BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 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 2x10 6 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

2 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 (Horizontal- Axis 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).

3 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 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].

4 Gambar 2.1 Bentuk dan Komponen Turbin Angin Sumbu Vertikal [Scottish Executive,2007] 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].

5 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 swt ]

6 Komponen turbin angin sumbu horizontal : 1. Pemutar 2. braket pemutar 3. Bilah 4. Bearing bilah 5. Penghubung rotor 6. Bearing utama 7. Poros utama 8. Gearbox 9. Rem cakram 10. Kopling 11. Generator 12. Crane Perawatan 13. Sensor cuaca 14. Menara 15. Yaw assist gear 16. Yaw motor 17. Alas nacelle 18. Saringan oli 19. Kanopi 20. Kipas generator 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

7 Gambar 2.3 Skema turbin angin kecepatan tetap 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

8 Gambar 2.4 Skema turbin angin kecepatan tidak tetap 2.3 Kontrol Daya Energi kinetik yang ada dalam aliran udara melalui area yang berhadapan dengan arah angin adalah : 1 2 vv2 per laju aliran massa. Untuk aliran udara yang mengalir melalui area A maka laju aliran massa adalah : ρ A v oleh karena itu energi angin sama dengan [3]: PP = (ρ. A. vv) xx 1. 2 vv2 = 1 ρ. A. 2 vv3 (2.1) Dimana: ρ adalah massa jenis angin (Kg/M=m 3 ) A adalah luas area sapuan turbin (m 2 ) V adalah kecepatan angin (m/s) P adalah daya yang dihasilkan (Watt)

9 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 : 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].

10 Gambar 2.5 Cara kerja kontrol arah pada turbin angin 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

11 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] 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

12 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 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].

13 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 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

14 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. CCCC = DDDDDDDD MMMMMMMMMMMMMM DDDDDDDD AAAAAAAAAA = PPPP PPPP (2.2) Persamaan 2.3 di bawah menunjukan daya mekanis yang dapat diambil dari angin. PPPP = PPPP. CCCC PPmm = PPPP CCCC ( λλ, ββ ) PPPP = 1 2. ρ. A. CCCC ( λλ, ββ ). vv ww 3 (2.3) Dimana: Pm = Daya mekanis ( Watt ) ρ = Massa jenis udara (kg/m 3 ) A = Luas area sapuan turbin (m 2 ) Cp = Power coefficient β = Blade pitch angle( ) v w = 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

15 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] λλ = VVVVVVVV VVVVVVVVVV = ωω.rr VVVV (2.4) dimana : λ = tip speed ratio ω = turbine rotor speed(rad s) R = Jari-jari bilah turbin angin ( m ) v w = 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 λλ dan ββ dalam Cp di tunjukan persamaan 2.5 berikut: CCCC(λλ, ββ) = CC 1 CC CC6 2 λλ CC λλ 3. ββ CC 4 ee ii + CC 6. λλ (2.5) ii Dimana : 1 λλ ii = 1 0,035 λλ 0,88 ββ ββ 3 +1 (2.6) Nilai koefisien C 1 sampai C 6 adalah : C 1 = 0,5176, C 2 = 116, C 3 = 0,4, C 4 = 5, C 5 = 21 dan C 6 = 0,0068. Dimana nilai maksimum Cp = 0,48 yang

16 mana nilai ini di dapat saat kondisi β = 0 dan λ = 8,1 yang merupakan nilai nominal pada simulasi MATLAB-Simulink[7] 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: uu(tt) = KK PP ee(tt) + KK ii ee (tt)dddd (2.7)

17 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] 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

18 Rule Base Input Fuzzification Inference Defuzzification Output 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.