BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat Dan Waktu
Penelitian dilaksanakan dengan menggunakan software simulasi MATLAB-Simulink pada komputer, simulasi ini mengunakan kecepatan angin yang di dapat dari Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) kabupaten Nias Utara. Lama penelitian ini direncanakan selama 2 bulan.
3.2 Data Dan Peralatan
Penelitian ini mengunakan peralatan 1 unit komputer dengan software simulasi MATLAB dengan data kecepatan angin rata-rata, Minimum dan Maksimum yang berhembus di daerah Nias Utara khususnya pada daerah Afulu.
3.3 Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian ini dilakukan dengan membuat model simulasi turbin angin pada simulasi MATLAB-Simulink. Adapun data pada percoban ini diambil dari BMKG kabupaten Nias utara dengan kecepatan angin rata-rata, kecepatan maksimum dan minimum. Penelitian ini untuk menguji pengaruh kontrol Pitch angle pada daya mekanis keluaran turbin angin.
3.4 Variable Yang Diamati
Variable-variable yang diamati pada penelitian ini adalah: • Pm : Daya mekanis turbin angin
• Cp : Koefisien Performansi Turbin Angin
• λ : Tip Speed Ratio
• Vw : Kecepatan angin
3.5 Prosedur Penelitian
Prosedur penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1 Diagram alir penelitianberikut :
MULAI
Pengumpulan Data kecepatan angin, Massa jenis angin dan
Gambar 3.1 Diagram alir penelitian
Berdasarkan pada Gambar 3.1 prosedur penelitian adalah : 1. Pengumpulan Data
Data kecepatan angin yang digunakan pada penelitian ini diambil dari BMKG sebagai berikut :
• Kecepatan angin rata-rata
• Kecepatan angin Maksimum
• Kecepatan angin Minimum
Sedangkan untuk rating Generator di sesuaikan dengan kecepatan angin rata-rata di daerah tersebut, ukuran diameter baling baling juga disesuaikan.
2. Membuat model simulasi turbin angin
Model simulasi di buat menggunakan softwareMATLAB-Simulink: Pemodelan sistem turbin angin meliputi turbin angin, generator dan beban.
3. Membuat kontrol Pitch angle
Membuat sistem kontrol Pitch angle mengunakan kontrol
fuzzy logic dengan memasukan peraturan-peraturan dan fungsi
kendali fuzzy logic, membuat fungsi membership input dan output
yang akan mengatur pitch angle pada turbin angin. 4. Menjalankan simulasi turbin angin
Simulasi dijalankan mengunakan aplikasi MATLAB-Simulink
5. Mencatat dan Menganalisa Hasil simulasi
Data hasil simulasi akan di catat dan di bandingkan, apakah daya keluaran, tegangan dan arus dari turbin angin yang mengunakan kendali dan tidak mengunakan kendali sesuai dengan yang di harapkan bila tidak maka simulasi diulangi.
6. Menarik kesimpulan
Hasil yang diharapkan dari penelitian adalah pengontrolan daya dan kontrol kecepatan dari turbin angin setelah ditambahkan metode kontrol Pitch angle menggunakan fuzzy logic.
3.6 Model Simulasi
Model simulasi yang digunakan adalah model simulasi turbin angin yang terhubung dengan generator sinkron magnet permanen dimana generator terhubung dengan beban. Pengontrolan pitch angle diatur oleh fuzzy logic controller yang terhubung pada turbin angin. Berikut adalah blok diagram model simulasi turbin angin.
Gambar 3.2 Blok Diagram simulasi turbin angin
Kontrol Pitch Angle menggunakan fuzzy logic bekerja dengan menerima masukan kecepatan angin diubah menjadi nilai daya mekanis (Pm). Kontrol
fuzzy logic bekerja berdasarkan nilai deviasi daya mekanis yaitu nilai errorΔP
yang dirumuskan sebagai berikut :
ΔP = Pm(rated)– Pm (3.1)
Dimana Pm(rated) adalah daya mekanis yang telah ditentukan pada sistem dan
Pm adalah daya yang dibangkitkan dari kecepatan angin.
Peraturan yang digunakan adalah berdasarkan besaran error ΔP, ketika nilai
sama dengan 0 maka tidak perlu ada perubahan sudut pada turbin angin, saat nilai error minus maka daya yang dihasilkan melebihi daya yang diinginkan maka dilakukan perubahan sudut dengan menaikan besaran sudut pada turbin angin.
3.7 Pitch Control With Fuzzy Logic
FUZZY LOGIC
Gambar 3.3 Blok diagram kontrol Pitch angle
Nilai besaran β akan mempengaruhi nilai koefisien daya (Cp) dari turbin angin
berdasarkan persamaan berikut :
�� =1
2 .ρ . A .�� ( � ,� ) .��
3 (3.2)
Besaran Cp tersebut akan berubah-ubah sesuai dengan rating daya mekanis yang ditentukan , dimana daya tersebut akan di salurkan ke generator dan di ubah menjadi energi listrik. Besaran nilai β akan di dapat melalui persamaan
berikut :
Nilai koefisien C1 sampai C6 adalah koefisien karakteristik dari turbin angin :
β = 0 dan λ = 8,1 yang merupakan nilai nominal turbin angin pada
MATLAB-Simulink.
Gambar 3.4 Grafik Karakteristik Cp - λ untuk nilai β yang berbeda
Penelitian ini menggunakan data informasi kecepatan angin kabupaten Nias Utara yang bertempat di daerah afulu. Data ini berasal dari BMKG stasiun klimatologi deli serdang. Data kecepatan angin ditunjukan tabel 3.1 berikut:
Tabel 3.1 Kecepatan Angin
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DeC KECEPATAN ANGIN RATA-RATA
3,6 4,2 3,3 3,8 4,3 4,9 4,3 5 6 6,1 6,2 7,1 KECEPATAN ANGIN MAKSIMUM
6,3 9,2 6,6 6,3 7 9,6 11,4 8,9 9,3 9,4 11,6 19,9 KECEPATAN ANGIN MINIMUM
Data kecepatan angin yang diperoleh merupakan data kecepatan angin pada tahun 2016 yang diambil menggunakan citra satelit pada ketingian 10 dari permukaan tanah. Daerah afulu memiliki ketingian 60 meter dari permukaan laut (mdpl). Melalui data di atas di dapat lah kecepatan rata-rata tahunan sebesar 5m/s, Kecepatan maksimum rata-rata 9 m/s dan kecepatan minimum rata-rata 2 m/s. maka kecepatan angin berkisar dari 2 – 9 m/s dengan kecepatan rata-rata tertinggi 7,1 m/s maka akan digunakan sebagai kecepatan angin nominal pada penelitian ini. Setelah di dapat kecepatan angin maka di atur
pitch angle dengan fuzzy logic.
Pengaturan kontrol pitch angle dengan fuzzy logic. Di definisikan sesuai Jumlah dan bentuk fungsi keanggotaan yang mendefinisikan nilai fuzzy logic
Gambar 3.5 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (Power error)
Gambar 3.6 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut) Aturan kendali fuzzy logic ditunjukan pada Tabel 3.2
Tabel 3.2 Aturan pitch control dengan fuzzy logic
Dimana:
NL – Negative large
NM – Negative medium
NS – Negative Small
ZE – Zero
PL – Positive large
PM – Positive medium
PS – Positive small
Aturan ini dapat di ilustrasikan sebagai berikut:
Dimana NL didefinisikan sebagai fungsi keanggotan yang menunjukan nilai
input dan output suatu sistem.
3.8 Rancangan Simulasi Turbin Angin
Kecepatan angin yang berubah terhadap waktu di simulasikan menggunakan blok uniform random dimana kita beri input kecepatan angin maksimum dan minimum maka akan dihasilkan angin dengan kecepatan acak. Dengan hasil nilai angin yang acak maka dapat menyerupai kondisi kecepatan angin yang beruba terus menerus. Parameter turbin angin yang digunakan pada penelitian ini ditunjukan pada tabel 3.3 berikut:
Tabel 3.3 Parameter turbin angin
Turbin angin
Daya Mekanis 2000 Watt Diameter Blade 5 meter
Jumlah Blade 3 buah
Tipe Turbin Horizontal axis Power Coefficient 0,48 Rated wind speed 7 m/s Cut-in wind speed 3 m/s Cut-out wind speed 20 m/s
Gambar 3.7 Rangkaian simulasi kontrol pitch angle pada turbin angin
Rangkaian pada Gambar 3.8 menunjukan 2 buah turbin angin yang digunakan untuk perbandingan daya mekanis keluaran dari masing-masing turbin tersebut, dimana turbin angin tanpa kontrol Fuzzy Logic sehingga sudut
Gambar 3.8 Karakteristik Daya Turbin Angin
Keluaran dari turbin angin ini berupa daya torsi mekanis yang di hubungkan dengan rotor generator sinkron magnet permanen dan generator terhubung pada beban. Parameter Generator dan Beban dalam penelitian ini ditunjukan oleh Tabel 3.4 Berikut :
Tabel 3.4 Parameter Generator dan Beban
Generator sinkron magnet permanen
Jumlah Fasa 3
Tipe Rotor rotor silinder Resistansi Stator 8.4 ohm Inductansi Stator 0.000635 H
Jumlah Kutub 6
Input Torsi Mekanis
Effisiensi 90%
Flux Magnet 0.033337
Load
Beban resistif 1000 Watt
Gambar 3.9 Rangkaian Simulasi Turbin Angin Dengan Kontrol Pitch Angle
BAB IV
HASIL DAN ANALISIS
4.1. Umum
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 menggolah berbagai jenis data, sehingga pengguna dapat menvisualisasikan data, memprogram algoritma, melakukan perhitungan yang memerlukan iterasi yang banyak dan fungsi yang kompleks.
Dalam program matlab juga dilengkapi dengan simulink, yaitu perangkat lunak yang digunakan dalam pemodelan dan juga menganalisis sistem dinamis. Mendukung sistem linier dan nonlinier, dapat dimodelkan dalam waktu kontinu. Selain simulink MATLAB juga memiliki PID tuning, Signal analysis, simBiology, Image acquisition, MATLAB coder, dan banyak lagi.
4.2. Pengaturan Pitch Angle menggunakan Fuzzy Logic
Pengaturan besaran sudut pada turbin angin dilakukan untuk menjaga kinerja turbin tetap pada daya telah ditentukan. Dimana diketahui kerapatan udara 1,225 dan diameter bilah pada turbin angin 5 m dan Cp maksimal turbin angin berada pada sudut 0o adalah 0,48, dan kecepatan angin nominal 7 m/s. Maka diambilah besar daya mekanis turbin angin pada penelitian ini adalah 2000 Watt sesuai parameter turbin.Dengan daya puncak yang tinggi maka turbin dapat mengambil energi pada kecepatan angin tinggi yang lebih banyak maka diperlukan pengaturan koefisien daya turbin angin (Cp) untuk menjaga daya mekanis yang masuk ke generator tetap pada kisaran 2000 Watt dengan cara merubah besaranPitch Angle. Tindakan ini dilakukan untuk menyesuaikan daya mekanis yang masuk ke turbin agar tidak terjadi pembebanan yang berlebihan pada generator yang menyebabkan generator menerima daya masukan berlebih (fatigue load) yang menyebabkan generator menjadi panas dan dalam waktu lama dapat merusak generator.
Tabel 4.1 Besaran sudut pada setiap kecepatan angin
Selanjutnya, setelah di dapat nilai pitch angle pada masing-masing kecepatan maka diterjemahkan kedalam Fuzzy Logic menggunakan fuzzy logic toolbox
Gambar 4.1 Fungsi keangotaan input Fuzzy Logic (Kecepatan Angin)
4.3. Hasil Simulasi dan analisis
Software MATLAB yang digunakan adalah versi 2013a, simulasi kontrol
Pitch angle pada turbin angin menggunakan Fuzzy Logic dengan rangkain simulasi yang ditunjukan pada Gambar 3.9 pada bagian sebelumnya. Dimana pada simulasi ini kecepatan angin yang di terapkan berada di kisaran 2 – 20 m/s yang di random secara acak dengan perubahan kecepatan angin setiap 15 menit dan simulasi ini berlangsung selama 24 jam yang menirukan perubahan kecepatan angin pada 1 hari di daerah Nias Utaratepatnya daerah afulu. Hasil simulasi kecepatan angin di daerah tersebut ditunjukan Gambar 4.3 berikut :
Gambar 4.3 Kecepatan Angin Hasil Simulasi
Gambar 4.4 Kontrol Pitch angle pada turbin angin
Pada gambar diatas terlihat bahwa turbin angin dengan kontrol pitch angle
melakukan perubahan sudut pada setiap perubahan kecepatan angin, agar di dapat daya yang sesuai dengan daya mekanis yang sudah ditentukan sebelumnya.
Gambar 4.5 Daya Mekanis Turbin Angin dengan sudut 0° dan pitch angle
Gambar 4.6 Daya Mekanis Turbin Angin Dengan Kontrol Pitch Angle
Sedangkan pada Gambar 4.6 dapat kita lihat bahwa daya keluaran sesuai dengan daya yang ditentukan yaitu berkisar diantara 2000Watt sehingga generator tetap berkerja di daerah amannya walau dengan kecepatan angin yang tinggi.
Daya mekanis yang dihasilkan oleh turbin akan disalurkan ke generator untuk diubah menjadi energi listrik, Hasil simulasi tegangan keluaran, arus keluaran dan daya listrik keluaran generator ditunjukan pada gambar 4.7-4.10 berikut:
Gambar 4.7 Tegangan keluaran generator dengan kontrol Pitch Angle
Tegangan Keluaran Generator adalah tegangan 3 fasa yang mana bentuk keluaran tegangan ini ditunjukan pada Gambar 4.8 tegangan keluaran generator berubah ubah mengikuti perubahan daya mekanis yang diberikan turbin yang diakibatkan oleh perubahan kecepatan angin yang mengenai turbin tersebut.
Gambar 4.9Arus Keluaran Generator dengan Kontrol Pitch Angle
Gambar 4.10 Daya Keluaran Generator dengan Kontrol Pitch Angle
pada hasil simulasi ini sebesar 1900Watt dengan daya mekanis yang di salurkan sebesar 2100Watt.
4.3.1 Perbandingan Daya Mekanis Perhitungan dan Simulasi Perbandingan daya mekanis ditunjukan pada tabel 4.2 berikut :
Tabel 4.2 Daya Mekanis Perhitungan dan Simulasi
14,5 17589,8 2000 2098 5% 0,054
15 19472 2000 2064 3% 0,049
16 23632,89 2000 2000 0% 0,04
18 33649,182 2000 1994 0% 0,028
20 46158 2000 1994 0% 0,02
Kurva perbandingan daya mekanis turbin angin dengan sudut tetap 0 dan turbin dengan pitch control ditunjukan pada gambar 4.11
Gambar 4.11 Daya Mekanis Turbin Angin Sudut Tetap dan Pitch Control
Kurva perbandingan daya mekanis turbin angin hasil perhitungan dan simulasi ditunjukan pada gambar 4.12
0
Gambar 4.12 Perbandingan Daya Mekanis Perhitungan dan Simulasi Kurva Hubungan Koefisien Daya (Cp) terhadapa daya mekanis yang dihasilkan oleh turbin angin ditunjukan pada Gambar 4.13 berikut:
Gambar 4.13 Hubungan Cp terhadap Daya Mekanis Turbin Angin 0
Hubungan Cp Terhadap Daya Mekanis
Dari data perhitungan yang ditunjukan pada tabel 4.2 terlihat bahwa selisih daya mekanis yang dihasilkan menggunakan kontrol pitch angle menggunakan fuzzy logic adalah sebesar 0-5% dari daya mekanis hasil perhitungan, disini terlihat bahwa fuzzy logic bekerja dengan baik mengatur daya mekanis pada turbin angin tetap pada kisaran daya mekanis yang telah ditentukan.
4.3.2 Perbandingan Daya Mekanis dan Daya listrik Hasil Simulasi Tabel 4.3 Perbandingan Daya Mekanis dan Daya listrik
Kecepatan Daya Daya
Effisiensi Angin Mekanis Listrik
11,5 2023 1828 90%
Grafik Perbandingan Daya Mekanik dan Daya Listrik hasil Simulasi ditunjukan pada Gambar 4.14 berikut:
Gambar 4.14 Perbandingan Daya Mekanis dan Daya Listrik
Pada tabel 4.3 terlihat bahwa daya mekanis yang diubah menjadi daya listrik pada penelitian ini dimulai saat kecepatan angin sebesar 2 m/s dengan dengan daya listrik yang dihasilkan sebesar 1 Watt. Dan daya yang
0
Daya Mekanis Vs Daya Listrik
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN
Dari hasil penelitian dan pembahasan yang dilakukan, diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Dari penelitian ini dapat diketahui bahwa perubahan kecepatan angin memiliki pengaruh paling besar pada daya mekanis yang di hasilkan turbin angin, karena kecepatan angin adalah fungsi pangkat 3 dari daya mekanis yang dihasilkan oleh turbin angin.
2. Dari penelitian ini Penerapan Kontrol Pitch Angle menggunakan
Fuzzy Logic pada turbin angin telah berhasil mengontrol daya
mekanis pada turbin angin tetap pada kisaran 2000Watt dibandingkan dengan tanpa kendali pitch angle. Pada saat sistem bekerja di dapat selisih daya terbesar yaitu 5% yang terjadi pada kecepatan angin 12,5 ; 13 dan 14,5 m/s dengan rata-rata selisih sebesar 1%.
5.2 SARAN
Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari Skripsi ini adalah sebagai berikut:
1. Agar dilakukan penelitian dengan menggunakan data kecepatan angin dari daerah yang lebih potensial, dengan kecepatan angin rata-rata yang lebih tinggi sehingga dapat menghasilkan daya yang lebih besar karena kecepatan angin adalah fungsi pangkat 3 dari daya mekanis keluaran turbin angin.
