Ikaningsih, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 23-29
Penggunaan Styrofoam sebagai Material Bilah Turbin Angin
Manty Aldilani Ikaningsih a, *, War’an Rosihan b
a Jurusan Teknik Metalurgi, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Achmad Yani
Jl. Ters. Jend. Gatot Soebroto, Bandung
b Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Achmad Yani
Jl. Ters. Jend. Sudirman, Cimahi
*E-mail: manty.aldilani@lecture.unjani.ac.id

## Abstract
In  this  experiment,  wind  turbine  blades  were  made  from  wood  and  styrofoam  with  the  aim  that  at  a certain speed the blades can be damaged. This damage is centered on the part of styrofoam which has a level of resistance under the wood loading. Damage to the blade will protect the generator from over speeding.  In  this  study,  the  design  of  the  wind  turbine  blades  used  came  from  the  Lentera  Angin Nusantara. The wind turbine blades made are a taperless type, where the same blade size from base to tip. Modification of wind turbine blades is based on the simulation results of the performance of wind turbine  blades  using  QBlade.  In  the  simulation,  it  is  shown  that  the  biggest  contribution  to  the  total torque value comes from the elemental torque of the blade section at the position of 50%  - 100% the length of the blade. Based on the simulation results of the performance of the wind turbine blades, the wind turbine blades made from wood base material are modified from the middle to the back end using styrofoam.  The  hope  is  that  this  modification  will  prevent over  speed  on  the  generator and  focus  the damage on parts of styrofoam blades due to thrust when the wind speed is quite high. If the field test is successful,  then  the  location  of  the  blade  failure  will  minimize  damage  (broken)  the  blade  in  the unpredictable part.
Keywords: wind turbine blades, taperless, styrofoam, QBlade

## Abstrak
Percobaan pembuatan bilah turbin angin dengan bahan kayu dan styrofoam dilakukan dengan tujuan agar pada  kecepatan  tertentu  bilah  dapat  rusak.  Kerusakan  ini  dipusatkan  pada  bagian styrofoam yang memiliki  tingkat  ketahanan  pembebanan  di  bawah  kayu.  Kerusakan  bilah  tersebut  nantinya  akan melindungi  generator  agar  tidak  mengalami overspeed .  Pada  penelitian  ini,  desain  bilah  turbin  angin yang digunakan berasal dari lembaga penelitian Lentera Angin Nusantara. Bilah turbin angin yang dibuat adalah tipe taperless, dimana ukuran bilah sama dari pangkal hingga ujung. Modifikasi bilah turbin angin dilakukan berdasarkan hasil simulasi performa bilah turbin angin dengan menggunakan perangkat lunak QBlade. Pada hasil simulasi ditunjukkan bahwa sumbangsih terbesar harga torsi total berasal dari torsi elemental dari bagian bilah pada posisi 50% - 100% panjang bilah. Berdasarkan hasil simulasi performa bilah turbin angin tersebut, maka bilah turbin angin yang dibuat dari bahan dasar kayu dimodifikasi dari bagian tengah hingga bagian ujung belakang dengan menggunakan styrofoam . Harapannya modifikasi tersebut  akan  mencegah overspeed pada  generator  dan  memusatkan  kerusakan  di  bagian  bilah  yang terbuat dari styrofoam akibat gaya dorong saat kecepatan angin cukup tinggi. Jika uji lapangan berhasil, maka pemusatan letak kegagalan bilah akan meminimalisir kerusakan (patahnya) bilah di bagian yang tidak terprediksi.
Kata kunci: bilah turbin angin, taperless , styrofoam , QBlade

## 1. Pendahuluan
Angin merupakan alternatif sumber energi terbarukan yang sangat potensial karena tersedia bebas di alam dan ramah lingkungan. Energi listrik dihasilkan dari angin dengan bantuan turbin angin menggunakan prinsip konversi energi. Angin menggerakkan bilah turbin angin, sehingga poros turbin berputar. Turbin angin terdiri dari bilah-bilah yang terpasang ke sebuah  poros.  Selanjutnya,  poros  dihubungkan  ke  generator,  kemudian  ke  baterai  yang  berfungsi  sebagai  penyimpan energi. Dalam hal ini, generator berfungsi mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
Potensi angin di Indonesia sangat besar untuk dikembangkan sebagai alternatif sumber energi terbarukan. Indonesia memiliki total garis pantai mencapai 81.000 km dengan kecepatan angin rata-rata 3 – 5 m/s, bahkan mencapai 10 m/s di beberapa daerah. Distribusi kecepatan angin di Indonesia dapat dilihat di Gambar 1.
Gambar 1. Peta kecepatan angin di Indonesia [1]
Manty dan Deny memodelkan bilah turbin angin jenis taperless dengan lebar penampang bilah dari pangkal ke ujung seragam sebesar 0.05 m. Bilah ini dibuat dengan menggunakan material batang Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP), Expandable Polystyrene (ES) dan lembaran vinil ( vinyl sheet ). Bagian inti bilah dibuat dari EPS yang disisipi dengan dua batang  CFRP  berpenampang  2  mm.  Bagian  permukaan  bilah  dilapisi  dengan  lembaran  vinil.  Hasil  simulasi  FEA menunjukkan  bahwa  tegangan  von  Mises  maksimum  sebesar  473,3  MPa  terjadi  pada  bagian  CFRP.  Oleh  karena  itu, dilakukanlah mofidikasi terhadap batang CFRP tersebut dengan mengganti ukuran diameter 2 mm menjadi 3 mm. Terbukti dengan menambahkan ukuran batang CFRP, tegangan Von Mises maksimum berkurang menjadi 60,45 MPa. Selain itu, faktor keamanan bilah pun meningkat menjadi 4,96, kurang lebih 8x lipat dari kondisi sebelum dimodifikasi [2].
Chandra  Sekhar  (2014)  merancang  dan  membuat  bilah  turbin  angin  untuk  menghasilkan  energi  sebesar  375  Watt. Penelitian tersebut bertujuan untuk mengembangkan turbin angin domestik yang bekerja pada kecepatan angin rendah dan dapat digunakan oleh “orang biasa” dengan biaya rendah. Kayu jati ( teak wood ) digunakan untuk membuat bilah dan hub turbin angin karena mudah didapat. Dalam proses perancangan bagian airfoil harus dipertimbangkan berbagai gaya yang bekerja pada bilah, seperti gaya axial, gaya angkat dan gaya dorong. Gaya-gaya tersebut harus diperhitungkan secara teoritis dan desain dioptimalkan untuk mendapatkan output daya optimum [3].
Maldhure (2013) menguji kelelahan bilah turbin angin yang terbuat dari kayu sepanjang 1.5 m dengan menggunakan rig uji. Rig menggunakan mekanisme engkol eksentrik dengan beban variabel untuk setiap beban. Distribusi tegangan pada area  kritis  lelah  bilah  sama  dengan  distribusi  tegangan  yang  diharapkan  pada  kondisi  operasi  normal.  Pada  umumnya, kegagalan  bilah  turbin  angin  adalah  7%  dari  total  komponen  yang  tersedia  pada  generator  turbin  angin.  Namun  pada prakteknya, ketika bilah turbin angin gagal dalam kondisi berjalan, maka total sistem generator turbin angin collapse dan perkiraan biaya generator turbin angin 90% akan terbuang. Keuntungan dari kayu jati ( teak wood ), kayu pinus dan kayu cemara antara lain mudah didapat, biaya bahan rendah, tidak mengakibatkan pencemaran terhadap lingkungan, ringan dan memiliki kekuatan yang tinggi untuk generator bilah turbin angin kecil. Adapun keterbatasan dari material tersebut adalah sulit  membentuk  bilah  dalam  bentuk  aerodinamis  dan  biaya  pembuatan  bilah  setara  dengan  biaya  material.  Dalam penelitian ini disimpulkan bahwa kayu masih merupakan material terbaik untuk bilah turbin angin dengan ukuran mikro dan mini [4].
Sudarsono (2012) membuat prototipe propeler airfoil standard NACA 4415 modifikasi dengan memanfaatkan kayu sengon laut dan serat rami. Komposit serat rami dengan core kayu sengon laut dibuat dengan proses hand lay up 2 lapis. Tegangan tekuk komposit yang dihasilkan sebesar 45,663 MPa dengan modulus Young 1,244 GPa dan regangan 1,795 % [5].
Chang, R. R., et.al. (2011) membuat bilah turbin angin dari material komposit dengan menumpuk serat gelas dan busa expandable polystyrene (EPS) melalui proses resin transfer molding (RTM) dan compression molding . Bilah turbin dibuat dengan  struktur  sandwich  yang  terdiri  dari  busa  komposit  di  bagian  dalam  (inti)  dan  serat  pada  bagian  luar  sebagai penguatnya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ikatan yang terbentuk antara interface busa EPS – serat cukup kuat [6]. Simon  Jupp  (2011)  menyatakan  bahwa  alumunium  merupakan  alternatif  yang  baik  untuk  turbin  angin  lepas  pantai ( offshore ).  Hal  tersebut  karena  alumunium  memiliki  berat  yang  ringan,  tahan  terhadap  api,  mudah  diinspeksi,  nilai konduktivitas termal tinggi, dapat di- recycle , dan permukaannya dapat diproses lagi [7].
Bilah turbin angin harus dibuat dengan struktur yang ringan dan stabil. Selain itu, bilah turbin angin pun harus cukup mampu menahan angin dengan kecepatan tinggi. Akan tetapi, bilah turbin yang terlalu kuat dan stabil dapat mengakibatkan kerusakan  pada  generator.  Untuk  mengatasi  hal  tersebut,  maka  dibuatlah  modifikasi  bilah  turbin  angin  dengan menggunakan styrofoam . Dengan modifikasi tersebut, diharapkan nantnya bagian yang rusak atau patah dari turbin angin adalah bilah bagian ujung, bukan bagian pangkal apalagi generatornya.

## 2. Material dan metode penelitian
A. Perancangan Desain dan Dimensi Bilah Turbin Angin
Desain  bilah  turbin  angin  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  berasal  dari  lembaga  penelitian  Lentera  Angin Nusantara, ditunjukkan dalam Gambar 2. Bilah turbin angin yang dibuat adalah tipe taperless , dimana ukuran bilah sama dari pangkal hingga ujung.
Gambar 2. Desain bilah dari lentera angin nusantara [8]
Untuk memodifikasi struktur bilah turbin angin, terlebih dahulu dilakukan analisa aerodinamis. Gambar 3 menunjukkan gambar geometri desain bilah turbin angin yang dibuat sesuai dengan gambar teknis dari Lentera Angin Nusantara.
Gambar 3. Desain bilah taperless di Qblade V0.91b
Selanjutnya dilakukan simulasi performa bilah turbin angin dengan menggunakan perangkat lunak QBlade. QBlade merupakan perangkat lunak open source yang digunakan untuk simulasi dan perancangan turbin angina [9]. Hasil simulasi QBlade berupa grafik yang  menunjukkan parameter-parameter penting yang  mempengaruhi performa bilah, antara lain daya, torsi, kecepatan angin, kecepatan putaran dan efisiensi dari bilah tersebut [10].
Gambar 4 menunjukkan hasil simulasi performa dari rancangan bilah turbin angin. Dari hasil simulasi tersebut, terlihat bahwa sumbangsih terbesar harga torsi total dari rancangan bilah turbin ini berasal dari torsi elemental dari bagian bilah pada posisi 50 – 100% panjang bilah.
Gambar 4. Performa bilah turbin dan pembebanannya
Berdasarkan hasil simulasi performa bilah turbin angin tersebut, maka bilah turbin angin yang dibuat dari bahan dasar kayu (multiplek) dimodifikasi bagian tengah hingga bagian ujung belakang dengan menggunakan styrofoam, seperti yang terlihat  di  Gambar  5.  Dengan  modifikasi  ini,  diharapkan  dapat  mencegah overspeed pada  generator  dan  memusatkan kerusakan  di  bagian  bilah  yang  terbuat  dari styrofoam akibat  gaya  dorong  saat  kecepatan  angin  cukup  tinggi.  Jika  uji lapangan berhasil, maka pemusatan letak kegagalan bilah akan meminimalisir kerusakan (patahnya) bilah di bagian yang tidak terprediksi.
Gambar 5. Modifikasi bilah taperless 1 m menggunakan styrofoam sebelum (a) dan setelah (b) modifikasi

## B. Pembuatan Bilah Turbin Angin
Tahap pertama yang dilakukan dalam pembuatan bilah turbin angin ini adalah pembuatan pola. Selanjutnya multiplek dipotong sesuai dengan pola yang telah dibuat dengan menggunakan mesin scroll saw. Hasil pemotongan pola dihaluskan lagi dengan menggunakan mesin sander, seperti yang terlihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Proses pemotongan pola penampang bilah turbin angin
Ikaningsih, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 23-29
Selanjutnya multiplek dipasangkan ke main bar yang terbuat dari besi kotak pejal ukuran 8 mm x 8 mm. Bahan pola yang  terbuat  dari  kayu  dan  batang  utama  yang  terbuat  dari  baja,  disatukan  dengan  menggunakan  perekat  berbahan cyanoacrylate , seperti yang terlihat di Gambar 7.
Gambar 7. Pemasangan pola menjadi bilah turbin angin
Styrofoam yang telah dipotong menggunakan hot wire cutter ditempelkan dengan menggunakan perekat kayu berbahan dasar  PVaC.  Pada  tahap  akhir,  bilah  turbin  dilapisi  kertas  stiker  berbahan  dasar  PVC  (biasa  digunakan  untuk  aksesori otomotif) dengan bantuan hot gun untuk melindungi permukaan bilah. Gambar 8 merupakan hasil akhir bilah turbin angin yang telah dilapisi stiker berbahan dasar PVC.

## Gambar 8. Hasil akhir bilah turbin angin

## 3. Hasil dan Pembahasan
Tujuan dari penelitian ini adalah membuat bilah turbin angin dengan menggunakan bahan kayu dan styrofoam agar pada  kecepatan  tertentu  bilah  dapat  rusak.  Kerusakan  akan  dipusatkan  pada  bagian styrofoam yang  memiliki  tingkat ketahanan  pembebanan  lebih  rendah  dibandingkan  dengan  kayu.  Nantinya  kerusakan  bilah  tersebut  akan  melindungi generator agar tidak mengalami overspeed .
Bilah turbin angin yang dibuat dalam penelitian ini adalah tipe taperless , dimana ukuran bilah sama dari pangkal hingga ujung bilah. Tipe bilah taperless ini dipilih karena proses pembuatannya lebih mudah. Bilah diberi sedikit puntiran untuk mengoptimalkan nilai CP ( power coefficient ).
Ikaningsih, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 23-29
Peranan bilah sebagai penangkap angin membuat bilah menjadi komponen penting dalam Pembangkit Listrik Tenaga Angin/Bayu.  Bila  kecepatan  angin  tinggi,  maka  bilah  akan  memutar  rotor  dengan  cepat  pula.  Hal  tersebut  dapat mengakibatkan  terjadinya overspeed pada  generator.  Untuk  menghindari  hal  tersebut,  dirancanglah  bilah  turbin  angin dengan modifikasi styrofoam .
Kayu memiliki kekuatan dan kekakuan yang tinggi. Namun memiliki densitas yang rendah. Selain itu, kayu mudah didapat. Styrofoam pun memiliki densitas yang rendah dan mudah didapat. Styrofoam dipilih sebagai material modifikasi untuk pembuatan bilah turbin angin ini karena memiliki ketahanan pembebanan di bawah kayu. Styrofoam dikenal sebagai material yang getas dan mudah patah.
Styrofoam merupakan nama dagang dari expandable polystyrene (EPS) yang tersusun dari 5% polystyrene (PS) dan 95% udara. Pada umumnya, styrofoam digunakan sebagai isolator dan bahan kemasan untuk peralatan listrik rumah tangga [11].
Modifikasi material bilah turbin dilakukan berdasarkan hasil simulasi performa bilah turbin angin dengan menggunakan perangkat lunak QBlade. Dari hasil simulasi ditunjukkan bahwa harga torsi total terbesar berasal dari torsi elemental dari bagian  bilah  pada  posisi  50  –  100  %  panjang  bilah.  Berdasarkan  hasil  simulasi  performa  bilah  turbin  tersebut,  maka dibuatlah  bilah  turbin  dari  bahan  kayu  yang  dimodifikasi  dengan  menggunakan styrofoam pada  bagian  tengah  hingga bagian ujung belakang bilah. Bagian ujung depan tetap menggunakan kayu untuk mempertahankan bentuk bilah dan aliran angin. Bagian tengah hingga ujung belakang dimodifikasi dengan menggunakan styrofoam karena styrofoam memiliki sifat kelelahan  lebih besar dibandingkan  dengan  kayu.  Dengan begitu, diharapkan dengan  modifikasi  material  tersebut  akan dapat mencegah overspeed pada generator dan memusatkan kerusakan di bagian bilah yang terbuat dari styrofoam akibat gaya dorong saat kecepatan angin cukup tinggi.
Bahan pola yang terbuat dari kayu dan batang utama yang terbuat dari baja, disatukan dengan menggunakan perekat berbahan cyanoacrylate .  Perekat  ini  cukup  kuat  menahan  pola  agar  tidak  bergeser.  Namun  pada  tahap  pengeringan membutuhkan waktu yang cukup lama, sehingga rentang waktu pemasangan antar pola pun relatif lama, sekitar 30 – 60 detik per pola.
Styrofoam ditempelkan pada pola dengan menggunakan perekat kayu berbahan dasar PVAc ( polyvynil acetate ). Perekat ini cukup kuat menahan geseran styrofoam , tetapi tidak tahan air. Untuk melindungi bilah dari cuaca (hujan dan panas), maka bilah dilapisi stiker berbahan dasar PVC yang biasa digunakan untuk aksesori otomotif. Stiker ini diharapkan dapat menahan air agar tidak masuk ke dalam bilah. Pemasangan stiker ini dilakukan dengan menggunakan bantuan hot gun . Hal ini dilakukan agar kontur stiker dapat mengikuti kontur bilah turbin. Selain itu, proses pemanasan dengan hot gun akan menambah sifat kekakuan stikernya.

## 4. Kesimpulan
Bilah turbin angin memiliki peranan penting dalam Pembangkit Listrik Tenaga Angin/Bayu. Struktur dan material bilah menentukan daya/keluaran yang dapat dihasilkan oleh PLTB. Bilah turbin angin yang dibuat dari kayu dimodifikasi dengan menggunakan styrofoam pada bagian tengah hingga ujung belakang bilah. Harapannya modifikasi tersebut dapat mencegah terjadinya overspeed pada generator dan memusatkan kerusakan di bagian bilah yang terbuat dari styrofoam akibat gaya dorong  saat  kecepatan  angin  cukup  tinggi.  Jika  uji  lapangan  berhasil,  maka  pemusatan  letak  kegagalan  bilah  akan meminimalisir kerusakan (patahnya) bilah di bagian yang tidak terprediksi.
Proses pembuatan pola sangat menentukan kualitas akhir bilah. Penggunaan perekat cyanoacrylate dan PVAc selama proses  pembuatan  memberikan  kekuatan  yang  cukup  untuk  menahan  geseran.  Namun  untuk  kondisi  menahan  beban dinamis dari angin, masih perlu diuji. Penambahan lapisan stiker PVC di bagian luar menambah kekuatan secara signifikan. Hal  ini  dikarenakan  stiker  tersebut  menjadi  penghantar  beban  antar  pola,  sehingga  seluruh  pola  akan  bekerja  secara bersama-sama dalam menahan beban. Selain itu, stiker PVC pun menambah daya tahan bilah terhadap air.

## Ucapan Terima Kasih
Terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) Universitas Jenderal Achmad Yani yang telah membiayai penelitian ini. Terima kasih pula kami ucapkan kepada lembaga penelitian Lentera Angin Nusantara yang telah mendukung penelitian ini.

## Referensi
[1]  “windPROSPECTING.” [Online]. Available: http://indonesia.windprospecting.com/. [Accessed: 26-Mar-2019]. [2]  M. A. Ikaningsih and D. B. Saefudin, “Pemodelan Kekuatan Bilah Turbin Angin Horisontal Multimaterial,” J.
Tek. Media Pengemb. Ilmu dan Apl. Tek. , vol. 17, pp. 27–35, 2018.
[3]  C. K. Sekhar Ȧ, N. G. Kumar Ȧ, and B. G. Reddy Ȧ Ȧ, “Design of Blade for a Wooden Small scale wind turbine for domestic purpose,” Int. J. Curr. Eng. Technol. , vol. 44, no. 33, 1309.
[4]  M. S. S, “Fatigue Failure Analysis of Small Wooden Wind Turbine Blade,” Int. J. Comput. Eng. Res. , vol. 3, no. 2, pp. 2250–3005, 2013.
[5]  Sudarsono, “Kajian Sifat Mekanik Material Komposit Propeler Turbin angin Standard NACA 4415 Modifikasi,” Pros. Semin. Nas. Apl. Sains dan Teknol. , 2012.
[6]  Y. C. T. and C. Y. S. R.R.Chang, T.H.Chiang, “Normalization Process Technique of Composite Foam-filled
Ikaningsih, dkk./ ROTASI, Vol. 21  No. 1  (Januari  2019) Hal. 23-29
Sandwich Wind Turbine Blades,” Procedia Eng. , vol. 14, pp. 1988–1995, 2011.
[7]  S. Jupp, “Alumunium as a Viable Solution for Offshore Wind Turbine,” Deep Sea Offshore RnD Semin. , 2011.
[8]  P. Simanjuntak, “Blade Taperless 1 m,” Tasikmalaya, 2015.
[9]  D. Marten, J. Wendler, G. Pechlivanoglou, C. N. Nayeri, and C. O. Paschereit, “QBlade: An Open Source Tool For Design And Simulation of Horizontal and Vertical Axis Wind Turbines,” Int. J. Emerg. Technol. Adv. Eng. An ISO Certif. Int. J. , vol. 3, no. 9001, pp. 264–269, 2013.
[10]  M. Hatta and A. Martin, “Perancangan Bilah Tipe Inverse Taper pada Turbin Angin Berdasarkan Kondisi Angin di Pekanbaru,” Jom FTEKNIK , vol. 4, no. 1, 2017.
[11]  A. N. Siyal, S. Q. Memon, and M. Y. Khuhawar, “Recycling of styrofoam waste: synthesis, characterization and application of novel phenyl thiosemicarbazone surface,” Pol. J. Chem. Tech. Polish J. Chem. Technol. , vol. 14, no. 10, pp. 10026–12, 2012.