## PENGARUH JUMLAH SUDU PADA TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL TERHADAP DISTRIBUSI KECEPATAN DAN TEKANAN
1 Ridwan, 2 Abdul Latief 1,2 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri Universitas Gunadarma Jl. Margonda Raya No. 100, Depok 16424, Jawa Barat ridwan@staff.gunadarma.ac.id,  latiefconstantine@gmail.com

## Abstrak
Angin  merupakan  salah  satu  sumber  energi  baru  terbarukan.  Sistem  Konversi  Energi Angin (SKEA) dapat digunakan untuk memanfaatkan angin menjadi energi mekanik atau energi listrik. Komponen utama SKEA terdiri dari rotor dengan sudu sebagai penggerak utama. Salah satu  kelemahan  turbin  angin  adalah  efisiensinya  yang  masih  relatif  rendah,  sehingga  masih terus diteliti khususnya terkait dengan sudu (blade) rotor turbin. Pada penelitian ini dilakukan simulasi terhadap sudu turbin angin sumbu vertikal Savonius tipe U yang dipasang pada rotor turbin. Ada 3 kategori rotor yang disimulasikan yaitu: rotor dengan jumlah sudu/blade 2, 3 dan 4.  Kecepatan  angin  yang  diaterapkan/dialirkan  pada  simulasi  sudu  ini  adalah  5  m/dtk  . Simulasi  ini  menggunakan  alat  bantu  perangkat  lunak  SolidWorks/flow  simulatian  berbasis Finite Element Analysis (FEA). Tujuan penelitian ini akan dilihat/diketahui besarnya distribusi kecepatan  dan  distribusi  tekanan  pada  masing-masing  sudu  tersebut.  Berdasarkan  hasil simulasi  diketahui  bahwa  rotor  dengan  jumlah  blade  tiga  memberikan  distribusi  kecepatan yang  lebih  tinggi  yakni  (4,8  m/dtk)  dibanding  dengan  rotor  dengan  empat  blade  empat  (4,5 m/dtk)  dan  dua  blade  (4,3  m/dtk).    Turbin  dengan  jumlah  blade  tiga  memberikan  perbedaan distribusi  tekanan  maksimum  dan  minimum  paling  rendah  dibanding  turbin  dengan  empat blade dan dua blade, yakni 21,32 Pascal.
Kata Kunci : Angin, distribusi kecepatan, distribusi tekanan,savonius,  solidWorks.

## Abstract
Wind  is  one  of  the  renewable  energy  sources  that  can  be  utilized  as  mechanical  or electrical energy through the Wind Energy Conversion System (SKEA) The main components of the  SKEA  consist  of  rotors  with  blades  as  the  main  movers.One  of  the  disadvantages  of  wind turbines  is  that  their  efficiency  is  still  relatively  low,  so  In  this  research,  simulation  on  the Savonius vertical axis type U  wind turbine blade is mounted on the turbine rotor, there are 3 simulated rotor categories: rotor with the number of blades / blade 2, 3 and 4. The wind speed applied / flowed in this blade simulation is 5 m / s, this simulation is used by SolidWorks / flow simulatian software based on Finite Element Analysis (FEA) The purpose of this research will be to see / know the magnitude of the velocity distribution and pressure distribution  on each of the  blades.From  the  simulation  results  it  is  known  that  the  rotor  of  three  blades    provides  a better / higher velocity distribution (4.8 m / sec) compared to four-blade rotors (4.5 m / sec) and two  blades  (4.3  m  /  sec).  Turbines  with  three  blades  provide  thet  maximum  and  minimum pressure distribution differences compared to turbines with four blades and two blades  21.32 Pascal.
Keywords : pressure distribution, Savonius, solidWorks, velocity didtribution, wind.

## PENDAHULUAN
Angin  merupakan  salah  satu  sumber energi  baru  terbarukan  yang  dapat  di- manfaatkan  menjadi  energi  mekanik  atau listrik melalui suatu konversi yang dinamakan Sistem  Konversi  energi  angin  (SKEA)[1]. Komponen  utama  SKEA  terdiri  dari  rotor dengan  sudu  sebagai  penggerak  utama, generator  sebagai  pengubah  energi  mekanik menjadi  energi  listrik  dan  lain-lain.  Energi angin  merupakan  salah  satu  energi  yang ramah  terhadap  lingkungan.  Energi  ini  dapat menjadi solusi terhadap pemanasan global dan berpotensi menggantikan energi dari fosil.[2]
Pemenuhan energi dalam suatu negara menjadi suatu hal yang sangat penting karena  sangat  mempengaruhi  perkembangan industri  di  negara  tersebut.  Salah  satu komoditi  unggulan  dalam  peradaban  modern adalah  energi  [2,3].  Jumlah  konsumsi  energi telah  menjadi  indikator  untuk  standar  hidup dan  tingkat  industrilisasi.  Saat  ini,  hampir
90% dari energi dunia berasal dari pembakaran bahan bakar fosil, yaitu batubara, minyak petroleum, gas alam, dan lain-lain.[4]
Trend penggunaan energi baru terbarukan  termasuk  energi  angin  mengalami peningkatan dari tahun ke tahun yang diprediksi akan  mengalami  kenaikan  penggunaan mencapai  10  %  dari  konsumsi  energi  dunia pada  tahun  2030.  [2,5].  Kondisi  alam  dan geografis di Indonesia sangat cocok diterapkan  turbin  angin  sumbu  vertikal. Savonius  turbin  termasuk  dalam  salah  satu jenis turbin sumbu vertikal.
Turbin  angin  sumbu  vertikal  tipe savonius  sebagimana  diperlihatkan  pada Gambar  1  memiliki  kelebihan  yakni  dapat bekerja  pada  kecepatan  angin  yang  relatif rendah dibanding dengan turbin angin sumbu horisontal  [6].  Selain  itu  turbin  jenis  ini memiliki konstruksi yang sederhana dibanding jenis  sumbu  horisontal  [7].  Prinsip kerja  turbin  Savonius  dapat  dilihat  pada Gambar 1 berikut ini.
Gambar. 1 Skematik turbin angin savonius dua sudu dengan gaya hambat [5,8].
Jumlah  sudu  pada  rotor  turbin  sangat pempengaruhi  performa  turbin  angin  sumbu vertikal  khususnya  tipe  savonius.  Pada kecepatan  angin  ( wind  speed )  yang  relatif
sekitar  3  -5  m/s    performa  turbin  meningkat seiring  dengan  penambahan  jumlah  sudu turbin  [9].  Tujuan  penelitian  ini  adalah menganalisis  pengaruh  jumlah  sudu  terhadap performa  turbin  yang  mencakup  distribusi kecepatan dan distribusi tekanan yang terjadi. Distribusi  tekanan  dan  distribusi  kecepatan yang diterima sudu turbin sangat mempengaruhi performa turbin tersebut dan berbanding lurus dengan  putaran  poros  yang  dapat  dihasilkan turbin.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan metode  simulasi  numerik  dengan  bantuan
perangkat lunak
solidworks ( flow simulations ) berbasis Finite Element Analysis
(FEA). Pada penelitian ini disimulasikan sudu turbin  angin  sumbu  vertikal  Savonius berbentuk  U  dengan  3  macam  jumlah  sudu (blade)  yaitu  2,  3  dan  4  sudu.  Kecepatan angin  yang  diterapkan  atau  dialirkan  melalui sudu  yaitu  seragam  sebesar    5  m/dtk.  Model masing-masing  sudu  dibuat  dalam  dua dimensi  (2D).  Selanjutnya  model  sudu tersebut  dibuat  dalam  model  tiga  dimensi (3D)    dengan  dimensi  ukuran  diameter  sudu (d)  =  200  mm,  tinggi  rotor  =  370  mm,  dan ketebalan  blade  dan  endplate  =  2  mm. Desain  sudu  dapat  dilihat  pada  Gambar  2, Gambar  3  dan  Gambar  4.  Pada  Gambar  2 sampai  Gambar  4  terlihat    pada  pandangan/ tampak  atas  dan  tampak  isometri/3D  masing – masing untuk desain  2 sudu, 3 sudu dan 4 sudu.
(a) (b)
Gambar 2. Turbin  Savonius 2 Sudu : (a) tampak atas, (b) tampak isometri/3D
Pada  Gambar  2  ditunjukkan  desain sudu untuk turbin savonius dengan banyaknya sudu adalah 2. Pada Gambar 2 (a) desain sudu
disajikan  dalam  2  dimensi    yang  merupakan tampak  atas,  sedangkan  pada  Gambar  2  (b)
merupakan desain sudu dalam 3 dimensi.
(a) (b)
Gambar 3.  Turbin  Savonius 3 Sudu : (a) tampak atas, (b) tampak isometri/3D
Pada  Gambar  3  ditunjukkan  desain sudu untuk turbin savonius dengan banyaknya sudu adalah 3. Pada Gambar 3 (a) desain  sudu  disajikan  dalam  tampak  atas
sehingga berupa desain 2 dimensi. Gambar 2 (b)  merupakan desain  sudu  dalam  3  dimensi sesuai denga desain  2 dimensi pada  Gambar 3 (a).
(a) (b)
Gambar 4. Turbin  Savonius 4 Sudu : (a) tampak atas, (b) tampak isometri/3D
Pada  Gambar  4  ditunjukkan  desain sudu untuk turbin savonius dengan banyaknya sudu adalah 4. Pada Gambar 4 (a) desain sudu
disajikan  dalam  2  dimensi    yang  merupakan tampak  atas,  sedangkan  pada  Gambar  4  (b) merupakan desain sudu dalam 3 dimensi.
Mulai
Menggambar Prototype Turbin
Angin Savonius Memulai Simulasi Aliran pada Sudu dengan Memasukkan Data ke Wizard Project
Mengatur Computational Domain Menjalankan Run Solver Output Berupa Gambar dari Velocity dan Pressure
Computer Calculation End
Gambar 5. Diagram Alir Simulasi
Gambar 5 merupakan flow chart proses simulasi.  Penelitian  dimulai  dengan    desain sudu  sampai  3D  yang  dilanjutkan  dengan mengatur  kondisi  batas  dan  domain  Tahap berikutnya adalah menjalankan solver, running/simulasi. Output yang  ditampilkan adalah  data  berupa  distribusi  kecepatan  dan distribusi  tekanan  masing-masing  sudu,  serta melakukan  analisis  data  hasil  simulasi. Kecepatan angin dalam simulasi ini diterapkan/dialirkan seragam  ke  masing-masing
sudu/blade yakni 5 m/dtk.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil/ output dari  simulasi  yang  di- lakukan  ditampilkan  dalam  bentuk  distribusi kecepatan  dan  distribusi  tekanan  untuk masing-masing  rotor  turbin  dengan  jumlah sudu atau blade 2,3, dan 4 blade. Sebagaimana  dapat  di-lihat  pada  Gambar  6 sampai dengan Gambar 11.
Distribusi Kecepa tan
Gambar 6. Distribusi kecepatan pada turbin 2 blades
Pada  Gambar  6  ditunjukkan  distribusi kecepatan  pada  turbin  dengan  jumlah  blade sebanyak  dua  buah.  Pada  gambar  tersebut terlihat  distribusi  kecepatan  paling  rendah yakni 0 m/det ditandai dengan warna biru tua pada blade. Garis-garis arus yang menggambarkan  kecepatan  angin  mengenai dan melalui sudu melintas melewati sudu dari sisi  atas,  samping  kanan  dan  bawah  dari blade.kontur  warna  yang  terjadi  mulai  dari biru  tua,  biru  muda  hijau,  dan  didominasi warna kuning dan hijau pada dasar sudu. Pada belakang  sudu  terlihat  semacam  olakan
( wake )  dan  selanjutnya  arus  berbelok. Distribusi  kecepatan  tertinggi  yang  terjadi pada  bagian  luar  sudu  berkisar  1,4  m/det sampai  4,3  m/det.  Distribusi  kecepatan  aliran angin  pada  turbin  dengan  2  blade  tidak terlihat  kecepatan  angin  yang  mendekati kecepatan  angin  5  m/dtk  sebagaimana kecepatan angin yang dialirkan/disimulasikan pada blade. Hal ini diakibatkan karena turbin dengan  jumlah  sudu  dua  angin  langsung terdistribusi  secara  merata  kesamping  sudu karena  terjadi  keseimbangan  pada  dua  sudu tersebut pada kedua sisinya.
Gambar 7.  Distribusi kecepatan pada turbin 3 blades
Pada  Gambar  7  terlihat  distribusi kecepatan  pada  turbin  dengan  jumlah  blade sebanyak  tiga  buah.  Pada  gambar  tersebut terlihat  distribusi  kecepatan  paling  rendah yakni  0  m/det  dan  tertinggi  berada  pada  4,8 m/dtk. Garis-garis arus yang menggambarkan kecepatan  angin  mengenai  dan  melalui  sudu melintas melewati sudu dari sisi atas, samping kanan  dan  tengah  sudu.  Kontur  warna  lebih didominasi  warna  kuning  tua  kemerah- merahan  dan  terlihat  distribusi  kecepatannya lebih  merata  dan  lebih  rapat  garis  arusnya dibanding pada sudu dengan jumlah blade dua buah.  Distribusi  kecepatan  terlihat  lebih merata  pada  setiap  sudu,  dan  terjadi kecepatan  yang  tetap  tinggi  yaitu  di  atas  4 m/dtk  pada  setiap  sudu  sehingga  hal  ini sangat bagus dan berpotensi untuk memberikan  dorongan  pada  sudu  sehingga
pada  akhirnya  akan  memberikan  kecepatan putar  yang  lebih  tinggi  pada  rotor  turbin. Kecepatan  rotor  turbin  berbanding  lurus dengan  konversi  energi  putar  (mekanik) rotor  menjadi  energi  listrik  pada  generator yang  dapat  menghasilkan  listrik,  sebagai konversi dari putaran rotor bilamana dihubungkan dengan generaor listrik.
Turbin dengan jumlah blade tiga dari hasil simulasi terlihat menyebabkan distribusi kecepatan  yang  lebih  tinggi  dan  merata dengan  baik  pada  setiap  sudu  turbin.  Hal  ini diakibatkan  karena  posisi  turbin  sumbu vertikal ini memberikan keseimbangan kecepatan  angin  bila  mana  pada  sudu  satu telah dilewati angin selanjutnya diteruskan ke sudu  dua  dan  sudu  tiga,  sehingga  efektifitas angin  yang  dialirkan  mampu  terdistribusi dengan  baik  ke  masing-masing  sisi  sudu.
Gambar 8.  Distribusi kecepatan pada turbin 4 blades
Pada  Gambar  8  terlihat  distribusi kecepatan  pada  turbin  dengan  jumlah  blade sebanyak  empat  buah/bilah.  Pada  gambar tersebut  terlihat  distribusi  kecepatan  paling rendah  yakni  0  m/det  dan  tertinggi  berada pada  4,5  m/dtk.  Garis-garis  arus  yang
menggambar-kan  kecepatan  angin  mengenai dan melalui sudu melintas melewati sudu dari sisi  atas,  dan  samping    sudu.  Kontur  warna lebih  didominasi  warna  kuning  tua,  dan terlihat distribusi kecepatannya lebih terkonsentrasi  dibelakang  blade,  dan  terjadi
olakan  ( wake )  yang  tinggi.  Olakan  yang tinggi  akan  kurang  baik  bagi  putaran  rotor yang  juga  dapat  mengakibatkan  hambatan pada  sudu  sehingga  sebagian  gaya  dorong aliran  angin  tidak  sepenunya  mendorong  sudu dan tudak maksimalnya konversi putaran nantinya ke rotor blade.
Semakin  tinggi  distribusi  kecepatan yang  terjadi  pada  rotor  akan  semakin  baik kerena  memungkinkan  memberikan  gaya dorong  pada  sudu  dan  diteruskan  pada  poros rotor  sehingga  dapat  menghasilkan  energi mekanik, energi listrik berguna sesuai dengan kebutuhan/aplikasinya.

## Distribusi Tekanan
Gambar 9.  Distribusi tekanan pada turbin angin 2 blades
Pada  Gambar  9  terlihat  distribusi tekanan pada turbin dengan jumlah blade dua, distribusi  tekanan  minumum  terjadi  pada simulasi  ini  yaitu  101.305,97  Pascal  dan tertinggi  sebesar  101.339,18.  Pascal  dengan selisih  sebesar  33,21  Pascal.    Hasil  simulasi dengan  dua  blade  ini  terlihat  tekanan  akibat
kecepatan  angin  tidak  merata  secara  luas. Pada  kedua  blade  lebih  terkonsentrasi  pada satu  sudu  sehingga  tidak  optimal  dalam memberikan gaya dorong atau torsi pada sudu yang  berakibat  langsung  pada  kemampuan rotor  melalui  blade  melakukan  putaran  poros turbin.
Gambar 10.  Distribusi tekanan pada turbin angin 3 blade
Gambar  10  menampilkan  distribusi tekanan  pada  turbin  dengan  jumlah  blade tiga,  distribusi  tekanan  minumum  terjadi adalah  101.318,23  Pascal  dan  tertinggi sebesar  101.339,  23  Pascal,  dengan  selisih 21,  32  Pascal.  Hasil  simulasi  dengan  tiga blade  ini  terlihat  tekanan  akibat  kecepatan angin  lebih  merata  secara  luas  pada  pada sekitar  blade,  sehingga  lebih  optimal  dalam memberikan  gaya  dorong  atau  torsi  pada sudu yang berakibat langsung pada
kemampuan  rotor  melalui  blade  melakukan putaran  poros  turbin.  Distribusi  tekanan dekat  rotor  lebih  tinggi  dan  tersebar  secara luas  hal  ini  dapat  terjadi  karena  turbin dengan  tiga  blade  mampu  menahan  angin dan selanjutnya mendistribusikan lebih cepat pada rotor berikutnya sambil berputar. Salah satu  kelebihan  dari  turbin  angin  sumbu vertikal adalah dengan kecepatan angin yang relatif rendah sekitar 0,5 m/s sampai 3 meter perdetik sudah mampu memutar rotor turbin.
Gambar 11.Distribusi tekanan pada turbin angin 4 blade
Pada  Gambar  11  terlihat  distribusi tekanan  pada  turbin  dengan  jumlah  blade empat.  Distribusi  tekanan  minumum  terjadi adalah  101.311,84  Pascal  dan  tertinggi sebesar 101.339,86. Pascal dengan selisih/perbedaan  sebesar  28,02  Pascal.  Hasil simulasi  dengan  empat  blade  ini  terlihat tekanan akibat kecepatan angin kurang merata dibanding pada turbin dengan tiga blade, tapi masih  lebih    baik  dibanding  turbin  dengan dua  blade.  Tekanan  kurang  terdistribusi secara  merata.  Tekanan  yang  terjadi  pada sudu satu, jauh berbeda dengan sudu dua, tiga
dan  empat.  Turbin  denga  jumlah  sudu  empat memiliki  masaa  yang  lebih  tinggi  dari  turbin dengan  jumlah  blade  tiga  sehingga  tekanan dari  dorongan  /kecepatan  angin  sebagian terserap/terdisipasi  dari  massa  rotor  ini, sehingga  efektifitas  turbin  dengan  tiga  blade lebih  baik  dalam  distribusi  tekanan    dari turbin  empat  blade.  Semakin  kecil  perbedaan antara disribusi/sebaran tekanan yang tertinggi  dan  terendah  maka  akan  berdampak baik.  Hal  ini  berbanding  lurus  dengan performa  rotor  turbin  karena  berbanding langsung dengan energi putar/energi mekanik,
torsi  serta  daya  yang  bisa  dibangkitkan melalui putaran poros rotor turbin.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Jumlah sudu pada turbin angin sumbu vertikal jenis savonius mempengaruhi distribusi  kecepatan  dan  distribusi  tekanan angin  yang  melalui  dan  bekerja  pada sudu/blade turbin. Distribusi kecepatan maksimum terjadi pada turbin dengan jumlah sudu  sebanyak  3  yaitu  4,8  m/dtk,  dan distribusi  kecepatan  turbin  dengan  empat sudu  lebih  tinggi  dibanding  dengan  turbin dengan jumlah sudu dua. Distribusi kecepatan tertinggi  pada  turbin  dengan  empat  blade yakni  4,5  m/dtk,  sedangkan  pada  turbin dengan  jumlah  sudu  dua  distribusi  tekanan tertinggi    hanya  4,3  m/dtk.Turbin  dengan jumlah  blade  tiga  memberikan  perbedaan distribusi  tekanan  maksimum  dan  minimum paling rendah dibanding turbin dengan empat blade  dan  dua  blade,  yakni  21,32  Pascal. Turbin dengan empat blade memiliki perbedaan  distribusi  tekanan  maksimum  dan minimum  sebesar  28,02  Pascal  dan  turbin dengan dua blade  sebesar 33,21 Pascal.
Pada  penelitian  selanjutnya  dapat dikembangkan  dengan  menambah  variasi bentuk  jumlah  sudu  dan  variasi  besar kecepatan  angin  yang  dialirkan  pada  sudu turbin.  Diperlukan  pengujian  eksperimen pada  terowongan  angin  ( wind  tunnel )  untuk melihat  perbandingan  antara  hasil  simulasi dan hasil eksperimen.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Al-Kayiem,  H.  H.  Bhayo,  B.  A. Assadi,  and  Mohsen,  “Comparative critique  on  the  design  parameters and  their  effect  on  the  performance of  S-rotors,” Renewable  Energy , vol. 99, hal. 1306-1317, 2016.
[2] BP, BP  Energy  Outlook ,  Jakarta  :
ESDM, 2017.
[3] F.  H.  Napitupulu,  dan  S.  Siregar.
“Perancangan  turbin  vertikal  axis savonius  dengan  menggunakan  8 buah sudu lengkung,” Jurnal Dinamis , vol. 1, no. 13, hal. 24 – 36,
2013.
[4] F.  Wenehenubun,  A.  Saputra,  and
H.  Sutanto, "An  experimental  study on  the  performance  of  Savonius wind  turbines  related  with  the number of blades" Energy Procedia , vol. 68, hal. 297 - 304, 2015.
[5] J. V. Akwa,, G. A. d. S. Júnior, and
A.  P.  Petry.  "Discussion  on  the verification  of  the  overlap  ratio influence on performance coefficients of  a  Savonius  wind  rotor  using computational fluid dynamics.
“Renewable  energy, vol  38,  no.  1, hal. 141-149, 2012.
[6] M. E. Prasetya, “Studi kinerja turbin angin  sumbu  horizontal  naca  4412 dengan  modifikasi  sudu  tipe  flat pada  variasi  sudut  kemiringan  0º,
10º,  15º,”  Tesis,  UMS,  Surakarta,
2015.
[7] N.H.Mahmoud, A.A.El-Haroun,
E.Wahba,  and  M.H.Nasef,  “An
experimental study on improvement of  Savonius  rotor  performance,”
Alexandria  Engineering  Journal , vol. 51, hal. 19-25, 2012.
[8] Ridwan, I. Setyawan, dan A. Latief, “Pengaruh Jumlah Sudu dan Jumlah
Fin  pada  Sudu  terhadap  Unjuk Kerja  Turbin  Angin  Savonius  Tipe U,” SEMRESTEK  2018  Proceedings,
2018, hal. 225-234.
[9] S. M. Irvan, “Savonius wind turbine
vertical  design  for  source  of  energy for  lighting  the  highways,”  Tesis, Universitas  Gunadarma, Depok,
2017.