## STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI SUDUT BLADE ARC TERHADAP PERFORMA SAVONIUS HORIZONTAL AXIS WATER TURBINE TIPE L PADA ALIRAN DALAM PIPA
Muhammad Ilham Nadhief 1 , Syamsul Hadi 1 , Dominicus Danardono Dwi Prija Tjahjana 1 1 Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret e-mail address : ilham_nadhief@yahoo.com
Keywords:
Abstract:
Air merupakan energi baru dan terbarukan pengganti energi fosil yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik masa depan karena jumlahnya yang  melimpah.  Turbin  air  savonius horizontal  axis  water  turbine (HAWT) mampu  beroperasi  pada  kecepatan  putar  rendah  sehinga  cocok  untuk pembangkit  listrik  tenaga  air  menggunakan  metode rain  water  harvesting (RWH).  Namun,  turbin  ini  memiliki  koefisien  daya  dan  torsi  yang  rendah. Penelitian  prototipe  rotor  turbin  tipe  U  dengan  variasi  jumlah  sudu,  sudut kelengkungan telah dilakukan sebelumnya untuk meningkatkan kinerja turbin ini. Dalam makalah ini, dibahas proses perancangan dan pengujian terhadap sebuah prototipe rotor turbin tipe L dengan 3 variasi sudut blade arc. Variasi sudut blade arc yang diuji adalah 120 o , 135 o dan 150 o . Melalui penelitian ini, diketahui tipe turbin yang optimal jika dianalisa dari power output , TSR, dan power  coefficient yang  dihasilkan  oleh  turbin.  Turbin  tipe  L  dengan  sudut blade arc 135 o memiliki power coefficient paling tinggi sebesar 27% dengan TSR sebesar 1,320 dibandingkan turbin dengan sudut blade arc 120 o dan 150 o .

## PENDAHULUAN
Penggunaan sumber energi fosil untuk pembangkit  listrik  dari  tahun  ke  tahun  terus meningkat  yang  diakibatkan  oleh  pertumbuhan populasi  terus  mengalami  peningkatan.  Salah  satu sumber  energi  yang  banyak  digunakan  dalam pembangkit listrik tenaga uap adalah batubara. Hal ini membuat konsumsi batubara dalam negeri sebesar 70 juta ton (85,37%) digunakan oleh PLTU dan sisanya digunakan  oleh  industri  logam,  industri  kertas  dan industri  lainnya[1].  Potensi  tenaga  air  sebagai  salah satu  sumber  energi  terbarukan  untuk  Pembangkit Listrik  Tenaga  Air  (PLTA)  dan  Pembangkit  Listrik Tenaga  Mini/Mikro  Hidro  (PLTMH)  tersebar  di Indonesia  dengan  total  perkiraan  mencapai  75.000 MW,  sementara  pemanfaatannya  masih  sekitar  11% dari total potensi [2].
Metode Rain  Water  Harvesting (RWH) merupakan  metode  untuk  menampung  air  hujan dalam  sebuah  tangki  sebelum  digunakan  kembali untuk  tujuan  tertentu.  Eksperimen Rain  Water Harvesting menggunakan tipe turbin Savonius single- stage pernah  dilakukan.  Hasilnya,  sistem  turbin Savonius  memiliki  kinerja  yang  baik  dengan menghasilkan  tegangan  dan  kuat  arus  yang  konstan [3].  Turbin  Savonius  merupakan vertical  axis  wind turbine (VAWT)  tipe  drag,  memiliki  kontruksi sederhana, mampu beroperasi pada kecepatan rendah namun  memiliki  efisiensi  yang  rendah  [4].  Namun pada  penelitian  ini,  diubah  menjadi  turbin  Savonius Horizontal  Axis  Water  Turbine  (HAWT). Savonius tipe  sudu semi-cylindrical dengan  jumlah  sudu  3
memiliki tip  speed  ratio (TSR)  paling  tinggi  dan performa paling baik dibandingkan lainnya [5].
Selain  itu,  beberapa  penelitian  menunjukkan bahwa  modifikasi  parameter  sudu  seperti overlap ratio, aspect ratio, bentuk sudu dan sebagainya dapat memengaruhi  performa  turbin  [6].  Salah  satunya penelitian yang dilakukan oleh Soelaiman, dkk  yang membandingkan bentuk sudu Savonius tipe U dan tipe L  menunjukkan  bahwa  sudu  Savonius  tipe  L menghasilkan  torsi  yang  paling  baik  dibandingkan dengan sudu Savonius tipe U[7].
Penelitian tentang pengaruh depth to width ratio telah  dilakukan  oleh  S.  Hadi  dkk.  Hasilnya  sudu dengan depth to width ratio 0.29 memiliki performa terbaik  dengan TSR 0.61  karena blade dengan  0.29 memiliki volume tampung yang lebih besar sehingga mampu menghasilkan torsi dan kecepatan putar yang lebih besar pula [8]. Sukanta Roy dkk, membandingkan  variasi  sudut blade  arc pada blade Savonius tipe L dari Φ = 90° - 165° dengan interval 15°.  Dan hasilnya  menunjukkan  bahwa blade tipe  L dengan blade  arc Φ  =  135°  mampu  meningkatkan performa sebesar 36% [9].
Dalam  penelitian  ini  akan  dilakukan  pengujian pada  turbin  Savonius  tipe  L  dengan  variasi  sudut blade  arc. Pengujian  dilakukan  dengan  mengamati pengaruh variasi sudut blade arc pada sudu turbin air savonius terhadap daya listrik, power coefficient dan TSR yang dihasilkan sehingga dapat diketahui turbin savonius  tipe  L  dengan  sudut blade  arc yang paling optimal.
Turbin air sumbu horisontal, Savonius, Sudut blade arc , koefisien daya, Pico hydro .

## METODOLOGI PENELITIAN
Pada penelitian ini, desain turbin dan apparatus test mengacu pada penelitian sebelumnya [3], [6], [8], [9].    Dengan  ketinggian head 1.8  m  dan  2  m  serta menggunakan apparatus  test seperti  gambar  1 dibawah ini.
Gambar 1. Apparatus Test
Keterangan : 1. Tangki atas 5. Tangki bawah 2. Multitester 6. Tachometer 3. Alternator 7. Turbin 4. Pompa Sentrifugal 8. Deflekctor
Turbin  yang  digunakan  berdiameter  82mm, aspect  ratio  H/D =  1  dan endplate  ratio 1,1. Kemudian  tebal  turbin  adalah  2  mm  berbahan ABS (Acrylonitrile  Butediene  Styrene) dan  diproduksi menggunakan  mesin 3D printing. Turbin  memiliki arc  radius yang  diimprovisasi  dari  penelitian  Roy, dkk  [9]  dengan  S2=16,8  mm  dan  S1=20  mm, blade gap (a) 0% serta memiliki variasi sudut blade arc (Φ) 120 o , 135 o dan 150 o . Desain turbin savonius L dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 2. Desain Turbin Savonius tipe L
Penelitian ini dilakukan dengan memvariasikan 4 debit aliran air pada tiap variasi turbin[10]. Dengan
debit  mulai  dari  5,66x10 -3 m 3 /s;  7,97x10 -3 m 3 /s;
9,73x10 -3 m 3 /s;  dan  11,61x10 -3 m 3 /s  yang  diatur dengan  variasi  bukaan  katub  pada  pipa.  Gambar  3 merupakan variasi turbin dengan sudut blade arc :
(a) Sudut Blade Arc 120 o (b) Sudut Blade Arc 135 o
(c) Sudut Blade Arc 150 o
Gambar 3. Variasi Turbin
Data penelitian yang diamati pada penelitian ini antara lain debit, rpm, voltase dan kuat arus. Tegangan dan  kuat  arus  diamati  menggunakan multimeter , kemudian rotasi putaran turbin diamati menggunakan tachometer .

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Daya fluida merupakan fungsi dari densitas air, gaya  gravitasi,  debit  fluida  dan  ketinggian  jatuhnya air. Sehingga debit fluida yang mengalir berpengaruh terhadap  daya  fluida  yang  dihasilkan.  Daya  fluida yang  masuk  mengalir  pada  turbin  akan  meningkat seiring  dengan  bertambahnya  debit  fluida  yang mengalir  seperti  yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  4. Daya  yang  dihasilkan  ketika  debit  5,66x10 -3 m 3 /s sebesar  99,601  watt.  Kemudian  meningkat  menjadi 140,090  watt  ketika  debit  ditingkatkan  menjadi 7,97x10 -3 m 3 /s.  Saat  debit  sebesar  9,73x10 -3 m 3 /s, menghasilkan  daya  171,206  watt  dan  semakin meningkat  saat  debit  11,61x10 -3 m 3 /s  dengan  daya sebesar 227,048 watt.
Gambar 4. Grafik Pengaruh Debit Air terhadap Daya Fluida
Daya yang dihasilkan tiap variasi turbin dapat dilihat pada  Gambar  5.  Daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin dengan  sudut blade  arc 135 o lebih  tinggi  jika dibandingkan turbin dengan sudut blade arc 120 o dan turbin dengan sudut blade arc 150 o . Peningkatan debit dapat    meningkatkan  daya generator yang,  seperti yang terlihat pada Gambar 4 dimana terjadi kenaikan daya  generator  pada  debit  7,97x10 -3 m 3 /s  dibanding dengan  debit  5,66x10 -3 m 3 /s  dan  seterusnya.
Gambar 5. Grafik Pengaruh Debit Air terhadap Daya Generator
Turbin  dengan  sudut blade  arc 135 o mampu menghasilkan  daya  generator  yang  paling  baik daripada  turbin  lainnya.  Karena  turbin dengan  sudut blade arc 135 o memiliki  bentuk geometri yang paling optimal  dibanding  turbin  lainnya.  Memiliki  panjang blade  arc yang  paling  optimal  sehingga  mampu memiliki gaya putar yang lebih besar untuk melawan torsi negatif yang terjadi.
Tip speed ratio (TSR) merupakan perbandingan antara  kecepatan  ujung  turbin  (angular)  terhadap kecepatan  fluida  yang  melewati  turbin.  Sedangkan power  coefficient  (Cp) adalah  perbandingan  antara energi  fluida  yang  dapat  di  ekstrak  atau  ditangkap oleh turbin dengan energi keseluruhan yang ada dalam fluida. Nilai TSR berkisar antara 0-4[11]. Cp biasanya digunakan untuk menilai performa dari suatu turbin. Nilai TSR dan Cp pada  masing-masing  turbin  tiap variasi debit dapat dilihat di Gambar 6.
Gambar 6. Grafik Pengaruh Tip Speed Ratio (TSR) Terhadap Power Coefficient (Cp)
Pada  saat  debit  5,66x10 -3 m 3 /s  turbin  dengan sudut blade  arc 120 o memiliki  nilai TSR dan Cp sebesar 1,462 dan 0,174. Turbin dengan sudut blade arc 135 o mengalami  peningkatan TSR dan Cp menjadi  1,563  dan  0,235.  Kemudian  turbin  dengan sudut blade arc 150 o mengalami penurunan TSR dan Cp menjadi 1,405 dan 0,161.
Nilai TSR mengalami  penurunan  pada  saat variasi  debit  7,965x10 -3 m 3 /s  jika  dibandingkan  saat debit  5,66x10 -3 m 3 /s,  namun  nilai Cp mengalami peningkatan.  Pada  debit  ini  nilai TSR dan Cp turbin dengan sudut blade arc 120 o sebesar 1,267 dan 0,179. Ketika  turbin  dengan  sudut blade  arc 135 o terjadi peningkatan TSR dan Cp menjadi  1,320  dan  0,254. Kemudian  turbin  dengan  sudut blade  arc 150 o mengalami  penurunan TSR dan Cp menjadi  sebesar 1,156 dan 0,158.
Ketika  debit  9,73x10 -3 m 3 /s,  nilai TSR mengalami  penurunan  dibandingkan  variasi  debit sebelumnya, namun nilai Cp mengalami peningkatan. Turbin  dengan  sudut blade  arc 120 o memiliki  nilai TSR dan Cp sebesar  1,131  dan  0,189.  Kemudian turbin dengan sudut blade arc 135 o memiliki nilai TSR dan Cp sebesar 1,204 dan 0,270 Sedangkan nilai TSR dan Cp turbin  dengan  sudut blade  arc 150 o sebesar 1,077 dan 0,174.
Kemudian  kembali  terjadi  penurunan TSR dan Cp saat debit sebesar 11,61x10 -3 m 3 /s. Turbin dengan sudut blade  arc 120 o hanya  mampu  menghasilkan nilai TSR dan Cp masing-masing  sebesar  1,065  dan 0,164.  Turbin  dengan  sudut blade  arc 135 o menghasilkan TSR dan Cp sebesar  1,079  dan  0,240. Dan  turbin  dengan  sudut blade  arc 150 o hanya menghasilkan TSR dan Cp sebesar 1,016 dan 0,150. Turbin dengan sudut blade arc 120 o memiliki Cp maksimum  saat TSR sebesar  1,131  dengan  nilai Cp sebesar  0,189.  Kemudian  untuk  turbin  dengan  sudut blade arc 135 o memiliki Cp maksimum sebesar 0,270 yang terjadi ketika TSR sebesar 1,204. Sedangkan Cp maksimum turbin dengan sudut blade arc 150 o terjadi saat nilai TSR sebesar 1,077 dengan nilai Cp sebesar 0,174.

## KESIMPULAN
Setelah  melakukan  eksperimen  dan  analisa perhitungan data, maka dapat disimpulkan bahwa :
1. Besar  sudut blade  arc 135 o memiliki  daya  yang paling besar kemudian daya akan menurun ketika turbin dengan sudut blade arc 120 o dan blade arc 150 o yang dikarenakan adanya penurunan putaran turbin.
2. Turbin  dengan  sudut blade  arc 135 o mampu menghasilkan  daya  generator  yang  paling  tinggi untuk  semua  variasi  debit,  yaitu  masing-masing sebesar  16,90  watt,  25,71  watt,  33,38  watt  dan 39,35 watt.

## REFERENSI
[1] Sekretariat Jenderal Dewan Energi Nasional,
Outlook Energi Indonesia 2016 . Jakarta,
2016.
[2] Kementrian ESDM, Data Kementrian ESDM . Jakarta, 2016.
[3] N. Rosmin, A. Safwan, and A. Hatib, “Experimental study for the single-stage and double-stage two-bladed Savonius micro- sized turbine for rain water harvesting ( RWH ) system,” Energy Procedia , vol. 68, pp. 274–281, 2015.
[4] N. H. Mahmoud, A. A. El-Haroun, and E. Wahba, “An experimental study on
improvement of Savonius rotor performance,” Alexandria Eng. J. , vol. 51, no. 1, pp. 19–25, 2012.
[5] 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, pp. 297–304, 2015.
[6] V. J. Modi and M. S. U. K. Fernando, “On the Performance of the Savonius Wind Turbine,” Sol. Energy Eng. , vol. 111, no. February 1989, pp. 71–81, 2015.
[7] T. A. F. Soelaiman, N. P. Tandian, and N. Rosidin, “Perancangan , Pembuatan dan
Pengujian Prototipe SKEA Menggunakan Rotor Savonius dan Windside untuk Penerangan Jalan Tol,” Ris. Unggulan ITB , 2007.
[8] S. Hadi, R. J. Apdila, and A. H. Purwono, “Performance of The Drag Type of
Horizontal Axis Water Turbine ( HAWT ) as
Effect of Depth to Width Ratio of Blade,”
AIP Conf. Proc. 1788 , vol. 030004, pp. 1–5, 2017.
[9] S. Roy and U. K. Saha, “Numerical Investigation To Assess An Optimal Blade
Profile For The Drag Based Vertical Axis
Wind Turbine,” Proc. ASME 2013 , pp. 1–9, 2013.
[10] I. Hamzah, A. Prasetyo, D. D. D. P. Tjahjana, and S. Hadi, “Effect of Blades
Number to Performance of Savonius Water
Turbine in Water Pipe,” AIP Conf. Proc.
1931 , vol. 030046, pp. 1–5, 2018.
[11] J. Chen, H. X. Yang, C. P. Liu, C. H. Lau, and M. Lo, “A novel vertical axis water turbine for power generation from water pipelines,” Energy , vol. 54, pp. 184–193, 2013.