RANCANG BANGUN POWER CONTROL SYSTEM PADA TURBIN VERTIKAL AKSIS ARUS SUNGAI TIPE DARRIEUS MENGGUNAKAN GENERATOR DC

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) RANCANG BANGUN POWER CONTROL SYSTEM PADA TURBIN VERTIKAL AKSIS ARUS SUNGAI TIPE DARRIEUS MENGGUNAKAN GENERATOR DC Lutfi Nurafif, Ridho Hantoro, Fitri Adi Iskandarianto Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya hantoro@ep.its.ac.id Abstrak hydropower merupakan sebuah konversi energi dari energi kinetik air menjadi listrik. dimana dalam konversi ini perlu adanya generator sebagai alat pengkonversi tersebut. penelitian ini menggunakan variasi turbin sebagai penggerak generator. selain kecepatan arus sungai, besar daya output yang dihasilkan generator bergantung pada putaran yang dihasilkan oleh turbin dan putaran turbin itu sendiri juga bergantung pada variasi jumlah blade, pitch serta penggunaan diffuser. dengan adanya load dan energy storage maka diperlukan adanya suatu kontrol untuk mengatur pendistribusian daya. pada penelitian ini juga dihasilkan software simulasi dengan matlab simulink agar dapat diketahui bagaimana daya output dan status energy storage pada keadaan load dan putaran generator yang berbeda. Kata Kunci Generator, Turbin, Daya Output, Simulasi. M I. PENDAHULUAN eningkatnya permintaan untuk energi listrik merupakan salah satu masalah yang perlu diperhatikan. Penurunan Jumlah dan dampak lingkungan dari bahan bakar fosil tampaknya tidak mengatasi masalah ini. Energi terbarukan memberikan perspektif yang baik untuk menjadi alternatif untuk pembangkit listrik fosil dan nuklir berbahan bakar, untuk memenuhi permintaan untuk energi listrik. Dikarenakan jumlah penduduk di dunia semakin meningkat. Perkembangan teknologi yang digunakan juga telah berkembang pesat.sedangkan supply energi khususnya peresedian energi fosil juga semakin menipis. Maka dari itulah perlu adanya pengembangan teknologi agar dapat menggeser jumlah penggunaan energi fosil menuju sumber energi alternatif dari alam yang lainnya dan sifatnya berkelanjutan.sumber energi yang berkelanjutan itu bisa didapatkan dari alam berupa energi dari air, angin, tenaga matahari, panas bumi, biomass, biogas dan renewable energy lainnya. Indonesia memiliki daerah perairan yang cukup dominan serta memiliki daerah aliran sungai yang cukup berpotensi untuk dikembangkan sebagai sumber energy hydro power. Potensi ini tersebar di sebagian besar daerah khususnya pada dataran tinggi atau saluran irigasi untuk pertanian. Teknologi energi hydrokinetic relatif baru dibandingkan sistem tenaga air lainnya. Sistem konversi hydrokinetic sebagian besar pada tahap awal dari pengembangan, mungkin tampak cocok dalam memanfaatkan energi dari sumber daya terbarukan tersebut. Dengan adanya potensi energi hydrokinetic ini maka sangat memungkinkan untuk mengembangkan supply energi untuk manusia khususnya supply listrik. Selain sumber energi ini bersifat berkelanjutan tapi juga ramah lingkungan sesuai dengan konsep green energy yaitu itu tidak menimbulkan polusi. Dalam pengaplikasian energy hydrokinetic tersebut juga diperlukan pemahaman pada dinamikan dan kontrol dari generator. Rancang bangun dinamika dan kontrol dilakukan beserta distribusi ke load dan storage yang dipakai. Pada sistem ini, storage digunakan sebagai penyimpanan daya listrik agar listrik yang dihasilkan oleh generator tidak terbuang percuma setelah sisa digunakan oleh load. Selain itu, storage juga berfungis sebagai back up apabila dari supply tidak mencukupi kebutuhan dari load. Maka dari itu diperlukan suatu rancangan power control system yang automatis untuk mengatur distribusi listrik baik itu ke load maupun ke storage dalam berbagai kondisi baik itu apabila kondisinya supply lebih besar daripada load maupun load lebih besar daripada supply. A. Studi Literatur II. METODOLOGI PENELITIAN Gambar 1. Flowchart Penelitian Studi literatur dilakukan untuk mendasari penyelesaian masalah di dalam tugas akhir ini. Materi yang perlu dipelajari adalah mengenai efek yang terjadi apabila diberikan variasi penambahan jumlah blade serta aspect rasio turbin. Namun selain itu, perlu juga mempelajari tentang Ripple Torque yang

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) terjadi dengan modifikasi yang dilakukaan agar menghasilkan RPM dan torsi yang mampu menggerakan generator. Generator yang digunakan akan menghasilkan listrik yang selanjutnya akan dibagi ke beban dan battery. Untuk lebih memperjelas proses kontrol pembagian listrik yang menuju beban dan baterai maka diperlukan simulasi menggunakan software MATLAB. B. Penentuan Lokasi Turbin yang nantinya akan dibuat akan di uji coba di daerah tertentu sesuai dengan kriteria yang memadai dari dimensi turbin. Lokasi tempat uji coba harus sesuai dengan teori yang ada. Adapun gambar dari Lokasi yang akan digunakan adalah seperti berikut E. Pengambilan data Gambar 4. Diagram system operasi Pada saat di uji coba, data yang diambil adalah berupa RPM poros utamadari masing masing variasi pitch dan jumlah span serta daya listrik yang dihasilkan. Selain itu juga mengukur berapa daya listrik yang tersalur ke load dan baterai. F. Simulasi menggunakan MATLAB Gambar 2. Lokasi Percobaan turbin C. Menentukan Spesifikasi Generator Generator yang nantinya akan dipakai untuk mengkonversi dari energi mekanik oleh turbin menjadi listrik D. Perancangan Kontroler Perancangan ini meliputi set-up dari masing masing komponen penyusun plant, pembuatan kontroler beserta logika pengendalian pada mikrokontroler dan pengintegrasian generator pada turbin. Gambar 5. Matlab Simulink Block untuk sistem keseluruhan Setelah mendapat data dari pengambilan data di sungai, dilakukan pula percobaan dengan cara simulasi menggunakan MATLAB. Kondisi yang diberikan pada simulasi ini sama dengan pada saat pengambilan data di sungai. G. Pengambilan data simulasi Data yang diambil ini berupa data yang diperoleh dengan menggunakan simulasi yaitu berupa output dari masing masing device seperti load dan baterai, kemudian setelah itu dibandingkan dengan data yang telah di ambil di sungai dengan berbagai macam variasi outputan dari generator. H. Pengolahan dan Analisa data Data yang telah didapatkan dari hasil pengujian dan simulasi akan dilakukan analisa yaitu berupa fluktuasi gaya yang terjadi pada poros serta hubungan antara RPM turbin dengan daya listrik yang dihasilkan generator. Gambar 3. Skema Rangkaian Unit Kontroler Pada kontroler ini mengunakan metode logic solver dengan aturan sebagai berikut: - Jika P supply > P load maka P battery = P supply - P load, yaitu terdapat daya yang tidak digunakan oleh load kemudian disimpan di baterai sebesar selisih antara daya supply dan load - Jika P supply < P load maka P battery = P load - P supply, yaitu daya dari generator (supply) tidak mampu menyuplai load, maka dibutukan back-up dari baterai dengan daya sebesar selisih antara daya dari load dengan supply I. Kesimpulan Setelah dilakukan pengujian dan analisa, diambil beberapa kesimpulan untuk menetahui apakah perancangan yang telah dilakukan sesuai dengan tujuan yang ingin dicapai.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Data Hasil Eksperimen Tanpa Diffuser rotasi yang semakin besar pula. Namun hasil torsi atau rotasi yang paling besar tergantung dari kecepatan aliran sungai. Pada pengujian yang telah dilakukan didapatkan pitch 10 o yang bias menghasilkan torsi dan rotasi turbin yang paling besar. Sehingga didapatkan daya listrik yang paling optimal pada variasi pitch 10 o baik itu pada variasi jumlah blade 3 maupun 4 dan di variasi kecepatan 0, 7 m/s, 0,8 m/s, 0,9 m/s dan 1 m/s. Tetapi hasil yang paling optimal adalah kombinasi dari variasi turbin 3 blade dan diujikan pada kecepatan sungai 1 m/s. B. Data Hasil Eksperimen Menggunakan Diffuser Gambar 6. Grafik hubungan antara RPM terhadap daya yang dihasilkan pada turbin 3 blade Gambar 8. Grafik hubungan antara RPM terhadap daya output dengan variasi luas diffuser pada pemakaian panjang diffuser 1,1 m Gambar 7. Grafik hubungan antara RPM terhadap daya yang dihasilkan pada turbin 4 blade Efek perubahan RPM terhadap daya output Pada eksperimen ini menggunakan 4 variasi kecepatan sungai yang linier yaitu 0,7 m/s, 0,8 m/s, 0.9 m/s dan 1 m/s. kecepatan merupakan hal yang paling berpengaruh dalam pengujian ini dimana dengan kecepatan yang berbeda maka didapatkan debit air yang berbeda sehingga kemampuan air sungai memutar turbin pun juga berbeda. Dapat dilihat pada tabel maupun grafik di atas, tampak bahwa semakin cepat arus sungai didapatkan daya listrik yang semakin besar pula. Hal ini dikarenakan putaran dari turbin maupun generator juga semakin cepat pula. Efek perubahan jumlah blade Pada variasi jumlah blade ini cukup berpengaruh pada kemampuan turbin memutar generator yang diberi beban listrik berupa baterai dan tentunya juga pada besar daya listrik yang dihasilkan. Dengan kemampuan turbin memutar generator atau torsi yang semakin besar maka semakin besar pula jumlah putaran turbin dan generator dengan begitu semakin besar pula daya listrik yang dihasilkan. Dari hasil pengujian yang didapatkan, turbin dengan jumlah blade sebanyak 3 memiliki torsi yang lebih besar dibanding turbin dengan jumlah blade 4. Dapat dilihat dari tabel atau pun grafik, tampak bahwa daya listrik yang dihasilkan generator yang digerakkan turbin dengan 3 blade lebih besar dibanding turbin dengan 4 blade. Efek perubahan pitch Pada variasi besar pitch ini efek yang terjadi adalah tidak selalu pitch yang paling besar yang menghasilkan torsi atau Gambar 9. Grafik hubungan antara RPM terhadap daya output dengan variasi luas diffuser pada pemakaian panjang diffuser 1,3 m Gambar 10. Grafik hubungan antara RPM terhadap daya output dengan variasi luas diffuser pada pemakaian panjang diffuser 1,5 m Dari pengujian didapatkan data dari daya listrik yang dihasilkan seperti yang tampak pada tabel dan grafik di atas. Lazimnya besar daya listrik yang dihasilkan oleh generator untuk masing masing kecepatan sungai dan panjang diffuser adalah daya listrik dengan variasi luas L2 diantara L1 dan L3

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) di mana pada variasi L1 menghasilkan daya listrik paling besar sedangkan pada variasi L3 menghasilkan daya listrik paling kecil. Bila dilihat dari data tabel ataupun grafik tampak tidak sesuai dengan lazimnya output dari masing masing variasi tersebut. Hal ini dapat disebabkan oleh beberapa faktor seperti putaran turbin yang fluktuatif sehingga pada saat pengambilan data yang ditampilkan oleh display dari alat ukur juga fluktuatif. Untuk daya listrik yang paling optimal dari pengujian ini adalah pada variasi panjang diffuser P3 = 1,5 m, luas diffuser L1= 1,29 m dan pada kecepatan sungai 1 m/s. C. Analisa Hubungan Putaran Generator Dengan Daya Output baterai, hal tersebut mengindikasikan bahwa baterai berfungsi sebagai back up daya atau discharge. Tabel 1. Pengujian pada kecepatan sungai 0.7 m/s Tabel 2. Pengujian pada kecepatan sungai 0.8 m/s Gambar 11. Grafik hubungan antara RPM dan daya listrik Bila keseluruhan data tersebut dikelompokkan jadi satu akan dapat terlihat bagaimana hubungan antara RPM dengan daya output yang dihasilkan. Dari data yang ada table di atas didapat grafik seperti di bawah ini. Dari grafik tersebut tampak bahwa hubungan antara RPM dengan daya output yang dihasilkan tidak beraturan. Hal ini dikarenakan putaran turbin yang tidak stabil sehingga mengakibatkan putaran dari generator tidak stabil pula dan menghasilkan daya listrik yang fluktuatif pula. Daya listrik adalah produk dari voltase dan arus listrik, maka dari itu hubungan antara daya listrik yang dihasilkan dengan adanya perubahan putaran generator yaitu hubungan exponensial. Untuk mendapatkan nilai yang mendekati error serta tampak teratur maka dibuat regresi exponensial antara putaran generator dengan daya listrik yang dihasilkan, seperti yang tampak pada grafik di bawah ini. D. Pengujian Generator Menggunakan Kontroler Serta Baterai dan Beban Pada penelitian ini, digunakan power control system yang telah dibuat. Data pengujian power control system untuk distribusi daya ini diambil di sungai dengan kecepatan aliran 0,7 m/s, 0,8 m/s, 0,9 m/s dan 1 m/s pada variasi turbin yang menghasilkan putaran paling optimal. Dari data yang telah didapat seperti yang dapat dilihat pada tabel 1, tabel 2, tabel 3 dan tabel 4 adalah data distribusi daya dari generator untuk memenuhi kebutuhan load. Sistem distribusi juga untuk penyimpanan daya listrik ke baterai atau charging karena adanya daya yang tidak terpakai oleh load. Selain itu nampak pada tabel terdapat nilai minus pada arus Tabel 3. Pengujian pada kecepatan sungai 0.9 m/s Tabel 4. Pengujian pada kecepatan sungai 1 m/s Kontroler yang telah dibuat bekerja sesuai dengan block diagram dan pengaturan control yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Pada detailnya untuk pengaturan di mikrokontroler yaitu apabila kondisi baterai dibaca oleh mikrokontroler sebesar 11V maka dideklarasikan bahwa baterai tersebut dengan kondisi dapat discharge dan apabila dibaca pada mikrokontroler sebesar 13,8V maka dideklarasikan bahwa baterai tersebut kondisi full charge. Untuk mendeteksi bila load memerlukan back-up hampir sama

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) dengan mendeteksi kondisi pada baterai yaitu bila voltage yang akan masuk pada inveter turun hingga 11V maka dideklarasikan bahwa supply dari generator untuk memenuhi kebutuhan dari load diperlukan adanya back-up dari baterai. Pada mikrokontroler itu sendiri voltage yang dapat dibaca adalah range 0 hingga 5 volt. Untuk merekayasa agar dapat melakukan pembacaan voltage 0 hingga 13,8 atau maka digunakan rangkaian voltage divider dengan representasi 0 volt diwakili oleh 0 volt serta 13,8 volt diwakili oleh 5 volt sesuai perhitungan dan pembagian besar resistansi pada resistor di masing masing bagian divider. pada saat pengambilan data pada putaran generator fluktuatif sehingga pengukuran kurang akurat. Maka dari itu dilakukan fitting dengan persamaan power yaitu: f(x) = e+006*x^(-1.736) (2) E. Data Hasil Simulasi Dari ripple torque yang telah diketahui maka didapatkan deviasi besarnya ripple torque untuk setiap time step. Kecepatan putar pada generator dipengaruhi oleh besarnya torsi putar, sehingga bila digambarkan dengan grafik maka antara ripple torque dan fluktuasi kecepatan putar pada generator memiliki pola yang sama. Gambar 14. Regresi Daya output Vs. RPM Dengan adanya perubahan putaran generator yang fluktuatif berdampak pula pada daya output yang dihasilkan oleh generator. Pada gambar 14 dapat dilihat pengaruh putaran generator terhadap daya output yang dihasilkan generator, hal ini dikarenakan daya output generator merupakan fungsi dari putaran generator. Dan dapat dilihat pada gambar 14, bahwa trendline yang dihasilkan tidak jauh beda. Gambar 12. Grafik Ripple Torque pada turbin Dengan didapatnya deviasi tersebut maka bisa didapatkan pula fluktuasi putaran generator dari deviasi yang telah dilakukan fitting dengan persamaan sum of sin yaitu: f(u) = *sin(0.3174*u ) *sin( *u+3.446) *sin(0.5243*u-1.049) *sin(0.2133*u ) *sin(0.5715*u+0.452) *sin(0.6331*u+1.485) *sin(0.666*u+3.51) *sin(0.75*u+3.84) (1) Gambar 15. Grafik Fluktuasi RPM & Daya output pada MATLAB Simulink Pada sistem ini, tegangan baterai merepresentasikan kapasitas pada baterai dan dengan generator sebagai charge daya listrik dan load sebagai kebutuhan daya listrik, seperti yang dijelaskan pada bab sebelumnya, maka charge ataupun discharge pada baterai adalah selisih dari daya listrik yang dihasilkan pada generator dan daya listrik yang dibutuhkan oleh load, sehingga berdasarkan data real pada baterai bila disimulasikan sebagai berikut: Gambar 13. Curve Fitting Deviasi Ripple Torque Pada data hubungan antara daya output dengan putaran yang telah didapat perlu dilakukan pendekatan matematis agar dapat diketahui hubungannya secara teratur. Selain itu, juga karena Gambar 16. Grafik Status Baterai pada MATLAB Simulink

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) IV. KESIMPULAN Berdasarkan eksperimen yang telah telah dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut Telah berhasil dirancang sebuah power control system untuk mendistribusikan daya listrik sesuai kebutuhan dari load dengan system switch menggunakan relay untuk charging dan discharge dari energy storage yaitu baterai. Dalam mengkondisikan daya listrik output dari generator dibutuhkan penyesuaian voltage sebelum masuk pada inverter untuk dikonversi menjadi arus AC yang dibutuhkan load. Maka dari itu diperlukan Voltage regulator untuk menurunkan voltage dari generator agar stabil pada 12V. Dari system yang telah dirancang, dapat mengondisikan daya yang dibutuhkan load dari range Watt dengan prinsip charging dan discharging pada baterai. Pada tahap simulasi didapatkan hubungan besarnya daya output dengan pengaruh fluktuasi dari putaran generator yang disebabkan fluktuasi ripple torque akibat pengaruh arus aliran sungai dan turbin dengan nilai error 8,98%. DAFTAR PUSTAKA [1] Hantoro, Ridho, An Experimental Investigation of Passive Variable- Pitch Vertical-Axis Ocean Current Turbine, Institut Teknologi Bandung, Bandung, [2] Ariadi, M, Hishom., Studi Numerik Dan Eksperimental Performansi Turbin Arus Air Tipe Vertikal Axis dengan Variasi Jumlah Blade Dan Efek Aspect Ratio, Tugas Akhir Jurusan teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2011 [3] Adiatma, Muhammad., Studi Numerik Dan Eksperimental Kemampuan Self Start PadaTurbin Vertikal Axis Arus SungaiTerhadap Variasi Pitch, Tugas Akhir Jurusan teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2011 [4] Setiaji, Akhmad, S., Studi Numerik Dan Eksperimental Performansi Turbin Vertikal Axis Arus Air dengan Variasi Seri Airfoil Dan Panjang Chord, Tugas Akhir Jurusan teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2011 [5] Kinsey, T, Prototype testing of a hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils Laval University, Quebec, Canada, 2010 [6] Khan, M.J, Hydrokinetic energi conversion systems and assessment of horizontal and vertikal axis turbines for river and tidal applications: A technology status review Power system technologies, Canada, 2009 [7] Bianchi, Fernando D., Wind Turbine Control Systems: Principles, Modelling and Gain Scheduling, Springer, 2006 [8] Crompton, T.R., Battery Reference Book, Newnes, 2000 [9] Winoto, Ardi, Mikrokontroler AVR Atmega8/16/32/8535 dan Pemrogramannya dengan Bahasa C Pada WinAVR, Informatika, Bandung, 2010