## RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN DARRIEUS 3 SUDU SKALA LAB
Akbar Teguh Prakoso (1) , M. Alif Abiyyu (1) dan Dendy Adanta (1*)
(1) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya
(*) E-mail Corresponding Author : dendyadanta@gmail.com

## Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan membangun turbin angin Darrieus dengan tiga sudu skala  laboratorium.  Turbin  angin  Darrieus  dipilih  karena  desainnya  yang  efisien  dalam memanfaatkan  kecepatan  angin  untuk  menghasilkan  energi  mekanis.  Metodologi  penelitian melibatkan  beberapa  tahap,  mulai  dari  desain  sudu  turbin  yang  menggunakan  pipa  PVC  yang dipanaskan dan dibentuk menjadi plat datar, hingga perancangan frame turbin dari besi hollow dan plat  besi.  Desain  sudu  dan frame dioptimalkan  untuk  memastikan  putaran  turbin  yang  stabil  dan efisien.  Turbin  dilengkapi  dengan  dinamo  mesin  cuci  untuk  meningkatkan  stabilitas  putaran dibandingkan dengan menggunakan fillow block . Hasil penelitian menunjukkan bahwa desain turbin Darrieus dengan tiga sudu mampu menghasilkan putaran yang stabil dan efisien. Kecepatan putaran turbin dipengaruhi oleh kecepatan angin, luas sudu, dan panjang lengkungan pada sudu. Selain itu, tinggi antara frame dan sudu juga berpengaruh terhadap kestabilan putaran. Hasil perhitungan desain menunjukkan  bahwa  luas  sapuan  turbin  adalah  24617  m²  dengan  kecepatan  angin  3  m/s menghasilkan  kecepatan  ujung  rasio  sebesar  5  dan  kecepatan  putaran  turbin  mencapai  15  m/s. Kesimpulan dari penelitian ini adalah bahwa turbin angin Darrieus dengan tiga sudu dapat berfungsi dengan  baik  dalam  skala  laboratorium.  Desain  sudu  dan frame yang  tepat  sangat  penting  untuk mencapai putaran yang stabil dan efisien. Turbin ini memiliki potensi untuk dikembangkan lebih lanjut sebagai solusi energi terbarukan di Indonesia.
Kata Kunci: Turbin Angin Darrieus, Sudu Turbin, Perancangan

## Abstract
This research aims to design and build a Darrieus wind turbine with three blades on a laboratory scale. The Darrieus wind turbine was chosen because of its efficient design in utilizing wind speed to  produce  mechanical  energy.  The  research  methodology  involves  several  stages,  starting  from designing turbine blades that use PVC pipes that are heated and formed into flat plates, to designing turbine frames from hollow iron and iron plates. The blade and frame design is optimized to ensure stable and efficient turbine rotation. The turbine is equipped with a washing machine dynamo to increase rotational stability compared to using a fillow block. The research results show that the Darrieus turbine design with three blades is capable of producing stable and efficient rotation. The rotation speed of the turbine is influenced by wind speed, blade area, and blade curve length. Apart from  that,  the  height  between  the  frame  and  blades  also  affects  the  stability  of  the  rotation.  The design calculation results show that the turbine sweep area is 24617 m² with a wind speed of 3 m/s resulting in a tip speed ratio  of 5 and a turbine rotation speed of 15 m/s. The conclusion of this research is that the Darrieus wind turbine with three blades can function well on a laboratory scale. Proper blade and frame design is critical to achieving stable and efficient rotation. This turbine has the potential to be further developed as a renewable energy solution in Indonesia.
Keywords: Darrieus Wind Turbine, Turbine Blade, Planning

## 1 PENDAHULUAN
Berdasarkan  pusat  penelitian  dan  pengembangan teknologi ketenagalistrikan, energi baru, terbarukan, dan  konservasi  energi,  kebutuhan  energi  listrik nasional  terus  meningkat  hingga  sebesar  6,9%  per tahun, sebaliknya ketersediaan fosil sebagai sumber energi  primer  pembangkit  tenaga  listrik  terus menurun.  Untuk  memenuhi  kebutuhan  energi nasional, pemerintah Indonesia melakukan
percepatan pemanfaatan energi baru dan terbarukan [1].
Turbin  angin  Darrieus  adalah  turbin  angin  sumbu vertikal tipe angkat yang paling terkenal dan diminati. Turbin  jenis  ini  ditandai  dengan  baling-baling berbentuk  C  yang  membuatnya  tampak  seperti pengocok telur. Biasanya dibangun dengan dua atau tiga  bilah,  tetapi  tidak  dapat  mulai  sendiri.  Oleh karena  itu,  motor  kecil  digunakan  untuk  memulai putaran.  Turbin  jenis  ini menghasilkan  torsi  lebih
sedikit daripada turbin Savonius, tetapi berputar lebih cepat [2].
Turbin hybrid memiliki  rotor  Darrieus  di  bagian utama  perangkat,  dan  rotor  Savonius  digabungkan secara  permanen  ke  sumbu  yang  sama  sebagai perangkat starup .  Untuk  mendapatkan  karakteristik starup yang bagus dan terlepas dari arah angin, rotor Savonius  dibagi  menjadi  dua  (atas  dan  bawah), dengan  dua  bagian  yang  mempunyai  sudut  90° dipisahkan perlekatan [3].
Selama  evaluasi  dilakukan,  perhatian  harus  selalu diberikan  pada  besar  perbedaan  karakteristik keluaran  dalam  hal  panjang  sumbu  rotasi  yang dihasilkan  dari  konfigurasi.  Dengan  kata  lain,  saat menghitung aliran tenaga angin masuk, luas sapuan rotor Darrieus digunakan sebagai luas sapuan untuk tipe A, dan jumlah luas sapuan kedua rotor digunakan sebagai area sapuan untuk  tipe B. Rotasi maksimum radius  untuk  rotor  Darrieus  digunakan  untuk  rotasi radius  kedua  konfigurasi.  Titik  operasi  yang diinginkan  (titik  koefisien  daya  maksimum  dan kecepatan ujung rasio pada  saat itu) yang  diperoleh dari  hasil  komputasi  untuk  melakukan  kontrol kecepatan  variabel  terutama  dengan  kecepatan konstan ujung rasio [4].
Rotor Darrieus tipe lift memiliki self-starup kapasitas minimal, karena torsi yang dihasilkan pada kecepatan ujung  rasio  rendah  dan  tidak  signifikan,  meskipun dengan  menggunakannya  rotor  Savonius  tipe drag dengan torsi starup yang  tinggi,  katakteristik starup yang  baik  diperoleh  untuk  salah  satu  konfigurasi. Namun  dalam  tipe  A,  karena  rotor  Darrieus  dan Savonius berinterferensi satu sama lain karena aliran udara,  koefisien  daya  maksimum  lebih  rendah daripada turbin Darrieus. Rotor Savonius menerima angin  yang  dilemahkan  dalam  ruang  tertutup  rotasi rotor  Darrieus.  Kecepatan  angin  distribusi  rotor Darrieus  dihitung  berdasarkan  teori multiple streamtube [5]. Karena nilai rasio radius Darrieus dan rotor  Savonius  memiliki  dampak  signifikan  pada output karakteristik  turbin  gabungan,  hal  ini  harus diberikan  pertimbangan  serius  ketika  merancang turbin hybrid . Hasil yang dihitung dan diukur untuk perangkat  uji  terowongan  angin  untuk  hubungan antara  rasio  radius  rotor  dan  koefisien  daya maksimum  rasio  efisien  untuk  turbin hybrid dan turbin Darrieus saja [6].
Banyak  jenis  desain  turbin  angin  yang  tersedia  saat ini,  namun  sebagian  besar  desain  tersebut  sangat kompleks dan memerlukan teknologi canggih untuk proses  manufakturnya  [7].  Berbagai  material digunakan  untuk  membuat  turbin  angin,  terutama material  komposit,  yang  juga  memiliki  desain  yang rumit  dan  biaya  produksi  yang  tinggi  [8]–[11]. Penelitian  ini  mengusulkan  alternatif  yang  lebih ekonomis untuk desain turbin angin skala kecil yang bertujuan untuk sebagai energi alternatif bagi daerah terpencil. Material PVC dapat menjadi pilihan yang paling sesuai [12]–[14]. PVC dipilih sebagai material karena  ketersediaannya  yang melimpah,  biaya yang
relatif  rendah,  dan  berat  yang  ringan,  sehingga memungkinkan  pemanfaatan  tenaga  yang  lebih optimal.  Penelitian  ini  menyelidiki  kemungkinan membangun sebuah bilah turbin angin menggunakan material PVC.

## 2 METODOLOGI
Proses penelitian dilakukan sesuai tahap-tahap pada diagram  alir  penelitian  yang  ditunjukkan  pada Gambar 1.

## Gambar 1 Diagram Alir Penelitian

## Deskripsi Sudu Turbin
Pada  rancang  bangun  ini,  turbin  angin  yang digunakan  adalah  turbin  angin   Darrieus  dan  juga dalam  hal  ini  memanfaatkan  energi  kinetik  pada kecepatan  angin  untuk  diubah  menjadi  energi mekanis. Sudu turbin angin Darrieus yang digunakan adalah dari pipa PVC berukuran     1 inch dan panjang 69 cm. Pipa PVC terlebih dahulu dibelah menjadi 2 bagian kemudian dipanaskan dan ditekan menggunakan balok kayu agar menjadi plat datar.

## Persiapan Alat dan Bahan
Alat  dan  bahan  yang  digunakan  untuk  membuat rancang  bangun  turbin  angin  Darrieus  3  sudu ditunjukkan pada Tabel 1.

## Tabel 1. Alat dan Bahan
Alat Bahan Meteran Pipa PVC Obeng Plat Besi Tang Poros Ulir Kunci Baut 17 Besi Hollow Balok Kayu Dinamo Mesin Cuci Mur Baut Ring
Proses  Perancangan  Turbin  Angin  Darrieus  3 Sudu
Agar  putaran  turbin  konstan  dan  kinerjanya  baik, maka pada saat melakukan pemasangan sudu turbin harus tegak lurus dengan lengan turbin. Karena jika tidak, maka kinerja turbin dan putaran menjadi tidak konstan. Gambar 3 menunjukkan skema turbin angin Darrieus 3 sudu.

## Gambar 3 Skema Turbin Angin Darrieus 3 Sudu

## 3 HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil Perhitungan Desain Turbin
Diketahui  massa  jenis  angin  adalah  1,225  kg  m/s, gravitasi adalah 9,8 m/ s 2 , kecepatan angin 3 m/s, luas sapuan 24,617 m 2 .
𝐴 = 𝜋𝑟 2 (1)
= 3,14×28 cm 2
= 3,14×784 = 2461,76 cm 2
= 24,617 m 2
Di  mana  diketahui  data  yang  di  ukur  didapatkan: Lebar sudu = 5 cm
Jumlah sudu = 3
Jari-jari = 28 cm TSR ( Tip Speed Ratio ) = 5 U = V.TSR (2) = 3 m/s × 5
= 15 m/s
𝜔 = 𝑈 𝑟 (3) = 15 m/s
0,28 m = 53,57 m/s
F = m.a (4)
= 5 𝐾𝑔 . 3 𝑚 / 𝑠 = 15 𝑁
𝜃 = 120°
𝑟 1 = 𝑟 . 𝐹 . 𝑆𝑖𝑛 𝜃 (5)
= 0.28 m. 15 N. 120 0
= 0,28 m. 15 N.r = 1 2 √3 = 2,1 √3 Nm
𝑟 total = 𝑟 1 + 𝑟 2 + 𝑟 3 (6)
= 2,1 + 2,1 = 2,1
= 6,3√3 Nm
Di mana massa benda adalah 5 kg dan sudut masing- masing sudu adalah 120°.
𝑃𝑎 = 𝜌 . 𝑔 . 𝑉 3 . 𝐴 (7)
= 1,225 kg m/s. 9,8 m/s 2 . 27 m/s. 24,617 m 2
= 7979,23 kg m/s
𝑃𝑚 = 𝑟 . 𝜔 (8)
= 6,3 √3 Nm. 53,57 m/s
= 337,491√3 N m/s
= 6,9 N m/s
Perbandingan: η = 𝑝𝑚 𝑝𝑎 × 100% (9)
= 6,9 7979,23 × 100%
= 0,0864 N/kg m/s

## Hasil Perancangan Frame Turbin
Frame turbin  terbuat  dari  besi hollow dan  plat  besi yang dilas. Frame berbentuk persegi di mana masing- masing sisinya terdapat kaki frame dengan   tinggi  5 cm. Di atas dan bawah plat besi dipasangkan dinamo mesin  cuci  sebagai  poros. Frame turbin  dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 4.

## Gambar 4 Frame Turbin

## Hasil Perancangan Sudu Turbin
Sudu turbin terbuat dari pipa PVC yang dipanaskan dan  dibuat  menjadi  3  sudu,  masing-masing  sudu dipasangkan  pada  plat  berbentuk  lingkaran.  Sudu turbin dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 5.

## Gambar 5 Sudu Turbin Angin Darrieus dengan 3 Sudu

## Hasil Rancang Bangun Turbin Angin Darrieus 3 Sudu
Sudu  turbin  yang  sudah  terpasang  pada  plat kemudian dimasukan pada poros yang terhubung ke frame dengan posisi tegak lurus dan dalam keadaan
center . Hasil akhir dari rancang bangun turbin angin Darrieus  3  sudu  dalam  penelitian  ini  ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7.
Gambar 6 Turbin Angin Darrieus Tampak Depan
Gambar 7 Turbin Angin Darrieus Tampak Atas

## 4 KESIMPULAN
Dari  perancang  turbin  angin  Darrieus  ini  dapat disimpulkan  bahwa   kecepatan  putaran  turbin  tidak hanya dipengaruhi oleh kecepatan angin, melainkan juga luasnya sudu dan juga panjang lengkungan pada sudu.  Tinggi  antara frame dan  sudu  turbin  juga mempengaruhi  putaran  turbin,  serta  kestabilan putaran juga lebih stabil menggunakan dinamo mesin cuci  dibandingkan   dengan fillow  block ,  karena  saat menggunakan fillow  block putaran  turbin  menjadi tidak lancar dan susah berputar. Juga lebar dan tinggi frame menjadi faktor penting agar putaran sudu dapat stabil.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada  seluruh Dosen Jurusan Teknik Mesin beserta jajarannya. Terima kasih kepada orang tua  serta  keluarga  yang  selalu  mendukung  dan mendoakan sehingga penelitian ini dapat diselesaikan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Kaprawi,  “Pengaruh  Geometri  Sudu  Dari Turbin  Air  Darrieus  Terhadap  Kinerjanya”  no.
1, pp. 1–5, 2008.
[2]  C.  Srinivasan,  G.  Ajithkumar,  S.  Arul,  G. Arulprasath, and T. M. Dharunbabu, “Design of Combined  Savonius-Darrieus  Wind  Turbine,” IOSR  J.  Mech.  Civ.  Eng. ,  vol.  14,  pp.  60–70,
2017.
[3]  M.  Shiono,  K.  Suzuki,  and  S.  Kiho,
“Experimental study of the characteristics of a Darrieus  turbine  for  tidal  power  generation,”
Electr.  Eng.  Japan ,  vol.  132,  pp.  38–47,  Aug.
2000,
doi: 10.1002/1520- 6416(200008)132:3<38::AID-EEJ6>3.0.CO;2- E. [4]  T. Wakui, H. TAKAGI, and T. HASHIZUME,
“Hybrid configuration of Darrieus and Savonius rotor for stand-alone power system,” 風力エネ ルギー利用シンポジウム ,  pp.  140–143,  Jul. 2011, doi: 10.11333/jweasympo1979.23.140.
[5]  M.  Shiono,  K.  Suzuki,  and  S.  Kiho,  “Output Characteristics of Darrieus Water Turbine With Helical Blades For Tidal Current Generations,”
2002.
[6]  I. Hardiatama, “Pengaruh Penambahan Diffuser terhadap Performa 3D Print Turbin Hidrokinetik Helical Savonius (Twist Angle 45o),” vol. 7, p. 75, Oct. 2018, doi: 10.22441/jtm.v7i2.2853.
[7]  K.  Yang,  “Geometry  design  optimization  of  a wind  turbine  blade  considering  effects  on aerodynamic  performance  by  linearization,”
Energies , 2020, doi: 10.3390/en13092320.
[8]  A. S. Verma, J. Yan, W. Hu, Z. Jiang, W. Shi, and J. J. E. Teuwen, “A review of impact loads on  composite  wind  turbine  blades:  Impact threats  and  classification,” Renewable  and Sustainable  Energy  Reviews .  2023,  doi:
10.1016/j.rser.2023.113261.
[9]  L. Amzil, S. Fertahi, T. Raffak, and T. Mouhib, “Structural performance analysis of hemp fiber- reinforced  hybrid  composites  in  wind  turbine blade  manufacturing,” Structures ,  2023,  doi: 10.1016/j.istruc.2023.105373.
[10]  W. Finnegan, Y. Jiang, N. Dumergue, P. Davies, and J. Goggins, “Investigation and validation of numerical  models  for  composite  wind  turbine blades,” J.  Mar.  Sci.  Eng. ,  2021,  doi: 10.3390/jmse9050525.
[11]  H. Teng, S. Li, Z. Cao, S. Li, C. Li, and T. J. Ko, “Carbon  Fiber  Composites  for  Large-Scale Wind Turbine Blades: Applicability Study and Comprehensive  Evaluation  in  China,” J.  Mar.
Sci. Eng. , 2023, doi: 10.3390/jmse11030624.
[12]  A.  Shyam,  A.  S.  Aryan,  C.  Shailesh,  R. Harigovind, V. Vipin, and A. Krishnan, “Design and analysis of small-scale horizontal axis wind turbine  using  PVC  material,”  2021,  doi: 10.1016/j.matpr.2021.08.095.
[13]  D.  Adanta,  K.  Sahim,  and  A.  S.  Mohruni, “Feasibility study of pvc pipes as vertical  axis wind  turbines  type  savonius bucket  for  remote areas  application,” Int.  J.  Energy  Convers. , 2021, doi: 10.15866/irecon.v9i2.19270.
[14]  K. Lewandowski, K. Skórczewska, K. Piszczek, and W. Urbaniak, “Recycled glass fibres from wind  turbines  as  a  filler  for  poly(Vinyl chloride),” Adv.  Polym.  Technol. ,  2019,  doi: 10.1155/2019/8960503.