DESAIN DAN ANALISIS STRUKTUR MENARA
LATTICE
PEMBANGKIT
LISTRIK TENAGA ANGIN 100 Kw DI DESA TAMANJAYA, SUKABUMI,
JAWA BARAT
DESIGN AND STRUCTURE ANALYSIS OF 100 kW WIND TURBINE LATTICE
TOWER IN TAMANJAYA VILLAGE, SUKABUMI, WEST JAVA
Zulkarnain
Puslitbangtek. Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi
Jl. Cileduk Raya Kav. 109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan, 12230
zulp3tek@yahoo.com
Abstrak
Pembangunan pembangkit listrik tenaga angin tidak terlepas dari pembangunan menara yang berfungsi sebagai tiang penopang seluruh komponen sistem pembangkit pada ketinggian tertentu. Menara harus memenuhi kriteria yang diinginkan dengan memiliki konstruksi yang cukup kuat untuk menerima beban yang ditopangnya. Desain dan analisis struktur menara Lattice turbin angin 100 kW yang dibangun di Desa Tamanjaya, Sukabumi, Jawa Barat telah disajikan berdasarkan kriteria awal desain menara yang meliputi tipe, jenis, tinggi, kondisi angin dan gempa di lokasi, dan beberapa faktor yang mempengaruhi lainnya telah dibahas.Besar beban yang harus dapat ditopang oleh menara juga telah dihitung berdasarkan beban angin, beban peralatan pembangkit, dan beban peralatan penunjang lainnya.Pemodelan gaya-gaya yang bekerja di setiap elemen struktur menara yang terjadi akibat karena adanya bebandilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Ms. Tower Versi 6.Hasil yang diperoleh dan dianalisis berupa nilai twist, sway, displacement horisontal, dan stress ratiomenara. Nilai tersebut selanjutnya akan disesuaikan dengan ketentuan batasan standar kekuatan menara yang mengacu pada standar TIA/EIA - 222F.
Kata kunci : Menara lattice;turbin angin; energi angin.
Abstract
The development of wind power plant could not be separated from the construction of the tower that serves as the pillar for all components of the system at a certain height. It need the tower which meet the desired criteria by having a construction which strong enough to recieve the loads. Design and structure analyses of a lattice tower for 100 kW wind turbine in Tamanjaya Village, Sukabumi, West Java is presented based on initial criteria of tower design such as type, height, wind and seismic conditions on the site, and several other factors that influence its design has been discussed.The amount of forces that must be supported by towers have been calculated based on the wind load, load of generation equipment, and other supporting equipment load.The forces that working on the structure of the tower was modeled by using software Ms. Tower Version 6.The result which was obtained and analyzed are the value of twist, sway, horizontal displacement, and stress ratioof towers which were determined with a standard limitation of the tower structure which refers to TIA / EIA - 222F.
PENDAHULUAN
Penelitian energi angin menjadi pilihan yang cukup realistis mengingat sumber energi tersebut sangat mungkin didapatkan karena di beberapa daerah di Indonesia memiliki potensi energi angin yang cukup baik yang dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Berdasarkan hasil pengukuran langsung, be-berapa lokasi di Indonesia mempunyai ke-cepatan angin rata-rata tahunan cukup tinggi pada ketinggian 50 meter, yaitu diatas 5,6 m/ det hingga 7 m/det[3,4,5]. Lokasi-lokasi tersebut
antara lain terdapat di pantai selatan Pulau Ja-wa, pesisir Nusa Tenggara Timur, Sulawesi Selatan, Sulawesi Utara, dan Maluku. Selain itu juga karena kondisi geografis Indonesia cukup strategis yang terletak di antara dua benua dan dua samudra dengan topografi yang bervariasi sehingga memungkinkan untuk di-jadikan tempat penghasil energi baru terba-rukan yaitu energi angin, terutama untuk dae-rah yang terpencil yang sulit mendapatkan suplai energi.
Pembangkit listrik tenaga angin adalah suatu pembangkit listrik yang menggunakan angin sebagai sumber energi untuk menghasilkan energi listrik. Pembangkit ini dapat mengkonversi energi angin menjadi en-ergi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Pembangunan pembangkit listrik tenaga angin tidak terlepas dari pem-bangunan menara yang berfungsi sebagai tiang penopang seluruh komponen sistem pembang-kit listrik tenaga angin pada ketinggian terten-tu. Selain memiliki pondasi yang kuat dan dibangun di atas tanah dengan kestabilan yang
memadai, menara harus memiliki konstruksi yang cukup kuat untuk menerima beban yang ditopangnya. Dimensi menara dan turbin juga harus diperhitungkan, karena akan mempengaruh. perilaku tanah yang menjadi landasan struktur pondasi tersebut[2]. Analisis beban terhadap struktur menara telah dil-akukan sebelum dibangunnya menara, untuk memprediksi besarnya beban yang harus di-topang pada setiap elemen struktur menara yang dibuat, karena pada akhirnya beban ter-sebut akan berkorelasi dengan penentuan di-mensi dan material menara.
METODOLOGI
Penelitian ini dilakukan untuk menara jenis Lattice dengan ketinggian 35 meter di atas permukaan permukaan tanah, yang digunakan pada pembangkit listrik tenaga an-gin 100 kW milik P3TKEBTKE yang berlo-kasi di desa Taman Jaya, Ciemas, Sukabumi, Jawa Barat. Metodologi yang digunakan pada penelitian ini adalah metodologi pemodelan dan simulasi pada umumnya, dengan tahapan awal melakukan perancangan menara, kemudian dilanjutkan dengan simulasi serta analisis hasil rancangan tersebut.
Analisis terhadap beban-beban yang bekerja pada tiap elemen struktur menara dil-akukan menggunakan perangkat lunak Ms.Tower Versi 6.0 dan menggunakan per-syaratan standar kekuatan menara yang mengacu pada standar TIA/EIA-222F (Structural Steel Standards for Steel Antenna Tower and Supporting Structure). Sedangkan
untuk beban yang diberikan dalam simulasi merupakan kecepatan angin pada kondisi ekstrim, yaitu sebesar 200 km/jam atau 55,6 m/ det.
Perancangan Menara
Ada dua jenis menara yang umum digunakan pada pembangkit listrik tenaga an-gin di dunia, yaitu jenis tubular dan lattice. Menara tubular merupakan suatu rangkaian dari beberapa tabung silinder yang dapat dibu-at dari baja dibu-atau beton. Tiap-tiap tabung silinder dihubungkan dengan cara dilas sampai dengan ketinggian tertentu. Sedangkan menara jenis lattice merupakan rangkaian dari baja-baja siku yang dihubungkan dengan menggunakan baut dan mur di setiap ujungnya.
Gambar 1. Menara Jenis Tubular dan Lattice
Menara Pembangkit Listrik Tenaga An-gin yang dibangun di desa Taman Jaya, Cie-mas, Sukabumi, Jawa Barat adalah berjenis lattice berbentuk segi empat (square) dengan ketinggian 35 meter di atas permukaan tanah. Struktur menara ini merupakan tipe Self
-Supporting Tower (SST), yang memiliki
struktur pola batang yang disusun dan dibaut sehingga membentuk rangka yang berdiri sendiri tanpa adanya sokongan lainnya, Gam-bar 1 (b). Standar untuk kekuatan desain mena-ra yang dibuat mengacu pada standar TIA/EIA -222-F. Sedangkan untuk kekuatan terhadap gempa disesuaikan dengan zona gempa di dae-rah tersebut[6]. Adapun standar yang digunakan
untuk material menara dapat dilihat pada Tabel 1 berikut :
Tabel 1. Material yang digunakan
Beberapa standar lain juga digunakan dalam rancangan ini, seperti SNI-03-2847-2002 tentang tata cara perhitungan struktur beton untuk bangunan gedung, SNI-03-1726-2003 tentang tata cara perencanaan ketahanan gempa untuk bangunan gedung, dan SNI-03-1729-2002 tentang tata cara perencanaan struktur baja untuk bangunan gedung.
Pemodelan Menara
Pemodelan struktur menara dilakukan menggunakan perangkat lunak Ms. Tower Versi 6. Perangkat lunak ini memiliki kemam-puan untuk menghasilkan geometri menara sesuai dengan persyaratan dan standar yang dijadikan acuan, selain itu juga dapat melakukan simulasi gaya yang terjadi pada
tiap-tiap bagian menara akibat adanya gaya beban[8]. Gambar 2(a) menunjukkan geometri
tiga dimensi menara berskala 1:1, menggunakan material baja siku dengan di-mensi yang berbeda-beda sesuai dengan letak-nya, yang dapat dilihat pada keterangan gam-barnya.
Model menara dibagi menjadi 14 panel, Gambar 2 (b). Pada setiap panel berisi bagian/ komponen menara yang disebut sebagai member, dimana hasil simulasi model ini nantinya merupakan gaya yang terjadi pada setiap member menara karena akibat adanya beban.
Simulasi Model Menara
Input pembebanan yang diberikan pada pemodelan ini merupakan kombinasi dari tiga jenis beban yang diterima oleh menara terse-but. Ketiga jenis beban yang dimaksud adalah
[7] sebagai berikut,.
1. Beban Mati (Dead Load), merupakan berat menara itu sendiri, yang secara otomatis akan dihitung oleh Ms. Tower sesuai dengan rancangan dan material yang digunakan pada model menara yang telah dibuat/digambar. Untuk beban mati lainnya diberikan sebesar 21 ton yang berasal dari berat sistem pembangkit listrik, aksesoris menara, dan berat seluruh peralatan bantu pada saat proses instalasi menara.
2.
Beban Hidup (Live Load), merupakan beban tambahan yang berasal dari orang yang bekerja baik pada proses pembuatan,instalasi sistem pembangkit, maupun pada proses perawatan menara yang terletak pada tangga dan bordes. Berdasarkan Standar EIA/TIA 222F beban hidup pada tangga menara harus mampu menahan 250 pounds (110 kg) dan pada bordes sebesar 500 pounds (220 kg).
Gambar 2. Geometri Model Menara Lattice
3. Beban Angin (Wind Load) , yaitu beban yang timbul di titik simpul setiap section atau segment menara oleh karena adanya hembusan angin, beban ini dikelompokkan menjadi beban gravitasi dan lateral. Pada pemodelan ini, beban angin yang digunakan diasumsikan berasal dari beban hembusan angin pada kondisi ektrim, yaitu pada saat siklus angin 50 tahunan dengan kecepatan sebesar 200 km/jam atau 55,6 m/det. Berdasarkan standar TIA/EIA-222-F, beban
angin pada struktur menara dihitung dengan menggunakan rumus :
Dimana :
F = gaya angin horizontal (tegak lurus panel) (N)
qz = tekanan kecepatan (Pa);
GH = gust response factor (m);
untuk struktur menara jenis Lattice,
Dan
CF = koefisien gaya pada struktur, untuk menara lattice dengan tipe square
= Solidity Ratio
AE = luas proyeksi efektif pada satu muka (m2)
AG = luas kotor dari satu panel jika penampangnya solid , (m2)
AF = luasan terproyeksi komponen bundar struktur pada panel (m2) AA = luasan terproyeksi komponen linear pada panel (m2)
AR = luasan terproyeksi dari komponen struktural pada satu muka dari penampang (m2)
V = kecepatan dasar angin, (m/s) h = tinggi total struktur, (m) Kz = koefisien keterbukaan struktur
Kz =
RR = faktor reduksi untuk komponen struktural bundar,
=
DF,DR = faktor arah angin komponen datar,lingkaran
CA = koefisien gaya appurtenance linear
Selain bekerja pada struktur menara, beban angin juga bekerja pada komponen sistem pembangkit listrik tenaga angin 100 kW yang berada di puncak menara. Komponen pembangkit yang memiliki kontribusi besar terhadap pemberian beban ke menara adalah bagian rotor / bilah turbinnya, dimana beban yang berupa bending moment tersebut akan maksimum diterima oleh struktur dan pondasi menara pada saat kondisi salah satu bilah berada di atas dan juga menghadap arah angin [1, 9]. Dalam pemodelan ini, komponen rotor/ bilah turbin diasumsikan sebagai antena parabola dengan diameter 22 meter dimana titik pusatnya berada di puncak menara yaitu pada ketinggian 35 meter di atas permukaan tanah. Perhitungan beban angin pada antena parabolik menurut EIA/TIA-222-F adalah sebagai berikut [7],
Dimana :
Fa = Gaya Aksial (kg) Fs = Gaya samping (kg)
Ca = Koefisien beban angin untuk gaya aksial sejajar sumbu rotor
Cs = Koefisien beban angin untuk gaya momenik
Cm = Koefisien beban angin untuk gaya aksial tegak lurus sumbu rotor
V = Kecepatan angin (mph) D = Diameter rotor (m)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan standar TIA/EIA-222-F, syarat yang harus dipenuhi oleh struktur mena-ra dalam menentukan stabilitasnya dibatasi oleh besarnya nilai dari momen puntir (twist), goyangan menara (sway), perpindahannya (displacement), dan juga perbandingan tekanannya (stress ratio). Adapun nilai batas toleransi yang diperbolehkan adalah sebagai berikut :
a. Twist ≤ 0,5o b. Sway ≤ 0,5o
c. Displacement Horizontal ≤ h/200 d. Stress Ratio ≤ 1
Berikut disajikan hasil simulasi yang telah dilakukan pada penelitian ini:
Gambar 3 menunjukkan hasil simulasi
nilai
twist
dan
sway
di setiap panel menara
mulai dari panel 1 pada ketinggian 35
meter sampai dengan panel 14 pada
ketinggian 4 meter. Adapun nilai
twist
ditunjukkan oleh Z-Rot dan nilai
sway
ditujukkan oleh X-Rot. Dari hasil tersebut
terlihat bahwa seluruh nilai
twist
dan
sway
berada di bawah batas toleransi yang
diperbolehkan yaitu 0,5°. Dari hasil
simulasi, diperoleh nilai maksimum
sway
yaitu sebesar 0,4319° dimana nilai ini
masih lebih kecil dari nilai yang
diperbolehkan (0,4319°<0,5°).
Gambar 3.
Twist
dan
Sway
Nilai
sway
maksimum terjadi pada
panel 2 menara di ketinggian 34,5 meter,
dan pada kondisi
Load Case (LC)
800,
yaitu pada kondisi menara menerima gaya
tegangan yang berasal dari angin dengan
arah 315° dari sumbu x. Adapun nilai
twist
yang diperoleh dari hasil simulasi adalah
0, yang dapat diartikan bahwa tidak terjadi
puntiran pada menara (0°<0,5°).
Pada
Gambar 4 ditunjukkan hasil simulasi nilai
displacement
horisontal menara yang
ditunjukkan oleh nilai
X
-
Disp
.
Berdasar-kan
standar
TIA/EIA-222-F,
nilai
maksimum X-Disp menara yang diperbolehkan adalah sebesar h/200, dimana nilai h adalah ketinggian menara. Jadi, untuk menara dengan ketinggian 35 meter, nilai maksimum X-Disp yang diperbolehkan adalah sebesar 0,175 m atau 17,5 cm.dari hasil simulasi, nilai X-Disp maksimum yang diperoleh adalah sebesar 0,1265 m atau 12,65 cm.Nilai ini lebih kecil darinilai batas yang diperbolehkan (12,65 cm <17,5 cm). X-Disp maksimum ini terjadi pada kondisi Case 640 dan Case 660, dimana pada kondisi ini menara mendapat gaya tegangan dan kompresi yang berasal dari hembusan angin dengan arah 135° dari sumbu x.
Gambar 4. Displacement Menara Nilai stress ratio maksimum yang terjadi pada setiap panel menara dapat dilihat pada Tabel 2. Pada tabel tersebut terlihat bahwa nilai stress ratio lebih kecil dari nilai yang diperbolehkan oleh Standar TIA/EIA-222-F disetiap panel dan ketinggian. Terlihat pula bahwa nilai
stress ratio yang paling besar adalah 0,742 (lebih kecil dari 1) dan terjadi di panel 14 member LEG, yaitu di kaki bagian menara paling bawah dengan ketinggian 4 meter. Hal ini menandakan bahwa di panel itulah menara akan menerima beban terbesar. Berdasarkan visualisasi hasil simulasi stress ratio menara (Gambar 5) terlihat bahwa tidak ada bagian/ elemen menara yang berwarna merah, sehingga dapat dikatakan rancangan menara ini baik.
Tabel 2.
Rekapitulasi Stress Ratio
Maksimum
Selain keempat parameter diatas, dari hasil simulasi juga diperoleh parameter nilai gaya dan momen yang terjadi pada pondasi menara. Parameter nilai ini yang akan digunakan sebagai beban dalam penentuan desain pondasi menara. Gambar 6 menunjukkan nilai maksimum hasil simulasi terhadap gaya dan momen yang terjadi pada bagian pondasi. Nilai-nilai tersebut ditunjukkan pada Tabel 3 berikut,
Tabel 3. Beban pada Pondasi Menara Hasil rancangan menara yang telah dibuat di-tunjukkan pada Gambar 7 berikut,
Gambar 7. Menara Lattice PLT-Angin 100 kW, Desa Tamanjaya
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Berdasarkan hasil pemodelan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut,
1. Reaksi berupa gaya yang bekerja di setiap elemen struktur menara yang timbul akibat adanya pengaruh dari beban angin, beban mati dan beban hidup dapat disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak Ms.Tower Versi 6.
2. Seluruh nilai yang diperoleh dari hasil simulasi yang berupa twist, sway, horizontal displacement dan stress ratio berada di bawah batasan maksimum yang diperbolehkan. Berdasarkan seluruh hasil simulasi ini, maka dapat disimpulkan bahwa desain dari struktur dan material menara Latiice yang dibuat telah memenuhi syarat kekuatan yang mengacu pada standar TIA/EIA-222-F.
Saran
1. Simulasi ini dilakukan dengan asumsi kon-disi seluruh baut pada tiap-tiap sambungan menara dalam keadaan terikat kencang (kuat). Adanya angin yang selalu terjadi dan menerpa menara di lapangan, akan mempengaruhi kekencangan baut-baut ter-sebut. Untuk itu disarankan agar dilakukan pemeriksaan dan pengencangan pada se-luruh baut menara secara rutin setiap ta-hun.
2. Untuk melengkapi analisis yang telah dilakukan, maka perlu dilakukan penelitian lanjutan pada pemodelan ini dengan kondisi beban dinamik pada saat rotor berputar pada kecepatan operasionalnya
berdasarkan data yang diperoleh dari
lapangan.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimasih kepada Dr. Verina J Wargadalam beserta seluruh
anggota Tim kegiatan energi angin P3TKEBTKE dan juga kepada PT. Marga Utama Mandiri atas ketersediaan data dan segala bantuannya.
