BAB I

PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi merupakan kebutuhan yang vital bagi kehidupan manusia. Akan tetapi,
sampai saat ini cara memenuhi kebutuhan manusia akan energi masih bergantung
pada minyak dan gas (migas). Eksploitasi yang dilakukan secara terus-menerus ini
menyebabkan semakin menipisnya cadangan migas di bumi. Maka perlu
dilakukannya pencarian sumber energy yang baru dan terbarukan untuk mengatasi
pasokan energi di masa yang akan datang.
Salah satu sumber energi yang dapat dimanfaatkan untuk mengatasi krisis migas
adalah air. Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat,
karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada
air mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang
mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud
energi mekanis maupun energi listrik. Dengan memahami prinsip hydropower maka
kita dapat mengaplikasikannya dalam menentukan ketinggian level air maksimum
serta menentukan debit air yang keluar.
1.2 Identifikasi Masalah
Kajian yang akan dipelajari pada prsktikum ini adalah, bagaimana meningkatkan
pemahaman konsep konversi energi dengan alat hidro power mekanik ini. Serta
bagaimana meningkatkan efisiensi perolehan konversi energy dari hidro power
mekanik ini sehingga tidak banyak energi keluarannya hilang.
1.3 Tujuan Percobaan
2. Memahami prinsip kerja system pembangkit hidro power mekanik.
3. Menentukan ketinggian level air maksimum yang dapat dicapai.
4. Menentukan debit air yang keluar pada beberapa ketinggian yang ditentukan
1.4 Metode Percobaan
Memahami konsep-konsep dasar mengenai konversi energy lalu melakukan
praktikum dengan mengidentifikasi besaran-besaran yang terkait dan mengambil

data. Setelah itu menganalisa data dan membandingkan data yang di peroleh dengan
literatur.
1.5 Sistematika Penulisan
Laporan ini tersusun atas tiga bab yaitu :
-

Bab I, berisi pendahuluan yang menyertakan latar belakang, identifikasi

masalah,

tujuan percobaan, metoda percobaan, sistematika penulisan dan

waktu dan tempat percobaan.

-

Bab II, menuliskan tinjauan pustaka yang berisi tentang teori dan hukumhukum yang mendasari dari percobaan termoelektrik konverter.

Bab III, metodologi percobaan yang terdiri dari alat percobaan dan fungsinya,
dan prosedur percobaan yang menjelaskan langkah kerja dalam melakukan
praktikum.

Serta daftar pustaka sebagai daftar refrensi teori yang dituliskan.

1.6 Waktu dan Tempat Percobaan

Hari/Tanggal : Selasa, 04 November 2014
Waktu

: 10.30 13.30

Tempat: Laboratorium Energi Jurusan Fisika

FMIPA UNPAD

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena
pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air
mengalir). Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang

mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud
energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan
dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air
terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan
sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil.
Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan.
Energi dalam pengetahuan teknologi dan fisika dapat diartikan sebagai
kemampuan melakukan kerja. Energi di dalam alam adalah suatu besaran yang kekal
(hukum termodinamika pertama). Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnahkan, tetapi dapat dikonversikan/berubah dari bentuk energi yang satu ke
bentuk energi yang lain, misalnya pada kompor di dapur, energi yang tersimpan
dalam minyak tanah diubah menjadi api. Selanjutnya jika api digunakan untuk
memanaskan air dalam panci, energi berubah bentuk lagi menjadi gerak molekulmolekul air. Perubahan bentuk energi ini disebut konversi. Sedangkan perpindahan
energi disebabkan adanya perbedaan temperatur yang disebut kalor. Energi juga dapat
dipindahkan dari suatu sistem ke sistem yang lain melalui gaya yang mengakibatkan
pergeseran posisi benda. Transfer energi ini adalah kemampuan suatu sistem untuk
menghasilkan suatu kerja yang pengaruh/berguna bagi kebutuhan manusia secara
positif. Jadi energi adalah suatu kuantitas yang kekal, dapat berubah bentuk, dan
dapat pindah dari satu sistem ke sistem yang lain, akan tetapi jumlah keseluruhannya
adalah tetap.

Macam-macam Energi :

Energi Mekanik
Energi Listrik
Energi Kimia
Energi Nuklir
Energi Termal (Panas)
Mikrohidro adalah istilah yang digunakan untuk instalasi pembangkit listrik
yang mengunakan energi air. Kondisi air yang bisa dimanfaatkan sebagai sumber
daya (resources) penghasil listrik adalah memiliki kapasitas aliran dan ketinggian
tertentu dan instalasi. Semakin besar kapasitas aliran maupun ketinggiannya dari
istalasi maka semakin besar energi yang bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan
energi listrik.
Hydropower 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.
Hydropower memiliki komponen sebagai berikut:
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Waduk
Main Gate
Bendungan
Penstock
Katup Utama
Turbin

= tempat menampung air sungai

= pintu air utama
= penahan laju sungai
= pipa yang nyalurin air dari waduk ke pembangkit
= katup buka/tutup
= yang digerakan oleh air

7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.

Generator
Draftube
Tailrace
Transformator
Switchyard
Kabel Transmisi
Spillways

= pengubah energi mekanik jadi energi listrik

= penampung air sebelum dibuang
= pembuangan air
= pengubah listrik
= pengatur listrik
= distributor listrik
= air waduk yang lebih keluar lewat sinis

Gambar 2. Skema Konversi Energi Hidropower

Untuk bisa menghasilkan energi listrik dari air, harus melalui beberapa tahapan
perubahan energi, yaitu:
1.

Energi Potensial

Energi potensial yaitu energi yang terjadi akibat adanya beda potensial, yaitu akibat
adanya perbedaan ketinggian.
Besarnya energi potensial yaitu:
Ep = m . g . h
Dimana:
Ep
m
g

: Energi Potensial
: massa (kg)
: gravitasi (9.8 kg/m2)

h
2.

: head (m)
Energi Kinetis

Energi kinetis yaitu energi yang dihasilkan akibat adanya aliran air sehingga timbul
air dengan kecepatan tertentu, yang dirumuskan
Ek = 0,5 m . v . v
Dimana:
Ek

: Energi kinetis

: massa (kg)

: kecepatan (m/s)

3.

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
dirumuskan:
Em = T . . t
Dimana:
Em
T

t
4.

: Energi mekanis
: torsi
: sudut putar
: waktu (s)
Energi Listrik

Ketika turbin berputar maka rotor juga berputar sehingga menghasilkan energi listrik
sesuai persamaan:
El = V . I . t
Dimana:
El
V
I

: Energi Listrik
: tegangan (Volt)
: Arus (Ampere)

: waktu (s)

DEBIT AIR
Ukuran debit air akan menentukan besarnya energi yang mampu dihasilkan.
Debit juga akan menentukan ukuran dan jenis turbin yang akan digunakan.
Pengukuran debit aliran sungai biasanya dilakukan dengan menggunakan alat
Current Meter Counter, pengukuran dilakukan di sepanjang penampang melintang
sungai. Dan bisa dihitung menggunakan rumus sebagai berikut:
Q Av

dengan
Q :Debit Aliran (m/s)
v :Kecepatan Aliran (m/s)
A :Luas Penampang (m)
Prinsip Kerja Turbin Air
Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk
pembangkit tenaga listrik.. 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
mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin
reaksi.
Tabel 1.1 Pengelompokan Turbin
high head

impulse turbines

reaction turbines

Pelton
Turgo

medium head

low head

cross-flow
multi-jet Pelton

cross-flow

Turgo
Francis

propeller

Kaplan

Turbin Impuls
Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang
mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah
kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse).
Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama
karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan
atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu
jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Contoh turbin impuls: Turbin Pelton,
Turbin Turgo, dan Turbin Crossflow.

Gambar 3. Turbin Crossflow

Turbin Reaksi
Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan
terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini
memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat
berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin
reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah
turbin. Contohnya: Turbin Francis dan Turbin Kaplan dan Propeller.

Gambar 4. Sketsa Turbin Francis

Gambar 5. Turbin Kaplan

BAB III
METODA PERCOBAAN
Alat dan Bahan Percobaan

1.

Tendon air (reservoir): merupakan alat untuk menyimpan air pada ketinggian
tertentu sehingga memiliki energi potensial dan nantinya air tersebut akan

2.
3.

dijatuhkan ke dalam pipa air

Pipa air: menyalurkan air dari tendon air/reservoir ke turbin
Katup pengatur air: untuk menagtur volume air yang akan dijatuhkan atau

4.

disalurkan melalui pipa air

Turbin: dapat berputar akibat adanya aliran air dalam pipa air sehingga juga

5.
6.

dapat memutar transmisi daya

Poros transmisi daya: poros dari gir yang berputar akibat putaran turbin
Pulley: digunakan untuk mengubah kecepatan sudut rotasi yang dipersaratkan

7.
8.
9.

untuk menggerakkan sudu-sudu pompa

Tendon air kedua: tempat penyimpanan air kedua
Pipa air keluar: saluran tempat keluar air
Tendon air buangan: tempat pembuangan air

Prosedur percobaan
Menghitung debit air, laju air dan energi potensial air
1.

Memeriksa terlebih dahulu semua komponen peralatan seperti yang terlihat

pada Gambar 1.

2.

Mengukur diameter dalam pipa 2 dan pipa 8 dengan menggunakan jangka

3.

sorong, melakukan 3 kali pengukuran.

Memastikan katup penutup air dalam keadaan tertutup, lalu mengisi tandon 1

4.

dan tandon 7 sampai penuh.

Menyiapkan stopwatch yang akan digunakan untuk mengukur debit air yang

5.

keluar dari pipa 2, menyiapkan juga penampuang air buangan yang berskala.
Membuka katup 3, mencatat waktu yang diperlukan untuk mengosongkan

6.

tandon 1 dan mencatat volume air yang ada dibuangan.

Melakukan prosedur 3, 4 dan 5 tiga kali pengulangan. Mencari perbedaan hasil
pengukuran laju alir melalui persamaan kontinuitas dan hokum kekekalan
energi dan menjelaskan perbedaan mengapa demikian jika ada perbedaannya,
serta mengukur ketinggian air maksimum yang dapat dicapai pada pipa 8, hal
ini adalah head maksimum yang dapat dicapai oleh pompa.

Tugas Pendahuluan
1.
Jelaskan fungsi masing masing komponen peralatan yang ada pada mesin
hidropower mekanik ?
Pulley ( katrol )
Suatu roda dengan bagian berongga di sepanjang sisinya untuk tempat tali
atau kabel. Katrol biasanya digunakan dalam suatu rangkaian yang dirancang untuk
mengurangi jumlah gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat suatu beban. Walaupun
demikian, jumlah usaha yang dilakukan untuk membuat beban tersebut mencapai
tinggi yang sama adalah sama dengan yang diperlukan tanpa menggunakan katrol.
Besarnya gaya memang dikurangi, tapi gaya tersebut harus bekerja atas jarak yang
lebih jauh. Usaha yang diperlukan untuk mengangkat suatu beban secara kasar sama
dengan berat beban dibagi jumlah roda. Semakin banyak roda yang ada, sistem
semakin tidak efisien karena akan timbul lebih banyak gesekan antara tali dan roa.
Katrol adalah salah satu dari enam jenis pesawat sederhana.
Poros transmisi

Poros transmisi lebih dikenal dengan sebutan shaft. Shaft akan mengalami
beban puntir berulang, beban lentur berganti ataupun kedua-duanya. Pada shaft, daya
dapat ditransmisikan melalui gear, belt pulley, sprocket rantai, dll.
Turbin
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. Contoh turbin awal adalah kincir angin dan roda air.
Pompa air
Pompa air adalah alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari
suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut.
Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan
pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan,
perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.
2.
Prinsip kerja peralatan seperti pada soal nomor 1
Turbin
Energi mekanis dari fluida tertentu di konversi menjadi energi putar pada
kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan
menghasilkan listrik. Pada pompa energy putar tersebut digunakan untuk memutar
turbin yang terdapat pada pompa, sehingga pompa tersebut dapat memindahkan suatu
cairan dari suatu tepat ke tempat yang lain.
Pompa air
Cara kerjanya adalah memindahkan energi pada daun/kipas pompa dengan
dasar pembelokan/pengubah aliran (fluid dynamics). Kapasitas yang di hasilkan oleh
pompa sentrifugal adalah sebanding dengan putaran, sedangkan total head (tekanan)

yang di hasilkan oleh pompa sentrifugal adalah sebanding dengan pangkat dua dari
kecepatan putaran.
Pulley
Saat gesekan diabaikan pada pulley, keuntungan mekanik diperoleh dapat
dihitung dengan menghitung jumlah panjang tali mengerahkan gaya pada
beban. Karena ketegangan di setiap panjang tali adalah sama dengan gaya
yang bekerja pada ujung bebas tali, keuntungan mekanik hanya sama dengan jumlah
tali menarik beban.
3. Jelaskan bahwa mesin ini dapat mengairi sawah yang terletak jauh ?
Sebagaimana diketahui pompa adalah suatu alat untuk menaikan level air, pada
pompa turbin ganda ini memiliki 2 turbin dimana turbin pertama diputarkan oleh
aliran air yang kemudian turbin tersebut dikopel dengan turbin ke dua yang ada di
dalam pompa, sehingga pompa tersebut akan menaikan level air.
4. Apa yang dimaksud dengan Efisiensi mesin?
Suatu ukuran dalam membandingkan rencana penggunaan masukan dengan
penggunaan yang direalisasikan atau perkataan lain penggunaan yang sebenarnya.
Efisiensi juga bias di sebut perbandingan yang terbaik antara input output.