Studi Sistem Mekanisme Wave Power Untuk

1
Studi Sistem Mekanisme Wave Power Untuk
Menggerakkan Katamaran
A.Yoghi 1) I.K.A.P Utama 2) Murdijanto 3)
1) Mahasiswa Program Sarjana FTK ITS Surabaya Indonesia 60111,
email: [email protected]
2) Pengajar pada Jurusan Teknik Perkapalan FTK ITS Surabaya Indonesia 60111,
email: [email protected]
3) Pengajar pada Jurusan Teknik Perkapalan FTK ITS Surabaya Indonesia 60111,
Abstract—Sistem mekanisme wave power yang terdiri dari
sistem pegas dan foil. Sistem pegas dan foil ini dipakai sebagai
sistem penggerak katamaran. Dimana sistem mekanisme wave
power ini akan dipasang pada katamaran. Sistem mekanisme
wave power ini dapat bergerak dengan menggunakan arus laut.
Dengan adanya arus laut ini, nantinya akan menggerakkan foil
dan pegas akan merespon dengan memberikan gaya yang
berlawanan sehingga terjadi hentakan yang dapat mengerakkan
katamaran melawan arus. Studi ini secara teoritis dibantu
dengan software ANSYS untuk memodelkan dan menghitung
sistem mekanisme wave power yang terdiri dari sistem pegas dan
aerofoil. Sehingga akan didapat gaya dorong(thrust) dengan
memperhitungkan terlebih dahulu hambatan katamaran.
Index Terms—arus, katamaran, pegas,
K
telah dilakukan usaha untuk menekan pertumbuhan
penggunaan bahan bakar fosil. Usaha yang telah dilakukan
pemerintah adalah dengan mengeluarkan Peraturan Presiden
no.5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional. Salah satu
tujuan dan sasaran kebijakan energi nasional seperti yang
tertuang di dalam Peraturan Presiden no.5 tahun 2006 tentang
kebijakan energi nasional adalah terwujudnya konsumsi energi
(primer) yang optimal pada tahun 2025 dari energi baru dan
energy terbarukan lainnya, khususnya tenaga air skala kecil,
tenaga surya, dan tenaga angin menjadi lebih dari 5%.
Untuk mendukung kebijaksanaan pemerintah, perlu dilakukan
langkah-langkah pencarian sumber-sumber energi alternatif.
Banyak hal yang bisa kita lakukan antara lain memodifikasi
aerofoil yang berupaya untuk peningkatan performansi.
I. PENDAHULUAN
elangkaan bahan bakar dan meningkatnya polusi memacu
para ilmuwan untuk melakukan penelitian dalam bidang
ektraksi energi. Dalam hal ini tenaga angin, surya, gelombang
laut, serta tidak menutup kemungkinan sumber tenaga yang
lain. Seperti yang sudah diteliti dan telah berhasil dibuktikan
oleh Prof. Kenichi Horie (Gbr. 1) dan Prof. Francois Kneider.
Bahwa gelombang dan arus laut dapat menjadi penggerak
kapal. Sehingga kebutuhan bahan bakar untuk mesin diesel
bisa dikurangi atau tidak menggunakan mesin. Indonesia
merupakan Negara maritim, dimana sebagian besar terdiri dari
lautan. Menjadikan kapal menjadi sarana transportasi laut,
serta kebutuhan lainnya seperti industri perikanan ,dll.
II. DASAR TEORI
A. Sistem Dua Derajat Kebebasan
Sistem dengan dua derajat kebebasan membutuhkan dua
koordinat independen untuk menghitung konfigurasi dari
sistem tersebut. Untuk kasus peredaman bebas, akan
ditemukan bahwa terdapat dua cara yang mengakibatkan
sistem bergetar secara harmonik. Kedua cara tersebut
merupakan modus-modus utama (principal modes). Frekuensi
pergerakan untuk modus utama disebut frekuensi alami.
Frekuensi alami akan diperoleh pada sistem yang dapat
bergetar secara harmonik. Gerak adalah bentuk gelombang
kompleks (Vierck)[6]. Begitu pula getaran yang berulang
dibentuk dari komponen-komponen modus utama.
Persamaan differensial gerakan dapat ditulis sebagai
berikut:
.
.
.
.
(1)
Dan dapat ditulis dalam bentuk lain:
.
.
.
.
0
0
(2)
Gbr. 1 Kapal Suntory Mermaid II milik Prof. Kenichi Horie[1]
Menyadari ketergantungan yang sangat besar kepada bahan
bakar fosil tersebut, maka sejak beberapa waktu yang lalu
Persamaan harmoniknya sebagai berikut :
.
.
(3)
Dimana A1 dan A2 mewakili amplitudo, Φ adalah fasa.
2
B. Aerofoil
Sesuai dengan tipe dan apliksi pada bentuk
streamline,karakter aerodinamis sangat berpengaruh pada
bentuk (atau profil) pada bagian aerofoil. Cara yang tepat
untuk menentukan karakter aerodinamis pada bagian aerofoil
adalah merencanakan variasi koefisien gaya (CL dan CD)
melawan orientasi bagian pada aliran.
Gbr. 3 Sistem mekanisme wave power
Gbr. 2 Aerofoil
Chord line
: Garis lurus yang menghubungkan leading
dan trailing edge
Chord
: Panjang dari chord line
Camber line
: Centreline ketebalan pada aerofoil
Camber angle
: Perbedaan gradien camber line dengan
ujung
Angle of attack : Sudut antara chord line dengan arah
datangnya fluida
Karakteristik gaya-gaya aerodinamis yang bekerja pada
suatu benda secara umum merupakan bentuk non-dimensional
dari gaya drag dan lift, koefisien gaya drag dan lift (Abbott &
Von Doenhoff, 1959)[2] adalah sebagai berikut
F
C
1
ρU
c l
2
F
C
1
ρU
c l
2
(4)
Keterangan :
= Koefisien Lift
CL
ρ
= Massa Jenis
[kg/m2]
U0 = Kecepatan
[m/s]
A
= Luas
[m2]
Parameter utama untuk menentukan CL dan CD adalah angle
of attack α. Oleh karena itu, langkah awal untuk menentukan
karakteristik aerofoil adalah merencanakan variasi CL dan CD
terhadap α. Sebagai tambahan Reynolds number Re=ρUc/µ.
Dimana secara umum untuk mengukur efek viskositas, yang
memiliki efek yang kecil pada karakteristik.
Dalam paper ini penulis memodelkan sistem mekanisme
wave power sebagai sistem yang terdiri dari 2 pegas dan 1
engsel (batang 1). Gaya gesek yang dihasilkan oleh engsel
diabaikan. Sehingga Free body diagramnya sebagai berikut :
Gbr. 4 Free body diagram sistem mekanisme wave power
Dari Gbr. 6 dapat dilihat bahwa persamaan free body
diagram sistem mekanisme wave power memiliki dua derajat
kebebasan. Maka didapatkan matriks sebagai berikut :
τ. sin ωt
F. sin ωt
Jω
2k . cos β . L . sin ωt
k . cosβ. L. sin ωt
(5)
Frekuensi natural merupakan frekuensi yang terjadi pada
sistem sebelum ada gaya dari dari luar, berupa kesetimbangan
sistem setelah menghilangkan gaya luar, dinyatakan dalam
persamaan matriks A, sebagai berikut :
2k . cos β . L
k . cosβ. L
Jω
A
k . cosβ. L
mω
k . cos β
(6)
Untuk menentukan nilai frekuensi natural maka determinan
matrik ini harus nol.
|A| 0
Respon sistem diperoleh dengan me-laplace-kan persamaan
gerak sistem sehingga persamaan matriksnya :
Jω
III. METODE
Berikut ini merupakan (Gbr. 5) penampang samping dari
sistem mekanisme wave power. Seperti yang dapat dilihat
pada gambar bahwa pegas 1 dan pegas 2 terletak pada
kemiringan sudut dan konstanta pegas yang sama (simetris).
k . cos β . L. sin ωt
Θ
.
X
mω
k . cos β . sin ωt
2k . cos β . L .
s
ω
k . cosβ. L.
ω
s
ω
τ.
F.
k . cos β . L.
ω
mω
ω
s
s
ω
ω
s
k . cos β .
ω
ω
s
.
ω
Θ
X
ω
ω
(7)
Dari matrik ini dapat diperoleh besarnya amplitudo respon
3
geetaran sistem mekanisme wave poweer , kemuddian
dissubtitusikan besarnya ampilltudo simpangan ke persam
maan
(7)) maka akan diiperoleh respon
n getaran.
IV. HASIL PENELITIAN
A. w1=0.068 m/s
/s dan w2=0.095m/s posisi inllet dari atas
Pada gbr 5, T1 merupakan gaya thrrust pada foill 1
seddangkan pada T2 merupakaan gaya thrustt pada foil 2. Tt
meerupakan T tottal penjumlahaan T1 dan T2.. Sedangkan pada
Tt*cos θ meruppakan transform
masi nilai Tt ke
k arah sumbu z
sehhingga dikalikkan sudut antaara garis tengah chord denggan
sum
mbu z.
Gbr. 5 Grafik thrustt pada w1 = 0.0068 m/s
hrust w1 pada sumbu
s
z
Gbr. 6 Grafik total th
Pada gbr 6 dapat
d
dilihat baahwa semakin besar nilai suudut
serrang (angle off attack) maka nilai total thruust pada sumbbu z
sem
makin kecil. Hal
H ini disebaabkan karena koefisien
k
lift dan
draag dimana koeefisien ini mem
miliki fungsi daari sudut seranng θ
daan rasio aspek A.
A Rasio aspek
k didefinisikan sebagai rasio dari
d
kuuadrat panjangg sayap (chorrd) terhadap luasan planfoorm.
Kooefisien lift meningkat
m
dan drag berkuranng seiring denggan
peeningkatan rasio aspek. Pada kondisi ini gayya lift merupakkan
sum
mbu z sedanggkan gaya drag
g pada sumbuu y. Jika θ terllalu
beesar, maka lappisan batas pada permukaaan atas berpissah,
aliiran pada sayapp berkembang menjadi daeraah olakan turbuulen
yaang luas. Apabbila sudut seraang melebihi dari
d 15° maka lift
akkan semakin beerkurang dan drag
d
meningkaat maka foil akkan
meengalami stall.
kan nilai thrustt yang dihasilkkan
Pada gbbr. 7 merupak
oleeh foil pada masing-masing
m
sudut antara 15° sampai -115°.
Seehingga dapat dibandingkan
d
nilai
n
thrust padda w1 dan w2 (ggbr.
8).. Dimana nilaii w1 = 0.068 m/s
m dan w2 = 0.095 m/s. Nilai
N
thrrust yang dihaasilkan w2 lebih
h besar daripada w1. Kecepaatan
meempengaruhi besarnya
b
nilaii thrust. Sehinngga nilai thrrust
yaang dihasilkan akan
a
berpengaruh pada keceppatan katamaraan.
Gbr. 7 Graffik total thrust w2 pada sumbuu z
Gbr. 8 Grafik perbanndingan nilai thruust w1dan w2 padda sumbu z
posisi inlet diaatas
B. w1=00.068 m/s dan w2=0.095m/s posisi
p
inlet darri bawah
Jika dibandingkann dengan konddisi inlet dari atas dengan
kondisi inlet dari baw
wah terjadi sellisih nilai thrust walaupun
memilikki nilai w1 daan w2 yang sama.
s
Hal ini disebabkan
karena interaksi fluiida yang terjadi, dimana penempatan
holder mempengaruhi
m
i aliran fluida. Sehingga perrlu diadakan
penguraangan ketebalaan holder. Dappat lihat nilai thrust pada
posisi innlet dibawah gbbr. 9.
Gbr. 9 Grafik perbanndingan nilai thruust w1dan w2 padda sumbu z
p
posisi
inlet dibaawah
C. Ham
mbatan Katamaaran & Kecepaatan
Gbr. 100 Asumsi gerakk katamaran
Tahaanan kapal padda kecepatan yang
y
digunakann merupakan
gaya yang dibutuhkann untuk menarikk kapal pada kecepatan
k
itu
4
di air tenang, dengan asumsi tidak ada gaya luar yang menarik
kapal (Van Manen & Van Oossanen, 1988)[5]. Sehingga gaya
thrust yang dihasilkan oleh foil pada kondisi air tenang akan
menarik katamaran, kecepatan didapat dari grafik hambatan
dimana pada sumbu y merupakan nilai hambatan sedangkan
pada sumbu x merupakan kecepatan. Untuk w1=0.068m/s,
kecepatan katamaran pada nilai thrust untuk posisi inlet diatas
dengan sudut -15° hingga 15° berkisar antara 0.198 sampai
0.265 knot dan memiliki nilai rata-rata 0.245 knot. Untuk
w2=0.095m/s kecepatan katamaran pada nilai thrust dengan
sudut -15° hingga 15° berkisar antara 0.618 sampai 0.756 knot
dan memiliki nilai rata-rata 0.714 knot. Dengan
membandingkan nilai rata-rata pada kecepatan w1 dan w2
didapat bahwa nilai kecepatan hampir dua kali lipat. Hal ini
dipengaruhi oleh besarnya nilai hambatan, jika nilai thrust
semakin besar maka kecepatan yang dihasilkan semakin
tinggi.
Untuk w1=0.068m/s, kecepatan katamaran pada nilai
thrust untuk posisi inlet diatas dengan sudut -15° hingga 15°
berkisar antara 0.309 sampai 0.370 knot dan memiliki nilai
rata-rata 0.245 knot. kecepatan katamaran pada nilai thrust
dengan sudut -15° hingga 15° berkisar antara 0.842 sampai
0.960 knot dan memiliki nilai rata-rata 0.920 knot. Dengan
membandingkan nilai rata-rata pada kecepatan w1 dan w2
didapat bahwa nilai kecepatan hampir dua kali lipat. Hal ini
dipengaruhi oleh besarnya nilai hambatan, jika nilai thrust
semakin besar maka kecepatan yang dihasilkan semakin
tinggi. Dengan semakin naiknya nilai thrust maka kecepatan
semakin tinggi. Selisih antara arah foil dari atas dan bawah
adalah sekitar 2 N, seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya
bahwa perbedaan selisih ini timbul akibat interaksi aliran
fluida dengan holder. Dimana pada holder memiliki ketebalan
dan memiliki kegunaan untuk menumpu foil. Sehingga
pemilihan bahan dan kekuatan material akan mempengaruhi
ketebalan holder.
D. Frekuensi Natural
Dengan menggunakan matriks A adalah nol. Berdasarkan
perhitungan yang telah dilakukan, maka diperoleh besarnya
frekuensi natural sebagai berikut :
Kx = 100 Nm Sehingga nilai frekuensi naturalnya sebagai
berikut:
ωn1 = - 20900 rad/s
ωn2 = 20900 rad/s
ωn3 = - 1 rad/s
ωn4 = 1 rad/s
Frekuensi natural yang dipakai adalah ωn2 = 22200 rad/s.
Dengan bantuan software MATLAB, Sehingga didapat
nilai simpangan lateral dan torsional. Besarnya nilai Kx
mempengaruhi jarak simpangan yang ditimbulkan walaupun
gaya yang digunakan sama. Semakin besar nilai Kx
simpangan yang dihasilkan semakin kecil. Besarnya kecepatan
fluida mengenai foil menghasilkan gaya hidrodinamis yang
mengakibatkan sistem mekansime pegas bergetar dan
memiliki simpangan.
V. KESIMPULAN
Sehingga dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
a. Kecepatan fluida mempengaruhi besarnya nilai gaya
thrust yang dihasilkan dan besarnya sudut foil
mempengaruhi nilai thrust. Dengan adanya nilai gaya
thrust ini dapat dilihat terjadi reaksi maju ke depan
(searah sumbu z).
b. Besarnya simpangan lateral dan torsional bergantung
pada nilai Kx. Dimana nilai Kx yang dianalisa adalah 10
Nm dan 100 Nm. Sehingga nilai simpangan yang
dihasilkan memiliki selisih yang cukup besar. Kx = 10
Nm memiliki simpangan hampir 8 m sedangkan pada
Kx = 100 Nm memiliki simpangan 0.8 m sehingga
memiliki perbedaan 1/10. Untuk analisa ini maka nilai
yang diambil adalah Kx = 100 Nm.
c. Kecepatan katamaran pada kecepatan gelombang (w1 =
0.068 m/s) adalah berkisar antara 0.198 sampai 0.265
knot. Sedangkan pada kecepatan gelombang (w2 = 0.095
m/s) adalah berkisar antara 0.618 sampai 0.756 knot.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] (n.d.). Retrieved November 11, 2009, from
www.wikipedia.org:
http://en.wikipedia.org/wiki/Polar_moment_of_inerti
a
[2] Abbott, I. H., & Von Doenhoff, A. E. (1959). Theory
Of Wing Sections. New York: Dover Publications,
Inc.
[3] Avallone, E. A., & Baumeister, T. (1997). Mark's
Standard Handbook For Mechanical Engineers, 11th
edition. New York: Mcgraw-Hill, Inc.
[4] Beer, F. P., & Johnston, E. R. (2007). VECTOR
MECHANICS FOR ENGINEERS: STATIC. The
McGraw-Hill Companies, Inc.
[5] Van Manen, J. D., & Van Oossanen, P. (1988).
Principle of Naval Arhitecture Volume II. The
Society of Naval Architets and Marine Engineers.
[6] Vierck, R. K. Vibrations Analysis.