## Original Article
Journal of Science and Applicative Technology vol. 4 (2), 2020, pp. 86-90 | 89
e-ISSN: 2581-0545 - https://journal.itera.ac.id/index.php/jsat/
Copyright © 2020 Journal of Science and Applicative Technology. Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International Licence . Any  further distribution of this work must maintain attribution to  the author(s) and the  title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by Journal of Science and Aplicative Technology  (JSAT).
Received 12th May 2020 Accepted 30th November 2020 Published 20th December 2020
DOI: 10.35472/jsat.v4i2.272

## Desain turbin angin horisontal untuk area kecepatan angin rendah dengan airfoil S826
Setiadi Wira Buana *a , Putty Yunesti a ,  Guna Bangun Persada a , Abdul Muhyi b
a Teknik Sistem Energi, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan 35365
b Teknik Mesin, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan 35365
* Corresponding E-mail: setiadi.wira@tse.itera.ac.id
Abstract: This research aims to determine performance of turbine rotor performance with a single rotor blade model with a diameter of 0.6 m that has been developed by NORCOWE, while for turbine rotor blades used is the NREL S826 airfoil series. The wind turbines are operated at wind speed intervals of 1-5 m / s. This parameter will also present data in the form of the optimal point of wind turbine rotation and rotor rotation speed. The pitch angles used are 25 °, 30 °, and 35 °. The pitch angle that affects the value of the ideal rotational speed with the highest optimization for the horizontal airfoil turbine S826 is 30 ° with a wind speed of 5 m / s and a rotation of 570 RPM. This is because the greater the pitch angle of the installation, the easier it will be to experience speed trimming but is vulnerable to too large an angle of attack that causes a stall.
Keywords: airfoil, horizonttaly, low speed, wind energy, wind turbine design
Abstrak: Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kinerja rotor turbin dengan model blade rotor tunggal dengan diameter sebesar 0,6 m yang telah dikembangkan oleh NORCOWE, sedangkan untuk bilah rotor turbin yang digunakan adalah seri airfoil NREL S826. Turbin angin dioperasikan pada interval kecepatan angin 1-5 m/s. Parameter ini juga akan menyajikan data  berupa titik  optimal putaran  turbin angin  dan kecepatan rotasi  rotor.  Sudut pitch yang digunakan adalah  sebesar  25°,  30°,  dan  35°.  Sudut  pitch  yang  mempengaruhi  nilai  kecepatan  putar  paling  ideal  dengan optimalisasi tertinggi untuk jenis turbin horizontal airfoil S826 adalah 30° dengan kecepatan angin sebesar 5 m/s dan rotasi  sebesar  570  RPM.  Hal  tersebut  dikarenakan  semakin  besar  sudut  pitch  pemasangan,  karena  lebih  mudah mengalami  pemangkasan  kecepatan  namun  rentan  terhadap  sudut  serangan  yang  terlalu  besar  sehingga menyebabkan stall .
Kata Kunci : airfoil, desain turbin angin, energi angin, horizontal, kecepatan rendah

## Pendahuluan
Indonesia merupakan negara yang memiliki kecepatan angin rerata  sekitar  3-7  m/s  per  tahun  yang  termasuk  kedalam kategori  kecepatan  rendah [1] .  Saat  ini,  penggunaan  angin dengan  kecepatan  rendah  masih  belum  dimanfaatkan padahal kisaran ini sudah cukup untuk dimanfaatkan sebagai pembangkit  tenaga  listrik.  Salah  satu  metodenya  adalah dengan menggunakan turbin angin [2] . Turbin angin dengan sumbu horizontal menggunakan seri airfoil S826 merupakan desain yang cocok untuk daerah berkecapatan angin rendah [3] . Turbin tersebut dapat berputar pada kecepatan angin 1- 2  m/s  turbin  telah  berputar  dan  dapat  dimanfaatkan  atau telah  dalam  keadaan  cut  in  speed  pada  kecepatan  angin setelahnya.  Memiliki  nilai  optimalisasi  tertinggi  pada  sudut pitch  30°  dalam  kecepatan  angin  5  m/s  dan  rotasi  sebesar 570 rpm. Dalam penelitian ini dapat disimpulkan juga desain
turbin  angin  ini  memiliki  titik  optimal  yang  berpengaruh terhadap  sudut  pitch,  semakin  besar  sudut  pitch pemasangan,  maka  akan  lebih  mudah  mengalami  cut  in speed namun rentan terhadap sudut  serangan yang terlalu besar  sehingga  menyebabkan  stall.  Kedepan,  perlu  adanya improvisasi  dalam  desain  turbin  angin,  diantaranya penambahan  teknologi  Difusser  Augmented,  perubahan back  swept  pada  bilah  maupun  penambahan  vortec generator pada bilah.
Turbin  angin  atau  kincir  angin  yang  digunakan  untuk membangkitkan  tenaga  listrik  memanfaatkan  prinsip konversi  energi  dan  sumber  daya  yang  dapat  diperbaharui [4] . Prinsip kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis  dari  angin  yang  memutar  kincir  dan  terhubung dengan  generator  sehingga  menghasilkan  energi  listrik [5] . Turbin  angin  sumbu  horisontal  adalah  turbin  angin  yang
Open Access
92 | Journal of Science and Applicative Technology , vol. 4 (2), 2020, pp. 86-90 e-ISSN: 2581-0545
Desain Turbin Angin Horisontal untuk Area Kecepatan Angin Rendah Dengan Airfoil S826
92
sumbu  rotasinya  sejajar  dengan  permukaan  tanah.  Turbin angin  sumbu  horisontal  memiliki  poros  rotor  utama  dan generator listrik di bagian atas menara dan diarahkan ke arah angin  yang  akan  datang  untuk  dapat  menangkap  energi angina [6] .
Rendahnya  kecepatan  angin  masih  dapat  dimanfaatkan dengan menggunakan  turbin angin  yang berefisiensi tinggi. Salah  satunya  adalah  turbin  angin  tipe  baling-baling horizontal axis [7] , [8] . Turbin angin ini memiliki desain turbin angin yang cocok dengan kecepatan angin rendah sehingga dapat  meningkatkan  efisiensi  konversi  energi  turbin  dan optimalisasi  daya  serap  turbin  semakin  besar [9] , [10] . Peningkatan  efesiensi  konservasi  energi  turbin  dipengaruhi oleh jumlah bilah turbin yang meliputi ukuran (jari-jari rotor), penampang airfoil, panjang chord , dan angle of attack [11] .
Mengacu  pada  beberapa  hal  diatas  maka  peneliti  akan melakukan  desain  dan  analisis  optimasi  pada  turbin  angin dan diharapkan menghasilkan turbin angin yang efisien dan efektif saat digunakan dengan membuat turbin angin sumbu horizontal  airfoil  NREL  S826  dengan  modifikasi  bentuk, jumlah bilah dan sudut kemiringan dari turbin angin tersebut, kemudian dilakukan di daerah berkecepatan angina rendah, yakni di Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan yang memiliki kecepatan angin rerata berkisar 2-5 m/s [12] .

## Metode
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  menggunakan  metode penelitian  eksperimental  yaitu  melakukan  pengamatan melalui eksperimen kinerja rotor turbin dengan model blade rotor tunggal. Blade rotor tunggal memiliki diameter sebesar 0,6 m yang telah dikembangkan oleh NORCOWE ( Norwegian Center for Offshore Wind Energy ) dan Department of Energy and  Process  Engineering,  Norwegian  University  of  Science and Technology, NTNU, Trondheim, Norway [13] , sedangkan untuk  bilah  rotor  turbin  yang  digunakan  adalah  seri  airfoil NREL  S826  dirilis  oleh  NREL  (National  Renewable  Energy Laboratory) [14] , [15] .  Turbin  angin  dioperasikan  pada interval  kecepatan  angin  1-5  m/s.  Desain  turbin  angin dirancang  menggunakan  Solid  Work  2018  dan  dianalisis menggunakan  Fluent  Ansys  2018,  termasuk  analisis  blade tiga  dimensi  yang  terkait  dengan  parameter  aerodinamis rotor dan kerja turbin.
Gambar 1. Airfoil dari Bilang Turbin Angin [14]
Penelitian ini juga akan melakukan beberapa variasi terkait sudut pitch dari bilah turbin angin. Parameter ini juga akan menyajikan  data  berupa  titik  optimal  putaran  turbin  angin dan  kecepatan  rotasi  rotor.  Sudut pitch yang  digunakan adalah sebesar 25°, 30°, dan 35°. Terkait dengan airfoil dari bilah  turbin  angin  yang  digunakan  pada  penelitian  ini ditunjukkan  pada Gambar  1 ,  sedangkan  desain  turbin  angin ditunjukkan pada Gambar 2 .
Gambar 2. Desain Turbin Angin

## Hasil dan Pembahasan
Pada  penelitian  ini  digunakan  tiga  variasi  sudut  pitch, yaitu  25°,  30°,  dan  35°  pada  kecepatan  angin  1-5  m/s menggunakan  bilah  (blades)  seperti  yang  ditunjukan  oleh gambar  3  dan  tiga  hubs  yang  mewakili  setiap  variasi  sudut picth  yang  ditunjukkan  pada Gambar  3 , Gambar  4 ,  berikut hasilnya:
a. Sudut pitch 25°
Pada  variasi  pitch  25°  mengalami  kendala  pada  awal pemintalan  atau  besar  torsi  awal  yang  diberikan  lebih besar.  Saat  torsi  telah  berputar  dan  stabil,  kecepatan rotasi rotor meningkat secara signifikan. Pada kecepatan angin  1  m/s  rerata  kecepatan  putar  bernilai  142  RPM sampai ke 5 m/s kecepatan perputaran bernilai 560 RPM. Pada  kecepatan  angin  3  m/s,  rerata  kecepatan  putar rotor  sudah  mengalami  kestabilan  dengan  rerata kecepatan  putar  sebesar  338  RPM.  Hasil  pengukuran kecepatan  angin  berbanding  dengan  kecepatan  rotasi rotor tersaji pada Tabel 1 .
Copyright © 2020 Journal of Science and Applicative Technology
J. Sci. Appl. Tech. vol. 4 (2), 2020, pp. 86-90 | 91 Published by: Lembaga Penelitian, Pengabdian Masyarakat, dan Penjaminan Mutu Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia
Tabel 1. Hasil uji variasi pitch 25°
Sudut Pitch 25 o Kecepatan Angin (m/s) Kecepatan Putar (rpm) Rata-rata kecepatan putar (rpm) 1.0-1.9 86-185 142 2.0-2.9 190-285 233.6 3.0-3.9 294-390 338.4 4.0-4.9 402-490 448.8 5.0-5.1 530-590 560.0
Gambar 3. Bilah (Blades)
Gambar 4. Hubs dengan variasi sudut pitch 25 o , 30°, dan 35°
b. Sudut Pitch 30°
Pada sudut pitch uji kedua, yaitu sudut pitch kecepatan rotasi 30°, berdasarkan hasil yang ditunjukkan pada Tabel 2 ,  torsi  mengalami  peningkatan  yang  stabil.  Kecepatan putaran rerata dari sudut pitch 30 o berada diatas variasi 25 o sebesar 570 RPM. Dimulai dengan kecepatan angin 1 m/s, rerata kecepatan putar rotor sebesar 152 RPM dan
terus meningkat dengan stabil per rerata 100 RPM ketika kecepatan angin meningkat sampai ke 5 m/s.
c. Sudut Pitch 35°
Sudut  pitch  35°  merupakan  sudut  uji  akhir  yang digunakan  pada  penelitian  ini,  berdasarakan  hasil  yang ditunjukkan  pada Tabel  3 rerata  kecepatan  putar mengalami  kecepatan  rotasi  yang  lebih  rendah  jika dibandingkan  dengan  variasi  25°  dan  30°.  Pada  sudut pitch  35°  rerata  tertinggi  kecepatan  putar  dengan kecepatan angin 5 m/s senilai 446 RPM. Pada kecepatan angin  1  m/s  rerata  kecepatan  putar  rotor  sebesar  155 RPM  dan  terus  meningkat  secara  stabil  sebesar  rerata 120 RPM sampai ke kecepatan angin 5 m/s.
Tabel 2. Hasil uji variasi pitch 30°
Sudut Pitch 30 o Kecepatan Angin (m/s) Kecepatan Putar (rpm) Rata-rata kecepatan putar (rpm) 1.0-1.9 96-195 152 2.0-2.9 200-295 240.6 3.0-3.9 304-400 346.4 4.0-4.9 412-500 458.8 5.0-5.1 530-600 570
Tabel 3. Hasil uji variasi pitch 35° Sudut Pitch 35° Kecepatan Angin (m/s) Kecepatan Putar (rpm) Rata-rata kecepatan putar (rpm) 1.0-1.9 110-200 154.6 2.0-2.9 210-285 247.7 3.0-3.9 291-346 316.2 4.0-4.9 352-435 387.9 5.0-5.1 443-456 446.5 Berdasarkan  perbandingan  pada Gambar  5 ,  variasi  25° memiliki  peningkatan  nilai  RPM  sesuai  dengan  tren peningkatan  RPM  ideal.  Pada  kecepatan  angin  rendah, hasilnya adalah RPM rendah dan RPM rendah dan terus meningkat secara proporsional dengan kecepatan angin yang  disediakan.  Variasi  sudut  pasang  surut  30  juga mengalami peningkatan dan nilai  RPM  lebih tinggi dari garis  ideal.  Hasil  percobaan  dengan  percobaan parameter  variasi  untuk  derajat pitch dari hub .  Hasil
88
92 | Journal of Science and Applicative Technology , vol. 4 (2), 2020, pp. 86-90 e-ISSN: 2581-0545
Desain Turbin Angin Horisontal untuk Area Kecepatan Angin Rendah Dengan Airfoil S826 92
percobaan  menunjukkan  bahwa  kecepatan  putaran maksimum  rotor  tunggal  diperoleh  pada  30 o ,  dengan rerata kecepatan putar sebesar 570 rpm pada kecepatan angin 5 m/s.
Rerata  kecepatan  putaran  yang  paling  tinggi  didapatkan melalui hasil uji variasi pitch 30°, sehingga dapat  dikatakan bahwa pada sudut 30 o desain ini mencapai titik optimalnya. Hal tersebut disimpulkan karena pada sudut itu airfoil NREL S826 menghasilkan sudut serang yang dapat membuat profil menghasilkan  C L yang  optimal  dan  gaya  angkat  yang dihasilkan  bisa  lebih  besar,  selain  itu angle  of  attack yang dihasilkan oleh airfoil terlalu besar, menyebabkan efek stall. Saat  kecepatan  rotasi  rotor  berkurang,  daya  output  rotor secara  tidak  langsung  akan  berkurang,  namun  pada  variasi sudut  pitch  surut  yang  besar  ini,  rotor  dapat  memotong kecepatan  pada  kecepatan  angin  rendah,  sehingga  dari ketiga  variasi  tersebut  dapat  dikatakan  bahwa  sudut  pitch terbaik  adalah  pada  sudut  ke  bawah  30 o sehingga  daya output  rotor  secara  tidak  langsung  akan  berkurang.  Pada variasi  sudut pitch ini  (30 o ),  rotor  dapat cut  in  speed pada kecepatan angin rendah, sehingga dari ketiga variasi tersebut dapat  dikatakan  bahwa  sudut  pitch  terbaik  adalah  pada sudut 30 o .
Gambar  5. Perbandingan  Kecepatan  Angin  dan  Kecepatan  Rotasi Turbin Angin
Kecepatan  rotasi  rata-rata  rotor  pada  sudut  30 o yang dihasilkan lebih tinggi dibandingkan variasi lainnya, sehingga energi kinetik angin pada setiap kecepatan dapat ditangkap dengan baik. Daya turbin itu merupakan faktor multiplikasi antara  kecepatan  rotasi  dan  torsi  yang  dihasilkan  oleh  tiga bilah. Pada pengujian variasi sudut pitch tidak dalam keadaan terbebani tetapi jika diberi beban itu akan menghasilkan tren yang  kurang  lebih  sama  pada  hasilnya.  Ketika  daya  turbin lebih  besar,  nilai  Cp  yang  dihasilkan  lebih  besar  dan diharapkan  dalam  desain  turbin  angin,  yang  dapat menghasilkan  Cp  optimal.  RPM  adalah  kondisi  ideal  yang diharapkan, oleh karena itu, dalam desain turbin angin nilai RPM  awal ditentukan, sehingga nilai RPM yang ideal dapat
diperoleh.  Setelah  desain  selesai,  diuji  atau  disimulasikan. Jika  hasilnya  mendekati  nilai  RPM  yang  diharapkan,  maka dapat dikatakan bahwa desain sesuai.
Penggunaan  airfoil  NREL  S826  pada  penelitian  ini dikarenakan  rata-rata  kecepatan  fluida  yang  mengalir dipermukaan  atas  airfoil  lebih  tinggi  bila  dibandingkan dengan  rata-rata  kecepatan  dipermukaan  bawah  airfoil, kemudian Lift yang baik dan Drag yang rendah.

## Kesimpulan
Turbin  angin  dengan  sumbu  horizontal  menggunakan  seri airfoil  S826  merupakan  desain  yang  cocok  untuk  daerah berkecapatan angin rendah. Turbin tersebut dapat berputar pada  kecepatan  angin  1-2  m/s  turbin  telah  berputar  dan dapat dimanfaatkan atau telah dalam keadaan cut in speed pada kecepatan angin setelahnya. Memiliki nilai optimalisasi tertinggi pada sudut pitch 30° dalam kecepatan angin 5 m/s dan  rotasi  sebesar  570  rpm.  Dalam  penelitian  ini  dapat disimpulkan juga desain turbin angin ini memiliki titik optimal yang  berpengaruh  terhadap  sudut  pitch,  semakin  besar sudut pitch pemasangan, maka akan lebih mudah mengalami cut  in  speed  namun  rentan  terhadap  sudut  serangan  yang terlalu  besar  sehingga  menyebabkan  stall.  Kedepan,  perlu adanya  improvisasi  dalam  desain  turbin  angin, diantaranya penambahan  teknologi  Difusser  Augmented,  perubahan back  swept  pada  bilah  maupun  penambahan  vortec generator pada bilah.

## Daftar Pustaka
[1] Yudiarto,  Anindhita,  A.  Sugiyono,  L.  M.  A.  Wahid,  and  Adiarso, “Outlook  Energy  Indonesia  2018,” Pusat  Pengajian  Industri  Proses Energi , vol. 53, no. 9. pp. 1 – 94, 2018.
[2] R.  Sumiati  and  K.  Amri,  “Rancang  bangun  micro  turbin  angin pembangkit  listrik  untuk  rumah  tinggal  di  daerah  kecepatan  angin rendah,” J. Tek. Mesin , no. November, pp. 1 – 5, 2014.
[3] H.  Piggott, Windpower  workshop:  building  your  own  wind  turbine . 1997.
[4] R . E. Wilson, “Wind - turbine aerodynamics,” vol. 5, pp. 357– 372, 1980.
[5] O.  De  Vries,  “on  the  Theory  of  the  Horizontal - Axis  Wind  Turbine.,” Annu.  Rev.  Fluid  Mech. ,  vol.  15,  pp.  77 – 96,  1983,  doi: 10.1146/annurev.fl.15.010183.000453.
[6] P. J. Schubel and R. J. Crossley, “Wind turbine blade design,” Energies , vol. 5, no. 9, pp. 3425 – 3449, 2012, doi: 10.3390/en5093425.
[7] M.  K.  Johari,  M.  A.  A.  Jalil,  and  M.  F.  M.  Shariff,  “Comparison  of horizontal  axis  wind  turbine  (HAWT)  and  vertical  axis  wind  turbine (VAWT ),” Int.  J.  Eng.  Technol. ,  vol.  7,  no.  4,  pp.  74 – 80,  2018,  doi: 10.14419/ijet.v7i4.13.21333.
[8] J. Krøgenes, L. Brandrud, R. Hann, J. Bartl, T. Bracchi, and L. Sætran, “Aerodynamic  Performance  of  the  NREL  S826  Airfoil  in  Icing
Copyright © 2020 Journal of Science and Applicative Technology
Published by: Lembaga Penelitian, Pengabdian Masyarakat, dan Penjaminan Mutu Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia
Conditions,” Open-Access J. Eur. Acad. Wind Energy , no. October, pp.
1 – 17, 2017, doi: 10.5194/wes-2017-39.
[9] V.  Nelson, Wind  energy:  Renewable  energy  and  the  environment, second edition . Florida: CRC Press, 2013.
[10]  T.  Burton,  N.  Jenkins,  D.  Sharpe,  and  E.  Bossanyi, Wind  Energy Handbook, Second Edition . New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2011.
[11]  S.  Eriksson,  H.  Bernhoff,  a nd  M.  Leijon,  “Evaluation  of  different turbine concepts for wind power,” Renew. Sustain. Energy Rev. , vol. 12, no. 5, pp. 1419 – 1434, 2008, doi: 10.1016/j.rser.2006.05.017.
[12] R.  A.  Prahmana,  “Analysis  Wind  Characteristics  in  South  Lampung Indonesia,” J. Sci. Appl. Technol. , vol. 2, no. 1, pp. 10 – 13, 2019, doi:
10.35472/281439.
[13] P.  E.  Eriksen  and  P.  Å.  Krogstad,  “Experimental  results  for  the NOWITECH/NORCOWE blindtest,” 2012, doi: 10.1016/j.egypro.2012.06.121.
[14] P.  åge  Krogstad  and  P.  E.  Eriksen,  “‘Blind  test’  calculations  of  the performance  and  wake  development  for  a  model  wind  turbine,”
Renew. Energy , 2013, doi: 10.1016/j.renene.2012.06.044.
[15] D. Somers, “The S825 and S826 Airfoils,” Natl. Renew. Energy Lab. , no. January, pp. 1994 – 1995, 2005, [Online]. Available: https://wind.nrel.gov/airfoils/Documents/S825,S826_Design.pdf.