Kontrol Kecepatan Angin pada Wind Tunnel
Berbasis Logika Fuzzy
Budhy Setiawan *a),Septyana Riskitasaria),Sungkonoa), Indrasno Sirajuddina), Hari Kurnia Safitria)
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
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. 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].
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].
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 tunnel sebagai media pengujian model wind turbine sebelum dibuat secara real. Dengan memanfaatkan wind tunnel, maka dapat menganalisa karakteristik dari wind turbine dengan mengetahui efisiensi dari wind turbine dari setiap kecepatan angin.
Ada dua tipe dasar dari Wind Tunnel, yaitu Open Circuit Tunnel dan Closed Circuit Tunnel. Sedangkan berdasarkan kecepatan udara, wind tunnel dibedakan atas Subsonic wind tunnel (v < 0.3 Mach), Transonic wind tunnel (0.8 Mach – 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].
Terdapat penelitian sebelumnya yang telah dilakukan yaitu mengenai perancangan wind tunnel menggunakan fuzzy PIcontroller, dimana kestabilan sistemnya mencapai 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 VAWT untuk kebutuhan Laboratorium Konversi Energi Politeknik Negeri Malang. Pengujianwind turbine ＊ Korespondensi: budhy.setiawan@polinema.ac.id
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.
Wind tunneldirancang 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.
2. Metode Penelitian
2.1 Spesifikasi Alat
Pada pembuatan wind tunnel dengan pengaturan kecepatan angin yang terdapat beberapa spesifikasi alat, yaitu:
Bagian Fan
Diameter : 512 mm x 512 mm
Bahan casis/ base : Stainless Steel Bagian Setting Chamber
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)
Bahan : Plat Besi tebal 1 mm
Panjang : 1000 mm
Keterangan: Terletak pada bagian Nozzle Bagian Rangka Penyangga
Panjang : 3500 mm
Tinggi : 800 mm
Bahan : Besi tebal 5 mm
Spesifikasi Elektronik
1. Sensor :Anemometer (Kecepatan Angin) 2. Processor : Arduino UNO dan Arduino NANO 3. Wind Speed Range : 0 m/s – 29.055 m/s 4. Actuator : FAN AC
Jenis motor : Induksi 1 phasa Starting : Starting Capasitor
Daya : 1500 watt saat 50 Hz 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 turbinetipe 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.
2.3 Blok Diagram Sistem
Berikut adalah blok dari sistem yang terdiri dari input, proses, output, dan power supply dapat dilihat pada gambar.
2.4 Flowchat Alat
Perancangan software pada pembuatan alat pengontrol kecepatan angin didalam wind tunnel dapat dijelaskan pada flowchat dibawah ini:
Gambar 2. Flowchat Perancangan Software
2.5 Desain Mekanik
Wind tunnel terdiri dari beberapa bagian penyusunnya, yaitu:
1. Bagian FAN
FAN AC berfungsi sebagai penghasil angin yang kemudian kecepatan angin yang dihasilkan akan dikontrol.
Gambar 3.FAN AC Wind Tunnel
2. Bagian Setting Chamber
Setting chamber merupakan penghubung antara FAN dan test section, yang berfungsi untuk mengurangi terjadinya getaran dan turbulensi aliran angin wind tunnel.
Gambar 4.Setting Chamber Wind Tunnel
3. Bagian Test Section
Test section berfungsi sebagai tempat meletakkan
objek yang diamati (wind turbine tipe VAWT)
Gambar 5.Test Section Wind Tunnel
4. Bagian Nozzle
Nozzle berfungsi sebagai sebagai corong tempat masuknya angin dari luar ke test section.
Gambar 6. Nozzle Wind Tunnel
5. Bagian Screen
Screen berfungsi sebagai sebagai penyeragam aliran angin yang akan masuk ke test section.
Gambar 7. Screen Wind Tunnel
2.6 Desain Elektronik
Pada bagian desain elektronik terdiri dari pembuatan rangkaian sensor anemometer dan kontrol phasa, sebagai berikut:
Gambar 8.Rangkaian Anemometer-Arduino UNO
Dimana hasil pembacaan sensor berupa tegangan minimum dan maksimum diterjemahkan kedalam bilangan digital. Jumlah bilangan high “1” selama 2 detik (waktu
5V
sampling) akan dihitung dan dikonversi menjadi nilai rpm. Dari nilai rpm tersebut akan dikonversi menjadi nilai kecepatan angin (m/s).
Gambar 9. Rangkaian Kontrol Phasa-Arduino NANO
Sedangkan Gambar 9 adalah rangkaian kontrol phasa yang terhubung pada Arduino NANO. Rangkaian kontrol phasa yang dilengkapi zero crossing detector berfungsi untuk mendeteksi waktu start gelombang sinusoida yang besar penundaan sinyalnya diatur untuk menggerakkan FAN AC.
2.7 Kontrol Logika Fuzzy
Kontrol Logika Fuzzy (KLF) pada sistem ini berfungsi sebagai pengambil keputusan untuk mengatur seberapa kencang putara fan sehingga menghasilkan kecepatan angin sesuai dengan set point yang telah ditentukan. Proses perancangan kontrol logika fuzzy pada sistem ini terdiri dari dua keanggotaan input dan satu keanggotaan output. Gambar 10 dan gambar 11 merupakan dua keanggotaan input yaitu keanggotaan error(E) dan keanggotaan ∆error(dE).
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 Sedikit Besar (ASB), error Angin Besar Besar (ABB), dan error Tornado (T).
Gambar 11. Fungsi Keanggotaan ∆error(dE)
Sedangkan Gambar 11 merupakan input kedua fuzzy yaitu keanggotaan ∆error(dE) memiliki fungsi keanggotaan ∆error Angin Negatif (AN), ∆error Angin Zero (AZ), dan
∆error Angin Positif (AP).
Gambar 12. Fungsi Output (putaran fan)
Fuzzy Rule Base ini terdiri dari pernyataan-pernyataan logika fuzzy yang dibuat untuk pengontrolan kecepatan angin pada wind tunnel. Proses penyusunan Fuzzy Rule Base akan berpengaruh dengan nilai output putaran fan dan sangat berpengaruh pada pengambilan keputusan yang akan dilakukan oleh plant. Berdasarkan pada basisaturan fuzzy, perancangan rule base menggunakan metode Weighted Average, dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Gambar 13. Rule Base Fuzzy
3. Hasil dan Pembahasan
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 14. Gelombang Zero Crossing Detector
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.
(E) (dE)
eTA eAK eAS eAB eASB eABB eT
dE AN PZ PS PB PB PBB PBB PBB
dE AZ PZ PS PS PS PB PBB PBB
dE AP PK PK PK PK PS PB PBB
Gambar 15. Hasil Gelombang Dengan Penundaan 9000µs
Gambar 16. Tegangan Output Saat Penundaan 9000µs
Gambar 17. Hasil Gelombang Dengan Penundaan 4500µs
Gambar 18. Tegangan Output Saat Penundaan 4500µs
Dari hasil percobaan Gambar 15 dan Gambar 16 dapat dilihat bahwa saat sinyal sinusioda diberikan penundaan sebesar 9000µs, maka akan menghasilkan tegangan output yang berfungsi untuk memutar fan sebesar 214.3 volt. 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 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.
KESTABILAN SISTEM
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]:
𝑃𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 0.5𝑥𝜌𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛𝑥𝐴𝑥𝑉3 ……… (1)
Dimana :
A = Luas Penampang Test Section (m2)
Luas penampang merupakan test section,yaitu 0.43 m x 0.43 m = 0.1849 m2
ρangin = Massa Jenis Udara (1.1 Kg/m3) 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:
𝑃𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 0.5𝑥𝜌𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛𝑥𝐴𝑥𝑉3
𝑃𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 0.5𝑥1.1𝑥0.1849𝑥27
𝑃𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 2.745 𝑊𝑎𝑡𝑡
Tabel 1. Hasil Pengujian Alat
No. Kecepatan Angin
(m/s)
Daya Angin (Watt)
1. 1 0.102
2. 2 0.813
3. 3 2.75
4. 4 6.5
5. 5 12.7
6. 6 21.96
7. 7 34.88
8. 8 52.06
9. 9 74.13
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
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.
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.
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.
Daftar Pustaka
[1] BPPT. Outlook Energi Indonesia 2016 Pengembangan Energi untuk Mendukung Industri Hijau. ISBN 978-602-74702-0-0 [2] Ikhsan. I, Akbar. H, 2011. Analisis Pengaruh Pembebanan
Terhadap Kinerja Kincir Angin Tipe Propeller Pada Wind
Tunnel Sederhana. Jurusan Mesin Fakultas Teknik
Universitas Hasanuddin
[3] BMKG, “Wind speed dan Direction-Indonesia”, Valid
06UTC Sat 2017-01-07. [Online]. [Diakses: 28 July 2017] [4] Priambada, Danang. 2012. Analisis Desain Layar 3D
Menggunakan Pengujian Pada Wind Tunnel. Fakultas Teknik Kelautan Institut Sepuluh November (ITS)
[5] Farhatin, Fina. 2010. Terowongan Angin. Ilmu Pengetahuan Bumi Dan Antariksa (IPBA)
[6] Singh, M., Singh, N., dan Yadav, S.K., 2013, Review of Design and Construction of an Open Circuit Low Speed
Terowongan angin, Global Journal of Research in Engineering Mechanical and Mechanics Engineering Volume 13 Issue 5 version 1. page 1-21.
[7] Andrei C. “Blowdown wind tunnel control using an adaptive
fuzzy PI controller”. INCAS BULLETIN, vol.5, issue 3 pp. 89-98 Doc. 2013.
[8] Himran, Syukri, 2005. Energi Angin, CV Bintang Lamumpatue, Makassar.
0 50 100 150
Grafik Hubungan Kecepatan Angin dan Daya Angin
