Terbit online pada laman web jurnal http://ejournal2.pnp.ac.id/index.php/jtm
J URNAL T eknik M esin
Vol. 14 No. 2 (2021) 64 - 69
ISSN Media Elektronik: 2655-5670
Analisa Performa Bilah Taperless Dengan Airfoil S2091 Pada Turbin Angin Sumbu Horizontal
Irvan Indra Cahyadi 1 , Ratna Dewi Anjani 2
1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
1 1710631150091@student.unsika.ac.id

## Abstract
Utilization  of  wind  energy  is  one  option  to  produce  electrical  energy  in  the  form  of  wind  turbines.  Wind  energy  is  also renewable energy that can be utilized because of the potential for wind energy in Indonesia with an average wind speed of 2- 6 m/s. The purpose of this performance analysis is to obtain high efficiency so that the S2091 taperless blade can rotate at relatively  low  Indonesian  wind  speeds.  Airfoil  S2091  has  an  optimal  Cl/Cd  value  to  produce  500  W  of  power.  This performance analysis uses the Blade Element Momentum (BEM) method in which the blade is divided into several elements, starting from determining the radius, chord, and twist on the blade. The assumed parameters will be simulated using Qblade v0.96 software and designing 3D blade designs using SolidWorks software. The dimensions of the taperless blade with the S2091 airfoil have a radius of 0.8 m, a chord of 0.12 m, a twist angle of 6.96o - 9.96o, and a maximum Cp value of 47% at a TSR of 4.5. At a speed of 12 m/s the maximum power generated is 998 W when the angular speed of the blade is 645 rpm and the  minimum  power  generated  is  95  W.  Then  the  average  power  generated  is  640.94  W.  The  results  of  field  tests  have  a maximum charging power of 138 .46 W and an average charging of 14.13 W. Then the power obtained is 257.80 Wh. From these data, the efficiency of the blade system is 30%–40% and the efficiency of field testing is 34.16%.
Keywords: Blade, Taperless, S2091, Blade Elemen Momentum, Coefficient performance.

## Abstrak
Pemanfaatan energi angin manjadi salah satu opsi untuk menghasilkan energi listrik berupa turbin angin. Energi angin  juga energi terbarukan yang bisa dimanfaatkan karena potensi energi angin di Indonesia dengan rata-rata kecepatan angin 2-6 m/s. Tujuan  dari  analisa  performa  ini  adalah  untuk  mendapatkan  efisiensi  yang  tinggi  sehingga  bilah  taperless  S2091  dapat berputar  pada  kecepatan  angin  Indonesia  yang  relatif  rendah. Airfoil S2091  memiliki  nilai  Cl/Cd  yang  optimal  untuk menghasilkan  daya  500  W.  Analisa  performa  ini  menggunakan  metode Blade  Elemen  Momentum (BEM)  yang  mana  bilah dibagi menjadi beberapa elemen, dimulai dari menentukan jari-jari, chord , serta twist pada bilah. Parameter-parameter yang diasumsikan  akan  disimulasikan  menggunakan software Qblade  v0.96  serta  mendesain  3D  hasil  rancangan  bilah menggunakan software SolidWorks.  Dimensi  bilah taperless dengan airfoil S2091  memiliki  jari-jari  0,8  m, chord 0,12  m, twist angle 6,96 o - 9,96 o , dan nilai Cp maksimum sebesar 47% pada TSR 4,5. Pada kecepatan 12 m/s daya maksimum yang dihasilkan  sebesar  998  W  ketika  kecepatan  sudut  bilah  645  rpm  dan  daya  minimum  yang  dihasilkan  sebesar  95  W.  Maka rata-rata  daya  yang  dihasilkan  sebesar  640,94  W.  Hasil  pengujian  lapangan  memiliki  daya  maksimum  pengisian  sebesar 138,46 W dan pengisian daya rata-rata sebesar 14,13 W. Maka daya  yang diperoleh sebesar 257,80 Wh. Dari data tersebut efisiensi sistem bilah sebesar 30%–40% dan efisiensi pengujian lapangan sebesar 34,16%.
Kata kunci: Bilah, Taperless , S2091, Momentum Elemen Bilah, Koefisien Performa.

## 1. Pendahuluan
Energi angin diperoleh dari hasil setengah kali  massa jenis  udara  dengan  luas  penampang  dari  bilah  dan pangkat tiga dari kecepatan angin pada saat terjadinya perputaran bilah [9]. Sedangkan energi mekanik yang diperoleh  sebuah  turbin  angin  nilainya  sebesar perkalian  kecepatan  putar  bilah  dengan  torsi  (gaya yang  diberikan  oleh  lengan  bilah  turbin  angin)  [9].
Salah  satu  turbin  angin  dengan  efisiensi  tinggi  yaitu sumbu  horizontal  dan  menggunakan  jenis  bilah  yang memiliki  efisiensi  (Cp)  tinggi  yang  mendekati  45% bahkan dalam teori betz mencapai 59% yaitu jumlah 3 bilah dapat dilihat pada Gambar 1.

## Gambar 1. Efisiensi bilah turbin angin [4]
Berdasarkan Gambar 1 semakin tinggi efisiensi suatu bilah  turbin  maka  semakin  maksimal  juga  dalam mengonversi  energi  angin  tersebut  menjadi  energi listrik.  Pemanfaatan  energi  angin  yang  merupakan salah  satu  energi  terbarukan,  di  daerah-daerah kepulauan  mempunyai  potensi  energi  angin  yang tersedia  terus-menerus  [2].  Potensi  energi  angin dengan  rata-rata  kecepatan  angin  3  -  12  m/s,  yaitu daerah  pesisir  Selatan  Jawa,  Sulawesi,  dan  pulau- pulau  bagian  timur  Indonesia  [3].  Sedangkan  daerah dengan  kecepatan  rata-rata  angin  diatas  12  m/s,  yaitu NTB,  NTT,  dan  Sulsel.  Data  ini  didukung  dan dilengkapi  oleh  survei  dari  LAPAN  yaitu  distribusi kecepatan  angin  di  Indonesia  berkisar  2  -  6  m/s  dan terdapat  fluktuasi  kecepatan  angina  [3].  Turbin  angin memiliki beberapa komponen seperti bilah, generator, controller , fin , data logger , baterai dan inverter.
Bilah  memiliki  dua  gaya  yang  bekerja  untuk menangkap  angin,  yaitu  gaya  angkat  dan  gaya hambat.  Bilah  juga  mempunyai  berbagai  jenis berdasarkan  kecepatan  angin,  yaitu  pertama taper; dengan  panjang chord mengecil  dari  pangkal  sampai ujung  bilah  untuk  kecepatan  angin  tinggi,  kedua inverse  taper; dengan  panjang chord membesar  dari pangkal  sampai  ujung  bilah  untuk  kecepatan  angin rendah,  dan  ketiga taperless; dengan  panjang chord sama  besarnya  dari  pangkal  sampai  ujung  bilah. Keunikan  dari taperless ini  memiliki  efisiensi  yang lebih  baik  dibandingkan  dengan  bentuk  bilah taper pada  kecepatan  angin  yang  relatif  sedang  ke  tinggi [6].
Penelitian terdahulu  melakukan analisis perbandingan bilah  turbin  angin  jenis taper dan taperless pada turbin  angin  skala  mikro  di  PT  Lentera  Bumi Nusantara  [7].  Analisis  tersebut  dapat  disimpulkan bahwa desain bilah taperless lebih baik daripada jenis bilah taper . Hal tersebut dari grafik Cp terhadap TSR, dapat dilihat pada Gambar 2.
Bilah  jenis taperless yang  memiliki  Cp  sebesar  53% sementara  bilah  jenis taper bernilai  48%  dan  daya yang  dihasilkan  pada  bilah  jenis taperless juga  lebih besar  sekitar  2161  Watt.  Sedangkan  pada  bilah  jenis taper daya  yang  dihasilkan  sekitar  791  Watt  [7]. Selain itu, jenis bilah yang populer digunakan saat ini adalah  bilah taperless dan taper karena  memiliki kemampuan  kecepatan  putar  yang  tinggi  dan  stabil sehingga shaft generator  akan  berputar  dengan  lebih cepat  dan  tidak  diperlukan gearbox besar  [8].  Oleh karena  itu,  penulis  membuat  penelitian  tentang analisis  komponen  dari  turbin  angin  yaitu  bilah taperless dengan airfoil S2091.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis  suatu performa  dari  bilah taperless S2091  dengan mendapatkan  nilai  efisiensi  yang  tinggi  sehingga turbin  angin  dapat  berputar  pada  kecepatan  angin yang relatif rendah.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1. Studi Literasi
Studi  literasi  ini  mulai  dari  mengamati  konsep pembangkit  listrik  tenaga  bayu  (PLTB),  Cara pemanfaatan  energi  angin,  komponen  turbin  angin, dan  parameter-parameter  dalam  merancang  suatu bilah turbin angin.
2.2. Analisa Karakteristik
Setelah  studi  literasi,  dilakukan  analisa  karakteristik menggunakan software  Q-Blade .  Qblade  adalah software  yang  digunakan  untuk  mendesain  dan simulasi  aerodinamis  bilah  turbin  angin.  Software  ini bekerja  dengan  menggunakan  metode  blade  element momentum  dan  mampu  melakukan  perancangan airfoil, pembuatan dan optimasi bilah, pengomputasian performa turbin angin, dan ekstrapolasi data polar angle of attack hingga 360 o [5]. Karakteristik airfoil yang  diperlukan  adalah  nilai coefficient lift (Cl) per Coefficient drag (Cd) terhadap alpha  (α).  Hal  ini  bertujuan  untuk  melihat  performa daya angkat dari airfoil . Geometri airfoil S2091 dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Geometri Airfoil S2091
Menentukan  geometri  bilah  perlu  diketahui  grafik Cl/Cd  –  Alpha  karena  untuk  memutar  bilah  harus memaksimalkan gaya angkat dan meminimalisir gaya hambat.  Nilai  tersebut  hasil  dari  simulasi toolbar XFOIL Direct Analysis Q-Blade. Hasil simulasi airfoil S2091 dapat dilihat pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 2 No. 1 (2021) 64 – 69
Gambar 4. Grafik coefficient lift/coefficient drag terhadap sudut serang angin
Gambar 5. Grafik coefficient lift terhadap sudut serang angin
Berdasarkan  Gambar  4  dan  Gambar  5  terlihat  bahwa nilai  Cl/Cd  terhadap  alpha  optimal  dan  nilai  Cl  naik ketika  alpha  naik  lalu  kemudian  turun  setelah mencapai  titik  tertentu.  Hal  ini  disebabkan  adanya stall  ketika  Cl  sudah  mencapai  maksimum  dan  tidak bertambah sedangkan Cd masih terus bertambah.
2.2. Perhitungan
Sebelum  memulai  perhitungan,  terlebih  dahulu menentukan parameter-parameter yang akan digunakan  sebagai  dasar  perancangan  geometri  bilah. Parameter tersebut yaitu: [11]
Daya Angin (P a )
(1)
Keterangan:
P a = Daya Angin yang dibutuhkan (Watt) A = Luas Penampang ( ) = Massa Jenis Udara (kg/ )
V = Kecepatan Angin (m/s)
Efisiensi Sistem Turbin Angin (K)
(2)
Keterangan: K = Efisiensi Sistem ηb = Efisiensi Bilah ηt = Efisiensi Transmisi ηg = Efisiensi Generator η c = Efisiensi Controller

## Tip Speed Ratio / TSR (λR)
(3) Keterangan:
TSR   = Tip Speed Ratio (λR)
ω = Kecepatan Rotasi Bilah (rad/s) R = Radius (m)
V
= Kecepatan Angin (m/s)
Jari-jari Bilah (R)
(4)
Keterangan: R = Jari-jari Yang Digunakan (m) A = Luas Sapuan Bilah (m 2 ) TSR Parsial (5) Keterangan: λr = TSR Parsial r = Jari-jari Setiap Elemen (m) R
= Jari-jari Bilah (m)
λR = TSR Yang Digunakan
Coefficient Lift (Cl)
(6) Keterangan: Cr : Lebar Chord (m) B : Jumlah Bilah λR : TSR Yang Digunakan
π : 3,14
Flow Angle (ϕ)
(7)
Keterangan: ϕ :  Flow Angle (deg)
λr :  TSR Parsial
Twist ( )
(8)
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 2 No. 1 (2021) 64 – 69
Keterangan: β : Twist (deg) ϕ : Flow Angle (deg)
α : Alpha (deg)
Parameter  awal  dari  merancang  bilah  dimulai  dari efisiensi  sistem  turbin  angin  karena  efisiensi  sistem merupakan  gabungan  dari  efisiensi  bilah,  transmisi, generator,  dan controller .  Efisiensi  maksimum  dari angin  yang  diserap  oleh  bilah  sebesar  59%  atau disebut juga koefisien Betz (C p ).[1] Lalu perancangan ini  diasumsikan  efisiensi  bilah  yang  rendah  sebesar 30% dan yang tinggi sebesar 40%. Efisiensi transmisi 100%  dikarenakan  putaran  bilah  langsung  terhubung dengan  generator  dan  tidak  menggunakan  transmisi tetapi  efisiensi  pasti  ada  yang  namanya  losess  jadi diasumsikan  sebesar  90%.  Sedangkan  efisiensi generator  dan controller sama  sebesar  90%  karena berbeda  untuk  setiap  alat  yang  digunakan.  Diperoleh efisiensi  sistem  menggunakan  persamaan  (2)  sebesar 21,9% jika efisiensi bilah 30% dan sebesar 29,2% jika efisiensi bilah 40%.
Setelah  itu,  pada  perancangan  kali  ini  diasumsikan juga bahwa kapasitas daya listrik (P l ) yang diinginkan sebesar 500 W dan kecepatan angin maksimum (V max ) sesuai  kondisi  real  lapangan  sebesar  12  m/s.  Daya angin yang dibutuhkan (P a )  menggunakan persamaan (1)  didapatkan  hasil  sebesar  2286,24  W jika  efisiensi bilah  30%  dan  didapatkan  hasil  sebesar  1714,68  W jika  efisien  bilah  40%.  Jari-jari  bilah  juga  ditentukan menggunakan  persamaan  (1)  dan  (4)  yang  dimana hasil  luas  penampang  bilah  sebesar  2,160  m 2 dibagi dengan  3,14  sehingga  menghasilkan  0,829  m  jika efisiensi  30%  sedangkan  luas  penampang  bilah sebesar  1,620  m 2 menghasilkan  jari-jari  0,718  m. Kemudian  kedua  hasil  jari-jari  tersebut  dibagi  dua sebesar 0,8 m. parameter awal bilah dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Parameter awal bilah Bilah Transmisi Generator Controller Sistem We ƞ ƞ ƞ ƞ K Wa V  max A R R ρ Watt % % % % % Watt m/s m² m m kg/m^3
0.3 0.219 2286.24 2.160 0.829 0.4 0.292 1714.68 1.620 0.718 1.225 Jari-jari yang digunakan Daya angin 12 0.8 Kapasitas daya angin 500 Kecepatan angin
0.9 0.9 Massa jenis udara 0.9 Efisiensi Luas sapuan Jari-jari

## 2.3. Perancangan Geometri Bilah
Perancangan  bentuk  bilah  menggunakan software Q- blade  v0.96  dengan  memasukkan  dimensi  di  setiap elemennya.  Diasumsikan  TSR  sebesar  7  karena  pada turbin  angin  dengan  jumlah  3  bilah  mempunyai kisaran  TSR  6-8  [10].  Setelah  didapatkan  jari-jari parsial  di  setiap  elemennya,  lalu  melinearisasi  garis menggunakan  persamaan  (5,)  (6),  (7)  dan  (8)  pada setiap elemen yang keluarannya berupa sudut puntiran atau twist agar  mempermudah  proses  manufaktur. Linearisasi  sudut  puntiran  dapat  dilihat  pada  Tabel  2 dan grafik sudut puntiran pada Gambar 6.
Tabel 2. Data Geometri bilah
r λr α ɸ β β β meter meter derajat derajat derajat derajat derajat 0 0.17 1.49 1.19 7.5 22.61 15.11 9.96 1 0.23 2.04 0.87 4.3 17.42 13.12 9.66 2 0.30 2.59 0.68 2.5 14.07 11.60 9.36 3 0.36 3.14 0.56 1.3 11.77 10.47 9.06 4 0.42 3.69 0.48 0.5 10.10 9.65 8.76 5 0.49 4.24 0.42 0.1 8.84 8.79 8.46 6 0.55 4.80 0.37 -0.5 7.85 8.33 8.16 7 0.61 5.35 0.33 -0.8 7.06 7.86 7.86 7.86 8 0.67 5.90 0.30 -1.1 6.42 7.56 7.56 7.56 9 0.74 6.45 0.27 -1.3 5.88 7.18 7.26 10 0.8 7.00 0.25 -1.4 5.42 6.86 6.96 Geometri Blade n Cl Twist Optimum
75% Elemen R Parsial TSR parsial Coefficient Lift Twist (beta)(deg) Twist Linier 75% Alpha Flow Angle (deg)
Gambar 6. Grafik sudut puntiran terhadap jari-jari parsial

## 3.   Hasil dan Pembahasan
3.1. Simulasi dan Analisis
Tahap  simulasi  rotor  menggunakan  teori  Blade Elemen  Momentum  (BEM)  menggunakan software Q-blade  v0.96.  Tujuan  dari  simulai  ini  adalah  untuk mendapatkan  nilai  koefisien  daya  (Cp)  terhadap  TSR dan nilai daya (P l ) yang dihasilkan terhadap kecepatan angin  (v).  Simulasi  ini  juga  dengan  memasukkan parameter-parameter  yang  ada  misalnya  TSR  7, kecepatan  angin  sebesar  12  m/s,  massa  jenis  udara sebesar 1,225 kg/m 3 , dan viskositas kinematik sebesar 1,647x10 -5 Ns/m 2 .  Hasil  simulasi toolbar  Blade Elemen Momentum (BEM) dapat dilihat pada Gambar 7 dan Gambar 8.
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 2 No. 1 (2021) 64 – 69
Gambar 8. Grafik daya & torsi terhadap rpm
Berdasarkan  Gambar  7  dan  Gambar  8  bahwa  bilah taperless dengan airfoil S2091 menghasilkan Cp 47% pada  TSR  4,5  sedangkan  pada  TSR  7  didapatkan  Cp minimum  sebesar  34%,  daya  maksimum  yang dihasilkan  pada  kecepatan  12  m/s  sebesar  998  W ketika kecepatan sudut bilah 645 rpm. Daya minimum yang dihasilkan pada kecepatan 12 m/s sebesar 95 W ketika kecepatan sudut bilah 143 rpm. Maka rata-rata daya yang dihasilkan sebesar 640,94 W.
3.2. Validasi
Tahap ini bertujuan  untuk  membandingkan data  hasil simulasi  melalui software Qblade  v0.96  dengan  data yang  diambil  dari  pengujian  lapangan  secara langsung.  Data  yang  diambil  secara  langsung bergantung  pada  kecepatan  angin  selama  proses pengujian.
Peralatan  yang  digunakan  pada  pengujian  lapangan adalah  turbin  angin  sumbu  horizontal  skala  kecil  tipe the sky dancer (TSD) 500 W, controller , data logger, dan baterai 2V/1000 Ah.
Hasil  data  pengujian  lapangan  bilah taperless airfoil S2091  diambil  pada  tanggal  15  Juni  2021  selama  24 jam di PT Lentera Bumi Nusantara.
Tabel 3. Data daya dan kecepatan angin hasil pengujian lapangan
26.59 Volt 25.18 Volt 5.20 Ampere 14.13 Watt 138.46 Watt 257.80 Wh 2.17 m/s 11.92 m/s 754.65 Wh
%
Efisiensi
34.16 Wind Speed Average Daily Wind Speed
Maximum Wind Speed Teoritical Energy
Charging Power Average Charging Wattage Maximum Charging Wattage Obtained Power Charging Measurement Maximum Battery Voltage Minimum Battery Voltage
Maximum Charging Current
r r

## Gambar 9. Statistik kecepatan angin dan daya per dua jam
Berdasarkan  Tabel  3  dan  Gambar  9  didapatkan  data bahwa  bilah  dapat  beroperasi  pada  kecepatan  angin rata-rata  2,17  m/s  dan  kecepatan  angin  maksimum yang  didapatkan  yaitu  11,92  m/s,  secara  teori  daya energi angin sebesar 754,65 Wh dengan daya rata-rata pengisian  14,13  W  dan  daya  maksimum  sebesar 138,46  W,  sehingga  bilah  hasil  perancangan  ini menghasilkan  daya  sebesar  257,80  Wh  dengan kemampuan  bilah  dapat  mengonversi  energi  angin menjadi  energi  listrik  sebesar  34,16%.  Jadi,  nilai efisiensi  sistem  turbin  angin  sebesar  30%-40%  dan pengujian lapangan secara langsung memiliki efisiensi serupa yaitu sebesar 34,16%.
Perbedaan  efisiensi  hasil  perancangan  dengan  realita lapangan karena adanya losess daya yang terjadi pada saat  bilah  berputar,  human  error  saat  proses manufaktur dan saat perhitungan atau pembacaan alat ukur,  gesekan  shaft  di  dalam  generator  karena pergeseran massa, transmisi, dan kabel [6].

## 4.   Kesimpulan
Kesimpulan  pada  penelitian  kali  ini  adalah  efisiensi sistem bilah turbin angin sebesar 30-40% dan efisiensi data pengujian lapangan sebesar 34,16% yang artinya pada analisa performa bilah taperless S2091 memiliki keluaran yang baik.

## Daftar Rujukan
[1] Al-Shemmeri,  T.  2010. Wind  Turbines .  T  Al-shemmeri  and Ventus Publishing Aps ISBN 978-87-7681-692-6.
[2] Bachtiar,  A.  2018. Analisis  Potensi  Pembangkit  Listrik Tenaga  Angin  di  PT  Lentera  Angin  Nusantara  Ciheras . Teknik Elektro ITP Vol. 7 , 35-45.
[3] Dewita,  A.,  Bakar,  A.  S.,  &  Dwicahyo,  K.  2015. Pemanfaatan  WRF-ARW  untuk  Simulasi  Potensi  Angin sebagai  Sumber  Energi  di  Teluk  Bone. Jurnal  Material Energi Indonesia, 05(02), 17-23.
[4] Hau,  E.  2013. Wind  Turbines:  Fundamentals,  Technologys, Application, Economics, 3nd ed . Munich; Springer.
[5] IEC  61400-2.  2013. Wind  Turbines-part  2:  Small  Wind Turbine. Geneva.
[6] LAN, T. 2019. Workshop Wind Turbine . Ciheras.
[7] Nuraini, A. 2019. Analisis Perbandingan Bilah Turbin Angin Jenis Taper dan Taperless pada Turbin Angin Skala Mikro di PT  Lentera  Bumi  Nusantara .  Prosiding  Seminar  Nasional Teknik Mesin Politeknik Negeri Jakarta , 136-148.
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 2 No. 1 (2021) 64 – 69
[8] Saoke,  C.  O.,  Kamau,  J.  N.,  Kinyua,  R.,  Nishizawa,  Y.,  & Ushiyama,  U.  2015. Power  Performance  of  an  Inversely Tapered Wind Rotor and its Air Flow Visualization Analysis Using  Particle  Image  Velocimetry  (PIV).  American  Journal of Phisics and Applications, 3(1), 6-14.
[9] Tim  Lentera  Angin  Nusantara.  2014. Pengenalan  Teknologi
Pemanfaatan Energi Angin . Tasikmalaya, Jawa Barat.
[10] Tim  Lentera  Angin  Nusantara.  2017. Profil  Lentera  Bumi Nusantara . Tasikmalaya, Jawa Barat.
[11] Zahra,  I.N.  2016. Modul  Dasar-Dasar  Perancangan  Bilah . Lentera  Bumi  Nusantara.  Tasikmalaya,  Jawa  Barat