Analisis pengaruh sudut blade L terhadap performa turbin angin savonius- darrieus menggunakan computational fluida dynamic (CFD)

## Bagus Kurniasandy
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Informatika, Universitas PGRI Semarang Jl. Sidodadi Timur, Karangtempel, Kec. Semarang Timur, Semarang 50232
Email korespondensi: baguskurniasandy2018@gmail.com

## Abstrak
Turbin  Savonius-Darrieus  merupakan  salah  satu  turbin  angin  sumbu  vertikal  yang  memiliki  poros  yang disusun tegak lurus sejajar dengan arah angin, sehingga mampu menerima angin dari segala arah. Kajian ini dilakukan  dengan  memodifikasi  sudut  blade  berbentuk  lengkung  L  dengan  variasi  sudut  kelengkungan  blade turbin  sebanyak  3  variasi  sudut,  yaitu  masing-masing  10⁰,  20⁰,  dan  30⁰,  serta  menyimulasikan  turbin  angin mengggunakan metode CFD (Computational Fluid Dynamics) dengan variabel kecepatan angin 2 m/s, 2,1 m/s , 2,4 m/s, dan 2,5 m/s. Grafik hubungan kecepatan angin terhadap maximum velocity, dan grafik hubungan antara kecepatan angin terhadap maximum pressure dapat diketahui bahwa turbin angin sudut blade 30° memiliki nilai maximum velocity tertinggi dengan nilai 4.387 m/s -1 pada kecepatan angin 2,5 m/s. Turbin angin sudut blade 20° memiliki nilai maximum velocity tertinggi dengan nilai 4.288 m/s -1 pada kecepatan angin 2,5 m/s. Turbin angin sudut blade 10° memiliki nilai maximum velocity tertinggi dengan nilai 4.280 m/s -1 pada kecepatan angin 2,5 m/s. Turbin angin sudut blade 30° memiliki nilai maximum pressure tertinggi dengan nilai 4,111 Pa pada kecepatan angin 2,5 m/s. Turbin angin sudut blade 20° memiliki nilai maximum pressure tertinggi dengan nilai 4,795 Pa pada kecepatan angin 2,5 m/s. Turbin angin sudut blade 10° memiliki nilai maximum pressure tertinggi dengan nilai 4,105 Pa pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Kata kunci : turbin angin sumbu vertikal, CFD, sudut blade.

## Abstract
The Savonius-Darrieus  turbine is a vertical axis wind  turbine which  has a  shaft arranged perpendicularly parallel to the wind direction, so that it can receive wind from all directions. This research was conducted by modifying the L-shaped blade angle with variations in the angle of curvature of the turbine blade as many as 3 angle  variations,  namely  10⁰,  20⁰,  and  30⁰  respectively,  also  simulating  wind  turbines  using  the  CFD (Computational Fluid Dynamics) method with a variable wind speed of 2 m/s, 2.1 m/s, 2.4 m/s, and 2.5 m/s. From the graph of the relationship between wind speed and maximum velocity, and the graph of the relationship between wind speed and maximum pressure, it can be seen that a 30° blade angle wind turbine has the highest maximum velocity value with a value of 4,387 m/s^-1 at a wind speed of 2.5 m/s. A 20° blade angle wind turbine has the highest max velocity value with a value of 4,288 m/s -1 at a wind speed of 2.5 m/s. A 10° blade angle wind turbine has the highest maximum velocity value with a value of 4,280 m/s -1 at a wind speed of 2.5 m/s. The 30° blade angle wind turbine has the highest maximum pressure value with a value of 4.111 Pa at a wind speed of 2.5 m/s. A blade angle wind turbine of 20° has the highest maximum pressure value with a value of 4.795 Pa at a wind speed of 2.5 m/s. The 10° blade angle wind turbine has the highest maximum pressure value with a value of 4.105 Pa at a wind speed of 2.5 m/s.
Keywords: vertical axis wind turbine, CFD, blade angle.

## 1. Pendahuluan
Pemanfaatan  energi  khususnya  energi  alternatif semakin berkembang seiring waktu, mulai dari sistem yang  sederhana  hingga  sistem  yang  memerlukan pengaturan  yang  sangat  rumit  dan  tentunya  energi alternatif  yang  terus  berkembang  pasti  akan mengalami penipisan untuk sumber energinya, maka harus  terdapat  sumber  energi  yang  diperbaharukan untuk  mengatasi  penipisan  sumber  energi  tersebut, semakin menipisnya sumber energi yang tidak dapat terbaharukan  ( non-renewable ),  serta  penggunaan bahan bakar yang berasal dari fosil yang mencemari lingkungan,  memerlukan  suatu  jalan  alternatif  guna
mengganti  sumber  energi  tersebut  dengan  sumber energi yang terbaharukan ( renewable ).
Sumber  energi  tak  terbaharukan  yang  banyak digunakan  saat  ini  adalah  bahan  bakar  yang  berasal dari  fosil  minyak  bumi,  gas  alam,  dan  batu  bara. Sayangnya  jika  energi  ini  habis,  maka  diperlukan sumber-sumber energi baru [1-5].
Demi mendapatkan nilai efisien yang maksimal, maka diperlukan  simulasi  aliran  fluida  pada  turbin menggunakan software ANSYS  untuk  membantu mendapatkan nilai atau hasil kinerja pada turbin angin tersebut [6-9].
Hasil  analisis  numerik  yang  ditunjukkan  dengan kontur  kecepatan  dan  tekanan  statis  menunjukkan adanya vortex dan aliran resirkulasi pada ujung yang menyebabkan resistensi pada sudu [10]. Selain itu, ini menunjukkan aliran tarikan pada bilah yang maju dan tekanan pada sisi cembung dari bilah yang kembali. Simulasi  juga  menggunakan software yang  dapat menghasilkan  biaya  yang  lebih  efektif  dan  evaluasi lebih  cepat  dari  suatu  desain  tersebut  berdasarkan latar  belakang  masalah  di  atas,  desain  dan  simulasi aerodinamika kinerja turbin angin Savonius-Darrieus menggunakan Computational Fluid Dynamics (CFD) [11-14].

## 2. Metode
Kegiatan  yang  dilakukan  dalam  kajian  ini  meliputi perancangan  turbin  angin  Savonius-Darrieus  yang terdiri dari 8 buah sudu blade U luar dan 4 buah sudu blade L dalam, simulasi yang terdiri dari tiga variasi sudu blade L  yaitu  100,  200,  dan  300,  variasi kecepatan angin 2 m/s, 2,1 m/s, 2,2 m/s, 2,4 m/s, dan 2,5 m/s beserta pengambilan data. Pengambilan data dilakukan  dengan  cara  membandingkan  putaran turbin dengan perhitungan teoretis turbin untuk setiap variasi kecepatan turbin [15,16].
Kajian  ini  akan  dilakukan  desain  turbin  angin menggunakan software SolidWorks  2020,  setelah gambar turbin angin Savonius-Darrieus blade L telah didesain,  selanjutnya  akan  diuji  coba  dengan menggunakan software CFD Fluent untuk mengetahui  aliran  fluida  yang  terjadi  pada  desain [17].
Desain  kajian  adalah  rencana  dan  struktur penyelidikan yang dibuat sedemikian rupa, sehingga dapat  diperoleh  jawaban atas  pertanyaan-pertanyaan dalam  kajian,  turbin  angin  dalam  kajian  ini merupakan jenis  sumbu vertikal [18,19]. Gambar 1- Gambar  3  berikut  menunjukkan  desain  turbin  angin dibuat  menggunakan software SolidWorks  2020 dengan 4 sudu blade L dalam dan 8 buah sudu blade U luar dengan variasi sudut blade 100, 200, dan 300, sedangkan  Tabel  1  menunjukkan  dimensi  turbin angin.
Gambar 1. Desain turbin angin savonius blade L 10 o .
Gambar 2. Desain turbin angin savonius blade L 20 o .
Gambar 3. Desain turbin angin savonius blade L 30 o .
Tabel 1. Dimensi turbin angin.
Spesifikasi Nilai Diameter turbin angin 800 mm Tinggi turbin angin 900 mm Panjang blade dalam 260 mm Panjang blade luar 120 mm Diameter poros 20 mm Panjang poros 1120 mm
Desain awal kajian ini dilakukan dengan berdasarkan diagram alir ( flow chart ) pembuatan alat pada Gambar 4 berikut.
Gambar 4. Diagram alir.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Gambar 5 dan Gambar 6 menunjukkan hasil simulasi turbin L 10 o dalam kontur kecepatan. Gambar 7 dan Gambar  8  menunjukkan  hasil  simulasi  turbin  L  10 o dalam kontur tekanan.
Gambar  5. Contour velocity turbin  L 10° pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar  6. Contour  velocity turbin  L 10° pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Gambar 7. Contour  pressure turbin  L 10 o pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar 8. Contour pressure turbin  L 10° pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Gambar 9 dan Gambar 10 merupakan hasil simulasi turbin L 20 o dalam kontur kecepatan. Gambar 11 dan Gambar 12 menunjukkan hasil simulasi turbin L 20 o dalam kontur tekanan.
Gambar 9. Contour velocity turbin L 20° pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar 10. Contour  velocity turbin  L 20° pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Gambar 11. Contour pressure turbin L  20° pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar  12. Contour  pressure turbin  L 20° pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Gambar  13  dan  Gambar  14  menunjukkan  hasil simulasi  turbin  L  30 o dalam  kontur  kecepatan. Gambar 15 dan Gambar 16 merupakan hasil simulasi turbin L 30 o dalam kontur tekanan.
Gambar 13. Contour velocity turbin L 30° pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar 14 . Contour velocity turbin L  30° pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Gambar  15. Contour pressure turbin L  30° pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar 16. Contour pressure turbin L 30° pada kecepatan angin 2,5 m/s.
Hasil simulasi contour velocity dan contour pressure pada turbin angin menunjukkan tekanan tinggi terjadi pada bagian yang berwarna merah dan tekanan rendah ditunjukkan dengan bagian yang berwarna biru. Pada simulasi  turbin  angin,  dapat  dilihat  melalui  hasil simulasi yang mengalami aliran  laminar saat masuk inlet ,  kemudian  menjadi  turbulen  saat  membentur blade turbin.
Gambar 17 di bawah menunjukkan grafik kecepatan angin terhadap maximum velocity turbin angin sudut
blade 10°,  20°,  dan  30°.  Dari  grafik  dapat  dilihat turbin  angin  sudut  10°  memiliki  nilai maximum velocity tertinggi  dengan  nilai  4,280  m/s -1 pada kecepatan angin 2,5 m/s dan nilai maximum velocity terendah  dengan  nilai  3,392  m/s -1 pada  kecepatan angin  2  m/s.  Turbin  angin  20°  memiliki  nilai maximum  velocity tertinggi dengan nilai 4,288  m/s -1 pada  kecepatan  angin  2,5  m/s,  dan  nilai maximum velocity terendah  dengan  nilai  3,400  m/s -1 pada kecepatan  angin  2  m/s.  Turbin  angin  30°  memiliki nilai maximum  velocity tertinggi  dengan  nilai  4,387 m/s -1 pada kecepatan angin 2,5 m/s dan nilai maximum velocity terendah  dengan  nilai  3,448  m/s -1 pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar 17. Grafik kecepatan angin terhadap maximum velocity.
Gambar 18 di bawah  menunjukkan  kecepatan angin terhadap maximum pressure turbin angin sudut blade 10°,  20°,  dan  30°.  Dari  grafik  dapat  dilihat  turbin angin  sudut  10°  memiliki  nilai maximum  pressure tertinggi dengan nilai 4,105 Pa pada kecepatan angin 2,5 m/s dan nilai maximum pressure terendah dengan nilai  2,614  Pa  pada  kecepatan  angin  2  m/s.  Turbin angin 20° memiliki nilai maximum pressure tertinggi dengan nilai 4,795 Pa pada kecepatan angin 2,5 m/s dan  nilai maximum  pressure terendah  dengan  nilai 3,328  Pa pada  kecepatan angin 2  m/s. Turbin angin 30°  memiliki  nilai maximum  pressure tertinggi dengan nilai 4,111 Pa pada kecepatan angin 2,5 m/s dan  nilai maximum  pressure terendah  dengan  nilai 2,636 Pa pada kecepatan angin 2 m/s.
Gambar 18. Grafik kecepatan angin terhadap maximum pressure.
Adapun  hasil  yang  didapat  setelah  dilakukannya pengujian  dengan  5  kali  percobaan  tanpa  adanya beban  pompa  dan  didapatkan  hasil  putaran  poros turbin.  Hasil  tersebut  ditunjukkan  pada  Tabel  2 berikut.
Tabel 2. Hasil pengujian turbin angin tanpa beban.
Turbin  angin  mulai  bekerja  atau  berputar  pada kecepatan angin 1,5 m/s tanpa adanya beban pompa dengan nilai 23,6 rpm pada percobaan pertama, 24,2 rpm pada percobaan kedua, 22,8 rpm pada percobaan ketiga, 23,1 rpm pada percobaan  keempat, dan  22,5 rpm pada percobaan kelima.
Beberapa persamaan yakni Persamaan 1-Persamaan 9 untuk  menentukan  kecepatan  putar blade secara teoretis.  Persamaan  1  digunakan  untuk  menghitung volume udara ( V ), di mana v adalah kecepatan angin dan A adalah  luas  sapuan.  Persamaan  2  untuk menghitung tip speed ratio (λ), di mana D = 2 x r , n merupakan nilai kecepatan putar aktual tanpa beban pompa.  Persamaan  3  untuk  menghitung  torsi  ( T ). Persamaan 4 untuk menghitung daya mekanik turbin ( P mekanik ). Persamaan 5 digunakan untuk menghitung daya  angin  ( P angin ).  Persamaan  6  digunakan  untuk menghitung  koefisien  daya  ( CP ).  Kecepatan  putar blade ditentukan dengan menghitung kecepatan angin mengenai blade dan  nilai  kecepatan blade terlebih dahulu.  Persamaan  7  digunakan  untuk  menghitung kecepatan  angin  mengenai blade ( v 1 ).  Persamaan  8 dan Persamaan 9 digunakan untuk menghitung  nilai kecepatan blade ( v 2 blade ).  Persamaan  10  digunakan untuk menghitung kecepatan putar blade ( ω ).
(1)
𝝀 = 𝝅.𝑫.𝒏 𝟔𝟎.𝒗
(2)
𝑻 = 𝒗 𝟐 𝒓 𝟑 𝝀 (3)
𝑷 𝒎𝒆𝒌𝒂𝒏𝒊𝒌 = 𝟐𝝅.𝒏.𝑻 𝟔𝟎 (4)
𝑷 𝒂𝒏𝒈𝒊𝒏 = 𝟏 𝟐 𝝆𝑽 𝟑 𝑨 (5)
𝑪𝑷 = 𝑷 𝒎𝒆𝒌𝒂𝒏𝒊𝒌 𝑷 𝒂𝒏𝒈𝒊𝒏 (6)
𝒗 𝟏 = 𝒗 𝟎 𝒔𝒊𝒏𝜶 (7)
𝒗 𝒃𝒍𝒂𝒅𝒆 𝟐 = 𝒗 𝟏 𝟐 + 𝒖 𝟐 +2 𝒗 𝟏 𝑢𝑐𝑜𝑠 (180 − 𝛼 ) (8)
𝒖 = 𝟐.𝝅.𝒏 𝟔𝟎 (9) 𝝎 = 𝒗 𝒃𝒍𝒂𝒅𝒆 𝑹 (10)
Tabel 3 berikut menunjukkan hasil perhitungan turbin angin tanpa beban.
Tabel 3. Hasil perhitungan turbin angin tanpa beban.

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  pengujian  yang  telah  dilakukan,  dapat diambil  simpulan  bahwa  merancang  bangun  desain turbin angin Savoius-Darrieus dengan menggunakan software SolidWorks 2020, dengan diameter 800 mm, lengkung 4 blade dalam 180 derajat, lengkung 4 blade luar 180 derajat, dan menyimulasikan desain dengan menggunakan software ANSYS untuk menghasilkan aliran fluida yang turbulen. Pada hasil simulasi turbin angin  mengalami  aliran  laminar  ketika  masuk  pada bagian inlet, kemudian  terjadi  turbulen  ketika membentur blade turbin angin, terlihat juga beberapa counter  rotating pada  dinding  cekung  turbin.  Pada bagian  tengah  sebelum  melewati rotating  zone, mengalami  aliran  transisi  dan  setelah  melewati lingkaran rotating  zone, aliran  menjadi  laminar hingga outlet . Nilai koefisien daya ( CP ) rata-rata yang diperoleh  berdasarkan  Tabel  3  mendapatkan  hasil pengujian yaitu 0,53.

## Daftar Pustaka
[1] Bmkg,  (2023),  “Prakiraan  Cuaca  Semarang Provinsi JawaTengah”,https://www.bmkg.go.id/ cuaca/prakiraan/cuaca.bmkg?Kota=Semarang& AreaID=501262&Prov=35, diakses pada tanggal 6 Maret 2023.
[2] Bono,  -,  &  Suwoto,  G.  (2019).  Pembuatan Turbin  Angin  Sumbu  Vertikal  Dengan  Variasi Jumlah  Sudu  Dan  Sistem  Buka-Tutup  Sirip.
Eksergi , 14 (2), 31–35. https://doi.org/10.32497/eksergi.v14i2.1322
[3] Canra, D., Sumiati, R., Mesin, T., & Negeri, P. (2021). Kaji Eksperimental Turbin Angin Hybrid Savonius  -  Darrieus  Eggbeater  Bertingkat Banyak. 4–5.
[4] EMD International A/S, Denmark, dibiayai oleh Environmental  Support  Program  3  (ESP3)  / Danida,  (2014-2017),  “ Wind Energy  Resources
of Indonesia”,
http://indonesia.windprospecting.com/,  diakses pada tanggal 19 Desember 2022.
[5] Fadila,  A.,  Zakaria,  I.,  &  Fauzan,  M.  (2019). RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS  TIGA  SUDU  RANGKAP  TIGA DENGAN  PROFIL  NACA  0006.  15(3),  102– 114.
[6] Hernowo,  S.  (2020).  Rancang  bangun  turbin angin  sumbu  horizontal  sederhana  dengan panjang  sudu  1  meter  sigit  hernowo. Jurnal Voering , 5 (1), 15–21.
[7] Idschool, “Pengertian & Perbedaan Angin Darat dan Angin Laut”, https://idschool.net/smp/perbedaan-angin-darat- dan-angin-laut/,  diakses  pada  tanggal  19
Desember 2022.
[8] Konsepgeografi, (2022), “Perbedaan serta Proses Terjadinya Angin Gunung dan Angin Lembah”, https://www.konsepgeografi.net/2016/01/angin- gunung-dan-angin-lembah.html,  diakses  pada tanggal 20 Desember 2022.
[9] Muttaqin, I., & Suprapto, M. (2021). Pembuatan Turbin  Angin  Savonius  Bertingkat  Berbahan Alumunium. Journal  of  Industrial  Engineering and  Operation  Management , 4 (1),  2–6. https://doi.org/10.31602/jieom.v4i1.5444 [10] Nakhoda, Y. I., & Saleh, C. (2017). Pembangkit Listrik  Tenaga  Angin  Sumbu  Vertikal  Untuk Penerangan  Rumah  Tangga  Di  Daerah  Pesisir Pantai. Institut Teknologi Nasional Malang , 7 (1), 20–28.
[11] Natayuda, G., Jenderal, U., & Yani, A. (2018). Analisa aerodinamika dan kinerja turbin angin tipe sumbu horizontal menggunakan computational fluid dynamics . September 2017 . https://doi.org/10.13140/RG.2.2.36558.15689
[12] Sanusi,  A.,  Mesin,  J.  T.,  &  Cendana,  U.  N. (2017). Simulasi Aliran Fluida pada Blade Rotor Turbin  Angin  Savonius  dengan  Computation Fluid Dynamics ( CFD ). 04(01), 11–15.
[13] Seputar pengetahuan, (2023), “9 Macam Angin Pengertian dan Penjelasannya”, https://www.seputarpengetahuan.co.id/2020/03/ macam-macam-angin.html, diakses pada tanggal 12 Maret 2023.
[14] St, E., St, I. R., Tambunan, E. H., Akbar, M. A., & Rahadian, R. (2014). Analisis Cfd Pada Turbin Angin  Hybrid  Savonius-Darrieus. Seminar Nasional Teknisk Mesin Universitas Trisakti , 4 , 1–6.
[15] Syahyuniar,  R.,  Ningsih,  Y.,  &  Herianto,  H. (2018).  RANCANG  BANGUN  BLADE TURBIN ANGIN TIPE HORIZONTAL. Jurnal Elemen, 5(1), 28– 34. http://je.politala.ac.id/index.php/JE/article/view/
74
[16] Tonglolangi,  Y.  Y.,  Teknik,  F.,  Studi,  P.,  & Mesin,  T.  (2006).  Analisa  kinerja  kincir  angin sederhana dengan dua sudu poros horizontal. 2– 6.
[17] Turbin,  A.,  Sumbu,  A.,  &  Dengan,  V.  (2016). Analisis turbin angin sumbu vertikal dengan 4, 6 dan 8 sudu. 02(01), 52–57.
[18] Valentino, V., Yusuf, M. I., Hiendro, A., Studi, P.,  Elektro,  T.,  &  Teknik,  J.  (1954).  Rancang bangun turbin angin savonius untuk penerangan penginapan  di  desa  temajuk  kecamatan  paloh kabupaten sambas.
[19] Widodo,  S.  B.,  &  Suheri,  S.  (2014).  Pengujian Unjuk Kerja Turbin Angin Type Savonius Dua Tingkat Delapan Sudu Lengkung U. Jurutera, 4– 7.http://jurnal.unsam.ac.id/index.php/jurutera/ar ticle/view/716