1  

ANALISA PERILAKU DINAMIS STRUKTUR FLOATING WIND TURBINE (FWT) DENGAN KONDISI LINGKUNGAN DI PERAIRAN KEPULAUAN SERIBU

Rofi’uddin1, Paulus Indiyono2, Afian Kasharjanto3, Yeyes Mulyadi2 1Mahasiswa Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS

2Staf Pengajar Jurusan Teknik Kelautan, FTK-ITS 3Staf Balai Pengkajian dan Penelitian Hidrodinamika

Sumber-sumber angin potensial yang signifikan, kebanyakan berada di daerah perairan cukup dalam sehingga menyebabkan munculnya berbagai konsep pengembangan ladang turbin angin terapung untuk area lepas-pantai. Salah satu konsep penopangnya yaitu spar-buoy yang diadopsi dari konsep teknologi anjungan lepas-pantai yang sudah lebih dulu diaplikasikan dalam bidang migas. Spar-buoy untuk floating wind turbine (FWT) ini berupa struktur silinder yang simetris dengan tinggi 9.2 m dan sarat 7.7 m dengan 4 (empat) konfigurasi tali penambatan. Pada laporan ini akan dibahas tentang respon dinamis dari FWT dengan 3 variasi diameter hull dan 3 variasi diameter bilga dengan menggunakan data lingkungan perairan Kepulauan Seribu. Struktur FWT akan ditinjau untuk 6 arah gerak surge, sway, heave, roll, pitch, dan yaw. Permodelan struktur FWT menggunakan software MOSES 7.0 (MultiOperational Structural Engineering Simulator). Proses analisa respon dinamis menggunakan software MOSES 6.0 dengan metode frequency domain. Dari hasil analisa dengan berbagai variasi diameter bilga dan hull dapat diketahui bahwa struktur FWT dengan diameter hull dan bilga masing-masing 4m dan 1.25x diameter geladak memiliki respon struktur gerakan heave terkecil. Struktur tersebut dipilih karena konfigurasi bilga sangat berpengaruh signifikan terhadap gerakan heave struktur. Besarnya respon struktur untuk gerakan heave pada struktur tersebut adalah 0.748m.

Kata kunci: FWT, diameter hull, diameter bilga, frequency domain, amplitude heave

2. DASAR TEORI

2.1. Analisa Dinamis

Analisa dinamis pada penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan respon struktur berupa RAO dan motion statistics terhadap pembebanan dinamis yaitu beban gelombang dan arus. Struktur FWT sendiri juga memiliki mode gerakan 6 degree of freedom antara lain surge, sway, heave, roll, pitch, dan yaw.

Penelitian ini menggunakan teknik domain frekuensi dengan tujuan untuk memudahkan penyelesaian masalah dinamis. Analisa domain frekuensi telah banyak digunakan untuk permasalahan dinamika struktur terapung dan dapat diaplikasikan untuk menghitung respon struktur dengan memasukkan gelombang acak yang menggunakan formulasi spektrum.

Persamaan gerak dari surface paltform pada 6 derajat kebebasan dapat ditulis sebagai berikut:

dimana: X = percepatan gerak.

X = kecepatan gerak.

X = displacement gerak.

M = massa struktur.

MA

= massa tambah.

BV = drag induced viscous damping.

Bp = potential damping struktur.

K = kekakuan hidrostatik.

Km

= kekakuan dari connector.

F (t) = Gaya eksitasi.

2.2. Gaya Gelombang

Beban gelombang merupakan beban terbesar yang ditimbulkan oleh beban lingkungan pada bangunan lepas pantai (Indiyono,2003). Perhitungan beban gelombang dapat direpresentasikan dengan perhitungan gaya gelombang. Dua pendekatan yang biasa digunakan adalah dengan menggunakan teori difraksi dan teori Morison. Dalam tugas akhir ini, teori yang tepat untuk menghitung gaya gelombang pada struktur FWT menggunakan teori difraksi. Dalam teori ini bilamana suatu struktur mempunyai ukuran yang relatif besar (D/λ > 0.2) maka keberadaan struktur ini akan mempengaruhi timbulnya perubahan arah pada

.. 

. 

2  

medan gelombang disekitarnya. Dalam hal ini difraksi gelombang dari permukaan struktur harus diperhitungkan dalam evaluasi gaya gelombang.

Persamaan kontinyuitas dapat ditulis dalam bentuk kecepatan potensial yaitu :

02

2

2

2

2

22 =

∂∂

+∂∂

+∂∂

=∇zyxφφφφ

dimana : Φ = Φ(x,y,z,t)

Kondisi batas yang digunakan dalam teori difraksi :

Gambar 2.1 Kondisi batas untuk teori difraksi (Chakrabarti, 2004)

Dari gambar diatas dapat dijelaskan bahwa ada 4 kondisi batas yang digunakan dalam teori difraksi, yaitu :

Kondisi batas dinamis

021 222

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∂∂

+=∂∂

zyxg

tφφφηφ di

mana :

η = elevasi gelombang

g = percepatan gravitasi

Kondisi batas kinematis

0=∂∂

−∂∂

∂∂

+∂∂

∂∂

+∂∂

yzzxxtφηφηφη

diasumsikan permukaan dasar laut adalah rata sehingga kecepatan partikel sama dengan kecepatan pada permukaan.

Kondisi batas permukaan dasar laut

0=∂∂

yφ

diasumsikan bahwa permukaan dasar laut bersifat impermiabel sehingga air tidak menembus sea bed.

Kondisi batas permukaan benda

0=∂∂

nφ

apabila benda dianggap impermiabel maka tidak ada normal flux dari fluida yang menembus permukaannya.

Untuk gaya gelombang time series dapat dibangkitkan dari spektrum gelombang sebagai first order dan second order. First order adalah gelombang dengan periode kecil yang daerah pembangkitannya di daerah itu sendiri dan berpengaruh dominan pada motion bangunan apung. Berikut adalah persamaan gaya gelombang first order:

( ) ( ) ( ) ( ) [ ] iii

N

iiwvwv aFtF εωω += ∑

=

cos1

11 ....

dimana : ( ) ( )tFwv1 = gaya gelombang first order

tergantung waktu ( ) ( )ω1

wvF = gaya exciting gelombang first order per unit amplitudo gelombang

iε = sudut fase komponen gelombang first order

ia = amplitudo komponen gelombang first order ( ( ) ωω dS2 )

( )ωS = fungsi spektra gelombang

2.3. Respon Struktur

Response Amplitude Operator (RAO) atau disebut juga dengan Transfer Function merupakan fungsi respon gerakan dinamis struktur yang disebabkan akibat gelombang dengan rentang frekuensi tertentu. Persamaan RAO dapat dicari dengan rumus sebagai berikut (Chakrabarti, 1987) :

xx 

y 

Fixed 

∂=

∂ ηφ

0=∂∂

yφ

θη cos2H

=

0=∂∂

nφ

d

3  

( ) ( )( )ωηω

ω pXRAO =

dimana :

( )ωpX = amplitudo struktur

( )ωη = amplitudo gelombang

Spektrum gelombang yang dipakai dalam tugas akhir ini adalah spektrum JONSWAP yang merupakan modifikasi dari persamaan spektrum Pierson-Morkowitz yang disesuaikan dengan kondisi laut yang ada. Persamaan spektrum JONSWAP dapat ditulis sebagai berikut :

( )( )

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −−−

−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

20

2

20

24

0

52 25,1 ωτ

ωω

γωωωαω

EXP

EXPgS

dimana : τ = parameter bentuk untuk 0ωω ≤ = 0,07 dan 0ωω ≥ = 0,09 α = 0,0076 (X0)-0,22, untuk X0 tidak diketahui maka α = 0,0081

( ) 33,000 2 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= X

Ug

ω

πω

ωUXgX =0

γ = parameter puncak Spektrum respons didefinisikan sebagai respons kerapatan energi pada struktur akibat gelombang. Spektrum respons merupakan perkalian antara spektrum gelombang dengan RAO kuadrat, secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

( )[ ] ( )ωω SRAOS R2=

dimana :

RS = spektrum respons (m2-sec) ( )ωS = spektrum gelombang (m2-sec)

( )ωRAO = transfer function ω = ferkuensi gelombang (rad/sec) 3. PEMODELAN STRUKTUR

3.1. Pemodelan dengan MOSES

Pemodelan dilakukan dengan software MOSES, yaitu pemodelan struktur dan pemodelan beban dinamis yang bekerja pada hull. Tahapan pemodelan dengan software MOSES adalah sebagai berikut: 1. Memodelkan hull FWT pada MOSES 7. 2. Model FWT divariasikan dengan

dimensi diameter hull sebesar 3.3m, 3.6m, 4m.

3. Model FWT yang telah divariasikan dengan diameter hull kemudian diberikan variasi diameter bilga sebesar 1x ∅ geladak, 1.125x ∅ geladak, dan 1.25x ∅ geladak.

4. Memasukkan konfigurasi connector, kondisi lingkungan dan arah pembebanan.

5. Melakukan analisa dalam frequency domain, sehingga diperoleh Motion Response Operator (RAO Motion), Motion Response Spectra, dan Motion Statistics.

Gambar 3.1. Model FWT tampak isometri 3.2. Analisa Model

Validasi model struktur dilakukan dengan membandingkan motion response operator struktur free floating yang dibebani dari

4  

beberapa arah antara lain 0o, 45o dan 90o dengan beban lingkungan yang sama.

Gambar 3.2. RAO surge free floating

Gambar 3.3. RAO sway free floating

Gambar 3.4. RAO heave free floating

Gambar 3.5. RAO roll free floating

Gambar 3.6. RAO pitch free floating

Gambar 3.7. RAO yaw free floating

Dari grafik diatas terlihat bahwa nilai RAO gerakan surge pada arah pembebanan 00 dan 450 sama dengan nilai RAO gerakan sway pada arah pembebanan 450 dan 900, dan nilai RAO gerakan pitch pada arah pembebanan 00 dan 450 sama dengan nilai RAO gerakan roll pada arah pembebanan 450 dan 900. Untuk nilai RAO gerakan heave dan yaw memiliki nilai yang sama pada semua arah pembebanan. 4. ANALISA HASIL

4.1. Pengaruh variasi dimensi hull FWT.

4.1.1. Dimensi hull FWT 3.3m

Untuk arah pembebanan 0o diperoleh nilai surge, heave dan pitch maksimum. Motion statistics ketiga gerakan adalah sebagai berikut: 

Gambar 4.1. Motion statistic surge untuk

heading 00 dengan diameter hull 3.3m

5  

Dari grafik surge diatas dapat dilihat bahwa amplitude terkecil diperoleh pada kondisi jari-jari bilga 2.4 meter yang nilainya 0,464 m untuk Average 1/3 of Height dan 0,864 m untuk Maximum amplitude.

Gambar 4.2. Motion statistic sway untuk

heading 00 dengan diameter hull 3.3m

Gerakan heave, amplitude terkecil diperoleh pada kondisi jari-jari bilga 3 meter yang nilainya 0,444 m untuk Average 1/3 of Height dan 0.825 m untuk Maximum amplitude.

Gambar 4.3. Motion statistic pitch untuk

heading 00 dengan diameter hull 3.3m

Gerakan pitch, amplitude terkecil diperoleh pada kondisi jari-jari bilga 2.4 meter yang nilainya 0.213 derajat untuk Average 1/3 of Height dan 0,397 derajat untuk Maximum amplitude. Untuk arah pembebanan 90o diperoleh nilai sway dan roll maksimum dari motion statistics sebagai berikut :

Gambar 4.4. Motion statistic sway untuk heading 900 dengan diameter hull 3.3m

Dari grafik sway diatas dapat dilihat bahwa amplitude terkecil diperoleh pada kondisi jari-jari bilga 2.4 meter yang nilainya 0,464 m untuk Average 1/3 of Height dan 0,864 m untuk Maximum amplitude.

Gambar 4.5. Motion statistic roll untuk heading 900 dengan diameter hull 3.3m

Untuk gerakan roll, amplitude terkecil diperoleh pada kondisi jari-jari bilga 2.4 meter yang nilainya 0.213 derajat untuk Average 1/3 of Height dan 0.397 derajat untuk Maximum amplitude. 4.2. Pengaruh Variasi Dimensi Bilga FWT

4.2.1. Dimensi bilga FWT 1x dimensi geladak.

Untuk arah pembebanan 0o diperoleh nilai surge, heave dan pitch maksimum. Motion statistics ketiga gerakan adalah sebagai berikut:

6  

Gambar 4.6. Motion statistic surge untuk heading 00 dengan diameter bilga 2.4m

Dari grafik surge diatas dapat dilihat bahwa amplitude pada jari-jari hull 1.65m, 1.8m, dan 2m memiliki selisih perbedaan amplitude yang kecil. Amplitude terkecil diperoleh pada FWT dengan jari-jari hull 1.8 meter yang nilainya 0.463 m untuk Average 1/3 of Height dan 0.86 m untuk Maximum amplitude.

Gambar 4.7. Motion statistic surge untuk heading 00 dengan diameter bilga 2.4m

Untuk gerakan heave, amplitude pada jari-jari hull 1.65m, 1.8m, dan 2m memiliki perbedaan amplitude yang kecil pula. Amplitude terkecil diperoleh pada FWT dengan jari-jari hull 2 meter yang nilainya 0.484 m untuk Average 1/3 of Height dan 0.9 m untuk Maximum amplitude.

Gambar 4.8. Motion statistic surge untuk heading 00 dengan diameter bilga 2.4m

Pada gerakan pitch, amplitude terkecil diperoleh pada FWT dengan jari-jari hull 1.65 meter yang nilainya 0.213 derajat untuk Average 1/3 of Height dan 0.397 derajat untuk Maximum amplitude. Untuk arah pembebanan 90o diperoleh nilai sway dan roll maksimum dari motion statistics sebagai berikut :

Gambar 4.9. Motion statistic sway untuk heading 900 dengan diameter bilga 2.4m

Dari grafik sway diatas dapat dilihat bahwa amplitude terkecil diperoleh pada FWT dengan jari-jari hull 1.8 meter yang nilainya 0.463 m untuk Average 1/3 of Height dan 0.86 m untuk Maximum amplitude.

Gambar 4.10. Motion statistic roll untuk heading 900 dengan diameter bilga 2.4m

Untuk gerakan roll, amplitude terkecil diperoleh pada FWT dengan jari-jari hull 1.65 meter yang nilainya 0.213 derajat untuk Average 1/3 of Height dan 0.397 derajat untuk Maximum amplitude. 4.3. Pemilihan Model

Dari hasil analisa dinamis yang telah diuraikan sebelumnya, respon gerak struktur FWT akibat pengaruh variasi diameter hull dan variasi diameter bilga dapat ditabulasikan sebagai berikut :

7  

Diameter Bilga

Diameter Hull Maximum Amplitude

(meter) (meter) Surge Sway Heave Roll Pitch

(m) (m) (m) (deg) (deg)

1x � geladak

3.3 0.864 0.864 0.909 0.397 0.397

3.6 0.86 0.86 0.953 0.414 0.414

4 0.869 0.869 0.9 0.514 0.514

1.125x �

geladak

3.3 0.882 0.882 0.873 0.443 0.443

3.6 0.901 0.901 0.866 0.5 0.5

4 1.018 1.017 0.751 0.903 0.907

1.25x � geladak

3.3 0.936 0.936 0.825 0.585 0.585

3.6 1.096 1.095 0.748 1.071 1.071

4 0.297 0.336 1.3 1.244 1.322

Dari tabel amplitude maksimum tiap variasi bilga dan diameter hull diatas, dapat diketahui nilai amplitude maksimum untuk heave terkecil diperoleh pada FWT diameter hull 4 meter dengan diameter bilga 1.125x � geladak. Sedangkan untuk FWT diameter hull 3.6 meter nilai heave terkecil diperoleh pada FWT dengan diameter bilga 1.25x � geladak.

5. KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari hasil penelitian tugas akhir ini antara lain : 1. Perilaku gerak struktur FWT terdiri dari

gerakan translasi surge, sway dan heave serta gerakan rotasional roll dan pitch, sedangkan untuk gerakan rotasional yaw sangat kecil. Gerakan yaw yang kecil adalah akibat dari bentuk struktur yang silinder dan simetris, sehingga resultan gaya pada struktur yang mengakibatkan gerakan yaw sama dengan atau mendekati nol.

2. Hasil pengujian variasi diameter hull dan variasi diameter bilga menunjukkan bahwa penambahan diameter hull dan diameter bilga pada struktur FWT secara umum akan memperkecil respon gerakan heave dan memperbesar respon gerakan surge, sway, roll dan pitch.

3. Dari hasil analisa dengan berbagai variasi diameter bilga dan hull dapat diketahui bahwa struktur FWT dengan diameter hull dan bilga masing-masing 4m dan 1.25x � geladak memiliki respon struktur gerakan heave terkecil. Struktur tersebut dipilih karena konfigurasi bilga sangat berpengaruh signifikan terhadap gerakan heave struktur. Besarnya respon struktur

untuk gerakan heave pada struktur tersebut adalah 0.748m.

Dari Tugas Akhir yang telah dilakukan, ada beberapa saran untuk pengembangan penelitian ini selanjutnya : 1. Dapat dilakukan studi tentang stress pada

sambungan pada tiap-tiap tiang penyangga turbine sampai dengan geladak floater terhadap getaran yang diakibatkan oleh beban angin yang mengenai turbine.

2. Dapat diadakan studi tentang stress pada sambungan bilga dengan hull akibat gerakan heave FWT.

3. Dapat diadakan analisa dinamis terhadap sarat struktur FWT dan analisa tegangan pada wire connector terhadap gerakan FWT akibat beban lingkungan.

DAFTAR PUSTAKA

API RP 2T., 1987, ”Recommended Practice

for Planning, Designing, and

Constructing Tension Leg Platforms”,

American Petroleum Institute.

Chakrabarti, S.K., 1986, ”Hydrodynamics of

Offshore Structure“, Computational

Mechanics Publ, Berlin.

Henderson, A.R., 2001, ”Prospects For

Floating Offshore Wind Energy“, Section

Wind Energy, Civil Engineering &

Geosciences, Delft University of

Technology.

Indiyono, P., 2004, ”Hidrodinamika

Bangunan Lepas Pantai“, Penerbit SIC,

Surabaya.

Kogaki, T., Matsumiya, H. and Nagai, M.,

2003, “Technical and Economic Aspects

of Offshore Wind Energy Development

in Japan”, ISOPE-2003, pp.289-293, USA.

8  

Patel, M. H., dan Witch, A. J. 1991,

”Compliant Offshore Structures“,

London : University College London.

Prastianto, Rudi Walujo, 10 April 2008,

“Pembangkit Listrik Bertenaga Angin :

Sebuah Alternatif Cerdas bagi Negeri

Kepulauan”, http://beritaiptek.istecs.org.

Sutomo, J., 1999, ”Handout Hidrodinamika II“, Surabaya : FTK – ITS.

9