PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL (TASV)
SAVONIUS 3 SUDU
Riza Jaka Ariazena (1) , Agus Suprayitno, (2) , Gunawan (3) .
Program Studi Teknik Mesin, STT Wastukancana Purwakarta
(1) rizajakaariazena@gmail.com, (2) agussuprayitno@stt-wastukancana.ac.id,
(3) xgunawan07@gmail.com
Abstrak. Energi angin adalah merupakan salah satu energi alternative yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, guna menggantikan sumber energi berbahan posil. salah satu bentuki dari  pemanfaatan  energi  angin  adalah  sebagai  sumber  energi  untuk  pembangkit  tenaga  listrik. keunggulan dari turbin ini yaitu mampu meneekstrak angin dengan kecepatan angin yang kecil (min 2 m/s). Hasil perhitungan dari turbin angin Savonius didapatkan hasil, pada kecepatan rata – rata angin 7 m/s menghasilkan koevisien daya maksimal sebesar 3.62% pada tip speed ratio 3.24. Pada kecepatan rata – rata angin 5 m/s menghasilkan koevisien daya maksimal sebesar 7.95% pada tip speed ratio 3.43. Sedangkan pada kecepatan rata – rata angin 2.5 m/s menghasilkan koevisien daya maksimal  sebesar  24.40%  pada  tip  speed  ratio  2.35.  Rangka  turbin  yang  menopang  bahan komponen  yang  terpasang  pada  rangka  adalah  41,26  kg.  Konsentrasi  tagangantarik  maksimum pada batang yang terjadi adalah 0,101 kg/mm 2 < σ max = 3,08 kg/mm 2 , jadi rangka aman digunakan terhadap tegangan tarik.
Kata kunci : Energi alternatif, Turbin savonius , S avonius tiga sudu
Abstract: Wind energy is an alternative energy that can be used for various purposes, in order to replace energy sources made from fossil fuels. One form of the use of wind energy is as an energy source for power generation. The advantage of this turbine is that it is able to extract wind with small wind speeds (min 2 m/s). The calculation results from the Savonius wind turbine show that at an average wind speed of 7 m/s it produces a maximum power coefficient of 3.62% at a tip speed ratio of 3.24. At an average wind speed of 5 m/s it produces a maximum power coefficient of 7.95% at a tip  speed  ratio  of  3.43.  While  the  average  wind  speed  of  2.5  m/s  produces  a  maximum  power coefficient  of  24.40%  at  a  tip  speed  ratio  of  2.35.  The  turbine  frame  supporting  the  component materials attached to the frame is 41.26 kg. The maximum tensile stress concentration in the rod that occurs is 0,101 kg/mm 2 < 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 3,08 kg/mm 2 , so the frame is safe to use against tensile stress.
Keywords: Alternative energy, Savonius turbine, Three-spoon savonius.

## 1. Pendahuluan

## 1.1.  Latar Belakang
Energi angin termasuk energi terbarukan yang didefinisikan sebagai energi yang secara cepat dapat diproduksi kembali melalui proses alam. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain: sumbernya relatif mudah didapat, dapat diperoleh dengan gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tidak terpengaruh oleh kenaikkan harga bahan bakar.
Turbin  angin  sumbu  vertikal  merupakan  turbin  angin  yang  sumbu  rotasinya  tegak  lurus terhadap permukaan tanah. Jika dibandingkan efisiensi turbin, turbin angin sumbu horisontal lebih efektif  dalam  mengekstrak  energi  angin  dibandingkan  turbin  angin  sumbu  vertikal.  Tetapi  turbin angin sumbu vertikal juga memiliki keunggulan, yaitu:
a.  Tidak harus diubah posisinya jika arah angin berubah, tidak seperti turbin angin horisontal yang memerlukan mekanisme tambahan untuk menyesuaikan rotor turbin dengan arah angin.
b.  Tidak membutuhkan struktur menara yang besar c.  Konstruksi turbin sederhana
d.  Dapat  didirikan  dekat  dengan  permukaan  tanah.  Sehingga  memungkinkan  menempatkan komponen mekanik dan komponen elektronik yang mendukung beroperasinya turbin
Savonius merupakan salah satu jenis turbin anin poros vertikal yang cocok dengan kecepatan angin  rendah.  Intensitas  aning  juga  menjadi  permasalahan  pemampaatan  turbin  angin  untuk menghasilkan daya listrik. Berdasarkan permasaahan yang ada dalam pengembangan pembangkit listrik energi angin, maka penelitian kali ini akan.
Oleh karena itu, sejalan dengan pemikiran di atas dimana angin tersebut dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi terbaru. pembangkit listrik tanaga angin, merupakan solusi yang tepat untuk dikembangkan. berbagai teknologi pembangkit banyak diterapkan dalam PLTA baik dari sisi turbin dan instrument. Didalam turbin kita mengenal berbagai jenis turbin yang dapat di pergunakan. salah satunya  turbin  angin  yang  sederhana  dan  yang  ditempatkan  di  dekat  tanah  bisa  mengambil keuntungan dari berbagai lokasi yang menyalurkan angin serta meningkatkan laju angin ( seperti pantai, gunung dan puncak bukit).
Pantai  Tanjung  Baru  sebagai  objek  penelitian  berada  di  Desa  Pasir  Jaya,  Kecamatan Cilamaya  Kulon,  Karawang,  Jawa  Barat.  Pantai  ini  tidak  memiliki  penerangan  jalan  yang  kurang untuk akses warga pada malam hari. Namau pantai ini memiliki sumber angin yang sangat potensial untuk  dijadikan  sebagai  sumber  energi  pembangkit  listrik  tenaga  angin  sekala  kecil.  kecepatan amgin rata-rata yang didapat mencapai 3,7 m/s. dan keceptan maksimum yang di dapat adalah 7,4 m/s, untuk memaksimalkan sumber energi angina.

## 2. Kajian Pustaka

## 2.1.  Rumus Perhitungan
Rumus perhitungan yang digunakan untuk mengetahui unjuk kerja rotor:

## 2.2.1  Luas Rotor
Daya  ngan  (Pin)  adalah  daya  yang  tersedia  oleh  angin  dimana  day  aini  berbanding  lurus dengan pangkat tiga kecepatannya dan dapat dirumuskan sebagai berikut :
𝑃𝑖𝑛 = 1 2 . 𝜌. 𝐴. 𝑉 3
Dimana : 𝑃𝑖𝑛 : Daya total. ρ : masa jenis angin (kg/m 3 ) A : luas rotor turbin (m 2 ) V : kecepatan angin (m/s)

## 2.2.2  Torsi
Torsi (T) adlah hasil perkalian besarnya gaya pembebanan (F) dengan Panjang kengan torsi ( l ) sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut :
𝑇 = 𝐹 𝑙 (Nm) 𝐷𝑖𝑚𝑎𝑛𝑎 : T : Torsi
F : gaya pembebanan (N) l : Panjang lengan (m)

## 2.2.3  Daya Rotor
Daya rotor (Pout) adalah daya yang dihasilkan oleh rotor sebagai akibat adanya angin yang menghantam sudu rotor sehingga sudu rotor bergerak. Daya yang dihasulkan oleh sudu kincir yang berputar adalah :
P out =  𝑇 . ⍵ (watt) Untuk menentukan kecepatan sudut, digunakan persamaan :
⍵ = π n 30 =   (rad/s)

## 2.2.4  Koefisien Daya
Koefisien  daya  (Cp)  adalah  perbandingan  antara  daya  yang  dihasilkan  oleh  rotor dengandaya yang tersedia oleh angin sehingga bisa dirumuskan sebagai berikut :
P Cp = 𝑃 𝑜𝑢𝑡 𝑃 𝑖𝑛 . 100 %
Dimana :
P Cp : koefisien daya 𝑃 𝑜𝑢𝑡 : daya yang dihasilkan rotor (watt) 𝑃 𝑖𝑛 : daya yang terjadi angin (watt)

## 2.2.5  Tip Speed Ratio
Tip  Speed  Ratio  adalah  perbandingan  amtara  kecepatan  di  ujung  sudu  rotor  dengan kecepatan anginnya sehingga dapat dirumuskan :
𝑡𝑠𝑟 = π n r 30 v =
Dimana :
tsr : Tip Speed Ratio n : Kecepatn putar poros rotor (rpm) r
: Jari - jari rotor (m)
v
: Kecepatan angin (m/s)

## 3. Pembahasan Dan Hasil
3.1. Perancangan Rotor Turbin Savonius
3.1.1  Parameter Yang Digunakan Dalam Perancangan
Untuk merancang  rotor  turbin  angin  savonius  yang  diperlukan  data-data,  data-  data  yang diketahui seperti seperti dibawah ini:
1.  Data-data yang diketahui.
a.  Kecepatan angin (V) : 7,4 m/s
b.  Suhu udara sekitar (T)  : 30 °C c.  Daya rencana (P) : 300 Watt 2.  Data-data yang dipilih a.  Jenis sudu : Lengkung

## 3.1.2  Luas Rotor
Rotor merupakan elemen utama turbin angin karena pada rotor inilah sudu turbn di asembly. adapun  tegangan  total  aliran  angin  yang  mengalir  adalah  sama  dengan  laju  energi  kinetic  aliran yang datang yang dirumuskan dengan :
P tot = 1 2 . ρ. A. V 3 (𝑊𝑎𝑡𝑡)
300 = 1
2 . 1,1514. A. (7,4) 3
300 =  0,303. A. (7,4) 3 A     = 1,28 → 1,3. m 2

## 3.1.3  Perhitungan Dimensi Rotor
Dengan merancang sudu pada turbin savonius ini terdiri dari atas 2 bagian yaitu diameter rotor dan tinggi rotor (D dan t). untuk itu dalam perancangan ini dipilih perbandingan diameter rotor dan tinggi rotor (D/t) sebesar 0,8.
Luas rotor adalah 1,3 m 3
D t = 0,8
D = 0,8t
3.1.4  Tinggi Rotor
Lrotor = D x t =    (mm)
1,3   = 0.8t x t
1,3   = 0.8t 2 t       = 1,3 m → 1300 mm
3.1.5 Diameter Rotor D = 0,8 . t =   (mm) D = 0,8 . 1,3 = 0,96m → 1m
3.1.6  Perhitungan Dimensi Sudu karena bentuk sudu yang akan direncanakan adalah lengkung, maka digunakan rumus mencari luas panjang busur pada lingkaran ( busur AB ).
Gambar 4. 1 Skema Menentukan Radius Sudu Dan Panjang AB.
D rotor = 1 m = 1000 mm Drotor = Drotor−35
2 = (mm)
Drotor = 1000−35
2 = 482,5 mm
Sehingga alas busur AB ( l ) menjadi :
l = 482,5 2 = 241,25 mm
Mencari nilai R pada lingkaran dengan mengunakan rumus phytagoras, sehingga
R 2 = l 2 + (1/2. R) 2 = (mm) 4R 2 = 4 . 241,25 2 + R 2 4R 2 − R 2 = 232.806 R                 = 278,6 mm
Maka jari-jari (R) yang dihasilkan adalah 283 mm

## 3.1.7  Panjang Burur AB
L     = α(sudut pusat) 360° . 2. π. R
L     = 120° 360° . 2 . 3.14 . 278,6
L     = 583,2 mm
Maka panjang busur yang dihasilkan 583,2 mm
Gambar 4. 2 Sudu Savonius.
Gambar 4. 3 Rotor Savonius.

## 3.2.  Data Hasil Pengujian
Hasil pengujian turbin angin yang meliputi kecapatan angin , kecepatan putaran poros rotor (Rpm). Pengambilan  data turbin anin savinius dengan variasi kecepatan angin dari blower 7 m/s, 5 m/s, dan 3,5 m/s.
Tabel 4. 1 Hasil pengambilan data.

## 3.3.  Pengolahan Data dan Perhtungan
Langkah – Langkah perhitungan dapat dilihat pada contoh sampel yang diambil dari table diatas.

## 3.3.1  Perhitungan Daya Angin
Daya yang dihsilkan angin pada rotor dengan A=1.3m 2 dapat dicari dengan persamaam (2.14). Sample data untuk contoh perhitungan diambil dari table 4.3.
P m = 1 2 . ρ. A. V 3 =     (watt)
P 𝑚 = 1 2 . 1,1514 . 1,3 . (7,4) 3
P m = 256,70 watt
No Kecepatan Angin (m/s) Rpm Beban (g) 1 7 452 80 2 5 341 80 3 2.5 11 95

## 3.3.2  Perhitungan Daya Rotor
Daya yang dihasilkan oleh rotor dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.3), untuk mendapatkan daya rotor harus diketahui kecepatan sudut dan torsi.
a.  Kecepatan Sudut
⍵ = π n 30 =   (rad/s)
⍵ = π 452 30 ⍵ = 47.31 rad/s b. Torsi
𝑇 = 𝐹 𝑙 =  (Nm) 𝑇 = 𝑚 . 𝑔 . 𝑙 𝑇 = 80 1000 .9.81 . 0.25 𝑇 = 0.20 𝑁𝑚
P out =  𝑇 . ⍵ = (watt) P out =  𝑇 . ⍵ P out =  0.20 𝑁𝑚 . 47.31  rad/s P out =  9.28 𝑤𝑎𝑡𝑡

## 3.3.3  Perhitungan Koefisien Daya
Karena  energi  angin  yang  melalui  rotor  tidak  sumua  dapat  di  manfaatkan  oleh  rotor  untuk menghasilkan daya yang sama dengan angin. Hal ini tergantung koefisien daya rotor tersebut.
P Cp = 𝑃 𝑜𝑢𝑡 𝑃 𝑖𝑛 . 100 %
P Cp = 9.28 256.70 . 100 %
P Cp = 3.62 %

## 3.3.4  Perhitungan Tip Speed Ratio
Untuk mengetahui besaran perbandingan kecepatan ujung rotor demham kecepatan angina tau top speed ratio dicari dengan menggunakan persamaan (7) : 𝑡𝑠𝑟 = π n r 30 v 𝑡𝑠𝑟 = π 452 0.48 30 7 𝑡𝑠𝑟 = 3.24

## 3.4.  Data Hasil Perhitungan
Parameter yang diperoleh dari penelitian diolah dengan menunakan software Microsoft Excell untuk  menampilkan  grafik  hubungan  antara  putaran  rotor  dengan  torsi  yang  dihasilkan,  grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio, dan grafik hubungan atara daya dengan torsi yang dihasilkan untuk tiga varian keceptan angin. Pada table 4. 4.
Tabel 4. 2 Hasil pengambilan data.

## 3.5.  Perancangan Rangka Dan Kaki
Turbin angin ditopang dengan kaki dan rangka dimana bagian ini merupakan hal yang sangan penting dimana dalam meletakan bagian-bagian utama turbin.

## 3.5.1  Perancangan rangka
Adapun  dalam  perancangan  rangka  turbin  ini.  ukuran-ukuranya  didasarkan  pada  ukuran diameter  rotor,  dan  panjang  rotor.  selain  itu  juga  dengan  mempertimbangkan  clearance (kelonggaran) antara rotor dan rangka 30mm
Gambar 4. 4 Rotor
Panjang rangka bagian atas adalah : L rangka = D rotor + 2 (59,5) = 1015 + 119 = 1.134 mm
Sedangkan  panjang  tangka  bagian  samping  adalah  1410  mm  inididasarkan  pada  panjang rotor turbin yaitu sebesar 1300 mm.

## Gambar 4. 5 Rangka Samping Turbin

## 3.5.2  Perancangan kaki-kaki
Dalam merancang kali-kaki turbin ini ditentukan bentuk kaki-kaki adalah berbentuk persegi 8 dengan menggunakan bahan hollow ukuran 40x40 mm. Adapun tinggi kaki-kaki ditentukan dengan berdasarkan ukuran panjang dari poros, poros perantara, dan spasi antara bagian-bagian yang lain

## Gambar 4. 6 Kaki-Kaki Turbin

## 3.6. Reaksi Tegangan Tarik Pada Batang
1.  Menghitung tegangan tarik pada batang
Untuk mencari tegangan tarik pada batang harus mengetahui beban pada batang dan luas batang square tube. sehingga tagangan :
𝜎 = 𝐹 𝐴 =     𝑘𝑔/𝑚𝑚 2
Dimana : F = 41,26  kg ( beban terbesar  yang pada rangka) A = a 2 – b 2 = (40 mm) 2 – (34.8 mm) 2 = 389 mm 2
Gambar 4. 7 Square Tube (40mm x 40 mm x 2.6mm).
Sehingga :
𝜎 = 𝐹 𝐴 = 41,26 𝑘𝑔 389 𝑚𝑚 2 = 0,106 𝑘𝑔/𝑚𝑚 2
2.  Menghitung tegangan maksimum pada bahan ( 𝜎 𝑚𝑎𝑥 )
Bahan rangka square tube ST37 dengan tegangan tarik maksimum 37(kg/mm 2 ), sehingga tegangan ijin bahan adalah :
𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 𝜎 𝐵 𝑠𝑓 1 .𝑠𝑓 2
Dimana : 𝜎 𝐵 = 37 kg/mm 2 𝑠 𝑓1 = factor keamanan untuk batas kelelahan punter yang harganya 6,0
𝑠 𝑓2 =factor keamanan akibat pengaruh konsentrasi tegangan seperti adanya alur pasak pada poros, harganya 1,3-3,0, dalam perencanaan diambil harganya 3.
𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 37 6 x 3 = 3,08 kg/mm 2

## 3.7. Pengelasan Rangka
Gambar 4. 8 Skema Pengelasan Batang.
keliling pengelasan pengelasan
k
= S x 4 = 40 x 4 = 160 mm
Luas area pengelasan
A         =  k x t = 160 mm x 2.6 mm
= 416 mm 2 σt         = 0,5 x σ ijin = 0,5 x 420 N/mm 2 = 210 N/mm 2
a. kekuatan pengelasan pada rangka turbin
Untuk mengetahui  kekuatan  pengelasan  pada  rangka,  harus mengetahui  beban  (  F  )  yang terjadi pada rangka. Beban terbesar terdapat pada rangka batang   (I-J) sebesar 41,26 kg.

## F          = 41,26 kg x10 m/s
=  412,6 N σ           = F A = 412,6 N 282,8 mm 2 = 1,45 N/mm 2
Kekuatan las pada rangka < σt . Maka pengelasan dinyatakan aman.

## 4. Kesimpulan
Perancangan  ini  dilakukan  dengan  tujuan  untuk  bisa  merancangkan  dan  menghitung dimensi sudu turbin, poros, bantalan, Yang bertujuan sebagai alat untuk pembangkit energi listrik skala kecil. Didapat hasil perancangan:
1.  Pada kecepatan rata – rata angin 7 m/s menghasilkan koevisien daya maksimal sebesar 3.62% pada tip speed ratio 3.24. Pada kecepatan rata – rata angin 5 m/s menghasilkan koevisien daya
maksimal sebesar 7.95% pada tip speed ratio 3.43. Sedangkan pada kecepatan rata – rata angin 2.5 m/s menghasilkan koevisien daya maksimal sebesar 24.40% pada tip speed ratio 2.35.
2.  Torsi terbesar yang dihasilkan pada kecepatan rata – rata angin 7 m/s oleh rotor yaitu 0.20 Nm dengan kecepatan putaran rotor 452 Rpm, dan daya yang di hasilkan 9.28 watt.
3.  Tip  speed  ratio  tertinggi  yang  didapatkan  3.43  pada  kecepatan  rotor  341  Rpm  terjadi  pada kecepatan 5 m/s.
4.  Rangka turbin yang menopang bahan komponen yang terpasang pada rangka adalah 41,26 kg. dengan  bahan  rangka  batang  square  tube  ST37  dengan  ukuran  (40mm  x  40mm  x  4mm). konsentrasi tagangantarik maksimum pada batang yang terjadi adalah 0,101 kg/mm 2 < 𝛔 𝐦𝐚𝐱 = 3,08 kg/mm 2 , jadi rangka aman digunakan terhadap tegangan tarik.

## DAFTAR PUSTAKA
Arifin Sanusi, Sudjito S, Slamet W, dan Lilis Y. (2017). Performance Analysis of a Combined Blade Savonius Wind Turbine . International Journal of Fluid Machineri and System. Buyung Junaidin.  (2017).  Perancangan Vertikal  Axis  Wind  Turbine  (VAWT)  Skala  Kecil.  Sekolah Tinggi Teknologi Adisutjipto. Program Studi Penerbangan.
Gare, James M. dan Timoshenko, Stephen P. (2000). Mekanika Bahan Jilid 2. Jakarta : Erlangga Hau,  E.  (2006). Wind  Turbines  Fundamental,  Technologies,  Applications,  Economics  2 nd Edition . Berlin: Springer
Irvan  Septyan  Mulyana.  (2017)  Perancangan  Turbin    Angin  Vertikal  Savonius  Sebagai  Sumber Energy    Untuk  Penerangan  Jalan  Toll.  Universitas  Gunadarma.  Jurusan  Teknik  Mesin Fakultas Teknologi Industri.
Mario Alejandro, R. (2018). Small Wind Turbines For Electricity And Irrigation . New York : CRC Press M sunil kumar, VVSH Prassad, C. Labesh Kumar, Dr. K Ashok R. (2017). Savonius Wind Turbine Design  And  Validation-an  Manufacturing  Approach .  International  Jounal  of  Mechanical Engineering and Technology (IJMET).
Peter  J.  Schubel  dan  Richard  J.  (2012) Wind  Turbine  Blade  Design .  University  of  Nottingham. Faculty of Engineering, Devision of Materials, Mechanics and Structures. Renal  M,  Suryadimal,  Iqbal.  (2017).  Perancangan  Kincir  Angin Savonius Tipe  L  Empat  Sudu Sebagai Sumber Energi Terbarukan. Universitas Bung Hata Padang. Program Studi Teknik Mesin.
Satriya R., Daminicus D., Eko P.B. (2015). Perancangan Turbin Angun Tipe Savonius Dua Tingkat Dengan  Kapasitas  100 Watt  Untuk  Gedung  Syariah  Hotel  Solo.  Universitas  Sebelas  Maret Solo. Program studi Teknik Mesin.
Sularso dan Kiyokatsu Suga. (2004). Dasar Perancangan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : PT. Pradya Paramita.
Syukri H, (2006). Energi Angin. Makasar : CV Bintang.