## Studi Eksperimen Pengaruh Sudut Penempatan Plat Datar Pengganggu di Depan R eturning Blade Terhadap Performa Turbin Angin Tipe Savonius
Studi Kasus untuk Rasio Panjang Plat Pengganggu Relatif Terhadap Diameter Sudu Turbin (L/d) = 1,3054
Ainun Nadhifah, dan Triyogi Yuwono
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : triyogi@me.its.ac.id
Abstrak—Penelitian  ini  dilakukan  pada  sebuah  wind tunnel subsonic open circuit dengan ditambahkan suatu plat datar  pengganggu  dengan  panjang  (L)  =  78,324  mm  dan tinggi  (T)  =  150  mm  yang  diletakkan  di  depan  returning blade dari sudu turbin angin yang memiliki diameter (d) = 60 mm, overlap (a) = 14 mm, dan tinggi (H) = 80 mm. Sudut penempatan  plat  datar  dengan  sumbu  sudu  divariasikan pada rentang 0˚ hingga 90˚ dengan kenaikan  5˚. Selain itu bilangan Reynolds dari aliran juga divariasikan pada 6,0 x 10 4 ; 7,5 x 10 4 ; 9,0 x 10 4 . Daya yang dihasilkan turbin dapat diuku  dari  pengukuran  arus  dan  tegangan  listrik  yang dihasilkan motor listrik dengan menggunakan multimeter.
Hasil  dari  penelitian  ini  adalah  dengan  adanya penambahan  plat  datar  pengganggu  di  depan  returning blade akan dapat meningkatkan performa dari turbin angin tipe  Savonius.  Penambahan  plat  datar  pengganggu  dengan L/d  =  1,3054  dengan  sudut  bukaan  plat  sebesar  40˚  pada bilangan  Reynolds  60.000  merupakan  konfigurasi  paling optimum  yang  diketahui  dengan  timbulnya  peningkatan pada  nilai  putaran  sebesar  263%  dan  peningkatan coefficient  of  power  sebesar  460%  yang  dihasilkan  oleh turbin angin Savonius.
Kata Kunci— Performa Turbin Savonius, Plat Penghalang, Variasi Sudut Plat Penghalang.

## I. P ENDAHULUAN
ind  turbine dapat  berputar  akibat  adanya perbedaan  gaya drag dari  kedua  sudu  dimana selisih  gaya  tersebut  akan  menghasilkan  torsi  yang  jika dikalikan  dengan  kecepatan  angular  dari  turbin  akan menghasilkan  daya  turbin.  Untuk  mendapatkan  daya turbin  angin  yang  lebih  besar,  dibutuhkan  selisih  gaya drag yang besar pula. Oleh sebab itu untuk mendapatkan nilai  gaya drag yang  kecil  di  daerah returning  blade , diletakkan  pengganggu  berupa  plat  datar  yang  dipasang tepat  di  depan returning  blade .  Plat  tersebut  akan digerakkan  ke  arah advancing  blade dengan  besar  sudut kemiringan yang dapat divariasikan.
Penelitian  yang  pernah  dilakukan  oleh  Altan  et  al  [1] mengenai  peningkatan  performa  rotor Savonius dengan pengganggu  berupa  dua  buah  plat  dengan  sudut kemiringan paling optimum sebesar α = 45˚ dan β = 15˚.
Dengan pengaturan tersebut performa rotor mengalamipeningkatan  yang  signifikan  yaitu  sebesar 38% pada nilai daya yang dihasilkan.
Penelitian  serupa  dilakukan  oleh  Mohamed  et  al  [2] yaitu dengan mensimulasikan turbin angin tipe Savonius ini melalui software metode komputasi fluida yaitu Fluent  dengan  analisa  turbulensi.  Hasil  yang  didapat oleh  penelitian  ini  adalah  performa  turbin  paling optimum  didapatkan  pada  λ  ( speed  ratio )  sebesar  1,4 yaitu meningkat sebesar 75,4%. Sedangkan pada rentang λ  diantara  0,3  hingga  1,4  didapat  peningkatan  performa paling sedikit sebesar 30%.
Penelitian yang telah dilakukan ini masih dalam upaya untuk  meningkatkan  performa  turbin Savonius dengan menggunakan  pengganggu  berupa  plat  datar  yang diletakkan  di  depan returning  blade ,  dengan  sudut kemiringan  0˚  sampai  dengan  90˚  dengan  kenaikan sebesar 5˚ pada bilangan Reynolds 6,0 x 10 4 ;  7,5  x  10 4 ; 9,0 x 10 4 .

## II. M ETODE P ENELITIAN
Pengujian  dilakukan  pada wind  tunnel dengan  jenis subsonic , open  circuit berpenampang  segi-delapan dengan  panjang  457  mm,  tinggi  304  mm  dan  lebar  304 mm.  Benda  yang  diujikan  adalah  turbin  angin  tipe Savonius dengan  diameter  sudu  60  mm,  tinggi  80  mm dan  terdapat overlap diantara  kedua  sudunya  sebesar  14 mm  sehingga  diameter  keseluruhan  turbin  sebesar  106 mm,  serta  plat  datar  pengganggu  selebar  78,324  mm dengan  panjang  150  mm  yang  terbuat  dari acrylic . Skema peralatan dapat dilihat pada Gambar 1.
W
Gambar 1. Skema Peralatan (Tampak Atas)
Pada  eksperimen  ini,  data  yang  diperoleh  adalah  nilai putaran  dan  torsi  statis  yang  dihasilkan  turbin,  serta tegangan  dan  arus  yang  dihasilkan  oleh  generator  listrik yang terhubung dengan poros turbin dengan menggunakan flexible  coupling sehingga  daya output dari  turbin  akan  dapat  dihitung.  Untuk  mendapatkan kecepatan  angin  pada  bilangan  Reynolds  yang  telah ditentukan,  maka  digunakan pitot  static  tube dan manometer.  Pengukuran  putaran  yang  dihasilkan  turbin digunakan  tachometer  digital  OMEGA  seri  HHT12 dengan  akurasi  ±0,01%.  Sedangkan  pengukuran  torsi statis  menggunakan  torquemeter  digital  LUTRON  seri TQ-8800  dengan  akurasi  ±0,1  N.cm  dan  perhitungan daya  dilakukan  dengan  mengukur  tegangan  dan  arus yang dihasilkan generator listrik dan tersambung dengan rangkaian  listrik  melalui flexible  coupling menggunakan multimeter digital SANWA tipe CD-771 dengan akurasi ±0,1%.

## III. H ASIL DAN D ISKUSI
Hipotesa  awal  dari  pengujian  ini  adalah  untuk membuktikan  bahwa  dengan  adanya  penambahan penghalang  yang  diletakkan  di  depan  returning  blade turbin  angin  Savonius  akan  dapat  meningkatkan performa  dari  turbin.  Pengukuran  performa  ini  dapat dilihat dari beberapa parameter yakni: putaran, torsi statis serta  daya  yang  dihasilkan  turbin.  Berikut  adalah  hasil dan diskusi dari pengujian yang telah dilakukan.

## Analisa  Putaran  Turbin  Angin  Savonius  dengan
Penambahan Plat Pengganggu
Gambar 2. Grafik putaran turbin berpenghalang dengan fungsi sudut bukaan plat pengganggu
Gambar 2 diatas merupakan grafik dari pengujian yang telah  dilakukan  dengan  cara  mengukur  putaran  yang dihasilkan  turbin  dengan  menggunakan  tachometer dengan  fungsi  sudut  bukaan  pada  berbagai  bilangan Reynolds.
Grafik  nilai  putaran  tersebut  memiliki  trendline  yang sama  pada  berbagai  bilangan  Reynolds  yaitu  meningkat hingga  mencapai  sudut  40˚  dan  selanjutnya  menurun hingga  mencapai  sudut  90˚.  Hal  ini  dapat  terjadi  karena perbandingan panjang penghalang dengan diameter sudu (L/d) adalah sebesar 1,3054 sehingga pada bukaan sudut sebesar  40˚  plat  datar  pengganggu  akan  dapat  menutup sudu returning secara  penuh  dan  mengarahkan  aliran menuju  sudu advancing .  Tambahan  airan  udara  yang diarahkan oleh plat penghalang inilah yang menyebabkan peningkatan nilai putaran yang paling maksimal. Namun, setelah  sudut  bukaan  menjadi  lebih  dari  40˚  terjadi penurunan  nilai  putaran,  hal  ini  dikarenakan  pada  sisi returning akan terbuka kembali sedikit demi sedikit yang awalnya tertutup sepenuhnya oleh plat datar pengganggu. Maka  aliran  fluida  dapat  kembali  menghantam  sudu returning dimana  seiring  dnegan kenaikan  sudut  bukaan akan  semakin  banyak  aliran  fluida  yang  dapat menghantam sudu returning .
Gambar 3. Grafik perbandingan putaran pada turbin berpenghalang dengan turbin tanpa penghalang dengan fungsi sudut bukaan plat pengganggu
Terlihat  pada  gambar  3,  putaran  yang  dihasilkan  oleh turbin berpenghalang masih lebih tinggi jika dibandingkan  dnegan  putaran  pada  turbin  tanpa penghalang.  Hal  ini  ditunjukkan  dengan  nilai 𝑁 𝑁 0 > 1 untuk  semua  θ  serta  seluruh  bilangan  Reynolds  yang diuji.
Analisa  Torsi  Statis  Turbin  Angin  Savonius  dengan Penambahan Plat Pengganggu
Gambar 4. Grafik torsi statis turbin berpenghalang dengan fungsi sudut bukaan plat pengganggu
500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 N (RPM) θ (˚) Re=60.000 Re=75.000 Re=90.000 1.0 1.5 2.0 2.5 0 20 40 60 80 N/N 0 θ (˚) Re=60.000 Re=75.000 Re=90.000 0.2 0.7 1.2 1.7 2.2 2.7 3.2 3.7 0 20 40 60 80 Ts (Ncm) θ (˚) Re=60.000 Re=75.000 Re=90.000
Gambar  4  diatas  merupakan  grafik  dari  pengujiang yang  telah  dilakukan  dengan  cara  mengukur  torsi  statis dengan menggunakan torquemeter dengan cara menahan turbin  pada  sudut  0˚  tegak  lurus  dari  arah  aliran  pada berbagai bilangan Reynolds.
Grafik  torsi  statis  tersebut  memiliki  trendline  yang sama  pada  berbagai  bilangan  Reynolds  yang  diuji,  yaitu nilai torsi statis tertinggi adalah pada sudut bukaan 0˚ dan akan terus menurun seiring dengan pembukaan sudut plat pengganggu.  Secara  umum  nilai  torsi  statis  tertinggi adalah  pada  bilangan  Reynolds  90.000,  disusul  oleh 75.000  dan  grafik  terendah  pada  bilangan  Reynolds 60.000.  Hal  ini  dapat  terjadi  karena  seiring  dengan peningkatan  bilangan  Reynolds,  maka  semakin  besar aliran  udara  yang  mengalir  sehingga  gaya  yang menghantam sudu  turbin pun semakin  besar. Sedangkan perumusan  torsi  statis  sendiri  merupakan  perkalian  dari gaya dan jari-jari dari sudu turbin.
Gambar 5. Grafik perbandingan torsi statis pada turbin berpenghalang dengan turbin tanpa penghalang dengan fungsi sudut bukaan
Gambar 5 menunjukkan perbandingan nilai torsi statis pada  turbin  berpenghalang  dengan  turbin  tanpa penghalang.  Terlihat  bahwa  nilai  yang  ditunjukkan adalah 𝑇 𝑇 0 ≥ 1 , hal ini menunjukkan bahwa pada seluruh bilangan  Reynolds  yang  diuji  memiliki  nilai  torsi  statis yang  lebih  baik  atau  sama  dengan  pada  turbin  tanpa penghalang.  Namun  hal  ini  terjadi  hanya  pada  beberapa sudut bukaan saja yaitu pada sudut 85˚ dan 90˚. Hal ini dikarenakan konfigurasi sudut bukaan turbin berpenghalang  pada  kedua  sudut  tersebut  hampir  sama dengan pada turbin tanpa penghalang.
Analisa Coefficient of Power Turbin Angin Savonius dengan Penambahan Plat Pengganggu
Gambar 6. Grafik coefficient of power turbin berpenghalang dengan fungsi sudut bukaan
Gambar  6  diatas  merupakan  grafik  nilai coefficient  of power fungsi  sudut  bukaan  pada  berbagai  bilangan Reynolds. Terlihat pada grafik tersebut bahwa
peningkatan bilangan Reynolds yang berarti peningkatan kualitas  aliran  fluida  tidak  selalu  berbanding  lurus dengan  peningkatan  efisiensi  daya  output  berbanding dengan  daya  input-nya.  Karena  meski  memiliki kecepatan  aliran  fluida  yang  terbesar  pada  bilangan Reynolds  90.000,  nilai  CoP-nya  justru  lebih  kecil  bila dibandingkan  dengan  bilangan  Reynolds  yang  lebih kecil.  Selain  itu  pada  sudut  bukaan  40˚  juga  terlihat memiliki nilai CoP tertinggi, hal ini menunjukkan bahwa pada  sudut  40˚  merupakan  titik  paling  optimum  dalam menghasilkan  daya  pada  turbin  angin Savonius pada seluruh variasi bilangan Reynolds yang diujikan.
Selain  itu  terlihat  pula  pada  gambar  6  bahwa  setelah sudut  bukaan  mencapai  70˚  nilai coefficient  of  power cenderung  konstan.  Sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa saat sudut bukaan mencapai 70˚ nilai coefficient of power yang dihasilkan oleh turbin menjadi tidak optimum.
Gambar 7. Grafik perbandingan coefficient of power turbin berpenghalang dengan turbin tanpa penghalang dengan fungsi sudut bukaan
Gambar  7  diatas  menunjukkan  grafik  perbandingan koefisien daya turbin berpenghalang dengan turbin tanpa penghalang  dengan  fungsi  sudut  bukaan  pada  berbagai variasi  bilangan  Reynolds.  Terlihat  pada  grafik  diatas bahwa  pada  sudut  bukaan  40˚  merupakan  titik  paling optimum  pada  seluruh  bilangan  Reynolds  yang  diuji dalam menghasilkan daya output terbesar jika dibandingkan  dengan  koefisien  daya  turbin  tanpa penghalang.  Selain  itu  terlihat  pula  bahwa  pada  seluruh bilangan  Reynolds  yang  diuji  serta  pada  berbagai  sudut bukaan  memiliki  nilai 𝐶𝑜𝑃 𝐶𝑜𝑃 0 > 1 ,  sehingga  dapat disimpulkan  bahwa  daya  yang  dihasilkan  oleh  turbin berpenghalang  lebih  optimum  dibandingkan  dengan turbin tak berpenghalang.
Analisa Coefficient of Power Turbin Angin Savonius Pada Berbagai Bilangan Reynolds
Gambar 8. Grafik coefficient of power fungsi bilangan Reynolds
Seperti  yang  terlihat  pada  Gambar  8  yaitu  grafik coefficient  of  power pada  berbagai  bilangan  Reynolds,
1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 T/T 0 θ (˚) Re=60.000 Re=75.000 Re=90.000 0.3 0.7 1.1 1.5 1.9 2.3 0 20 40 60 80 CoP (%) Re Re=60.000 Re=75.000 Re=90.000 0.8 1.8 2.8 3.8 4.8 0 20 40 60 80 CoP/CoP 0 θ (˚) Re=60.000 Re=75.000 Re=90.000
1 1.4 1.8 2.2 2.6 3 50,000 60,000 70,000 80,000 90,000100,000 CoP (%) Re
terlihat bahwa bilangan Reynolds paling optimum adalah pada 50.000 dimana seiring dengan peningkatan bilangan Reynolds,  nilai coefficient  of  power menjadi  semakin menurun.  Hal  tersebut  diatas  menunjukkan  bahwa dengan adanya peningkatan kecepatan aliran fluida yang diwakili  dengan  peningkatan  bilangan  Reynolds  tidak selalu  seiring  dengan  peningkatan  efisiensi  daya-nya. Perumusan dari koefisien daya sendiri adalah perbandingan  dari  daya  output  dan  daya  input.  Dimana daya  output  dihitung  dengan  cara  mengukur  tegangan dan  arus,  sedangkan  daya  input  dihitung  dengan mengalikan  massa  jenis  udara,  luas  permukaan  turbin, serta  kecepatan  aliran  yang  dipangkatkan  tiga.  Saat bilangan  Reynolds  ditingkatkan,  terjadi  peningkatan voltase  dan  arus  yang  diukur.  Namun  sebaliknya, kecepatan  aliran  pun  turut  meningkat.  Sesuai  dengan perumusan, kecepatan aliran dipangkatkan tiga, sehingga meski  terjadi  kenaikan  pada  voltase  dan  arus  yang dihasilkan  turbin,  namun  nilai  daya  output  ini  tidak mampu  mengimbangi  peningkatan  kecepatan  aliran. Sehingga seiring dengan peningkatan bilangan Reynolds, nilai koefisien daya menjadi semakin menurun.

## IV. K ESIMPULAN
Berdasarkan  analisa  yang  telah  dilakukan  mengenai pengaruh  penambahan  plat  datar  pengganggu  di  depan sudu returning pada turbin angin tipe Savonius terhadap performa  turbin,  didapatkan  beberapa  kesimpulan diantaranya adalah:
1. Pemberian  plat  datar  pengganggu  dengan  L/d  = 1,3054  pada  bilangan  Reynolds  60.000,  75.000  dan
90.000  dapat  meningkatkan  performa  turbin  angin, yaitu peningkatan pada nilai putaran, torsi statis dan daya  yang  dihasilkan  untuk  sudut  kemiringan 0˚≤θ≤90˚.
2. Plat  datar  pengganggu  dengan  L/d  =  1,3054  paling optimum  digunakan  pada  sudut  bukaan  (θ)  =  40˚ pada bilangan Reynolds 60.000 dengan peningkatan nilai  putaran  sebesar  263%  bila  dibandingkan dengan nilai putaran pada turbin tanpa penghalang.
3. Plat  datar  pengganggu  dengan  L/d  =  1,3054  paling optimum digunakan pada sudut bukaan (θ) = 0˚ pada bilangan  Reynolds  90.000  dengan  peningkatan  nilai torsi  statis  sebesar  730%  bila  dibandingkan  dengan nilai torsi statis pada turbin tanpa penghalang.
4. Plat  datar  pengganggu  dengan  L/d  =  1,3054  paling optimum  digunakan  pada  sudut  bukaan  (θ)  =  40˚ pada bilangan Reynolds 60.000 dengan peningkatan nilai koefisien daya sebesar 460% bila dibandingkan dengan  nilai coefficient  of  power pada  turbin  tanpa penghalang.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  yang  sebesar- besarnya  kepada  beberapa  pihak  yang  telah  banyak membantu proses penulisan diantaranya adalah:
1. Kedua  orangtua  saya  yang  telah  banyak  membantu dalam hal support baik itu moral maupun material.
2. Prof.  Dr.  Ir.  Triyogi  Yuwono,  DEA  selaku  dosen pembimbing  yang  tanpa  lelah  membimbing  saya dalam proses penulisan.
3. Wira Ashari. Sahabat terbaik yang terus menyemangati saya untuk menyelesaikan jurnal ini.
4. Warga  laboratorium  mekanika  dan  mesin-mesin fluida  beserta  seluruh  isinya  termasuk  geng  sidang dan  geng  revisi  yang  saling  menyemangati  dan bertumpu satu sama lain.
5. Semua  sahabat  dan  teman  yang  tidak  dapat  saya sebutkan namanya satu persatu.

## D AFTAR P USTAKA
[1] Altan, B.D. dan Atilgan, M. 2010. The Use of a Curtain Design to  Increase  the  Performance  of  a  Savonius  Wind  Rotors. Journal Renewable Energy, Vol. 35, Page 821-829.
[2] Altan,  B.D.  Atilgan,  M.  Aydogan,  O.  2008. An  Experimental Study on Improvement of a Savonius Rotor Performance with Curtaining. Journal  Experimental  Thermal  and  Fluid  Science, Vol. 32, Page 1673-1678.
[3] Mohamed,  M.H.,  McDonald,  Alan  T.  2011. Introduction  to Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, Inc: New York.