## IMPLEMENTASI KINCIR ANGIN SAVONIUS 2 TINGKAT MENGGUNAKAN GENERATOR MAGNET PERMANEN
Jefri Lianda 1 , Hikmatul Amri 2 1,2 Jurusan  Teknik  Elektro,  Politeknik Negeri Bengkalis Ben gkal is  28711,  email:  j e f r i @ p o l b e n g . ac . i d

## Abstract
This  paper  focuses  on  improving  the  performance  of  a  two-tiered  windmill  savonius  to  generate  electricity through  a  permanent  magnet  generator.  This  study  used  an  experimental  method,  taking  into  account  the number and angle of the wind turbine Savonius two levels. The study was conducted at wind speed conditions of about 2.85 m / s to 6.42 m / s. Dimensions of windshield savonius blades with a width of 45 cm and a height of 50 cm. The wind turbine is installed with a height of 3.5 meters from the ground. This study uses a gearbox with  a  ratio  of 1: 3.This study  produces  a  maximum  power of 95 watts. The average voltage generated 13.75 volts AC to 19.52 volts AC. The energy supplied to the battery uses a battery charger control (BCR).
Keywords: savonius, permanent,gear box, BCR

## Abstrak
Makalah ini berfokus pada peningkatan kinerja kincir angin savonius dua tingkat untuk menghasilkan listrik melalui  generator  magnet  permanen.  Penelitian  ini  mengunakan  metode  eksperimen  dengan memperhitungkan  jumlah  dan  sudut  turbin  angin  savonius  dua  tingkat.  Penelitian  ini  dilaksanakan  pada kondisi  kecepatan  angin  sekitar  2,85  m  /  det  sampai  6,42  m  /  det.  Dimensi  sudu  kincir  angin  savonius dengan lebar 45 cm dan tinggi 50 cm. Turbin angin dipasang dengan ketinggian 3,5 meter dari permukaan tanah. Penelitian  ini mengunakan gear  box  dengan rasio 1:3. Penelitian ini  menghasilkan daya maksimum sebesar  95  watt.  Tegangan  rata-rata  yang  dihasilkan  13,75  volt  AC  sampai  19,52  volt  AC.  Energi  yang disalurkan ke baterai menggunakan battery charger control (BCR).
Kata Kunci : savonius, permanen,gear box, BCR

## 1. PENDAHULUAN
Kuantitas kebutuhan energi telah  menjadi indikator  standar kehidupan dan tingkat  industrialisasi. Saat  ini  sekitar  sembilan  puluh  persen  energi  dunia  berasal  dari  penggunaan  bahan  bakar  fosil,  seperti: batubara, minyak bumi, gas  alam, dan lain-lain. Manusia  menggunakan bahan  bakar fosil untuk memasok hampir  semua  kebutuhan  energinya,  seperti  menyalakan  kendaraan,  menghasilkan  listrik  untuk penerangan.  Di sisi lain, sumber  energi  dari  energi  fosil  bumi terbatas.  Pada  saat  bersamaan  ada  masalah dengan  perubahan  iklim  akibat  emisi  karbon  dioksida  dan  sulfur  dioksida  dari  pembakaran  bahan  bakar fosil. Pemanfaatan energi terbarukan untuk sumber energi rendah karbon dan hemat biaya dapat menjadi tujuan  penting  kebijakan  energi  dalam  kehidupan.  Energi  terbarukan  adalah  energi  ramah  iklim  karena tidak  adanya  emisi  yang  merugikan  lingkungan.  Badan  energi  internasional  tersebut  menyatakan  bahwa hanya  sebagian  kecil  energi  yang  berasal  dari  pembangkit  listrik  tenaga  nuklir  dan  tenaga  air,  dan  bagian yang  sangat  kecil  dari  sumber  energi  terbarukan  seperti  gelombang  surya,  angin,  biomassa,  panas  bumi dan pasang surut [1].
Kincir  angin  mengubah  energi  kinetik  menjadi  energi  listrik.  Kincir  angin  dikelompokkan  menjadi dua  kelas  yaitu  Turbin  Angin  Sumbu  Vertikal  (VAWT)  dan  Turbin  Angin  Sumbu  Horizontal  (HAWT).  Turbin Angin  Sumbu  Horizontal  yang  sebelumnya  menjadi  alat  yang  paling  populer  untuk  pembangkit  listrik karena efisiensinya lebih tinggi karena kecepatan rotasi yang tinggi. Tapi HAWT memerlukan struktur yang lebih  rumit  dari  pada  VAWT  dan  hanya  layak  dilakukan  ke  daerah  di  mana  angin  permanen  dengan kecepatan tinggi tersedia [2].
Turbin angin Savonius, ditemukan pada tahun 1929, memiliki konfigurasi sederhana dibandingkan dengan  jenis  kincir  angin  lainnya.  Karena  itu,  biaya  yang  terlibat  dalam  pengembangannya  bisa  lebih rendah.  Selain itu, turbin  angin Savonius menghasilkan  suara  yang lebih rendah  dan memiliki  kinerja  yang baik dengan kecepatan angin sedikit [3].
Sigurd  J.  Savonius  dari  Finlandia  pada  tahun  1931  menemukan  turbin  angin  tipe  Savonius,  yang dikenal dengan S-rotor. Turbin angin Savonius telah mendapatkan hak paten. Turbin terdiri dari dua bagian silinder  dan  kemudian  memutar  dua  permukaan  semi-silinder  ke  samping  sepanjang  bidang  potongan seperti  huruf  S.  Dua  permukaan  setengah  lingkaran,  disebut  sudu,  terhubung  pada  sumbu  vertikal  yang tegak lurus terhadap arah angin dengan celah pada sumbu antara sudu. Turbin Savonius berfungsi seperti anemometer cangkir atau perangkat berbasis drag. Rasio kecepatan suduterhadap kecepatan angin kurang dari  satu  kesatuan  ini  karena  suduyang  kembali  di  sisi  angin  tidak  akan  pernah  bisa  berputar  lebih  cepat dari pada angin. Savonius meneliti kinerja tiga puluh model S-rotor yang berbeda di terowongan angin dan udara terbuka [4].
Jumlah  peneliti  yang  mempelajari  berbagai  model  turbin  angin  Savonius  sangat  banyak.  Kendati demikian,  untuk  mengetahui  lebih  detail  parameter  desain  pasti  menunjukkan  bahwa  tidak  ada  produk analisis  yang  bisa  memberi  pengetahuan  tentang  pengaruh  sudut  heliks  pada  kinerja  VAWT.  Studi sebelumnya  mendorong  peneliti  untuk  mengembangkan  dan  mengoptimalkan  turbin  angin  savonius dengan  sudut  heliks  yang  berbeda  dengan  cara  eksperimen  dan  perhitungan  numerik.  Oleh  karena  itu, tujuan  utama  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui  variasi  koefisien  daya  dan  pola  aliran  turbin angin  pada  sudut  heliks  yang  berbeda  berdasarkan  luas  proyeksi  konstan,  yaitu  luas  rotor  angin  yang benar-benar menerima angin [3]. Generator harus dihubungkan ke poros turbin sehingga dapat mengubah energi mekanik dari turbin menjadi energi listrik [5].

## 2. LANDASAN TEORI
Sebuah  turbin  angin  adalah  perangkat  yang  mengubah  energi  kinetik  dari  angin  menjadi  tenaga listrik.  Vertikal  Axis  Wind  Turbin  (VAWT)  adalah  salah  satu  jenis  turbin  angin  mana  poros  rotor  utama diatur secara vertikal dan dapat menangkap angin dari segala arah [6]. Energi angin dapat dikonversi atau ditransfer ke dalam bentuk energi lain seperti listrik atau mekanik dengan menggunakan kincir atau turbin angin. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin (SKEA). Turbin  Savonius  adalah  turbin  yang  mudah  digunakan  dan  beroperasi  karena  perbedaan  daya  yang diperoleh  di  sisi  baling-baling.  Area  sudukincir  angin  mendapat  energi  angin  sehingga  sudubergerak  di sekitar sumbu vertikal tengah. Gambar 1 memperlihatkan kontruksi kincir angin savonius dengan 2 bilah.

## Gambar 1: Desain turbin angin savonius [6]
Kinerja  turbin  angin  savonius dapat dilambangkan dalam bentuk  koefisien torsi (Ct) dan  koefisien daya (Cp) dibandingkan  dengan  rasio kecepatan tip atau TSR (λ). Rasio kecepatan tip adalah  variabel  yang sesuai  dengan  kecepatan  angin  dan  diameter  rotor.  Sebagai  perbandingan  antara  kecepatan  ujung  pisau dan kecepatan angin melalui mata pisau, TSR dapat dirumuskan sebagai [7].
(1)
Dengan  rotor  V  adalah  kecepatan  tip  atau  kecepatan  periferal  rotor  (m  /  s);  Ω  adalah  kecepatan  sudut rotor (1 / s); D adalah diameter silinder rotor, (m), dan V adalah kecepatan angin (m/s).
Koefisien torsi atau Ct didefinisikan sebagai rasio antara torsi aktual yang dikembangkan oleh rotor (T) dan torsi teoritis yang tersedia dalam angin (Tw) sebagai
(2)
V ω .d V V λ TSR rotor = = = dV A 4T T T C 2 s w t ρ = =
dengan  ρ  adalah  densitas  udara  (=  1,225  kg  /  m3);  T  adalah  torsi  (Nm),  dan  As  adalah  lebar  dari  sudu atau hasil perkalian antara diameter rotor dan tinggi (m2).
Koefisien kekuatan turbin  angin (Cp) adalah perbandingan  antara  daya  maksimum yang  diperoleh dari angin (Pt) dan daya total yang siap dari angin (Pa) sebagai
(3 )
Dengan daya maksimal turbin angin dihitung sebagai
(4)
Sambungan  antara  koefisien  daya  Cp  dan  rasio  kecepatan  tip  TSR  atau  λ  sebagai  hasil kebersamaan kinerja turbin angin ditunjukkan pada Gambar 2 [8]. Kurva menunjukkan bahwa satu putaran turbin  angin  memiliki  kebersamaan  kecil  dan  bentuk  kurva  Cp  yang  relatif  datar  yang  disebabkan  oleh kekuatan  tarik  yang  lebih  besar.  Tiga  suduturbin  angin  memberikan  kebersamaan  maksimal  dengan maksimal Cp dan hasilnya menghasilkan lebih banyak energi.
Gambar 2: Kurva koefisien daya Cp dan rasio kecepatan tip λ turbin angi n Turbin  angin  sumbu  vertikal  (VAWT)  dapat  dioperasikan  pada  kecepatan  angin  rendah  mulai  dari  2 sampai 8 meter per detik. Keuntungan utama turbin angin sumbu vertikal (VAWT) jika dibandingankan  dengan turbin  angin  sumbu  horisontal  (HAWT)  adalah  kemampuan  untuk  mendapatkan  angin  dari  segala  arah. sehingga  sistem VAWT tidak diperlukan untuk mengubah arah rotor angin. Selain itu, tingkat kebisingan yang dihasilkan  selama  rotasi  sangat  sesuai  untuk  pemasangan  di  lingkungan  perumahan  dan  perkotaan.  Desain kincir  angin  yang    sesuai  dengan  kondisi  kecepatan  angin  rendah,  maka  turbin  dapat  berfungsi  secara  efisien dan memaksimalkan daya yang dihasilkan oleh turbin [9].
Penelitian  Pengaruh  Jumlah  Sudu  Terhadap  Unjuk  Kerja  Turbin  Angin  Savonius.  Menggunakan  metode penelitian eksperimental dengan variasi jumlah sudu : 2, 3, dan 4 buah dengan variabel bebas kecepatan angin pada  wind  tunnel  dari  kecepatan  3  m/s  sampai  7  m/s.  Didapatkan  hasil  analisis  bahwa  turbin  angin  dengan jumlah sudu 3 buah memiliki unjuk kerja yang tinggi dibandingkan dengan jumlah sudu yang lain[10].

## 3. HASIL  DAN  PEMBAHASAN
Model  turbin  angin  Savonius  dua  tingkat  diimplementasikan    pada  turbin  angin    kecepatan  rendah seperti  ditunjukkan  pada  Gambar  3.  Turbin  angin  ini  terdiri  dari  enam  sudu  yang  disusun  secara  bertingkat yakni  masing-masing  tingkat  sebanyak  tiga  sudu.  Penelitian  ini  menggunakan  generator  magnet  permanen dengan daya  maksimal  300 watt.  Kincir  angin  ini juga dilengkapi dengan battery  charger  control (bcr) dengan masukan  tegangan  tiga  fasa    dan  arus  pengisian  maksimal  10  amper.  Untuk  memaksimalkan  energi  yang dihasilkan  oleh  generator  magnet  permanen  maka  peneliti  menggunakan gear  box. Gear  box ini  dapat meningkatkan putaran generator magnet permanen.
(watt) ω T Pt = dV A 2 1 P P P C 3 s t a t p ρ = =

## Gambar 3. Model turbin savonius dua tingkat
Pengujian    kinerja  kincir  angin  savonius  dua  tingkat    dilaksanakan  di  pantai  Selat  Baru  Bengkalis. Pengujian  data  dimulai  pukul  09.00  GMT.  Kecepatan  angin  rata-rata  pada  saat  pengujian  sekitar  2,85  m  /  s hingga 6,42 m / s.  Tegangan yang dihasilkan oleh generator magnet permanen kira-kira 13,75 volt AC sampai 19,52  volt  AC.  Data  pengujian  berupa  tegangan  keluaran  generator  magnet  permanen  dan  kecepatan  angin dapat diliahat pada Gambar 4.

## Gambar  4:  Hubungan antara kecepatan angin dengan tegangan keluaran generator magnet permanen
Gambar  4  menjelaskan  hubungan  antara  tegangan  keluaran  generator  magnet  permanen      dengan kecepatan  angin.  Secara  umum  tegangan  antar  fasa  keluaran  dari  generator  magnet  permanen  seimbang. Turbin angin savonius dua tingkat menghasilkan tegangan antar fasa sekitar 13,8 volt AC pada kecepatan angin 2,8 m/s dan  14,85 volt AC pada kecepatan angin 4,3 m/s. Tegangan maksimal yang dihasilkan pada penelitian ini sebesar 19,52 volt AC. Tegangan 19,52 volt AC diperoleh pada kecepatan angin sekitar 6,42 m/s. Singkatnya gambar  4  memperlihatkan  bahwa  tegangan  keluaran  yang  dihasilkan  oleh  generator  magnet  permanen dipengaruhi oleh kecepatan angin. Semakin tinggi kecepatan angin maka tegangan keluaran generator magnet permanen semakin besar.
Tabel  1  memperlihatkan  tegangan  keluaran  dan  arus  keluaran  dari battery  charger  control (BCR). Secara  umum  tegangan  masukan  BCR  berupa  tegangan  tiga  fasa  dan  tegangan  keluaran  dari  BCR  berupa tegangan DC. Tegangan masukan  BCR sebesar 13,80 VAC menghasilkan tegangan keluaran sebesar 12,95 VDC. Tegangan  keluaran  BCR  12,95    VDC  telah  dapat  mengecas  baterai  12  volt  DC  dengan  arus  pengisian  sebesar
T e g a n g a n K e lu a ra n G e n e ra to r M a g n e t P e rm a n e n Kecepatan Angin L1-L2 Voltage L1-L3 Voltage
6,41  amper  dan  daya  yang  dihasilkan  sebesar  83  watt.  Daya  maksimal  yang  dihasilkan  oleh  kincir  angin savonius  dua  tingkat  sebesar  103  watt.  Daya  ini  diperoleh  pada  kondisi  tegangan  keluaran  BCR  sebesar  14,5 VDC dan arus keluaran sebesar 7,13 amper. Tabel 1 memberi informasi mengenai daya yang bisa disimpan di baterai 12 VDC. Daya rata-rata yang diperoleh sebesar 95 watt.
Tabel 1 : Pengujian battery charger control (BCR)
No Tegangan Masukan (VAC) Tegangan Keluaran (DCV) Arus Keluaran (DCA) L1 – L2 L1 – L3 L2 – L3 1 13,80 13,78 13,75 12,95 6,41 2 14,85 14,80 14,75 13,98 6,76 3 19,52 19,48 19,49 14,50 7,13 4 15,45 15,38 15,35 14,25 6,94 5 14,90 14,84 14,78 13,95 6,74

## 4. SIMPULAN
Penelitian  ini  menghasilkan  kincir  angin  savonius  dua  tingkat.  Kincir  angin  memutarkan  generator magnet permanen listrik permanen. Kecepatan putaran generator dapat dinaikkan dengan menggunakan gear box dengan rasio 1:3. Energi listrik yang dihasilkan oleh kincir angin savonius dua tingkat telah dapat disimpan di dalam baterai 12 VDC dengan daya rata-rata 95 watt.

## DAFTAR  PUSTAKA
[1] W. Frederikus, S. Andy, and S. Hadi, "An experimental study on the performance of savonius wind turbines related with the number of blades", 2nd International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, ICSEEA, Energy Procedia, vol. 68, 2015, pp. 297-304.
[2] A. Wasi-Udin, Z. Junayed-Hasan, R. Azimur, and M. Mamun," Numerical study of two and three bladed savonius wind turbine," IEEE International Conference on Green Energy and Technology, vol. 2nd, 2014, pp. 36-40
[3] L. Jae-Hoon, L Young-Tae, and L. Hee-Chang, "Effect of twist anngle on performance of savonius wind turbine," Renewble Energy, vol. 89, pp. 231-244, 2016.
[4] Savonius SJ, The wing rotor in theory and practice. Savonius : 1928
[5] A.A. Safe, S. Kashem, M. Moniruzzaman , "Design, fabrication and analysis of twisted blade vertical axis wind turbine(VAWT) and a simple alternator for VAWT," IEEE Strategic Technology  (IFOST), vol. 9, pp. 304-308, 2014.
[6] R. Renato, R. Roberto, M. Sergio, and V. Daniele, "Experimental study on a sovonius wind rotor for street lighting system," Applied Energy, vol. 161, pp. 143-152, 2016.
[7] AR. Jha, Wind Turbine Technology, New York: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.
[8] A. Chauvin, and D. Benghrib, Drag and lift coefficients evolution of a sovonius rotor exp. fluids, 1989.
[9] A. Aziz, A. Mohamad, and F. Hamidon, “A simulation study on airfoils using VAWT design for low speed application” IEEE Engineering Technology and Technopreneuship  (ICE2T), Kuala Lumpur, vol. 4th 2014, pp. 105-109.
[10] Syamsul BW, Taufan, Hamdani, “Unjuk kerja turbin angin  savonius dua tingkat empat sudu lengkung L”, Seminar Nasional Teknik Mesin Universitas Trisakti (SNTMUT), 2014, 1-6.