## Prototipe Turbin Angin Savonius Variasi Extra Layers dengan Pengujian Real Wind Condition

## Yudi Kurniawan*, Ida Bagus Dharmawan, Zulkifli
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Balikpapan Balikpapan, 76125, Indonesia
* Email : yudi.kurniawan@poltekba.ac.id

## Abstrak
Energi  angin  merupakan  energi  baru  terbarukan  yang  bersih,  ramah  lingkungan,  dan  mudah  diperoleh.  Kota Balikpapan  sangat  cocok  untuk  mengaplikasi  turbin  angin  Savonius  karena  memiliki  kecepatan  angin  rata-rata 2,91 m/s. Turbin angin Savonius merupakan turbin yang terdiri dari dua sudu cekung dan cembung yang bekerja berdasarkan gaya drag . Turbin angin Savonius dapat memanfaatkan energi angin dengan kecepatan rendah < 2 m/s  untuk  dapat  dikonversi  menjadi  energi  listrik  yang  dapat  mengurangi  beban  listrik  didaerah  perkotaan. Penelitian ini bertujuan  membuat prototipe turbin angin Savonius dengan variasi penambahan extra layer pada sudu cekung turbin. Metode pengujian eksperimen menggunakan generator yang dipasangkan pada shaft turbin dan pengujian dilakukan di area terbuka (gedung bertingkat).  Kecepatan angin  yang digunakan pada penelitian ini adalah 1,9 – 5,1 m/s. Hasil yang diperoleh adalah prototipe turbin angin Savonius mampu menghasilkan daya aktual  0,76  Watt  dan  koefisien  daya  0,082.  Penambahan extra  layer pada  kedua  ujung  sudu  cekung  turbin terbukti mampu meningkatkan performa turbin angin Savonius.
Kata kunci :  prototipe, turbin angin, savonius, extra layer

## Prototype Savonius Wind Turbine Extra Layers Variation With Experiment Real Wind Condition

## Abstract
Wind energy is renewable energy that is clean, environmentally friendly and easy to obtain. Balikpapan City is very suitable for applying the Savonius wind turbine because it has a relatively average wind speed is 2.91 m/s. Savonius wind turbine consist of two concave and convex blades that work based on drag forces. Savonius wind turbine can utilize wind energy at low speed < 2 m/s to be converted into electrical energy which can reduce the electrical load in urban areas. This research makes a prototype of the Savonius wind turbine with the addition of variations  extra  layer  on  the  concave  turbine blades.  The  test  method  uses  a  generator  that  is  attached  to  the turbine  shaft  and  the  test  is  carried  out  in  a  multi-storey  building  area.  The  results  obtained  are  the  Savonius wind  turbine  prototype  capable  of  producing  actual  power  0.76  Watt  and  power  coefficient  is  0.082.  The addition of an extra layer at both tips of the turbine concave blades is proven to improve the performance of the Savonius wind turbine.
Keywords: prototype, wind turbine, savonius, extra layers.

## 1. Pendahuluan
Kelangkaan  dan  menipisnya  bahan  bakar  fosil mendorong pemerintah  untuk  menggalakan  pemanfaatan energi  alternatif  yang  dikenal  dengan  energi  baru terbarukan. Energi angin merupakan salah satu energi baru terbarukan yang sangat sederhana dan mudah dimanfaatkan.  Energi  angin  adalah  energi  potensial  dari alam  yang  terbentuk  karena  perbedaan  suhu  dan perbedaan  tekanan  udara  sehingga  mengalir  menjadi energi kinetik angin [1], [2].
Kondisi  saat  ini  banyak  negara  maju  dan berkembang  memanfaatkan  sumber  energi  angin  dari alam untuk dikonversi menjadi energi listrik salah satunya adalah Indonesia. Indonesia berpotensi untuk mengembangkan  energi  angin  dikarenakan  memiliki kecepatan  angin  rata-rata  5  m/s  [3].  Kota  Balikpapan memiliki  karakteristik  wilayah  yang  cukup  unik  karena ketinggian wilayah dengan permukaan air laut berkisar 0- 80  meter.  Hal  tersebut  menjadi  unsur  yang  berpengaruh
pada  perubahan  iklim  kota  Balikpapan  yang  tidak menentu.  Kecepatan  angin  rata-rata  kota  Balikpapan adalah  mencapai  2,91  m/s  [4]  sehingga  sangat  cocok untuk  pemanfaatan  energi  angin  dengan  menggunakan turbin  angin  sumbu  vertikal  khususnya  turbin  Savonius. Turbin  angin  Savonius  diperkenalkan  oleh  Sigurd Johannes Savonius pada tahun 1920 [5]. Turbin Savonius (Gambar 1) terdiri dari 2 sisi sudu cekung dan cembung yang bekerja berdasarkan gaya drag [6].
Gambar 1. Turbin angin tipe Savonius [7]
Turbin Savonius dapat mengekstrak energi kinetik angin < 2 m/s dan dari segala arah angin sehingga sangat cocok diaplikasikan di area perkotaan khususnya gedung bertingkat.  Turbin  Savonius  memiliki  kekurangan  yaitu memiliki  nilai  efisiensi  yang  rendah.  Secara  teoritik efisiensi maksimal yang dapat dihasilkan turbin Savonius adalah  19,3%  [8].  Oleh  karena  itu,  berbagai  riset dikembangkan  untuk  dapat  meningkatkan  performa  dari turbin Savonius.
Sharma  [9]  telah  melakukan  penambangan tentang  penelitian  pada  turbin  angin  Savonius . Penelitian  secara  simulasi  dengan  memodifikasi sudu cekung dengan menambahkan multiple quarter yang  dipasang  sejajar  mampu  meningkatkan koefisien  daya  13,69%  pada  kecepatan  angin  9,21 m/s dibandingkan dengan turbin Savonius konvensional.  Pada  tahun  berikutnya,  Sharma  [10] kembali  mengembangkan  desain  turbin  Savonius dengan  menambahkan  beberapa  miniatur  lapisan  di dalam  sudu  cekung  turbin.  Dengan  melakukan pengujian secara simulasi, koefisien daya (C P ) turbin maksimum  dicapai  pada  0,226  pada  kecepatan  8,23 m/s.
Kurniawan [7] melakukan penelitian terhadap turbin  Savonius  dengan  metode  pengujian  secara eksperimen.  Pengujian  dilakukan  dengan  4 blower fan yang  dihadapkan  pada  turbin  sebagai  sumber energi  angin.  Pada  penelitian  ini  turbin  Savonius divariasikan  dengan  penambahan  layer  (lapisan sudu) single dan double . Kemudian turbin Savonius dengan  penambahan  layer  dikombinasikan  dengan variasi  overlap  ratio  10%  dan  15%.  Koefisien  daya (C P )  0,12  pada Tip  Speed  Ratio (TSR)  0,428 dihasilkan oleh turbin Savonius dengan double layer dan  overlap  ratio  10%.  Selain  itu,  berdasarkan pengujian  statis  torsi  yang  dilakukan  membuktikan bahwa  turbin  Sovonius  dengan  double  layer  dan overlap ratio 10% memperolah CT maksimum yaitu 0,312.
Penelitian  secara  eksperimen  terhadap  turbin angin  Savonius  dilakukan  oleh  Kurniawan  [11]. Desain  turbin  yang  digunakan  pada  penelitian  ini adalah  turbin  Savonius  dengan  penambahan  ukuran
multiple layer yang membentuk sudut 90 ⁰ , 115 ⁰ dan 135 ⁰ .  Kemudian  variasi  dikombinasikan  dengan pergeseran  posisi multiple  layer 0 ⁰ dan  30 ⁰ . Kombinasi  turbin  Savonius  dengan multiple  layer 90 ⁰ dan  pergeseran  posisi  layer  0 ⁰ mampu meningkatkan  C P hingga  17,6%  dibandingkan dengan  turbin  Savonius  konvensional.  Ukuran  dan posisi dari multiple layer sangat mempengaruhi dari performa turbin yang dihasikan.
Penelitian ini membuat prototipe turbin angin Savonius  dengan  variasi extra  layers pada  sudu cekung mendekati ujung sudu turbin. Pengujian real wind  condition dilakukan  dengan  tujuan  agar  dapat menganalisa  langsung  karakteristik prototype turbin Savonius

## 2. Metode Penelitian
Penelitian  ini  mengunakan  prototipe  turbin angin  Savonius  dengan  variasi extra  layers pada sudu  cekung  mendekati  ujung  sudu  turbin. Pembuatan prototipe turbin  Savonius adalah dengan menggunakan material plat aluminium tebal 1,2 mm. Turbin dengan tinggi (H) = 400 mm, Diameter (D) = 400  mm,  aspek  rasio  (H/D)  =  1  dan  overlap  rasio 10%  dibuat  dengan  proses cuttin g  dan roller material tersebut (Gambar 2).
Gambar 2. Turbin angin tipe Savonius dengan extra layers
Pengujian  dilakukan  dengan real  wind condition di  gedung  bertingkat.  Kecepatan  angin diukur dengan Anemometer selama 10 menit. Selain itu,  alat  yang  digunakan  saat  melakukan  pengujian adalah  tachometer,  generator  DC,  multimeter,  dan rangkaian pembebanan (Gambar 3).
Gambar 3. Prototipe turbin angin Savonius
Beberapa  parameter  penting  yang  dapat menunjukkan  performance  dari  turbin  angin  di antaranya  daya  aktual,  kofisien  daya  (C P ),  dan Tip speed  ratio (TSR).  C P menunjukkan  persentasi  dari energi  kinetik  angin  dengan  energi  listrik  yang dihasilkan.
P = V x I (1) = (2)
Tip  speed  ratio (TSR)  merupakan  perbandingan antara  kecepatan  tangensial  yang  dihasilkan  sudu dengan kecepatan angin yang tersedia.
TSR = = (3)
Dimana,
C P = Koefisien daya
P = Daya aktual (Watt) P A = Daya teoritis (Watt) A = Luar area sapuan (m 2 )
ρ = Density udara (kg/m 3 )
V = Kecepatan (m/s) R = Radius Turbin (m)
= Kecepatan anguler (rad/s)
N = Kecepatan turbin (rpm) = Tip Speed Ratio

## 3.   Hasil dan Pembahasan
Data  yang  telah  diperoleh  dari  hasil  pengujian prototipe  turbin  angin  Savonius  dengan real  wind condition dilakukan  pengolahan  data  sehingga  dapat disajikan dalam bentuk tabel dan grafik. Pada penelitian ini  dilakukan  penambahan  variasi extra  layer pada ujung  sudu  cekung  pada  prototipe  turbin  angin Savonius konvensional.  Pengujian dilakukan di atas gedung  bertingkat  untuk  memperoleh  pengujian dengan real  wind  condition ,  tanpa  sumber  angin buatan.  Kecepatan  angin  rata-rata  yang  digunakan pada penelitian ini adalah 1,9 m/s – 5,1 m/s. Tabel 1 menunjukkan  hasil  pengujian  yang  diperoleh  pada penelitian ini.
Tabel 1. Data pengujian prototipe turbin Savonius
Daya  aktual  merupakan  daya  yang  dapat dihasilkan  oleh  turbin  yang  berputar  akibat tumbukan dengan fluida. Daya  aktual diperoleh dari pengukuran output generator dan rangkaian pembebanan  yaitu  berupa  tegangan  (V)  dan  arus listrik  (I).  Data  kecepatan  putaran  turbin  (rpm) didapatkan dengan menggunakan tachometer, sedangkan  untuk  memperoleh  data  kecepatan  angin menggunakan alat ukur anemometer. Untuk membuat proses analisa hubungan antara perubahan kecepatan angin terhadap daya aktual yang diperoleh menjadi  lebih  mudah  maka  data  ditampilkan  dalam bentuk grafik.
Generator DC
Gambar 4. Hubungan kecepatan angin dengan daya aktual Kecepatan angin memiliki pengaruh mendalam terhadap daya yang dihasilkan oleh turbin angin  [5].  Idealnya,  grafik  dari  variasi  kecepatan angin terhadap daya memiliki bentuk cubic . Namun, dalam  praktiknya,  dapat  membentuk  seperti linear, quadratic, cubic dan lain-lain. Gambar 4 menunjukan  hubungan  antara  variasi  kecepatan angin  terhadap  daya  aktual  yang  diperoleh.  Daya aktual yang dihasilkan oleh turbin meningkat seiring dengan  meningkatnya  kecepatan  angin.  Daya  aktual tertinggi dihasilkan adalah 0,76 Watt pada kecepatan angin  rata-rata  5,1  m/s,  sedangkan  turbin  memulai berputar  pada  kecepatan  angin  1,9  m/s.  Pada kecepatan  angin  2  m/s,  generator  mulai  diberikan pembebanan awal, hasilnya memperoleh daya aktual 0,01 Watt.
Energi  yang  terdapat  pada  fluida  tidak  dapat diserap sepenuhnya oleh turbin  [5]. Sebagian energi yang  tersimpan  di  dalam  fluida  terbuang  ketika fluida  tersebut  melewati  turbin.  Oleh  karena  itu, daya  aktual  yang  mampu  dihasilkan  oleh  turbin dibandingkan  dengan  daya  yang  tersedia  secara teoritis, perbandingan ini disebut koefisien daya  C P . Pada  beberapa  literatur  sebelumnya,  nilai  C P yang diperoleh  pada  TSR  tertentu  digunakan  untuk mengukur performa suatu turbin [9], [10], [13].
Gambar 5. Hubungan koefisien daya dengan TSR
Gambar  5.  menunjukan  hubungan  antara koefisien  daya  (Cp)  dengan tip  speed  ratio (TSR). Grafik  dari  turbin  angin  Savonius  pada  Gambar  5 membentuk  kurva  parabola.  Nilai  koefisien  daya cenderung  meningkat  dengan  bertambahnya  TSR, kemudian  setelah  mencapai  Cp  maksimum  pada TSR  optimum,  nilai  Cp  cenderung  menurun  seiring dengan  TSR  yang  semakin  bertambah    [13],  [14]. Pengujian  prototipe  turbin  Savonius  dengan extra layer mampu menghasilkan C P maksimal 0,082 pada TSR 0,36.  C P minimum  yaitu 0,018 dihasilkan pada TSR 0,81.
Setelah melakukan pengujian dan pengolahan data  prototipe  turbin  Savonius  dengan extra  layer , data  tersebut  akan  dibandingkan  dengan  data  hasil penelitian  Kurniawan  [7].  Penelitian  terdahulu melakukan  pengujian  secara  eksperimental  skala laboratorium  terhadap  turbin  Savonius.  Pada penelitian  tersebut  menggunakan  4 blower  fan sebagai  sumber  angin  buatan  yang  disejajarkan dengan  jarak  1  meter  terhadap  turbin.  Kecepatan angin  rata-rata  yang  digunakan  adalah    6,46,  6,99 dan 7,27 m/s.
Gambar  6. Perbandingan  C P dengan  TSR  prototipe terhadap penelitian sebelumnya.
Gambar  6.  menunjukan  perbanding  antara koefisien  daya  (C P )  dengan tip  speed  ratio (TSR) prototipe  turbin  Savonius  yang  dilakukan real  wind condition terhadap  penelitian  sebelumnya.  Kedua grafik  dari  turbin  angin  Savonius  baik  secara eksperimen  maupun  prototipe  membentuk  kurva parabola.  Nilai  koefisien  daya  (C P )  pada  penelitian Kurniawan  [7]  lebih  tinggi  dibandingkan  hasil pengujian  prototipe  pada  penelitian  ini.  C P maksimum  yang  mampu  di  peroleh  pada  penelitian Kurniawan    [7]  adalah  0,12  pada  TSR  0,42 sedangkan  C P yang  dihasilkan pada  pengujian prototipe 0,082 pada TSR 0,36. Kedua penelitian ini memiliki  kesamaan  pada  C P maksimum  yang dihasilkan yaitu pada TSR 0,3 – 0,5.
Pada  penelitian  ini  cenderung  memperoleh performa  yang  kurang  baik  dibandingkan  dengan penelitian  Kurniawan  [7]  dikarenakan  kecepatan
input  angin  lebih  kecil  dan  angin  yang  datang  dari berbagai  arah,  sehingga  angin  tidak  konstan menumbuk  sudu  untuk  dapat  memutar  turbin. Penelitian kurniawan [7] menggunakan 4 blower fan yang  dihadapkan  sejajar  dengan  turbin  sehingga sudu  turbin  fokus  menerima  kecepatan  aliran  angin yang  konstan  dan  angin  yang  datang  dari  satu  arah saja,  tetapi  bila  dibandingkan  dengan  performa turbin  Savonius  konvensional,  variasi  penambahan extra layer terbukti mampu meningkatkan perfomasi dari  turbin.  Hal  ini  dikarenakan    prototipe  turbin angin  Savonius  dengan  variasi  penambahan extra layer pada  bagian  ujung  sudu  cekung  dapat membantu  mempercepat  mengalirkan  aliran  fluida dari  sudu  cekung  1  ke  sudu  cekung  lainnya akibatnya  dapat  meningkatkan  torsi  positif  pada sudu  cekung.  Selain  itu,  penambahan  objek penghambat  aliran  angin  pada  sudu  cekung  turbin Savonius  akan  berpengaruh  pada  naiknya  nilai koefisien drag .  Meningkatnya  koefisien  drag  sangat berpengaruh  terhadap  performa  turbin  Savonius  [7]. Kenaikan  torsi  positif  dan  gaya drag terbukti  dapat meningkatkan  performa  dari  prototipe  turbin  angin Savonius  dibandingkan  turbin  angin  Savonius konvensional.

## 4.   Kesimpulan
Prototipe turbin  angin  Savonius  dengan  extra  layer  yang dilakukan  pengujian  kondisi  angin  nyata  menghasilkan daya  aktual  maksimum  0,76  Watt  pada  kecepatan angin  rata-rata  5,1  m/s.    C P maksimal  yang  mampu diperoleh adalah 0,082 pada TSR 0,36. Penambahan extra  layer  pada  sudu  cekung  turbin  dapat meningkatkan  torsi  positif  dan  gaya drag sehingga juga  berpengaruh  terhadap  peningkatan  performa dari turbin angin Savonius.
R eferensi
[1]  Y.  Kurniawan,  D.M.  Kurniawati  dan  D.D.D.P. Tjahjana,  “Studi  Eksperimental  Pengaruh Aspek  Rasio  Terhadap  Unjuk  Kerja  Turbin Angin  Crossflow” ,  SNITT  Politeknik  Negeri Balikpapan ,  Isbn:  978-602-51450-1-8,  P63, 2018.
[2]  Y.  Kurniawan  dan  D.D.D.P.  Tjahjana,  “Studi Eksperimental Pengaruh
Jumlah Sudu Terhadap Unjuk Kerja Turbin Angin Crossflow, SNITT Politeknik Negeri Balikpapan , Isbn: 978-602-51450-1-8, P62.
[3]  S.  Pakpahan,  Peta  Potensi  SDA  Indonesia  : Orasi  Ilmiah  Pengukuhan  Ahli  Peneliti  Utama Bidang  Instrumentasi  dan  Pengolahan  Data Jakarta, 10 Nopember 2003 Lembaga Penerbangan Dan Antariksa Nasional.
[4]  B.F.  Endrawati,  A.  Yusphie,  A.P.  Putri,  M.
Saiful  dan  F.  Robiandi,  Rancang  Bangun  Alat Pendeteksi  Kondisi  Cuaca  Kota  Balikpapan Menggunakan  Global  Navigation  Satellite (GNSS)  Wind  Turbine. SPECTA  Journal  of Technology , Vol. 2, No. 2, July – August 2018.
[5]  S.  Mathew,  “Wind  Energy  Fundamentals, Resource  Analysis  And Economics”. Springer, 2006 .
[6]  M.H.  Mohamed,  G.  Janiga,  E.  Pap  dan  D. Thévenin, “Optimization Of Savonius Turbines Using  An  Obstacle  Shielding  The  Returning Blade”, Renewable  Energy  Journal ,  Vol.  35, No. 11, Pp. 2618–2626, 2010.
[7]  Y.  Kurniawan,  D.D.D.P.  Tjahjana  dan  B. Santoso,  “Experimental  Study  Of  Savonius Wind  Turbine  Performance  With  Blade  Layer Addition”. Journal  Of  Advanced  In  Fluid Mechanich  And  Thermal  Science ,  Vol.69, Vol.1, No. 1, Pp. 23–33, 2020.
[8]  P. Jain, Wind Energy Engineering . 2011.
[9]  S.  Sharma  dan  R.K.  Sharma,  “Performance Improvement  Of  Savonius  Rotor  Using Multiple Quarter Blades – A Cfd Investigation”. Energy Conversion Management , Vol. 127, Pp. 43–54, 2016. [10]  S. Sharma dan R.K. Sharma, “Cfd Investigation  To  Quantify  The  Effect  Of Layered  Multiple  Miniature  Blades  On  The Performance  Of  Savonius  Rotor”. Energy Conversion  Management, Vol.  144,  Pp.  275– 285, 2017.
[11]  Y.  Kurniawan,  D.D.D.P.  Tjahjana  dan  B. Santoso, “Experimental Studies Of
Performance  Savonius  Wind  Turbine  With Variation  Layered  Multiple  Blade”, IOP Cenference  Series:  Earth  And  Environmental Science 541 (2020) 012006.
[12]  A.A.  Al-Maaitah,  “The  Design  Of  The  Banki Wind  Turbine  And  Its  Testing  In  Real  Wind Conditions”. Renewable  Energy  Journal ,  Vol. 3, No. 6, 1993.
[13]  U.K. Saha, S. Thotla dan D. Maity, “Optimum Design  Configuration  Of  Savonius  Rotor Through  Wind  Tunnel  Experiments”. Journal
Wind Engineering And Industrial
Aerodinamics , Vol.  96,  No.  8–9,  Pp.  1359– 1375, 2008.
[14]  S.  Roy  dan  U.K.  Saha,  “Wind  Tunnel Experiments  of  A  Newly  Developed  Two- Bladed Savonius-Style Wind Turbine”. Applied Energy , Vol. 137, Pp. 117–125, 2015.
[15]  M.A.  Kamoji,  S.B.  Kedare  dan  S.V.  Prabhu, “Performance  Tests  On  Helical  Savonius Rotors”. Renewable  Energy  Journal ,  Vol.  34,
No. 3, Pp. 521–529, 2009.