113
Desain dan Simulasi Konverter Energi Gelombang Laut
sebagai Pembangkit Tenaga Listrik
Masjono
Jurusan Teknik Industri, Akademi Teknik Industri Makasar, Makasar 90111, Indonesia
E-mail: masjono@yahoo.com
Abstrak
Sebuah konverter energi dari ombak laut yang memakai roda gigi satu arah dan dikombinasikan dengan mekanisme penyeimbang daya untuk menghasilkan rotasi searah secara kontinyu agar menghasilkan listrik telah diteliti dengan menggunakan simulasi model dan numerik. Konsep dari penelitian ini adalah beberapa perangkat mengapung tertambat disatukan menggunakan rantai pada roda gigi satu arah yang dikombinasikan dengan massa bergerak untuk menahan rantai tetap lurus. Perangkat ini akan mengubah energi seketika saat ombak laut yang datang dan menghantarkannya ke generator listrik melalui poros putar satu arah. Model matematika yang mengambarkan osilasi vertikal dari pengubah gelombang energi turut disertakan. Analisis dan model matematika menunjukkan bahwa pemakaian roda gigi satu arah yang terhubung dengan poros putar akan memungkinkan untuk berputar searah. Perubahan energi tersebut mengikuti prinsip-prinsip penyearah gelombang penuh dari daya elektronik untuk memaksimalkan perolehan energi dari ombak laut. Model matematika yang didapatkan dari serangkaian analisis telah digunakan untuk membuat simulasi komputer menggunakan perangkat lunak Matlab. Hasil simulasi menunjukkan bahwa variasi tinggi ombak memberikan pengaruh signifikan terhadap energi yang diperoleh dari ombak laut.
Abstract
Design and Simulation of Tidal/Sea Wave Energy Converter as Electical/Power Source. A wave energy converter which uses oneway gears combined with power balancing mechanism for producing continuous unidirectional rotation to produce electricity was studied by modelling and numerical simulation. The studied concept consists of more then one moored floating devices using chain on oneway gears combined with moving mass which uses to keep the chain stright. These convert instantaneous power of incoming wave power and deliver load to electric generator over unidirectional rotating shaft. Mathematical model describing the vertical oscillating of the wave energy converter is presented. Mathematical analysis and modelling shows that utilization of one-way gears connected to rotating shaft which enable it to rotate unidirectional. Energy conversion resembles the full wave rectifier principles in power electronics that maximize yielded energy from sea wave. The mathematical model derived from a series of analysis was utilised to carry out computer simulation using Matlab software package. Simulation result showed that wave height variation gave significant influence on harvested energy from sea wave.
Keywords: renewable energy, sea wave converter, sea wave energy
1. Pendahuluan
Indonesia sebagai negara kepulauan terdiri atas 17.870 pulau. 3000 diataranya merupakan pulau yang berpenghuni. Khusus untuk Provinsi Sulawesi Selatan memiliki 295 pulau [1]. Dari ribuan pulau tersebut didominasi oleh pulau-pulau kecil yang dikelilingi oleh lautan. Masyarakat yang mendiami pulau-pulau kecil menghadapi masalah akan sulitnya mendapatkan pasokan energi khususnya energi listrik. Untuk
pulau-pulau besar, ketersediaan energi khususnya energi listrik dapat diperoleh dengan mudah baik dari PLTA, PLTD, PLTU dan sumber energi listrik lainnya. Sebaliknya untuk pulau-pulau kecil pasokan energi listrik sebagai sumber energi vital dalam menjalankan aktivitas kehidupan sehari-hari merupakan hal yang sangat langka.
Saat ini sumber energi utama yang menerangi pulau-pulau terpencil adalah bahan bakar minyak. Namun
akhir-akhir ini harga minyak cenderung mengalami kenaikan setiap tahun akibat semakin menipisnya sumber minyak. Oleh karena itu perlu dicari sumber energi alternatif murah dan ramah lingkungan.
Bebebrapa ilmuan telah mengembangkan berbagai sumber energi alternatif untuk daerah daerah terpencil seperti energi tenaga matahari, tenaga angin, dan mikrohidro [2-3]. Akan tetapi sumber energi alternatif tersebut memiliki kelebihan dan sekaligus kekurangan masing-masing. Khusus untuk pulau-pulau kecil selama ini lebih banyak yang menggunakan energi matahari yang tersedia hanya pada siang hari dan memerlukan batere yang harganya tidak murah untuk ukuran masyarakat pesisir dan kepulauan.
Salah satu sumber energi yang belum banyak dimanfaatkan adalah gelombang laut. Energi ini tersedia melimpah selama 24 jam sehingga dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik untuk memenuhi kebutuhan energi masyarakat kepulauan, bahkan untuk menjadi salah satu sumber energi alternatif di masa yang akan datang. Energi yang berasal dari gelombang laut adalah salah satu sumber energi terbarukan yang sangat menjanjikan, sebab dapat menghasilkan energi di hampir seluruh wilayah laut di permukaan bumi. Secara teoritis [4] energi yang berasal dari gelombang laut sebesar 8 x 106 TWh/tahun, atau sekitar 100 kali lebih besar dari seluruh pembangkit listrik tenaga air di planet bumi. Untuk menghasilkan energi sebanyak itu jika menggunakan sumber energi fosil, akan menghasilkan 2
juta ton emisi gas CO2. Potensi energi yang berasal dari gelombang laut di atas planet bumi diperkirakan sebesar 2 Tera Watt. Dengan mengubah energi gelombang laut yang tersedia sebesar 10 sampai 15% sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan energi dunia saat ini. Berdasarkan uraian di atas maka dalam penelitian ini kami mencoba untuk merancang dan melakukan simulasi konverter energi gelombang laut untuk menghasilkan energi listrik.
2. Metode Penelitian
Desain konverter knergi gelombang laut. Perancangan alat konverter energi gelombang laut dilakukan dengan memanfaatkan roda gigi satu arah (oneway gear) terdiri atas rotor shaft, one-way gear, alat pemberat yang dapat terapung, counter weight yang berfungsi untuk menjaga ketegangan tali penggantung saat terjadi osilasi. Ilustrasi konverter dapat dilihat pada pada Gambar 1.
Untuk mengoperasikan konverter ini harus dipasang searah dengan gelombang laut sehingga pelampung yang pertama bekerja adalah M1 dan m1, lalu diikuti oleh pelampung berikutnya. Pada Gambar 2 menunjukkan tampak samping masing-masing pelampung dan counter weight serta gaya yang bekerja pada setiap pelampungnya.
Jumlah gaya yang bekerja pada kedua pemberat pada Gambar 2 adalah
(1) Energi potensial yang dihasilkan tergantung pada tinggi gelombang h, sehingga diperoleh daya:
(2)
dengan P = Daya
M1 = Massa Pelampung m1 = Massa Counter Weight h = tinggi gelombang laut
Mekanisme kerja konverter ini menggunakan gigi satu arah, pada saat M1 mendapat gelombang laut, maka M1 akan terangkat dan M1 turun dan gear akan loss. Pada langkah tersebut, rotating shaft belum berputar. Ketika ombak meninggalkan M1, maka M1 akan jatuh bebas dan menarik gear satu arah dan saat itu rotating shaft mulai berputar. Ilustrasi pada Gambar 1, ketika M1 dan M3 turun maka M2 dan M4 akan naik. Dengan demikian pada saat yang bersamaan sesuai dengan ilustrasi diatas, terdapat dua pelampung yang bekerja untuk memutar rotating shaft. Jika massa masing-masing pelampung dan counter weight seragam, maka akan sangat mudah untuk menentukan total energi yang dihasilkan. Jika suatu konverter menggunakan sejumlah n pelampung dan counter weight, maka Pers. (3) dapat dituliskan sebagai berikut:
(3) dengan
n = jumlah pelampung yang digunakan. H = tinggi maksimum gelombang laut
Untuk memaksimalkan energi yang dihasilkan oleh konverter ini, maka penempatan pelampung disesuaikan dengan periode gelombang laut di mana alat ini akan dipasang. Jika periode gelombang laut adalah λ maka penempatan masing-masing konverter diilustrasikan pada Gambar 3.
Gambar 2. Tampak Depan Konverter Gelombang Laut
Berdasarkan ilustrasi pada Gambar 3 maka rotating
shaft akan berputar sejauh 3600 di mana masing-masing
pelampung berkontribusi sejauh 0.25 λ atau sebesar 900. Secara grafis dapat diilustrasikan pada Gambar 4. Untuk memuluskan putaran rotating shaft dan memaksimalkan energi yang dapat diperoleh dari gelombang laut, maka jumlah pasangan pelampung M, one-way gear, mooring
line dan counter weight dapat ditambahkan. Hal ini
tergantung pada dimensi masing-masing pelampung dan panjang gelombang λ gelombang laut. Selain untuk meningkatkan jumlah energi penambahan jumlah pelampung juga akan memuluskan putaran rotating
shaft. Hal ini dapat dianalogikan dengan mesin dua
silinder dan mesin empat silinder. Semakin banyak jumlah silinder maka putaran mesin makin halus dan makin cepat.
Dengan mamanfaatkan putran satu arah dari one-way
gear maka pada saat M naik energi yang dihasilkan
sama dengan nol sebagai akibat dari putaran balik gear yang loss. Pada saat ombak turun, pelampung juga ikut
turun dan pada saat itulah one-way gear akan memutar
rotating shaft untuk menghasilkan energi.
Berdasarkan sifat mekanis tersebut, maka semua pelampung menghasilkan energi positif dan demikian pula counter weight tidak menghasilkan gaya balik. Oleh karena itu bentuk gelombang yang dihasilkan sama dengan penyearah gelombang penuh atau rectifier dalam rangkaian listrik sebagaimana ilustrasi pada Gambar 5.
Setiap pelampung akan memberikan kontribusi energi dari sebesar yang dapat diperoleh dengan mengintegralkan masing ₋masing pelampung sebagaimana Pers. (4).
(4)
Gambar 4. Ilustrasi Kontribusi masing-masing Pelampung terhadap Putaran Rotating Shaft Konverter Energi Gelombang Laut
Pers. (4) beranggapan bahwa gelombang laut merupakan gelombang sinusoidal murni. Tetapi dalam kenyataannya gelombang laut bukan sinusoidal murni sehingga faktor pengali gh dapat digantikan dengan rumus umum tentang daya yang terdapat di dalam ombak [6] dinyatakan dengan Pers. (5) berikut,
(Watt / m) (5) dengan
ρ = Berat jenis air laut = 1.025 kg/m3, g = percepatan gravitasi = 9,8 m/s/s, T = periode gelombang (s), dan H = tinggi gelombang (m)
Dengan melakukan substitusi Pers. (4) dan (5) diperoleh total energi yang dapat dihasilkan dari rancangan konverter gelombang laut di atas adalah:
(6) (Watt)
Jika diasumsikan bahwa M1=M2=M3=M4 dan m1=m2=m3=m4 maka Pers. (7) dapat disederhanakan menjadi:
(7) Harga mutlak sin 2πt digunakan karena pada ilustrasi Gambar 5 tidak terdapat gelombang negatif tetapi semuanya positif sebagai dampak dari penggunaan
one-way gear. Pers. (8) dapat juga ditulis sebagai berikut:
(8) Dengan menyelesaikan persamaan integral pada Pers. (8) maka diperoleh rumus untuk konverter energi gelombang laut yang menggunakan empat pelampung sebagaimana dinyatakan dalam Pers. (9) sebagai berikut:
(9) dengan
P total = energi yang dihasilkan oleh konverter ρ = berat jenis air laut
T = periode gelombang (second) H = tinggi (amplitudo) gelombang laut M = massa pelampung
m = massa counter weight
3. Hasil dan Pembahasan
Simulasi komputer konverter energi gelombang laut. Untuk memahami lebih seksama desain konverter gelombang laut yang telah dipaparkan diatas, telah dilakukan simulasi dengan menggunakan program Matlab. Dalam simulasi ini ditetapkan dua skenario kondisi lapangan, yaitu (a) tinggi gelombang berubah dan panjang gelombang tetap serta (b) tinggi gelombang tetap dan periode berubah.
Tinggi gelombang bervariasi dan panjang gelombang tetap. Simulasi dimulai pada skenario pertama dengan asumsi massa pelampung M= 100 Kg dan massa pemberat balik (counter weight) m= 10 kg. Tinggi gelombang bervariasi dari 0 sampai 1 meter dan periode T = 2 detik. Simulasi dilakukan menggunakan kode Matlab berikut,
%program untuk menghitung energi gelombang laut
%ditulis oleh Masjono Muchtar %tanggal 28 Oktober 2012
%Variasi tinggi gelombang laut dari 0 - 1 meter
a = linspace(0,1,20); h = sin (t);
M = input ('masukkan nilai M1 (kg) = '); m = input ('masukkan nilai m1 (kg) = ');
T = input ('masukkan periode gelombang (detik) = ');
rho = 1.025; g = 9.8; phi = 3.14;
% menghitung energi yang dihasilkan
power = (rho*g.^2*T*h.^2*(M-m))/(16*phi); plot (power,h);
title ('Simulation of Sea Wave Energy Converter');
xlabel('Converted Power (watt)'); ylabel('Wave Height');
grid;
Hasil simulasi dengan program Matlab di atas diperoleh grafik hubungan antara tinggi gelombang dengan besarnya energi yang dihasilkan sebagaimana Gambar 6.
Gambar 6. Grafik Hasil Simulasi Converter Gelombang Laut M=100 Kg, m=10 Kg, H (0-1 Meter) dan T= 2 Detik
Gambar 7. Grafik Hubungan antara Periode Gelombang dengan Daya yang dihasilkan H = 1 meter, M = 100 Kg, m = 10 Kg
Tinggi gelombang konstan dan panjang gelombang laut bervariasi. Skenario berikutnya adalah dengan asumsi bahwa yang bervariasi adalah periode T dan tinggi gelombang konstan. Simulasi skenario ini dilakukan dengan menggunakan kode Matlab sebagai berikut:
%program untuk menghitung energi gelombang laut
%ditulis oleh Masjono Muchtar %tanggal 28 Oktober 2012
%Variasi periode gelombang laut dari 1 - 1.5 detik
T = linspace(1,1.5,20);
M = input ('masukkan nilai M1 (kg) = '); m = input ('masukkan nilai m1 (kg) = ');
h = input ('masukkan tinggi gelombang (meter) = ');
rho = 1.025; g = 9.8; phi = 3.14;
% menghitung energi yang dihasilkan
power = (rho*g.^2*T*h.^2*(M-m))/(16*phi); plot (power,T);
title ('Simulation of Sea Wave Energy Converter');
xlabel('Converted Power (Watt)'); ylabel('Wave Period (second)'); grid;
Berdasarkan kedua simulasi diatas nampak bahwa tinggi gelombang sangat berpengaruh pada besarnya energi yang dihasilkan oleh konverter. Pekerjaan selanjutnya adalah melakukan uji eksperimental terhadap hasil simulasi di atas dimulai pada skala laboratorium gelombang sampai pada pembuatan prototipe pembangkit listrik tenaga gelombang laut di bibir pantai.
4. Simpulan
Konverter gelombang laut menjadi energi listrik telah dipaparkan dalam tulisan ini, dengan memanfaatkan
gear searah (one-way gear) beserta empat buah
pelampung (M) yang masing-masing berpasangan dengan pemberat balik (m). Pemberat balik (counter
weight) berfungsi untuk mempertahankan ketegangan
tali atau rantai gantungan pada saat pelampung (M) bergerak naik. Hasil analisis matematis menunjukkan bahwa penggunaan one-way gear untuk memutar poros putar (rotating shaft) memungkinkan poros berputar satu arah. Dengan prinsip kerja yang sama dengan sistem penyearah gelombang penuh pada rangkaian listrik memungkinkan pelampung menghasilkan energi secara maksimal. Hasil penurunan rumus matematis diperoleh persamaan seperti pada Pers. (9). Hasil yang diperoleh setelah melakukan simulasi menggunakan model persamaan tersebut, menunjukkan bahwa variasi tinggi gelombang sangat menentukan jumlah energi yang dapat dihasilkan oleh konverter gelombang laut. Kajian lebih lanjut adalah menentukan bentuk dan dimensi pelampung yang dipergunakan, jumlah masimal pelampung, optimalisasi diameter gear satu arah, serta rancangan generator yang sesuai. Selain itu diperlukan pembuatan prototipe dan uji eksperimental pada laboratorium gelombang laut.
Daftar Acuan
[1] A. Josefsson, A. Berghuvud, K. Ahlin, G. Broman, European Wave and Tidal Energy Conference, Southampton, UK, 2011.
[2] R.E. Harris, L. Johanning, J. Wolfram, The 3rd International Conference on Marine Renewable Energy, Blyth, UK., 2004, p.180.
[3] Y. Yu, Y. Li, The 30th International Conference on Ocean, Offshore, and Arctic Engineering, Rotterdam, The Netherlands, 2011.
[4] G. Nunes, D. Valerio, Pedro Beirao, Jose Sa da Costa, Proceeding IFAC Conference on Control Methodologies and Technology for Energy Efficiency, Vilamaura, Portugal, 2010, p.326. [5] J. Falnes, Inter. J. Off Shore and Polar Eng. 12/2
(2002) 147.
[6] L. Rodrigues, Wave Power Conversion Systems for Electrical Energy Production. Department of Electrical Engineering Faculty of Science and Technology, Nova University of Lisbon, Portugal, http://www.icrepq.com/icrepq-08/380-leao.pdf , 2005.
