Simulasi Turbin Angin dengan Beberapa Tipe Airfoil Menggunakan Software Qblade
Rahmad Samosir 1) , Kimar Turnip 2) , Bimo Putra Mustafa Sebo 3)
Jurusan Teknik Mesin, Universitas Kristen Indonesia, Jl. Mayjen Sutoyo No.2, RT.9/RW.6, Cawang, Kec. Kramat jati, Kota Jakarta Timur, Daerah Khusus Ibukota Jakarta 13630, Indonesia.
Email : bim.sebo@gmail.com

## Abstrak
Indonesia  adalah  negara  yang  memiliki  potensi  sumber  energi  terbarukan  yang  cukup  besar,  salah satunya  adalah  sumber  energi  angin  yang  potensinya  mencapai  100  MW.  Namun,  pemanfaatan sumber  energi  angin  di  Indonesia  masih  belum  maksimal,  yakni  baru  sekitar  1.6%  atau  sekitar  1.6 MW.  Desain  turbin  angin  dan  pengukuran  kecepatan  angin  rata-rata  merupakan  hal  yang  penting dalam pemanfaatan potensi energi angin. Oleh sebab itu, dibutuhkan pengetahuan perihal desain dan simulasi dari beberapa parameter yang mempengaruhi pemanfaatan energi angin, seperti jenis airfoil , kecepatan  angin, pitch  angle turbin  angin,  dan  parameter  desain  turbin  angin.  Dalam  penelitian  ini, akan  dilakukan  desain  sekaligus  simulasi  turbin  angin  menggunakan software Qblade  dengan beberapa  tipe  airfoil  yang  berbeda,  untuk  mengetahui  tipe airfoil dengan  bentuk  geometrinya  yang paling  efisien  dalam  membangkitkan  daya  pada  turbin  angin.  Hasil  simulasi  akan  dipaparkan  dalam bentuk nilai daya yang dibangkitkan pada masing-masing desain dengan setiap airfoil yang digunakan serta dibuktikan keakuratannya lewat perhitungan daya secara teori.
Kata kunci : Airfoil, Qblade, Turbin Angin, Daya

## Abstract
Indonesia is a country that has a  large potential for renewable energy sources,  one  of which  is wind energy with a potential of up to 100 MW. However, the utilization of wind energy sources in Indonesia is  still  not  maximized,  which  is  only  about  1.6%  or  about  1.6  MW.  Wind  turbine  design  and measurement  of  average  wind  speed  are  important  in  harnessing  wind  energy  potential.  Therefore, knowledge  about  the  design  and  simulation  of  several  parameters  that  affect  the  utilization  of  wind energy  is needed,  such  as the type of airfoil, wind speed, wind turbine pitch  angle, and  wind turbine design parameters. In this  study, the design  and simulation of wind turbines will be carried out using Qblade  software  with  several  different  types  of  airfoils,  to  determine  which  type  of  airfoil  with  its geometric  shape  is  the  most  efficient in  generating  power  in  the  wind  turbine.  The  simulation  results will be presented in the form of the power value generated in each design with each airfoil used and its accuracy proven through theoretical power calculations.
Keywords : Airfoil, Qblade, Wind Turbine, Power

## 1. PENDAHULUAN
Indonesia  adalah  negara  yang  terdiri  dari banyak pulau dengan lebih dari 17.000 pulau dan hanya  sekitar  5.700  pulau  di  antaranya  yang berpenghuni  [9].  Permasalahan  suplai  energi listrik dan sumber energi merupakan permasalahan  utama  di  pulau-pulau  kecil  di Indonesia.    Konsumsi  energi  paling  besar  di Indonesia  masih  didominasi  oleh  penggunaan energi  fosil.  Permintaan  energi  fosil  yang semakin  meningkat,  berbanding  terbalik  dengan ketersediannya, akan menyebabkan berkurangnya sumber energi dan akan berdampak  pada  kelangsungan  pasokan  listrik masyarakat.
Energi  angin  merupakan  energi  terbarukan  yang ketersediaannya  tidak  terbatas  dan  ramah lingkungan,  serta  energi  angin  memiliki  potensi untuk  dimanfaatkan  sebagai  sumber  energi  di Indonesia,  mengingat  Indonesia  memiliki  nilai kecapatan  angin  tiap  daerah  yang  dinilai  efektif untuk  dimanfaatkan,  dan  potensi  energi  angin yang  mencapai  100  MW  [9].  Contoh  bentuk pemanfaatan  sumber  energi  angin  adalah  dalam bentuk  turbin  angin  dalam  bentuk    pembangkit listrik tenaga angin [11].
Di  Indonesia  sendiri,  pemanfaatan  energi  angin dalam  bentuk  pembangkit  listrik  tenaga  angin masih  sangat  rendah,      hanya      sebesar  1.6% dari potensi totalnya [9]. Salah satu isu terpenting
dalam  pengembangan  energi  angin  adalah pengukurannya.  Metode  Pengukuran  yang  tepat harus  dilakukan  untuk  mendapatkan  data  energi angin yang valid, khususnya kecepatan angin. Selain  pengukuran  kapasitas  energi  angin, desain  dan  metode  pembuatan  turbin  angin sesuai karakteristik energi angin harus diperhatikan  untuk  pemanfaatan  pembangkit listrik  tenaga  angin  yang  efektif.  Jadi,  metode pembuatan  dan  desain  turbin  angin  serta simulasinya  sangat  diperlukan  untuk  studi penerepan energi angin di Indonesia.
Pembuatan  turbin  angin  didasarkan  pada  desain airfoil. Desain airfoil  yang  biasa  digunakan untuk penerapan  aplikasi  turbin  angin  dan  sayap pesawat  terbang  adalah  berdasarkan  NACA (National  Advisory  Committee  for  Aeronautics) yang merupakan lembaga di bawah NASA untuk meneliti  karakteristik  airfoil.  Salah  satu  isu terpenting  dalam  pengembangan  energi  angin adalah  pengukurannya.  Metode  Pengukuran yang  tepat  harus  dilakukan  untuk  mendapatkan data  energi  angin  yang  valid,  khususnya kecepatan angin [10].
Gambar 1. Sayap Pesawat Boeing 737
Sumber  :  Chapter  5,  Airfoils,  Wings,  and  Other  Aerodynamic Shapes – a mini course on aerodynamics
Selain pengguanaannya untuk sayap pesawat,  pengaplikasian  NACA airfoil juga digunakan  untuk  desain  dari  turbin  angin, karena  konsep  NACA airfoil yang  umumnya memanfaatkan  angin  sebagai  pemberi  gaya angkat  pada  turbin  angin  dan  memungkinkan turbin  angin  untuk  berputar,  karena  pengaruh gaya  angkat  yang  terjadi  pada  sudu  turbin angin,  yaitu lift  force dan drag  force . Penggunaan  turbin  angin  diaplikasikan  dalam ruang lingkup pertanian dan energi, kuhususnya di bidang pembangkit listik [10].
Gambar 2. Turbin Angin Tipe Airfoil NACA 4415
Sumber  :  Applied  Mechanics  and  Materials  Vol.  391  (2013)  pp  41- 45
Dalam  penelitian  ini,  akan  dilakukan simulasi  turbin  angin  untuk  mengetahui  daya output  paling  efektif  yang  akan  dibangkitkan dari desain turbin angin dengan beberapa jenis airfoil,  yaitu  :  NACA  2414,  NACA  2415,  dan NACA  6409  dengan  pengujian  menggunakan software  desain  turbin  angin  Qblade.  Simulasi yang akan dilakukan nanti adalah berdasarkan karakteristik tipe airfoil dan variabel pembangkitan daya turbin angin.
Gambar 3 . Geometri Airfoil Tipe NACA 2414, NACA 2415, dan NACA 6409
Sumber : Qblade Software for Wind Turbine Simulation
Parameter  desain  turbin  angin  dari  tiga airfoil yang  nilainya  akan  dibuat  sama  adalah panjang airfoil dan  luas  area  total  blade  pada turbin  angin [12].  Variabel input  dalam  simulasi antara lain adalah database airfoil NACA 4 digit yang  dipilih  dalam  pengujian,  data  range kecepatan  angin  yang  diuji  serta  pitch  angle yang  nantinya  akan  diset  di  perangkat  desain dan  simulasi  turbin  angin  Setelah  simulasi dilakukan,  maka  daya  output  dari  masing – masing  desain  turbin  angin  dengan  tipe airfoil yang dipilih dalam percobaan dapat dibandingkan,  dan  nilai  daya  output  paling besar  akan  terbaca  dengan  menggunakan perangkat simulasi dan desain turbin angin.

## 2. Tujuan
Tujuan  umum  dari  penelitian  ini  adalah untuk mengetahui nilai  daya hasil simulasi  turbin angin  dengan  beberapa  jenis  airfoil,  serta menganalisa  airfoil  yang  paling  efektif  dalam menghasilkan  daya  output  dari  desain  turbin angin  menggunakan software Qblade..

## 3. Metodologi Penelitian
Metodelogi  penelitian  dalam  simulasi  ini secara gariss bear dapat dilihat pada diagram alir ( flow chart ) Gambar 4 sebagai berikut :
Mulai
Medapatkan nilai daya rata – rata hasil sim ulasi dan teori Kesimpulan dan Saran Selesai Identifikasi Masalah  Cara mendesain
Turbin Angin
 Jenis Airfoil yang
paling efisien Studi Kasus Potensi Energi Angin di Indonesia Pengumpulan Data
1. Data geometri airfoil 2. Data desain turbin angin 3. Data variabel simulasi TIDAK YA Simulasi dan analisa Daya pada Turbin Angin
Gambar 4. Flow Chart Penelitian
Dalam  penelitian  ini,  studi  kasus  potensi energi  angin  di  Indonesia  didasarkan  pada  data pengukuran  kecepatan  angin  yang  dilakukan oleh LAPAN (Lembaga Antariksa dan Penerbangan)  khususnya  pada  kecepatan  angin skala  menengah  sampai  dengan  kecepatan angin skala besar.
Tabel 1. Tabel Pemilihan kecepatan angin dalam penelitian Kelas Kecepatan Angin (m/s) Skala Menengah 4 - 5 Skala Besar > 5
Data  geometri  airfoil  merupakan  data  koordinat yang  menentukan  bentuk  dari  airfoil  itu  sendiri. Pengambilan  data  geometri  airfoil  diunduh secara  langsung  di  situs  resmi  airfoiltools.com dengan  langsung  mengunduh data  file  yang nantinya akan menjadi input dalam software.
Gambar 5. Situs
Airfoiltools.com untuk mengunduh Data Airfoil
Dalam  Penelitian  ini  desain  turbin  angin yang  akan  dibuat  adalah  berdasarkan  tiga  jenis airfoil , yaitu :
Tabel 2 . Tabel Pemilihan airfoil dalam penelitian

## AIRFOIL
NACA 2414 NACA 2415 NACA 6409 Desain turbin angin dalam simulasi ditentukan  dengan  nilai  desain  yang  sama, dengan    spesifikasi sebagai berikut :
Tabel 3.Spesifikasi Turbin Angin Parameter Desain Tipe Turbin Poros Horizontal Jumlah sudu 3 R turbin 100 cm Jumlah segmen 10 Tabel 4. Tabel Jumlah segmen turbin angin Segmen chord (m) 1 0.02 2 0.02 3 0.13 4 0.12 5 0.11 6 0.1 7 0.09 8 0.08 9 0.07 10 0.06
Penentuan  variabel  bebas  dan  terikat yang  akan digunakan  dalam  simulasi  dan  variabel  tersebut akan  menjadi  acuan  dari  pengujian  masing – masing turbin angin dengan beberapa airfoil yang di  uji.  Adapun  penentuan  variabel  bebas  dan terikat dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
Tabel 5. Tabel variabel bebas dan variabel terikat dalam penelitian
5 7 9 11 13 15
-12˚ 75,30 114,83 110,05 62,53 31,07 23,84 -10˚ 77,47 105,89 86,10 37,25 22,07 19,01 -8˚ 76,06 92,52 57,21 23,50 16,38 15,36 -6˚ 71,52 75,52 31,98 15,79 12,37 12,35 -4˚ 63,82 55,45 18,62 10,87 9,25 9,69 -2˚ 53,11 32,18 11,43 7,36 6,63 7,20 69,55 79,40 52,57 26,22 16,30 14,57
5 7 9 11 13
15 -12˚ 77,47 130,53 149,73 155,04 162,87 187,52 -10˚ 80,41 122,79 129,68 130,20 139,23 166,92 -8˚ 80,23 110,57 108,23 105,53 118,49 146,54 -6˚ 76,86 94,15 85,53 83,39 99,04 125,51 -4˚ 69,78 74,52 62,56 63,85 79,70 103,39 -2˚ 59,66 53,81 41,33 45,50 59,79 79,93 74,07 97,73 96,18 97,25 109,85 134,97
5 7 9 11 13
15 -12˚ 96,75 171,53 219,39 254,46 303,07 373,89 -10˚ 97,77 164,61 201,45 233,27 284,74 356,28
-8˚ 95,93 154,41 181,69 213,87 267,26 338,07
-6˚ 90,34 140,91 161,41 195,94 249,86 318,71 -4˚ 83,19 124,64 142,35 178,82 231,94 297,82
-2˚ 74,67 106,49 124,68 161,85 213,07 275,15 89,77 143,77 171,83 206,37 258,32 326,65 Daya rata - rata keseluruhan (Watt)
Kecepatan Angin (m/s) P it c h A n g le D a y a r a ta - r a ta (W a tt) NACA 2414 Daya rata - rata keseluruhan (Watt) NACA 2415 Kecepatan Angin (m/s) P it c h A n g le D a y a r a ta - r a ta (W a tt) Daya rata - rata keseluruhan (Watt)
NACA 6409 Kecepatan Angin (m/s)
P it c h A n g le D a y a r a ta - r a ta (W a tt)
Variabel bebas Variabel Terukur Tip Speed Ratio 3 – 8 Daya Turbin secara  simulasi dan  perhitungan secara teori Kecepatan angin 5 – 15 m/s (∆V = 2) Sudut serang - 12˚ to -2˚ (∆ Pitch Angle = 2) Putaran turbin 110 – 250 (∆N = 10)

## 4. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Berdasarkan hasil simulasi,  daya rata – rata dari masing –  masing  parameter pitch  angle dan putaran turbin, daya turbin dikalkulasikan kembali dalam bentuk daya rata – rata keseluruhan yang dibangkitkan  dari  rata-rata  pitch  angle  dari parameter  input,  sehingga  diperoleh  data  daya rata – rata keseluruhan sebagai berikut :
Tabel  6 . Tabel  daya  rata-rata  turbin  angin airfoil NACA 2414, NACA 2415, dan NACA 6409
Data  daya  rata –  rata  dari  masing  –  masing simulasi  turbin  angin  telah  didapatkan,  maka grafik  perbandingan  daya  rata –  rata  yang  telah didapatkan diperoleh sebagai berikut :
Tabel  6 . Tabel  daya  rata-rata  turbin  angin airfoil NACA  2414,  NACA  2415,  dan  NACA  6409 secara simulasi:
NACA AIRFOIL NACA 2414 NACA 2415 NACA 6409
KECE PATAN ANG IN (m /s ) 5 69,55 74,07 89,77 Day a ra ta - ra ta (W a tt ) 7 79,4 97,73 143,77 9 52,57 96,18 171,83 11 26,22 97,25 206,37 13 16,3 109,85 258,32 15 14,57 134,97 326,65
Setelah  hasil  secara  simulasi  didapatkan, maka  dilakukan  perhitungan  secara  teori  untuk mengetahui  keakuratan  hasil  simulasi  serta membandingkan  nilai  daya  yang  didapatkan. Dalam  perthitungan,  Penentuan  Cp  (Coefficient of  Power)  didapat  dari  analisa  menggunakan software Qblade sesuai parameter simulasi yang ditentukan  sehingga  didapatkan  data  sebagai berikut :
Tabel 7 : Tabel Cp NACA 2414
NACA 2414 Simulation TSR Cp 3,00 0,02 3,50 0,06 4,00 0,19 4,50 0,35 5,00 0,36 5,50 0,37 6,00 0,35 6,50 0,33 7,00 0,29 7,50 0,24 8,00 0,19 Cp AVG 0,25
Perhitungan  daya  secara  teori  dari  turbin  angin NACA  2414  dengan  sampel  kecepatan  angin  5 m/s adalah sebagai berikut :
V = 5 m/s A=πr 2 = 3.14 x 12 = 3.14 m
Cp rata-rata NACA 2414  = 0.25 (Penentuan dari software Qblade) ηg (efisiensi generator) = 0.5 ηb (efisiensi gearbox) = 0.9 ρ udara = 1.2933 kg/m3
Daya yang dibangkitkan : PT = Cp.ηg.ηb.(1/2 AρV 3 ) PT = 0.25 x  0.5 x  0.9 x (1/2  x 3.14 x  0.12933 x 5 3 ) PT = 28.55 Watt
Perhitungan  daya  dilakukan  pada  setiap nilai  kecepatan  angin  yang  ditentukan  dalam simulasi,  sehingga  didapatkan  data  perhitungan daya sebagai berikut :
Tabel  8 . Tabel  daya  rata-rata  turbin  angin airfoil NACA  2414,  NACA  2415,  dan  NACA  6409 secara teori:
NACA AIRFOIL NACA 2414 NACA 2415 NACA 6409
KECE PATAN ANG IN (m /s ) 5 28,55 30,84 31,98 Day a ra ta - ra ta (W a tt ) 7 78,83 84,62 87,75 9 166,52 179,85 186,51 11 304,04 328,36 340,52 13 501,86 542,01 562,08 15 770,95 832,62 863,46
Data  daya  secara  simulasi  dan  teori  telah didapatkan.  Untuk  mengetahui  besar  perubahan daya  secara  jelas,  maka  data  daya  pada  table, dipaparkan dalam bentuk grafik sebagai berikut :
Gambar  6. Grafik  daya  rata-rata  turbin  angin tiap airfoil secara simulasi
Gambar  7. Grafik  daya  rata-rata  turbin  angin tiap airfoil secara  teori.
Berdasarkan  hasil  simulasi  dan  perhitungan secara  teori  yang  dipaparkan  dalam  bentuk table  dan  grafik,  terlihat  bahwa  airfoil  NACA 6409  membangkitkan  daya  dengan  rasio  nilai
daya  yang    meningkat  dan  lebihh  besar  dari NACA 2414 dan  NACA 2415.

## 1.  Kesimpulan
Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  dalam bentuk  desain  dan  simulasi  dari  turbin  angin menggunakan  software  Qblade,  didapatkan kesimpulan sebagai berikut :
1.  Berdasarkan simulasi dari variasi parameter  input  dalam  simulasi  seperti pitch  angle ,  putaran  turbin  angin,  dan kecepatan  angin,  daya  rata –  rata  yang dibangkitkan dari percobaan cukup bervariasi.  Daya  rata-rata  berkisar  dari 14.57  Watt  sampai  79.40  untuk  NACA 2414,  74.07  Watt  sampai 134.97  Watt,  dan 89.77  Watt  sampai  326.65  Watt  untuk NACA 6409 . Variasi daya yang didapatkan adalah  berdasarkan  parameter  input  dalam simulasi  dan  bentuk  geometri airfoil dari turbin angin dalam percobaan.
2.  Jenis airfoil yang  paling  efektif  dalam membangkitkan  daya  pada  turbin  angin berdasarkan  simulasi  adalah  jenis airfoil NACA  6409  dengan  kisaran  daya  89.77 Watt  sampai  326.65  Watt.  Hal  tersebut terbukti  dari  tabel  dan  grafik  daya  rata – rata hasil simulasi di mana nilai daya rata – rata  turbin  angin  dengan  jenis airfoil NACA 6409 cenderung memiliki nilai yang meningkat  secara  eksponensial  seiring dengan meningkatnya kecepatan angin.

## Daftar Pustaka
[1] Adhi Prasetyo, Didik Notosudjono, Hasto Soebagja, (2019), STUDI POTENSI PENERAPAN DAN PENGEMBANGAN PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA ANGIN DI INDONESIA, Bogor : Universitas Pakuan [2] American Society for Engineering Education,  (2011), Coherent  Aplication Threads : Wind Turbine , Boston University, Mechanical Engineering Department [3] Bili Darnanto Susilo, (2017), “Perancangan Bilah tipe taperless untuk horizontal  axis  wind  turbine”,  Jember, Universitas Jember [4] D. Marten, J. Wendler, G. Pechlivanoglou,  C.N.  Nayeri  ,  C.O. Paschereit,  (2013),  “ QBLADE: AN OPEN  SOURCE  TOOL  FOR  DESIGN AND  SIMULATION  OF  HORIZONTAL AND VERTICAL AXIS WIND TURBINES ”, Berlin Germany, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering
[5] Fajrur Rahman Hakim, Indra Herlambang Siregar, (2014), Karakteristik  Turbin  Angin  Vertical  Axis dengan  Lima  Blade  Profil  NACA  0018,
Surabaya : Universitas Negeri Surabaya
[6] Ferit YILDIZ, Anil Can TURKMEN, Cenk CELIK, Halil Ibrahim SARAC, July 2015,
Pitch  Angle  Analysis  of  NACA  2415
Airfoil ,  London  :  Proceedings  of  the World  Congress  on  Engineering  2015 Vol II
[7] Illa  Rizianiza,  Devi  Setiorini,  Alfian
Djafar,  Perancangan  Prototipe  Turbin Angin  Sumbu  Horizontal  Tiga  Sudu Studi Kasus Institut Teknologi Kalimantan, Kalimantan : Institut Teknologi Kalimantan
[8] Joel  Bretheim  and  Erik  Bardy,  March 2012,  A  Review  of  Power-Generating Turbomachines,  Proceedings  of  the 2012  ASEE  North  Central  Section Conference
[9] Kementerian  ESDM  RI,  21  September (2018)
[10]  M.  Ragheb ,  (2014),  “Optimal  Rotor  Tip Speed Ratio”
[11]  Maidi Saputra, Herri Darsan, Al
Munawir, 2 Oktober (2019), KECEPATAN ANGIN: MENGGUNAKAN MAWAR ANGIN SEBAGAI PREDIKTOR ; Universitas Teuku Umar - Meulaboh : Jurnal Mekanova
[12]  MD. Safayet Hossain, Muhammad Ferdous  Raiyan,  Mohammed  Nasir
Uddin  Akanda,  Nahed    Hassan  Jony, 2014,  A  Comparative  Flow  Analysis  of
NACA  6409  and  NACA  4412  Aerofoil, International  Journal  of  Research  in Engineering and Technology [13]  Mohamed  Hatim  Ouahabi,  Mohamed Marouan Inchenial, Farid Benabdelouahad,  (2017),  Aerodynamic analysis  of  two  dimensional  models  of turbulence  for  two  different  airfoils  to determine  their  efficiency  for  wind turbine  blade,  Morocco  :  International Workshop on Complex Turbulent Flows [14]  Mr.  Shubham  Raut  ,  Mr.  Shubham
Shrivas , Mr. Rohan Sanas , Mr. Navjyot
Sinnarkar  ,  Prof.  M.  K.Chaudhary,
(2017),  Simulation  of  Micro  Wind Turbine  Blade  in  QBlade,  India  :
Savitribai Phule Pune University
[15]  Neethi  Madhavan  C  S,  2019,  Design and  Analysis  of  NACA  2414  Aerofoil, India  :  International  Journal  of  Scientific Research and Review
[16]  Panggih  Raharjo ,  (2010),  “Terminologi airfoil”
[17]  Raghel Yunginger,  Nawir.  N.Sune,
(2015),  ANALISIS  ENERGI  ANGIN SEBAGAI ENERGI ALTERNATIF
PEMBANGKIT  LISTRIK  DI  KOTA  DI GORONTALO,  Gorontalo  :  Universtias Negeri Gorontalo
[18]  Rahmad  Samosir,  Kimar  Turnip,  Melya
Dianasari Sebayang, (2017), OPTIMASI DAYA OUTPUT KINCIR ANGIN POROS HORIZONTAL DENGAN MENGGUNAKAN TEROWONGAN KERUCUT, Jakarta : GLOBAL JOURNAL OF ADVANCED ENGINEERING  TECHNOLOGIES  AND SCIENCES 4 [19]  Soeripno  Martosaputroa  ,  Nila  Murtia,
(2014),  Blowing  the  Wind  Energy  in Indonesia, Tangerang : Scientific
Committee  of  Indonesia  EBTKE  Conex 2013