Kontrol Kecepatan Angin pada Wind Tunnel Berbasis Logika Fuzzy

• a)

  Dengan karakteristik kecepatan angin tersebut, akan cocok untuk digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga angin skala kecil (10kW) dan menenggah (10-100kW) [2]. Namun pada kenyataannya potensi angin belum banyak dimanfaatkan karena hanya dipandang sebagai proses alam biasa, padahal jika dimanfaatkan akan berdampak positif bagi lingkungan dan memiliki nilai ekonomis karena dapat mengurangi pemakaian listrik rumah tangga maupun industri. Selain itu permasalahan selanjutnya adalah pada tahap perealisasian pembuatan wind turbine secara real yang membutuhkan biaya yang besar, sedangkan biasanya energi listrik yang mampu dihasilkan wind turbine tidak sesuai dengan yang diharapkan. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dapat menggunakan fasilitas wind

  Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro Terapan 2017 Vol.01 No.01, ISSN: 2581-0049

  

Kontrol Kecepatan Angin pada Wind Tunnel

Berbasis Logika Fuzzy

  Budhy Setiawan

  ,Septyana Riskitasari

  a)

  ,Sungkono

  a)

  , Indrasno Sirajuddin

  a)

  , Hari Kurnia Safitri

  a) Abstrak - Wind tunnel merupakan sebuah alat penunjang kegiatan penelitian yang berfungsi untukmenganalisa

  terjadinya efek aliran angin yang bergerak disekitar benda padat. Penelitian ini bertujuan untuk merancang wind tunnel yang dilengkapi dengan sistem akuisisi data yang khususnya menganalisa kinerjawind turbine di Laboratorium Konversi Energi Program Studi Teknik Elektronika POLINEMA.Wind tunnel yang dibuatopen loop wind tunnel, dengan kecepatan angin 1 m/s hingga 10 m/s. Test section berukuran 430 mm x 430 mm dengan panjang 1000 mm.Metode yang digunakan untuk pengontrolan kecepatan angin adalah Kontrol Logika Fuzzy, sedangkan pengaturan kecepatan fan menggunakan kontrol sudut phase. Sensor anemometer berfungsi untuk mengukur nilai kecepatan angin, Mikrokontroller yang digunakan adalah Arduino UNO dan Arduino NANO. Data kecepatan angin, dan hasil perhitungan daya angin ditampilan pada LCD 20 x 4, selain itu data tersebut ditampilkan dalam bentuk grafik menggunakan Delphi.Dari hasil pengujian alat pada set point kecepatan angin 10 m/s, menghasilkan daya angin sebesar 99.27 Watt. Sedangkan untuk penundaan sinyal sebesar 6000µs tegangan yang dihasilkan sebesar 147.7 volt yang mengasilkan kecepatan angin pada fan sebesar 9.8 m/s.

  Kata-kata kunci : wind tunnel, energi angin, logika fuzzy, anemometer

1. Pendahuluan

  Tahun 2010-2015 penduduk indonesia diproyeksikan tumbuh 1,19% dan mencapai 252 juta jiwa di tahun 2014[1]. Peningkatan penduduk akan berdampak pada peningkatan konsumsi energi diberbagai sektor salah satunya peningkatan terhadap konsumsi listrik yang terus mengalami pertumbuhan pada tahun 2000-2014 rata-rata sebesar 6,8% pertahun. Sedangkan cadangan sumber daya energi fosil yang dimiliki Indonesia pada tahun 2014, yaitu minyak bumi sebesar 3,6 miliar barel,gas bumi sebesar 100,3 TCF, dan batubara sebesar 32,27 miliar ton. Jika diasumsikan tidak ada penemuan cadangan baru maka minyak bumi akan habis dalam 12 tahun, gas bumi 37 tahun, dan batubara 70 tahun[1].Bahkan cadangan sumber daya energi tersebut akan lebih cepat habis dari tahun yang telah diprediksi karena kecenderungan produksi energi berbahan baku fosil yang terus meningkat. Sementara tingginya kebutuhan migas tidak diimbangi oleh kapasitas produksi menyebabkan kelangkaan [2].

  berdasarkan kecepatan udara, wind tunnel dibedakan atas Subsonic wind tunnel (v < 0.3 Mach), Transonic wind tunnel (0.8 Mach

  a) Program Studi Teknik Elektronika, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Malang

  Korespondensi

  VAWT untuk kebutuhan Laboratorium Konversi Energi ^＊

  15 detik dengan error mencapai 0.1 % [7], sedangkan pada penelitian ini bertujuan untuk membuat wind tunnel tipe terbukayang berfungsi untuk pengujian wind turbine tipe

  fuzzy PIcontroller , dimana kestabilan sistemnya mencapai

  Terdapat penelitian sebelumnya yang telah dilakukan yaitu mengenai perancangan wind tunnel menggunakan

  Circuit Tunnel dan Closed Circuit Tunnel. Sedangkan

  Dari permasalahan tersebut untuk mengatasi krisis energi yang mulai mengancam kebutuhan energi dimasa depan. Berbagai penelitian telah dilakukan untuk membangkitkan sumber energi dari banyak potensi energi baru terbarukan yang dapat dimanfaatkan di Indonesia, contohnya energi angin, energi surya, mini-mikrohidro, gelombang laut, dan lain-lain. Salah satu energi yang berpotensi untuk dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik adalah energi angin, dimana kecepatan angin di bagian selatan Pulau Jawa berkisar antara 4 m/s hingga7.716 m/s, bahkan dapat mencapai 13 m/s[3].

  Ada dua tipe dasar dari Wind Tunnel, yaitu Open

  setiap kecepatan angin.

  tunnel, maka dapat menganalisa karakteristik dari wind turbine dengan mengetahui efisiensi dari wind turbine dari

  sebelum dibuat secara real. Dengan memanfaatkan wind

  tunnel sebagai media pengujian model wind turbine

  Pertumbuhan penduduk Indonesia dari kurun waktu 2000-2010 rata-rata sebesar 1,5% pertahun dari 206 juta jiwa pada tahun 2000 menjadi 238 juta jiwa di tahun 2010.

• – 1,2 Mach), Supersonic wind tunnel (v > 1,2 Mach), Hypersonic wind tunnel (v > 5 Mach) [4]. Pada tipe terowongan ini udara mengikuti jalur lurus dari jalur masuk melalui kontraksi uji, diikuti diffuser, rumah fan, dan saluran keluar ke udara [5].Pada terowongan angin tipe terbuka konstruksi lebih sederhana, murah, hemat ruangan dan tidak dipengaruhi oleh fluktuasi temperature karena temperature ruangan relative lebih stabil [6].

Sensor :Anemometer (Kecepatan Angin) 2.

  Spesifikasi Elektronik 1.

  Tombol : UP, DOWN, dan OK 7.

  Processor : Arduino UNO dan Arduino NANO 3.

  Wind Speed Range : 0 m/s

  Actuator : FAN AC

  Jenis motor : Induksi 1 phasa

  Starting : Starting Capasitor

  Daya : 1500 watt saat 50 Hz Maks. Tegangan : 220 V 6.

  Tegangan kerja : 220 VAC& Baterai 9 V (Anemometer)

  Panjang : 3500 mm Tinggi : 800 mm Bahan : Besi tebal 5 mm

  2.2 Prinsip Kerja Kecepatan aliran angin pada wind tunnel dihasilkan dari FAN AC 1500 Watt dengan pengaturan putaran fan menggunakan sudut phasa. Kecepatan aliran angin dapat diatur mulai 1 m/s sampai dengan 10 m/s. Dimana kecepatan aliran angin wind tunnel dapat dimanfaatkan sebagai media pengujian objek khususnya untuk pengujian

  wind turbine tipe VAWT. Wind tunnel dilengkapi dengan

  anemometer yang berfungsi untuk mengukur kecepatan ada didalam test section. Hasil pembacaan sensor tersebut kemudian akan diolah oleh Arduino UNO dan Arduino NANO, dimana hasil pembacaan anemometer digunakan sebagai feedback kontrol logika fuzzy. Kemudian hasil pengolahan data tersebut akan ditampilan pada LCD 20 x 4 yaitu set point kecepatan angin, hasil pembacaan sensor anemometer dan perhitungan daya. Selain itu data akuisisi dari hasil pongolahan data akan ditampilkan dalam bentuk tabel dan grafik menggunakan fasilitas Delphi. Data yang akan di tampilkan dalam bentuk tabel yaitu tanggal dan waktu melakukan pengamatanterhadap wind tunnel, kecepatan angin (m/s), daya angin (watt), suhu dan kelembaban udara di dalam wind tunnel. Kemudian dari tabel data tersebut akan secara otomatis diplotkan dalam bentuk grafik yaitu grafik hubungan antara kecepatan angin dan daya angin. Selain itu grafik tersebut dapat disimpan dalam bentuk gambar sehingga mempermudah dalam proses analisa data.

2. Metode Penelitian

2.1 Spesifikasi Alat

  2.3 Blok Diagram Sistem Berikut adalah blok dari sistem yang terdiri dari input, proses, output, dan power supply dapat dilihat pada gambar.

  Gambar 1. Blok Diagram Sistem

  Bagian Rangka Penyangga

  dilakukan untuk mengetahui kinerja model wind turbine yang akan dibuat secara real, pengujian awal dilakukan untuk mengurangi kerugian yang dapat terjadi jika wind turbine langsung dibuat secara real.

  Diameter : 512 mm x 512 mm Bahan casis/ base : Stainless Steel

  Wind tunnel dirancang untuk dapat menghasilkan

  kecepatan angin yang dapat diatur mulai dari 1 m/s hingga 10 m/s. Metode yang digunakan untuk pengontrolan kecepatan angin adalah Kontrol Logika Fuzzy, sedangkan pengaturan kecepatan fan menggunakan kontrol sudut

  phase. Sensor anemometer berfungsi untuk mengukur nilai

  kecepatan angin selain itu data yang dimati adalah daya angin. Dari kedua data tersebut ditampilkan pada LCD 20x4 dan dalam bentuk grafik menggunakan Delphi.

  Pada pembuatan wind tunnel dengan pengaturan kecepatan angin yang terdapat beberapa spesifikasi alat, yaitu:

  Bagian Fan

  Bagian Setting Chamber

  Bahan : Plat Besi tebal 1 mm Panjang : 1000 mm Keterangan: Terletak pada bagian Nozzle

  Dimensi Bagian Lingkaran : 512 mm x 512 mm Dimensi Bagian Persegi : 430 mm x 430 mm Panjang : 1000 mm Bahan casis/ base : Plat Besi tebal 1 mm

  Bagian Test Section

  Dimensi : 430 x 430 x 1000 mm Bahan casis/base : Akrilik tebal 5 mm

  Bagian Nozzle

  DimensiBagian Depan : 430 mm x 430 mm Dimensi Bagian Belakang : 600 mm x 600 mm Panjang : 1000 mm Bahan casis/base : Plat Besi tebal 1 mm

  Bagian Penyearah Angin (Screen)

• – 29.055 m/s 4.

  2.4 objek yang diamati (wind turbine tipe VAWT)

  Flowchat Alat Perancangan software pada pembuatan alat pengontrol kecepatan angin didalam wind tunnel dapat dijelaskan pada

  flowchat dibawah ini:

  Gambar 5.Test Section Wind Tunnel 4. Bagian Nozzle

  Nozzle berfungsi sebagai sebagai corong tempat masuknya angin dari luar ke test section.

  Gambar 2. Flowchat Perancangan Software

2.5 Desain Mekanik

  Wind tunnel terdiri dari beberapa bagian penyusunnya, Gambar 6. Nozzle Wind Tunnel

  yaitu: 1.

  5. Bagian FAN Bagian Screen

  FAN AC berfungsi sebagai penghasil angin yang Screen berfungsi sebagai sebagai penyeragam aliran kemudian kecepatan angin yang dihasilkan akan angin yang akan masuk ke test section.

  dikontrol.

  Gambar 3.FAN AC Wind Tunnel Gambar 7. Screen Wind Tunnel 2. Bagian Setting Chamber

  Setting chamber merupakan penghubung antara

  2.6 Desain Elektronik

  FAN dan test section, yang berfungsi untuk mengurangi Pada bagian desain elektronik terdiri dari pembuatan

  terjadinya getaran dan turbulensi aliran angin wind rangkaian sensor anemometer dan kontrol phasa, sebagai tunnel. berikut: _{5V 5V} Gambar 8. Rangkaian Anemometer-Arduino UNO

  Gambar 4.Setting Chamber Wind Tunnel Dimana hasil pembacaan sensor berupa tegangan 3. minimum dan maksimum diterjemahkan kedalam bilangan

  Bagian Test Section

  sampling) akan dihitung dan dikonversi menjadi nilai rpm.

  ∆error Angin Positif (AP).

  Dari nilai rpm tersebut akan dikonversi menjadi nilai kecepatan angin (m/s). _5V Gambar 12. Fungsi Output (putaran fan)

  Fuzzy Rule Base ini terdiri dari

  pernyataan-pernyataan logika fuzzy yang dibuat untuk Gambar 9. Rangkaian Kontrol Phasa-Arduino NANO pengontrolan kecepatan angin pada wind tunnel. Proses penyusunan Fuzzy Rule Base akan berpengaruh dengan

  Sedangkan Gambar 9 adalah rangkaian kontrol nilai output putaran fan dan sangat berpengaruh pada yang terhubung pada Arduino NANO. pengambilan keputusan yang akan dilakukan oleh plant.

  phasa

  Rangkaian kontrol phasa yang dilengkapi zero crossing Berdasarkan pada basisaturan fuzzy, perancangan rule

  

detector berfungsi untuk mendeteksi waktu start base menggunakan metode Weighted Average, dapat

gelombang sinusoida yang besar penundaan sinyalnya dilihat pada tabel dibawah ini.

  diatur untuk menggerakkan FAN AC.

  (E) eTA eAK eAS eAB eASB eABB eT

  (dE)

2.7 Kontrol Logika Fuzzy

  PZ PS PB PB PBB PBB PBB

  dE AN

  Kontrol Logika Fuzzy (KLF) pada sistem ini berfungsi

  dE AZ PZ PS PS PS PB PBB PBB

  sebagai pengambil keputusan untuk mengatur seberapa

  dE AP PK PK PK PK PS PB PBB

  kencang putara fan sehingga menghasilkan kecepatan angin sesuai dengan set point yang telah ditentukan. Proses Gambar 13. Rule Base Fuzzy perancangan kontrol logika fuzzy pada sistem ini terdiri dari dua keanggotaan input dan satu keanggotaan output.

  3. Hasil dan Pembahasan

  Gambar 10 dan gambar 11 merupakan dua keanggotaan input yaitu keanggotaan error (E) dan keanggotaan ∆error(dE).

  Berikut adalah hasil pengujian masing-masing bagian yaitu pengujian terhadap rangkaian kontrol phasa, yang bertujuan untuk mengetahui tegangan yang dihasilkan hasil setiap lama penundaan sinyal.

  Gambar 10. Fungsi Keanggotaan error(E) Pada keanggotaan input yang pertama adalah keanggotaan error(E) terdiri dari fungsi keanggotaan yaitu

  error Tanpa Angin (TA), error Angin Kecil (AK), error

  Angin Sedang (AS), error Angin Besar (AB), error Angin Gambar 14. Gelombang Zero Crossing Detector Sedikit Besar (ASB), error Angin Besar Besar (ABB), dan error Tornado (T).

  Gambar diatas menunjukan gambar sinyal zero crissing

  detector, dimana sinyal yang masuk ke Arduino maksimal

  sebesar 5 V, dan pada percobaan menghasilkan tegangan yang masuk ke Arduino sebesar 4.7 V.

  Gambar 11 . Fungsi Keanggotaan ∆error(dE)

  Sedangkan Gambar 11 merupakan input kedua fuzzy yaitu keanggotaan

  ∆error(dE) memiliki fungsi keanggotaan kecepatan angin yang dihasilkan akan semakin kencang. Sedangkan jika nilai penundaan sinyal semakin singkat, maka tegangan output yang dihasilkan akan semakin kecil yang berarti nilai kecepatan angin lebih lambat.

KESTABILAN SISTEM

  Gambar 15. Hasil Gelombang Dengan Penundaan 9000µs Gambar 19. Pengujian Sistem

  Dari percobaan diatas kestabilan sistem kecepatan angin 0 m/s hingga 2 m/s membutuhkan waktu 45 detik. untuk stabil.

  Selain itu berdasarkan perhitungan bahwa energy angin dapat diperoleh dari persamaan [8]:

  3

  = 0.5 ……………………… (1) Gambar 16. Tegangan Output Saat Penundaan 9000µs

  Dimana :

  2 A = Luas Penampang Test Section (m )

  Luas penampang merupakan test section,yaitu

  2

  0.43 m x 0.43 m = 0.1849 m

  3

  ) ρangin = Massa Jenis Udara (1.1 Kg/m V = Kecepatan Angin (m/s)

  Maka besar daya angin yang dihasilkan saat kecepatan angin 3 m/s adalah 2.745 Watt sesuai dengan perhitungan dibawah ini:

  3

  = 0.5 Gambar 17. Hasil Gelombang Dengan Penundaan 4500µs

  = 0.5 1.1 0.1849 27 = 2.745

  Tabel 1. Hasil Pengujian Alat

  No. Kecepatan Angin Daya Angin (m/s) (Watt) 1.

  1 0.102 2. 2 0.813 3.

  3

  2.75 4.

  4

  6.5 5.

  5 Gambar 18. Tegangan Output Saat Penundaan 4500µs 12.7 6.

  6

  21.96 7.

  7 Dari hasil percobaan Gambar 15 dan Gambar 16 dapat

  34.88 dilihat bahwa saat sinyal sinusioda diberikan penundaan

  8.

  8

  52.06 sebesar 9000µs, maka akan menghasilkan tegangan output

  9.

  9

  74.13 yang berfungsi untuk memutar fan sebesar 214.3 volt.

  10. 10 102 Sedangkan berdasarkan Gambar 17 dan Gambar 18 dapat dilihat bahwa saat sinyal sinusioda diberikan penundaan sebesar 4500µs, maka akan menghasilkan tegangan output yang berfungsi untuk memutar fan sebesar 166.5 volt.

  Dari beberapa contoh diatas dapat diketahui bahwa semakin lama waktu penundaan sinyal diberikan, maka Gambar 19. Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Angin Dari hasil pengujian alat pada set point kecepatan angin 10 m/s, menghasilkan daya angin sebesar 99.27 Watt. Sedangkan untuk penundaan sinyal sebesar 6000µs tegangan yang dihasilkan sebesar 147.7 volt yang mengasilkan kecepatan angin pada fan sebesar 9.8 m/s.

4. Kesimpulan

  [5] Farhatin, Fina. 2010. Terowongan Angin. Ilmu Pengetahuan

  Angin Kecepatan Angin Daya Angin

  50 100 150 Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya

  Himran, Syukri, 2005. Energi Angin, CV Bintang Lamumpatue, Makassar.

  89-98 Doc. 2013. [8]

  Andrei C. “Blowdown wind tunnel control using an adaptive fuzzy PI controller”. INCAS BULLETIN, vol.5, issue 3 pp.

  Engineering Mechanical and Mechanics Engineering Volume 13 Issue 5 version 1. page 1-21. [7]

  Terowongan angin , Global Journal of Research in

  Singh, M., Singh, N., dan Yadav, S.K., 2013, Review of

  Bumi Dan Antariksa (IPBA) [6]

  Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:

  1. Semakin lama waktu penundaan sinyal diberikan, maka akan menghasilkan tegangan output semakin besar, artinya kecepatan angin yang dihasilkan akan semakin kencang. Sedangkan jika nilai penundaan sinyal semakin singkat, maka tegangan output yang dihasilkan akan semakin kecil yang berarti nilai kecepatan angin lebih lambat.

  06UTC Sat 2017-01-07. [Online]. [Diakses: 28 July 2017] [4]

  BMKG, “Wind speed dan Direction-Indonesia”, Valid

  Universitas Hasanuddin [3]

  Tunnel Sederhana. Jurusan Mesin Fakultas Teknik

  Terhadap Kinerja Kincir Angin Tipe Propeller Pada Wind

  [2] Ikhsan. I, Akbar. H, 2011. Analisis Pengaruh Pembebanan

  [1] BPPT. Outlook Energi Indonesia 2016 Pengembangan Energi untuk Mendukung Industri Hijau. ISBN 978-602-74702-0-0

  Daftar Pustaka

  3. Waktu respon yang dibutuhkan untuk mencapai kestabilan sistem sebesar 45 detik pada kecepatan angin 0 m/s hingga 2 m/s. Sedangkan untuk kenaikkan setiap kecepatan angin kestabilan dicapai dalam waktu 40 detik.

  2. Sedangkan untuk penundaan sinyal sebesar 6000µs tegangan yang dihasilkan sebesar 147.7 volt yang mengasilkan kecepatan angin pada fan sebesar 9.8 m/s.

  Priambada, Danang. 2012. Analisis Desain Layar 3D Menggunakan Pengujian Pada Wind Tunnel. Fakultas Teknik Kelautan Institut Sepuluh November (ITS)