## PENGARUH BUSUR SUDU TURBIN ANGIN SAVONIUS TIPE-U MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK

## Delffika Canra
Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Indramayu Email: delffika.canra@polindra.ac.id
Suliono Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Indramayu Email: Suliono@polindra.ac.id

## ABSTRAK
Seringnya pemadaman listrik oleh PLN di beberapa daerah di Indonesia tak terkecuali di Indramayu, serta naiknya tarif listrik sejak awal tahun 2017 membawa dampak negatif pada rakyat indonesia yang sangat konsumtif dan tergantung pada energi listrik. Sumber energi angin didaerah pesisir Indonesia umumnya merupakan salah satu potensi sumber energi terbarukan (renewable energy resources ) yang berlimpah, ramah lingkungan dan bersifat renewable . Turbin angin savonius dapat menghasilkan torsi yang relatif tinggi meskipun pada kecepatan angin rendah. Untuk mendapatkan daya listrik yang besar diperlukan konstruksi turbin yang besar juga dimana memerlukan biaya yang besar juga tentunya. Untuk itu perlu dikembagkan dimensi dari konstruksi turbin angin ini. Aspek yang sudah diteliti adalah penampang sudu, serta nilai lainnya. Sedangkan kedalaman lengkungan atau panjang busur sudu pada tipe U  masih berpeluang diteliti. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian pada busur sudu tipe U untuk mendapatkan daya yang lebih besar dari sebelumnya. Metode numerikal dilakukan untuk mengetahui berapa besar pengaruh modifikasi geometri sudu terhadap daya turbin yang terserap. Turbin didesain dengan  jumlah sudu 2 buah sesuai dengan penelititan sebelumnya. Parameter yang divariasikan hanya pada geometri panjang busur dan lebar penampang sudu, parameter lainnya mengikuti penelitian sebelumnya. Dari hasil simulasi radius dan lebar penampang membuktikan ada pengaruh geometri dalam peningkatan daya turbin berturut-turut sebesar 7,78 % dan 19,76 %. Variasi sudu yang menghasilkan daya terbesar terdapat pada variasi sudu R 75 dan LP 130 pada kecepatan angin 4,8 m/s.
Kata kunci: turbin angin savonius tipe-u; panjang busur; lebar penampang; daya angin.

## ABSTRACT
The frequent outages of electricity by PLN in several regions in Indonesia are no exception in Indramayu, and rising electricity tariffs since the beginning of 2017 have a negative impact on Indonesian people who are very consumptive and dependent on electricity. Wind energy sources in coastal areas of Indonesia are generally one of the potential renewable energy sources (renewable energy resources) that are abundant, environmentally friendly and renewable. Savonius wind turbines can produce relatively high torque even at low wind speeds. To get a large amount of electrical power, a large turbine construction is also needed which also requires a large amount of money, of course. For this reason the dimensions of this wind turbine construction need to be developed. The aspects that have been investigated are blade cross sections, as well as other values. Whereas the arch depth or blade length of type U is still likely  to be studied. Therefore it is necessary to do research on type U blade arcs to get more power than before. The numerical method is carried out to determine how much influence the modification of blade geometry has on the absorbed turbine power. The turbine is designed with a number of 2 pieces of blades according to previous research. Parameters varied only on the geometry of the arc length and the width of the blade, other parameters following the previous study. From the results of simulation of radius and cross section width prove there is a geometrical effect in increasing turbine power in a row of 7.78% and 19.76%. The variation of blades that produce the greatest power is in the variations of R 75 and LP 130 blades at wind speeds of 4.8 m / s.
Keywords: u-type savonius wind turbine; bow length; cross section; wind power.

## 1.   PENDAHULUAN
Seringnya pemadaman listrik oleh PLN di beberapa daerah di Indonesia tak terkecuali di Indramayu, serta  naiknya  tarif  listrik  sejak  awal  tahun  2017  membawa  dampak  negatif  pada  rakyat  indonesia  yang sangat konsumtif dan tergantung pada energi listrik. Hal ini menginspirasi untuk mencari sumber energi alternatif yang dapat menghasilkan energi listrik, salah satunya adalah energi angin.
Sumber  energi  angin  didaerah  pesisir  Indonesia  umumnya  merupakan  salah  satu  potensi  sumber energi terbarukan ( renewable energy resources) yang berlimpah, ramah lingkungan dan bersifat renewable. Kecepatan angin di Indonesia secara umum rata-rata 3 - 7 m/s yang tergolong kecepatan angin rendah[3]. Untuk memanfaatakan potensi angin ini, turbin yang terbaik digunakan adalah turbin angin savonius karena dapat berputar pada kecepatan angin rendah[1][3]. Kelebihan turbin angin savonius dapat  menghasilkan torsi yang relatif tinggi meskipun pada kecepatan angin rendah. Karena itu sangat baik sekali dikembangkan untuk menghasilkan energi listrik. Banyak sekali penelitian yang sudah dilakukan untuk mengembangkan konstruksi  turbin  angin  ini  dan  terus  dikembangkan  untuk  menghasilkan  daya  listrik  yang  optimal. Pengembangan konstruksi yang sudah dilakukan adalah memvariasikan bentuk sudu, jumlah  sudu, sudut sudu, tingkat sudu ( multi stage ), penahan ( shield ) dan pengarah ( deflector ), sehingga banyak sekali jenis sudu yang ada pada turbin ini mulai dari tipe U ( bucket ) yang merupakan tipe sudu awal ditemukan atau konvensional, tipe L, sudu miring ( twisted-blade ), sudu bertingkat dan lainnya.
Untuk  mendapatkan  daya  listrik  yang  besar  diperlukan  konstruksi  turbin  yang  besar  juga  dimana memerlukan biaya yang besar juga tentunya. Untuk itu perlu dikembagkan geometri dari konstruksi turbin angin  ini.  Aspek  yang  sudah  diteliti  adalah  penampang  sudu,  serta  nilai  parameter  lainnya.  Sedangkan kedalaman lengkungan atau panjang busur sudu pada tipe U masih berpeluang diteliti. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian pada busur sudu tipe U untuk mendapatkan daya yang lebih besar dari sebelumnya. Dengan memvariasikan geometri busur sudu, diharapkan akan meningkatkan daya angin yang terserap oleh turbin.  Daya  angin  yang  dapat  diserap  oleh  rotor  turbin  angin  sangat  mempengaruhi  daya  listrik  yang dihasilkan oleh generator nantinya.

## Gambar 1. Skema Nilai Parameter Geomatrikal Sudu  Turbin Savonius [5]
Penelitan yang dilakukan oleh Mohamed Hasan A. M dalam desertasinya pada tahun 2011 dengan judul "Design Optimazation of Savonius and Wells Turbines" , mengungkapkan bahwa ada beberapa metoda untuk meningkatkan performa dari turbin angin savonius tipe U ( conventional savonius rotors ). Pertama adalah menempatkan deflecting plate didepan sudu turbin. Hal ini meningkatkan Cp ( Coefficient of Power ) sebesar 20 %. Metoda kedua yakni multi steps atau sudu bertingkat. Sudu ini dapat bergerak awal dengan baik ( good self-starting ) akan tetapi  mengalami penurunan  Cp sebesar 30 %. Ketiga  yakni Guide vanes dimana Cp yang dihasilkan 3 sudu lebih kecil dibandingkan 2 sudu. Metoda ini meningkatkan torsi  pada TSR  ( Tip  Ratio  Speed )  0  hingga  0,3  akan  tetapi  menurunkan  torsi  apabila  TSR  melebihi  dari  0,3.  Oleh karena itu sudu ini tergantung sekali dengan kecepatan angin. Metoda yang keempat adalah twisted-blade (sudu miring), Cp yang dihasilkan meningkat 27%, sedangkan kelemahan dari sudu ini adalah butuh biaya mahal  dalam  pembuatan  sudu.  Kelima,  sudu  turbin  menggunakan guide-box  tunnel sebagai  penahan ( deflector) angin  untuk  mencegah  sudu  berbalik  ( returning  blade). Cp  meningkat  50%  pada  3  sudu, kelemahannya hanya pada konstruksi yang kompleks. Yang keenam adalah memodifikasi sudu dengan cara memberikan nilai parameter geometrikal yakni nilai overlap dan sudut antara sudu (lihat Gbr.1). Hal ini meningkatkan  Cp  sebesar  60%,  dan  menghasilkan  vibrasi  yang  besar.  Metode  yang  keenam  selalu digunakan  dalam  mendesain  sudu  turbin  karena  sudah  terbukti  meningkatkan  Cp  lebih  signifikan  dari desain sudu konvensional.
(a)                                                                      (b) Gambar 2. Skema Turbin Angin Menggunakan (a) Guide-Box Tunnel [5]
(b) Circular Shield [2]
M. Haydarul H. dkk pada tahun 2013 dengan judul penelitian "Rancang Bangun Turbin Angin Vertikal Jenis  Savonius  dengan  Variasi  Jumlah  Blade  Terintegrasi  Circular  Shield  untuk  Memperoleh  Daya Maksimum", mendapatkan  nilai  Cp  yang  signifikan  yakni  rata-rata  80%  dibandingkan  dengan  sudu savonius tipe U konvensional. Peneliti ini menggunakan metode yang kelima yakni menggunakan guide- box  tunnel (kotak  laluan  angin),  hanya  saja  dimodifikasi  berbentuk  silinder  ( Circular  Shield ).  Nilai parameter geometrikal yang dipakai adalah nilai overlap sebesar 20% dari diameter endplate. Kemudian aspek  rasio  sudu  adalah  1  :  4.  Pada penelitian  ini  juga  membuktikan  bahwa  peforma  sudu  yang  terbaik adalah Pada Saat Jumlah Sudu Sebanyak 2 Dibandingkan Dengan Jumlah Sudu Yang Lebih Dari 2. Hal Ini Diasumsikan Oleh Peneliti Dikarenakan Beban Material Mempengaruhi Putaran Sudu.
Metode Numerical Dilakukan Untuk Mengetahui Berapa Besar Pengaruh Modifikasi Geometri Sudu Terhadap Daya turbin yang terserap. Simulasi aliran udara menggunakan perangkat lunak solid work bisa memperlihatkan perbedaan kecepatan angin sebelum dan sesudah  melewati turbin. Perbedaan kecepatan angin sangat mempengaruhi daya angin dan daya turbin. Selama ini penelitian tentang geometri busur sudu belum dilakukan. Aspek yang sudah ditetiliti yakni penampang sudu yang akan dilewati angin, dengan ratio 1:4 dan aspek lainya seperti banyaknya jumlah sudu, dan lainnya. Manfaat dari penelitian ini adalah selain untuk  meningkatkan  daya  listrik  juga  untuk  mengurangi  material  pembuatan  turbin,  dan  tentu  saja  bisa mengurangi  biaya  produksi.  Selain  itu  dapat  menjadi  sarana  informasi  dalam  merancang  turbin  angin savonius tipe-U.

## 2.   METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  menggunakan  metode  numerical  atau  simulasi  berbasis  perangkat  lunak  solid  work, yakni simulasi aliran angin pada sudu. Tahap awal adalah mendesain turbin dengan variasi geometri sudu. Variasi  pertama  adalah  memvariasikan  radius(R)  sudu  mulai  dari  R60-R80  dengan  resolusi  5  mm, sedangkan  lebar  penampang  sudu  konstan  yakni  100  mm.  Variasi  kedua  adalah  memvariasikan  lebar penampang(LP) sudu mulai dari LP80-LP130 dengan resolusi 10 mm, sedangkan panjang busur konstan yakni  157  mm  (lihat  gambar  4).  Sedangkan  desain  sudu  normal  atau  original  sesuai  dengan  penelitian sebelumnya  yakni  lebar  penampang  100  mm  dan  radius  50  mm  seperti  diperlihatkan  pada  gambar  3 dibawah ini. Nilai parameter lainnya konstan.
Circular Shield
Sudu turbin dibuat bervariasi sebagai sampel simulasi pada perangkat lunak seperti yang dapat dilihat pada gambar 4. Variasi yang dibuat adalah variasi Radius mulai dari radius 60 mm hingga 80 mm dengan resolusi 5 mm, dan setiap sampel diberi label dengan  huruf besar R (radius) diikuti dengan besar radius, contoh R60 yang artinya radius sudu 60 mm. Kemudian dibuat juga variasi Lebar penampang dengan label LP mulai dari ukuran 80 mm hingga 130 mm dengan resolusi 10 mm. Pada gambar 4 juga dapat dilihat banyaknya variasi bentuk lengkungan sudu yang diharapkan akan mempengaruhi daya angin pada turbin angin savonius tipe-u ini.
(a)                                                                 (b) Gambar 4. Desain Geometri Variasi Sudu (a) Radius (b) Lebar Penampang
Kecepatan udara pada simulasi ini divariasikan mulai dari 3,6  - 4,8 m/s dan menggunakan circular shield [2]  seperti  yang  dilakukan  pada  penelitian  sebelumnya.  Adapun  tahap  simulasi  adalah  setelah membuat desain varasi sudu, kemudian dibuatkan box tunnel untuk batas aliran udara yang akan dikenakan pada varaian sudu. Data yang diambil dari simulasi ini adalah data perbedaan kecepatan udara (angin) yang masuk  dan  keluar  dari  turbin.  Data  yang  didapatkan  akan  diolah  dan  dihitung  secara  teoritis  untuk mendapatkan daya turbin.

## Gambar 5. Skema Simulasi pada Perangkat Lunak Solidwork
Dengan  menggunakan teori momentum Betz  [5] dimana angin kecepatan v 1 melewati sebuah sudu turbin angin mengalami perubahan kecepatan v 2 , sehingga daya turbin yang bekerja dapat diformulasikan :
BOX TUNNEL TURBIN ANGIN
𝑃 = 1 4 𝜌𝐴 (𝑣 1 +   𝑣 2 ). (𝑣 1 2 − 𝑣 2 2 ) (1)
Koefisien daya atau Coefficient of power (Cp) menentukan performa dari turbin angin tersebut dimana energi angin menentukan besarnya energi kinetik angin yang melalui sudu turbin angin tersebut dan dapat diformulasikan :
𝑃 0 = 1 2 𝜌𝐴𝑣 1 3 (2)
Sehingga Koefisien daya turbin dapat diformulasikan :
𝐶𝑝 = 𝑃 𝑃0 = 1
4 𝜌𝐴 (𝑣1+ 𝑣2).(𝑣1 2−𝑣 2 2)
1 2 𝜌𝐴𝑣1 3
(3)

## Daftar Notasi
P  : Daya turbin (watt)  : Kerapatan udara (1,29 kg/m 3 ) A  : Luas area sapuan (m 2 ) v  : Kecepatan angin (m/s) P 0 : Daya angin (watt) Cp : Koefisien power

## 3.   HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1  Simulasi Variasi Radius
Dengan  memvariasikan  radius  sudu  turbin,  dapat  dilihat  dari  hasil  simulasi  bahwa  ada  perbedaan kecepatan angin masuk dengan kecepatan angin keluar. Perbedaan kecepatan angin akan mempengaruhi daya angin dan daya turbin (Gambar 6). Angin yang mengalir masuk kedalam turbin dan ditangkap oleh sudu  mengurangi  kecepatan  angin  sehingga  sudu  akan  terseret,  kemudian  angin  akan  keluar  dari  turbin dibagian  belakang  yang  sudah  mengalami  penurunan  kecepatan.  Dari  gambar  6  dapat  dilihat  bulir-bulir berwarna  menunjukkan  angin  yang  mengalir  mengalami  perubahan  warna  pada  saat  menumbuk  sudu (penurunan  kecepatan).  Data  yang  diambil  dari  simulasi  ini  adalah  kecepatan  angin  saat  angin  akan menumbuk sudu dan sesaat setelah melewati sudu.
Kecepatan  angin  yang  sudah  di- setting mengalami  penurunan  kecepataan  saat  hampir  menumbuk sudu, fenomena ini diperlihatkan adanya perubahan warna bulir-bulir angin pada gambar 6. Kemungkinan adanya turbulensi pada saat angin akan menumbuk sudu. Kemudian kecepatan angin terus akan menigkat kembali saat menjauh dari sudu (diperlihatkan pada gambar 6 yakni perbedaan warna bulir-bulir).
Gambar 6. Contoh Hasil Simulasi Kecepatan Angin Variasi Radius
Arah Angin Masuk (v 1 )
Arah Angin Keluar (v 2 )
Dengan desain sudu menggunakan ukuran overlap pada titik tengah sudu akan mengurangi pengaruh dari  turbulensi  yang  terjadi  pada  sudu,  sehingga  kecepatan  angin  tidak  akan  mengalami  penurunan kecepatan secara signifikan. Akan tetapi turbulensi terbesar terjadi pada titik tengah dari sudu tersebut, hal ini diperlihatkan pada gambar 6, adanya kecepatan angin yang menurun dan bertumpuk pada titik tengah sudu.
Dari hasil pengolahan data (tabel 1), radius R70 dan R75 menghasilkan daya turbin yang terbesar pada kecepatan  angin  4,8  m/s.  Akan  tetapi  koefisien power (Cp)  tidak  menunjukkan  perbedaan  yang  terlalu signifikan dengan variasi suda lainnya. Kecepatan angin dibawah 4,8 m/s masih menunjukkan perbedaan kecepatan angin  masuk dan keluar dari sudu belum berselisih  signifikan, sehingga dari pengolahan data tidak menunjukkan daya angin yang besar.

## Tabel 1. Hasil Pengolahan Data Simulasi Variasi Radius
No Radius v 1 [m/s] v 2 [m/s] P [watt] P 0 [watt] Cp 1 R60 3,6 2 0,647 1,204 0,54 4 2,6 0,787 1,651 0,48 4,4 3 0,989 2,198 0,45 4,8 3,3 1,270 2,853 0,44 2 R65 3,6 2,6 0,496 1,204 0,41 4 2,6 0,787 1,651 0,48 4,4 3,3 0,841 2,198 0,38 4,8 3,3 1,270 2,853 0,44 3 R70 3,6 2 0,647 1,204 0,54 4 2 0,929 1,651 0,56 4,4 2,3 1,216 2,198 0,55 4,8 2,3 1,626 2,853 0,57 4 R75 3,6 2,3 0,584 1,204 0,48 4 2,3 0,870 1,651 0,53 4,4 2,6 1,138 2,198 0,52 4,8 2,6 1,554 2,853 0,54 5 R80 3,6 2,6 0,496 1,204 0,41 4 2,6 0,787 1,651 0,48 4,4 3 0,989 2,198 0,45 4,8 3 1,413 2,853 0,50
Simulasi variasi sudu ini telah membuktikan bahwa geometri sudu mempengaruhi peningkatan daya turbin, sehingga akan mempengaruhi daya listrik yang akan didapatkan dari generator.

## 3.2   Simulasi Variasi Lebar Penampang
Simulasi  variasi  lebar  penampang  merupakan  variasi  lainnya  untuk  melihat  pengaruh  busur  sudu terhadap daya angin yang bisa diserap. Dari hasil simulasi menunjukkan ada perbedaan kecepatan angin antara yang masuk dengan keluar dari sudu.(Gambar 7).
Pada variasi lebar penampang ini, luas penampang dari sudu mengalami perubahan dari versi original, sehingga  akan  mempengaruhi  daya  dorongan  angin.  Pada  variasi  dibawah  LP100  (original)  mengalami penyusutan luas penampang untuk menangkap energi angin, sedangkan diatas LP100 mengalami perluasan penampang  untuk  penangkapan  energi  angin.  Seperti  gambar  7  menunjukkan  LP80  mengalami pemendekan lebar panmpak yang berdampak luas penampang menurun.

## Gambar 7. Contoh Hasil Simulasi Kecepatan Angin Variasi Lebar Penampang
Dari hasil pengolahan data (tabel 2), Lebar penampang LP120 dan 130 menghasilkan daya turbin yang terbesar  pada  kecepatan  angin  4,8  m/s.  Akan  tetapi  koefisien power (Cp)  menunjukkan  perbedaan  yang tidak  terlalu  signifikan  dengan  variasi  suda  lainnya.  Hampir  sama  dengan  variasi  radius,  perbedaan kecepatan angin masuk dan keluar tidak begitu signifikan pada kecepatan angin dibawah 4,8 m/s.
Fenomena  ini  membuktikan  daya  angin  yang  diserap  turbin  akan  baik  atau  akan  mengalami peningkatan  mulai  dari  kecepatan  angin  4,8  m/s  dan  seterusnya.  Untuk  itu  perlu  dilakukan  penelitian lanjutan untuk meningkatkan kecepatan angin diatas 4,8 m/s.

## Tabel 2. Hasil Pengolahan Data Simulasi Variasi Lebar Penampang
No Lebar Penampang v 1 [m/s] v 2 [m/s] P [watt] P 0 [watt] Cp 1 LP80 3,6 2,6 0,397 0,963 0,41 4 2,6 0,629 1,321 0,48 4,4 2,6 0,910 1,758 0,52 4,8 3,3 1,016 2,283 0,44 2 LP90 3,6 2,6 0,446 1,083 0,41 4 2,6 0,708 1,486 0,48 4,4 3 0,890 1,978 0,45 4,8 3,3 1,143 2,568 0,44 3 LP100 3,6 2 0,647 1,204 0,54 4 1,3 0,978 1,651 0,59 4,4 2 1,268 2,198 0,58 4,8 2 1,670 2,853 0,59 4 LP110 3,6 1,6 0,767 1,324 0,58 4 1,6 1,068 1,816 0,59 4,4 2 1,395 2,418 0,58 4,8 2 1,837 3,139 0,59 5 LP120 3,6 1,3 0,855 1,444 0,59 4 1,3 1,174 1,981 0,59 4,4 1,6 1,560 2,637 0,59 4,8 2 2,004 3,424 0,59 6 LP130 3,6 1,3 0,926 1,565 0,59 4 1,6 1,262 2,147 0,59 4,4 2 1,649 2,857 0,58 4,8 2,6 2,020 3,709 0,54
Dari simulasi ini telah membuktikan bahwa geometri sudu mempengaruhi peningkatan daya turbin, juga daya listrik yang kan dihasilkan generator.
Arah Angin Masuk (v 1 )
Arah Angin Keluar (v 2 )

## 4.   KESIMPULAN
Dari  hasil  simulasi  radius  dan  lebar  penampang  membuktikan  ada  pengaruh  geometri  dalam peningkatan daya turbin berturut-turut sebesar 7,78 % dan 19,76 %. Variasi sudu yang menghasilkan daya terbesar terdapat pada variasi sudu R 75 dan LP 130 pada kecepatan angin 4,8 m/s.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Sumiati. R. Pengujian Turbin Angin Savonius Tipe U sudu di Lokasi Pantai Air Tawar Padang. Jurnal Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang , Juni 2012; 1(1): 26-32.
[2] M.  Haydarul.  H,  Nugroho.  G,  Musyafa'.A.  Rancang  Bangun  Turbin  Angin  Vertikal  Jenis  Savonius dengan Variasi Jumlah Blade Terintegrasi Circular Shield untuk Memperoleh daya Maksimum. Jurnal Teknik POMITS . 2013; 7(7): 1-6.
[3] Rudianto  D.T,  Ahmadi  N. Rancang  Bangun  Turbin  Angin  Savonius  200  Watt .  Seminar  Nasional Teknologi Informasi dan Kedirgantaraan (SENATIK). Yogyakarta. 2016; 2: 71-75.
[4] Farid. A. Optimasi Daya Turbin Angin Savonius dengan Variasi Celah dan Perubahan Jumlah Sudu . Prosiding SNST ke-5 Fakultas Teknik Universitas Wahid Hasyim. Semarang. 2014; 5: 18-23.
[5] Mohamed Hasan A.M. Design Optimazation of Savonius and Wells Turbines. Disertasi. University of Magdeburg, Magdeburg; 2011.