## UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN PROFIL SUDU NACA 0018 SEBAGAI PENGGERAK AERATOR DI TAMBAK UDANG
Rijal B.Sitorus 1 , Tulus B. Sitorus 2 , Syahril Gultom 3 , Farel H. Napitupulu 4 , Taufiq bin Nur 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Email : bintang_rijal@yahoo.com

## ABSTRAK
Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda  dengan  karakteristik  angin  di  negara-negara  maju  yang  telah  memanfaatkan  angin  sebagai sumber energinya. Untuk itu perlu mengembangkan teknologi turbin angin sumbu vertikal yang tidak dipengaruhi perubahan arah datangnya angin.Penelitian ini menggunakan  model turbin angin sumbu vertikal Darrieus Tipe-H dengan profil sudu NACA 0018,panjang chord (C) 0,4 m, sudut pitch 6 0 dan jumlah sudu 3 buah. Dimensi turbin angin yaitu diameter (D) 2 m,tinggi (H) 1,5 m dan  massa sudu 1,5  kg.Ada  2  buah  aerator  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  dengan  massa  aerator  1,5  kg. Pengujian  turbin  angin  dilakukan  pada  variasi  kecepatan  angin  yang  berasal  dari  sebuah  kipas  yaitu 2,2 m/s, 2,6 m/s  3 m/s ; 3,2 m/s, 4 m/s dengan dibebani aerator dan tidak dibebani aerator. Pengujian juga  dilakukan  di  tambak  udang  dengan  kecepatan  angin  rata-rata  3  m/s.  Dari  hasil  pengujian diperoleh putaran turbin pada saat tidak dibebani aerator dengan variasi kecepatan angin yaitu 12 rpm, 20 rpm, 26 rpm, 30 rpm, 62 rpm dan putaran turbin setelah dibebani aerator yaitu 8 rpm, 12 rpm, 16 rpm,  23  rpm,  56  rpm.  Ketika  turbin  diuji  di  tambak  udang  menghasilkan  putaran  80  rpm  dengan dipasang aerator. Sehingga diperoleh daya turbin secara teori untuk memutar aerator di tambak udang sebesar  7,68  Watt  dengan  1  buah  aerator  terpasang  pada  kedalaman  aerator  2,5  cm  dibawah permukaan air.
Kata kunci : Turbin angin Darrieus-H, NACA 0018, sudut pitch, variasi kecepatan angin

## 1. PENDAHULUAN
Pemanfaatan  sumber  energi  angin  di  Indonesia  masih  langka,  hal  tersebut dimungkinkan  karena  pengaruh  teknologi  atau  pengetahuan  yang  belum  populer,  arah  angin yang  tidak  tetap  dan  dipandang  kurang  ekonomis.  Angin  dipandang  sebagai  proses alam  yang kurang memberikan nilai ekonomis bagi kegiatan masyarakat, namun jika hal ini dimanfaatkan secara  optimal  dapat  memberikan  pengaruh  yang  besar  untuk  mengurangi  krisis  energi  yang sedang terjadi sekarang ini. Daerah- daerah pesisir di Indonesia memiliki kapasitas angin yang cukup  besar  dan  memungkinkan  untuk  dikembangkan  pembangkit  listrik  tenaga  angin  yang sifatnya terbarukan, berkelanjutan dan ramah lingkungan.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1  Energi Angin
Angin  adalah  udara  yang  bergerak  dari  tekanan  udara  yang  lebih  tinggi  ke  tekanan udara  yang  lebih  rendah.  Perbedaaan  tekanan  udara  disebabkan  oleh  perbedaan  suhu  udara akibat  pemanasan  atmosfer  yang  tidak  merata  oleh  sinar  matahari,  karena  bergerak  angin memiliki energi kinetik.
Energi angin dapat dikonversi atau di transfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau  mekanik  dengan  menggunakan  turbin  angin.  Oleh  karena  itu  turbin  angin  sering  disebut sebagai Sistem Konversi Energi [1].

## 2.2   Turbin Angin
Turbin  angin  atau  dalam  bahasa  sederhana  kincir  angin  merupakan  turbin  yang digerakkan oleh angin, yaitu udara yang bergerak di atas permukaan bumi. Sudah sejak dahulu angin berjasa bagi

## 2.2.1   Jenis – jenis Turbin Angin
Desain  turbin  angin  yang  ada  saat  ini  secara  umum  terbagi  menjadi  dua,  yaitu  turbin angin  sumbu  mendatar  (HAWT)  dan  sumbu  vertikal  (VAWT).  Berdasarkan  fungsi  gaya aerodinamis, rotor terbagi menjadi dua, yaitu rotor tipe drag dan rotor tipe lift . 1. Horizontal  Axis  Wind  Turbine (HAWT)  merupakan  turbin  yang  poros  utamanya  berputar menyesuaikan arah angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Turbin angin sumbu horizontal . 2. Vertical  Axis  Wind  Turbine (VAWT)  merupakan  turbin  angin  sumbu  tegak  yang  gerakan poros dan rotor sejajar dengan arah angin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar 4.
Gambar 2 H Rotor
Gambar 3 Darrieus

## Gambar 4 Savonius  Rotor Rotor

## 2.3   Teori momentum elementer Betz
Teori  ini  diperkenalkan  pertama  kali  oleh  Albert  Betz.  Teori  ini    menjelaskan  bahwa dengan menerapkan hukum fisika dasar, energi mekanik yang dapat diekstrak dari aliran udara yang  melewati  suatu  penampang  dibatasi  oleh  energi  yang  terkandung  pada  aliran  udara. Penelitian  lebih  lanjut  ekstraksi  daya  yang  optimal  didapatkan  dengan  rasio  tertentu  antara kecepatan  aliran  udara  yang  berada  didepan  mesin  konversi  energi  dan  kecepatan  aliran  di belakang mesin tersebut [2].
2 2 1 mv
E = (Joule) (1)
Dimana : E = Energi (Joule) m = massa udara (kg) v = kecepatan angin (m/ s)
Banyaknya udara yang mengalir tiap satuan waktu pada luas penampang A tertentu jika angin yang bergerak dengan kecepatan v , dituliskan sebagai berikut :
vA V = . ( s m 3 ) (2)
Dimana :
. V = kapasitas aliran udara (m 3 /s) A = Luas penampang melintang aliran (m 2 )
dan laju aliran massa dengan kerapatan  adalah :
vA m  = . ( s kg ) (3)
Dimana : . m = laju aliran massa (kg/s)
 = massa jenis angin (kg/m 3 )
Besar energi yang terkandung di dalam massa udara mengalir yang melewati luas penampang A per satuan waktu pada Gambar 5 adalah  :
A v P 3 2 1  = (4)
Gambar 5 Pemodelan aliran dari Teori Momentum Betz [3] Energi  mekanik  yang  diekstak  dari  angin  akibat  perbedaan  kecepatan  udara  dapat dinyatakan dengan persamaan :
( ) 2 3 2 1 3 1 2 1 2 3 2 2 1 1 1 2 1 . . . . . . A A A A P        − = − = (5)
Dimana : P = daya yang diekstrak (W)  = massa jenis udara (kg/ m 3 ) A 1 = Luas penampang aliran sebelum melalui rotor (m 2 ) A 2 = Luas penampang aliran setelah melalui rotor ( m 2 ) v 1 = Kecepatan aliran udara sebelum melewati rotor ( m/s) v 2 = Kecepatan aliran udara setelah melewati rotor (m/s) atau
) ( 2 2 2 1 . 2 1 v v m
P − = (6) ) ( 2 1 . v v m
F − = (7 ) (2.7) , 2 1 . , ) ( v v v m Fv P − = = (8)
dimana : , v = kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)
, 2 1 . 2 2 2 1 . 2 1 ). .( ) .( . v v v m v v m − = − (9)
maka kecepatan udara yang melewati rotor adalah :
2 2 1 , v v v + = (10)
Maka besar daya keluaran mekanik yang dihasilkan adalah :
) )( ( . . 2 1 2 2 2 1 4 1 v v v v A P + − =  (11)
daya udara sebelum melewati turbin atau daya yang terdapat pada udara adalah :
A v P o . . 3 1 2 1  = (12)
Rasio  perbandingan  antara  daya  yang  dihasilkan  turbin  atau  daya  keluaran  mekanik dengan  daya  yang  terdapat  pada  udara  disebut  dengan power  coefficient (C p )  dengan persamaan :
3 1 2 1 2 1 2 2 2 1 4 1 ) )( (
Av v v v v A P P C o p   + − = = (13)
koefisien daya (C p ) dapat ditentukan secara langsung dari perbandingan 1 2 / v v adalah :
1 2 2 1 2 0 1 ) ( 1 2 1 v v v v P P C p + − = = (14) (2.14)
Koefisien  daya  tergantung  pada  perbandingan  antara  kecepatan  udara  sebelum  dan sesudah  melalui  turbin.  Hubungan  keterkaitan  itu  dapat  dilihat  pada  Gambar  6,  solusi  analitis dapat  ditemukan  dengan  mudah  bahwa  koefisien  daya  mencapai  titik  maksimum  pada  rasio kecepatan tertentu.
Gambar 6 Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran sebelum dan setelah dikonversi [3] dengan 1 2 / v v = 1/3 yaitu koefisien daya maksimum, C p menjadi
593 , 0 27 16 = = p C

## 2.4   Tip Speed Ratio
Tip  speed  ratio adalah  rasio  kecepatan  ujung  rotor  terhadap  kecepatan  angin  bebas. Untuk kecepatan nominal angin tertentu, tip speed ratio akan berpengaruh terhadap kecepatan rotor.  Turbin  angin  tipe lift akan  memiliki tip  speed  ratio yang  relatif  besar  dibandingkan dengan turbin angin drag .
Tip speed ratio (tsr) dihitung dengan persamaan :
a a V nr V r 60 2    = = (15)
Dimana : r = jari- jari rotor ( m ) n = putaran poros turbin tiap menit ( rpm ) V a = kecepatan angin ( m/s )

## 2.5   Airfoil
Profil  airfoil  adalah  elemen  penting  dalam  konversi  energi  angin.  Terdapat  beberapa variabel  yang  dinyatakan  dalam  menggambarkan  bentuk airfoil diantaranya  panjang  profil airfoil  (chord), ketebalan  ( thickness ),  dan  kelengkungan  ( chamber ).  Pada  Gambar  7  adalah bentuk-bentu airfoil .
Gambar 7 Bentuk airfoil [3]
Bilangan  Reynold  (Re)  menyatakan  perbandingan  gaya-  gaya  inersia  terhadap  gaya- gaya  kekentalan  (viskositas).  Bilangan  Reynolds  merupakan  bilangan  tak  berdimensi.  Dilihat dari  kecepatan  aliran,dikategorikan  laminar  bila  aliran  tersebut  mempunyai  bilangan  Re  lebih dari 4000. Rumus bilangan Reynolds pada turbin angin adalah :
  W C . . Re = (16)
dimana : C = panjang chord (m) W = kecepatan absolut elemen sudu (m/s) μ = viskositas dinamik udara (Ns/m 2 ) ρ = massa jenis udara (kg/m 3 ) Kecepatan absolute elemen sudu adalah :
( ) ( ) 2 2 1 cos sin    + − = V W (17)
dimana : W = Kecepatan absolute elemen sudu (m/s) V 1 = Kecepatan angin sebelum memasuki turbin (m/s) λ = tip speed ratio ϴ = perpindahan sudut gerak melingkar sudu ( 0 ) Bilangan Reynold merupakan faktor yang mempengaruhi gaya lift dan gaya drag pada airfoil , namun dalam banyak perhitungan awal bilangan Reynold dapat diabaikan karena hanya memiliki urutan kedua pada karakteristik untuk menentukan gaya lift dan gaya drag [4].
2.7   Gaya Aerodinamik pada Turbin

## Angin Darrieus H
Teori  elemen  bilah  digunakan  untuk  menganalisa  gaya  aerodinamika  pada rotating machine .  Pada  teori  ini,  gaya  angkat  dan  gaya  hambat  dihitung  per  elemen  sudu  kemudian diintegrasikan sepanjang sudu.
- Gaya hambat ( drag force )
Gaya drag adalah gaya hambat yang arahnya berlawanan dengan arah gerak benda Besar gaya hambat dapat dihitung dengan rumus :
D T a d C A V F 2 2 1  = (18)
- Gaya angkat ( lift force ) Gaya angkat ( lift ) adalah gaya pada arah tegak lurus arah aliran yang dihasilkan ketika fluida bergerak melalui benda yang berpenampang airfoil Besarnya gaya angkat dapat dihitung dengan rumus :
l T a L C A V F 2 2 1  = (19)
Dari gambar 10 dapat dirumuskan gaya normal dan gaya tangensial menjadi :
  sin cos d l normal F F F − − = (20)   cos sin tan d l gensial F F F − − = (21)
sehingga torsi yang diperoleh searah putaran pada  tertentu suatu airfoil adalah :
) cos sin .( .   d l F F R B
T + = (22)
Dimana : B = jumlah blade R = jari- jari turbin (m)
Maka daya turbin dapat dihitung dari berapa besar torsi dengan rumus :  . T P T = (23)
60 . . 2 N T P T  =
(24)

## 3.   METODOLOGI
Pengujian  dilakukan  setelah  mengetahui  kecepatan  nominal  angin  yang  akan  diuji. Dalam hal ini, kecepatan angin dihasilkan dari angin buatan yang dihasilkan dari fan atau kipas yang  digerakkan  motor  listrik  seperti  pada  Gambar  8  .  Kecepatan  angin  diukur  dengan menggunakan thermo- anemometer. Untuk mendapatkan kecepatan angin yang diinginkan maka dilakukan  dengan  cara  mengubah  jarak  antara fan dengan  turbin  angin  hingga  tercapai kecepatan nominal angin yang diinginkan.
Gambar 8 Sketsa pengujian turbin angin dengan sumber angin dari fan

## 3.1   Pengamatan Data Pengujian
Pada pengujian ini, data- data yang diamati adalah :
1. Parameter kecepatan angin yang diukur dengan menggunakan Thermo-  Anemometer.
2. Parameter putaran poros turbin dan poros aerator yang diukur dengan menggunakan digital tachometer.

## 3.2  Tahap Pengujian dan Pengmbilan Data
Tahap- tahap pengujian dan pengambilan data adalah :
1. Turbin angin siap diuji pada jarak yang sudah ditentukan dengan fan .
2. Fan disiapkan pada tempat dudukannya dengan posisi aman.
3. Fan dijalankan untuk menghasilkan kecepatan angin yang direncanakan.
4. Setelah  rotor  berputar,  diperhatikan  hingga  putaran  rotor  kelihatan  stabil      maka pengambilan data dilakukan dengan membaca angka nominal yang tertera pada alat ukur. Pada  pengujian  pertama  dilakukan  tanpa  dipasang  aerator.  Data  yang  diambil  adalah putaran poros turbin angin dan aerator.
5. Pengujian kedua dilakukan dengan memasang kedua aerator pada ujung poros aerator.
6. Dengan  cara  yang  sama  pada  poin  satu  sampai lima,  pengujian  untuk  selanjutnya  dengan variasi kecepatan angin.
7. Pada saat pencatatan pada setiap alat ukur, dilakukan tiga kali pembacaan pada pada  alat ukur untuk mendapatkan hasil yang maksimal dan diambil nilai rata- rata karena fluktuasi yang terjadi pada saat pembacaan pengukuran.

## 4.   HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian yang dilakukan untuk mengambil data kecepatan angin, putaran poros turbin dan  putaran  aerator  yang  dihasilkan.  Hasil  pengujian  dibandingkan  dengan  yang  dilakukan secara eksperimen dan hasil yang di dapat setelah diuji di tambak udang hingga bisa memutar aerator di permukaan air

## 4.1   Tip Speed Ratio
Pada hasil pengujian kecepatan angin v= 3 m/s dengan putaran turbin tanpa aerator n = 26 rpm  dan  dengan  dipasang  aerator  putaran  turbin  n  =  16  rpm,  maka  untuk  masing-  masing  tip speed ratio dapat dihitung sebagai berikut :
- Tip speed ratio tanpa aerator n = 26 rpm
Gambar 9 Grafik putaran turbin terhadap tip speed ratio Pada Gambar 9 dapat dilihat bahwa semakin tinggi putaran turbin maka semakin besar juga tip  speed  ratio yang  dihasilkan. Tip  speed  ratio maksimum  tanpa  aerator  1,6223  dan  tip speed ratio minimumnya 0,5709. Tetapi tip speed ratio maksimum dengan aerator 1,465 dan tip speed ratio minimumnya 0,2854. Hal ini dapat dikatakan bahwa beban aerator yang terpasang pada turbin itu akan mempengaruhi besarnya tip speed ratio yang dihasilkan. Pada waktu tanpa aerator menghasilkan tip speed ratio yang lebih besar daripada tip speed ratio dengan dibebani aerator pada kecepatan angin yang sama.

## 4.2   Torsi dan Daya Turbin
Torsi pada turbin dapat dihitung dengan rumus : T = B F T R (4.10)
Pada V a = 3 m/s, N = 26 rpm dengan F T = 1,0763  maka nilai torsi adalah : T = 3 x 1,0763 x 1 T = 3,22 Nm Maka daya turbin yang dihasilkan adalah : P = T x ω
(4.11)
P = 60
2 N T 
P = 60 60 . . 2  T
P = 8,78 Watt
Dengan cara yang sama, nilai torsi dan daya yang dihasilkan dapat dicari pada    setiap variasi kecepatan angin
907 , 0 5 60 1 100 2 60 . . . 2 = = = x x x x v r n   
Gambar 10 Grafik putaran poros turbin terhadap torsi Pada gambar 10 dapat dilihat bahwa saat turbin dibebani aerator torsi maksimum yang dihaslkan  turbin  adalah  4,96  pada  putaran  16  rpm  dan  torsi  minimum  2,413  Nm  saat  putaran turbin  maksimum  56  rpm.  Sedangkan  saat turbin tidak  dibebani aerator, torsi  maksimum  3,56 Nm dengan putaran 30 rpm dan torsi minimum 2,489 Nm saat putaran turbin maksimum 62 rpm.
Gambar 11 Grafik putaran poros turbin terhadap daya turbin Pada gambar 11 dapat dilihat bahwa semakin besar putaran poros turbin maka semakin besar juga daya yang dihasilkan turbin.
Gambar 12 Grafik tip speed ratio terhadap daya turbin
Pada gambar 12 dapat dilihat bahwa semakin besar tip speed ratio maka semakin besar juga daya yang dihasilkan turbin.
Gambar 13 Grafik tip speed ratio terhadap koefisien daya Pada  gambar  13  dapat  dilihat  bahwa  saat  turbin  dibebani  aerator,  koefisien  daya  maksimum adalah 0,193 sedangkan saat turbin tidak dibebani aerator maka koesien daya maksimum 0,196.

## 4.3   Hasil Pengujian di Tambak Udang
Setelah dilakukan pengujian di laboratorium, selanjutnya turbin diaplikasikan di tambak udang. Pengujian di tambak udang dilakukan pada jam 3 sore sampai dengan jam 5 sore. Hasil pengujian  yang  di  dapat  menghasilkan  putaran  turbin  maksimum  80  rpm  dengan  kecepatan angin  rata-rata  3  m/s  dengan  dipasang  aerator,  hal  ini  sangat  berbeda  dengan  putaran  yang dihasilkan turbin pada saat pengujian di laboratorium yang hanya menghasilkan 16 rpm.Putaran turbin tidak sama di laboratorium dan di lapangan akibat dari turbulensi yang terjadi pada saat pengujian.
Dari  hasil  penelitian  diperoleh  bahwa  turbin  dapat  memutar  aerator  pada  kecepatan angin 3 m/s dengan putaran turbin 80 rpm. Kedalaman aerator 2,5 cm di bawah permukaan air dan  hanya  satu  aerator  yang  bisa  terpasang  supaya  bisa  bergerak  menghasilkan  percikan  air. Putaran aerator ketika menghasilkan percikan dalam air 32 rpm.
Besar  daya  yang  diperlukan  untuk  menggerakkan  aerator  di  tambak  udang  dari  hasil perhitungan rumus-rumus adalah 7,68 Watt

## 5.   KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1   Kesimpulan
1. Besar torsi rata- rata yang diperlukan untuk memutar aerator secara teori adalah 1,2 Nm
2. Daya turbin rata - rata yang diperlukan secara teori untuk memutar aerator adalah 0,8 Watt
3. Daya  maksimum  yang  dihasilkan  turbin  pada  pengujian  di  laboratorium  tanpa  aerator adalah 16,156 Watt, sedangkan dengan beban aerator daya maksimum adalah 15,664 Watt
4. Nilai  koefisien  daya  maksimum  secara  teori  yang  dihasilkan  turbin  angin  tanpa  aerator adalah 0,196 dan dengan aerator sebesar 0,193
5. Untuk  proses  terjadinya  sistem  aerasi  di  tambak  udang,  hanya  1  buah  aerator  yang  bisa terpasang.Pada  saat  2  buah  aerator  dipasang  pada  ujung  poros  aerator,  turbin  angin  tidak bisa memutar aerator sehingga tidak terjadi proses aerasi di tambak udang.
6. Putaran aerator ketika menghasilkan percikan air adalah 32 rpm dengan kedalaman aerator 2,5 cm di bawah permukaan air
7. Daya  yang  diperlukan  untuk  memutar  aerator  1  buah  dengan  kedalaman  2,5  cm  dibawah permukaan air adalah 7,68 Watt dengan efisiensi turbin 16,3 %

## 5.2   Saran
1. Pada  saat  pengujian  turbin  angin  sebaiknya  menggunakan wind  tunnel untuk  menjaga aliran udara seragam dan kecepatan angin konstan.
2. Untuk  penelitian  lebih  lanjut  lagi  sebaiknya  menambah  variasi  kecepatan  angin  agar karakteristik pada turbin angin terlihat lebih jelas.
3. Untuk penelitian lebih lanjut lagi supaya menambah tinggi turbin angin untuk mendapatkan putaran turbin yang lebih besar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Facruddin,Muhammad.2011 . Rancang bangun sistem   aerator dengan menggunakan energi surya . IPB: Bogor [2] Burton, Tony, David Sharpe, Nick
Jenkins,  and  Ervin  Bossanyi.  “  Wind Energy  Handbook” [3] Erich Hau, 2005. Wind turbine ;fundamentals, technologies, application,economics .Springer.   Germany [4] Mathew, Sathyajith. 2006. “Wind  Energy Fundamentals. Resources Analysis  and Economics”. India. Springer [5] Baker JR .. 2003. Features to aid or enable self starting of fixed pitch low   solidity vertical axis wind turbines . Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics [6] Daryanto, Y., 2007. Kajian Potensi Angin Untuk Pembangkit Listrik
Tenaga Bayu . Balai PPTAGG -   UPT-  LAGG
[7] Bhutta, M.M.A dkk, 2011. Vertical axis   wind  turbine  –  A  review  of  various configurations and  design techniques . Journal of Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier [8] Anwar, M.S., 2008. Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga   Angin Pada Stasiun Pengisan Accu   Mobil Listrik . Tugas Sarjana.   Surabaya: ITS [9]Gorelov DN. 2009. Analogy between a flapping
wing and a wind
turbine with a vertical axis of revolution . Applied Mechanics and Technical Physics [9] Kadir, A.,“Energi Sumber Daya, Inovasi,  Tenaga Listrik Dan Potensi Ekonomi“,Universitas Indonesia Press, Jakarta, 1987. [10]  Boyd , Claude E. . 1997 . Pond water aeration systems . Journal of Aquacultural Engineering, Elsevier
[11]  Manwell,J.F  .  2009. Wind  Energy  explained;  theory,  design,  and  Application;second edition. Jhon Wiley and sons,Ltd, Publications
[12]  Shubel, Piter J and Richard J. Crossley,2012.“Wind Turbine Blade
Design”