SIMULASI PENGARUH JUMLAH SUDU TERHADAP PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 MENGGUNAKAN SOFTWARE CFD
Wahyu Hamdani 1 , Himsar Ambarita 2 , Tulus B. Sitorus 3 , Dian M.Nasution 4 , Terang UHS Ginting 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: wahyuhamdani09@gmail.com

## ABSTRAK
Turbin  angin  merupakan  mesin  dengan  sudu  berputar  yang  mengkonversikan  energi  kinetik  angin menjadi  energi  mekanik.  Turbin  angin  sumbu  vertikal  tipe Darrieus - H merupakan  pengembangan dari  turbin  angin Darrieus .  Penelitian  yang  telah    dilakukan    para  peneliti  sebelumnya  secara eksperimen  menunjukkan  hasil  berupa  efisiensi  yang  dihasilkan  dari  turbin  angin Darrieus-H ini sangat kecil. Nilai ini tidak sebanding dengan biaya pabrikasi yang cukup mahal. Banyak faktor yang mempengaruhi  efisiensi  turbin  angin  ini  yaitu  pengaturan  sudut pitch ,  diameter  rotor  turbin,  tinggi sudu, panjang chord sudu dan massa turbin itu sendiri. Biaya pabrikasi yang mahal tidak efisien untuk meneliti  keseluruhan  variabel  tersebut  maka  perlu  dilakukan  simulasi  dengan  menggunakan komputer.  Tujuan  dari  penelitian  ini  untuk  mengetahui  pengaruh  variasi  jumlah sudu  terhadap performansi  turbin  angin  dengan  mensimulasikannya  dengan  menggunakan software CFD.  Turbin angin yang  disimulasi berupa rotor 2D dengan diameter 1,50 m pada daerah rotating region. Airfoil yang  dipakai  adalah  NACA  0018.  Variasi  jumlah  sudu  yang  digunakan  adalah  3,  4,  5,  dan  6  buah. Hasil  simulasi  menunjukkan  efisiensi  untuk  jumlah sudu  5  buah  pada  tip  speed  ratio  1.8  memiliki efisiensi  tertinggi  yaitu  58.941  %.  Perbedaan  yang  terjadi  antara  hasil  eksperimen  dan  simulasi disebabkan karena adanya kerugian yang terjadi pada saat pengujian.

## Kata kunci   : Turbin angin Darrieus-H, Software CFD, Efisiensi

## 1. PENDAHULUAN
Pemanfaatan  energi  angin  di  Indonesia  masih  sangat  kecil,  baik  yang  dimanfaatkan  untuk membangkitkan energi listrik ataupun untuk menggerakkan peralatan mekanis seperti pompa ataupun mesin  penggiling  biji  bijian.  Ini  dikarenakan  kecepatan  angin  yang  terdapat  di  Indonesia  umumnya relatif kecil yaitu lebih kecil dari 5 m/s. Hanya ada beberapa daerah tertentu yang memiliki kecepatan angin lebih besar dari 5 m/s contohnya di daerah daerah di sekitar pantai. Nilai kecepatan angin yang kecil ini tidak cukup untuk menggerakkan turbin angin untuk mendapatkan daya yang besar.
Pada  zaman  dahulu  sebelum  perangkat  komputer  berkembang,  beberapa  peneliti  di  seluruh dunia  merancang  berbagai  bentuk  sudu  turbin  angin  untuk  diuji  dan  dianalisa  dengan  bantuan terowongan angin (wind tunnel) . Cara pengujian ini membutuhkan biaya yang cukup mahal.  Dengan bantuan  perangkat  lunak  CFD,  para  peneliti  dapat  menganalisa  bentuk  sudu  lebih  baik  dan  murah dengan hasil yang hampir sama bila dengan menggunakan terowongan angin (wind tunnel).
Atas pertimbangan inilah, penulis akan melakukan simulasi bentuk sudu dan pengaruh jumlah sudu turbin angin sumbu vertikal agar turbin angin yang akan dibuat nantinya dapat berfungsi secara optimal.
Dengan  melihat  begitu  banyaknya  faktor  yang  terdapat  dalam  perancangan  turbin  angin  ini, penulis  membuat  batasan  masalah agar  tujuan  dan  target  penelitian  dapat  dicapai  sesuai  perncanaan. Batasan masalah penelitian ini adalah:
1. Airfoil  yang  akan  dianalisa  adalah  tipe  NACA  0018  untuk  mendapatkan  koefisien  lift  dan koefisien drag dimana analisa dilakukan secara 2D dengan variasi sudut serang 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.
2. Pemodelan    secara  2D  peralatan  turbin  angin  untuk  mengetahui  pengaruh  jumlah  sudu  terhadap performa turbin angin ini dengan variasi jumlah sudu 3, 4, 5 dan 6.
3. Simulasi  dilakukan  secara  numerik  dengan  bantuan  software Computational  Fluid  Dynamic . Untuk model dilakukan dengan bantuan preprocessor Gambit dan Solidwork dan analisa fluidanya dengan menggunakan Fluent.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Energi angin merupakan salah satu bentuk energi yang dapat diperbaharui. Angin merupakan gejala alam  yang  diakibatkan adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin. Didaerah khatulistiwa, udaranya menjadi panas, mengembang lalu menjadi ringan, naik ke atas dan bergerak ke daerah yang  lebih  dingin. Sebaliknya, daerah kutub yang  dingin, udaranya  menjadi  dingin  dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara berupa perpindahan udara dari kutub utara ke  garis  khatulistiwa  menyusuri  permukaan  bumi  dan  sebaliknya  suatu perpindahan  udara  dari  garis khatulistiwa kembali ke kutub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi [2] .
Turbin  angin  merupakan  mesin  dengan  sudu  berputar  yang  mengkonversikan  energi  kinetik angin  menjadi  energi  mekanik.  Berdasarkan  arah  sumbu  geraknya,  turbin  angin  terbagi  menjadi  2, yaitu:
1. Turbin angin sumbu horizontal
2. Turbin angin sumbu vertikal
Bentuk  airfoil  dari  sudu  membantu  untuk  menghasilkan  gaya  lift  dengan  mengambil keuntungan  dari  efek  Bernoulli.  Salah  satu  lembaga  yang  telah  banyak  meneliti  bentuk  dari  airfoil adalah National advisory committee for aeronautics (NACA) yang dimiliki oleh Amerika Serikat. Dua variabel yang mempengaruhi bentuk airfoilnya adalah kemiringan garis tengah airfoil (the slope of the airfoil  mean  camber  line) dan  distribusi  ketebalan  diatas  dan  dibawah  garis  tersebut  ( the  thickness distribution  above  and  below  this  line) .  Kedua  variabel  ini  menjadi  inti  dari  semua  pengembangan bentuk seri NACA yang lainnya.
Penempatan  sudu  dari  turbin  angin  menentukan  seberapa  banyak  gaya  lift  yang  dapat dihasilkan. Gambar berikut menunjukkan arah kecepatan angin pada sudu turbin angin.
Gambar 1. Gaya aerodinamis pada penampang sudu [1]
Besarnya gaya angkat dan gaya drag sama dengan persamaan berikut ini.
𝐹 𝐿 =   𝑐 𝐿 . 1 2 . 𝜌 . 𝑤 2 . ( 𝑅. 𝑐) . 𝐵 .......(1)
𝐹 𝐷 =   𝑐 𝐷 . 1 2 . 𝜌 . 𝑤 2 . ( 𝑅. 𝑐) . 𝐵 .......(2)
Dimana: C L = koefisien lift C D = koefisien gaya drag  = massa jenis udara (kg/m 2 ) w   = kecepatan angin relative (m/s) R   =  jari jari turbin (m) c   = panjang chord sudu (m) B   = jumlah sudu
Albert  Betz    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 tersebut. 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 [3] .
Gambar 2. Kondisi aliran udara pada proses pengambilan energi mekanik menurut teori momentum elementer [3]
Nilai  perbandingan  antara  daya  mekanikal  yang  dapat  diekstrak  turbin  angin  dibandingkan daya yang tersedia oleh angin bebas disebut sebagai koefisien daya, 𝑐 𝑝 yang dituliskan sebagai berikut ini:
𝑐 𝑝 = 𝑃 𝑃 𝑜 = 1 2 . |1 −   ( 𝑣 2 𝑣 1 ) 2 | |1 + 𝑣 2 𝑣 1 | ... (3)
Dimana: P   = Daya turbin (Watt) P 0 = Daya angin (Watt) V 1 = Angin masuk (m/s) V 2 = Angin keluar (m/s)
Computational Fluid Dynamic (CFD) adalah imu yang mempelajari  cara memprediksi aliran fluida,  perpindahan  panas,  reaksi  kimia,  dan  fenomena  lainnhya  dengan  menyelesaikan  persamaan- persamaan  matematika  (model  matematika).  Pada  dasarnya,  persamaan-persamaan  pada  fluida dibangun  dan  dianalisis  berdasarkan  persamaan-persamaan  diferensial  parsial  (PDE  = Partial differential  Equation) yang  mempresentasikan  hukum-hukum  konservasi  massa,  momentum,  dan energy [4] .
Untuk kasus 2 dimensi (2D), persamaan-persamaan ini ditulis sebagai berikut:
.................. (4)
...... (5)
...... (6)

## 3. METODOLOGI
Dalam  penelitian  ini  yang  menjadi  fokus  perhatian  adalah  jumlah  sudu  yang  optimal  dalam mengekstrak energi angin oleh turbin angin.
Untuk  melakukan  perhitungan  performansi  turbin  angin  maka  diperlukan  seperangkat komputer yang telah terinstall Software Computational Fluid dynamic. Simulasi yang akan dilakukan adalah dengan memvariasikan jumlah sudu 3, 4, 5, dan 6 buah dan tip speed ratio 1.65, 1.7, 1.75, dan 1.8. Sudu yang dipakai adalah airfoil NACA 0018.
Langkah-langkah  dalam  melakukan  simulasi  dibagi  ke  dalam  dua  tahap  yaitu  pemodelan geometri  dan  yang  kedua  melakukan  simulasi  CFD  menggunakan  Fluent.  Pemodelan  geometri dilakukan di Solidwork kemudian pembuatan meshnya dilakukan di ANSYS V14.0 . Disini  juga  dilakukan  proses mesh  interface yang  bertujuan  untuk  memisahkan  antara  mesh lingkungan dan mesh daerah berputar turbin ( rotating region).
Gambar 3. Pembuatan mesh pada geometri turbin angin
Setelah  proses  meshing  selesai  selanjutnya  penentuan  kondisi  batas (boundary  condition) . Proses  ini  juga  dilakukan  di  ANSYS  V14.0  dengan  menentukan  inlet,  outlet  serta  dinding  pada geometri.
Setelah  proses  penentuan  kondisi  batas  selesai  selanjutnya  dilakukan  proses  simulasi. Simulasi turbin angin dilakukan di Fluent. File mesh yang telah dihasilkan di ANSYS 14.0 dibuka di Fluent, kemudian di lakukan proses pengecekan kondisi mesh apakah sudah baik atau terdapat error.
Langkah  berikutnya  adalah  menentukan  solver,  dalam  simulasi  ini  digunakan  keadaan unsteady karena simulasi ini berdasarkan waktu yang telah ditentukan dan  model viscous yang dapat dipilih sesuai dengan kasus ini adalah dipilih model k-epsilon (2eq).
Langkah  berikutnya  adalah  menentukan  nilai-nilai  kondisi  batas . Untuk  jenis  kondisi  batas keluar dan wall, dipakai nilai default yang ada di Fluent. Sedangkan untuk kondisi batas velocity inlet dipakai nilai sebesar 4 m/detik. Kondisi batas yang  divariasikan adalah  kecepatan rotasi turbin angin yang didasarkan pada nilai tip speed ratio yang telah ditentukan sebelumnya. Meskipun besarnya nilai kecepatan  rotasi  berubah-ubah,  namun  geometri meshing yang  digunakan  sama  untuk  setiap  variasi sudu  yang  sama  pula.  Hal  yang  dilakukan  adalah  mengubah  ubah  nilai  kecepatan  rotasi  pada  daerah rotasinya.
Langkah  selanjutnya  adalah  proses  inisialisasi  dan  iterasi.  Pada  simulasi  ini  lamanya  proses perhitungan  telah  ditentukan  dengan  Time  Step  Size  0.01,  Number  of  Time  Steps  1000,  dan  Max. iterasi per Time Step 2.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Simulasi yang dilakukan didapat data berupa nilai kecepatan angin pada sisi keluar dari turbin angin  berdasarkan  parameter-parameter  yang  diinput  berupa  nilai  kecepatan  angin,  sudut  pitch,  dan nilai  kecepatan  putar  turbin  angin  pada  tiap-tiap  variasi  jumlah  sudu  dan  variasi tip  speed  ratio . Jumlah sudu yang akan digunakan, yaitu 3 sudu, 4 sudu, 5 sudu, dan 6 sudu. Nilai tip speed ratio yang akan digunakan, yaitu 1.65, 1.7, 1.75, dan 1.8. Nilai tip speed ratio ini digunakan untuk menentukan besar  putaran  turbin.  Nilai  kecepatan  angin  yang  digunakan  tetap  sebesar  4  m/s  untuk  semua  variasi dan sudut pitch yang  dipakai sebesar 6 0 yang  dipilih berdasarkan eksperimen  yang pernah dilakukan sebelumnya.
Berikut ini ditampilkan perbandingan hasil simulasi turbin angin dengan variasi jumlah sudu dengan  nilai tip speed ratio  yang tetap sebesar 1,8 dengan  kecepatan angin  yang tetap pula pada sisi inlet sebesar 4 m/s.
Gambar 4. Kontur kecepatan pada jumlah sudu 3 dengan TSR 1,8

## Gambar 5. Kontur kecepatan pada jumlah sudu 5 dengan TSR 1,8
Pada gambar di atas terlihat aliran yang melewati turbin angin untuk jumlah sudu 3 sudu dan 5 sudu. Perbedaan warna tersebut  mewakili besar kecepatan angin yang  melewati turbin angin.  Pada gambar 5 terlihat kontur kecepatan angin yang  melewati turbin angin  memiliki kecepatan yang lebih rendah  bila  dibandingkan  dengan  kontur  kecepatan  angin  pada  gambar  4  yang  diwakilkan  dengan warna  biru.  Hal  ini  disebabkan  karena  perbedaan  kerapatan  hambatan  pada  daerah  berputar  turbin angin.
Data  kecepatan  angin  yang  melewati  sisi  outlet  dapat  ditentukan  langsung  menggunakan Fluent  dengan cara mengeplot nilai X  dan  Y sisi outlet setelah proses iterasi selesai. Data kecepatan angin ini didapat sepanjang sisi outlet dari posisi 0 meter sampai posisi 3 meter dengan rentang 0,05 meter.
Gambar 6. Grafik kecepatan angin pada sisi outlet Pada grafik di atas terlihat kecepatan angin pada sisi outlet dari posisi 0 meter sampai 3 meter. Sebenarnya  nilai  kecepatan  angin  yang  digunakan  untuk  perhitungan  tidak  seluruhnya  disepanjang sisi outlet, melainkan hanya disepanjang diameter daerah putar turbin saja, yaitu 1,65 meter. Jadi titik yang digunakan untuk mengambil data kecepatan angin yaitu sebagai berikut:
Panjang outlet = 3 m Diameter rotating region = 1,65 m Jarak dari bawah ; Titik 1 =  0 +( 3-1,65)/2 = 0.675 m Titik 2 = 0.725 +  1,55 = 2.325 m
Grafik kecepatan angin pada daerah putar turbin ditampilkan sebagai berikut:
Gambar 7. Grafik kecepatan angin pada daerah putar turbin dengan jumlah sudu 3 TSR 1,65 Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa ketika posisi 0,65 meter sampai posisi 1,75 meter dari daerah  sisi  outlet  terjadi  penurunan  kecepatan,  namun  setelah  melewati  posisi  1,75  meter  kecepatan angin  kembali  meningkat  sampai  posisi  2,35  meter  dari  sisi  outlet.  Nilai  kecepatan  angin  ini  bisa didapat secara langsung di Fluent dengan cara mengeplot nilai X dan Y setelah proses iterasi selesai.
Nilai  kecepatan  angin  rata-rata  yang  keluar  dari  daerah  putar  turbin  angin  akan  digunakan untuk  menghitung nilai C p . Nilai C p digunakan untuk menghitung daya dari turbin angin.  Untuk data hasil simulasi dengan variasi jumlah sudu 3, 4, 5, dan 6 buah berupa kecepatan angin di daerah putar untuk TSR = 1,65 ditampilkan dalam grafik berikut.
Gambar 8. Grafik hubungan kecepatan angin terhadap variasi jumlah sudu
Pada grafik di atas terlihat jika jumlah sudu bertambah, maka kecepatan angin yang melewati turbin angin akan semakin mengecil. Hal ini karena angin yang melewati turbin angin energinya lebih banyak  diekstrak  oleh  turbin  angin  melalui  rotornya.  Kecepatan  angin  yang  semakin  mengecil  ini menandakan bahwa daya yang dapat diekstrak oleh turbin angin  lebih besar.
Berikut  ini  merupakan  data  yang  diperoleh  dari  hasil  simulasi  yang  berupa  data  kecepatan angin  rata-rata  yang  diperoleh  dari  nilai  rata-rata  kecepatan  angin  outlet  sepanjang  daerah  berputar turbin angin terhadap nilai TSR pada variasi jumlah sudu yang dibuat dalam bentuk tabel.
Tabel 1. Kecepatan rata-rata hasil simulasi
TSR ν ave (m/s) 3 sudu  4 sudu 5 sudu 6 sudu 1.65 2.09 1.84 1.67 1.68 1.7 2.08 1.79 1.62 1.67 1.75 2.03 1.76 1.59 1.67 1.8 2.00 1.75 1.555 1.66
Kondisi  angin  pada  saat  dilakukan  proses  simulasi  yaitu  pada  temperature  32 0 C.  Sehingga didapat massa jenis udara sebesar: T = 32 0 C           ρ udara = 1.1594 kg/m 3
Kecepatan  angin  pada  saat  simulasi  adalah  4  m/s,  sehingga  didapat  daya  angin  yang  melewati  luas rotor turbin sebesar:
D turbin = 1.65 m H turbin
= 1.65 x 1.5
= 2.475 m 2
P angin = 1 2 𝜌 𝐴 𝜈 𝑎 3
= 0,5 (1,1594)(2.475)(4 3 ) = 91.82 Watt
power coefficient (C p ) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan secara mekanik pada sudu akibat  gaya  angin  terhadap  daya  yang  dihasilkan  oleh  gaya  lift  pada  aliran  udara,  Hasil  perhitungan tiap data dibuat dalam grafik berikut ini.
Gambar 9. Grafik tip speed ratio vs koefisien daya untuk semua jumlah sudu
Dari  grafik  di  atas  dapat  dilihat  bahwa  semakin  besar  nilai  TSR,  maka  nilai  koefisien  daya turbin angin juga semakin besar. Turbin angin dengan jumlah sudu 5 buah memiliki power coefficient (Cp) paling tinggi  dibandingkan dengan turbin angin dengan  jumlah sudu 3, 4 maupun 6 buah. Nilai maksimum Cp untuk turbin dengan jumlah sudu 5 buah mencapai 0.589 pada TSR 1.8.
Efisiensi turbin merupakan perbandingan daya angin yang mampu diekstrak sudu turbin yang diukur dari power coefficient yang dihasilkan turbin angin dengan daya angin teoritis. Efisiensi turbin merupakan  keefektifan  rotor  turbin  dalam  memanfaatkan  energi  kinetik  angin.  Berikut  hasil perhitungan efisiensi turbin pada setiap jumlah sudu yang dibuat dalam bentuk grafik.
Gambar 10. Grafik nilai TSR vs efisiensi turbin untuk semua jumlah sudu
Dari  grafik  di  atas  terlihat  bahwa  semakin  besar  nilai  TSR,  maka  nilai  efisiensi  turbin  angin juga akan semakin besar. Turbin angin yang  memiliki  jumlah sudu 5 buah memiliki tingkat efisiensi yang paling tinggi dibandingkan dengan turbin angin yang memiliki jumlah sudu 3, 4 maupun 6 buah. Nilai  maksimum  efisiensi  untuk  turbin  dengan  jumlah  sudu  5  buah  mencapai  58,9413%  pada  TSR 1.8.  Sedangkan  efisiensi  paling  rendah  dimiliki  oleh  jumlah  sudu  3  buah  dengan  nilai  efisiensi 55,2841% pada TSR 1,65.

## 5. KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian  dan  analisa  yang  telah  dilakukan  pada  bab-bab  sebelumnya,  dapat ditarik kesimpulan dari hasil penelitian ini yaitu:
1. Pada saat sudut serang 0 0 nilai koefisien gaya angkat airfoil NACA 0018 bernilai nol, hal ini akan mengakibatkan  tidak  adanya  gaya  aerodinamis  dari  profil  airfoil.  Ini  disebabkan  karena  profil airfoil ini berbentuk simetri, dimana bentuk bagian atas profil sama dengan bentuk bagian bawah
profil  airfoil.  Unjuk  kerja  aerodinamis  profil  airfoil  NACA  0018  akan  memiliki  nilai  optimum pada  sudut  serang  (α)  =  7 0 ,  nilai  ini  diperoleh  dari  perbandingan  antara  koefisien  gaya  angkat dengan  koefisien  gaya  hambat  tertinggi  yang  diperoleh  dari  hasil  simulasi  yang  nilainya  sebesar 44,106.
2. Simulasi  turbin  angin  dengan  variasi  tip  speed  ratio  menunjukkan  nilai  koefisien  daya  terkecil 0,553  dihasilkan  oleh  jumlah  sudu  3  buah  dengan  nilai  tip  speed  ratio  sebesar  1.65,  sedangkan koefisien daya terbesar 0,589 dihasilkan oleh jumlah sudu 5 buah dengan nilai tip speed ratio 1.8.
3. Turbin  angin  dengan  jumlah  sudu  5  buah  lebih  efisien  untuk  mengekstrak  energi  angin  daripada turbin  angin  dengan  jumlah  sudu  3  buah,  4  buah  dan  6  buah.  Hal  ini  disebabkan  karena  ketika jumlah sudu 5 buah kerapatan luas sapuan turbin semakin besar.
Efisiensi maksimum untuk tiap jumlah sudu yaitu:
• 3 sudu, η max = 56.203 %
• 4 sudu, η max = 58.098 %
• 5 sudu, η max = 58.941 %
• 6 sudu, η max = 58.534 %

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Anderson Jr, J. D. 1999. Fundamental of Aerodyamics . Mc.Graw-Hill. Boston.
[2] Damanik, Asan. 2011. Fisika Energi. Yogyakarta : Sanata Dharma.
[3] Hau,  Eric.  2006. Wind  turbines  :  Fundamentals,  Technologies,  Application,  Economics. Edisi 2. Berlin : Springer.
[4] Tuakia,  Firman.  2008, Dasar-Dasar  CFD  Menggunakan  Fluent .  Bandung  :  Penerbit Informatika.