1 / 54

PRODUKSI ENERGI listrik

PRODUKSI ENERGI listrik. Oleh : Ir. Erhaneli , MT. PRODUKSI ENERGI LISTRIK. KONVERSI ENERGI MEKANIK KONVERSI ENERGI THERMAL KONVERSI ENERGI ELEKTROMAGNETIK KONVERSI ENERGI KIMIA KONVERSI ENERGI NUKLIR. KE. ENERGI LISTRIK. (1). KONVERSI ENERGI THERMAL KE LISTRIK .

lorant
Download Presentation

PRODUKSI ENERGI listrik

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. PRODUKSI ENERGI listrik Oleh : Ir. Erhaneli, MT

  2. PRODUKSI ENERGI LISTRIK • KONVERSI ENERGI MEKANIK • KONVERSI ENERGI THERMAL • KONVERSI ENERGI ELEKTROMAGNETIK • KONVERSI ENERGI KIMIA • KONVERSI ENERGI NUKLIR KE ENERGI LISTRIK

  3. (1) KONVERSI ENERGI THERMAL KE LISTRIK

  4. PRODUKSI ENERGI LISTRIK • Energilistrikadalahenergi yang berkaitandenganaliranatauakumulasimuatanlistrikdanmerupakanbentukenergi yang sangatbergunakarenadenganmudahbisadiubahmenjadienergi yang lain denganeffisiensikonversi yang tinggi. • Beberapasistemkonversi yang digunakanuntukmenghasilkanenergilistrikseringdisebut : pengubahenergilansung(direct-energy converter), antaranyaadalah: • 1. Energipanasdapatlansungdiubahmenjadienergilistrik, misalnyadidalamkonvertertermoelektrik (termoelectrik converter) dankonvertertermionik (thermionic converter), sisteminimemepunyaiefisiensitermismaksimum yang dihasilkanolehsuatumesinkalordapatbalikeksternal. • 2. Energikimiadapatdiubahlansungmenjadienergilistrikdalamsel-selbahanbakar (fuel cell) danbatere. • 3. Energielektromagnetikdapatdiubahmenjadienergilistrikdidalam photovoltaic danselmatahari. • 4. Energinuklirdiubahlansungmenjadienergilistrikdalambaterenuklir. • 5. Energimekanisdiubahmenjadienergilistrikdalam generator konvensional/ alternator/dalamkonverterfluidadinamik ( EDG dan MHD)

  5. PERALATAN KONVERSI KONVERSI ENERGI PANAS KE LISTRIK • KONERTER TERMOELEKTRIK • KONVERTER TERMIONIK KONVERSI ENERGI KIMIA KE LISTRIK • SEL-SEL BAHAN BAKAR • BATERE KONVERSI ENERGI ELEKTROMAGNETIK KE LISTRIK • FOTOFOLTAIK • SEL- MATAHARI KONVERSI ENERGI NUKLIR KE LISTRIK • BATERE NUKLIR KONVERSI ENERGI MEKANIK KE LISTRIK • GENERATOR KONVENSIONAL • ALTERNATOR • KONVERTER FLUID DINAMIK

  6. PERALATAN KONVERSI KONVERSI ENERGI PANAS KE LISTRIK • KONERTER TERMOELEKTRIK • KONVERTER TERMIONIK KONVERSI ENERGI KIMIA KE LISTRIK • SEL-SEL BAHAN BAKAR • BATERE KONVERSI ENERGI ELEKTROMAGNETIK KE LISTRIK • FOTOFOLTAIK • SEL- MATAHARI KONVERSI ENERGI NUKLIR KE LISTRIK • BATERE NUKLIR • GENERATOR KONVENSIONAL • ALTERNATOR • KONVERTER FLUID DINAMIK KONVERSI ENERGI MEKANIK KE LISTRIK

  7. KONVERTER TERMOELEKCTRIK (Generator termoelektrik)

  8. A. KONVERSI ENERGI PANAS KE LISTRIK • KONERTER TERMOELEKTRIK • KONVERTER TERMIONIK KONVERSI ENERGI PANAS KE LISTRIK • KONVERTER TERMOELEKTRIK dan KONVERTER TERMIONIK adalahsuatuperalatan yang dapatdigunakanuntukmengubahenergithermis /panasmenjadilistrik. • Generator termoelektrikdapatmenggunakanhampirsemuasumberpanasuntukmemproduksilistrik, danmempunyaibeberapakelebihandibandingkandengansistemmesinkalortermodinamikakonvensional, lebihkompak, kasardantidakmempunyaibagian yang bergerak. • Kekurangannyaefisiensitermissitemrendahdankomponennyamahal. sistempembangkittermoelektrikhanyadipakaiuntukdaya yang rendah.

  9. OPERASI KONVERTER TERMOELEKTRIK EfekSeeback EfekkPeltier Efekthomson

  10. EfekSeeback Th.(1822) • DitemukanolehahliilmualamJerman “Thomas J.Seeback” • MenurutefekSeebeck , sebuahvoltasetimbuldalamrangkaiandaridua material yang tidaksamajikakeduasimpanganinidijagapadatemperatur yang berbeda. • KoefisienSeebeck (S)adalahsifat material danmemberikankecepatanperubahanpotensialtermoelektrik(ES) dengansuhuTdimana : Dengan : S= KoefisienSeeback ES= Potensialtermoelektrik T= suhu/temperatur

  11. PotensialTermoelektrikterinduksi(Es) yang ditimbulkandalamsuaturangkaian yangterdiridaridua material dapatdihitungdengan : • KoefisienSeebackkombinasiSabditentukanpositifjikaaruslistrikmengalirdarimaterial A kematerial B padasimpangandingindimanapanaskombinasiulangdilepaskan • SeebeckkombinasiSabadalah : • Sab = Spn = - Snp

  12. Tabel 8.1 KoefisienSeeback (pada 1000 C ) CATATAN KombinasikoefisienSeebackuntukBesikonstantan : 60,6 μV/K Kombinasi Germanium-silikon : 830 μV/K

  13. EfekPeltier Th.1844 8.5 • DitemukanolehseorangahliImuAlamPerancis“J.C.A Peltier” • MenurutefekPeltier : Jikasuatuarus dc dialirkanpadasuaturangkaianytdd material yang berbeda, salahsatusimpanganlogam yang tidaksamatsbakandipanaskandan yang laiannyadidinginkan • KoefisienPeltier (ab)untuksuaturangkaian yang terdiridari material A dan B ditandaidenga ab yang didefenisikansbb : –Q = jumlahperpindahanpanasdari simpangan (Watt) iab = arussearah yang mengalirdidalam generator (Amper) • HubunganantaraKoefisienSeebackdengankoefisienPeltiersbb: T( L atau H )adalahtemperaturmutlakbagiandingin (TL ) dantemperaturmutlak (TH )darisimpanganpanas.

  14. Efek Thomson (Th.1854) • DitemukanolehseorangahliIlmuAlam “Willian Thomson “ (Lord kelvin) • MenurutEfek Thomson : Adanyapenyerapanataupelepasanpanasbolak-balikdalamkonduktorhomogen yang terkenaperbedaanpanasdanperbedaanlistriksecarasimultan • Koefisien Thomson ( ) adalahsbb : • Hubungankoefisien Thomson denganSeebecksebagaiberikut : Q = jumlahperpindahanpanas yang diserapolehkonduktorketikaaruslistrik mengalirkearahsuhu yang lebihtinggi

  15. GenertaorTermoelektrikjenis n-p Gambar 8.1

  16. Dari Gbr : 8.1 • Kaki /elemen generator dihubungkanseriuntukmengalirkanarusdandiparalelkanuntukmengalirkanpanas • Tahahanlistrik Total darikonverteradalahRg, untuksuatuhubunganserimerupakanjumlahtahanandaritiap-tiaptahanan kaki p dan n: • Konduktansipanasgebnerator ( Kg) adalahsamadenganjumlahkonduktansipanas (hargakebalikandaritahanpanas) kaki semikonduktor , Dengan : m = jumlahpasangan kaki p-n Rp = tahanan kaki -p Rn = tahanan kaki – n ρ = tahananlistrik material (ohm meter) L = panjang kaki semikonduktor (meter) A = luaspotonganmelintang kaki (meter persegi) K =konduktifitaspanas material semikonduktor (Watt/meter/derajatcelsius)

  17. EmpatKeseimbanganenergipada keduasimpulpanasataudingin Terdapatsejumlahperpindahanpanaskeataudarisambungankesekelingnya( ± Q) Terdapatsejumlahperpindahanpanasmelalui generator darisambunganpanaskedingin(± Kg∆T) Perpindahanpanaskarenaefekpeltier ( ) Terdapatpenghamburandayadiperalatankarenapemanasan Joule dandapatditunjukkanbahwasecaraefektifseparuhdaripanastahananditimbulkandalammasingmasingsambungan (+ i2Rg/2)

  18. Dibagiansambunganpanas: jumlahperpindahanpanasPeltieradalah : Dimana : • Daya yang masukkesambunganpanasadalah: • = i2Rg/2 + QH, • Daya yang meninggalkansambunganpanas : • = Kg ΔT +

  19. Kombinasikeduabentukinimemberikan : Sambungan panas Sambungan dingin Effisiensithermis generator termoelektrik DenganmengalikanpembilangdanpenyebutdenganΔT/Rgi2,danjika M = adalahperbandingantahananbebanluardantahanan generator Ro/Rg, makapersamaandiatasmenjadi :

  20. Arusdalam converteradalahsamadengantegangan total yang dibangkitkandibagidengantahanan total dalamsirkuit: Masukkanhargainikepersamaan (8.16) sebelumnyaakanmenghasilkanEffisiensinThermissebesar: Z =keuntungan generator

  21. Untukmemperbaikieffisiensitermis generator, makaharga Z harussebesarmungkin. Sekali material generator telahdipilih, produk minimum Kg RgmemberikanhargamaksimumZmaks : Hargax optimum yang memberikanharga minimum Kg RgatauZmaksdapatdihitungdenganmenghitung : [d (Kg Rg/dx]=0 danselesaikanuntukmendapatkannilaix. Dan inidiberikan : Dan memberikan :

  22. M optimal yang memberikaneffisiensitermismaksimaldapatdihitungdenganmenghitung ( dηth/dM )=0 dandiselesaikanuntukmendapatkan M. daninimemberikan : • Tave = (TH+ TL)/2= temperaturmutlak rata-rata dalam generator Denganmemasukanpersamaandiataskepersamaaneffisiensithermisakanmenghasilkan : Tegangaankeluaran generator adalahsamadengantegangan total yang dibangkitkan, dikurangidenganpenurunantegangan internal didalam generator :

  23. Dan dayakeluaranmenjadi : PenurunandifferensialPersamaan (8.26) terhadapiidanpenyelesaia( dPkeluar/di) = 0 ,memberikanarus ideal padadayakeluaranmaksimumimaks.P Dayakeluaranmaksimaldari generator sebesar : Tegangankeluaranpadakondisidayamaksimum :

  24. CONTOH 8.1 (hal-393) • Sebuah generator termoelektrik yang beroperasiantara 30 sampai 5000C dibuatdarisemikonduktor n-pdengansifat-sifatsepertipadatabeldibawahyini. Sisteminidirencanakanuntukmemproduksi 500 We padaeffisiensitermaltertinggi yang mungkin, tentukanjumlahpasanganelemen, efisiensitermistertinggi yang mungkin, dankeluarandayatertinggi. Misalkanluaspenampangmelintang kaki-n = 1 cm2danpanjang kaki-kaki-n = 1 cm, panjang kaki- p 1 cm • Ditanya : a) Jumlahpasanganelemen • b) Effisiensithermistertinggi • c) Keluarandayatertinggi yang mungkin

  25. PENYELESAIAN • KoefisienSeeback rata-rata adalah : • Keuntunganmaksimumadalah : UntukHarga KgRg minimum :

  26. TugasLokal C : Kerjakansoalpadahalaman 432 denganketentuansbb : Untuknomor BP ganjilkerjakansoalnomor : 8.1 dan 8.2 (a , b, c dan d ) Untuknomor BP genapkerjakansoalnomor 8.3

  27. TUGAS-2 Kerjakansoalpadahalaman 432 denganketentuansbb : Untuknomor BP ganjilkerjakansoal nomor : 8.1 dan 8.2 (a , b, c dan d ) Untuknomor BP genapkerjakansoal nomor 8.3 dansoalnomor 8.2 (e dan f)

  28. KONVERTER TERMIONIK (Generator termionik) • KONERTER TERMOELEKTRIK • KONVERTER TERMIONIK KONVERSI ENERGI PANAS KE LISTRIK

  29. Konverter /Generator termionik Emisitermionik ditemukantahun 1883 olehThomas Alfa Edidon Elektronsecaraefektif “dididihkan /dipanaskan” olehkatodapanasdan “dikondensasikan”padaanodadingin. SistempengoperasianKonvertertermionik 2. Elektron-elektroninikemudianmengalirkembalikekatodamelaluitahananbebanluar, danmemproduksienergi yang berguna.

  30. Energi level – Fermi Merupakanelektron-elektronbervalensididalam orbit yang sekelilingintimempunyaienergi rata-rata. Elektronbergetardisekitar level Fermi dengan amplitude yang sebandingdengantemperaturmutlak Energifungsikerjaatau (work-function energy) adalahbesarnyaenergi yang diperlukanuntukmelepaskanelektronbervalensidarisuatu atom. Energiiniharusdiatasisebelum electron dapatmeninggalkanpermukaan. Energifungsikerjadan energy –level Fermi bervariasimenurutjenismaterial.

  31. Kerapatanarus (Jo)  = zeta • Kerapatanarusmerupakanbesarnyaemisipanaselektrondarisuatupermukaan • diberikanolehpersamaanRichardson-Dushman • (dalamamperpersegi meter ) • e =muatan • k = konstantaBolttzmann(1,55 x 10-4eV/oK ) • T = temperaturmutlakpermukaandalam Kelvin • = fungsikerjadaripermukaandalamelektronVolt (eV) •  = konstantadengansatuanampermeterpersegi per • kuadrat Kelvin yang diperkirakanmerupakansuatu • konstanta universal dengannilai ( 1,2 x 106 A/m2.oK.) ; • meskipuntelahditemukanhargainibervariasimenurut • jenisnya. Dengan :

  32. Tabel 8.2 Sifat-sifatemisitermionikdaribeberapa material

  33. Gambar 8.2 Generator diode Termionik Generator termionikvacumterdiridari celah vakum emiterpanas ( katoda ) elektrodekolektordingin (anoda), celahvacum.

  34. Generator diode Termionik • Elektron lain yang dipancarkandansudahberadadicelahantaraelektrodajugacendrunguntukmendorong electron yang dipancarkankembalikepermukaankatoda, sebagaihasilnya electron yang dipancarkandarikatodapanascendrunguntuk “menumpukdiri” didalamcelahantaraelektrodadanmembentukhambatan energy tambahanterhadapaliran electron. • Hambatan energy tambahandisebut “energy hambatanmuatanruang” atau (spase-charge-barrier-energy)danditandaidengan(Φb ) • Agar electron bisamencapai diode, electron harusmempunyai energy total (Ec ) = yang samadenganjumlahfungsikerjakatoda(Φc )dan energy tahanan-muatan-ruang(Φb ) • ATAU : Ec = Φc+ Φb .

  35. Denganadanyaenergihambatan-muatan – ruang, MAKA kerapatanarusnettomenjadi : Dari gambar 8.2 TegangankeluaranEodari generator adalahsamadenganjumlahenergi level Fermi dan energy fungsikatodaditambahdengan energy hambatan –muatan-ruangdikurangidenganlever-fermi, energyfungsikerjadanenergihambatanmuatanruanganoda : Makategangan Keluaran generator Eo = Ec– Ea

  36. Untuktegangankeluaran yang tinggi , maka : Katodaharusmempunyai level Fermi yang rendah DAN fungsikerja yang tinggi.Jugamempunyaihargayang tinggi, karenafungsikerja yang tinggiakanmenghalangialiranelektron. 2. Anodaharusmempunyai level Fermi yang tinggi DAN fungsikerja yang rendah, meskipuniniakanmempertinggiemisi electron darianoda, sehinggamengurangijumlahalirannettoemisi electron darikatoada. Untukunjukkerja yang optimum, hubunganantaratemperaturdanfungsikerjasebagaiberikut :

  37. Efisiensitermissistemkonversitermionik • Efisiensitermissistemkonversitermioniksulitdianalisissecaraeksplisitkarenakehilangandayasangattergantungdaribentukgeometrisistemdan modus operasi. • Karenasistemmenghasilkanlistrikarussearah (dc), makakeluarandayasistemsecarasederhanasamadenganproduksiarus ( I )dikalidenganvoltasebebanluar( vL ). Ac= luaspermukaankatoda dalam meter persegi vL= penurunantegangan antaratahananbebanluar Jo =kerapatanarus Keluarandayapada generator termionik :

  38. Kerugiandayaakibatoperasi converter ada 3 macamsbb : Kerugianolehpanas yang dipindahkanantarakatodadananoda, baikolehradiasiuntuk converter vakummaupunolehkombinasiradiasidankonveksipada converter yang diisi gas atauuap. • Kerugianolehperpindahanpanaskonduksisepanjangansambunganlistrik yang dihubungkankekatodadananoda • Kerugianpadaanoda , karenaenergifungsikerjadanhambatanmuatanruangdarielektronyang”mengembun” diubahmenjadienergipana

  39. Jumlahperpindahanpanasradiasi (Pr) Jumlahperpindahanpanas( Pr ) antarakatodadananodadapatditaksirdenganmenggunakanpersamaanperpindahanpanasradiasikonvensional. Spasiantarakeduaelektrodacukupkecilsehinggabisadiandaikansebagaibidangtakterbatas. Dimana : Dengan : σ = konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 W/m2 .oK εc, εa = emisifitaskatodadananoda Ac = luaspermukaankatodadalam meter persegi

  40. Kerugianenergi yang dibawaoleh electron (Pel) Energipotensialdarisuatu electron yang meninggalkankatodaharuslebihtinggidaripadatenagafungsikerjaditambahdenganhambatan-muatan-ruanguntukelektroda (Φc + Φb,c). Sebagaitambahan, masingmasing electron mempunyai energy kinetic total rata-rata sebesar2 kTc. Untukkerapatanarussuatu emitter nettoJo , jumlah energy dari emitter yang hilangbersamaaliran electron adalah: Jikakabelmasukan yang dihubungkandengankatodamempunyairesistivitasρwdanpanjangLw , konduktifitaskw, danluaspenampangAw, jumlahperpindahanpanaskonduksidarikatodadikombinasikandenganjumlahpersamaan Joule kekatodaadalah: Tc - To = penurunan temperature linear sepanjangLw

  41. EffisiensiTermisdariKonverterTermionik : Karenajumlahketiga energy inimerupakanjumlahkerugiandayadarikatodadanharusditambahidengandaya yang ditambanhkanke converter, effisiensitermisdari converter adalah :

  42. Contoh 8.2 ( hal 401) Sebuah converter termionikberoperasidengansuatu emitter thoriated tungsten (W + Th) pada 1900oK dengan energy hambatan-muatan-ruang 0,3 V danenergihambatan-kolektor 0,5 V. Hitungluas emitter yang diperlukanuntukmemproduksi 100 watt, jikakolektor (anoda) dibuatdariBarium Oksida (BaO). • Penyelesaian : Karenamenggunakanmaterial W+ThdanBaO, makaberdasarkantabel 8.2 dijelaskan “ Tabel 8.2 Sifat-sifatemisitermionikdaribeberapa material Dari Tabel 8.2 (hal : 398) c = 0,04 x 106 A/m2 .oK2 a = 0,001 x 106 A/m2 .oKΦa = 1,5 V Φc = 2,7 V

  43. Kerapatanarus emitter padaCatoda : • Dari lampiran –A Muatan electron (e)= 1,602 x 10-19 J/V Konstanta Boltzmann= 1,381 x10-23 J/oK = 2,7 + 0,3 -0,5 – 1,5 = 1,0 Volt

  44. Kerapatanarus emitter

  45. effisiensitermis (ηth) Kerjakansoal 8.6 padahalaman 433

  46. KUIS-2 Kerjakan sola berikutdenganketentuan : Tahananmuatanruang = duaangkaterahir BP anda Sebuahdiodavakumdengansuatukatodadananodamempunyailuaspermukaan 15 cm2. Emitter (katoda) dibuatdariW+BadankolektordibuatdariNikel (Ni)). Tahananmuatanruanguntuk emitter (…. v) dan energy tahanankolektor (anoda) adalah (0.15 v). Emitter dijagapada temperature 18000K. Hitunglahkeluarandayadanarusdarialatinidanperkirakanlahefisiensitermisnyajikaemisivitaskatoda 1,5 dananoda 1,5. Abaikankerugiankarenakonduksimelalukawatmasuk(Pw) danPel Dari Tabel-A : ( k ) KonstantaBoltzman = 1,381 x 10 -23 J/0K ( e ) Muatanelektron = 1,602 x 10-19 J/V • (σ ) KonstantaBoltzman = 5,6 x 10-8 W/m2 .oK4

  47. (2) KONVERSI ENERGI MEKANIK KE LISTRIK

  48. KONVERSI ENERGI MEKANIK KE LISTRIK • GENERATOR KONVENSIONAL • ALTERNATOR • KONVERTER FLUID DINAMIK

  49. MATERI - UAS Pahamidanpelajaritentang ProduksiEnergiListrk (bab-8) Produksienergitermal (bab-3) Penyimpananenergi (bab-9) Note: Sifatujian : open book Tidakdibenarkanmenggunakan HP dalamperhitungan

  50. Generator atau alternator adalahsuatuperalatanlistrik yang dapatdigunakanuntukmengubahenergimekanismenjadienergilistrik, yang dapatberupa generator ac atau dc. Padaumumnyasemuaalat yang mengubahenergimekanismenjadienergilistrikuntukprinsipoperasinyaberlandaskanpadaefek Faraday, yaknisuatugradienvoltaseditimbulkandalamkonduktorlistrik yang dikenakangayategaklurusterhadapsuatumedan magnet. Gradienvoltase yang diinduksikaniniadalahdv/dx, didalamkonduktoradalahsamadenganhasilperkalianvektorantarakecepatankonduktor (Vc) dankekuatandalam magnet ( B ) atau :

More Related