Desain Optimal Wind-turbines Tipe Savonius sebagai Suplai Energi Listrik di Desa Pusakajaya, Kabupaten Karawang
Jojo Sumarjo 1 ,  Dian Budhi Santoso 2 ,  Insani Abdi Bangsa 2
1 Prodi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
2 Prodi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang *dian.budhi@ft.unsika.ac.id

## Abstrak
Peningkatan kebutuhan energi listrik terjadi akibat pertambahan penduduk yang semakin tinggi, tetapi hal ini tidak seimbang  dengan  peningkatan  penyediaan  tenaga  listrik.  Kapasitas  daya  yang  ada  masih  tetap,  sementara kebutuhan  masyarakat  semakin  meningkat.  Masyarakat  Indonesia  masih  tergantung  pada  pasokan  listrik  PLN, tidak  hanya  untuk  kebutuhan  penerangan  jalan  tetapi  juga  untuk  mendukung  kegiatan  ekonomi.  Akibat  yang ditimbulkan  adalah  sering  terjadi  pemadaman  aliran  listrik  oleh  PLN,  terutama  pada  beban  puncak.  Hal  ini disebabkan  oleh  akibat  pemakaian  beban  yang  melebihi  daya  yang  telah  disediakan.  Angin  adalah  salah  satu bentuk energi yang tersedia di alam, Pembangkit Listrik Tenaga Angin mengkonversikan energi angin menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin atau kincir angin. Cara kerjanya cukup sederhana, energi angin yang  memutar  turbin  angin,  diteruskan  untuk  memutar  rotor  pada  generator  di  bagian  belakang  turbin  angin, sehingga  akan menghasilkan  energi listrik.  Energi  listrik ini  biasanya akan disimpan ke  dalam  baterai  sebelum dapat  dimanfaatkan.  Desain  kincir  angin  yang  tidak  optimal  mengakibatkan  kurangnya  output  daya  yang dihasilkan  oleh  pembangkit  listrik  tenaga  angin.  Desain  optimal  dari  PLTB  tipe savonius akan  meningkatkan efisinesi output daya dari PLTB. Potensi daya yang dihasilkan tertinggi dari pengujian turbin angin ini adalah 8,30 Watt didapatkan saat kecepatan angin 5,88 m/s pada putaran rotor 383,2 RPM dan pada torsi sebesar 27,54 Nm dengan efisiensi sistem adalah 7% dan dapat menghidupkan LED 5 watt selama 12 jam.
Kata kunci : wind turbines, renewable energy, savonius, PLTB.

## 1. Pendahuluan
Angin    merupakan  salah  satu  sumber  energi yang tersedia di bumi yang jumlahnya sangat banyak dan  tidak  akan  pernah  habis  walupun  digunakan secara  terus  menerus  (Untung,  2016).  Untuk  dapat memanfaatkan  energi  angin,  maka  diperlukan  alat yang  dapat  mengkonversi  energi  angin  sehingga menghasilkan  tenaga  atau  kerja  yang  dapat dimanfaatkan oleh manusia. Turbin angin merupakan salah satu alat yang dapat mengkonversi enegi angin menjadi  kerja  berupa  torsi  yang  dapat  digunakan untuk  menggerakan  peralatan  lain.  Kemampuan turbin  angin  Savonius  beroperasi  pada  kecepatan angin  yang  rendah  dengan  menghasilkan  torsi  yang besar  sangat  cocok  digunakan  sebagai  pembangkit listrik  tenaga  angin  untuk  penerangan  jalan umum(Rudianto, 2016).
Turbin  angin  Savonius  bisa  berputar  tanpa diberi energi awal dari luar pada saat start. Salah satu jenis turbin angin yang cocok dengan kecepatan rata- rata  angin  di  Indonesia  yang  rendah  adalah  turbin angin tipe savonius (Latif, 2013). Turbin ini berputar karena  adanya  perbedaan  gaya  drag  dari  sudu- sudunya, sehingga salah satu faktor yang mempengaruhi  performansi  dari  turbin  angin savonius  adalah  besarnya  koefisien  drag  dari  sudu
yang  digunakan  (Hasan,  2013).    Apabila  koefisien drag sudu bagian cekung semakin besar dan koefisien drag pada sudu bagian cembung semakin kecil maka torsi yang dihasilkan oleh turbin angin akan semakin meningkat  sehingga  performansinya  juga  akan meningkat  (Irsyad,  2012).  Untuk  mengantisipasi kerusakan pada wind turbine, maka didesain cut-out yang lebih besar (D.B. Santoso, 2018).
Untuk hal tersebut maka diperlukan suatu alat pembangkit  listrik  dengan  memanfaatkan  angin sebagai  sumber  energi  untuk  dapat  menggerakkan turbin yang terhubung ke generator yang selanjutnya disimpan  didalam  battery  sebelum dapat  digunakan. Turbin  angin  yang  digunakan  adalah  turbin  angin jenis  savonius  yang  lebih  kinerja  penangkapan anginya  lebih  maksimal  karena  bentuk  dari  turbin tersebut  tidak  memerlukan  ekor  untuk  menangkap arah  angin  dan  sangat  cocok  digunakan  di  daerah pesisir  pantai  dan  pegunungan  sehingga  tidak memerlukan  ketinggian  yang  tinggi  seperti  turbin angin  jenis  darrieus.  Semua  kelebihan  ada  pada alat yang  akan  dibuat  berdasarkan  dari  kekurangan- kekurangan pada penelitian sebelumnya.
2. Formulasi Masalah
2.1 Gaya Pada Turbin
Gaya  turbin  angin  dapat  dihitung  dengan rotasi putaran turbin angin dikalikan dengan gaya gravitasi  dengan  memasukan  nilai  RPM  turbin angin.
F= ω .g Dimana : F = Gaya turbin angin (N) ω = rotasi putaran turbin angin (rad/s)
g = gravitasi 9,81 m/s 2 ω = 2πn/60 Dimana : ω = rotasi putaran turbin angin (rad/s) n = putaran turbin angin 102,4 rpm, sehingga : ω = (2 .3,14 .102,4)/60 ω = 10,72 rad/s maka, gaya pada turbin angin dapat dihitung sebagai berikut :
F= ω .g F = 10,72 rad/s . 9,81 m/s 2

## F = 105,17 N

## 2.2 Torsi Turbin Angin
Torsi  turbin  angin  dihitung  menggunakan data  gaya  pada turbin  dikalikan dengan  jari-jari rotor sebesar 0,07 m.
TORQUE=(V 2 R 3 )/λ 2 =F.r=m.a Dimana : V   = Kecepatan angin (m/s) R (r)= jari-jari rotor (m) F    = gaya pada turbin angin (N) m   = massa pengimbang (kg) a    = percepatan gravitasi (m/s)
Torque = F . r
Torque = 105,17 N . 0,07 m Torque = 7,36 Nm

## 2.3 Daya Turbin Angin
Daya  turbin  merupakan  output  dari  daya angin  hasil  dari  perhitungan  torsi  dikalikan dengan rotasi putaran turbin angin.
P_t=Torque.ω=Torque.2πn
Dimana : Pt   = Daya turbin (Watt) Torque
= besarnya torsi (Nm)
n    = putaran poros (rpm)
P_t=Torque.ω=Torque.2πn
P_t = 7,36 Nm . 10,72 rad/s P_t = 78,90 Watt

## 2.4 Energi Yang Dimiliki Oleh Angin
Berdasarkan  kecepatan  angin  dan  diameter baling-baling  (telah  diketahui  tinggi  0,5  m  dan diameter 0,7 m), maka luasan total baling-baling turbin yang berjumlah 3 buah adalah 1,05 m 2 . P_a=1/2 ρAV 3 (Watt/m 2 ) Dimana : P_a = Daya ouput (Watt/m 2 )
ρ = kerapatan udara 1.1726 kg/m 3
V = kecepatan angin (m/s) A = luas penampang (m 2 ) P_a=1/2.1,1726kg/m 3 .1,05m 2 . 〖 4,56 〗 3 (m/s) P_a = 58,38 Watt/m 2

## 2.5 Daya Yang Dikeluarkan Generator
Berdasarkan kecepatan angin dengan jumlah baling-baling  3  buah  (telah  diketahui tinggi 0,5 m dan diameter 0,7 m).
P=1/12 V 3 D 2 (Watt) Dimana : P = Daya output (Watt) V = Kecepatan angin (m/s)
D = Diamater baling-baling (m)
P=1/12 〖 .4,56 〗 3 m/s . 〖 0,7 〗 2 m P = 3,87 Watt

## 2.6 Efisiensi sitem
Efisiensi  sistem  pembangkit  listrik  tenaga angin  merupakan  perbandingan  antara  daya generator angin dan daya angin dari turbin. η=P_g/P_a .100%
Dimana : η = Efisiensi sitem (%) P_g= Daya output generator (Watt) P_a= Daya angin (Watt) η=(3,87 watt)/(58,38 watt).100% η = 0,07 . 100% η = 7 %

## 3. Metodologi Penelitian
Penelitian  dilakukan  dari  bulan  Juli  sampai dengan  bulan  September  2019  di  desa  Pusakajaya Utara,  kecamatan  Cilebar,  kabupaten  Karawang untuk  mengetahui  data-data  yang  diperlukan  dalam perancancangan  dan  pembuatan  pembangkit  listrik tenaga angin ini.

## Gambar 3.1 Flowchart penelitian

## 3.1 Alat dan bahan
Peralatan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah anemometer, tachometer, multimeter. Pemakaian  listrik  bergantung  pada  kondisi  angin yang  menyentuh  baling-baling/  blade,  konsumsi listrik dibagi dengan waktu penerangan yaitu selama 12 jam pada pukul 18.00 WIB sampai dengan pukul 06.00  WIB.  Adapun  untuk  komponen  yang digunakan adalah:
Tabel 3.1 Data Spesifikasi Komponen No. Spesifikasi Jumlah 1 Turbin Angin 1 Unit 2 Menara 1 Unit 3 Transmisi V-Belt 1 Unit 2 Alternator (IC model) 12 V ~ 30 A 1 Unit
3 Battery (Lead Acid) 12 V ~ 50 A 1 Unit
4 Inverter 350 Watt ~ 12 V 1 Unit

## 3.2 Pemilihan sistem
Berdasarkan  kemudahan  pada  penyediaan konsumsi  jaringan  listrik  di  atas,  maka  sistem  yang dipilih sudah dapat ditentukan.
Gambar 3.2 Diagram sistem Turbin angin adalah alat yang dapat memutarkan  poros  yang  terhubung  ke  generator sebagai  sumber  untuk  kebutuhan  kapasitas  battery untuk  beban  300  watt.  Generator  adalah  alat  yang digunakan  untuk  menkonversi  energi  mekanik menjadi  energi  listrik.  Inverter  sebagai  pengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Battery sebagai penyimpan  energi  yang  dihasilkan  dari  turbin  angin savonius  untuk  mensuplai  daya  ke  beban  setelah energi  listrik  dikonversi  dari  DC  menjadi  AC  oleh inverter.  Lampu  sebagai  beban  untuk  mengetahui adanya daya listrik yang dihasilkan oleh turbin angin.

## 4. Hasil dan pembahasan
Tabel  4.1  menunjukkan  kecepatan  angin  (V) putaran pulley penggerak (D_1), gaya turbin (F), torsi turbin  (torque),  daya  turbin  (P_t),  dan  daya  angin (P_a), tanpa beban.
Tabel 4.1 Keceptan Angin Waktu V Angin (m/s) 𝑫 𝟏 (rpm) Gaya Turbin (N) Torque (Nm) Daya Turbin (Watt) Daya Angin (Watt/ 𝐦 𝟐 ) 08.00- 09.00 4,56 102,4 105,17 7,36 78,90 58,38 09.00- 10.00 4,82 107,1 109,98 7,70 86,32 68,94 10.00- 11.00 5,22 115,1 118,21 8,27 99,65 87,57 11.00- 12.00 5,42 119,6 122,80 8,60 107,68 98,02 12.00- 13.00 5,88 127,1 130,50 9,13 121,43 125,15 13.00- 14.00 5,76 124,7 128,04 8,96 116,97 117,64 14.00- 15.00 5,20 112,3 115,31 8,07 94,84 86,57 15.00- 16.00 5,02 109,2 112,12 7,85 89,71 77,88 Rata- rata 5,23 114,69 117,77 8,24 99,44 90,09
Tabel  4.2  menunjukkan  kecepatan  angin  (v) putaran pulley penggerak (D_1) , putaran pulley yang digerakan  (D_2),  gaya  turbin  (F),  torsi  turbin (torque),  daya  turbin    (P_t),  dan  daya  angin    (P_a) ketika terhubung ke generator.

## Tabel 4.2 Output daya ketika terhubung generator
Waktu Kecepatan Angin (m/s) 𝑫 𝟏 (rpm) 𝑫 𝟐 (rpm) Gaya Turbin (N) Torque (Nm) Daya Turbin (Watt) Daya Angin (Watt/ 𝐦 𝟐 ) Daya Output (Watt) 08.00-09.00 4,56 81,2 324,8 333,50 23,34 793,50 58,38 3,87 09.00-10.00 4,82 85,1 340,4 349,52 24,47 871,73 68,94 4,57 10.00-11.00 5,22 92,4 369,6 379,50 26,56 1027,52 87,57 5,81 11.00-12.00 5,42 100,1 400,4 411,12 28,78 1206,11 98,02 6,50 12.00-13.00 5,88 107,6 430,4 441,93 30,93 1393,61 125,15 8,30 13.00-14.00 5,76 102,9 411,6 422,62 29,58 1274,46 117,64 7,80 14.00-15.00 5,20 90,3 361,2 370,87 25,96 981,33 86,57 5,74 15.00-16.00 5,02 88,7 354,8 364,30 25,50 946,85 77,88 5,16 Rata-rata 5,23 114,69 374,15 384,17 26,89 1058,51 89,40 5,97
Tabel  4.4  menunjukkan  kecepatan  angin  (v)  putaran  pulley  penggerak  (D_1)  ,  putaran  pulley  yang  digerakan (D_2), gaya turbin (F), torsi turbin (torque), daya turbin  (P_t), dan daya angin  (P_a) ketika terhubung dengan sistem kelistrikan.
Tabel 4.4  Output daya ketika terhubung dengan beban Waktu Kecepatan Angin (m/s) 𝑫 𝟏 (rpm) 𝑫 𝟐 (rpm) Gaya Turbin (N) Torque (Nm) Daya Turbin (Watt) Daya Angin (Watt/ 𝐦 𝟐 ) Daya Output (Watt) 08.00-09.00 4,56 79,3 317,2 325,70 22,80 756,91 58,38 3,87 09.00-10.00 4,82 82,7 330,8 339,66 23,78 823,13 68,94 4,57 10.00-11.00 5,22 87,3 349,2 358,55 25,10 913,25 87,57 5,81 11.00-12.00 5,42 90,3 361,2 370,87 25,96 981,59 98,02 6,50 12.00-13.00 5,88 95,8 383,2 393,46 27,54 1104,72 125,15 8,30 13.00-14.00 5,76 94,6 378,4 388,53 27,10 1077,01 117,64 7,80 14.00-15.00 5,20 87,1 348,4 357,73 25,04 912,99 86,57 5,74 15.00-16.00 5,02 86,1 344,4 353,62 24,75 892,37 77,88 5,16 Rata-rata 5,23 87,8 351,6 361,01 25,26 932,75 89,40 5,97

## 5. Kesimpulan
Dari hasil perancangan, pembuatan, pengujian dan  perhitungan  turbin  angin  savonius  dengan menggunakan  3  buah  baling-baling,  maka  dapat disimpulkan beberapa hal, yaitu :
 Lokasi  pengujian  ini  sangat  bagus  untuk merancang  dan  membuat  suatu  alat  untuk mengatasi  krisis  energi  di  desa  Pusakajaya Utara, kecamatan Cilebar, kabupaten Karawang yang dapat memanfaatkan energi angin sebagai energi alternatif untuk penerangan jalan umum yang dapat membantu pasokan listrik dari PLN tepatnya  di  desa  Pusakajaya  Utara,  kecamatan Cilebar, kabupaten Karawang.
 Dari kecepatan angin  yang memutarkan poros pada  turbin  dapat  diekstrak  ke  generator  yang merubah energi gerak menjadi energi listrik.
 Turbin  angin  yang  dibuat  terdiri  dari  baling- baling yang berjumlah 3 buah, transmisi V-belt, menara,  generator,  battery,  inverter,  lampu, serta kabel dan penunjang lainya.
 Kecepatan angin diwilayah tersebut tergantung pada  kondisi  cuaca  yang  dapat  mempengaruhi kecepatan angin yang menggerakan turbin.
 Potensi  daya  yang  dihasilkan  tertinggi  dari pengujian  turbin  angin  ini  adalah  8,30  Watt didapatkan saat kecepatan angin 5,88 m/s pada putaran rotor 383,2 RPM dan pada torsi sebesar 27,54 Nm.
 Efisiensi  sistem  dari  pembangkit  listrik  tenaga angin ini adalah 7%.
 Dari  hasil  perancangan  dan  pembuatan pembangkit  listrik  tenaga  angin  ini  dapat menghidupkan  lampu  LED  5  watt  selama  12 jam.

## Daftar Pustaka:
Santoso, D. B., & Sakti, F. P. (2018). Optimal Sizing and  Placement  of  Wind-Based  Distributed Generation  to  Minimize  Losses  Using  Flower Pollination Algorithm. 3(2), 167–175.
https://doi.org/10.31544/jtera.v3.i2.2018.167- 176
Shaddiq, S., Santoso, D. B., Alfarobi, F. F., Sarjiya, &  Hadi,  S.  P.  (2017).  Optimal  capacity  and placement  of  distributed  generation  using metaheuristic  optimization  algorithm  to  reduce power  losses  in  Bantul  distribution  system,
Yogyakarta. Proceedings of 2016 8th International Conference on Information Technology and Electrical Engineering: Empowering  Technology  for  Better  Future, ICITEE 2016. https://doi.org/10.1109/ICITEED.2016.7863279
Santoso, D. B, et all. (2017). Optimisasi Penempatan dan Kapasitas Wind-based Distributed Generation untuk minimsasi Losses
Menggunakan  Flower  Pollination  Algorithm, Proceedings  of  Conference  on  Information Technology  and  Electrical  Engineering,  CITEE
2017. 83-88.
Untung Surya Dharma Untung, Masherni, Pengaruh Desain  Sudu  Terhadap  Unjuk  Kerja  Prototype Turbin  Angin  Vertical  Axis  Savonius,  TURBO Vol. 5 No. 2. 2016, Teknik Mesin, Teknik Sipil, Universitas Muhammadiyah Metro, Jl. Ki Hajar
Dewantara 15 A Metro, Lampung.
Machmud Rifadil Mochammad, Purwanto Era, Jaya Arman,  Prabowo  Gigih,  Sistem  Pembangkit Listrik  Tenaga  Angin  Menggunakan  Kincir Angin  Sumbu  Vertikal  untuk  Beban  Rumah Tinggal, Prodi Teknik Elektro Industri, Dept.Teknik  Elektro,  Politeknik  Elektronika Negeri Surabaya, Kampus ITS Keputih Sukolilo, Surabaya, 60111.
Rudianto  Daniel  Teguh,  Ahmadi  Nurfi,  Rancang Bangun Turbin  Angin  Savonius  200  Watt,  Vol. II,  26  November  2016,  ISSN:  2528-1666, Program  Studi  Teknik  Elektro,  Program  Studi Teknik  Mesin,  Sekolah  Tinggi  Teknologi Adisutjipto,  Jl.  Janti  Blok  R  LanudAdisutipto,
Yogyakarta.
Irsyad  Muhammad,  Penggunaan  Bentuk  Sudu Setengah  Silinder Elliptik  Untuk  Meningkatkan Efisiensi Turbin Savonius, MEKANIKA Volume  10  Nomor  2,  Maret  2012,  Jurusan
Teknik Mesin Universitas Lampung.
Latif  Melda,  Efesiensi  prototipe  Turbin  Savonius Pada  Kecepatan  Angin  Rendah,  Volume  10 nomor 3 April 2013, Jurnal Rekayasa Elektrika.
Hasan  Ola  Dwi  Sandra,  Hantoro  Ridho,  Nugroho
Gunawan,  Studi  Eksperimental  Vertical  Axis Wind  Turbine  Tipe  Savonius  dengan  Variasi Jumlah  Fin  pada  Sudu,  JURNAL  TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 2, (2013) ISSN: 2337-3539
(2301-9271  Print)  Jurusan  Teknik  Fisika, Fakultas  Teknologi  Industri,  Institut  Teknologi Sepuluh  Nopember  (ITS),  Jl.  Arief  Rahman Hakim, Surabaya 60111.