Volume  15  No.1 Januari 2023 ISSN : 2085 – 1669 e-ISSN : 2460 – 0288 Website : jurnal.umj.ac.id/index.php/jurtek Email :  jurnalteknologi@umj.ac.id

## U  N  I  V  E  R  S  I  T  A  S   M  U  H  A  M  M  A  D  I  Y  A  H   J  A  K  A  R  T  A

## OPTIMASI TURBIN ARUS LAUT TIPE V-SHAPED BLADE DENGAN MEMPERTIMBANGKAN BLADE ASPECT RATIO DAN SOLIDITY
Rizki Mendung Ariefianto 1,* , Rini Nur Hasanah 2 , Wijono 3 1,2,3 Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya, Malang, Jawa Timur 65145, Indonesia
*E-mail koresponden: rizkimsahab19@gmail.com Diterima: 9 Januari 2022 Direvisi: 9 Juni 2022 Disetujui: 3 Agustus 2022

## ABSTRAK
Turbin V-shaped blade merupakan salah satu model turbin dengan kemampuan self-starting yang baik meskipun efisiensinya masih standar. Berbagai penelitian berupa variasi bentuk foil dan variasi sudut sapuan sudu yang diterapkan pada turbin V-shaped blade telah banyak dilakukan untuk meningkatkan performanya. Penelitian ini bertujuan  untuk  mengoptimasi  kemampuan  turbin  V-shaped  blade  dari  sisi  efisiensi  dan  self-starting  dengan cara mengivestigasi pengaruh blade aspect ratio dan solidity melalui beberapa skenario pengujian. Foil NACA 63 4 021  dan  blade  swept  angle  sebesar  30°  digunakan  untuk  membentuk  turbin  V-shaped  blade  dasar.  Hasil simulasi  menggunakan  software  QBlade  menunjukkan  bahwa  blade  aspect  ratio  dan  solidity  sangat berpengaruh  terhadap  efisiensi  dan  kemampuan  self-starting  dari  turbin  V-shaped  blade.  Pada  akhirnya konfigurasi desain yang optimal dicapai pada dimensi turbin dengan tinggi sebesar 3.1344 m, jari-jari sebesar 1.8288 m, panjang chord foil sebesar 0.2134 m, dan jumlah sudu sebanyak empat buah. Konfigurasi ini mampu mencapai  efisiensi  maksimum  sebesar  0.441  dan  memenuhi  self-starting  pada  batas  minimum  tip  speed  ratio sebesar 0.7.
Kata kunci: Turbin V-shaped blade; blade aspect ratio; solidity; efisiensi; self-starting

## ABSTRACT
The V-shaped blade turbine is one of the turbine models with good self-starting capability, although its efficiency is still standard. Various studies, especially of foil shape and blade swept angle variations applied to V-shaped blade turbines, have been carried out to improve its performance. This study aims to optimize the ability of a V- shaped blade turbine in terms of efficiency and self-starting by investigating the effect of blade aspect ratio and solidity through several test scenarios. NACA 634021 foil and a blade swept angle of 30° were used to create the main form of a V-shaped blade turbine. The simulation  results using the QBlade software show that  the blade aspect  ratio  and  solidity  significantly  affect  the  efficiency  and  self-starting  capability  of  the  V-shaped  blade turbine.  Finally,  the  optimal  design  configuration  was  achieved  on  the  turbine  dimensions  with  a  height  of 3.1344 m, a radius of 1.8288 m, a chord foil length of 0.2134 m, and a total of four blades. This configuration can achieve maximum efficiency of 0.441 and fulfills self-starting at the minimum tip speed ratio limit of 0.7.
Keywords : V-shaped blade turbine; blade aspect ratio; solidity; efficiency; self-starting

## PENDAHULUAN
Meningkatnya permintaan energi dunia menjadi  faktor  utama  dalam  eksplorasi berbagai  sumber  energi  terbarukan,  tidak terkecuali  energi  laut.  Energi  ini  terdiri  dari berbagai  jenis  sumber  seperti  gelombang  laut, panas  laut,  gradien  salinitas,  dan  arus laut/pasang  surut  dimana  energi  terakhir memiliki perkembangan teknologi pengonversi yang  sangat  pesat  (Mukhtasor et  al .,  2018).
Hal  ini  dikarenakan  teknologi  turbin  sebagai konverter utama  sumber daya  arus  laut/pasang surut merupakan teknologi yang telah  siap dan matang.
Secara  umum  terdapat  dua  tipe  turbin  yang sering  diaplikasikan,  yaitu horizontal  axis turbine (HAT)  dan vertical  axis  turbine (VAT).  Jenis  turbin  yang  kedua,  khususnya yang  berbentuk  bilah  lurus  ( straight  blade ) memiliki  geometri  yang  disederhanakan  tanpa mekanisme yaw atau pengaturan pitch (Cho et al .,  2018;  Kumar et al .,  2019).  Selain  itu, turbin  ini  mampu  mengonversi  kecepatan  arus laut dari segala arah (Pope et al ., 2011). VACT bahkan  dapat  bekerja  pada  suatu  fluida  yang tidak  stabil  karena  memiliki  simetri  aksial khusus  sehingga  dapat  memperoleh  energi dimana  terdapat  turbulensi  tinggi  (Armstrong et al ., 2012).
Pada  aplikasinya,  VAT  terbagi  menjadi  tipe Savonius  dan  tipe  Darrieus.  Untuk  turbin Savonius  memiliki  beberapa keunggulan seperti  struktur  yang  sederhana,  kemampuan menerima  fluida  dari  berbagai  arah  dan besarnya  torsi  awal  pada  kecepatan  rendah (Handoko et  al .,  2021;  Mereu et  al .,  2017).
Terlepas  dari  hal  tersebut,  turbin  Savonius menghadapi  efisiensi  rendah  dan  beroperasi pada tip speed ratio yang rendah pula sehingga menjadikannya sulit terintegrasi dengan generator.  Untuk  turbin  Darrieus  merupakan tipe  yang  menarik  karena  menawarkan keunggulan pada kesederhanaan dan kekompakan geometrisnya (Khan et al ., 2009).
Selain  itu,  efisiensi  dari  turbin  ini  juga  lebih tinggi dibandingkan turbin Savonius (Anjum et al .,  2016).  Namun,  kelemahan  dari  turbin Darrieus  adalah  memiliki  kemampuan self- starting yang rendah (Janon, 2020).
Telah banyak penelitian baik simulasi maupun eksperimen  yang  coba  dilakukan  untuk
meningkatkan performa turbin Darrieus. Peningkatan  ini  dilakukan  dengan  berbagai cara  seperti  memodifikasi  foil,  bentuk  rotor, dan  bentuk  sudunya  (Satrio et  al .,  2018). Modifikasi  bentuk  sudu  menjadi  salah  satu pilihan  dengan  munculnya  turbin  Gorlov  yang memiliki bentuk sudu heliks namun menghasilkan  efisiensi  dan  kemampuan self- starting yang baik (Gorban et al ., 2001). Akan tetapi,  turbin  ini  memiliki  kelemahan  pada desain  yang  kompleks  untuk  keperluan fabrikasi.  Modifikasi  sudu  juga  dilakukan dengan  mengembangkan  turbin  VAT  menjadi turbin  arus  melintang  ( cross-flow ).  Selain untuk meningkatkan performanya,
pengembangan  turbin  VAT  menjadi  turbin cross-flow bertujuan untuk mengurangi kompleksitas  desain  yang  dibuat.  Salah  satu proyek turbin cross-flow yang telah dikembangkan  adalah  turbin  Achard-Maitre. Turbin  ini  memiliki  bentuk  sudu  seperti huruf  ”V”  yang  dimiringkan  dan  memiliki keunggulan  utama  berupa  kemampuan self- starting meskipun  efisiensinya  masih  standar dan bahkan cenderung rendah.
Beberapa  penelitian  lanjutan  dari  turbin Achard-Maitre yang selanjutnya disebut turbin V-shaped  blade telah  dilakukan.  Zanette et  al (2010)  memodifikasi  turbin  Achard–Maitre tiga  sudu  menjadi  turbin V-shaped blade yang berbasis  foil  NACA  0018  dan  sudut  sapuan sudu  sebesar  30°.  Hasilnya  koefisien  daya sebesar 0.32 dapat dicapai dan turbin memiliki self-starting yang  baik.  Selain  itu,  turbin serupa namun dengan distribusi panjang chord foil yang sama sepanjang sudu, diteliti oleh Su et  al (2020).  Efisiensi  sebesar  0.375  dicapai dengan  parameter  umum  berupa  penggunaan foil  NACA  0021,  jumlah  sudu  3,  kedalaman bentuk  “V”  optimum  sebesar  0.6  kali  panjang chord foil. Berikutnya Tafrant dan Hendradinata  (2019)  menguji  turbin V-blade shape dengan  sudut  sapuan  15°,  30°, dan  45°. Hasilnya  sudut  45°  memberikan  efisiensi tertinggi  sebesar  0.1924  meskipun  nilainya tidak  memiliki  selisih  yang  signifikan  dengan sudut  30°.  Kemudian  penelitian  Mosbahi et  al (2020)  menyatakan  bahwa  turbin V-shaped blade berbasis  NACA  0020  dan  sudut  sapuan sudu  30°  mampu  menghasilkan  efisiensi tertinggi  sebesar  0.178  dan  kemampuan self- starting yang baik.
Jurnal Teknologi 15 (1) pp 1- 12 © 2023
Dari  penelitian-penelitian  sebelumnya,  terlihat bahwa  turbin V-shaped  blade memiliki efisiensi  yang  cukup  tinggi  dibandingkan standar efisiensi umum turbin VAT, yaitu lebih dari 0.3 (Madi et al ., 2021). Namun, beberapa penelitian  turbin V-shaped  blade yang  lain menghasilkan  efisiensi  yang  lebih  rendah. Bahkan  lebih  spesifik,  untuk  turbin  tipe crossflow dasar efisiensi tertinggi yang dicapai hanya sebesar 0.3 (Enawi et al ., 2021; Pujol et al .,  2018).  Peningkatan  performa  turbin V- shaped  blade telah  banyak  dibahas  terkait penggunaan  bentuk  foil  berbeda  dan  sudut sapuan sudu optimal. Pada penelitian lain yang mengeksplorasi turbin Darrieus sudu lurus dan heliks  menyatakan  bahwa  efisiensi  daya optimum  sangat  bergantung  pada  beberapa faktor  seperti blade  aspect  ratio dan solidity (Ahmadi-Baloutaki et  al .,  2014).  Untuk blade aspect  ratio dipengaruhi  oleh  dimensi  turbin sedangkan solidity sangat  bergantung  pada jumlah  sudu,  panjang chord foil,  dan  radius rotor.
Oleh  karena  itu,  penelitian  ini  menyajikan investigasi  lanjutan  terhadap  turbin V-shaped blade dengan mempertimbangkan faktor blade aspect  ratio dan solidity agar  diperoleh peningkatan performa yang lebih baik. Variasi blade aspect ratio dan solidity dikombinasikan untuk  mendapatkan  dimensi  turbin  yang menghasilkan  efisiensi  sekaligus  memiliki kemampuan self-starting yang  baik.  Analisis dilakukan  menggunakan software QBlade yang  berbasis  teori blade  element  momentum (BEM)  dan double  multiple  streamtube (DMST)  untuk  mesimulasikan  turbin  dan meningkatkan  kinerjanya  (Mahmuddin,  2017). Software ini  merupakan tools yang  sangat bermanfaat  untuk  tujuan  desain,  simulasi, optimasi,  dan  validasi  turbin  (Mahmuddin et al .,  2017;  Islam et  al .,  2019). Software ini cukup  banyak  diterapkan  pada  penelitian khususnya  untuk  mendapatkan  gambaran performa turbin sumbu vertikal agar menghasilkan performa yang baik.

## METODE PENELITIAN

## Pemodelan pada QBlade
Untuk  mesimulasikan  sebuah  VAT,  QBlade menggunakan  metode  model  tabung  aliran ganda-jamak  atau double-multiple  streamtube
(DMST)  (Dabachi et  al .,  2020).  Model  ini membagi  daerah  rotor  menjadi  dua  wilayah yaitu upstream dan downstream dimana fluida mengalir  melalui  dua  model  piringan  aktuator dalam  sebuah  tabung  (Batista et  al .,  2018). Model DMST ini secara  skematik ditunjukkan pada  Gambar  1.  Kecepatan upstream dan downstream dapat  dihubungkan  dengan  suatu faktor  aksial,  sehingga  nilai  kecepatan  aliran bebas  ( U ∞ )  akan  berbeda  dengan  kecepatan upstream ( U ), kecepatan ekuilibrium ( U e ), dan kecepatan downstream ( U’ )  (Paraschivoiu et al ., 2009) dengan hubungan sebagai berikut.
Gambar  1. (a)  Skema  2  aktuator  disk  (b) model DMS
U aU   (1) (2 1) e U a U    (2) (2 1) e U a U a a U  
     (3)
dimana, a dan a’ masing-masing adalah faktor induksi aksial di daerah upstream dan downstream dengan a’ < a .
Selanjutnya,  dengan  meninjau  bagian hulu  rotor  maka  diperoleh  kecepatan  aliran relatif ( U R . ) yaitu:
2 1 2 cos R U U        (4)
Variabel λ merupakan tip  speed  ratio (TSR) yang didefinisikan sebagai:
R TSR U      (5)
dimana R adalah  jari-jari  turbin  (m)  dan ω adalah kecepatan angular turbin (rad/s).
Nilai  TSR  penting  untuk  menentukan besar angle of attack ( α ) sebagai berikut:
1 sin tan cos              (6)
Nilai α merupakan  variabel  yang  berubah terhadap  waktu  sejak θ = ωt .  Sedangkan variabel θ merupakan  sudut  azimut  sudu.
Dengan  mempertimbangkan  gaya  normal  ( F n ) dan  gaya  tangensial  ( F t )  yang  melibatkan
koefisien lift ( C L ),  koefisien drag ( C D ),  dan α , maka diperoleh persamaan sebagai berikut:
  2 1 cos sin 2 n R L D F cHU C C      (7)
  2 1 sin cos 2 t R L D F cHU C C      (8)
dimana ρ adalah massa jenis air laut (kg/m 3 ), c adalah panjang chord foil (m), H adalah tinggi turbin  (m), C L adalah  koefisien lift ,  dan C D adalah  koefisien drag .  Gaya  normal  dan tangensial  yang  diberikan  oleh  Persamaan  (7) dan  (8)  adalah  untuk  posisi  azimut  sewenang- wenang  dan  dianggap  sebagai  fungsi  sudut azimut θ .  Gaya  tangensial  rata-rata  ( F ti )  untuk satu foil tunggal pada θ tertentu adalah:
2
0 1 ( ) 2 ti t F F d       (9)
Dengan mempertimbangkan N adalah jumlah sudu, total torsi output ( Q o ) dan daya output yang dihasilkan ( P o ) adalah:
2 0 ( )
2 o ti t NR Q NF R F d        (10) 2 0 ( )
2 o o t NR P Q F d     
    (11)
Pada  akhirnya  koefisien  daya  ( C P )  dan koefisien torsi ( C Q ) dapat diperoleh yaitu:
3 1 2 o P P C AU    (12)
3 1 2 o Q Q C AU R    (13)
dimana A merupakan  luas  sapuan  turbin  (m 2 ). Parameter  lain  untuk  mengekspresikan  VAT adalah blade  aspect  ratio ( ψ )  dan solidity ( σ ) yang masing-masing dirumuskan oleh:
H c   (14)
Nc R   (15) Bilangan Reynolds digunakan untuk mengkarakterisasi  rezim  aliran  yang  dirasakan oleh sudu-sudu dimana bilangan ini dirumuskan dengan:
c c U U Re       
(16)
dimana ν adalah  viskositas  kinematis  air  laut yaitu 1.189 x 10 –3 m 2 /s dan μ adalah viskositas dinamis air laut yaitu 1.2187 x 10 –3 kg/ms.

## Material dan Metode
Pada Gambar 2 ditunjukkan diagram alir secara detail  langkah-langkah  untuk  mendapatkan desain  turbin V-shaped  blade yang  paling optimal dengan melibatkan faktor blade aspect ratio dan solidity . Pada penelitian ini, turbin V- shaped  blade didesain  menggunakan  foil NACA  63 4 021  sebagai  foil  dasar  yang terinspirasi dari sirip paus bungkuk ( humpback whale ) karena gerakan manuvernya  yang baik.
Foil  ini  juga  menghasilkan  performa  yang bagus  pada  beberapa  penelitian  seperti  Johari et al ., (2007), Satrio et al (2018), dan Utama et al (2020).
Koordinat  foil  NACA  63 4 021  diinputkan  pada software Qblade kemudian dianalisis menggunakan  menu XFOIL direct  analysis untuk  mendapatkan  karakteristik  koefisien lift ( C L ),  koefisien drag ( C D ),  dan  koefisien  rasio diantara  keduanya  ( C L / C D ).  Analisis  ini dilakukan  pada  rentang angle  of  attack (AoA) antara  0°  hingga  30°.  Setelah  itu,  proses ekstrapolasi dapat dilakukan untuk mendapatkan  nilai  koefisien-koefisien  dalam sudut  penuh  360°.  Metode  ekstrapolasi  yang disediakan pada QBlade ada dua, yaitu metode Montgomerie  dan  metode  Viterna.  Pada penelitian  ini  dipilih  menggunakan  metode Montgomerie karena menghasilkan profil yang lebih baik (Mahmuddin, 2017).
Jurnal Teknologi 15 (1) pp 1- 12 © 2023
Gambar 2. Diagram alir metode penelitian
Selanjutnya,  dilakukan  proses  desain  turbin dimana  dimensi  utama  yang  digunakan mengacu  pada  turbin  sudu  lurus  dari (Rawlings,  2008)  yang  merupakan  turbin berbasis  foil  NACA  63 4 021.  Dimensi  turbin tersebut kemudian disesuaikan untuk membentuk  turbin V-shaped  blade dasar dengan  mengubah  sudut  sapuan  sudu  ( γ ) menjadi  30°  pada  sisi leading  edge sehingga menjadi  lancip  pada  bagian  tengah  sudunya. Sudut  ini  dipilih  karena  merupakan  sudut paling optimal pada beberapa penelitian terkait turbin V-shaped blade seperti dari Zanette et al (2010)  dan  Mosbahi et  al (2020).  Dimensi turbin  selanjutnya  diskala  agar  diperoleh kondisi  sesuai  prototipenya  di  kondisi  nyata.
Untuk aturan penyekalaan dilakukan menggunakan  aturan  Froude  dengan  asumsi bahwa  kecepatan  arus  laut  pada  kondisi  nyata sebesar  3  m/s.  Model  turbin  (Rawlings,  2008) menghasilkan performa optimal saat diuji pada kecepatan  arus  sebesar  1.5  m/s.  Dengan mempertimbangkan gaya dominan yang bekerja adalah gaya inersia dan  gaya gravitasi, maka  perhitungan  skalanya  adalah  sebagai berikut:
Rasio Kecepatan = δ 0.5 0.5 0.5 2 3.0 1.5 2 4 prototipe model U U   


  Dapat  disimpulkan  bahwa  dimensi  prototipe turbin  akan  diskala  sebesar  empat  kali  dari dimensi modelnya mengingat nilai faktor skala untuk  panjang  adala δ 1 .  Adapun  hasil penyekalaan  dari  turbin V-shaped  blade dasar ditunjukkan  pada  Tabel  1  dan  hasil  desainnya ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3 . Bentuk dasar turbin yang diteliti Tabel  1 .  Spesifikasi  turbin V-shaped  blade dasar Variabel Model Prototipe Foil NACA 63 4 021 63 4 021 Jumlah sudu, N 3 3 Panjang chord , c (m) 0.0653 0.2612 Jari-jari turbin, R (m) 0.4572 1.8288 Tinggi turbin, H (m) 0.6858 2.7432 Sudut sapuan sudu, γ 30° 30°
Input SK1 ( H , c , R , N , γ )
Simulasi DMST
Analisis C P & self-starting Apakah Ψ optimal tercapai? Input SK2-a ( H opt , c , R , N , γ )
Apakah σ optimal tercapai? Desain akhir turbin Selesai Input SK2-b ( H opt , c opt , R , N , γ )
Apakah N optimal tercapai? Ya Ya Ya Tidak Tidak Tidak Mulai Input foil NACA 63 4 021 Jalankan XFOIL Direct Analysis Hitung C L , C D , & C L / C D Ekstrapolasi pada AoA 360°
Tabel  2 .  Skenario  pengujian  turbin V-shaped blade Turbin R c H N ψ σ

## Skenario 1 (SK1)
Basis  1.8288  0.2612  2.7426  3  10.5  0.43 A1 1.8288  0.2612  5.2240  3 20 0.43 A2 1.8288  0.2612  3.9180  3 15 0.43 A3 1.8288  0.2612  3.1344  3 12 0.43 A4 1.8288  0.2612  1.9590  3 7.5 0.43 A5 1.8288  0.2612  1.3060  3 5 0.43

## Skenario 2 (SK2-a)
Basis  1.8288  0.2612 H terbaik dari SK1 3 ψ terbaik dari SK1 0.43 B1 1.8288  0.0914 3 0.15 B2 1.8288  0.1524 3 0.25 B3 1.8288  0.2134 3 0.35 B4 1.8288  0.3353 3 0.55 B5 1.8288  0.3962 3 0.65 Skenario 2 (SK2-b) Basis  1.8288 c terbaik dari SK2 H terbaik dari SK1 3 ψ terbaik dari SK1 σ basis C1 1.8288 2 σ C 1 C2 1.8288 4 σ C 2 C3 1.8288 5 σ C 3
Setelah  mendapatkan  dimensi  dasar  yang sesuai,  maka  selanjutnya  dapat  digunakan untuk  mencari  bilangan  Reynolds  yang diterapkan pada foil sebagai berikut:
3 1025 3 0.2612 660.000 1.2187 10 U c
Re      
  

## 
Selanjutnya  untuk  mendapatkan  konfigurasi desain turbin yang optimal, dilakukan beberapa pengujian  dengan  skenario  yang  ditunjukkan pada  Tabel  2.  Pertama-tama  turbin V-shaped blade dasar  diuji  dengan  Skenario  1  (SK1) berupa  evaluasi  pengaruh blade  aspect  ratio ( ψ )  yang  merupakan  perbandingan  antara tinggi  turbin  dengan  panjang chord foil.  Pada skenario ini jari-jari turbin, panjang chord foil, dan jumlah sudu dibuat tetap. Sedangkan untuk tinggi turbin dibuat berbeda-beda agar menghasilkan ψ sebesar  5,  7.5,  10.5,  12,  15, dan  20.  Untuk  nilai ψ =  10.5  merupakan  rasio basis  dari  dimensi  turbin  pada  Tabel  1  yang akan  dioptimasi.  Setelah  diperoleh  konfigurasi yang  menghasilkan  koefisien  daya  dan self- starting terbaik, selanjutnya turbin diuji dengan
Skenario  2.  Pada  skenario  ini  dievaluasi pengaruh solidity ( σ )  melalui  konfigurasi panjang chord foil yang berbeda-beda sehingga menghasilkan  nilai solidity sebesar  0.15,  0.25, 0.35, 0.43, 0.55, dan 0.65. Untuk nilai σ = 0.43 merupakan solidity dari  turbin  basis  yang dioptimasi.  Pada  skenario  ini  nilai  jari-jari turbin dan jumlah sudu dibuat tetap sedangkan tinggi turbin diambil dari hasil Skenario 1 yang menghasilkan  performa  terbaik.  Skenario berikutnya  adalah  masih  berkaitan  dengan solidity dimana  variabel  yang  ditinjau  adalah penggunaan jumlah  sudu  turbin  sebanyak 2,  3, 4, dan 5. Pada skenario ini jari-jari turbin tetap sedangkan panjang chord foil dan tinggi turbin diambil  dari  skenario  sebelumnya  yang menghasilkan  performa  terbaik.  Pada  akhirnya dimensi  akhir  turbin  yang  menghasilkan performa terbaik dapat diketahui.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penggaruh Blade Aspect Ratio ( ψ )
Parameter  pertama  yang  diinvestigasi  adalah blade  aspect  ratio dengan  hasil  yang ditunjukkan  pada  Gambar  4.  Terlihat  dengan jelas  bahwa  terdapat  peningkatan  koefisien daya  maksimum  seiring  bertambahnya blade aspect  ratio ( ψ ).  Semakin  besar  nilai ψ maka koefisien  daya  maksimum  yang  dicapai  juga semakin  tinggi  dan  rentang  kinerja tip  speed ratio turbin juga semakin lebar. Nilai koefisien daya  maksimum  ( C Pmax )  berturut-turut  pada konfigurasi  Basis,  A1,  A2,  A3,  A4,  dan  A5 adalah  0.387,  0.465,  0.435,  0.407,  0.327,  dan 0.238.  Konfigurasi  A3  dipandang  cukup  ideal karena  mampu  menghasilkan  nilai C P yang tinggi. Untuk konfigurasi A1 dan A2 meskipun memiliki C P yang  lebih  tinggi  dibandingkan konfigurasi  A3,  konfigurasi  tersebut  memiliki kelemahan  secara  teknis  dimana  penggunaan sudu dengan ψ yang relatif tinggi menyebabkan  penambahan  bobot  turbin  yang semakin  besar
Jurnal Teknologi 15 (1) pp 1- 12 © 2023
Gambar 4. Grafik koefisien daya pada  semua konfigurasi skenario 1
Gambar 5. Grafik  koefisien  daya  maksimum terhadap blade aspect ratio
Gambar 6. Grafik koefisien daya pada semua konfigurasi skenario 1
sehingga  meningkatkan  biaya  produksi  dan pemeliharaan  serta  memerlukan  komponen bearing yang  lebih  kompleks  (Ahmadi- Baloutaki et  al .,  2014).  Selain  itu,  sudu  akan lebih  mudah  terkena  momen  lentur  yang  lebih besar  sehingga  meningkatkan  risiko  patah sudu.  Kemudian,  pada  Gambar  5  terlihat bahwa laju peningkatan C Pmax berkurang ketika nilai ψ melebihi nilai 15. Oleh karena itu, nilai ψ optimal  untuk  turbin V-shaped  blade adalah dalam kisaran 10 < ψ < 20 dengan konfigurasi
A3 yang dapat dipertimbangkan. Pada penelitian  lain  seperti  Islam et  al (2008) bahkan menyarankan bahwa nilai ψ yang lebih rendah dari 7.5 harus dihindari untuk mencapai koefisien  daya  yang  lebih  tinggi  serta  desain rentang tip speed ratio yang lebih lebar.
Untuk  karakteristik self-starting salah  satunya dapat  didefinisikan  jika  sebuah  turbin  dapat berakselerasi  dari  keadaan  diam  ke  titik dimana  daya  yang  signifikan  dihasilkan (Kirke,  1998).  Pada  penelitian  ini  ditetapkan daya  signifikan  yang  dipertimbangkan  adalah sebesar  1  kW.  Teknisnya,  daya  ini  dihitung secara  matematis  untuk  mendapatkan  nilai C P minimum  yang  dapat  mencapainya.  Nilai C P pada  titik  tersebut  kemudian  dibandingkan dengan  nilai C P hasil  simulasi  pada  TSR tertentu.  Menurut  Bos  (2012)  batas  minimal untuk self-starting adalah  pada  TSR  =  1. Namun,  pada  penelitian  saat  ini  digunakan batas  TSR  =  0.7  agar  performa self-starting lebih  terlihat.  Jika C P pada  TSR  =  0.7  lebih besar  dibandingkan C P yang  menghasilkan daya 1 kW, maka  konfigurasi desain dianggap layak. Secara ringkas karakteristik self-starting pada  semua  variasi  ditunjukkan  pada  Gambar 6. Terlihat bahwa konfigurasi  A1, A2, dan A3 memenuhi kriteria self-starting yang ditentukan sehingga menjadi kandidat
konfigurasi yang sesuai. Dengan mengorelasikan  karakteristik  koefisien  daya dan self-starting ,  maka  konfigurasi  A3  dapat dipertimbangkan untuk analisis selanjutnya.
Pengaruh Solidity Karena  Panjang Chord Foil
Parameter  berikutnya  yang  ditinjau  adalah solidity .  Parameter  ini  utamanya  dipengaruhi oleh jumlah sudu, panjang chord foil, dan jari- jari  turbin.  Pada  kasus  ini  dipilih  pengaruh solidity yang  disebabkan  oleh  panjang chord foil  sehingga  luas  sapuan  turbin  dapat  dijaga tetap.  Nilai  tinggi  turbin  optimal  dari  skenario sebelumnya  dicapai  pada H =  3.1344  m  dan nilai  ini  kemudian  diterapkan  pada  semua variasi SK2-a. Hasil simulasi pengaruh solidity akibat  perubahan  panjang chord ditunjukkan pada  Gambar  7.  Terlihat  bahwa C P tertinggi dicapai  pada  nilai solidity optimal  yaitu  pada variasi  B3.  Variasi  Basis  sebenarnya  memiliki C P yang  cukup  besar  pula  namun  variasi  ini memiliki kelemahan pada rentang kinerja TSR yang  sempit.  Skenario  SK2-a  ini  memberikan
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 C P TSR Basis A1 A2 A3 A4 A5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 5 10 15 20 25 C P ψ 0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02 Basis A1 A2 A3 A4 A5 C P Konfigurasi Blade Aspect Ratio Cp (Pmin = 1 kW) Cp (TSR = 0.7)
peningkatan C Pmax terpilih  menjadi  0.412 dibandingkan C Pmax Basis  sebesar  0.407  yang diperoleh pada SK1.
Gambar 7. Grafik koefisien daya pada  semua konfigurasi SK2-a
Gambar 8. Grafik  koefisien  daya  maksimum terhadap solidity
Gambar 9. Grafik koefisien daya pada  semua konfigurasi SK2-a
Variasi solidity karena efek panjang chord foil yang  berbeda-beda  dapat  menggambarkan rentang solidity yang optimal dalam mendesain suatu  turbin.  Hal  ini  lebih  jelasnya  terlihat pada  kurva  hubungan  antara C P dan solidity yang  ditunjukkan  Gambar  8.  Terlihat  bahwa pada σ =  0.15,  nilai C P meningkat  hingga mencapai  nilai  terbesar  pada σ =  0.35
kemudian  menurun  seiring  bertambahnya solidity .  Hal  ini  dapat  diartikan  bahwa  desain solidity optimal  untuk  turbin  antara  0.25  – 0.45.  Beberapa  penelitian  lain  pada  kasus turbin  VAT  sudu  lurus  menunjukkan  desain solidity optimum terjadi pada kisaran 0.2 < σ < 0.6  (Ahmadi-Baloutaki et  al .,  2014).  Bahkan solidity optimal  dengan  batas  0.2  < σ <  0.8 dicapai  pada  nilai σ =  0.6  (Sagharichi et  al ., 2018).  Hal  ini  dapat  dijadikan  referensi  untuk digunakan  sebagai  batas  atas solidity optimal untuk  mendesain  turbin,  khususnya  turbin V- shaped blade .
Selanjutnya,  untuk  karakteristik self-starting ditentukan dengan cara yang sama dengan sub- bab  sebelumnya  dimana  jika C P pada  TSR  = 0.7  lebih  besar  dibandingkan C P yang menghasilkan  daya  1  kW,  maka  konfigurasi desain dianggap layak. Secara ringkas karakteristik self-starting pada  semua  variasi ditunjukkan  pada  Gambar  9.  Terlihat  bahwa konfigurasi  Basis,  B3,  dan  B4  memenuhi kriteria self-starting yang  ditentukan  sehingga menjadi  kandidat  konfigurasi  yang  dapat diterapkan. Dengan mengorelasikan
karakteristik  koefisien  daya  dan self-starting , maka  konfigurasi  B3  yang  memiliki  panjang chord foil  sebesar  0.2134  m  merupakan konfigurasi  yang  dipilih  sebagai  langkah optimasi pada analisis selanjutnya.
Pengaruh Solidity Karena Jumlah Sudu
Jumlah  sudu  juga  merupakan  faktor  penting lainnya  untuk  menentukan  nilai solidity .  Pada analisis  ini  dilakukan  evaluasi  pada  SK2-b dengan  variasi  jumlah  sudu  sebanyak  2,  3,  4, dan  5.  Variabel  yang  telah  dioptimasi sebelumnya  berupa  tinggi  turbin  sebesar 3.1344  m  dan  panjang chord  foil sebesar 0.2134  m  diterapkan  pada  semua  konfigurasi. Adapun hasilnya ditunjukkan pada Gambar 10. Terlihat  bahwa  nilai C P semakin  meningkat seiring  bertambahnya  jumlah  sudu.  Selain  itu, pertambahan sudu menyebabkan kinerja turbin bergeser  ke  nilai  TSR  yang  lebih  rendah dimana  hal  ini  sinkron  dengan  penelitian- penelitian  terdahulu  seperti  dari  Delafin et  al (2016)  dan  Li et  al (2016).  Nilai C Pmax pada sudu 2, 3, 4, dan 5 berturut-turut adalah 0.353, 0.412,  0.441,  dan  0.453  seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 11. Pada konfigurasi C2  dengan N =  4,  terlihat  memiliki peningkatan C P yang  signifikan  terhadap
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C P TSR Basis B1 B2 B3 B4 B5 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 C P σ 0 0.004 0.008 0.012 0.016 0.02 Basis B1 B2 B3 B4 B5 C P Konfigurasi Solidity Cp (Pmin = 1 kW) Cp (TSR = 0.7)
Jurnal Teknologi 15 (1) pp 1- 12 © 2023
konfigurasi  basisnya  dan  memiliki  rentang TSR  yang  masih  cukup  lebar.  Bahkan  terlihat bahwa konfigurasi C2 ini juga memiliki selisih C P yang  kecil  dibandingkan  konfigurasi  C3 dengan N =  5.  Artinya,  konfigurasi  C2 menunjukkan hasil desain yang paling optimal dibandingkan konfigurasi lain.
Gambar 10. Grafik koefisien daya pada semua konfigurasi SK2-b
Gambar 11. Grafik koefisien daya maksimum terhadap jumlah sudu
Gambar 12. Grafik koefisien daya pada semua konfigurasi SK2-b
Penggunaan  empat  sudu  tentu  meningkatkan nilai solidity pada  turbin.  Nilai solidity akhir yang terhitung pada optimasi desain ini adalah
sebesar 0.47 yang masih dalam rentang solidity optimum  untuk  desain  turbin.  Selain  itu, penelitian  dari  Sagharichi et  al (2018)  dan Madi et  al (2021)  menunjukkan  bahwa  turbin dengan  empat  sudu  mampu  menghasilkan performa terbaik. Penambahan jumlah sudu ini tentu  akan  meningkatkan  torsi  dari  turbin sehingga  putaran  turbin  menjadi  lebih  halus (Fedak et  al .,  2017).  Dari  aspek self-starting yang ditunjukkan pada Gambar 12
menjelaskan  bahwa  konfigurasi  C2  juga memenuhi syarat nilai C P pada TSR = 0.7 lebih besar  dibandingkan C P yang  menghasilkan daya  1  kW.  Oleh  karena  itu,  konfigurasi  ini merupakan  desain  optimasi  akhir  untuk meningkatkan performa turbin V-shaped blade yang  ditinjau  berdasarkan  koefisien  daya  atau efisiensi dan kemampuan self-starting .

## KESIMPULAN
Telah dilakukan optimasi pada turbin V-shaped blade dengan mempertimbangkan blade aspect ratio dan solidity untuk meningkatkan performanya dari segi  nilai koefisien daya dan kemampuan self-starting . Turbin yang memiliki  konfigurasi  optimal  dihasilkan  pada parameter blade  aspect  ratio dengan  nilai ψ = 12.  Sedangkan  untuk  parameter solidity dicapai  pada σ =  0.35  ketika  hanya mempertimbangkan  panjang chord  foil dan dicapai pada σ = 0.47 ketika mempertimbangkan jumlah sudu empat.
Dimensi  akhir  dari  turbin V-shaped  blade setelah  dioptimasi  adalah  memiliki  tinggi sebesar  3.1344  m,  jari-jari  sebesar  1.8288  m, panjang chord foil 0.2134 m, dan jumlah sudu sebanyak  empat  buah.  Konfigurasi  ini  mampu mencapai  koefisien  daya  maksimum  sebesar 0.441  dan  karakteristik self-starting pada  nilai TSR  minimum  sebesar  0.7.  Dengan  adanya optimasi ini, maka selanjutnya dapat digunakan  sebagai preliminary  study untuk tinjauan hasil secara eksperimental.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis pertama  sebagai corresponding author menyampaikan  banyak  terimakasih  kepada Lembaga  Pengelola  Dana  Pendidikan  (LPDP) yang telah memberikan dukungan finansial dan sponsorship yang  berarti  sehingga  penelitian ini terlaksana sesuai yang diharapkan.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C P TSR Basis C1 C2 C3 0.2 0.3 0.4 0.5 0 1 2 3 4 5 6 C P N 0 0.004 0.008 0.012 0.016 Basis C1 C2 C3 C P Konfigurasi Solidity Cp (Pmin = 1 kW) Cp (TSR = 0.7)

## DAFTAR PUSTAKA
Ahmadi-Baloutaki,  M.,  Carriveau,  R.,  Ting,
D.S.K.,  2014.  Straight-bladed  vertical axis  wind  turbine  rotor  design  guide based  on  aerodynamic  performance  and loading  analysis. Proc.  Inst.  Mech.  Eng. Part A J. Power Energy 228 , 742–759. Anjum, Z., Najmi, L.A., Fahad, A., Ashraf, R., Ehsan,  S.,  Aslam,  W.,  2016.  Common Vertical  Axis  Savonius-Darrieus  Wind Turbines  for  Low  Wind  Speed  Highway Applications. Tech. Journal 21 , 85–90. Armstrong,  S.,  Fiedler,  A.,  Tullis,  S.,  2012. Flow  separation  on  a  high  Reynolds number,  high  solidity  vertical  axis  wind turbine  with  straight  and  canted  blades and canted blades with fences.
Renewable Energy 41 , 13–22.
Batista,  N.,  Melicio,  R.,  Mendes,  V.,  2018. Darrieus-type  vertical  axis  rotary-wings with  a  new  design  approach  grounded  in double-multiple  streamtube  performance prediction  model. AIMS  Energy  6 ,  673– 694.
Bos,  R.,  2012.  Self-Starting  of  a  Small  Urban Darrieus  Rotor  Strategies  to  Boost Performance  in  Low  Reynolds  Number Flows. Master Thesis . Faculty of Aerospace  Engineering,  Delft  University of Technology, Delft, Netherlands.
Cho,  S.Y.,  Choi,  S.K.,  Kim,  J.G.,  Cho,  C.H., 2018.  An  experimental  study  of  the optimal  design  parameters  of  a  wind power  tower  used  to  improve  the performance  of  vertical  axis  wind turbines. Adv. Mech. Eng. 10 , 1–10.
Dabachi,  M.A.,  Rahmouni,  A.,  Rusu,  E.,
Bouksour, O., 2020. Aerodynamic simulations  for  floating  darrieus-type wind  turbines  with  three-stage  rotors. Inventions 5 (18), 1–18.
Delafin,  P.L.,  Nishino,  T.,  Wang,  L.,  Kolios, A.,  2016.  Effect  of  the  number  of  blades and  solidity  on  the  performance  of  a vertical  axis  wind  turbine. J.  Phys.  Conf. Ser. 753 .
Enawi,  H.H.,  Kadhum,  H.H.,  Al-Anbary, K.M.,  2021.  The  Effects  of  Blades Number  ,  Blade  Thickness  ,  Blade  Tip Angle  ,  and  Twist  Angle  on  the Performance of the Rotor Wind Turbines. J. Univ. Babylon Eng. Sci. 29 , 1–17. Fedak,  W.,  Anweiler,  S.,  Gancarski,  W.,
Ulbrich,  R.,  2017.  Determination  of  the
number  of  Vertical  Axis  Wind  Turbine blades  based  on  power  spectrum. E3S Web Conf. 19 .
Gorban,  A.N.,  Gorlov,  A.M.,  Silantyev,  V.M., 2001. Limits of the turbine efficiency for free  fluid  flow. J.  Energy  Resour. Technol. Trans. ASME 123 , 311–317.
Handoko, R., Hadi, S., Danardono, Ubaidillah,
Arifin,  Z.,  2021.  Parameters  of  Savonius Type  Hydrokinetic  Turbine  to  Enhance Efficiency. IOP  Conf.  Ser.  Mater.  Sci. Eng. 1096 , 012039.
Islam,  M.,  Ting,  D.S.K.,  Fartaj,  A.,  2008. Aerodynamic  models  for  Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines. Renew. Sustain. Energy Rev. 12 , 1087–1109.
Islam,  M.R.,  Bin  Bashar,  L.,  Rafi,  N.S.,  2019.
Design  and  Simulation  of  A  Small  Wind Turbine Blade with Qblade and Validation  with  MATLAB.  2019  4th  Int. Conf.  Electr. Inf.  Commun.  Technol. EICT 2019 3 , 20–22.
Janon, A., 2020. Torque coefficient analysis of a novel direct-drive parallel-stream counter-rotating  darrieus  turbine  system. Renew. Energy 147 , 110–117.
Johari, H., Henoch, C., Custodio, D., Levshin, A.,  2007.  Effects  of  leading-edge protuberances  on  airfoil  performance. AIAA J. 45 , 2634–2642.
Khan, M.J., Bhuyan, G., Iqbal, M.T., Quaicoe, J.E., 2009. Hydrokinetic energy conversion  systems  and  assessment  of horizontal  and  vertical  axis  turbines  for river and tidal applications: A technology status  review. Appl.  Energy  86 ,  1823– 1835.
Kirke,  B.K.,  1998.  Evaluation  of  Self-Starting Vertical  Axis  Wind  Turbines  for  Stand- Alone  Applications. Thesis .  School  of Engineering, Griffith University, Nathan, QLD, Australia.
Kumar,  P.M.,  Sivalingam,  K.,  Narasimalu,  S., Lim,  T.-C.,  Ramakrishna,  S.,  Wei,  H., 2019.  A  Review  on  the  Evolution  of Darrieus  Vertical  Axis  Wind  Turbine: Small  Wind  Turbines. J.  Power  Energy Eng. 7 , 27–44.
Li,  Q.,  Maeda,  T.,  Kamada,  Y.,  Murata,  J., Shimizu,  K.,  Ogasawara,  T.,  Nakai,  A., Kasuya,  T.,  2016.  Effect  of  solidity  on aerodynamic  forces  around  straight- bladed vertical axis wind turbine by wind
Jurnal Teknologi 15 (1) pp 1- 12 © 2023
tunnel experiments (depending on number  of  blades). Renew.  Energy  96 , 928–939.
Madi.,  Rahmawati,  S.,  Mukhtasor.,  Satrio,  D., Yasim,  A.,  2021.  Variation  Number  of
Blades for Performance Enhancement for Vertical  Axis  Current  Turbine  in  Low
Water Velocity in Indonesia, in:
Proceedings  of  the  7 th International
Seminar on Ocean and Coastal
Engineering,  Environmental  and  Natural
Disaster  Management.  SCITEPRESS  - Science and Technology Publications , pp. 47–53.
Madi, M., Tuswan, T., Arirohman, I.D., Ismail, A., 2021. Comparative Analysis of Taper and  Taperless  Blade  Design  for  Ocean Wind  Turbines  in  Ciheras  Coastline, West  Java. Kapal  J.  Ilmu  Pengetah.  dan Teknol. Kelaut. 18 , 8–17.
Mahmuddin, F., 2017. Rotor Blade Performance Analysis with Blade
Element  Momentum  Theory. Energy Procedia 105 , 1123–1129.
Mahmuddin,  F.,  Klara,  S.,  Sitepu,  H.,
Hariyanto, S., 2017. Airfoil Lift and Drag
Extrapolation with Viterna and
Montgomerie  Methods. Energy  Procedia 105 , 811–816.
Mereu, R., Federici, D., Ferrari, G., Schito, P., Inzoli,  F.,  2017.  Parametric  numerical study of Savonius wind turbine interaction  in  a  linear  array. Renew. Energy 113 , 1320–1332.
Mosbahi,  M.,  Ayadi,  A.,  Chouaibi,  Y.,  Driss, Z.,  Tucciarelli,  T.,  2020.  Experimental and  numerical  investigation  of  the leading  edge  sweep  angle  effect  on  the performance of a delta blades hydrokinetic turbine. Renew. Energy 162 , 1087–1103.
Mukhtasor.,  Junianto,  S.,  Prastianto,  R.W., 2018. On Offshore Engineering Rules for Designing  Floating  Structure  of  Tidal Current  Energy  Conversion  System.
Appl. Mech. Mater. 874 , 71–77.
Paraschivoiu, I., Trifu, O., Saeed, F., 2009. H-
Darrieus  wind  turbine  with  blade  pitch control. Int. J. Rotating Mach. 2009 .
Pope,  K.,  Naterer,  G.F.,  Dincer,  I.,  Tsang,  E.,
2011.  Power  correlation  for  vertical  axis wind  turbines  with  varying  geometries. Int. J. Energy Res. 35 , 423–435.
Pujol,  T.,  Massaguer,  A.,  Massaguer,  E., Montoro,  L.,  Comamala,  M.,  2018.  Net power coefficient of vertical and horizontal  wind  turbines  with  crossflow runners. Energies 11 , 1–24. Rawlings, G.W., 2008. Parametric
Characterization  of  an  Experimental Vertical  Axis  Hydro  Turbine. Thesis . Faculty  of  Mechanical  Engineering,
University of British Columbia, Vancouver, Canada.
Sagharichi,  A.,  Zamani,  M.,  Ghasemi,  A.,
2018. Effect of solidity on the performance  of  variable-pitch  vertical axis wind turbine. Energy 161 , 753–775. Satrio,  D.,  Utama,  I.K.A.P.,  Mukhtasor,  2018.
Numerical Investigation of Contra Rotating Vertical-Axis Tidal-Current Turbine. J. Mar. Sci. Appl. 17 , 208–215. Su,  J.,  Chen,  Y.,  Han,  Z.,  Zhou,  D.,  Bao,  Y., Zhao,  Y.,  2020.  Investigation  of  V- shaped  blade  for  the  performance improvement  of  vertical  axis  wind turbines. Appl. Energy 260 , 114326.
Tafrant,  D.,  Hendradinata,  2019.  Pengaruh
Sudut Kemiringan Sudu Terhadap
Kinerja  Turbin  Achard  Yang  Digabung Dengan  Deflektor  30°. J.  PETRA  6 ,  33– 38.
Utama,  I.K.A.P.,  Satrio,  D.,  Mukhtasor,  M., Atlar, M., Shi, W., Hantoro, R., Thomas, G.,  2020.  Numerical  simulation  of  foil with  leading-edge  tubercle  for  vertical- axis  tidal-current  turbine. J.  Mech.  Eng. Sci. 14 , 6982–6992.
Zanette,  J.,  Imbault,  D.,  Tourabi,  A.,  2010.  A design methodology for cross flow water turbines. Renew. Energy 35 , 997–1009.