1

DISAIN DAN SIMULASI SUDU TURBIN MODEL

SAVONIUS TIPE U DENGAN 4 SUDU MENGGUNAKAN

SOFTWARE SOLIDWORKS 2018

Eko Susetyo Yulianto

FakultasTeknologi Industri, Jurusan Teknik Mesin, Univeresitas Gunadarma

Jl. Margonda Raya No 100, Depok, 16424

Email :susetyo@staff.gunadarma.ac.id

ABSTRAK

Turbin Savonius memiliki karakteristik starting torsi yang baik, dan dapat

menerima angin dari segala arah. Pada tahap perancangan sudu turbin aspek aspek yang

harus diperhatikan yaitu jumlah sudu itu sendiri, lalu jenis material yang digunakan

serta menentukan ukuran dari rotor tersebut. Dapat diketahui bahwa sesuai dengan

hukum Betz, tidak ada turbin yang dapat menangkap lebih dari 16/27 (59,3%). Sudu

turbin angin model Savonius tipe U dengan diameter x Panjang yaitu824 mm x 1200

mm, memiliki nilai tsr 0.51 dan nilai CP 0.53 serta memiliki efisiensi sebesar 0.59.

Daya yang dihasilkan dalam satu kali putaran sebesar75.29 Watt dan daya total 127.23

Watt pada 59.4 RPM. Lalu torsi yang didapatkan sebesar 8.84 N. Dimana hasil tersebut

dipengaruhi hasil data teoritis kecepatan angin sebesar 5 m/s.

Kata kunci : Pembangkit Listrik , Simulasi, Turbin angin Savonius.

2

ABSTRACT

The Savonius turbine has good starting torque characteristics, and can accept

wind from all directions. At the turbine blade design stage aspects that must be

considered are the number of blades themselves, then the type of material used and

determine the size of the rotor. It can be seen that according to Betz law, no turbine can

catch more than 16/27 (59.3%). Savonius U type wind turbine blades with diameter x

length that is 824 mm x 1200 mm, has a tip speed ratio value of 0.51 and a CP value of

0.53 and has an efficiency of 0.59. The power generated in one cycle is 75.39 Watt and

the total power is 127.23 Watt at 59.4 RPM. Then the torque obtained is 17.74 N.

Where the results are influenced by the results of theoretical data on wind speed of 5

m/s.

Keywords: Power Plants , Simulation, Wind Turbines Savonius.

PENDAHULUAN

Kebutuhan akan energy semakin hari

semakin meningkat seiring dengan

bertambahnya jumlah penduduk,

pertumbuhan ekonomi dan konsumsi

energi yang sangat tinggi. Konsumsi listrik

terus tumbuh tiap tahunnya pada kisaran

6% dan program menerangi 2500 desa

merupakan upaya pemerintah untuk

meningkatkan rasio elektrifikasi.[1] Dengan

mengacu kepada Perpres No. 5 tahun 2006

tentang Kebijakan Energi Nasional, bahwa

dalam Perpres disebutkan kontribusi EBT

harus dimaksimalkan perannya dalam

penggunaannya di Indonesia pada tahun

2025 nanti[2]. Salah satu sumber energy

terbarukan adalah energy angin. Energi

angin merupakan salah satu energi yang

ramah lingkungan, sumber energi yang

berlimpah dan dapat diperbaharui

sehingga sangat berpotensi untuk

dikembangkan. Upaya untuk

mengembangkan energy angin mencakup

pengembangan energy angin untuk listrik

dan non listrik (pemompaan air untuk

irigasi dan air bersih). Potensi angin di

Indonesia pada umumnya memiliki

kecepatan angin yang rendah berkisar

antara 3-8 m/s[3]. Sehingga jenis turbin

angin vertical dirasa sangat cocok untuk

digunakan pada kondisi kecepatan angin

rendah. Pada umumnya bentuk turbin

angin yang banyak digunakan adalah

turbin angin sumbu horizontal, walau

3

demikian turbin angin sumbu vertical

menjadi alternative untuk menghasilkan

energy listrik disebabkan oleh beberapa

keuntungan.

Turbin angin vertical memiliki Self

Starting yang baik sehingga mampu

memutar rotor walaupun kecepatan angin

rendah[4]. Selain itu juga kelebihan dari

turbin angin sumbu vertical yaitu dapat

berputar secara efektif dengan dorongan

angin dari segala arah, sehingga sangat

cocok untuk daerah yang arah anginnya

bervariasi. Berbeda dengan turbin angin

sumbu horizontal, untuk mendapatkan

putaran yang efektif turbin harusdiarahkan

pada posisi berlawanan dengan arah angin,

ketika kondisi angin bervariasi maka

turbin jenis sumbu horizontal tidak dapat

berputar dengan maksimal karena harus

mencari posisi efektif dari arah angin

terlebih dahulu[4]. Salah satujenis Vertical

Axis Wind Turbine (VAWT) adalah model

Savonius.Turbin Savonius memiliki

karakteristik starting torsi yang baik,

mudah dalam pembutannya dan dapat

menerima angin dari segala arah.

Berdasarkan uraian diatas, maka

penulis tertarik untuk membuat

perancangan sudu turbin angin tipe

Savonius tipe U, serta menganalisa laju

aliran pada sudu Turbin Angin Sumbu

Vertical Savonius tipe U menggunakan

software Solidworks 2018.

TINJAUAN PUSTAKA

Angin merupakan salah satu unsur

yang dapat mempengaruhi kondisi cuaca

dan iklim. Angin adalah pergerakan udara

yang disebabkan adanya perbedaan

tekanan udara yang mengakibatkan adanya

hembusan atau tiupan disuatu Tempat atau

daratan.

Salah satu kondisi angin yang

harus di pertimbangkan adalah kecepatan

angin. Syarat Kecepatan Angin Tingkat

kecepatan angin berdasarkan kondisi alam

yang terjadi dijelaskan pada tabel 1

Tabel 1. Tingkatan kecepatan angin

berdasarkan kondisi alam.(Sumber :

Antonov Bachtiar, Wahyudi Hayattul.

2018)

Selain kecepatan angin, parameter

yang harus diperhatikan pada angin adalah

masa jenisnya (ρ). Dimana Tingkat masa

4

jenis berhubungan salah satunya dengan

suhu, Jika suhu dinaikkan massanya akan

berkurang, dapat dilihat padat abel 2 yaitu

tabel property dari udara/angin.

Tabel 2. Physical Properties of Air

(Sumber : Applied Fluid Dynamics

Handbook: Blevins, Robert D)

Turbin angin atau wind turbine

adalah kincir angin yang digunakan untuk

memutar generator listrik dan

menghasilkan energy listrik. Prinsip kerja

dari turbin angin ini menggunakan prinsip

konversi energi dan menggunakan sumber

daya alam yang terbarukan yaitu

angin.Sebuah pembangkit listrik tenaga

angin dapat dibuat dengan

menggabungkan beberapa turbin angin

sehingga menghasilkan listrik ke unit

penyalur listrik. Listrik dialirkan melalui

kabel transmisi dan didistribusikan

kerumah-rumah, kantor, sekolah, dan

sebagainya. Berikut ini adalah jenis turbin

angin: [5]

a) Turbin Angin Sumbu Horizontal

(Horizontal Axis Wind Turbine)

b) Turbin Angin Sumbu Vertikal

(Vertical Axis Wind Turbine)

Turbin angin sumbu horizontal

(TASH) memiliki poros rotor

utama dan generator listrik di

puncak menara. Turbin berukuran

kecil diarahkan oleh sebuah baling-

baling angin (baling-baling cuaca)

yang sederhana, sedangkan turbin

berukuran besar pada umumnya

menggunakan sebuah sensor angin

yang digandengkan kesebuah servo

motor.

Gambar 1.Turbin angin sumbu

horizontal (Sumber :Antonov Bachtiar,

WahyudiHayattul. 2018)

Berdasarkan jumlah sudu, maka

turbin angin sumbu horizontal memiliki

beberapa jenis yaitu turbin angin satu sudu

5

(single blade), turbin angin dua sudu

(double blade), turbin angin tiga sudu

(three blade) dan turbin angin banyak

sudu (multi blade) seperti pada Gambar 2.

Gambar 2.Bentuk Sudu/Blade TASH

(Sumber :Agus Mukhtar, HisyamMa’mun.

2016)

Turbin angin sumbu

vertikal/tegak (atau TASV) memiliki

poros/sumbu rotor utama yang disusun

tegak lurus. agar menjadiefektif.

Kelebihan ini sangat berguna di tempat-

tempat yang arah anginnya sangat

bervariasi. VAWT mampu

mendayagunakan angin dari berbagai arah.

Gambar 3.Turbin angin sumbu

vertikal (Sumber :Antonov Bachtiar,

WahyudiHayattul. 2018)

Beberapa penelitian telah

dilakukan untuk membuat berbagai

macam bentuk sudu yang sesuai untukt

urbin Angin. Diantara beberapa bentuk

sudu yang telah dibuat untuk turbin angin

sumbu horizontal adalah multi blade, sail

swing, tipe Belanda dan propeller.

Sedangkan pada turbin 22ngina sumbu

vertical adalah cross-flow, savonius,

darrieus dan giromillseperti pada Gambar

4

Gambar 4.Bentuk Sudu/Blade TASV

(Sumber :Yusuf Ismail Nakhoda, Chorul

Saleh. 2015)

RumusPerancanganSuduTurbinSavoni

us

1. EnergiKinetik

Ek ½ mv2 (2.1)

2 . Laju Volume Aliran

V = vA (2.2)

3. Massa Aliran

ṁ = ρAv (2.3)

4. Daya Total

Ptotal= 1

2 𝑥 𝐺𝑐𝜌𝐴𝑉3 (2.4)

6

5. DayaMaksimal

PMaks= 8

27 𝑥 𝐺𝑐𝜌𝐴𝑉3 (2.5)

6. EfisiensiSuduTurbin

Ƞsudu = 𝑃𝑚𝑎𝑘𝑠

𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.6)

7. KoefisienDaya

Cp = P

1

2 𝑥 𝜌 𝑥 𝑉3 𝑥 𝐴

(2.7)

8. Tip Speed Ratio

𝜆 = 𝜔𝑟

V (2.8)

9. PutaranTurbin

RPM = 60λ x V

π x D (2.9)

10. Torsi

𝜏 = 30 x P

π x RPM (2.10)

METODOLOGI DESAIN DAN

PERANCANGAN

Berikut ini adalah diagram alir

Perancangan Sudu Turbin Angin Model

Savonius untuk pembangkit listrik tenaga

angin, kemudian proses desain serta

analisa aliran (flow)pada sudu sebagai

berikut:

Gambar 5 Diagram Alir Proses

PerancanganSuduTurbinAngin Model Savonius

Studi Literatur

Dalam menyelesaikan penuliasn ini

penulis membaca beberapa referensi dari

jurnal maupun buku untuk menambah

pengetahuan mengenai turbin angin.

Kajian terdahulu diperlukan agar proses

penulisan dilakukan lebih optimal. Ada

beberapa kajian penelitian yang sudah

dilakukan penulis penulis sebelumnya

yang tercantum pada bab sebelumnya.

IdentifikasiMasalah

Berdasarkan penulis-penulis

sebelumnya dalam merancang bangun

turbin angin untuk pembangkit listrik

tenaga angin maka dapat diidentifikasi

masalahnya diantaranya yaitu jumlah sudu

berpengaruh terhadap menaikan efisiensi.

7

Selainitu, pengaruh jumlah sudu dapat

mempengaruhi torsi yang dihasilkan.

Dimana, semakin banyak jumlah sudu

akan menaikan nilai torsi.

Perancangan dan KonsepProduk

Berdasarkan spesifikasi Teknik

produk hasil pengumpulan data diatas,

maka dapat dicari beberapa konsep produk

yang dapat memenuhi persyaratan-

persyaratan dalam spesifikasi tersebut.

Adapun spesifikasi sudu turbin

angin vertical savonius tipe U 4 sudu

adalah berikutini :

Jenisproduk : Suduturbin

Model : Savonius

Tipe : U

Diamatersudu : 824 mm

Tinggi sudu : 1200 mm

Jumlahsudu : 4 buah

Tebalsudu : 3 mm

Gambar 6. Alat Pembangkit Listrik

Tenaga Angin dengan Sudu Savonius 4

sudu Tipe U

.

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Dengan menganggap suatu

penampang melintang A, dimana udara

dengan kecepatan v mengalami

pemindahan volume untuk setiap satuan

waktu, yang disebut denganaliran volume

V sebagaipersamaan (2.2) :

V = 5 m/s x 3.32 m2

V = 16.6 m3

Sedangkanaliranmassadengankec

epatanudaradapatdihitungdenganpersamaa

n (2.3) :

ṁ = 1.165 Kg/m3 x 3.32 m2 x 5 m/s

ṁ = 19.34 Kg/m6.s

Parameter yang penulis gunakan dalam

perancangan sudu turbin angin yang

diperlukan untuk simulasi analisis

mencakup data-data yang diketahui

diantaranya :

Perhitungan Spesifikasi SuduTurbin

Angin Savonius

a. Diameter sudu = 0,82 m

b. Jari-jarisudu = 0.41 m

c. KecepatanAngin = 5 m/s

8

d. Masa udara = 1.165 Kg/m3

e. Tinggi sudu= 1.2 m

f. Luas sudu = 3.32 m2

g. SuhuLingkungan = 30°C

h. FaktorKoreksi = 1.9Kg/N.m2

Menghitung Daya Total

Ptotal= 1

2 𝑥 1.9𝑥 1.165 𝑥 3.32 𝑥 53

Ptotal= 127.23 Watt

Menghitung Daya Maksimum

PMaks= 8

27 𝑥 1.9𝑥 1.165 𝑥 3.32 𝑥 53

PMaks= 75.39 Watt

Efisiensi Teoritis Ideal Sudu

Ƞsudu = 75 .39

127 .23

Ƞsudu = 0.59

Koefisien Daya Sudu (Cp)

Cp = 55.57

1

2 𝑥 1.165 𝑥 53 𝑥 1.45

Cp = 0.53

Tip Speed Ratio

𝜆 = 2 𝑥 3.14 𝑥 0.41

5

𝜆 = 0.51

Putaran Sudu Turbin

RPM = 600 .51 x 5

π x 0.82

RPM = 59.4 RPM

Torsi

𝜏 = 30 x 127 .23π x 59.4

𝜏 = 20.45 Nm

Analisa dan Simulasi Sudu Turbin

Angin Menggunakan Software

Solidworks 2018

Berikut adalah Hasil/output dari

simulasi yang dilakukan ditampilkan

dalam bentuk distribusi kecepatan pada

turbin menggunakan Software Solidworks

2018, dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7.Hasil Simulasi Aliran (velocity)

pada Sudu dengan Software Solidworks

2018

Selanjutnya, pada Gambar 7.

ditunjukkan distribusi kecepatan pada sudu

turbin denganj umlah blade sebanyak

9

empat buah. Dimana sudu turbin berputar

dengan kecepatan 59.99 RPM sesuai

dengan perhitungan teoritisnya. Pada

gambar tersebut terlihat distribusi

kecepatan paling rendah yakni 0.022 m/det

ditandai dengan warna biru tua pada sudu.

Garis-garis arus yang menggambarkan

kecepatan angin mengenai dan melalui

sudu melintas melewati sudu dari sisi atas,

samping kanan dan bawah dari sudu,

kontur warna yang terjadi didominasi

warna biru tua dan biru muda pada dasar

sudu. Pada belakang sudu terlihat

semacam olakan (wake) dan selanjutnya

arus berbelok dan berputar mengikuti

putaran turbin yang menandai angin

diserap oleh sudu turbin guna dikonversi

menjadi energy gerak (mekanik).

Distribusi kecepatan tertinggi yang terjadi

pada bagian yang memutar sudu berkisar

0.022 m/det sampai 5.076 m/det. Dimana

kecepatan angin inilah yang terjadi pada

saat sudu turbin berputar pada kecepatan

59.4 RPM.

Gambar 8.Distribusi kecepatan pada sudu

turbin

Semakin tinggi distribusi kecepatan

yang terjadi pada rotor akan semakin baik

kerena memungkin kan memberikan gaya

dorong pada sudu dan diteruskan pada

poros rotor sehingga dapat menghasilkan

energy mekanik, energy listrik berguna

sesuai dengan kebutuhan/aplikasinya.

Berikut adalah Hasil/output dari

simulasi yang dilakukan ditampilkan

dalam bentuk distribusi tekanan pada sudu

turbin menggunakan Software Solidworks

2018, dapatdilihat pada gambar 8.

10

Gambar 9. Hasil Simulasi Aliran

(Pressure) pada Sudu dengan Software

Solidworks 2018

Gambar 9. menampilkan distribusi

tekanan pada turbin dengan jumlah sudu

empat, distribusi tekanan minimum terjadi

adalah 101.364,58 Pascal dan tertinggi

sebesar 101.385, 46 Pascal, dengan selisih

20,88 Pascal. Hasil simulasid engan empat

blade ini terlihat tekanan akibat kecepatan

angin merata secara luas pada pada sekitar

sudu, sehingga optimal dalam memberikan

gaya dorong atau torsi pada sudu yang

berakibatl angsung pada kemampuan rotor

melalui blade melakukan putaran poros

turbin.

Distribusi tekanand ekat rotor

cukup tinggi dan tersebar secaral uas.

Salah satu kelebihan dari turbin angin

sumbu vertical adalah dengan kecepatan

angin yang relative rendahs ekitar 0,2 m/s

sampai 5 m/s sudah mampu memutar rotor

turbin. Berdasarkan analisis dan simulasi

menggunakan Software Solidworks 2018.

Kesimpulan

Berdasarkan hasil perancangan.

Simulasi serta Analisa yang telah

dilakukan terhadap model sudu model

Savonius untuk pembangkit listrik tenaga

angin, maka dapat ditarik kesimpulan :

1. Sudu turbin angin model Savonius

tipe U dengan diameter x Panjang

yaitu 824mm x 1200mm, memiliki

nilai tip speed ratio 0.51 dan nilai

koefisien daya 0.53 serta memiliki

efisiensi sebesar 0.59. Dapat

menghasilkan daya dalam satu kali

putaran sebesar75.39 Watt dan daya

total 127.23 Watt pada 59.4 RPM.

Lalu torsi yang didapatkans ebesar

11

20.45 N. Dimana hasil tersebut

dipengaruhi hasil data teoritis

kecepatan angin sebesar 5 m/s.

2. Hasil Analisa aliran menggunakan

software Solidworks 2018 diketahui

bahwa Distribusi kecepatan angin

pada Sudu turbin angin model

Savoniustipe U dengan diameter x

Panjang yaitu 824mm x 1200mm

terlihat merata pada setiap sudu dan

berpotensi untuk memberikan

dorongan pada sudusehingga pada

akhirnya akan memberikan kecepatan

putar pada rotor turbin. Kecepatan

rotor turbin berbanding lurus dengan

konversi energy putar (mekanik) rotor

menjadi energy listrik pada generator

yang dapat menghasil kan listrik,

sebagai konversi dari putaran rotor

bilamana dihubungkan dengan

generator listrik. Semakin tinggi

distribusi kecepatan yang terjadi pada

rotor akan semakin baik kerena

memungkinkan memberikan gaya

dorong pada sudu dan diteruskan pada

poros rotor sehingga dapat

menghasilkan energy mekanik, energy

listrik berguna sesuai dengan

kebutuhan/aplikasinya.

3. Hasil Analisa aliran menggunakan

software Solidworks 2018 diketahui

bahwa Distribusi tekanan dari angin

pada Sudu turbin angin model

Savoniust ipe U dengan diameter x

Panjang yaitu 824mm x 1200mm ini

terlihat tekanan akibat kecepatan angin

merata secara luas pada sekitar sudu,

sehingga optimal dalam memberikan

gaya dorong atau torsi pada sudu yang

berakibat langsung pada kemampuan

rotor melalui blade melakukan putaran

poros turbin. Distribusi tekanan dekat

rotor cukup tinggi dan tersebar secara

luas. Salah satu kelebihan dari turbin

angin sumbu vertical adalah dengan

kecepatana ngin yang relative rendah

sekitar 0,2 m/s sampai 5 m/s sudah

mampu memutar rotor turbin.

12

DAFTAR PUSTAKA

1. Pusat Data dan Teknologi

Informasi Energi dan SumberDaya Mineral Kementrian ESDM. 2017.

Kajian Penyediaan Dan Pemanfaatan Migas, Batubara, EBT Dan Listrik. Jakarta. Pusat

Data dan Teknologi Informas i Energi dan SumberDaya Minera l

Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral.

2. Kementrian ESDM. 2016.

BLUEPRINT PENGELOLAAN ENERGI NASIONAL 2006 – 2025. Jakarta. Keputusan Menter i

Energidan Sumber Daya Minera l No. 0983 K/16/MEM/2004

3. I.B. Alit, Nurchayati. 2016. Turbin

angin poros vertical tipe Savonius bertingkat dengan variasi posisi sudut. Dinamika Teknik Mesin,

Vol. 6.

4. IrvanSeptyan Mulyana. 2017. Perancangan Turbin Angin

Vertikal Savonius Sebagai Sumber Energy Untuk Penerangan Jalan Toll. UG Jurnal. Vol. 11.

5. Antonov Bachtiar, Wahyud i

Hayattul. 2018. Analisis Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Angin

PT. LenteraAngin Nusantara (LAN) Ciheras. JURNAL TEKNIK ELEKTRO ITP. Vol. 7

6. AgusMukhtar,HisyamMa’mun. 2016. APLIKASI PERMANENT

MAGNETIC BEARING DALAM RANCANG BANGUN VERTICAL

WIND TURBIN. Jurnal Ilmiah Teknosains. Vol. 2 No. 1

7. Yusuf Ismail Nakhoda, Chorul Saleh. 2015. Rancang Bangun

Kincir Angin Sumbu Vertikal Pembangkit Tenaga Listrik

Portabel. Jurnal Seminar Nasiona l Sains dan Teknologi Terapan III Institut Teknologi Adhi Tama

Surabaya.

8. Daniel Teguh Rudianto, Nurfi Ahmadi. 2016. RANCANG

BANGUN TURBIN ANGIN SAVONIUS 200 WATT. Jurna l

Seminar Nasional Teknologi Informasi dan Kedirgantaraan (SENATIK). Vol. II

9. Agustinus Laka, Frans Mangng,

Rokhyadi. 2017. RANCANG BANGUN TURBIN ANGIN

SAVONIUS UNTUK PENERANGAN DI DAERAH PEDESAAN. Jurna l

“FLYWHEEL”. Volume 8

10. Sidik, Abu Bakar. 2017. Perancangan Turbin Angin

Savonius Tipe U dengan menggunakan 2 Sudu. Jakarta. Universitas Gunadarma

Perpustakaan Universitas Gunadarma BARCODE

BUKTI UNGGAH DOKUMEN PENELITIANPERPUSTAKAAN UNIVERSITAS GUNADARMA

Nomor Pengunggahan

SURAT KETERANGANNomor: 34/PERPUS/UG/2020

Surat ini menerangkan bahwa: Nama Penulis : EKO SUSETYO YULIANTONomor Penulis : 010237Email Penulis : susetyo@staff.gunadarma.ac.idAlamat Penulis : JL RANCHO INDAH TANJUNG BARAT JAGAKARSA

Telah menyerahkan hasil penelitian/ penulisan untuk disimpan dan dimanfaatkan di Perpustakaan Universitas Gunadarma,dengan rincian sebagai berikut : Nomor Induk : FTI/IC/PENELITIAN/34/2020Judul Penelitian : DISAIN DAN SIMULASI SUDU TURBIN MODEL SAVONIUS TIPE U DENGAN 4 SUDU

MENGGUNAKAN SOFTWARE SOLIDWORKS 2018Tanggal Penyerahan : 02 / 07 / 2020

Demikian surat ini dibuat untuk dipergunakan seperlunya dilingkungan Universitas Gunadarma dan Kopertis Wilayah III.

Dicetak pada: 14/08/2020 12:19:04 PM, IP:180.252.112.85 Halaman 1/1