5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Energi angin
Energi angin yakni bentuk lain dari energi matahari, hal tersebut dikarenakan terbentuknya angin dari perbedaan tekanan udara yang diakibatkan dari proses pemanasan permukaan bumi yang tidak merata oleh matahari. Dari perbedaan tekanan udara tersebut menyebabkan adanya energi kinetik, kemudian energi kinetik tersebut yang bisa dipergunakan sebagai pemutar dari sudu – sudu kincir angin. yang bisa dimanfaatkan sebagai energi listrik. Rumus dari energi kinetik di udara yang bergerak yakni :
𝐸𝑘 = 1
2 𝑚𝑣2 (2.1)
Keterangan :
𝐸𝑘 = Energi kinetis (joule) 𝑚 = Massa udara (kg) 𝑣 = Kecepatan angin (m/s)
Angin yang berhembus bisa didapat yakni dengan membedakan energi kinetik dalam angin :
𝑃𝑤= 𝑑𝐸𝑘
𝑑𝑡 = 1
2 ṁ𝑣2 (2.2)
Rumus yang diberikan untuk perhitungan massa udara yang bergerak saat angin melewati turbin angin serta menggerakan blade untuk memutar yakni:
m = ρ. v. A (2.3)
Keterangan :
ρ = kepadatan udara dan A = penampang udara (𝑚2)
Dari persamaan (2.1) dan (2.2) selanjutnya didapatkan daya yang tersedia di angin, bisa dirumuskan :
6 𝑃𝑤= 1
2 (ρvA)(𝑣2) = 1
2 ρA𝑣3 (2.4)
Keterangan :
𝑃𝑤 = Daya yang dihasilkan
Perubahan dari daya yang diperoleh pada energi angin belum dilakukan melewati turbin angin. Tidak semua daya tersebut dikonversikan oleh turbin menjadi energi mekanik.[7]
2.2 Turbin Angin
Kegunaan turbin angin yakni membangkitkan tenaga lisrik. Dengan perubahan energi angin menjadi energi mekanik yang mana poros turbin akan berputar kemudian menjadi energi listrik lewat generator.[8]
Gambaran dari pembagian daerah kerja dari turbin angin terlihat pada kurva karakteristik daya turbin angin yang meliputi empat daerah seperti Gambar 3.2
Gambar 2.1 Kurva karakteristik daya wind turbine [6]
Daerah pertama yaitu daerah dengan kecepatan angin rendah dari jangkauan yang dimiliki hingga Vcut-in, dimana pada daerah ini seharusnya turbin angin tidak terhubung ke grid dan tidak beroperasi. Daerah kedua yakni daerah menengah dengan jangkauan yang dimiliki antara Vcut-in hingga Vrated. Daerah ketiga yakni daerah dengan kecepatan tinggi dengan jangkauan yang dimiliki antara Vrated hingga Vcut off, pada daerah ketiga ini dimana kecepetan angin berada pada Vrated hingga
7 Vcut off yang biasanya merupakan daya maksimum dari turbin angin. Daerah keempat yakni daerah yang memiliki kecepatan angin diatas Vcut off, turbin angin pada daerah keempat ini kondisinya harus tidak terhubung ke grid dan tidak beroperasi dengan tujuan menghindari kerusakan mekanik akibat kecepatan angin yang sangat besar.[6]
2.2.1 Daya Mekanik Turbin Angin
Rumus pada daya mekanik turbin angin dari angin yakni : 𝑃𝑤= 1
2 𝜌𝜋𝑅2𝑉𝜔3 (2.5)
Keterangan :
Pw = Daya mekanik turbin angin (Watt) R = Setengah diameter turbin angin (m) 𝜌 = Massa jenis Udara (kg/𝑚3)
𝑣 = Kecepatan angin (m/s)
Persamaan yang memperlihatkan daya yang mampu ditangkap turbin anginbisa yakni :
𝑃𝑜= 1
2 (𝑣2− 𝑣𝑜2) (2.6)
Keterangan :
Po = daya output mekanik turbin angin (W)
v – vo = kecepatan upstream - downstream yang melewati turbin angin (m/s) penentuan dari efesiensi turbin angin yakni dengan koefisien daya (𝐶𝑝).
Perbandingan daya mekanik (Pm) dengan daya output turbin angin dan termasuk koefiesien daya yakni 𝐶𝑝. Rumus 𝐶𝑝 yakni :
𝐶𝑝 = ( 1+
𝑣
𝑣𝑜)[1−(𝑣𝑜𝑣)2]
2 (2.7)
Sehingga daya dari turbin angin yang diambil yakni:[13]
8 𝑃𝑚 = 1
2 𝐶𝑝𝜌𝜋𝑅2𝑉𝜔3 (2.8)
2.2.2 Jenis Turbin Angin
a. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)
HAWT yakni turbin dengan sumbu utama yang berotas mengikuti arah angin.
Perputaran rotor bisa secara baik dengan keadaan yang sejajar arah angin pada poros turbin dan terhadap arah putaran rotor harus tegak lurus. Turbin ini mempergunakan bilah dengan bentuk airfoil seperti sayap pesawat. Gaya angkat pada pisau rotor yang akibat aliran angin akan menyebabkan putaran rotor. HAWT banyak digunakan sebagai model angin yang tinggi ataupun sedang, dan umumnya dipakai pada pembangkit dengan skala yang besar. Total bilah dari HAWT sangat beragam mulai dari satu, dua, tiga serta sampai multi bilah mengikuti kebutuhan maupun kecepatan angin. Pada umumnya jumlah bilah yang makin banyak, putaran turbin makin tinggi.
Gambar 2.2 Turbin Angin HAWT.
Model turbin angin HAWT ini mempunyai efesiensi serta kepadatan daya yang tinggi, dan cut-in dengan kecepatan angin yang rendah. HAWT juga mempunyai kekurangan diantaranya desain yang dimiliki lebih sulit sebab rotor hanya menangkap angin dari satu arah saja, sehingga memerlukan pembelok angin serta menempatkan generator di atas menara sampai beban bertambah.[8]
b. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)
9 VAWT yaitu turbin angin yang memiliki sumbu vertikal dimana dorongan blade dan rotor sejajar pada arah angin, hal tersebut menyebabkan pada segala arah angin rotor bisa berputar. Jenis dari turbin angin ini diantaranya, H blade, Savonius, dan Darrieus. Savonius mempergunakan gaya drag sementara Darrieus dan H blade menggunakan gaya angkat.
Gambar 2.3 Turbin Angin VAWT.
Kelebihan pada VAWT sendiri, yakni mempunyai torsi yang tinggi hal tersebut berakibat pada bisa berputar di kecepatan angin yang rendah, tidak memerlukan pengontroloan yaw dikarenakan angin dapat diterima oleh turbin dari segala arah, akibat yang ditimbulkan dari posisi generator di bawah turbin yakni mempermudah perawatan serta tidak berisik. VAWT memiliki kekurangan, yakni VAWT mempunyai tingkat effiseinsi yang kecil dibandingankan dengan HAWT dikarenakan keuntungan angin dalam posisi terbaiknya tidak bisa ditangkap dan torsi yang kecil di awal menyebabkan energi yang dibutuhkan untuk berputar sangatlah banyak. Konversi energi listrik skala rendah sering mempergunakan VAWT.
2.3 PMSG
Generator listrik dibutuhkan dalam mengkonversi energi mekanik menjadi enargi listrik. Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) yakni jenis
10 generator yang salah satunya yang kerap kali dipergunakan pada sistem turbin angin.
Generator yang dipergunakan dalam tugas akhir ini mempergunakan PMSG dikarenakan tidak membutuhkan sistem eksitasi sebab oleh magnet permanen yang berada pada rotor menyediakan sumber eksitasi ini, hal tersebut menjadikan tidak mempunyai rugi-rugi eksitasi sehingga akan terjadi kenaikan pada effsiensi turbin angin. Selain itu respon yang dimiliki generator sinkron permanen magnet jauh lebih baik daripada mempergunakan eksitasi elektromagnetik, sebab desain PMSG dengan rotor tidak memerlukan sistem eksitasi, slip ring, dan kumparan medan, sehingga rapat fluks pada airgap lebih tinggi.[10]
Prinsip yang dimiliki generator sinkron yakni antara kecepatan dan frekuensi ada hubungan yang diuraikan berikut ini :
𝑁𝑥= 𝑁𝑖= 120𝑓
𝑝 (2.9) Diketahui :
Ni = Kecepatan pada medan rotor (Rpm) Nx = Kecepatan pada medan Stator (Rpm) p = Jumlah kutub (pole)
2.4 Penyearah
Rangkaian penyearah yakni jenis rangkaian elektronika daya yang salah satunya bisa mengganti arus bolak-balik menjadi searah. Rangkaian penyeraah umumnya menggunakan dioda, dikarenakan dioda merupakan suatu perangkat yang terbuat dari semikonduktor. Agar arus listrik dapat terjadi, maka kutub yang disambungkan antara dioda dengan sumber tegangan harus sama.
11 2.4.1 Jenis-Jenis Penyearah
a. Penyearah Setengah Gelombang
Penyearah yang dinilai sangat sederhana sebab hanya mempergunakan satu blok dioda saja yakni penyearah setengah gelombang.
Penyearah ini hanya mengeluarkan setengah gelombang sinus saja, dikarenakan dioda yang digunakan hanya untuk menghambat bagian negatif pada arus dan melewatkan bagian positif-nya terlihat pada gambar berikut :
Gambar 2.4 Rangkaian Eletronik Penyearah Setengah Gelombang Pada dasarnya gelombang pada arus AC terbagi menjadi 2 bagian gelombang yaitu positif dan negatif, rangkain penyearah setengah gelombang ini memiliki prinsip kerja yakni ketika setengah gelombang pertama melewati dioda dengan nilai positif maka keadaan dioda forward bias sehingga meloloskannya, sementara pada setengah gelombang kedua dengan nilai negatif maka keadaan dioda reverse bias sehingga menghalangi sinyal untuk melewati dioda.
b. Penyearah Gelombang Penuh
Cara yang berbeda dipakai guna membentuk penyearah gelombang penuh akan tetapi masih mempergunakan dioda namun jumlahnya berbeda, yang pertama yaitu mempergunakan 2 dan 4 dioda. Penyearah gelombang penuh mempergunakan 2 dioda harus menggunakan transformator CT
12 sedangkan penyearah gelombang penuh 4 4 dioda tidak perlu mempergunakan transformator CT. Penyearah gelombang penuh 4 dioda juga sering dinamakan full wave bridge rectitifier
Gambar 2.5 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh
Bisa diasumsikan pada gambar 2.4 ketika rangkaian gelombang penuh berada pada bagian positif (+) dari sinyal ac, maka D1 dan D2 akan meloloskan sinyal positif dikarenakan D1 dan D2 berada pada kondisi forward bias sedangkan D3 dan D4 akan menahan sinyal negatif dikarenakan reverse bias. Sebaliknya jika pada rangakain gelombang penuh berada pada bagian negatif (-) dari sinyal ac, maka D3 dan D4 yang akan meloloskan sinya positif karena keberadaan D3 dan D4 pada kondisi forward bias dan D1 dan D2 akan menahan sinyal negatif dikarenakan reverse bias. [11]
2.5 Buck - Boost Converter
Buck-boost converter yakni jenis Dc to Dc konverter yang bisa mengubah tegangan keluaran menjadi lebih besar atau kecil dari tegangan masuk. Polaritas tegangan keluaran akan berlawanan dengan tegangan masukan. Nilai tegangan keluaran dapat diatur pada duty cycle. Rangkaian buck-boost converter terdiri dari dioda yang berfungsi sebagai saklar, induktor sebagai filter untuk memperkecil ripple arus, kapasitor dipakai guna memperkecil ripple tegangan, dan MOSFET merupakan komponen switching, serta resistor.
13 Gambar 2.6 Rangkaian Elektronika Buck-Boost Konverter
Buck-boost converter memiliki dua mode operasi yakni discontinuous current mode (DCM) dan continuous current mode (CCM). Mode operasi yang dipakai dalam penelitian ini adalah mode CCM, yang ditandai dengan arus yang mengalir secara kontinu pada induktor selama keadaan steady state. Untuk menjalankan sistem turbin angin dengan baik maka diperlukannya parameter dan perhitungan yang ditetapkan. Kinerja dari kapasitor pada konverter yakni ketika keadaan CCM maka nilai 𝐶 dengan 𝐶𝑚𝑖𝑛 jauh lebih besar, sementara untuk keadaan DCM maka nilai 𝐶 dengan 𝐶𝑚𝑖𝑛 jauh lebih kecil. Dirumuskan sebagai berikut : 𝐶𝑚𝑖𝑛= 𝑉𝑜𝐷𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒𝑅𝐿𝑓𝑠 (2.10)
𝑉𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 yakni toleransi dari ripple tegangan output sementara 𝑓𝑠 yakni frekuensi duty cycle. Begitupun nilai pada konverter parameter induktor bekerja dalam pemilihan keadaan CCM maka nilai 𝐿 dengan 𝐿𝑏 akan jauh lebih besar sementara jika bekerja dalam keadaan DCM maka nilai 𝐿 lebih kecil dari 𝐿𝑏. Dirumuskan sebagai berikut :
𝐿𝑚𝑖𝑛= 𝑅𝐿𝑚𝑎𝑥(1−𝐷𝑚𝑖𝑛)2
2𝑓𝑠 (2.11)
Tegangan keluaran pada buck-boost converte akan berlawanan dengan tegangan input sehingga dibutuhkan voltage inversion (pembalik tegangan)Buck- boost konverter mempunyai tegangan keluaran yang berlawanan dengan tegangan input. Maka dari itu metode ini dibutuhkan aplikasi yang memerlukan voltage inversion (pembalikan tegangan). Kelemahan buck-boost converter yang lain adalah tidak memiliki isolasi antara bagian input dan output, juga memiliki ripple yang tinggi pada tegangan input maupun output. [4]
14 2.6 MPPT
MPPT yakni metode dari pelacakan titik daya maksimum yang dipakai guna pengoptimalan daya keluaran supaya mempertahankan sistem turbin angin tetap menghasilkan daya optimum serta sampai pada efesiensi yang maksimal dari suatu sistem turbin angin.[12] perubahan yang terjadi pada sifat turbin angin dan kecepatan angin menggeser titik daya maksimum, seperti Gambar 2.6.
Gambar 2.7 Kurva MPPT berdasarkan hubungan kecepatan rotor dan daya generator
MPPT bertugas dalam mengganti kecepatan putaran generator pada tiap perubahan kecepatan angin menimbulkan daya akan optimal saat kecepatan angin tertentu. MPPT merubah kecepatan putaran generator berbeda-beda sesuai algoritma yang dipergunakan, penggunaan algoritma tersebut mempunyai tujuan yakni menemukan titik optimal pada kecepatan yang berubah rubah dan arus yang didapat pada kondisi optimal.Apabila kecepatan terlalu kecil akibat adanya beban berlebih dan pada saat torsi telah mencapai maksimum maka kecepatan torsi akan berkurang. Sementara pengerjaan pada pengaturan beban yakni lewat DC to DC converter sebagai perantara.
2.7 Modified Firefly (MFA)
Algoritma firefly (FA) yakni metode swarm intelligence yang pada tahun 2008 dikenalkan oleh Yang. Inspirasi dari metode ini yaitu dari perilaku kunang-kunang
15 di alam bebas. Hewan tersebut identik dengan cahaya yang berkedip dari hasil proses bioluminasi oleh organ lantern
Pengembangan Algoritma MFA yakni dari algoritma FA dengan ciri cahaya yang berkedip serta bisa dijelaskan dalam tiga rule yakni [7]
1. Secara keseluruhan jenis kelamin dari kunang-kunang yakni sama sehingga jenis kelamin diabaikan oleh hewan ini serta mengikuti yang lain.
2. Kecerahan selaras dengan ketertarikan yang kunang-kunang miliki dan kedua hal itu berbeda pada jarak antara dua kunang-kunang. Apabila dua kunang-kunang berkedip, maka kunang-kunang dengan cahaya kurang cerah akan bergerak ke yang lebih cerah. Pergerakan tersebut secara acak apabila tidak terdapat yang lebih cerah dibanding dirinya.
3. Intensitas atau kecerahan cahaya kunang-kunang ditentukan atau dipengaruhi oleh fungsi objektif yang akan dioptimasi.
Faktor terpenting dalam algoritma FA yakni kecerahan dan variasi intensitas cahaya. Untuk maksimalisasi, secara proposional kecerahan bisa disederhanakan dengan fungsi objektif. Sangat bervariasi intensitas cahaya secara monoton serta eksponensial dengan jarak yang dinyatakan
𝐼 = 𝐼𝑜𝑒−𝛾𝑟 (2.12)
Keterangan : 𝐼𝑜 intensitas cahaya awal γ koefisien penyerapan cahaya
Koefisien cuaca direpresentasikan dengan Nilai 𝛾. Semakin tingginya nilai 𝛾 dalam representasi cuaca berkabut, sementara makin rendah untuk nilai 𝛾 dalam merepresentasikan cuaca sedang cerah. Kunang-kunang akan cenderung mendekati kunang-kunang yang lebih dekat jika cuaca berkabut walaupun kurang terang sebab kecerahan kunang-kunang terlihat oleh yang lain dihalangi oleh kabut. Sementara jika cuaca cerah maka tidak ada kabut yang menghalangi sehingga kunang-kunang bisa mengetahui keseluruhan kunang-kunang. Meskipun sangat jauh kunang- kunang redup akan mendekati kunang-kunang yang sangat terang. 𝑟 yakni jarak antara kunang kunang 𝑥𝑖 dan 𝑥𝑗 dijelaskan dengan persamaan euclidean.
16
𝑟𝑖𝑗= √∑𝑚𝑘=1(𝑋𝑖𝑘− 𝑋𝑖𝑗)2 (2.13)
Jarak diantara keduanya (𝑟𝑖𝑗) yakni selisih dari koordinat lokasi kunang-kunang 𝑖 terhadap kunang-kunang 𝑗. Apabila intensitas cahaya selaras dengan ketertarikan maka (𝛽𝑚) yakni fungsi jarak antara dua kunang-kunang dinyatakan dengan.
𝛽𝑚 = 𝛽𝑜𝑒−𝛾𝑟2 (2.14)
Keterangan : 𝛽𝑜 merupakan ketertarikan awal
Nilai 𝛽𝑚 yang semakin besar, maka pendekatan kunang-kunang yang redup menuju ke yang lebih terang akan semakin cepat, hal tersebut membuat lebih cepat saat proses pencarian akan tetapi kurang akurat. Namun jika nilai 𝛽𝑚 kecil, pencarian akan lambat, akan tetapi akan lebih teliti mencari nilai puncak. Dengan dugaan bahwasanya kecerahan kunang-kunang ke 𝑖 kurang dari 𝑗 maka perpindahan kunang-kunang 𝑖 mengikuti 𝑗 dinyatakan.
𝑋𝑖 = 𝑋𝑖+𝛽𝑜𝑒−𝛾𝑟2(𝑥𝑖− 𝑥𝑗) + 𝑎𝜀𝑖 (2.14) Keterangan : 𝑎 pengali dari nilai vektor acak
Nilai 𝑎 yang makin besar, cenderung pergerakan dari kunang-kunang akan acak. Pergerakan tersebut menyesuaikan tiga kondisi yakni gerakan acak kunang- kunang ditentukan oleh nilai 𝑎, daya tarik kunang-kunang satu dengan lainnya, dan posisi kunang-kunang saat ini.
Pada algoritma MFA, representasi dari duty cycle terhadap daya keluaran penyearah yang dari pengukuran arus keluaran penyearah dan posisi kunang- kunang serta tegangan merepresentasikan tingkat kecerahan kunang-kunang tersebut. Kunang-kunang dengan posisi nilai daya yang lebih rendah akan mendekati nilai daya yang lebih tinggi sesuai persamaan 2.14.
Pada penelitian ini, dua modifikasi yang dilakukan pada alforitma firefly.
Perolehan posisi sesuai kecepatan kunang-kunang sesuai pada nilai 𝑎 dan 𝛽𝑚. Modifikasi pertama lewat nilai α yang hendak diperbaharui pada setiap iterasi sesuai persamaan.
𝛼𝑡 = 𝛼𝑡−1× 0.97𝑘 (2.15) Dimana 𝛼𝑡−1 yakni parameter acak sebelumnya dan 𝑘 termasuk jumlah iterasi. Nilai α yang semakin besar maka pergerakan dari kunang-kunang akan
17 membuat konvergen semakin lama dan semakin menyebar. Maka dari itu pada penelitian nilai 𝛼 terus diperbahrui. Kecerahan kunang-kunang akan dievaluasi oleh algoritma beradasarkan dari daya maksimum. Pembaharuan yang telah dilakukan pada Kunang-kunang bisa dinyatakan dengan
𝑋𝑖 = 𝑋𝑖+ 𝑒𝑥𝑝(𝛾 × 𝑟2) × (𝑥𝑖− 𝑥𝑗) + 𝛼𝑡× (𝑟𝑎𝑛𝑑𝑛 − 0.5) (2.16)
