1

Abstrak — Turbin angin untuk kecepatan rendah memiliki

banyak parameter yang harus diperhatikan agar turbin dapat

berputar secara optimal dengan kecepatan angin yang rendah.

Salah satu parameter yang harus diperhatikan adalah pemilihan

sudut pitch pada bilah turbin. Bilah turbin dengan penampang

airfoil yang berbeda akan memiliki konfigurasi sudut pitch yang

berbeda pula. Penelitian ini memaparkan tentang pencarian

sudut pitch yang paling optimal untuk kecepatan angin yang

bervariasi. Bilah turbin angin yang digunakan bertipe non-

uniform blade untuk turbin angin berukuran kecil dan karakter

kecepatan angin yang rendah dengan profil penampang airfoil

�REL S83n. Sudut pitch untuk bilah diatur menggunakan motor

servo yang posisinya dikendalikan oleh mikrokontroler melalui

komputer. Kecepatan putaran rotor turbin angin dicatat oleh

rotary encoder yang terhubung dengan mikrokontroler dan

disimpan di database komputer. Dari penelitian ini akan

diketahui hubungan antara kecepatan angin dengan sudut pitch

tertentu yang menghasilkan putaran rotor yang paling optimal.

Index Terms— turbin angin, sudut pitch optimal.

I. PENDAHULUAN

enggunaan energi alternatif merupakan suatu topik yang

mulai banyak dibahas. Hal ini disebabkan karena

teknologi makin berkembang yang menyebabkan manusia

mulai mencari sumber-sumber energi baru dan terbarukan

untuk menggantikan sumber energi konvensional. Energi

angin merupakan salah satu energi yang mulai dimanfaatkan

untuk menghasilkan listrik ataupun mengkonversinya ke

energi mekanik untuk keperluan lain. Salah satu alat yang

digunakan untuk memanfaatkan energi angin adalah turbin

angin. Menurut data dari asosiasi energi angin dunia

(WWEA), Indonesia menempati urutan ke-70 dunia dalam hal

sistem konversi energi angin (SKEA) terpasang (WWEA,

2010). Dalam blueprint pemanfaatan energi Indonesia untuk

tahun 2010-2015, Indonesia sudah memasuki periode

pemanfaatan energi angin dengan turbin skala menengah

(DJLPE, 2005). Dalam memanfaatkan energi angin

menggunakan turbin angin, terdapat berbagai faktor yang

dapat mempengaruhi kinerja turbin angin tersebut. Salah satu

hal yang perlu dipertimbangkan adalah perancangan bilah

untuk turbin angin yang meliputi ukuran (jari-jari rotor),

penampang airfoil, panjang chord, dan sudut pitch bilah

(Piggot, 2001).

Indonesia merupakan salah satu negara yang belum banyak

memanfaatkan energi angin sebagai pembangkit listrik karena

karakteristik angin di Indonesia yang cenderung berkecepatan

rendah dengan rata-rata per tahun sekitar 5-7 m/s.

Karakteristik kecepatan angin yang rendah tersebut masih

dapat dimanfaatkan dengan menggunakan turbin angin

kecepatan rendah berskala kecil dengan bilah berdiameter 1 m

– 3 m (Buhl, 2009). Konfigurasi turbin angin yang bisa

digunakan adalah tipe HAWT dengan bilah berjumlah 3 buah

dan tipe airfoil bilah NREL S83n (Buhl, 2009). Airfoil NREL

S83n adalah tipe yang sesuai digunakan untuk turbin angin

berskala kecil (diameter 1 m – 3 m) dengan karakteristik

airfoil berukuran tebal dan Cl (lift coefficient) maksimum

yang tinggi (Buhl, 2009). Dengan Cl yang tinggi maka bilah

memiliki gaya angkat yang tinggi pada kecepatan angin yang

rendah (Buhl, 2009). Parameter lain yang harus diperhatikan

dalam merancang bilah turbin angin adalah penentuan sudut

pitch bilah turbin. Parameter tersebut akan mempengaruhi

performansi dari turbin angin, yaitu kecepatan sudut rotor,

kecepatan angin optimal, dan koefisien daya (The starting and

low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind

turbine, 2004). Penelitian ini akan terpusat pada pemilihan

sudut pitch optimal, yaitu sudut dimana turbin memiliki

koefisien daya yang maksimal pada jangkauan keceptan angin

yang lebar. untuk endapatkan sudut pitch optimal tersebut,

maka harus didapatkan hubungan antara kecepatan putar rotor

turbin dengan kecepatan angin. Dengan mendapatkan

hubungan tersebut maka akan dapat dirancang suatu bilah

turbin angin yang dapat berputar dengan kecepatan angin

seminimum mungkin dan torsi rotor semaksimal mungkin

pada kecepatan angin tertentu. Selanjutnya data sudut pitch

optimal ini dapat digunakan sebagai penetapan sudut pada

turbin fixed pitch atau penetapan jangkauan pengendalian

sudut pada turbin variable pitch.

II. DASAR TEORI

Prinsip dasar bahwa sebuah turbin angin dapat berputar

pada porosnya adalah karena adanya vektor dari gaya lift dan

gaya drag yang dihasilkan akibat bentuk aerodinamis dari

penampang bilah turbin angin tersebut. Pada gambar 1

dijelaskan ketika sebuah penampang airfoil terkena angin dari

arah depan, maka akan menghasilkan vektor gaya lift (L) dan

drag (D) (Burton, et al., 2001). Gaya lift dan gaya drag ini

perubahannya dipengaruhi langsung oleh bentuk geometri

bilah, kecepatan dan arah angin terhadap garis utama bilah

(sudut pitch). Akibat dari perubahan gaya lift dan drag, maka

kecepatan sudut dan torsi poros akan berubah pula. Perubahan

sudut pitch bilah ini akan mempengaruhi kecepatan sudut

(RPM) dari rotor karena adanya perubahan jumlah daya tiup

Pemilihan Sudut Pitch Optimal Untuk Prototipe Turbin Angin Skala

Kecil Dengan Tipe Bilah �on-Uniform Airfoil �rel S83n

Farid Ridha Muttaqin1), Bambang L. Widjiantoro2)

, Ali Musyafa’3)

1) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology

ITS Surabaya Indonesia 60111, email: reeds_yee@ep.its.ac.id

2) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology

ITS Surabaya Indonesia 60111, email:

3) Department of Engineering Physics, Faculty of Industrial Technology

ITS Surabaya Indonesia 60111, email: musyafa@ep.its.ac.id

P

2

angin yang diterima oleh bilah yang dikonversi menjadi

kecepatan putar rotor (Harika, 2008).

Gbr 1. Vektor Gaya Pada Airfoil dengan sudut serang berbeda

(Burton, et al., 2001)

Daya dari angin yang dapat ditangkap oleh sebuah

horizontal axis wind turbine (HAWT) dapat diturunkan dari

persamaan energi kinetik angin yang bergerak dengan

kecepatan tertentu kearah x. Adapun persamaan energi yang

melewati turbin angin adalah sebagai berikut (Johnson, 2006):

� = �� ���

� = �� (�� ��)��

� (1)

Diketahui bahwa daya adalah turunan dari energi terhadap

waktu, maka:

� = ���� = �

� �� ���� ��

�� = �� ����

� (2)

Kemudian untuk mengetahui besarnya daya yang dapat

diekstrak oleh wind turbin dapat dilakukan dengan

menghitung selisih daya angin sebelum dan sesudah melewati

turbin angin.

Gbr 2. Tube Angin yang melewati turbin angin (Johnson, 2006)

Bila ada tube angin yang bergerak dengan kecepatan v akan

melewati wind turbin, maka pastinya kecepatannya akan

semakin berkurang sejalan dengan semakin dekatnya jaraknya

terhadap turbin angin, karena tekanannya naik akibat ruang

geraknya yang semakin sempit (mampat). Ketika melewati

turbin angin, maka energi kinetik angin tersebut diubah oleh

turbin angin menjadi energi rotasional. Dan setelah jarak

tertentu, maka kecepatan angin akan kembali seperti semula

akibat ruang geraknya telah melebar dan mendapat energi dari

udara disekitarnya. Persamaan untuk muka tube angin yang

melewati turbin angin ideal adalah sebagai berikut :

�� = �� = � �� ��

�� = � �� ��

� = � = � �� �

� = � � (3)

Jadi daya angin yang diekstrak adalah :

� = �� − �� = �� ��� ���

� − ����� = �

� ��(�� ���

�)

(4)

Untuk mempermudah, maka persamaan kemudian dibawa

ke bentuk lain yang menggunakan A2 (sesuai luas area wind

turbin).

� = �� �� ��

� ��� �� ��

�� = �� ��(��

� ����) (5)

Dimana :

P = Daya turbin angin (watt)

ρair = Massa jenis udara (kg/m3)

V = Kecepatan angin (m/s)

Ar = Luas sapuan penampang bilah (m2)

Cp = Power coeficient

Pada persamaan tersebut terdapat angka 16/27 yang

merupakan bilangan Betz Limit. Yaitu daya maksimal yang

bisa diekstrak oleh turbin angin adalah sebesar 59% untuk

turbin angin ideal. Bilangan Betz Limit pada turbin angin real

digantikan dengan koefisien daya (Cp) yang pasti memiliki

nilai kurang dari 0.59.

Semakin besar nilai Cp maka akan semakin besar power

yang dapat ditangkap oleh turbin angin. Cp sendiri adalah

merupakan fungsi dari λ (tip speed ratio) dan θ (pitch angle)

(Burton, et al., 2001). Jadi persamaan 2.4 dapat ditulis kembali

menjadi:

� = �� ��"#($, &) ���

� (6)

Sedangkan λ sendiri dirumuskan sbagai berikut :

$ = '(� (7)

Dimana :

λ = tip speed ratio

ω = kecepatan sudut (rps)

v = kecepatan angin (m/s)

R = jari-jari rotor bilah (m)

Jika diasumsikan ω adalah konstan sesuai set point yang

diinginkan dan R bilah adalah konstan, maka Cp hanya akan

bergantung pada v (kecepatan angin) dan θ (pitch angle), dari

sinilah kemudian θ dijadikan variabel yang dimanipulasi

sebagai kompensasi perubahan kecepatan angin (v) untuk

mendapatkan power yang diinginkan. Sedangkan untuk

mendapatkan θ sesuai dengan yang dibutuhkan dilakukan

pengambilan data dengan menggunakan kecepatan angin (v)

yang ditentukan.

A. Bilah Turbin Angin

Pada turbin angin, desain bilah merupakan hal yang paling

penting karena bila merupakan komponen utama yang

menangkap angin untuk kemudian dikonversikan menjadi

gerakan mekanik. Perkembangan teknologi telah menciptakan

bilah turbin angin dengan berbagai variasi bahan, ukuran, jenis

airfoil, jumlah bilah, dan lain sebagainya. Pada turbin angin

horizontal axis, hal yang penting untuk diperhatikan adalah

jari-jari bilah, jumlah bilah, sudut pitch, panjang chord, jenis

airfoil, dan bahan bilah.

Dimensi rotor turbin berpengaruh terhadap kemampuan

turbin untuk menangkap angin yang melewati turbin. Semakin

besar diameter rotor, maka semakin besar pula area sapuan

angin yang dapat dimanfaatkan. Namun hal ini akan

berpengaruh terhadap kecepatan rotor turbin tersebut, semakin

besar rotor, maka koefisien daya akan makin besar dan

kecepatan putaran turbin akan makin rendah.

Jumlah bilah pada turbin angin tidak memiliki batasan

khusus. Pada umumnya turbin angin horizontal axis memiliki

tiga bilah atau banyak bilah. Pemilihan jumlah bilah pada

3

turbin berdasarkan pada rancangan kecepatan turbin, adanya

noise, dan estetika turbin angin (Rand, 2010).

Sudut pitch pada bilah mengacu pada sudut serang dari

bilah terhadap aliran fluida yang melewati. Pada pesawat

terbang atau kapal, sudut pitch propeler dapat diatur

sedemikian rupa untuk mengendalikan daya yang dihasilkan

sehingga kecepatan pesawat atau kapal dapat berubah tanpa

mengubah kecepatan putaran propelernya.

Gbr 3. Sudut Pitch Bilah Turbin (Piggot, 2001)

Pada turbin angin, pengaturan sudut pitch dilakukan untuk

menyesuaikan daya yang dihasilkan terhadap kecepatan angin

yang bervariasi. Pada kondisi emergency shutdown atau

kondisi badai, sudut pitch diatur paralel dengan arah angin

agar turbin tidak berputar melebihi batas.

Panjang chord pada turbin angin tidak memiliki pengaruh

terlalu besar pada performa turbin angin. Rotor dengan bilah

yang memiliki panjang chord seragam di sepanjang span-nya,

masih bisa berputar dengan rugi efisiensi yang kecil. Namun

terdapat sebab lain yang membuat penentuan panjang chord

pada bilah harus dipertimbangkan. Bagian pangkal bilah

merupakan daerah dengan tangkapan angin yang kecil,

sedangkan bagian ujung bilah merupakan daerah penghasil

torsi yang paling besar. Dengan membuat bagian pangkal

lebih lebar daripada bagian ujung, maka turbin akan lebih

mudah untuk mulai berputar pada kecepatan angin yang

rendah (Piggot, 2001).

Bagian ujung merupakan daerah penghasil torsi paling

besar, sehingga dimensi chord harus diperhitungkan dengan

cermat. Untuk mendekati batasan Betz, maka persamaan

berikut dapat digunakan sebagai pendekatan [3].

" = ��).(((/�)�.$�., (8)

Dimana :

C = Panjang chord (m)

R = Radius total rotor (m)

r = radius pada segmen chord yang dihitung (m)

λ = tip speed ratio

B = Jumlah bilah pada rotor

B. Pemilihan Jenis Airfoil

Turbin angin sederhana dengan skala kecil tidak terlalu

memperhatikan jenis airfoil yang dipakai. Untuk turbin angin

horizontal axis biasanya menggunakan bentuk bentuk foil

yang sederhana mulai dari pelat datar atau airfoil tipis

berstandar NACA (&ational Advisory Committee for

Aeronautics) seri 4 atau 5 digit. Airfoil sederhana tersebut bisa

saja digunakan dengan rugi performa yang sedikit (Piggot,

2001).

Badan laboratorium nasional NREL (&ational Renewable

Energy Laboratory) telah melakukan penelitian dan merilis

beberapa airfoil yang cocok untuk diterapkan pada turbin

angin horizontal axis dengan skala kecil hingga besar. Airfoil-

airfoil tersebut diprediksi memiliki peningkatan energi sebesar

23% - 33% untuk regulated turbine, 8% - 20% untuk variable

pitch turbine, dan 8% - 10% untuk variable RPM turbine

(Buhl, 2009). Untuk turbin angin dengan diameter rotor 1 – 3

meter, NREL mengeluarkan seri S822 dan S823 yang

kemudian digantikan oleh seri S83n (S833, S834, S835).

Airfoil seri S83n merupakan airfoil tebal yang cocok

digunakan untuk turbin angin dengan variabel speed dan

variabel pitch dengan tipikal foil rendah noise dan koefisien

lift yang tinggi (Buhl, 2009). Berdasarkan desain spesifikasi

tersebut, maka ketiga airfoil tersebut dapat digunakan pada

turbin angin dengan diameter 2 m yang dilengkapi dengan

variabel pitch control. Untuk bagian pangkal digunakan tipe

S835, bagian tengah tipe S833, dan bagian ujung bilah tipe

S834.

Gbr 4. Penampang Airfoil NREL S835 untuk pangkal bilah (Buhl,

2009)

Gbr 5. Penampang Airfoil NREL S835 untuk tengah bilah (Buhl,

2009)

Gbr 6. Penampang Airfoil NREL S835 untuk ujung bilah (Buhl,

2009)

C. Mikrokontroler AVR

Untuk mengatur sudut pitch dari bilah turbin angin maka

diperlukan suatu mekanisme elektronik untuk memudahkan

pengaturan sudut sekaligus untuk mencatat kecepatan putar

turbin angin dan kecepatan angin pada kecepatan angin

tertentu.

Mikrokontroler adalah komputer berskala kecil yang terdiri

atas mikroprosesor, memori, dan beberapa fitur terintegrasi

dalam satu integrated circuit (IC). Seiring dengan

perkembangan teknologi, kebutuhan akan suatu pengendali

berukuran kecil semakin banyak. Sehingga muncullah varian-

varian mikrokontroler dengan berbagai merek, fitur, dan

keandalan hardware, mulai dari skala amatir sampai

spesifikasi militer. Salah satu keunggulan dari mikrokontroler

jika dibandingkan dengan kontroler elektronik lainnya adalah

mudah untuk diprogram. Mikrokontroler yang akan dipakai

adalah jenis ATMega16 yang memiliki fasilitas ADC,

4

komunikasi UART, dan Timer pembangkit PWM.

Gbr 7. Konfigurasi mikrokontroler ATMega16

Agar dapat berfungsi dengan baik, mikrokontroler

membutuhkan rangkaian minimal yang disebut minimum

system. Minimum system setidaknya harus memiliki catu daya

(VCC-GND), rangkaian reset, dan osilator kristal eksternal.

Namun pada penggunaan lebih kompleks, minimum sistem

dapat ditambahkan dengan port untuk programming,

rangkaian USART, dan lain-lain.

Gbr 8. Rangkaian Minimum System

D. Interface Serial RS-232

Interfacing adalah menghubungkan perangkat

mikrokontroler dengan perangkat komputer atau

mikrokontroler lain dengan tujuan saling mengkomunikasikan

dua perangkat tersebut. Mikrokontroler ATMega16 dilengkapi

dengan fasilitas USART (Universal Synchronous

Asynchronous Receiver Transmitter) yaitu komunikasi

menggunakan TTL yang dapat dikonversi menjadi RS232

untuk kemudian dihubungkan dengan komputer.

RS232 merupakan salah satu standar interface dalam proses

transfer data antar komputer terutama dalam bentuk serial

transfer. RS232 merupakan kependekan dari Recommended

Standard number 232. Standar ini dibuat oleh Electronic

Industry Association (EIA), untuk interface antara peralatan

terminal data dan peralatan komunikasi data, dengan

menggunakan data biner sebagai data yang ditransmisi. RS232

adalah suatu Serial Data Interface Standard yang dikeluarkan

oleh EIA. Standarisasi meliputi konektor, fungsi serta posisi

tiap per timing (pewaktu) dan level tegangan/arus. Standar ini

juga berisikan karakteristik sinyal listrik, karakteristik

mekanik dan cara operasional rangkaian fungsional.

TABEL 1. ALOKASI FUNGSI PIN PADA RS-232

Pin Keterangan

1 Carrier Detect (CD) (dari DCE) Menerima sinyal

datang dari modem

2 Received Data (RD) Data diterima dari DCE

3 Transmitted Data (TD) Data ditransmisikan ke

DCE

4 Data Terminal Ready (DTR) Sinyal handshaking

ditransmisikan

5 Ground (Common reference voltage)

6 Data Set Ready (DSR) Sinyal handshaking datang

7 Request To Send (RTS) Sinyal kontrol aliran untuk

DCE

8 Clear To Send (CTS) Sinyal kontrol aliran datang

dari DCE

9 Ring Indicator (RI) (dari DCE) Sinyal datang dari

modem

Untuk mengkomunikasikan mikrokontroler dengan

komputer diperlukan rangkaian konversi sinyal TTL menjadi

RS232, karena seperti diketahui bahwa kondisi low/high TTL

dengan RS232 berbeda. Untuk TTL low bernilai 0 V sampai

0,8 V dan high bernilai 2 V sampai 5 V. Sedangkan RS232

untuk low bernilai +3 V sampai +15 V, dan high bernilai -15

V sampai -3 V [12]. Untuk mengkonversi sinyal tersebut

dapat digunakan IC MAX232 atau menggunakan rangkaian

transistor.

III. METODOLOGI PENELITIAN

Pada bagian ini akan dibahas langkah-langkah perancangan

dan pembangunan dari prototipe turbin angin dan pengatur

sudut Pitch bilah. Sistem yang akan dirancang dilengkapi

dengan sub sistem pendukung berupa sensor dan monitoring.

Sebagian besar komponen penyusun prototipe turbin angin

ini memanfaatkan prototipe turbin berdiameter 1 m yang telah

dibuat oleh Adam Harika pada tahun 2008. Dari prototipe

yang sudah ada tersebut dilakukan beberapa modifikasi untuk

menyesuaikan dengan dimensi bilah yang lebih besar. Sistem

yang dirancang adalah turbin angin berskala kecil (diameter

rotor 2 m) untuk karakteristik kecepatan angin rendah dengan

bilah berjumlah tiga. Turbin angin ini dilengkapi dengan

sistem pengatur sudut pitch dan sistem monitoring kecepatan

putar turbin. Adapun penjelasan secara rinci tentang

komponen-komponen penyusunnya akan dijelaskan lebih

lanjut pada sub-subbab dibawah. Dari rancangan yang telah

dibuat, pengerjaan dilakukan di Laboratorium Non-Metal

Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya untuk pengerjaan

bilah, dan bengkel Bubut Bapak Misdi Jalan Jojoran untuk

pengerjaan modifikasi center plate, rotor shaft, dan penyangga

bilah.

5

Gbr 9. Prototipe Turbin Angin

A. Rancangan Bilah Turbin

Bilah turbin merupakan komponen terpenting pada turbin

angin. Bilah merupakan komponen pertama yang menangkap

angin untuk kemudian dikonversikan menjadi gerakan

mekanis. Pada prototipe turbin angin ini digunakan bilah

bertipe non-uniform dengan profil airfoil NREL S83n dengan

rincian S835 untuk bagian pangkal, S833 untuk bagian tengah,

dan S834 untuk bagian ujung. Bilah ini dibentuk tapered dan

untwisted dengan panjang chord yang semakin kecil dari

pangkal ke ujung. Persamaan untuk mencari panjang chord

dapat dilihat pada persamaan 2.8 dengan radius total R = 1 m,

jumlah bilah B = 3, dan tip speed ratio λ = 6.

Gbr 10. Rancangan bilah turbin angin

Bilah dibuat menggunakan bahan komposit fiberglass yang

dilapisi dengan resin putty (dempul) warna hijau muda.

Seluruh fabrikasi bilah dilakukan di Laboratorium Non-Metal

Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya. Dalam proses

pembuatan terdapat sedikit ketidak-presisian dimensi chord.

Hal ini dikarenakan proses pembuatan moulding dari gips

yang cukup sulit mengingat bentuk airfoil yang non-uniform

dan tapered.

Gbr 11.Rancangan bilah turbin angin

Bilah yang dibuat dibentuk sedemikian rupa sehingga

memiliki massa yang sama yaitu 1297 gram dengan cara

menambahkan putty pada permukaan bilah. Namun pada

perancangan bilah tersebut terdapat kesulitan untuk mencari

dan menyamakan titik pusat massa untuk tiap bilah.

B. Center Plate

Center plate atau hub merupakan bagian turbin yang

menyangga bilah, menghubungkan bilah dengan poros rotor

turbin, dan tempat mekanisme pengaturan sudut pitch bilah.

Dalam pengerjaannya center plate juga mengalami rancang

ulang dalam hal pemilihan materialnya. Center plate memiliki

diameter 28 cm untuk mengakomodir lokasi penempatan

motor servo, gear box, dan penyangga bilah. Pada awalnya

center plate dibuat menggunakan bahan pelat besi dengan

ketebalan 4 mm. rancangan ini membuat bobot pada poros

turbin menjadi berat dan sulit untuk berputar. Akhirnya

dilakukan rancang ulang dengan mengganti bahan center plate

dengan poly vinyl chloride (PVC) dengan diameter 28 cm dan

tebal 15 mm. Bahan ini memiliki bobot yang lebih ringan

dibandingkan pelat baja. Selain itu bila dibandingkan dengan

rancangan awal prototipe turbin angin milik Adam Harika

yang menggunakan teflon, bahan PVC ini lebih kuat dan ulet.

Gbr 12. Rancangan final center plate menggunakan PVC

C. Sensor Putaran Rotor

Untuk mengetahui kondisi kecepatan putaran turbin

diperlukan sensor berupa rangkaian rotary encoder relatif dan

photointerrupter. Rangkaian ini akan menghasilkan sejumlah

pulsa saat rotor berputar, dimana jumlah pulsa tiap detiknya

akan dihitung oleh sistem monitor untuk menentukan PPS

(Pulsa per Sekon).

Rotary encoder yang digunakan memiliki 20 celah,

sehingga untuk menghitung putaran per sekon (RPS) dan

putaran per menit (RPM) digunakan persamaan berikut.

-./ = 012 (9)

-.3 = -./. 60 (10)

Dimana:

RPS = putaran per sekon

RPM = putaran per menit

n = jumlah pulsa per detik

Pada sensor putaran ini dilakukan pengujian untuk

mengetahui ketepatan sensor dalam membaca kecepatan

putaran rotor turbin (RPM). Pengujian dilakukan dengan

menggunakan laser tachometer Lutron VT-8204.

D. Pengaturan Sudut Pitch dan Monitoring Sistem

Untuk memudahkan pengambilan data hubungan antara

sudut pitch, kecepatan angin, dan kecepatan putaran rotor,

maka dirancang suatu sistem pengaturan sudut pitch dan

monitoring kecepatan putaran rotor. Sistem ini terdiri atas dua

mikrokontroler, yaitu servo driver dan monitoring. Kedua

mikrokontroler ini terhubung satu sama lain melalui pulsa

kendali PWM dari mikrokontroler monitor ke mikrokontroler

servo driver.

6

Gbr 13. Diagram blok sistem pengaturan sudut pitch dan monitoring

kecepatan rotor

Untuk memudahkan pengaturan sudut pitch dan memonitor

putaran rotor, maka sebuah software berbasis Visual Basic

dirancang untuk mengkomunikasikan mikrokontroler dengan

PC. Software ini dirancang dengan antarmuka sesederhana

mungkin untuk memudahkan penggunaannya.

Gbr 14. Antarmuka software pitch setting dan monitoring

Pada software tersebut terdapat beberapa tombol perintah

untuk pengaturan serial com port, slider pengatur sudut, dan

perintah untuk memulai monitoring dan perekaman data ke

database Microsoft Access. Tombol “Set” pada frame

“Pencatat Waktu” digunakan untuk mengatur lokasi com port

dan interval pencatatan kecepatan turbin. Slider dan tombol

“Set” pada frame “Pengatur Pitch” digunakan untuk mengatur

sudut pitch pada bilah. Saat tombol “Set” tersebut ditekan,

maka VB akan mengirimkan karakter “s” dan diikuti dengan 5

karakter angka yang merepresentasikan data OCR1A. Apabila

karakter berhasil terkirim, maka label “Sinyal Mikro” akan

memberikan angka yang sama dengan label “Sinyal Servo”.

Pada frame “Monitor Kecepatan” terdapat beberapa tombol

yang digunakan untuk memulai proses monitoring dan

perekaman data. Tombol “Cek” digunakan untuk memeriksa

komunikasi PC dengan mikrokontroler. Saat tombol ini

ditekan, maka VB akan mengirimkan karakter “a” satu kali

dan menerima respon dari mikro untuk ditampilkan pada label

PPS, RPS, dan RPM. Tombol “Mulai” digunakan untuk

memulai proses monitoring kecepatan putaran turbin. Saat

tombol Mulai ditekan, maka VB akan mengirimkan karakter

“a” berulang-ulang dengan interval sesuai dengan pengaturan

awal. Tombol “Rekam” digunakan untuk memonitor sekaligus

merekam data pada database Microsoft Access. Saat tombol

ini ditekan maka VB akan mengirimkan karakter “a” secara

berulang-ulang dan sekaligus merekam data Tanggal, Sinyal

servo, PPS, RPS, RPM. Bila proses perekaman data dimulai

maka label durasi akan mulai menghitung lama perekaman

dalam sekon.

E. Rancangan Alat Uji Wind Blower

Untuk melakukan pengujian dan pengambilan data kinerja

turbin angin, maka dirancang pula suatu instrumen uji berupa

wind blower. Wind blower ini digunakan untuk

mengkondisikan angin yang meniup turbin angin dengan

kecepatan tertentu.

Wind blower dibuat menggunakan lorong ducting yang

terbuat dari triplek dan besi siku, dan bagian pangkalnya di

lengkapi dengan dua kipas blower. Ducting dirancang dengan

lubang awal yang lebarnya 150 cm dengan tinggi 70 cm untuk

menggabungkan angin dari dua kipas. Kemudian pada bagian

akhit ducting dirancang menyempit dengan bentuk persegi

dengan sisi 50 cm. Kemudian dilanjutkan dengan lorong

berbentuk balok dengan sisi 50 cm dan panjang 200 cm.

Gbr 15. Desain dan dimensi ducting wind blower

Rancangan wind blower dilengkapi dengan dua buah kipas

blower CKE NEF-45b berukuran 18”. Satu buah kipas mampu

menghasilkan angin dengan kecepatan 7,5 m/s. Bila

dikombinasikan dengan ducting, maka diharapkan terdapat

penjumlahan vektor kecepatan angin sehingga dihasilkan

angin dengan kecepatan mencapai 9 – 10 m/s. Namun pada

kenyataannya angin yang dihasilkan pada ujung ducting

maksimal adalah 4.8 – 5.0 m/s yang didapat dengan menyetel

kipas pada mode high-high. Akhirnya diputuskan untuk

pengujian dan pengambilan data turbin angin, digunakan 4

mode kecepatan angin menggunakan ducting, dan 3 mode

kecepatan tanpa menggunakan ducting.

TABEL 2. TABEL MODE KECEPATAN ANGIN PENGUJIAN

Mode Kipas 1 Kipas 2 Ducting Kecepatan

Angin

1 High High No 7.5 m/s

2 Medium Medium No 7.0 m/s

3 Low Low No 6.5 m/s

4 High High Yes 4.8 m/s

5 Medium Medium Yes 4.1 m/s

6 High - Yes 3.1 m/s

7 Low - Yes 2.8 m/s

F. Pengambilan Data Sudut Pitch Optimal

Dalam mencari sudut pitch optimal diperlukan beberapa

data yang harus diambil, yaitu kecepatan angin sebelum

turbin, kecepatan angin setelah turbin, sudut pitch, dan PPS

(pulsa per sekon). Kecepatan angin sebelum dan sesudah

melewati turbin diambil untuk mendapatkan data pendekatan

koefisien daya turbin. Untuk mengambil data kecepatan angin

digunakan dua anemometer digital. Data PPS digunakan untuk

mencari RPS dan RPM rotor turbin, dan untuk selanjutnya

diolah untuk mendapatkan tip speed ratio. Pengambilan data

PPS sendiri dilakukan secara otomatis pada software

monitoring.

Proses pengambilan data dilakukan dengan prosedur tetap.

Pertama kali turbin angin diletakkan pada posisi 1 meter dari

ujung blower. Kemudian blower uji dinyalakan dan dibiarkan

selama 5 – 10 menit untuk mendapatkan angin yang stabil.

Setelah itu kecepatan angin dari blower diukur menggunakan

anemometer. Kemudian software monitoring dinya

mengeset sudut pitch yang ditentukan. Setelah itu bilah turbin

A diarahkan ke azimuth 0o. Software mulai merekam data dan

rotor turbin dibiarkan berputar. Setiap data pada kecepatan

angin dan sudut pitch tertentu diambil selama 120 sekon

ketika kecepatan turbin mulai stabil. Data kecepatan rotor

tesebut kemudian diambil nilai rata-ratanya dan ditetapkan

sebagai kecepatan putaran rotor untuk kecepatan angin dan

sudut pitch tertentu. Disaat software merekam data PPS rotor,

kecepatan angin sebelum turbin dan sesudah melewati turbin

diambil. Titik pengambilan data kecepatan angin sebelum

turbin diambil pada ujung blower uji. Sedangkan titik

pengambilan data kecepatan angin setelah melewati turbin

diambil pada titik 1 meter dibelakang turbin.

IV. HASIL PENELITIAN

Kinerja dari turbin angin yang telah dibuat dianalisa dengan

beberapa data yang telah diambil. Beberapa variabel yang

dapat dijadikan acuan kinerja turbin angin adalah RPM

terhadap Sudut pitch pada kecepatan angin yang bervariasi,

Tip Speed Ratio terhadap kecepatan angin pada sudut

yang bervariasi, koefisien daya terhadap kecepatan angin pada

sudut pitch yang bervariasi, dan koefisien daya terhadap Tip

Speed ratio untuk masing-masing sudut pitch

A. RPM Maksimum

Dari data yang telah diambil dapat dibuat grafik hubungan

RPM terhadap sudut pitch dan kecepatan angin untuk

memudahkan pengamatan titik-titik sudut

Gbr 16. Grafik RPM fungsi Sudut Pitch dan Kecepatan Angin

B. Tip Speed Ratio

Tip speed ratio adalah perbandingan antara kecepatan ujung

bilah dengan kecepatan angin. Kecepatan ujung bilah dicari

dengan mengalikan kecepatan angular rotor (rad/s) dengan

koefisien daya turbin. Untuk mengambil data kecepatan angin

digunakan dua anemometer digital. Data PPS digunakan untuk

RPS dan RPM rotor turbin, dan untuk selanjutnya

diolah untuk mendapatkan tip speed ratio. Pengambilan data

PPS sendiri dilakukan secara otomatis pada software

Proses pengambilan data dilakukan dengan prosedur tetap.

iletakkan pada posisi 1 meter dari

ujung blower. Kemudian blower uji dinyalakan dan dibiarkan

10 menit untuk mendapatkan angin yang stabil.

Setelah itu kecepatan angin dari blower diukur menggunakan

anemometer. Kemudian software monitoring dinyalakan untuk

yang ditentukan. Setelah itu bilah turbin

. Software mulai merekam data dan

rotor turbin dibiarkan berputar. Setiap data pada kecepatan

tertentu diambil selama 120 sekon

kecepatan turbin mulai stabil. Data kecepatan rotor

ratanya dan ditetapkan

sebagai kecepatan putaran rotor untuk kecepatan angin dan

tertentu. Disaat software merekam data PPS rotor,

turbin dan sesudah melewati turbin

diambil. Titik pengambilan data kecepatan angin sebelum

turbin diambil pada ujung blower uji. Sedangkan titik

pengambilan data kecepatan angin setelah melewati turbin

diambil pada titik 1 meter dibelakang turbin.

ENELITIAN

Kinerja dari turbin angin yang telah dibuat dianalisa dengan

beberapa data yang telah diambil. Beberapa variabel yang

dapat dijadikan acuan kinerja turbin angin adalah RPM

pada kecepatan angin yang bervariasi,

terhadap kecepatan angin pada sudut pitch

yang bervariasi, koefisien daya terhadap kecepatan angin pada

yang bervariasi, dan koefisien daya terhadap Tip

pitch.

pat dibuat grafik hubungan

dan kecepatan angin untuk

titik sudut pitch optimal.

Grafik RPM fungsi Sudut Pitch dan Kecepatan Angin

perbandingan antara kecepatan ujung

bilah dengan kecepatan angin. Kecepatan ujung bilah dicari

dengan mengalikan kecepatan angular rotor (rad/s) dengan

jari-jari rotor. Kemudian dibandingkan dengan kecepatan

angin pada daerah 1.

6/- = 1.7.8.89:;

Dimana R adalah jari-jari rotor, RPS adalah rotasi per

sekon, dan V adalah kecepatan angin.

Gbr 17. Grafik TSR terhadap kecepatan angin untuk tiap sudut pitch

Dari grafik tersebut dapat terlihat

speed ratio dipengaruhi langsung oleh kecepatan angin dan

sudut pitch. Titik-titik TSR maksimum dicapai pada kecepatan

angin sebesar 7.5 m/s untuk sudut

Sedangkan untuk sudut pitch

speed ratio benilai 0. Hal ini menunjukkan sudut

dapat menghasilkan putaran adalah 5 sampai 70 derajat.

C. Koefisien Daya

Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin

angin untuk mengekstrak daya total yang dihasilkan oleh

angin. Daya angin merupakan daya yang dihasilkan angin

dengan kecepatan tertentu yang melewati luasan sapuan bilah

turbin.

� = ���� = �

� �� ����

Dimana ρair adalah massa jenis udara, dan v ada

kecepatan angin. Untuk mencari koefisien daya pada turbin

dilakukan pendekatan menggunakan kontur kecepatan tube

angin ideal.

�� = �� = � �� ��

�� = � �� ��

� = � = � �� �

� = � �

Daya angin yang diekstrak adalah daya angin sebelum

melewati turbin (daerah 1) dikurangi dengan daya angin

seltelah melewati turbin (daerah 4).

�� = �� ��� ���

��

�� = �� ��� ���

��

Untuk mempermudah perhitung

luasan sapuan turbin (daerah 2).

�� = �� � ��� ��

�� = ��

�� = �� ������ = ��.

Sehingga koefisien turbin angi

kecepatan angin sebelum melewati turbin dan setelah

melewati turbin.

7

jari rotor. Kemudian dibandingkan dengan kecepatan

(11)

jari rotor, RPS adalah rotasi per

sekon, dan V adalah kecepatan angin.

Grafik TSR terhadap kecepatan angin untuk tiap sudut pitch

Dari grafik tersebut dapat terlihat dengan jelas bahwa tip

speed ratio dipengaruhi langsung oleh kecepatan angin dan

titik TSR maksimum dicapai pada kecepatan

angin sebesar 7.5 m/s untuk sudut pitch 5 sampai 70 derajat.

pitch 0 dan 75 sampai 90 derajat tip

speed ratio benilai 0. Hal ini menunjukkan sudut pitch yang

dapat menghasilkan putaran adalah 5 sampai 70 derajat.

Koefisien daya turbin angin adalah kemampuan turbin

angin untuk mengekstrak daya total yang dihasilkan oleh

angin merupakan daya yang dihasilkan angin

dengan kecepatan tertentu yang melewati luasan sapuan bilah

������ = �

� ����� (12)

adalah massa jenis udara, dan v adalah

kecepatan angin. Untuk mencari koefisien daya pada turbin

dilakukan pendekatan menggunakan kontur kecepatan tube

(13)

yang diekstrak adalah daya angin sebelum

melewati turbin (daerah 1) dikurangi dengan daya angin

seltelah melewati turbin (daerah 4).

(14)

(15)

Untuk mempermudah perhitungan maka luas disubstitusi ke

luasan sapuan turbin (daerah 2).

��. ). (� ��� ��

�� (16)

. ). (������ (17)

Sehingga koefisien turbin angin dapat dicari dengan data

kecepatan angin sebelum melewati turbin dan setelah

"# = ��<���� = ��

����<��

�����)(������

�(��)(�)

Dengan menggunakan persamaan 18, koefisien daya pada

tiap titik kecepatan angin dan sudut pitch

diketahui.

Gbr 18. Grafik Koefisien daya terhadap kecepatan angin untuk

tiap sudut pitch

Dari data tersebut dapat dicari titik koefisien daya

maksimum terhadap kecepatan angin untuk setiap sudut

Tabel berikut menunjukkan koefisien daya maksimum untuk

mencari letak kecepatan angin dan sudut pitch

TABEL 3. KOEFISIEN DAYA MAKSIMUM PADA SETIAP SUDUT

Sudut Cp

maksimum

Kecepatan angin

5 0.523

10 0.545

15 0.545

20 0.510

25 0.398

30 0.473

35 0.435

40 0.394

45 0.435

50 0.435

55 0.352

60 0.262

65 0.308

70 0.214

Dapat dilihat bahwa turbin angin memiliki koefisien daya

yang cukup baik mengingat turbin angin horizontal axis pada

umumnya memiliki koefisien daya maksimum antara 0.35

sampai 0.40.

D. Sudut Pitch Optimal

Sudut pitch optimal untuk turbin angin adalah sudut pitch

dimana turbin angin menghasilkan daya maksimum pada

kecepatan angin tertentu. Untuk mendapatkan sudut pitch

optimal dilakukan dua pendekatan. Pendekatan pertama

melalui hubungan antara koefisien daya dengan kecepatan

angin dan sudut pitch. Sedangkan pendekatan kedua melalui

hubungan antara RPM dengan kecepatan angin dan sudut

pitch.

(18)

, koefisien daya pada

pitch tertentu dapat

Grafik Koefisien daya terhadap kecepatan angin untuk

Dari data tersebut dapat dicari titik koefisien daya

maksimum terhadap kecepatan angin untuk setiap sudut pitch.

Tabel berikut menunjukkan koefisien daya maksimum untuk

pitch optimal.

UM PADA SETIAP SUDUT PITCH

Kecepatan angin

4.8

7.5

7.5

7.5

4.1

7.5

7.5

7.5

7.5

7.5

7.5

7.5

7.5

7.5

angin memiliki koefisien daya

yang cukup baik mengingat turbin angin horizontal axis pada

umumnya memiliki koefisien daya maksimum antara 0.35

Sudut pitch optimal untuk turbin angin adalah sudut pitch

enghasilkan daya maksimum pada

kecepatan angin tertentu. Untuk mendapatkan sudut pitch

optimal dilakukan dua pendekatan. Pendekatan pertama

melalui hubungan antara koefisien daya dengan kecepatan

angin dan sudut pitch. Sedangkan pendekatan kedua melalui

bungan antara RPM dengan kecepatan angin dan sudut

Gbr 19. Grafik sudut pitch optimal terhadap koefisien daya

Melalui pendekatan pertama dapat diketahui bahwa sudut

pitch yang menghasilkan koefisien daya yang relatif tinggi

pada seluruh rentang kecepatan angin adalah sudut 10, 15, dan

20. Pada kecepatan angin 3 m/s, turbin angin yang memiliki

sudut pitch 10, 15, dan 20 memiliki koefisien daya diatas 0.3.

Pada pendekatan kedua melalui hubungan antara RPM rotor

dengan kecepatan angin dan sudut pitch, dilakukan

penyempitan deretan data mulai 5 sampai 30 derajat dan

kemudian didekati dengan regresi polinomial orde 3. Dari

pendekatan tersebut akan didapatkan nilai

optimal untuk rentang kecepatan 2.8 sampai 7.5 m/s.

Gbr 20. Grafik sudut pitch optimal terhadap RPM turbin

TABEL 4. SUDUT PITCH OPTIMAL

Kecepatan Angin

(m/s)

Sudut Pitch

Optimal

2.8 10.35

3.8 10.37

4.1 13.10

4.8 10.15

6.5 13.16

7.0 16.19

7.5 10.87

V. KESIMPULAN

Telah berhasil dirancang dan dibangun sebuah

Turbin Angin dengan koefisien daya, Cp maksimum

pada sudut pitch 10o

dan kecepatan angin 7.5 m/s.

optimal untuk prototipe turbin angin adalah 10

dengan rincian Cp maksimum 0.545

pada sudut 10o), 0.545 (kecepatan angin

15o), dan 0.510 (kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 20

Sudut pitch yang menghasilkan RPM maksimum untuk

kecepatan angin 2.8 m/s sampai 7.5 m/s adalah

berikut, 10.35o pada kecepatan angin 2.8 m/s

8

. Grafik sudut pitch optimal terhadap koefisien daya

Melalui pendekatan pertama dapat diketahui bahwa sudut

pitch yang menghasilkan koefisien daya yang relatif tinggi

ada seluruh rentang kecepatan angin adalah sudut 10, 15, dan

20. Pada kecepatan angin 3 m/s, turbin angin yang memiliki

sudut pitch 10, 15, dan 20 memiliki koefisien daya diatas 0.3.

Pada pendekatan kedua melalui hubungan antara RPM rotor

angin dan sudut pitch, dilakukan

penyempitan deretan data mulai 5 sampai 30 derajat dan

kemudian didekati dengan regresi polinomial orde 3. Dari

pendekatan tersebut akan didapatkan nilai-nilai sudut pitch

optimal untuk rentang kecepatan 2.8 sampai 7.5 m/s.

. Grafik sudut pitch optimal terhadap RPM turbin

UDUT PITCH OPTIMAL

Sudut Pitch

Optimal

RPM Maksimum

10.35 39.58

10.37 54.28

13.10 64.38

10.15 68.96

13.16 112.83

16.19 99.02

10.87 168.09

ESIMPULAN

Telah berhasil dirancang dan dibangun sebuah Prototipe

dengan koefisien daya, Cp maksimum, 0.544

dan kecepatan angin 7.5 m/s. Sudut pitch

optimal untuk prototipe turbin angin adalah 10o sampai 20

o,

dengan rincian Cp maksimum 0.545 (kecepatan angin 7.5 m/s

(kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut

(kecepatan angin 7.5 m/s pada sudut 20o).

Sudut pitch yang menghasilkan RPM maksimum untuk

kecepatan angin 2.8 m/s sampai 7.5 m/s adalah sebagai

pada kecepatan angin 2.8 m/s dengan RPM

9

39.58; 10.37o pada kecepatan angin 3.8 m/s dengan RPM

54.28; 13.10o pada kecepatan angin 4.1 m/s dengan RPM

64.38; 10.15o pada kecepatan angin 4.8 m/s dengan RPM

68.96; 13.16o pada kecepatan angin 6.5 m/s dengan RPM

112.83; 16.19o pada kecepatan angin 7.0 m/s dengan RPM

99.02; dan 10.87o pada kecepatan angin 7.5 m/s dengan RPM

168.09.

Beberapa saran untuk kelanjutan penelitian ke depan adalah

Membandingkan bilah dengan jenis airfoil lain agar dapat

dijadikan perbandingan sudut optimal dan koefisien daya

terbesar. Memperhatikan syarat-syarat pengujian turbin angin

tanpa mengabaikan aspek mekanika fluida, terutama pada

aspek external flow. Melakukan pengujian lapangan untuk

prototipe turbin angin.

.

VI. DAFTAR PUSTAKA

BUHL, M. 2009. WIND TURBINE AIRFOILS. &ATIO&AL

RE&EWABLE E&ERGY LABORATORY. [ONLINE]

OCTOBER 15, 2009. [CITED: JANUARY 20, 2011.]

HTTP://WIND.NREL.GOV/AIRFOILS/.

Burton, Tony, et al. 2001. Wind Energy Handbook. New

York : John Wiley & Sons, LTD, 2001.

DJLPE. 2005. Blueprint Pengeloaan Energi &asional 2005 -

2010. Jakarta : Direktorat Energi dan SDM, 2005.

EG. 2010. Servo Motors Tutorial. Engineers Garage. [Online]

2010. [Cited: March 10, 2011.]

http://www.engineersgarage.com/articles/servo-

motor.

Electricly. 2010. Absolute Optical Encoders. Electricly.

[Online] 2010. [Cited: March 12, 2011.]

http://electricly.com/absolute-optical-encoders-

rotary-encoders/.

Harika, Adam. 2008. Rancang Bangun Blade Pitch Angle

Control System Berbasis Classicfuzzy pada Prototipe

Wind Turbine. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh

Nopember, 2008.

Jha, A.R. 2011. Wind Turbine Technology. New York : CRC

Press, 2011.

Johnson, Gary L. 2006. Wind Energy System. Manhattan :

KS, 2006.

Meterdigital. 2010. Lutron VT-8204 Vibration Meter. Meter

Digital. [Online] 2010. [Cited: May 22, 2011.]

http://meterdigital.com/content/lutron-vt-8204-

vibration-meter-tachometer.

Optimal angle of attack for untwisted blade wind turbine.

Thumthae, C and Chitsomboon, T. 2009. 34, s.l. :

Elsevier, Renewable Energy, 2009.

Piggot, Hugh. 2001. Wind Power Workshop. s.l. : Centre for

Alternative Technology Publication, 2001.

Rand, Joseph. 2010. KidWind Project: Wind Turbine Blade

Design. s.l. : National Wind Technology Center,

2010.

The starting and low wind speed behaviour of a small

horizontal axis wind turbine. Wright, A K and

Wood, D H. 2004. 92, s.l. : Elsevier, Renewable

Energy, 2004, Elsevier, Renewable Energy, pp. 1265-

1279.

UEA. 2008. Learn How Slip Rings Work. UEA-Inc. [Online]

2008. [Cited: March 12, 2011.] http://info.uea-

inc.com/learn-how-slip-rings-work/.

WWEA. 2010. World Wind Energy Report 2010. Bonn :

World Wind Energy Association, 2010.

BIODATA PE�ULIS

� Nama : Farid Ridha Muttaqin

� TTL : Gresik, 10 Okt 1989

� Gender : Laki-laki

� Agama : Islam

� Alamat : Baja 12/10 PPI,

Kec. Manyar, Gresik

� Telp. : (031) 3950290

� HP : 085730315421

� Email : fr.muttaqin@gmail.com

Riwayat pendidikan :

� SD : SD Muhammadiyah 1 Gresik (1995-2001)

� SMP : SLTPN 1 Gresik (2001-2004)

� SMU : SMAN 1 Gresik (2004-2007)

� PT : S1 Teknik Fisika FTI- ITS (2007 -

sekarang)