analisis gerakan bandul akibat gerakan ponton … teknik pomits vol. 2, no. 1, (2013) issn:...

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


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.


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


enam detik


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.


Delapan detik


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


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 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)


t(s)


t(s)

Kecepatan sudut (rad/s)

t(s)


t(s)


t(s)


5

Gambar 18 Sudut Gerak Bandul dengan T=1.15 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)



t(s)


t(s)


t(s)


t(s)




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.


t(s)

Freq (Hz)

Wave ampl (m)

analisis gerakan bandul akibat gerakan ponton … teknik pomits vol. 2, no. 1, (2013) issn:...

Documents