analisis gerakan bandul akibat gerakan ponton … teknik pomits vol. 2, no. 1, (2013) issn:...
TRANSCRIPT
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
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 2012. 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.
Gambar 2. Desain PLTGL-SB sederhana tampak 3D
Analisis Gerakan Bandul akibat Gerakan Ponton pada
Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem
Bandulan
Sony Junianto1)
, Rudi Walujo P.2)
, dan Wisnu Wardhana3)
1)2)3)
Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
(ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Z
y
x
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 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 0.05 – 0.5, 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 = 23.41 m, kW = 0.27 rad/m , dan ω = 1.59
rad/s. Frekuensi natural struktur ponton sendiri adalah 0.009
Hz.
C. Perumusan Model Analitik
Kombinasi getaran ponton dimodelkan dengan massa
terkumpul di pusat massa ponton sebesar m1 (termasuk adanya
massa tambah volume tercelup), yang mana di atasnya
dipasang bandul dengan massa m2 dan lengan berupa rigid
truss dengan panjang awal L1. 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 (L2).
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) 0.185 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) 0.136 derajat dan frekuensi respon
0.17 Hz (gambar 7). Jika ditinjau kesesuaian dengan periode
gelombangn T=6 detik, maka gerak oleng ponton sudah
sesuai.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
3
m1 B
α
l2
T
WL
WL1
B’
m2
M
l1 θ
G
Gambar 3. Model Analitik Ponton dan Bandul Tampak Samping
Gambar 4. Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T)
empat detik
Gambar 5. Frekuensi Gerak Pitch Ponton pada Periode
Gelombang (T) Empat Detik
Gambar 6. Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T)
enam detik
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) 0.191 derajat dan frekuensi
respon 0.41 Hz (gambar 9). Jika ditinjau kesesuaian dengan
periode gelombangn T=8 detik, maka gerak oleng ponton
sudah sesuai.
Gambar 8. Gerak Pitch Ponton pada Periode Gelombang (T)
Delapan detik
Gambar 9. Frekuensi Gerak Pitch Ponton pada Periode
Gelombang (T) Delapan Detik
t(s)
Freq (Hz)
Spectrum ampl (m)
t(s)
Sudut Gerak Pitch (rad)
Freq (Hz)
Spectrum ampl (m)
t(s)
Sudut Gerak Pitch (rad)
Spectrum ampl (m)
Freq (Hz)
x
z
Sb.x = 0.25 Hz Sb.y = 0.19 m
Sb.x = 0.48 Hz Sb.y = 0.08 m
Sb.x = 0.17 Hz
Sb.y = 0.15 m
Sb.x = 0.33 Hz Sb.y = 0.58 m Sb.x = 0.48 Hz
Sb.y = 0.45 m
Sb.x = 0.41 Hz
Sb.y = 0.16 m
Sb.x = 0.18 Hz Sb.y = 0.1 m
Sb.x = 0.13 Hz
Sb.y = 0.05 m
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 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 0.067 rad.
Gambar 10 Sudut Gerak Bandul dengan L=0.25 LP
Gambar 11 Sudut Gerak Bandul dengan L=0.5 LP
Gambar 12 Sudut Gerak Bandul dengan L=0.75 LP
Gambar 13 Frekuensi Gerak Bandul pada Variasi Panjang
Lengan
Gambar 14 Kecepatan Gerak Bandul dengan L= 0.25 LP
Gambar 15 Kecepatan Gerak Bandul dengan L= 0.5 LP
Gambar 16 Kecepatan Gerak Bandul dengan L=0.75 LP
Gambar 17 Frekuensi Kecepatan 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.
Sudut Gerak Bandul (rad)
t(s)
Sudut Gerak Bandul (rad)
t(s)
Sudut Gerak Bandul (rad)
t(s)
Kecepatan sudut (rad/s)
t(s)
Kecepatan sudut (rad/s)
t(s)
Kecepatan sudut (rad/s)
t(s)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
5
Gambar 18 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.15 HP
Gambar 19 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.25 HP
Gambar 20 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.35 HP
Gambar 21 Frekuensi Gerak Bandul pada Variasi Tinggi
Tiang Penyangga
Gambar 22 Kecepatan Gerak Bandul dengan T=1.15 HP
Gambar 23 Kecepatan Gerak Bandul dengan T=1.25 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 (m1) terhadap
motion bandul akibat ponton disini diberikan tiga variasi
massa bandul yang merupakan rasio terhadap massa ponton
(m2), yaitu m1 = 0.09%m2, m1 = 0.18%m2, m1 = 0.27%m2.
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%m2, sehingga variasi untuk
m1 = 0.27%m2 tidak berlaku. Berikutnya, Gambar 28
menunjukkan kecepatan gerak bandul. Nilai r.m.s sudut
simpang bandul dengan massa m1= 0.09m%2 adalah 0.213 rad.
Gambar 25 Sudut Gerak Bandul dengan m1=0.09% m2
Gambar 26 Sudut Gerak Bandul dengan m1=0.18% m2
t(s)
t(s)
t(s)
Sudut Gerak Bandul (rad)
Kecepatan sudut (rad/s)
t(s)
Kecepatan sudut (rad/s)
t(s)
Sudut Gerak Bandul (rad)
t(s)
Sudut Gerak Bandul (rad)
t(s)
Sudut Gerak Bandul (rad)
Sudut Gerak Bandul (rad)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
6
Gambar 27 Frekuensi Gerak Bandul pada Variasi Massa
Bandul
Gambar 28 Kecepatan Gerak Bandul dengan m1= 0.09% m2
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
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.
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. 2005. Recommended Practice for
Design and Analysis of Station Keeping Systems for
Floating Structures. Washington, DC.
Bhattacharyya, R. 1978. Dynamics of Marine Vehicles. John
Wiley & Sons.
Dean and Dalrymple. 1984. Water Waves and Mechanics for
Engineers and Scientists. Prentice-Hall. Inc.. Englewood
Cliffs.
Prastianto, Mukhtasor. 2012. Perencanaan Ponton dan Uji
Laboratorium untuk Pengembangan Teknologi
Pembangkit Listrik Tenaga Gelombang Laut Sistem
Bandulan. LPPM ITS. Surabaya.
The Kyoto Protocol. 2005. The United Nation Frame Work On
Climate Change. Japan.
Kecepatan sudut (rad/s)
t(s)
Freq (Hz)
Wave ampl (m)