Analisis performa bilah taper dengan airfoil GOE 796 pada turbin angin sumbu horizontal TSD-500 di PT Lentera Bumi Nusantara
Raditya Elfa Pratama 1 , Bobie Suhendra 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
Jl. HS. Ronggowaluyo, Karawang, 41361
Email korespondensi: 1810631150114@student.unsika.ac.id

## Abstrak
Kebutuhan listrik Indonesia dari tahun ke tahun semakin meningkat, namun ketersediaan bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batubara semakin berkurang, sehingga diperlukan sumber energi baru terbarukan (EBT) sebagai solusi untuk mengatasi permasalahan. Salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan dan memiliki potensi besar adalah energi angin. Tujuan dari kajian ini adalah untuk menentukan bilah tipe taper dengan airfoil yang optimal untuk turbin angin sumbu horizontal skala mikro. Dalam kajian ini, bilah turbin angin sumbu horizontal dengan airfoil GOE 796 diuji menggunakan generator PMSG cooging-less agar tercapainya efisiensi tinggi pada kecepatan angin minimum. Desain hasil perancangan bilah Taper GOE 796 Airfoil memiliki panjang jari-jari sebesar 1 m, lebar chord yakni 34-74 mm, dengan twist angle sebesar 5,66-11,66°. Hasil analisis performa bilah Taper GOE 796 Airfoil dengan kecepatan angin maksimal 10 m/s memiliki kinerja optimal pada TSR  6,5  dengan  Coefficient  Power  (C p )  sebesar  35%,  menghasilkan  daya  maksimum  sebesar  670  W  pada kecepatan sudut sebesar 620 rpm dan torsi yakni 10,3 Nm.
Kata kunci : bilah, taper, GOE 796, turbin angin, energi angin.

## Abstract
Indonesia's electricity needs are increasing from year to year, but the availability of fossil fuels such as oil and coal is decreasing, so that new and renewable energy sources are needed as a solution to overcome the problem. One of the renewable energy sources that can be utilized and has great potential is wind energy. The purpose of this study was to determine the optimal taper blade with airfoil for a micro-scale horizontal axis wind turbine. In this  study,  horizontal  axis  wind  turbine  blades  with  GOE  796  airfoil  were  tested  using  a  cooging-less  PMSG generator in order to achieve high efficiency at minimum wind speeds. The design of the GOE 796 Airfoil Taper blade has a radius of 1 m, a chord width of 34-74 mm, with a twist angle of 5.66-11.66°. The results of the analysis of  the  performance  of  the  Taper  GOE  796  Airfoil  blade  with  a  maximum  wind  speed  of  10  m/s  has  optimal performance at TSR 6.5 with a Coefficient Power (C p ) of 35%, producing a maximum power of 670 W at a rotation speed of 620 rpm and a torque of 10.3 Nm.
Keywords: blade, taper, GOE 796, wind turbine, wind energy.

## 1. Pendahuluan
Kebutuhan  listrik  Indonesia  dari  tahun  ke  tahun semakin meningkat, namun ketersediaan bahan bakar fosil  seperti  minyak  bumi  dan  batubara  semakin berkurang,  sehingga  diperlukan  sumber  energi  baru terbarukan  (EBT)  sebagai  solusi  untuk  mengatasi permasalahan  [1,  2,  3].  Salah  satu  sumber  energi terbarukan  yang  dapat  dimanfaatkan  dan  memiliki potensi besar adalah energi angin [4, 5].
Energi  angin  didapatkan  dari  hasil  perhitungan setengah  kali  massa  jenis  udara  dengan  luas penampang  bilah  dan  pangkat  tiga  dari  kecepatan angin  [6].  Di  sisi  lain,  besar  energi  mekanik  yang diperoleh  sebuah  turbin  angin  didapatkan  dari  hasil perhitungan  perkalian  kecepatan  putar  bilah  dengan torsi  [7].  Salah  satu  turbin  angin  dengan  efisiensi tinggi  yaitu  bersumbu  horizontal  dengan  jenis  bilah tipe three blade  propeller yang  memilki  efisiensi
maksimum  ( C p )  sebesar  59%  menurut  teori  hukum Betz [8, 9].
Kecepatan  angin  rata-rata  di  Indonesia  pada  daerah onshore sebesar  6-8  m/s  dan offshore >  8  m/s  [10]. Masalah distribusi kecepatan angin di Indonesia perlu mendapatkan  perhatian.  Untuk  menentukan  desain bilah  yang  tepat,  sehingga  dapat  mengonversikan energi angin menjadi energi mekanik dengan optimal yang selanjutnya dikonversikan menjadi energi listrik oleh generator. Berdasarkan luas penampangnya bilah memiliki  3  jenis  yaitu, taper,  taperless, dan inverse taper [11] . Selain  itu,  pemilihan airfoil dapat mempengaruhi dalam melakukan perancangan desain bilah. Airfoil mempengaruhi efisiensi bilah ( C p ) yaitu gaya  angkat  bilah  terhadap  energi  angin  yang menerpanya.  Adapun  aspek  yang  perlu  dipahami dalam  merancang  bilah  yaitu  mekanika  fluida, aerodinamika, dan materialnya  serta  untuk menganalisis suatu turbin ada beberapa variabel yang perlu  diperhatikan  seperti Tip  Speed  Ratio  (TSR),
Twist, Angle of Attack, Coefficient Power (C p ), Chord, Airfoil, dan lainnya.
PT Lentera Bumi Nusantara terletak di Desa Ciheras,
Cipatujah, Tasikmalaya, Jawa Barat, mengembangkan EBT khususnya Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) skala mikro. Turbin angin skala mikro adalah turbin angin yang memiliki luas sapuan kurang 200 m 2 dan menghasilkan tegangan 1000/1500 volt  DC.  Kecepatan  angin  maksimal  di  Ciheras sebesar  10  m/s  dengan  turbin  angin  yang  didesain untuk  TSR  6-8.  Turbin  angin  skala  mikro  dipilih karena investasinya yang relatif rendah dan memiliki struktur  pembangunan  yang  relatif  mudah  bila dibandingkan turbin angin skala besar.
PT  Lentera  Bumi  Nusantara  memiliki  turbin  angin sumbu  horizontal  dengan  bilah  tipe taper dengan airfoil Clark-Y memilki efisiensi maksimal 40% pada kecepatan  angin  12  m/s.  Dalam  kajian  ini  akan menganalisis performa bilah jenis taper dengan airfoil GOE  796  pada The  Sky  Dancer (TSD)    500  Watt menggunakan software Q-Blade di PT Lentera Bumi Nusantara. Tujuan kajian ini yaitu untuk menentukan bilah  tipe taper dengan airfoil yang  optimal  untuk turbin  angin  sumbu  horizontal  skala  mikro.  Dalam kajian ini, bilah turbin angin sumbu horizontal dengan airfoil GOE  796  dikombinasikan  dan  diuji menggunakan  generator  PMSG cooging-less agar tercapainya  efisiensi  tinggi  pada  kecepatan  angin minimum.

## 2. Metode
Adapun tahapan kajian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1. Diagram alir.

## Tahapan Persiapan
Pada  tahap  ini  dilakukan  studi  literasi  mengenai konsep turbin angin, mekanisme pemanfaatan energi angin,  komponen-komponen  turbin  angin,  dan parameter-parameter  dalam perancangan  bilah,  serta dilakukannya pengambilan data kondisi lapangan.

## Analisa Karakteristik Airfoil
Pada tahap ini melakukan analisis karakteristik airfoil menggunakan
software Q-Blade . Analisis karakteristik airfoil yaitu  dengan  mengamati  grafik perbandingan Coefficient  Lift dan Coefficient  Drag terhadap  sudut  serang  ( C l /C d - α ),  serta  grafik Coefficient Lift terhadap sudut serang ( C l - α ). Tujuan pada tahap ini yaitu untuk menganalisis kecenderungan yang terjadi pada airfoil terhadap gaya angkat dan gaya hambat.
Gambar 2. Geometri airfoil GOE 796.
Langkah awal untuk menentukan geometri bilah yaitu dengan  mengetahui  nilai  sudut  serang  ( α )  dan Coefficient Lift ( C l ). Nilai tersebut diperoleh dari hasil simulasi  menggunakan software Q-Blade v0.963. Sudut serang merupakan sudut datangnya tumbukan aliran  angin  terhadap airfoil ,  sedangkan coeffecient lift merupakan nilai koefisien gaya angkat pada bilah.
Bilah  dapat berotasi apabila nilai gaya angkat harus lebih besar dibanding gaya hambat [2]. Hasil simulasi airfoil GOE 796, tersaji pada Gambar 3 dan 4 berikut.
Gambar 3. Grafik C l / C d – α .
Gambar 4. Grafik C l – α .
Hasil  simulasi  pada Airfoil GOE  796  bahwa  nilai Coefficient Lift akan naik ketika sudut serang semakin besar, kemudian turun ketika mencapai titik tertentu, hal itu disebabkan adanya stall , yaitu ketika C l telah mencapai  titik  optimum  dan  tidak  bertambah sedangkan C d terus  bertambah. Airfoil GOE  796 memiliki Coefficient Lift/Coeffiecent Drag sebesar 64 dengan Coefficient  Lift bernilai  1,065  pada  sudut serang optimum sebesar 6,5.

## Perhitungan
Pada  tahap  ini,  dilakukan  perhitungan  untuk menentukan parameter-parameter yang akan digunakan sebagai dasar perancangan geometri bilah. Adapun parameter tersebut antara lain, yaitu:
Daya Angin yang dibutuhkan (P wind )
Daya  angin  yang  dibutuhkan  dapat  dihitung  dengan Persamaan 1 berikut. Di mana P wind merupakan daya angin yang dibutuhkan (Watt), ρ merupakan densitas udara (1,225 kg/m 3 ), A merupakan luas sapuan bilah (m 2 ), dan V merupakan kecepatan angin (m/s).
𝑃 = 𝜌𝐴𝑣
(1)

## Efisiensi Turbin Angin (K)
Efisiensi  turbin  angin  dapat  dihitung  dengan Persamaan 2. Di mana K merupakan efisiensi sistem, η bilah merupakan  efisiensi  bilah, η transmisi merupakan efisiensi  transmisi, η generator merupakan  efisiensi generator,  dan η controller merupakan  efisiensi pengontrol.
𝐾 = 𝜂 × 𝜂 × 𝜂 × 𝜂 (2)

## Luas Sapuan Bilah (A)
Untuk  mencari  besarnya  luas  sapuan  bilah,  maka digunakan  Persamaan  3  berikut.  Di  mana A
merupakan  luas  sapuan  bilah  (m 2 ), ρ merupakan densitas  udara  (1,225  kg/m 3 ),  dan v merupakan kecepatan angin (m/s).
𝐴 = (3)

## Jari-jari Bilah yang akan digunakan (R)
Jari-jari  bilah  yang  akan  digunakan  dapat  dihitung dengan Persamaan 4 berikut. Di mana R adalah jari- jari  bilah  (m), A merupakan  luas  sapuan  bilah  (m 2 ),
dan π dalam 3,14.
𝑅 = (4)

## Jari-jari Parsial
Jari-jari  parsial  dapat  dihitung  dengan  Persamaan  5 berikut. Di mana 0,25 merupakan nilai dari innermost station (dapat  disesuaikan), R merupakan  jari-jari bilah  yang  digunakan  (m), n merupakan  jumlah elemen,  berjumlah  sebanyak  11  elemen.  Dalam  hal ini, pada elemen ke-10, nilai jari-jari parsial ( r ) harus dipastikan sama dengan jari-jari bilah ( R ).
𝑟 = 0,25 + , × (elemen) (5)

## Tip Speed Ratio (TSR) Parsial
TSR  Parsial  dapat  dihitung  dengan  Persamaan  6 berikut.  Di  mana r merupakan  jari-jari  parsial, R adalah jari-jari bilah yang digunakan (0,8 m), dan λ R merupakan TSR awal yang digunakan (yaitu 7).
𝜆 = × 𝜆 (6)
Flow Angle Flow  angle dapat  dihitung  dengan  Persamaan  7 berikut.  Di  mana λ r adalah  TSR  parsial  tiap  elemen bilah, dan ∅ merupakan flow angle .
𝜙 = tan (7)

## Twist (Sudut Puntir)
Sudut  puntir  dapat  dihitung  dengan  Persamaan  8 berikut.  Di  mana β merupakan twist , α merupakan sudut serang, dan ∅ merupakan flow angle .
𝛽 = 𝜙 − 𝛼 (8)
Chord Chord dapat dihitung dengan Persamaan 9 berikut. Di mana C l merupakan coefficient lift, R adalah jari-jari bilah  (m), λ merupakan tip  speed  ratio (TSR), B merupakan  jumlah  bilah, C r merupakan  lebar bilah/ chord .
𝐶 = × × × × (9)
Efisiensi  sistem  secara  keseluruhan  memiliki  4  hal penting  berupa  efisiensi  dari  bilah,  transmisi, generator dan pengontrol. Menurut teori hukum Betz bahwa  energi  yang  dapat  diekstrak  dari  angin  oleh
bilah sebesar 59% [9]. Perancangan ini menggunakan dua nilai efesisensi bilah yaitu, saat efisiensi rendah (30%) dan efisiensi tinggi (40%). Efisiensi transimisi sebesar  100%  dikarenakan  putaran  dari  bilah terhubung  langsung  dengan  generator  tanpa menggunakan transmisi, sedangkan efisiensi generator dan pengontrol memiliki nilai efisiensi yang berbeda  untuk  setiap  alat  yang  digunakan.  Pada perancangan  ini,  nilai  efesisensi  generator  dan pengontrol  diasumsikan  90%.  Perhitungan  efisiensi sistem dilakukan dengan menggunakan Persamaan 2, diperoleh efisiensi sistem sebesar 24,3 - 32,4%.
Setelah  mendapatkan  efisiensi  sistem,  tahap selanjutnya  yaitu  menentukan  kapasitas  daya  listrik yang diinginkan ( P wind ) yaitu sebesar 500 W dengan kecepatan  angin  maksimal  sesuai  kondisi  lapangan sebesar  10  m/s.  Daya  angin  yang  dibutukan didapatkan  dengan  menggunakan  Persamaan  1, diperoleh bahwa daya angin yang dibutuhkan 1543- 2057 W.
Tahapan  selanjutnya  kita  menentukan  jari-jari  bilah dengan Persamaan 4, maka dibutuhkan bilah dengan jari-jari  berkisar  0,9  -  1,03  m,  sehingga  diputuskan untuk  perancangan  ini,  digunakan  jari-jari  bilah dengan  panjang  1  m.  Panjang  bilah  tersebut  akan digunakan  untuk  mendesain  bilah  jenis airfoil GOE 796  dengan  jenis  bilah taper .  Data  penentuan parameter  awal  bilah  dapat  dilihat  pada  Tabel  1 berikut.
Tabel 1. Penentuan parameter awal bilah.

## Perancangan Model
Pada  tahap  ini  dilakukan  perancangan  model  bilah menggunakan software Q-Blade  v0.963  dengan memasukkan dimensi tiap elemen. Pada perancangan ini menggunakan nilai TSR sebesar 7, karena untuk turbin angin dengan 3 blade propeller berkisar pada rentang 6-8.
Tahapan  selanjutnya  kita  menghitung flow  angle dengan  menggunakan  Persamaan  7  diperoleh  hasil flow  angle bernilai  5,42  -  19,83°.  Selanjutnya  kita menghitung twist dengan menggunkan Persamaan 8, didapatkan  nilai twist sebesar  -1,08  –  13,33°, dikarenakan  nilai twist bernilai  negatif,  maka dilakukan  optimasi twist dengan  linierisasi  dan menambahkan  sudut pitch sebesar  7°,  hasil menunjukkan bahwa nilai twist angle dari bilah yaitu 5,66 - 11,66°, dapat dilihat pada Gambar 5 berikut.
Gambar 5. Grafik twist dan optimasi linierisasi.
Kemudian  kita  menghitung  lebar  bilah  ( chord ) dengan  menggunakan  Persamaan  8,  diperoleh  nilai chord sebesar 0,036 - 0,143 m, selanjutnya dilakukan linierisasi  untuk  optimasi  lebar  bilah  serta memudahkan  dalam  proses  manufaktur.  Hasil  dari linierisasi chord bahwa nilainya 0,034 - 0,074 m dapat dilihat pada Gambar 6 berikut.
Gambar 6. Grafik chord dan optimasi linierisasi.
Penentuan  geometri  bilah  secara  detail  ditunjukkan pada Tabel 2 berikut.
Tabel 2. Penentuan geometri perancangan bilah.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Simulasi dan Analisa Pada  tahap  ini  dilakukan  simulasi  rotor  dengan metode BEM (Blade Element Momentum)
menggunakan software  Q-Blade v0.963  untuk memperoleh  grafik  pengaruh Power Coefficient terhadap Tip Speed Ratio ( C p -TSR), serta daya yang dihasilkan  terhadap  kecepatan  angin  ( P - v ). Diharapkan pada TSR 6-8 dan kecepatan angin 10 m/s dapat menghasilkan daya P ≥ 500 W. Parameter yang dimasukkan  pada  saat  simulasi  yaitu  jumlah  iterasi
sebanyak  1000  iterasi,  densitas  udara  sebesar  1,225 kg/m 3 , serta viskositas dinamik sebesar 1,837 x 10 -5 Ns/m 2 .
Hasil simulasi power coefficient dibanding TSR ( C p - TSR) nilai C p sebesar 35% pada TSR 6,5 dapat dilihat pada Gambar 7. Selanjutnya dilakukan simulasi untuk melihat pengaruh kecepatan angin terhadap daya yang dihasilkan  pada  berbagai  kecepatan  sudut  dan  hasil simulasi terlihat pada Gambar 8.
Gambar 7. Grafik Cp-TSR.
Gambar 8. Grafik P-ω.
Gambar 9. Grafik T- ω.
Pada Gambar 8 dan Gambar 9 bahwa daya maksimum yang  dihasilkan  bilah  pada  kecepatan  angin  10  m/s adalah sebesar 670 W pada kecepatan sudut 620 rpm dengan torsi 10,3 Nm.

## 4. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari kajian ini yaitu desain hasil perancangan bilah Taper GOE 796 Airfoil memiliki panjang jari-jari 1 m, lebar chord 34-74 mm, dengan twist angle 5,66-11,66°. Performa bilah Taper GOE  796  Airfoil dengan  kecepatan  angin  10  m/s memiliki  kinerja  optimal  pada  TSR  6,5  dengan Coefficient  Power ( C p )  sebesar  35%,  menghasilkan daya maksimum sebesar 670 W pada kecepatan sudut 620 rpm dan torsi 10,3 Nm. Untuk kajian selanjutnya dapat diuji menggunakan metode CFD ( Computational  Fluid  Dynamic )  dan  menentukan
material  yang  baik,  sehingga  dapat  diterapkan  pada lapangan.

## Ucapan Terima Kasih
Ucapan  terima  kasih  ditujukan  kepada  PT  Lentera Bumi Nusantara yang telah memberikan kami tempat untuk  melakukan  kajian  pada  turbin  angin  skala mikro.

## Daftar Pustaka
[1] Alfaridzi MA. Analisis Performa Bilah Taperless
Dengan Airfoil NACA  4412  pada  Horizontal Axis Wind Turbine TSD 500 di PT Lentera Bumi Nusantara. Jurnal Teknik Mesin dan Pembelajaran. 2020;3(2):64. [2] Dahlan  B.  RANCANG  BANGUN  BALING- BALING  KINCIR  ANGIN  KAYU  MAHONI (Swietenia Macrophylla) DAN PINUS DESIGN OF WIND TURBINE BASED ON THE NACA 4412  AND  4415  USING  MAHOGANY (Swietenia  macrophylla)  DAN  PINES  WOOD
(Pinus merkusii). 2016;1–4.
[3] Ejiri H,  Suzuki M, Taniguchi H,  Nishizawa Y, Ushiyama  I.  An  Experimental  Study  of  the Shapes  of  Rotor  for  a  Horizontal-Axis  Small Wind  Turbines  and  a  Wing Let.  Trans  JAPAN Soc Mech Eng Ser B. 2011;77:924–8.
[4] Gitano-Briggs  H.  Low  Speed  Wind  Turbine Design.  Carriveau R, editor. Adv Wind Power. 2012; https://doi.org/10.5772/53141
[5] Ledoux  J,  Riffo  S,  Salomon  J.  Analysis  of  the
Blade  Element  Momentum  Theory.  SIAM  J Appl Math. 2021;81(6):2596–621. [6] Lentera Angin Nusantara. Pengenalan Pemanfaatan Energi Angin. Tasikmalaya; 2014. [7] Lentera  Angin  Nusantara.  Profil  Lentera  Bumi Nusantara. Tasikmalaya; 2017.
[8] Nongdhar D, Goswami B. Design of Micro Wind Turbine for Low Wind Speed Areas: A Review. ADBU J Electr Electron Eng. 2018;2(2):39–47.
[9] Piggott H. Windpower workshop: building your own wind turbine. Wind Work Build your own Wind turbine. 1997;
[10] Pusat  Penelitian  dan  Pengembangan  Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konservasi  Energi,  Potensi  Energi  Angin Indonesia  2020.  P3tkebt.esdm.go.id.  2021. https://p3tkebt.esdm.go.id/pilot-plan- project/energi_angin/potensi-energi-angin- indonesia-2020/, diakses 31 Oktober 2021.
[11] Training A. Airfoil . t.thn, Flight-mechanic.com. https://www.flight-mechanic.com/ airfoil /, diakses 03 November 2021.