## Simulasi Numerik Pengaruh Aspect Ratio dan Sudut Serang Terhadap Performa Turbin Angin Sumbu Vertikal H-Rotor
Diniar Mungil Kurniawati*, Jordan Michael Sukanda Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Kalimantan Km.15, Karang Joang, Kec. Balikpapan Utara, Kota Balikpapan, Kalimantan Timur 76127 *E-mail: diniarmungil@lecturer.itk.ac.id

## Abstract
The vertical axis wind turbine is a wind turbine which is rotational axis is perpendicular to the ground surface. The H-rotor vertical  axis wind turbine has a number of design  parameters that can affect  the performance  of  wind  turbines.  In  this  study  discussed  the  effect  of  aspect  ratio  (H/D)  and  angle  of attack on the performance of H-rotor wind turbine. Variations on the aspect ratio (H/D) used are 0,64 and 1,56 on the angle of attack is 0 o and 5 o , the type of airfoil NACA0015. The study method used is a numerical  simulation  of  H-rotor  wind  turbines  with  computational  fluid  dynamics  3  dimension.  The wind speed utilized for simulation pupose was 3 m/s. Variations on the Tip speed  ratio used are 3; 3,5 and  4  so  that  produced  angular  velocity  at  aspect  ratio  (H/D)  0,64  are  14,4;  16,8  and  19,2  while  at aspect  ratio  (H/D)  1,56  are  22,5;  26,25  and  30. Results  from  this  study  that  the  H-rotor  vertical  axis wind  turbine  with  variations  on  aspect  ratio  (H/D)  0,64  has  variation  in  the  power  coefficient  (C P ) value better than the aspect ratio (H/D) 1,56. That is the power coefficient (C P ) value includes 0,388; 0,445 and 0,378 on the angle of attack 0 o while 0,390; 0,454 and 0,389  on the angle of attack 5 o . The variations  of  angle  of  attack  5 o produces  the  highest  power  coefficient  (C P ),  which  is  0,454  in  the aspect  ratio (H/D) 0,64 is 0,417 on the aspect ratio (H/D) 1,56. The H-rotor wind turbine with aspect ratio (H/D) 0,64 and angle of attack 5 o on Tip Speed Ratio 3,5 produces the highest power coefficient (C P ) value which is 0,454.
Keywords: angle of attack, aspect ratio, H-rotor, power coefficient

## Abstrak
Turbin  angin  sumbu  vertikal  merupakan  turbin  angin  yang  sumbu  rotasinya  tegak  lurus  dengan permukaan tanah. Turbin angin sumbu vertikal H-rotor memiliki sejumlah parameter desain yang dapat mempengaruhi  performa  turbin  angin.  Dalam  penelitian  ini  dibahas  pengaruh  aspect  ratio  (H/D)  dan sudut serang terhadap performa yang dihasilkan turbin angin H-rotor. Variasi aspect ratio (H/D) yang digunakan  adalah  0,64  dan  1,56  dengan  sudut  serang  0°,  dan  5°,  jenis  airfoil  NACA0015.  Metode penelitian  yang  digunakan  adalah  simulasi  numerik  pada  turbin  angin  H-rotor  dengan  Computational Fluid Dynamics 3 dimensi. Turbin angin disimulasikan pada kecepatan angin 3 m/s. Variasi Tip Speed Ratio yang digunakan yaitu 3; 3,5 dan 4 sehingga dihasilkan kecepatan putar pada aspect ratio (H/D) 0,64 adalah 14,4; 16,8 dan 19,2 dan pada aspect ratio (H/D) 1,56 adalah 22,5; 26,25 dan 30. Hasil yang diperoleh dari penelitian adalah turbin angin sumbu vertikal H-rotor dengan variasi aspect ratio (H/D) 0,64  memiliki  variasi  nilai  koefisien  daya  (C P )  lebih  baik  dibandingkan  dengan  variasi  aspect  ratio (H/D) 1,56. Turbin angin H-rotor dengan aspect ratio (H/D) 0,64 dan sudut serang 5 o pada Tip Speed Ratio 3,5 menghasilkan nilai koefisien daya (C P ) paling tinggi yaitu 0,454.
Kata kunci: aspect ratio, koefisien daya, H-rotor, sudut serang

## 1. Pendahuluan
Energi  angin  merupakan  salah  satu  energi  salah  satu  sumber  energi  yang  memiliki  potensi  yang  baik  dalam pengembangan  sistem  konversi  energi  terbarukan  karena  perolehan  sumber  daya  yang  mudah  dan  ramah  lingkungan. Konversi  energi  angin  menjadi  energi  terbarukan  yaitu  dengan  memanfaatkan  angin  sebagai  penggerak  rotor  yang kemudian disebut dengan turbin angin. Turbin angin adalah suatu alat yang dapat memanfaatkan energi angin menjadi energi listrik dengan cara mengonversikan energi angin menjadi energi mekanik untuk menggerakkan generator dimana energi yang dihasilkan berupa energi listrik [1]. Terdapat dua macam turbin angin yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal. Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang sumbu rotasinya tegak lurus dengan  permukaan  tanah,  turbin  angin  vertikal  memiliki  kelebihan  yaitu  dapat  menerima  angin  dari  segala  arah, kontruksi  sederhana,  tidak  membutuhkan  stuktur  menara  yang  besar  sehingga  perawatannya  mudah  [2].  Berdasarkan bentuk sudu dan kontruksi turbin angin, turbin angin sumbu vertikal dibedakan menjadi tiga yaitu Savonius, Darrieus ,
dan Darrieus – H. Turbin angin sumbu vertikal merupakan turbin angin yang dapat beroperasi maksimal pada kecepatan udara  yang  rendah[3].  Jika  turbin  angin  dikelompokkan  berdasarkan  prinsip  gaya  aerodinamik  maka  dapat diklasiikasikan  menjadi  turbin  angin  tipe lift dan drag [4].  Adapun  ciri  dari  turbin  angina  Darrieus-H  adalah  Turbin Darrieus-H  turbin  angin  yang  dapat  bekerja  pada  kecepatan  angina  yang  rendah,  tetapi  memiliki  kekurangan  kinerja aerodinamis yang cenderung lebih rendah jika dibandingkan dengan yang dengan sumbu horizontal [5].
Penentuan performa turbin angin dapat didasarkan pada parameter desain yang digunakan seperti ukuran turbin, bentuk sudu, jumlah sudu dsb. Ukuran turbin slah satunya dapat dinyatakan dalam rasio antara tinggi dengan diameter turbin  atau  yang  biasa  dikenal  sebagai aspect  ratio .  Ukuran  dari aspect  ratio memiliki  pengaruh  yang  besar  pada performa  turbin  angin Darrieus ,  faktor-faktor  yang  mempengaruhi  besar  Bilangan Reynolds yaitu aspect  ratio antara tinggi sudu dengan diameter rotor dimana semakin kecil aspect ratio maka semakin tinggi nilai dari Bilangan Reynolds yang  dihasilkan  dan  semakin  besar aspect  ratio suatu  turbin  maka  semakin  besar  kecepatan  putar[6]  dan  besar drag pada sudu turbin angin semakin kecil[7]. Selain itu pada pengembangan turbin angin tipe Savonius lebih dulu dilakukan pengembangan terhadap ukuran aspect  ratio dan  hasil yang diperoleh dengan penelitian tersebut  adalah desain  aspect ratio memiliki pengaruh yang sama seperti penambahan end plate pada turbin angin Savonius [8]. Penelitian  ini  dilakukan  simulasi  numerik  mengenai  pengaruh aspect  ratio (H/D)  dan  sudut  serang  terhadap karateristik  dari  turbin  yang  dinyatakan  dalam  bentuk  koefisien  daya (C P ),  koefisien  torsi  (C T )  dan Tip  Speed  Ratio (TSR), Turbin  angin  disimulasikan  dengan  kondisi  kecepatan  angin  yaitu  3  m/s.  Untuk  memastikan  karakteristik  dari turbin angin sumbu vertikal H- rotor yang didesain, maka dilakukan simulasi numerik terhadap performa aerodinamika turbin angin sehingga dapat ditentukan turbin dengan variasi yang mana dapat mengekstraksi energi angin yang paling optimal. Tujuan dari  penelitian ini adalah untuk Mengetahui pengaruh aspect  ratio (H/D) turbin angin  sumbu  vertikal H- rotor terhadap koefisien daya yang dihasilkan dan mengetahui pengaruh sudut serang turbin angin sumbu vertikal H- rotor terhadap koefisien daya yang dihasilkan.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1 Geometri Turbin Angin
Pada  tahap  ini  dibuat  model  dari  turbin  angin  sumbu  vertikal  yang  akan  dipakai  dalam  simulasi  numerik. Gambar model turbin angin sumbu vertikal yang dipakai pada penelitian ini terdapat pada Gambar 1.

## Gambar 1. Geometri Turbin Angin

## 2.2 Domain Pemodelan
Pada  tahap  ini  terdapat  dua  bentuk domain yaitu domain berputar  ( rotating  domain )  dan  domain  tetap  ( static domain ). Domain yang  berputar  terdapat  pada  bagian  diameter  terluar  turbin  angin  berbentuk  lingkaran, domain ini digunakan sebagai lintasan pada bagian rotating motion . Selanjutnya terdapat domain tetap yang berfungsi sebagai letak aliran fluida, domain ini tidak bergerak, yang ditunjukkan pada Gambar 2 berikut:
D H Static domain Rotating domain

## 2.3 Meshing
Proses meshing adalah  pembagian  objek  menjadi  bagian-bagian  yang  lebih  kecil  atau  dapat  disebut cell atau node . Semakin banyak jumlah node maka akan memperoleh simulasi yang tepat dan akurat, akan tetapi proses simulasi akan menjadi lebih lama, yang ditunjukkan pada Gambar 3 berikut:
Gambar 3. Hasil Proses Meshing

## 2.4 Diagram Alir Penelitian
Tahapan eksperimen pada penelitian ini dapat digambarkan melalui diagram alir berikut ini:

## Gambar 4. Diagram Alir Penelitian

## 3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Validasi Model
Validasi  model  pada  penelitian  ini  dilakukan  dengan  cara  melihat  nilai  skewness  pada  saat  setelah  melakukan proses meshing . Skewness adalah  ukuran  untuk  mengetahui  kualitas  dari  dari  proses meshing yang  dilakukan.  Rata  – rata  pada  setiap  variasi  simulasi  memiliki  nilai  maksimum skewness sebesar  0,60  –  0,70  hal  ini  dapat  disimpulkan model yang digunakan pada simulasi  memiliki kualitas yang baik  dan jika dilihat pada kategori yang telah ditetapkan
oleh CFD maka nilai maksimum skewness termasuk kategori good meshing dimana nilainya adalah 0,5 - 0,8. Gambar 5 merupakan kategori skewness dalam CFD :
Gambar 5. Kategori Untuk Skewness Dalam CFD [9]

## 3.2 Hasil Simulasi Turbin Angin
Dari hasil simulasi didapatkan grafik koefisien torsi terhadap TSR, koefisien daya terhadap TSR, koefisien lift terhadap sudut serang.
3.2.1 Grafik Koefisien Daya (C P ) Terhadap Tip Speed Ratio (TSR) Berikut merupakan grafik Tip Speed Ratio dilakukan pada tiap-tiap variasi aspect ratio (H/D) yang berbeda yaitu 0,64 dan 1,56 dan variasi sudut serang yaitu 0 o dan 5 o ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7:
Gambar 6. Grafik Koefisien daya (C p ) Terhadap TSR Pada Aspect Ratio 0,64
Nilai koefisien daya maksimum  terjadi pada dua variasi  sudut  serang dengan perbedaan tidak terlalu signifikan diantara  keduanya  yaitu  untuk  sudut  serang  0 o C P maksimum  adalah  0,445  sedangkan  pada  sudut  serang 5 o C P maksimum  adalah  0,454.  Pada  saat  TSR  3  ke  TSR  3,5  terjadi  peningkatan  cukup  drastis  sedangkan  pada  TSR  4 mengalami sedikit penurunan.
Gambar 7. Grafik Koefisien Daya (C p ) Terhadap TSR Pada Aspect Ratio 1,56 0,35 0,37 0,39 0,41 0,43 0,45 0,47 2,5 3 3,5 4 4,5 C P TSR Sudut Serang 0 Sudut Serang 5 0,3 0,32 0,34 0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 2,5 3 3,5 4 4,5 C P TSR Sudut Serang 0 Sudut Serang 5
Nilai koefisien daya maksimum  terjadi pada dua variasi  sudut  serang dengan perbedaan tidak terlalu signifikan diantar keduanya yaitu untuk sudut serang 0 o C P maksimum adalah 0,406 sedangkan pada sudut serang 5 o C P maksimum adalah 0,417. Pada saat TSR 3 ke TSR 3,5 terjadi peningkatan cukup drastis sedangkan pada TSR 4 mengalami sedikit penurunan. Dari dua variasi aspect ratio dan sudut serang didapatkan hasil koefisien daya maksimal berada pada aspect ratio 0,64  dengan  sudut  serang  5 o sebesar  0,454.  Hal  tersebut  disebabkan  oleh aspect  ratio lebih  rendah  memiliki kestabilan yang lebih baik dari aspect ratio yang lebih besar [6].
3.2.3 Grafik Koefisien Lift (C L ) Terhadap Sudut Serang Berikut merupakan  grafik  koefisien lift (C L ) terhadap sudut  serang dilakukan pada tiap-tiap variasi aspect  ratio (H/D)  yang  berbeda  yaitu  0,64  dan  1,56  dan  variasi  sudut  serang yaitu  0 o dan  5 o ditunjukkan  pada  Gambar  8  dan Gambar 9:
Gambar 8. Grafik Koefisien Lift (C L ) Terhadap Sudut Serang Pada Aspect Ratio 0,64
Nilai koefisien lift (C L ) maksimum adalah  0,190 untuk  TSR 3,  nilai koefisien lift (C L ) maksimum adalah  0,191 untuk  TSR  3,5,  nilai  koefisien lift (C L )  maksimum  adalah  0,192  untuk  TSR  4.  Perbedaan  nilai  koefisien lift (C L ) memiliki perbedaan yang tidak terlalu signifikan pada tiap TSR.
Gambar 9. Grafik Koefisien Lift (C L ) Terhadap Sudut Serang Pada Aspect Ratio 1,56
Nilai koefisien lift (C L ) maksimum adalah  0,195 untuk  TSR 3,  nilai koefisien lift (C L ) maksimum adalah  0,195 untuk TSR 3,5 nilai koefisien lift (C L ) maksimum adalah 0,196 untuk TSR 4. Pada sudut serang yang lebih rendah, gaya angkat meningkat secara perlahan sampai pada titik tertentu [10]. Perbedaan nilai koefisien lift (C L ) memiliki perbedaan yang tidak terlalu signifikan pada tiap TSR .
0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 2 4 6 CL α (o) TSR 3 TSR 3.5 TSR 4 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0 1 2 3 4 5 6 CL α (o) TSR 3 TSR 3.5 TSR 4

## 3.3  Analisis Kontur Tekanan dan Kecepatan
Simulasi untuk airfoil dengan sudut serang 0 o dan 5 o serta variasi aspect ratio 0,64 diambil sampel pada TSR 3,5 sebagai sampel tampilan kontur tekanan dan aliran yang akan dibahas sebagai berikut:
Gambar 10. Kontur Tekanan Sudut Serang 0 o Pada Aspect Ratio 0,64
Gambar  10  menunjukkan  hasil  simulasi CFD berupa  kontur  tekanan  pada airfoil NACA0015  dengan  sudut serang 0 o pada aspect ratio 0,64. Tekanan maksimum terjadi pada bagian leading edge airfoil , selain itu tekanan yang rendah  terjadi  pada  permukaan  atas airfoil sehingga  pada  kondisi  ini  gaya lift akan  lebih  besar  dari  gaya drag yang terjadi.
Gambar 11. Kontur Kecepatan Aliran Sudut serang 0 o Pada Aspect Ratio 0,64
Gambar  11  menunjukkan  hasil  simulasi CFD berupa  kontur  kecepatan  pada airfoil NACA0015  dengan  sudut serang 0 o pada aspect ratio 0,64. Kecepatan maksimum terjadi pada permukaan atas airfoil, selain itu kecepatan yang rendah terjadi pada permukaan bawah airfoil . Hal tersebut dikarenakan udara di atas permukaan airfoil harus menjalani jarak yang lebih jauh karena lengkungan dari  permukaan yang diatas sehingga kecepatan pada permukaan atas airfoil dipaksa untuk  bergerak lebih cepat. Pertambahan kecepatan tersebut  mengurangi tekanan pada bagian permukaan atas airfoil .
Gambar 12. Kontur Tekanan Sudut Serang 5 o Pada Aspect Ratio 0,64
Gambar  12  menunjukkan  hasil  simulasi CFD berupa  kontur  tekanan  pada airfoil NACA0015  dengan  sudut serang  5 o pada aspect  ratio 0,64. Tekanan  maksimum  terjadi  pada  bagian  permukaan  bawah leading  edge  airfoil
dimana  titik  ini  terjadi  tabrakan  udara  dengan  bagian airfoil pada  titik  tersebut  aliran  udara  dalam  keadaan  berhenti sejenak  dan  bertahap  bertambah.  Perbedaan  tekanan  yang  terjadi  pada  kedua  permukaan airfoil itulah  yang menyebabkan airfoil mengalami gaya angkat yang arahnya dari bagian permukaan bawah ke bagian atas.
Gambar 13. Kontur Kecepatan Aliran Sudut serang 5 o Pada Aspect Ratio 0,64
Gambar  13  menunjukkan  hasil  simulasi CFD berupa  Kontur  kecepatan  pada airfoil NACA0015  dengan  sudut serang 5 o pada aspect  ratio 0,64. Kecepatan maksimum  terjadi pada permukaan atas airfoil, selain itu  kecepatan yang rendah terjadi pada permukaan bawah airfoil . Hal tersebut dikarenakan udara di atas permukaan airfoil harus menjalani jarak yang lebih jauh karena lengkungan dari  permukaan yang diatas sehingga kecepatan pada permukaan atas airfoil dipaksa untuk  bergerak lebih cepat. Pertambahan kecepatan tersebut  mengurangi tekanan pada bagian permukaan atas airfoil .  Koefisien  gaya  angkat  maksimum  dihasilkan  oleh airfoil pada  posisi  sudut  serang  maksimum  dimana  nilai koefisien gaya angkat maksimum menjadi salah satu faktor penting dalam performa dari airfoil .

## 4. Kesimpulan
Kontur  distribusi  kecepatan  yang  diperoleh  pada  proses  simulasi  CFD  dapat  disimpulkan  Turbin  angin  sumbu vertikal H- rotor dengan variasi aspect ratio (H/D) 0,64 memiliki kinerja yang lebih baik dibandingkan turbin angin H- rotor airfoil NACA0015  dengan aspect  ratio (H/D)  1,56. Pada  variasi aspect  ratio (H/D)  0,64  memiliki  variasi  nilai koefisien  daya  (C p )  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  variasi aspect  ratio (H/D)  1,56  pada  nilai  TSR  3;  3,5  dan  4 meliputi  0,388;  0,445  dan  0,378    pada  sudut  serang  0 o sedangkan  0,390;  0,454  dan  0,389  pada  sudut  serang  5 o dan turbin  angin  sumbu  vertikal  H- rotor dengan  variasi  sudut  serang  5 o memiliki  kinerja  yang  lebih  baik  dibandingkan dengan  sudut  serang  0 o .  Pada  variasi  sudut  serang  5 o menghasilkan  nilai  C P tertinggi  pada  TSR  3,5  disetiap  variasi aspect ratio yaitu 0,454 pada aspect ratio (H/D) 0,64 dan 0,417 pada aspect ratio (H/D) 1,56

## Daftar Pustaka
[1] Manwell, J.F., McGowan, J.G., Rodgers, A.L., 2001, “ Wind energi explained ,”  Wiley, New York.
[2] Hau, E., 2013, “ Wind Turbines : Fundamentals, Technologies, Application, Economics,” Springer, New York.
[3] Hicary., 2016, “Analisis Pengaruh Jumlah Sudu pada Turbin Angin Savonius Sumbu Vertikal Terhadap  Tegangan dan Arus di Dalam Proses Pengisian Akumulator: e-Proceeding of Engineering, ” 3 : 4911.
[4] Jha, A.R., 2011, “ Wind Turbine Technologies ”, CRC Press, Boca Raton, Fla.
[5] Hashem,  I.,  &  Mohamed,  M.H.,  2018,  “Aerodynamic  Performance  Enhancements  of  H-Rotor  Darrieus  Wind Turbine: Energy ,” 142: 531-545.
[6] Brusca,  S.  R.,  2014,  “Design  Of  A  Vertical-Axis  Win  Turbine:  How  The  Aspect  Ratio  Affects  The  Turbine’s Performance: Intenational Journal Energy Environ Engineering ,” 5 : 333-340.
[7] Jain, Pramod., 2011, “ Wind Energi Engineering ,” McGraw Hill ,New York.
[8] Mahmoud NH, El-Haroun AA, Wahba E, Nasef MH., 2012, An experimental study on improvement of Savonius rotor performance; Alex Eng J,” 51 (1) :19–25.
[9] ANSYS, 2013. “ANSYS FLUENT Theory Guide , ” : ANSYS, Inc, United States.
[10] Mathew, S., 2006, “ Wind Energi: Fundamentals, Resource Analysis, and Economics,” Springer, New York .