## Perencanaan Sudu Turbin Angin Untwisted Kapasitas 300 Watt Menggunakan NACA 4417

## Abrar Ridwan
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Riau Laboratorium Konversi Energi Universitas Muhammadiyah Riau
E-mail :abrar.ridwan@umri.ac.id

## Abstrak
Pemanfaatan energi berkelanjutan merupakan usaha yang tidak pernah berhenti dilakukan oleh ilmuwan dan praktisi, salah satunya pembangkit listrik turbin angin. Potensi angin diatas gedung rektorat lantai 7 Universitas  Muhammadiyah  Riau  berkisar    4  –  7  m/s  dan  nilai  tersebut  sangat  berpotensi  untuk membantu  suplai  daya  listrik  ke  gedung  tersebut.  Telah  dilakukan  perencanan  dimensi  sudu  turbin  dan bentuk aerofoil dengan referensi NACA 4417 berkapasitas daya 300 watt, radius sudu turbin  2,4 meter dengan tipe untwisted didapat nilai chord dipangkal (root) 0,730 m dan diujung (tip) 0,124 m sedangkan ketebalan  maksimum  chord  dipangkal  0,186  m  dan  diujung  0,015  m.  Gaya  maksimum  aksial  turbin adalah  119  N.  Bentuk disain akan  menjadi parameter  pembuatan  sudu  turbin berbahan  baku  unggulan lokal berupa limbah pelepah sawit.
Kata kunci : NACA 4417, sudu, chord, root dan tip

## 1. Pendahuluan
Keterlibatan ilmuan dan para enjineer tidak pernah  lepas  dari  inovasi  dan  konservasi  energi baru  terbarukan.  Banyak  teknologi  yang ditawarkan  bergantung  dengan  potensi  daerah yang  dimiliki.  Salah  satu  contoh  provinsi  riau memiliki limbah sawit yang melimpah sehingga berpotensi  sebagai  bahan  bakar  energi  baru terbarukan untuk mesin diesel, daerah Indonesia timur  berpotensi  diterapkan  pembangkit  turbin angin  dikarenakan  kecepatan  angin  disana  rata- rata  diatas  3  m/s.  Sehingga  potensi  tersebut diatas  akan  menjadi  ikon  dan  unggulan  untuk masing – masing daerah. Dilihat dari kecepatan angin dari data BMKG, potensi di Provinsi Riau khususnya  Pekanbaru  masih  tergolong  sangat rendah.  Akan  tetapi  potensi  tersebut  dapat dialihkan  dari  kecepatan  angin  yang  tersedia diatas  gedung  lantai  7  rektorat  Universitas Muhammadiyah Riau (UMRI) yaitu berkisar 4 –
7 m/s. Potensi tersebut cukup untuk membangkit  listrik  kapasitas  300  Watt.  Hal yang  melatar-belakangi  penulisan  jurnal  adalah melihat  potensi  angin  yang  sangat  besar, kebutuhan  suplai  daya  pembantu  yang  sangat diperlukan  bagi  gedung  rektorat  UMRI,  dan melakukan  disain  awal  untuk  sudu  yang merupakan  komponen  utama  dari  pembangkit turbin angin.
Perencanaan sudu turbin akan menggunakan  bahan  baku  lokal  unggulan daerah  yaitu  limbah  pelepah  sawit,  sedangkan untuk bentuk dan dimensi aerofoil menggunakan  persamaan  pendekatan  yang  ada di  referensi  dibantu  dengan  software  Qblade NACA  4417.  Untuk  mendapatkan  turbin  angin yang  baik,  perlu  didisain  strukturnya  secara teoritis  sehingga  nantinya  dapat  dihasilkan energi  kinetik  yang  digunakan  untuk  memutar generator.  Masalah  yang  paling  utama  dalam perencanaan  pembangkit  turbin  angin  adalah bentuk  aerofoil  dari  sudunya.  Turbin  angin dapat  dibagi  menjadi  dua  tipe  yaitu  sumbu horizontal  dan  vertikal  dimana  yang  paling banyak  menjadi  perhatian  adalah  sumbu horizontal. Bentuk keseluruhan dari turbin yang akan  dibangun  tampak  pada  gambar  2.  yaitu sudu,  hub,  tiang  penahan,  alternator  (generator) dan  basemen.  Akan  tetapi  paper  ini  fokus  pada perencanaan  aerofoil  sudu  turbin  pembangkit berkapasitas 300 watt.
1.1. Parameter disain sudu turbin.
Sudu turbin yang akan dibangun rencananya akan  diletak  diatas  gedung  lantai  7  Rektorat UMRI,  sementara  data  kecepatan  awal  dan temperatur  telah  diambil  dari  jam  10:00  pagi sampai  jam  16:00  dengan  kecepatan  minimal  4 m/s  dan  maksimal  7  m/s,  temperatur  udara
lingkungan  34 0 C  pada  ketinggian  lebih  kurang 30  m.  dengan  densitas  udara  1,225  kg/m 3 .  Dari data  tersebut  diatas  persamaan  Betz  dapat diterapkan  untuk  menghitung  daya  P  dari putaran angin. Penggunaan kecepatan minimum agar  putaran  motor  bisa  dijaga  konstan  dengan menggunaan redukser.
𝑃 = 1 2 𝜌𝑆𝐶 𝑝 𝑣 3 (1)
Dimana ρ adalah densitas udara yang berhubungan dengan temperatur dan ketinggian, C p adalah  koefisien  daya  yang  dapat  ditentukan dari  eksperimental S merupakan  luas  area sapuan  angin  dan V adalah  kecepatan  angin. Tip  speed  rasio  (TSR)  adalah  perbandingan kecepatan  rotasional  rotor  poros  terhadap kecepatan  translasi  angin  (λ)  .  Pada  penelitian ini  koefisien  power  Cp  telah  ditetapkan  sebesar 0,43 dikarenakan tip speed rasio 7 penentuannya seperti  terlihat  pada  gamb.  1.  Untuk  persamaan luas area sapuan turbin S :
𝑆 = 𝜋𝐷2 4
(2)
D  adalah  diameter  sudu,  sementara  diameter sudu turbin dapat ditentukan  dengan persamaan berikut
𝐷 = √ 8𝑃 𝜌𝐶𝑝𝜋𝑉𝑅 3 (3)
Gambar 1 . Grafik hubungan koefisien daya dengan tip speed ratio (TSR) Hasil disain Qblade NACA 4417
Untuk  menentukan  panjang  chord  sudu  maka pendekatan  persamaan  Betz  dapat  diterapkan sebagai berikut :
𝐶 = 16𝜋𝑟𝑚𝑎𝑥( 𝑟𝑚𝑎𝑥 𝑟 ⁄ ) 9𝜆2𝐵 (4)
[2] B = banyaknya sudu turbin (3 sudu) λ = tip speed rasio
Gambar 2 . Turbin Angin [1 ]

## 1.2 Aerofoil sudu turbin angin
Untuk  mempermudah  pembuatan  sudu turbin perlu  memahami dan  merancang aerofoil beserta  parameter  –  parameternya  seperti panjang  chord  di  root  dan  tip,  tebal  maksimum chord, mean chamber dan radius sudu turbin.
Gambar 3 . Bentuk sudu turbin tampak atas [3]
Sudut hantaman angin ke sudu turbin dipilih 5 0 berharap  sudut  tersebut  dapat  menghindari efek  stall  yang  akan  berpengaruh  terhadap patahnya  sudu.Pada  penelitian  ini  bentuk  sudu turbin  menggunakan  NACA  4417  yang  artinya angka pertama menunjukkan prosentase chamber  maksimum  pada  chord  sebesar  4%, angka  kedua  menerangkan  letak  chamber maksimum  dari  leading  edge  sebesar  40%, sedangkan  angka  ketiga  dan  keempat  yaitu  17 artinya  ketebalan  maksimum  airofoil  17%  dari chord.
Gambar 4 . Referensi angle attack ref. www.mpoweruk.com
Berikut  adalah  salah  satu  contoh  tabel  (tabel  1) untuk  digunakan  sebagai  parameter  merancang sudu  turbin  angin  mengikuti  kaidah    profil NACA.
Tabel 1 . Data sudu lengkap dengan profilnya [4]

## 2. Methodologi
Metode yang digunakan adalah pendekatan persamaan  teoritis  dengan  software  Qblade  NACA 4417,  dimana  untuk  mendisain  dengan  software dibutuhkan juga perhitungan dari persamaan di literatur Alur penelitian disajikan pada gambar 5.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil perhitungan yang telah dilakukan dengan  menetapkan  parameter  awal  yaitu  kecepatan angin  4  m/s  berkapasitas  300  watt  pada  ketinggian  30 meter,  dengan  menganggap  temperatur  lingkungan 30 0 C maka didapat hasil perancangan sebagai berikut :
Tabel 2.
Parameter utama disain turbin Parameter Nilai  Daya yang diinginkan, P : 300 W  Kecepatan angin,         V : 4 m/s  Tip speed rasio,        TSR : 7  Banyak sudu,              B : 3  Profile aerofoil : NACA 4417  Sudut serang, α : 5 0  Diameter rotor,             D : 4,76 m  Koefisien daya,             Cp : 0,43  Massa jenis udara, ρ : 1,225  kg/m 3  Kecepatan putar rotor, n : 112 rpm  Luas sapuan,              S
: 5,7 m 2  Gaya dorong aksial,    F aksial
: 119 N

## 3.1  Distribusi panjang chord.
Dari  gambar  diatas root (pangkal)  dan tip (ujung) mempunyai  perbedaan  dimana  root  merupakan  area yang  paling  tebal  dan  berat  sedangkan  tip  merupakan area  berada  di  ujung  sudu.  Berdasarkan  buku  panduan elemen  mesin  terdapat  tiga  macam  efisiensi  η  yaitu bantalan  0,971  lengan  adaptor  0,96  dan  efisiensi transmisi roda gigi maka didapat total efisiensi 0,971 x 0,96 x 0,97 = 0,904 Sehingga didapat daya input masuk P input = 300/0,904 = 332 watt
3.2  Analisa gaya turbin angin pada kondisi kecepatan angin maksimal.
Ketika  turbin  angin  mengalami  kondisi  kecepatan angin  maksimum  maka  keadaan  tersebut  adalah kondisi  kritis  sehingga  diperlukan  analisa  gaya  pada sistem  komponen  sudu,  hub  dan  tiang  penyangga.
Mulai Study literatur Pengambilan data lapangan Perancangan sudu dengan software NACA Perhitungan teoritis : chord, di root dan tip, ketebalan, gaya aksial, dan dimensi sudu
Sudu turbin kapasitas 300 Watt Selesai Analisa dan pembahasan
Untuk  gaya  maksimum  arah  sumbu  z  (posisi berhadapan  sudu  turbin)  dengan  asumsi  kecepatan maksimum 7 m/s adalah 119 Newton.

## 3.3 Bentuk dan dimensi Sudu turbin
Metode  perancangan  dimensi  chord,  ketebalan maksimum  chord  bentuk  chord  dilakukan  pendekatan perancangan  dengan  menggunakan  software  Qblade
untuk  NACA  tipe  4417.  Disamping  itu  juga  TSR  ≤  7, sehingga  memerlukan  profil  aerofoil  dalam  desain. Maka dipilih aerofoil NACA 4417 dengan karakteristik seperti pada gambar 6.
Gambar 6. Bentuk aerofoil NACA 4417
Gambar  diatas  adalah  profil  aerofoil  yang  ada  di software  Qblade  untuk  NACA  4417  dimana  garis berwarna  merah  adalah  garis  NACA  sedangkan  yang warna  hijau  adalah  garis  Spline  foil.  Arti  17%  adalah ketebalan  maksimum  dari  chord  yang  telah  dihitung dari  persamaan  (4)  pada  posisi dr yang  diberikan  di tabel 3. Dengan demikian panjang dan tebal chord akan
Tampak  dari  tabel  3  jari-jari  0  –  0,29  m  adalah bentuk circular  point yang  nantinya  akan  dikopel dengan hub sedangkan di jari-jari 0,3 m sudah dibentuk sudu NACA.
Dari  gambar  7  tampak  bentuk  aerofoil  yang diharapkan  dengan  panjang  dari  hub  ke  pangkal  sudu sebesar  2,4  m  sedangkan  ketebalan  maksimum  di root berkurang  sampai  di  radius  ujung  (tip)  sudu  turbin. Dalam  pembuatan  sudu  turbin  dilakukan  perhitungan panjang chord dan ketebalan maksimum chord disetiap penampang (12 penampang) seperti tampak pada tabel sehingga  akan  muncul  bentuk  sudu  seperti  gambar  8. Penetapan  sudut  serang  5 0 untuk  menghindari  dari stall/ kehilangan dari gaya angkat pada airfoil.
Tabel. 3
Stasion, panjang dan ketebalan chord
0,124  m  dan  di tip 0,015  m.  Untuk  membuat  bentuk chord  di  software  Qblade  panjang  chord  ditentukan dari perhitungan teoritis yaitu pada r(0,3 m) = 0,730 m.

## 4. Simpulan
Berdasarkan  sumber  data  kecepatan  angin  di Gedung  rektorat  Universitas  Muhammadiyah  Riau, telah  dilakukan  disain  turbin  angin  dengan  kapasitas daya  300  Watt.  Bentuk  dan  dimensi  sudu  turbin  yang direncanakan  mengikuti  profil  NACA  4417  dengan radius  2,4  m.  Gambar  rancangan  dari  hasil  penelitian ini  akan  menjadi  acuan  dalam  pembuatan  sudu  turbin angin berbahan baku lokal limbah pelepah sawit
Gambar 7 . Bentuk dan dimensi aerofoil sudu turbin

## Daftar Pustaka
[1]   Wenyi Liu, 2016 “Design and kinetic analysisi of wind  turbine  blade-hub-tower  coupled  system” Journal  Renewable  energy,  School  Mechanical and electrical engineering
Jiansu Normal
University Xuzhou China. www.sciencedirect.com
[2]   Amano  et  all  2009  “Design  and  Testing  of  Low
Speed  Wind  Turbine  Blade”  Proceeding  of  the
ASME 2009
International Mechanical Engineering  Congress  &  Exposition  IMECE 2009. www.sciencedirect.com
[3]   Peter J Schubel et all, 2012 “Wind Turbine Blade Design”  mdpi  journal  energi  ISSN  1996-1073 faculty  engineering  Division  of  Material  and Structure,    Nottingham  UniversityNG7  2RD,  UK www.sciencedirect.com
[4]   S.M.  Habali,  I.A.  Saleh,  2000  “Local  design, testing  and  manufacturing  of  small  mixed  airfoil wind  turbine  blades  of  glass  ®ber  reinforced plastics  Part  I:  Design  of  the  blade  and  root”
Energy
Conversion & Management. www.sciencedirect.com