Journal of Mechanical Design and Testing 3(1), (2021), 12-19 DOI: http://dx.doi.org/10.22146/jmdt.v3i1.55620 e-ISSN: 2685-8029, ISSN: 2716-1293

## Studi Eksperimen Pengaruh Sudut Pitch terhadap Karakteristik Performa pada Turbin Angin Counter- Rotating
F.A. Azhar * dan M.A. Bramantya
Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada. Jl. Grafika No.2, Kompleks UGM, Yogyakarta 55281, Indonesia, Telp. (0274) 521673 e-mail: averoazhar@gmail.com

## Abstrak
Pemanfaatan energi angin menjadi daya berguna menuntut peningkatan efisiensi turbin angin. Cara lain untuk meningkatkan efisiensi dengan menggunakan turbin angin counter-rotating. Pada penelitian ini dilakukan pengamatan performa dari turbin angin full Scale model counter-rotating (CRWT) dengan sebuah generator dan roda gigi. Pengujian dilakukan pada kondisi lingkungan sebenarnya dan kecepatan angin yang fluktuatif. Rotor turbin depan dan belakang menggunakan 3 buah bilah dengan rasio diameter (D 1 /D 2 ) = 0,5. Desain aerodinamika bilah turbin counter- rotating dibuat  berdasarkan  perhitungan  menggunakan  teori Blade  Element  Momentum (BEM). Sudut pitch rotor turbin diatur sebesar 0°, 10° dan 20° dan diamati daya elektrik keluaran dari generator untuk mengetahui perbedaan performa dari masing-masing variasi. Koefisien daya maksimum yang dihasilkan oleh rotor pada kecepatan angin 4 m/s sampai 7 m/s dengan sudut pitch 0°  sebesar 4,5 × 10 −3 .  Sedangkan  turbin  angin  dengan  sudut pitch rotor  10°  dan  20° koefisien  daya  tertinggi  masing-masing  tercapai  sebesar 3,6 × 10 −3 dan 3,3 × 10 −3 .  Hasil pengujian menunjukkan semakin besar sudut pitch koefisien daya yang dihasilkan pada kecepatan angin rendah semakin besar, akan tetapi semakin tinggi kecepatan angin rotor dengan sudut pitch kecil menghasilkan koefisien daya yang lebih besar.
Kata kunci : turbin angin counter-rotating, sudut pitch, performa, pengujian lingkungan.

## Abstract
In order to improve the efficiency of wind turbine, counter-rotating wind turbine was proposed. In  this  study  the  performance  of  a  full-scale  counter-rotating  model  of  wind  turbine  was observed with a generator and gears. The test carried out in actual environmental conditions and fluctuating wind speeds. Front and rear turbine rotors use 3 blades with a diameter ratio (D1 / D2) = 0.5. The aerodynamic design of the counter-rotating turbine blades calculated based on the Blade Element Momentum (BEM) theory. The pitch angle of the turbine rotors were set at 0 °, 10 ° and 20 ° and the electric power output of the generator was observed to determine the difference in performance of each variation. The maximum power coefficient produced by the rotor  at wind speed 4 m/s – 7 m/s with pitch angle of 0° is 4,5 × 10 −3 . Whereas wind turbines with rotor pitch angles of 10° and 20° the highest power coefficients were achieved at 3,6 × 10 −3 and 3,3 × 10 −3 . The test results shows, increased pitch angle
produced more power coefficient at low wind speeds, but in the high wind speed, rotor with a small pitch angle performed better.
Keywords : counter-rotating wind turbine, pitch angle, performance, environtmental test.

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan  turbin  angin  saat  ini  dilatar  belakangi  berkurangnya  potensi  energi  fosil terutama  minyak  dan  gas  bumi,  sehingga  mendorong  Energi  Baru  dan  Terbarukan  (EBT) sebagai prioritas utama untuk menjaga ketahanan dan kemandirian energi. Di Indonesia sendiri potensi  energi  baru  terbarukan  (EBT)  belum  dimanfaatkan  secara    maksimal  termasuk  di dalamnya sumber daya angin.
Berdasarkan hasil survei potensi sumber daya angin dari beberapa daerah yang dihimpun, diperoleh  kecepatan  angin  di  Indonesia  tergolong  pada  kecepatan  angin  rendah  yaitu  dalam rentang 3 – 5,5 m/s. Sehingga penting untuk dilakukan pengembangan turbin angin yang dapat memanfaatkan  energi  angin  secara  maksimal  dengan  kondisi  kecepatan  angin  yang  rendah namun menghasilkan daya yang tinggi.
Sebagian besar turbin angin yang digunakan saat ini memiliki desain turbin dengan rotor tunggal yang memiliki tiga bilah rotor yang dipasang pada hub di depan rumah generator seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Berdasarkan teori batas Betz, turbin angin sumbu horizontal rotor tunggal (HAWT) dapat menangkap energi angin maksimum 59,3% yang melewati luasan area turbin dengan asumsi aliran satu dimensi, stabil dan tidak dapat dimampatkan. Di sisi lain, untuk mencapai efisiensi aerodinamika 59,3% sesuai teori batas Betz tidak dapat direalisasikan oleh HAWT rotor tunggal. Hukum fisika dan kendala lain membatasi efisiensi tidak lebih besar dari sekitar 53%.
Gambar 1. a) Turbin angin rotor tunggal, b) Turbin angin counter-rotating
Cara lain untuk meningkatkan efisiensi turbin angin adalah dengan menggunakan metode turbin angin rotor ganda. Metode tersebut menggunakan 2 rotor dalam satu poros sehingga jika dibandingkan  dengan  turbin  dengan  rotor  tunggal,  luas  penampang  rotor  yang  sama  akan menghasilkan  daya  lebih  karena  angin  datang  ditangkap  oleh  dua  buah  rotor.  Dengan mempertimbangkan  fenomena wake dan  pembangkitan  aliran  vortex  setelah  udara  melewati rotor  depan,  konfigurasi  putaran  pada  turbin  angin  rotor  ganda  diatur  berputar  saling berlawanan arah yang saat ini dikenal dengan turbin angin counter-rotating seperti pada Gambar 1b . Model turbin angin counter-rotating berpotensi secara efektif dapat menghasilkan koefisien daya lebih besar dibandingkan turbin rotor tunggal disebabkan aliran wake di belakang rotor
depan cenderung berputar berlawanan dengan arah rotasi rotor depan, sehingga rotor belakang harus berputar searah dengan putaran wake agar dapat menyerap energi angin lebih efektif. Hal tersebut dibuktikan oleh Wei dkk. dengan melakukan pengamatan pada 2 model turbin disusun segaris  yang  berputar co-rotating dan counter-rotating membuktikan  daya  yang  dihasilkan  kedua turbin dengan konfigurasi counter-rotating lebih besar dari pada co-rotating . Newman merumuskan model matematika dan melakukan simulasi numerik satu dimensi dari turbin rotor ganda dan rotor tak hingga, nilai batas koefisien daya teoritis diprediksi mampu mencapai 64% untuk turbin rotor ganda dan 66,7% untuk rotor tak hingga melebihi dari batas Betz untuk rotor tunggal dengan batas maksimum 59%.
Kajian numerik turbin angin counter-rotating telah dilakukan oleh Buana dkk. dengan variasi rasio diameter rotor depan dan belakang sebesar 0,5 hingga 2,0. Selain itu, Lee, dkk. melakukan analisa karakteristik aerodinamika dengan membandingkan jumlah bilah pada turbin angin rotor tunggal  dan  rotor  ganda.  Dari  kedua  penelitian  tersebut  menunjukkan  peningkatan  pada koefisien daya yang dihasilkan oleh turbin angin counter-rotating.
Melalui kajian eksperimental pada cerobong angin, Mitulet dkk. memvariasikan model bilah rotor dengan rasio diameter rotor 1:1 pada jarak rotor 1 m. Sementara Zhiqiang dkk. melakukan pengamatan terhadap berbagai rasio diameter dan sudut pitch turbin angin counter-rotating. Kedua penelitian  tersebut  membuktikan  terdapat  peningkatan  daya  pada  turbin  angin counter-rotating apabila dibandingkan dengan turbin angin rotor tunggal.
Dari  beberapa  studi  literatur  di  atas  pengujian  turbin  angin counter-rotating masih  sebatas pengujian  simulasi  dan  eksperimental  pada  cerobong  angin.  Sehingga  dirasa  perlu  untuk dilakukan  pengamatan  terhadap  hasil  performa  yang  dihasilkan  pada  kondisi  lingkungan langsung  untuk  membuktikan  teori  yang  berkembang  pada  turbin  angin counter-rotating. Pada penelitian  ini  akan  dilakukan  pengamatan  performa  dari  turbin  angin full Scale model counter- rotating dengan sebuah generator dan roda gigi. Desain rotor turbin disesuaikan dengan kondisi kecepatan  angin  rata-rata  pada  lokasi  penelitian.  Pengaruh  perubahan  sudut pitch pada  rotor turbin lebih difokuskan pada pengujian performa turbin angin counter-rotating .
Gambar 2 menunjukkan informasi tentang kecepatan dan distribusi gaya yang tercipta pada elemen bilah rotor. Sudut pitch adalah sudut yang terbentuk antara chordline dan bidang rotasi rotor pada kondisi desain. Pada penelitian ini sudut pitch akan divariasikan sebesar 0°, 10°, dan 20°.

## Gambar 2. Diagram vektor kecepatan dan gaya yang bekerja pada bilah turbin

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1. Desain Bilah Turbin
Desain  aerodinamika  bilah  turbin  counter-rotating  dibuat  berdasarkan  perhitungan menggunakan teori Blade Element Momentum (BEM). Profil NACA 4415 dipilih sebagai bentuk dasar bilah dari pangkal bilah hingga ujung bilah karena memiliki perbandingan koefisien gaya angkat dan koefisien gaya hambat (C L /C D ) yang tinggi dibandingkan dengan beberapa tipe profil airfoil lain (S822, S833, NACA 4412) pada kecepatan angin rendah [12]. Rotor turbin depan dan belakang menggunakan 3 buah bilah dengan rasio diameter (D 1 /D 2 ) = 0,5. Kecepatan angin perancangan ditentukan sebesar 5,5 m/s sesuai dengan kondisi angin di wilayah pengujian dan RPM yang ingin dicapai sebesar 500 RPM berdasarkan putaran kerja optimal dari generator. Sehingga dengan menggunakan teori BEM dan pengembangan yang dilakukan oleh Schmitz terbentuk distribusi panjang chord (c) dan sudut puntir pada bilah ( β ) untuk rotor depan maupun belakang sesuai dengan Gambar 3. Selanjutnya pada Tabel 1 memperlihatkan spesifikasi rotor turbin angin yang digunakan.
V 1 = Kecepatan angin datang W  = Kecepatan angin relativ β = Sudut pitch φ = Sudut kecepatan angin relativ α = Sudut serang F L = Gaya angkat F D = Gaya hambat
R  = Jari-jari rotor turbin
Gambar 3. Distribusi chord dan sudut twist Tabel 1. Spesifikasi Rotor Turbin
Spesifikasi Rotor Depan Rotor Belakang Diameter 75 cm 150 cm Jumlah Bilah 3 3 Airfoil NACA 4415 NACA 4415 Sudut Serang desain 6° 6° RPM desain 500 500 Arah Putaran Counter-clockwise Clockwise

## 2.2. Prosedur Pengambilan Data
Penelitian  Turbin  angin counter-rotating ini  dilakukan  secara  eksperimental,  dimana  turbin angin dipasang dipinggir pantai selatan Yogyakarta dengan kecepatan angin rata-rata 5,5 m/s. Pengumpulan data dilakukan berdasarkan kecepatan angin yang tercapai saat pengujian. Alat ukur kecepatan angin menggunakan anemometer mangkok yang ditempatkan di depan rotor dengan jarak 1 m. Variasi sudut pitch rotor turbin sebesar 0°, 10° dan 20° dengan sudut ujung bilah sebagai acuan pengaturan sudut dan dilakukan pengamatan terhadap daya elektrik yang dihasilkan dari generator untuk mengetahui perbedaan performanya dari masing-masing variasi. Selanjutnya kontrol variabel pada penelitian ini adalah jumlah bilah rotor 3 buah pada rotor depan dan belakang, jarak aksial antara kedua buah rotor 0,4 m dan rasio diameter rotor 0,5. Bilah rotor terbuat dari material komposit fiberglass . Generator turbin menggunakan generator DC merek RAE Corporation dengan tegangan maksimum yang dihasilkan sebesar 20 VDC. Generator dihubungkan dengan 2 buah lampu AC yang masing-masing lampu memiliki daya maksimum 25 Watt dan disusun secara paralel. Perekaman data kecepatan angin, putaran rotor, tegangan dan arus dilakukan menggunakan data logger setiap 4 detik untuk melihat karakteristik performa  rotor.  Selanjutnya  dari  data  yang  diperoleh  diambil  daya  maksimum  yang  mampu dihasilkan oleh generator pada tiap kecepatan angin.

## 2.2.1. Pengukuran Performa Turbin Angin Counter-Rotating
Parameter  performa  dari  turbin  angin  bergantung  pada  daya  keluaran  dari  turbin  dan koefisien daya yang akan dievaluasi menggunakan persamaan (1) dan (2)
𝑃 𝑇 = 𝑉𝐼 (1)
𝐶 𝑃 = 𝑃 𝑇 𝑃 𝑊 = 𝑉𝐼 1 2 𝜌𝐴𝑉 ∞ 3 𝜂 𝑔𝑒𝑛 𝜂 𝑔𝑒𝑎𝑟𝑏𝑜𝑥 (2)
Daya dari turbin dihitung berdasarkan perkalian tegangan (V) dan arus (I) yang dihasilkan generator.  adapun  koefisien  daya  (C p )  merupakan  bilangan  tak  berdimensi  yang merepresentasikan efisiensi turbin. Koefisien daya didapat dari perbandingan antara daya rotor yang dihasilkan dan daya yang terdapat pada hembusan angin seperti yang dirumuskan pada persamaan  (2)  dimana,  ρ  merupakan  densitas  udara  (kg/m 3 )  yang  ditentukan  sebesar  1,224 kg/m 3 , A adalah luas area rotor yang dalam penelitian ini diambil luas area rotor terbesar, dan 𝑉 ∞ adalah kecepatan angin.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  Gambar  4  menunjukkan  daya  keluaran  rata-rata  yang  dihasilkan  generator  pada rentang kecepatan angin 4 m/s hingga 7 m/s. Daya yang dihasilkan oleh rotor dengan berbagai variasi  sudut pitch menunjukkan  tren  yang  sama  dimana  peningkatan  daya  berbanding  lurus terhadap peningkatan kecepatan angin. Daya terbesar yang dihasilkan turbin dengan sudut pitch 0°  sebesar  5,84  watt.  Selanjutnya  untuk  rotor  dengan  sudut pitch 10°  dan  20°  rata-rata  daya maksimum yang dihasilkan sebesar 4,71 dan 4,25 watt. Tren yang sama juga ditunjukkan pada penelitian  sebelumnya  yang  dilakukan  oleh  Sutrisno  dkk.  bahwa  pembangkitan  daya  akan meningkat  seiring  dengan  meningkatnya  kecepatan  angin.  Daya  keluaran  yang  semakin meningkat tersebut dikarenakan putaran rotor yang semakin tinggi akibat penyerapan daya angin oleh  bilah  rotor.  Daya  merupakan  hasil  perkalian  antara  tegangan  dan  arus  yang  dihasilkan generator. Peningkatan putaran generator yang dipengaruhi putaran rotor turbin menimbulkan gaya gerak listrik  untuk menghasilkan tegangan dan arus.
Gambar 4. Daya generator terhadap kecepatan angin
Koefisien  daya  pada  turbin  angin  sebagai  indikator  kemampuan  turbin  angin  dalam menyerap energi yang terdapat pada angin ditunjukkan pada Gambar 5. Dari gambar tersebut menunjukkan karakteristik performa turbin angin counter-rotating terhadap perubahan sudut pitch dari hasil perhitungan menggunakan persamaan 2. Pada pengujian ini koefisien daya tertinggi dicapai oleh turbin angin dengan sudut pitch 0° dengan nilai 11,6 × 10 −3 . Sedangkan turbin angin  dengan  sudut pitch rotor  10°  koefisien  daya  tertinggi  tercapai  sebesar 9,4 × 10 −3 dan untuk rotor dengan sudut pitch 20° koefisien daya tertinggi tercapai sebesar 8,7 × 10 −3 .
Dari  Gambar  5  menunjukkan  pengaruh  perubahan  sudut pitch terhadap  performa  dari turbin angin counter-rotating , dimana semakin besar sudut pitch koefisien daya yang dihasilkan pada kecepatan angin kurang dari 5 m/s akan semakin besar, akan tetapi semakin tinggi kecepatan angin, rotor turbin yang memiliki sudut pitch 0 ° mampu menghasilkan koefisien daya lebih besar. Fenomena tersebut dipengaruhi oleh sudut serang yang terbentuk dari masing-masing variasi sudut pitch rotor. Perubahan sudut pitch akan mempengaruhi sudut serang yang terbentuk pada permukaan  bilah  rotor.  Hal  tersebut  mempengaruhi  terbentuknya  separasi  pada  permukaan bilah  rotor  yang  mampu  memperburuk  kinerja  dari  rotor.  Asumsi  tersebut  perlu  dibuktikan dengan melakukan pengamatan terhadap medan aliran di area bilah dengan menggunakan CFD pada penelitian lebih lanjut. Pada kecepatan angin kurang dari 5 m/s rotor dengan sudut pitch 20° menghasilkan sudut serang optimum, sehingga rasio gaya angkat dan gaya hambat (C L /C D ) berada  pada  kondisi  maksimum  untuk  desain  bilah  dipakai  dalam  penelitian  ini.  Sebaliknya untuk rotor dengan sudut pitch 0°, sudut serang dan C L /C D optimum dicapai ketika kecepatan angin lebih dari 5,5 m/s.
Gambar 5. Koefisien daya terhadap kecepatan angin

## 4. KESIMPULAN
Dari hasil pengujian eksperimen turbin angin counter-rotating yang dilakukan pada kondisi lingkungan  aktual  telah  berhasil  dilakukan.  Pengujian  turbin  angin counter-rotating berhasil dilakukan  pada  rentang  kecepatan  angin  4  m/s  hingga  7  m/s.  Dapat  disimpulkan  bahwa perubahan sudut pitch pada rotor mempengaruhi performa turbin angin. Pada rentang kecepatan angin 4-5 m/s semakin besar sudut pitch koefisien daya yang dihasilkan semakin besar. Akan tetapi  dengan  meningkatnya  kecepatan  angin,  rotor  dengan  sudut pitch kecil  menghasilkan
koefisien daya lebih besar. Koefisien daya maksimum yang dihasilkan oleh rotor dengan sudut pitch 0°  sebesar 11,6 × 10 −3 .  Sedangkan  turbin  angin dengan  sudut pitch rotor  10°  dan  20° koefisien daya tertinggi masing-masing tercapai sebesar 9,4 × 10 −3 dan 8,7 × 10 −3 .
Berdasarkan hasil pengujian diketahui bahwa rotor dengan sudut pitch tinggi memberikan manfaat  pada cut-in  speed yang  rendah  sehingga  menjadikan  turbin  mudah  berputar  saat kecepatan angin rendah. Hal tersebut tidak terjadi pada rotor dengan sudut pitch rendah, akan tetapi untuk rotor dengan sudut pitch rendah mampu menghasilkan putaran rotor paling tinggi. Pengaruh  perubahan  sudut  pitch  terhadap cut-in  speed tersebut  lebih  lanjut  perlu  dilakukan dengan menggunakan cerobong angin.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
A. Rosenberg, S. Selvaraj, and A. Sharma, “A novel dual -rotor turbine for increased wind energy capture,” J. Phys. Conf. Se r., vol. 524, no. 1, 2014. B. Newman, “Multiple Actuator - Disc Theory for Wind Turbines,” vol. 24, pp. 215– 225, 1986. Hermawan, M. A. Bramantya, N. K. Majid, and A. Febrianto, “Experimental study effect of flange  addition  on  mechanical  power  of  diffuser  augmented  counter  rotating  wind turbine,” AIP Conf. Proc., vol. 2001, pp. 3– 10, 2018.
L. A. Mitulet, G. Oprina, R. A. Chihaia, S. Nicolaie, A. Nedelcu, and M. Popescu, “Wind tunnel testing for a new experimental model of counter- rotating wind turbine,” Proced ia Eng.,
vol. 100, no. January, pp. 1141 – 1149, 2015.
L. Zhiqiang, W. Yunke, H. Jie, Z. Zhihong, and C. Wenqi, “The study on performance and aerodynamics of micro counter- rotating HAWT,” Energy, vol. 161, pp. 939– 954, 2018.
M. Bakırcı and S. Yılmaz, “Theore tical and computational investigations of the optimal tip- speed ratio of horizontal- axis wind turbines,” Eng. Sci. Technol. an Int. J., vol. 21, no. 6, pp. 1128 – 1142, 2018. R. J. Conzemius , “WIND TURBINE AND SODAR OBSERVATIONS OF WAKES IN A LARGE WIND FARM,” 19th Symp. Bound. Layers Turbul., 2010. R. K. Singh and M. R. Ahmed, “Blade design and performance testing of a small wind .
S. Lee, H. Kim, and S. Lee, “Analysis of aerodynamic characte ristics on a counter-rotating wind turbine,” Curr. Appl. Phys., vol. 10, no. 2 SUPPL., pp. S339– S342, 2010.
S. Lee, H. Kim, E. Son, and S. Lee, “Effects of design parameters on aerodynamic performance of a counter- rotating wind turbine,” Renew. Energy, vol . 42, pp. 140 – 144, 2012.
S. Martosaputro and N. Murti, “Blowing the wind energy in Indonesia,” Energy Procedia, vol. 47, pp. 273 – 282, 2014.
S. S. Navin Prasad E, Janakiram S, Prabu T, “Design and development of horizontal small wind turbine blade for low w ind speeds,” Int. J. Eng. Sci. Adv. Technol., no. 1, pp. 75– 84,
2014.
S. W. Buana, V. A. Koehuan, A. Riszal, S. Kamal, and S. Sugiyono, “Analisi Pengaruh Rasio Diameter sebagai Parameter Kinerja Aerodinamika Dual Rotor Counter-rotating Wind Turbine,” Pros. Semnastek, no. November, pp. 1 – 10, 2016.
Y. Wei, T. Wei, O. Ahmet, and H. U. Hui, “An experimental study on the effects of relative rotation direction on the wake interferences among tandem wind turbines,” Sci. China Physics, Mech. Astron., vol. 57, no. 5, pp. 935 – 949, 2014.
Z.  Wang,  W.  Tian,  A.  Ozbay,  A.  Sharma,  and  H.  Hu,  “An  experimental  study  on  the aeromechanics and wake characteristics of a novel twin-rotor wind turbine in a turbulent boundary layer flow,” Exp. Fluids, vol. 57, no. 9, pp. 1– 17, 2016.