## PERANCANGAN BILAH INVERSE TAPER BERBAHAN STYROFOAM DENGAN AIRFOIL NACA 4412
Simon Petrus Sidabutar 1* , Kardiman 1 , Rosmawan Arwinda Setyaningrum 2
1 Program Studi Teknik Mesin Universitas Singaperbangsa, 2 Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Sumatera
Email: 1710631150160@student.unsika.ac.id 1* , kardiman@ft.unsika.ac.id 1 , rosmawan.13117028@student.itera.ac.id 2

## ABSTRACT
In the manufacture of wind turbines, there are several parameters that are taken into account, namely the wind  speed  in  the area  to be  installed. The wind  speed  in  Indonesia  ranges  from 3m/s  –  11m/s,  so  it  is quite  difficult  to  implement  a  macro-scale  wind  turbine  and  the  facilities  are  still  inadequate.  So  this design to make a micro-scale wind turbine that adapts to the characteristics of wind speed in Indonesia. In this design, a blade with the Inverse Tapper type is made which is a blade type with an enlarged shape to the end to get a large sweep at the end of the blade and produce a lift force that is greater than the drag force on the blade so that it can rotate the blade. In the design of this blade, material changes are also made, generally the material used in the blade is made of wood, fiber, and aluminum. In this design, a material made of styrofoam is used, this is to make the mass of the blade lighter and make the blade able to rotate at the smallest wind speed. In this design, the maximum power obtained is 553 watts at 668 rounds of blade rotations.
Keywords: airfoil, inverse blade, Cl/Cd, styrofoam.

## PENDAHULUAN
Pengembangan  dalam  potensi  sumber  bahan bakar  alternatif  yang  terbarukan  terus  dilakukan  oleh semua  kalangan  guna  menjawab  tantangan  besar  yang akan  dihadapi  umat  manusia  di  muka  bumi,  yaitu ketersediaan  energi  bahan  bakar yang semakin menipis [1].  Pentingnya  energi  terbarukan  sebagai  sumber energi dalam pembangkit listrik telah memilliki banyak sekali perkembangan dari hari ke hari di seluruh dunia. Alasan  lain  dari  perkembangan  energi  terbarukan adalah,  karena  kurangnya  sumber  daya  bahan  bakar fosil,  pemanfaatan  sumber  energi  terbarukan  telah menjadi  merata di banyak negara Banyak sekali ladang pembangkit  listrik  tenaga  angin  di  negara  Cina, Amerika, Jerman serta beberapa negara lainnya, baik di pasang di  pedesaan, di tengah laut, pegunungan  atau di tepi  laut  telah  diinvestasikan  oleh  negara  negara tersebut  [2].  Kendala  dalam  pemasangan  turbin  angin adalah pada tempat  pemasangan karna kecepatan angin dan  arah  angin  di  seluruh  wilayah  memiliki karakteristik  yang  berbeda-beda.  Diketahui  bahwa terdapat  beberapa  faktor  yang  akan  mempengaruhi kecepatan  dan  arah  angin,  energi  yang  dikumpulkan dari  ladang  pembangkit  listrik  tenaga  angin  dapat dengan  mudah  diprediksi  dan  dihitung.  Namun,  di lingkungan  kota,  kecepatan  angin  dan  arah  angin  tidak dapat  diprediksi  karena  mudah  dipimpin  dengan  cara yang  berbeda  atau  dipengaruhi  oleh  semua  jenis rintangan  seperti  gedung  pencakar  langit,  apartemen blok,  dll.  Akibatnya,  turbin  angin  ukuran  besar  tidak dapat bekerja secara efektif dan efisien [2]. Oleh karena itu,  penelitian  tentang  pembangkit  listrik  tenaga  angin telah  dilakukan  secara  aktif.  Pada  awalnya,  penelitian tentang  generator  turbin  angin  horizontal  ukuran menengah  dan  besar  menjadi  fokus  utama.  Namun karena  faktor-faktor  yang  mempengaruhi  lingkungan
seperti  kebisingan,  turbin  angin  sampai  pada kendala  sulit  dipasang  di  dekat  tempat  tinggal  dan berdampak negatif pada ekosistem, seperti pergerakan  burung.  Namun  sebaliknya  dengan turbin angin skala mikro atau kecil dapat dipasang di dekat  daerah  pemukiman  yang  berdekatan  dengan beban  listrik,  dan  penelitian  yang  relevan  telah dilakukan [3][4].
Setiap turbin angin dirancang untuk kondisi angin  tertentu  sesuai  dengan  Standar  IEC  61400-1 [5].  Dalam  standar  tersebut  mendefinisikan  angin dalam beberapa kelompok s esuai dengan kecepatan angin. Saat ini, turbin angin di bagi mejadi kelas III, II  dan  I  masing-masing  sesuai  dengan  lokasi kecepatan  angin  rendah,  sedang  dan  tinggi.  Di beberapa  negara,  turbin  angin  yang  dipasang  di lokasi  berkecepatan  angin  tinggi  (Kelas  I)  telah kehilangan  beberapa  peminat  konsumen  secara progresif  selama  beberapa  tahun  terakhir  karena lebih  banyak  yang  beralih  ke  turbin  angin  di  lokasi berkecepatan  angin  rendah  (Kelas  III). Pasar  energi angin  Asia  telah  didominasi  oleh  turbin  angin kecepatan  angin  rendah  selama  dekade  terakhir terutama  karena  di  beberapa  negara,  angin berkualitas  rendah  lebih  banyak  seperti  di  negara India  dan  Cina  [6].  Ada  sejumlah  literatur  tentang turbin  angin  kecepatan  angin  rendah,  terutama berfokus  pada:  sumber  daya  angin  rendah  dan kinerja  aerodinamis  pada  bilah  [7].  Secara  umum, rotor  turbin  angin  yang  dirancang  untuk  daerah dengan  kecepatan  angin  rendah  lebih  banyak menggunakan  bilah  yang  lebih  panjang,  yang bertujuan  untuk  memperoleh  lebih  banyak  tenaga angin  dan  mengurangi  biaya.  Biaya  diameter  rotor yang  lebih  besar  serta  tinggi  menara  yang  lebih tinggi  memiliki  dampak  pada  total  biaya  sistem
turbin  angin.  Dengan  beban  tambahan  yang  bekerja  di puncak  Menara karena  peningkatan  daya  dorong  saat meningkatkan  panjang  bilah  dan  tinggi  hub  untuk menarik  lebih  banyak  tenaga  angin,  biaya  modal  awal turbin  angin  juga  akan  meningkat.  Dengan  demikian, desain  optimasi  turbin angin  harus mengimbangi tinggi hub  dan  diameter  rotor,  terutama  di  lokasi  kecepatan angin  rendah  [8].  Ada  beberapa  material  yang digunakan  dalam  pembuatan  bilah  seperti,  bahan Styrofoam,kayu  balsa  ataupun  fiberglass,Styrofoam digunakan  dalam  percobaan  ini,  pemilihan  bahan  yang digunakan terinspirasi dari pemakaian untuk pembuatan pesawat RC. Hal ini dikarenakan styrofoam merupakan bahan  yang  tangguh,  ringan  dan  murah.  Kelebihan inilah  yang  membuat  bahan  styrofoam  yang  digunakan [9].  Styrofoam  atau  plastik  busa  merupakan  salah  satu jenis  plastik  dari  sekian  banyak  bahan  lainnya. Styrofoam biasanya digunakan sebagai bahan pelindung dan penahan getaran barang-barang yang mudah pecah, seperti elektronik [10].
Melihat permasalah tersebut,  kami  merancang bilah  turbin  angin  yang  dapat  berputar  pada  kecepatan angin  rendah,  namun  dengan  biaya  yang  lebih ekonomis.  Bilah  yang  kami  rancang  merupakan  bilah dengan  tipe  inverse  tapper  yang  menggunakan  bahan Styrofoam, pemilihan bahan tersebut untuk mengurangi massa  pada  bilah  agar  dapat  berputar  dalam  kecepatan angin  rendah.  Pemilihan  bahan  juga  di  pilih  karna dengan  pembuatan  secara  masal,  bilah  ini  dapat  di produksi  dengan  biaya  yang  murah  serta  dapat  di produksi  dalam  jumlah  yang  banyak  dengan  waktu yang lebih optimal.

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  meliputi  perancangan  dan simulasi,  keduanya  dilakukan  pada  PT.  Lentera  Bumi Nusantara, Tasikmalaya pada bulan Maret 2021 -  April 2021.  Peralatan  dan  bahan  yang  diperlukan  untuk penelitian ini adalah:
• Laptop Asus X454Y
• Aplikasi CAD drawing
• Microsoft excel
• Q Blade V0,963
Prosedur perancangan
1. Menentukan  jenis  bilah  yang  digunakan  sesuai kecepatan angin di PT.Lentera Bumi Nusantara
2. Menentukan jenis Airfoil pada Bilah
3. Perhitungan  parameter  perancangan  bilah  pada aplikasi microsoft excel
4. Perancangan  bilah  menggunakan  aplikasi Qblade V0.963
5. Input  jenis  Airfoil  yang  di  gunakan  pada  aplikasi Qblade V0.963
6. Input  data  perhitungan  parameter  bilah  yang  sudah di dapat
7. Membuat  desain 2D dan 3D bilah  pada  aplikasi Solidwork 2016
8. Pemilihan material bilah
9. Simulasi statis pada bilah yang sudah didesain pada aplikasi Solidwork 2016
10. Menyimpulkan  hasil  akhir  yang  di  dapat  dari pengolahan data.
A. Perancangan bilah
Gambar 1. Blok Diagram Perancangan Bilah
Blok  diagram  pada  Gambar  1  menjelaskan mengenai  perancangan  dalam  pembuatan  bilah secara umum, metodologi perancangan ini menggunakan  software Qblade  0,963 sebagai software simulasi  untuk  mengetahui  nilai Cl/Cd yang terbaik bagi bilah yang akan di rancang, dalam tahap itu kita akan membandingkan beberapa airfoil untuk  dapat  memilih airfoil yang  akan  digunakan, baru  setelah  mendapatkan  nilai Cl/Cd yang  sesuai dengan  yang  diingikan,  kemudian  kita  akan membuat design  3D bilah  pada software  solidwork 2016 .  Dalam  perancangan  ini,  ditentukan  nilai-nilai parameter  awal  dalam  perancangan  dengan  Tabel  1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Penentuan parameter kapasitas daya serta efesiensi subsistem dalam turbin angin.
Kapasitas daya listrik Efisiensi Bilah Generator Controller Sistem We K Watt % % % % 250 0,3 0,8 0,8 0,1920
Dari  Tabel  1  dan  2  didapat  nilai-nilai parameter  awal  untuk  perancangan  bilah  dan  nilai nilai  yang  kita tentukan  dapat  dilihat  dengan  warna kuning, serta untuk niai yang berwarna putih didapat melalui perhitungan.
Tabel 2. Perhitungan nilai daya angin, kecepatan angin, luas sapuan dan jari-jari bilah.
Daya angin Kecepatan angin maksimal Luas sapuan bilah Jari-jari Wa Vmax A R m/s m ^2- Meter 130208 12 125 0,60

## B. Manufacture Bilah
Gambar 2. Blok Diagram Manufaktur Bilah
Pada  Gambar  2  dapat  ditunjukkan  blok  diagram  dari manufaktur  bilah,  yang  merupakan  proses    pembuatan bilah hingga bisa dilakukan pengujian.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Perancangan Bilah Styrofoam
Dari  perancangan  dilakukan  perhitungan  setiap elemen pada bilah ditunjukkan pada Tabel 3.
Dari  hasil  perhitungan  pada  Tabel  3  bisa  dibuat desain  3D  dari  bilah  dengan  menggunakan  nilai parameter-parameter  tersebut,  lalu  menentukan  titik koordinat  pembuatan  bilah  dengan  menggunakan software SolidWork.
Tabel  3.  Hasil  Perhitungan  Parameter  Pada  Setiap Elemen Bilah
B. Desain Bilah dengan menggunakan Software SolidWork
Gambar 3. Desain Bilah Inverse Tapper Berbahan Styrofoam Gambar 3 merupakan desain dengan menggunakan Software  SolidWork yang  diinput dengan  memasukan  titik  koordinat  dan  kemudian kita  sesuaikan  derajat airfoil agar  terbentuk  desain tersebut.  Selanjutnya,  simulasi  rotor  menggunakan metode  BEM  ( Blade   Element   Momentum) dengan aplkasi Q-Blade  v0.963 disimulasikan  untuk menghasilkan grafik pengaruh Coefficient Performa (Cp) terhadap Tip Speed Ratio (TSR ), serta Daya (P) yang    didapatkan    terhadap    kecepatan    angin    (V) serta  beberapa  grafik  perbandingan.  Pada  simulasi diharapkan  daya  yang  di  hasilkan  dapat  lebih  besar dari  daya  yang  mampu  dihasilkan  oleh  generator. Gambar 4 adalah kurva Cl terhadap alpha.
Gambar 4. Grafik perbandingan C l /C D terhadap nilai alpha pada Q-blade 0,963
Kurva grafik yang ditunjukan pada Gambar 4 ditunjukkan  bahwa  nilai Cl/Cd terhadap  alpha tertinggi  adalah  111  pada  sudut  serang  5º.  Kondisi sudut  serang  5º  membuat  sirkulasi  udara  lebih banyak  mengalir  pada  permukaan  bawah  bilah, sebagai  akibatnya gaya yang dihasilkan lebih besar.
Nilai Cl/Cd yang  kecil  disebabkan  area  sayap  yang terkena  udara  lebih  kecil.  Sudut  serang  di  bawah  0º menghasilkan  sirkulasi  udara  lebih  sedikit  yang mengalir  melalui  permukaan  bawah  bilah.  Kondisi  ini membuat gaya angkat semakin kecil.  Grafik alpha - CL menampilkan    kurva  yang  menyusut  setelah  sudut serang  5º  hal  itu  menunjukan stall.  Stall merupakan keadaan airfoil yang  tidak  dapat  dialiri  udara  dengan baik. Stall diakibatkan  oleh  sudut  serang  sayap  yang terlalu  tinggi  [11].  Kemudian  dicoba  simulasi  rotor menggunakan metode BEM (Blade Element Momentum )meggunakan  aplikasi Q-Blade  v0.963 . Parameter    yang    digunakan  yaitu    jumlah   perulangan sebanyak    1000    perulangan,  denitas  udara  sebesar 1,225 Kg/m3,dan viskositas dinamik sebear 1,647 x 10- 5  Ns/m 2 .  Berdasarkan  simulasi    didapat  kurva Torque dibanding Tip    Speed    Ratio (TSR)  terdapat    pada Gambar  4 menurut hasil simulasi bilah.
Gambar 5. Grafik perbandingan Torque terhadap nilai TSR pada Q-blade
Kurva  grafik  yang  ditunjukan  pada  Gambar  5 didapat  nilai  torsi  tertinggi  bilah  berada  pada TSR 2.5 Tip  speed  ratio (TSR)  merupakan  perbandingan kecepatan  angin  dengan  kecepatan  ujung  sudu.  Oleh karena  itu  untuk  menghasilkan  sebuah  turbin  angin selaku  pembangkit  listrik  diperlukan  sebuah  turbin angin  yang  mempunyai  torsi  yang  besar  sehingga  bisa menahan  beban  berat  yang  disebabkan  oleh  generator dengan  rpm  yang  besar  agar  bisa  mendapatkan  daya yang besar juga.
Gambar 6. Grafik perbandingan Power terhadap RPM pada Qblade 0,963
Kurva  grafik  yang  ditunjukan  pada  Gambar  6 dapat  dilihat  pada  kecepatan  putar  sebesar  668  rpm didapatkan daya sebesar 553 watt yang merupakan daya maksimum  yang  dapat  di  hasilkan  oleh  bilah.  Daya
minimun  dari  bilah  ini  sebesar  104  watt  pada kecepatan  putar  sebesar  191.  Pada  data  ini  dapat di lihat  bahwa  bilah  ini  membutuhkan  kecepatan  awal yang  kecil  untuk  dapat  menghasilkan  daya.  Jenis bilah inverse ini  merupakan  tipe  bilah  yang  cocok digunakan  pada  kecepatan  angin  rendah,  namun rawan pada keadaan badai karna mudah cracking . Hasil  simulasi  didapatkan  bahwa  bilah styrofoam dengan NACA 4412 memerlukan kecepatan mula yang kecil guna  memutar bilah  dan dapat  diterapkan  agar  mampu  mengonversi  energi angin  yang  rendah  menjadi  energi  istrik.  Pada perancangan  ini  juga  dilakukan  uji  bending  atau disebut juga bending test yang merupakan salah satu bentuk  pengujian  untuk  menentukan  mutu  suatu material  secara  visual.  Selain  itu  uji  bending digunakan untuk mengukur kekuatan material akibat pembebanan.
Gambar 7. Simulasi Bending Pada Blade
Pada  uji  bending  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  7  didapatkan  hasil  bahwa  besar  strain maksimum  adalah  4.729  x  10 -2 mm  dengan  posisi strain  maksimum  terdapat  pada  ujung  bilah styrofoam .  Dikarenakan  bagian  tersebut  mendapat terpaan  angin  paling  besar  karena  luas  permukaan bilah dibagian pangkal paling besar.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian terkait  perancangan ini dapat disimpulkan sebagai berikut.
1. Bilah inverse tapper berbahan  ini  merupakan tipe  bilah  yang  cocok  diterapkan  pada kecepatan  angin  rendah  karena  bentuk  dan massa bilah yang kecil.
2. Bilah  yang  dirancang  mampu  menghasilkan daya  maksimum  sebesar  553  watt  dengan kecepatan putar sebesar 668 putaran.
3. Dalam pembuatan turbin angin dibutuhkan torsi yang  besar  sehingga  bisa  menahan  beban  berat yang  disebabkan  oleh  generator  dengan  Rpm yang  besar  agar  bisa  mendapatkan  daya  yang besar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] S. O. Gultom. 2018 Mikroalga: Sumber Energi Terbarukan  Masa  Depan. Jurnal  Kelautan. 11 (1) pp. 95-103.
[2] D.  Nongdhar  dan  B.  Goswami.  2018.  Design of  Micro  Wind  Turbine  for  Low  Wind  Speed
Area : A Review. ADBU Journal of Electrical and Electronics Engineering (AJEEE). 2 (1) pp. 36-41.
[3] J.  Lee,  K.  Lee  dan  B.  Kim.  2016.  Aerodynamic optimal blade design and prformance analysis of 3 MW  wind  turbine  blade  with  AEP  enchancement for low wind speed sites,” J. Rnew Sustain Energy.
8. pp. 1-12.
[4] R. H. Barnes , E. Morozov dan K. Shankar. 2016. Structural  optimisation  of  composite  wind  turbine blade  structures  with  variations  of  internal geometry  configuration. Compos  Struct. 152.  pp. 158-167.
[5] I.  E.  C.  I.  61400-1.  2005. Wind  Turbines  Part  1 :
Design Requirements ; International Electrotechnical Commission. Geneva,
Switzerland.
[6] V.  Cristina,  T.  Thomas  dan  V.  Anahí.  2016.  JRC Wind  Energy  Status  Report—2016  Edition Market,  Technology  and  Regulatory  Aspects  of Wind  Energy,”  Office  of  the  European  Union, Luxembourg.
[7] J.  Lee,  K.  Lee  dan  B.  Kim.  2016  Aerodynamic optimal  blade  design  and  performance  analysis  of 3 MW wind turbine blade with AEP enhancement for  low-wind-speed-sites. J.  Renew.  Sustain.
Energy. 8. pp. 1–12.
[8] B. G. Deibanehbok Nongdhar. 2018. Design of Micro  Wind  Turbine  for  Low  Wind  Speed Areas: A Review. ADBU Journal of Electrical and  Electronics  Engineering  (AJEEE), vol.  2, no. 1, pp. 36-41.
[9] I.  I.  Maulida  Ningsih  S.  2012.  Analisa Kekuatan Material Expanded Polyolefin (EPO) Foam pada Pesawat Aeromodelling melalui Uji Tarik dan Impak. Jurnal e-Dinamis, vol. 1, no. 1, pp. 55-56.
[10] D.  Setiyawan,  S.  M.  B.  Respati  dan  M. Dzulfikar.  2020.  Analisa  Kekuatan  Komposit Sandwich Karbon Fiber dengan Core
Styrofoam  sebagai  Material  pada  Model
Pesawat  Tanpa  Awak  (Uji  Tarik  dan  Uji Bending). Momentum. 16 (1) pp. 1-5.
[11] I.  Hanif,  G.  Jatisukamto,  dan  A.  A.  An  Nafi. 2017. Pengaruh Sudut Tekuk (CANT) Winglet menggunakan  Airfoil  NACA  2215  pada Aerodinamika Sayap Pesawat. Jurnal ROTOR. 11 (Edisi Khusus) ( 3), pp. 41-45.