Generator dan Sistem Eksitasi

Generator merupakan satu komponen yang paling penting pada sebuah pabrik penghasil listrik semacam PLTU. Energi panas dari uap air yang diproduksi oleh boiler diubah menjadi energi mekanis berupa putaran poros pada turbin. Energi mekanis tersebut selanjutnya akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Generator listrik menggunakan prinsip dasar dari Hukum Faraday dimana apabila sebuah konduktor listrik dilewatkan ke sebuah medan magnet, akan timbul tegangan listrik yang terinduksi pada konduktor tersebut.

20130306-095853.jpg

Prinsip Dasar Generator

Secara umum generator terbagi ke dalam dua jenis, yakni generator DC dan generator AC. Generator DC membangkitkan arus listrik searah dengan menggunakan komponen utama berupa komutator, sebuah komponen berupa lilitan kawat untuk membangkitkan listrik searah. Generator DC hanya cocok untuk membangkitkan tenaga listrik kecil, karena untuk memenuhi kebutuhan listrik yang tinggi, dibutuhkan generator DC yang ukurannya sangat besar mengalahkan ukuran generator AC untuk menghasilkan daya yang sama. Generator AC tersusun atas sebuah konduktor listrik yang bergerak memotong medan magnet (biasanya berupa elektromagnetik). Kedua ujung dari konduktor tersebut terhubung ke beban listrik yang menjadi konsumen listrik dari generator. Untuk memahami prinsip kerja generator AC, mari kita perhatikan gambar di bawah ini.

20130306-103405.jpg

Prinsip Pembangkitan Arus Listrik AC

Pada saat posisi konduktor vertikal, tegangan yang dihasilkan adalah nol karena pada posisi ini konduktor tidak memotong garis medan magnet. Konduktor terus berputar hingga 90o sehingga pada saat posisi horisontal akan dihasilkan tegangan listrik maksimum. Konduktor ini akan terus berputar sehingga menghasilkan arus listrik AC yang dapat digambarkan dengan grafik sinusoidal pada gambar di atas.

20130306-154510.jpg

Prinsip Dasar Generator AC 3-Fasa

Generator 3-fasa memiliki prinsip kerja yang sama dengan generator 1-fasa. Tiga lilitan konduktor disusun secara melingkar sehingga jarak antar lilitan adalah sebesar 120o. Medan magnet yang berputar di tengah-tengah ketiga lilitan konduktor tersebut menginduksi lilitan-lilitan tersebut sehingga menghasilkan tegangan listrik pada masing-masing lilitan. Jika digambarkan menjadi sebuah kurva, maka akan membentuk tiga kurva yang masing-masing memiliki jarak 120o.

Sistem Eksitasi

Komponen utama dari rotor sebuah generator adalah magnet. Magnet ini dapat berupa magnet permanen maupun magnet yang dibangkitkan dengan menggunakan kumparan. Pada generator yang menggunakan kumparan sebagai magnet buatan, maka dibutuhkan arus listrik yang mengalir ke kumparan tersebut. Proses dari pembangkitan medan magnet secara buatan pada generator inilah yang disebut dengan proses eksitasi.

20130306-204753.jpg

Perbedaan Generator Dengan Exciter dan Magnet Permanen

Pada generator dengan sistem eksitasi, besar tegangan listrik yang dihasilkan oleh generator sebanding dengan besar medan magnet di dalamnya, sedangkan besar medan magnet ini sebanding dengan besar arus eksitasi yang dibangkitkan. Maka, jika arus eksitasi sama dengan nol, maka tegangan listrik juga sama dengan nol. Atas dasar ini, sistem eksitasi dapat dikatakan sebagai sebuah sistem amplifier, dimana sejumlah kecil daya dapat mengontrol sejumlah daya yang besar. Prinsip ini menjadi dasar untuk mengontrol tegangan keluaran generator, jika tegangan sistem turun maka arus eksitasi harus ditambah, dan jika tegangan sistem terlalu tinggi maka arus eksitasi dapat diturunkan.

20130306-213007.jpg

Macam-macam Exciter

Secara umum exciter dapat dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu:

  1. Exciter Berputar. Exciter jenis ini membangkitkan arus listrik DC dengan menggunakan semacam generator berukuran kecil yang ikut berputar dengan generator utama. Ada dua tipe exciter berputar, mereka adalah:
    • Tipe yang menggunakan brush. Tipe klasik ini memerlukan komponen slip-ring untuk menghubungkan arus yang dibangkitkan oleh exciter dengan rotor generator. Sehingga tipe ini memerlukan perawatan yang berjangka.
    • Tipe brushless. Tipe ini lebih modern karena exciter berada satu poros dengan generator utama. Supply arus dari exciter kumparan magnet generator dihubungkan dengan plat dioda.

    20130306-213240.jpg

    Exciter Tipe Brushless

  2. Exciter Statis. Exciter tipe ini tidak menggunakan generator kecil sebagai pembangkit arus DC untuk generator utamanya. Tipe ini menggunakan arus listrik yang keluar dari generator yang "disearahkan" menjadi DC dan disupply ke rotor generator utama.

Sumber:

  1. Wikipedia - Magnetic Excitation
  2. Generator & Exciter Basics

Macam-macam Batubara

Batubara adalah bahan bakar fosil yang terbentuk dari tumbuh-tumbuhan yang hidup dan telah mati sejak 100-400 juta tahun yang lalu. Energi dari batubara yang kita gunakan pada saat ini berasal dari tumbuh-tumbuhan yang telah menyerap energi dari sinar matahari pada jutaan tahun yang lalu. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa tumbuhan menyerap energi dari sinar matahari, mengolahnya menjadi karbohidrat melalui proses fotosintesis.

    Reaksi fotosintesis
    N CO2 + 2n H2O + energi → 2(CH2O)n + 2n O2

Pada kondisi normal, tumbuhan yang mati akan terurai dan hancur di dalam tanah. Namun pada pembentukan batubara ratusan juta tahun silam hal ini tidak terjadi. Hal ini dikarenakan fenimena alam yang terjadi pada saat itu. Berdasarkan penelitian, hutan yang ada di ratusan juta tahun yang lalu tersebut tertimbun oleh banjir, lumpur, rawa, atau air asam. Sehingga menyebabkan energi karbohidrat yang terkandung di dalam tanaman tersebut terkunci dan tidak dapat terurai oleh alam. Selama jutaan tahun, lapisan tanah di atas tanaman-tanaman hutan tadi akan terus meningkat dan menciptakan tekanan yang sangat besar. Ditambah dengan panas yang berasal dari dalam bumi, secara perlahan tanaman-tanaman tadi akan membentuk batubara.

20120807-051432 PM.jpg

Proses Pembentukan Batubara

Proses pembentukan batubara sangat mempengaruhi kualitas dari batubara itu sendiri. Semakin padat batubara tersebut akibat tekanan alami yang dialaminya, akan semakin tinggi kualitasnya. Berdasarkan kualitas inilah batubara lebih lanjut diklasifikasikan menjadi beberapa jenis yaitu:

  • Lignite atau juga dikenal dengan sebutan batubara coklat, adalah jenis batubara yang paling rendah kualitasnya. Banyak ditambang di Yunani, Jerman, Polandia, Serbia, Rusia, Amerika Serikat, India, Australia, dan beberapa bagian negara-negara Eropa. Batubara jenis ini banyak digunakan sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap. Namun karena jenis ini memiliki energi konten rendah dan kandungan moisture yang tinggi, maka sangat tidak efisien untuk ditransportasikan ke tempat yang jauh. Untuk itu pembangkit listrik yang menggunakan batubara jenis ini dibangun di lokasi yang cukup dekat dengan lokasi penambangannya.
  • Sub-bituminous adalah jenis batubara sedang di antara jenis lignite dan jenis bituminous. Secara fisik memiliki ciri-ciri berwarna coklat gelap cenderung hitam. Memiliki kandungan kelembaban yang lebih rendah dari jenis lignite dan cocok digunakan untuk bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap.
  • Bituminous, adalah jenis batubara yang lebih tinggi tingkatan kualitasnya. Mayoritas berwarna hitam, namun kadang masih ada yang berwarna coklat tua. Dinamakan bituminous dikarenakan adanya kandungan bitumen/aspal. Batubara jenis ini memiliki kandungan karbon sebanyak 60-80%, dan sisanya berupa air, udara, hidrogen, dan sulfur.
  • Anthracite adalah jenis batubara yang paling baik kualitasnya. Jenis ini memiliki kandungan karbon sebesar 92,1% sampai dengan 98%, sehingga berwarna hitam mengkilap. Penggunaan batubara anthracite pada pembangkit listrik tenaga uap, masuk ke dalam jenis batubara High Grade dan Ultra High Grade. Namun persediaannya masih sangat terbatas, yaitu sebanyak 1% dari total penambangan batubara. Negara penghasil batubara ini antara lain adalah Cina, Rusia, Ukraina, Korea Utara, Vietnam, Inggris, Australia, dan Amerika Serikat.

20120807-092348 PM.jpg

Batubara Anthracite

Perbandingan Karakteristik Beberapa Bahan Bakar

Pada kesempatan kali ini saya ingin membahas mengenai beberapa karakteristik bahan bakar yang kita kenal. Bahan bakar tersebut ada yang tidak terbarukan dan ada pula yang terbarukan. Setiap jenis bahan bakar memiliki sifat yang berbeda-beda, baik sifat fisik, kimia, dan akibat penggunaannya terhadap lingkungan. Dan berikut diantaranya:

Bensin

    Struktur kimia : C4 s/d C12
    Cetane number : 5 s/d 20
    Angka oktan : 86 s/d 94
    Massa jenis : 0,71–0,77 kg/l
    Sumber : minyak bumi
    Heating value : 30.381 - 34.381 kJoule per liter
    Fase : cair
    Emisi : menghasilkan gas buang berbahaya

Solar

    Struktur kimia : C10 s/d C20
    Cetane number : 40 s/d 55
    Angka oktan : 8 s/d 15
    Massa jenis : 0,832 kg/l
    Sumber : minyak bumi
    Heating value : 35.677 - 36.235 kJoule per liter
    Fase : cair
    Emisi : menghasilkan gas buang berbahaya (ex.: sulfur, NOx, karbon monoksida) dan partikel padat.

BioSolar

    Struktur kimia : Metil ester dari C16 s/d C18
    Cetane number : 46 s/d 60
    Angka oktan : ~25
    Massa jenis : 0,88 kg/l
    Sumber : minyak kedelai, bekas minyak goreng, lemak hewani
    Heating value : 32.611 - 33.447 kJoule per liter
    Fase : cair
    Emisi : menghasilkan gas buang yang bahayanya lebih rendah daripada solar biasa.

Compressed Natural Gas

    Struktur kimia : CH4
    Angka oktan : 120
    Massa jenis : 0,7 kg/m3
    Sumber : bawah tanah
    Heating value : 9.198 - 10.592 kJoule per liter pada tekanan 3000psi
    Fase : gas bertekanan
    Emisi : ramah lingkungan, CO2 rendah

Etanol

    Struktur kimia : CH3CH2OH
    Angka oktan : 100
    Massa jenis : 789 kg/m3
    Sumber : jagung, padi, sampah agrikultur.
    Heating value : 22.298 kJoule per liter
    Fase : cair
    Emisi : ramah lingkungan

Hidrogen

    Struktur kimia : H2
    Angka oktan : 120
    Massa jenis : 70,99 kg/m3 (fase cair); 0,0899 kg/m3 (fase gas temperatur & tekanan ruang)
    Sumber : bawah tanah.
    Heating value : 20.487 kJoule per liter
    Fase : cair atau gas
    Emisi : ramah lingkungan

Liquified Petroleum Gas

    Struktur kimia : C3H8
    Angka oktan : 104
    Massa jenis : 582,37 kg/m3 (fase cair); 18,357 kg/m3 (fase gas)
    Sumber : pengolahan petroleum atau gas alam
    Heating value : 23.413 kJoule per liter
    Fase : cair atau gas
    Emisi : ramah lingkungan

Metanol

    Struktur kimia : CH3OH
    Angka oktan : 100
    Massa jenis : 791,8 kg/m3
    Sumber : gas alam, batubara, atau biomass dari kayu.
    Heating value : 15.609 - 18.396 kJoule per liter
    Fase : cair
    Emisi : ramah lingkungan