Terbit online pada laman web jurnal http://ejournal2.pnp.ac.id/index.php/jtm

## J URNAL T eknik M esin
Vol. 15 No. 2 (2022) 153 - 158      ISSN Media Elektronik: 2655-5670
Pengaruh Overlap Ratio pada Model Turbin Savonius terhadap Karakteristik Koefisien Daya Berdasarkan Eksperimen Pada Wind Tunnel
13456 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
2 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Padang * uyunggsd@gmail.com

## Abstract
Wind  energy  is  a  resource  that  is  abundant,  environmentally  friendly,  and  renewable,  therefore  it  has  the  potential  to  be developed. Savonius vertical axis type is suitable for application in low wind speed conditions. The Savonius wind turbine has  good  self-starting  so  that  it  is  able  to  rotate  the  rotor  even  though  the  wind  speed  is  low,  besides  that  the  torque  it produces is relatively high. This study aims to determine how differences in OR affect the performance of Savonius turbines with an aspect ratio (AR) of 2. The experimental method was applied in this research to investigate the characteristic Cp of the model using the wind tunnel with different overlap ratios of 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, and 0.3. The wind turbine model that has been made using a 3D printing process made of PLA + material. The results obtained in each OR test are the maximum Cp value for the variation OR 0.1, which is 0.121, OR 0.15, the maximum Cp value obtained is 0.213, OR 0.2, the maximum Cp value is 0.245, OR 0.25, the maximum Cp value is 0.224 and OR 0.3, the maximum Cp value is 0.210. Based on the five overlap variations, the maximum Cp ratio is obtained at OR = 0.2, namely Cp = 0.245 and TSR = 0.7. The OR value of 0.2 is able  to  maximize  turbine  power  and  minimize  negative  torque  because  the  flow  through  the  overlap  area  can  maximally direct wind power to the maximum backward blade.
Keywords: Savonous, Wind Tunnel Experiment, Low wind speed, Self-starting, the Overlap ratio

## Abstrak
Energi angin adalah salah satu sumber daya yang berlimpah, ramah lingkungan dan bersifat renewable , oleh karena itu sangat berpotensi  untuk  dikembangkan.  Turbin  angin vertikal  exis  jenis  savonius cocok  untuk  diterapkan  pada  kondisi  kecepatan angin rendah. Turbin angin savonius memiliki self-starting yang baik sehingga mampu memutar rotor walaupun kecepatan angin rendah, selain itu torsi yang dihasilkan relatif tinggi. Tujuan dari penelitian ini yaitu melihat pengaruh variasi Overlab Rasio (OR) terhadap kinerja turbin savonius dengan  aspek rasio (AR)=2. Metoda yang digunakan pada penelitian ini adalah metoda eksperimental yaitu dilakukan pengujian terhadap model pada wind tunel untuk melihat karakteristik kinerja  turbin savonius dengan  variasi overlap  ratio 0,1;0,15;0,2;0,25;0,3.  Model  turbin  angin  yang  telah  dbuat  dengan  menggunakan proses 3D printing bermaterial PLA +. Hasil yang didapatkan pada pengujian masing-masing OR adalah nilai Cp maksimum pada variasi OR 0,1, adalah 0,121; OR 0,15 nilai Cp maksimum yang diperoleh adalah 0,213; OR 0,2, nilai Cp maksimum adalah 0,245, OR 0,25, nilai Cp maksimum adalah 0,224 dan OR 0,3 diperoleh nilai Cp maksimum yaitu 0,210. Berdasarkan kelima  variasi  overlab  rasio  Cp  maksimal  didapat  pada  OR=  0,2  yaitu  Cp=  0,245  dan  TSR=  0,7.  Nilai  OR  0,2  mampu memaksimalkan  daya  turbin  dan  meminimalkan  torsi  negative  karena  aliran  melalui  area  overlab  dapat  secara  maksimal mengarah tenaga angin ke sudu mundur secara maksimal .
Kata kunci: Savonous Rotor, wind tunnel eksperimen, Kecepatan rendah, self-starting, Overlab rasio

## 1. Pendahuluan
Sebagian  besar  energi  yang  digunakan  masyarakat bersumber  dari  energi  fosil  yang  memiliki  dampak negative  terhadap  lingkungan  karena  menghasikan emisi  CO2  [1]  Oleh  karena  itu  penelitian  terhadap energi  terbarukan  terus  dilakukan  untuk  percepatan
dalam  pemanfaatan  energi  terbarukan  sehingga mengurangi  ketergantungan  pada  bahan  bakar  fosil. Salah  satu  alternatif  sumber  energi  terbarukan  yang melimpah  dan  masih  minim  dalam  penggunaannya adalah energi angin. Pemilihan angin sebagai sumber energi  listrik  dikarenakan  listrik  yang  dihasilkan  dari angin  tidak  menghasilkan  gas  CO 2 sehingga  tidak
Ruzita Sumiati 12 , M. Luthfi Artia 3 , U G S Dinata 4* , Gusr i wandi 5
mempunyai  konstribusi  pada  dalam  menghasilkan efek  rumah  kaca[2].  Pemanfaatan  energi  angin dibantu  oleh  sebuah  alat  yang  disebut  dengan  turbin angin.  Turbin  angin  merupakan  perangkat  mekanis sederhana  yang  mengubah  energi  kinetik  angin menjadi tenaga mekanik atau energi listrik [3].
Pemanfaatan  energi  angin  perlu  mempertimbangkan profil kecepatan angin pada wilayah operasinya. Profil kecepatan  angin  Indonesia  termasuk  pada  kecepatan angin  rendah  berkisar  antara  0,3  -  7  m/s  [4-5].  Jenis turbin  yang  mampu  berputar  dengan  baik  pada kecepatan  angin  rendah  adalah  jenis  savonius  karena memiliki self-starting yang baik pada kecepatan angin rendah.  Prinsip  dasar  pengoperasian  turbin  savonius terletak  pada  selisih  gaya  drag  yang  diberikan  oleh angin  pada  kedua  bucket  (blade)  yang  menyebabkan turbin berputar. Konstruksi sederhana turbin savonius klasik terlihat pada Gambar 1

## Gambar 1 Konsep awal savonius [6]
Keunggulan  dari  turbin  savonious  memiliki  stuktur sederhana,  mudah  di  produksi,  memiliki  frekuensi rendah,  dapat  menerima  angin  dari  segala  arah,  torsi awal tinggi, rentang kecepatan kerja angin yang lebar, sesuai  untuk  aplikasi  pada  daerah  perkotaan  akan tetapi savonious memiliki efisiensi yang rendah [6-11] jika dibandingkan dengan turbin lainnya.
Kinerja  turbin  Savonious  ditinjau  dari  dua  parameter utama yaitu koefisien torsi C T dan Koefisien daya Cp Salah  satu  parameter  yang  mempengaruhi  nilai koefisien  tersebut  adalah  parameter  Overlap  Ratio (OR).  OR  adalah  jarak  antara  dua  sudu  pada  turbin savonius  dibagi  dengan  diameter  buket.  Jarak  ini digunakan untuk mengkompensasi tekanan diferensial di  bagian  cekung  dan  cembung.  OR  dalam  makalah yang  berbeda  kadang-kadang  didefinisikan  sedikit berbeda, tetapi secara umum mengungkapkan  konsep yang  sama.  Menurut  Fujisawa  [12],  ukuran  optimal untuk  rasio  overlab  sama  dengan  15%  dari  ukuran diameter  buket.  Blackwell  dkk.  [13]  menyimpulkan bahwa  dimensi  overlab  setara  dengan  nilai  antara  10 dan  15%  ukuran  diameter  baket.  Alexander  dan Holownia  [14]  dan  Mojola  [15]  menunjukkan  bahwa nilai  antara  20  dan  30%  dari  diameter  buket memberikan  hasil  terbaik  untuk  kinerja  turbin  angin Savonius.  OR  kecil  antara  0,15  dan  0,25  membantu meminimalkan  torsi  negatif,  dan  meningkatkan
kinerja  karena  aliran  melalui  area  overlab  jika dibandingkan dengan savonius tanpa overlab.
Tujuan  dari  riset  ini  adalah  melihat  pengaruh  OR terhadap  karakteristik  kinerja  turbin  savonius  klasik dua  bilah  dengan  nilai  aspek  rasio  yang  diterapkan pada turbin savonius yaitu 2 dengan tinggi turbin dua kali  diameternya.  Penelitian  dilakukan  secara ekperimental pada wind tunnel.

## 2. Perhitungan Kinerja Savonius
Kinerja  turbin  savonious  ditentukan  oleh  dua  faktor utama: koefisien torsi C T dan koefisien daya Cp [16]. Cp  mengukur  kinerja  turbin  dalam  menghasilkan energi  kinetik  menjadi  energi  mekanik  atau  listrik yang  dinyatakan  dengan  persamaan  1.  Nilai  C T merupakan  perbandingan  antara  torsi  aktual  yang dihasilkan dengan torsi yang tersedia pada angin yang dinyatakan  dengan  persamaan  (4).  TSR  (λ)  adalah parameter  yang  dihitung  sebagai  rasio  kecepatan ujung sudu dengan kecepatan angin melalui sudu yang dinyatakan dengan persamaan (5).
(1) dimana P A = (2)
dan        P = T. (3)
(4)
(5)
(6)
Dimana  ρ  adalah  densitas  udara  yang  diukur  dalam kg/m 3 ,  U  adalah  kecepatan  angin  dalam  aliran  bebas yang diukur dalam m/dt, A adalah luas sapuan turbin yang  diukur  dalam  m 2 , sama  dengan tinggi  dikalikan diameter  rotor  (m 2 ),  R  adalah  jari-jari  turbin  yang diukur  dalam  meter,  ω  pada  persamaan  6  adalah kecepatan  putar  turbin  yang  diukur  dalam  radian  per detik,  dan  P  adalah  besarnya  daya  yang  dihasilkan oleh turbin. P A adalah daya yang tersedia dalam angin [W].

## 3. Metode Penelitian
Geometri  turbin  savonius  yang  diuji  disajikan  pada Gambar 2 dalam bentuk gambar kerja dan hasil cetak pada  printer  3D.  Data  variasi  overlab  dapat  dilihat pada Tabel 1.
Model  dicetak  menggunakan  printer  3D  dengan menggunakan  PLA+.  Bearing  yang  digunakan  pada konstruksi  turbin  adalah  bearing  Teflon  dengan diameter dalam 8mm dan diameter luar 22mm.

## Ruzita Sumiati
12 , M. Luthfi Artia 3 , U G S Dinata 4 *, Gusriwandi 5
Gambar 2. Bentuk geometri & Hasil Cetak geometri dengan Printer 3D
Tabel 1. Dimensi Turbin
Variabel yang digunakan dalam penelitian ada 3 jenis: a.Variabel Bebas yaitu Variabel bebas pada penelitian ini yaitu variasi overlap ratio 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3 yang  merupakan  perbandingan  antara  jarah  celah antar  sudu  dengan  diameter  sudu;  b.  variabel  terikat yaitu  daya  dan  karakteristik  model  turbin;  variabel tetap yaitu model turbin savonius dengan jumlah sudu 2, PLA + sebagai material pemodelan, dan kecepatan angin.
Metoda  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah metoda  eksperimental  yaitu  pengujian  model dilakukan  pada  wind  tunnel  jenis low-speed  open-jet yang terdapat pada laboratorium fluid dinamik Teknik Mesin  Universitas  Andalas.  Gambar  3  merupakan bentuk skema wind tunel yang digunakan.
Gambar 3. Skema alat uji turbin angin pada terowongan angina
Keterangan Gambar 3 yaitu   1= Panel pengontrol, 2 = Blower, 3= Manometer, 4 = Tabung pitot, 5 = Model turbin  angina.    Model  skema  pengujian  yang  dapat dilihat pada Gambar 4 .
(a) (b)
Gambar.4  (a) Skema pengujian , (b). Proses pengambilan data
Keterangan  gambar 4a : 1 = Manometer, 2 = Tabung pitot,  3  =  Model  turbin  angina,    4  =  Katrol,    5  = Beban,  6 = Tali, 7 = Pulley
Data yang diambil pada pengujian adalah data variasi pembebanan  (pengereman),  mengukur  putaran  poros dan  kecepatan  angin.  Pengambilan  data  dilakukan pada semua variasi OR (0.1; 0,15; 0,2; 0,25 dan 0,3)

## 4. Hasil dan Pembahasan
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mendapatkan perbandingan  nilai  prestasi  dari  masing-masing karakteristik  model  turbin  angin  yang  divariasikan. Dari pengujian didapatkan data berupa daya angin dan daya mekanik dari putaran poros turbin angin model, perhitungan  matematis  mengunakan  persamaan1-6. Data tersebut selanjutnya  diolah sehingga  didapatkan
Ruzita Sumiati 12 , M. Luthfi Artia 3 , U G S Dinata 4 *, Gusriwandi 5
nilai  koefisien  daya  (C P )  dengan  membandingkan antara  daya  input  (angin)  dengan  daya  output (mekanik poros). Tip Speed Ratio didapatkan dengan membandingkan  kecepatan  putaran  pada  ujung  sudu turbin  dengan  kecepatan  angin,  sehingga  didapatkan efesiensi  turbin  dalam  menyerap  energi  angin. Gambar 5-9 menyajikan data pengujian dalam bentuk grafik Cp-TSR untuk overlab berturut turut 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 dan 0,3
Gambar 5. Grafik Cp - TSR pada OR 0,1
Gambar 6.  Grafik Cp - TSR pada OR 0,15
Gambar 7. Grafik Cp - TSR pada OR 0,2
Gambar 8. Grafik Cp - TSR pada OR 0,25
Gambar 9. Grafik Cp - TSR pada OR 0,3
Pada  gambar  5  –  9  menunjukkan  bahwa  nilai maksimum Cp untuk masing-masing variasi diperoleh pada  TSR  berkisar  antara  0,4-0,7.  Hasil  yang didapatkan pada pengujian masing-masing OR adalah nilai Cp maksimum pada variasi OR 0,1, adalah 0,121 pada  TSR  0,5; OR 0,15  nilai  Cp  maksimum  yang diperoleh  adalah  0,213  pada  TSR  0,5,    OR 0,2  nilai Cp maksimum adalah 0,245 pada TSR 0,6;  OR 0,25 nilai Cp maksimum adalah 0,224 TSR 0,7 dan OR 0,3 diperoleh  nilai  Cp  maksimum  yaitu  0,210  TSR  0,5. Berdasarkan  kelima  variasi  overlab  rasio  Cp maksimal didapat pada OR= 0,2  yaitu Cp= 0,245 dan TSR=  0,6.  Nilai  yang  didapat  pada  penelitian  ini sejalan  dengan  penelitian  yang  telah  dilakukan sebelumnya  yaitu  penerapan  overlab  sebesar  antara 0,15 dan 0,25 membantu meminimalkan torsi negatif, dan  meningkatkan  kinerja  karena  aliran  melalui  area overlab  jika  dibandingkan  dengan  savonius  tanpa overlab [14][15].
Pengaruh OR terhadap  putaran  dan  torsi  pada  turbin Savonius  disajikan pada Gambar  10.  Grafik merupakan  hasil  pengujian  putaran  terhadap  torsi pada  model  turbin  angin  savonius  pada  5  variasi overlap  ratio  yaitu  0,1;  0,15;  0,2;  0,25  dan  0,3  pada kecepatan angin 5,87345 m/s.

## Ruzita Sumiati
12 , M. Luthfi Artia 3 , U G S Dinata 4 *, Gusriwandi 5
Gambar 10. Grafik Putaran - Torsi pada kec Angin 5,87345 m/s
Pada  Gambar  10  menunjukkan  grafik  hubungan antara  putaran  rotor  terhadap  nilai  torsi  pada kecepatan  angin  5,873  m/s.  Pada  saat  turbin  angin berputar  diberikan  pembebanan  sehingga  terjadi pengereman  berupa  gesekan  antara  poros  dan  tali mengakibatkan terjadi momen puntir pada poros yang dikenal  dengan  torsi.  Hubungan  antara  torsi  dan pembebanan  yaitu  berbanding  lurus,  semakin  besar beban  yang  diberikan  pada  poros  maka  torsi  yang terjadi  juga  semakin  besar  dan  sebaliknya  semakin kecil  pembebanan  yang  diberikan  maka  torsi  juga semakin  kecil.  Setiap  pembebanan  yang  diberikan akan  mengurangi  putaran  poros  turbin  angin.  Pada gambar  4.8  dapat  disimpulkan  pada  kecepatan  angin 5,873  m/s  turbin  angin  savonius  overlap  ratio  0,2 memiliki  nilai  torsi  tertinggi  dibandingkan  variasi lainnya yaitu bernilai 0,0194 Nm dan putaran tertinggi 1151,4 rpm.

## 4.   Kesimpulan
Penelitian  ini  merupakan  penelitian  eksperimental yang  bermanfaat  untuk  melihat  kinerja  turbin savonius  dengan  menerapkan  parameter  overlab. Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  nilai  koefisien daya  paling  tinggi  adalah  pada  OR  0,2  dengan  nilai Cp  0,25  pada  TSR  0,7.  Sedangkan  nilai  Cp  terendah yaitu  pada  OR  0,1.  Nilai  OR  0,2  mampu memaksimalkan daya turbin  dan meminimalkan torsi negative  karena  aliran  melalui  area  overlab  dapat secara  maksimal  mengarah  tenaga  angin  ke  sudu mundur  secara  maksimal  jika  dibandingkan  dengan savonius  yang  memiliki  nilai OR  0,1; 0,15;  0,25  dan 0,3.  Dari  hasil  pengamatan  menunjukkan  bahwa perubahan nilai OR akan mempengaruhi karakteristik kinerja turbin angina savonius.

## Ucapan Terimakasih
Ucapan terima kasih kepada Universitas Andalas yang telah  mendanai  penelitian  ini  dengan  skema  Riset Publikasi  Bereputasi  (RPB)  Batch  I  dengan  no kontrak:  T/29/UN.1617/PT.01.03/Energi-RPB/2022

## Daftar Rujukan
[1] [X.  Yang,  J.  Pang,  F.  Teng,  R.  Gong,  and  C.  Springer,  ‘The environmental co-benefit and economic impact of China’s low- carbon  pathways:  Evidence  from  linking  bottom-up  and  top- down  models’,  Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews, vol. 136, (2021), Http://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110438 [2] Martin O. L. Hansen, (2007), ‘Aerodynamics of Wind Turbines Second Edition’, London • Sterling, VA, https://doi.org/10.4324/9781849770408
[3] Mr. P. R. M. Shailendra Sao, ‘Analysis of NACA 4415 Blade profile  For  Horizontal  Axis  Wind  Turbine  Using  Various Aerodynamic Characteristics’, (2017).
[4] I.  Sofiati,  E.  Yulihastin,  and  M.  F.  Putranto,  Meridional variations  of  sea  surface  temperature  and  wind  over  southern sea  of  Java  and  its  surroundings.  Journal  of  Physics  and  Its Applications Vol:3 No.1, (2020), https://doi.org/10.14710/jpa.v3i1.9374
[5] N.  A.  Satwika,  R  Hantoro,  E.  Septyaningrum,  and  A.  W. Mahmashani,  ‘Analysis  of  wind  energy  potential  and  wind energy  development  to  evaluate  performance  of  wind  turbine installation  in  Bali,  Indonesia’,  Journal  of  Mechanical Engineering  and  Sciences,  vol.  13, no.  1,  (2019):  4461–4476, Http://doi.org/10.15282/jmes.13.1.2019.09.0379
[6] K. A. H. Al-Gburi, F. B. I. Alnaimi, B. A. Al-quraishi, E. Sann Tan,  and  M.  M.  Maseer,  ‘A  comparative  study  review:  The performance  of  Savonius-type  rotors’,  Material  Today  Proc,
(2022): 343–349, Http://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.226
[7] S. H. Chaklasiya, R. R. Saxena, and P. v Ramana, ‘Review on Performance  Evaluation  of  Helical  Savonius  Wind  Turbine’, vol. 4, no. 1, (2018): 1464–1471
[8] [T. Zhipeng, Y. Yingxue, Z. Liang, and Y. Bowen, ‘A review on  the new structure of savonius wind turbines’, in  Advanced Materials  Research,  vol.  608–609,  (2013):  467–478. Http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.608-609.467
[9] K.  H. Wong,  W.  T.  Chong,  N. L.  Sukiman,  S.  C.  Poh,  Y. C. Shiah, and C. T. Wang, ‘Performance enhancements on vertical axis  wind  turbines  using  flow  augmentation  systems:  A review’, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 73, no. June 2016, (2017):904–921,
Http://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.160
[10] M. Zemamou, M. Aggour, and A. Toumi, ‘Review of savonius wind  turbine  design  and  performance’,  Energy  Procedia,  vol. 141, no. December, (2017): 383–388,
Http://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.11.047
[11] Z. Tasneem  et  al., ‘An  analytical  review  on  the  evaluation  of wind resource and wind turbine for urban application: Prospect and challenges’, Developments in  the Built Environment, vol. 4. Elsevier Ltd, (2020).
Http://doi.org/10.1016/j.dibe.2020.100033
[12] N.  Fujisawa,  ‘On  the  torque  mechanism  of  Savonius  rotors’, Journal  of  Wind  Engineering  and  Industrial  Aerodynamics Volume 40, Issue 3, (1992) :277-2921 https://doi.org/10.1016/0167-6105(92)90380-S
[13] B.  F.Blackwell, R.  E.  Sheldahl,  and L.  v Feltz,  ‘Wind  Tunnel Performance  Data  for  TWO- and  Three Bucket  Savonius Rotors’. ARC, Vol.2 No.3, (2012), https://doi.org/10.2514/3.47966
[14] A. J. Alexander and B. P. Holownia, ‘Wind Tunnel Tests On A Savonius Rotor’, (1978). https://doi.org/10.1016/0167-6105(78)90037-5
Ruzita Sumiati 12 , M. Luthfi Artia 3 , U G S Dinata 4 *, Gusriwandi 5
[15] Mojola, ‘On the aerodynamic design of the savonius windmill rotor’,  Journal  of  Wind  Engineering  and  Industrial Aerodynamics, vol. 21, (1985): 223–231.
https://doi.org/10.1016/0167-6105(85)90005-4 [16] S. F. Dorel, G. A. Mihai, and D. Nicusor, ‘Review of specific performance  parameters  of  vertical  wind  turbine  rotors  based on  the  Savonius  type’,  Energies,  vol.  14,  no.  7.  MDPI  AG,
(2021),
Http://doi.org/10.3390/en14071962
Ruzita Sumiati 12 , M. Luthfi Artia 3 , U G S Dinata 4 *, Gusriwandi 5