PROJECT FISIKA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

PROJECT FISIKA

“ PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA)”

Di susun oleh:

1. Ashari Anhar

2. Hefri Maulana Rizka 3. Nur Khalim Bachtiar R.

FAKULTAS TEKNIK

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

PRODI S1 PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA AIR (PLTA)

A. Prinsip kerja dari PLTA

PLTA merupakan salah satu tipe pembangkit yang ramah lingkungan, karena menggunakan air sebagai energi primernya. Energi primer air dengan ketinggian tertentu digunakan untuk menggerakkan turbin yang dikopel dengan generator.

Pembangkit Listrik Tenaga Air merupakan pusat pembangkit tanaga listrik yang mengubah energi potensial air ( energi gravitasi air ) menjadi energi listrik. Mesin penggerak yang digunakan adalah turbin air untuk mengubah energi potensial air menjadi kerja mekanis poros yang akan memutar rotor pada generator untuk menghasilkan energi listrik.

Prinsip kerja PLTA

1. Aliran sungai dengan jumlah debit air sedimikian besar ditampung dalam waduk yang ditunjan dalam betuk bangunan bendungan

2. Air tersebut dialirkan melalui saringan power intake

3. Kemudian masuk ke dalam pipa pesat (penstock)

4. Untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik. Pada ujung pipa dipasang katup

utama (Main Inlet Valve)

5. Untuk mengalirkan air ke turbin ,katub utama akan diutup secara otomatis apabila terjadi gangguan atau di stop atau dilakukan perbaikan/pemeliharaan turbin. Air yang telah mempunyai tekanan dan kecepatan tinggi (energi kinetik) dirubah menjadi energi mekanik dengan dialirkan melalui sirip – sirip pengarah (sudu tetap) akan mendorong sudu jalan/runner yang terpasang pada turbin

6. Pada turbin , gaya jatuh air yng 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 kinetic yang disebabkan gaya jatuh air menjadi energy mekanik

7. Generator dihubungkan dengan turbin melalui gigi – gigi putar sehingga ketika baling – baling turbin berputar maka generator ikut berputar. Generator selanjutnya merubah energy mekanik dari turbin menjadi energy elektrik. listrik pada generator terjadi karena kumparan tembaga yang diberi inti besi digerakkan (diputar) dekat magnet. bolak-baliknya kutub magnet akan menggerakkan elektron pada kumparan tembaga sehingga pada ujung-ujung kawat tembaga akan keluar listriknya.Yang kemudian menhasilkan tenaga lisrik. Air keluar melalui tail race

8. Selanjutnya kembali ke sungai

9. Tenaga listrik yang dihasilkan oleh generator masih rrendah, maka dari itu tegangan tersebut terlebih dahulu dinaikan dengan trafo utama

10. Untuk efisiensi penyaluran energi dari pembangkit ke pusat beban , tegangan tinggi tersebut kemudian diatur / dibagi di switch yard

B.

Komponen PLTA

1. Waduk ,berfungsi untuk menahan air

2. Main gate, katup prmbka

3. Bendungan, berfungsi menaikkan permukaan air sungai untuk menciptakan tinggi jatuh air. Selain menyimpan air, bendungan juga dibangun dengan tujuan untuk menyimpan energi.

4. Pipa pesat (penstock) ,berfungsi untuk menyalurkan dan mengarahkan air ke cerobong turbin. Salah satu ujung pipa pesat dipasang pada bak penenang minimal 10 cm diatas lantai dasar bak penenang. Sedangkan ujung yang lain diarahkan pada cerobong turbin. Pada bagian pipa pesat yang keluar dari bak penenang, dipasang pipa udara (Air Vent) setinggi 1 m diatas permukaan air bak penenang. Pemasangan pipa udara ini dimaksudkan untuk mencegah terjadinya tekanan rendah (Low Pressure) apabila bagian ujung pipa pesat tersumbat. Tekanan rendah ini akan berakibat pecahnya pipa pesat. Fungsi lain pipa udara ini untuk membantu mengeluarkan udara dari dalam pipa pesat pada saat start awal PLTMH mulai dioperasikan. ½ inchDiameter pipa udara ±

5. Katup utama (Main Inlet Valve), berfungsi untuk mengubah energi potensial menjadi energi kinetik

kelompok yaitu turbin reaksi dan turbin impuls. Turbin reaksi bekerja karena adanya tekanan air, sedangkan turbin impuls bekerja karena kecepatan air yang menghantam sudu.

7. Generator, Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanis. Generator terdiri dari dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor terdiri dari 18 buah besi yang dililit oleh kawat dan dipasang secara melingkar sehingga membentuk 9 pasang kutub utara dan selatan. Jika kutub ini dialiri arus eksitasi dari Automatic Voltage Regulator (AVR), maka akan timbul magnet. Rotor terletak satu poros dengan turbin, sehingga jika turbin berputar maka rotor juga ikut berputar. Magnet yang berputar memproduksi tegangan di kawat setiap kali sebuah kutub melewati "coil" yang terletak di stator. Lalu tegangan inilah yang kemudian menjadi listrik

8. Draftube atau disebut pipa lepas, air yang mengalir berasla dari turbin

9. Tailrace atau disebut pipa pembuangan

10. Transformator adalah trafo untuk mengubah tegangan AC ke tegangan yang lebih tinggi.

11. .Switchyard (controler)

12. Kabel transmisi

14.Spillway adalah sebuah lubang besar di dam (bendungan) yang sebenarnya adalah sebuah metode untuk mengendalikan pelepasan air untuk mengalir dari bendungan atau tanggul ke daerah hilir.

C. Ilmu fisika dan pembahasan

1. Energi Potensial

Energi potensial yaitu energi yang terjadi akibat adanya beda potensial, yaitu akibat adanya perbedaan ketinggian.semakin tinggi air berasal semakin besar pula tenaga yang dihasilkan

Besarnya energi potensial yaitu: Ep = m . g . h

Dimana:

Ep : Energi Potensial m : massa (kg)

g : gravitasi (9.8 kg/m2) h : head (m)

2. Debit ait

Saat air jat debit air juga menentuka barapa besar listrik yang dihasilkan dengan rumus yaitu

Q = v . A dimana Q = debit air v = kecepatan air

A = luas penampang aliran

3. Energi Kinetis

Energi kinetis yaitu energi yang dihasilkan akibat adanya aliran air sehingga timbul air dengan kecepatan tertentu, yang dirumuskan

Ek = 0,5 m . v2

Dimana:

4. Energi Mekanis

Energi mekanis yaitu energi yang timbul akibat adanya pergerakan turbin. Besarnya energi mekanis tergantung dari besarnya energi potensial dan energi kinetis. Besarnya energi mekanis

Setelah proses pada turbin selanjutnya pada generator, saat baling – baling pada turbin bergerak rotor juga ikut berputar sesuai dengan persamaan

η = 60 . f / P

dimana: η : putaran f : frekuensi

P : jumlah pasang kutub

selain itu banyak sedikitya kumparan pada stator juga mempengaruhi besarnya daya istrik yang bias dihasilkan oleh pembangkit. Selain itu kita juga harus membicarakan magnet yang ditemukan oleh fisikawan yaitu Faraday , yaitu tentang induksi

elektromagnetik, . listrik pada generator terjadi karena kumparan tembaga yang diberi inti besi digerakkan (diputar) dekat magnet. bolak-baliknya kutub magnet akan

menggerakkan elektron pada kumparan tembaga sehingga pada ujung-ujung kawat tembaga akan keluar listriknya.Yang kemudian menhasilkan tenaga lisrik induksi magnet dapat dicari dengan persamaan

B=k_aI

Dengan k=2x10−7NA−2

I= kuat arus listrik (A) a= jarak dari arus listrik (m)

Jika lilitan tersebut dialiri arus eksitasi dari AVR maka akan timbul magnet dari rotor. Sehingga didapat persamaan:

E = B . V . L

Dimana:

E : Gaya elektromagnet B : Kuat medan magnet V : Kecepatan putar L : Panjang penghantar induksi generator

Dari ketiga hal tersebut, yang bernilai tetap adalah putaran rotor dan kumparan, sehingga agar beban yang dihasilkan sesuai, maka yang bisa diatur adalah sifat kemagnetannya, yaitu dengan mengatur jumlah arus yang masuk. Makin besar arus yang masuk, makin besar pula nilai kemagnetannya, sedangkan makin kecil arus yang masuk, makin kecil pula nilai

6. Energi Listrik

Ketika turbin berputar maka rotor juga berputar sehingga menghasilkan energi listrik sesuai persamaan:

7. Daya listrik yang dihasilkannya adalah:

PW_t

P = daya listrik W = energy listrik t = waktu (sekon)

STUDY KASUS

Spesifikasi lampu yang di gunakan

 Tegangan yang mengalir pada aliaran= 220 volt

 Tegangan setelah masuk komponen dalam lampu menjadi 4 volt

 Daya = 100 watt

Dengan besar tegangan dan daya lampu di atas maka aka di peroleh arus maksimum :

P=V . Im 100=4. I_m

Im=25A

Dengan diketahui harga Im maka akan dapat dicari GGl induksi elektromagnetik sebesar : εm=Im. R , dimana harga R dapat di cari melalui :

dengan ketentuan sebagai berikut : R = hambatan kabel penghantar

ρ = massa jenis bahan kawat yan digunakan (dalam hal ini kami menggunakan tembaga) ℓ = panjang kawat atau kabel

A = luas penampang kawat atau kabel. Jadi GGL induksinya

εm=Im. R

εm=25×0,55×10−2=13,7volt

P=εm× I=13,7×25=342,5volt

Selanjutnya setelah εm ditemukan dapat dicari ω dari rumus ε=NABω. Namun sebelum itu dicari terlebih dahulu B dengan menggunakan rumus B=μ0× I × N_2l dengan ketentuan :

ℓ = panjang batang yang dililiti oleh kumparan yang mana nilai dari l=30cm=0,3m

I = arus yang dialirkan ke lilitan yang harus dicari dengan menggunakan rumus

I=V_R=220₅ =44A

Keterangan :

V = tegangan yang dialirkan pada kumparan (tegangan PLN) R = hamabatan dalam pada kumparan generator

N = banyaknya lilitan pada kumparan generator dimana yang kami gunakan di sini adalah 400 lilitan

r = jari-jari pada kumparan generator Sehingga akan ditemukan kecepatan sudut (ω) ε=NABω

ω=_NABε = 12,1

400 .3,14.10−2

.0,037=104,15rad/s

Ketika telah diketahui kecepatan sudut (ω) maka dapat dicari percepatan sudut (α¿ dengan α=ω_R=104,15_0,1 =1041,5rad/s2

Untuk mencari momen Inersia yang bekerja pada batang kumparan generator digunakan

I=1₂×m ×r2=1_{2 .10}.10−2=5.10−2kg m2

Keterangan :

m = massa batang pada kumparan. Dimana disini menggunakan yang seberat 10 kg r = jari-jari batang kumparan (seperti yang diketahui di atas)

B

C

_A

τ=I . α=5. 10−2.1041,5=52,075Nm

Keterangan :

I = momen inersia yang dicari di atas

α = percepatan sudut yang telah dicari di atas

Untuk menghitung perbedaan kecepatan sudut yang diakibatkan oleh jari-jari penghubung yang berbeda antara gir yang ada pada generator adalah

Keterangan :

Gir A = gir pada kincir angin

Gir B = gir yang terhubung satu poros dengan gir A dan bersinggungan dengan gir C Gir C = gir yang terhubung satu poros dengan ujung dari generator

Perbandingan antara gir B dan gir C di buat 6 : 1 dehingga dapat dihitung sedangkan pada kincir (gir A dan gir B) diketahui

Mencari pada kincir, jika diketahui massa kincir air (mA) adalah 10 kg, jari-jari kincir air sebesar r1 = 1m, sedangkan jari-jari gir A sebesar r2 = 0,25m

τ=I . αA

¿10 .1,56 .12,68

¿197,808Nm

Mencari kecepatan dan debit air yang digunakan untuk memutar kincir Fsf = Ep

Gaya sebesar 1600,78 N sama dengan energi sebesar 1600,78 tiap detiknya (1600,78N=1600,78J/s)

Ketinggian air jatuh yaitu h2 = 10 m, dan Jarak antara permukaan air dengan lubang kebocoran air yaitu h1 = 5 m

Ep=Fsf

m g h2=1600,78

m=1600,78_10.10

m=16,0078kg

16,0078 kg = 16,0078 liter = 0,160078 m3

Sehingga didapatkan debit air sebesar Q=V_t , maka debit yang dihasilkan adalah 0,160078m3

tiap detiknya sama dengan 16,0078 liter

Sedangkan kecepatan air jatuh dari ketinggian h2 = 10 m, maka v_=√2g h2

¿√2.10 .10

¿10√2m/s

Kesimpulan

dan perubahan bentuk energi dari gravitasi menjadi gerak, dari gerak menjadi mekanik dan dari bantuan generator akan di ubah menjadi energi listrik yang akan disalurkan adapun

kelebihan PLTA adalah

1. Dapat menghapuskan biaya bahan bakar.

2. Memiliki kehidupan ekonomi yang lebih lama

3. Tidak menyebabkan polusi gas rumah kaca

4. Bendungan dari PLTA itu sendiri bisa dimanfaatkan sebagai tempat rekreasi dan irigasi perairan

5. Bendungan dari PLTA dapat dijadikan tanggul untuk mengantisifasi ketika terjadi banjir.

Sedangkan kelemahannya

1. Mebutuhkan inventasi yang besar

2. Membutuhkan lahan yang luas untuk membuat pusat listrik yang berkapasitas besar

Daftar pustaka

http://www.scribd.com/doc/10571419/Turbin-Uap-Air-Gas

http://www.scribd.com/doc/56140667/PRINSIP-KERJA-PLTA

http://gasingsiska.blogspot.com/2011/02/pembangkit-listrik-tenaga-air-plta.html

http://perkembanganpltu.blogspot.com/