MODEL TURBIN ANGIN AIRFOIL NACA 4418

## TERHADAP VARIASI BUKAAN SUDUT SUDU PADA KECEPATAN ANGIN BERBEDA
Yusuf Dewantoro Herlambang 1 , Budhi Prasetiyo 1 , Supriyo 1 , Wahyono 1 ,
Teguh Harijono Mulud 1
1 Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin,
Politeknik Negeri Semarang Jl. Prof. Sudarto, SH Tembalang Semarang 50275
E-mail : masyusufdh@polines.ac.id

## Abstract
This study has investigated Vertical Axis Wind Turbine Aerofoil NACA 4418 has a rotor diameter of 560 mm, a blade length of 800 mm, the number of 3 blades and the blade made of fiberglass. Subsequently, we analyzes the characteristics of the 3-blade vertical rotor wind turbine at different wind speeds of 5 m/s, 6 m/s, 7 m/s, 8 m/s and 9 m/s with 5 wind turbine models with blade pitch angle 0 0 , 10 0 , 20 0 , 30 0 , and 40 0 . The results of this study obtained by the optimum Tip Speed Ratio (TSR) of 1.7 with blade pitch angle 10 0 at rotation speed of 321 rpm and wind speed 5.42 m/s. The optimum mechanical power of 19.4 W  was obtained at a blade pitch angle 20 0 with  a  turbine  speed  381  at  wind  speed  turbine  of  6.4  m/s.  While  the  optimum  Coefficient  of  Power  (CP)  of 0,202 generated by the turbine with a blade pitch angle 10 0 at 198 rpm turbine speed, and 8.5 W that obtained mechanical power with a variable speed test of 5.42 m/s.
Keywords: VAWT wind turbine, wind speed, blade angle, tip speed ratio, coefficient of power

## Abstrak
Penelitian ini mengkaji Turbin Angin Sumbu Vertikal ( Vertical Axis Wind Turbine) Aerofoil NACA 4418 yang memiliki  diameter  rotor  560    mm,  panjang  sudu  800  mm,  jumlah  sudu  3  buah,  serta  bahan  sudu  terbuat  dari fiberglass. Selanjutnya menganalis karakteristik turbin angin rotor vertikal 3-sudu tersebut pada kecepatan angin berbeda  5  m/s,  6  m/s,  7  m/s,  8  m/s,  dan  9  m/s  dengan  5  buah  model  turbin  angin  dengan  bukaan  sudut  sudu ( blade  pitch  angle) bervariasi  yaitu 0 0 ,  10 0 ,  20 0 ,  30 0 ,  dan  40 0 .  Hasil  pengujian  turbin  angin  diperoleh  rasio kecepatan sudu ( Tip Speed Ratio) yang optimum sebesar 1,7 pada sudut sudu 10 0 dengan putaran turbin 321 rpm dan kecepatan angin 5,42 m/s. Daya mekanik optimum yang diperoleh adalah 19,4 W pada bukaan sudut sudu sebesar  20 0 dengan  putaran  turbin  381  serta  kecepatan  angin  6,4  m/s.  Turbin  menghasilkan  koesifien  daya ( Coefficient  of  Power) optimum  yang  dihasilkan  sebesar  0,202  dengan  bukaan  sudut  sudu  sebesar 10 0 dan putaran turbin 198 rpm, dan daya mekanik yang dihasilkan 8,5 Watt pada variabel pengujian kecepatan sebesar 5,42 m/s.
Kata Kunci: Turbin angin VAWT 4418, kecepatan angin, bukaan sudut sudu, rasio kecepatan sudu, koefisien daya

## PENDAHULUAN
Program percepatan pembangunan pembangkit baru  tersebut  bertujuan  untuk  meningkatkan  rasio elektrifikasi  dari  sebelumnya  87,4  %  pada  tahun 2015  menjadi  sekitar  97%  pada  tahun  2019. Pemerintah dalam hal ini PLN memiliki komitmen untuk  meningkatkan  rasio  elektrifikasi  di  wilayah perdesaan,  daerah  terpencil,  dan  pulau  terluar Indonesia.  Rasio  elektrifikasi  adalah  perbandingan
jumlah penduduk Indonesia yang sudah menikmati fasilitas  listrik  dengan  jumlah  total  penduduk Indonesia.  Perpres  No.  5  tahun  2006  tentang Kebijakan  Energi  Nasional  disebutkan  bahwa kontribusi  pengembangan  energi  baru  terbarukan (EBT) dalam bauran energi primer nasional sampai dengan  tahun  2015  yakni  sebesar  17%  dengan komposisi  panas  bumi  5%,  air,  surya,  angin, biomassa,  dan  nuklir  sebesar  5%,  bahan  bakar nabati (biodiesel dan bioethanol) sebesar 5%, serta
e -ISSN: 2548-9828
batu  bara  yang  dicairkan  sebesar  2%.  Diharapkan sampai  dengan  tahun  2025  bauran  energy  primer nasional  meningkat  menjadi  23%.  Berdasarkan data  diatas,  Indonesia  akan  mengalami  krisis energi,  dikarenakan  semua  jenis  energi  Indonesia akan  habis  dalam  kurun  waktu  90  tahun (AWEA/BWEA,  2004).  Salah  satu  penerapan turbin  angin  kapasitas  75  MW  di  Desa  Mattirotasi Kabupaten  Sidrap  Sulawesi  Selatan.  Sejumlah  30 Wind  Turbine  Generator  (WTG)  yang  mampu mengaliri  listrik  kepada  70.000  rumah.  Penelitian terkait  pemanfaatan  energi  baru  terbarukan  seperti pembangkit tenaga surya, air,  mikrofluida fuel cell dan  pembangkit  tenaga  angina  sudah  dilakukan oleh Herlambang (2010, 2016, 2017). Prinsip kerja dari  turbin  angin  VAWT  dengan  memanfaatkan angin  yang  berasal  dari  blower  kemudian  angin ditangkap  oleh  sudu-sudu  turbin,  sehingga  timbul energi  mekanik  yang  berasal  dari  poros  turbin selanjutnya  dikonversikan  menjadi  energi  listrik yang  berasal  dari  generator  (Herlambang  2016, 2017;  Soelaiman,  2010;  Hermawan,  2010).  Energi kinetik  dari  massa  udara    m  yang  bergerak  pada kecepatan v (Leysen, 1983 dan Hau, 2006):
P kin = 2 1 m  . v 2 (1)
Mengacu  pada  luas  potongan  melintang tertentu A ,  yang  dilewati    lintasan  udara  pada kecepatan  v,  volume    V˙  mengalir  melewati  unit waktu  tertentu,  dinamakan  aliran  volume  ( volume flow) dan  laju  aliran  massa  disebut m  adalah (Leysen, 1983):
m  = ρ . A 1 . v 1 (2)
Gambar 1. Kondisi aliran karena pengeluaran energi mekanik dari arus bebas aliran udara, mengacu pada teori dasar momentum.
Energi  mekanik  yang  mana  dikeluarkan  dari disk-shaped  konverter  dari  aliran  udara  berkaitan dengan  perbedaan  daya  dari  arus  udara  sebelum dan sesudah konverter (Leysen, 1983):
P kin = 2 1 ρ . A 1 . v 1 3 - 2 1 ρ . A 2 . v 2 3 = 2 1 ρ ( A 1
. v 1 3 - A 2 . v 2 3 ) (3) v 1 :  kecepatan  arus-bebas  undelayed,  kecepatan angin v 2 : kecepatan aliran dibelakang konverter.
Persamaan kontinuitas yang diperlukan adalah:
ρ . A 1 . v 1 = ρ . A 2 . v 2 (4) P  = 2 1 ρ . A 1 . v 1 3 (v 1 2 - v 2 2 ) (5)
dimana:
ρ : Massa jenis udara [ ] A : Luas sapuan angin [m 2 ] v : Kecepatan angin [ ] indeks  1  merupakan  arah  masuk;  indeks  2 merupakan arah masuk
Menurut  Gupta,  2010  dan  Grant,  2003 menerangkan  bahwa  daya  akan  dapat  mencapai maksimum  bila  kecepatan  v 2 adalah  nol.  Akan tetapi,  hasil  ini  tidak  bisa  dibuat  secara  fisik sebagaimana dapat diduga, secara fisik hasil berarti terdiri    rasio  kuantitatip  (numerik)  tertentu  v 2 /v 1 dimana  daya  yang  dapat  dikeluarkan  mencapai maksimum dengan v 2 /v 1 = 16/27 atau cp = 0,593.

## METODE PENELITIAN
Tahap  pertama  adalah  pemilihan  bahan  sudu fiberglas  dan  perancangan  alat  dilakukan  untuk memperoleh  desain  dan  alternatif  yang  terbaik. Kegiatan  ini  dilakukan  dengan  membuat  sketsa gambar sudu rotor angin VAWT beserta mekanismenya, sehingga dihasilkan gambar konstruksi.  Besarnya  daya  turbin  ditentukan  oleh luas  sapuan  rotor  dan  kecepatan  angin,  setelah diperoleh  besarnya  daya  turbin  digunakan  untuk menentukan besarnya kapasitas pompa. Perhitungan  biaya  dilakukan  untuk  pembuatan  alat dan  peralatan  penunjangnya.  Merancang  dan membuat  turbin  angin  VAWT  airfoil  NACA  4418 3-sudu  konstruksi  sudu  curved  terdiri  dari  3 konstruksi  sudu  rotor  turbin  berdiameter  560  mm tinggi  800  mm  yang  dibuat  dari  campuran  serat kayu,  ram,  resin  epoksi  dengan  perbandingan tertentu.  Bagian-bagian  sudu  turbin  diperkuat  atau diperkokoh menggunakan besi poros pejal pada sisi lengkung  luar  dan  sisi  lengkung  dalam  sudu. Dalam pembuatan ini melibatkan proses pengerjaan cutting,  bending,  welding,  milling,  bubut,  dan forming.
Gambar 2. Cetakan sudu turbin Gorlov NACA 4418
Tahap Pengerjaan dan Perakitan
Rotor  VAWT  airfoil  NACA  4418  3-sudu terdiri dari rotor turbin, piringan penahan sudu, dan poros.  Model  rotor  VAWT  airfoil  NACA  4418  3- sudu yang dibuat berjumlah 4 buah dengan masing- masing bukaan sudut sudu adalah 5°, 10°, 15°, dan 20°.  Sudu  turbin  dibuat  dari  fiberglas  ( resin polyester,  wolver  roffing,  fiber  cloth ,  serat gelas/ mat ,  pewarna  pigmen,  katalis).  Pemilihan bahan  sudu  menggunakan  cetakan  sudu.  Diameter rotor VAWT airfoil NACA 4418 3-sudu ini adalah 550  mm  dan  tinggi  rotor  800  mm.  Sudu  turbin VAWT  airfoil  NACA  4418  3-sudu  ini  terpasang pada  suatu  piringan/cakram  sebagai  penyangga sudu.

## Tahap Simulasi  dan Pengujian
Uji  simulasi  dilakukan  pada  turbin  dengan unjukkerja  terbaik.  Simulasi  ini  menggunakan software  ANSYS  14.0  versi  mahasiswa.  Uji pertama  adalah  memperoleh  desain  struktur geometri sudu NACA 4418. Tahap kedua, meshing dengan grid sudu halus untuk mendapatkan kualitas piksel  terbaik  dan  perhitungan  yang  lebih  akurat. Tahap  ketiga  memberikan  gaya  statis  struktural pada  sudu  untuk  memperoleh  beban  sudu  dan kecepatan  angin  yang  optimal.  Sehingga  akan diperoleh  tegangan  maksimum  dan  minimum  di sepanjang sudu turbin. Deformasi elastis pada sudu turbin  bisa  diperoleh  di  sepanjang  sudu.  Faktor keamanan  merupakan  hal  yang  sangat  penting dalam hal operasional sudu turbin.
Pelaksanaan  pengujian, dimana  pada  tahap ini  akan  dilakukan  pengambilan  data.  Parameter yang  diukur  dalam  pengujian  adalah  kecepatan angin  (m/s)  yang    akan  digunakan  memutar  sudu turbin;  putaran  poros  (rpm),  yaitu  putaran  yang dihasilkan  oleh  poros  turbin  setelah  sudu  turbin dikenai  angin  dengan  kecepatan  yang  telah ditentukan;  torsi  (Nm),  yaitu  besarnya  torsi  yang dihasilkan  dari  putaran  poros  setelah  sudu  turbin dikenai  angin  dengan  kecepatan  yang  telah ditentukan; daya turbin (watt), yaitu besarnya daya angin  yang  mampu  dihasilkan  oleh  turbin  angin; Coefficient of Power Cp , yaitu perbandingan antara daya turbin dengan daya angin.
Pengolahan  dan  Analisis, Data  hasil  simulasi aerodinamis  dan  struktur  disesuaikan  dengan  data pengujian  diolah  untuk  mendapatkan  kecepatan angin,  putaran  poros,  torsi,  daya  turbin,  koefisien daya,  koefisien  torsi.  Hasil  pengolahan  kemudian dipajangkan  dalam  bentuk  grafik  karakteristik turbin  angin.  Unjuk  kerja  masing-masing  turbin tersebut  dikaji  dan  dianalisis.  Sehingga  akan menghasilkan turbin dengan variasi sudut sudu dan simulasi yang mempunyai unjuk kerja terbaik.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian  simulasi ,  data  hasil  uji  simulasi aerodinamis  turbin  dan  simulasi  struktur  desain sudu. Analisis aerodinamis sudu diantaranya adalah
analisis  tekanan  disepanjang  permukaan  atas  dan bawah  sudu  turbin.  Tekanan  udara  sepanjang permukaan  sudu  1,01  x  10 5 Pa  yang  nilainya konstan sepanjang permukaan sudu. Tekanan udara dibawah  permukaan  sudu  lebih  tinggi  daripada tekanan pada permukaan. Kontur tekanan sepanjang  permukaan  sudu  dapat  digunakan  untuk menganalisa  tekanan  statis,  tekanan  dinamis  dan total tekanan udara disepanjang permukaan sudu.
Gambar 3. Tekanan udara (aerodinamis) sepanjang permukaan sudu
Pada  analisis  struktur  meliputi  tegangan  sudu, deformasi elastis sudu, dan faktor keamanan seperti ditunjukkan  pada  gambar  dibawah.  Kondisi  batas saat  ini  pada  operasi  sudu  memiliki  putaran  20,98 rps. Besarnya beban  untuk analisis ini adalah 395, 49 N.
Gambar 4. Desain sudu NACA 4418 dan meshing sudu
Pengujian eksperimental , data hasil pengujian  diolah  untuk  mendapatkan  kecepatan angin,  putaran  poros,  torsi,  daya  turbin,  koefisien daya, tip  speed  ratio ,  dan  koefisien  torsi.  Hasil pengolahan  kemudian  dipajangkan  dalam  bentuk grafik  karakteristik  turbin  VAWT  airfoil  NACA 4418  3-sudu.  Unjuk  kerja  masing-masing  turbin tersebut  dikaji  dan  dianalisis.  Sehingga  akan menghasilkan  kesimpulan  pada  turbin  dengan variasi bukaan sudut sudu (blade pitch angle) , serta yang mempunyai unjuk kerja terbaik.
Gambar 5. Analisis struktural permukaan sudu dan faktor keamanan sudu
Gambar 6. Faktor keamanan sudu dan sepanjang permukaan sudu
Gambar 7. Faktor keamanan sebelum pembebanan pada v = 5, 42 m/s
Gambar 8. Faktor keamanan sudu setelah pembebanan pada v = 5,42 m/s
Gambar 9. Hubungan daya mekanik dengan putaran turbin pada kecepatan angin 9,2 m/s
Daya  mekanik  sebesar  19,4  Watt  merupakan nilai optimum yang dihasilkan, terdapat pada blade pitch  angle 20 0 .Sedangkan  nilai  dari  daya minimum yang dihasikan sebesar 1,6 Watt terdapat pada blade pitch angle 40 0 .Putaran  turbin tertinggi sebesar  448  rpm,  terdapat  pada blade  pitch  angle 20 0 .Apabila  semakin  kecil  putaran  turbin  yang disebabkan adanya peningkatan pembebanan, maka nilai  dari  daya  mekanik  yang  dihasilkan  akan semakin  tinggi,  tetapi  akan  mencapai  batas sehingga nilai daya mekanik akan kembali turun.
Gambar 10. Hubungan Coefficient of Power turbin dengan putaran turbin pada kecepatan angin 5,42 m/s
Pada  grafik  karakteristik Coefficient  of  Power turbin  dengan  putaran  turbin,  nilai  optimum  dari Coefficient  of  Power  turbin  sebesar  0,202  terdapat pada blade pitch angle 10 0 pada putaran turbin 198 rpm dengan daya mekanik yang dihasilkan sebesar 8,5  Watt.  Sedangkan  nilai  minimum Coefficient  of Power turbin  terdapat  pada blade  pitch  angle 20 0 sebesar  0,049  pada  putaran  turbin  245  rpm  dan daya  mekanik  yang  dihasilkan  sebesar  2,1  Watt. Coefficient of Power turbin menjadi semakin tinggi dengan  adanya  penurunan  putaran  turbin  yang disebabkan  peningkatan  pembebanan,  namum apabila  sudah  mencapai  batasnya,  makanilai Coefficient  of  Power turbin  yang  dihasilkan  akan kembali turun.
Keunggulan Teknologi a. Keunggulan Inovatif - Merupakan pendekatan teknologi menggunakan turbin VAWT sudu Aerofoil NACA 4418 skala laboratorium. - Jika  diterapkan  untuk  pembangkit  tenaga listrik,  dapat  didesain  dengan  dimensi yang  besar  untuk  menghasilkan  daya sesuai kebutuhan.
b. Keunggulan Komparatif
- Jika  diterapkan  untuk  pembangkit  energy akan  dapat  menerima  energy  angin  dari segala arah dan meningkatkan aliran udara menumbuk turbin, sehingga akan meningkatkan efisiensi dan daya turbin.
- Material yang murah dan mudah didapatkan di pasaran akan menekan biaya produksi
Prospek Aplikasi
- Penerapan  rotor  sudu  aerofoil  akan meningkatkan  efisiensi  dan  daya  turbin angin.
- Dukungan  material  yang  murah  dan mudah diperoleh dipasaran, akan menekan biaya investasi pembangunan pembangkit.
- Desain  turbin  untuk  kecepatan  angin rendah  bisa  diaplikasikan  di  seluruh wilayah  Indonesia  yang  memiliki  potensi angin diatas 3,5 m/s.

## SIMPULAN
Hasil penelitian ini menghasilkan kesimpulan :
1. Turbin  angin  VAWT  aerofoil  NACA  4418 memiliki spesifikasi sebagai berikut : diameter rotor 560  mm, panjang sudu 800 mm, jumlah sudu  3  buah  serta  bahan  sudu  terbuat  dari fiberglass.
2. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pembebanan  struktur  sudu  dengan  faktor keamana  5,64  ul  pada  kecepatan  angin  5,42 m/s    akan  menghasilkan  tegangan  optimum 185 MPa yang diperoleh dari daya maksimum dan tegangan yang selaras dengan eksperimental.
3. Coefficient  of  Power (CP)  optimum  yang dihasilkan  oleh  turbin  adalah  0,20  terdapat pada susut sudu 10 0 dengan kecepatan variabel pengujian  sebesar  5,42  m/s,  pada  putaran turbin  198  rpm,  dan  daya  mekanik  yang dihasilkan 8,5 Watt.
4. Tip  Speed  Rasio (TSR)  yang  tertinggi  sebesar 1,7  terdapat  pada  sudut  sudu 10 0 dengan putaran  turbin  sebesar  321  rpm  dan  kecepatan angin 5,42 m/s.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terimakasih  kepada Politeknik Negeri Semarang yang telah membiayai pelaksanaan kegiatan Penelitian
Terapan Kompetitif –PNBP  dengan  nomor  kontrak 533/PL4.7.4.2/LT/2018.

## DAFTAR PUSTAKA
1. AWEA.  2004.  The American  Wind  Energy Association. http://www.awea.org .  BWEA. 2002. The  British  Wind  Energy  Association . http://www.bwea.com . diakses tanggal 5 Oktober 2009.
2. Herlambang, Y.D., Lee, S.C., Hsu, H.C. 2017. Numerical Estimation of Photovoltaic– Electrolyzer System Performance on The Basis of  a  Weather  Database .  International  Journal of Green Energy, vol. xx, pp. 1-12, 2017.
3. Herlambang,  Y.D.,  Shyu,  J.C.,  and  Lee,  S.C. 2017. A numerical study on the performance of air-breathing  microfluidic  fuel  cells .  The  12 th
Annual International Conference
on
Nano/Micro Engineered and Molecular
Systems  (NEMS),  9-12  April  2017,  UCLA, California USA.
4. Herlambang, Y.D. 2017. Numerical simulation of  the  performance  of  air-breathing  direct formic  acid  microfluidic  fuel  cells, IET  Micro
& Nano Letters .
5. Herlambang,  Y.D.,  Lee,  S.C.,  and  Liu,  C.J. 2016. Numerical  Study  and  Modeling  of  The Solar  Radiation  Measurement  on  Tilted Surface  for  The  Local  Behavior  Database .  37 (5), 441-448.
6. Herlambang,  Y.D.,  and  Suwoto,  G.  2010. Unjukkerja  Turbin  Air  Mikro  Aliran  Silang Terhadap  Variasi  Sudut  Sudu  Jalan  (Runner) Pada Debit Konstan Untuk PLTMH. Prosiding SNST Fakultas Teknik Unwahas, Semarang.
7. Beri  H,  and  Yao  Y.  2011. Effect  of  Chamber Airfoil  on  Self  Starting  of  Vertical  Axis  Wind Turbine.  Journal  of  Environment  Science  and Technology. Vol. 4 (3), pp. 302-312
8. Grant, A and Kelly N. 2003. The Development of  a  Ducted  Wind  Turbine  Simulation  Model. Eight  Int.  IBPSA  Conference  Eindhoven, Netherlands . Pp. 407-414.
9. Hau, Erich. 2006.
Wind Turbines Fundamentals, Technologies, Application, Economics. 2 nd Edition. Springer-Verlag Berlin. Germany
10. Hermawan.  2010. Unjukkerja  Model  Turbin Angin  Poros  Vertikal  Tipe  Savonius  dengan Variasi Jumlah Sudu dan Variasi Posisi Sudut Turbin . SNTTM ke-9 Palembang
11. Gupta  R,  Roy  S,  and  Biswas  A.  2010. Computational  Fluid  Dynamics  of  Twisted Airfoil  Shaped  Two  Bladed  H-Darrieus  Rotor Made  From  Fibreglass  Reinforced  Plastic (FRP).  International  Journal  of  Energy  and Environment. Vol. 1. Pp. 953-968 12. Leysen  E.H.  1983, Introduction  to  Wind Energy . PO
BOX 85/Amersfort/The Netherlands: Steering Committee Wind
Energy, Developing Countries
13. Soelaiman, Fauzi TA., Tandian NP., Rachmatulloh Rizki. 2010. Optimasi Penambahan  Selubung  (Shroud)  pada  Turbin Angin  Sumbu  Vertikal  dengan  Menggunakan Simulasi  CFD  2  Dimensi .  SNTTM  ke-9 Palembang
14. Sabzevari,  A. 2007. Power Augmentation in a Ducted  Savonius  Rotor . Pahlavy  University, Iran.  Second  Int.  Symposium  Wind  Energy Systems. BHRA Fluid Engineering, England