Abstrak —Turbin  angin  adalah  suatu  alat  untuk mengkonversi  energi  angin  menjadi  energi  mekanik  yang kemudian  dikonversi  lagi  menjadi  energi  listrik.  Putaran pada  poros  turbin  angin  dihubungkan  pada  generator untuk menghasilkan energi listrik. Berdasarkan penelitian yang  dilakukan  sebelumnya,  banyak  jenis  turbin  angin yang  ditemukan  untuk  meningkatkan  effisiensi  dan  torsi yang  dihasilkan  salah  satu  contohnya  adalah  vertical  axis wind  turbine  (VAWT).  VAWT  merupakan  turbin  angin dengan  sumbu  vertical  atau  tegak  lurus  terhadap  tanah. Tujuan  dari  tugas  akhir  ini  adalah  mengetahui  seberapa besar pengaruh peningkatan panjang chord, jumlah blade, sudut  pitch  dari  blade  terhadap  torsi  dan  effisiensi  yang dihasilkan  oleh  VAWT  dengan  pendekatan  CFD (Computational  Fluid  Dynamic).  Analisa  yang  dilakukan untuk  melihat  efek  peningkatan  panjang  chord,  jumlah blade  dan  sudt  pitch  dari  blade.  Setelah  analisa  berakhir kita membandingkan hasil analisa dalam grafik. Hasil dari analisa  tersebut  adalah  torsi  terbesar  terdapat  pada variasi  panjang  chord  1.5  m  dengan  sudut  pitch  10o  dan jumlah blade 4 buah dengan nilai 134.9452198   Nm.
Kata  Kunci —Turbin  Angin,  VAWT,  chord,  Sudut  Pitch, CFD .

## I. PENDAHULUAN
NERGI  angin  merupakan  salah  satu  potensi  energi terbarukan  yang  dapat  memberikan  kontribusi  signifikan terhadap  kebutuhan  energi  listrik  domestik,  khususnya wilayah terpencil. Pembangkit energi angin yang biasa disebut Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB) ini bebas polusi dan sumber  energinya  yaitu  angin  tersedia  di  mana  pun,  maka pembangkit  ini  dapat  menjawab  masalah  lingkungan  hidup dan  ketersediaan  sumber  energi.  Prospek  pengembangan teknologi  ini  masih  sangat  tinggi.  Beberapa  wilayah  di Indonesia  disinyalir  dapat  berkontribusi  besar  terhadap penggunaan  pembangkit  listrik  tenaga  bayu/angin  (PLTB). PLTB  perlu  dikembangkan    terutama  daerah  pantai  atau  laut, yang    memiliki  kecepatan  angin  yang  stabil.  Energi  angin dapat  dimanfaatkan  dengan  menggunakan  kincir  angin  atau wind  turbine.  Cara  kerjanya  adalah  ketika  angin  berhembus angin  akan  menbuat  rotor  berputar  karena  efek  dari  bentuk penampang  rotor  yang  berbentuk  foil.  Kemudian  poros  rotor tersebut  tersambung  dengan  poros  generator.  Dengan
berkenbangnya teknologi, maka bentuk dari wind turbine juga berkembang.  Salah  satunya  adalah  Vertikal  Axis  Wind Turbine  (VAWT).  Dimana  keuntungan  dari  VAWT  ini  dapat menghasilkan  torsi  yang  lebih  besar  dari  pada  torsi  yang dihasilkan  oleh  konvensional  wind  turbine  dan  dapat  bekerja dengan  baik  mekipun  aliran  udara  yang  berhembus  adalah turbulen.  Tentunya  diperlukan  sistem  transmisi  untuk mentransmisikan daya dan putaran poros ke generator.  Untuk itu  akan  dilakukan  penelitaian  dalam  bentuk  skripsi  untuk mengetahui kinerja dari Vertical Axis Wind Turbine.
Permasalahan-permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini, antara lain:
1. Perancangan pembangkit listrik tenaga angin tipe VAWT yang  optimal  dengan  kecepatan  angin  di  pantai Bandealit, Jember, Indonesia.
2. Mencari  daya  yang  dihasilkan  oleh  pembangkit  listrk tenaga bayu.
Sedangkan  tujuan  dari  penelitian  ini  ialah  untuk  menjawab pertanyaan di atas.

## II. URAIAN PENELITIAN
Berikut  ini  adalah  alur  dari  kegiatan  yang  dilakukan  untuk menyelesaikan permasalahan dalam penelitian ini:

## A. Tahap Telaah
Berbagai  literatur  digunakan  dalam  menunjang  penelitian. Mulai  dari  teori  terhadap  airfoil  seperti  bentuk  profile,  tips speed ratio,gaya lift, gaya drag, solidity dan hal lainnya. Selain itu,  dicari  pula  literatur  terhadap  rumus  dan  nilai  gaya  lift, gaya drag, power dan torsi yang terjadi pada vertical axis wind turbine.

## B. Pengumpulan data
Merupakan tahap dimana mengumpulkan data seperti variasi model  dan  lain  lain.  Kemudian  didapatkan  data  sebagai berikut  :design  kecepatan  angin  3  m/s  dan  jumlah  rumah penduduk 50 rumah. Data lainnya menggunakan asumsi/variasi.  Variasi  yang  dilakukan  yaitu  pada  variasi sudut pitch blade (10°,11°), dengan panjang chord 1,5 m dan 2 m dan variasi  Jumlah blade 3 dan 4 buah.

## Analisa Bentuk Profile dan Jumlah Blade Vertical Axis Wind Turbine terhadap Putaran Rotor untuk Menghasilkan Energi Listrik
Saiful Huda dan Irfan Syarif Arief Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : irfansya@its.ac.id
E

## C. Perancangan VAWT
Merupakan  Tahap  dimana  dilakukan  perancangan  dimensi blade dari VAWT, analisa gaya,  torsi, power yang dihasilkan oleh VAWT sebelum dilakukan penggambaran model.

## D. Penggambaran Model
Pada  tahap  ini  dilakukan  penggambaran  model  blade  dari VAWT  dengan  menggunakan  software  CFD  (Computational Fluid  Dynamic).  Tahapannya  yaitu  penggambaran  blade  dari VAWT, pemberian  surface pada  model, pembuatan boundary dan pemberian nama part.

## E. CFD  Simulation
Setelah  dilakukan  penggambaran  model  berdasarkan perhitungan,  maka  diperiksa  gaya,  torsi,  efesiensi  dan  power yang  dihasilkan  oleh  VAWT  dengan  bantuan  simulasi  CFD untuk validasi perhitungan yang telah dilakukan

## F. Analysis
Setelah  model  digambar  di  software  CFD,  maka  dilakukan analisa terhadap gaya lift dan gaya drag  yang dihasilkan oleh blade VAWT yang dipengatuhi oleh bentuk profile dari blade itu  sendiri.  Disini  dicari  torsi,  efesiensi  dan  power  yang dihasilkan oleh VAWT.

## G. Pengambilan Kesimpulan
Apabila  perhitungan  dan  analisa  dapat  diterima,  maka langsung  dapat  diambil  kesimpulan  semua  analisa  tersebut diatas tentang bagaimana rancangan vertical axis wind turbine yang paling optimal.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Perhitungan Awal
Jumlah rumah penduduk berjumlah 50 rumah  yang tersebar di  dekat  pantai.  Diasumsikan  masing-masing  rumah  disuplai dengan sumber energi listrik  450 W. Sehingga  total kebuthan daya didaerah tersebut adalah 450 X 50 = 2250 W. Kemudian dilakukan perhitungan awal berdasarkan data  yang didapatkan.  Minimum  daya  yang  dapat  diekstraksi  dari  angin adalah, P mw = 800 W. Kecepatan angin minimum untuk dapat mengekstraksi  daya  tersebut  v mw (m/s)  =  2  m/s.  Untuk stabilitas , rasio diameter terhadao tinggi blade D/H = 1.2, D = 1.2 X H.
A swept = π X D X H =  1.2 X π X H 2
P mw = 0.5 X ρ udara X A swept X V 3
800 = 0.5 X 1.225 X 1.2 X π X H 2 X V 3
800 = 18.4632 x H2
Sehingga dapat dihitung,
H = (800/18.4632)0.5
H = 6.58251  m.
Sehingga diameter (D) dari VAWT dapat dihitung yaitu :
D = 1.2 X H
D = 7.899012 m. Maka dapat ditentukan bahwa tinggi dari blade, H = 6.5 m dan diameter  dari  VAWT,  D  =  8  m.  Sehingga  D/H  =  7.9/6.5  = 1.23.  Kemudian  besarnya  luasan  daerah  yang  tersapu  oleh blade dapat diketahui dengan menggunakan rumus : A swept = π X D X H A swept = 3.14 X 7.9 X 6.5 A swept = 163.28 m 2 .
Dari  data  kecepatan  angin,  dapat  diketahui  bahwa  kecepatan angin  rata-rata  adalah  3  m/s.  Maka  daya  yang  diekstraksi sebenarnya  pada  kecepatan  angin,  v  =  3  m/s  sesuai  dengan rumus 2.10 adalah :
P w =  0.5 X ρ udara X A swept X V 3
P w =  0.5 X 1.225 X 163.28 X 27 P w =  2700.243 W Kemudian diasumsikan tips speed ratio (TSR), λ = 1.6, maka Efesiensi  wind  turbine  dapat  diketahui  dengan  menggunakan rumus 2.19: η wt = 0.055λ + 0.399 η wt = (0.055 X 1.6) + 0.399
η wt = 0.487 η wt = 48.7 %
Sehingga  didapatkan  efesiensi  wind  turbine,  η wt =  48.7  %. Kemudian daya pada poros turbin, P T dapat diketahui dengan menggunakan rumus 2.13 sebagai berikut : P T = P w X η wt P T = 2700.243 X 48.7% P T = 1315.018 W.
Diasumsikan  efesiensi  generator,  ηgenerator    =  0.8.  Maka daya  elektris  yang  dihasilkan  generator  sesuai  dengan  rumus 2.14 adalah :
P elektris = P T X η generator P elektris = 1315.018 X 0.8 P elektris = 1052.015 W.
Kemudian  kecepatan  rotasi  turbin  dapat  diketahui  dengan menggunakan rumus 2.15 berikut :
ω = (λ X v/R) X (60/π ) ω = (1.6 X 3 / 4) X (60 / 3.14) ω = 11.46497 rpm.
Kemudian  besarnya  torsi  yang  dihasilkan  dapat  diketahui dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
T = P T / ω T = 1315.018 / 11.46497 T = 114.6988 Nm.
Kemudian  memeriksa  nilai  tips  speed  ratio  (TSR)  dengan menggunakan rumus 2.15 sebagai berikut : λ = ω X R X 2π / (v X 60) λ = 11.46497 X 4 X 2 X 3.14 / (3 X 60) λ = 1.6
Kemudian  dapat  dilakukan  perhitungan  panjang  chord. Besarnya  nilai  solidity  (σ  )  minimum  untuk  VAWT  adalah 0.4, maka panjang chord minimum untuk jumlah blade 3 buah dapat  diketahui  dengan  menggunakan  rumus  2.22  sebagai beikut : σ = NB X C / D 0.4 = 3 X C / 8 C = 0.4 X 8 / 3 C = 1.067 m.
Maka  dapat  diambil  nilai  untuk  panjang  chord  adalah  1.5  m dan 2 m.

## B. Perhitungan Gaya pada VAWT
Dari  simulasi  hasil  yang  didapatkan  berupa  besarnya  gaya lift  dan  gaya  drag.  Sebagai  contoh  pada  variasipanjang  chord 1.5 m,  sudut pitch 10 o , didapatkan gaya lift sebesar  130.9687 N dan gaya drag 23.3231 N. Untuk  itu besarnya koifisien lift dan koifisien drag dapat diketahui bersarkan rumus 2.1 dan 2.2 yaitu :
Koifisien lift
Koifisien Drag
Sehingga  koifisien  tangensial  dapat  dihitung  dengan menggunakan rumus 2.4 sebagai berikut :
Torsi  yang  dihasilkan  dapat  dihitung  dengan  menggunanakan rumus 2.7 berikut :
Untuk  jumlah  blade  3  buah,  torsi  rata-rata    yang  dihasilkan dapat dihitung dengan menggunanakan rumus 2.8 berikut :
101.2089 Nm.

## C. Data yang diperoleh dari hasil simulasi Variasi
Data yang diperoleh dari hasil simulasi berupa data numeric adalah  gaya  lift  dan  gaya  drag.  Perhitungan  gaya  torsi ditabulasikan pada table berikut.
Kemudian dari data tersebut dibuat grafik sebagai berikut. Grafik  perubahan  torsi  terhadap    jumlah  blade  berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 1.5 m.
Tabel 3.2 Perhitungan pada panjang chord 2 m
Tabel 3.3 Hasil Perhitungan
Gambar  3.1  Grafik  perubahan  torsi  terhadap    jumlah  blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 1.5 m.
Grafik perubahan torsi terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 2 m.
Gambar  3.2  Grafik  perubahan  torsi  terhadap  jumlah  blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 2 m.
Grafik perubahan torsi terhadap jumlah blade berddasarkan panjang chord pada sudut pitch 10 o .
Gambar  3.3  Grafik  perubahan  torsi  terhadap  jumlah  blade berddasarkan panjang chord pada sudut pitch 10 o .
Grafik perubahan torsi terhadap jumlah blade berdasarkan panjang chord pada sudut pitch 11 o .
Gambar 3.4 Grafik perubahan torsi terhadap jumlah blade berdasarkan panjang chord pada sudut pitch 11 o .
Grafik efesiensi  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 1.5 m.
Gambar 3.5 Grafik efesiensi  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 1.5 m.
Grafik efesiensi  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 2 m.
Gambar 3.6 Grafik efesiensi  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 2 m.
Grafik perubahan power elektris  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 1.5 m.
Gambar 3.7 Grafik perubahan power elektris  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 1.5 m.
Grafik perubahan power elektris  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 2 m.
Gambar 3.8 Grafik perubahan power elektris  terhadap jumlah blade berdasarkan sudut pitch pada panjang chord 2 m.

## Analisa
Dari data-data yang ditabulasikan dalam bentuk table pada sub  bab  sebelumnya,  dapat  diketahui  bahwa  rata-rata  daya yang bisa dihasilkan oleh satu turbin angin adalah 1280.5 W. Sementara  itu  dengan  jumlah  rumah  penduduk  sebanyak  50 rumah.  Dengan  asumsi  suplai  daya  pada  masing-masing rumah 450 w. Maka jumlah kebutuhan daya didaerah tersebut adalah :
Untuk  memenuhi  suplai  daya  yang  dibutuhkan  oleh  daerah tersebut diperlukan turbin angin sejumlah 19 buah.
Dari  tabel  tabulasi  data  yang  diperoleh  dari  pemodelan, dapat  dilihat  bahwa  untuk  panjang  chord  1.5  m.  Peningkatan sudut pitch menyebabkan penuruna pada besaran koifisien lift dan koifisien drag. Sehingga  terjadi penurunan pada koifisien tangensial.  Sehingga  torsi  ,torsi  rata-rata,  power  turbin  dan power  elektris  yang  dihasilkan  turbin  juga  mengalami penurunan.
Sedangkan  untuk  panjang  chord  2  m.  Peningkatan  sudut pitch  menyebabkan penurunan pada besaran  koifisien lift  dan peningkatan  pada  koifisien  drag.  Namun  terjadi  penurunan pada  koifisien  tangensial.  Sehingga  torsi  ,torsi  rata-rata  yang dihasilkan  ,  power  turbin  dan  power  elektris  yang  dihasilkan turbin juga mengalami penurunan.
Selain  itu  juga  dapat  dilihat  bahwa  pada  variasi  panjang chord 1.5 m dengan jumlah blade 4 buah dan sudut pitch 10 o torsi  yang  dihasilkan  sebesar  134.9452198  Nm,  power  turbin yang  dihasilkan  sebesar  1547.143  wat,  efesiensi  yang dihasilkan sebesar 57.29 % dan power elektris yang dihasilkan sebesar  1237.71412  wat,    lebih  besar  dibandingkan  torsi, power  turbin,  efesiensi    dan  power  elektris  yang  dihasilkan pada  variasi  panjang  chord  2  m  dengan  jumlah  blade  4  buah dan sudut pitch 10 o yaitu torsi 134.1727381 Nm, power turbin yang  dihasilkan  sebesar  1538.286  wat,  efesiensi  yang dihasilkan sebesar 56.97 % dan power elektris yang dihasilkan sebesar 1230.63 wat
Dapat disimpulkan bahwa sudut pitch untuk menghasilkan torsi  yang  optimal  didapatkan  pada  sudut  pitch  atara  10 o dan 11 o . Peningkatan sudut pitch  pada penelitian ini yaitu dari 10 o menjadi  11 o menyebabkan  penurunan  yang  besar  pada koefisien tangensisal sehingga mengakibatkan penurunan yang besar  pada  torsi  rata-rata,  power  turbin,  power  elektris  dan efesiensi  yang  dihasilkan  oleh  turbin.  Penambahan  panjang chord  pada  penelitian  ini  yaitu  dari  1.5  m  menjadi  2  m menyebabkan  penurunan  pada  koefisien  tangensial  namun tidak  terlalu  besar  sehingga  mengakibatkan  penurunan  pada torsi rata-rata, power turbin, power elektris dan efesiensi yang dihasilkan oleh turbin yang tidak terlalu besar juga.

## IV. KESIMPULAN
Dari analisa diatas, dapat disimpulkan bahwa :
1.  Untuk  memenuhi  suplai  daya  pada  daerah  penelitian dibutuhkan vertical axis wind turbine sebanyak 19 buah.
2. Torsi rata-rata terbesar terdapat pada variasi panjang chord 1.5  m  dengan  sudut  pitch  10 o dan  jumlah  blade  4  buah dengan  nilai  134.9452198      Nm,  sedangkan  torsi  rata-rata terendah  terdapat  pada  variasi  panjang  chord  2  m  dengan sudut  pitch  11 o dan  jumlah  blade  3  buah  dengan  nilai 44.57426729 Nm.
3. Efesiensi terbesar terdapat pada variasi panjang chord 1.5 m dengan  sudut  pitch  10 o dan  jumlah  blade  4  buah  dengan nilai  57.29  %,  sedangkan  efesiensi  terendah  terdapat  pada variasi  panjang  chord  2  m  dengan  sudut  pitch  11 o dan jumlah blade 3 buah dengan nilai 18.93%.
4.  Penambahan  jumlah  blade  menyebabkan  peningkatan  torsi rata-rata,  power  turbin,  power  elektris  dan  efesiensi  yang dihasilkan oleh VAWT.
5.  Penambahan  panjang  chord    memberikan  penurunan  torsi rata-rata,  power  turbin,  power  elektris  dan  efesiensi  yang dihasilkan  oleh  VAWT.  Namun  besarnya  penurunan tersebut tidak terlalu besar.
6.  Peningkatan  sudut  pitch  menyebabkan  penurunan  yang besar  pada  koefeisien  tangensial,  torsi  rata-rata,  power turbin,  power  elektris  dan  efesiensi  yang  dihasilkan  oleh VAWT.  Sudut  pitch  untuk  mendapatkan  torsi  yang  besar pada penelitian ini didapatkan pada sudut pitch 10 o. . 7.  Dapat  disimpulkan  bahwa  sudut  pitch  untuk  menghasilkan koefeisien  tangensial,  torsi  rata-rata,  power  turbin,  power elektris  dan  efesiensi  yang  optimal  didapatkan  pada  sudut pitch atara 10 o dan 11 o .

## SARAN
Saran yang dapat diberikan dari penelitian ini adalah :
1. Diperlukan  pembuatan  secara  langsung  untuk  model maupun benda nyata dari VAWT  ini guna mendapatkan nilai yang lebih valid.
2. Jumlah iterasi dan variasi diperbanyak untuk mendapatkan hasil yang maksimal.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Bapak  Irfan Syarif  Arief  ,ST.MT,selaku  dosen  pembimbing  atas  arahan dan  bimbingannya.  Terima  kasih  kepada  seluruh  pihak  yang telah  membantu baik secara  langsung  maupun tidak langsung dalam penelitian ini sehingga Penelitian ini dapat diselesakan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Miller,Steven  D, 2008.  Lift,  Drag  and  Moment  of  NACA  0015 Airfoil, Thesis.  Department  of  Aerospace  Engineering-The  Ohio State University.
[2] Andrew  Tendai,  Zhuga,  2011. Design  of  Alternative  Energy System:  A  Self-Starting  Vertical  Axis  Wind  Turbi  ne  for  Stand- Alone  Application  (charging  batteries) ,  Thesis.  Department  of Mechatronic  Engineering-School  of  Engineering  Sciences  and Technology-Chinhoyi University of Technology.
[3] Justin Carrigan, Travis, 2010. Aerodynamic Shape Optimization of A  Verical  Axis  Wind  Turbine, Disertation.  Department  Aerospace
Engineering-The University of Texas.
[4] http:// http://en.wikipedia.org/wiki/NACA_airfoil
[5] https://id.wikipedia.org/wiki/Massa_jenis
[6] Guidelines  for  Design  of  Wind  Turbines  Second  Edition .  DNV  /
Rise press, 2002. Copenhagen. Denmark.
[7] Arif  Afifudin,  Mochamad,  2010. Studi  Experimental  Performansi Vertical  Axis  Wind  Turbine  (VAWT)  Dengan  Variasi  Desain Turbin, Thesis.  Jurusan  Teknik  Fisika-Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember Surabaya.
[8] Castillo,  Javier,  2011. Small-Scale  Vertical  Axis  Wind  Turbine Design, Thesis.  Department  Aeronautical  Engineering-Tampere Univesity of Applied Sciences.