## Kaji Eksperimen lengkungan Sudu Turbin Angin Savonius Tipe-U
Study the U-type Savonius Wind Turbine Blades Experiment
Delffika Canra 1) , Meri Rahmi 1) & Ikhsan 2)
1) Departemen Teknik Mesin, Politeknik Negeri Indramayu,Jl. Lohbener Lama no. 8 Lohbener   Indramayu   Jawa   Barat,  45252.  Indonesia.   delffika.canra@gmail.com, meri@polindra.ac.id
2) Politeknik Negeri Padang Kampus Limau Manis Padang Telp. 0751-72590 Fax. 0751- 72576 Politeknik Negeri Padang ikhsan@pnp.ac.id,

## Abstract
Wind  energy  sources  in  coastal  areas  of  Indonesia  are  generally  one  of  the  potential  renewable  energy sources (renewable energy resources) that are abundant, environmentally friendly and renewable. Savonius wind turbines  can  produce  relatively  high  torque  even  at  low  wind  speeds.  Because  it  is  very  well  developed  to produce electrical energy. To get a large amount of electrical power, a large turbine construction is also needed which  also  requires  a  large  amount  of  money,  of  course.  For  this  reason,  the  dimensions  of  this  wind  turbine construction need to be developed, known as aspect ratio (Ar). Ar which has been studied is the cross section of the blade, as well as other values. Whereas the arch depth or blade length of type U is still likely to be studied. Therefore  it  is  necessary  to  do  research  on  type  U  blade  arcs  to  get  more  power  than  before.  Experimental method by making a prototype savonius type U wind turbine with 2 blades. The parameters varied only in terms of  the  ratio  of  arc  length  and  blade  cross  section,  other  parameters  followed  the  previous  study.  The  expected experimental  results  get  the  aspect  ratio  (Ar)  of  the  best  blade  in  capturing  wind  energy  and  producing  large electrical power.
Keywords : Wind Turbine, savonius, U-type, aspect ratio, arc length of blade

## PENDAHULUAN
Sumber  energi  angin  didaerah  pesisir Indonesia  umumnya  merupakan  salah  satu potensi sumber energi terbarukan ( renewable energy  resources) yang  berlimpah,  ramah lingkungan dan bersifat renewable. Kecepatan  angin  di  Indonesia  secara  umum rata-rata  3  -  7  m/s  yang  tergolong  kecepatan angin  rendah.  Untuk  memanfaatakan  potensi angin  ini,  turbin  yang  terbaik  digunakan adalah  turbin  angin  savonius  karena  dapat berputar pada kecepatan angin rendah. Kelebihan  turbin  angin  savonius  dapat menghasilkan  torsi  yang  relatif  tinggi meskipun  pada  kecepatan  angin  rendah. Karena  itu  sangat  baik  sekali  dikembangkan untuk  menghasilkan  energi  listrik.  Banyak sekali penelitian yang sudah dilakukan untuk mengembangkan  konstruksi  turbin  angin  ini dan terus dikembangkan untuk menghasilkan daya  listrik  yang  optimal.  Pengembangan konstruksi  yang  sudah  dilakukan  adalah
memvariasikan  bentuk  sudu,  jumlah  sudu, sudut  sudu,  tingkat  sudu  ( multi  stage ), penahan  ( shield )  dan  pengarah  ( deflector ), sehingga  banyak  sekali  jenis  sudu  yang  ada pada  turbin  ini  mulai  dari  tipe  U  ( bucket ) yang  merupakan  tipe  sudu  awal  ditemukan atau  konvensional,  tipe  L,  sudu  miring ( twisted-blade ), sudu bertingkat dan lainnya. Untuk  mendapatkan  daya  listrik  yang besar diperlukan konstruksi turbin yang besar juga  dimana  memerlukan  biaya  yang  besar juga  tentunya.  Untuk  itu  perlu  dikembagkan dimensi dari konstruksi turbin angin ini yang dikenal  dengan aspect  ratio(Ar) . Ar yang sudah  diteliti  adalah  penampang  sudu,  serta nilai parameter lainnya. Sedangkan kedalaman  lengkungan  atau  panjang  busur sudu  pada  tipe  U  masih  berpeluang  diteliti. Oleh  karena  itu  perlu  dilakukan  penelitian pada  busur  sudu  tipe  U  untuk  mendapatkan daya yang lebih besar dari sebelumnya.
Gambar 1. Skema nilai parameter geomatrikal sudu  turbin savonius
Penelitan  yang  dilakukan  oleh  Mohamed Hasan  A.  M  dalam  desertasinya  pada  tahun 2011  dengan  judul "Design  Optimazation  of Savonius
and Wells Turbines" , mengungkapkan bahwa ada beberapa metoda untuk  meningkatkan  performa  dari  turbin angin savonius tipe U ( conventional savonius rotors ). Pertama adalah menempatkan deflecting  plate didepan  sudu  turbin.  Hal  ini meningkatkan  Cp  ( Coefficient  of  Power ) sebesar  20  %.  Metoda  kedua  yakni multi steps atau  sudu  bertingkat.  Sudu  ini  dapat bergerak  awal  dengan  baik  ( good  self- starting )  akan  tetapi  mengalami  penurunan Cp  sebesar  30  %.  Ketiga  yakni Guide  vanes dimana Cp yang dihasilkan 3 sudu lebih kecil dibandingkan
2 sudu. Metoda
ini meningkatkan  torsi  pada  TSR  ( Tip  Ratio Speed ) 0 hingga 0,3 akan tetapi  menurunkan torsi  apabila  TSR  melebihi  dari  0,3.  Oleh karena  itu  sudu  ini  tergantung  sekali  dengan kecepatan  angin.  Metoda  yang  keempat adalah twisted-blade (sudu  miring),  Cp  yang dihasilkan meningkat 27%, sedangkan kelemahan  dari  sudu  ini  adalah  butuh  biaya mahal  dalam  pembuatan  sudu.  Kelima,  sudu turbin menggunakan guide-box tunnel sebagai  penahan  ( deflector) angin  untuk mencegah  sudu  berbalik  ( returning  blade). Cp meningkat 50% pada 3 sudu, kelemahannya  hanya  pada  konstruksi  yang kompleks.
Yang keenam adalah
memodifikasi  sudu  dengan cara memberikan nilai  parameter  geometrikal  yakni  nilai overlap dan  sudut  antara  sudu  (lihat  Gbr.1). Hal  ini  meningkatkan  Cp  sebesar  60%,  dan menghasilkan  vibrasi  yang  besar.  Metode
yang  keenam  selalu  digunakan  dalam mendesain sudu turbin karena sudah terbukti meningkatkan Cp lebih signifikan dari desain sudu konvensional.
M.  Haydarul  H.  dkk  pada  tahun  2013 dengan  judul  penelitian "Rancang  Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis Savonius dengan Variasi  Jumlah  Blade  Terintegrasi  Circular Shield untuk Memperoleh Daya Maksimum", mendapatkan  nilai  Cp  yang  signifikan  yakni rata-rata  80%  dibandingkan  dengan  sudu savonius tipe U konvensional.
Penelitian  ini  menggunakan  metode  yang kelima yakni menggunakan guide-box tunnel (kotak laluan angin), hanya saja dimodifikasi berbentuk  silinder  ( Circular  Shield ).  Nilai parameter  geometrikal  yang  dipakai  adalah nilai overlap sebesar  20%  dari  diameter endplate. Kemudian  aspek  rasio  sudu  adalah 1  :  4.  Pada  penelitian  ini  juga  membuktikan bahwa  peforma  sudu  yang  terbaik  adalah pada saat jumlah sudu sebanyak 2 dibandingkan dengan jumlah sudu yang lebih dari  2.  Hal  ini  diasumsikan  oleh  peneliti dikarenakan  beban  material  mempengaruhi putaran sudu.
(a)

## (b)
Gambar 2. Skema turbin angin menggunakan (a) Guide-box tunnel (b) Circular Shield
Penelitan  ini  bertujuan  untuk  mencari aspect  ratio  (Ar) lengkungan  sudu  terbaik untuk penyerapan energi angin dan menghasilkan daya listrik yang lebih besar.

## METODOLOGI
1. DesainTurbin dan Pembuatan Prototipe.
Dimensi  sampel  awal  didesain  seperti yang  terlihat  pada  gambar  3  yakni  lebar penampang  sudu  adalah  100  mm,  diameter endplate 200  mm,  celah  untuk overlap  ratio adalah  20  mm  dan  10  mm,  dan  radius  sudu awal  adalah  50  mm.  Tinggi  sudu  prototipe adalah  400  mm.  Ukuran  lengkungan  sudu dibuat bervariasi untuk kebutuhan eksperimen.
Gambar 3. Dimensi sudu turbin angin awal.
Gambar 4. Prototipe Turbin Angin 2. Prosedureksperimen. Percobaan akan dilakukan dengan memvariasikan  panjang  busur  yakni  dengan memvariasikan  besar  radius  sudu  sedangkan lebar  penampang  sudu  konstan.  Variasi radius  yang  direncanakan  adalah  radius  60  - 80 mm dengan resolusi 5 mm.
Kecepatan  angin  yang  digunakan  pada simulasi  adalah  3,6  sampai  6,0  m/s  dengan resolusi  0,4  m/s,  sesuai  dengan  penelitian sebelumnya.
Percobaan  dilaksanakan  di  laboratorium, mengkondisikan  angin  yang  dapat  diatur sesuai  dengan  kecepatan  angin  penelitian sebelumnya. Putaran turbin akan diukur serta listrik  yang  dihasilkan  gengerator  DC  juga akan  diukur  seperti  skema  gambar  5.  Antara poros turbin dan poros generator dihubungkan dengan roda gigi dengan rasio 6 : 1.

## Circular Shield
3. Teori Dasar
Turbin angin savonius ditemukan pada tahun 1920 oleh SJ Savonius dengan prinsip bentuk sudu  pada  awalnya  adalah  plat  tabung dibelah  dua  dan  disatukan  bersilang  hingga menyerupai  huruf  S.  Turbin  angin  Savonius ini  dikenal  dengan  turbin  angin  savonius konvensional (Tipe U bucket ).
Dengan  menggunakan  teori  momentum Betz  dimana  angin  kecepatan  v 1 melewati sebuah  sudu turbin angin mengalami perubahan  kecepatan  v 2 ,  sehingga  daya turbin yang bekerja dapat diformulasikan :
(1)
dimana P adalah daya turbin,  merupakan kerapatan udara, A adalah  luas sapuan,dan  v adalah  kecepatan angin.
Koefisien  daya  atau Coefficient  of  power (Cp)  menentukan  performa  dari  turbin  angin tersebut  dimana  energi  angin  menentukan besarnya  energi  kinetik  angin  yang  melalui sudu  turbin  angin  tersebut  dan  dapat diformulasikan :
(2)
dimana  P 0 adalah  daya  angin.  Sehingga Koefisien daya turbin dapat diformulasikan :
(3)
Menghitung  besar  torsi  yang  terjadi  juga tidak kalah pentingnya.
Torsi bisa didefinisikan ukuran keefekrifan gaya tersebut  dalam  menghasilkan  putaran  atau rotasi mengelilingi sumbu tersebut. Besarnya torsi dapat diformulasikan :
(4)
dimana  T  adalah  Torsi,  v  merupakan kecepatan  angin,  r  adalah    lebar  penampang sudu,  dan  adalah tip  ratio  speed . Sedangkan tip  ratio  speed dihitung  dengan formula :
(5)
dimana  D  merupakan  diameter  sudu, n adalah  putaran  poros/sudu  dan v merupakan kecepatan angin.
Sedangkan  untuk  mendapatkan  daya generator  untuk  membangkit  listrik  adalah perlunya  mengukur  besarnya  tegangan  (V) dan  arus  (I)  yang  dihasilkan,  dengan menggunakan formula :
(6)
dimana  P gen adalah  daya  generator  listrik, V  adalah  tegangan  listrik  dan  I  adalah  arus listrik.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  hasil  eksperimen  menunjukkan bahwa  semakin  besar  radius  sudu  atau semakin  dangkal  kelengkungan  dari  sudu turbin  maka  daya  turbin  juga  meningkat terutama  pada  kecepatan  angin  maksimal  6 m/s seperti pada gambar 6.
Gambar 6. Grafik hubungan Daya turbin dengan kecepatan angin
Hanya  saja  dari  grafik,  kecendrungan garis semua ukuran radius menunjukkan tren yang  sama  dan  selisih  antar  radius  juga belum  terlalu  signifikan,  sehingga  belum dapat  disimpulkan  ukuran  mana  yang menjadi yang terbaik.
Begitu  juga  dengan  grafik  pada  gambar  7 yang menunjukkan tren garis lurus dan stabil serta  tidak  ada  selisih  daya  yang  signifikan, walaupun  radius  80  yang  memiliki  angka terbesar.
Gambar 7. Grafik hubungan Daya angin dengan kecepatan angin
Hal ini disebabkan oleh adanya penambahan  besar  penampang  pada  sudu yang  juga  berselisih  sedikit  sekali  antar ukuran sudu.
Perbandingan  antara  daya  turbin  dengan daya  angin  yang  diperlihatkan  oleh  grafik pada  gambar  8,  menunjukkan  bahwa  nilai daya  turbin  akan  meningkat  sedikit  lebih tinggi  pada  saat  radius  75  dan  80 dibandingkan dengan ukuran yang dibawahnya.
Gambar 8. Grafik hubungan Daya turbin dengan Daya angin pada saat kecepatan angin 6 m/s.
Dari  grafik  gambar  8  tersebut  sudah memperlihatkan sedikit pengaruh dari perubahan ukuran radius.
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0 T [ Nm ] v 1 [m/s] Torsi (T) terhadap kecepatan angin (v 1 ) R60 R65 R70 R75
R80
Gambar 9. Grafik hubungan Daya turbin dengan Daya angin pada saat kecepatan angin 6 m/s.
Melihat nilai torsi dari grafik pada gambar 9,  memperlihatkan  bahwa  torsi  terkecil terjadi  pada  ukuran  radius  80  (terbesar)  dan memiliki nilai  selisih  sedikit  lebih besar dari selisih  antar  sudu  lainnya.  Disini  dapat disimpulkan  juga  bahwa  radius  terbesar mempunyai  pengaruh  yang  lebih  besar terhadap turbin angin ini.
Nilai  torsi  mulai  stabil  saat  kecepatan angin  mulai  dari  4,8  m/s  dan  seterusnya  dan ada beberapak ukuran radius yang mengalami  penurunan  saat  masuk  kecepatan angin maksimal 6 m/s.
Antara  poros  turbin  dihubungkan  dengan poros  generator  dipasang  transmisi  roda  gigi dengan rasio 6:1, sehingga putaran generator akan meningkat, karena generator membutuhkan kecepatan putaran  yang tinggi untuk dapat membangkitkan tenaga listrik.
Kalo  melihat  dari  grafik  gambar  10, selisih  antar  sudu  tidak  terlalu  signifikan akan  tetapi  ukuran  radius  80  memiliki  nilai yang besar dari awal hingga kecepatan angin maksimal  dan  mengalami  sedikit  lonjakkan pada saat masuk kecepatan angin 4,8 m/s.
Pada  grafik  gambar  12,  menampilkan bahwa  ada  nilai  daya  generator  yang  naik secara  signifikan  yakni  pada  ukuran  radisu 80 dan saat kecepatan angin maksimal 6 m/s. Hal  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  ukuran radius  80  merupakan  ukuran  sudu  terbaik atau memiliki kelengkungan sudu terbaik.
Sudu turbin
angin baru akan membangkitkan  listrik  pada  saat  kecepatan angin  4  m/s,  akan  tetapi  masih  terlalu  kecil dan  mulai  stabil  naik  pada  saat  kecepatan angin  4,8  m/s  dan  akan  terus  naik  setelah kecepatan angin mencapai 6 m/s.
Gambar 10. Grafik hubungan putaran generator dengan kecepatan angin.
Gambar 11. Grafik hubungan daya generator dengan kecepatan angin.

## SIMPULAN
Dari  hasil  penelitian  disimpulkan  bahwa ukuran  atau  dimensi  dari  sudu  yang  terbaik
adalah  radius 80 yang  sangat mempengaruhi daya  generator  atau  listrik  yang  dihasilkan. Pada  dasarnya  ukuran  radius  sudu  tidak terlalu  mempengaruhi  daya  turbin  untuk menyerap angin akan tetapi bisa berpengaruh pada  saat  turbin  diberi  beban  generator. Pengaruh  lainnya  adalah  adanya  rasio  yang besar  dari  transmisi  antara  turbin  dengan generator yakni 6 : 1.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Rudianto  D.T,  Ahmadi N.  2016.
RancangBangunTurbinAnginSavonius 200 Watt. Seminar NasionalTeknologiInformasidanKedirgan taraan  (SENATIK).  Vol  :2.  Hal  :  71-75. Yogyakarta. [2] Farid.
A. 2014. OptimasiDayaTurbinAnginSavoniusdeng anVariasiCelahdanPerubahanJumlahSudu . Prosiding SNST ke-5 FakultasTeknikUniversitas Wahid Hasyim. Vol : 5. Hal : 18-23. Semarang. [3] M.Haydarul. H, Nugroho. G, Musyafa'.A. 2013. RancangBangunTurbinAnginVertikalJeni sSavoniusdenganVariasiJumlah Blade Terintegrasi Circular Shield untukMemperolehdayaMaksimum. JurnalTeknik POMITS .; Vol : 7. Hal :1-6.
Bandung.
[4] Mohamed  Hasan  A.M.  2011.  Design Optimazation  of  Savonius  and  Wells Turbines.Disertasi. University
of Magdeburg, Magdeburg; [5] Sumiati. R.Juni 2012. PengujianTurbinAnginSavoniusTipe U
sudu  di  LokasiPantai  Air  Tawar  Padang.
JurnalTeknikMesinPoliteknikNegeri
Padang. Vol : 1(1). Hal :26-32. Padang.
[6] Zulfikardkk.
2011. KajianEksperimentalPengaruhJumlahSud uTerhadap Torsi danPutaranTurbinSavonius Type
U.
JurnalTeknikMesinPoliteknikNegeri Padang. Vol : 8 (2). Hal : 13-21. Padang.
[7] BurcinDeda  A.  2008.  An  Experimental study on improvement of a savonius rotor performance with curtaining. Experimental Thermal and Fluid Science. Vol : 32. Hal : 1637-1678. [8] Aji, Riangga. 2011. PengaruhVariasiTinggiSuduTerhadapPer formansiVertikal  Axis  Wind  Turbine JenisSavonius Type- U. TesisJurusanTeknikMesinFakultasTeknik UniversitasBrawijaya. Malang.
[9] White F.M. 2005. MekanikaFluida. Jilid 3. EdisiKedua. PenerbitErlangga, Jakarta.
[10] Nakhoda Y.I. 2015. Rancang Bangun Kincir Angin Sumbu Vertikal
Pembangkit  Tenaga  Listrik  Portabel. Seminar  Nasional  Sains  dan  Teknologi Terapan.  Vol  :  3.  Hal  :  59-67.  Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya.