## Pemilihan Bahan Sudu untuk Perancangan dan Pembuatan Prototipe Turbin Angin Sumbu Horizontal
M. Yonggi Puriza 1 , Melda Latief 2
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Bangka Belitung¹, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas ²
INTISARI
Tenaga  listrik  merupakan  kebutuhan  vital  pada  kehidupan  masyarakat.  Dibalik  pentingnya  fungsi  energi lsitrik bagi masyarakat tersebut, sangat disayangkan bahwa belum semua  daerah di Indonesia yang tersaluri listrik. Mengatasi  hal  ini  maka  perlu  dilirik  usaha  pembangkitan  energi  listrik  alternatif  yang  ramah  lingkungan,  tersedia sepanjang hari dan mudah dalam pemasangannya. Pembangkit listrik energi angin mungkin menjadi solusi. Degan kecepatan  angin  yang  berkisar  5  m/s  di  Indonesia  perlu  di  rancang  sebuah  turbin  angin  yang  dapat  berputar  dan menghasilkan energi walau hanya berputar dengan kecepatan rendah. Turbin angin yang dipilih adalah turbin angin sumbu  horizontal.  Bahan  yang  direncanakan  awalnya  adalah  kayu  dengan  asumsi  kayu  adalah  bahan  yang  mudah didapatkan dan mudah dibentuk. Panjang sudu kayu ini sekitar 0.75 m, tetapi setelah selesai dibuat dan dirakit turbin tidak berputar walau kecepatan angin telah mencapai 4 m/s, hal ini tentu tidak sesuai dengan tujuan dari penelitian. Lalu  dipilihlah  arkrilik,  yang  mempunyai  keunggulan  yang    ringan,  tipis  dan  kekuatan  yang  cukup.  Diharapkan dengan keunggulannya, turbin angin ini akan mampu bekerja dengan baik. [1]
Kata kunci: Energi terbarukan, Angin, Turbin Angin Sumbu Horizontal

## I. PENDAHULUAN
Energi  angin  adalah  energi  yang  relatif baik  karena  merupakan  sumber  energi  bersih dan terbarukan. Sumber energi ini tidak begitu populer  di  Indonesia  dan  belum  banyak diaplikasikan secara komersil.
Bentuk  sudu  turbin  terbagi  menjadi  dua yaitu  sumbu  vertikal/VAWT  (vertical  axis wind  turbine)  dan  sumbu  horizontal/HAWT (horizontal  axis  wind  turbine).  Turbin  angin sumbu  horizontal  adalah  model  turbin  angin yang  paling  jamak  digunakan.  Bentuknya seperti  baling  –  baling  pesawat  pada umumnya. Pengerjaan dan pengujian penelitian  untuk  penulisan  artikel  ilmiah  ini dilakukan  dari  bulan  Maret  sampai  bulan oktober tahun 2011.
Secara  garis  besar  perumusan  masalah yang  diangkat  pada  malakah  ini  adalah perancangan  dan  pembuatan  turbin  angin horizontal sebagai pembangkit listrik alternatif serta  dapat  memanfaatkan  energi  angin  yang berkecepatan relatif rendah.
Beberapa  Tujuan  Penelitian  yang  ingin dicapai adalah a.) Merancang dan membuat  turbin  angin  tipe  horizontal  untuk angin  berkecepatan  rendah.  b.)  Mengetahui pengaruh  kecepatan  angin  terhadap  gerak putar sudu turbin angin. c.) Mengetahui
daya  output  yang  dihasilkan  turbin  angin terhadap berbagai kecepatan angin.
Adapun batasan masalah dalam penulisan artikel ini adalah a.) Turbin angin  yang dibuat adalah  turbin  angin  sumbu  horizontal.  b.) Perancangan, pembuatan prototipe serta pengaplikasiannya  dibatasi  hanya  sampai terbangkitkannya  energi  oleh  turbin  angin, tidak  termasuk  sistem  pengotrolan,  sistem penyimpanan  dan  sistem  pengereman.  c.) Generator  yang  digunakan  adalah  generator sinkron magnet permanen. d.)  Pengujian dilakukan  pada  daerah  tepi  pantai  di  belakang Pangeran  Beach  Hotel,  Padang,  Sumatera Barat. [1]

## II. METODE PENELITIAN
Metodologi    yang  digunakan  dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Studi  literatur,  dengan  mempelajari prinsip  kerja  dan  karakteristik  turbin angin  sumbu  horizontal  termasuk komponen-komponen  yang  terdapat pada  turbin  angin  serta  karakteristik generator yang akan digunakan.
b. Perencanaan,  yaitu  menentukan  lokasi dan pengumpulan data angin
c. Pembuatan  dan  perancangan  turbin angin  sumbu  horizontal    yang  sesuai dengan perencanaan.
d. Pengujian dan pengambilan data.
e. Analisa data.
f. Penyusunan laporan penelitian
Secara skema adalah sebagai berikut :
Mulai
Studi literatur
Pengumpulan data kecepatan angin Pembuatan dan perancangan turbin angin sumbu Horizontal yang sesuai dengan perencanaan Pengujian dan pengambilan data Selesai Menentukan lokasi penelitian Analisa data hasil pengujian. Penyusunan laporan penelitian Gambar 1. Skema Penelitian III. Hasil Penelitian

## A. Penentuan Lokasi penelitian
Dengan pengukuran menggunakan anemometer  diperoleh  kecepatan  angin  yang terjadi  berkisar  antara  0.1  m/s  –  2  m/s  pada kondisi  cuaca  panas  terik  dengan  daerah pengukuran berupa tanah luas tanpa hambatan angin  seperti  persawahan  di  Kelurahan Kalumbuk,  Padang.  Sementara  pada  kondisi berawan  hingga  menjelang  hujan  kecepatan angin  meningkat  hingga  6  m/s.  Oleh  karena itu,  ditetapkan  kecepatan  angin  nominal  yang akan  digunakan  pada  perancangan  turbin adalah  5  m/s.  Sementara  untuk  daerah  pesisir pantai memiliki kecepatan angin yang berbeda
pada setiap daerahnya. Kecepatan angin pesisir pantai  tertinggi  diperoleh  di  sekitar  Pangeran Beach  Hotel,  Padang.  Pada  daerah  ini kecepatan  angin  diperkirakan  berkisar  antara 1.8 – 6 m/s.

## B. Penentuan Tip Speed Ratio
Tip speed ratio adalah perbandingan kecepatan sisi  terluar  (ujung)  rotor  terhadap  kecepatan angin.  Nilai  tip  speed  ratio  berbeda  –  beda terhadap  jumlah  sudu  dari  turbin  angin. Menurut  Eric  Hau  dalam  bukunya  “Wind Turbine  Fundamentals”  turbin  angin  dengan jumlah  sudu  3  buah  memiliki  nilai  tip  speed terbaik  7  yang  grafiknya  bisa  dilihat  pada gambar 2.
Gambar 2. Perbandingan Tip Speed Ratio dan Nilai Rotor Power Coeficient. [3]

## C. Penentuan diameter sudu.
Sebagai  acuan  untuk  menentukan  panjang sudu  /  chord,  lebar  sudu  dan  hubungannya dengan diameter sudu penulis mempergunakan persamaan:
2 6 ( / ) 9 R R r C B   = dengan :
C = lebar sudu (chord) (m) R = jari-jari rotor (m) r = jarak dari pusat rotasi (m) λ = tip speed ratio B = jumlah sudu  [2]
Untuk  lebih  jelasnya,  dapat  dilihat  pada  tabel berikut ini.
Tabel 1. Perbandingan Antara Jarak Pusat dari Rotasi (r) Terhadap Nilai Chord (C) Material Kayu
R (cm) C (cm) 15 14.25 30 7.12 45 4.75 60 3.56 75 2.84
Dari  tabel  diatas  maka  didapat  gambar awal  rancangan sudu  yang akan dibuat seperti gambar dibawah ini :
15 cm 1 4 c m 7 c m 4 .5 c m 3 .5 c m 3 c m 15 cm 15 cm 15 cm 15 cm
Gambar 3. Rancangan Sudu Tampak Atas Penulis membagi jumlah chord menjadi  5  bagian  dengan  mempertimbangkan tingkat  kesulitan  pembuatan  nantinya.  Jika jumlah chord dibagi lebih dari 5 bagian, maka nilai  dari  chord  itu  sendiri  akan  terlalu  kecil dan  akan  menyulitkan  pembuatannya  karena kebanyakan  alat  yang  digunakan  untuk membuat sudu ini alat manual sehingga tingkat presisinya masih kurang.
D. Bentuk dan Batasan Nilai Airfoil yang Akan Dibuat
Bentuk  airfoil  yang  digunakan  adalah  model NACA 4415 dengan nilai batasannya yaitu :
d 0 =  lebar sudu chord (C)
d 1
=  lokasi  titik  puncak,  diambil  25%  dari lebar sudu awal
d 2
=  tinggi  titik  puncak,  diambil  10%  dari lebar sudu awal
D 3 =  tinggi arc leading edge, diambil 5% dari lebar sudu
D 4 =  lokasi mulai trailing edge, diambil 25 % dari lebar sudu akhir
14 cm 3.5 cm 3.5 cm 1 .5 c m 0 .5 c m 0 .7 c m
Gambar 5. Ukuran Profil Airfoil yang Dibuat
E. Perkiraan Daya Output Turbin Material Kayu
Perhitungan daya output pada berbagai kecepatan angin  berdasarkan dari persamaan 5 pada bab 2  yaitu sebuah tulisan dalam buletin 17  FAO  international  working  yang  berjudul ”Windmills for water lifting and the generator of  electricity on the farm” oleh E.W Golding, yaitu:
P = k.F.a.η. 𝒗 𝟑
Dengan : P = daya Output (kW) k = kontanta (1.37 .10 -5 ) F = faktor (0,5926) a = Luas Penampang (m 2 ) η = efisiensi Generator (Diasumsikan sebesar 0.70) v = kecepatan angin (m/s) [3]
Tabel 2. Perkiraan Daya yang Dihasilkan Turbin Angin Material Kayu pada Berbagai Kecepatan Angin
Kecepatan Angin (m/s) Daya yang dihasilkan (kW) 1 1.006.10 -5 2 8.047x10 -5 3 2.716x10 -4 4 6.438x10 -4 5 1.257x10 -3 6 2.172x10 -3 7 3.450x10 -3 8 5.150x10 -3 9 7.333x10 -3 10 1.006x10 -2 11 1.338x10 -2 12 1.738x10 -2

## F. Pembuatan Sudu Turbin Material Kayu.
Dalam pembuatan sudu,  kayu  yang dipilih adalah  kayu  ringan.  Kayu  selain  mudah didapatkan, proses pengerjaannya pun tidaklah rumit.  Berikut  tahap  –  tahap  pembuatan  sudu kayu tersebut :
a. Menyiapkan  papan  yang  berbentuk balok dengan ukuran 75 x 15 x 2 cm
b. Menandai  dan  menggambar  pada papan  letak  setiap  chord  yang  akan dibuat, termasuk bentuk airfoilnya.
c. Memotong papan menurut bentuk yang telah ditandai dan digambar.
d. Menghaluskan papan sehingga didapatkan bentuk yang baik
e. Membuat lubang baut untuk memasang penghubung antara sudu dan poros
f. Tahap  finishing,  yaitu pengecatan agar pori  –  pori  kayu  terlapisi  bertujuan untuk  memperpanjang  umur  sudu  dan memperindah bentuk sudu.
Setelah  selesai  dan  dirakit,  maka  akan didapatkan  hasil  seperti  gambar  dibawah  ini (sebelum dipasang ke tiang) adalah :
Gambar 6. Turbin Angin Material Kayu Setelah Selesai Dirancang, Dibuat dan Dirakit .
Namun  setelah  selesai  didesain,  dibuat dan  dirakit  turbin  angin  tidak  dapat  berputar walau  kecepatan  angin  telah  mencapai  4  m/s, hal  ini  dikarenakan  sudu  turbin  angin  yang terbuat  dari kayu terlalu  berat  dan tebal untuk dapat  berputar  pada  kecepatan  rendah.  hal  ini tentu  tidak  sesuai  dengan  tujuan  awal  dari tugas  akhir  ini  yaitu  merancang  dan  membuat turbin  angin  tipe  horizontal  untuk  angin berkecepatan rendah.

## G. Perancangan Turbin Angin Sumbu
Horizontal Material Arkrilik.
Setelah  melalui  berbagai  pertimbangan maka  diputuskan  memilih  bahan  baru  dalam pembuatan  sudu  turbin  angin.  Bahan  yang
dipilih adalah arkrilik yang memiliki kekuatan yang cukup tetapi tidak tebal dan berat seperti kayu sehingga tidak perlu mempertimbangkan bentuk  dan  batasan airfoil. Rumusan  yang digunakan  dalam  mendesain  sudu  baru  ini tetap  sama  dengan  sudu  yang  sebelumnya tetapi  yang  diubah  adalah  panjang  sudunya (semula  0.75  cm  menjadi  0.5  cm)  dan  bentuk dari sudunya sendiri yang dibuat mirip dengan bawaan  turbin  angin  AIR-X.  Desain  baru  ini lebih  lebar  dua  kali  lipat  sehingga  diharapkan mampu  mencapai  efisiensi  pengkonversian energi  angin  yang  lebih  baik. Berikut rancangannya :
0 .0 4 7 5 cm 0 .0 3 1 6 cm 0 .0 2 3 7 cm 10 cm 1 4 c m 0 .0 4 7 5 cm 0 .0 3 1 6 cm 0 .0 1 9 0 0 .0 2 3 7 cm 10 cm 10 cm 10 cm 10 cm 0 .0 9 4 9 cm 0 .0 9 4 9 cm 0 .0 2 3 7 cm 0 .0 1 9 0
Gambar 7. Rancangan Turbin Angin Material Arkrilik.
Dalam  pembuatan  sudu,  arkrilik  yang dipilih  adalah  arkrilik  dengan  ketebalan  0.5 mm,  arkrilik  dengan  ketebalan  ini  memiliki kekuatan  yang  baik.    Berikut  tahap  –  tahap pembuatan sudu kayu tersebut :
a. Menyiapkan  arkrilik  yang  berbentuk papan  dengan  ukuran  60  x  25  x  0.05 cm
b. Menandai  dan  menggambar  pada arkrilik  letak  setiap  chord  yang  akan dibuat.
c. Memotong  arkrilik  menurut  bentuk yang telah ditandai dan digambar.
d. Menghaluskan arkrilik sehingga didapatkan bentuk yang baik
e. Membuat lubang baut untuk memasang penghubung antara sudu dan poros
f. Tahap  finishing,  yaitu  pengecatan agar arkrilik terlapisi bertujuan untuk membuat permukaan arkrilik yang licin menjadi kasar.
Setelah  selesai  dan  dirakit,  maka  akan didapatkan  hasil  seperti  gambar  dibawah  ini (sebelum dipasang ke tiang) adalah :
Gambar 8. Turbin Angin Material Arkrilik Setelah Selesai Dirancang, Dibuat dan Dirakit
H. Pengukuraan Daya Output Turbin
Material Arkrilik
Perhitungan  daya  output  turbin  material arkrilik  masih  memakai  rumus  yang  sama dengan perhitungan daya output material kayu, sehingga  didapatkan  hasilnya  pada  tabel berikut ini :
Tabel 3. Perkiraan Daya yang Dihasilkan Turbin Angin Arkrilik pada Berbagai Kecepatan Angin
Kecepatan Angin (m/s) Daya yang dihasilkan (kW) 1 4.489.10 -6 2 3.591x10 -5 3 1.212x10 -4 4 2.872x10 -4 5 5.611x10 -4 6 9.696x10 -4 7 1.539x10 -3 8 2.298x10 -3 9 3.272x10 -3 10 4.489x10 -3
11 5.974x10 -3 12 7.756x10 -3

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan  dapat  ditarik  beberapa  kesimpulan, yaitu:
a. Sudu  turbin  angin  pertama  dibuat dengan  material  kayu  karena  kayu mudah didapatkan, proses pengerjaannya  pun  tidaklah  rumit  . Tetapi  setelah  dibuat,  ternyata  turbin tidak  berputar  walaupun  kecepatan angin telah mencapai 4 m/s dikarenakan  sudu  terlalu  berat  dan  hal ini  tentu  tidak  sesuai  dengan  tujuan penelitian. b. Sudu turbin angin kedua dibuat dengan material  arkrilik  yang    memiliki kekuatan  cukup  tetapi  tidak  tebal  dan berat  seperti  kayu.  Turbin  angin horizontal hasil rancangan mulai berputar pada kecepatan angin 2.6 m/s.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Puriza,  M.  Yonggi.  (2012). Perancangan dan  Pembuatan  Prototipe  Turbin  Angin Sumbu  Horizontal .  Universitas  Andalas. Padang. Sumatera Barat.
[2] Erich Hau,  Wind Turbines Fundamentals, Technologies,  Application,  Economics,
2ndEdition, terjemahan Horst von Renouard, Springer, Germany, 2005
[3] http://elearning.gunadarma.ac.id/docmodu l/dasar.../bab6_energi_angin.pdf. akses tgl 2 maret 2011
[4] Alamsyah, Heri. (2007). Pemanfaatan Turbin Angin Dua Sudu Sebagai Penggerak Mula Alternator Pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin . JTE
UNS : Semarang.
[5] Lungan, Fransiscus. (2008). Perancangan dan Pembuatan Turbin Angin Sumbu Horizontal Tiga Sudu Berdiameter 3.5 Meter Dengan Modifikasi Pemotongan dan Pengaturan Sudut Pitch . JTM. FTTM ITB : Bandung.