## SIMULASI DAN PERANCANGAN BILAH TURBIN ANGIN SAVONIUS HELIKS DENGAN MEMANFAATKAN FENOMENA ANGIN PADA GEDUNG TINGGI

## SAVONIUS HELICAL WIND TURBINE SIMULATION AND DESIGN BY UTILIZING WIND PHENOMENON ON A HIGH BUILDING
Muhammad Irfan *
Program Studi Teknik Mesin , Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana, Bekasi, Indonesia email: irfanhandsome95@gmail.com *
Received: 7 Februari 2022
Accepted:
27 Juni 2022
Published:
27 Juni 2022 © 2022 SJME
Kinematika All Rights Reserved.

## Abstrak
Bentuk  topografi  bumi  yang  tidak  rata  menyebabkan  banyaknya  terjadi fenomena yang dapat membelokkan dan mengubah karakter kecepatan angin. Fenomena  ini  dapat  terjadi  karena  faktor  alam  dan  faktor  campur  tangan manusia.  Hadirnya  kompleks  gedung  tinggi  menjadi  salah  satu  penyebab terjadinya  fenomena downwash dan venturi  effect. Kedua  fenomena  tersebut terkenal  karena  menghasilkan  hembusan  angin  yang  cukup  signifikan  untuk mengganggu  kenyamanan  pejalan  kaki.  Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini penulis akan menghitung perubahan karakter kecepatan angin dengan pengaruh kedua  fenomena  tersebut  sebagai  potensi  energi  penggerak  untuk  tiga  varian turbin angin sumbu vertikal tipe heliks dengan media simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD). Proses simulasi terbagi menjadi dua tahap, yang pertama penulis  menjalankan  simulasi  pengaruh  fenomena  angin  terhadap  karakter kecepatan angin alami, yang menunjukkan adanya peningkatan kecepatan angin sebesar 40%. Dan yang terakhir yaitu simulasi keluaran daya masing – masing varian  turbin  angin  dengan  menggunakan  data  kecepatan  angin  pada  tahap sebelumnya.  Hasilnya  menunjukkan  bahwa  turbin  angin  sumbu  vertikal  tipe heliks  dengan  variasi  bilah  normal  dapat  menghasilkan  daya  optimal  sebesar 447,8 watt.
Kata Kunci: turbin angin sumbu vertikal (TASV), downwash , venturi effect , computational fluid dynamics (CFD)

## Abstract
The shape of the earth's uneven topography causes many phenomena to occur that can deflect and change the character of wind speed. This phenomenon can occur due to natural factors and human intervention factors. The presence of a high-rise building complex is one of the causes of the downwash and venturi effect phenomena. Both phenomena are famous for producing wind gusts that are significant enough to disturb pedestrian comfort. Therefore, in this study the author will calculate the change in wind speed character with the influence of these two phenomena as the potential driving energy for three variants of helical type  vertical  axis  wind  turbines  with  Computational  Fluid  Dynamic  (CFD) simulation media. The simulation process is divided into two stages, the first is the author runs a simulation of the effect of wind phenomena on the natural
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
wind speed character, which shows an increase in wind speed of 40%. And the last is a simulation of the power output of each wind turbine variant using wind speed data in the previous stage. The results show that a helical type vertical axis wind turbine with a normal blade can produce an optimal power of 447,8 watt.
Keywords: vertical axis wind turbine (VAWT), downwash, venturi effect, computational fluid dynamics (CFD)
DOI:10.20527/sjmekinematika.v7i1.211
How  to  cite :  Irfan,  M. , “Simulasi  dan  Perancangan  Bilah  Turbin  Angin  Savonius  Heliks  dengan Memanfaatkan  Fenomena  Angin  pada  Gedung  Tinggi” .  Scientific  Journal  of  Mechanical  Engineering Kinematika, 7(1), 9-27, 2022’

## PENDAHULUAN
Kecepatan angin pada permukaan bumi dipengaruhi oleh beberapa faktor eksternal, salah satunya adalah jenis topografi yang dilalui angin. Kehadiran hambatan non  – alami seperti dinding gedung tinggi dan celah antara gedung memungkinkan munculnya fenomena wind  tunnel yang  dapat  mengubah  karakteristik  pada  angin  yang  melewati  area  tersebut. Downwash dan venturi  effect merupakan  beberapa  contoh  dari wind  tunnel  effect .  Dua fenomena ini terkenal  karena menghasilkan hembusan  angin  yang cukup signifikan  yang dapat mengganggu kenyamanan para pejalan kaki [1].
Angin yang telah dipengaruhi oleh dua fenomena angin di atas mengalami perubahan karakteristik kecepatan yang memiliki potensi energi yang cukup besar. Akan tetapi penulis belum  menemukan  penelitian  yang  berfokus  dalam  pemanfaatan  dua  fenomena  di  atas sebagai  sumber  energi  alternatif.  Dengan  menggunakan  program Computational  Fluids Dynamic (CFD),  penulis  akan  menghitung  perubahan  karakteristik  kecepatan  angin  dan potensi energi  yang dimiliki angin dengan pengaruh downwash dan venturi effect dengan menghitung daya yang dihasilkan oleh turbin angin yang digerakkan oleh angin ini.
Turbin angin sumbu vertikal (TASV) menjadi pilihan yang tepat untuk pemanfaatan fenomena angin di atas. Jenis turbin ini merupakan jenis turbin angin yang paling banyak diminati pada daerah urban dan perumahan karena turbin jenis ini dapat dipasang di atap maupun dekat dengan tanah. Selain karena sistem operasinya yang bersifat omni directional (segala arah) , turbin ini juga dapat beroperasi pada kecepatan rendah dan kecepatan tinggi di mana turbin angin sumbu horizontal harus dinon-aktifkan demi faktor keselamatan [2] serta tubin ini tidak memerlukan energi untuk memulai putaran awal.
Pada penelitian ini penulis menggunakan turbin angin sumbu vertikal (TASV) tipe heliks, karena selain efisiensi yang tinggi, turbin ini tidak memiliki mekanisme yaw untuk mengarahkan turbin menuju arah tiupan angin yang menjadi salah satu alasan mengapa jenis turbin  ini lebih  murah,  lebih  sederhana  dan  berukuran  lebih  kecil  dibanding  jenis  sumbu horizontal [3] Jenis turbin ini juga minim polusi suara berkat desain sudu yang berbentuk heliks yang memungkinkan penyebaran torsi yang merata pada tiap bucket [4] dan desainnya yang estetis menjadikan turbin ini lebih sedap dipandang mata.

## 1. Turbin Angin
Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan sebagai mesin konversi energi untuk mengubah  energi  angin  menjadi  bentuk  energi  lain.  ada  awalnya  turbin  angin  ini  dibuat untuk memenuhi kebutuhan para petani seperti penggilingan padi, keperluan irigasi, dan lain -  lain.  Dahulu  turbin  angin  banyak  digunakan  di  Denmark,  Belanda,  dan  negara-negara Eropa lainnya, dan lebih dikenal dengan windmill [5] .
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika

## 2. Turbin Angin Sumbu Vertikal
Turbin angin sumbu vertikal (TASV) memiliki poros rotor utama yang disusun tegak lurus  sehingga  turbin  ini  dapat  beroperasi  secara omni  directional (segala  arah).  Dengan sistem ini, turbin angin dapat menghasilkan keluaran yang optimal walaupun tiupan angin bervariasi. TASV mampu mendayagunakan angin dari berbagai arah [2].
Dengan sumbu vertikal, instrumen lain seperti generator dan baterai dapat ditempatkan dekat  dengan  tanah.    Jadi  menara  tidak  perlu  menanggung  beban  tambahan  dan mempermudah  akses  pemeliharaan.  Akan  tetapi  hal  ini  menyebabkan  sejumlah  desain menghasilkan tenaga putaran yang berdenyut. Drag (gaya yang menahan pergerakan sebuah benda padat melalui fluida) bisa saja tercipta saat kincir berputar.
Jika  dilihat  dari  prinsip  aerodinamik  rotor  yang  digunakan,  turbin  angin  sumbu vertikal dibagi menjadi dua bagian yaitu:
 Turbin angin darrieus
Turbin angin Darrieus atau yang lebih dikenal sebagai turbin eggbeater. Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges Darrieus pada tahun 1920-an. Turbin angin Darrieus  merupakan  turbin  angin  yang  menggunakan  prinsip  aerodinamik.  Dengan memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin [3]. Turbin Darrieus memiliki revolusi per menit yang lebih tinggi dari pada jenis Savonius yang menjadikan turbin ini lebih diutamakan dalam menghasilkan listrik. Namun turbin  ini membutuhkan energi awal untuk putaran awal. Variasi rotor turbin Darrieus umunya disebut turbin H dan memiliki 2 – 3 buah sudu.
 Turbin angin savonius
Rotor Savonius dikembangkan pertama kali oleh Sigurd Savonius pada tahun 1922. Savonius banyak digunakan sebagai  sebuah rotor,  di  mana bentuknya dibuat dari sebuah silinder yang dipotong pada sumbu bidang sentral menjadi dua bagian. Dan bagian tersebut disusun menyilang menyerupai huruf S [3].

## Gambar 1. Turbin Savonius Standar [3]
Gambar 1 mengilustrasikan prinsip kerja turbin angin sumbu vertikal. Udara ditangkap pada bagian cekung bilah dan memutar turbin. Aliran angin yang menabrak bagian cembung menghasilkan gaya drag yang lebih kecil. Perbedaan gaya drag inilah yang menyebabkan turbin berputar [3].
Gambar 2. Efisiensi Kerja Turbin Angin Konvensional [6]
Gambar 2 adalah grafik performa dari beberapa turbin angin konvensional yang paling banyak digunakan.  Pada Gambar 2 menunjukkan kurva hubungan antara rasio perbandingan daya  turbin dengan  daya angin  (C p ), sebagai fungsi dari speed  ratio λ atau perbandingan kecepatan turbin angin dengan kecepatan angin. Kurva tersebut menunjukkan bahwa turbin angin  sumbu  horizontal  ( two-  or  three-  bladed  airscrew )  memiliki  efisiensi  terbaik dibandingkan  dengan  turbin  angin  lainnya.  Di  sisi  lain  turbin  savonius  sumbu  vertikal memiliki efisiensi yang lebih rendah, yaitu pada nilai λ 1.0 dihasilkan Cp 0.2.
Kelebihan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) [7] :
1) Tidak membutuhkan struktur menara yang besar
2) Sebuah  TASV  bisa  diletakkan  lebih  dekat  ke  tanah.  Membuat  pemeliharaan  bagian- bagiannya yang bergerak jadi lebih mudah.
3) TASV  memiliki  kecepatan  awal  angin  yang  lebih  rendah  daripada  TASH.  Biasanya TASV mulai menghasilkan listrik pada 10 kmh.
4) TASV biasanya memiliki tip speed ratio (perbandingan antara kecepatan putaran dari ujung  sebuah  bilah  dengan  laju  sebenarnya  angin)  yang  lebih  rendah.  Sehingga menghasilkan putaran yang tidak berisik
5) TASV  bisa  didirikan  pada  lokasi-lokasi  di  mana  struktur  yang  lebih  tinggi  dilarang dibangun.
6) TASV  yang  ditempatkan  di  dekat  tanah  bisa  mengambil  keuntungan  dari  berbagai lokasi.  Yang  menyalurkan  angin  serta  meningkatkan  laju  angin  (seperti  gunung  atau bukit yang puncaknya datar dan puncak bukit).
7) TASV beroperasi secara omni directional (segala arah)
8) TASV ramah marga satwa
Kekurangan Turbin Angin Sumbu Vertikal (TASV) [7] :
1) TASV  memproduksi  energi  lebih  kecil  jika  dibandingkan  dengan  TASH  karena pengaruh gaya drag yang dapat mempengaruhi kecepatan putar rotor
2) Angin pada elevasi tinggi tidak mempengaruhi keluaran dari TASV
3) Sebuah TASV yang menggunakan kabel untuk menyanggahnya memberi tekanan pada bantalan  dasar  karena  semua  berat  rotor  dibebankan  pada  bantalan.  Kabel  yang dikaitkan ke puncak bantalan meningkatkan daya dorong ke bawah saat angin bertiup.
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika

## 3. Savonius dengan Rotor Heliks
Rotor  Savonius  tipe  ini pertama  kali  dikenalkan  tahun  2006  oleh  suatu  perusahaan bernama “ Helix Wind ”. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3, rotor ini memiliki desain yang  sedikit  rumit  jika  dibandingkan  dengan  jenis  rotor  lainnya,  yaitu  berbentuk  heliks. Namun  bentuk  heliks  ini  memungkinkan  variasi  torsi  yang  merata  di  semua bucket nya, sehingga tipe rotor ini memiliki putaran yang lebih halus.
Gambar 3. Rotor Savonius Berbentuk Heliks [4]
Selanjutnya geometri turbin ini dapat dipadukan dengan beberapa konfigurasi turbin savonius. Jenis konfigurasi ini dapat berupa bentuk bilah profil U, profil S dan profil L yang memiliki keluaran daya paling optimal [8].

## 4. Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)
Sistem konversi energi angin merupakan suatu sistem yang bertujuan untuk mengubah energi potensial angin menjadi energi mekanik poros oleh rotor.  Untuk kemudian diubah lagi oleh alternator menjadi energi listrik. Prinsip utamanya adalah mengubah energi listrik yang dimiliki angin menjadi energi kinetik poros. Besarnya energi yang dapat ditransferkan ke  rotor  tergantung  pada  massa  jenis  udara,  luas  area  dan  kecepatan  angin.  Hal  ini selanjutnya akan dibahas melalui persamaan-persamaan. Energi kinetik untuk suatu massa angin m yang bergerak dengan kecepatan v yang nantinya akan diubah menjadi energi poros dapat dirumuskan sebagai berikut [4]:
𝐸 = 1 2 𝑚𝑣 2 (1)
di mana: E  : Energi Kinetik (Joule) M : massa udara yang bergerak (kg) v  : kecepatan angin (m/s)
Energi kinetik yang terkandung dalam angin inilah yang ditangkap oleh turbin angin untuk memutar rotor. Dengan menganggap suatu penampang melintang A , di mana udara dengan kecepatan v mengalami pemindahan volume untuk setiap satuan waktu, yang disebut dengan aliran volume V sebagai persamaan [4]:
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
𝑉 = 𝑣𝐴 (2)
di mana: V  : laju volume ( 𝑚 3 /s) v   : kecepatan angin ( m/s ) A  : luas area sapuan rotor ( 𝑚 2 )
Sedangkan aliran massa dengan kecepatan udara v sebagai [9]:
𝑚 = ⍴𝐴𝑣 (3)
di mana: m  : aliran massa (kg/s) ρ   : densitas udara (ρ rata-rata : 1,2 kg/ 𝑚 3 )
Persamaan-persamaan  di  atas  menunjukkan  energi  kinetik  dan  aliran  massa  yang melewati  suatu  penampang  melintang A sebagai  energi P yang  ditunjukkan  dengan menyubstitusi persamaan (3) ke persamaan (1) menjadi [9]:
𝑃 = 1 2 𝜌𝐴𝑣 3 (4)
di mana:
P   : daya mekanik atau daya angin (W) v   : kecepatan angin ( m/s ) ρ   : densitas udara  (ρ rata-rata : 1,2 kg/ 𝑚 3 )
Karena  setiap  jenis  turbin  angin  mempunyai  karakteristik  aerodinamika  yang  unik, maka faktor daya sebagai fungsi dari Tip Speed Ratio (TSR) untuk setiap jenis turbin angin juga  berbeda-beda.  Dengan  memasukkan  faktor  daya Coefficient  of  power (Cp), sebagaimana dijelaskan sebelumnya, gaya mekanik aktual yang dapat diperoleh dari energi kinetik pada angin menjadi [4]:
𝑃 = 𝐶𝑝 1 2 𝜌𝐴𝑣 3 (5)
Parameter utama yang mempengaruhi Cp adalah: jumlah bilah sudu, panjang chord bilah sudu, karakteristik aerodinamis bilah sudu. NREL menambahkan kemampuan sebuah SKEA juga dibatasi oleh rugi-rugi pada generator dan sistem transmisi.
5. Tip Speed Ratio
Tip speed ratio (rasio kecepatan ujung) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin bebas. Untuk kecepatan angin nominal yang tertentu, tip speed ratio akan berpengaruh pada kecepatan putar rotor. Turbin angin tipe lift akan memiliki tip speed ratio yang relatif lebih besar dibandingkan dengan turbin angin tipe drag . Tip speed ratio dihitung dengan persamaan [10]:
𝜆 = 𝜋𝐷𝑛 60𝑣 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝜆 = 𝑤.𝑟 𝑣 (6)
di mana: λ   : tip speed ratio D  : diameter rotor ( m ) n   : putaran rotor (rpm)
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
v   : kecepatan angin (m/s) w  : kecepatan sudut (rad/s) r   ; jari – jari rotor (m)

## 6. Downwash dan Venturi Effect
Karakteristik  kecepatan  angin  pada  permukaan  bumi  dipengaruhi  oleh  topografi permukaan  yang  akan  dilaluinya  dan  ketinggian  angin  tersebut,  semakin  tinggi h maka kecepatan  angin v akan  semakin  tinggi  juga  [11].  Ketika  angin  dengan  ketinggian  h mengenai dinding dari sebuah penghalang, sebagian besar angin akan dibelokkan menuju permukaan bumi dan dipercepat  karena semakin tinggi  sebuah dinding penghalang maka paparan  angin  dengan  kecepatan  tinggi  akan  semakin  besar  yang  menyebabkan  semakin banyak volume angin yang dibelokkan, fenomena ini disebut downwash atau downdraught , seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.
Gambar 4. Fenomena Downwash [1]
Gambar 5. Fenomena Venturi Effect [12]
Fenomena downwash banyak terjadi pada area perkantoran dengan gedung - gedung tinggi  yang  rata  -  rata  memiliki  design non-streamline  rectangular  shaped  building . Fenomena downwash memiliki  tingkatan  lanjutan  yang  muncul  ketika  dua  gedung  yang saling berdekatan memiliki ketinggian yang berbeda yang dipisah oleh sebuah celah kecil seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 5, celah tersebut menciptakan zona yang lebih kecil bagi angin untuk melintas yang menyebabkan terjadi pengecilan celah yang menyebabkan terjadinya venturi  effect .  Kedua  fenomena  ini  disebut wind  tunnel  effect yang  dapat menyebabkan  terjadinya  peningkatan  angin  yang  signifikan  yang  dapat  berefek  pada konstruksi bangunan dan kenyamanan para pejalan kaki [13].
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika

## 7. Computational Fluid Dynamic (CFD)
CFD  merupakan  suatu  sistem  analisa  yang  menyertakan  aliran  fluida,  perpindahan panas dan yang berhubungan seperti reaksi kimia dengan simulasi berdasarkan komputer. CFD  pada  perhitungannya  menggunakan  metode  perhitungan  dengan  sebuah  kontrol dimensi,  luas  dan  volume  dengan  memanfaatkan  bantuan  komputasi  komputer  untuk melakukan  perhitungan  pada  tiap  -  tiap  elemen  pembaginya,  atas  prinsip-prinsip  dasar mekanika  fluida.  Adapun  perangkat  lunak  CFD  yang  sering  digunakan  salah  satu  di antaranya yaitu; Fluent . Software CFD Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. Fluent menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga  dapat  menyelesaikan  kasus  aliran  fluida  dengan  mesh  yang  tidak  terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh Fluent adalah tipe 2D triangular-quadrilateral ,  3D tetrahedral-hexahedralpyramid-wedge ,  dan mesh campuran [14].

## METODE PENELITIAN
Adapun sistematika yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut:

## 1. Studi Literatur
Pada tahapan ini penulis mengkaji teori - teori yang berhubungan dengan turbin angin dan fenomena angin yang akan diteliti dari berbagai sumber seperti jurnal, skripsi dan situs - situs internet yang berhubungan dengan topik penelitian ini.

## 2. Simulasi Data Angin
Pada  tahap  ini  penulis  akan  menjalankan  tahap  simulasi  fenomena  angin  terhadap angin  dengan  kecepatan  10  m/s.  Seperti  yang  dapat  dilihat  pada  gambar,  penulis menggunakan geometri gedung yang saling bersebelahan yang dipisah oleh sebuah celah.

## Gambar 6. Geometri Gedung Simulasi Data Angin
Pada Gambar 6. gedung tertinggi memiliki ketinggian 200 m dan gedung terendah 100 m, gedung dipisah oleh celah sepanjang 60 m. Panah merah pada gambar 7 menunjukkan arah  tiupan  angin.  Perubahan  karakter  kecepatan  angin  karena  pengaruh downwash dan venturi effect akan diukur pada celah pemisah sepanjang 60 m di antara dua gedung tersebut. Untuk pengaturan pada ANSYS, penulis menggunakan pengaturan time: steady , permodelan viskositas SST k-omega dan percepatan gravitasi sebesar 9,81 m/s 2 seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7.
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
Gambar 7. Pengaturan General dan Models ANSYS
Pada  bagian solution  methods penulis  menggunakan  skema  SIMPLE  dan hybrid initialization seperti pada Gambar 8.
Gambar 8. Solution Method dan Initialization
Proses  simulasi  selesai  setelah  seratus  iterasi,  hasil  simulasi  dapat  dilihat  pada  sub bagian reports - surface integral - area weighted average dengan variable bidang velocity dan velocity magnitude yang dapat kita lihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Reports Surface Integrals
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika

## 3. Perancangan Bilah TASV
Penulis menggunakan sebuah program permodelan 3D untuk merancang bilah TASV untuk  digunakan dalam  tahap simulasi.  Pada penelitian ini  penulis menggunakan metoda VDI  2221  dan  data  simulasi  untuk  memilih  varian  bilah  TASV  yang  memiliki  performa terbaik. Penulis menggunakan turbin angin rotor savonius tipe bilah heliks dengan 3 variasi bilah seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 10 dengan spesifikasi:
 Diameter sudu = 60 cm
 Tinggi turbin = 150 cm
 Ketebalan sudu = 1 cm
Gambar 10. Variasi TASV Bilah Heliks
Dari  Gambar  10  dapat  dilihat  dari  sebelah  kiri  yaitu  TASV  sederhana  dengan menggunakan  geometri  setengah  lingkaran  yang  disusun  saling  berseberangan.  Gambar bagian tengah merupakan TASV dengan bilah lengan bersudut dan terakhir TASV dengan bilah gabungan lengan dan setengah lingkaran.
a. TASV Setengah Lingkaran
Turbin  ini  memiliki  luas  penampang  A  =  1,45  m 2 dan  digerakkan  oleh  angin dengan keceparan 14 m/s. Sehingga energi angin yang dihasilkan:
𝑃 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 1 2 𝜌𝐴𝑣 3 𝑃 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 1,225.1,45. (14) 3
2 = 2437 𝑊𝑎𝑡𝑡
Dengan  mengasumsikan  turbin  ideal,  penulis  menggunakan  Cp  =  0,2  untuk mendapatkan daya keluaran turbin.
𝑃 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 = 𝐶𝑝 1 2 𝜌𝐴𝑣 3
𝑃 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 = 0,2 . 2437 = 487,4 𝑊𝑎𝑡𝑡

## b. TASV Lengan Bersudut
Turbin ini memiliki luas penampang A = 1 m 2 dan digerakkan oleh angin dengan keceparan 14 m/s. Sehingga energi angin yang dihasilkan:
𝑃 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 1 2 𝜌𝐴𝑣 3 𝑃 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 1,225.1. (14) 3
2 = 1680,7 𝑊𝑎𝑡𝑡
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
Dengan  mengasumsikan  turbin  ideal,  penulis  menggunakan  Cp  =  0,2  untuk mendapatkan daya keluaran turbin.
𝑃 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 = 𝐶𝑝 1 2 𝜌𝐴𝑣 3
𝑃 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 = 0,2 . 1680,7 = 336,14 𝑊𝑎𝑡𝑡

## c. TASV Gabungan Lengan dan Setengah Lingkaran
Turbin  ini  memiliki  luas  penampang  A  =  1,08  m 2 dan  digerakkan  oleh  angin dengan keceparan 14 m/s. Sehingga energi angin yang dihasilkan:
𝑃 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 1 2 𝜌𝐴𝑣 3 𝑃 𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛 = 1,225.1,08. (14) 3
2 = 1815,15 𝑊𝑎𝑡𝑡
Dengan  mengasumsikan  turbin  ideal,  penulis  menggunakan  Cp  =  0,2  untuk mendapatkan daya keluaran turbin.
𝑃 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 = 𝐶𝑝 1 2 𝜌𝐴𝑣 3
𝑃 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛 = 0,2 . 1815,15 = 363,03 𝑊𝑎𝑡𝑡

## 4. Simulasi Turbin Angin
a. Pembuatan Geometri
Langkah pertama sebelum memulai simulasi CFD adalah pembuatan geometri turbin angin dan wind tunnel. Pada tahap ini penulis mengimpor rancangan bilah turbin yang telah penulis rancang pada tahap sebelumnya.
 Boolean
Pada  tahap  ini  penulis  menciptakan  zona  perputaran  turbin  yang  akan dinamakan rotating  zone dan zona wind  tunnel yang  akan dinamakan stationary zone.
 Penamaan Bidang Objek
Penamaan  bidang  pada  objek  untuk  keperluan  simulasi  pada  tahap berikutnya, nama – nama bidang yang diperlukan meliputi inlet untuk memasukkan kecepatan angin , outlet lokasi keluar angin dari wind tunnel dan sheer wall yang berupa dinding pemisah antara zona wind tunnel dan lingkungan luar.

## b. Proses Meshing
Pada tahap ini penulis memvariasikan jumlah mesh dengan menggunakan opsi element size untuk memastikan hasil simulasi yang akurat. Independensi mesh tercapai ketika hasil simulasi tidak berubah walaupun jumlah mesh diubah.
c. Proses Set – up
Pada tahap ini dilakukan beberapa pengaturan pada ANSYS terkait permasalahan yang akan dianalisis.
 General
Pada  menu general akan  ditentukan  jenis  simulasi  yang  akan  digunakan,  pada penelitian  ini  penulis  menggunakan  pengaturan  waktu  simulasi steady dan menggunakan tipe pressure based.
 Models
Untuk jenis permodelan, penulis menggunakan permodelan SST k – omega, karena jenis  permodelan  ini  mampu  memprediksi  pemisahan  aliran  secara  akurat  dan menganalisis aliran berotasi dengan baik.

##  Materials
Pada  menu  Materials  terdapat  pilihan  jenis  material  yang  akan  digunakan  pada simulasi. Jenis material terbagi ke dalam dua jenis, yaitu solid dan fluid . Material solid terdiri dari tembaga, aluminium, kaca, silikon, kayu, dan lain - lain. Sedangkan material fluid terdiri  dari water-liquid , water-vapor ,  air  dan  lain  -  lain.  Pada penelitian  kali  ini  penulis  menggunakan  udara  sebagai  fluida  dan  aluminium sebagai bahan solid .
 Cell Zone Conditions Cell zone conditions berisi daftar zona sel yang dibutuhkan. Pada tahap ini masing- masing zona yang sudah dibuat sebelumnya pada tahap bolean pada geometri akan muncul. Pada zona rotating region, kecepatan sudut turbin akan direkayasa sesuai kebutuhan simulasi.
 Boundary Conditions
Pada  bagian  ini  data  kecepatan  angin  yang  telah  didapatkan  sebelumnya  akan dimasukkan pada bagian inlet, yaitu sebesar 14 m/s.
 Mesh Interface
Mesh interface digunakan untuk menyatukan antara stationary zone dan rotating zone agar tidak terjadi zona yang terbatas, maka dalam penelitian ini menggunakan interface tipe matching .

## d. Proses Solution
 Solution Methods
Pada bagian ini penulis menggunakan skema SIMPLE

##  Report Definitions
Pada  bagian  ini  penulis  mengatur  parameter  laporan  yang  dibutuhkan,  pada penelitian  ini  penulis  mengatur  agar  laporan  menampilkan  nilai  torsi  yang dihasilkan.  Dengan  menciptakan  jenis  laporan  baru  melalui  menu new  >  force report > moment . Lalu memasukkan moment center dan moment axis turbin yang kemudian akan digunakan untuk menghitung nilai torsi setelah simulasi selesai.
 Solution Initialization Penulis menggunakan Hybrid initialization
 Run Calculation
Pada tahap ini disesuaikan jumlah iterasi yang dibutuhkan, pada penelitian kali ini penulis menggunakan 100 iterasi.

## e. Proses Results
Setelah  proses  simulasi  menyelesaikan  100  iterasi,  penulis  mendapatkan  nilai  torsi dengan memeriksa laporan yang telah dibuat pada bagian report definitions .
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika

## 5. Pemilihan Design TASV
Setelah  semua  nilai  daya  masing  –  masing  varian  bilah  TASV  didapatkan,  penulis membandingkan nilai Coefficient  of  power (Cp) hasil simulasi  dengan teori  yang penulis dapatkan  pada  tahap  tinjauan  pustaka.  Untuk  jenis  turbin  angin  ini  mempunyai  Cp  ideal sebesar  0,2.  Dengan  menggunakan  pedoman  Cp  0,2  penulis  melanjutkan  proses  simulasi hingga  nilai  Cp  tidak  melebihi  angka  0,2.  Yang  kemudian  akan  menjadi  acuan  dalam memilih jenis varian turbin yang memiliki daya paling besar di antara jenis lainnya.

## 6. Validasi Simulasi
Suatu  simulasi  dapat  diterima  atau  diakui  apabila  sudah  dilakukan  validasi  hasil simulasi. Setidaknya ada tiga cara melakukan validasi hasil simulasi
 Membandingkan  hasil  simulasi  dengan  hasil  analitis.  Yang  dimaksud  dengan  hasil analitis  adalah,  hasil  perhitungan  manual  dengan  menggunakan  teori  –  teori  yang berhubungan dengan penelitian. Jika penulis tidak menggunakan hasil analitis pribadi, data dapat divalidasi dengan menggunakan data analitis dari penelitian terdahulu  yang memiliki parameter yang sama.
 Membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimen. Juga dapat menggunakan data hasil eksperimen penelitian terdahulu dengan parameter yang sama.
 Membandingkan hasil simulasi dengan hasil simulasi lain yang menggunakan perangkat lunak yang berbeda.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  dengan  metode Computational  Fluid  Dynamics (CFD)  akan ditampilkan pada bab ini. Hasil simulasi akan dibahas untuk mengetahui geometri bilah yang menghasilkan  daya  optimal  dengan  memanfaatkan  angin  dengan  pengaruh  fenomena downwash dan venturi effect.

## 1. Simulasi Data Angin
Proses  simulasi  selesai  setelah  seratus  iterasi,  hasil  simulasi  dapat  dilihat  pada  sub bagian reports - surface integral - area weighted average dengan variabel bidang velocity dan velocity magnitude yang dapat kita lihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Reports Surface Integrals
Pada Gambar 11, setelah pengaturan report type dan field variable diisi. Outflow_1 pada  bagian surfaces dipilih  untuk  menghitung  kecepatan  angin  pada  celah  pemisah  dua gedung. Kemudian opsi compute dipilih untuk menampilkan data kecepatan angin dengan
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
pengaruh  fenomena downwash dan venturi  effect. Gambar  11.  menunjukkan  perubahan karakteristik angin yang dipengaruhi fenomena downwash dan venturi effect.

## Gambar 12. Kontur Kecepatan Angin
Pada Gambar 12 terlihat adanya perubahan kecepatan angin karena pembelokan arah angin  ke  bawah  oleh  kehadiran  gedung  dan  penyempitan  penampang  aliran  angin  yang menyebabkan peningkatan kecepatan angin pada celah pemisah kedua gedung sebesar 40%, dari kecepatan semula yang hanya 10 m/s menjadi 14 m/s.

## 2. Simulasi Turbin Angin Sumbu Vertikal

## a. Independensi Mesh
Independensi mesh merupakan metode yang digunakan untuk menetapkan jumlah sel pada jaring yang diperlukan untuk mendapatkan nilai konvergensi tertentu sampai dengan penambahan  jumlah  sel  tidak  akan  menghasilkan  kenaikan  akurasi  hasil  yang  signifikan. Pada penelitian kali ini penulis menggunakan element size sebagai variabel pengubah jumlah mesh .
Gambar 14. Independensi Mesh 20.06 19.44 17.38 17.9 22.19 21.99 0 5 10 15 20 25 0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 T orsi (Nm ) Mesh torque
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
Gambar  14  menunjukkan  hubungan  antara  jumlah mesh dan  torsi  yang  dihasilkan masing  –  masing  variasi mesh dan  pada  Tabel  1  ditampilkan  besar  torsi  pada  masing  – masing  jumlah mesh .  Berdasarkan  data  dari  tabel  1  dan  gambar  9,  dapat  kita  simpulkan bahwa 1346821 merupakan jumlah mesh yang ideal untuk digunakan karena nilai torsi dapat dikatakan tidak berubah.
Tabel 1. Variasi Nilai Torsi dengan Jumlah Mesh

## b. Data Simulasi TASV
Setelah jumlah mesh didapatkan, pengaturan simulasi masing – masing varian turbin dilakukan  dengan  menggunakan  pengaturan  waktu steady ,  permodelan  simulasi  SST  k- omega.
Nilai tip-speed ratio (TSR) yang akan menjadi acuan untuk mencari kecepatan sudut direkayasa sedemikian rupa hingga nilai coefficient of power (Cp) tidak melebihi angka 0,2 yang menjadi Cp ideal bagi TASV. Dengan membandingkan daya turbin yang didapatkan dari simulasi dan daya angin, akan didapatkan nilai Cp masing – masing varian turbin. Di mana A: luas permukaan bilah turbin dan P: daya yang dihasilkan angin.
 TASV Heliks Normal A = 1,45 m 2 ; P udara = 2437 W; V angin = 14 m/s
Tabel 2 Nilai TSR, Torsi, Omega, Cp dan Daya TASV Heliks Normal
Tabel  2  menampilkan  pengaruh  nilai  TSR  terhadap  torsi,  omega,  Cp  dan  daya  yang dihasilkan  selama  simulasi.  Setelah  dilakukan  perbandingan  antara  data  simulasi  dengan perhitungan teoritis, dengan menggunakan 0,2 sebagai nilai Cp turbin ideal,  dapat dilihat pada TSR 1,24 TASV heliks normal memiliki daya sebesar 447,8 Watt.
Ʃ Mesh Torsi (Nm) 74171 20,06 116225 19,44 173790 17,38 331678 17,9 1356821 22,19 2184613 21,99 TSR Torsi Cp w P 0,7 9,91 0,19 32,67 323,7 0,71 10 0,196 33 330 0,72 9,95 0,198 33,6 334,32 0,73 9,43 0,19 34 320,62 0,74 9,03 0,18 34,5 311,5 0,75 10,3 0,21 35 360,5 0,76 11,6 0,24 35,5 411,8 0,77 12,56 0,27 36 452,16 0,78 13,3 0,28 36,4 484 0,79 14,15 0,31 36,87 521,7 0,8 14,75 0,32 37,3 550,2
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika

##  TASV Heliks Arm
A = 1 m 2 ; P udara = 1680,7 W; V angin = 14 m/s
Tabel 3. Nilai TSR, Torsi, Omega, Cp dan Daya TASV Heliks Arm
Tabel  3  menampilkan  pengaruh  nilai  TSR  terhadap  torsi,  omega,  Cp  dan  daya  yang dihasilkan  selama  simulasi.  Setelah  dilakukan  perbandingan  antara  data  simulasi  dengan perhitungan teoritis, dengan menggunakan 0,2 sebagai nilai Cp turbin ideal,  dapat dilihat pada TSR 0,72 TASV heliks arm memiliki daya sebesar 334,32 Watt.

##  TASV Heliks Arm + Circle
A = 1,08 m 2 ; P udara = 1815,15 W ; V angin = 14 m/s
Tabel 4. Nilai TSR, Torsi, Omega, Cp dan TASV Heliks Arm-Circle TSR Torsi Cp w P 1,2 5,93 0,13 56 332 1,21 6,26 0,14 56,47 353,5 1,22 6,7 0,15 56,9 381,23 1,23 7,24 0,17 57,4 415,6 1,24 7,74 0,18 57,86 447,8 1,25 8,4 0,20 58,3 489,7 1,26 9,12 0,22 58,8 536,2 1,27 9,58 0,23 59,26 567,71 1,28 10,1 0,24 59,73 603,27 1,29 10,65 0,26 60,2 641,13 1,3 11,1 0,27 60,67 673,4 TSR Torsi Cp w P 0,9 2,5 0,05 42 105 0,91 3,51 0,08 42,47 149,06 0,92 4,55 0,1 42,93 195,33 0,93 5,66 0,13 43,4 254,64 0,94 6,78 0,16 43,86 297,37 0,95 7,8 0,19 44,3 345,5 0,96 8,88 0,21 44,8 397,82 0,97 9,85 0,24 45,27 445,9 0,98 10,76 0,27 45,73 492 0,99 11,58 0,29 46,2 535 1 12,3 0,31 46,67 574
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
Tabel  4  menampilkan  pengaruh  nilai  TSR  terhadap  torsi,  omega,  Cp  dan  daya  yang dihasilkan  selama  simulasi.  Setelah  dilakukan  perbandingan  antara  data  simulasi  dengan perhitungan teoritis, dengan menggunakan 0,2 sebagai nilai Cp turbin ideal,  dapat dilihat pada TSR 0,95 TASV heliks arm - circle memiliki daya sebesar 345,5 Watt.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  tujuan  penelitian  dan  hasil  penelitian  pada  Bab  IV,  maka  dapat disimpulkan:
a. Fenomena downwash dan venturi effect meningkatkan kecepatan angin sebesar 40%, di mana kecepatan angin yang semula hanya sebesar 10 m/s menjadi 14 m/s.
b. TASV heliks normal memiliki nilai daya sebesar 447,8 watt
c. TASV heliks arm memiliki nilai daya sebesar 334,32 watt
d. TASV heliks arm-circle memiliki nilai daya sebesar 345,5 watt
TASV heliks normal menjadi pilihan yang lebih baik untuk pemasangan turbin angin pada area urban, karena memiliki nilai daya terbesar yaitu 447,8 watt.

## REFERENSI
[1] J. Parkinson, “The problem with the skyscraper wind effect,” BBC News Magazine , 2015.  https://www.bbc.com/news/magazine-33426889#:~:text=Accelerated  winds near skyscrapers are,down and around the sides. (accessed Mar. 31, 2021).
[2] S. S. Suprajha and K. Vijayan, “Design and Analysis of Helical Blade Wind Turbine,” Int. J. Innov. Res. Sci. Eng. Technol. (An ISO Certif. Organ. , vol. 3297, no. 5, pp. 7924–7931, 2007.
[3] H. Darhmaoui and N. Sheikh, “University Honors Program Savonius Vertical Wind Turbine : Design , Simulation , And Physical Testing Eddahmani Aymane,” no. May, 2017.
[4] M.  Irfan,  A.  Hidayat,  M,  and  I.  Khalilullah,  M,  “Rancang  Bangun  Turbin  Angin Vertikal  Untuk  Penerangan  Rumah  Tangga,”  Politeknik  Negeri  Padang,  Padang, 2011.
[5] M.  Saputra,  “Kajian  Literatur  Sudu  Turbin  Angin  Untuk  Skala  Kecepatan  Angin Rendah,” Dosen Tek. Mesin - Univ. Teuku Umar - Meulaboh , vol. 2, no. 1, pp. 74– 83, 2016.
[6] I. B. Alit, N. Nurchayati, and S. H. Pamuji, “Turbin angin poros vertikal tipe Savonius bertingkat dengan variasi posisi sudut,” Din. Tek. Mesin , vol. 6, no. 2, pp. 107–112, 2016.
[7] Y. Gu, “Characteristics and Performance of Vertical-Axis Wind Turbine (VAWT),” Glob. J. Res. Eng. JGeneral Eng. , vol. 20, no. 3, 2020.
[8] E.  .  Wijayanti,  Saparin,  and  Y.  Setiawan,  “Experimental  study  of  helical  savonius rotor profiles with different number of blade Experimental study of helical savonius rotor profiles with different number of blade,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. , 2020.
[9] F.  Aryanto,  M.  Mara,  and  M.  Nuarsa,  “Pengaruh  Kecepatan  Angin  Dan  Variasi Jumlah  Sudu  Terhadap  Unjuk  Kerja  Turbin  Angin  Poros  Horizontal,” Din.  Tek. Mesin , vol. 3, no. 1, pp. 50–59, 2013.
[10]  Y.  Kurniawan,  D.  D.  Dwi  Prija  Tjahjana,  and  B.  Santoso,  “Experimental  study  of savonius  wind  turbine  performance  with  blade  layer  addition,” J.  Adv.  Res.  Fluid Mech. Therm. Sci. , vol. 69, no. 1, pp. 23–33, 2020.
[11]  T. Gunawardena, S. Fernando, P. Mendis, B. Waduge, and D. Hettiarachchi, “Wind
https://kinematika.ulm.ac.id/index.php/kinematika
Analysis and Design of Tall Buildings , the State of the Art,” 8th Int. Conf. Struct. Eng. Constr. Manag. , no. December, pp. 1–10, 2017.
[12]  L. Bendini, “How a building’s height affects wind behaviour,” Ingrid Cloud , 2020. https://blog.ingridcloud.com/blog/buildings-height-affects-wind-behaviour (accessed May 09, 2021).
[13]  E.  Hala,  F.  Nepravishta,  and  A.  Panariti,  “The  Wind  Flow  Effects  and  High-Rise Building in Urban Spatial Morphology.”
[14]  A. Saputro, “Analisa Numerik Pengaruh Sudut Serang Terhadap Karakteristik Turbin Angin Horizontal dengan NACA 4412,” Tek. Mesin - Univ. Mercu Buana , pp. 20–24, 2021.