RANCANG BANGUN PURWARUPA TEKNOLOGI MIKROHIDRO MENGGUNAKAN KONSEP HIDRO FLUTTER
I P G Sopan Rahtika, I Made Suarta, dan Putu Wijaya Sunu
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Bali Bukit Jimbaran, P.O. BOX 1064 Tuban, Badung, BALI Phone:+62-361-701981, Fax:+62-361-701128 E-mail: sopan_rahtika@yahoo.com

## Abstrak
Menurunnya  cadangan  minyak  dunia  menjadi  krisis  global  untuk  beberapa  dasawarsa  ke  depan.  Pencarian alternatif  energi  terbaharui  menjadi  topik  urgen  tren  penelitian  saat  ini.  Indonesia  memiliki  keberlimpahan ketersediaan  energi  berupa  potensi  pengembangan  mikrohidro.  Penelitian  ini  merupakan  penelitian pengembangan teknologi inovatif baru dalam teknologi mikrohidro berupa teknik pengkonversian energi aliran air menjadi energi listrik menggunakan teknologi hidro flutter. Dalam penelitian ini dilakukan pengembangan alat  baru  pengkonversian  energi  dari  aliran  air  menjadi  energi  listrik.  Sebuah  purwarupa  dibangun  yang  bisa pengekstrak energi dari aliran air di kali menjadi energi mekanik yang siap di konversi menjadi energi listrik menggunakan  prinsip  hydro  flutter  dari  sebuah  flexibly  mounted  free  leading  edge  cantilevered  rigid  plate. Keunggulan  dari  konsep  baru  yang  ditawarkan  adalah  kesederhanaan  dari  desain  dan  kemampuan  untuk membersihkan sistem sendiri sehingga mengurangi biaya pemeliharaan.
Kata Kunci: mikrohidro, hydro flutter, free leading edge cantilevered rigid plate

## Abstract
The decline of the world oil reserves is a global crisis for decades to come. The search for renewable energy alternatives is an urgent topic of current research trends. Indonesia has an abundance of energy availability in the form of potential microhydro development. This research is a research of development of new innovative technology  in  microhydro  technology  in  the  form  of  conversion  technique  of  water  flow  energy  into  electric energy  using  hydro  flutter  technology.  In  this  research,  the  development  of  new  tool  to  convert  energy  from water flow into electrical energy was developed. A prototype was built that can extract energy from the water stream  at  times  into  mechanical  energy  ready  for  conversion  into  electrical  energy  using  the  hydro  flutter principle of a flexibly mounted free leading edge cantilevered rigid plate. The advantages of the new concept are the simplicity of the design and the ability to clean the system by itself, thereby reducing the maintenance costs.
Keywords: microhydro, hydro flutter, free leading edge cantilevered rigid plate

## PENDAHULUAN
Penggunaan minyak bumi sebagai sumber energi terus  meningkat  yang  mengakibatkan  semakin menurunnya  cadangan  minyak  dunia.  Penurunan  ini merupakan krisis global untuk beberapa dasawarsa ke depan. Selain itu, penggunaan bahan bakar fosil juga menjadi  pemicu  krisis  lingkungan  dalam  bentuk polusi  dan  pemanasan  global.  Pencarian  alternatif energi  terbaharui  dan  ramah  lingkungan  menjadi topik urgen tren penelitian saat ini.
Review tentang status perkembangan mikrohidro di  Indonesia  diteliti  oleh  Erinofiardi  et.  al.  (2017) menunjukkan  tingginya  potensi  mikrohidro  di Indonesia  karena  tingginya  curah  hujan  dan banyaknya  sungai  dan  saluran  air  yang  lebih  kecil. Pengembangan  mikrohidro  melalui  design  Agnew turbin  dilakukan  oleh  Mirzaei  et.  al.  (2015).  Axial- flow  turbin  diteliti  oleh  Alexander  et.  al.  (2009) untuk  aplikasi  head  yang  rendah.  Penelitian  secara sosio-ekonomi terhadap potensi mikrohidro dilakukan  oleh  Purwato  dan  Afifah  (2016).Potensi

## Jurnal Integrasi
Vol. 11 No. 1, April 2019, 14-18
e -ISSN: 2548-9828
pengembangan  mikrohidro  di  Tanzania  dilakukan oleh Adebayo et. al. (2013).
Pemahaman  secara  ilmiah  tentang  fenomena flutter  bisa  dicari  jejaknya  mulai  dari  NACA Technical Report No. 496 tentang General Theory of Aerodynamic  Instability  and  the  Mechanism  of Flutter  (Theodorsen,  1934).    Dalam  laporan  ini, Theodorsen  menjelas  secara theori bagaimana flutter bisa  terjadi  pada  sayap  pesawat  terbang  dengan menjelaskan  interaksi  antara  elastisitas  dari  struktur, gaya inersia, dan gaya aerodinamik. Dinamika sayap pesawat  di  model  kedalam  bentuk  matematis  dan solusi  dari  model  itu  bisa  menjelaskan  timbulnya flutter.  Penelitian  ini  dilanjutkan  menjadi  investigasi eksperimental dan dilaporkan dalam NACA Technical  Report  No.  685  (Theodorsen,  1940).  Efek penambahan  Aeleron  dan  Tab  terhadap  flutter selanjutnya  dilaporkan  dalam  NACA  Technical Report No.736 (Theodorsen, 1941).
Fenomena  Flutter  juga  ditemui  dalam  dunia engineering  diluar  pesawat  udara.  Runtuhnya jembatan  Tacoma  Narrows  Bridge  di  negara  bagian Washinton  Amerika  Serikat  pada  tahun  1940 akhirnya  disimpulkan  sebagai  kegagalan  dalam desain  akibat  mengabaikan  efek  aerodinamik. Jembatan  mengalami  flutter  saat  hembusan  angin dengan kecepatan 48 km/jam datang (Fox,1994).
Dengan  hadirnya  teknologi  komputer,  analysis tentang  flutter  banyak  yang  memakai  finite  element method. Peneliti LAPAN melakukan Flutter Analysis untuk mengoptimalkan desain Fin dari roket peluncur satelit  (Andria,  2010).  Manikandan  melakukan metode  finite  elemen  untuk  mengoptimisi  sistem mounting  dari  aerofoil  flutter  test  (Manikandan, 2011).
Beberapa  penelitian  terbaru  tentang  thin  flat plate diantaranya dilakukan oleh Gibbs (2012), Tang (2009),  Zhao  (2012),  Howell  (2009),  dan  Howell (2011).  Gibbs  (2012)  melakukan  secara  eksperimen dan  theory  terhadap  flutter  dari  flat  plate  dengan fixed  leading  edge  memakai  tiga  dimensi  analisis terhadap  axial  flow.  Tulisannya  membahas  tentang flutter  characteristic  sebagai  fungsi  dari  mass  ratio dan aspect ratio (Gibbs,2012).
Liosha  Tang  (2009)  membahas  flutter  dari  dua buah flat plate yang diposisikan secara paralel dengan aliran  fluida  ke  arah  axial.  Dinamika  dari  sistem dibangun  menghasilkan  nonlinear  model.  Penekanan pada tulisan Tang (2009) lebih banyak pada kerangka theori dan belum mencapai eksperimen.
Zhao  (2012)  secara  lengkap  baik  theori  maupun eksperimen  membahas  flutter  dari  flat  plate.
Pembahasan  lebih  menekankan  nonlinear  analisis seperti  pembuatan  poincare  maps.  Hasil  nonlinear analisis ditunjukkan dengan eksperimen.
Howell  (2009)  memakai  fluid-flow  interaction untuk  membahas sifat dari cantilevered plate dengan ideal  flow.  Kerja  dilanjutkan  dengan  membahas effect dari inertial homogeneity terhadap flutter.
Berangkat  dari  latar  belakang  ini,  peneliti bermaksud  untuk  mengembangkan  teknologi  baru sebagai  bentuk  bentuk  jawaban  atas  krisis  ini. Indonesia  memiliki  keberlimpahan  ketersediaan energi  berupa  potensi  pengembangan  mikrohidro. Penelitian  ini  merupakan  penelitian  pengembangan teknologi  inovatif  baru  dalam  teknologi  mikrohidro berupa  teknik  pengkonversian  energi  aliran  air menjadi  energi  listrik  menggunakan  teknologi  hidro flutter.  Dalam  penelitian  ini  akan  dilakukan pengembangan  alat  baru  pengkonversian  energi  dari aliran air menjadi energi listrik.
Sebuah  purwarupa  akan  dibangun  yang  bisa pengekstrak  energi  dari  aliran  air  di  kali  menjadi energi mekanik yang siap di konversi menjadi energi listrik menggunakan prinsip hydro flutter dari sebuah flexibly mounted free leading edge cantilevered rigid plate.  Selama  ini  telah  tersedia  berbagai  teknik pengkonversian  energy  mikrohidro  menjadi  energi listrik  seperti  kincir  air,  turbin  ulir,  axial  turbin. Keunggulan dari konsep baru yang ditawarkan adalah kesederhanaan dari desain, minimum biaya konstruksi sipil dan kemampuan untuk membersihkan  system  sendiri  sehingga  mengurangi biaya pemeliharaan.
Teknologi  mikrohidro  yang  dikembangkan dalam penelitian ini menggunakan sebuah rigid plate yang terpasang secara fleksibel dengan sebuah pegas pada  sebuah  tiang.  Ujung  plat  yang  bebas  diarahkan menghadap ke aliran air. Plat akan mengalami flutter apabila  kombinasi  kekakuan  pegas,  inertia  sistem, dan  kecepatan  aliran  air  yang  sesuai.  Fenomena flutter  inilah  yang  akan  dipakai  sebagai  pengekstrak energy  aliran  fluida  menjadi  energy  mekanis  plat. Energi  mekanik  plat  ini  akan  diteruskan  ke  sebuah alternator  yang  akan  digunakan  untuk  pengkonversi ke energi listrik.
Penelitian ini merupakan penelitian awal dimana sebuah purwarupa akan dibangun  untuk  membangun sebuah alat yang bisa mengektrak energy aliran fluida cair.  Sebuah  fungsional  test  akan  dilakukan  bahwa purwarupa bisa berfungsi dengan baik. Pengkonversian  energy  listrik  bukan  merupakan scope  penelitian  tahap  ini  dan  akan  menjadi penelitian tahap berikutnya.
Penelitian  ini  termasuk  jenis  penelitian  rancang bangun.  Bersamaan  dengan  ini,  ditetapkan  rumusan masalah  yang  menjadi  batasan  penelitian  ini  adalah sebagai berikut:
a.  Bagaimana  konfigurasi  purwarupa  dari teknologi  mikrohidro  yang  menggunakan  prinsip hydro  flutter  dari  sebuah  flexibly  mounted  free leading  edge  cantilevered  rigid  plate,  berikut  cara kerja dan komponen-komponennya?
b.  Berapa  ukuran  optimal  masing-masing komponen dari alat tersebut sehingga dapat berfungsi bersama mengekstrak energy dari aliran fluida secara efisien?
Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  merancang bangun sebuah purwarupa sebuah teknologi mikrohidro  yang  menggunakan  prinsip  hydro  flutter dari  sebuah  flexibly  mounted  free  leading  edge cantilevered  rigid  plate  sebagai  sebuah  desain  yang mudah dimanufaktur dan berkinerja optimum. Secara lebih  spesifik,  tujuan  khusus  penelitian  ini  bisa dinyatakan sebagai berikut:
a.  Untuk  menentukan  konfigurasi,  komponen dan  cara  kerja  purwarupa  sebuah  teknologi mikrohidro  yang  menggunakan  prinsip  hydro  flutter dari  sebuah  flexibly  mounted  free  leading  edge cantilevered  rigid  plate  sebagai  sebuah  desain  yang mudah dimanufaktur dan berkinerja optimum.
b.  Melakukan  penghitungan  untuk  menentukan ukuran  optimal  dari  masing-masing  komponen sehingga dapat berfungsi sebagai pengekstrak energy dari aliran fluida cair.
c.  Membangun  dan  melakukan  fungsional  test terhadap purwarupa yang telah dibangun.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  pengembangan  merupakan  salah  satu bentuk dari penelitian rancang bangun yang tidak lain adalah sebuah iteratif proses. Tahap awal penelitiaan ditetapkan  tujuan  rancang  bangun  yaitu  membangun sebuah purwarupa teknologi mikrohidro. Selanjutnya dalam  iteratif  proses  dilakukan  penentuan  cara  kerja alat,  dilanjutkan  dengan  penentuan  parameter  desain berupa ukuran masing-masing komponen, dilanjutkan  pembuatan  gambar  teknik,  pembuatan komponen,  perakitan  alat,  dan  diakhiri  dengan pengujian  alat.  Dalam  penelitian  ini  dilakukan pengujian  fungsional,  yaitu  menentukan  alat  bisa berfungsi  apa  tidak.  Perbaikan  design  dilaksanakan melalui  proses  iteratif  dengan  perubahan  cara  kerja, ukuran komponen, yang dilanjutkan dengan pembuatan ulang komponen dan perakitan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  penelitian  ini  berupa  design  purwarupa teknologi mikro hidro seperti pada gambar 1. Dengan kombinasi  ukuran  kekakuan  pegas  mounting,  inersia system,  dan  kecepatan  aliran  fluida  maka  rigid  plate akan  mengalami  flutter  bergerak  bolak-balik.  Pegas stopper  berfungsi  untuk  membatasi  maksimum defleksi  dari  rigid  plate.  Gerakan  bolak-balik  dari rigid  plate  diubah  menjadi  gerakan  putaran  oleh poros  engkol.  Gerakan  putaran  ini  siap  dikonversi menjadi
energy
listrik.
Gambar 1. Rancangan teknologi mikrohidro menggunakan konsep hydro flutter dari flexibly mounted rigid plate
+ - pegas mounting arah aliran fluida rigid plate poros engkol pegas stopper
Sebagai penelitian awal penelitian ini focus pada dinamika mekanis dari rigid plate dan mekanis flutter sehingga  alat  yang  didesain  akan  berfungsi  dalam mengekstrak energy dari aliran fluida. Pengkonvesian energy  listrik  akan  dilakukan  pada  penelitian lanjutan.
Pengkonversian  energi  fluida  menjadi  energi mekanik  dilakukan  oleh  rigid  plate.  Hydro  flutter adalah  salah  satu  fenomena  dinamik  hidroelastisitas dimana  gaya-gaya  hidrodinamik  bekerja  bersama dengan  natural  mode  getaran  dari  sebuah  struktur menghasilkan  gerak  periodik.  Gaya  aerodinamik berfungsi  menjadi  energi  input  ke  getaran  struktur yang  bila  tidak  teredam  oleh  sistem  damping  maka amplitude  getaran  akan  bertambah  besar.  Hydro flutter adalah kondisi tidak stabil (unstable condition) sehingga  sering  diistilahkan  sebagai  kondisi  kritikal. Kondisi  kritikal  berhubungan  dengan  satu  kecepatan aliran  fluida  yang  disebut  flutter  speed.  Sebelum mencapai  kecepatan  ini,  flat-plate  akan  bergetar mengalami  Limit  Cycle  Oscillation  (LCO).  Kondisi kecepatan  dibawah  kondisi  kritikal  disebut  kondisi sub-kritikal (sub-critical condition). Pada kondisi ini, sistem  damping  mampu  meredam  getaran  dan menghindari  sistem  dari  kegagalan  struktur.  Alat yang dikembangkan pada penelitian ini memanfaatkan  fluttering  rigid-plate  pada  kondisi sub-kritikal, sehingga aman dari kerusakan.
Selanjutnya energi mekanik dari rigid-plate akan diubah  menjadi  energi  listrik  yang  akan  diteliti  pada peneitian selanjutya.

## SIMPULAN
Sebuah  inovasi  novel  telah  dirancang  dalam teknologi  mikrohidro  dalam  penelitian  ini.  Inovasi baru  berupa  rancangan  purwarupa  teknologi  mikro hidro  dengan  flexibly  mounted  rigid  plate  dengan free leading edge.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Adebayo,  Eric;  Sovacool,  Benjamin  K.;  & Imperiale,  Sara.  (2013)  It's  about  dam  time: Improving microhydro electriﬁcation in Tanzania.  Energy  for  Sustainable  Development. 17 (2013) 378-385
[2]  Alexander;  K.V.;  Giddens,  E.P.;  &  Fuller, A.M.(2009)  Axial-ﬂow  turbines  for  low  head microhydro  systems.  Renewable  Energy  34 (2009) 35–47
[3]  Andria,  Novi  &  Triharjanto  Robertus  Heru (2010)  Optimal  Design  of  RX-420  Fin  Using Flutter  Analysis.  The  ITB  Regional  Conference
on  Mechanical  and  Aerospace  Engineering.  17- 19 Februari 2010, Denpasar, Bali
[4]  Erinofiardia;  Gokhalec,  Pritesh;  Datea,  Abhijit; Akbarzadeha,  Aliakbar;  Bismantolob,  Putra; Suryono,  Ahmad  Fauzan;  Mainil,  Afdhal Kurniawan;  &  Nuramal,  Agus  (2017)  A  review on  micro  hydropower  in  Indonesia,  Energy Procedia.  110(2017) 316 – 321
[5]  Fox,  Robert  W.  &  McDonald,  Alan.  T.  (1994). Introduction  to  Fluid  Mechanics.  John  Wiley  & Son, Inc.
[6]  Gibbs,  S.  Chad,  Wang,  Ivan,  and  Dowell,  Earl. (2012)  Theory  and  experiment  of  a  rectangular plate  with  fixed  leading  edge  in  three- dimensional  axial  flow,  Journal  of  Fluids  and Structures. 34(2012) 68-83
[7]  Howell,  R.M.,  Lucey,  A.D.,  Carpenter,  P.W., Pitman,  M.W.  (2009)  Interaction  between  a cantilevered-free  flexible  plate  and  ideal  flow. Journal  of  Fluids  and  Structures.25  (2009)  544- 566
[8]  Howell,  R.M.,  Lucey,  A.D.,  Pitman,  M.W. (2011)  The  effect  of  inertial  in  homogeneity  on the flutter of a cantilevered flexible plate. Journal of Fluids and Structures 27 (2011) 383-393
[9]  Manikandan,G.  &  Rao,  M.  Ananda  (2011) Aerofoil  Flutter  Analysis,  Simulation  and Optimization.  International  Journal  of  Advance Engineering  Sciences  and  Technologies,  4  (1), 053-068.
[10]Mirzaei,  Ammar;  Shojaeefard,  Mohammad Hassan;  Babaei,  Ali;  &  Yassi,  Yousef.  (2015) Experimental  study  of  redesigned  draft  tube  of an Agnew microhydro turbine. Energy Conversion  and  Management.  105(2015)  488- 487
[11] Purwanto,  Widodo  Wahyu;  &  Aﬁfah,  Nok. (2016)  Assessing  the  impact  of  techno socioeconomic factors on sustainability indicators  of  microhydro  power  projects  in Indonesia:  Acomparative  study.  Renewable Energy. 93 (2015) 312-322
[12] Rahtika,  I.P.G.  Sopan;  Wardana,  I.N.G.;  Sonief, A.A.;  &  Siswanto,  E.  (2017a)  Experimental Investigation  on  Flutter  Similitude  of  Thin-Flat Plates. Advances in Acoustics and Vibration.
[13] Rahtika,  I.P.G.  Sopan;  Wardana,  I.N.G.;  Sonief, A.A.;  &  Siswanto,  E.  (2017b)  Numerical  and experimental  investigation  on  the  flutter  of cantilevered  plates  with  free  leading  edge  in axial  flow.  Journal  of  Engineering  Science  and Technology. Vol. 12, No. 10 (2017) 2805 - 2825
[14] Tang,  Liaosha,  and  Paı¨doussis,  Michael  P.
(2009) The coupled dynamics of two cantilevered flexible plates in axial flow. Journal of Sound and Vibration. 323 (2009) 790-801
[15] Theodorsen,  Theodore    (1934)  General  Theory of  Aerodynamic  Instability  and  the  Mechanism of Flutter, NACA Technical Report No. 496.
[16] Theodorsen,  Theodore    &  Garrick,  L.E.  (1940) Mechanism  of  Flutter:  A  Theoritical  and
Experimental  Investigation  of  the  Flutter
Problem, NACA Technical Report No. 685.
[17]Theodorsen,  Theodore    &  Garrick,  L.E.  (1941) Nonstationary Flow abaout A Wing-Aeleron-Tab Combination  Including  Aerodynamic  Balance, NACA Technical Report No. 736