http://ejournal.unp.ac.id/index.php/jtev/index
Volume 06  Number 02  2020 ISSN: 2302-3309
Received May 01, 2020; Revised May 05, 2020; Accepted May 06, 2020

## Monitoring Turbin Angin Menggunakan Smartphone Android
Randy Yonanda Pratama 1, Muldi Yuhendri 2 1,2 Jurusan Teknik Elektro, Universitas Negeri Padang *Corresponding author, e-mail: Randyyonanda997@gmail.com

## Abstrak
Turbin angin berfungsi sebagai penghasil daya mekanik untuk menggerakan generator pada pembangkit listrik tenaga angin. Salah satu faktor yang perlu diperhatikan dalam pengoperasian turbin angin adalah batas maksimum kemampuan generator. Turbin angin harus beroperasi di bawah rating generator agar tidak  menimbulkan  kerusakan  pada  generator  tersebut.  Oleh  sebab  itu,  operasi  turbin  angin  perlu dimonitor dan dikontrol agar tetap beroperasi dalam batas rating generator. Dalam paper ini diusulkan sistem monitoring turbin angin sumbu horizontal dengan menggunakan smartphone android. Monitoring turbin  angin  mencakup  parameter  kecepatan  angin  dan  kecepatan  putaran  turbin.  Data  parameter  ini diperoleh dari sensor  kecepatan angin dan  kecepatan putaran  yang diolah dengan arduino  mega 2560. Data  dari  arduino  ini  dikirim  melalui  modul  Bluetooth  HC-04  untuk  ditampilkan  pada  smartphone android. Hasil pengujian menunjukan bahwa sistem monitoring turbin angin yang diusulkan telah bekerja dengan  baik.  Hal  ini  dapat  dilihat  dari  data  kecepatan  angin  dan  kecepatan  putaran  turbin  yang ditampilkan pada android sudah persis sama dengan data pada alat ukur.

## Abstract
Wind turbines function as producers of mechanical power to drive generators in wind power plants. One factor  that  needs  to  be  considered  in  the  operation  of  wind  turbines  is  the  maximum  capacity  of  the generator.  Wind  turbines  must  operate  below  the  generator  rating  so  as  not  to  cause  damage  to  the generator. Therefore, the operation of the wind turbine needs to be monitored and controlled to keep it operating within the generator rating limits. In this paper a horizontal axis wind turbine monitoring sistem is  proposed  using  an  Android  smartphone.  Wind  turbine  monitoring  includes  wind  speed  and  turbine rotation speed parameters. This parameter data is obtained from sensors that are processed with Arduino Mega 2560. Data from Arduino is sent via the Bluetooth HC-04 module to be displayed on an Android smartphone. The experimental results show that the proposed wind turbine monitoring system has worked well. This can be seen from the wind speed and turbine rotation data that is displayed on android is exactly the same as the data on the measuring instrument.
Keywords : Turbin angin, kecepatan angin, kecepatan putaran, android, arduino mega 2560.
How  to  Cite: R.  Y.  Pratama,  M.  Yuhendri.  2020.  Monitoring  turbin  angin  menggunakan  smartphone android. JTEV, VV (N): pp. XX-XX.

## PENDAHULUAN
Daya  angin  merupakan salah satu sumber energi  terbarukan yang  dapat dimanfaatkan untuk  pembangkit  tenaga  listrik.  Ada  dua  komponen  utama  pada  pembangkit  listrik  tenaga angin, yaitu turbin angin dan generator.  Turbin angin berfungsi untuk mengkonversikan daya angin  menjadi  daya  mekanik  untuk  menggerakan  generator,  sedangkan  generator  berfungsi mengkonversikan  daya  mekanik  turbin  angin  menjadi  daya  listrik[1].  Kedua  komponen pembangkit listrik tenaga angin ini memiliki batas kemampuan yang harus diperhatikan agar tidak terjadi kerusakan atau gangguan yang tidak diinginkan. Oleh sebab itu perlu diperhatikan kapan pembangkit listrik tenaga angin harus dioperasikan atau dihentikan.
Pengoperasian turbin angin secara umum dapat dibagi ke dalam empat zona operasi, yaitu zona  1,  2,  3  dan  4  [2]-[3].  Zona  1  disebut  juga  sebagai  zona cut  in ,  dimana  pada  zona  ini kecepatan angin masih di bawah kecepatan angin yang dibutuhkan untuk menggerakan turbin angin. Pada zona ini, turbin angin tidak beroperasi. Pada zona 2, kecepatan angin berada di atas zona  1  dan  di  bawah  zona  3,  di  mana  daya  mekanik  yang  dihasilkan  turbin  angin  masih  di
bawah rating daya generator. Zona 3 adalah zona dimana daya mekanik yang dihasilkan turbin angin sudah di atas rating daya generator namun masih bisa dikendalikan, sedangkan zona 4 adalah  zona  yang  memiliki  kecepatan  angin  sudah  melampaui  kemampuan  turbin  angin, sehingga  operasi  pembangkit  harus  dihentikan,  yang  disebut  juga  sebagai  zona cut  off . Berdasarkan zona operasi ini, turbin angin hanya dioperasikan pada zona 2 dan 3 [4]-[5]. Untuk mengetahui zona operasi turbin angin ini, perlu dilakukan monitoring turbin angin, sehingga keselamatan  pembangkit  listrik  tenaga  angin  tetap  terjaga.  Beberapa  parameter  turbin  angin yang perlu dimonitor adalah kecepatan angin dan kecepatan putaran poros turbin [6]. Kecepatan angin  perlu  dimonitor  untuk  mengetahui  zona  operasi  pembangkit  listrik  tenaga  angin.  Jika kecepatan angin berada pada zona 1, maka turbin angin tidak beroperasi. Jika kecepatan angin berada pada zona 2, maka turbin beroperasi normal. Jika kecepatan angin berada pada zona 3, maka daya mekanik yang dihasilkan turbin angin harus diturunkan agar sesuai dengan rating daya generator dengan cara mengatur sudut pitch turbin, sehingga daya angin yang ditangkap turbin menjadi berkurang. Jika kecepatan angin berada pada zona 4, maka operasi turbin angin dihentikan  dengan  cara  mengatur yaw atau  sudut pitch turbin.  Selain  kecepatan  angin, kecepatan  putaran  poros  turbin  angin  juga  perlu  dimonitor  sebagai  referensi  dalam mengendalikan kecepatan agar tidak melebih rating putaran generator.
Beberapa  penelitian  telah  dilakukan  untuk  monitoring  parameter  turbin  angin,  seperti monitoring kecepatan angin berbasis komputer [7], monitoring kecepatan angin menggunakan mikrokontroller  dengan  tampilan  LCD  [1],[8],  wireless  [9]  dan  berbasis  web  [10].  Dalam penelitian ini, sistem monitoring kecepatan angin dan kecepatan putaran turbin angin diusulkan menggunakan  smartphone  android  untuk  menampilkan  datanya  dengan  arduino  mega  2560 sebagai  alat  pengolah  data  dari  sensor.  Komunikasi  data  dari  arduino  ke  android  dirancang menggunakan Bluetooth HC-05. Dengan konsep ini, monitoring turbin angin lebih fleksibel, karena android dapat dibawa dengan mudah.

## METODE
Sistem  monitoring  ini  diimplementasikan  pada  turbin  angin  sumbu  horizontal  yang menggerakan generator magnet permanen. Parameter yang dimonitor adalah kecepatan angin dan kecepatan  putaran turbin.  Sistem  monitoring terdiri dari sensor untuk  mendapatkan data kecepatan  angin  dan  kecepatan  putaran  turbin,  arduino  mega  2560  untuk  mengolah  data, android untuk menampilkan data dan Bluetooth HC-05 untuk mengirimkan data dari arduino ke android. Gambar 1 menunjukan blok diagram sistem monitoring turbin angin yang diusulkan.
Gambar 1. Blok diagram sistem monitoring turbin angin
Turbin Angin Generator Kecepatan angin Sensor kecepatan angin Sensor kecepatan putaran Arduino Mega 2560 Catu daya 5 Volt Bluetooth HC-05 Android

## 1. Sistem Monitoring Turbin Angin
Turbin  angin  yang  akan  dimonitor  dalam  penelitian  ini  adalah  turbin  angin  sumbu horizontal. Ketika turbin angin mendapat daya angin dengan kecepatan angin sebesar v w , maka turbin akan bergerak dengan kecepatan putaran ω m dan menghasilkan daya mekanik sebesar P m , yang dirumuskan dengan :
(1)
Daya  mekanik  yang  dihasilkan  turbin  angin  tidak  boleh  melebihi  rating  daya  generator. Oleh sebab itu, operasi turbin angin harus dibatasi. Parameter yang perlu diperhatikan dalam operasi turbin angin antara lain : kecepatan angin dan kecepatan putaran turbin. Berdasarkan kecepatan angin, operasi turbin angin dapat dibagi atas empat zona, yaitu zona 1, zona 2, zona 3 dan zona 4, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.
Gambar 2.  Zona Operasi turbin angin
Zona 1 berada pada zona kecepatan angin 0 sampai v w1 . Pada zona ini turbin angin tidak dioperasikan karena daya mekanik yang dihasilkan belum cukup untuk menggerakan generator. Zona 2 berada pada zona kecepatan angin v w1 sampai v w2 . Pada zona ini daya mekanik turbin angin  di  bawah  rating  daya  generator.  Pada  zona  ini  kecepatan  putaran  turbin  dikendalikan untuk  tetap pada titik koefisien daya maksimum C p_max untuk mendapatkan daya maksimum pada setiap variasi  kecepatan angin.  Sudut  pitch turbin β dibuat konstan  pada titik koefisien daya  maksimum.  Zona  3  berada  pada  zona  kecepatan  angin v w2 sampai v w3 .  Pada  zona  2 kecepatan generator dijaga tetap konstan dengan mengendalikan daya mekanik turbin melalui pengaturan sudut pitch turbin β . Daya mekanik dikontrol agar sama dengan rating daya elektrik generator sehingga kecepatan tetap konstan. Zona 4 berada pada zona kecepatan besar dari v w3 . Pada zona ini turbin angin tidak dioperasikan karena kecepatan angin sudah melampaui batas kemampuan turbin angin.
Untuk mengetahui zona operasi turbin angin, maka kecepatan putaran turbin dan kecepatan angin perlu dimonitor. Dalam penelitian ini dirancang sistem monitoring turbin angin dengan menggunakan  android untuk  menampilkan data  kecepatan angin  dan data kecepatan putaran turbin.  Sistem  monitoring  diimplementasikan  dengan  menggunakan  sensor  kecepatan  angin dan  sensor  kecepatan  putaran  untuk  mendapatkan  data  kecepatan  angin  dan  data  kecepatan putaran  turbin,  kemudian  data  ini  diolah  dengan  arduino  mega  2560  untuk  dikirimkan  dan
2 3 0.5 m w p p w P P C C R v     p C m P 0 1 w v 2 w v , , r m p PC  r  Cut in Zona 2 Zona 3 _ max p C 0   0   _ max_ m rat P w v ( / sec) m 3 w v Cut out Zona 1 Zona 4
ditampilkan  pada  smartphone  android.  Komunikasi  data  antara  arduino  dengan  android dirancang  menggunakan Bluetooth HC-05.  Gambar  3  menunjukan  rancangan  hardware rangkaian  sistem  monitoring  turbin  angin  serta  tampilan  sistem  monitoring  pada  layar smartphone android.
Gambar 3. Hardware rangkaian  dan tampilan sistem monitoring turbin angin
2. Sensor Kecepatan Putaran Turbin Angin
Kecepatan putaran turbin angin   ditentukan oleh kecepatan  angin, tip speed ratio turbin angin ( λ ) dan jari jari sudu turbin, yang dirumuskan dengan [6]:
(2)
Kecepatan putaran turbin ini harus diperhatikan agar tidak melebihi kemampuan generator. Oleh  sebab  itu  perlu  dilakukan  monitoring  kecepatan  putaran  turbin  dengan  menggunakan sensor kecepatan putaran. Dalam penelitian ini digunakan sensor kecepatan putaran jenis rotary encoder , yang terdiri dari sepasang photo dioda, piringan yang memiliki celah serta rangkaian pembangkit dan penerima sinyal. Gambar 4 menunjukan skema rotary encoder yang digunakan dalam penelitian ini.
Gambar 4. Skema rotary encoder w m v R   
Sensor  ini  bekerja  dengan  menghitung  jumlah  pulsa  yang  dihasilkan  oleh  rangkaian penerima.  Rangkaian  penerima  akan  menghasilkan  pulsa  jika  menangkap  cahaya  yang dihasilkan oleh photo diode. Hal ini terjadi ketika cahaya melewati celah yang ada di piringan. Dengan  konsep  ini,  maka  kecepatan  putaran  (  m )  dalam  satuan  putaran  permenit  dapat dirumuskan dengan :
(rpm) (3)
Untuk mengetahui kecepatan putaran turbin angin, maka sensor kecepatan ini ditempatkan pada poros turbin, yang terletak antara turbin angin dengan generator, seperti yang ditunjukan oleh Gambar 5 berikut.

## Gambar 5. Posisi rotary encoder

## 3. Sensor Kecepatan Angin
Berdasarkan Persamaan (2), maka kecepatan angin yang merupakan kecepatan linear dapat ditentukan  dari  kecepatan  putaran  turbin  angin.  Hal  ini  dapat  dilakukan  dengan mengkonversikan kecepatan putaran turbin menjadi kecepatan linear. Dengan konsep ini, maka sensor  kecepatan  angin  juga  dirancang  dengan  menggunakan rotary  encoder . Implementasi rotary encoder untuk sensor kecepatan angin dapat dilakukan dengan menambahkan mangkok- mangkok pada poros rotary encoder . Mangkok-mangkok ini akan berputar jika dikenai angin. Gambar  6  menunjukan  rancangan  sensor  kecepatan  angin  yang  dipakai  dalam  penelitian  ini berdasarkan prinsip rotary encoder .
Gambar 6. Sensor kecepatan angin
Jumlah pulsa terbaca 60 Jumlah celah piringan m   
Kecepatan  angin  ( v w )  yang  diukur  oleh  sensor  ini  merupakan  konversi  dari  kecepatan putaran poros menjadi kecepatan linear, dimana besaran kecepatan linearnya ditentukan oleh jari-jari  mangkok  ( r )  yang  digunakan.  Berdasarkan  konsep  ini,  maka  kecepatan  angin  yang terdata oleh sensor ini dalam satuan meter perdetik dapat dirumuskan dengan [9]:
(m/dt) (4)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem  monitoring  yang  dibuat  dalam  penelitian  ini  diuji    di  laboratorium.  Gambar  7 menunjukan proses pengujian alat yang dibuat. Dalam pengujian ini, digunakan blower sebagai penghasil  kecepatan  angin  yang  akan  menggerakan  turbin  angin.  Sensor  kecepatan  angin dipasang  diantara  turbin  angin  dengan blower ,  seperti  yang  ditunjukan  oleh  Gambar  7.  Alat sistem  monitoring  turbin  angin  ini  diuji  dengan  kecepatan  angin  yang  bervariasi.  Variasi kecepatan angin diperoleh dengan cara memvariasikan tegangan motor blower menggunakan autotranformator.  Data  pengujian  berupa  data  kecepatan  angin  dan  data  kecepatan  putaran turbin yang ditampilkan pada layar smartphone android divalidasi dengan cara membandingkan nilainya dengan data dari alat ukur yang digunakan, yaitu anomemeter digital untuk mengukur kecepatan angin dan tachometer digital untuk mengukur kecepatan putaran turbin angin.

## Gambar 7. Proses pengujian alat
Pengujian dilakukan sebanyak enam tahap dengan mengatur tegangan motor blower mulai 100 Volt sampai 380 Volt. Gambar 8(a) menunjukan tampilan layar smartphone android dan layar anemoter yang menunjukan data kecepatan angin. Pada pengujian pertama, Smartphone android  menunjukan  data  kecepatan  angin  sebesar  6,44  m/dt,  sedangkan  anemometer menunjukan hasil pengukuran sebesar 6,41 m/dt. Hasil ini menunjukan bahwa data kecepatan angin yang ditunjukan oleh smartphone android sudah mendekati sama dengan data kecepatan angin yang ditunjukan oleh anemometer dengan error sebesar 0,03 m/dt. Berdasarkan hasil ini
2 Jumlah pulsa terbaca
Jumlah celah piringan w m v r r     
dapat disimpulkan bahwa rancangan sistem monitoring kecepatan angin dengan menggunakan android  sudah  dapat  menghasilkan  data  kecepatan  angin  sesuai  dengan  nilai  realnya  dengan error yang cukup kecil.
(a)                                                                    (b)

## Gambar 8. Hasil pengujian
(a) Data Kecepatan angin, (b) data kecepatan putaran motor
Gambar  8(b)  menunjukan  data  kecepatan  putaran  turbin  yang  ditampilkan  oleh  layar smartphone android dan layar tachometer ketika tegangan motor blower 250 Volt. Smartphone android  menunjukan  data  kecepatan  putaran  turbin  sebesar  152,53  rpm,  sedangkan  layar tachometer menunjukan hasil pengukuran sebesar 152,1 rpm. Hasil ini menunjukan bahwa hasil pengukuran kecepatan putaran turbin angin dengan smartphone android sudah mendekati sama dengan hasil pengukuran dengan tachometer digital dengan error yang cukup kecil, yakni hanya sebesar  0,43  rpm.  Berdasarkan  hasil  pengujian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  data  kecepatan putaran turbin yang ditampilkan pada layar smartphone android sudah mendekati sama dengan hasil pengukuran sebenarnya menggunakan tachometer. Rekapitulasi data kecepatan angin dan data kecepatan putaran turbin angin pada semua pengujian dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Rekapitulasi hasil pengujian Tegangan Motor Blower (Volt) Kecepatan Angin (m/dt) Kecepatan putaran (rpm) Smartphone Android Anemometer Smartphone Android Tachometer 100 6,44 6,41 124,05 123,82 150 7,22 7,06 133,89 133,38 200 7,61 7,52 140,67 140,03 250 7,91 8,07 152,53 152,10 300 8,24 8,41 161,10 161,70 380 8,89 8,97 180,32 181,08
Semua  hasil  pengujian  pada  Tabel  1  menunjukan  bahwa  data  kecepatan  angin  dan  data kecepatan  putaran  turbin  yang  ditampilkan  pada  layar  smartphone  android  sudah  mendekati sama dengan nilai yang terbaca pada alat ukur, baik pada anemometer maupun pada tachometer. Hasil ini menunjukan bahwa rancangan sistem monitoring turbin angin dengan menggunakan android  sudah  dapat  bekerja  dengan  baik  dalam  memonitor  kecepatan  angin  dan  kecepatan putaran turbin.

## PENUTUP
Penelitian  ini  mengusulkan  sistem  monitoring  turbin  angin  menggunakan  smartphone android. Parameter turbin angin yang dimonitor adalah kecepatan angin dan kecepatan putaran turbin.  Sistem  monitoring  kecepatan  angin  dan  kecepatan  putaran  turbin  dirancang  dengan menggunakan  sensor  rotary  encoder  yang  dilengkapi  dengan  arduino  mega  2560  sebagai pengolah  data  dan  Bluetooth  HC-05  sebagai  media  komunikasi  data  antara  android  dengan arduino mega 2560. Rancangan alat sistem monitoring turbin angin ini diuji dengan kecepatan angin yang bervariasi dan divalidasi dengan alat ukur kecepatan angin dan alat ukur kecepatan putaran turbin. Hasil pengujian menunjukan bahwa data kecepatan angin dan data kecepatan putaran  turbin  telah  sesuai  dengan  nilai  yang  sebenarnya.  Hal  ini  dapat  dilihat  dari  hasil pembacaan  alat  ukur  sudah  mendekati  sama  dengan  nilai  yang  ditampilkan  pada  laya smartphone android.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Amrullah. Monitoring Turbin Angin Berbasis Arduino , Tugas Akhir, Universitas Negeri Padang, 2019.
[2] M. Yuhendri, M. Ashari dan M.H. Purnomo, “Maximum output power tracking dengan metode direct field oriented  control  pada  pembangkit  listrik  tenaga  angin  stand  alone,” Proceeding  of  Seminar  Nasional Fakultas Teknologi Industri (SNFTI) XIV , pp. B01.1 - B01.10, July 2009
[3] J.F.  Manwell,  J.G.  McGowan  dan  A.  L.  Rogers. Wind  Energy  Explained  :  Theory,  Design  and Applicationsecond edition . West Sussex  : John Willey & Sons Ltd, 2009.
[4] T. N. Robby, M. Ramdhani dan C. Ekaputri, “Alat ukur kecepatan angin, arah angin, dan ketinggian,” e- Proceeding of Engineering , vol. 4, pp. 11-20, Agustus 2017.
[5] M. Yuhendri., Aslimeri dan M. Muskhir, “Optimum torque control of stand alone wind turbine generator sistem fed single phase boost inverter,” in Proc. 2 nd International Conference on Electrical Engineering and Informatic , October 2018, pp. 148-153.
[6] M. Yuhendri dan Aslimeri, “Optimum torque control of direct driven wind energy conversion sistems fed sparse matrix converter,” Journal of Electrical Sistem , vol. 14, pp. 12-25,  September 2018.
[7] A. R. Hakim, Litasari dan Djuniadi, “Alat ukur kecepatan dan arah angin berbasis komputer,” Jurnal Teknik Elektro , vol. 1, pp. 71-77, Januari 2009.
[8] R.  Prabowo,  A.  Muida  dan  R.  Adriat,  “Rancang  bangun  alat  pengukur  kecepatan  angin  berbasis mikrokontroler ATMega 328P,” Prisma Fisika , vol. 6, pp. 94-100, 2018.
[9] O. Derek, E. K. Allo dan N. M. Tulung, “Rancang bangun alat monitoring kecepatan angin dengan koneksi wireless menggunakan arduino uno,” E-Journal Teknik Elektro dan Komputer , vol. 5, pp. 1-7,  Juli 2016.
[10] Y. Pramono, Warsito dan Syafriadi, “Monitoring data kecepatan dan arah angin secara real time melalui web , ” Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika, vol. 4, pp. 221-226, Juli 2016.

## Biodata Penulis
Randy Yonanda Pratama , lahir di Jakarta pada tanggal 20 Juli  1996. Saat ini sedang menyelesaikan program sarjana sain terapan DIV Teknik Elektro Industri di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.
Muldi Yuhendri, dilahirkan di Agam pada tanggal 13 Desember 1981. Menyelesaikan program Sarjana di jurusan  teknik elektro  Universitas Negeri Padang pada tahun 2005 dan program  S2 di ITS  Surabaya pada tahun 2009 serta S3 Ilmu Teknik Elektro pada tahun 2017 di kampus yang sama. Bekerja sebagai staf pengajar di jurusan teknik elektro Universitas Negeri Padang sejak tahun 2006 sampai sekarang.