Pengaturan Pitch Angle Turbin Angin Berbasis Kendali Logika Fuzzy (Aplikasi Pada Data Angin Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya)

(1)

(2)

DAFTAR PUSTAKA

[1] “Kajian Pembuatan SKEA (Sistem Konversi Energi Angin) Di Sumatera

Utara”, Badan Penelitian dan Pengembang Provinsi Sumatera Utara,

Sumatera Utara,

[2] Jasmin Martinez, “Modelling and Control of Wind Turbine” Master Thesis,

Imperial College, London, 2007

[3] M. Singh, E. Muljadi, J. Jonkman & V. Gevorgian, “Simulation for Wind

Turbine Generators”, NREL, Colorado, 201S

[S] M. Rosyadi, S. M. Muyeen, R. Takahashi & J. Tamura, “A Design Fuzzy

Logic Controller to Enhance the Dynamic Stability of Wind Farms”, MDPI,

Basel, 2012

[5] J. M. Carrasco, E. Galvan & R. Portillo, “Wind Turbine Application”,

Elseveir Inc., 2007

[6] J. Zhang, M. Cheng, Z. Chen & X. Fu, “Pitch Angle Control for Variable

Speed Wind Turbines”, Nanjing, Cina, 2008

[7] A. V. A. Macedo & W. S. Mota, “Wind Turbine Pitch Angle Control Using

Fuzzy Logic ”, IEEE. 2012

[8] A. Musyafa, A. Harika, I. M. Y. Negara & I. Robandi, “Pitch Angle Control

of Variable Speed Wind Turbine Using Fuzzy Logic Controller”,

(3)

3. METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu

Penelitian dilaksanakan pada simulasi komputer dengan menggunakan

software MATLAB dengan memanfaatkan data kecepatan angin yang didapat dari Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) kota Medan. Lama

penelitian direncanakan selama 2 (dua) bulan.

3.2 Bahan dan Peralatan

Adapun bahan-bahan yang digunakan untuk melakukan penelitian ini

adalah data kecepatan angin rata-rata di kota Medan khususnya pada daerah

Medan Tuntungan dan Sekitarnya, dengan tujuan melihat kecepatan angin

minimal dan maksimal yang berhembus di kota Medan. Peralatan yang akan

digunakan dalam penelitian ini adalah software MATLAB.

3.3 Variabel yang Diamati

Variabel-variabel yang diamati dalam penelitian ini meliputi:

 Vw : Kecepatan Angin

 Pm : Daya Mekanis Turbin Angin

 Pg : Daya yang dibangkitkan generator

 : Besar sudut yang harus diaplikasikan pada turbin

 Cp : Koefisien performansi turbin angin

(4)

3.4 Prosedur Penelitian

Berdasarkan diagram alir, teknik perhitungan dan pengolahan dapat dilihat

pada Gambar 3.1 berikut:

(5)

Berdasarkan flowchart penelitian pada gambar 3.1, langkah-langkah penelitian adalah sebagai berikut:

1. Pengumpulan data

Data yang dibutuhkan diambil dari Badan Meteorologi, Klimatologi,

dan Geofisika (BMKG) Kota Medan meliputi:

a. Kecepatan rata-rata angin Kota Medan

b. Kecepatan angin minimal dan maksimal Kota Medan secara umum

c. Kerapatan angin kota Medan

Sedangkan untuk rating generator akan disesuaikan dengan besaran kecepatan angin dan dikalkulasi untuk mendapatkan besaran daya yang

mungkin dapat dihasilkan dengan kecepatan angin kota medan.

2. Membuat model simulasi turbin angin pada simulink

Membuat model simulasi turbin angin dilakukan pada software simulink. Pemodelannya meliputi:

a. Pemodelan turbin angin

b. Pemodelan sistem kontrol pitch angle dengan logika fuzzy

3. Melakukan pengaturan kontrol logika fuzzy

(6)

4. Analisis pengaruh penambahan kontrol logika fuzzy

Analisis pengaruh penambahan kontrol logika fuzzy akan dilakukan

dengan melihat pengaruh yang ditimbulkan oleh kontrol pada

besaran-besaran berikut:

a. Daya mekanis keluaran rata-rata turbin angin

b. Besar pergeseran pitch angle turbin angin

c. Besaran peningkatan efisiensi yang dihasilkan kontrol pitch

angle turbin

5. Membandingkan besaran daya keluaran dengan dan tanpa penambahan

kontrol logika fuzzy

Perbandingan antara besaran daya keluaran ini akan menunjukkan

seberapa besar peningkatan efisiensi kerja turbin angin yang dapat

dihasilkan dengan menambahkan kontrol pitch angle dengan logika fuzzy.

6. Menampilkan hasil dan menarik kesimpulan

Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah peningkatan daya

keluaran dan efisiensi kerja turbin angin setelah ditambahkan kontrol pitch

(7)

3.5 Metoda Kerja Kendali Pitch Angle Berbasis Logika Fuzzy

Metoda kerja logika fuzzy adalah dengan menerjemahkan bahasa verbal yang bersifat kualitatif dan tidak presisi menjadi besaran angka, dimana proses

kerja (fuzzyfikasi) berlangsung dengan memproses masukan berupa angka, lalu

diproses dengan dasar bahasa verbal dan menghasilkan keluaran berupa angka

sebagai output.

Kontrol logika fuzzy akan bekerja dengan tahapan sebagai berikut:

i. Menyatakan input pada sistem,

ii. Mengatur peraturan-peraturan yang akan digunakan pada sistem

iii. Merancang metoda untuk mengonversi hasil kerja fuzzy menjadi sinyal

keluaran yang dapat dimanfaatkan kembali pada sistem (defuzzifikasi)

Kontrol logika fuzzy yang akan menggunakan input berupa berdasarkan deviasi daya dari nilai error ∆P yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

∆ = − (3.1)

Dimana Pref adalah daya yang dinyatakan pada rancangan sistem dan Pg adalah

daya yang diukur pada generator.

Peraturan yang digunakan adalah berdasarkan besaran error daya diatas, dimana ketika error daya zero, maka tidak ada perubahan sudut yang perlu untuk

dilakukan. Ketika error bernilai positif, maka daya yang dibangkitkan tidak sesuai

referensi dan perlu penyesuaian pada sudut turbin, yaitu dengan menurunkan

sudut turbin. Sedangkan saat error bernilai negatif, maka daya yang dibangkitkan

(8)

Peraturan tersebut dapat dilihat pada fungsi membership dibawah ini:

Gambar 3.2 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error)

Gambar 3.3 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut)

Diagram blok kontrol turbin angin dengan logika fuzzy dapat dilihat pada gambar 3.4 berikut:

(9)

Sedangkan proses kerjanya dapat dilihat melalui diagram alir pada gambar 3.5 berikut:

(10)

BABBIVB

SIMULASIBPENGATURANBPITCH ANGLEBTURBINBANGINBBERBASISB

KENDALIBLOGIKABFUZZYB

4.1BUmumB

MATLAB (Matrix Laboratory) merupakan suatu program komputer yang

bisa memecahkan berbagai masalah matematis yang kerap ditemui dalam bidang

teknis. Matlab dapat dimanfaatkan untuk menemukan solusi dari berbagai

masalah numerik secara cepat dan tepat, mulai dari masalah yang sederhana

hingga masalah yang kompleks. Salah satu aspek yang sangat berguna dari

program matlab adalah kemampuannya menggambarkan berbagai jenis grafik,

sehingga pengguna dapat menkisualisasikan data dan fungsi yang kompleks.

Dalam program matlab juga dilengkapi dengan simulink, yaitu perangkat lunak

yang digunakan dalam pemodelan, simulasi, juga menganalisis sistem dinamis.

Mendukung sistem linier dan nonlinier, dapat dimodelkan dalam waktu kontiniu,

waktu sampel atau hibrida dari keduanya. Sistem ini juga dapat multirate, yaitu

memiliki bagian yang berbeda dari apa yang dicontohkan atau diperbaharui pada

tingkat yang berbeda.

Program simulink akan membantu pengguna untuk dapat dengan mudah

membangun suatu model dari awal, atau mengambil model yang sudah ada

kemudian melakukan modifikasi untuk melakukan eksplorasi model non linier

dengan lebih realistis, memperhitungkan faktor gesekan, hambatan udara, gear

(11)

4.2BPengaturanBPitch Angle TurbinBAnginB

Pengaturan besaran perubahan pitch angle pada turbin angin bergantung

pada besarnya kecepatan angin yang datang pada turbin. Hal ini diperlukan untuk

menjaga kinerja dari turbin agar tidak mendapatkan daya yang berlebihan dimana

daya yang berlebihan tersebut akan menjadikan fatigue load pada generator turbin

angin. Adapun tahapan kerja dari kontrol pitch angle turbin angin tersebut dapat

digambarkan melalui diagram blok pada gambar 4.1.

Gambar 4.1 Blok diagram kontrol logika fuzzy pada turbin angin

Adapun besaran dari sudut kerja (β) turbin angin akan didapatkan melalui

perhitungan yang berdasarkan pada persamaan berikut:

= . . . . (4.1)

Dimana besaran dari Cp akan berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan besaran

daya mekanis yang akan dimanfaatkan generator dan juga sesuai dengan rating

yang telah ditentukan berdasarkan kemampuan perangkat turbin angin. Besaran

Cp akan didapatkan melalui persamaan berikut:

(12)

dimana

= _. − . (4.3)

Besaran koefisien c1 hingga c6 menunjukkan koefisien karakteristik turbin

angin (c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 dan c6 = 0.0068).

Adapun besaran dari tip speed ratio (λ) akan bergantung pada banyaknya

baling-baling yang dipasangkan pada turbin angin. Umumnya besaran λ adalah

3-9. Namun, dengan menggunakan simulasi pada software Matlab maka secara

langsung akan menggunakan besaran λ nominal, yaitu 8,1.

Penelitian menggunakan data informasi angin pada kota Medan khususnya

daerah Tuntungan dan sekitarnya dengan stasiun pengamat di Kantor BBMKG

Wilayah 1. Data angin yang diperoleh merupakan data kecepatan angin rata-rata

pada tahun 2013-2015. Melalui data ini, maka didapat besaran angin pada kota

Medan berkisar antara 1 - 6 m/s dengan data terbanyak berada pada kisaran 3 – 4

m/s. Dengan data yang diperoleh, maka dapat dihitung besaran daya mekanis

yang mampu dibangkitkan dengan potensi angin Kota Medan.

Untuk memperoleh kecepatan angin dengan besaran tersebut diperlukan

ketinggian 10 meter dari permukaan tanah. Sehingga dengan demikian, besaran

jari-jari turbin harus dibatasi pula. Pada penelitian ini, digunakan baling-baling

dengan jari-jari sebesar 2 meter. Besaran ini dianggap paling rasional untuk

aplikasi pada daerah perkotaan karena tidak mengganggu secara estetika dan

(13)

Sedangkan untuk penentuan jumlah baling-baling turbin dilakukan dengan

menghitung menggunakan persamaan berikut:

=

. ._. (4.4)

Dimana n = putaran turbin (rpm)

= tip speed ratio

Vm = kecepatan angin maksimal yang diterima turbin (m/s)

D = diameter rotor (m)

Kemudian untuk menghitung jumlah baling-baling pada turbin

membutuhkan persamaan berikut:

=

(4.5)

Sehingga dengan demikian dapat dihitung besaran-besaran tersebut

sebagai berikut:

= (60)(8,1)(6)_{. 4}

= 232,16

Maka akan didapat jumlah baling-baling pada turbin yang paling efektif

sebagai berikut:

=232,16_{8,1 = 3,54}

(14)

Adapun besaran daya mekanis yang paling potensial untuk didapatkan

berada pada kecepatan angin diantara 3 – 4 m/s dengan menggunakan besaran Cp

maksimal yang didapatkan saat sudut turbin berada pada 0o_{bernilai 0,48 dengan}

perhitungan sebagai berikut:

 Pada kecepatan angin 3 m/s

=1_{2 . . . .}

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 3

= 99,7

=1_{2 . . . .}

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 4

= 236,33

Dengan demikian, maka diambil besaran daya mekanis yang memadai

untuk daerah kota Medan adalah sebesar 200 Watt yang mana akan didapatkan

dengan kecepatan angin sebesar 3,78 m/s. Hal ini menyebabkan perlunya

penyesuaian besaran koefisien performansi (Cp) agar menjaga besaran daya

mekanis turbin tetap pada 200 Watt dengan cara merubah besaran sudut turbin

(pitch angle). Tindakan ini diperlukan untuk menghindari pembebanan berlebihan

pada generator yang akan menyebabkan generator menerima daya masukan

(15)

panas yang kemudian menyebabkan penurunan performa bahkan dapat merusak

generator.

Selanjutnya akan dilakukan perhitungan besaran Cp dan besaran sudut

yang diperlukan untuk tiap kecepatan angin yang kemudian data tersebut akan

dimasukkan pada kendali logika fuzzy untuk menjadi dasar kendali sudut

baling-baling pada turbin angin. Adapun hitungan tersebut akan dijabarkan sebagai

berikut:

 Pada kecepatan angin 1 m/s (pada kecepatan angin dibawah 3,78 m/s,

sudut turbin adalah 0o_{, sehingga Cp optimum sebesar 0.48)}

=1_{2 . .} . .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 1

= 3,69

=1_{2 . .} . .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 2

(16)

=1_{2 . .} . .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 3

= 99,7

= . . . .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 4

= 236,33

Sehingga akan diperlukan penyesuaian Cp sebagai berikut:

=

_{. . .} (4.6)

=₁ 200

2 (1,225)( . 2 ). 4

= 0,4

Dengan nilai Cp tersebut, maka sudut pada baling-baling turbin akan

dihitung sebagai berikut:

1

(17)

1

= _{8,1 − 0.88 −}1 0.035_{+ 1}

= 0,5176 116− 0,4 − 5 + 0,0068

0,4 = 0,5176 116 (_{8,1 − 0.88 −}1 0.035_{+ 1) − 0,4 − 5} ( , . . )_{+ (0,0068)(8,1)}

0,4 = 0,5176 116 (_{−0.88 + 8.1 − 0.88 + 8.1) − 0,4 − 5}+ 0.03 − 0.7165 ( . .. .. . )_{+ 0.055}

Maka dari perhitungan akan didapat saat kecepatanBanginB4Bm/s,BβB=B2o_.

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 5

= 461,58

=₁ 200

2 (1,225)( . 2 ). 5

= 0,2

1

= _{8,1 − 0.88 −}1 0.035_{+ 1}

(18)

0,2 = 0,5176 116 (_{8,1 − 0.88 −}1 0.035_{+ 1) − 0,4 − 5} ( , . . )_{+ (0,0068)(8,1)}

0,2 = 0,5176 116 (_{−0.88 + 8.1 − 0.88 + 8.1) − 0,4 − 5}+ 0.03 − 0.7165 ( . .. .. . )_{+ 0.055}

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 6

= 797,61

=₁ 200

2 (1,225)( . 2 ). 6

= 0,12

1

= _{8,1 − 0.88 −}1 0.035_{+ 1}

= 0,5176 116− 0,4 − 5 + 0,0068

0,12 = 0,5176 116 (_{8,1 − 0.88 −}1 0.035_{+ 1) − 0,4 − 5} ( , . . )_{+ (0,0068)(8,1)}

(19)

Selanjutnya akan didapatkan hubungan antara kecepatan angin dengan

besaran sudut yang dibutuhkan turbin angin untuk menjaga kerja dari turbin

seperti dapat terlihat pada tabel 4.1.

TabelB4.1 Hubungan Besaran Sudut Baling-Baling Turbin Angin dengan

Kecepatan Angin

Kecepatan Angin (m/s) Sudut Baling-Baling Turbin

1 0o

2 0 o

3 0 o

4 2 o

5 10 o

6 19 o

Selanjutnya, data yang diperoleh akan diterjemahkan dalam logika fuzzy

dan membentuk fungsi membership yang menjelaskan besaran-besaran fuzzy

untuk input dan output yang ditunjukkan dalam bentuk garis.

(20)

Gambar 4.3 Fungsi membership sinyal output pengendali fuzzy (pitch angle)

Kemudian, fungsi membership tersebut akan diaplikasikan pada simulasi

simulink untuk mengendalikan turbin angin dengan kecepatan angin yang

berubah-ubah pada setiap satuan waktunya. Dengan penambahan kendali ini,

maka diharapkan akan didapat daya mekanis dengan besaran maksimal 200 watt

pada kecepatan angin di atas 3,78 m/s untuk menjaga kinerja baik pada turbin

maupun pada generator.

Adapun peraturan-peraturan pada kendali logika fuzzy yang diaplikasikan

dapat dilihat pada tabel 4.2.

TabelB4.2 Peraturan-peraturan dasar kendali pitch angle turbin angin

VwindB 1 4 4.5 5 5.5 6 SudutB 0 2 3 10 16 19

Dimana sistem tersebut dapat diilustrasikan dengan peraturan sebagai

berikut: IF Vwind = 0 THEN Sudut = 0. Begitu pula dengan selanjutnya.

Dengan menggunakan logika fuzzy, maka besaran-besaran kecepatan angin

yang berada diantara kecepatan angin yang telah diatur akan mengkalkulasi

(21)

4.3BRangkaianBSimulasiB

B Model rangkaian untuk mensimulasikan kendali pitch angle turbin angin

dengan logika fuzzy dapat dilihat pada gambar 4.4 dan model rangkaian untuk

sistem turbin angin secara keseluruhan dengan kendali logika fuzzy dapat dilihat

pada gambar 4.5.

Gambar 4.4 Rangkaian simulasi kendali pitch angle turbin angin dengan logika

fuzzy

B

Gambar 4.5 Rangkaian simulasi sistem turbin angin secara keseluruhan dengan

(22)

Vangin

t

t Sudut Turbin

4.4BHasilBSimulasiB

Simulasi pengaturan pitch angle turbin angin berbasis kendali logika fuzzy

pada tugas akhir ini dilakukan dengan menggunakan MATLAB R2012a.

Rangkaian simulasi ditunjukkan pada gambar 4.4 dan 4.5. Keadaan simulasi

dilakukan dengan keadaan sistem dengan beban resistif sebesar 200 Watt. Hasil

simulasi ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 4.6 Kecepatan angin simulasi

(23)

t

t Pmek

Pelektris

Gambar 4.8 Daya mekanis turbin angin dengan kendali logika fuzzy

(24)

t

t Ioutput

Voutput

Gambar 4.10 Tegangan output generator turbin angin dengan kendali logika fuzzy

(25)

t Pmek

4.5BPerbandinganBKinerjaBTurbinBAnginBDenganBdanBTanpaBKendaliBFuzzy

Turbin angin sangat bergantung pada performansinya dalam menghasilkan

besaran daya mekanis yang sesuai dengan harapan. Selain itu, dengan

memperbaiki koefisien performansi, akan mendapatkan perbaikan kinerja dan

efisiensi dari turbin. Dengan demikian, koefisien performansi sangat berpengaruh

pada kerja turbin.

Adapun pengaruh penambahan kendali logika fuzzy dalam pengaturan

pitch angle pada turbin angin dapat dilihat pada percobaan-percobaan berikut

dengan membandingkannya secara langsung pada turbin dengan besaran sudut

yang tetap yang mana besaran sudutnya akan diambil sesuai dengan sudut yang

sesuai dengan sistem simulasi pada percobaan ini.

 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 0o

Adapun secara grafis dapat dilihat pada gambar 4.12.

= dengan logika fuzzy = sudut tetap 0o

Gambar 4.12 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan

(26)

t Pmek

Secara rata-rata, turbin dengan sudut tetap 0o_{akan mendapatkan}

tangkapan daya mekanis yang lebih besar, pada percobaan tertulis bahwa

turbin tersebut akan mendapatkan daya 167,6 watt dibandingkan dengan

kendali logika fuzzy yang hanya 112 watt, namun terlihat pula bahwa daya

mekanis kerap melebihi 200 watt dimana akan sangat mengganggu kinerja

generator.

sudut tetap 2o

Sama halnya dengan saat sudut tetap 0o_{, secara rata-rata, turbin}

dengan sudut tetap 2o_{akan mendapatkan tangkapan daya mekanis yang}

lebih besar, pada percobaan tertulis bahwa turbin tersebut akan

(27)

t Pmek

yang hanya 112 watt, namun terlihat pula bahwa daya mekanis kerap

melebihi 200 watt dimana akan sangat mengganggu kinerja generator.

sudut tetap 10o

Berbeda dengan saat sudut tetap 0o_{dan 2}o_{, maka pada saat turbin}

menggunakan sudut tetap sebesar 10o_{, besaran tangkapan daya mekanis}

sudah berada di bawah turbin dengan kendali logika fuzzy. Dengan

karakteristik grafik yang sudah hampir menyerupai hasil dengan logika

kendali fuzzy, maka sudut tetap 10o_{memenuhi kriteria untuk diaplikasikan}

sebagai sudut tetap turbin. Namun dengan rata-rata daya yang didapatkan

(28)

t Pmek

sebesar 112 Watt, maka terdapat keuntungan berupa besaran daya yang

dapat dihasilkan dengan penambahan logika fuzzy sebesar 11,9%.

sudut tetap 19o

Serupa dengan saat menggunaan sudut tetap 10o_{, maka pada saat}

turbin menggunakan sudut tetap sebesar 19o_{, besaran tangkapan daya}

mekanis sudah berada di bawah turbin dengan kendali logika fuzzy.

Namun dengan rata-rata daya yang didapatkan yaitu sebesar 33,51 Watt

dibandingkan dengan kendali logika fuzzy sebesar 112 Watt, dimana

terdapat selisih sebesar 70%, maka besaran sudut ini terbilang tidak

(29)

4.6BPengaturanBTeganganBpadaBTurbinBAnginB

Turbin angin memiliki kekurangan berupa tegangan keluaran generator

yang tidak stabil. Hal ini disebabkan putaran turbin angin yang menjadi energi

mekanis berupa putaran yang masuk pada generator tidak bisa stabil akibat

kecepatan angin yang kerap berubah-ubah setiap waktunya. Tegangan yang

berubah-ubah ini menyebabkan tidak bisanya perangkat listrik untuk dihubungkan

langsung dengan turbin angin. Tegangan yang berubah-ubah ini akan

menyebabkan kerusakan pada perangkat listrik.

Hubungan antara tegangan yang dibangkitkan generator dengan putaran

masukan pada generator dapat dilihat pada persamaan berikut:

= . . ∅ − (4.7)

Dimana:

 V = Tegangan terminal generator

 c = Konstanta mesin

Kecepatan putaran masukan turbin angin ini tentu sangat berpengaruh

pada generator yang terpasang pada turbin. Hal ini menyebabkan pemilihan jenis

(30)

turbin angin. Pada turbin angin dengan skala kecil atau beban rumah tangga

(dibawah 450 Va) maka penggunaan generator induksi sangatlah efisien. Hal ini

dikarenakan generator induksi yang digunakan pada turbin adalah motor induksi

yang bekerja secara “terbalik” dimana pada mesin induksi akan diberikan putaran

pada rotor yang melebihi putaran medan pada stator mesin induksi. Karena mesin

induksi diproduksi secara massal dan tersedia dalam banyak spesifikasi maka

mesin induksi memiliki harga yang murah. Selain itu, mesin induksi juga tidak

membutuhkan sikat atau komutator, sehingga tidak ada suku cadang yang harus

diganti secara berkala. Dengan demikian, tingkat kehandalan generator induksi

ternilai cukup baik. Generator induksi merupakan generator yang menggunakan

prinsip induksi elektromagnetik dalam pengoperasiannya. Generator ini dapat

bekerja pada putaran rendah serta tidak tetap kecepatannya, sehingga generator

induksi umum digunakan pada pembangkit tenaga angin.

Kecepatan angin yang berubah-ubah akan menyebabkan tegangan yang

dihasilkan terus berubah. Hubungan antara tegangan yang dihasilkan dengan

kecepatan angin yang berubah-ubah dapat dilihat pada gambar 4.16 dan 4.17

berikut:

Gambar 4.16 Tegangan dan arus keluaran generator turbin angin dengan

(31)

Gambar 4.17 Tegangan dan arus keluaran generator turbin angin dengan

kecepatan angin berubah dari 5 ke 4 dan 4 ke 3 m/s

Sedangkan hubungan antara kecepatan angin dan tegangan yang

dibangkitkan dapat dilihat pada gambar 4.18. Dimana pada gambar terlihat bahwa

semakin tinggi kecepatan angin yang mengalir, maka tegangan yang dibangkitkan

juga semakin tinggi. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan dimana pada

kecepatan angin yang tinggi, maka daya yang dibangkitkan pun meningkat.

Gambar 4.18 Hubungan antara tegangan keluaran generator turbin angin

dan kecepatan angin

Hal ini menyebabkan sangat diperlukannya penambahan pengendali

tegangan pada turbin angin. Pengendali tegangan akan mengatur besarnya

(32)

tegangan AC menjadi DC untuk kemudian dikembalikan menjadi tegangan DC

yang sesuai dengan standar jaringan ataupun perangkat yang terhubung padanya.

Kecepatan angin yang berubah-ubah akan menyebabkan tegangan yang

dibangkitkan oleh generator juga terus berubah. Hal ini menyebabkan, perlunya

tambahan kontrol tegangan pada pembangkit turbin angin. Turbin-turbin angin

akan dihubungkan pada ruang kendali dimana ruang kendali akan terdiri dari

rectifier-inverter dan buck-boost converter.

Gambar 4.19 Kontrol tegangan pada sistem turbin angin

Rectifier yang berarti penyearah akan menyearahkan tegangan yang

dihasilkan generator turbin-turbin angin tersebut dari tegangan bolak-balik (AC)

menjadi tegangan searah (DC).

Selanjutnya tegangan DC tersebut akan dialirkan menuju buck-boost

converter. Peralatan ini akan mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi

tegangan DC yang bersifat kariabel atau dapat disesuaikan dengan kebutuhan

tegangan yang diperlukan. DC chopper akan meregulasi tegangan DC dengan

metode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC yang tidak teregulasi menjadi

tegangan DC yang teregulasi. Regulasi ini dilakukan dengan pengaturan PWM

(33)

Prinsip kerja buck-boost converter dapat diklasifikasikan ke dalam prinsip

kerja DC Chopper step up ataupun DC Chopper step down. Tegangan keluaran

dari buck-boost converter dapat dibuat lebih besar atau lebih kecil dibanding

tegangan masukannya dengan mengatur frekuensi dan durasi pensaklaran pada

perangkat ini.

Selanjutnya, buck-boost converter akan dihubungkan dengan inverter.

Inverter yang berarti pembalik akan merubah tegangan DC yang dihasilkan

buck-boost converter menjadi kembali ke tegangan bolak-balik (AC). Hal ini tidak lain

disebabkan kebutuhan rumah tangga yang menggunakan catu daya AC, maka

diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan buck-boost

converter menjadi gelombang AC agar dapat digunakan pada rumah tangga.

Pada turbin angin, pengendalian tegangan yang paling sesuai akan dimulai

dengan menambahkan penyearah gelombang, dimana penyearah gelombang akan

mengubah sinyal tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah.

Gambar 4.20 Rangkaian penyearah tegangan

Prinsip kerja dari penyearah di atas dimulai pada saat tegangan masukan

(34)

dan D2, D3 pada posisi reverse bias sehingga lekel tegangan sisi puncak positif

tersebut akan di lewatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat tegangan

masukan dari generator memberikan lekel tegangan sisi puncak negatif maka D2,

D3 pada posisi forward bias dan D1, D4 pada posisi reverse bias sehingan lekel

tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D3. Adapun tegangan

keluaran hasil penyearah dapat dilihat gelombangnya pada gambar 4.21.

Gambar 4.21 Tegangan keluaran penyearah tegangan

Namun dikarenakan tegangan yang dihasilkan oleh turbin angin

besarannya berubah-ubah, maka tegangan arus searah yang dihasilkan penyearah

juga berubah-ubah besarannya. Hal ini perlu untuk diperbaiki dikarenakan

tegangan yang berubah-ubah tidak aplikatif pada peralatan elektronik. Maka

selanjutnya perlu dilakukan pengaturan besaran tegangan DC untuk memenuhi

standar kebutuhan spesifikasi peralatan yang akan terhubung generator.

Pengaturan besaran tegangan DC ini akan memanfaatkan peralatan

buck-boost converter. Peralatan ini merupakan peralatan yang menghasilkan tegangan

atau arus DC yang berasal dari masukan DC pula. Pada konkerter jenis ini,

(35)

sumber. Fungsi dari perangkat ini adalah untuk menaikkan atau menurunkan

tegangan DC.

Gambar 4.22 Rangkaian buck-boost converter

Prinsip kerja dari buck-boost converter terdiri atas dua mode, yaitu saat

saklar konduksi dan saat saklar padam. Pada saat saklar konduksi, maka terjadi

proses pengisian arus. Arus perlahan akan naik hingga mencapai maksimum pada

konduktor dan selanjutnya saklar akan dipadamkan. Selanjutnya, saat saklar

dipadamkan, maka induktor menjadi sumber arus pada rangkaian dan melakukan

pengosongan arus induktor dan arus induktor mengalir menuju beban. Dengan

demikian, maka tegangan keluaran konkerter akan menjadi konstan besarannya.

Setelah mendapatkan besaran tegangan DC yang konstan, maka akan

dilakukan pembalikan tegangan menjadi tegangan AC dengan menggunakan

inverter. Inverter adalah perangkat elektronika yang digunakan untuk mengubah

tegangan DC menjadi tegangan AC. Keluaran dari inverter dapat menjadi

tegangan AC dengan gelombang sinus sehingga dapat dimanfaatkan langsung

(36)

Gambar 4.23 Rangkaian inverter

Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan empat buah sakelar seperti

gambar 4.20, dimana bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi ON, maka akan

mengalir arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, dan jika yang hidup sakelar

S3 dan S4 maka akan mengalir arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri.

Inverter biasanya menggunakan pulse width modulation untuk mengatur laju

pengaturan sakelar untuk mendapatkan tegangan AC yang sesuai dengan sistem

yang akan terhubung padanya.

B

(37)

BABBVB

KESIMPULANBDANBSARANB

5.1BKesimpulanB

Dari hasil penelitian dan pembahasan yang dilakukan, diperoleh

kesimpulan sebaai berikut:

1. Penambahan pengaturan pitch angle turbin angin akan menangkap

energi angin secara optimal untuk kemudian dikonkersi oleh

generator dengan besaran 112 Watt per turbinnya dibandingkan

tanpa pengaturan yang hanya mendapatkan 100,7 Watt dimana

terdapat selisih sebesar 11,3 Watt atau peningkatan efisiensi kerja

turbin angin sebesar 11,9%.

2. Turbin angin yang dilengkapi pengaturan pitch angle dengan

logika fuzzy yang disimulasikan pada program MATLAB, dengan

kecepatan angin berada pada 1 – 6 m/s, akan mendapatkan daya

mekanis sebesar 112 watt.

3. Sudut tetap yang paling aplikatif pada penelitian ini berada pada

sudut 10o_{. Namun demikian, terdapat selisih sebesar 11,9% dimana}

turbin dengan pengaturan pitch angle dengan logika fuzzy dapat

menangkap daya lebih besar.

B

(38)

5.1BSaranB

B Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari tugas akhir ini

adalah sebagai berikut:

1. Agar dilakukan penelitian dengan menggunakan data kecepatan angin dari

daerah yang lebih potensial, dengan kecepatan angin yang rata-rata lebih

tinggi sehingga dapat menghasilkan daya yang lebih besar dan dapat

berpotensi menjadi pembangkit tenaga listrik utama.

2. Melalui hasil penelitian pada tugas akhir ini, didapat tegangan keluaran

bukan berupa sinusoidal sempurna, dimana dengan demikian tegangan

yang dibangkitkan tidak dapat digunakan secara langsung. Sehingga dapat

dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mendapatkan tegangan keluaran

turbin angin yang stabil. Beberapa metode yang dapat dilakukan adalah

dengan mengatur kecepatan kerja turbin (Vcut-in dan Vcut-off), mengubah

jenis generator yang terhubung dengan turbin angin, ataupun dengan

melakukan pengontrolan tegangan yang memanfaatkan piranti elektronika

(39)

2. Tinjauan Pustaka

2.1 Turbin Angin

Turbin angin adalah elemen utama dari sebuah pembangkit listrik tenaga

angin dan digunakan untuk memproduksi energi listrik yang merupakan hasil

konversi dari energi kinetik angin. Turbin angin awalnya dibuat untuk

mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,

keperluan irigasi. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda,

dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan nama Windmill. Sejak

awal maraknya penggunaan turbin angin secara komersial sebagai pembangkit

tenaga listrik di tahun 1980, telah terjadi peningkatan yang pesat dalam hal

karakteristik, efisiensi, kapasitas dan desain dari turbin angin.

Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga angin ialah dengan memanfaatkan

energi kinetik dari partikel angin bergerak dengan kecepatan tertentu yang

ditangkap oleh turbin angin. Baling-baling turbin dirancang sedemikian rupa

sehingga memungkinkan untuk menggerakkan poros rotor generator.

Baling-baling memutar poros dari turbin yang akan menyebabkan rotor pada generator

akan bergerak dan generator mengubah energi rotasi menjadi energi listrik [2].

Potensi dan inovasi baru dalam desain turbin angin secara terus menerus

dieksploitasi dan terutama terkonsentrasi pada desain baling-baling yang lebih

ringan dengan fitur aerodinamis yang lebih baik. Selain itu, sistem pengendalian

pada turbin angin pun terus dikembangkan untuk mendapatkan tangkapan energi

(40)

kinerja dari turbin angin ialah dengan mengendalikan sudut kerja baling-baling

turbin angin.

Secara keseluruhan, industri energi angin mencapai kemajuan besar dalam

dua dekade terakhir dan hal ini akan memainkan peran penting dalam tujuannya

untuk meningkatkan produksi listrik dari sumber energi terbarukan.

Berdasarkan arah sumbunya, turbin angin dibedakan menjadi dua jenis,

yaitu:

a. Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal ialah turbin angin yang memiliki poros

rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin yang berukuran kecil

diarahkan oleh baling-baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran

besar pada umumnya akan menggunakan sensor angin yang digandeng dengan

sebuah servo motor. Kebanyakan turbin angin jenis ini memiliki gearbox yang

mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat sebagai gaya

masukan untuk memutar rotor pada generator [2].

Menara umumnya menghasilkan turbulensi di belakangnya, sehingga

turbin harus diarahkan melawan arah angin yang datang padanya. Bilah-bilah

turbin dibuat kaku agar tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan

tinggi.

Adapun kelebihan turbin angin sumbu horizontal adalah:

 Dasar menara yang tinggi memungkinkan akses ke angin yang kuat

(41)

Sedangkan kekurangan dari turbin angin sumbu horizontal adalah:

 Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga

bilah-bilah yang berat, gearbox dan generator.

 Turbin yang tinggi harus diletakkan pada daerah yang aman dari

lokasi lintasan pesawat untuk menghindari kecelakaan

 Ukurannya yang tinggi akan merintangi jangkauan pandangan dan

mengganggu estetika pemandangan secara umum

 Membutuhkan mekanisme kontrol yaw tambahan untuk

membelokkan kincir ke arah angin

Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal

Turbin angin sumbu horizontal terdiri dari beberapa komponen yang

dipasang utamanya pada bagian atas dari menara. Dalam menara turbin angin,

umumnya hanya terdapat tangga yang digunakan untuk mengakses ruangan nasel

pada bagian atas menara. Sedangkan perangkat-perangkat lainnya berada di dalam

(42)

Gambar 2.2 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Horizontal

Secara umum, konfigurasi utama turbin angin poros datar terdiri dari; rotor

(blade dan hub), nasel/nacelle, generator, transmisi gearbox, kopling dan rem,

sistem orientasi (yaw system), menara, sistem kontrol dan pondasi, seperti

diperlihatkan pada gambar atas. Adapun penjelasan dari masing-masing bagian

tersebut adalah:

1. Sudu (Blade /Baling-baling)

Rotor turbin angin yang terdiri dari baling-baling/ sudu dan hub

merupakan bagian dari turbin angin yang berfungsi menerima energi kinetik

dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak (mekanik) putar pada poros

penggerak. Pada sebuah turbin angin, baling-baling rotor dapat berjumlah 1, 2,

(43)

2. Rotor Hub

Hub merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan

sudu dengan shaft (poros) utama.

3. Kontrol Pitch Sudu

Salah satu tipe rotor adalah dengan sudu terpasang variabel yang dapat

dirubah sudut serangnya dengan mengatur posisi sudut serang sudu terhadap

arah angin bertiup. Rotor dengan mekanisme demikian disebut dengan rotor

dengan pitch sudu variabel. Tidak semua turbin angin menggunakan tipe rotor

dengan sudut sudu variabel.

4. Rem

Rem berfungsi untuk menghentikan putaran poros rotor yang bertujuan

untuk keamanan atau pada saat dilakukan perbaikan.

5. Poros Rotor Putaran Rendah

Poros rotor berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator,

dapat secara langsung maupun melalui mekanisme transmisi gearbox.

6. Gearbox

Pada umumnya transmisi di turbin angin berfungsi untuk

memindahkan daya dari rotor ke generator dengan dipercepat putarannya. Hal

ini diperlukan karena umumnya putaran rotor berotasi pada putaran rendah,

(44)

7. Generator

Generator merupakan komponen terpenting dalam sistem turbin angin,

dimana fungsinya adalah merubah energi gerak (mekanik) putar pada poros

penggerak menjadi energi listrik. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan

oleh generator dapat berupa alternating current (AC) maupun direct current

(DC) dan tegangan keluarannya dapat dari tegangan rendah (12 volt) atau

sampai tegangan 680 volt atau lebih.

8. Kontrol Arah

Pada turbin angin yang relatif besar, umumnya sudah menggunakan

sistem geleng aktif (active yawing system), yang digerakkan oleh motor servo.

Kontrol yawing disini berfungsi menerima input dari sensor anemometer

(mendeteksi kecepatan angin) dan wind direction ( mendeteksi perubahan arah

angin), dan memberikan komando kepada motor servo untuk membelokkan

arah poros turbin angin dan juga memberikan masukan kepada kontrol pitch.

9. Anemometer Sensor

Anemometer berfungsi untuk mendeteksi/mengukur kecepatan angin,

sebagai masukan kepada sistem kontrol untuk mengendalikan operasional

pada kondisi optimum.

10. Tail Vane

Salah satu sistem orientasi yang pasif (passive yawing) adalah

menggunakan ekor pengarah. Fungsi dari ekor pengarah (tail vane) adalah

(45)

11.Nasel (Nacelle)

Fungsi nasel adalah untuk menempatkan dan melindungi

komponen-komponen turbin angin, yaitu : generator, gearbox, kopling, rem, kontrol,

sistem geleng (yawing system).

12.Poros Rotor putaran tinggi

Poros rotor putaran tinggi berfungsi untuk memindahkan daya dari

girboks ke generator.

13.Roda gigi sistem geleng (Yaw drive)

Fungsi yaw drive adalah untuk menempatkan komponen turbin angin

yang berada diatas menara menghadap optimal terhadap arah angin bertiup

mengikuti perubahan arah angin.

14.Motor servo (Yaw motor)

Fungsi motor yaw adalah untuk menggerakan yaw drive untuk

menempatkan komponen turbin angin yang berada diatas menara menghadap

optimal terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan arah angin.

15.Menara / Tower

Menara merupakan tiang penyangga yang fungsi utamanya adalah

untuk menopang rotor, nasel dan semua komponen turbin angin yang berada

(46)

b. Turbin Angin Sumbu Vertikal

Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu rotor utama yang

disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus

diarahkan ke angin agar bekerja secara efektif. Kelebihan ini sangat berguna

untuk lokasi penempatan yang arah anginnya bervariasi. Turbin angin jenis ini

mampu untuk memanfaatkan angin dari berbagai arah [2].

Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di

dekat tanah, sehingga menara tidak perlu menyokong dan lebih mudah untuk

diakses ketika akan dilakukan perawatan. Sehingga biaya perawatannya dari sisi

ini akan menjadi lebih efisien dan rendah.

Namun demikian, karena sulit untuk dipasang diatas menara, maka turbin

angin jenis ini dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah

atau puncak atap sebuah bangunan. Dimana hal ini akan menyebabkan kecepatan

angin yang akan dimanfaatkan menjadi lebih rendah, sehingga energi angin yang

tersedia akan menjadi lebih kecil. Aliran udara yang dekat tanah dan obyek yang

menghalagi datangnya angin juga dapat menyebabkan permasalahan yang

berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan

meningkatkan biaya pemeliharaan untuk mengatasi masalah ini dan

memungkinkan umur turbin angin yang lebih singkat.

Secara umum, adapun kelebihan daru turbin angin sumbu vertikal adalah:

 Karena bilah rotornya vertikal, maka tidak dibutukan mekanisme

(47)

 Karena penempatannya yang dekat dengan dasar lokasi

penempatannya, maka pemeliharaannya akan menjadi lebih mudah

 Memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran

dari ujung sebuah bilah dengan laju angin sebenarnya) yang lebih

rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin

berhembus kencang

Namun, jenis turbin ini juga memiliki kekurangan, yaitu:

 Umunya jenis turbin ini hanya memproduksi 50% energi listrik

yang dapat dibangkitkan oleh turbin angin sumbu horizontal

 Kebanyakan turbin jenis ini memiliki torsi awal yang rendah,

sehingga membutuhkan dorongan eksternal untuk memulai operasi

Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal

Perbedaan lainnya antara jenis turbin angin adalah dengan membedakan

apakah rotor dapat bekerja dengan kecepatan variabel atau terpaku pada kecepatan

(48)

a. Fixed-Speed Wind Turbines

Jenis turbin angin ini adalah yang paling dasar pada operasi turbin angin.

Menggunakan hanya sedikit perubahan kecepatan turbin rotor dan menggunakan

mesin induksi dengan rotor sangkar yang langsung terhubung ke jaringan listrik.

Bantuan daya reaktif eksternal dibutuhkan untuk mengompensasi daya reaktif

yang terpakai oleh mesin induksi. Turbin angin jenis ini menggunakan stall

regulation dan blade pitch regulation untuk mengatur daya yang dibangkitkan

saat kecepatan angin sedang tinggi [3].

Gambar 2.4 Skema Fixed-speed Wind Turbine

b. Variable-Speed Wind Turbine

Variable-Speed Wind Turbine didesain untuk bekerja dengan kecepatan

rotor yang variatif. Turbin ini umumnya menggunakan blade pitching sebagai

pengatur daya keluaran. Kontrol kecepatan dan daya memungkinkan turbin untuk

menghasilkan daya keluaran yang lebih besar daripada Fixed-speed Wind Turbine.

Turbin angin jenis ini menggunakan mesin induksi dengan rotor belitan dengan

penambahan konverter AC/DC. Turbin angin jenis ini menggunakan jenis kontrol

(49)

Gambar 2.5 Skema Variable-Speed Wind Turbine

2.2 Pengontrolan Daya Turbin Angin

Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi

kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin

angin, angin akan mengalami pengurangan energi kinetik yang ditandai dengan

berkurangnya kecepatan angin. Energi kinetik yang hilang ini akan dikonversikan

menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini akan

terhubung dengan rotor dari generator. Generator mengubah energi mekanik

menjadi energi listrik [1].

Besar daya mekanik ( ) yang dihasilkan oleh turbin angin didefenisikan

dalam persamaan di bawah ini [1]:

= . . . . (2.1)

Dimana:

 adalah massa jenis angin (kg/m3)

 Cp adalah koefisien performansi turbin angin

 A adalah luas daerah sapuan turbin (m2₎

(50)

Koefisien performansi, Cp, dinyatakan sebagai perbandingan antara energi

yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu

daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut [2].

Tip speed ratio, , adalah rasio perbandingan antara kecepatan pada ujung

baling-baling turbin angin dan kecepatan angin [2]. Hal ini dapat dijelaskan

bahwa dengan bentuk baling-baling turbin yang baik, maka kecepatan putaran

baling-baling dapat ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan

angin yang sedang mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari

baling-baling turbin. Besaran berbeda-beda untuk tiap jenis turbin. Adapun turbin

angin sumbu horizontal seperti pada penelitian ini memiliki besaran konstan

sebesar 8,1. Sedangkan untuk menghitung besaran aktual dari rasio ini dapat

dilihat pada persamaan (2.2).

=

. (2.2)

Besaran nilai Cp tergantung pada tip speed ratio ( ) dan sudut pitch

baling-baling ( ) dengan hubungan sebagai berikut [5]:

( , ) = − − + (2.3)

dimana

= _. − . (2.4)

Koefisien c1 hingga c6 merepresentasikan diameter rotor, konstanta bahan

(51)

tinggi dan tingkat kelenturan bahan, secara berurutan. Koefisien ini berbeda-beda

besarannya untuk jenis turbin yang berlainan. Tiap jenis turbin memiliki standar

besaran koefisien masing-masing yang berbeda satu dengan lainnya. Pada turbin

angin sumbu horizontal seperti yang digunakan pada penelitian, besaran yang

digunakan adalah c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 dan c6 = 0.0068

[4].

Hubungan antara Koefisien performansi (Cp)dan Tip speed ratio ( ) dapat

dinyatakan dengan kurva pada gambar 2.6 [4].

Gambar 2.6 Karakteristik Cp Vs dengan pitch angle

Umumnya dalam perancangan turbin angin, terdapat beberapa parameter

yang harus diperhitungkan, yaitu kecepatan cut-in (Vcut), kecepatan rating (Vrated),

dan kecepatan cut-off yang merupakan kecepatan dimana turbin angin harus

berhenti beroperasi untuk menghindari kerusakan akibat kecepatan angin yang

melewati turbin angin melebihi batas ketahanan turbin [1].

Melalui persamaan (2.1), daya yang didapat dari angin adalah fungsi kubik

(52)

dua kali lipat lebih besar, maka daya yang akan dihasilkan menjadi delapan kali

lebih besar. Sehingga turbin angin harus didesain agar mampu menahan beban

angin yang lebih tinggi dibanding besaran daya yang bisa dibangkitkan untuk

menghindari kerusakan [2].

Kecepatan angin yang tinggi hanya berlangsung singkat dan hanya

mempengaruhi sedikit dalam proses pembangkitan daya, namun bila tidak

dikontrol, maka desain dan biaya pembuatan generator angin akan meningkat

hanya untuk memastikan turbin angin mampu menahan besaran angin tersebut

[2].

Dengan demikian, maka sangat diperlukan kontrol daya pada turbin angin.

Hal ini tidak lain untuk mendapatkan pembangkit angin yang efisien dan efektif

baik dari segi daya yang dibangkitkan maupun dari segi biaya yang akan

dikeluarkan sebagai investasi yang tepat guna. Saat ini terdapat tiga pilihan

kontrol daya keluaran turbin angin yang umum digunakan.

2.2.1 Stall Control

Stall control adalah metode kontrol yang paling mudah, kuat dan murah.

Metode kontrol ini digunakan untuk turbin angin ukuran kecil dan sedang, dikenal

juga sebagai kontrol pasif karena tidak ada komponen bergerak sebagai pengatur.

Aerodinamika baling-baling menentukan besaran daya keluaran. Lengkungan dan

ketebalan baling-baling rotor yang dibentuk sedemikian rupa akan menyebabkan

turbulensi pada baling-baling ketika kecepatan angin melebihi batas kecepatan

yang ditentukan. Turbulensi ini akan menyebabkan energi angin yang ditransfer

(53)

aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya saat kecepatan

angin melebihi batas tertentu [2].

Adapun kekurangan dari kontrol jenis ini adalah rendahnya efisiensi saat

kecepatan angin rendah dan tidak membantu saat melakukan start mula turbin

dari keadaan berhenti. Selain itu, jenis kontrol ini hanya dapat diaplikasikan pada

turbin angin dengan kecepatan konstan, dimana turbin angin jenis ini

menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin

dengan kecepatan yang berubah-ubah [2].

2.2.2 Pitch Control

Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat

berubah posisi menjauhi atau mendekati arah datangnya angin saat daya keluaran

sangat tinggi ataupun sangat rendah, berurutan. Sudut baling-baling rotor dapat

diatur secara aktif oleh sistem kontrol untuk menghindari daya yang tidak

diharapkan. Pitch control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk

membatasi kecepatan rotor dengan mengatur aerodinamika aliran daya. Pada saat

kecepatan angin rendah dan sedang, sudut baling-baling diatur untuk

memungkinkan turbin angin bekerja pada kondisi optimumnya. Sedangkan saat

kecepatan angin sedang tinggi, sudut baling-baling akan dinaikkan agar daya

aerodinamika berkurang dan menjaga kecepatan putaran rotor agar tetap dalam

batas yang dapat dikontrol [2].

Keuntungan utama kontrol jenis ini adalah kontrol daya menjadi sangat

baik (daya yang dibangkitkan sangat mendekati daya maksimal saat kecepatan

(54)

kerja turbin saat keadaan bahaya. Ketika turbin harus berhenti bekerja ketika

kecepatan angin melebihi batasnya, maka turbin dengan pitch control dapat

mengatur sudut baling-baling untuk mengurangi gaya aerodinamika yang

ditimbulkan oleh energi angin [2].

Sedangkan kekurangannya yang harus diwaspadai adalah kesukaran dalam

mekanisme pengaturan sudut pada baling-baling itu sendiri [2].

2.2.3 ActiveStall Control

Seperti yang ditunjukkan oleh namanya, maka kontrol ini adalah

kombinasi dari dua teknik kontrol yang telah dijelaskan sebelumnya. Pada saat

kecepatan angin rendah dan sedang, maka baling-baling akan diatur sudutnya

serupa dengan turbin yang diatur dengan pitch control. Kemudian ketika turbin

angin mencapai batas kapasitasnya, maka baling-baling akan mengarahkan

sudutnya ke arah berlawanan untuk menjaga daya keluaran agar tetap beroperasi

dengan efektif [2].

2.3 Pitch Angle Control

Kontrol sudut baling-baling turbin angin adalah kontrol yang mengubah

besaran sudut baling-baling dalam menghadapi arah datangnya angin. Dengan

merubah besaran sudut serangan pada arah datang angin, maka tingkat

aerodinamika turbin akan berubah dan menyebabkan turbin memiliki sifat

(55)

Gambar 2.7 Pengaruh sudut pitch angle pada aerodinamika turbin

Pengaturan pitch angle akan merubah sudut baling-baling dengan memutar

leher baling-baling yang terlekat pada rotor turbin. Putaran pada leher rotor ini

dibantu oleh sebuah servo motor dimana servo motor akan mendapatkan perintah

dari pengendali. Pengendali akan memantau kecepatan angin yang sedang

mengalir di udara dengan memanfaatkan anemometer yang terpasang pada ekor

turbin. Anemometer kemudian akan terhubung pada sensor untuk mengetahui

berapa kecepatan angin yang sedang mengalir dan memberikan sinyal pada

pengendali. Pengendali akan memroses data angin yang diterima untuk kemudian

menghasilkan besar geseran sudut yang harus diberikan pada servomotor. Adapun

geseran pada baling-baling dapat dilihat pada gambar 2.8.

(56)

Koefisien performasi turbin angin (Cp) menentukan proporsi dari energi

angin yang dapat dimanfaatkan oleh turbin angin untuk dikonversi menjadi energi

listrik. Besaran ini sangat tergantung pula pada pitch angle baling-baling turbin.

Memutar tiap baling-baling pada sisi longitudinalnya akan merubah pitch angle

yang akan menyebabkan berubahnya besaran Cp yang selanjutnya akan merubah

besaran daya yang dihasilkan dari angin. Pengaturan sudut ini dapat dilakukan

dengan tepat dan cepat dengan menggunakan kontrol servo motor elektrik,

dimana penggunaan perangkat ini memungkinkan kontrol yang halus pada daya

keluaran turbin. Umumnya turbin angin dengan daya lebih dari 0.5 MW

menggunakan kontrol ini sebagai pengatur daya. Tujuan lain dari penggunaan

kontrol ini adalah untuk menghindari daya masukan aerodinamis dan torsi yang

melebihi kemampuan elektris dan mekanis dari perangkat turbin angin dimana hal

ini dapat disebabkan oleh kecepatan angin yang melebihi batas toleransi

kecepatan angin yang dapat diterima turbin [2].

Kontrol diagram secara skematis dapat dilihat pada gambar 2.9 [5].

(57)

Torsi generator (Qe) dan pitch angle ( ) mengontrol turbin angin. Sistem

kontrol ini menggunakan besaran daya yang dibangkitkan (Pe) dan kecepatan

generator ( r), dan dibandingkan dengan torsi generator referensi (Qe ref) dan

pitch angle referensi ( ref_{), dengan menggunakan dua tahapan kontrol [5].}

Aplikasi kontrol ini memungkinkan energi yang yang ditangkap turbin

menjadi maksimal saat kecepatan angin rendah dengan memanfaatkan efek tip

speed ratio yang konstan akibat penambahan kontrol tersebut. Pada saat

kecepatan angin rendah, maka pitch angle akan diatur pada besaran yang konstan

yaitu pada pitch angle yang menghasilkan daya terbesar. Sedangkan pada saat

kecepatan angin tinggi, maka torsi dan daya akan dibatasi pada Qrate dan Prate yang

memiliki besaran yang konstan [5].

Pengaturan pitch angle dibutuhkan pada kondisi dimana kecepatan angin

yang sedang bekerja lebih tinggi daripada kecepatan angin yang menjadi dasar

kerja (rated wind speed) turbin angin tersebut. Sedikit perubahan pada pitch angle

akan memiliki pengaruh yang signifikan pada daya yang dihasilkan. Adapun

beberapa tujuan dari penggunaan kontrol pitch angle adalah [6]:

 Memaksimalkan daya keluaran pada turbin angin, dimana saat

kecepatan angin dibawah rata-rata maka pengaturan sudut

baling-baling harus pada titik optimumnya agar menghasilkan daya

maksimal.

 Menghindari masukan daya mekanis dari angin yang melebihi

kemampuan dari turbin angin itu sendiri. Saat kecepatan angin

(58)

agar daya yang dihasilkan dan daya aerodinamika yang diterima

turbin tetap dalam keadaan efektif.

Pitch control memiliki dua strategi pengerjaan, yaitu dengan cara

konvensional dimana menggunakan proportional and integral (PI) controller

yang membutuhkan pengetahuan tentang dinamika sistem yang baik. Sedangkan

cara lainnya adalah dengan menggunakan logika fuzzy dimana tidak diperlukan

dinamika sistem yang sangat dikenali dan ketika data yang digunakan tidak linear,

misalnya seperti tenaga angin yang kecepatannya terus berubah-ubah (tidak

konstan) [6].

2.3.1 Proportional and Integral (PI) Controller

Pengaturan pitch angle berfungsi untuk mencari sudut kerja optimal dari

baling-baling turbin angin pada kecepatan angin tertentu. Pengaturan pitch angle

umumnya menggunakan proportional and integral (PI) controller. Kinerja yang

baik dari turbin angin tergantung pada pilihan gain pengendali, namun pemilihan

gain yang terbaik untuk jenis kontrol ini sangatlah sulit dan umumnya hanya

berdasarkan pada trial and error [7].

Pengaturan pitch angle dari baling-baling turbin angin digunakan untuk

menjaga pengaturan dan membatasi kerja turbin angin saat kecepatan angin

melebihi kecepatan kerja turbin. Untuk menempatkan baling-baling pada posisi

yang tepat, dibutuhkan servo motor hidrolik ataupun elektronik. Pada saat bekerja,

pitch angle akan mengatur sudut yang efektif dengan kecepatan 5-10o_{/s [6].}

Beberapa strategi dalam pengontrolan turbin angin jenis ini dapat dilihat

(59)

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.10 Strategi pengaturan pitch angle. (a) kecepatan angin; (b)

kecepatan rotor generator; (c) daya dibangkitkan

Pitch angle referensi ( ref) dikendalikan oleh masukan-masukan yang

berupa [6]:

1) Kecepatan angin, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (a).

Strategi kontrol ini hanya mengukur kecepatan angin yang datang

(60)

2) Kecepatan rotor generator, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10

(b). Kecepatan rotor akan dibandingkan dengan referensinya.

Sinyal error akan dikirimkan ke PI control dan menghasilkan nilai

pitch angle referensi ( ref).

3) Daya generator, sebagaimana terlihat pada gambar 2.10 (c). Sinyal

error dari daya generator akan dikirimkan ke PI controller dan

menghasilkan nilai pitch angle referensi ( ref). Saat kecepatan

angin dekat besarannya dengan kecepatan kerja turbin, maka gain

pengendali yang lebih besar diperlukan dibandingkan saat

kecepatan angin lebih tinggi dari kecepatan kerja turbin meskipun

saat kecepatan angin lebih tinggi, sedikit saja perubahan pada sudut

baling-baling akan besar pengaruhnya pada torsi.

Proportional and integral (PI) controller dengan penjadwalan pengaturan

gain hanya bekerja dengan baik saat dinamika sistem tidak kuat, dimana hal ini

menyebabkan dibutuhkannya pengaturan gain yang lebih lanjut untuk menjamin

kinerja yang maksimal pada turbin angin pada tiap kecepatan angin yang ada. Hal

ini menyebabkan kontrol turbin angin jenis ini menjadi sangat sulit dan tidak

efektif. Sehingga diperlukan kontrol jenis lain untuk menutupi kekurangan yang

ada pada kontrol PI.

2.3.1 Fuzzy Logic Controller

Logika fuzzy pertama kali diajukan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk

mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi.

(61)

bersifat kualitatif yang umunya digunakan pada komunikasi antara manusia.

Keuntungan utamanya adalah tidak dibutuhkannya deskripsi analitis dari sistem

yang dikontrol. Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu

yang bersamaan untuk mendapat performa optimal. [7].

Kontrol logika fuzzy sangat bermanfaat ketika dinamika sistem tidak

diketahui dengan baik atau ketika mengandung data yang tidak linear, seperti

kecepatan angin yang terus berubah-ubah besarnya dan berpotensi menimbulkan

turbulensi pada turbin angin [6].

Tahap pengerjaan pada kontrol logika fuzzy adalah [6]:

i. Menentukan input,

ii. Mengatur peraturan-peraturan yang sesuai,

iii. Mendesain metode konversi hasil logika fuzzy dengan hasil sinyal keluaran

yang dikenal dengan defuzzyfikasi.

Pada pengontrolan turbin angin ini, logika fuzzy dapat memproses

masukan berupa kecepatan rotor generator ataupun daya yang dibangkitkan. Hal

ini sangat serupa dengan PI controller sehingga hasil kerja dari kedua jenis

kontrol ini akan serupa. Namun, logika fuzzy dapat mempermudah kerja saat

desain sistem kontrol karena proses pengerjaannya yang lebih mudah dan tidak

membutuhkan model matematika yang rumit.

Angka dan bentuk dari fungsi membership yang menyatakan nilai fuzzy

(untuk input dan output) dinyatakan dengan garis untuk tiap variabel yang

dinyatakan yang bergantung pada perlakuan tiap variabel yang diteliti pada

(62)

masukan dan keluaran fuzzy pada error daya seperti pada gambar 2.11 dan 2.12

[7].

Gambar 2.11 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error)

Gambar 2.12 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut)

Peraturan pada kontrol fuzzy dinyatakan pada tabel 2.1 yang diatur untuk

dipilih berdasarkan logika fuzzy yang umumnya digunakan. Peraturan ini akan

menjadi dasar dalam menentukan besaran sudut yang berubah sesuai error daya.

(63)

Dimana:

NL akan diberikan nilai berdasarkan fungsi membership dengan besaran input dan

output yang tidak presisi besaran angkanya. Sebagai interpretasi peraturan ini,

dimisalkan dengan: jika error daya yang dibangkitkan sangat rendah maka sudut

harus diturunkan akibat daya yang dibangkitkan sangat rendah, sehingga var

dikurangi untuk pengaturan. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa pada

kontrol pitch angle dengan basis logika fuzzy, apabila daya output dibawah

besaran nominal, maka sudut akan dikurangi besarannya. Namun, apabila daya

output diatas besaran nominal, maka besar sudut akan dinaikkan [7].

Kontrol logika fuzzy yang berdasarkan deviasi daya dari nilai error ∆P

yang dapat dirumuskan sebagai berikut:

∆ = − (2.5)

Dimana Pref adalah daya yang dinyatakan pada sistem dan Pgadalah daya

yang diukur pada generator. Adapun strategi pengontrolan dengan logika fuzzy ini

(64)

Gambar 2.13 Strategi kontrol dengan logika fuzzy dengan referensi

Selain dengan referensi daya, pengaturan pitch angle juga bisa dilakukan

dengan menggunakan referensi kecepatan putaran turbin angin. Kecepatan putaran

rotor turbin angin ( measured) yang dinyatakan dalam rpm akan dibandingkan

dengan kecepatan putaran rotor yang diharapkan ( ref). Kendali logika fuzzy akan

memproses error dan data kecepatan angin dimana error tersebut akan dinyatakan

dalam persamaan 2.6 [8].

∆ = − (2.6)

Dengan referensi kecepatan putaran rotor ini, maka strategi yang akan

digunakan ialah apabila kecepatan rotor berputar lebih besar dari referensi, atau

error positif, maka sudut baling-baling turbin angin harus ditambahkan. Namun,

apabila kecepatan putaran rotor yang diukur lebih rendah dari referensi atau error

negatif, maka sudut baling-baling turbin angin harus dikurangi.

(65)

1. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Perkembangan kebutuhan masyarakat akan tenaga listrik terus mengalami

kenaikan. Saat ini kebutuhan akan tenaga listrik masih sangat bergantung pada energi

fosil. Energi fosil yang digunakan berupa minyak bumi dan batu bara yang mana

diketahui bahwa jumlahnya terus menipis dan menghasilkan polusi yang cukup

berbahaya bagi lingkungan. Hal ini menyebabkan sangat diperlukannya pengembangan

energi terbarukan dalam pembangkitan tenaga listrik. Salah satu energi terbarukan yang

dapat dikonversikan energinya menjadi energi listrik ialah energi angin.

Penggunaan kecepatan angin sebagai sumber energi listrik dilakukan dengan

memanfaatkan kecepatan angin tersebut untuk memutar kincir angin yang dapat

digunakan untuk memutar poros rotor dari generator. Konversi energi saat ini merupakan

suatu hal yang sangat diperlukan dalam mencari solusi tentang krisis energi di Indonesia

umumnya dan di Sumatera Utara khususnya kota Medan, di mana kota Medan

merupakan daerah yang sangat banyak angin [1].

Potensi angin kota Medan khususnya pada Daerah Medan Tuntungan dan

Sekitarnya dapat dilihat pada Tabel 1. Data kecepatan angin yang didapat merupakan data

kecepatan angin sejak Januari 2013 hingga Agustus 2015.

Tabel 1.1 Kecepatan Angin Rata-Rata Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya (Dalam m/s)

Tahun _{Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Agu Sep Okt Nov Des}Bulan

2013 4,1 5,3 5,2 2,6 5,0 5,8 4,1 5,0 3,3 4,8 4,0 4,0

2014 3,1 3,3 2,1 2,7 2,7 2,4 2,9 3,5 4,4 4,3 4,1 4,8

(66)

Melalui tabulasi data angin di atas, maka dapat dilihat bahwa potensi angin

pada kota Medan sangatlah besar. Angin pada kota Medan terlihat berada pada

kisaran kecepatan 1-6 m/s dengan data kecepatan angin rata-rata umumnya berada

pada kisaran 3-4 m/s. Kecepatan angin pada kota Medan terbilang cukup stabil

dengan perubahan rata-rata tiap bulannya tidak bergeser secara ekstrim. Walaupun

terlihat bahwa terdapat pergeseran besaran pada suatu waktu, namun besaran itu

akan stabil pada beberapa saat, sehingga hanya perlu pengaturan beban ketika

kecepatan angin mengalami fluktuasi. Sedangkan perubahan pada spesifikasi

turbin angin tidak perlu dilakukan. Hal ini merupakan suatu keuntungan yang

dapat dimaksimalkan untuk pembangkitan listrik tenaga angin.

Kecepatan angin tersebut memiliki potensi untuk dibangun turbin angin

dengan besar daya keluaran 200 Watt tiap turbinnya. Turbin angin dapat dibangun

dengan memanfaatkan lokasi yang sudah ada, seperti pada atap bangunan,

halaman perumahan atau perkantoran dan pada trotoar jalanan yang tidak dilalui

orang.

Kecepatan angin ini sangatlah potensial untuk dijadikan cadangan daya

listrik dan sebagai tambahan dengan tujuan penghematan biaya pembangkitan

listrik dengan tenaga fosil. Terlebih dengan keuntungan pembangkit listrik tenaga

angin yang dapat dibangun secara terpisah setiap turbinnya akan memaksimalkan

lahan yang sudah ada dan tidak perlu membuka lahan pembangkit baru.

Daerah Sumatera Utara yang memiliki Rasio Elektrifikasi sebesar 90,25%

(Kondisi Mei 2014), dengan perincian Rasio Elektrifikasi PLN sebesar 87,80%