Analisis Gerakan Bandul akibat Gerakan Ponton pada Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem Bandulan

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 1 Analisis Gerakan Bandul akibat Gerakan Ponton pada Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem Bandulan Sony Junianto 1), Rudi Walujo P. 2), dan Wisnu Wardhana 3) 1)2)3) Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya rudiwp@oe.its.ac.id Abstrak Pendayagunaan energi gelombang air laut pertama kali dilakukan oleh Bapak Zamrisyaf SY dari Badan Penelitian dan Pengembangan Ketenagalistrikan PT Perusahaan Listrik Negara (persero). Konsep rancangannya diberi nama PLTGL-SB atau Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem Bandulan. Pengembangan pembangkit listrik tenaga gelombang laut ini memerlukan proses akselerasi sehingga diperlukan proses scale-up melalui peningkatan kapasitas daya PLTGL-SB menjadi 20 KW (kilowatt). Dengan memberikan desain ponton yang sederhana dapat mengakomodir penilitian ini. Sistem dibatasi hanya pada gerak pitching. Dengan menggunakan persamaan Lagrange maka didapat dua persamaan gerak yang digunakan dalam penelitian ini. Terdapat tiga variasi untuk menentukan kontinuitas gerak bandul. Variasi tersebut adalah variasi periode gelombang, variasi panjang lengan bandul, dan variasi tinggi tiang penyangga bandul. Massa bandul yang digunakan tidak melebihi dari 48, 1 kg, karena hal ini membuktikan gerakan bandul yang hampir tidak ada. Semakin besar periode gelombang yang mempengaruhi gerakan ponton, juga membuat semakin besar sudut simpang bandul yang terjadi. Oleh karena itu, direkomendasikan sistem dikondisikan dengan periode delapan detik, panjang lengan bandul 0.25 dari panjang ponton, massa bandul 0.09% massa ponton dan tiang tinggi penyangga bandul sebesar 1.15 dari tinggi ponton. Kata Kunci Ponton, Gelombang Laut, Pembangkit listrik, Bandul I. PENDAHULUAN Setiap gerakan air laut akan menggoyangkan bandul sehingga menggerakkan double-freewheel untuk memutar generator dan menghasilkan listrik. Pada PLTGL-SB ini, turbin maupun bandul yang terpasang pada ponton (sebagai wadah pengapung pembangkit) tidak terkena air laut. Sehingga dari segi ketahanan, alat ini akan lebih terjamin. Penelitian yang melibatkan kerjasama antara ITS, lembaga litbang serta industri secara berkelanjutan dilakukan hingga menghasilkan desain bandul dan ponton yang optimal (berbentuk persegi delapan) untuk kapasitas terpasang 3500 Watt (Prastianto, 2012). Pengembangan pembangkit listrik tenaga gelombang laut ini memerlukan proses akselerasi sehingga diperlukan proses scale-up melalui peningkatan kapasitas daya PLTGL- SB menjadi 20 KW (kilowatt) yang sebelumnya telah diinisiasi oleh Rudi Walujo P., dkk pada tahun Pada penelitian tersebut diujicobakan satu tipe model dengan satu tipe konfigurasi rangkaian saja, sehingga belum terlihat kemungkinan-kemungkinan lain dari desain dan konfigurasi yang bervariasi. Sehingga penelitian ini diharapkan dapat menghasilkan desain yang optimal dan dapat mengakomodir kekurangan dari penelitian sebelumnya serta menjadi teknologi alternatif untuk sumber energi yang renewable dan ramah lingkungan. a. Tampak atas b. Tampak samping Gambar 1. Desain PLTGL-SB 3500 Watt (Prastianto dkk, 2012) Bentuk ponton seperti gambar 1. masih belum dilakukan uji efektifitas gerakan bandul. Oleh karena itu, dibutuhkan penelitian lebih lanjut terkait pengaruh gerakan ponton terhadap gerakan bandul. Untuk melakukan kegiatan tersebut, dalam penelitian ini dilakuakn dari obyek yang sederhana, yaitu dengan menggunakan ponton berbentuk balok. Z y x Gambar 2. Desain PLTGL-SB sederhana tampak 3D

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 2 II. URAIAN PENELITIAN A. Penentuan Desain Struktur Ponton dan Bandul Untuk mencapai tujuan, beberapa metode akan diwujudkan dalam penelitian ini sebagaimana diuraikan dalam sub bab metode penelitian. Tahapan pertama yang akan dilakukan adalah studi literatur terkait model analitik dan matematik yang akan dibuat beserta analisis hidrodinamisnya. Struktur ponton ditentukan berbentuk balok dengan dimensi panjang (LP) 3.5 meter, lebar (BP) tiga meter, dan tinggi (HP) dua meter. Pada penelitian ini, data sekunder diperoleh dari berbagai hasil penelitian dan publikasi mengenai energi listrik alternatif yang dibangkitkan melalui pemanfaatan gelombang laut. Setelah data di atas didapatkan, maka dilakukan pemodelan analitik dan matematik ponton dan sistem bandul. Parameter yang akan dianalisis kemudian adalah amplitudo dan frekuensi motions pontoon serta gerak bandul yang dihasilkan. Berikutnya, variabel massa dan panjang lengan bandul, serta periode gelombang dapat divariasikan untuk dianalisis pengaruhnya terhadap efektifitas gerakan ponton dan bandul dalam kondisi sarat air tetap yaitu 1.5 meter. B. Penentuan Kondisi Gelombang Reguler Parameter kondisi lingkungan disesuaikan dengan asumsi bahwa struktur ini nantinya akan diletakkan di daerah perairan dengan rasio kedalaman perairan (d) per panjang gelombang (λ) berkisar antara , atau disebut juga daerah antara (Dean and Dalrymple, 1984). Parameter gelombang yang ditentukan di awal adalah kedalaman perairan (d) yaitu tujuh meter, tinggi gelombang (H) yaitu 1.5 meter, dan periode gelombang (T) yaitu empat detik. Variasi periode gelombang ini nantinya akan mempengaruhi panjang gelombang (λ), wave number (kw), dan circular wave frequency (ω). Hubungan antara parameter parameter tersebut dinyatakan dalam persamaan hidrodinamika sehingga didapatkan nilai λ = m, kw = 0.27 rad/m, dan ω = 1.59 rad/s. Frekuensi natural struktur ponton sendiri adalah Hz. C. Perumusan Model Analitik Kombinasi getaran ponton dimodelkan dengan massa terkumpul di pusat massa ponton sebesar m 1 (termasuk adanya massa tambah volume tercelup), yang mana di atasnya dipasang bandul dengan massa m 2 dan lengan berupa rigid truss dengan panjang awal L 1. Ponton diberikan kondisi batas hanya bisa berputar pada sumbu y, tepatnya segaris dengan titik beratnya (G) dimana titik G dinaikkan segaris dengan garis airnya. Hal ini untuk mendapatkan kondisi oleng yang optimal. Syarat yang dilakukan adalah menipiskan bagian bawah ponton dan mempertebal bagian atas ponton dengan kadar massa yang sama. Selain itu, sistem ini juga dipengaruhi oleh panjang tiang penggantung bandul, sepanjang (L 2 ). Gerakan rotasi tersebut kemudian memberikan sudut oleng sebesar θ dan perpindahan titik berat bagian yang tercelup ke B'. Dengan membagi momen kedua bidang permukaan air yang mengalami oleng terhadap volume bagian yang tercelup maka akan didapat tinggi atau jarak antara titik metacenter M dan B. Titik M berada diantara titik B dan G, sehingga menyebabkan kondisi ponton oleng labil, sehingga menghasilkan gerakan yang optimal untuk pembangkit listrik. Gerakan oleng itu sendiri akan menyebabkan gerakan pada bandul dengan sudut pindah α. θ dan α positif berlawanan arah putaran jarum jam. θ=α=0 pada saat waktu t = 0. Model analitik tersebut ditunjukkan pada gambar 3. dengan asumsi panjang lengan sama dengan 1.25 panjang ponton. D. Perumusan Model Matematis Model matematik ponton dan bandul merupakan persamaan gerak yang diturunkan dengan menggunakan metode Lagrange kemudian ditransformasikan dengan transformasi Laplace. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Persamaan Gerak Sistem Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, persamaan gerak sistem adalah model matematik yang diturunkan berdasarkan metode Lagrange. Generalized coordinate yang sekaligus menyatakan derajat kebebasan untuk sistem ini ada dua, yaitu θ (sudut oleng ponton) dan α (sudut simpang bandul akibat gerak ponton). Dengan menggunakan persamaan Lagrange dan transformasi Laplace, maka didapat persamaan gerak sebagai berikut: B. Analisis Hasil Numerik Gerak Ponton Pada hasil perhitungan numerik awal, ponton ditempatkan pada gelombang regular dengan arah pembebanan dari samping dan parameter sebagaimana telah disebutkan sebelumnya. Frekuensi gelombang yang dibuat bervariasi dimaksudkan untuk menunjukkan model matematik serta mengetahui karakter gerakan ponton pada frekuensi yang divariasi. Simulasi gerakan ponton dan bandul dilakukan dalam time domain. Analisa yang disajikan adalah sudut displacement ponton. Gambar 4. menunjukkan bahwa gerakan oleng ponton terjadi pada rentang sudut 12 derajat. Osilasi yang terjadi memiliki posisi konstan pada detik ke-276 dengan akar purata kuadrat (root mean square) derajat dan frekuensi respon 0.25 Hz (gambar 5). Jika ditinjau kesesuaian dengan periode gelombangn T=4 detik, maka gerak oleng ponton sudah sesuai. Gambar 6. menunjukkan bahwa gerakan oleng ponton terjadi pada rentang sudut 14 derajat. Osilasi yang terjadi memiliki posisi konstan pada detik ke-236 dengan akar purata kuadrat (root mean square) derajat dan frekuensi respon 0.17 Hz (gambar 7). Jika ditinjau kesesuaian dengan periode gelombangn T=6 detik, maka gerak oleng ponton sudah sesuai.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 3 α T l 2 m 2 θ l 1 G WL z B M B m 1 WL 1 x Gambar 3. Model Analitik Ponton dan Bandul Tampak Samping Sb.x = 0.17 Hz Sb.y = 0.15 m Spectrum ampl (m) Sb.x = 0.33 Hz Sb.y = 0.58 m Sb.x = 0.48 Hz Sb.y = 0.45 m Gambar 4. Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T) empat detik Spectrum ampl (m) Sb.x = 0.25 Hz Sb.y = 0.19 m Sb.x = 0.48 Hz Sb.y = 0.08 m Gambar 7. Frekuensi Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T) Enam Detik Gambar 8. menunjukkan bahwa gerakan oleng ponton terjadi pada rentang sudut 16 derajat. Osilasi yang terjadi memiliki posisi konstan pada detik ke-276 dengan akar purata kuadrat (root mean square) derajat dan frekuensi respon 0.41 Hz (gambar 9). Jika ditinjau kesesuaian dengan periode gelombangn T=8 detik, maka gerak oleng ponton sudah sesuai. Sudut Gerak Pitch (rad) Gambar 5. Frekuensi Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T) Empat Detik Sudut Gerak Pitch (rad) Gambar 8. Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T) Delapan detik Spectrum ampl (m) Sb.x = 0.41 Hz Sb.y = 0.16 m Sb.x = 0.18 Hz Sb.y = 0.1 m Gambar 6. Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T) enam detik Sb.x = 0.13 Hz Sb.y = 0.05 m Gambar 9. Frekuensi Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T) Delapan Detik

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 4 C. Performa Gerakan Bandul Akibat Gerak Ponton dengan Variasi Panjang Lengan Bandul Untuk mengetahui pengaruh panjang lengan bandul (L) terhadap motion bandul akibat ponton disini diberikan tiga variasi panjang lengan bandul yang merupakan rasio terhadap lebar ponton (BP), yaitu L = 0.25LP, L = 0.5LP, L = 0.75LP. Gambar 10. sampai gambar 12 menunjukkan bahwa amplitude sudut gerak bandul terpengaruh oleh penambahan panjang lengan bandul. Berikutnya, Gambar 14, gambar 15 dan gambar 16 mengindikasikan bahwa pengurangan panjang lengan bandul justru memperbesar kecepatan sudut simpang bandul. Nilai r.m.s sudut simpang bandul dengan panjang L = 0.25LP, 0.5LP, 0.75LP, dan L berturut turut adalah 0.217, 0.083, dan rad. Gambar 14 Kecepatan Gerak Bandul dengan L= 0.25 LP Gambar 15 Kecepatan Gerak Bandul dengan L= 0.5 LP Gambar 10 Sudut Gerak Bandul dengan L=0.25 LP Gambar 16 Kecepatan Gerak Bandul dengan L=0.75 LP Gambar 11 Sudut Gerak Bandul dengan L=0.5 LP Gambar 17 Frekuensi Kecepatan Bandul pada Variasi Panjang Lengan Gambar 12 Sudut Gerak Bandul dengan L=0.75 LP Gambar 13 Frekuensi Gerak Bandul pada Variasi Panjang Lengan D. Performa Gerakan Bandul Akibat Gerak Ponton dengan Variasi Tinggi Tiang Penyangga Bandul Untuk mengetahui pengaruh tinggi tiang penyangga bandul (T) terhadap motion bandul akibat ponton disini diberikan tiga variasi tinggi tiang penyangga bandul yang merupakan rasio terhadap tinggi ponton (HP), yaitu T = 1.15HP, T = 1.25HP, T = 1.35HP. Gambar 18. dan gambar 19 menunjukkan bahwa amplitude sudut gerak bandul terpengaruh oleh penambahan tinggi tiang penyangga bandul. Pada gambar 20 menunjukkan sudut simpang bandul yang sangat kecil, sehingga bandul relative diam. Pada kondisi variasi ini, batasan tinggi tiang penyangga bandul adalah 1.35HP. Berikutnya, Gambar 22 dan 23 mengindikasikan bahwa penambahan tinggi tiang bandul justru memperkecil kecepatan sudut simpang bandul. Nilai r.m.s sudut simpang bandul dengan tinggi T = 1.15HP dan T= 1.25HP berturut turut adalah 0.167, dan 0.08 rad.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 5 Gambar 18 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.15 HP Gambar 23 Kecepatan Gerak Bandul dengan T=1.25 HP Gambar 19 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.25 HP Gambar 20 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.35 HP Gambar 24 Frekuensi Kecepatan Bandul pada Variasi Tinggi Tiang Penyangga E. Performa Gerakan Bandul Akibat Gerak Ponton dengan Variasi Massa Bandul Untuk mengetahui pengaruh massa bandul (m 1 ) terhadap motion bandul akibat ponton disini diberikan tiga variasi massa bandul yang merupakan rasio terhadap massa ponton (m 2 ), yaitu m 1 = 0.09%m 2, m 1 = 0.18%m 2, m 1 = 0.27%m 2. Gambar 25. menunjukkan bahwa amplitude sudut gerak bandul terpengaruh oleh penambahan massa bandul. Pada gambar 26 menunjukkan sudut simpang bandul yang sangat kecil, sehingga bandul relative diam. Pada kondisi variasi ini, batasan massa bandul adalah 0.18%m 2, sehingga variasi untuk m 1 = 0.27%m 2 tidak berlaku. Berikutnya, Gambar 28 menunjukkan kecepatan gerak bandul. Nilai r.m.s sudut simpang bandul dengan massa m 1 = 0.09m% 2 adalah rad. Gambar 21 Frekuensi Gerak Bandul pada Variasi Tinggi Tiang Penyangga Gambar 25 Sudut Gerak Bandul dengan m 1 =0.09% m 2 Gambar 22 Kecepatan Gerak Bandul dengan T=1.15 HP Gambar 26 Sudut Gerak Bandul dengan m 1 =0.18% m 2

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 6 yang signifikan. Oleh karena itu, direkomendasikan system dikondisikan dengan panjang lengan bandul 0.25 dari panjang ponton, massa bandul 0.09% massa ponton dan tiang tinggi penyangga bandul sebesar 1.15 dari tinggi ponton. Gambar 27 Frekuensi Gerak Bandul pada Variasi Massa Bandul Gambar 28 Kecepatan Gerak Bandul dengan m 1 = 0.09% m 2 Wave ampl (m) UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh civitas akademika Jurusan Teknik Kelautan, Keluarga Beastudi Etos Surabaya, dan Makaryoo Famz atas semangat yang diberikan kepada penulis dalam mengerjakan penilitian ini. DAFTAR PUSTAKA API RP 2SK 3th edition Recommended Practice for Design and Analysis of Station Keeping Systems for Floating Structures. Washington, DC. Bhattacharyya, R Dynamics of Marine Vehicles. John Wiley & Sons. Dean and Dalrymple Water Waves and Mechanics for Engineers and Scientists. Prentice-Hall. Inc.. Englewood Cliffs. Prastianto, Mukhtasor Perencanaan Ponton dan Uji Laboratorium untuk Pengembangan Teknologi Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem Bandulan. LPPM ITS. Surabaya. The Kyoto Protocol The United Nation Frame Work On Climate Change. Japan. Gambar 29 Frekuensi Kecepatan Bandul dengan Massa Bandul 0.09% Massa Ponton IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Penelitian ini telah memberikan kajian analitik dan numerik gerakan ponton dan bandul vertikal sebagai pembangkit listrik tenaga gelombang laut. Sistem mendapat perlakuan eksternal berupa gelombang regular dengan arah datang tegak lurus panjang ponton dan dalam batasan tertentu sebagaimana telah disampaikan. Model numerik disusun berdasarkan metode Lagrange dan dalam domain waktu (time domain). Kesimpulan utama dari penelitian ini adalah: 1. Variasi periode gelombang memberikan pengaruh yang signifikan terhadap gerakan sistem. Dengan semakin meningkatnya periode gelombang dengan tinggi gelombang sebesar satu meter, sudut oleng ponton semakin besar. Pengaruh perbedaan periode gelombang berikutnya dapat dilihat dari akar kurata kuadrat sudut simpang dan kecepatan gerak bandul. Ketika oleng ponton mulai konstan, hal ini menyebabkan gerak bandul juga konstan. 2. Penambahan panjang lengan bandul, massa bandul serta tinggi tiang penyangga bandul berpengaruh pada amplitude sudut oleng ponton. Variasi ini memberikan pengaruh yang signifikan pada gerak bandul. Pada uji gerak ini, didapat massa bandul tidak boleh melebihi dari 0.18 massa ponton dan tidak boleh melebihi dari 1.35 tinggi ponton untuk mendapatkan gerakan bandul