Studi Interaksi Struktur Terapung dengan Kinerja Turbin Sumbu Vertikal Ganda dari Pembangkit Listrik Tenaga Arus Laut

Junianto, Sony (2020) Studi Interaksi Struktur Terapung dengan Kinerja Turbin Sumbu Vertikal Ganda dari Pembangkit Listrik Tenaga Arus Laut. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 04111660010006_Disertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only Download (9MB) | Request a copy

Abstract

Pembangkit Listrik Tenaga Arus Laut (PLTAL) tipe terapung memiliki kelebihan dapat menangkap energi arus laut yang terletak di lapisan dekat permukaan. Untuk dapat menangkap arus laut yang arahnya berubah-ubah, pada umumnya digunakan turbin arus laut sumbu vertikal. Penelitian PLTAL sumbu vertikal terapung, sejauh ini telah memanfaatkan turbin tunggal. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa putaran turbin tidak terlalu signifikan memberikan pengaruh terhadap respon gerak struktur apung dari PLTAL. Namun, justru respon gerak dari struktur penopang terapung yang dapat menurunkan kinerja turbin tersebut. Selain itu, putaran turbin dapat meningkatkan tegangan tali dari sistem tambat yang digunakan.
Salah satu upaya untuk meningkatkan kinerja turbin pada PLTAL terapung adalah dengan sistem turbin jamak. Menurut penelitian sebelumnya, metode yang efektif adalah menambah jumlah turbin dalam sebuah struktur penopang terapung. Penopangan turbin jamak dalam sebuah struktur terapung dapat mengurangi satuan luas penopangan dari struktur tersebut. Sehingga, metode tersebut relatif ekonomis. Penambahan jumlah turbin yang disusun secara canard dalam penelitian sebelumnya, dapat meningkatkan efisiensi rata-rata dari sistem pembangkit tersebut. Namun, penelitian tersebut belum mempertimbangkan posisi peletakan dalam sebuah struktur terapung dimana ukurannya dibatasi dengan kondisi lingkungan potensial yang sempit. Oleh karenanya, penelitian ini menggunakan turbin ganda untuk dikembangkan di kemudian hari. Struktur apung yang eksis saat ini adalah tipe katamaran. Dalam perkembangannya, struktur spar memiliki potensi sebagai struktur penopang. Namun, di dalam penelitian ini struktur spar dimodifikasi menjadi quad-spar.
Hipotesis penelitian ini adalah (1) struktur quad-spar memiliki respon gerak yang lebih rendah dibanding katamaran dalam menopang turbin arus laut sumbu vertikal ganda, (2) respon gerak dari struktur penopang relatif memberikan dampak negatif terhadap kinerja turbin ganda, (3) tegangan tali tambat mengalami kenaikan selama turbin arus laut sumbu vertikal ganda berputar. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah (1) menentukan konfigurasi stuktur penopang jenis katamaran dan quad-spar tertambat untuk mendapatkan struktur penopang dengan respon gerak yang rendah, (2) menganalisis pengaruh respon gerak sistem penopang terhadap kinerja turbin arus laut sumbu vertikal ganda, (3) menganalisis pengaruh putaran turbin arus laut ganda terhadap tegangan tali tambat pada sistem penopang PLTAL.
Untuk mencapai hasil yang diinginkan tersebut, maka telah dilakukan penelitian dengan tahapan-tahapan sebagai berikut, (1) melakukan simulasi numerik PLTAL turbin sumbu vertikal ganda tipe terapung yang tertambat (2) melakukan analisis pengaruh respon struktur apung terhadap kinerja turbin-turbin sumbu vertikal yang ditopang, (3) dilanjutkan dengan melakukan analisis terkait pengaruh putaran turbin sumbu vertikal ganda tipe terapung terhadap tegangan tali tambat PLTAL terapung.
Hasil penelitian ini telah memenuhi tujuan pertama. Katamaran dengan rasio S⁄B sama dengan 7,2 lebih baik digunakan sebagai struktur penopang PLTAL terapung dibandingkan katamaran dengan rasio S⁄B sama dengan 4,95. Pelebaran jarak demi-hull membuat lengan momen pengembali lebih kecil sehingga lebih stabil. Kemudian, respon gerak quad-spar dibandingkan dengan katamaran berrasio S⁄B sama dengan 7,2. Quad-spar memiliki respon gerak roll sebesar 66,84%-81,16% dari katamaran, respon gerak pitch sebesar 29,45%-98,95% dari katamaran dan respon gerak yaw sebesar 4,19%-5,42% dari katamaran. Quad-spar memiliki sarat air yang lebih tinggi dan memiliki water plan area yang kecil. Selain itu, quad-spar memiliki konfigurasi floater yang simetris dalam menerima gaya eksternal. Kondisi tersebut menjadikan quad-spar memiliki respon gerak rotasi yang lebih rendah dari katamaran.
Hasil kedua dari tujuan penelitian ini berupa kinerja turbin ganda. Turbin tersebut mengalami perubahan posisi tegaknya pada quad-spar akibat gerak roll dan pitch sehingga pola gaya angkatnya berubah dan menurunkan kinerja turbin tersebut. Penurunan kinerja turbin ganda berputar searah karena gerak roll mencapai 53,75% dan karena gerak pitch mencapai 58,64%. Sedangkan, penurunan kinerja turbin ganda berputar berlawanan arah karena gerak roll mencapai 56,17% dan karena gerak pitch mencapai 60,61%.
Hasil berikutnya menjawab tujuan penelitian ketiga. Tegangan tali tambat quad-spar mengalami kenaikan akibat putaran turbin ganda yang membebaninya. Putaran turbin tersebut memberikan tambahan gaya lateral kepada tali tambat hingga tegangan yang terjadi ikut meningkat. Pada saat gelombang datang head seas, tegangan tali tambat mengalami kenaikan hingga 74,34% karena putaran turbin ganda searah dan hingga 87,83% karena putaran turbin berlawanan arah. Pada saat gelombang datang quartering seas, tegangan tali tambat mengalami kenaikan hingga 89,87% karena putaran turbin ganda searah dan hingga 88,64% karena putaran turbin berlawanan arah.
=====================================================================================================
The floating type of Tidal Current Energy Conversion System (TCECS) has the advantage of being able to capture the energy of tidal current located near the surface area. To be able to capture tidal current with varying directions, a vertical axis tidal current turbine is generally used. The studies of floating vertical axis turbine have used a single turbine. The results of those studies indicate that the turbine rotation does not significantly affect the response of the floating structure motion of TCECS. However, it is precise that the motion response of the floating structure can reduce the performance of the turbine. In addition, turbine rotation can increase the tension of the mooring system.
One of the efforts to increase the turbine power in floating TCECS is a farming system. According to previous studies, an effective method is to increase the number of turbines in a floating supporting structure. The method is relatively economical. Increasing the number of turbines arranged in a canard method in previous studies can increase the average efficiency of the generating system. However, this study has not considered a floating structure where the size is limited by the narrow potential sites. Therefore this research uses twin turbines to be developed in a future. The existing floating structure today is the catamaran type. During its development, the spar structure has potential as a supporting structure. However, in this study, the spar structure is modified to quad-spar.
The hypotheses of this study are (1) the quad-spar structure has a lower motion response than that of the catamaran in supporting vertical axis twin turbines, (2) the motion response of the supporting structure has a negative impact on the performance of the twin turbines, (3) the tension of the mooring rope increases during the twin vertical-axis-turbines rotate. Therefore, the objectives of this study are (1) to determine the configuration of the catamaran and quad-spar as supporting structures to obtain a low motion response, (2) to analyze the effect of the motion response of the supporting system on the performance of the twin vertical turbines. (3) to analyze the effect of twin turbines rotation on mooring rope tension in the TCECS supporting system.
To achieve the desired results, research has been carried out with the following stages, (1) simulating a numerical program of supporting structure of TCECS twin turbines (2) simulating a numerical program of the effect of the response of the floating structure on the performance of the turbines, (3) simulating a numerical program of mooring rope tension due to rotation of the turbines.
The results of this study have met the first objective. Catamaran with a ratio of S/B of 7.2 is better to use as a supporting structure for floating TCECS than catamaran with a ratio of S/B of 4.95. The widening of the demi-hull distance makes the righting moment smaller and thus more stable. Then, the motion responses of quad-spar are compared to catamaran with S/B ratio of 7.2. The results found that lower motion responses can be satisfied by the quad-spar, in which its roll, pitch, and yaw are about 66.8-81.16%, 29.45-98.95%, and 4.19-5.42%, respectively, compared to those of the catamaran. Quad-spar has a high draft and has a small water plan area. In addition, the quad-spar has a symmetrical floater configuration in accepting external forces. These conditions make the quad-spar has lower rotational responses than those of the catamaran.
The second result of this research is about the performance of twin turbines. The turbines undergo a change in its upright position in the quad-spar structure due to roll and pitch motion so that the lift force changes and reduces the turbine's performance. The decrease in the performance of the co-rotating twin turbines due to roll and pitch motion reach 53.75% and 58.64%, respectively. Meanwhile, the decrease in the performance of the contra-rotating twin turbines due to roll and pitch motion reach 56.17% and 60.61%, respectively.
The last result answers the third research objective. The tension of the quad-spar mooring increases due to the twin turbines rotation. The rotation of the turbines provides an additional lateral force to the mooring ropes so that the tension also increases. At the time of the incoming head seas wave, the mooring rope tension increases up to 74.34% due to the co-rotating twin turbines and up to 87.83% due to the contra-rotating twin turbines. When the incoming quartering seas wave, the tension of the mooring ropes increases up to 89.87% due to the co-rotating twin turbines and up to 88.64% due to the contra-rotating twin turbines.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Subjects:	Q Science > QA Mathematics > QA911 Fluid dynamics. Hydrodynamics T Technology > TC Hydraulic engineering. Ocean engineering T Technology > TC Hydraulic engineering. Ocean engineering > TC1680 Offshore structures
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Ocean Engineering > 38001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Dr. Sony Junianto
Date Deposited:	03 Sep 2020 05:11
Last Modified:	10 Jan 2024 08:01
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/81724

Actions (login required)

View Item