Optimasi Daya Pada Sistem Turbin Angin Menggunakan Kontrol Pitch Angle Dengan Fuzzy Logic Control (Aplikasi Pada Kecepatan Angin Daerah Nias Utara)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Energi Angin
Energi angin yang kita kenal merupakan bentuk tidak langsung dari energi
matahari karena angin terjadi oleh adanya pemanasan yang tidak merata yang
terjadi pada permukaan bumi oleh matahari dan perputaran bumi pada porosnya.
Dimana pemanasan yang terjadi di garis ekuator lebih besar dari pada di daerah
kutub hal ini menyebabkan udara hangat di daerah tropik naik dan mengalir
melalui atmosfer ke kutub dan udara dingin dari kutub mengalir ke ekuator di
dekat permukaan bumi, Juga pengaruh perbedan panas antara daratan dan laut.
Dari sejumlah energi matahari yang terserap oleh bumi, 20% atau 2x106 Watt
diserap oleh atmosfer, penyerapan energi panas ini dapat memanaskan atmosfer
bumi yang merupakan suatu penyimpanan energi termal[1].
Energi angin telah tumbuh ke tingkat dimana pengembangannya telah siap
diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkitan. Teknologi
turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama 15 tahun terakhir,
pengembangan dari ilmu pingiran pada tahun 1970an menjadi turbin angin
modern pada tahun 2000an yang sudah mengunakan teknologi elektronika daya,
model aerodinamis, dan model gearbox mekanis [2].
Banyak negara yang meningkatkan produksi energi listrik yang berasal dari
energi angin dimana kita ketahui potensi energi angin di Indonesia menurut
beberapa literatur kecepatan angin yang di butuhkan untuk turbin angin berada
pada kecepatan 3 m/detik sampai dengan 20 m/detik. Potensi energi angin di
Universitas Sumatera Utara
indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 m/detik. Hasil pemetaan Lembaga
Penerbangan Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi di indonesia
menunjukan beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5m/detik, yaitu
NTT, Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa mencapai 20 m/detik[1].
2.2
Turbin Angin
Turbin angin adalah alat untuk mengambil energi kinetik dari angin, dengan
mengambil sebagian energi kinetik dari angin maka kecepatan angin akan
menurun namun hanya sebagian massa angin yang melewati turbin. Angin
digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi
angin menjadi putaran mekanis (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi
listrik melalui sebuah generator[1].
Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan turbin angin sebagai
pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan kapasitas
listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt dimana jumlah daya angin
yang ditangkap oleh turbin angin tergantung diameter baling-baling turbin dan
kecepatan angin di daerah tersebut.
Turbin angin dapat di golongkan menjadi turbin angin sumbu vertikal
(Vertical-Axis Wind Turbines) dan turbin angin sumbu horizontal (HorizontalAxis Wind Turbines) dan dibedakan berdasarkan kecepatan rotornya yaitu turbin
angin kecepatan tetap (Fixed-Speed Wind Turbines) dan turbin angin kecepatan
tidak tetap (Variable-Speed Wind Turbines).
Universitas Sumatera Utara
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu perputaran rotor
yang tegak lurus atau vertikal. Turbin angin sumbu vertikal menggunakan
airfoil simetris yang vertikal dimana tenaga pengerak di hasilkan oleh bilah
turbin yang menghadap arah datangnya angin. Satu – satunya turbin vertikal
yang telah di produksi secara komersil dengan ukuran berapapun adalah turbin
Darrieus, dimana nama tersebut diambil dari nama insiyur prancis penemu
turbin tersebut yaitu Prancis Georges Darrieus yang mematenkan desain pada
tahun 1931. Namun pada akhir 1980an penelitian dan produksi turbun angin
vertikal telah dihentikan di seluruh dunia dan saat ini turbin angin sumbu
horizontal mendominasi pasar [3].
Keuntungan dari turbin angin ini yaitu tidak membutuhkan tower dan
generator dan gearbox yang berat dapat di pasang pada dasar permukaan
sehingga perawatan lebih mudah, tidak menganggu visibilitas dan investasi
lebih murah. Turbin ini bekerja langsung menghadap arah angin sehingga tidak
memerlukan mekanisme perubah arah [3].
Namun dari berbagai kelebihan tersebut turbin memiliki banyak
kekurangan yaitu tidak dapat mulai bergerak sendiri karena turbin ini memiki
torsi awal yang rendah. Torsi yang dihasilkan berfluktuasi setiap revolusi
karena bilah turbin akan mendekat dan menjauh dari arah angin. sulit
melakukan pengaturan kecepatan pada angin berkecepatan tinggi. Karena tidak
mengunakan menara maka turbin ini memanfaatkan angin permukaan yang
terhalang oleh bangunan dan kecepatan angin yang diterima lebih kecil [3].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Bentuk dan Komponen Turbin Angin Sumbu Vertikal
[Scottish Executive,2007]
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal adalah turbin angin yang memiliki poros
rotor utama yang horizontal dan berada di puncak tower, dan merupakan
bentuk umum dari turbin angin yang sering kita lihat karena memiliki model
seperti kincir angin. Turbin angin horizontal memiliki generator dan gearbox di
puncak menara dan harus diarahkan ke arah angin. Turbin ukuran kecil
mengunakan tail vane untuk mengarahkan ke arah angin sedangkan turbin
ukuran besar mengunakan motor pengerak yang mengarahkan sesuai dengan
arah angin yang di dapat dari sensor arah angin[3].
Keuntungan dari turbin angin sumbu horizontal adalah menara yang
tinggi mengakibatkan turbin dapat mengambil energi dari angin yang lebih
kuat. Mengarahkan turbin ke arah angin maka turbin dapat mengambil energi
lebih banyak karena bilah turbin selalu bergerak tegak lurus terhadap arah
angin sehingga bilah turbin selalu menerima daya selama putaran[3].
Universitas Sumatera Utara
Kelemahan turbin angin horizontal adalah investasi pembagunan yang
mahal karena kontruksi menara yang besar dan kuat untuk menopang beban
turbin angin, gearbox, generator dan komponen lainya. Membutuhkan motor
pengerak untuk mengarahkan turbin ke arah angin. Dan menggunakan sistem
pengereman untuk angin yang kencang untuk mencegah kerusakan. Tower
yang tinggi dan bilah yang panjang menganggu visibilitas masyarakat dan
perputaran turbin menghasilkan bunyi derau yang menggangu[3].
Komponen utama dari turbin angin sumbu horizontal di tunjukan pada
gambar 2.2 :
Gambar 2.2 Bentuk dan Komponen turbin angin sumbu horizontal
[siemens wind turbine catalog swt2.3-108]
Universitas Sumatera Utara
Komponen turbin angin sumbu horizontal :
1. Pemutar
8. Gearbox
15. Yaw assist gear
2. braket pemutar
9. Rem cakram
16. Yaw motor
3. Bilah
10. Kopling
17. Alas nacelle
4. Bearing bilah
11. Generator
18. Saringan oli
5. Penghubung rotor
12. Crane Perawatan
19. Kanopi
6. Bearing utama
13. Sensor cuaca
20. Kipas generator
7. Poros utama
14. Menara
2.2.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap
Turbin angin berkecepatan tetap atau dikenal sebagai konsep Denmark
adalah turbin angin paling dasar yang beroperasi sekitar tahun 1970an. Turbin
ini beroperasi dengan sedikit variasi kecepatan pada rotor turbin dan
menggunakan generator induksi dengan rotor sangkar yang kecepatan nya
diatur oleh frekuensi jaringan. Dukungan daya reaktif eksternal dibutuhkan
untuk mengimbangi daya reaktif yang di konsumsi oleh mesin induksi[4].
Karena turbin beroperasi pada kecepatan tetap, turbin ini rentan terhadap
lonjakan torsi yang dapat merusak subsistem mekanis dalam turbin. Turbin ini
menggunakan stall control, active stall control, pitch angle control untuk
mengatur daya pada kecepatan tinggi. Meskipun relatif kuat dan andal, ada
beberapa kelemahan teknologi ini, yaitu energi yang diambil dari angin tidak
optimal dan membutuhkan kompensasi daya reaktif [4]. Skema turbin angin
kecepatan tetap ditunjukan pada gambar 2.3
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Skema turbin angin kecepatan tetap
2.2.4 Turbin Angin Kecepatan Variable
Turbin angin kecepatan berubah-ubah yang di rancang untuk beroperasi
pada berbagai kecepatan angin. Turbin ini biasanya menggunakan kontrol pitch
angle untuk pengaturan daya. Kontrol kecepatan dan daya membuat turbin ini
mampu mengambil lebih banyak energi dari angin pada kecepatan tertentu dari
pada turbin kecepatan tetap. Turbin ini mengunakan generator induksi dengan
rotor belitan sehingga memungkinkan kontrol pada bagian stator maupun rotor
mesin[4].
Rotor mesin ini terhubung dengan konverter AC/DC, konverter
diaktifkan untuk mengendalikan tahanan efektif pada rangkaian rotor mesin
untuk memungkinkan variasi slip yang berbeda. Namun menghasilkan rugirugi daya yang hilang sebagai panas pada tahanan rotor. Kontrol dapat di
gunakan untuk memvariasikan tahanan rotor yang efektif untuk ektraksi daya
yang optimal namun kompensasi daya reaktif masih diperlukan pada turbin
angin ini[4]. Skema turbin angin kecepatan variable ditunjukan pada gambar
2.4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Skema turbin angin kecepatan tidak tetap
2.3
Kontrol Daya
Energi kinetik yang ada dalam aliran udara melalui area yang berhadapan
1
dengan arah angin adalah : � 2 per laju aliran massa. Untuk aliran udara yang
2
mengalir melalui area A maka laju aliran massa adalah : ρ A v oleh karena itu
energi angin sama dengan [3]:
Dimana:
1
1
2
2
� = (ρ . A . �) � . � 2 =
ρ . A . �3
(2.1)
• ρ adalah massa jenis angin (Kg/M=m3)
• A adalah luas area sapuan turbin (m2)
• V adalah kecepatan angin (m/s)
• P adalah daya yang dihasilkan (Watt)
Universitas Sumatera Utara
Dari persamaan 2.1 daya yang terdapat pada aliran angin merupakan fungsi
pangkat 3 dari kecepatan angin. Itu berarti bahwa 2 kali lipat kecepatan angin
menghasilkan 8 kali output daya mekanis dari turbin. Oleh karena itu, turbin harus
dirancang untuk mendukung kecepatan angin yang lebih tinggi dari pada
kecepatan nominalnya untuk mencegah terjadinya kerusakan[3].
Turbin angin mencapai efisiensi tertinggi pada kecepatan angin antara 10
sampai 15 m/s. Bila kecepatan angin melebihi 15m/s, daya keluaran rotor harus
dikendalikan. Angin kencang terjadi untuk waktu yang singkat dan hanya
memiliki sedikit pengaruh dalam produksi energi, namun bila tidak dikendalikan
dapat merusak gearbox dan juga generator [3].
Dengan demikian semua turbin angin dirancang dengan kontrol daya
tertentu. Ada berbagai cara untuk mengendalikan gaya aerodinamis pada rotor
turbin dan karena itu membatasi kekuatan angin kencang untuk menghindari
kerusakan pada turbin angin. Terdapat 4 metode untuk mengontrol daya keluaran
yang digunakan saat ini yaitu :
2.3.1 Yaw Control
Turbin angin sumbu horizontal menggunakan mekanisme penggerak yaw
untuk menjaga turbin mengarah ke arah angin, mekanisme yang sama untuk
mengarahkan turbin keluar dari arah angin untuk membatasi daya keluaran
yang dihasilkan merupakan pembahasan yang menarik. Sistem kontrol ini
hanya dapat dilakukan untuk turbin angin kecepatan berubah-ubah dimana
energi hembusan angin dapat disimpan sebagai energi kinetik pada rotor
sampai turbin mengarah ke arah angin yang tepat [6].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Cara kerja kontrol arah pada turbin angin
2.3.2 Stall Control
Stall control adalah metode kontrol yang paling simpel, murah dan kuat.
Metode kontrol ini sudah lama digunakan untuk turbin komersial ukuran kecil
dan sedang, dikenal juga sebagai kontrol pasif, karena tidak ada komponen
bergerak yang diatur. Sifat 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
berkurang
dan
meminimalisir daya keluaran saat kecepatan angin tinggi. Dengan kata lain,
desain dari aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya
saat kecepatan angin melebihi batas tertentu. Dengan demikian, kekuatan
aerodinamis dari baling-baling terbatas[3].
Kekurangan dari metode kontrol ini adalah rendahnya efisiensi saat
kecepatan angin rendah dan tidak ada bantuan saat turbin mulai bergerak dari
keadaan diam. Selain itu, metode kontrol ini hanya dapat diaplikasikan pada
Universitas Sumatera Utara
turbin angin dengan kecepatan konstan dimana, seperti yang telah di jelaskan
bahwa turbin angin jenis ini menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil di
bandingkan dengan turbin angin dengan kecepatan yang berubah-ubah [3].
2.3.3 Pitch Control
Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat diatur
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 mengurangi daya yang tidak dibutuhkan. Pitch
control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk membatasi kecepatan
rotor dengan mengatur aliran aerodinamika energi angin [3].
Keuntungan utama tipe kontrol ini adalah kontrol daya menjadi baik
(daya yang dibangkitkan mendekati daya yang diinginkan saat kecepatan angin
tinggi), dapat membantustart-up turbin dan bisa memberhentikan turbin dalam
keadaan bahaya. Selain itu, turbin dengan Stall control harus dimatikan ketika
kecepatan angin melebihi batasnya dimana turbin dengan pitch control dapat
langsung mengatur sudut baling-baling untuk mengurangi gaya aerodinamika
yang ditimbulkan oleh energi angin [3].
Kekurangan yang dapat dipertimbangkan adalah kerumitan yang timbul
dari mekanisme pengaturan sudut baling-baling dan bertambahnya beban berat
pada turbin [3].
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-baling
Universitas Sumatera Utara
akandinaikkan agar daya aerodinamika berkurang dan menjaga kecepatan
putaran rotor agar tetap dalam batas yang dapat dikontrol. Seiring dinaikannya
sudut pada baling-baling, maka turbin angin akan bekerja pada efisiensi yang
rendah. Saat ini, turbin angin ukuran besar beroperasi mengunakan sistem
kontrol sudut baling-baling [3].
Gambar 2.6 cara kerja kontrol Pitch Angle pada turbin angin
2.3.4 Active Stall Control
Seperti namanya, Active stall control adalah kombinasi dari 2 teknik
yaitu stall control dan pitch angle control. Pada kecepatan angin rendah dan
sedang, maka baling-baling akan diatur sudutnya serupa dengan turbin yang
diatur dengan pitch control. Ketika turbin angin mencapai kapasitasnya
maksimumnya, maka baling-baling akan mengarahkan sudutnya ke arah
berlawanan untuk menjaga daya keluaran agar tetap beroperasi dengan efektif
[3].
Universitas Sumatera Utara
2.4
Pitch Angle Control Method
Metode terbaik untuk mengambil energi angin secara maksimal adalah
menggunakan turbin angin kecepatan berubah-ubah dengan kontrol sudut bilah[6].
Tujuan utama metode kontrol ini adalah:
• Optimasi daya keluaran dari turbin angin, dimana metode ini
menghasilkan daya sebanyak mungkin dengan kecepatan angin
yang tersedia.
• Pencegahan agar daya mekanik yang dihasilkan tidak melebihi
daya yang diinginkan pada angin yang kencang (kecepatan angin
diatas kecepatan nominal/diinginkan).
• Berperan sebagai proteksi terhadap beban lebih pada struktur turbin
dan resiko kerusakan pada struktur fisiknya.
Terdapat 2 metode dalam pengontrolan pitch angle pada turbin angin,
metode konvensional yaitu menggunakan Proportional and Integral (PI)
Controller dan metode modern yang menggunakan kecerdasan buatan yaitu Fuzzy
Logic Controller (FLC) sebelum itu akan kita bahas Power coefficient pada turbin
angin.
2.4.1 Power Coefficient
Persamaan model aerodinamis memungkinkan untuk menghitung daya
mekanik yang dihasilkan untuk mengerakan generator listrik. Dengan
pertimbangan kecepatan angin yang berbeda dan sudut bilah yang berbeda
maka dihasilkan daya mekanis yang berbeda. Model aerodinamis tidak
Universitas Sumatera Utara
tergantung pada jenis generator atau jenis kontrol pada konverter [6].
Persamaan (2.1) menunjukan energi yang di hasilkan angin, dimana CP adalah
perbandingan daya mekanis yang di hasilkan turbin berbanding daya pada
angin yang mengenai turbin.
�� =
���� �������
���� �����
=
��
��
(2.2)
Persamaan 2.3 di bawah menunjukan daya mekanis yang dapat diambil dari
angin.
�� = �� . ��
�� =
1
2
�� = �� �� ( � , � )
. ρ . A . �� ( � , � ) . �� 3
(2.3)
Dimana:
Pm = Daya mekanis ( Watt )
ρ
= Massa jenis udara (kg/m3)
A
= Luas area sapuan turbin (m2)
Cp = Power coefficient
β
= Blade pitch angle(°)
vw = Kecepatan angin (m/s)
λ
= tip speed ratio
Power Coefficient bergantung pada sudut bilah (β) dan kecepatan ujung
bilah (λ). Power coefficient menunjukan efisiensi turbin angin dalam
Universitas Sumatera Utara
mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Menurut Betz limit,
untuk turbin angin sumbu horizontal nilai maksimum adalah 0,593 [6]
Tip speed ratio / kecepatan ujung bilah adalah rasio antara kecepatan
pada ujung bilah pada turbin angin berbanding dengan kecepatan angin.[3]
dimana :
�=
����
�����
=
� .�
(2.4)
��
λ
= tip speed ratio
ω
= turbine rotor speed(rad⁄ s)
R
= Jari-jari bilah turbin angin ( m )
vw
= Kecepatan angin (m/s)
Pitch angle / sudut bilah adalah sudut kemiringan bilah terhadap arah
angin, dimana Cp terbaik di dapat saat sudut bilah = 0. Hubungan antara
� dan � dalam Cp di tunjukan persamaan 2.5 berikut:
�
��(�, �) = �1 � 2 − �3 . � − �4 � �
��
−� 6
��
+ �6 . �
(2.5)
Dimana :
1
��
=
1
�−0,88 �
−
0,035
� 3 +1
(2.6)
Nilai koefisien C1 sampai C6 adalah : C1 = 0,5176, C2 = 116, C3 = 0,4,
C4 = 5, C5 = 21 dan C6 = 0,0068. Dimana nilai maksimum Cp = 0,48 yang
Universitas Sumatera Utara
mana nilai ini di dapat saat kondisi β = 0 dan λ = 8,1 yang merupakan nilai
nominal pada simulasi MATLAB-Simulink[7].
2.4.2 Proportional and Integral (PI) Controller
Kontroler PI merupakan kontroler dengan mekanisme umpan balik yang
biasanya di pakai pada sistem kontrol industri. Kontroler ini secara terus
menerus menghitung nilai kesalahan sebagai perbedaan antara nilai yang di
inginkan dan variabel yang terukur.[8]
• P bertangung jawab untuk nilai kesalahan saat ini.
• I bertangung jawab untuk nilai kesalahan sebelumnya.
Kombinasi dari Proporsional dan Integral meningkatkan kecepatan
respon dan meminimalisir kesalah pada keadaan stabil[8]. Diagram blok dari
kontroler PI di tunjukan pada Gambar 2.7 berikut :
Gambar 2.7 Blok diagram kontroler PI
Kontroler PI memiliki persamaan sebagai berikut:
�(�) = �� �(�) + �� ∫ � (�)��
(2.7)
Universitas Sumatera Utara
Dimana, Kp dan Ki digunakan untuk mengendalikan respon dalam keadaan
stabil dan keluaran sistem. Masukan pengontrol PI adalah kesalahan antara
Variable referensi dan variable sebenarnya dan keluarannya merubah sudut
bilah / pitch angle[8].
2.4.3 Fuzzy Logic Controller (FLC)
Logika fuzzy, diusulkan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk
mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi.
Menggunakan metode menerjemahkan bahasa verbal yang tidak presisi dan
bersifat kualitatif yang umumnya digunakan pada komunikasi antara manusia.
Keutungan utamanya adalah tidak dibutuhkan deskripsi analitis dari sistem
yang di kontrol[6].
Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang
bersamaan untuk mendapat performa optimal. Penggunaan aturan fuzzy
memastikan bahwa status pengoperasian perangkat tetap berada dalam kisaran
operasi yang diinginkan[6].
Pembangunan sistem fuzzy logic memiliki langkah-langkah sebagai
berikut[6]:
•
Mendefinisikan Variabel yang digunakan;
•
Mendefinisikan fungsi keanggotaan
•
Mendefenisikan Aturan
•
Mengkonversi keluaran variabel menjadi nilai numerik sesuai aturan.
Set aturan dan variabel dilakukan sesuai dengan hasil simulasi karena
nilai awal diperkirakan sesuai karakteristik tertentu dari turbin, sebagai daya
yang dihasilkan. Set aturan kontrol Fuzzy Logic ditunjukan oleh gambar 2.8
Universitas Sumatera Utara
Rule Base
Input
Output
Fuzzification
Inference
Defuzzification
Gambar 2.8 Blok diagram kontroler Fuzzy Logic
Dari uraian blok diatas dapat kita ketahui bahwa di dalam Fuzzy Logic, terdiri
atas 4 bagian penting yaitu:
•
Fuzzifikasi adalah proses untuk mengubah variabel numerik menjadi
variabel fuzzy logic yang sesuai dengan fungsi keanggotaan.
•
Inferensi adalah menerjemahkan pernyataan-pernyataan fuzzy dalam
Rule Base menjadi perhitungan matematika.
•
Defuzzifikasi adalah proses pengubahan data-data fungsi keanggotaan
menjadi data – data numerik.
•
Rule Base berisi pernyataan Fuzzy Logic yang berbentuk (IF-THEN)
dari kumpulan aturan yang menyatakan suatu kondisi. Penyusunan rule
base sangat berpengaruh pada presisi model yang akan dibuat.
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Energi Angin
Energi angin yang kita kenal merupakan bentuk tidak langsung dari energi
matahari karena angin terjadi oleh adanya pemanasan yang tidak merata yang
terjadi pada permukaan bumi oleh matahari dan perputaran bumi pada porosnya.
Dimana pemanasan yang terjadi di garis ekuator lebih besar dari pada di daerah
kutub hal ini menyebabkan udara hangat di daerah tropik naik dan mengalir
melalui atmosfer ke kutub dan udara dingin dari kutub mengalir ke ekuator di
dekat permukaan bumi, Juga pengaruh perbedan panas antara daratan dan laut.
Dari sejumlah energi matahari yang terserap oleh bumi, 20% atau 2x106 Watt
diserap oleh atmosfer, penyerapan energi panas ini dapat memanaskan atmosfer
bumi yang merupakan suatu penyimpanan energi termal[1].
Energi angin telah tumbuh ke tingkat dimana pengembangannya telah siap
diterima secara umum untuk digunakan pada teknologi pembangkitan. Teknologi
turbin angin telah mengalami perubahan yang signifikan selama 15 tahun terakhir,
pengembangan dari ilmu pingiran pada tahun 1970an menjadi turbin angin
modern pada tahun 2000an yang sudah mengunakan teknologi elektronika daya,
model aerodinamis, dan model gearbox mekanis [2].
Banyak negara yang meningkatkan produksi energi listrik yang berasal dari
energi angin dimana kita ketahui potensi energi angin di Indonesia menurut
beberapa literatur kecepatan angin yang di butuhkan untuk turbin angin berada
pada kecepatan 3 m/detik sampai dengan 20 m/detik. Potensi energi angin di
Universitas Sumatera Utara
indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 m/detik. Hasil pemetaan Lembaga
Penerbangan Antariksa Nasional (LAPAN) pada 120 lokasi di indonesia
menunjukan beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5m/detik, yaitu
NTT, Sulawesi Selatan dan Pantai Selatan Jawa mencapai 20 m/detik[1].
2.2
Turbin Angin
Turbin angin adalah alat untuk mengambil energi kinetik dari angin, dengan
mengambil sebagian energi kinetik dari angin maka kecepatan angin akan
menurun namun hanya sebagian massa angin yang melewati turbin. Angin
digunakan untuk menghasilkan energi listrik dengan proses pengubahan energi
angin menjadi putaran mekanis (energi kinetik) dan selanjutnya menjadi energi
listrik melalui sebuah generator[1].
Di negara-negara maju, sudah banyak pemanfaatan turbin angin sebagai
pembangkit listrik. Turbin angin yang digunakan dapat menghasilkan kapasitas
listrik yang tinggi yaitu mencapai ratusan megawatt dimana jumlah daya angin
yang ditangkap oleh turbin angin tergantung diameter baling-baling turbin dan
kecepatan angin di daerah tersebut.
Turbin angin dapat di golongkan menjadi turbin angin sumbu vertikal
(Vertical-Axis Wind Turbines) dan turbin angin sumbu horizontal (HorizontalAxis Wind Turbines) dan dibedakan berdasarkan kecepatan rotornya yaitu turbin
angin kecepatan tetap (Fixed-Speed Wind Turbines) dan turbin angin kecepatan
tidak tetap (Variable-Speed Wind Turbines).
Universitas Sumatera Utara
2.2.1 Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros atau sumbu perputaran rotor
yang tegak lurus atau vertikal. Turbin angin sumbu vertikal menggunakan
airfoil simetris yang vertikal dimana tenaga pengerak di hasilkan oleh bilah
turbin yang menghadap arah datangnya angin. Satu – satunya turbin vertikal
yang telah di produksi secara komersil dengan ukuran berapapun adalah turbin
Darrieus, dimana nama tersebut diambil dari nama insiyur prancis penemu
turbin tersebut yaitu Prancis Georges Darrieus yang mematenkan desain pada
tahun 1931. Namun pada akhir 1980an penelitian dan produksi turbun angin
vertikal telah dihentikan di seluruh dunia dan saat ini turbin angin sumbu
horizontal mendominasi pasar [3].
Keuntungan dari turbin angin ini yaitu tidak membutuhkan tower dan
generator dan gearbox yang berat dapat di pasang pada dasar permukaan
sehingga perawatan lebih mudah, tidak menganggu visibilitas dan investasi
lebih murah. Turbin ini bekerja langsung menghadap arah angin sehingga tidak
memerlukan mekanisme perubah arah [3].
Namun dari berbagai kelebihan tersebut turbin memiliki banyak
kekurangan yaitu tidak dapat mulai bergerak sendiri karena turbin ini memiki
torsi awal yang rendah. Torsi yang dihasilkan berfluktuasi setiap revolusi
karena bilah turbin akan mendekat dan menjauh dari arah angin. sulit
melakukan pengaturan kecepatan pada angin berkecepatan tinggi. Karena tidak
mengunakan menara maka turbin ini memanfaatkan angin permukaan yang
terhalang oleh bangunan dan kecepatan angin yang diterima lebih kecil [3].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1 Bentuk dan Komponen Turbin Angin Sumbu Vertikal
[Scottish Executive,2007]
2.2.2 Turbin Angin Sumbu Horizontal
Turbin angin sumbu horizontal adalah turbin angin yang memiliki poros
rotor utama yang horizontal dan berada di puncak tower, dan merupakan
bentuk umum dari turbin angin yang sering kita lihat karena memiliki model
seperti kincir angin. Turbin angin horizontal memiliki generator dan gearbox di
puncak menara dan harus diarahkan ke arah angin. Turbin ukuran kecil
mengunakan tail vane untuk mengarahkan ke arah angin sedangkan turbin
ukuran besar mengunakan motor pengerak yang mengarahkan sesuai dengan
arah angin yang di dapat dari sensor arah angin[3].
Keuntungan dari turbin angin sumbu horizontal adalah menara yang
tinggi mengakibatkan turbin dapat mengambil energi dari angin yang lebih
kuat. Mengarahkan turbin ke arah angin maka turbin dapat mengambil energi
lebih banyak karena bilah turbin selalu bergerak tegak lurus terhadap arah
angin sehingga bilah turbin selalu menerima daya selama putaran[3].
Universitas Sumatera Utara
Kelemahan turbin angin horizontal adalah investasi pembagunan yang
mahal karena kontruksi menara yang besar dan kuat untuk menopang beban
turbin angin, gearbox, generator dan komponen lainya. Membutuhkan motor
pengerak untuk mengarahkan turbin ke arah angin. Dan menggunakan sistem
pengereman untuk angin yang kencang untuk mencegah kerusakan. Tower
yang tinggi dan bilah yang panjang menganggu visibilitas masyarakat dan
perputaran turbin menghasilkan bunyi derau yang menggangu[3].
Komponen utama dari turbin angin sumbu horizontal di tunjukan pada
gambar 2.2 :
Gambar 2.2 Bentuk dan Komponen turbin angin sumbu horizontal
[siemens wind turbine catalog swt2.3-108]
Universitas Sumatera Utara
Komponen turbin angin sumbu horizontal :
1. Pemutar
8. Gearbox
15. Yaw assist gear
2. braket pemutar
9. Rem cakram
16. Yaw motor
3. Bilah
10. Kopling
17. Alas nacelle
4. Bearing bilah
11. Generator
18. Saringan oli
5. Penghubung rotor
12. Crane Perawatan
19. Kanopi
6. Bearing utama
13. Sensor cuaca
20. Kipas generator
7. Poros utama
14. Menara
2.2.3 Turbin Angin Kecepatan Tetap
Turbin angin berkecepatan tetap atau dikenal sebagai konsep Denmark
adalah turbin angin paling dasar yang beroperasi sekitar tahun 1970an. Turbin
ini beroperasi dengan sedikit variasi kecepatan pada rotor turbin dan
menggunakan generator induksi dengan rotor sangkar yang kecepatan nya
diatur oleh frekuensi jaringan. Dukungan daya reaktif eksternal dibutuhkan
untuk mengimbangi daya reaktif yang di konsumsi oleh mesin induksi[4].
Karena turbin beroperasi pada kecepatan tetap, turbin ini rentan terhadap
lonjakan torsi yang dapat merusak subsistem mekanis dalam turbin. Turbin ini
menggunakan stall control, active stall control, pitch angle control untuk
mengatur daya pada kecepatan tinggi. Meskipun relatif kuat dan andal, ada
beberapa kelemahan teknologi ini, yaitu energi yang diambil dari angin tidak
optimal dan membutuhkan kompensasi daya reaktif [4]. Skema turbin angin
kecepatan tetap ditunjukan pada gambar 2.3
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Skema turbin angin kecepatan tetap
2.2.4 Turbin Angin Kecepatan Variable
Turbin angin kecepatan berubah-ubah yang di rancang untuk beroperasi
pada berbagai kecepatan angin. Turbin ini biasanya menggunakan kontrol pitch
angle untuk pengaturan daya. Kontrol kecepatan dan daya membuat turbin ini
mampu mengambil lebih banyak energi dari angin pada kecepatan tertentu dari
pada turbin kecepatan tetap. Turbin ini mengunakan generator induksi dengan
rotor belitan sehingga memungkinkan kontrol pada bagian stator maupun rotor
mesin[4].
Rotor mesin ini terhubung dengan konverter AC/DC, konverter
diaktifkan untuk mengendalikan tahanan efektif pada rangkaian rotor mesin
untuk memungkinkan variasi slip yang berbeda. Namun menghasilkan rugirugi daya yang hilang sebagai panas pada tahanan rotor. Kontrol dapat di
gunakan untuk memvariasikan tahanan rotor yang efektif untuk ektraksi daya
yang optimal namun kompensasi daya reaktif masih diperlukan pada turbin
angin ini[4]. Skema turbin angin kecepatan variable ditunjukan pada gambar
2.4
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.4 Skema turbin angin kecepatan tidak tetap
2.3
Kontrol Daya
Energi kinetik yang ada dalam aliran udara melalui area yang berhadapan
1
dengan arah angin adalah : � 2 per laju aliran massa. Untuk aliran udara yang
2
mengalir melalui area A maka laju aliran massa adalah : ρ A v oleh karena itu
energi angin sama dengan [3]:
Dimana:
1
1
2
2
� = (ρ . A . �) � . � 2 =
ρ . A . �3
(2.1)
• ρ adalah massa jenis angin (Kg/M=m3)
• A adalah luas area sapuan turbin (m2)
• V adalah kecepatan angin (m/s)
• P adalah daya yang dihasilkan (Watt)
Universitas Sumatera Utara
Dari persamaan 2.1 daya yang terdapat pada aliran angin merupakan fungsi
pangkat 3 dari kecepatan angin. Itu berarti bahwa 2 kali lipat kecepatan angin
menghasilkan 8 kali output daya mekanis dari turbin. Oleh karena itu, turbin harus
dirancang untuk mendukung kecepatan angin yang lebih tinggi dari pada
kecepatan nominalnya untuk mencegah terjadinya kerusakan[3].
Turbin angin mencapai efisiensi tertinggi pada kecepatan angin antara 10
sampai 15 m/s. Bila kecepatan angin melebihi 15m/s, daya keluaran rotor harus
dikendalikan. Angin kencang terjadi untuk waktu yang singkat dan hanya
memiliki sedikit pengaruh dalam produksi energi, namun bila tidak dikendalikan
dapat merusak gearbox dan juga generator [3].
Dengan demikian semua turbin angin dirancang dengan kontrol daya
tertentu. Ada berbagai cara untuk mengendalikan gaya aerodinamis pada rotor
turbin dan karena itu membatasi kekuatan angin kencang untuk menghindari
kerusakan pada turbin angin. Terdapat 4 metode untuk mengontrol daya keluaran
yang digunakan saat ini yaitu :
2.3.1 Yaw Control
Turbin angin sumbu horizontal menggunakan mekanisme penggerak yaw
untuk menjaga turbin mengarah ke arah angin, mekanisme yang sama untuk
mengarahkan turbin keluar dari arah angin untuk membatasi daya keluaran
yang dihasilkan merupakan pembahasan yang menarik. Sistem kontrol ini
hanya dapat dilakukan untuk turbin angin kecepatan berubah-ubah dimana
energi hembusan angin dapat disimpan sebagai energi kinetik pada rotor
sampai turbin mengarah ke arah angin yang tepat [6].
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Cara kerja kontrol arah pada turbin angin
2.3.2 Stall Control
Stall control adalah metode kontrol yang paling simpel, murah dan kuat.
Metode kontrol ini sudah lama digunakan untuk turbin komersial ukuran kecil
dan sedang, dikenal juga sebagai kontrol pasif, karena tidak ada komponen
bergerak yang diatur. Sifat 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
berkurang
dan
meminimalisir daya keluaran saat kecepatan angin tinggi. Dengan kata lain,
desain dari aerodinamika baling-baling menyebabkan rotor kehilangan daya
saat kecepatan angin melebihi batas tertentu. Dengan demikian, kekuatan
aerodinamis dari baling-baling terbatas[3].
Kekurangan dari metode kontrol ini adalah rendahnya efisiensi saat
kecepatan angin rendah dan tidak ada bantuan saat turbin mulai bergerak dari
keadaan diam. Selain itu, metode kontrol ini hanya dapat diaplikasikan pada
Universitas Sumatera Utara
turbin angin dengan kecepatan konstan dimana, seperti yang telah di jelaskan
bahwa turbin angin jenis ini menghasilkan efisiensi daya yang lebih kecil di
bandingkan dengan turbin angin dengan kecepatan yang berubah-ubah [3].
2.3.3 Pitch Control
Baling-baling pada turbin angin yang memiliki pitch control dapat diatur
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 mengurangi daya yang tidak dibutuhkan. Pitch
control bekerja relatif cepat dan dapat digunakan untuk membatasi kecepatan
rotor dengan mengatur aliran aerodinamika energi angin [3].
Keuntungan utama tipe kontrol ini adalah kontrol daya menjadi baik
(daya yang dibangkitkan mendekati daya yang diinginkan saat kecepatan angin
tinggi), dapat membantustart-up turbin dan bisa memberhentikan turbin dalam
keadaan bahaya. Selain itu, turbin dengan Stall control harus dimatikan ketika
kecepatan angin melebihi batasnya dimana turbin dengan pitch control dapat
langsung mengatur sudut baling-baling untuk mengurangi gaya aerodinamika
yang ditimbulkan oleh energi angin [3].
Kekurangan yang dapat dipertimbangkan adalah kerumitan yang timbul
dari mekanisme pengaturan sudut baling-baling dan bertambahnya beban berat
pada turbin [3].
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-baling
Universitas Sumatera Utara
akandinaikkan agar daya aerodinamika berkurang dan menjaga kecepatan
putaran rotor agar tetap dalam batas yang dapat dikontrol. Seiring dinaikannya
sudut pada baling-baling, maka turbin angin akan bekerja pada efisiensi yang
rendah. Saat ini, turbin angin ukuran besar beroperasi mengunakan sistem
kontrol sudut baling-baling [3].
Gambar 2.6 cara kerja kontrol Pitch Angle pada turbin angin
2.3.4 Active Stall Control
Seperti namanya, Active stall control adalah kombinasi dari 2 teknik
yaitu stall control dan pitch angle control. Pada kecepatan angin rendah dan
sedang, maka baling-baling akan diatur sudutnya serupa dengan turbin yang
diatur dengan pitch control. Ketika turbin angin mencapai kapasitasnya
maksimumnya, maka baling-baling akan mengarahkan sudutnya ke arah
berlawanan untuk menjaga daya keluaran agar tetap beroperasi dengan efektif
[3].
Universitas Sumatera Utara
2.4
Pitch Angle Control Method
Metode terbaik untuk mengambil energi angin secara maksimal adalah
menggunakan turbin angin kecepatan berubah-ubah dengan kontrol sudut bilah[6].
Tujuan utama metode kontrol ini adalah:
• Optimasi daya keluaran dari turbin angin, dimana metode ini
menghasilkan daya sebanyak mungkin dengan kecepatan angin
yang tersedia.
• Pencegahan agar daya mekanik yang dihasilkan tidak melebihi
daya yang diinginkan pada angin yang kencang (kecepatan angin
diatas kecepatan nominal/diinginkan).
• Berperan sebagai proteksi terhadap beban lebih pada struktur turbin
dan resiko kerusakan pada struktur fisiknya.
Terdapat 2 metode dalam pengontrolan pitch angle pada turbin angin,
metode konvensional yaitu menggunakan Proportional and Integral (PI)
Controller dan metode modern yang menggunakan kecerdasan buatan yaitu Fuzzy
Logic Controller (FLC) sebelum itu akan kita bahas Power coefficient pada turbin
angin.
2.4.1 Power Coefficient
Persamaan model aerodinamis memungkinkan untuk menghitung daya
mekanik yang dihasilkan untuk mengerakan generator listrik. Dengan
pertimbangan kecepatan angin yang berbeda dan sudut bilah yang berbeda
maka dihasilkan daya mekanis yang berbeda. Model aerodinamis tidak
Universitas Sumatera Utara
tergantung pada jenis generator atau jenis kontrol pada konverter [6].
Persamaan (2.1) menunjukan energi yang di hasilkan angin, dimana CP adalah
perbandingan daya mekanis yang di hasilkan turbin berbanding daya pada
angin yang mengenai turbin.
�� =
���� �������
���� �����
=
��
��
(2.2)
Persamaan 2.3 di bawah menunjukan daya mekanis yang dapat diambil dari
angin.
�� = �� . ��
�� =
1
2
�� = �� �� ( � , � )
. ρ . A . �� ( � , � ) . �� 3
(2.3)
Dimana:
Pm = Daya mekanis ( Watt )
ρ
= Massa jenis udara (kg/m3)
A
= Luas area sapuan turbin (m2)
Cp = Power coefficient
β
= Blade pitch angle(°)
vw = Kecepatan angin (m/s)
λ
= tip speed ratio
Power Coefficient bergantung pada sudut bilah (β) dan kecepatan ujung
bilah (λ). Power coefficient menunjukan efisiensi turbin angin dalam
Universitas Sumatera Utara
mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik. Menurut Betz limit,
untuk turbin angin sumbu horizontal nilai maksimum adalah 0,593 [6]
Tip speed ratio / kecepatan ujung bilah adalah rasio antara kecepatan
pada ujung bilah pada turbin angin berbanding dengan kecepatan angin.[3]
dimana :
�=
����
�����
=
� .�
(2.4)
��
λ
= tip speed ratio
ω
= turbine rotor speed(rad⁄ s)
R
= Jari-jari bilah turbin angin ( m )
vw
= Kecepatan angin (m/s)
Pitch angle / sudut bilah adalah sudut kemiringan bilah terhadap arah
angin, dimana Cp terbaik di dapat saat sudut bilah = 0. Hubungan antara
� dan � dalam Cp di tunjukan persamaan 2.5 berikut:
�
��(�, �) = �1 � 2 − �3 . � − �4 � �
��
−� 6
��
+ �6 . �
(2.5)
Dimana :
1
��
=
1
�−0,88 �
−
0,035
� 3 +1
(2.6)
Nilai koefisien C1 sampai C6 adalah : C1 = 0,5176, C2 = 116, C3 = 0,4,
C4 = 5, C5 = 21 dan C6 = 0,0068. Dimana nilai maksimum Cp = 0,48 yang
Universitas Sumatera Utara
mana nilai ini di dapat saat kondisi β = 0 dan λ = 8,1 yang merupakan nilai
nominal pada simulasi MATLAB-Simulink[7].
2.4.2 Proportional and Integral (PI) Controller
Kontroler PI merupakan kontroler dengan mekanisme umpan balik yang
biasanya di pakai pada sistem kontrol industri. Kontroler ini secara terus
menerus menghitung nilai kesalahan sebagai perbedaan antara nilai yang di
inginkan dan variabel yang terukur.[8]
• P bertangung jawab untuk nilai kesalahan saat ini.
• I bertangung jawab untuk nilai kesalahan sebelumnya.
Kombinasi dari Proporsional dan Integral meningkatkan kecepatan
respon dan meminimalisir kesalah pada keadaan stabil[8]. Diagram blok dari
kontroler PI di tunjukan pada Gambar 2.7 berikut :
Gambar 2.7 Blok diagram kontroler PI
Kontroler PI memiliki persamaan sebagai berikut:
�(�) = �� �(�) + �� ∫ � (�)��
(2.7)
Universitas Sumatera Utara
Dimana, Kp dan Ki digunakan untuk mengendalikan respon dalam keadaan
stabil dan keluaran sistem. Masukan pengontrol PI adalah kesalahan antara
Variable referensi dan variable sebenarnya dan keluarannya merubah sudut
bilah / pitch angle[8].
2.4.3 Fuzzy Logic Controller (FLC)
Logika fuzzy, diusulkan oleh Lotfi Zadeh dengan tujuan untuk
mendapatkan suatu nilai keluaran tanpa masukan yang terlalu presisi.
Menggunakan metode menerjemahkan bahasa verbal yang tidak presisi dan
bersifat kualitatif yang umumnya digunakan pada komunikasi antara manusia.
Keutungan utamanya adalah tidak dibutuhkan deskripsi analitis dari sistem
yang di kontrol[6].
Pada sistem kontrol, sistem fuzzy umumnya bekerja pada waktu yang
bersamaan untuk mendapat performa optimal. Penggunaan aturan fuzzy
memastikan bahwa status pengoperasian perangkat tetap berada dalam kisaran
operasi yang diinginkan[6].
Pembangunan sistem fuzzy logic memiliki langkah-langkah sebagai
berikut[6]:
•
Mendefinisikan Variabel yang digunakan;
•
Mendefinisikan fungsi keanggotaan
•
Mendefenisikan Aturan
•
Mengkonversi keluaran variabel menjadi nilai numerik sesuai aturan.
Set aturan dan variabel dilakukan sesuai dengan hasil simulasi karena
nilai awal diperkirakan sesuai karakteristik tertentu dari turbin, sebagai daya
yang dihasilkan. Set aturan kontrol Fuzzy Logic ditunjukan oleh gambar 2.8
Universitas Sumatera Utara
Rule Base
Input
Output
Fuzzification
Inference
Defuzzification
Gambar 2.8 Blok diagram kontroler Fuzzy Logic
Dari uraian blok diatas dapat kita ketahui bahwa di dalam Fuzzy Logic, terdiri
atas 4 bagian penting yaitu:
•
Fuzzifikasi adalah proses untuk mengubah variabel numerik menjadi
variabel fuzzy logic yang sesuai dengan fungsi keanggotaan.
•
Inferensi adalah menerjemahkan pernyataan-pernyataan fuzzy dalam
Rule Base menjadi perhitungan matematika.
•
Defuzzifikasi adalah proses pengubahan data-data fungsi keanggotaan
menjadi data – data numerik.
•
Rule Base berisi pernyataan Fuzzy Logic yang berbentuk (IF-THEN)
dari kumpulan aturan yang menyatakan suatu kondisi. Penyusunan rule
base sangat berpengaruh pada presisi model yang akan dibuat.
Universitas Sumatera Utara