Studi Eksperimen Pengaruh Silinder Pengganggu Di Depan Returning Blade Turbin Angin Savonius Terhadap Performa Turbin
“Studi Kasus Untuk Rasio Diameter Silinder Pengganggu Terhadap Diameter Turbin (d/D) = 0,75 “
Retno Dewi Pamungkas dan Triyogi Yuwono Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : triyogi@me.its.ac.id
Abstrak—Indonesia  merupakan  negara  yang  memiliki sumber  daya  alam  yang  melimpah,  dimana  sumber  daya alam  tersebut  dapat  dijadikan  sebagai  sumber  energi. Seiring  berjalannya  waktu,  ketersediaannya  semakin menipis.  Untuk  mengatasi  ketergantungan  energi  fosil, maka  perlu  pengembangan  untuk  mendapatkan  sumber energi terbarukan.  Energi terbarukan yang belum banyak dimanfaatkan  secara  optimal  dan  berpotensi  untuk dikembangkan  adalah  energi  angin.  Dengan  meletakkan silinder  pengganggu  di  depan  returning  blade  turbin  angin tipe  Savonius,  maka  performa  turbin  angin  dapat ditingkatkan.  Hal  tersebut  merupakan  tujuan  dari penelitian ini. Untuk meningkatkan performa turbin angin Savonius yang berdiameter (D) = 60 mm dan tinggi (H) = 80 mm,  digunakan  silinder  yang  berdiameter  (d)  =  45  mm yang  diletakkan  di  depan  returning  blade  turbin. Pengganggu  diletakkan  dengan  variasi  jarak  1,5  ≤  S/D  ≤ 2,4. Penelitian dilakukan di dalam open circuit wind tunnel, dengan dimensi tes uji; panjang 457 mm, lebar 304 mm dan tinggi  304  mm.  Pada  kecepatan  angin  masuk  sebesar  8,77 m/s; 10,97 m/s; 13,16 m/s yang sesuai dengan Re = 6,0 x 10 4 ; 7,5  x  10 4 ;  9,0  x  10 4 Kecepatan  angin  diukur  menggunakan pitot-static tube yang terhubung dengan inclined manometer. Putaran dari turbin angin diukur menggunakan tachometer, torsi statis menggunakan torque meter  dan  daya  turbin  angin  diperoleh  dengan  mengukur tegangan  dan  kuat  arus  yang  dihasilkan  oleh  generator yang  terhubung  dengan  poros  turbin  Savonius.  Hasil  yang diperoleh  dari  penelitian  ini  adalah  penggunaan  silinder pengganggu  yang  diletakkan  di  depan  returning  blade terbukti  efektif  meningkatkan  performa  turbin  angin. Selain  itu,  variasi  jarak  S/D  yang  diteliti  berpengaruh terhadap performa turbin Savonius. Untuk semua bilangan Reynolds  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  didapatkan bahwa  jarak  S/D  =  1,7  terbukti  efektif  meningkatkan performa turbin Savonius yang  digunakan dalam penelitian. Hal ini ditandai dengan peak value dari putaran, torsi statis dan coefficient of power turbin.
Kata  Kunci—Turbin  Savonius,  Silinder  Pengganggu, Jarak S/D dan Performa Turbin.

## I. P ENDAHULUAN
ntuk  mengatasi  ketergantungan  energi  fosil,  maka perlu  pengembangan  untuk  mendapatkan  sumber energi terbarukan. Energi terbarukan yang belum banyak dimanfaatkan  secara  optimal  dan  berpotensi  untuk dikembangkan  adalah  energi  angin.  Turbin  angin
Savonius adalah jenis turbin angin tipe drag, yaitu turbin ini menghasilkan daya dengan  memanfaatkan gaya drag yang dihasilkan dari tiap-tiap sudunya. Selisih gaya drag dari advancing  blade dan returning  blade akan menghasilkan  torsi,  yang  apabila  dikalikan  dengan kecepatan  angular  dari  turbin  angin  maka  akan menghasilkan daya turbin angin tersebut. Apabila selisih gaya drag semakin besar, maka daya yang dihasilkan pun semakin  besar  pula.  Salah  satu  cara  untuk  memperbesar selisih  gaya drag adalah  dengan  mengurangi  gaya drag pada returning blade .
Penelitian  dengan  memvariasikan  diameter  silinder pengganggu  (d/D),  jarak  antara  kedua  pusat  silinder (L/D)  dan  harga  bilangan  Reynolds.  Hasil  penelitian tersebut  mendapatkan  bahwa  penurunan  harga  koefisien drag (C D ) disebabkan oleh peningkatan bilangan Re, d/D dan  penurunan  harga  L/D.  Sedangkan  pengurangan pressure  drag didominasi  oleh  perubahan  harga  Re. Kondisi  optimum  penurunan  harga pressure  drag coefficient (C DP ) diperoleh pada nilai d/D = 0,25 ; L/D = 2  untuk  Re  kurang  dari 4,1 × 10 4 dan  diperoleh  C D sebesar  73%  dibanding  pada  silinder  tunggal  [1]. Selanjutna,  penelitian  dilakukan pada  turbin  angin Savonius  diberi  pengganggu  berupa  dua  buah  plat  yang diposisikan  di  depan  turbin  dengan  variasi  panjang  plat (ℓ 1 dan  ℓ 2 )  dan  besar  sudut  plat  (α  dan  β)  dengan kecepatan  angin  7  m/s  dan  bilangan  Reynolds  1,5x  10 5 . Hasil  penelitian  didapatkan  bahwa Coefficient  of  Power (Cop) dari turbin angin Savonius dapat meningkat hingga 38,5%  apabila  diberi  pengganggu  dengan  susunan  yang optimal,  yaitu  dengan  panjang  plat  pengganggu  ℓ 1 sebesar 45 cm dan ℓ 2 sebesar  52  cm  dengan  sudut  sudu pengganggu α = 45° dan β = 15° [2]. Penelitian tentang simulasi  dengan  software  CFD  pada  turbin  angin Savonius  yang  diberi  pengganggu  berupa  plat  yang diposisikan  di  depan  turbin  dengan  variasi  besar  sudut plat  (β)  dan speed  ratio (λ)  dengan  kecepatan  angin  10 m/s.  Hasil  simulasi  didapatkan  bahwa Coefficient  of Power (Cop) dari turbin angin Savonius dapat meningkat hingga  27,3%  pada speed  ratio 0,7  dan  besar  sudut β  = 100,83° dengan menggunakan dua buah sudu berpengganggu [3].
Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  meningkatkan performa  dari  turbin  angin  tipe  Savonius  dengan mengurangi  gaya drag pada  sisi returning  blade dan mempelajari  secara  rinci  pengaruh jarak  antara    pusat
U
returning  blade turbin  angin  dan  silinder  pengganggu (S/D)  terhadap  performa  turbin  angin,  yaitu  dengan mengukur  torsi  statis  dan  putaran  turbin,  kemudian menghitung coefficient of power (Cop) dari turbin angin.

## II. M ETODOLOGI P ENELITIAN
Gambar  1  menunjukkan  skema  penelitian  (pandangan atas  dan  samping)  dan  parameter-parameter  pengujian. Parameter–parameter  yang  mempengaruhi  karakteristik aliran  adalah  densitas  fluida  (ρ),  viskositas  fluida  (μ), kecepatan  fluida  (U),  diameter  silinder  pengganggu  (d), diameter  turbin  (D),  jarak  antara    pusat returning  blade turbin angin dan silinder pengganggu (S/D), tinggi turbin (H),  panjang  silinder  pengganggu  (t),  diameter overlap (b) dan putaran sudu (n).
Gambar 1. Skema Penelitian dari pandangan atas dan samping
Skema wind tunnel yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 2.

## Spesifikasi Wind Tunnel
Jenis wind tunnel  : subsonic, open circuit wind tunnel Bentuk saluran uji  : penampang segi 8
 Panjang  : 457 mm
 Tinggi    : 304 mm
 Lebar     : 304 mm

## Gambar 2. Skema Wind Tunnel Sub Sonic

## BendaUji
1) Profil turbin angin tipe Savonius dapat dilihat pada gambar 3. Dengan dimensi sebagai berikut :
 Diameter (D) : 60 mm
 Tinggi (H) : 80 mm
 Overlap (b) : 14 mm
Gambar 3. Turbin Savonius
2) Profil  Silinder  Pengganggu  dapat  dilihat  pada gambar 4. Dengan dimensi sebagai berikut :
 Diameter (d) :   45 mm
 Panjang (L) : 280 mm
 Jarak dari pusat returning blade turbin angin (S/D) = 1,5 ≤  S/D ≤ 2,4
Gambar 4. Silinder Sirkular sebagai Pengganggu

## Alat Ukur
1) Tachometer Tachometer yang digunakan yaitu Economical Non- Contact Pocket Optical  Tachometer OMEGA seri HHT12 dengan  akurasi  pembacaan  0.01%  atau  ±  1 digit  dan  range  pengukuran  antara  5  sampai  99.999 rpm.
2) Torque meter
Torque  meter  yang  digunakan  yaitu LUTRON model  :  TQ-8800 dengan high  resolution 0,1 Newton-cm.
3) Multimeter Multimeter yang digunakan yaitu Sanwa
Multimeter Digital CD-771 dengan ketelitian 0.1% atau ± 1 digit.
a. Pitot Static Tube
b. Manometer
c. Termometer

## Metode Pengukuran Daya
Pada  penelitian  ini  untuk  mengukur  daya  riil  yang dihasilkan  turbin  Savonius  digunakan  generator  listrik. Gambar 5 memperlihatkan skema rangkaian pengukuran daya.  Poros  turbin  Savonius  akan  dihubungkan  dengan poros  generator  listrik  menggunakan flexible  coupling . Output  dari  generator  listrik  akan  diteruskan  untuk menghidupkan  beban  berupa  lampu.  Banyaknya  beban (lampu)  dapat  diatur  menggunakan  saklar  untuk mendapatkan  nilai  daya  terbesar.  Pada  rangkaian  beban diukur  nilai  tegangan  dan  arus  listrik  yang  akan digunakan  dalam  perhitungan  untuk  mendapatkan  nilai daya riil.
Gambar 5. Skema Rangkaian Pengukuran Daya

## III. A NALISA D ATA DAN P EMBAHASAN

## Data Tanpa Penambahan Silinder Pengganggu
Gambar 6. Grafik putaran turbin angin Savonius tanpa silinder pengganggu sebagai fungsi bilangan Reynolds
Gambar  6  memperlihatkan  bahwa  seiring  dengan meningkatnya  bilangan  Reynolds,  maka  putaran  dari turbin  angin  Savonius  juga  semakin  tinggi.  Hal  ini dikarenakan  kecepatan  angin  yang  menabrak  turbin angin Savonius sangat berpengaruh terhadap putaran dari turbin.  Semakin  tinggi  kecepatan  angin,  maka  putaran yang dihasilkan oleh turbin juga semakin tinggi.
Gambar 7. Grafik torsi statis turbin angin Savonius tanpa silinder pengganggu sebagai fungsi bilangan Reynolds
Gambar  7  memperlihatkan  bahwa  seiring  dengan meningkatnya  bilangan  Reynolds,  maka  torsi  statis  dari turbin  angin  Savonius  juga  semakin  tinggi.  Hal  ini dikarenakan  kecepatan  angin  yang  menabrak  turbin angin  Savonius  berpengganggu  sangat  berpengaruh terhadap  torsi  statis  dari  turbin  angin.  Semakin  tinggi kecepatan  angin,  maka  gaya  yang  digunakan  untuk menahan turbin juga semakin tinggi. Sehingga torsi yang dihasilkan juga semakin besar.
Gambar  8  memperlihatkan  bahwa  seiring  dengan meningkatnya  bilangan  Reynolds,  maka coefficient  of power dari turbin angin Savonius semakin tinggi. Hal ini dikarenakan  kecepatan  angin  yang  menabrak  turbin angin  Savonius  sangat  berpengaruh  terhadap coefficient of power dari turbin angin. Data Performa Turbin Savonius dengan

## Penambahan Silinder Pengganggu
Gambar 9 dan gambar 10 memperlihatkan bahwa pada jarak  S/D  yang  sama,  seiring  dengan  meningkatnya bilangan  Reynolds,  maka  putaran  dan  torsi  statis  dari turbin  angin  Savonius  berpengganggu  juga  semakin tinggi. Torsi statis adalah torsi yang diukur ketika turbin angin  berada  dalam  keadaan  tidak  berputar  dan membentuk bukaan sudu pada sudut 0°.
Gambar 9. Grafik putaran turbin angin Savonius berpengganggu (n) sebagai fungsi jarak pada S/D = 1,5 – 2,4
Gambar 10. Grafik torsi statis turbin angin Savonius berpengganggu (T) sebagai fungsi jarak pada S/D = 1,5 – 2,4
Gambar    9  dan  10  juga  memperlihatkan  bahwa  pada bilangan Reynolds 6,0 x 10 4 ; 7,5 x 10 4 dan 9,0 x 10 4 nilai putaran  dan  torsi  statis  mengalami  kenaikan  dan penurunan.  Pada  jarak  S/D  1,5  sampai  dengan  1,7  nilai putaran dan torsi statis mengalami kenaikan. Sebaliknya, pada  jarak  S/D  1,7  sampai  dengan  2,4  nilai  putaran  dan torsi statis mengalami penurunan.
Penambahan  silinder  pengganggu  di  depan returning blade dapat mengurangi gaya drag pada returning blade . Dengan  adanya  penambahan  pengganggu  menyebabkan shear  layer dari  silinder  pengganggu  memberikan gangguan  terhadap boundary  layer returning  blade . Sehingga boundary layer returning blade terganggu dan mempercepat  transisi  aliran  dari  laminar  menjadi turbulen.  Oleh  karena  itu  momentum  aliran  di  dekat dinding  kontur returning  blade menjadi  lebih  besar  dan akibatnya  aliran  lebih  dapat  menahan adverse  pressure gradien serta  gaya  gesek  yang  terjadi  sehingga  titik separasi  mundur  ke  belakang  dan  daerah wake menyempit.  Sehingga  torsi  yang  dihasilkan  oleh returning  blade juga  akan  turun  dan  membuat  selisih torsi  antara returning  blade dan advancing  blade akan semakin besar.
Selain itu, dengan penambahan silinder pengganggu di depan returning  blade, menyebabkan  tekanan  di  depan returning  blade akan  menurun,  sedangkan  tekanan  di belakang returning blade diasumsikan tetap sama seperti tidak  menggunakan  silinder  pengganggu.  Sehingga  gaya pressure drag yang mengakibatkan selisih tekanan antara di  depan  dan  di  belakang returning  blade menurun. Akibatnya  selisih  gaya drag antara returning  blade dan advancing  blade semakin  besar.  Hal  ini  akan menghasilkan torsi semakin besar.
Sebaliknya, pada jarak S/D 1,7 sampai dengan 2,4 nilai torsi  statis  mengalami  penurunan.  Selain  pengaruh silinder pengganggu, variasi jarak juga memberikan efek pada returning  blade. Pada  variasi  jarak  yang  dekat, shear layer dari silinder pengganggu akan sangat efektif mengganggu boundary  layer dari returning  blade. Apabila  jarak  silinder  pengganggu  semakin  jauh,  maka shear  layer dari  silinder  pengganggu  sudah  semakin tidak  efektif  lagi  mengganggu boundary  layer  returning blade, bahkan  pada  jarak  yang  sangat  jauh  akan  seperti bila  tidak  ada  pengganggu  seperti  terlihat  pada  ilustrasi gambar 11.
Gambar 11. (a) Ilustrasi aliran untuk turbin Savonius dengan penambahan silinder pengganggu pada jarak S/D = 1,7 (b) Ilustrasi aliran untuk turbin Savonius dengan penambahan silinder pengganggu pada jarak S/D = 2,
Gambar 12. Grafik torsi statis turbin angin Savonius berpengganggu
(T) sebagai fungsi sudut (θ) pada jarak S/D = 1,7
Gambar  12  memperlihatkan  grafik  dalam  nilai  torsi statis  sebagai  fungsi  sudut  pada  jarak  S/D  1,7  dimana pada jarak S/D tersebut memiliki torsi statis paling besar. Penelitian  dilakukan  dengan  sudut  bukaan  sudu  pada rentang  0°  sampai  dengan  90°  dengan  kenaikan  setiap 10° seperti pada gambar 13.
Gambar 13. Gambar posisi bukaan sudu Savonius pada berbagai sudut
Gambar 14. Grafik Coefficient of Power turbin angin Savonius berpengganggu (CoP) sebagai fungsi jarak pada S/D = 1,5 – 2,4
Gambar  14  memperlihatkan  bahwa  pada  jarak  S/D yang  sama,  seiring  dengan  meningkatnya  bilangan Reynolds,  maka coefficient  of  power dari  turbin  angin Savonius  berpengganggu  semakin  rendah.  Hal  ini dikarenakan  kecepatan  angin  yang  menabrak  turbin angin  Savonius  berpengganggu  sangat  berpengaruh terhadap coefficient of power dari turbin. Semakin tinggi kecepatan  angin,  maka coefficient  of  power yang dihasilkan  oleh  turbin  semakin  rendah.  Hal  ini dikarenakan kenaikan kecepatan yang besar tidak diiringi dengan kenaikan daya yang besar pula.
Gambar 15. Grafik perbandingan putaran antara turbin angin Savonius berpengganggu dan tanpa silinder pengganggu (n/n 0 ) sebagai fungsi jarak pada S/D = 1,5 – 2,4
Gambar 16. Grafik perbandingan torsi statis antara turbin angin Savonius berpengganggu dan tanpa silinder pengganggu (T/T 0 ) sebagai fungsi jarak pada S/D = 1,5 – 2,4
Gambar 17. Grafik perbandingan coefficient of power antara turbin angin Savonius berpengganggu dan tanpa silinder pengganggu (CoP/CoP 0 ) sebagai fungsi jarak pada S/D = 1,5 – 2,4
Gambar  15,  16  dan  17  memperlihatkan  bahwa  dari ketiga  bilangan  Reynolds  yang  digunakan  pada penelitian  ini,  menunjukkan  bahwa  perbandingan putaran,  torsi  statis  dan coefficient  of  power memiliki nilai  lebih  besar  dari  satu.  Hal  ini  menjelaskan  bahwa dengan  diletakkannya  silinder  pengganggu  di  depan returning  blade, terbukti  efektif  meningkatkan  performa turbin angin.
Grafik  diatas  menunjukkan  bahwa  nilai  puncak  ( peak value) putaran,  torsi  statis  dan coefficient  of  power dari turbin  angin  Savonius  berpengganggu  berada  pada  jarak S/D  =  1,7.  Ini  menunjukkan  bahwa  pada  posisi pengganggu  dengan  S/D  = 1,7  di  depan returning  blade memberikan  kinerja  yang  optimal  pada  turbin  Savonius yang diteliti.
Gambar 18. Grafik Coefficient of Power turbin angin Savonius berpengganggu (CoP) pada jarak S/D = 1,7 sebagai fungsi bilangan Reynolds
Gambar  18  memperlihatkan  bahwa  seiring  dengan meningkatnya  bilangan  Reynolds,  maka Coefficient  of Power dari  turbin  angin  Savonius  berpengganggu semakin rendah. Hal ini dikarenakan kenaikan kecepatan yang  besar  tidak  diiringi  dengan  kenaikan  daya  yang cukup besar pula.

## IV. P ENUTUP

## Kesimpulan
Pada  penelitian  ini,  penempatan  silinder  pengganggu dengan  ukuran  d/D  =  0,75  di  depan returning  blade Turbin  Savonius  pada  variasi  S/D  =  1,5  –  2,4  untuk variasi Re = 6,0 x 10 4 ; 7,5 x 10 4 dan 9,0 x 10 4 diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Penggunaan  silinder  pengganggu  sirkular  yang diletakkan  di  depan returning  blade turbin  angin tipe Savonius efektif dalam meningkatkan performa turbin angin.
2. Variasi jarak S/D yang diteliti berpengaruh terhadap performa turbin angin tipe Savonius.
3. Pada  Re  =    6,0  x  10 4 kenaikan  maksimal  dari putaran  sebesar  93%  ;  Re  =    7,5  x  10 4 kenaikan maksimal dari putaran sebesar  96% dan pada Re = 9,0  x  10 4 kenaikan  maksimal  dari  putaran  sebesar 101% .
4. Pada  Re =  6,0  x  10 4 kenaikan  maksimal dari torsi statis  sebesar  56%  ;  Re  =    7,5  x  10 4 kenaikan maksimal dari torsi statis sebesar  67% dan pada Re =    9,0  x  10 4 kenaikan  maksimal  dari  torsi  statis sebesar 80% .
5. Pada  Re  =    6,0  x  10 4 kenaikan  maksimal  dari Coefficient of Power sebesar 821% ; Re =  7,5 x 10 4 kenaikan  maksimal  dari Coefficient  of  Power sebesar  225%  dan  pada  Re  =    9,0  x  10 4 kenaikan maksimal dari Coefficient of Power sebesar 142%.
6. Untuk  semua  bilangan  Reynolds  yang  digunakan dalam  penelitian  ini  didapatkan  jarak  pusat returning  blade turbin  angin  dengan  pusat  silinder pengganggu yang paling efektif adalah sebesar S/D = 1,7 ditandai dengan nilai puncak ( peak value) dari putaran, torsi statis dan Coefficient of Power turbin angin  Savonius  berpengganggu  berada  pada  jarak S/D tersebut.

## Saran
Ukuran  turbin  angin  Savonius  terlalu  besar  apabila dibandingkan dengan rongga wind tunnel, sehingga efek blockage besar dan disarankan perlu dilakukan penelitian dengan wind  tunnel yang  lebih  besar  atau  dilakukan  di ruang terbuka (udara bebas).

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis  berterimakasih  kepada  Allah  SWT dan Rasul- Nya,  kedua  orang  tua,  dosen  pembimbing  Prof.  Dr.  Ir. Triyogi  Yuwono,DEA  dan  seluruh  pihak  yang  telah memberi bantuan dan dukungan kepada penulis.

## D AFTAR P USTAKA
[1] Tsutsui,  T  dan  Igarashi,  T.  2002.  Drag  Reduction  on  Circular Cylinder  in  an  Air-Stream,  Journal  of  Wind  Engineering  and Industrial Aerodynamic, Vol 90, Page Paper 527-541.
[2] Deda  Altan  Burcin,  Atilgan  Mehmet,  dan  Ozdamar  Aydogan. 2008.  An  Experimental  Study  on  Improvement  of  a  Savonius Rotor  Performance  with  Curtaining,  Journal  Experimental Thermal and Fluid Science, Vol 32, Page Paper 1673-1678
[3] Mohamed  MH,  Janiga  G,  Pap  E,  dan  Thevenin  D.  2010. Optimization  of  Savonius  Turbines  Using  an  Obstacle  Shielding the  Returning  Blade,  Journal  Renewable  Energy,  Vol  35,  Page Paper 2618-2626