PERANCANGAN SISTEM KONTROL SUDUT PITCH BERBASIS PI-LOGIKA FUZZY PADA TURBIN ANGIN SKALA KECIL

i

TUGAS AKHIR TF 141581

PERANCANGAN SISTEM KONTROL SUDUT PITCH

BERBASIS PI-LOGIKA FUZZY PADA TURBIN ANGIN

SKALA KECIL

EKO MAMO PRAPITAG TINOMO PUTRO NRP 2414.106.018

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc.

DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

iii

FINAL PROJECT Tf 141581

PITCH ANGLE CONTROL SYSTEM DESAIN BASED

ON PI-FUZZY LOGIC FOR SMALL SCALE WIND

TURBINE

EKO MAMO PRAPITAG TINOMO PUTRO NRP 2414.106.018

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc.

DEPARTMENT OF ENGINEERING PHYSICS Faculty of Industrial Technology

Sepuluh Nopember Institute of Technology Surabaya 2017

v

PITCH BERBASIS PI-LOGIKA FUZZY PADA

TURBIN ANGIN SKALA KECIL

TUGAS AKHIR

Oleh:

Eko Mamo Prapitag Tinomo Putro

NRP : 2414 106 018

Surabaya, 23 Januari 2017

Mengetahui / Menyetujui

Pembimbing

Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc.

NIP. 19600901 198701 1 001

Ketua Departemen

Teknik Fisika FTI-ITS

Agus Muhamad Hatta, S.T., M.Si., Ph.D.

NIP. 19780902 200312 1 002

vii

PITCH BERBASIS PI-LOGIKA FUZZY PADA

TURBIN ANGIN SKALA KECIL

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada

Bidang Studi Rekayasa Instrumentasi Program Studi S-1 Departemen Teknik Fisika

Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

EKO MAMO PRAPITAG TINOMO PUTRO

NRP. 2414 106 018

Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir :

1 Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc ...(Pembimbing)

2 Dr. Ir.Purwadi Agus Darwito, M.Sc ... (Penguji I)

3 Imam Abadi, ST, MT ... (Penguji II)

4 Dr.-Ing. Doty Dewi Risanti, ST, MT ... (Penguji III)

SURABAYA Januari, 2017

ix

ANGIN SKALA KECIL

Nama Mahasiswa : Eko Mamo Prapitag Tinomo P

NRP : 2414 106 018

Program Studi : S1 Teknik Fisika

Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc. Abstrak

Energi angin merupakan salah satu energi yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik dengan menggunakan Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) berupa turbin angin. Adapun salah satu parameter yang perlu diperhatikan dalam merancang bilah turbin angin adalah penentuan sudut pitch bilah turbin angin yang mana akan mempengaruhi performansi dari turbin angin, yaitu kecepatan sudut rotor, kecepatan angin optimal, dan koefisiensi daya. Sehingga diperlukan sistem kontrol dan pemilihan sudut pitch optimal, yaitu sudut dimana turbin memiliki koefisien daya maksimal pada jangkauan kecepatan angin. Hasil penelitian turbin angin yang dibangun diuji dengan enam variasi kecepatan angin pada 1.6 m/s, 1.7 m/s, 1.8 m/s, 1.9 m/s, 2.3 m/s dan 2.6 m/s mendapatkan daya maksimal pada sudut optimal pada range 40_-60 _{memiliki Cp (Coefisien Power)}

rata-rata 0.569707 dan dapat menghasilkan daya maksimal 25.7 watt. Hasil pengembangan penerapan system kontrol PI-logika Fuzzy pada plant turbin angin dari beberapa percobaan setpoint menghasilkan rise time 107,5 detik, settling time 253 detik, maksimal overshoot 7.4%, error steady state 3.89%, dan IAE (Integral Absolute Error) 2123.

Kata kunci : Sistem Kontrol PI-Fuzzy, Cp (Power

xi

TURBINE

Name : Eko Mamo Prapitag Tinomo P

NRP : 2414 106 018

Department : Engineering Physics Supervisor : Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc.

Abstract

Wind energy is one of the energy used to generate electricity by using Wind Energy Conversion Systems (SKEA) in the form of wind turbines. One of the parameters that need to be considered in designing a wind turbine blade is the determination pitch angle of wind turbine blades which will affect the performance of the wind turbine, the rotor angular velocity, optimal wind speed, and power coefficient. Therefore, control systems and the selection of the optimal pitch angle, which is the angle of pitch in the turbine can produce maximum power coefficient in the range of wind speeds is necessary. Experimental results with six variations of wind speed at 1.6 m /s, 1.7 m/s, 1.8 m/s, 1.9 m/s, 2.3 m/s and 2.6 m /s show that optimum angles of wind turbine’s pitch are in the range of 40-60 and has a average of Cp (power coefficient) value of 0.569707 and can produce a maximum power of 25.7 watts. The results of PI-Fuzzy logic control on a wind turbine plant for several setpoints experiment show the best rise time measured at 107.5 seconds, settling time at 253 seconds, maximum overshoot of 7.4%, steady state error of 3.89%, and IAE (Integral Absolute Error) of 2123.

Keywords : PI-Fuzzy Control System, Cp (power coeffisient), Wind Turbine, Pitch Angle

xiii

rahmat dan hikmat-Nya sehingga penulis diberikan kesehatan, kemudahan, dan kelancaran dalam menyusun laporan tugas akhir ini.Tidak lupa juga penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada keluarga dan para sahabat. Oleh karena dukungan mereka, penulis mampu menyusun laporan tugas akhir yang berjudul:

“PERANCANGAN SISTEM KONTROL SUDUT PITCH BERBASIS PI-LOGIKA FUZZY PADA TURBIN ANGIN

SKALA KECIL”

Tugas akhir ini merupakan salah satu persyaratan akademik yang harus dipenuhi dalam Program Studi S-1 Teknik Fisika FTI-ITS. Penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Segenap keluarga penulis yang telah memberikan dukungan penuh terhadap penyelesaian tugas akhir ini. 2. Dr. Ir. Ali Musyafa’, M.Sc. selaku dosen pembimbing

tugas akhir ini, yang selalu memberikan semangat dan ide-ide baru.

3. Agus Muhamad Hatta, ST, MSi, Ph.D. selaku ketua jurusan Teknik Fisika ITS.

4. Segenap Bapak/Ibu dosen pengajar di jurusan Teknik Fisika - ITS.

5. Rekan-rekan LJ (Lintas Jalur) S1 Teknik Fisika - ITS, yang senantiasa memberikan motivasi dan perhatian.

6. Rekan-rekan dan laboran dari Laboratorium Pengukuran Fisis Teknik Fisika - ITS.

7. Mario Ardhany, Jauharotul Maknunah dan teman-teman seperjuangan TA yang telah memotivasi dan memberikan bantuan bantuan dalam penyelesaian laporan tugas akhir ini.

xiv

memberikan saran-saran terkait dengan hardware dalam tugas akhir ini.

9. Semua pihak yang telah memberikan doa dan dukungan yang tidak bisa penulis sebut satu per satu.

Penulis menyadari bahwa mungkin masih ada kekurangan dalam laporan ini, sehingga kritik dan saran penulis terima.Semoga laporan ini dapat berguna dan bermanfaat bagi penulis dan pihak yang membacanya.

Surabaya, Januari 2017

xv

Lembar Pengesahan ... v

Abstrak ... ix

Abstract ... xi

Kata Pengantar ...xiii

Daftar Isi ... xv

Daftar Gambar ... xvii

Daftar Tabel ... xxi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

BAB II DASAR TEORI 2.1 Prinsip Turbin Angin ... 5

2.2 Blade Turbin Angin ... 7

2.3 Logika Fuzzy ... 11 2.4 Kontrol PI (Proporsional-Integral) ... 12 2.5 Mikrokontroller Arduino ... 13 2.6 Motor Servo ... 15 2.7 Rotary Encoder ... 16 2.8 Slip ring ... 17

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PROTOTIPE TURBIN ANGIN 3.1 Study Literatur ... 19

3.2 Penentuan Spesifikasi Sistem dan Perancangan Turbin Angin ... 19

3.3 Perancangan Sistem Kontrol Sudut Pitch ... 35

3.3.1 Sistem Kontrol Pitch Turbin Angin Menggunakan PI Menggunakan Tuning Berdasarkan Ziegler-Nichols (ZN) ... 45

xvi

Berdasarkan Metode Trial And Error ... 46 3.3.3 Sistem kontrol pitch turbin angin

menggunakan PI menggunakan tuning logika fuzzy 2 Input ... 47 3.4 Realisasi Sistem Kontrol Pitch Angle

Berbasis PI-Logika Fuzzy ... 58 3.5 Analisa Data dan Penyusunan Laporan ... 59

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Perhitungan Coeffisient Power (Cp) dan Daya Maksimal yang Dapat Dihasilkan Turbin

Angin ... 61 4.2 Perbandingkan Sinyal Respon Kontrol PI dan

Kontrol PI dengan Tuning Fuzzy ... 63 4.3 Penerapan Sistem Kontrol pada Plant Turbin

Angin ... 64

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan ... 75 5.2 Saran ... 76

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN A DATASHEET SERVO

LAMPIRAN B FLOWCHART PROGRAM ARDUINO LAMPIRAN C PROGRAM ARDUINO

LAMPIRAN D RESPON OPEN LOOP PENGUJIAN SUDUT LAIN

xvii

Gambar 2.2 Vektor gaya pada blade dengan variable

sudut serang ... 8

Gambar 2.3 Posisi sudut blade ... 9

Gambar 2.4 (a) Penampang blade NREL S835 untuk pangkal blade (b) Penampang blade NREL S833 untuk tengah blade (c) Penampang blade NREL S834 untuk ujung blade ... 10

Gambar 2.5 Perbandingan logika biner (A) dan logika fuzzy (B) ... 11

Gambar 2.6 Blok diagram kontrol proporsional – integral ... 13

Gambar 2.7 Bentuk fisik arduino uno ... 14

Gambar 2.8 Motor servo ... 15

Gambar 2.9 Karakteristik kerja motor servo ... 16

Gambar 2.10 Konstruksi sensor putaran ... 17

Gambar 2.11 Konstruksi slip ring ... 18

Gambar 3.1 Flowchart metodologi penelitian ... 19

Gambar 3.2 Blade turbin angin ... 21

Gambar 3.3 Motor servo hitec HS-805BB ... 22

Gambar 3.4 Arduino uno ... 23

Gambar 3.5 Rotary encoder dan phototransistor ... 24

Gambar 3.6 Gear nylon ... 25

Gambar 3.7 Turbin angin ... 26

Gambar 3.8 Kipas yang digunakan sebagai sumber angin ... 27

Gambar 3.9 Area paparan optimal sumber angin ... 31

Gambar 3.10 Skema sumber angin terhadap obyek ... 31

Gambar 3.11 Grafik pengaruh pitch angle terhadap kecepatan putar turbin angin ... 34

Gambar 3.12 Blok diagram sistem pengendalian ... 36

xviii

Gambar 3.15 Pemodelan open loop sistem turbin

angin ... 43

Gambar 3.16 Grafik open loop sistem simulasi turbin angin ... 43

Gambar 3.17 Respon simulasi pemodelan open loop dan respon turbin angin sebenarnya vangin = 2.6 m/s dan sudut = 40 _{... 44}

Gambar 3.18 Sistem close loop turbin angin dengan kontrol PI tuning ZN ... 45

Gambar 3.19 Sistem close loop turbin angin dengan kontrol PI tuning trial and error ... 47

Gambar 3.20 Respone sistem close loop turbin angin kontrol PI tuning trial and error ... 47

Gambar 3.21 Membership function input error ... 49

Gambar 3.22 Membership function input deltaerror ... 50

Gambar 3.23 Membership function output kp ... 51

Gambar 3.24 Membership function output ki ... 51

Gambar 3.25 Sistem close loop turbin angin dengan kontrol PI-logika fuzzy ... 52

Gambar 3.26 PI-Fuzzy kontroller 2 input ... 52

Gambar 3.27 Respone sistem close loop turbin angin kontrol PI tuning Fuzzy ... 52

Gambar 3.28 Penurunan nilai error setelah menggunakan sistem kontrol PI-Fuzzy ... 53

Gambar 3.29 Membership function input error ... 53

Gambar 3.30 Membership function output kp ... 55

Gambar 3.31 Membership function output ki ... 56

Gambar 3.32 Sistem close loop turbin angin dengan kontrol PI-logika Fuzzy ... 56

xix

Gambar 3.34 Respone sistem close loop turbin angin

kontrol PI tuning Fuzzy ... 57

Gambar 3.34 Perbedaan Respon Output Logika Fuzzy

Satu Input dan Logika Fuzzy Dua Input ... 58

Gambar 4.1 Pengujian Sistem kontrol PI pada Plant

Turbin angin ... 65

Gambar 4.2 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada

plant turbin angin setpoint 80 rpm ... 66

Gambar 4.3 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy

pada plant turbin angin setpoint 90 rpm ... 67

Gambar 4.4 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada

plant turbin angin setpoint 70 rpm ... 68

Gambar 4.5 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy

pada plant turbin angin setpoint 60 rpm ... 69

Gambar 4.6 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada

plant turbin angin setpoint 50 rpm ... 70

Gambar 4.7 Pengujian sistem kontrol PI-Fuzzy pada

plant turbin angin setpoint 40 rpm ... 71

Gambar 4.8 Uji Tracking turbin angin dengan sistem

xx

xxi

Tabel 2.2 Spesifikasi Arduino Uno ... 15

Tabel 3.1 Berat Blade Turbin Angin ... 20

Tabel 3.2 Pengujian Sudut Servo ... 22

Tabel 3.3 Pengujian Sudut Servo (lanjutan) ... 23

Tabel 3.4 Pengujian Sensor Kecepatan ... 25

Tabel 3.5 Spesifikasi Gear ... 26

Tabel 3.6 Data awal hasil pengujian pengaruh Kecepatan Angin dan Sudut Blade terhadap kecepatan sudut turbin ... 28

Tabel 3.7 Data pengaruh Kecepatan Angin dan Sudut Blade terhadap kecepatan sudut turbin jarak 3 meter ... 32

Tabel 3.8 Data pengaruh Kecepatan Angin dan Sudut Blade terhadap kecepatan sudut turbin jarak 3 meter (lanjutan) ... 33

Tabel 3.9 Interpolasi 63% Turbin Angin ... 41

Tabel 3.10 Interpolasi 28% Turbin Angin ... 41

Tabel 3.11 Parameter FOPDT Uji Turbin Angin ... 42

Tabel 3.12 Parameter FOPDT Uji Turbin Angin ... 44

Tabel 3.13 Formula Tuning Ziegler–Nichols ... 46

Tabel 4.1 Nilai Cp (Coefficient Power) Optimum dengan Variasi Kecepatan Putar Turbin Angin ... 62

Tabel 4.2 Daya Maksimal yang Dihasilkan pada Tiga Variasi Kecepatan Angin ... 63

Tabel 4.3 Performa Kontrol PI dan PI-logika Fuzzy ... 64

xxii

1

1.1 Latar Belakang

Isue Energi Baru Terbarukan (EBT) pada awal milineum ketiga atau tepatnya tahun 2008 menjadi topik yang banyak dibahas meliputi krisis energi alam, krisis keuangan, dan krisis lingkungan. Maka situasi tersebut mendorong semua pihak untuk mencari alernatif dalam pemanfaatan energi. Energi angin merupakan salah satu energi yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik atau konversi ke energi untuk keperluan lain. Salah satu alat untuk memanfaatkan energi angin adalah turbin angin. Menurut data dari asosiasi energi angin dunia (WWEA), indonesia menepati urutan ke-70 dunia dalam hal konversi energi angin (SKEA). Dalam memanfaatkan energi angin menggunakan turbin angin, terdapat berbagai faktor yang dapat mempengaruhi kinerja dari turbin angin. Salah satu hal yang perlu dipertimbangkan adalah perancangan bilah untuk turbin angin yang meliputi ukuran (jari-jari rotor), penampang airfoil, panjang

chord, dan sudut pitch bilah.

Indonesia merupakan salah satu negara yang belum banyak memanfaatkan energi angin sebagai pembangkit listrik karena karakteristik angin di Indonesia yang rendah khususya di jawa timur dengan rata-rata per tahun sekitar 2-5 m/s (ali musyafa’,2016). Konfigurasi turbin angin yang bisa digunakan adalah tipe HAWT dengan berjumlah 3 buah dan tipe airfoil bilah NREL S83n. Airfoil NREL S83n adalah tipe yang sesuai digunakan untuk tubin angin skala kecil (diameter 1-3 m). Parameter lain yang perlu diperhatikan dalam merancang bilah turbin angin adalah penentuan sudut pitch bilah turbin angin yang mana akan mempengaruhi performansi dari turbin angin, yaitu kecepatan sudut rotor, kecepatan angin optimal, dan koefisiensi daya (the

starting and low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine, 2004). Penelitian ini akan terpusat pada sistem

kontrol dan pemilihan sudut pitch optimal, yaitu sudut dimana turbin memiliki koefisien daya maksimal pada jangkauan

kecepatan angin. Untuk mendapatkan sudut pitch optimal, maka harus didapatkan hubungan antara kecepatan putar rotor turbin dengan kecepatan angin (optimal angle of attack for untwisted blade wind turbine, 2009) sehingga dirancang seatu bilah turbin angin yang dapat diatur sudutnya untuk mendapatkan torsi maksimal.

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan sebelumnya, permasalahan yang diangkat dalam penelitian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :

1. Bagaimana cara mendapatkan daya maksimum pada turbin angin dengan membuat perubahan variabel sudut pitch dan perubahan kecepatan angin?

2. Bagaimana cara merancang sistem kontrol sudut pitch berbasis PI-logika Fuzzy untuk memperoleh kinerja sistem turbin angin terbaik?

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat perancangan sistem kontrol sudut pitch angle dengan berbasis PI-logika Fuzzy untuk mendapatkan daya yang optimal dengan berbagai kecepatan angin yang bervariasi dengan mikroprosesor arduino.

1.4 Batasan Permasalahan

Pada pengerjaan Tugas Akhir kali ini, agar lebih fokus maka akan diambil beberapa batasan masalah yaitu sebagai berikut : 1. Perancangan penampang bilah turbin angin mengacu pada

literatur yang sudah ada dan diketahui performansinya, yaitu meggunakan airfoil NREL S835 untuk bagian pangkal bilah dan S833 untuk bagian tengah bilah, dan S834 untuk bagian ujung bilah.

2. Sistem turbin angin yang digunakan adalah turbin angin berskala kecil dengan diamater bilah 2 meter.

3. Kinerja generator dianalogikan dengan jumlah putaran yang dihasilkan turbin angin (RPM atau rotasi per menit).

4. Sistem kontroler berbasis kecerdasan buatan berbasis PI-logika Fuzzy, dengan Fuzzy sebagai tunner dari PI.

5. Mikrokontroler yang digunakan adalah jenis arduino.

6. Sumber angin yang digunakan adalah tiga buah kipas dengan variasi kecepatan antara 1.6 m/s hingga 2.6 m/s.

7. Fokus penelitian pada sistem kontroler sudut pitch dengan variable input berupa set poin RPM dan output berupa jumlah putaran rotor turbin.

5

2.1 Prinsip Turbin Angin

Turbin angin adalah mesin konversi energi tertua di dunia (F.D. Bianchi,2004). Namun saat ini sistem konversi energi angin (SKEA) ini kembali popular disebabkan sistem konversi energi angin merupakan sistem konversi yang bersih dan bertranformasi menjadi energi baru dan terbarukan sebagai energi yang ekonomis (R. Ata,2010). Penerapan turbin angin secara luas di daerah sub tropis maupun daerah tropis, pada daerah yang memiliki kecepatan angin skala kecil 10 m/s maupun daerah yang memiliki kecepatan angin 12-50 m/s (Helen Markou,2009).

Tipe turbin angin dibedakan berdasarkan arah rotor turbin diantaranya terdapat vertical axis wind turbine (VAWT) dan

horizontal axis wind turbine (HAWT). Turbin angin tipe VAWT

memiliki bentuk lebih sederhana dari pada sistem HAWT. Tipe turbin angin HAWT dapat dapat digunakan pada daerah yang memiliki kecepatan angin rendah maupun kecepatan angin tinggi. Turbin angin tipe HAWT sangat variatif terkait dengan konfigurasi, jumlah blade, ukuran rotor, tipe blade, dan sistem kontrol yang sangat beragam. Perkembangan ukuran dan tipe turbin angin juga sangat variatif. Turbin angin yang memiliki dimensi dan tipe blade yang berbeda akan menghasilkan kinerja yang berbeda pula, terutama efisiensi yang dihasilkan. Turbin angin yang memiliki jumlah blade dua atau tiga sering digunakan untuk tujuan pembangkit tenaga listrik, karena turbin angin ini meskipun mempunyai torsi yang relatif kurang besar namun memiliki putaran rotor tinggi yang dapat ditunjukkan melalui hubungan nilai efisiensi (η), tip speed ration (λ), dan torsi (CQ).

Sedangkan turbin angin yang memiliki jumlah blade lebih banyak dapat menghasilkan torsi yang lebih besar, namun demikian turbin belum tentu mampu menghasilkan efisiensi yang tinggi. Karena pada daerah dengan kecepatan angin yang tidak terlalu tinggi diperlukan mempu menghasilkan jumlah putaran turbin yang diharapkan.

Daya angin yang dapat diekstrak oleh sistem turbin angin sumbu

horizontal dirumuskan sebagai berikut (J.H. Laks,2009)

𝑃 =

1

2

𝜌

𝑎𝑖𝑟

𝐶

𝑝

𝐴

𝑟

𝑉

3

_(2.1)

Dimana :

P = Daya turbin angin (watt)

𝜌

_𝑎𝑖𝑟 = Massa jenis udara (kg/m3₎

V = Kecepatan angin (m/s)

𝐴

_𝑟 = Luas sapuan penampang bilah (m2₎

𝐶

_𝑝 = Power coeffisient

Dari rumus tersebut diketahui bahwa daya angin selain bergantung pada kecepatan angin juga bergantung pada nilai

𝐶

_𝑝. Semakin besar nilai

𝐶

_𝑝 maka semakin besar pula daya yang dihasilkan oleh turbin. Nilai

𝐶

𝑝merupakan fungsi dari tip speed ratio (λ) dan sudut

pitch (θ) (A. Pintea,2010).

𝐶

𝑝

= (

λ ,θ) (2.2)

λ = 𝜔

𝑣 𝑅 (2.3)

Dimana:

𝐶

_𝑝

=

Power coeffisient

𝜆 = Tip speed ratio 𝜃 = Sudut Pitch

𝜔 = Kecepatan sudut (rad/s) 𝑣 = Kecepatan angin (m/s) 𝑅 = Jari-jari rotor bilah (m)

Jika

𝜔

adalah konstan sesuai setpoint yang diinginkan dan R

blade adalah konstan, maka 𝐶𝑝 hanya akan bergantung terhadap V

dan 𝜃. Karena V tidak dapat dikontrol maka 𝜃 dijadikan variabel yang dikontrol untuk memperoleh daya yang diharapkan.

Daya angin yang diekstrak oleh sebuah horizontal axis wind

turbine (HAWT) dapat diturunkan melalui persamaan energi

sumbu x, persamaan energi udara yang melintas pada turbin angin ditunjukkan oleh persamaan 2.4 dan 2.5.

𝑈 = 1

2 𝑚 𝑉𝑤 2₌ 1

2 (𝜌𝑎𝑖𝑟 𝐴𝑟 𝑥) 𝑉𝑤

2

_(2.4)

Sedangkan daya adalah dari energi terhadap waktu, maka:

𝑃 =

𝑑𝑢 𝑑𝑡

=

1 2

(𝜌

𝑎𝑖𝑟

𝐴

𝑟 𝑑𝑥 𝑑𝑡

) 𝑉

𝑤 2

_(2.5)

Kemudian untuk mengetahui daya yang diekstrak oleh turbin angin dapat dilakukan denga menghitung selisih daya angin sebelum melewati turbin angin dan sesudah melewati turbin angin.

Gambar 2.1 Tube angin yang melewati turbin (Johnson, 2001)

Untuk mengetahui seberapa besar daya yang dapat diekstrak oleh turbin angin dapat dilakukan dengan menghitung seberapa besar selisih daya angin sebelum dan sesudah melintasi turbin angin. Kecepatan angin akan berkurang berbanding lurus dengan jarak dengan turbin angin, dengan demikian tekanan angin yang melintas pada turbin akan naik akibat dari ruang gerak yang semakin sempit. Pada keadaan ini energi kinetik angin akan diubah menjadi energi rotasi atau daya angin (Pwind). Ketika angin melintas

pada jarak tertentu maka kecepatan angin kembali ke kecepatan awal. Fenomena ini akibat dari ruang gerak yang lebar.

2.2 Blade Turbin Angin

Blade turbin adalah komponen utama turbin angin untuk menangkap energi angin, kemudian energi tersebut dikonversi

menjadi eneri mekanik dan energi listrik. Desain blade turbin angin yang aerodinamis merupakan bagian penting dalam perancangan turbin angin. Pada perkembangannya blade turbin dibedakan menjadi berbagai bentuk dan variasi meliputi: bahan, ukuran, jenis

blade, dan jumlah blade. Pada turbin angin sumbu horizontal

terdapat persyaratan penting meliputi jari-jari blade, jumlah blade, sudut blade, panjang chord, jenis airfoil dan bahan baku blade. Ketika angin dari arah depan mengenai blade yang aerodinamis, maka blade akan menghasilkan vektor daya yang disebut lift (L) atau gaya angkat dan drag (D) atau gaya dorong. Perubahan gaya angkat dan gaya dorong dipengaruhi langsung oleh bentuk geometri dari blade, kecepatan dan arah angin terhadap garis utama

blade. Akibat dari perubahan gaya angkat dan gaya dorong akan

menimbulkan perbedaan kecepatan sudut dan nilai torsi pada poros turbin. Oleh karena bentuk aerodinamis blade sangat dipengaruhi oleh posisi kemiringan sudut blade terhadap arah hembusan angin, maka posisi [α] sudut serang akan berubah. Dengan perubahan sudut blade tersebut maka akan mempengaruhi kecepatan sudut turbin angin yang nilainya berbanding lurus dengan produksi energi angin yang dieksrak turbin angin melalui blade, dengan demikian penelurusan posisi sudut blade turbin angin menjadi penting.

Gambar 2.2 Vektor gaya pada blade dengan variabel sudut

serang (David G. Wilson, 2008)

Penetapan sudut blade pada turbin angin adalah mengacu pada sudut serang blade terhadap aliran fluida yang melintas. Pada turbin angin pengaturan sudut pitch dilakukan untuk menyesuaikan

daya maksimal yang dapat dihasilkan terhadap kecepatan angin yang berfluktuasi.

Desain turbin angin harus mempertimbangkan panjang chord. Bagian pangkal blade merupakan bagian dari blade yang memiliki kemampuan menangkap energi angin bernilai kecil dan bagian ujung blade merupakan daerah yang memiliki kemampuan menangkap energi angin bernilai besar. Dengan membuat geometris blade yang bagian pangkalnya lebih lebar dibanding pada bagian ujung, maka turbin angin akan memiliki kemampuan berputar lebih mudah ketika kecepatan angin rendah. Karena bagian ujung blade merupakan daerah penghasil torsi terbesar, maka dimensi chord yang harus tetap diperhitungkan. Jenis turbin yang memiliki panjang chord yang semakin kecil pada bagian ujungnya akan memberikan beberapa keuntungan yaitu diantaranya: efisiensi turbin akan meningkat, ketahanan terhadap tegangan dan fatigue meningkat akibat beban lengkung terbesar berada pada bagian pangkal blade maka pangkal blade yang lebar memiliki kekuatan lebih untuk menahan beban mekanik dan ukuran pangkal blade yang lebar memicu dalam menghasilkan torsi awal putaran besar (David G. Wilson, 2008).

Gambar 2.3 Posisi sudut blade

Pada desain turbin angin yang memiliki blade dengan diameter rotor 1-3 meter, National Renewable Energy Laboratory (NREL) telah melakukan penelitian dan merilis airfoil pada turbin angin sumbu horizontal dengan angin skala kecil hingga besar. NREL mengeluarkan seri S822 dan S823 yang kemudian digantikan dengan S83n (S833, S835, S834). Blade seri S83n

merupakan blade tebal yang cocok digunakan untuk turbin angin dengan variabel kecepatan angin rendah, variabel pitch tipikal

airfoil rendah, noise rendah, dan koefisien lift tinggi. Bagian

pangkal airfoil yang dirancang menggunakan tipe airfoil S835, sedangkan bagian tengah menggunakan tipe airfoil S833, dan bagian ujung menggunakan airfoil tipe S834.

(a)

(b)

(c)

Gambar 2.4 (a) Penampang blade NREL S835 untuk pangkal

blade (b) Penampang blade NREL S833 untuk tengah blade (c) Penampang blade NREL S834 untuk ujung blade (Ali Musyafa’,2011)

2.3 Logika Fuzzy

Logika fuzzy merupakan salah satu cabang dari artificial

intelegent yang berhubungan dengan algoritma perasaan yang

digunakan untuk menciptakan pola pikir manusia dan penentuan keputusan. Logika fuzzy merupakan suatu teori himpunan logika yang dikembangkan untuk mengatasi konsep nilai yang terdapat diantara kebenaran (truth) dan kesalahan (false). Dengan menggunakan fuzzy logic nilai yang dihasilkan bukan hanya ya (1) atau tidak (0) tetapi seluruh kemungkinan diantara tidak (0) dan ya (1). Perbedaan antara kedua jenis logika ini adalah logika fuzzy memiliki nilai 0 hingga 1, sedangkan logika tegas 0 dan 1.Secara grafik perbedaan logika fuzzy dan logika tegas ditunjukan pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 Perbandingan logika biner (A) dan logika fuzzy (B)

Pada gambar 2.5 (a) apabila x lebih dari atau sama dengan 10 maka benar yaitu y = 1, sebaliknya nilai x kurang dari 10 adalah salah yaitu y = 0. Maka angka 9, 8, dan 7 dan seterusnya adalah salah. Pada gambar 2.5 (b) nilai x= 9, 8, atau 7 atau nilai antara 5 – 10 termasuk dalam katagori benar dan salah. Struktur dasar logika fuzzy dapat dijelaskan dibawah.

Fungsi dari fuzzy sebagai berikut:

a) Fuzzifikasi berfungsi untuk menstranformasi sinyal masukan yang bersifat crisp (bukan fuzzy) ke himpunan fuzzy dengan menggunakan operator fuzzifukasi.

b) Basis pengetahuan berisi basis data dan aturan dasar yang mendefinisikan himpunan fuzzy atas daerah-daerah masukan dan keluaran yang disusun dalam perangkat aturan kontrol. c) Logika pengambilan keputusan merupakan inti dari logika

fuzzy yang memiliki kemampuan seperti manusia dalam pengambilan keputusan yang mana merupakan proses implikasi dalam memproses nilai masukan untuk menentukan nilai keluar sebagai bentuk pengambil keputusan.

d) Defuzzifikasi berfungsi untuk mentranformasi kesimpulan tentang aksi atur yang bersifat fuzzy menjadi sinyal sebenarnya yang bersifat crisp dengan menggunakan operator defuzzifikasi.

2.4 Kontrol PI (Proporsional-Integral)

Suatu kontrol proporsional yang memberikan aksi kontrol proporsional dengan error akan mengakibatkan efek pada pengurangan rise time dan menimbulkan kesalahan keadaan tunak (offset). Suatu kontrol integral yang memberikan aksi kontrol sebanding dengan jumlah kesalahan akan mengakibatkan efek yang dapat mengurangi kesalahan keadaan tunak (offset) tetapi dapat mengakibatkan respon transient. Efek yang diakibatkan oleh masing-masing jenis kontrol tersebut yang nantinya akan digunakan dalam penentuan nilai-nilai parameter proporsional (Kp) dan integral (Ki) pada tabel 2.1 menjelaskan hubungan antara kelebihan dan kekurangan pada sistem kontrol PI.

Tabel 2.1 Efek dari pengontrol P dan I

Penguatan Rise Time

Overshoot Setling Time

Offset

Kp Menurun Meningkat Perubahan Kecil

Terjadi

Ki Menurun Meningkat Meningkat Menghilangkan

Gabungan kontrol proporsional dan aksi kontrol integral membentuk kontrol proporsional plus integral (controller PI). Gabungan kontrol ini mempunyai keunggulan dibandingkan dengan masing-masing penyusunnya. Keunggulannya adalah

dapat diperolehnya kelebihan dari masing-masing aksi kontrol dan kekurangan kontrol dapat dikendalikan. Dengan kata lain elemen-elemen controller P dan I secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem dan menghilangkan offset. Untuk dapat mengimplementasikan sistem kontrol PI, PI harus diubah ke dalam persamaan diskrit. Gambar 2.6 adalah blok sistem kontrol PI.

Gambar 2.6 Blok diagram kontrol proporsional integral

Pengolahan parameter-parameter PI menjadi konstanta-konstanta pengendalian secara diskrit sesuai dengan rumus perhitungan berikut.

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝑘𝑖 ∫ 𝑒(𝑡) 𝑡

0 𝑑𝑡 (2.6)

Dimana

U(t) = sinyal keluaran pengendali PI Kp = konstanta proporsional Ti = waktu integral

e(t) = sinyal kesalahan

2.5 Mikrokontroller Arduino

Untuk mengatur sudut pitch dari bilah turbin angin maka diperlukan suatu mekanisme elektronik untuk memudahkan pengaturan sudut sekaligus untuk mencatat kecepatan putar turbin angin dan kecepatan angin pada kecepatan angin tertentu. Pada tugas akhir ini digunakan Arduino sebagai mikroprosesor untuk mengintegrasikan sensor yang terdapat pada turbin angin.

P Kpe(t)

I Ki∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡₀𝑡

Arduino UNO adalah sebuah board mikrokontroler yang menggunakan ATmega328. Arduino UNO mempunyai 14 pin

digital input/output (6 diantaranya dapat digunakan sebagai output

PWM), 6 input analog, sebuah osilator kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, sebuah ICSP header, dan sebuat tombol reset (datasheet arduino). Arduino Uno berbeda dari semua board Arduino sebelumnya. Bentuk fisik Arduino uno seperti pada gambar 2.7.

Gambar 2.7 Bentuk fisik arduino uno

Arduino UNO dapat disuplai melalui koneksi USB atau dengan sebuah power supplay eksternal. Sumber daya dipilih secara otomatis. Suplai eksternal (non-USB) dapat diperoleh dari sebuah adaptor AC ke DC atau battery. Board Arduino UNO dapat beroperasi pada sebuah supply eksternal 6 sampai 20 Volt. Jika diberi supply dengan yang lebih kecil dari 7 V, maka board Arduino UNO bisa menjadi tidak stabil. Jika menggunakan supply yang lebih dari besar 12 Volt, voltage regulator bisa panas dan membahayakan board Arduino UNO. Range yang direkomendasikan adalah 7 sampai 12 Volt seperti pada gambar 2. Arduino UNO memiliki fitur – fitur baru sebagai berikut:

Tabel 2.2 Spesifikasi Arduino Uno

Microcontroller Atmega328

Operating Voltage 5 V

Input Voltage (recommended) 7-12 V Input Voltage (limits) 6-20 V

Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM)

Analog Input Pins 6

DC Current per I/O Pin 40 mA DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 32 Kb (0.5Kb used by bootloader)

SRAM 2 Kb

EEPROM 1 Kb

Clock Speed 16 MHz

2.6 Motor Servo

Motor servo merupakan perangkat yang terdiri dari motor DC, serangkaian gearbox, rangkaian kontrol dan potensiometer. Serangkaian gearbox yang melekat pada poros motor DC akan memperlambat putaran poros dan meningkatkan torsi motor servo, sedangkan potensiometer dengan perubahan resistansi saat motor berputar berfungsi sebagai penentu batas posisi putaran poros motor servo. Motor servo berfungsi sebagai aktuator yang dirancang dengan sistem kontrol umpan balik loop tertutup, sehingga dapat diatur posisi sudut dari poros motor. Bentuk fisik motor servo dapat dilihat pada gambar 2.8.

Motor servo biasanya lebih cocok untuk digunakan pada aplikasi-aplikasi yang kecil dan membutuhkan ketelitian. Motor servo pada umumnya dibedakan menurut rotasinya, terdapat dua jenis motor servo, yaitu motor servo rotation 180⁰ dan servo rotation continuous.

Untuk mengendalikan motor servo dengan memberikan sinyal kotak dengan modulasi lebar pulsa (Pulse Wide Modulation) melalui kabel kontrol. Lebar pulsa sinyal kontrol yang diberikan akan menentukan posisi sudut putaran dari poros motor servo. Misalnya lebar pulsa dengan 1,5 ms (milidetik) akan mengendalikan poros motor servo ke posisi sudut 90⁰. Bila pulsa yang diberi kurang dari 1,5 ms maka akan berputar ke arah posisi kurang dari 90⁰ atau ke kiri (berlawanan dengan arah jarum jam), sedangkan bila pulsa yang diberikan lebih dari 1,5 ms maka poros motor servo akan berputar ke arah posisi lebih dari 90⁰ atau ke kanan (searah jarum jam). Lebih jelasnya perhatikan gambar dibawah ini pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Karakteristik kerja motor servo 2.7 Rotary Encoder

Pada umumnya, rotary encoder digunakan sebagai sensor putaran pada poros motor atau aplikasi robotik. Rotary encoder menggunakan sensor optik untuk menghasilkan serial pulsa yang dapat diartikan terjadi gerakan, perubahan posisi, dan perubahan arah. Sehingga posisi sudut suatu poros motor dapat diketahui dan diolah menjadi informasi bertipe digital oleh rotary encoder untuk diteruskan oleh rangkaian kendali.

Sensor putaran dibuat dengan optocoupler tipe “U” yang ditengahnya terdapat sebuah roda cacah yang telah dicouple dengan poros motor. Dalam prinsip kerja rotary encoder terdapat sebuah komponen phototransistor pada satu sisi akan menerima cahaya yang dipancarkan oleh pemancar (inframerah) untuk penerima. Phototransistor merupakan jenis transistor yang peka terhadap cahaya infra merah. Kecerahan led berbanding lurus dengan arus diodanya. Karena arus kolektor sebanding dengan tingkat kecerahan dari led maka dapat dikatakan bahwa arus dioda mengendalikan arus kolektor seperti transistor pada umumnya. Biasanya arus yang diperbolehkan mengalir pada infra merah sekitar pada 15 hingga 25 miliAmper. Rotary encoder, atau disebut juga shaft encoder, merupakan perangkat elektromekanik yang digunakan untuk mengkonversi posisi anguler (sudut) dari shaft (lubang) atau roda ke dalam kode digital, menjadikannya semacam tranduser. Konstruksi sensor putaran dapat dilihat pada gambar 2.12 berikut.

Gambar 2.10 Konstruksi sensor putaran 2.8 Slip Ring

Slip ring merupakan komponen konektor untuk menghubungkan secara elektrik antara benda berputar (rotor) dan benda yang statis (stator). Slip ring juga disebut dengan istilah

rotary connector atau rotary joint juga bias ditemukan pada motor

elekrik, generator, alternator, dan turbin angin.

Gambar 2.11 Konstruksi slip ring

Slip ring didefinisikan komponen yang dapat menghubungkan untuk menghantarkan arus listrik dari benda diam dan benda bergerak. Hal ini dapat dilakukan dengan cara menahan inti sambungan dengan brush yang berputar atau menahan brush dengan inti sambungan yang berputar sehingga arus listrik tetap dapat terhubung melalui brush.

19

TURBIN ANGIN

Pada bab ini akan dibahas mengenai perencanaan dan pembuatan alat meliputi metodologi tugas akhir, perancangan dan pembuatan perangkat keras (Hardware) dan perancangan pembuatan perangkat lunak (Software). Metodologi penelitian tugas akhir yang dilakukan untuk mencapai tujuan penelitian. Pada gambar 3.1 menjelaskan flowchart metodologi penelitian.

Gambar 3.1 Flowchart metodologi penelitian

Dari flowchart metodologi penelitian menjelaskan proses pengerjaan penelitian sebagai berikut:

3.1 Study Literatur

Penelitian ini dimulai dengan melakukan study literatur. Literatur yang digunakan berupa buku teks, paper, prosiding, dan laman internet dengan topik seputar turbin angin, kecerdasan buatan berbasis PI-Logika Fuzzy, desain bilah atau blade, pemilihan sudut atau pitch angle berdasarkan karakteristik angin dan mikrokontroller Arduino.

3.2 Penentuan Spesifikasi Sistem dan Perancangan Turbin Angin

Sistem turbin angin yang dibangun adalah turbin angin skala kecil (diameter rotor 200cm) untuk karakteristik kecepatan angin rendah dengan menggunakan tiga bilah dengan jenis airfoil NREL S835 untuk pangkal blade, tipe S833 untuk tengah blade, dan tipe S834 untuk ujung blade.

Pada proses awal pembuatan blade yang berjumlah tiga buah, berat dari ketiga buah blade turbin angin tidak sama sehingga perlu dilakukan sebuah penyeimbangan atau spooring balancing agar ketiga buah blade mempunyai berat yang sama sehingga dapat meringankan beban cut in. Pada tabel 3.1 menjelaskan berat ketiga buah blade sebelum dan sesudah spooring balancing.

Tabel 3.1 Berat Blade Turbin Angin

Blade turbin angin Blade A

(gram) Blade B (gram) Blade C (gram) Berat sebelum spooring balancing 940 910 990 Berat sesudah spooring balancing 984 987 990

Sehingga dapat diketahui spesifikasi dari turbin angin Spesifikasi blade turbin:

Panjang : 100 cm

Berat : 0.99 kg (990 gram) Material penyusun : Fiberglass

Gambar 3.2 Blade turbin angin

Turbin angin yang dirancang merupakan turbin angin tipe

horizontal axis wind turbine dengan tiga buah blade. Blade yang

dibuat menggunakan standart NREL S835 (bagian pangkal 25 cm), S833 (bagian tengah 35 cm), S834 (bagian ujung 40 cm). Bagian

blade turbin dibuat di laboratorium Non Metal PPNS (Politeknik

Perkapalan Negeri Surabaya) memerlukan waktu sekitar 3 bulan karena butuh ketelitian dalam bahan dan desain agar menghasilkan

blade yang ringan, kuat, dan desain yang aerodinamis mampu

menghasilkan daya drag dan lift maksimal.

Motor servo yang digunakan untuk menggerakkan blade pada sudut yang diinginkan adalah tipe standart dengan sudut putaran maksimum 1800_{. Fungsi utama digunakan sebagai motor} actuator dari pengaturan sudut picth. Beban dari motor servo

berupa pitch turbin dengan perhitungan sebagai berikut:

𝑇 = 𝑊 𝑥 𝑑 (3.1) 𝑇 = 0.99 𝑘𝑔 𝑥 24 𝑐𝑚 = 23.76 kg-cm

Sehingga digunakan motor servo Hitec HS-805BB yang telah dilengkapi gear box didalamnya sehingga dapat menghasilkan torsi yang besar hingga 24.7 kg cm-1_{. Spesifikasi motor sevo tipe Hitec}

HS-805BB sebagai berikut: Ukuran : 66 x 30 x 58mm Berat : 152g (5.36oz) Kecepatan : 4.8V: 0.19 sec/60° : 6.0V: 0.14 sec/60° Torsi : 4.8V: 275.00 oz-in (19.80 kg-cm) : 6.0V: 343.00 oz-in (24.70 kg-cm)

Gambar 3.3 Motor servo hitec HS-805BB

Dimana kepresisian dari motor servo sangat mempengaruhi hasil dari penelitian. Berikut table pengujian motor servo pada tabel 3.2.

Tabel 3.2 Pengujian Sudut Servo

Setpoint Sudut(0₎ Posisi Sudut Pitch A(0₎ Posisi Sudut Pitch B (0₎ Posisi Sudut Pitch C (0₎ 0 0 0 0 5 4 5 5 10 10 10 8 15 15 15.5 13 20 21 22 18 25 26 28 22 30 32 34 28 35 37 38 33 40 42 43 38 45 47 48 43 50 52 53 48 55 58 58 55 60 62 63 60 65 67 67 65 70 73 72 70

Tabel 3.3 Pengujian Sudut Servo (lanjutan) Setpoint Sudut(0₎ Posisi Sudut Pitch A(0₎ Posisi Sudut Pitch B (0₎ Posisi Sudut Pitch C (0₎ 75 77 76 76 80 81 82 80 85 86 87 86 90 94 93 91

Arduino Uno digunakan sebagai controller pada sistem ini dimana sejumlah logika-logika yang mengatur sudut pitch untuk mendapatkan daya maksimal. Ardunino Uno adalah board atau sistem yang menggunakan ATmega328P sebagai otak yang mana mempunyai 14 pin output/input mempunyai clock speed 16 MHz.

Gambar 3.4 Arduino uno

Spesifikasi Arduino Uno:

Microcontroller : ATmega328P Operating Voltage : 5V

Input Voltage (recommended) : 7-12V

Digital I/O : Pins 14 (of which 6 provide PWM output)

PWM Digital I/O Pins : 6 Analog Input Pins : 6 DC Current per I/O Pin : 20 mA DC Current for 3.3V Pin : 50 mA

Flash Memory : 32 KB (ATmega328P) of which

Clock Speed : 16 MHz

Length x Width : 68.6 mm x 53.4 mm

Weight : 25 g

Komponen rotary encoder dan phototransistor digunakan untuk mengukur kecepatan putar rotor turbin dimana piringan

rotary encoder di-couple dengan rotor dan diletakkan diantara led infrared dan phototransistor. Pada komponen yang digunakan

dalam turbin angin menggunakan piringan rotary encoder yang memiliki 16 lubang. Rotary encoder berfungsi untuk menghalangi sinar infrared ke phototransistor dan sedangkan lubang pada rotary

encoder akan meneruskan sinar infrared ke daerah phototransistor.

Sehingga apabila rotary encoder mempunyai 16 lubang, maka untuk mendapatkan satu putaran diperlukan 16 kali phototransistor medeteksi sinar infrared

Gambar 3.5 Rotary encoder dan phototransistor

Pada tabel 3.4 merupakan pengujian dari sensor kecepatan dari sebuah motor dc 12 Volt 11 Ampere dengan beberapa variasi tegangan supply sehingga kecepatan motor akan bervariasi berbanding lurus dengan besar tegangan yang diberikan. Masing tegangan input diambil tiga data untuk mengantisipasi data error akibat adanya faktor lain seperti tegangan dari dc power supply yang tidak stabil.

Tabel 3.4 Pengujian Sensor Kecepatan Tegangan Input Motor DC Pembacaan Rotary Encoder (RPM) Pembacaan Tachometer HT-3200 ONOSOKKI (RPM) 1.7 volt 390 390 384 384 396 396 2.5 Volt 560 560 561 561 588 588 3.7 Volt 1044 1059 1049 1058 1056 1048 6 Volt 1878 1830 1832 1847 1860 1830

Gambar 3.6 Gear nylon

Komponen gear nylon berfungsi sebagai coupling dari motor servo untuk menggerakkan blade sesuai dengan sudut yang diinginkan dan ukuran yang tersedia ditempat pembuatan. Komponen ini kami membuat di bengkel Dian yang dapat mencetak gear nylon di sidoarjo. Dengan metode perbandingan antara diameter gear servo dan diameter gear blade diharapkan dapat memperkecil error atau membuat sudut blade lebih presisi dijelaskan pada tabel 3.5.

Tabel 3.5 Spesifikasi Gear

Gear Servo Gear Blade Diamater (mm) 30 38

Keliling (mm) 94.25 119.38

Sudut 1 0.789

Gambar 3.7 Turbin angin

Gambar 3.7 merupakan hasil perancangan dari turbin angin dengan menggunakan komponen yang telah dijelaskan sebelumnya. Proses pembuatan turbin angin dilakukan secara bertahap dan cukup lama karena diperlukan perancangan yang tepat dan akurat sehingga dapat dihasilkan turbin angin yang mempunyai

aerodinamis yang tinggi sehingga mempunyai nilai coefisient power yang tinggi menyebabkan putaran tinggi sebagai variabel

pengganti dari daya yang dihasilkan turbin. Secara keseluruhan turbin angin yang dihasilkan memiliki spesifikasi seperti berikut:

Tinggi total : 3 m Diameter turbin angin : 2.3 m

Kecepatan putar : 80 rpm hingga 100 rpm (Vangin 1.6 m/s hingga 2.6 m/s)

Untuk mendapatkan daya maksimum dari turbin angin berdasarkan pada dasarkan teori pada bab II menggunakan rumus (2.1), (2.2), dan (2.3) sehingga daya maksimum (dimana dalam penelitian ini dianalogikan dengan kecepatan putar turbin) bergantung dari nilai 𝜌𝑎𝑖𝑟, 𝐴turbin, Vwind, dan Cp sedangkan nilai Cp

bergantung dari Vwind dan θ. Nilai 𝜌𝑎𝑖𝑟 dan 𝐴turbin adalah nilai yang

konstan konstan, sedangkan nilai Vwind adalah nilai yang tidak dapat

dikontrol maka salah satu variabel yang dapat dikontrol adalah nilai dari θ (sudut pitch). Sehingga dalam penelitian ini dilakukan pengujian performa turbin angin dan sudut pitch(resolusi 20 _sudut

servo dari 00 _{hingga 80}0_{) dari turbin angin. Pengujian dilakukan}

dengan menggunakan sumber angin dari 2 buah kipas 18” dan 1 20” dimana pada masing-masing kipas mempunyai 3 buah variasi kecepatan (low, medium, dan high). Kecepatan maksimal dari 2 kipas (18”) adalah 5 m/s dan yang lain (20”) adalah 3 m/s disusun sehingga dapat menghasilkan kecepatan putar turbin maksimal. Sumber angin berupa kipas pada gambar 3.8.

Gambar 3.8 Kipas yang digunakan sebagai sumber angin

Pada pengujian kecepatan putar turbin berdasarkan kecepatan angin yang bervariasi dan sudut pitch untuk mengetahui masing-masing sudut optimal pada kecepatan angin yang berbeda dilakukan dalam beberapa variasi pengujian diantaranya dengan perubahan jarak sumber angin terhadap turbin angin. Dimana pada awal pengujian, perubahan jarak sumber angin terhadap turbin dapat berpengaruh terhadap kecepatan putar turbin angin selain variable Vwind dapat dilihat dalam tabel 3.6.

Tabel 3.6 Data Awal Hasil Pengujian Pengaruh Kecepatan Angin

dan Sudut Blade Terhadap Kecepatan Sudut Turbin Posisi Sudut Pitch (°) RPM V1 = 2 m/s V2 = 2,9 m/s V3 = 3,5 m/s V4 = 3,9 m/s V5 = 4,5 m/s V6 = 5 m/s 0 13 0 27 32 18 30 5 97 27 32 18 30 27 10 79 40 40 33 48 42 15 53 44 45 48 47 42 20 45 38 41 44 42 40 25 36 34 36 39 39 36 30 34 30 32 35 35 33 35 31 29 30 33 31 30 40 29 26 27 30 29 27 45 25 24 25 27 28 25 50 23 23 23 25 24 23 55 21 21 22 24 23 21 60 19 19 21 22 20 20 65 17 17 18 20 18 19 70 14 15 15 18 16 18 75 12 13 14 16 15 15 80 11 10 11 15 14 13 85 9 10 10 12 12 13 90 0 8 7 10 10 11 Jarak Sumber Terhadap Turbin 300 cm 250 cm 250 cm 180 cm 130 cm 100 cm

Setelah melihat dan menganalisa hasil pengujian dari tabel 3.6 terlihat bahwa putaran akan cenderung meningkat apabila jarak sumber dengan turbin angin semakin jauh. Demikian karena pada saat pengujian sumber angin (3 buah kipas) dan turbin angin dari

jarak dekat meskipun angin yang diberikan sumber angin (3 buah kipas) cenderung maksimal namun putaran turbin tidak dapat maksimal karena distribusi angin dari sumber terhadap pitch turbin angin tidak merata atau hanya sebagian dari pitch turbin angin yang dapat dikenai energi angin dan sebagian lain yang tidak dikenai energi angin yang mana akan cenderung menjadi beban bagi putaran turbin. Namun pada tabel 3.6 dimana saat kecepatan angin paling rendah yaitu 2 m/s mempunyai kecepatan angin paling tinggi (97 rpm) karena distribusi angin saat jarak antara sumber dan turbin angin 300 cm dapat mengenai seluruh permukaan pitch turbin angin tapi saat kecepatan angin maksimal yaitu 5 m/s hanya dapat memutar turbin angin 42 rpm akibat dari jarak sumber angin dan turbin angin yang terlalu dekat sehingga distribusi angin dari sumber angin tidak dapat mengenai seluruh permukaan pitch turbin angin. Dengan demikian hasil pengujian dari tabel 3.6 tidak dapat dianalisa pengaruh kecepatan angin terhadap perbahan sudut pitch optimal.

Sehingga dilakukan pengujian ulang pada jarak yang konstan untuk dapat menganalisa performa dari turbin dan variasi kecepatan angin hanya dapat dimanipulasi dari pengaturan sumber (low,

medium, dan high). Untuk mendapatkan hasil angin yang optimal

maka perlu diketahui area paparan angin optimal dari sumber angin terhadap jarak sumber dan obyek yang diberikan, pada gambar 3.9 merupakan hasil pengujian area paparan angin optimal sumber angin. Agar seluruh permukaan blade mendapatkan daya angin maka jarak antara sumber angin dan turbin angin diatur sejauh 3 meter dan sumber angin (3 buah kipas) disusun secaara seimbang antara kanan dan kiri. karena ketiga buah kipas tidak memiliki spesifikasi sumber angin yang sama maka sumber angin dengan kecepatan tinggi ( 2 buah kipas 18”) diletakkan disamping kanan dan kiri sedangkan sumber angin dengan kecepatan kurang diletakkan ditengah untuk memberikan daya lebih pada pusat turbin angin seperti gambar skema percobaan pada gambar 3.10. Hasil dari pengujian turbin angin dengan variasi kecepatan diatur dari seting sumber (low, medium, high) dengan jarak yang konstan pada

tabel 3.7 dan 3.8 dan prosedur melakukan pengujian adalah sebagai berikut :

 Mempersiapkan peralatan yang dibutuhkan (tempat, turbin angin, laptop, power supply, sumber angin (3 buah kipas), meja)

 Atur posisi meja untuk sumber angin pada tempat pengujian yang telah dipersiapkan sebelummnya, kemudian atur posisi sumber angin (3 buah kipas) diatas meja agar sumber angin (3 buah kipas) dapat memberi angin merata dengan cara letakkan posisi sumber angin (3 buah kipas) sejajar dan ketinggian sama atau seimbang dengan rotor turbin angin.

 Atur posisi turbin angin tepat 300 cm didepan dan ditengah sumber angin (3 buah kipas) dan posisi center plate turbin angin harus seimbang atau rata untuk mengurangi kecepatan

cut-in (kecepatan cut-in adalah kecepatan angin ketika turbin

angin mulai berputar)

 Siapkan laptop dengan software arduino ino yang sudah dilengkapi program kontrol motor servo serta monitoring kecepatan rotor turbin angin dari hasil pembacaan sensor

rotary encoder.

 Kemudian sumber angin (3 buah kipas) dapat diberi supply listrik dan atur mode sumber angin (3 buah kipas) sesuai dengan yang diperlukan (kecepatan angin 2.6 m/s mode kipas semua high, kecepatan 2.3 m/s mode kipas masing-masing

high-low-high, kecepatan 1.9 m/s mode kipas semua medium,

kecepatan 1.8 m/s mode kipas masing-masing

medium-high-medium, kecepatan 1.7 m/s mode kipas masing-masing low-high-low, kecepatan 1.6 m/s mode kipas semua low).

 Lakukan pengukuran kecepatan angin didepan (50 cm) turbin angin untuk melakukan pengecekan kecepatan angin yang mengenai turbin angin.

 Selanjutnya atur sudut turbin angin dari 00 _{hingga 80}0 _dengan step yang diinginkan (20_{) dengan program kontrol servo dari}

Gambar 3.9 Area paparan optimal sumber angin

Tabel 3.7 Data pengaruh Kecepatan Angin dan Sudut Blade

terhadap kecepatan sudut turbin jarak 3 meter

Pengujian Jarak Jauh (3m)

Posisi Sudut Pitch ( ̊) RPM V1 = 2.6m/s V1 = 2.3m/s V2 = 1.9m/s V3 = 1.8m/s V3 = 1.7m/s V3 = 1.6m/s 0 15 10 12 17 11 12 2 25 18 22 16 14 20 4 86 87 86 88 91 83 6 94 92 84 71 84 78 8 79 82 77 79 78 71 10 68 72 74 73 71 63 12 58 60 58 58 60 60 14 55 56 54 53 54 51 16 50 51 57 48 50 47 18 44 47 55 45 46 44 20 43 44 54 43 42 39 22 39 39 40 39 38 34 24 37 37 39 37 36 32 26 35 34 36 35 35 31 28 34 31 32 32 32 29 30 31 30 29 31 31 24 32 32 29 29 29 29 22 34 29 28 27 28 29 22 36 28 27 27 27 27 21 38 27 25 26 25 23 20 40 25 25 24 24 24 19 42 25 24 23 21 21 17 44 24 21 22 21 21 17 46 22 20 21 20 19 19

Tabel 3.8 Data pengaruh Kecepatan Angin dan Sudut Blade

terhadap kecepatan sudut turbin jarak 3 meter (lanjutan)

Dari hasil pengujian tabel 3.7 dan 3.8 dimana ada 6 variasi kecepatan angin berdasarkan seting kipas (low, medium, dan high) dan diatur jarak kipas dengan turbin angin 3 meter (konstan) dapat memberikan gambaran yang linear secara keseluruhan antara kecepatan putar turbin terhadap kecepatan putar turbin angin pada sudut yang sama. Berdasarkan tabel 3.7 dan 3.8 dapat diketahui untuk menghasilkan daya yang optimal, nilai sudut pitch akan cenderung linear terhadap besar kecepatan angin yang dikenai pitch turbin. Saat turbin angin diberi angin dengan kecepatan 2.6 m/s dan

Pengujian Jarak Jauh (3m)

Posisi Sudut Pitch ( ̊) RPM V1 = 2.6m/s V2 = 2.3m/s V3 = 1.9m/s V4 = 1.8m/s V5 = 1.7m/s V6 = 1.6m/s 50 21 18 18 19 17 17 52 21 19 20 18 17 17 54 20 17 18 18 19 13 56 19 17 18 18 17 15 58 19 16 17 17 16 16 60 18 16 16 16 16 15 62 17 15 14 15 16 16 64 17 15 15 14 13 13 66 16 14 15 14 14 14 68 14 15 13 13 12 11 70 14 14 13 13 12 11 72 13 13 13 11 11 10 74 12 13 13 11 11 10 76 10 7 10 10 9 0 78 9 8 8 12 8 0 80 2 2 0 8 6 0

2.3 m/s, sudut pitch untuk memperoleh daya maksimal berada pada 60 _{sehingga turbin dapat berputar masing-masing hingga 94 rpm}

dan 92 rpm. Saat turbin angin diberi angin dengan kecepatan 1.9 m/s, 1.8 m/s, 1.7 m/s, dan 1.6 m/s, sudut pitch untuk memperoleh daya maksimal berada pada 40 _{sehingga turbin angin dapat berputar}

masing-masing hingga 86 rpm, 88 rpm, 91 rpm, dan 83 rpm. Pada kecepatan angin kurang dari 2 m/s mempunyai sudut yang sama hal itu karena selisih range angin dari 1.6 m/s ke 1.9 m/s terlalu kecil berbeda dengan ketika turbin angin diberi kecepatan angin 2.6 m/s. Hubungan antara kecepatan maksimum dengan sudut pitch pada tabel 3.7 dan 3.8 digambarkan dalam grafik pada gambar 3.11.

Gambar 3.11 Grafik pengaruh pitch angle terhadap

kecepatan putar turbin angin

Dari grafik menjelaskan bahwa selain kecepatan angin yang diberikan terdapat variabel terkontrol berupa sudut pitch mempunyai pengaruh terhadap kecepatan putar turbin angin, sudut

pitch sendiri merupakan variabel dari fungsi nilai Coeffisient Power

(Cp) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan secara mekanik pada sudu akibat gaya angin terhadap daya yang dihasilkan oleh gaya lift pada aliran udara. Coeffisient Power (Cp) pada turbin angin didapat dari kecepatan angin sebelum melewati turbin dan kecepatan angin setelah melewati turbin. Saat kecepatan putar maksimum pada tiap variasi kecepatan angin, maka dari

kecepatan angin sebelum melewati turbin dan kecepatan angin setelah melewati turbin didapatkan nilai Coeffisient Power (Cp) sesuai rumus (3.2).

𝐶𝑝 =

𝑃 𝑃𝑤

=

1 4𝜌𝐴(𝑉1+𝑉2)(𝑉1 2_−𝑉 22) 1 2𝜌𝐴𝑉1 3

(3.2)

3.3 Perancangan Sistem Kontrol Sudut Pitch

Sistem kendali dengan menggunakan kontrol PI-Logika fuzzy merupakan system control close loop. Dimana input pengendalian adalah nilai RPM (Rotation Per Second). Namun karena logika fuzzy bekerja dengan minimal 2 input, maka perlu nilai variabel tambahan yang juga dapat meningkatkan fungsi kerja logika fuzzy maka perlu dilengkapi dengan variabel deltaerror yang didapat dari nilai error saat ini dengan nilai error sebelumnya. Dari nilai nilai

error saat ini dengan nilai error sebelumnya atau deltaerror dapat

diketahui bahwa aksi tuning kontrol PI sudah dapat menghasilkan

respon output plant mendekati setpoint atau sebaliknya

menghasilkan respon output plant menjauhi setpoint dan variabel

deltaerror berfungsi untuk mendeteksi tingkat perubahan atau gradient output respont yang besar atau kecil, ketika gradient output respont besar sedangkan nilai error sudah kecil yang

bertanda putaran turbin angin sudah hampir mendekati setpoint maka logika fuzzy berusahan melakukan tuning PI sesuai parameter untuk membuat output respont stabil pada titik setpoint sedangkan bila gradient output respont kecil dan nilai error masih besar maka logika fuzzy memberi tuning parameter PI sehingga output respont terus naik mendekati setpoint. Dua variabel input fuzzy yang dihasilkan dari rotary dapat mendeteksi respon output plant, dimana saat nilai error bernilai positif dan delta error negative maka

respon output plant naik menuju atau mendekati nilai setpoint, saat

nilai error bernilai positif dan deltaerror positif maka respon

output plant turun menuju atau menjauhi nilai setpoint, saat nilai error bernilai negatif dan deltaerror positif maka respon output plant naik menjauhi nilai setpoint, sedangkan saat nilai error

turun menuju atau mendekati nilai setpoint. Prinsip kerja blok sistem ditunjukkan pada gambar 3.12.

Gambar 3.12 Blok diagram sistem pengendalian

Berdasarkan diagram blok pada gambar 3.10 dengan input berupa setpoint (rpm) dan output berupa putaran turbin angin (rpm) dan feedback sensor putaran atau phototransistor dengan sebuah

rotary encoder dimana pada penelitian ini menggunakan 16 hole

pada rotary encoder, kemudian dirancang flowchart sistem pengendalian. Sehingga untuk mengetahui bahwa turbin telah mencapai satu putaran, maka pps hasil pembacaan rotary encoder berjumlah 16 atau untuk menghitung nilai rpm (rotation per

minutes) dihitung jumlah pembacaan pps selama satu menit

kemudian dibagi dengan jumlah hole rotary encoder yaitu 16 holes. Dari blok diagram gambar 3.12 didapatkan perancangan flowchart sistem pengendalian pada gambar 3.13.

Gambar 3.13 Flowchart sistem pengendalian

Pada awal sistem pengendalian sistem dengan input setpoint pada sistem. Apabila putaran turbin angin sudah sesuai dengan

setpoint, maka tidak ada aksi perubahan nilai Kp dan Ki. Namun

apabila output respon turbin turbin tidak sesuai dengan setpoint, maka akan menghitung nilai error dan mengklasifikasikan ke dalam fungsi keanggotaan logika fuzzy. Perlakuan yang sama

berlaku saat menghitung jumlah deltaerror. Setelah keanggotaan fungsi error dan deltaerror dalam membership logika fuzzy, maka dapat ditentukan aktuasi yang tepat untuk tuning PI untuk memperbaiki respon plant.

Tabel 3.7 dan tabel 3.8 menjelaskan bahwa pada sudut pitch turbin angin untuk menghasilkan putaran optimal dari beberapa kecepatan angin yaitu 40 _{pada kecepatan angin 1,6 m/s hingga 1,9}

m/s sedangkan pada kecepatan angin 2.3 m/s dan 2,6 m/s berada pada sudut 60 _{untuk menghasilkan putaran maksimal. Respon}

turbin angin pada kecepatan 2.6 m/s dan sudut 40 _menghasilkan

putaran maksimal pada gambar 3.14. Pengambilan sudut 40 _karena

pada sudut tersebut merupakan sudut optimal dari dua percobaan sedangkan 60 _{hanya mewakili satu percobaan.}

Gambar 3.14 Respon turbin angin saat Vangin = 2.6 m/s

Penurunan model matematis untuk plant turbin angin perlu diketahui secara detil mengenai variabel-variabel terkait seperti gaya drag dan gaya lift dari bentuk pitch yang digunakan namun karena pitch yang digunakan tidak terlalu detil atau bukan langsung dari vendor yang khusus memproduksi pitch bilah sehingga spesifikasi pitch yang digunakan kurang presisi atau biasanya pada

variabel-variabel detil. Sehingga untuk penurunan model matematis turbin angin digunakan metode pedekatan FOPDT (First Order Plus

Death Time), dimana persamaan tersebut dapat dihasilkan dari

grafik gambar 3.14 respon yang menunjukan kinerja plant saat proses.

Persamaan FOPDT telah banyak digunakan untuk merepresentasikan plant yang berorde tinggi. Fungsi transfer FOPDT dianggap telah dapat mewakili real plant. Pada FOPDT terdapat tiga variabel karakteristik, yaitu process gain, process time

constant, dan dead time. Ketiganya merepresentasikan perilaku dari plant turbin angin yang digunakan. Perhitungan data yang

dihasilkan dari respon plant untuk mendapatkan process gain,

process time constant, dan dead time. Persamaan – persamaan yang

digunakan adalah sebagai berikut.

   K (3.3)



63% 28%



5

,

1

t

t

s







(3.4)







t

_63%



(3.5) Dengan :

K : gain steady state

 : perubahan steady state pada keluaran proses



: perubahan step pada masukan

% 28

t

: nilai process variable (PV) ketika mencapai 28% perubahan awal

% 63

t

: nilai process variable (PV) ketika mencapai 63% perubahan awal

Dari beberapa persamaan yang telah disebutkan di atas, maka persamaan FOPDT akan didapatkan seperti persamaan (3.6) di bawah ini. 1 ) (     s e K s G FOPDT s   (3.6)

Langkah – langkah untuk mencari parameter dengan metode FOPDT adalah :

1. Perubahan Steady State (Δ)

Perubahan steady state didapatkan dari selisih putaran turbin pada waktu saat sudut mula-mula 00 _{dan 4}0 _,yaitu,

110 rpm – 10 rpm = 100 rpm

2. Gain Steady State (k)

Gain steady state didapatkan dari perubahan steady state dibagi

dengan data operation servo. Operation servo adalah selisih dari dimana kondisi sudut mula-mula dan sudut yang diatur. Maka besar

operation servo yang diperoleh adalah 40_{. Sehingga besar gain} steady state (k) adalah,

4 100 0 4 10 110 _    k

=

25 3. Nilai t63%

Nilai t63% merupakan waktu data ke 63% dari perubahan respon putaran turbin sampai menuju steady state. Pertama yang

dilakukan untuk mencari nilai t63% adalah dengan mencari nilai 63%

dari settling time (sesuai data terlampir), yaitu,

((110 – 10) x 63%) + 10 = (100 x 63%) +10 = 73 rpm

Sehingga putaran turbin pada saat 63% dari perubahan putaran sampai menuju steady state sebesar 73 rpm. Waktu untuk mencapai

t63% tersebut dapat dicari dengan cara interpolasi. Interpolasi adalah

perbandingan waktu yang dibutuhkan pada saat putaran turbin angin tertentu dengan acuan putaran turbin angin yang berada diantaranya.

Tabel. 3.9 Interpolasi 63% Turbin Angin Interpolasi 63% RPM Waktu (s) 76 283 73 X 82 282 x 282.4

Waktu yang diperlukan untuk memutar turbin angin mencapai 73 rpm adalah 282.4 s. Sehingga nilai dari t63% adalah

waktu saat turbin mencapai putaran 282.4 detik.

t63% = 282.2 s

4. Nilai t28%

Nilai t28% merupakan waktu data ke 28% dari perubahan

respon putaran turbin sampai menuju steady state. Pertama yang dilakukan untuk mencari nilai t28% adalah dengan mencari nilai 28%

dari settling time, yaitu,

((110 – 10) x 28%) + 10 = (100 x 28%) +10 = 38 rpm

Sehingga putaran turbin pada saat 28% dari perubahan putaran sampai menuju steady state sebesar 38 rpm. Waktu untuk mencapai

t63% tersebut dapat dicari dengan cara interpolasi. Interpolasi adalah

perbandingan waktu yang dibutuhkan pada saat putaran turbin angin tertentu dengan acuan putaran turbin angin yang berada diantaranya.

Tabel. 3.10 Interpolasi 28% Turbin Angin Interpolasi 28% RPM Waktu (s) 34 220 38 X 39 221 X 220.8