PLTMH sehingga sekitar 75 persen dari PLTMH yang dibangun pada tahun - tahun tersebut dalam kondisi rusak. Ke depan pemerintah dalam hal ini jajaran Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral dan Kementerian Pemukiman dan Prasarana Wilayah serta Pemerintah Provinsi dan Kabupaten perlu menyusun strategi pengembangan PLTMH yang komprehensif dan berkelanjutan dengan melibatkan masyarakat di seluruh provinsi dan kabupaten di Indonesia.

Perlu pendanaan yang signifikan untuk pengembangan SDM bidang PLTMH dan tidak terpusat di Jakarta atau Bandung saja, namun justru SDM di daerah - daerah, sehingga mereka secara simultan mampu mengindentifikasi potensi PLTMH di daerahnya, mampu membangun, mampu memelihara, dan mampu mengelola PLTMH secara sosio - ekonomis serta efisien. Jika mereka mampu menguasai PLTMH, maka dalam perjalanan profesinya akan meningkat untuk menguasai pembangkit listrik mini hidro ( kapasitas 500 - 1.000 KW ) dan akhirnya mampu bermain di level high head ( kapasitas lebih dari 1 MW ). Jika sumber daya manusia yang menguasai PLTMH dapat tersebar di seantero Nusantara dalam kualitas kompentesi dan kuantitas yang cukup dan mereka diakomodasi serta didukung kreativitasnya untuk membangun sumber-sumber energi di masing - masing daerah, maka harapan terjadinya suatu revolusi energi Indonesia akan menjadi kenyataan dan krisis energi dapat dieliminasi. Jika tidak, maka stagnasi pembangunan daerah akan benar - benar terjadi.

Saat ini di Indonesia telah terdapat beberapa PLTMH, di antaranya : a) PLTMH Melong

PLTMH Melong terletak di Kabupaten Subang Jawa Barat. Potensi listrik yang dapat

dibangkitkan dari tinggi jatuh rata-rata ( head ) Sungai Ciasem sebesar 6,6 m dan

debit 2 x 1,130 liter/detik adalah 100 kW. PLTMH Melong berkapasitas 100 kW yang

terhubung dengan jaringan tegangan menengah PLN, dikenal sebagai sistem

interkoneksi. Daya listrik yang dihasilkan dapat dimanfaatkan sebagai perbaikan

kualitas daya listrik PLN di sekitar wilayah Melong dan juga sebagai sarana

laboratorium lapangan bidang energi dan ketenagalistrikan.

(24)

24 b) PLTMH Kombongan

PLTMH Kombongan terletak di Kabupaten Garut Jawa Barat. Kapasitas daya dari instalasi PLTMH Kombongan sebesar 165 kW. Pembangkit menggunakan turbin jenis Crossflow D-500 dengan memanfaatkan aliran Sungai Cikandang dengan debit 500 liter/detik dan head 45 meter. Kinerja peralatan mekanikal elektrikal PLTMH Komboongan secara umum berjalan baik dan digunakan untuk melayani kebutuhan daya listrik masyarakat Dusun Kombongan sebesar 45 kW sebanyak 150 KK. Dengan sisa daya sebesar 120 kW, direncanakan untuk interkoneksi dengan jaringan PLN.

c) PLTMH Sengkaling

PLTMH Sengkaling berada di Universitas Muhammadiyah Malang Kabupaten Malang, Jawa Timur. Kapasitas daya dari instalasi PLTMH Sengkaling sebesar 100 kW. Pembangkit menggunakan turbin jenis Crossflow D-500, memanfaatkan beda tinggi antar muka air pada saluran irigasi Snegkaling dengan muka air pada kali Brantas setinggi 15 meter dan debit sebesar 1.000 liter/detik. Daya yang dihasilkan dari PLTMH Sengkaling disambungkan ke jaringan distribusi Kampus Universitas Muhammadiyah Malang ( UMM ) melalui Jaringan Tegangan Rendah ( JTR ). Selain itu, PLTMH Sengkaling juga dimanfaatkan sebagai sarana laboratorium lapangan dan sebagai sarana studi banding.

BAB III PENUTUP

Kesimpulan

Kemajuan teknologi seringkali berdasarkan pada penemuan dan perkembangan ilmu

Fisika. Mesin kalor, mesin pendingin, menara BTS, microwave oven, hologram, PLTB, dan

PLTMH merupakan contoh - contoh terapan dari ilmu Fisika. Memahami ilmu Fisika akan

memudahkan kita memahami teknologi baru. Dari berbagai bentuk energi, kita bisa

menggunakannnya dalam kehidupan sehari – hari. Kemajuan ilmu Fisika dapat digunakan

dalam kehidupan sehari – hari, terutama untuk mempermudah kehidupan manusia.

(25)