Pengaturan Pitch Angle Turbin Angin Berbasis Kendali Logika Fuzzy (Aplikasi Pada Data Angin Daerah Medan Tuntungan dan Sekitarnya)

LAMPIRAN

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR PUSTAKA
[1] “Kajian Pembuatan SKEA (Sistem Konversi Energi Angin) Di Sumatera
Utara”, Badan Penelitian dan Pengembang Provinsi Sumatera Utara,
Sumatera Utara,
[2] Jasmin Martinez, “Modelling and Control of Wind Turbine” Master Thesis,
Imperial College, London, 2007
[3] M. Singh, E. Muljadi, J. Jonkman & V. Gevorgian, “Simulation for Wind
Turbine Generators”, NREL, Colorado, 201S
[S] M. Rosyadi, S. M. Muyeen, R. Takahashi & J. Tamura, “A Design Fuzzy
Logic Controller to Enhance the Dynamic Stability of Wind Farms”, MDPI,
Basel, 2012
[5]

J. M. Carrasco, E. Galvan & R. Portillo, “Wind Turbine Application”,
Elseveir Inc., 2007

[6] J. Zhang, M. Cheng, Z. Chen & X. Fu, “Pitch Angle Control for Variable

Speed Wind Turbines”, Nanjing, Cina, 2008
[7] A. V. A. Macedo & W. S. Mota, “Wind Turbine Pitch Angle Control Using
Fuzzy Logic ”, IEEE. 2012
[8] A. Musyafa, A. Harika, I. M. Y. Negara & I. Robandi, “Pitch Angle Control
of Variable Speed Wind Turbine Using Fuzzy Logic Controller”, IJETIJENS, 2010

Universitas Sumatera Utara

3. METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu
Penelitian dilaksanakan pada simulasi komputer dengan menggunakan
software MATLAB dengan memanfaatkan data kecepatan angin yang didapat dari
Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) kota Medan. Lama
penelitian direncanakan selama 2 (dua) bulan.
3.2 Bahan dan Peralatan
Adapun bahan-bahan yang digunakan untuk melakukan penelitian ini
adalah data kecepatan angin rata-rata di kota Medan khususnya pada daerah
Medan Tuntungan dan Sekitarnya, dengan tujuan melihat kecepatan angin
minimal dan maksimal yang berhembus di kota Medan. Peralatan yang akan
digunakan dalam penelitian ini adalah software MATLAB.

3.3 Variabel yang Diamati
Variabel-variabel yang diamati dalam penelitian ini meliputi:


Vw

: Kecepatan Angin



Pm

: Daya Mekanis Turbin Angin



Pg

: Daya yang dibangkitkan generator
: Besar sudut yang harus diaplikasikan pada turbin





Cp

: Koefisien performansi turbin angin
: Tip speed ratio turbin angin

33
Universitas Sumatera Utara

3.4 Prosedur Penelitian
Berdasarkan diagram alir, teknik perhitungan dan pengolahan dapat dilihat
pada Gambar 3.1 berikut:

Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian

34

Universitas Sumatera Utara

Berdasarkan flowchart penelitian pada gambar 3.1, langkah-langkah
penelitian adalah sebagai berikut:
1. Pengumpulan data
Data yang dibutuhkan diambil dari Badan Meteorologi, Klimatologi,
dan Geofisika (BMKG) Kota Medan meliputi:
a. Kecepatan rata-rata angin Kota Medan
b. Kecepatan angin minimal dan maksimal Kota Medan secara umum
c. Kerapatan angin kota Medan
Sedangkan untuk rating generator akan disesuaikan dengan besaran
kecepatan angin dan dikalkulasi untuk mendapatkan besaran daya yang
mungkin dapat dihasilkan dengan kecepatan angin kota medan.
2. Membuat model simulasi turbin angin pada simulink
Membuat model simulasi turbin angin dilakukan pada software
simulink. Pemodelannya meliputi:
a. Pemodelan turbin angin
b. Pemodelan sistem kontrol pitch angle dengan logika fuzzy
3. Melakukan pengaturan kontrol logika fuzzy
Melakukan pengaturan logika fuzzy akan dilakukan dengan

memberikan masukan peraturan-peraturan pada kendali logika fuzzy
dengan menentukan fungsi membership berupa batasan sudut kerja turbin
angin.

35
Universitas Sumatera Utara

4. Analisis pengaruh penambahan kontrol logika fuzzy
Analisis pengaruh penambahan kontrol logika fuzzy akan dilakukan
dengan melihat pengaruh yang ditimbulkan oleh kontrol pada besaranbesaran berikut:
a. Daya mekanis keluaran rata-rata turbin angin
b. Besar pergeseran pitch angle turbin angin
c. Besaran peningkatan efisiensi yang dihasilkan kontrol pitch
angle turbin
5. Membandingkan besaran daya keluaran dengan dan tanpa penambahan
kontrol logika fuzzy
Perbandingan antara besaran daya keluaran ini akan menunjukkan
seberapa besar peningkatan efisiensi kerja turbin angin yang dapat
dihasilkan dengan menambahkan kontrol pitch angle dengan logika fuzzy.
6. Menampilkan hasil dan menarik kesimpulan

Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah peningkatan daya
keluaran dan efisiensi kerja turbin angin setelah ditambahkan kontrol pitch
angle yang berbasiskan kendali logika fuzzy.

36
Universitas Sumatera Utara

3.5 Metoda Kerja Kendali Pitch Angle Berbasis Logika Fuzzy
Metoda kerja logika fuzzy adalah dengan menerjemahkan bahasa verbal
yang bersifat kualitatif dan tidak presisi menjadi besaran angka, dimana proses
kerja (fuzzyfikasi) berlangsung dengan memproses masukan berupa angka, lalu
diproses dengan dasar bahasa verbal dan menghasilkan keluaran berupa angka
sebagai output.
Kontrol logika fuzzy akan bekerja dengan tahapan sebagai berikut:
i.

Menyatakan input pada sistem,

ii.

Mengatur peraturan-peraturan yang akan digunakan pada sistem

iii.

Merancang metoda untuk mengonversi hasil kerja fuzzy menjadi sinyal
keluaran yang dapat dimanfaatkan kembali pada sistem (defuzzifikasi)
Kontrol logika fuzzy yang akan menggunakan input berupa berdasarkan

deviasi daya dari nilai error ∆P yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
∆ =

−

(3.1)

Dimana Pref adalah daya yang dinyatakan pada rancangan sistem dan Pg adalah
daya yang diukur pada generator.
Peraturan yang digunakan adalah berdasarkan besaran error daya diatas,
dimana ketika error daya zero, maka tidak ada perubahan sudut yang perlu untuk
dilakukan. Ketika error bernilai positif, maka daya yang dibangkitkan tidak sesuai

referensi dan perlu penyesuaian pada sudut turbin, yaitu dengan menurunkan
sudut turbin. Sedangkan saat error bernilai negatif, maka daya yang dibangkitkan
melebihi besaran referensi dan sudut turbin perlu untuk dinaikkan besarannya.
37
Universitas Sumatera Utara

Peraturan tersebut dapat dilihat pada fungsi membership dibawah ini:

Gambar 3.2 Fungsi membership sinyal input kendali fuzzy (power error)

Gambar 3.3 Fungsi membership sinyal output kendali fuzzy (variasi sudut)
Diagram blok kontrol turbin angin dengan logika fuzzy dapat dilihat pada
gambar 3.4 berikut:

Gambar 3.4 Diagram blok kontrol turbin angin berbasis logika fuzzy

38
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan proses kerjanya dapat dilihat melalui diagram alir pada gambar

3.5 berikut:

Gambar 3.5 Diagram alir kontrol turbin angin berbasis logika fuzzy

39
Universitas Sumatera Utara

BABBIVB
SIMULASIBPENGATURANBPITCH ANGLEBTURBINBANGINBBERBASISB
KENDALIBLOGIKABFUZZYB
4.1BUmumB
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 menggambarkan berbagai jenis grafik,
sehingga pengguna dapat menkisualisasikan data dan fungsi yang kompleks.
Dalam program matlab juga dilengkapi dengan simulink, yaitu perangkat lunak
yang digunakan dalam pemodelan, simulasi, juga menganalisis sistem dinamis.

Mendukung sistem linier dan nonlinier, dapat dimodelkan dalam waktu kontiniu,
waktu sampel atau hibrida dari keduanya. Sistem ini juga dapat multirate, yaitu
memiliki bagian yang berbeda dari apa yang dicontohkan atau diperbaharui pada
tingkat yang berbeda.
Program simulink akan membantu pengguna untuk dapat dengan mudah
membangun suatu model dari awal, atau mengambil model yang sudah ada
kemudian melakukan modifikasi untuk melakukan eksplorasi model non linier
dengan lebih realistis, memperhitungkan faktor gesekan, hambatan udara, gear
slip, dan hal – hal lain yang menjelaskan fenomena pada dunia nyata.

40
Universitas Sumatera Utara

4.2BPengaturanBPitch Angle TurbinBAnginB
Pengaturan besaran perubahan pitch angle pada turbin angin bergantung
pada besarnya kecepatan angin yang datang pada turbin. Hal ini diperlukan untuk
menjaga kinerja dari turbin agar tidak mendapatkan daya yang berlebihan dimana
daya yang berlebihan tersebut akan menjadikan fatigue load pada generator turbin
angin. Adapun tahapan kerja dari kontrol pitch angle turbin angin tersebut dapat
digambarkan melalui diagram blok pada gambar 4.1.

KecepatanB
AnginB(Vw)B

LogikaB
FuzzyB

βB

KendaliB
TurbinB

βB

TurbinB
AnginB

Gambar 4.1 Blok diagram kontrol logika fuzzy pada turbin angin
Adapun besaran dari sudut kerja (β) turbin angin akan didapatkan melalui
perhitungan yang berdasarkan pada persamaan berikut:
= . .

(4.1)

. .

Dimana besaran dari Cp akan berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan besaran
daya mekanis yang akan dimanfaatkan generator dan juga sesuai dengan rating
yang telah ditentukan berdasarkan kemampuan perangkat turbin angin. Besaran
Cp akan didapatkan melalui persamaan berikut:

( , )=

−

−

+

(4.2)

41
Universitas Sumatera Utara

dimana

=

.

−

.

(4.3)

Besaran koefisien c1 hingga c6 menunjukkan koefisien karakteristik turbin
angin (c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 dan c6 = 0.0068).
Adapun besaran dari tip speed ratio (λ) akan bergantung pada banyaknya
baling-baling yang dipasangkan pada turbin angin. Umumnya besaran λ adalah 39. Namun, dengan menggunakan simulasi pada software Matlab maka secara
langsung akan menggunakan besaran λ nominal, yaitu 8,1.
Penelitian menggunakan data informasi angin pada kota Medan khususnya
daerah Tuntungan dan sekitarnya dengan stasiun pengamat di Kantor BBMKG
Wilayah 1. Data angin yang diperoleh merupakan data kecepatan angin rata-rata
pada tahun 2013-2015. Melalui data ini, maka didapat besaran angin pada kota
Medan berkisar antara 1 - 6 m/s dengan data terbanyak berada pada kisaran 3 – 4
m/s. Dengan data yang diperoleh, maka dapat dihitung besaran daya mekanis
yang mampu dibangkitkan dengan potensi angin Kota Medan.
Untuk memperoleh kecepatan angin dengan besaran tersebut diperlukan
ketinggian 10 meter dari permukaan tanah. Sehingga dengan demikian, besaran
jari-jari turbin harus dibatasi pula. Pada penelitian ini, digunakan baling-baling
dengan jari-jari sebesar 2 meter. Besaran ini dianggap paling rasional untuk
aplikasi pada daerah perkotaan karena tidak mengganggu secara estetika dan
sangat mungkin untuk diaplikasikan pada perumahan atau daerah perkotaan.

42
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan untuk penentuan jumlah baling-baling turbin dilakukan dengan
menghitung menggunakan persamaan berikut:

Dimana

n

. .

=

= putaran turbin (rpm)

(4.4)

.

= tip speed ratio
Vm = kecepatan angin maksimal yang diterima turbin (m/s)
D
Kemudian

= diameter rotor (m)
untuk

menghitung

jumlah

baling-baling

pada

turbin

membutuhkan persamaan berikut:

=

(4.5)

Sehingga dengan demikian dapat dihitung besaran-besaran tersebut
sebagai berikut:

=

(60)(8,1)(6)
.4

= 232,16

Maka akan didapat jumlah baling-baling pada turbin yang paling efektif
sebagai berikut:
=

232,16
= 3,54
8,1

Dengan hasil perhitungan, maka jumlah baling-baling adalah sebanyak 3 buah.

43
Universitas Sumatera Utara

Adapun besaran daya mekanis yang paling potensial untuk didapatkan
berada pada kecepatan angin diantara 3 – 4 m/s dengan menggunakan besaran Cp
maksimal yang didapatkan saat sudut turbin berada pada 0o bernilai 0,48 dengan
perhitungan sebagai berikut:


Pada kecepatan angin 3 m/s

=

1
. .
2

. .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 3



= 99,7

Pada kecepatan angin 4 m/s

=

1
. .
2

. .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 4
= 236,33

Dengan demikian, maka diambil besaran daya mekanis yang memadai
untuk daerah kota Medan adalah sebesar 200 Watt yang mana akan didapatkan
dengan kecepatan angin sebesar 3,78 m/s. Hal ini menyebabkan perlunya
penyesuaian besaran koefisien performansi (Cp)

agar menjaga besaran daya

mekanis turbin tetap pada 200 Watt dengan cara merubah besaran sudut turbin
(pitch angle). Tindakan ini diperlukan untuk menghindari pembebanan berlebihan
pada generator yang akan menyebabkan generator menerima daya masukan
berlebihan (fatigue load) dimana hal tersebut akan membuat generator menjadi
44
Universitas Sumatera Utara

panas yang kemudian menyebabkan penurunan performa bahkan dapat merusak
generator.
Selanjutnya akan dilakukan perhitungan besaran Cp dan besaran sudut
yang diperlukan untuk tiap kecepatan angin yang kemudian data tersebut akan
dimasukkan pada kendali logika fuzzy untuk menjadi dasar kendali sudut balingbaling pada turbin angin. Adapun hitungan tersebut akan dijabarkan sebagai
berikut:


Pada kecepatan angin 1 m/s (pada kecepatan angin dibawah 3,78 m/s,
sudut turbin adalah 0o, sehingga Cp optimum sebesar 0.48)
1
= . .
2

. .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 1



= 3,69

Pada kecepatan angin 2 m/s (pada kecepatan angin dibawah 3,78 m/s,
sudut turbin adalah 0o, sehingga Cp optimum sebesar 0.48)
1
= . .
2

. .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 2

= 29,54

45
Universitas Sumatera Utara



Pada kecepatan angin 3 m/s (pada kecepatan angin dibawah 3,78 m/s,
sudut turbin adalah 0o, sehingga Cp optimum sebesar 0.48)
1
= . .
2

. .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 3



= 99,7

Pada kecepatan angin 4 m/s

= . .

. .

= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 4
= 236,33

Sehingga akan diperlukan penyesuaian Cp sebagai berikut:

=
=

(4.6)

. . .

200

1
(1,225)( . 2 ). 4
2
= 0,4

Dengan nilai Cp tersebut, maka sudut pada baling-baling turbin akan
dihitung sebagai berikut:
1

=

1
0.035
−
− 0.88
+1
46
Universitas Sumatera Utara

1
= 0,5176

=

1
0.035
−
8,1 − 0.88
+1

116

− 0,4 − 5

0.035
1
−
) − 0,4 − 5
0,4 = 0,5176 116 (
+1
8,1 − 0.88
0,4 = 0,5176 116 (
−0.88

+ 0,0068
(

,

+ 0.03 − 0.7165
) − 0,4 − 5
+ 8.1 − 0.88 + 8.1

.

.

(

.

)

.

.

+ (0,0068)(8,1)
.

.

.

)

+ 0.055

Maka dari perhitungan akan didapat saat kecepatanBanginB4Bm/s,BβB=B2o.



Pada kecepatan angin 5 m/s
= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 5
= 461,58

Sehingga akan diperlukan penyesuaian Cp sebagai berikut:

=

200

1
(1,225)( . 2 ). 5
2
= 0,2

Dengan nilai Cp tersebut, maka sudut pada baling-baling turbin akan
dihitung sebagai berikut:
1
= 0,5176

=

1
0.035
−
8,1 − 0.88
+1

116

− 0,4 − 5

+ 0,0068

47
Universitas Sumatera Utara

0.035
1
−
) − 0,4 − 5
0,2 = 0,5176 116 (
+1
8,1 − 0.88
0,2 = 0,5176 116 (
−0.88

(

,

.

.

+ 0.03 − 0.7165
) − 0,4 − 5
+ 8.1 − 0.88 + 8.1

(

)

.

.

+ (0,0068)(8,1)
.

.

.

)

.

+ 0.055

Maka dari perhitungan akan didapat saat kecepatanBanginB5Bm/s,BβB=B10o.



Pada kecepatan angin 6 m/s
= . 1,225.0,48. ( . 2 ). 6
= 797,61

Sehingga akan diperlukan penyesuaian Cp sebagai berikut:

=

200

1
2 (1,225)( . 2 ). 6
= 0,12

Dengan nilai Cp tersebut, maka sudut pada baling-baling turbin akan
dihitung sebagai berikut:
1
= 0,5176

=

1
0.035
−
8,1 − 0.88
+1

116

− 0,4 − 5

0.035
1
−
) − 0,4 − 5
0,12 = 0,5176 116 (
+1
8,1 − 0.88
0,12 = 0,5176 116 (
−0.88

+ 0.03 − 0.7165
) − 0,4 − 5
+ 8.1 − 0.88 + 8.1

+ 0,0068
(

,

.

.

(

.

)

.

.

+ (0,0068)(8,1)
.

.

.

)

+ 0.055

48
Universitas Sumatera Utara

Maka dari perhitungan akan didapat saat kecepatanBanginB6Bm/s,BβB=B19o.
Selanjutnya akan didapatkan hubungan antara kecepatan angin dengan
besaran sudut yang dibutuhkan turbin angin untuk menjaga kerja dari turbin
seperti dapat terlihat pada tabel 4.1.
TabelB4.1 Hubungan Besaran Sudut Baling-Baling Turbin Angin dengan
Kecepatan Angin
Kecepatan Angin (m/s)

Sudut Baling-Baling Turbin

1

0o

2

0o

3

0o

4

2o

5

10 o

6

19 o

Selanjutnya, data yang diperoleh akan diterjemahkan dalam logika fuzzy
dan membentuk fungsi membership yang menjelaskan besaran-besaran fuzzy
untuk input dan output yang ditunjukkan dalam bentuk garis.

Gambar 4.2 Fungsi membership sinyal input pengendali fuzzy (kecepatan angin)
49
Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.3 Fungsi membership sinyal output pengendali fuzzy (pitch angle)
Kemudian, fungsi membership tersebut akan diaplikasikan pada simulasi
simulink untuk mengendalikan turbin angin dengan kecepatan angin yang
berubah-ubah pada setiap satuan waktunya. Dengan penambahan kendali ini,
maka diharapkan akan didapat daya mekanis dengan besaran maksimal 200 watt
pada kecepatan angin di atas 3,78 m/s untuk menjaga kinerja baik pada turbin
maupun pada generator.
Adapun peraturan-peraturan pada kendali logika fuzzy yang diaplikasikan
dapat dilihat pada tabel 4.2.
TabelB4.2 Peraturan-peraturan dasar kendali pitch angle turbin angin
VwindB

1

4

4.5

5

5.5

6

SudutB

0

2

3

10

16

19

Dimana sistem tersebut dapat diilustrasikan dengan peraturan sebagai
berikut: IF Vwind = 0 THEN Sudut = 0. Begitu pula dengan selanjutnya.
Dengan menggunakan logika fuzzy, maka besaran-besaran kecepatan angin
yang berada diantara kecepatan angin yang telah diatur akan mengkalkulasi
besaran sudut yang diperlukan tanpa harus dihitung secara manual.

50
Universitas Sumatera Utara

4.3BRangkaianBSimulasiB
B

Model rangkaian untuk mensimulasikan kendali pitch angle turbin angin

dengan logika fuzzy dapat dilihat pada gambar 4.4 dan model rangkaian untuk
sistem turbin angin secara keseluruhan dengan kendali logika fuzzy dapat dilihat
pada gambar 4.5.

Gambar 4.4 Rangkaian simulasi kendali pitch angle turbin angin dengan logika
fuzzy

B
Gambar 4.5 Rangkaian simulasi sistem turbin angin secara keseluruhan dengan
kendali logika fuzzy

51
Universitas Sumatera Utara

4.4BHasilBSimulasiB
Simulasi pengaturan pitch angle turbin angin berbasis kendali logika fuzzy
pada tugas akhir ini dilakukan dengan menggunakan MATLAB R2012a.
Rangkaian simulasi ditunjukkan pada gambar 4.4 dan 4.5. Keadaan simulasi
dilakukan dengan keadaan sistem dengan beban resistif sebesar 200 Watt. Hasil
simulasi ditunjukkan pada gambar berikut.
Vangin

t

Gambar 4.6 Kecepatan angin simulasi
Sudut Turbin

t

Gambar 4.7 Pitch Angle turbin angin dengan kendali logika fuzzy

52
Universitas Sumatera Utara

Pmek

t

Gambar 4.8 Daya mekanis turbin angin dengan kendali logika fuzzy

Pelektris

t

Gambar 4.9 Daya elektris generator turbin angin dengan kendali logika fuzzy

53
Universitas Sumatera Utara

Voutput

t

Gambar 4.10 Tegangan output generator turbin angin dengan kendali logika fuzzy

Ioutput

t

Gambar 4.11 Arus output generator turbin angin dengan kendali logika fuzzy

54
Universitas Sumatera Utara

4.5BPerbandinganBKinerjaBTurbinBAnginBDenganBdanBTanpaBKendaliBFuzzy
Turbin angin sangat bergantung pada performansinya dalam menghasilkan
besaran daya mekanis yang sesuai dengan harapan. Selain itu, dengan
memperbaiki koefisien performansi, akan mendapatkan perbaikan kinerja dan
efisiensi dari turbin. Dengan demikian, koefisien performansi sangat berpengaruh
pada kerja turbin.
Adapun pengaruh penambahan kendali logika fuzzy dalam pengaturan
pitch angle pada turbin angin dapat dilihat pada percobaan-percobaan berikut
dengan membandingkannya secara langsung pada turbin dengan besaran sudut
yang tetap yang mana besaran sudutnya akan diambil sesuai dengan sudut yang
sesuai dengan sistem simulasi pada percobaan ini.


Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 0o
Adapun secara grafis dapat dilihat pada gambar 4.12.
Pmek

t

= dengan logika fuzzy

= sudut tetap 0o

Gambar 4.12 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan
sudut tetap 0o
55
Universitas Sumatera Utara

Secara rata-rata, turbin dengan sudut tetap 0o akan mendapatkan
tangkapan daya mekanis yang lebih besar, pada percobaan tertulis bahwa
turbin tersebut akan mendapatkan daya 167,6 watt dibandingkan dengan
kendali logika fuzzy yang hanya 112 watt, namun terlihat pula bahwa daya
mekanis kerap melebihi 200 watt dimana akan sangat mengganggu kinerja
generator.


Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 2o
Adapun secara grafis dapat dilihat pada gambar 4.13.
Pmek

t

= dengan logika fuzzy

= sudut tetap 2o

Gambar 4.13 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan
sudut tetap 2o
Sama halnya dengan saat sudut tetap 0o, secara rata-rata, turbin
dengan sudut tetap 2o akan mendapatkan tangkapan daya mekanis yang
lebih besar, pada percobaan tertulis bahwa turbin tersebut akan
mendapatkan daya 137,4 watt dibandingkan dengan kendali logika fuzzy

56
Universitas Sumatera Utara

yang hanya 112 watt, namun terlihat pula bahwa daya mekanis kerap
melebihi 200 watt dimana akan sangat mengganggu kinerja generator.


Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 10o
Adapun secara grafis dapat dilihat pada gambar 4.14.
Pmek

t

= dengan logika fuzzy

= sudut tetap 10o

Gambar 4.14 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan
sudut tetap 10o
Berbeda dengan saat sudut tetap 0o dan 2o, maka pada saat turbin
menggunakan sudut tetap sebesar 10o, besaran tangkapan daya mekanis
sudah berada di bawah turbin dengan kendali logika fuzzy. Dengan
karakteristik grafik yang sudah hampir menyerupai hasil dengan logika
kendali fuzzy, maka sudut tetap 10o memenuhi kriteria untuk diaplikasikan
sebagai sudut tetap turbin. Namun dengan rata-rata daya yang didapatkan
yaitu sebesar 100,7 Watt dibandingkan dengan kendali logika fuzzy

57
Universitas Sumatera Utara

sebesar 112 Watt, maka terdapat keuntungan berupa besaran daya yang
dapat dihasilkan dengan penambahan logika fuzzy sebesar 11,9%.


Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan sudut tetap 19o
Adapun secara grafis dapat dilihat pada gambar 4.15.
Pmek

t

= dengan logika fuzzy

= sudut tetap 19o

Gambar 4.15 Perbandingan antara turbin dengan kendali logika fuzzy dan
sudut tetap 19o
Serupa dengan saat menggunaan sudut tetap 10o, maka pada saat
turbin menggunakan sudut tetap sebesar 19o, besaran tangkapan daya
mekanis sudah berada di bawah turbin dengan kendali logika fuzzy.
Namun dengan rata-rata daya yang didapatkan yaitu sebesar 33,51 Watt
dibandingkan dengan kendali logika fuzzy sebesar 112 Watt, dimana
terdapat selisih sebesar 70%, maka besaran sudut ini terbilang tidak
aplikatif karena tidak dapat menangkap daya secara optimal.

58
Universitas Sumatera Utara

4.6BPengaturanBTeganganBpadaBTurbinBAnginB
Turbin angin memiliki kekurangan berupa tegangan keluaran generator
yang tidak stabil. Hal ini disebabkan putaran turbin angin yang menjadi energi
mekanis berupa putaran yang masuk pada generator tidak bisa stabil akibat
kecepatan angin yang kerap berubah-ubah setiap waktunya. Tegangan yang
berubah-ubah ini menyebabkan tidak bisanya perangkat listrik untuk dihubungkan
langsung dengan turbin angin. Tegangan yang berubah-ubah ini akan
menyebabkan kerusakan pada perangkat listrik.
Hubungan antara tegangan yang dibangkitkan generator dengan putaran
masukan pada generator dapat dilihat pada persamaan berikut:

Dimana:

(4.7)

= . .∅−



V = Tegangan terminal generator



c = Konstanta mesin



n = Putaran generator



∅ = Fluksi

Sehingga dapat dilihat bahwa dengan besaran n yang berubah-ubah tiap
waktunya, maka tegangan terminal yang keluar dari generator pun akan terus
berubah.
Kecepatan putaran masukan turbin angin ini tentu sangat berpengaruh
pada generator yang terpasang pada turbin. Hal ini menyebabkan pemilihan jenis
generator sangat berdampak pada efisiensi kerja dan biaya dari pembuatan sebuah
59
Universitas Sumatera Utara

turbin angin. Pada turbin angin dengan skala kecil atau beban rumah tangga
(dibawah 450 Va) maka penggunaan generator induksi sangatlah efisien. Hal ini
dikarenakan generator induksi yang digunakan pada turbin adalah motor induksi
yang bekerja secara “terbalik” dimana pada mesin induksi akan diberikan putaran
pada rotor yang melebihi putaran medan pada stator mesin induksi. Karena mesin
induksi diproduksi secara massal dan tersedia dalam banyak spesifikasi maka
mesin induksi memiliki harga yang murah. Selain itu, mesin induksi juga tidak
membutuhkan sikat atau komutator, sehingga tidak ada suku cadang yang harus
diganti secara berkala. Dengan demikian, tingkat kehandalan generator induksi
ternilai cukup baik. Generator induksi merupakan generator yang menggunakan
prinsip induksi elektromagnetik dalam pengoperasiannya. Generator ini dapat
bekerja pada putaran rendah serta tidak tetap kecepatannya, sehingga generator
induksi umum digunakan pada pembangkit tenaga angin.
Kecepatan angin yang berubah-ubah akan menyebabkan tegangan yang
dihasilkan terus berubah. Hubungan antara tegangan yang dihasilkan dengan
kecepatan angin yang berubah-ubah dapat dilihat pada gambar 4.16 dan 4.17
berikut:

Gambar 4.16 Tegangan dan arus keluaran generator turbin angin dengan
kecepatan angin berubah dari 3 ke 4 dan 4 ke 5 m/s
60
Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.17 Tegangan dan arus keluaran generator turbin angin dengan
kecepatan angin berubah dari 5 ke 4 dan 4 ke 3 m/s
Sedangkan hubungan antara kecepatan angin dan tegangan yang
dibangkitkan dapat dilihat pada gambar 4.18. Dimana pada gambar terlihat bahwa
semakin tinggi kecepatan angin yang mengalir, maka tegangan yang dibangkitkan
juga semakin tinggi. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan dimana pada
kecepatan angin yang tinggi, maka daya yang dibangkitkan pun meningkat.

Gambar 4.18 Hubungan antara tegangan keluaran generator turbin angin
dan kecepatan angin
Hal ini menyebabkan sangat diperlukannya penambahan pengendali
tegangan pada turbin angin. Pengendali tegangan akan mengatur besarnya
tegangan keluaran dengan memanfaatkan elektronika daya untuk mengubah

61
Universitas Sumatera Utara

tegangan AC menjadi DC untuk kemudian dikembalikan menjadi tegangan DC
yang sesuai dengan standar jaringan ataupun perangkat yang terhubung padanya.
Kecepatan angin yang berubah-ubah akan menyebabkan tegangan yang
dibangkitkan oleh generator juga terus berubah. Hal ini menyebabkan, perlunya
tambahan kontrol tegangan pada pembangkit turbin angin. Turbin-turbin angin
akan dihubungkan pada ruang kendali dimana ruang kendali akan terdiri dari
rectifier-inverter dan buck-boost converter.

Gambar 4.19 Kontrol tegangan pada sistem turbin angin
Rectifier yang berarti penyearah akan menyearahkan tegangan yang
dihasilkan generator turbin-turbin angin tersebut dari tegangan bolak-balik (AC)
menjadi tegangan searah (DC).
Selanjutnya tegangan DC tersebut akan dialirkan menuju buck-boost
converter. Peralatan ini akan mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi
tegangan DC yang bersifat kariabel atau dapat disesuaikan dengan kebutuhan
tegangan yang diperlukan. DC chopper akan meregulasi tegangan DC dengan
metode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC yang tidak teregulasi menjadi
tegangan DC yang teregulasi. Regulasi ini dilakukan dengan pengaturan PWM
(Pulse Width Modulation) pada frekuensi tertentu.

62
Universitas Sumatera Utara

Prinsip kerja buck-boost converter dapat diklasifikasikan ke dalam prinsip
kerja DC Chopper step up ataupun DC Chopper step down. Tegangan keluaran
dari buck-boost converter dapat dibuat lebih besar atau lebih kecil dibanding
tegangan masukannya dengan mengatur frekuensi dan durasi pensaklaran pada
perangkat ini.
Selanjutnya, buck-boost converter akan dihubungkan dengan inverter.
Inverter yang berarti pembalik akan merubah tegangan DC yang dihasilkan buckboost converter menjadi kembali ke tegangan bolak-balik (AC). Hal ini tidak lain
disebabkan kebutuhan rumah tangga yang menggunakan catu daya AC, maka
diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan buck-boost
converter menjadi gelombang AC agar dapat digunakan pada rumah tangga.
Pada turbin angin, pengendalian tegangan yang paling sesuai akan dimulai
dengan menambahkan penyearah gelombang, dimana penyearah gelombang akan
mengubah sinyal tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah.

Gambar 4.20 Rangkaian penyearah tegangan
Prinsip kerja dari penyearah di atas dimulai pada saat tegangan masukan
memberikan lekel tegangan sisi positif, maka D1, D4 pada posisi forward bias

63
Universitas Sumatera Utara

dan D2, D3 pada posisi reverse bias sehingga lekel tegangan sisi puncak positif
tersebut akan di lewatkan melalui D1 ke D4. Kemudian pada saat tegangan
masukan dari generator memberikan lekel tegangan sisi puncak negatif maka D2,
D3 pada posisi forward bias dan D1, D4 pada posisi reverse bias sehingan lekel
tegangan sisi negatif tersebut dialirkan melalui D2, D3. Adapun tegangan
keluaran hasil penyearah dapat dilihat gelombangnya pada gambar 4.21.

Gambar 4.21 Tegangan keluaran penyearah tegangan
Namun dikarenakan tegangan yang dihasilkan oleh turbin angin
besarannya berubah-ubah, maka tegangan arus searah yang dihasilkan penyearah
juga berubah-ubah besarannya. Hal ini perlu untuk diperbaiki dikarenakan
tegangan yang berubah-ubah tidak aplikatif pada peralatan elektronik. Maka
selanjutnya perlu dilakukan pengaturan besaran tegangan DC untuk memenuhi
standar kebutuhan spesifikasi peralatan yang akan terhubung generator.
Pengaturan besaran tegangan DC ini akan memanfaatkan peralatan buckboost converter. Peralatan ini merupakan peralatan yang menghasilkan tegangan
atau arus DC yang berasal dari masukan DC pula. Pada konkerter jenis ini,
mampu untuk menghasilkan tegangan kurang, sama atau lebih dari tegangan

64
Universitas Sumatera Utara

sumber. Fungsi dari perangkat ini adalah untuk menaikkan atau menurunkan
tegangan DC.

Gambar 4.22 Rangkaian buck-boost converter
Prinsip kerja dari buck-boost converter terdiri atas dua mode, yaitu saat
saklar konduksi dan saat saklar padam. Pada saat saklar konduksi, maka terjadi
proses pengisian arus. Arus perlahan akan naik hingga mencapai maksimum pada
konduktor dan selanjutnya saklar akan dipadamkan. Selanjutnya, saat saklar
dipadamkan, maka induktor menjadi sumber arus pada rangkaian dan melakukan
pengosongan arus induktor dan arus induktor mengalir menuju beban. Dengan
demikian, maka tegangan keluaran konkerter akan menjadi konstan besarannya.
Setelah mendapatkan besaran tegangan DC yang konstan, maka akan
dilakukan pembalikan tegangan menjadi tegangan AC dengan menggunakan
inverter. Inverter adalah perangkat elektronika yang digunakan untuk mengubah
tegangan DC menjadi tegangan AC. Keluaran dari inverter dapat menjadi
tegangan AC dengan gelombang sinus sehingga dapat dimanfaatkan langsung
pada peralatan elektronik.

65
Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.23 Rangkaian inverter
Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan empat buah sakelar seperti
gambar 4.20, dimana bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi ON, maka akan
mengalir arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, dan jika yang hidup sakelar
S3 dan S4 maka akan mengalir arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri.
Inverter biasanya menggunakan pulse width modulation untuk mengatur laju
pengaturan sakelar untuk mendapatkan tegangan AC yang sesuai dengan sistem
yang akan terhubung padanya.
B
B
B
B
B
B
B

66
Universitas Sumatera Utara

BABBVB
KESIMPULANBDANBSARANB
5.1BKesimpulanB
Dari hasil penelitian dan pembahasan yang dilakukan, diperoleh
kesimpulan sebaai berikut:
1. Penambahan pengaturan pitch angle turbin angin akan menangkap
energi angin secara optimal untuk kemudian dikonkersi oleh
generator dengan besaran 112 Watt per turbinnya dibandingkan
tanpa pengaturan yang hanya mendapatkan 100,7 Watt dimana
terdapat selisih sebesar 11,3 Watt atau peningkatan efisiensi kerja
turbin angin sebesar 11,9%.
2. Turbin angin yang dilengkapi pengaturan pitch angle dengan
logika fuzzy yang disimulasikan pada program MATLAB, dengan
kecepatan angin berada pada 1 – 6 m/s, akan mendapatkan daya
mekanis sebesar 112 watt.
3. Sudut tetap yang paling aplikatif pada penelitian ini berada pada
sudut 10o. Namun demikian, terdapat selisih sebesar 11,9% dimana
turbin dengan pengaturan pitch angle dengan logika fuzzy dapat
menangkap daya lebih besar.
B
B
B
67
Universitas Sumatera Utara

5.1BSaranB
B

Adapun saran dari penulis sebagai pengembangan dari tugas akhir ini

adalah sebagai berikut:
1. Agar dilakukan penelitian dengan menggunakan data kecepatan angin dari
daerah yang lebih potensial, dengan kecepatan angin yang rata-rata lebih
tinggi sehingga dapat menghasilkan daya yang lebih besar dan dapat
berpotensi menjadi pembangkit tenaga listrik utama.
2. Melalui hasil penelitian pada tugas akhir ini, didapat tegangan keluaran
bukan berupa sinusoidal sempurna, dimana dengan demikian tegangan
yang dibangkitkan tidak dapat digunakan secara langsung. Sehingga dapat
dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mendapatkan tegangan keluaran
turbin angin yang stabil. Beberapa metode yang dapat dilakukan adalah
dengan mengatur kecepatan kerja turbin (Vcut-in dan Vcut-off), mengubah
jenis generator yang terhubung dengan turbin angin, ataupun dengan
melakukan pengontrolan tegangan yang memanfaatkan piranti elektronika
daya.

68
Universitas Sumatera Utara

2. Tinjauan Pustaka
2.1 Turbin Angin
Turbin angin adalah elemen utama dari sebuah pembangkit listrik tenaga
angin dan digunakan untuk memproduksi energi listrik yang merupakan hasil
konversi dari energi kinetik angin. Turbin angin awalnya dibuat untuk
mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi,
keperluan irigasi. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda,
dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan nama Windmill. Sejak
awal maraknya penggunaan turbin angin secara komersial sebagai pembangkit
tenaga listrik di tahun 1980, telah terjadi peningkatan yang pesat dalam hal
karakteristik, efisiensi, kapasitas dan desain dari turbin angin.
Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga angin ialah dengan memanfaatkan
energi kinetik dari partikel angin bergerak dengan kecepatan tertentu yang
ditangkap oleh turbin angin. Baling-baling turbin dirancang sedemikian rupa
sehingga memungkinkan untuk menggerakkan poros rotor generator. Balingbaling memutar poros dari turbin yang akan menyebabkan rotor pada generator
akan bergerak dan generator mengubah energi rotasi menjadi energi listrik [2].
Potensi dan inovasi baru dalam desain turbin angin secara terus menerus
dieksploitasi dan terutama terkonsentrasi pada desain baling-baling yang lebih
ringan dengan fitur aerodinamis yang lebih baik. Selain itu, sistem pengendalian
pada turbin angin pun terus dikembangkan untuk mendapatkan tangkapan energi
yang maksimal. Salah satu pengendalian yang utama untuk memaksimalkan

7
Universitas Sumatera Utara

kinerja dari turbin angin ialah dengan mengendalikan sudut kerja baling-baling
turbin angin.
Secara keseluruhan, industri energi angin mencapai kemajuan besar dalam
dua dekade terakhir dan hal ini akan memainkan peran penting dalam tujuannya
untuk meningkatkan produksi listrik dari sumber energi terbarukan.
Berdasarkan arah sumbunya, turbin angin dibedakan menjadi dua jenis,
yaitu:
a. Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal ialah turbin angin yang memiliki poros
rotor utama dan generator listrik di puncak menara. Turbin yang berukuran kecil
diarahkan oleh baling-baling angin yang sederhana, sedangkan turbin berukuran
besar pada umumnya akan menggunakan sensor angin yang digandeng dengan
sebuah servo motor. Kebanyakan turbin angin jenis ini memiliki gearbox yang
mengubah perputaran kincir yang pelan menjadi lebih cepat sebagai gaya
masukan untuk memutar rotor pada generator [2].
Menara umumnya menghasilkan turbulensi di belakangnya, sehingga
turbin harus diarahkan melawan arah angin yang datang padanya. Bilah-bilah
turbin dibuat kaku agar tidak terdorong menuju menara oleh angin berkecepatan
tinggi.
Adapun kelebihan turbin angin sumbu horizontal adalah:


Dasar menara yang tinggi memungkinkan akses ke angin yang kuat
di tempat yang memiliki besaran angin yang fluktuatif
8
Universitas Sumatera Utara

Sedangkan kekurangan dari turbin angin sumbu horizontal adalah:


Konstruksi menara yang besar dibutuhkan untuk menyangga bilahbilah yang berat, gearbox dan generator.



Turbin yang tinggi harus diletakkan pada daerah yang aman dari
lokasi lintasan pesawat untuk menghindari kecelakaan



Ukurannya yang tinggi akan merintangi jangkauan pandangan dan
mengganggu estetika pemandangan secara umum



Membutuhkan

mekanisme

kontrol

yaw

tambahan

untuk

membelokkan kincir ke arah angin

Gambar 2.1 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal terdiri dari beberapa komponen yang
dipasang utamanya pada bagian atas dari menara. Dalam menara turbin angin,
umumnya hanya terdapat tangga yang digunakan untuk mengakses ruangan nasel
pada bagian atas menara. Sedangkan perangkat-perangkat lainnya berada di dalam
nasel turbin angin. Adapun komponen tersebut dapat dilihat pada gambar 2.2.

9
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Bagian-bagian Turbin Angin Sumbu Horizontal
Secara umum, konfigurasi utama turbin angin poros datar terdiri dari; rotor
(blade dan hub), nasel/nacelle, generator, transmisi gearbox, kopling dan rem,
sistem orientasi (yaw system), menara, sistem kontrol dan pondasi, seperti
diperlihatkan pada gambar atas. Adapun penjelasan dari masing-masing bagian
tersebut adalah:
1. Sudu (Blade /Baling-baling)
Rotor turbin angin yang terdiri dari baling-baling/ sudu dan hub
merupakan bagian dari turbin angin yang berfungsi menerima energi kinetik
dari angin dan merubahnya menjadi energi gerak (mekanik) putar pada poros
penggerak. Pada sebuah turbin angin, baling-baling rotor dapat berjumlah 1, 2,
3 atau lebih.

10
Universitas Sumatera Utara

2. Rotor Hub
Hub merupakan bagian dari rotor yang berfungsi menghubungkan
sudu dengan shaft (poros) utama.
3. Kontrol Pitch Sudu
Salah satu tipe rotor adalah dengan sudu terpasang variabel yang dapat
dirubah sudut serangnya dengan mengatur posisi sudut serang sudu terhadap
arah angin bertiup. Rotor dengan mekanisme demikian disebut dengan rotor
dengan pitch sudu variabel. Tidak semua turbin angin menggunakan tipe rotor
dengan sudut sudu variabel.
4. Rem
Rem berfungsi untuk menghentikan putaran poros rotor yang bertujuan
untuk keamanan atau pada saat dilakukan perbaikan.
5. Poros Rotor Putaran Rendah
Poros rotor berfungsi untuk memindahkan daya dari rotor ke generator,
dapat secara langsung maupun melalui mekanisme transmisi gearbox.
6. Gearbox
Pada

umumnya

transmisi

di

turbin

angin

berfungsi

untuk

memindahkan daya dari rotor ke generator dengan dipercepat putarannya. Hal
ini diperlukan karena umumnya putaran rotor berotasi pada putaran rendah,
sementara generatornya bekerja pada putaran tinggi.

11
Universitas Sumatera Utara

7. Generator
Generator merupakan komponen terpenting dalam sistem turbin angin,
dimana fungsinya adalah merubah energi gerak (mekanik) putar pada poros
penggerak menjadi energi listrik. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan
oleh generator dapat berupa alternating current (AC) maupun direct current
(DC) dan tegangan keluarannya dapat dari tegangan rendah (12 volt) atau
sampai tegangan 680 volt atau lebih.
8. Kontrol Arah
Pada turbin angin yang relatif besar, umumnya sudah menggunakan
sistem geleng aktif (active yawing system), yang digerakkan oleh motor servo.
Kontrol yawing disini berfungsi menerima input dari sensor anemometer
(mendeteksi kecepatan angin) dan wind direction ( mendeteksi perubahan arah
angin), dan memberikan komando kepada motor servo untuk membelokkan
arah poros turbin angin dan juga memberikan masukan kepada kontrol pitch.
9. Anemometer Sensor
Anemometer berfungsi untuk mendeteksi/mengukur kecepatan angin,
sebagai masukan kepada sistem kontrol untuk mengendalikan operasional
pada kondisi optimum.
10. Tail Vane
Salah satu sistem orientasi yang pasif (passive yawing) adalah
menggunakan ekor pengarah. Fungsi dari ekor pengarah (tail vane) adalah
untuk membelokan posisi rotor terhadap arah datangnya angin.

12
Universitas Sumatera Utara

11. Nasel (Nacelle)
Fungsi nasel adalah untuk menempatkan dan melindungi komponenkomponen turbin angin, yaitu : generator, gearbox, kopling, rem, kontrol,
sistem geleng (yawing system).
12. Poros Rotor putaran tinggi
Poros rotor putaran tinggi berfungsi untuk memindahkan daya dari
girboks ke generator.
13. Roda gigi sistem geleng (Yaw drive)
Fungsi yaw drive adalah untuk menempatkan komponen turbin angin
yang berada diatas menara menghadap optimal terhadap arah angin bertiup
mengikuti perubahan arah angin.
14. Motor servo (Yaw motor)
Fungsi motor yaw adalah untuk menggerakan yaw drive untuk
menempatkan komponen turbin angin yang berada diatas menara menghadap
optimal terhadap arah angin bertiup mengikuti perubahan arah angin.
15. Menara / Tower
Menara merupakan tiang penyangga yang fungsi utamanya adalah
untuk menopang rotor, nasel dan semua komponen turbin angin yang berada
di atasnya.

13
Universitas Sumatera Utara

b. Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu rotor utama yang
disusun tegak lurus. Kelebihan utama susunan ini adalah turbin tidak harus
diarahkan ke angin agar bekerja secara efektif. Kelebihan ini sangat berguna
untuk lokasi penempatan yang arah anginnya bervariasi. Turbin angin jenis ini
mampu untuk memanfaatkan angin dari berbagai arah [2].
Dengan sumbu yang vertikal, generator serta gearbox bisa ditempatkan di
dekat tanah, sehingga menara tidak perlu menyokong dan lebih mudah untuk
diakses ketika akan dilakukan perawatan. Sehingga biaya perawatannya dari sisi
ini akan menjadi lebih efisien dan rendah.
Namun demikian, karena sulit untuk dipasang diatas menara, maka turbin
angin jenis ini dipasang lebih dekat ke dasar tempat ia diletakkan, seperti tanah
atau puncak atap sebuah bangunan. Dimana hal ini akan menyebabkan kecepatan
angin yang akan dimanfaatkan menjadi lebih rendah, sehingga energi angin yang
tersedia akan menjadi lebih kecil. Aliran udara yang dekat tanah dan obyek yang
menghalagi datangnya angin juga dapat menyebabkan permasalahan yang
berkaitan dengan getaran, diantaranya kebisingan dan bearing wear yang akan
meningkatkan

biaya

pemeliharaan

untuk

mengatasi

masalah

ini

dan

memungkinkan umur turbin angin yang lebih singkat.
Secara umum, adapun kelebihan daru turbin angin sumbu vertikal adalah:


Karena bilah rotornya vertikal, maka tidak dibutukan mekanisme
yaw

14
Universitas Sumatera Utara



Karena

penempatannya

yang

dekat

dengan

dasar

lokasi

penempatannya, maka pemeliharaannya akan menjadi lebih mudah


Memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran
dari ujung sebuah bilah dengan laju angin sebenarnya) yang lebih
rendah sehingga lebih kecil kemungkinannya rusak di saat angin
berhembus kencang

Namun, jenis turbin ini juga memiliki kekurangan, yaitu:


Umunya jenis turbin ini hanya memproduksi 50% energi listrik
yang dapat dibangkitkan oleh turbin angin sumbu horizontal



Kebanyakan turbin jenis ini memiliki torsi awal yang rendah,
sehingga membutuhkan dorongan eksternal untuk memulai operasi

Gambar 2.3 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Perbedaan lainnya antara jenis turbin angin adalah dengan membedakan
apakah rotor dapat bekerja dengan kecepatan variabel atau terpaku pada kecepatan
konstan saja dengan penjelasan sebagai berikut:
15
Universitas Sumatera Utara

a. Fixed-Speed Wind Turbines
Jenis turbin angin ini adalah yang paling dasar pada operasi turbin angin.
Menggunakan hanya sedikit perubahan kecepatan turbin rotor dan menggunakan
mesin induksi dengan rotor sangkar yang langsung terhubung ke jaringan listrik.
Bantuan daya reaktif eksternal dibutuhkan untuk mengompensasi daya reaktif
yang terpakai oleh mesin induksi. Turbin angin jenis ini menggunakan stall
regulation dan blade pitch regulation untuk mengatur daya yang dibangkitkan
saat kecepatan angin sedang tinggi [3].

Gambar 2.4 Skema Fixed-speed Wind Turbine
b. Variable-Speed Wind Turbine
Variable-Speed Wind Turbine didesain untuk bekerja dengan kecepatan
rotor yang variatif. Turbin ini umumnya menggunakan blade pitching sebagai
pengatur daya keluaran. Kontrol kecepatan dan daya memungkinkan turbin untuk
menghasilkan daya keluaran yang lebih besar daripada Fixed-speed Wind Turbine.
Turbin angin jenis ini menggunakan mesin induksi dengan rotor belitan dengan
penambahan konverter AC/DC. Turbin angin jenis ini menggunakan jenis kontrol
yang sama dengan Fixed-speed Wind Turbine [3].

16
Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Skema Variable-Speed Wind Turbine
2.2 Pengontrolan Daya Turbin Angin
Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi
kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin
angin, angin akan mengalami pengurangan energi kinetik yang ditandai dengan
berkurangnya kecepatan angin. Energi kinetik yang hilang ini akan dikonversikan
menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini akan
terhubung dengan rotor dari generator. Generator mengubah energi mekanik
menjadi energi listrik [1].
Besar daya mekanik (

) yang dihasilkan oleh turbin angin didefenisikan

dalam persamaan di bawah ini [1]:
= . .

Dimana:


(2.1)

. .

adalah massa jenis angin (kg/m3)



Cp adalah koefisien performansi turbin angin



A adalah luas daerah sapuan turbin (m2)



Vw adalah kecepatan angin sebelum melewati turbin angin (m/s)
17
Universitas Sumatera Utara

Koefisien performansi, Cp, dinyatakan sebagai perbandingan antara energi
yang dihasilkan oleh turbin angin dengan total energi angin yang melalui suatu
daerah bila tidak terdapat turbin angin tersebut [2].
Tip speed ratio, , adalah rasio perbandingan antara kecepatan pada ujung
baling-baling turbin angin dan kecepatan angin [2]. Hal ini dapat dijelaskan
bahwa dengan bentuk baling-baling turbin yang baik, maka kecepatan putaran
baling-baling dapat ditingkatkan dengan rasio tertentu dibandingkan kecepatan
angin yang sedang mengalir dengan memanfaatkan aerodinamika dari balingbaling turbin. Besaran

berbeda-beda untuk tiap jenis turbin. Adapun turbin

angin sumbu horizontal seperti pada penelitian ini memiliki besaran konstan
sebesar 8,1. Sedangkan untuk menghitung besaran aktual dari rasio ini dapat
dilihat pada persamaan (2.2).

=

.

=

(2.2)

Besaran nilai Cp tergantung pada tip speed ratio ( ) dan sudut pitch balingbaling ( ) dengan hubungan sebagai berikut [5]:

( , )=

−

−

+

(2.3)

dimana

=

.

−

.

(2.4)

Koefisien c1 hingga c6 merepresentasikan diameter rotor, konstanta bahan
turbin, besar sumbu rotor, rasio gardan kecepatan rendah, rasio gardan kecepatan

18
Universitas Sumatera Utara

tinggi dan tingkat kelenturan bahan, secara berurutan. Koefisien ini berbeda-beda
besarannya untuk jenis turbin yang berlainan. Tiap jenis turbin memiliki standar
besaran koefisien masing-masing yang berbeda satu dengan lainnya. Pada turbin
angin sumbu horizontal seperti yang digunakan pada penelitian, besaran yang
digunakan adalah c1 = 0.5176, c2 = 116, c3 = 0.4, c4 = 5, c5 = 21 dan c6 = 0.0068
[4].
Hubungan antara Koefisien performansi (Cp) dan Tip speed ratio ( ) dapat
dinyatakan dengan kurva pada gambar 2.6 [4].

Gambar 2.6 Karakteristik Cp Vs

dengan pitch angle

Umumnya dalam perancangan turbin angin, terdapat beberapa parameter
yang harus diperhitungkan, yaitu kecepatan cut-in (Vcut), kecepatan rating (Vrated),
dan kecepatan cut-off yang merupakan kecepatan dimana turbin angin harus
berhenti beroperasi untuk menghindari kerusakan akibat kecepatan angin yang
melewati turbin angin melebihi batas ketahanan turbin [1].
Melalui persamaan (2.1), daya yang didapat dari angin adalah fungsi kubik
dari kecepatan angin. Dimana hal ini akan berarti ketika kecepatan angin menjadi

19
Universitas Sumatera Utara

dua kali lipat lebih besar, maka daya yang akan dihasilkan menjadi delapan kali
lebih besar. Sehingga turbin angin harus didesain agar mampu menahan beban
angin yang lebih tinggi dibanding besaran daya yang bisa dibangkitkan untuk
menghindari kerusakan [2].
Kecepatan angin yang tinggi hanya berlangsung singkat dan hanya
mempengaruhi sedikit dalam proses pembangkitan daya, namun bila tidak
dikontrol, maka desain dan biaya pembuatan generator angin akan meningkat
hanya untuk memastikan turbin angin mampu menahan besaran angin tersebut
[2].
Dengan demikian, maka sangat diperlukan kontrol daya pada turbin angin.
Hal ini tidak lain untuk mendapatkan pembangkit angin yang efisien dan efektif
baik dari segi daya yang dibangkitkan maupun dari segi biaya yang akan
dikeluarkan sebagai investasi yang tepat guna. Saat ini terdapat tiga pilihan
kontrol daya keluaran turbin angin yang umum digunakan.
2.2.1 Stall Control
Stall control adalah metode kontrol yang paling mudah, kuat dan murah.
Metode kontrol ini digunakan untuk turbin angin ukuran kecil dan sedang, dikenal
juga sebagai kontrol pasif karena tidak ada komponen bergerak sebagai pengatur.
Aerodinamika baling-baling menentukan besaran daya keluaran. Lengkungan dan
ketebalan baling-baling rotor yang dibentuk sedemikian rupa akan menyebabkan
turbulensi pada baling-baling ketika kecepatan angin melebihi batas kecepatan
yang ditentukan. Turbulensi ini akan menyebabkan energi angin yang ditransfer
menjadi kecil saat kecepatan angin tinggi. Dengan kata lain, desain dari

20
Universitas Sumatera Utara

aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya saat kecepatan
angin melebihi batas tertentu [2].
Adapun kekurangan dari kontrol jenis ini adalah rendahnya efisiensi saat
kecepatan angin rendah dan tidak membantu saat melakukan start mula turbin
dari keadaan berhenti. Selain itu, jenis kontrol ini hanya dapat diaplikasikan pada
turbin angin dengan kecepatan konstan, dimana turbin angin jenis ini
menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil dibandingkan dengan turbin angin
dengan kecepatan yang berubah-ubah [2].
2.2.2 Pitch Control
Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat
berubah posisi menjauhi atau mendekati arah datangnya angin saat daya keluaran
sangat tinggi ataupun sangat rendah, berurutan. Sudut baling-baling rotor dapat
diatur secara aktif oleh sistem kontrol untuk menghindari daya yang tidak
diharapkan. Pitch control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk
membatasi kecepatan rotor dengan mengatur aerodinamika aliran daya. Pada saat
kecepatan angin rendah dan sedang, sudut baling-baling diatur untuk
memungkinkan turbin angin bekerja pada kondisi optimumnya. Sedangkan saat
kecepatan angin sedang tinggi, sudut baling-bal