BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi AnginEnergi angin yang kita kenal merupakan bentuk tidak langsung dari energi
matahari karena angin terjadi oleh adanya pemanasan yang tidak merata yang terjadi pada permukaan bumi oleh matahari dan perputaran bumi pada porosnya. Dimana pemanasan yang terjadi di garis ekuator lebih besar dari pada di daerah
kutub hal ini menyebabkan udara hangat di daerah tropik naik dan mengalir melalui atmosfer ke kutub dan udara dingin dari kutub mengalir ke ekuator di
dekat permukaan bumi, Juga pengaruh perbedan panas antara daratan dan laut. Dari sejumlah energi matahari yang terserap oleh bumi, 20% atau 2x106 Watt diserap oleh atmosfer, penyerapan energi panas ini dapat memanaskan atmosfer
bumi yang merupakan suatu penyimpanan energi termal[1].
Energi angin telah tumbuh ke tingkat dimana pengembangannya telah siap
diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkitan. Teknologi turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama 15 tahun terakhir, pengembangan dari ilmu pingiran pada tahun 1970an menjadi turbin angin
modern pada tahun 2000an yang sudah mengunakan teknologi elektronika daya, model aerodinamis, dan model gearbox mekanis [2].
Banyak negara yang meningkatkan produksi energi listrik yang berasal dari energi angin dimana kita ketahui potensi energi angin di Indonesia menurut beberapa literatur kecepatan angin yang di butuhkan untuk turbin angin berada
indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 m/detik. Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi di indonesia
menunjukan beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5m/detik, yaitu NTT, Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa mencapai 20 m/detik[1].
2.2 Turbin Angin
Turbin angin adalah alat untuk mengambil energi kinetik dari angin, dengan
mengambil sebagian energi kinetik dari angin maka kecepatan angin akan menurun namun hanya sebagian massa angin yang melewati turbin. Angin
digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi angin menjadi putaran mekanis (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi listrik melalui sebuah generator[1].
Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan turbin angin sebagai pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan kapasitas
listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt dimana jumlah daya angin yang ditangkap oleh turbin angin tergantung diameter baling-baling turbin dan kecepatan angin di daerah tersebut.
Turbin angin dapat di golongkan menjadi turbin angin sumbu vertikal (Vertical-Axis Wind Turbines) dan turbin angin sumbu horizontal (Horizontal-Axis Wind Turbines) dan dibedakan berdasarkan kecepatan rotornya yaitu turbin
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu perputaran rotor
yang tegak lurus atau vertikal. Turbin angin sumbu vertikal menggunakan airfoil simetris yang vertikal dimana tenaga pengerak di hasilkan oleh bilah turbin yang menghadap arah datangnya angin. Satu – satunya turbin vertikal
yang telah di produksi secara komersil dengan ukuran berapapun adalah turbin Darrieus, dimana nama tersebut diambil dari nama insiyur prancis penemu
turbin tersebut yaitu Prancis Georges Darrieus yang mematenkan desain pada
tahun 1931. Namun pada akhir 1980an penelitian dan produksi turbun angin vertikal telah dihentikan di seluruh dunia dan saat ini turbin angin sumbu
horizontal mendominasi pasar [3].
Keuntungan dari turbin angin ini yaitu tidak membutuhkan tower dan generator dan gearbox yang berat dapat di pasang pada dasar permukaan
sehingga perawatan lebih mudah, tidak menganggu visibilitas dan investasi lebih murah. Turbin ini bekerja langsung menghadap arah angin sehingga tidak
memerlukan mekanisme perubah arah [3].
Namun dari berbagai kelebihan tersebut turbin memiliki banyak
kekurangan yaitu tidak dapat mulai bergerak sendiri karena turbin ini memiki torsi awal yang rendah. Torsi yang dihasilkan berfluktuasi setiap revolusi karena bilah turbin akan mendekat dan menjauh dari arah angin. sulit
melakukan pengaturan kecepatan pada angin berkecepatan tinggi. Karena tidak mengunakan menara maka turbin ini memanfaatkan angin permukaan yang
Gambar 2.1 Bentuk dan Komponen Turbin Angin Sumbu Vertikal [Scottish Executive,2007]
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal adalah turbin angin yang memiliki poros rotor utama yang horizontal dan berada di puncak tower, dan merupakan bentuk umum dari turbin angin yang sering kita lihat karena memiliki model
seperti kincir angin. Turbin angin horizontal memiliki generator dan gearbox di puncak menara dan harus diarahkan ke arah angin. Turbin ukuran kecil
mengunakan tail vane untuk mengarahkan ke arah angin sedangkan turbin ukuran besar mengunakan motor pengerak yang mengarahkan sesuai dengan arah angin yang di dapat dari sensor arah angin[3].
Keuntungan dari turbin angin sumbu horizontal adalah menara yang tinggi mengakibatkan turbin dapat mengambil energi dari angin yang lebih
Kelemahan turbin angin horizontal adalah investasi pembagunan yang mahal karena kontruksi menara yang besar dan kuat untuk menopang beban turbin angin, gearbox, generator dan komponen lainya. Membutuhkan motor
pengerak untuk mengarahkan turbin ke arah angin. Dan menggunakan sistem pengereman untuk angin yang kencang untuk mencegah kerusakan. Tower
yang tinggi dan bilah yang panjang menganggu visibilitas masyarakat dan perputaran turbin menghasilkan bunyi derau yang menggangu[3].
Komponen utama dari turbin angin sumbu horizontal di tunjukan pada gambar 2.2 :
Komponen turbin angin sumbu horizontal :
15. Yaw assist gear
16. Yaw motor 17. Alas nacelle
18. Saringan oli 19. Kanopi
20. Kipas generator
2.2.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap
Turbin angin berkecepatan tetap atau dikenal sebagai konsep Denmark adalah turbin angin paling dasar yang beroperasi sekitar tahun 1970an. Turbin
ini beroperasi dengan sedikit variasi kecepatan pada rotor turbin dan menggunakan generator induksi dengan rotor sangkar yang kecepatan nya
diatur oleh frekuensi jaringan. Dukungan daya reaktif eksternal dibutuhkan untuk mengimbangi daya reaktif yang di konsumsi oleh mesin induksi[4].
Karena turbin beroperasi pada kecepatan tetap, turbin ini rentan terhadap
lonjakan torsi yang dapat merusak subsistem mekanis dalam turbin. Turbin ini menggunakan stall control, active stall control, pitch angle control untuk
mengatur daya pada kecepatan tinggi. Meskipun relatif kuat dan andal, ada beberapa kelemahan teknologi ini, yaitu energi yang diambil dari angin tidak optimal dan membutuhkan kompensasi daya reaktif [4]. Skema turbin angin
Gambar 2.3 Skema turbin angin kecepatan tetap
2.2.4 Turbin Angin Kecepatan Variable
Turbin angin kecepatan berubah-ubah yang di rancang untuk beroperasi pada berbagai kecepatan angin. Turbin ini biasanya menggunakan kontrol pitch angle untuk pengaturan daya. Kontrol kecepatan dan daya membuat turbin ini
mampu mengambil lebih banyak energi dari angin pada kecepatan tertentu dari pada turbin kecepatan tetap. Turbin ini mengunakan generator induksi dengan
rotor belitan sehingga memungkinkan kontrol pada bagian stator maupun rotor mesin[4].
Rotor mesin ini terhubung dengan konverter AC/DC, konverter diaktifkan untuk mengendalikan tahanan efektif pada rangkaian rotor mesin untuk memungkinkan variasi slip yang berbeda. Namun menghasilkan
rugi-rugi daya yang hilang sebagai panas pada tahanan rotor. Kontrol dapat di gunakan untuk memvariasikan tahanan rotor yang efektif untuk ektraksi daya
Gambar 2.4 Skema turbin angin kecepatan tidak tetap
2.3 Kontrol Daya
Energi kinetik yang ada dalam aliran udara melalui area yang berhadapan
dengan arah angin adalah :1 2�
2per laju aliran massa. Untuk aliran udara yang
mengalir melalui area A maka laju aliran massa adalah : ρ A v oleh karena itu
energi angin sama dengan [3]: � = (ρ . A .�) �1
2.� 2 = 1
2ρ . A .�
3 (2.1)
Dimana:
Dari persamaan 2.1 daya yang terdapat pada aliran angin merupakan fungsi pangkat 3 dari kecepatan angin. Itu berarti bahwa 2 kali lipat kecepatan angin menghasilkan 8 kali output daya mekanis dari turbin. Oleh karena itu, turbin harus
dirancang untuk mendukung kecepatan angin yang lebih tinggi dari pada kecepatan nominalnya untuk mencegah terjadinya kerusakan[3].
Turbin angin mencapai efisiensi tertinggi pada kecepatan angin antara 10 sampai 15 m/s. Bila kecepatan angin melebihi 15m/s, daya keluaran rotor harus
dikendalikan. Angin kencang terjadi untuk waktu yang singkat dan hanya memiliki sedikit pengaruh dalam produksi energi, namun bila tidak dikendalikan dapat merusak gearbox dan juga generator [3].
Dengan demikian semua turbin angin dirancang dengan kontrol daya tertentu. Ada berbagai cara untuk mengendalikan gaya aerodinamis pada rotor
turbin dan karena itu membatasi kekuatan angin kencang untuk menghindari kerusakan pada turbin angin. Terdapat 4 metode untuk mengontrol daya keluaran yang digunakan saat ini yaitu :
2.3.1 Yaw Control
Turbin angin sumbu horizontal menggunakan mekanisme penggerak yaw
untuk menjaga turbin mengarah ke arah angin, mekanisme yang sama untuk mengarahkan turbin keluar dari arah angin untuk membatasi daya keluaran
yang dihasilkan merupakan pembahasan yang menarik. Sistem kontrol ini hanya dapat dilakukan untuk turbin angin kecepatan berubah-ubah dimana
Gambar 2.5 Cara kerja kontrol arah pada turbin angin
2.3.2 Stall Control
Stall control adalah metode kontrol yang paling simpel, murah dan kuat.
Metode kontrol ini sudah lama digunakan untuk turbin komersial ukuran kecil
dan sedang, dikenal juga sebagai kontrol pasif, karena tidak ada komponen bergerak yang diatur. Sifat 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 menjadi berkurang dan meminimalisir daya keluaran saat kecepatan angin tinggi. Dengan kata lain, desain dari aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya
saat kecepatan angin melebihi batas tertentu. Dengan demikian, kekuatan aerodinamis dari baling-baling terbatas[3].
turbin angin dengan kecepatan konstan dimana, seperti yang telah di jelaskan bahwa turbin angin jenis ini menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil di
bandingkan dengan turbin angin dengan kecepatan yang berubah-ubah [3].
2.3.3 Pitch Control
Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat diatur 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 mengurangi daya yang tidak dibutuhkan. Pitch control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk membatasi kecepatan
rotor dengan mengatur aliran aerodinamika energi angin [3].
Keuntungan utama tipe kontrol ini adalah kontrol daya menjadi baik
(daya yang dibangkitkan mendekati daya yang diinginkan saat kecepatan angin tinggi), dapat membantustart-up turbin dan bisa memberhentikan turbin dalam keadaan bahaya. Selain itu, turbin dengan Stall control harus dimatikan ketika
kecepatan angin melebihi batasnya dimana turbin dengan pitch control dapat langsung mengatur sudut baling-baling untuk mengurangi gaya aerodinamika
yang ditimbulkan oleh energi angin [3].
Kekurangan yang dapat dipertimbangkan adalah kerumitan yang timbul dari mekanisme pengaturan sudut baling-baling dan bertambahnya beban berat
pada turbin [3].
Pada saat kecepatan angin rendah dan sedang, sudut baling-baling diatur
akandinaikkan agar daya aerodinamika berkurang dan menjaga kecepatan putaran rotor agar tetap dalam batas yang dapat dikontrol. Seiring dinaikannya
sudut pada baling-baling, maka turbin angin akan bekerja pada efisiensi yang rendah. Saat ini, turbin angin ukuran besar beroperasi mengunakan sistem kontrol sudut baling-baling [3].
Gambar 2.6 cara kerja kontrol Pitch Angle pada turbin angin
2.3.4 Active Stall Control
Seperti namanya, Active stall control adalah kombinasi dari 2 teknik yaitu stall control dan pitch angle control. Pada kecepatan angin rendah dan
sedang, maka baling-baling akan diatur sudutnya serupa dengan turbin yang diatur dengan pitch control. Ketika turbin angin mencapai kapasitasnya
2.4 Pitch Angle Control Method
Metode terbaik untuk mengambil energi angin secara maksimal adalah menggunakan turbin angin kecepatan berubah-ubah dengan kontrol sudut bilah[6]. Tujuan utama metode kontrol ini adalah:
• Optimasi daya keluaran dari turbin angin, dimana metode ini menghasilkan daya sebanyak mungkin dengan kecepatan angin
yang tersedia.
• Pencegahan agar daya mekanik yang dihasilkan tidak melebihi daya yang diinginkan pada angin yang kencang (kecepatan angin diatas kecepatan nominal/diinginkan).
• Berperan sebagai proteksi terhadap beban lebih pada struktur turbin dan resiko kerusakan pada struktur fisiknya.
Terdapat 2 metode dalam pengontrolan pitch angle pada turbin angin, metode konvensional yaitu menggunakan Proportional and Integral (PI) Controller dan metode modern yang menggunakan kecerdasan buatan yaitu Fuzzy
Logic Controller (FLC) sebelum itu akan kita bahas Power coefficient pada turbin
angin.
2.4.1 Power Coefficient
tergantung pada jenis generator atau jenis kontrol pada konverter [6]. Persamaan (2.1) menunjukan energi yang di hasilkan angin, dimana CP adalah
perbandingan daya mekanis yang di hasilkan turbin berbanding daya pada angin yang mengenai turbin.
��=���� �������
���� ����� =
��
�� (2.2)
Persamaan 2.3 di bawah menunjukan daya mekanis yang dapat diambil dari angin.
Power Coefficient bergantung pada sudut bilah (β) dan kecepatan ujung
mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Menurut Betz limit, untuk turbin angin sumbu horizontal nilai maksimum adalah 0,593 [6]
Tip speed ratio / kecepatan ujung bilah adalah rasio antara kecepatan
pada ujung bilah pada turbin angin berbanding dengan kecepatan angin.[3]
�= ����
Pitch angle / sudut bilah adalah sudut kemiringan bilah terhadap arah
mana nilai ini di dapat saat kondisi β = 0 dan λ = 8,1 yang merupakan nilai
nominal pada simulasi MATLAB-Simulink[7].
2.4.2 Proportional and Integral (PI) Controller
Kontroler PI merupakan kontroler dengan mekanisme umpan balik yang biasanya di pakai pada sistem kontrol industri. Kontroler ini secara terus
menerus menghitung nilai kesalahan sebagai perbedaan antara nilai yang di inginkan dan variabel yang terukur.[8]
• P bertangung jawab untuk nilai kesalahan saat ini. • I bertangung jawab untuk nilai kesalahan sebelumnya.
Kombinasi dari Proporsional dan Integral meningkatkan kecepatan respon dan meminimalisir kesalah pada keadaan stabil[8]. Diagram blok dari
kontroler PI di tunjukan pada Gambar 2.7 berikut :
Gambar 2.7 Blok diagram kontroler PI
Kontroler PI memiliki persamaan sebagai berikut:
Dimana, Kp dan Ki digunakan untuk mengendalikan respon dalam keadaan stabil dan keluaran sistem. Masukan pengontrol PI adalah kesalahan antara
Variable referensi dan variable sebenarnya dan keluarannya merubah sudut bilah / pitch angle[8].
2.4.3 Fuzzy Logic Controller (FLC)
Logika fuzzy, diusulkan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi.
Menggunakan metode menerjemahkan bahasa verbal yang tidak presisi dan bersifat kualitatif yang umumnya digunakan pada komunikasi antara manusia. Keutungan utamanya adalah tidak dibutuhkan deskripsi analitis dari sistem
yang di kontrol[6].
Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang bersamaan untuk mendapat performa optimal. Penggunaan aturan fuzzy
memastikan bahwa status pengoperasian perangkat tetap berada dalam kisaran operasi yang diinginkan[6].
Pembangunan sistem fuzzy logic memiliki langkah-langkah sebagai berikut[6]:
• Mendefinisikan Variabel yang digunakan; • Mendefinisikan fungsi keanggotaan • Mendefenisikan Aturan
• Mengkonversi keluaran variabel menjadi nilai numerik sesuai aturan. Set aturan dan variabel dilakukan sesuai dengan hasil simulasi karena
Fuzzification Inference Defuzzification Rule Base
Output Input
Gambar 2.8 Blok diagram kontroler Fuzzy Logic
Dari uraian blok diatas dapat kita ketahui bahwa di dalam Fuzzy Logic, terdiri atas 4 bagian penting yaitu:
• Fuzzifikasi adalah proses untuk mengubah variabel numerik menjadi variabel fuzzy logic yang sesuai dengan fungsi keanggotaan.
• Inferensi adalah menerjemahkan pernyataan-pernyataan fuzzy dalam Rule Base menjadi perhitungan matematika.
• Defuzzifikasi adalah proses pengubahan data-data fungsi keanggotaan menjadi data – data numerik.
• Rule Base berisi pernyataan Fuzzy Logic yang berbentuk (IF-THEN) dari kumpulan aturan yang menyatakan suatu kondisi. Penyusunan rule
