Abstrak—Penelitian  ini  dilakukan  agar  didapatkan  desain turbin  angin  terbaik  yang  mampu  memanfaatkan  tenaga  angin seoptimal  mungkin.  Metode  penelitian  yang  digunakan  adalah penelitian  numerik  dua  dimensi  dengan  analisis  aliran  unsteady menggunakan software STAR CCM+ 9.02.007-R8. Model turbin angin yang digunakan adalah turbin angin tipe Darrieus dengan profil airfoil sudu sesuai NACA 0024 dengan jumlah sudu 3 dan 4. Turbulence  model  yang  digunakan  adalah  k-epsilon  realizable. Metode meshing yang digunakan adalah automated mesh dengan tipe tetrahedral mesh. Kecepatan angin yang disimulasikan adalah sebesar  5,  7,  9,  11,  13,  dan  15  m/s.  Hasil  yang  diperoleh  dari penelitian  ini  adalah  visualisasi  kontur  kecepatan  dan  tekanan, serta data grafik berupa nilai torsi dan koefisien daya dari turbin angin  Darrieus.  Turbin  angin  Darrieus  tiga  sudu  menghasilkan koefisien  daya  yang  lebih  tinggi  daripada  turbin  angin  Darrieus empat  sudu  dalam  rentang  TSR  1,08-1,28.  Nilai  koefisien  daya tertinggi dari turbin angin Darrieus tiga sudu adalah 0,437 yang dicapai pada TSR 1,28. Namun turbin angin Darrieus empat sudu memiliki profil grafik torsi yang lebih stabil dibandingkan dengan turbin angin Darrieus tiga sudu.
Kata  Kunci—Darrieus,  Jumlah  Sudu,  Kecepatan  Angin, Koefisien Daya, Metode Komputasi Fluida.

## I. PENDAHULUAN
URBIN  angin  Darrieus  adalah  turbin  angin  jenis vertical axis wind turbine (VAWT) yang memiliki efisiensi tinggi dan  mampu  menghasilkan torsi cukup besar pada putaran dan kecepatan angin yang tinggi. Penelitian kali ini dilakukan dengan memodelkan mini turbin angin Darrieus dengan profil airfoil  simetris  sesuai  NACA  0024.  Penelitian  ini  dilakukan dengan memvariasikan jumlah sudu turbin, yaitu 3 sudu dan 4 sudu,  dan  variasi  kecepatan  angin freestream sehingga didapatkan nilai torsi dan koefisien daya yang optimal.
Pada  penelitian  [1]  telah  dilakukan  eksperimen  dan penelitian  numerik  (2D)  untuk  mengetahui  performa  dan evaluasi  aliran  pada  turbin  angin  Darrieus  aliran  rendah. Penelitian ini menghasilkan kesimpulan bahwa grafik koefisien daya vs TSR yang dihasilkan melalui penelitian numerik lebih tinggi daripada grafik yang dihasilkan oleh eksperimen karena metode penelitian numerik tidak mampu menangkap fenomena 3D yang terjadi pada turbin angin sesungguhnya.
Penelitian  selanjutnya  [2]  dilakukan  untuk  mengetahui pengaruh  jumlah  sudu  dan  panjang chord sudu  terhadap efisiensi  turbin  angin  Darrieus  tipe  melintang  dengan menggunakan  metode  numerik  (2D)  yang  menghasilkan kesimpulan  bahwa  peningkatan  koefisien  torsi  sebanding dengan  peningkatan solidity untuk  jumlah  sudu ≤ 3  dan  hal
sebaliknya terjadi untuk jumlah sudu ≥ 3.
Pada penelitian [3] dilakukan eksperimen untuk mengetahui desain  turbin  angin  Darrieus-Savonius  yang  optimum.  Dari penelitian  ini  didapat  hasil  bahwa  semakin  besar  kecepatan angin, maka energi yang dihasilkan pun semakin besar.
Penelitian [4] dilakukan untuk menganalisis hubungan antara aspect ratio pada turbin angin sumbu vertikal H-rotor dengan performanya  (koefisien  daya).  Penelitian  ini  menghasilkan kesimpulan  bahwa  turbin  angin  dengan aspect  ratio yang rendah memiliki koefisien daya yang lebih tinggi

## II. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  dilakukan  dengan  melalui  tiga  tahapan  utama, yaitu  tahap pre-processing , processing ,  dan post  processing . Tahap pre-processing mencakup  pembuatan  geometri  yang ditunjukkan  pada  gambar  1, meshing seperti  pada  gambar  2, penetapan boundary  condition seperti  yang  ditampilkan  pada gambar 3, dan penentuan parameter.
a b
Gambar. 1. Dimensi domain turbin angin Darrieus tiga sudu. (a) Dimensi s tatic domain . (b) Dimensi rotating domain .
Bentuk mesh yang  digunakan  adalah tetrahedral  mesh dengan  metode automated  mesh dan  dengan  jumlah cell sebanyak 242.256.

## Penelitian Numerik Turbin Angin Darrieus dengan Variasi Jumlah Sudu dan Kecepatan Angin
Rahmat Taufiqurrahman dan Vivien Suphandani Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : vivien_s@me.its.ac.id
T
(a) (b)
Gambar. 2. Mesh turbin angin Darrieus tiga sudu. (a) Mesh s tatic domain . (b) Mesh rotating domain .
Boundary  condition yang  digunakan  pada inlet adalah velocity  inlet dengan  nilai  kecepatan freestream yang melaluinya  yaitu  5,  7,  9,  11, 13, dan  15  m/s,  sedangkan  pada outlet digunakan flow-split outlet , pada setiap sudu dan poros digunakan wall dengan rotation motion , batas atas dan bawah sebagai symmetry plane dan pada pertemuan antar dua domain didefinisikan sebagai interface .
(a) (b)
Gambar. 3. Boundary conditions turbin angin Darrieus tiga sudu. (a) Boundary condition static domain . (b) Boundary condition rotating domain.
Fluida  kerja  pada  simulasi  ini  adalah  udara  dengan density 1,18415 kg/m 3 ( constant ) dengan dynamic viscosity 1,85508E- 5 Pa.s ( constant ). Kriteria konvergensi ditentukan pada 10E-5. Putaran  turbin  pada  kecepatan freestream 9  m/s  diadaptasi
dari  [3]  dengan  asumsi  parameter  lainnya  sama  kemudian mengekstrapolasikannya untuk kecepatan lainnya. Berdasarkan hasil  perhitungan  didapat  nilai  putaran  turbin, tip  speed  ratio dan time step untuk setiap kecepatan freestream . Tabel 1.
Nilai putaran turbin dan TSR pada tiap kecepatan angin Kecepatan Angin (m/s) Putaran Turbin (rpm) Tip Speed Ratio 5 440 1,08 7 666 1,17 9 892 1,21 11 1119 1,25 13 1345 1,27 15 1572 1,28 Tabel 2. Nilai time step pada tiap kecepatan angin v (m/s) ω (rpm) ω (rad/s) Jumlah Frame Waktu Per Putaran (s) Time Step 5 440 46,10 72 0,13631 0,00189 7 666 69,77 0,09005 0,00125 9 892 93,45 0,06724 0,00093 11 1119 117,23 0,05360 0,00074 13 1345 140,90 0,04459 0,00062 15 1572 164,69 0,03815 0,00053
Adapun geometri, mesh , boundary conditions , dan parameter yang  digunakan  pada  turbin  angin  Darrieus  empat  sudu mengikuti  spesifikasi  yang  digunakan  pada  turbin  angin Darrieus tiga sudu.

## III. HASIL DAN DISKUSI

## A. Kontur Kecepatan
Gambar  4  menunjukkan  kontur  kecepatan  turbin  angin Darrieus tiga sudu pada berbagai sudut putar dengan kecepatan angin  15  m/s.  Pada  gambar  6  dan  7  dapat  dilihat  bahwa kecepatan  putar  tertinggi  turbin  angin  terjadi  saat    kecepatan angin  ( freestream )  15  m/s  karena  kenaikan  kecepatan  putar turbin  berbanding  lurus  dengan  pertambahan  kecepatan  angin yang  melalui  turbin  angin.  Pada  gambar  kontur  kecepatan tersebut  pertambahan sudut putar akan  menambah  nilai angle of attack dan mempengaruhi gaya lift yang terjadi. Ketika turbin angin mencapai sudut putar 90˚, gaya lift yang terbentuk lebih besar  daripada  posisi  sudut  putar  sebelumnya  dikarenakan perbedaan  tekanan  antara  sisi  terluar  dan  sisi  terdalam  sudu yang tegak lurus aliran freestream menjadi lebih besar daripada sudu  lainnya,  seperti  terlihat  pada  gambar  8  dan  9,  sehingga memicu  angin  mengalir  dari  tekanan  tinggi  menuju  tekanan rendah yang mengakibatkan turbin berputar dengan lebih baik. Semakin  besar  gaya lift maka  semakin  besar  pula  torsi  yang dihasilkannya.
Pada  sudut  putar  90˚  mulai  muncul vortex yang menyebabkan  penurunan  gaya  lift  pada  sudu  sehingga kecepatannya  pun  menurun.  Sudu  turbin  angin  yang  telah melalui  sudut  putar  90˚  mengalami  penurunan  kecepatan hingga  mencapai  sudut  putar  360˚  dikarenakan  adanya pengaruh dari vortex yang  terbentuk  dan  kondisi  kecepatan angin  yang  mengalir  pada  daerah downstream tidak  secepat pada  daerah upstream .  Gambar  5  menunjukkan  kontur kecepatan  turbin  angin  Darrieus  empat  sudu  pada  berbagai sudut putar dengan kecepatan angin 15 m/s dengan penjelasan fenomena yang sama dengan turbin tiga sudu, hanya saja turbin
angin  empat  sudu  memiliki  lebih  banyak  sudu  di  daerah downstream dengan kecepatan rendah.
Gambar. 4. Kontur kecepatan turbin angin Darrieus tiga sudu pada berbagai sudut putar dengan kecepatan freestream 15 m/s.
Gambar.  5.  Kontur  kecepatan  turbin  angin  Darrieus  empat  sudu  pada berbagai sudut putar dengan kecepatan freestream 15 m/s.
Turbin  angin  Darrieus  empat  sudu  memiliki  kemampuan menghasilkan gaya lift dan torsi yang lebih kecil daripada turbin angin Darrieus tiga sudu dikarenakan banyaknya sudu di daerah downstream yang  menjadi  penghambat  sudu  di  daerah upstream . Oleh  karena  itu,  kecepatan  maksimum  pada  sudu
turbin  angin  Darrieus  empat  sudu  tidak  setinggi  kecepatan maksimum  pada  sudu  turbin  angin  Darrieus  tiga  sudu, begitupun dengan koefisien daya yang dihasilkannya.
Pada  daerah downstream ini  pun  terdapat  kenaikan kecepatan  dan vortex yang  terjadi,  baik  pada  turbin  angin Darrieus tiga sudu maupun turbin angin Darrieus empat sudu, akan  tetapi  fenomena-fenomena  ini  tidak  terlalu  besar pengaruhnya  terhadap  kenaikan  nilai  gaya lift ,  torsi  dan koefisien daya pada masing-masing sudu maupun turbin angin secara keseluruhan.  Hal ini disebabkan karena angin yang tiba di  daerah downstream telah  kehilangan  kecepatannya  karena sebelumnya telah mengenai sudu-sudu di daerah upstream . Walaupun putaran turbin terhambat oleh sudu-sudu di daerah downstream tetapi  turbin  angin  Darrieus  ini  (baik  tiga  sudu maupun  empat  sudu)  tetap  mampu  berputar  dengan  stabil karena dibantu oleh sudu-sudu daerah upstream yang memiliki nilai kecepatan, gaya lift dan torsi yang cukup tinggi sehingga mampu mengimbangi kekurangan pada daerah downstream .
Gambar.  6.  Kontur  kecepatan  turbin  angin  Darrieus  tiga  sudu  pada  sudut putar 90˚ dengan variasi kecepatan freestream .
v = 5 m/s
v = 7 m/s v = 9 m/s θ = 0˚ θ = 30˚ θ = 60˚ v = 11 m/s θ = 90˚ v = 13 m/s v = 15 m/s θ = 0˚ θ = 25˚ θ = 50˚ θ = 75˚
Gambar. 7. Kontur kecepatan turbin angin Darrieus empat sudu pada sudut putar 0˚ dengan variasi kecepatan freestream.

## B. Kontur Tekanan
Gambar  8  menunjukkan  kontur  tekanan  turbin  angin Darrieus tiga sudu pada berbagai sudut putar dengan kecepatan angin  15  m/s.  Pada  kontur  tekanan  tersebut  terlihat  bahwa perbedaan tekanan tertinggi terjadi pada sudu yang tegak lurus terhadap  arah  aliran  angin.  Hal  ini  terjadi  dikarenakan  sisi terluar  sudu  yang  tegak  lurus  dengan  arah  aliran  angin mendapatkan  tekanan  yang  besar  dari  angin  yang  melaluinya sedangkan  sisi  terdalam  sudu  tidak  dikenai  angin  secara langsung yang mengakibatkan tekanan nya rendah. Fenomena ini  menyebabkan  terjadinya  gaya  lift  yang  lebih  tinggi  dari posisi  sudu  lainnya.  Sedangkan  pada  sudu  lainnya  tidak memiliki  perbedaan  tekanan  yang  terlalu  besar  karena dipengaruhi oleh vortex dan posisi sudu tersebut berada. Kontur  tekanan  turbin  angin  Darrieus  empat  sudu ditampilkan  pada  gambar  9.  Pada  gambar  kontur  tekanan tersebut  terlihat  fenomena  yang  tidak  jauh  berbeda  dengan turbin  tiga sudu, yaitu perbedaan tekanan tertinggi terjadi pada sudu yang tegak lurus terhadap arah aliran angin.
Gambar. 8. Kontur tekanan turbin angin  Darrieus tiga sudu pada berbagai sudut dengan kecepatan angin 15 m/s.
Gambar. 9. Kontur tekanan turbin angin Darrieus empat sudu pada berbagai sudut dengan kecepatan angin 15 m/s.

## C. Torsi
Gambar  10.(a)  dan  11.(a)  menunjukkan  torsi  yang  terjadi pada  masing-masing  sudu  turbin  tiga  sudu  dan  empat  sudu. Nilai torsi tertinggi tercapai saat suatu sudu tegak lurus dengan arah  aliran  angin  pada  sudut  putar  tertentu,  sedangkan  sudu lainnya  bernilai  rendah  karena  berada  di  daerah downstream . Hal ini menunjukkan bahwa turbin tetap mampu berputar dan
v = 5 m/s v = 7 m/s v = 9 m/s v = 11 m/s v = 13 m/s v = 15 m/s θ = 0˚ θ = 30˚ θ = 60˚ θ = 90˚ θ = 0˚ θ = 25˚
θ = 50˚
θ = 75˚
menghasilkan  torsi  total  dengan  nilai  yang  baik  seperti  pada gambar 10.(b) dan 11.(b) dikarenakan salah satu sudu bernilai torsi tinggi, meskipun torsi sudu lainnya bernilai rendah.
Turbin angin membentuk sebuah siklus kenaikan nilai torsi total  saat  berputar  pada  nilai  kelipatan  120˚  untuk  turbin  tiga sudu  dan  90˚  untuk  turbin  empat  sudu,  dimulai  setelah  turbin angin  melalui  putaran  90˚.  Nilai  torsi  total  semakin  tinggi seiring  bertambahnya  kecepatan  angin,  dan  nilai  torsi  total maksimal  turbin  tiga  sudu  lebih  besar  daripada  turbin  empat sudu, akan tetapi profil grafik torsi total turbin empat sudu lebih stabil.  Hal  ini  terjadi  karena  semakin  banyak  sudu  yang digunakan  pada  turbin  angin  Darrieus  ini,  maka  semakin banyak pula  sudu  “penghambat”  dengan nilai torsi  kecil atau minus yang akan mengurangi kinerja turbin angin.
Gambar. 10. Grafik torsi pada turbin angin tiga sudu. (a) Grafik torsi terhadap sudut putar sudu 1, 2, 3 pada kecepatan freestream 15 m/s, (b) Grafik torsi total terhadap sudut putar dengan variasi kecepatan freestream .

## D. Koefisien Daya
Gambar  12  menunjukkan  hubungan  antara  koefisien  daya terhadap TSR pada turbin angin Darrieus tiga sudu dan empat sudu. Koefisien daya turbin angin Darrieus tiga sudu dan empat sudu mencapai nilai tertinggi pada 0,4366 dan 0,3766 pada TSR 1,28. Pada rentang TSR 1,08 - 1,28 turbin angin Darrieus tiga sudu  memiliki nilai koefisien daya  yang lebih tinggi daripada turbin angin Darrieus empat sudu dikarenakan semakin banyak sudu yang digunakan pada turbin angin maka semakin banyak pula  sudu  yang  berada  pada  daerah downstream yang menghasilkan  gaya drag tambahan  sehingga  nilai  torsi  yang dihasilkan  sangat  kecil  bahkan  bernilai  minus  dan  hal  ini berpengaruh pula terhadap koefisien daya yang dihasilkan.
Gambar. 11. Grafik torsi pada turbin angin empat sudu. (a) Grafik torsi terhadap sudut putar sudu 1, 2, 3, 4 pada kecepatan freestream 15 m/s, (b) Grafik torsi total terhadap sudut putar dengan variasi kecepatan freestream .
Semakin besar nilai TSR, maka nilai koefisien daya pun akan semakin meningkat hingga nilai TSR tertentu, hingga akhirnya nilainya  menurun  meskipun  TSR  terus  meningkat.  Pada penelitian  kali  ini  tidak  tampak  adanya  penurunan  koefisien daya  pada  nilai  TSR  tertentu  dikarenakan  rentang  nilai  TSR yang digunakan pada penelitian ini relatif kecil sehingga kurang mampu menangkap fenomena penurunan koefisien daya yang terjadi pada turbin angin dengan karakteristik tertentu.
Gambar.  12.  Grafik  koefisien  daya  terhadap  TSR  turbin  angin  Darrieus  tiga sudu dan empat sudu.

## IV. KESIMPULAN
Pada  simulasi  turbin  angin  Darrieus  dengan  variasi  jumlah sudu (3 & 4 sudu) dan kecepatan angin 5, 7, 9, 11, 13 dan 15 m/s dapat diambil kesimpulan bahwa:
1) Semakin tinggi kecepatan angin, maka semakin tinggi pula torsi yang dihasilkan. Akan tetapi semakin banyak jumlah
sudu  yang  digunakan,  maka  nilai  torsi  yang  dihasilkan semakin rendah.
2) Semakin tinggi perbedaan tekanan yang terjadi pada suatu sudu,  maka  semakin  besar  pula  gaya lift yang  dihasilkan oleh sudu tersebut dan nilai resultan dari gaya lift dan gaya drag akan bertambah. Pertambahan nilai Resultan gaya ini berbanding lurus dengan pertambahan nilai torsi.
3) Semakin besar gaya lift yang dihasilkan pada suatu sudu, maka semakin tinggi pula kecepatan pada sudu tersebut.
4) Torsi  yang  dihasilkan  oleh  sudu-sudu  pada  daerah upstream lebih tinggi daripada torsi yang dihasilkan pada daerah downstream .
5) Koefisien  daya  yang  dihasilkan  berbanding  lurus  dengan nilai torsi yang terjadi.
6) Kontur  aliran  dan  tekanan  serta  nilai  torsi  dan  koefisien daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin  angin  dipengaruhi  oleh jumlah cell dan tipe mesh yang digunakan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Gorle,  J.M.R.,  L.  Chatellier,  F.  Pons  &  M.  Ba.  2016.  “Flow  and performance  analyis  of  H-Darrieus  hydroturbine  in  a  confined  flow:  A computational and experimental study”. Journal of Fluids and Structures 66, 382 – 402.
[2] Hassan, Islam M., Ahmad M. Ali, Mahdi S. Al-Ajmi & Taher G. Abu El- Yazied. 2015. “Effect of Number of Blades and Blade Chord Length on the  Performance  of  Darrieus  Wind  Turbine”.  American  Journal  of Mechanical Engineering and Automation 2, 1:16 – 25.
[3] Dwiyantoro,  B.A.,  Vivien  Suphandani  &  Rahman.  2015.  “Penelitian Eksperimental tentang Karakteristik Turbin Angin Sumbu Vertikal Jenis Darrieus-Savonius”.  Seminar  Nasional  Tahunan  Teknik  Mesin  XIV (SNTTM XIV).
[4] Brusca, S., R. Lanzafame & M. Messina. 2014. “Design of a vertical-axis wind  turbine:  how  the  aspect  ratio  affects  the  turbine’s  performance”. International Journal of Energy and Environmental Engineering, 5:333 – 340.