Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume III Nomor 2 November 2019             P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780

## RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN AKSIS VERTIKAL SEBAGAI ALTERNATIF CATU DAYA PADA PERLINTASAN SEBIDANG PERKERETAAPIAN
Arief Darmawan 1 , Email : darmawan@ppi.ac.id Fathurrozi Winjaya 2 , Email: fathurrozi@ppi.ac.id
1,2 Program Studi Teknologi Elektro Perkeretaapian, Politeknik Perkeretaapian Indonesia Madiun

## ABSTRAK
Peralatan pengaman pintu perlintasan sebidang merupakan peralatan fasilitas operasi perkeretaapian yang  membutuhkan  sumber  energi  listrik.  Penggunaan  bahan  bakar  fosil  sebagai  bahan  bakar pembangkit listrik jumlahnya semakin menipis, menurut perkiraan jumlah cadangan bahan bakar fosil akan habis sekitar 83 tahun. Untuk menghemat cadangan bahan bakar fosil diperlukan sumber energi cadangan  dari  sumber  energy  yang  terbarukan  seperti  energi  angin.  Energi  angin  di  sekitar  jalur perkeretaapian  mempunyai  potensi  sangat  besar  untuk  dijadikan  energi  listrik.  Pembangit  listrik mikro wind dalam penelitian ini menggunakan turbin angin dengan sudu-sudu vertikal dan pengarah angin  berupa  sirip.  Berdasarkan  hasil  penelitiaan  serta  melakukan  pengujian  dapat  disimpulkan bahwa  turbin  angin  vertikal  yang  di  implementasikan  untuk  pencatu  peralatan  pengaman  pintu perlintasan dapat mengisi baterai dengan arus pengisian rata-rata 3,28 A pada kecepatan angina rata- rata 3,90 m/s dan putaran 278 rpm dan menghasilkan daya 39,45 watt dan energy total 394,5 watt sehingga dapat mengisi baterai 75Ah/12 volt selama 22 jam
Kata Kunci: turbin angin vertikal , sudu-sudu, pengatur sudu

## ABSTRACT
Level crossing security  gate equipment is a railroad operating facility that requires an electrical energy source. The use of fossil fuels as fuel for power plants is running low, according to estimates the amount of fossil fuel reserves will be exhausted in about 83 years. To save fossil fuel reserves, we need  a  backup  energy  source  from renewable  energy sources  such  as  wind  energy.  Wind  energy around  the  railroad  track  has  enormous  potential  to  be  used  as  electrical  energy.  Micro  wind electricity builders in this study use wind turbines with vertical blades and wind directors in the form of fins. Based on the results of research and testing it can be concluded that the vertical wind turbine that is implemented to supply crossing door safety equipment can charge batteries with an average charging current  of 3.28 A at an average wind speed of  3.90 m /  s and rotation of 278 rpm and produces 39.45 watts of power and 394.5 watts of total energy so that it can charge a 75Ah / 12 volt battery for 22 hours
Keywords: Wind turbine, Blade, Blade controller

## 1 LATAR BELAKANG
Energi  angin  merupakan  salah  satu  energi terbarukan yang tersedia di sekitar yang terbentuk karena  aliran  udara  yang  disebabkan  oleh  rotasi bumi dan adanya perbedaan tekanan udara disekitar. Aliran angin mengalir dari tempat bertekanan tinggi ke  rendah.  Angin  yang  dipanaskan  akan menyebakan memuai, angin yang memuai tersebut kemudian  akan  menjadi  ringan  sehingga  naik, apabila ini terjadi, tekanan angin tersebut akan turun karena udaranya  menjadi  berkurang.  Energi  angin dapat  dimanfaatkan  untuk  mengubah  energi  angin
menjadi energi listrik dengan menggunakan turbin angin.
Turbin angin membutukan pengembangan dikarenakan kecepatan angin bersifat dinamis, oleh karena itu penelitian mengenai turbin angin masih terus dikembangkan. Madiun merupakan kota yang memiliki  potensi  energi  angin  yang  cukup  untuk mengkonversi energi listrik dari angin..
Peralatan pengaman perlintasan sebidang merupakan suatu peralatan penunjang keselamatan perjalanan  kereta  api  yang  berfungsi  untuk mengamankan perjalanan kereta api dan pengguna
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume III Nomor 2 November 2019             P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
jalan raya dalam suatu kondisi tertentu.  Pelintasan sebidang memerlukan catu daya untuk mengoperasikan  sistem  tersebut.  Catu  daya  yang digunakan  pada  perlintasan  sebidang  berasal  dari PLN dan memiliki cadangan baterai apabila sumber catu  daya  dari  PLN  padam.  Catu  daya  cadangan baterai  tersebut  sangatlah  vital  perannya  dalam pengoperasian  kereta  api.  Sistem  kereta  api memiliki  kehandalan  sistem  keamanan    artinya apabila terjadi suatu kegagalan dalam sistem maka kondisi tersebut tidak membahayakan keselamatan perjalanan kereta api.

## 2 TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1 Turbin Angin
Turbin  angin  merupakan  sebuah  perlatan  yang berfungsi untuk mengkonversi energi angin menjadi energi  listrik.  Turbin  angin  secara  garis  besar dibedakan  menjadi  2  macam,  yaitu  VAWT (Vertical  Axis  Wind  Turbine)  dan  HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine):
2.2 VAWT (Vertical axis wind turbine)
Vertical  Axis  Wind  Turbine  merupakan  turbin angin dengan posisi baling – baling yang bersumbu vertikal terhadap tanah. Turbin ini mempunyai rotor turbin dengan  putaran rendah  (dibawah  100  rpm), akan  tetapi  mempunyai    momen  gaya  yang  kuat. Vertikal  axis  mempunyai  beberapa  model,  antara lain :

## 2.2.1 Tipe Angkat ( Darrieus )
Dalam model ini masing – masing blade memiliki momen  gaya  angkat  maksimum  hanya  dua  kali setiap putaran dan daya keluarannya sehingga dapat dimanfaatkan untuk menggiling biji – bijian, pompa air,  tatapi  tidak  cocok  untuk  menghasilkan  listrik dengan 1000 rpm.

## 2.2.2 Tipe dorong ( Savonius )
Dalam model ini, gaya dorong akan terjadi apabila TSR  <  1.  Dalam  model  ini  kecepatan  maksimum yang dihasilkan oleh blade setara dengan kecepatan angin.  Turbin  savonius  memiliki  efisiensi  daya rendah namun menghasilkan lebih banyak daya dan output daya dan memiliki efisien tinggi.

## 2.3 HAWT ( Horizontal Axis Wind Turbine )
Horizontal  Axis  Wind  Turbine  merupan  turbin angin  dengan  baling  –  baling  horizontal  yang sejajar dengan tanah. Turbin ini terdiri dari dua tipe, yaitu mesin updown dan mesin downwind.

## 2.3.1 Mesin updown
Metode  ini  adalah  turbin  dengan  berhadapan langsung  dengan  angin,  turbin  ini  didesain  tidak fleksibel  dan  diperlukan  mekanisme  yaw  untuk mengarahkan turbin kearah datangnya angin.
Gambar 1 Turbin angin dengan sistem updown

## 2.3.2 Mesin downwind
Dalam  metode  ini  rotor  pada  turbin  angin ditempatkan dibelakang tower sehingga rotor dapat fleksibel tanpa perlu mengguakan mekanisme yaw karena dapat mengurangi berat dan lebih ringan dari pada mesin jenis upwind. Kelemahan pada jenis ini adalah angin harus melewati tower sebelum sampai pada rotor, sehingga menambah beban pada turbin angin.
Gambar 2 Turbin Angin dengan Mesin downwind

## 3 METODOLOGI PENELITIAN

## 3.1 Perhitungan desain turbin angin
Berdasarkan literatur desain profil sudu pada turbin angin dapat ditentukan sebagai berikut :
𝑷𝒆𝒌 = 𝑽 𝒙  𝑱𝒖𝒎𝒍𝒂𝒉 𝑺𝒖𝒅𝒖
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume III Nomor 2 November 2019             P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
V = Tegangan Jumlah sudu   = Jumlah sirip Pek = daya yang dapat terekstraksi
(Syaiful Huda dan Irfan Syarif,2014)
Stabilitas  rasio  diameter  terhadap  tinggi  dapat ditentukan dengan rumus berikut :
𝑫 = 𝟏, 𝟐 𝒙 𝒉
D  = Diameter dari turbin angin h  = tinggi dari turbin angin (Syaiful Huda dan Irfan Syarif,2014)
Luas  sapuan  dari  blade  dapat  ditentukan  dengan rumus
𝑨 𝒔𝒘𝒆𝒑𝒕 =  𝝅 𝒙 𝑫 𝒙 𝒉
D = diameter dari turbin h = Tinggi dari blade (Syaiful Huda dan Irfan Syarif,2014)
Berdasarkan  persamaan  diatas    dapat  ditentukan kecepatan  angin  rata  –  rata  sehingga  dapat menghitung daya sebenarnya yang dapat diektraksi pada  kecepatan  angin  rata  –  rata    dengan  rumus berikut :
𝑷𝒘 = 𝟎, 𝟓 𝒙 𝝆 𝒖𝒅𝒂𝒓𝒂 𝒙 𝑨 𝒔𝒘𝒆𝒑𝒕 𝒙 𝑽
ρ udara = massa jenis udara A swept= Luas daerah sapuan (Syaiful Huda dan Irfan Syarif,2014)
Berdasarkan  Besarnya  nilai  solidity  (σ)  minimum untuk  turbin  angin  jenis  VAWT  adalah  0,4, kemudian  dapat  menghitung  panjang  chord minimum  untuk  jumlah  blade  6  dapat  ditentukan menggunakan rumus
𝝈 = 𝑵𝑩 𝑿 𝑪 𝑫
σ = Koefisien NB=jumlah sudu c = Panjang chord (Syaiful Huda dan Irfan Syarif,2014)
3.2 Perhitungan efesiensi daya
Perhitungan  efisiensi  daya  yang  dihasilkan  dari turbin  angin  dan  daya  yang  dikeluarkan  sebagai berikut
Ƞ = 𝑃 𝑖𝑛
𝑃 𝑜𝑢𝑡 𝑥 100%

## Ƞ = 𝑒𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖
P in = Daya rata  rata yang dihasilkan turbin angin P out = Daya rata rata yang dihasilkan turbin angin
3.3 Perhitungan waktu pengisian
waktu yang dibutuhkan untuk mengisi baterai sebagai berikut
𝐼 = 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑎𝑘𝑖
𝑡 𝐼 = 𝐴𝑟𝑢𝑠 t = Waktu

## 3.4 Perhitungan daya listrik turbin
Daya listrik yang dapat dihasilkan oleh turbin angin vertikal dapat di tentukan dengan rumus berikut :
𝑃 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + 𝑃𝑛
P1= daya 1 P2= daya 2 P3= daya 3 Pn= daya terakhir

## 4 HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1 Desain Sudu-sudu
Desain yang dilakukan meliputi perhitungan luasan dan diameter sudu-sudu. Dalam desain menggunakan data survey on the spot dan rata-rata angin pada lokasi yang dijadikan wilayah studi. Dan diperoleh  parameter  sebagai  berikut  :  kecepatan angin  rata-rata  adalah  3,5  m/s,  sehingga  untuk stabilitas, rasio diameter terhadap tinggi blade D/H adalah  1,2,  sehingga  dapat  dihitung    daya  yang dapat diekstraksi oleh angin sebagai berikut :
PEK =  V X JUMLAH BLADE
12 X 2 X 6 = 144 Watt
A swept= π x D x H=1,2 x π x h
Pek=0,5 x ρ udara x A swept X V
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume III Nomor 2 November 2019             P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
144 =98,8 x H²
h^2=144/98,8 h= √144/98,8

## h=1,2 m
Sehingga  diameter  (D)  dari  sudu-sudu  dapat dihitung sebagai berikut :
D=1,2 x h
D=1,2 x 1,2

## D=  1,4 m
Besar luasan daerah yang tersapu oleh blade dapat diketahui menggunakan rumus :
A swept= π x D x h
A swept=3,14 x 1,4 x 1,2

## A swept=  5,27 m²
Dari  data  kecepatan  angin  rata  –  rata  dapat diekstraksi  daya  yang  sebenarnya  dengan menggunakan rumus :
Pw=0,5 x ρ udara x A swept x V^3
Pw=0,5 x 1,225 x 4,574 x 42,875
Pw=120,117 W
Berdasarkan  perhitungan  diatas  dapat  ditentukan Panjang  chord  minimal  dari  turbin  angin  sebagai berikut :
σ=NB X  (C )/D
0,4=6 X  (C )/1,4
C=9,3 cm
Dari perhitungan diatas, dapat dibuat desain sudu- sudu dengan bentuk sebagai berikut :
Gambar 3 Gambar Pengarah sudu-sudu
Gambar 4 Gambar rotor blade turbin angin Berdasarkan  pengujian  secara  on  the  spot  didapat data sebagai berikut :
NO RPM KECEPATAN ANGIN ARUS Pengisian 1 150 3,07 m/s 0,2 A 2 390 4,76 m/s 0,46 A 3 263 3,57 m/s 0,35 A 4 258 3,22 m/s 0,26 A 5 290 3,32 m/s 0,37 A 6 350 5,78 m/s 0,4 A 7 340 3,82 m/s 0,35 A 8 190 3,72 m/s 0,24 A Rata- rata 278.875 3.9075 m/s 3.2875 A
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume III Nomor 2 November 2019             P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
Dari data tersebut dapat  diketahui bahwa rata-rata arus pengisian adalah 3.28 Ampere dan kecepatan angin rata-rata adalah 3.90 m/s dan rata-rata putaran 278 rpm.
Berdasarkan hasil monitoring turbin selama 24 jam dapat  diketahui  bahwa  aliran  angin  yang  dapat digunakan  untuk  menggerakkan  turbin  selama  10 jam  dengan  puncak  tertinggi  pada  periode  waktu 18.00 – 19.00 yaitu dengan kecepatan 5.78 m/s. dan yang  paling  rendah  pada  periode  waktu  02.00  – 14.00  yaitu  mendekati  0  m/s  (tidak  ada  angin bertiup)  dapat  dilihat  trend  kecepatan  angin  pada gambar 5.
Berdasarkan  hasil  tersebut,  dapat  dihitung  total energi  listrik  rata-rata  yang  dihasilkan  dari  kincir angin tersebut adalah
W = V x I x t
12 volt x 3,2875 x 10 jam
W = 394,5 watt jam
Daya yang bisa dihasilkan dari turbin angin adalah :
P = V x I
P = 12 x 3,2875 = 39,4 Watt
Dan  dapat  dihitung  waktu  yang  digunakan  untuk pengisian batterai adalah sebagai berikut :
Kapasitas baterai 75 Ah/12 Volt
Arus pengisian rata-rata adalah 3,2875 Ampere Sehingga dibutuhkan waktu pengisian penuh adalah 75Ah / 3,28 A yaitu 22,86 Jam
Gambar 5. Grafik kecepatan angin pada wilayah studi dalam waktu 24 jam
5 KESIMPULAN
5.1 Dari hasil pengujian dapat diketahui bahwa rata- rata  arus  pengisian  adalah  3.28  Ampere  dan kecepatan angin rata-rata adalah 3.90 m/s dan rata- rata putaran 278 rpm.
5.2 Berdasarkan  hasil  monitoring  turbin  selama  24 jam dapat diketahui bahwa aliran angin yang dapat
digunakan untuk menggerakkan turbin selama 10 jam dengan puncak tertinggi pada periode waktu 18.00  –  19.00  yaitu  dengan  kecepatan  5.78  m/s. dan yang paling rendah pada periode waktu 02.00 –  14.00  yaitu  mendekati  0  m/s  (tidak  ada  angin bertiup)
5.3 Daya  yang  dihasilkan  dari  sebuah  turbin  angin adalah  39,45  watt,  sehingga  energi  total  yang
3.87 2.76 0 0 0 0 0 0 0 0.15 0 0 0 0 0 4.57 4.22 3.32 5.78 0 3.82 3.72 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 K E C E P A T A N A N G IN WAKTU GRAFIK KECEPATAN ANGIN DENGAN WAKTU
Jurnal Perkeretaapian Indonesia Volume III Nomor 2 November 2019             P-ISSN: 2550-1127, E-ISSN: 2656-8780
dapat  dihasilkan  oleh  turbin  angin  adalah  394,5 Watt,  sehingga  waktu  pengisian  penuh  batterai adalah 22,86 jam untuk setiap turbin angin.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Sunu  Jio Anggara  dan  semua  pihak  yang  membantu  dalam penelitian ini.

## REFERENSI
Nugroho, D. H. 2011. Analisa Pengisisan Baterai Pada Rancang Bangun Turbin Angin Poros vertikal  Tipe  Savonius  untuk  Pencatuan Beban  Listrik. Skripsi. Depok  :  Universitas Indonesia.
Prasetya,  A.  2012. Perancangan  PLTB  Sumbu Vertical Tipe Savonius . Makalah. Surakarta : Universitas Muhammadyah Surakarta.
Peraturan  Menteri,  2018, Persyaratan  Teknis Peralatan  Persinyalan  Perkeretaapian . Jakarta : Sekertariat Negara.
Peraturan  Menteri,  2018, Persyaratan  Teknis Peralatan  Telekomunikasi  Perkeretaapian . Jakarta : Sekertariat Negara.
Peraturan  Menteri,  2018, Persyaratan  Teknis Instalasi  Listrik  Perkeretaapian. Jakarta  : Sekertariat Negara.