BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Gelombang Laut Gelombang yang terjadi di lautan dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis tergantung dari daya yang menyebabkannya. Gelombang laut dapat disebabkan oleh angin (gelombang angin), daya tarik bumi-bulan-matahari (gelombang pasang surut), gempa (vulkanik dan tektonik) di dasar laut (gelombang tsunami), ataupun gelombang yang disebabkan oleh gerakan kapal. Gelombang/ombak merupakan pergerakan naik turunnya air dengan arah tegak lurus permukaan air laut yang membentuk kurva/grafik sinusoidal. Angin di atas lautan memindahkan tenaganya ke permukaan perairan,menyebabkan riak-riak, alunan atau bukit dan merubah menjadi apa yang kita sebut sebagai gelombang atau ombak (Utami, 2010). Ada dua tipe gelombang bila dipandang dari sisi sifat-sifatnya yaitu gelombang pembangun atau gelombang pantai (constructive wave) dan gelombang yang tidak membentuk pantai (deconstructive wave). Yang termasuk gelombang pembentuk pantai bercirikan mempunyai ketinggian kecil dan cepat rambat gelombangnya rendah. Saat gelombang pecah di pantai, material yang terangkut akan tertinggal di pantai (deposit) yaitu ketika aliran balik dari gelombang pecah meresap ke dalam pasir atau pelan-pelan sedimen akan mengalir kembali ke laut. Sedangkan gelombang yang sifatnya tidak membentuk pantai biasanya mempunyai ketinggian dan kecepatan rambat yang besar (atau bisa sama tinggi). Air yang kembali berputar mempunyai lebih sedikit waktu untuk meresap ke dalam pasir. Ketika gelombang datang kembali menghantam pantai akan ada banyak volume air yang terkumpul dan mengangkut material pantai menuju ke tengah laut atau ke tempat lain Interaksi Antar Gelombang Dalam usaha menjelaskan proses tumbuhnya gelombang laut, banyak teori yang dikemukakan para ahli tetapi hanya ada dua teori yang saling melengkapi

2 dan dapat menjelaskan pertumbuhan gelombang di lautan. Adapun beberapa teori yang dimaksud : a. Teori yang pertama dikemukakan oleh Phillips (1957), yang menyatakan bahwa turbulensi dalam angin menyebabkan fluktuasi acak permukaan laut yang menghasilkan gelombang-gelombang kecilkecil (riak) dengan panjang gelombang beberapa sentimeter. Gelombang-gelombang kecil-kecil ini kemudian tumbuh secara linear melalui proses resonansi dengan fluktuasi tekanan turbulensi. b. Teori yang kedua dikemukakan oleh Miles (1957) dan yang lebih dikenal sebagai Teori Ketidakstabilan atau Mekanisme Arus Balik (feed-back mechanism) menyatakan bahwa ketika ukuran gelombanggelombang kecil yang sedang tumbuh mulai mengganggu aliran udara di atasnya, angin yang bertiup memberikan tekanan yang semakin kuat seiring dengan meningkatnya ukuran gelombang, sehingga gelombang tumbuh menjadi besar. Proses pemindahan energi ini berlangsung secara tak stabil, semakin besar ukuran gelombang semakin cepat kecepatan gelombang. Ketidakstabilan menyebabkan gelombang tumbuh secara eksponensial. c. Kemudian teori yang terakhir yang dikemukakan oleh Hasselmann (1961 ; 1963) dan Hasselmann, et al., dinamakan Teori Interaksi Tak Linear. Seiring dengan proses pertumbuhannya, gelombanggelombang yang sedang tumbuh yang beragam energi dan frekuensinya saling berinteraksi untuk menghasilkan gelombang yang lebih panjang. Interaksi yang terjadi melibatkan proses pemindahan energi secara tak linear dari gelombang yang berfrekuensi tinggi ke frekuensi lebih rendah. Proses transfer energi ini menyebabkan gelombang-gelombang periode panjang mempunyai energi yang lebih tinggi. Jika periode gelombang cukup panjang, cepat rambat gelombang dapat melebihi kecepatan angin pembentuknya, sehingga gelombang dapat keluar dari daerah pertumbuhannya.

3 Gambar 2.1. Ilustrasi pergerakan partikel zat cair pada gelombang (Weisberg dan Parish n.d. dalam Utami, 2010) Terlihat bahwa pelampung bergerak dalam satu lingkaran (orbital) ketika gelombang bergerak naik dan turun. Partikel air berada dalam suatu tempat,bergerak di suatu lingkaran, naik dan turun dengan suatu gerakan kecil dari sisi satu ke sisi semula. Gerakan ini memberi gambaran suatu bentuk gelombang. Pelampung yang mengapung di air pindah ke pola yang sama, naik turun di suatu lingkaran yang lambat, yang dibawa oleh pergerakan air (Utami, 2010). Di bawah permukaan, gerakan putaran gelombang semakin mengecil. Pergerakan orbital yang mengecil seiring dengan kedalaman air, sehingga kemudian di dasarnya hanya akan meninggalkan suatu gerakan kecil mendatar dari sisi ke sisi yang disebut surge (Utami, 2010). 2.2 Teknik Konversi Energi Gelombang Menjadi Energi Listrik Ada tiga cara membangkitkan listrik dengan tenaga ombak: a. Energi Gelombang Laut Energi kinetik yang terkandung pada gelombang laut digunakan untuk mengerakkan turbin (Gambar 2.2). Ombak naik ke dalam ruangan generator,lalu air yang naik menekan udara keluar dari ruang generator (Gambar 2.6) dan menyebabkan turbin berputar ketika air turun,udara bertiup dari luar ke dalam ruang generator dan memutar turbin kembali (Utami, 2010).

4 Gambar 2.2. Energi kinetik yang terdapat pada gelombang laut digunakan untuk menggerakkan turbin (Leāo, 2005 dalam Utami, 2010) b. Pasang Surut Air Laut Pasang surut adalah naik turunnya posisi permukaan perairan atau samudera yang disebabkan oleh pengaruh gaya gravitasi bulan dan matahari. Pasang laut menyebabkan perubahan kedalaman perairan dan mengakibatkan pusaran yang dikenal sebagai arus pasang, sehingga kejadian sangat dibutuhkan dalam navigasi pantai. Wilayah pantai yang terkena sewaktu air pasang naik dan terpapar sewaktu pasang surut dinamakan mintakat pasangs (Wikipedia). Bentuk lain dari pemanfaatan energi laut dinamakan energi pasang surut. Ketika pasang datang ke pantai, air pasang ditampung di dalam reservoir. Kemudian ketika air surut, air dibelakang reservoir dapat dialirkan seperti pada PLTA biasa. Agar bekerja optimal, kita membutuhkan gelombang pasang yang besar, dibutuhkan perbedaan kira-kira 16 kaki antara gelombang pasang dan gelombang surut. Hanya ada beberapa tempat yang memiliki kriteria tersebut. Beberapa pembangkit listrik telah beroperasi menggunakan sistem ini. Sebuah pembangkit listrik di Prancis sudah beroperasi dan mencukupi kebutuhan listrik untuk rumah (Utami, 2010). c. Pemanfaatan Perbedaan Temperatur Air Laut (Ocean Thermal Energy) Cara lain untuk membangkitkan listrik dengan ombak adalah dengan memanfaatkan perbedaan suhu di laut. Jika kita berenang dan menyelam di laut

5 kita akan merasakan bahwa semakin kita menyelam suhu laut akan semakin rendah (dingin). Suhu yang lebih tinggi pada permukaan laut disebabkan sinar matahari memanasi permukaan laut. Tetapi, di bawah permukaan laut suhunya sangat dingin (Utami, 2010). Pembangkit listrik bisa dibangun dengan memanfaatkan perbedaan suhu untuk menghasilkan energi. Perbedaan suhu yang diperlukan sekurang-kurangnya 38 o Fahrenheit antara suhu permukaan dan suhu bawah laut untuk keperluan ini. Cara ini dinamakan Ocean Thermal Energy Conversion atau OTEC. Cara ini telah digunakan di Jepang dan Hawaii dalam beberapa proyek percobaan (Utami, 2010). Adapun mekanisme dasar pada pergerakan gelombang laut akan dijelaskan sebagai berikut : d. Pergerakan Gelombang Paramater paramater yang digunakan dalam menghitung gelombang dua dimensi yang memiliki permukaan bebas dan bergantung pada gravitasi adalah: λ = Panjang Gelombang (m) ɑ = Amplitudo (m) T = Periode Gelombang (s) F = frekuensi (s -1 ) 2.3 Sistem Oscillating Water Column Sistem ini (Gambar 2.3) membangkitkan listrik dari naik turunnya air laut akibat gelombang laut yang masuk ke dalam sebuah kolom osilasi yang berlubang. Naik turunnya air laut ini akan mengakibatkan keluar masuknya udara di lubang bagian atas kolom dan tekanan yang dihasilkan dari naik turunnya air laut dalam kolom tersebut akan menggerakan turbin (Utami, 2010).

6 Gambar 2.3. Sistem Oscillating Water Column Tenaga mekanik yang dihasilkan dari sistem-sistem tersebut ada yang akan mengaktifkan generator (Gambar 2.6) secara langsung atau mentransfernya ke dalam fluida udara, yang selanjutnya akan menggerakan turbin atau generator (Utami, 2010). Sistem Oscillating Water Column (OWC) merupakan sistem dengan konstruksi yang terdiri dari dua komponen utama, yaitu Ruang Udara (Air Chamber) dan Turbin Udara Generator (Air Turbine Generator). Kesemuanya ini direncanakan untuk membangkitkan energi listrik melalui turbin generator yang dapat berputar karena tekanan udara yang disebabkan oleh gerakan naik turunnya gelombang didalam ruang udara tetap (Utami, 2010). Gerakan naik turunnya air pada kolom osilasi diasumsikan sebagai piston hidraulik. Piston ini selanjutnya menekan udara yang berfungsi sebagai fluida udara. Udara yang bertekanan tersebut akan menggerakan turbin udara yang selanjutnya menggerakan generator listrik (Utami, 2010). Proses pengubahan dari energi gerak gelombang kepada energi potensial tekanan udara berlangsung secara isothermis. Pendekatan ini dipilih karena dalam proses kompresi ini dianggap tidak terjadi peningkatan temperatur yang berarti. Besarnya kompresi tergantung kepada panjang langkah piston, sedangkan panjang langkah piston dipengaruhi oleh tinggi gelombang (H) dan efisiensi absorsi gelombang pada kolom osilasi (Utami, 2010).

7 2.4 Perhitungan Energi Gelombang Laut Sistem OWC Energi gelombang yang dapat dibangkitkan oleh pembangkit listrik tenaga gelombang laut sistem OWC dan Pelamis ini dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.1) s/d (2.7) berikut : E p = 1 4 ρρaa2 λλλλ gg gg cc...(2.1) E k = 1 4 ρρaa2 λλλλ gg gg cc...(2.2) Maka energi total satu periode (E w ) adalah E w = E p + E k...(2.3) E w = 1 4 ρρaa2 λλλλ gg + 1 gg cc 4 ρρaa2 λλll gg...(2.4) gg cc E w = 1 2 ρρaa2...(2.5) Dengan kerapatan energi per m 2 : E w = 1 2 ρρaa2 gg gg cc...(2.6) Daya yang dapat dibangkitkan : P = EE ww TT...(2.7) di mana : E w = Energi Total Satu Periode (J) E p = Energi Potensial (J) E k = Energi Kinetik (J) ρ = Massa Jenis Air (kg/m 3 ) ɑ = Amplitudo (m) T = Periode Gelombang (s) λ = Panjang Gelombang (m) L = Perubahan Lebar Gelombang Dua Dimensi, tegak lurus dengan arah rambat gelombang x, dengan satuan (m) g = Percepatan Gravitasi (m/s 2 ) g c = Faktor Konversi 1.0 kg.m/(n.s 2 )

8 2.5 Penentuan Lokasi Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem Oscillating Water Column (OWC) a. Tinggi Gelombang Laut Tinggi gelombang yang dapat dimanfaatkan untuk PLTGL sistem oscillating water column ini adalah gelombang yang selalu terbentuk sepanjang tahun dengan tinggi minimal satu sampai dua meter. Gelombang yang sesuai dengan kriteria tinggi tersebut adalah gelombang Swell dimana mengandung energi yang besar. b. Arah Datang Gelombang Mulut konektor harus sesuai dengan arah datang gelombang, jika tidak searah maka energi gelombang yang masuk akan berkurang sebab banyak yang hilang akibat sifat refleksi, difraksi maupun refraksi pada gelombang. c. Syarat Gelombang Baik Gelombang baik adalah gelombang yang tidak pecah akibat pendangkalan. Pada saat gelombang terpecah ada energi yang terbuang dimana masa air akan mengandung gelembung udara sehingga mempengaruhi besar kerapatan massa. d. Keadaan Topografi Lautan Optimasi terhadap desain akhir PLTGL sistem owc dan pelamis tergantung topografi kelautan atau barimetri disekitar lokasi. Apabila kondisi dasar lautan atau permukaannya kurang memenuhi persyaratan maka dapat dilakukan pengerukan atau penambalansebuah roda turbin mungkin terdapat satu baris sudu gerak saja yang disebut turbin bertingkat tunggal, dan jika terdapat beberapa baris sudu gerak disebut turbin bertingkat ganda. 2.6 Komponen-komponen Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut a. Turbin Turbin adalah mesin penggerak awal, yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Dimana energi fluida kerjanya dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin. Pada turbin hanya terdapat gerak rotasi. Bagian turbin yang berputar dinamakan stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak dalam

9 rumah turbin dan roda turbin memutar poros daya yang menggerakkan atau memutar beban seperti generator listrik. Gambar 2.4 Turbin (Wells Turbine) (Murdani, 2008) b. Turbin Angin Prinsip dasar kerja dari turbin udara (Gambar 2.5) adalah mengubah energi mekanis dari tekanan udara menjadi energi putar pada turbin, lalu putaran turbin digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya sebesar 50% - 70%. Sistem ini terdiri dari sebuah ruangan yang dibangun di tepi pantai. Gerakan laut atau gelombang laut mendorong kantong udara sebuah pemecah gelombang ke atas dan ke bawah. Kemudian udara akan melewati turbin udara. Selanjutnya, ketika gelombang kembali ke laut, udara tadi akan beredar melalui turbin pada arah yang sebaliknya.

10 Gambar 2.5 Skema Turbin Angin (Murdani, 2008) c. Generator Generator (Gambar 2.6) adalah suatu alat yang dipergunakan untuk mengkonversi energi mekanis dari prime mover menjadi energi listrik. Generator yang umum dipergunakan dalam sistem pembangkit adalah generator asinkron. Secara garis besar generator terbagi atas stator dan rotor. Gambar 2.6 Generator (Rodrigues Leao, 2005)

11 d. Stator Stator adalah bagian dari generator (Gambar 2.6) yang tidak bergerak. Stator memiliki kumparan dan inti. Biasanya inti stator terbuat dari lembaranlembaran besi yang dilaminasi, kemudian diikat satu sama lain membentuk stator. Laminasi dimaksudkan agar rugi akibat arus Eddy kecil. Pada stator terdapat kumparan jangkar. e. Rotor Rotor adalah bagian dari generator (Gambar 2.6) yang bergerak atau berputar. Ada dua jenis rotor pada generator asinkron yaitu : Rotor Dengan Kutub Menonjol (salient pole) Biasa dipakai pada mesin-mesin dengan putaran rendah atau menengah. Kutub rotornya terbuat dari besi berlaminasi untuk mengurangi arus Eddy. Untuk mesin yang besar, kumparan rotor seringkali dibuat dari kawat persegi. Rotor Dengan Kutub Silinder Biasa dipakai pada mesin dengan kecepatan tinggi. Untuk putaran rendah biasanya rotor bulat ini diameternya kecil dan panjang. Kumparan rotor diatur sedemikian rupa sehingga terdapat fluks maksimum pada suatu posisi tertentu. Rotor dengan bentuk ini biasanya lebih seimbang dengan noise yang rendah.pada rotor terdapat kumparan medan. Arus searah untuk menghasilkan fluks pada kumparan medan dialirkan ke rotor melalui cincin geser. 2.7 Sistem Pelamis Sistem pelamis (Gambar 2.7) dikembangkan oleh ocean power delivery, pada sistem ini terdapat tabung-tabung yang sekilas terlihat seperti ular yang mengambang di permukaan laut sebagai penghasil listrik.setiap tabung memiliki panjang sekitar 122 meter dan terbagi menjadi empat segmen. Setiap ombak yang melalui alat ini akan menyebabkan tabung silinder tersebut bergerak secara vertikal maupun lateral. Gerakan yang ditimbulkan akan mendorong piston diantara tiap sambungan segmen yang selanjutnya memompa cairan hidraulik bertekanan melalui sebuah motor untuk menggerakkan generator listrik. Supaya tidak ikut terbawa arus, setiap tabung ditahan di dasar laut menggunakan jangkar khusus. Prinsipnya menggunakan gerakan naik turun dari

12 ombak untuk menggerakkan piston yang bergerak naik turun pula di dalam sebuah silinder. Gambar 2.7 Pelamis Wave Energy Converters dari Ocean Power Delivery. Proyek komersial pertama dengan kapasitas 2,25 MW telah dibangun di tengah laut 4,8 km dari tepi pantai Portugal Alat ini terdiri dari beberapa bagian berbentuk silinder yang disambung. Bagian-bagiannya, yang sebagian di bawah air digerakkan oleh gelombang. Karena setiap bagian bergerak, mereka memompa minyak melalui motor yang menghasilkan gerakan pada generator. Generator (Gambar 2.6) pada gilirannya menghasilkan listrik. Meskipun perangkat Pelamis beroperasi pada efisiensi 15% saja, 30 bagian pelamis dapat mensuplai listrik untuk sebanyak rumah. Gambar Bagian Internal Pelamis Penjelasan mengenai bagian bagian dari Pelamis adalah sebagai berikut:

13 a. Power Module Ada empat power module, satu untuk tiap sendi. Power module ini bagian yang seperti tubuh ularnya dan berupa tabung-tabung warna oranye. Di tabungtabung tersebut terdapat pembangkit listrik dan komponen pengkonversi energi. Gambar Power Module Pelamis b. Universal Joints Universal Joint (Gambar 2.7.3) adalah bagian yang memungkinkan si ular laut melenggok-lenggok, seperti sendi dalam tubuh manusia. Setiap sendi memiliki dua derajat kebebasan dengan 4 silinder hidrolis. Gambar Universal Joints

14 c. Machine Connection and Anchoring System Pembangkit ini memiliki jangkar untuk menahan diri agar tidak terbawa arus laut. Pada bagian ini juga terdapat sistem elektrik yang bertujuan untuk mendistribusikan listrik hasil konversi. Seperti dalam gambar di bawah, bagian ini juga berguna untuk mendistribusi listrik menggunakan kabel bawah laut untuk selanjutnya didistribusikan ke rumah penduduk. Gambar Machine Connection dan Anchoring System 2.8 Perhitungan Gelombang Laut Panjang dan Kecepatan Gelombang Laut Periode datangnya gelombang dapat dihitung menggunakan persamaan yang disarankan oleh Nielsen (1986) dalam Utami (2010) sebagai berikut: T = 3,55 * HH...(2.1) dimana : T = periode gelombang (s) H = tinggi gelombang (m)

15 Dengan mengetahui perkiraan periode datangnya gelombang tersebut,selanjutnya kita dapat menghitung panjang dan kecepatan gelombang dengan persamaan menurut Ross (1980) dalam Utami (2010) sebagai berikut: λλ = 5,12 TT 2...(2.2) dimana : λλ = panjang gelombang (m) T = periode gelombang (s) persamaan: Maka, kecepatan gelombang yang datang dapat dihitung menggunakan V = λλ TT...(2.3) dimana : v = kecepatan gelombang (m/s) λλ = panjang gelombang (m) T = periode gelombang (s) 2.9. Perhitungan Daya Listrik Energi Listrik Metode OWC Untuk menghitung energi listrik kita menggunakan rumus: E w = 1 4 w ρ g a2 λ...(2.4) Kemudian,untuk menghitung daya listrik menggunakan rumus: P w = η E w T...(2.5) P w = η 1 4 w ρ g a2 λ T

16 dimana : E w w = Energi gelombang (J) = Lebar chamber (m) ρ = Kerapatan air (kg/m 3 ) a = Amplitudo (m) P w = Daya listrik (W) η = Efisiensi (%) Energi Listrik Metode Pelamis Untuk menghitung energi listrik menggunakan rumus : E = 1 8 ρ g H2...(2.7) Untuk menghitung daya listrik menggunakan rumus : P = ρ g2 64 π H2 T...(2.6) dimana : P = Daya listrik per satuan panjang (W/m) ρ = Kerapatan air (kg/m 3 ) g = Percepatan gravitasi bumi (m/s 2 ) T = Periode gelombang (s) H = Tinggi gelombang (m) 2.10 Sistem Kanal (Tapered Channel) Sistem Kanal atau Tapered Channel ini adalah sistem dimana gelombang air laut masuk ke dalam bak penampung dengan ketinggian yang disesuaikan yang melewati pintu meruncing dengan elevasi tertentu, kemudian air laut yang telah ditampung dapat menggerakan turbin sehingga menghasilkan energi serta daya listrik yang diperlukan. Sistem ini pertama kali dibuat di Toftestallen, Norwegia (Gambar ) pada tahun 1985, tetapi rusak akibat bencana badai

17 pada tahun Seiring perkembangan teknologi, sistem Kanal ini lebih cocok digunakan di perairan Indonesia terutama Pantai Pulau Sumatera dan analisa perhitungan energi dan daya listriknya sama dengan sistem Kolom Osilasi Air yang bersifat on-shore. Tetapi karena efisiensi tidak diketahui akibat pembangkit yang rusak, maka hasil yang didapat tidak seperti dua sistem sebelumnya. Berikut adalah beberapa gambar untuk dimensi sistem Kanal (Gambar 2.10) : Gambar 2.10 Model Dimensi Sistem Kanal Sistem Kanal memiliki prinsip kerja seperti pembangkit listrik tenaga air pada umumnya. Mempunyai tinggi dan elevasi pada dimensinya serta menampung air yang masuk ke dalam bak penampung tertutup sehingga dapat menggerakan generator atau turbin untuk menghasilkan energi dan daya listrik. Sistem ini sekarang banyak digunakan juga sebagai penahan gelombang,karena gelombang yang datang disimpan didalam bak penampung.

18 Gambar Pembangkit Listrik Sistem Kanal di Toftestallen, Norwegia