5
BAB II
STUDI PUSTAKA
2.1 Energi Angin
Ketika ada perbedaan atmosfer, udara akan bergerak melalui tekanan lebih tinggi ke lebih rendah, sehingga angin memiliki berbagai kecepatan. Hal ini juga berdampak terjadinya energi angin karena dikonversinya energi matahari. Pada planet yang mengelilingi porosnya, udara akan dialihkan oleh efek coriolis kecuali terletak didaerah khatulistiwa. Ada faktor yang mendorong pola angin berskala besar yaitu pemanasan antara khatulistiwa, kutub dan rotasi planet
Sesuai dengan hukum pada gas ideal, temperature berbanding terbalik dengan tekanan, yang mana temperatur rendah mempunyai tekanan begitu tinggi ataupun sebaliknya. Ketika udara sedang bergerak, energi kinetik diudara yang bergerak dapat ditentukan sebagai :
𝐸𝑘 = 1
2 𝑚𝑣2 (2.1)
Diketahui v adalah kecepatan angin dan m adalah massa udara selama periode waktu. Hembusan angin dapat diperoleh dengan membedakan energi kinetic dalam angin :
𝑃𝑤 = 𝑑𝐸𝑘
𝑑𝑡 = 1
2 ṁ𝑣2 (2.2)
Massa udara yang bergerak ketika angin melewati turbin angin dan menggerakan blade untuk memutar dapat dirumuskan :
m = ρ v A (2.3)
Dimana ρ ialah kepadatan udara dan A ialah daerah penggerak bilah, seperti yang ditunjukan pada (2.1) dan (2.3), maka daya yang tersedia di angin dapat dinyatakan sebagai :
𝑃𝑤 = 1
2 (ρvA)(𝑣2) = 1
2 ρA𝑣3 (2.4)
6 Daya yang didapatkan pada energi angin belum dirubah melewati turbin angin. Daya energi angin tidak semuannya dikonversikan menjadi energi mekanik oleh turbin.
2.2 Turbin Angin
Turbin angin adalah cara paling umum untuk mengubah energi angin menjadi poros mekanis rotor untuk menghasilkan kerangka transformasi energi angin (SKEA) yang menghasilkan energi listrik melalui generator.. SKEA merupakan sistem yang bekerja dalam merubah energi listrik, mekanis, atau energi lainnya.
2.2.1 Daya Mekanik
Daya mekanik di turbin angin yang diperoleh dari angin dapat dirumuskan :
𝑃𝑤 = 1
2 𝜌𝜋𝑅2𝑉𝜔3 (2.5)
Dimana :
Pw = Daya mekanik turbin angin (Watt) R = Setengah diameter wind turbine (m) 𝜌 = Massa jenis Udara (kg/𝑚3)
𝑣 = Kecepatan angin (m/s)
Daya yang mampu ditangkap wind turbine bisa diperlihatkan dalam persamaan sebagai berikut :
𝑃𝑜 = 1
2 (𝑣2− 𝑣𝑜2) (2.6)
Dimana :
Po = daya output mekanik turbin angin (W)
v - vo = kecepatan upstream - downstream yang melewati turbin angin (m/s) Efesiensi wind turbine ditentukan dengan koefisien daya (𝐶𝑝). 𝐶𝑝 adalah perbandingan daya mekanik (Pm) dengan daya output turbin angin dan merupakan koefiesien daya. 𝐶𝑝 dapat dirumuskan secara matematis sebagai berikut :
7 𝐶𝑝 = ( 1+
𝑣
𝑣𝑜)[1−(𝑣𝑜𝑣)2]
2 (2.7)
Jadi daya yang diambil dari turbin angin adalah 𝑃𝑚 = 1
2 𝐶𝑝𝜌𝜋𝑅2𝑉𝜔3 (2.8)
2.2.2 Jenis Turbin Angin
a. Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT)
HAWT ialah turbine yang sumbu utamanya berotasi menyelaraskan arah angin. Sumbu putar pada blade sejajar dengan aliran angin dan berdiri tegak terhadap yang terletak sejajar dengan poros turbin dan arah putar pada rotor tegak lurus. Turbin ini menggunakan bilah aerodinamis yaitu airfoil seperti wujud yang terdapat pada sayap pesawat. Putaran rotor turbin ini dikarenakan gaya angkat dalam pisau rotor yang diakibatkan dari aliran angin. HAWT biasanya sesuai dimanfaatkan untuk model angin yang sedang maupun tinggi, dan biasanya dipergunakan pada pembangkit skala besar. HAWT memiliki total bilah yang bermacam-macam mulai satu, dua, tiga bilah, dan multi bilah disesuaikan dengan kebutuhan ataupun keadaan angin.
Gambar 2.1 HAWT
Kelebihan pada HAWT, yaitu pada turbin angin memiliki efesiensi tinggi, kepadatan daya tinggi serta cut-in pada kecepatan angin rendah. Selain itu memiliki kekurangan, HAWT mempunyai desain yang lebih sulit dikarenakan rotor 12 cuma
8 menangkap angin dari 1 arah hingga membutuhkan pembelok angin dan posisi generator ditempatkan di atas menara hingga beban akan bertambah.
b. Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)
VAWT yakni wind turbine vertikal tegak lurus dimana dorongan blade dan rotor sejajar pada arah angin,maka dari itu putaran rotor yang dihasilkan ke segala arah angin. Turbin angin ini memiliki beberapa jenis, yakni Darrieus, Savonius, dan HUrotor.wSavonius menggunakan gayaadragasedangkanADarrieus dan HUrotor menggunakan gayarangkat.
Gambar 2.2 Vertical Axis Wind Turbine
Kelebihannya dari VAWT sendiri, yaitu pada saat kecepatan angin rendah VAWT dapat berputar karena memiliki torsi tinggi, angin dapat diterima oleh turbine dari berbagai penjuru arah hingga tidak memerlukan pengontrolan yaw, posisi generator berada pada posisi bawah turbin akibatnya perawatannya lebih mudah, dan tidak berisik. Kekurangan VAWT, yaitu VAWT tidak dapat menangkap keuntungan angin dalam posisi terbaiknya sehingga pada turbin mempunyai level efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan HAWT serta torsi yang kecil di awal sehingga untuk berputar memubutuhkan energi yang lebih.
VAWT lebih sering dipakai pada konversi energi listrik skala rendah.
2.3 Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)
Generator adalah mesin listrik yang mampu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dengan memanfaatkan permanent. PMSG bertujuan untuk mengubah torsi dan kecepatan rotor yang diterima propeller turbin menjadi nilai tegangan dan arus.
9 Dalam tugas akhir ini, generator yang digunakan menggunakan generator sinkron dengan magnet tidak terdapat energi listrik yang diserap pada sistem eksitasi medan, sehingga tidak memiliki rugi-rugi eksitasi hingga efesiensi pada turbin angin akan meningkat. Selain itu respon dimanis yang dimiliki generator sinkron permanen magnet lebih baik dibandingkan dengan menggunakan eksitasi elektromagnetik, dikarenakan rapat fluks pada airgap lebih tinggi. Pada PMSG medan magnet yang dibutuhkan bukan melalui elektromagnetik tetapi melalui permanen magnet. Jadi fluks medan tidak berubah dan untuk mengekstasi kumparan medan dan slip ring tidak dibutuhkan [8].
Generator sinkron memiliki prinsip yang memiliki hubungan antara kecepatan dan frekuensi yang dapat ditunjukan sebagai berikut :
𝑁𝑥 = 𝑁𝑖 = 120𝑓
𝑝 (2.9)
Dimana :
Ni = Kecepatan pada medan rotor (Rpm) Nx = Kecepatan pada medan Stator (Rpm) p = Jumlah kutub (pole)
2.4 Rectifier (Penyearah)
Penyearah, atau penyearah gelombang dalam bahasa Indonesia, ialah bagian dari rangkaian catu daya dan mengubah sinyal arus bolak-balik menjadi sinyal arus searah. Rangkaian penyearah atau penyearah gelombang ini pada dasarnya menggunakan dioda sebagai komponen utamanya. Hal ini dikarenakan dioda memiliki sifat yang hanya memungkinkan arus listrik mengalir satu arah dan mencegah arus listrik mengalir ke arah yang berlawanan. Ketika dioda ditenagai oleh arus bolak-balik (AC), itu hanya memungkinkan setengah dari bentuk gelombang lewat sementara setengah lainnya diblokir.
10 2.4.1 Jenis-Jenis Penyearah
a. Penyearah Setengah Gelombang
Penyearah setengah gelombang berfungsi sebagai penyearah gelombang AC yang memakai sebuah dioda dalam menghalangi bagian gelombang negatif dari gelombang AC dan hanya meloloskan bagian sinyal positif(+). Dapat dilihat pada Gambar 2.3 berikut :
Gambar 2.3 Penyearah Setenganh Gelombang
Prinsipnya arus AC dibagi menjadi 2 gelombang, khususnya gelombang tertentu dan gelombang negatif berputar. Gelombang positif dari arus AC yang mendekat ke dioda akan membuat dioda maju sepihak (Forward Bias) dengan tujuan melewatkannya, sedangkan gelombang negatif dari arus yang bergerak menuju gelombang arus AC akan membuat dioda sebaliknya. (Bias Terbalik). memblokir tanda.
b. Penyearah Gelombang Penuh
Ada 2 cara unik untuk menguraikan penyearah gelombang penuh.
Kedua prosedur tersebut memang menggunakan dioda sebagai penyearah namun dengan jumlah dioda yang berbeda, khususnya dengan menggunakan dua buah dioda dan empat buah dioda. Penyearah gelombang penuh dengan dua dioda harus menggunakan trafo CT sedangkan penyearah empat dioda tidak perlu menggunakan penyearah CT empat dioda yang biasa disebut penyearah gelombang penuh.
11 Gambar 2.4 Penyearah Gelombang Penuh
Berdasarkan Gambar 2.4 diatas, dengan asumsi Transformator menghasilkan sisi tanda positif (+) maka hasil D1 dan D2 akan berada dalam kondisi Bias Maju sehingga melewatkan sinyal positif sedangkan D3 dan D4 akan menekan sinyal sisi negatif. Kemudian pada titik tersebut, ketika tegangan trafo berubah ke sisi negative (- ) maka pada titik tersebut D3 dan D4 akan berada dalam kondisi Bias Maju sehingga melewati sinyal sisi positif (+) sedangkan D1 dan D2 akan menghalangi sinyal negatif [10].
2.5 Boost Converter
Prinsip kerja dari boost hampir sama dengan prinsip kerja DC choper, tegangan output dari boost selalu lebih tinggi dari tegangan input. [9]. Pada Konverter tipe boost terdapat satu switch ,satu induktor ,satu capasitor ,dan satu diode.
Gambar 2.5 Boost Converter
Pada saat sakelar atau sakelar MOSFET ditutup (ton), arus akan mengalir ke induktor sehingga energi yang disimpan di induktor meningkat. Saat sakelar MOSFET terbuka (toff), arus induktor ini akan mengalir menuju beban melalui dioda sehingga energi yang disimpan di induktor akan berkurang. Pada saat terbuka (toff) beban akan diberi oleh tegangan sumber ,di samping itu tegangan induktor
12 juga memberikan energinya. Kondisi ini membuat tegangan keluaran menjadi lebih tinggi dibandingkan tegangan masukan. Hubungan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sesuai dengan hubungan antara antara durasi pensaklaran dan waktu pembukaan sakelar.
Untuk mencari nilai dari tiap komponen boost converter untuk turbin angin dengan menggunakan persamaan di bawah ini :
Persamaan duty cycle (D) : 𝐷 = 1 − (𝑉𝑖𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡) (2.10)
Dimana :
D = Duty cycle
𝑉𝑖𝑛 = Tegangan Masukan 𝑉𝑜𝑢𝑡 = Tegangan Keluaran
Persamaan nilai resistance ,inductor ,dan capacitor : 𝑅 =𝑉𝑜𝑢𝑡2
𝑃 (2.11)
𝐿 =𝑉𝑖𝑛 𝑥 𝐷
𝑓 𝑥 ∆𝐼𝑙 (2.12)
𝐶 = 𝐼𝑜 𝑥 𝐷
𝑓 𝑥 ∆𝑉𝑜 (2.13)
Dimana :
𝑅 = Hambatan (ohm) 𝑃 = Daya (watt) 𝐿 = Induktor (henry) 𝐶 = Kapasitor (Farat) 𝑓 = Frekuensi (Khz)
∆𝐼𝑙 = Riak tegangan induktor
13
∆𝑉𝑜 = Riak tegangan kapasitor 𝐼𝑜 = Arus keluaran converter
2.6 Maximum Power Point Tracking (MPPT)
MPPT merupakan suatu metode pelacakan titik daya maksimum digunakan untuk mengoptimalkan daya keluaran agar mencapai efesiensi yang maksimal dari suatu turbin angin (Otong & Bajuri, 2017). Dalam sistem wind turbine dengan kecepatan bervariasi, wind turbine bekerja dalam kecepatan yang maksimum sebagai fungsi kecepatan angin. Perubahan sifat turbin angin dan kecepatan angin menggeser titik daya maksimum, seperti terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Kurva Karaktersitik Wind Turbine
MPPT untuk sistem turbin angin dioperasikan dengan cara merubah percepatan putaran generator untuk setiap perubahan kecepatan angin sehingga daya yang diperoleh akan optimum. Cara yang dipergunakan dalam MPPT berbeda sesuai dengan algoritma yang dipergunakan, dimana pada algoritma yang digunakan memiliki tujuan untuk menemukan titik optimal pada kecepatan yang tidak bergitu jatuh tetapi arus yang diperoleh pada kodisi optimum. Jika kecepatan terlalu kecil disebabkan oleh beban yang berlebih ketika torsi sudah mencapai maksimum maka akan diikuti dengan kecepatan torsi yang berkurang. Sedangkan pada pengaturan beban dikerjakan dalam DC to DC converter sebagai jembatan.
14 2.7 Artificial Bee Colony (ABC)
Algoritma ABC pertama kali di gunakan oleh karaboga. Algoritma ini terinspirasi aktivitas dan perilaku mencari makan cerdas dari kawanan lebah madu ,sementara mereka mencari sumber makanan dan berbagi jumlah makanan dengan lebah lain (Fadila, 2016). Kelompok lebah terbagi dalam beberapa kelompok sesuai tugasnya masing-masing yaitu : employed bees, onlooker bees dan scout bees.
Employed bee yang digunakan adalah lebah madu yang dibagikan di sekitar sumber makanan untuk menandai area sumber makanan baru yang lebih baik dan mengabaikan yang lama. Ketika selesai proses pencarian sumber makanan, lebah madu akan memberikan informasi tentang lebah madu yang lewat di sarangnya.
Penonton lebah madu akan menentukan sumber makanan dari sumber makanan yang telah dipisahkan oleh lebah madu yang dimanfaatkan. Sementara itu, lebah madu pramuka dipercaya untuk menemukan sumber makanan baru yang dipilih secara sembarangan [12].
Dalam merancang algoritma ini sebagai acuan mencari daya maksimum, perlu mengetahui beberapa tahapan persamaan. Tahapan persamaan inilah yang menjadi referensi perangcangan algoritma pencari daya maksimum dengan algoritma ABC.
Fase inisialisasi: ABC menghasilkan populasi awal secara acak dari solusi ns (siklus). Setiap solusi dihasilkan dalam batasnya [0, 1] dengan persamaan di bawah ini [14]:
𝑑𝑖 = 𝑑𝑚𝑖𝑛+ 𝑟𝑎𝑛𝑑(𝑀 , 𝐷) 𝑥 (𝑑max − 𝑑min ) (2.14) Fase employed bees memperbarui siklus tugas menggunakan permasamaan di bawah ini [14]:
𝑛𝑒𝑤 𝑑𝑖 = 𝑑𝑖 + ∅ (𝑑𝑖 − 𝑑𝑘) (2.15)
Kemudian dievaluasi menggunakan persamaan berikut [14]:
𝑝𝑖 = 𝑃𝑝𝑣𝑖
∑ Ppvi 𝑆𝑁 𝑁=1
(2.16)
15 Dimana 𝑓𝑖𝑡𝑖 adalah fitness solution [14]. Pada akhir setiap siklus pencarian, algoritma mencatat solusi terbaik yang diperoleh dan mengulangi prosedur dari fase employed bees sampai jumlah siklus maksimum (MCN) terpenuhi atau sampai nilai daya tetap tidak berubah dari siklus.
