UJI PERFORMANSI TURBIN ANGIN TIPE DARRIEUS-H DENGAN PROFIL SUDU NACA 0018 DAN ANALISA PERBANDINGAN EFISIENSI MENGGUNAKAN VARIASI JUMLAH SUDU DAN SUDUT PITCH
Libert Sijabat 1 ,Farel H. Napitupulu 2 , M. Sabri 3 , Zulkifli Lubis 4 , Andianto Pintoro 5 , Himsar A. 6 Email:libert.sijabat@yahoo.com
1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia

## ABSTRAK
Turbin  angin  merupakan  mesin  dengan  sudu  berputar  yang  mengonversikan  energi  kinetik  angin menjadi  energi  mekanik.  Turbin  angin  Darrieus  H  merupakan  salah  satu  jenis  turbin  angin  sumbu vertikal yang memanfaatkan lift force saat mengekstrak energi kinetik angin, sehingga semakin besar lift force sudu rotor turbin maka efisiensi sudu semakin besar. Objek penelitian ini adalah turbin angin Darrieus H dengan variasi jumlah sudu dan sudut pitch. Adapun profil sudu yaitu sudu airfoil NACA 0018 dengan jumlah sudu 3, ,4 dan 5. Diameter dan tinggi rotor turbin ini adalah 1,5m dan 1,5 m Pada pengujian  ini,  variasi  sudut  pitch  adalah  0 0 ,  2 0 ,  4 0 ,  6 0 ,  8 0 ,  10 0 ,  dan  12 0 .  Hasil  pengujian  dengan menggunakan jumlah sudu 3 lebih efektif dari jumlah sudu 4 dan 5. Jumlah sudu 3, 4 dan 5 masing – masing memiliki efisiensi pada tip speed ratio yaitu
dan Dari  variasi sudut pitch sudu diperoleh bahwa turbin angin dengan jumlah sudu 3 dan 4 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 6 0 , sedangkan turbin angin jumlah sudu 5 buah lebih efektif dalam mengekstrak energi angin pada sudut pitch φ = 8 0 . Daya dan putaran poros turbin untuk masing – masing jumlah sudu dan sudut pitch telah diperhitungkan dalam koefisien daya dan tip speed ratio.

## Keywords: turbin angin Darrieus H, sudu, kecepatan angin, tip speed ratio, efisiensi

## 1.   PENDAHULUAN
Penggunaan bahan bakar fosil selain mengurangi cadangan dalam bumi, juga berdampak pada terjadinya pemanasan global. Karena itu, diperlukan suatu tindakan untuk mencari pengganti sumber bahan  bakar  fosil.  Di  Indonesia,  sebenarnya  cukup  banyak  sumber-sumber  energi  alternatif yang tersedia. Berdasarkan hasil pengkajian, potensi pemanfaatan energi alternatif di Indonesia sangat besar.  Untuk  potensi solar  cell ,  letak  Indonesia  yang  berada  di garis  khatulistiwa  sudah  tidak diragukan lagi dengan potensi sebesar 4 W/m 2 . Sumber energi alternatif lainnya-pun memiliki potensi yang  besar  seperti geothermal dengan  total  potensi  sebesar  19.658  MW, hydro memiliki  total potensi 75.000 MW. Energi angin, Indonesia memiliki potensi sebesar 9.286 MW. [1]
Energi  angin  sebagai  salah  satu  sumber energi  alternatif  terbarukan  merupakan energi  yang mempunyai  potensi cukup  besar  (9,29  GW)  namun  dalam  penggunaan  sekarang  ini  masih  sangat minim yaitu  sekitar  800  kW atau  0,008% dari  potensi  sesungguhnya.  Salah  satu  penyebabnya minimnya  pemanfaatan  energi  angin  adalah  kecepatan  angin  rata-rata  di  wilayah  Indonesia,  yang berkisar hanya antara 2 hingga 5 m/s, tergolong rendah sehingga secara teori sulit untuk menghasilkan energi  listrik  dalam  skala  besar  .  Namun  demikian,  dengan  potensi  angin  di  Indonesia  yang  hampir tersedia  sepanjang  tahun,  pengembangan  sistem  pembangkit  listrik  energi  angin  untuk  skala  kecil sangat  mungkin  untuk  diterapkan.  Energi  angin  merupakan  sumber  energi  yang  ramah  lingkungan. Pembangkitan   energi  angin  tersebut  tidak  menimbulkan  emisi  karbon  dioksida  sehingga ramah lingkungan.  Hal  inilah  yang  mendorong  penulis  untuk  merancang  dan  membuat  turbin  angin skala kecil yang mana perancangan ini dapat digunakan sebagai acuan pembuatan turbin angin untuk memanfaatkan sumber daya yang tersedia khususnya tenaga angin.
Konstruksi  turbin  angin  yang  akan  dikembangkan  oleh  penulis  adalah  turbin  angin  sumbu vertikal Darrieus tipe-H. Keuntungan dari turbin angin ini yaitu: konstruksi turbin yang sedehana dan turbin  ini  menangkap  angin  dari  segala  arah  yang  tegak  lurus  terhadap  sumbu  turbin  angin  tersebut, sehingga  turbin  angin  ini  dapat  bekerja  pada  kondisi  angin  yang  turbulen.  Turbin  angin  Darrieus
menggunakan  sudu  dengan  bentuk  yang  menyerupai  sayap  pesawat,  maka  turbin  angin  ini memanfatkan  gaya  angkat  yang  dihasilkan  oleh  angin.  Karena  turbin  angin  ini  memanfaatkan  gaya angkat,  maka  kecepatan  putaran  turbin  angin  ini  bisa  lebih  besar  dari  kecepatan  angin  di  sekitar, sehingga efisiensi untuk mengekstrak energi angin menjadi lebih besar. Konstruksi turbin angin yang dikembangkan penulis dapat berputar pada kecepatan angin 3,85 m/s. Nantinya hasil rancangan yang dikembangkan oleh penulis diharapkan dapat digunakan di daerah Kamanggih, Nusa Tenggara Timur. Dimana di daerah Kamanggih kecepatan angin rata-rata sebesar 3,9 m/s. [2]
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Turbin angin Darrieus tipe-H dengan spesifikasi Diameter rotor : 1,5 m Tinggi rotor : 1,5 m Profil sudu : NACA 0018 2. Variasi dalam pengujian adalah: Jumlah sudu : 3, 4, 5 Sudut pitch (Φ)
: 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12
3. Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  angin  buatan  yang  dihembuskan  oleh  kipas  agar kecepatan angin yang didapatkan konstan sebesar 3,85 m/s.

## 2.   TINJAUAN PUSTAKA
Energi  merupakan  suatu  kekuatan  yang  dimiliki  oleh  suatu  zat  sehingga  zat  tersebut mempunyai  pengaruh  pada  keadaan  sekitarnya.  Energi  angin  adalah  energi  yang  terkandung  pada massa  udara  yang  bergerak.  Energi  angin  berasal  dari  energi  matahari.  Pemanasan  bumi  oleh  sinar matahari  menyebabkan  perbedaan  massa  jenis  (ρ)  udara.  Perbedaan  massa  jenis  ini  menyebabkan perbedaan tekanan pada udara sehingga akan terjadi aliran fluida dan menghasilkan angin.

## TURBIN ANGIN
Turbin  angin adalah sebuah  alat  yang  memanfaatkan energi  kinetik  angin  dan  mengubahnya kedalam bentuk energi gerak putaran rotor dan poros generator untuk menghasilkan energi listrik.
Berdasarkan arah sumbu geraknya, turbin angin terbagi menjadi 2, yaitu:
1. Turbin angin sumbu horizontal
Turbin angin sumbu horizontal mempunyai sumbu putar yang terletak sejajar dengan permukaan tanah dan sumbu putar rotor yang searah dengan arah angin.
2. Turbin angin sumbu vertikal
Turbin  angin  poros  vertikal  memiliki  ciri  utama  yaitu  keberadaan  poros  tegak  lurus  terhadap  arah aliran angin atau tegak lurus terhadap permukaan tanah.

## TURBIN ANGIN DARRIEUS H
Turbin  tipe  H  adalah  variasi  dari  tipe  Darrieus.  Keduanya  sama-sama  menggunakan  prinsip gaya angkat untuk menggerakkan sudu. Tipe H jauh lebih simpel dari tipe Darrieus. Bila tipe Darrieus menggunakan  bilah  yang  ditekuk,  maka  tipe  H  menggunakan  bilah  lurus.  Bilah  ini  dihubungkan  ke poros menggunakan batang atau lengan, kemudian poros langsung dihubungkan dengan generator.

## AIRFOIL
Airfoil NACA ( National Advisory Committee for Aeronautics ) adalah salah satu bentuk bodi aerodinamika  sederhana  yang  berguna  untuk  dapat  memberikan  gaya  angkat  tertentu  terhadap  suatu bodi lainnya  dan  dengan  bantuan  penyelesaian  matematis  sangat  memungkinkan  untuk  memprediksi berapa  besarnya  gaya  angkat  yang  dihasilkan  oleh  suatu  bodi airfoil .  Geometri airfoil memiliki pengaruh  besar  terhadap  karakteristik  aerodinamika  dengan  parameter  penting  berupa  CL,  dan kemudian akan terkait dengan lift. [3]

## Gambar 2.1 NACA airfoil geometry

## Gaya Aerodinamik Pada Turbin Angin
Pada sudu turbin angin akan terjadi tegangan geser pada permukaannya ketika kontak dengan udara.  Distribusi  tegangan  geser  pada  permukaan  sudu  ini  dipresentasi  dengan  adanya  gaya  tekan ( drag ) yang arahnya sejajar dengan arah aliran fluida dan gaya angkat ( lift ) yang arahnya tegak lurus dari arah aliran fluida. Kedua gaya ini menyebabkan sudu dapat berputar. Kedua gaya ini dipengaruhi oleh bentuk sudu, luas permukaan bidang sentuh, sudut serang, dan kecepatan angin.[4]

## Gambar 2.2 Penampang Sudu

## Power Coefficient dan Tip Speed Ratio
Power Coefficient (C p ) adalah perbandingan antara daya yang dihasilkan secara mekanik pada sudu  akibat  gaya  angin  terhadap  daya  yang  dihasilkan  oleh  gaya  lift  pada  aliran  udara.[5]  Secara matematis, hubungan ini dapat dituliskan:
              +               − = = 1 2 1 2 0 2 1 1 2 1 v v v v P P C P
Dimana: Cp = koefisien daya P = daya mekanik yang dihasilkan rotor (watt) P 0 = daya mekanik total yang terkandung dalam angin yang melalui sudu (watt)
ρ = massa jenis udara (kg/m 2 ) A = luas penampang bidang putar sudu (m 2 ) v 1 = kecepatan aliran udara sebelum melewati sudu rotor (m/s) v 2 = kecepatan aliran udara setelah melewati sudu rotor (m/s)
Gambar 2.3 Pemodelan Betz’ untuk aliran angin
Power coefficient bergantung pada rasio antara komponen energi gerak putar sudu dan gerak rotasi  pada  aliran  udara.  Rasio  ini  didefinisikan  sebagai  kecepatan  tangensial  sudu  rotor  terhadap
kecepatan  angin  dan  didefenisikan  sebagai tip  speed ratio (λ),  yang  secara  umum  direkomendasikan pada kecepatan tangensial dari ujung sudu.[4]
Tip speed ratio , v dn 60   =
dimana d adalah diameter sudu, n adalah putaran rotor atau sudu, dan v adalah kecepatan angin.
Gambar 2.4 Kurva hubungan Tip speed ratio (λ) terhadap rotor power coefficient (C PR ) pada berbagai jumlah sudu
Gambar  2.5    Kurva  hubungan Tip-speed  ratio terhadap Rotor  power  coefficient (C PR )  pada  berbagai jenis turbin angin

## 3.   METODOLOGI PENELITIAN
Uji  performansi  turbin  angin  Darrieus  H  dengan  profil  sudu  NACA  0018  dilakukan  di  lantai  4 gedung Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengujian dilakukan dengan  menggunakan  kipas  agar  didapatkan  kecepatan  angin  konstan.  Adapun  persiapan-persiapan yang dilakukan sebelum pengujian turbin angin yaitu:
• Memasang rotor turbin dengan variasi 3, 4, dan 5 sudu. Tiap variasi sudu divariasikan sudut pitch (Φ) 0 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0 ,8 0 ,10 0 , dan 12 0 .
• Melakukan  inspeksi  pada  setiap  objek  penelitian  dan  alat  pengujian,  apakah  alat  dapat berfungsi sesuai dengan fungsinya.
• Menjalankan fan untuk  menentukan  titik  dimana  kecepatan  angin  sesuai  dengan  data kecepatan angin untuk pengujian.
• Menempatkan  turbin  angin  pada  titik  dimana  kecepatan  angin  sesuai  dengan  rencana  dan diposisikan sejajar dengan fan .
• Melihat  kondisi  lingkungan  apakah  kondisi  pengujian  dapat  dilakukan  untuk  mendapatkan hasil yang optimal.
Setelah kelima poin tahap persiapan di atas terpenuhi, pengujian dan pengambilan data dapat dilakukan. Tahap – tahap pengujian dan pengambilan data meliputi:
1. Turbin  angin  dengan  tiga  sudu  yang  siap  uji  ditempatkan  pada  titik  angin  yang  telah ditentukan sebelumnya.
2. Disiapkan fan ditempat dudukannya ( base fan ) dan dipastikan aman.
3. Fan dijalankan  untuk  menghasilkan  angin  dengan  kecepatan  tertentu  sesuai  kecepatan  angin pengujian.
4. Setelah putaran rotor turbin kelihatan stabil, pengambilan data dapat dilakukan yaitu membaca angka  nominal  yang  tertera  pada  alat  ukur.  Pada  pengujian  pertama  dilakukan  tanpa menggunakan beban. Adapun data yang diambil meliputi tegangan yang dihasilkan generator, putaran poros rotor turbin/putaran poros generator. Setelah pengambilan data dilakukan semua alat  di- off- kan  untuk  menghindari  hal  –  hal  tidak  diinginkan,  seperti  motor  listrik  terbakar karena terlalu panas.
5. Kemudian  pada  kondisi  turbin  yang  sama,  pengujian  dilakukan  dengan  beban.  Beban  yang digunakan adalah beban lampu sebesar 3, 5, dan 10 watt. Pada saat pengujian dengan beban dicatat arus listrik dan tegangan listrik yang terbaca pada alat ukur.
6. Pada saat pencatatan pada setiap alat ukur, dilakukan pembacaan nilai pada alat ukur sebanyak 10 kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih maksimal dan diambil rata – rata karena fluktuasi yang terjadi pada saat pembacaan pengukuran.
7. Dengan  cara  yang  sama  pada  poin  satu  sampai  enam,  pengujian  untuk  selanjutnya  dengan variasi jumlah sudu, sudut pitch (Φ), dan beban.
Dari hasil pengujian ini akan didapatkan data yang dapat memberikan kesimpulan sementara pada  saat  keadaan  bagaimanakah  jumlah  sudu  dan  sudut  serang  sudu  yang  lebih  efektif  dalam memanfaatkan potensi angin yang ada.

## 4.   HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  penelitian  ini  digunakan  kipas  untuk  mendapatkan  kecepatan  angin  sebesar  3,85  m/s. Berikut merupakan gambar pengukuran kecepatan angin pada penelitian ini:
Gambar.4.1 Pengukuran kecepatan angin
Berikut merupakan grafik hasil pengujian pada penelitian ini:
Gambar 4.2 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah
Dari  grafik  pengujian  turbin  angin  dengan  sudu  3  buah  dapat  dilihat  pada  TSR  ( Tip  Speed Ratio )  0,79  efisiensi  maksimum  sebesar  16,56%  yaitu  pada  pengujian  dengan  pembebanan  lampu sebesar 10 W.
Gambar 4.3 Grafik pengaruh sudut pitch (Φ) terhadap efisiensi turbin angin
Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah
Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 3 buah dapat dilihat pada sudut pitch (Φ) 6 0 efisiensi maksimum sebesar 16,56% yaitu pada pengujian dengan pembebanan lampu sebesar 10 W.
Gambar 4.4 Grafik pengaruh sudut pitch (Φ) terhadap tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 3 buah
Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 3 buah dapat dilihat pada sudut pitch (Φ) 6 0 TSR  ( Tip  Speed  Ratio )  mencapai  nilai  maksimum  sebesar  1,29  yaitu  pada  pengujian  dengan pembebanan lampu sebesar 3 W.
Gambar 4.5 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah
Dari  grafik  pengujian  turbin  angin  dengan  sudu  4  buah  dapat  dilihat  pada  TSR  ( Tip  Speed Ratio )  0,77  efisiensi  maksimum  sebesar  16,18%  yaitu  pada  pengujian  dengan  pembebanan  lampu sebesar 10 W.
Gambar 4.6 Grafik pengaruh sudut pitch (Φ) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah
Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 4 buah dapat dilihat pada sudut pitch (Φ) 6 0 efisiensi maksimum sebesar 16,18% yaitu pada pengujian dengan pembebanan lampu sebesar 10 W.
Gambar 4.7 Grafik pengaruh sudut pitch (Φ) terhadap tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 4 buah
Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 4 buah dapat dilihat pada sudut pitch (Φ) 6 0 TSR  ( Tip  Speed  Ratio )  mencapai  nilai  maksimum  sebesar  1,21  yaitu  pada  pengujian  dengan pembebanan lampu sebesar 3 W.
Gambar 4.8 Grafik pengaruh tip speed ratio terhadap efisiensi turbin angin darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah
Dari  grafik  pengujian  turbin  angin  dengan  sudu  5  buah  dapat  dilihat  pada  TSR  ( Tip  Speed Ratio )  1,11  efisiensi  maksimum  sebesar  13,09%  yaitu  pada  pengujian  dengan  pembebanan  lampu sebesar 5 W.
Gambar 4.9 Grafik pengaruh sudut pitch (Φ) terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah
Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 5 buah dapat dilihat pada sudut pitch (Φ) 8 0 efisiensi maksimum sebesar 13,09% yaitu pada pengujian dengan pembebanan lampu sebesar 5 W.
Gambar 4.10 Grafik pengaruh sudut pitch (Φ) terhadap tip speed ratio turbin angin Darrieus H dengan jumlah sudu 5 buah
Dari grafik pengujian turbin angin dengan sudu 4 buah dapat dilihat pada sudut pitch (Φ) 8 0 TSR  ( Tip  Speed  Ratio )  mencapai  nilai  maksimum  sebesar  1,16  yaitu  pada  pengujian  dengan pembebanan lampu sebesar 3 W.
Gambar 4.11 Grafik pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi turbin angin Darrieus H
Dari grafik dapat dilihat pada jumlah sudu 3 buah efisiensi maksimum sebesar 16,56% pada pembebanan  sebesar  10  W  dan  semakin  banyak  jumlah  sudu  maka  efisiensi  semakin  mengalami penurunan.

## 5.   KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN
Dari hasil pengujian turbin angin Darrieus H yang telah dilaksanakan, didapat kesimpulan Turbin angin dengan jumlah sudu 3 buah lebih efisien mengekstrak energi angin daripada turbin angin dengan jumlah sudu 4 buah dan 5 buah. Efisiensi maksimum untuk tiap jumlah sudu yaitu:
• 3 sudu, η max = 16,56 %
• 4 sudu, η max = 16,18 %
• 5 sudu, η max = 13,03 %
Dengan penurunan putaran dari tanpa beban ke beban 10 W @ η max : • 3 sudu, dari n ave = 86.7 rpm → n ave = 38.6 rpm (turun 55.48%)
• 4 sudu, dari n ave = 77.9 rpm → n ave = 37.8 rpm (turun 51.48%)
• 5 sudu, dari n ave = 76.1 rpm → n ave = 34.0 rpm (turun 55.32%)
Turbin  angin  dengan  profil  sudu  NACA  0018  lebih  efektif  mengekstrak  energi  angin  pada sudut serang lokal (local angle of attack) yang relatif rendah, hal ini disebabkan oleh berubahnya nilai sudut serang sebagai fungsi dari sudut azimuth (θ). Efisiensi maksimum untuk jumlah sudu 3 dan 4 buah pada sudut pitch (Φ) = 6 0 sementara untuk jumlah sudu 5 buah efisiensi maksimum pada sudut pitch (Φ) = 8 0 .

## SARAN
Pada saat penelitian selanjutnya sebaiknya lebih teliti lagi pada saat fabrikasi agar tidak terlalu banyak  kerugian-kerugian  akibat  kesalahan  fabrikasi.  Perlu  diteliti  pengaruh  material  sudu  terhadap efisiensi  turbin  seperti  dengan  menggunakan  fiber,  kayu,  atau  material  lainnya.  Pada  saat  pengujian dilakukan dengan menggunakan wind tunnel agar didapat hasil yang lebih akurat pada saat pengujian.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] KESDM. 2010. Indonesia Energy Outlook 2010 . Jakarta
[2] http://majalahenergi.com
[3] http://michaelsuseno.blogspot.co m/2011/09/airfoil [4]   Hau, Eric. 2006. Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Applications, Economics . Edisi 2. Springer: Berlin, Germany
[5] Twidell, John dan Tony Weir. 2006. Renewable Energy Resource. Second Edition. New York : Taylor and Francis Group.