## PISTON Journal of Technical Engineering:
Pengaruh Jumlah Sudu Turbin Angin Savonius Terhadap Unjuk Kerja Generator ( Single Phase )
Magnet Permanen NdFeB
Anggito P. Tetuko 1 , Candra Kurniawan 1,2 , Sunardi 2 , Ahmad Wahid 2 dan Perdamean Sebayang 1,2, *
1 Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Gd. 440 Kawasan PUSPIPTEK, Tangerang Selatan, Indonesia
2 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Pamulang, Jl. Surya Kencana No. 1, Tangerang Selatan, Indonesia
E-mail: *sebayang.perdamean@gmail.com
Masuk : 22 Agustus 2017 Direvisi : 7 September 2017  Disetujui : 20 September 2017
Abstrak: Telah berhasil dibuat disain dan konstruksi turbin angin savoniuspada  generator ( single phase )magnet permanen NdFeB.  Variasi  jumlah  sudu  turbin  masing-masing  dibuat  sebanyak  4,  8  dan  16  buah,  dengan  sumber  fluida(angin) yangberasaldari  turbo  fan  (220V/50Hz  –  98W).  Pada  penelitian  ini  akan  dilihat  korelasi  antara  kecepaatan  angin  terhadap kecepatan  putar  generator,  output  tegangaan  tanpa  dan  dengan  beban  lampu LED 5W,  arus  listrik  dan  daya  listrik  yang dihasilkan generator tersebut. Hasil unjuk kerjagenerator ( single phase )magnet permanen NdFeBterhadap pengaruh jumlah sudu  turbin  relatif  linier,  baik  terhadap  kecepatan  putar  generator,  output  tegangan,  arus  dan  daya  listrik.  Korelasi  ini menunjukkan  bahwa  kondisi  optimum  diperoleh  pada  kecepatan  angin  6,5  m/s  dan  jumlah  sudu  turbin  sebanyak  16  buah, masing-masing  menghasilkan  kecepatan  putar  generator,  output  tegangan  tanpa  dan  dengan  beban,  arus  dan  daya  listrik adalah  120rpm,  44,3V,  109,8V,  100mA  dan  4W.  Generator  ( single  phase )magnet  permanen  NdFeByang  dihasilkan  dapat digunakan sebagai lampu darurat terutama pada jalan tol.
Kata kunci: sudu turbin, magnet NdFeB, generator single phase , kecepatan angin, daya listrik
Abstract: The wind turbine(Savonius type)-generator(single phase) permanent magnet (NdFeB) systemhave been desained, constructed and tested. The variation of the blades used  were 4, 8, and 16 respectively, where the fluid (wind) was blown from  a  turbo  fan    (220V/50Hz  –  98W).  In  this  research,  the  correlations  between  the  wind  velocity  as  a  function  of  the generator’s angular speed, output voltage (with and without the use of LED lamp: 5W), the current and the power produced by the generator were analysed. The performances of the permanent magnet generator system suggested linears trend in the angular speed, the output voltage, the current and the power produced. The correlations show that the optimum condition can be achieved at the wind velocity of 6,5 m/s with 16 blades that generates the angular speed, the ouput voltage (with and without  led  lamp,)  the  current  and  the  power:  120rpm,  44,3V,  109,8V,  100mA  and  4W,  respectively.  The  single  phase permanent magnet (NdFeB) generator can be used as an emergency lamp, particularly on the highway road.
Keywords: turbine blade, NdFeB magnet, single phase generator, wind velocity, electric power

## PENDAHULUAN
Pembangkit listrikdi Indonesia umumnya masih menggunakan bahan bakar fosil, seperti: PLTU, PLTG dan PLTGU. Untuk  mengurangi penggunaan bahan bakar fosil  tersebut  maka  dibutuhkan  sumber energi alternatif, seperti  energi  baru  dan  terbarukan  sebagai  penghasil  listrik  [1].  Pemanfaatan  energi  air  dan  angin  dalam pembangkitan energi listrik telah banyak dilakukan baik dalam skala besar maupun dalam skala mikro/piko [1]. Indonesia memilikpotensi air dan angin yang cukup besar terkait dengan bidang energi, dapat dipasang di pulau- pulau  kecil  dan  terluar  di  Indonesia.  Khususnya  energi  angin,  kecepatan  angin  yang  tidak  stabil  dan  berubah-
ubah memerlukan batere atau media penyimpanan lainnya.  Prinsip dari pembangkit listrik tenaga angin adalah mengubah  energi  kinetik  dari  sudu-sudu  turbin  yang  berputar  akibat  kecepatan  angin  sehingga  memutar generator  dan  menghasilkan  listrik  [2].  Dalam  rangka  memanfaatkan  potensi  angin  ini  maka  perlu  dibuat desaindan konstruksi turbin angin, salah satu desainnya adalah tipe Savonius yang mampu menghasilkan energi listrik yang lebih optimal [3, 5-6]. Salah satu yang mempengaruhi kinerja generator single phase adalah jumlah sudu turbin. Pada penelitian ini akan dilakukan  rancang bangun dan ekperimen  tentang  pengaruh jumlah sudu turbin  4,  8,  dan  16  buah  terhadap  kinerja generator  single  phase dengan  menggunakan  magnet  permanen NdFeB. Contoh model turbin angin Savonius Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) diperlihatkan pada Gambar 1 [3,4].
Gambar 1. a). Model turbin angin Savonius b). Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) [3,4].
Rotor merupakan komponen utama dari generator dimana didalamnya terdapat susunan magnet permanen. Magnet  permanen  yang  akan  digunakan  dapat  berupa  barium  heksaferite  atau bonded NdFeB,  biasanya digunakan  sebagai  material  rotor  agar  beratnya  menjadi  lebih  ringan  [7-10].  Sedangkan  stator  terdiri  dari susunan lilitan koil berbahan tembaga/material lainnya bersifat konduktor dan merupakan komponen generator yang  statis  (kebalikan  dari  rotor).  Susunan  koil  tersebut  dicetak  juga  menggunakan  material  resin  atau  epoksi. Contoh rotor dan stator yang biasanya digunakan dalam sistem generator diperlihatkan pada Gambar 2 [11-15].
Gambar 2. Sistem generator yang dikembangkan oleh Pusat Penelitian Fisika-LIPI. a). Rotor dan b). Stator [10-14]

## METODOLOGI
Disain dan skematik pengujian turbin angin savonius dan generator listrik ( single phase ) magnet permanen (NdFeB) yang digunakan pada penelitian ini diperlihatkan pada Gambar 3. Turbin angin tersebut dibuat dengan spesifikasi sebagai berikut: bahan sudu turbin terbuat dari pipa paralon dengan diameter 10 cm, panjang 50 cm (Gambar 4). Jumlah sudu turbin masing-masing dibuat 4, 8 dan 16 buah yang merupakan parameter penelitian, sedangkan  besaran  lainnya  dibuat  tetap.  Beban  kerja  pada  generator  listrik  ( single  phase )  magnet  permanen (NdFeB)  adalah  lampu LED 5W.  Untuk  pengukuran  kecepatan  angin  digunakan anemometer dan  pengukuran kecepatan putar generator listrik single phase diukur dengan tachometer . Pengukuran output tegangan generator listrik single phase tanpa dan dengan beban lampu LED 5 W serta arus listrik dilakukan dengan menggunakan multimeter .
a
b a b
Gambar 3. a). Disain dan skematik turbin angin savonius dan b). Generator listrik ( single phase ) magnet permanen (NdFeB).
Gambar 4. a). Konstruksi turbin angin savonius dan b). Generator listrik ( single phase ) magnet permanen (NdFeB).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  Gambar  5,  menunjukkan  bahwa  korelasi  antara  kecepatan  angin  terhadap  kecepatan  putar  dari generator adalah berbanding lurus. Artinya semakin besar angin yang diterima sudu turbin maka kecepatan putar generator  listrik  juga  cenderung  meningkat.  Demikian  pula  halnya  semakin  banyak  jumlah  sudu  turbin  yang digunakan  maka  semakin    besar  volume  udara  yang  diterima  oleh  sudu  turbin  tersebut,  akibatnya  kecepatan putar generator juga akan semakin tinggi. Pada jumlah sudu turbin sebanyak 4 buah memenuhi persamaan garis Y = 4,47X + 60,87, sedangkan pada jumlah sudu turbin sebanyak 8 buah memenuhi persamaan garis, Y = 1,62X +  84,1  dan  pada  jumlah  sudu  turbin  sebanyak  16  buah  memenuhi  persamaan  garis,  Y  =  4,61X  +  80,37.  Dari persamaan di atas dimana Y = kecepatan putar generator listrik dan X adalah kecepatan angin. Apabila dilihat dari kurva di atas menunjukkan adanya pola yang hampir sama antara jumlah sudu turbin 4 dan 16 buah, dengan slope (m)  sebesar  4,4  dan  4,6.  Berbeda  pada  jumlah  sudu  turbin  8  buah,  dimana slope yang  diperoleh  relatif landai dengan m = 1,62.
Pada  penelitian  sebelumnya,  Loganathan, et.al ,  2017  [16]  diperoleh  kecepatan  putar  maksimum  220  rpm pada  kecepatan  angin  8,5  m/s  dengan  8  sudu  turbin  (diameter  8  cm  dan  panjang  16  cm).  Sedangkan  pada penelitian ini pada kondisi jumlah sudu turbin  yang sama (8 buah), kecepatan putar  yang dihasilkan  mencapai 105  rpm  pada  kecepatan  angin  yang  lebih  kecil:  6,5  m/s  dengan  dimensi  sudu  turbin  (diameter  10  cm  dan panjang 50 cm).
tachometer
multimeter
arah angin
cincin pipih ( end plate ) rotor dan stator turbin
kipas angin
sudu turbin poros turbin a b a b
Dari Gambar 6, diperlihatkan bahwa hubungan antara kecepatan angin terhadap output tegangan generator fluks aksial tanpa beban adalah berbanding lurus. Kurva yang dihasilkan masing-masing 4, 8, dan 16 sudu turbin memenuhi persamaan  sebagai berikut: V = 1,5X + 26, V = 1,34X + 30,8 dan V = 2,66X + 26,7, dimana V  = output tegangan  generator dan X = kecepatan angin.  Apabila dilihat dari hasil slope (m) yang diperoleh untuk jumlah sudu turbin 4 dan 8 buah memiliki tren yang sama, berbeda dengan jumlah sudu turbin 16 buah. Akan tetapi apabila dilihat dari nilai slope untuk jumlah sudu turbin 8 dan 16 buah memiliki kelipatan 2, artinya ada korelasi tertentu atau tetap dan hal ini berbeda dengan 4 buah sudu turbin Savonius.
Pada  Gambar  7,  ditunjukkan  korelasi  antara  kecepatan  angin  terhadap  output  tegangan  generator  fluks aksial dengan beban lampu LED 5 W. Korelasi ini juga menunjukkan hubungan liner dari masing-masing 4, 8, dan 16 sudu turbin yang memenuhi persamaan garis sebagai berikut: V = 4,47X + 61, V = 1,62X + 84 dan V = 4,61X + 80,4, dimana V = output tegangan generator dengan beban lampu LED 5W dan X = kecepatan angin. Apabila dilihat dari hasil slope (m) yang diperoleh untuk jumlah sudu turbin 4 dan 16 buah memiliki tren yang sama, yaitu dengan nilai m = 4,47 dan 4,61. Sedangkan pada 8 sudu turbin menghasilkan nilai m = 1,62, artinya relatif lebih landai.
89.7 93.0 95.2 96.4 97.5 99.5 101.5 105.4 100.2 105.4 115.5 120 80 95 110 125 3 4 5 6 7 K e cepa ta n p u ta r (R PM ) Kecepatan angin (m/s) 4 Sudu Turbin 8 Sudu Turbin 16 Sudu Turbin
31.0 33.0 34.5 35.5 35.1 37.4 38.2 39.3 36.5 38.0 41.2 44.3 30 35 40 45 3 4 5 6 7 Ou tp ut T eg ang an , V AC (v ol t) Kecepatan angin (m/s) 4 Sudu Turbin 8 Sudu Turbin 16 Sudu Turbin
Gambar 5. Korelasi antara kecepatan angin terhadap kecepatan putardari Generator fluks aksial.
Gambar 6. Korelasi antara kecepatan angin terhadap output tegangan dari Generator fluks axial tanpa beban.
Y = 4,61X + 80,4 Y = 1,62X + 84,1 Y = 4,47X + 60,9 V = 2,66X + 26,7 V = 1,34X + 30,8
V = 1,5X + 26
Pada Gambar 8, ditunjukkan korelasi antara kecepatan angin terhadap arus listrik dari generator fluks aksial dengan beban lampu LED 5W. Korelasi ini juga menunjukkan korelasi linier dari masing-masing 4, 8, dan 16 sudu turbin yang memenuhi persamaan garis sebagai berikut: I = 0,01X –0,015, I = 0,006X + 0,03 dan I = 0,01X + 0,034, dimana I = arus listrik dari generator dengan beban lampu LED 5 W dan X = kecepatan angin. Apabila dilihat  dari  hasil slope (m)  yang  diperoleh  untuk  jumlah  sudu  turbin  4  dan  16  buah  memiliki  tren  yang  sama, yaitu dengan nilai m = 0,01. Sedangkan pada 8 sudu turbin menghasilkan nilai m = 0,006, artinya relatif lebih landai.
Pada  Gambar  9,  ditunnjukkan  korelasi  antara  kecepatan  angin  terhadap  daya  listrik  dari  generator  fluks aksial dengan beban lampu LED 5 W. Korelasi ini juga menunjukkan hubungan liner dari masing-masing 4, 8, dan 16 sudu turbin yang memenuhi persamaan garis sebagai berikut: P =0.342X -0.675, P = 0.268X + 0.635 dan P  =  0.51X  +  0.7,  dimana  P  =  daya  listrik  yang  dihasilkan  generator  dengan  beban  lampu  LED  5  W  dan  X  = kecepatan angin. Apabila dilihat dari nilai slope (m) yang diperoleh untuk jumlah sudu turbin 4, 8, dan 16 buah memiliki tren yang berbeda, yaitu maasing-masing dengan nilai m = 0,342; 0,268; dan 0,51.
76.8 81.3 84.0 90.8 90.3 91.0 92.2 95.3 97.3 99.0 107.6 109.8 60 80 100 120 3 4 5 6 7 Ou tp ut T eg ang an , V AC (v ol t) Kecepatan angin (m/s) 4 Sudu Turbin 8 Sudu Turbin 16 Sudu Turbin
0.02 0.03 0.04 0.05 0.05 0.06 0.06 0.07 0.07 0.08 0.09 0.10 0.00 0.04 0.08 0.12 3 4 5 6 7 A ru s, I (a m p e re ) Kecepatan angin (m/s) 4 Sududu Turbin 8 Sudu Turbin 16 Sudu Turbin
Gambar 7. Korelasi antara kecepatan angin terhadap output tegangan Generator fluks axial dengan beban lampu LED 5 W.
Gambar 8. Korelasi antara kecepatan angin terhadap arus listrik Generator fluks axial dengan beban lampu LED 5 W.
V = 4,47X + 61 V = 1,62X + 84 V = 4,61X + 80,4 I = 0,01X–0,015 I = 0,006X+0,03 I = 0,01X+0,035
Hasil  penelitian  ini  menunjukkan  kinerja  yang  lebih  baik  karena  daya  listrik  yang  dihasilkan  dapat mencapai  4  W  dengan  16  sudu  turbin  (diameter  10  cm  dan  panjang  50  cm)  pada  kecepatan  angin  6,5  m/s. Dimana  pada  penelitian  sebelumnya  oleh  Loganathan, et.al ,  2017[16],  diperoleh  daya  listrik  yang  lebih  kecil, yaitu 1,5 W dengan kondisi 8 sudu turbin (diameter 8 cm dan panjang 16 cm) serta kecepatan angin 8,5 m/s. Hal tersebut  menunjukkan  bahwa  parameter-parameter  pada  sistem  sudu  turbin  angin-generator  adalah scalable factor .  Perbesaran  dimensi  sudu  (diameter  dan  panjang)  akan  berpengaruh  pada  besarnya  energi  kinetik  dari angin  yang  diterima  sudu  turbin.  Dengan  demikian  kecepatan  angin  dan  bentuk  sudu  turbin  berdampak  pada putaran generator untuk menghasilkan tegangan luaran dan daya listrik yang dihasilkan.

## KESIMPULAN
Telah berhasil dibuat disain dan konstruksi generator magnet permanen NdFeB single phase dengan jumlah sudu  turbin  angin  savonius  masing-masing  sebanyak  4,  8,  dan  16  buah . Hasil  unjuk  kerja  generator  magnet permanen NdFeB single phase terhadap pengaruh jumlah sudu turbin relatif linier baik terhadap kecepatan putar generator,  output  tegangan,  arus  dan  daya  listrik  yang  dihasilkan.  Korelasi  ini  menunjukkan  bahwa  kondisi optimum  diperoleh  pada  kecepatan  angin  6,5  m/s  dan  jumlah  sudu  turbin  sebanyak  16  buah,  masing-masing menghasilkan kecepatan putar generator, output tegangan tanpa dan dengan beban, arus dan daya listrik adalah 120 rpm; 44,3 V; 109,8 V; 100 mA dan 4 W. Generator magnet permanen NdFeB single phase yang dihasilkan ini dapat digunakan sebagai lampu darurat di jalan tol, terutama pada daerah tikungan dan licin.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Daryanto  Y  2007 Kajian  Potensi  Angin  Untuk  Pembangkit  Listrik  Tenaga  Bayu (Balai  PPTAGG-UPT- LAGG)
[2]  Gieras J F, Wang R J dan Kamper M J 2008 Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines, 2nd ed. (Springer)
[3]  SahaUK dan RajkumarMJ 2006 Renewable Energy 31 1776
[4]  Loganathan B,  Mustary I, Chowdhury H dan Alam F  2017 Energy Procedia 110 555
[5]  Mohamed  Hassan  Ahmed  Mohamed  2011 Design  Optimization  of  Savonius  and  Wells  Turbines Dissertation, University of Magdeburg
[6]  Davila-Vilchis J M dan Mishr R S 2014 Energy 65 631 [7]  Muljadi, Sardjono P dan Suprapedi 2015 Energy Procedia 68 282 [8]  Gargov N P, Zobaa A F dan Pisica I 2014 Electric Power Systems Research 109 63 [9]  Ahmed D dan Ahmad A 2013 Journal of Physics: Conference Series 439 012039 [10]  Feiand W dan Luk P C K. 2009 Proc. IEEE int. Eletric Machines & Drives conf. p 1 [11]  Soehada A M, Sebayang P dan Kurniawan C 2017 Piston 1 6
0.5 0.8 1.2 1.6 1.6 1.9 2.0 2.4 2.5 3.0 3.5 4.0 0 1 2 3 4 3 4 5 6 7 Da ya li str ik, P (w at t) Kecepatan angin (m/s) 4 Sudu Turbin 8 Sudu Turbin 16 Sudu Turbin
Gambar 9. Korelasi antara kecepatan angin terhadap daya listrik dari Generator fluks axial dengan beban lampu LED 5 W.
P = 0,342X–0,675 P = 0,268X+0,635 P = 0,51X+0,7
[12]  Simbolon S, Tetuko A P, Sebayang K dan Sebayang P 2017 Piston 1 1 [13]  Nurdiyansyah L F, Tetuko A P, Aryanto D dan Sebayang P 2016 Telaah 32 9
[14]  Tetuko A P, Kurniawan C dan Sebayang P 2013 Simulasi Flux Density Permanent Magnet NdFeB untuk Aplikasi Generator Listrik Prosiding Seminar Nasional Kimia Terapan Indonesia (Solo) p 85
[15]  Yanti Y, Nurdiyansah L F, Tetuko A P, Siregar M R T dan Sebayang P  2013 Rancang Bangun Generator Mini  Tipe  Aksial  Dengan  Menggunakan  Magnet  Permanen  NdFeB  dan  Kajiannya,  Seminar  dan  Focus Group Discussion (FGD) Material Maju: Magnet dan Aplikasinya.
[16]  Loganathan B, Mustary I, Chowdhury H dan Alam F  2017 Energy Procedia 110 555