ANALISIS DAN PERANCANGAN TURBIN ANGIN SUMBU VERTIKAL (SAVONIUS DAN DARRIEUS) UNTUK WILAYAH PESISIR INDONESIA

بِسْمِ ٱللَّهِ ٱلرَّحْمَـٰنِ ٱلرَّحِيمِ

ٱلسَّلَامُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ ٱللَّٰهِ وَبَرَكَاتُهُ

A. JUDUL PROYEK

Analisis dan Perancangan Turbin Angin Sumbu Vertikal (Savonius dan Darrieus) untuk Wilayah Pesisir Indonesia

B. NAMA LENGKAP PENULIS

Nama : Didan Geraldi Purnomo

NPM : 2406419575

C. AFILIASI

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

D. ABSTRAK

Laporan ini membahas analisis dan perancangan awal turbin angin sumbu vertikal (VAWT) jenis Savonius dan Darrieus tipe-H untuk pembangkit listrik skala desa di wilayah pesisir Indonesia. Perancangan menggunakan data studi berupa kecepatan angin rata-rata 5 m/s (variasi 4 sampai 6 m/s), kerapatan udara 1,17 kg/m³, serta rotor berdiameter 1,5 m dan tinggi 2 m dengan luas sapuan 3 m². Proses analisis meliputi daya angin, batas Betz dan faktor induksi, TSR, putaran, torsi, geometri rotor, segitiga kecepatan dan sudut serang, torsi awal, rugi sistem, estimasi energi tahunan, serta pemeriksaan awal poros dan struktur.

Hasil perhitungan menunjukkan daya angin 219,4 W. Daya poros Savonius (Cp 0,20) sebesar 43,9 W pada 57 rpm dan Darrieus (Cp 0,33) sebesar 72,4 W pada 191 rpm. Setelah rugi transmisi, generator, dan elektronika daya, daya listrik masing-masing 30,9 W dan 53,2 W. Darrieus unggul dalam efisiensi, tetapi sudut serang maksimum 19,5° pada TSR 3 dan torsi awal yang lemah membuatnya sulit start sendiri, sedangkan Savonius memiliki torsi awal sekitar 9,9 N·m. Poros dipilih berdiameter 45 mm berdasarkan beban lentur angin badai. Seluruh angka merupakan hasil analitis awal; simulasi CFD, analisis struktur, dan pengujian tetap diperlukan sebelum implementasi nyata.

E. DEKLARASI PENULIS

1. Kesadaran Diri yang Mendalam (Deep Awareness of I)

Dalam melakukan analisis dan perancangan turbin angin ini, penulis menyadari bahwa engineering bukan sekadar proses memasukkan angka ke dalam persamaan. Setiap keputusan desain dapat memberikan dampak terhadap manusia, keselamatan, pemanfaatan sumber daya, dan lingkungan. Energi yang terkandung di dalam angin merupakan fenomena alam yang bekerja mengikuti hukum-hukum fisika (Sunnatullah), sedangkan manusia berusaha mempelajari dan memanfaatkannya melalui ilmu pengetahuan.

Kesadaran tersebut mendorong penulis untuk menerapkan prinsip Cara Cerdas Ingat Tuhan (CCIT) melalui ketelitian, kejujuran terhadap data, konsistensi perhitungan, dan keterbukaan terhadap keterbatasan hasil. Parameter seperti kecepatan angin, koefisien daya, dan efisiensi komponen dalam laporan ini masih merupakan data studi dan asumsi, belum merupakan hasil survei atau pengukuran suatu lokasi tertentu.

Dalam konteks wilayah pesisir, penerapan turbin angin tidak hanya perlu menghasilkan energi secara efisien, tetapi juga mempertimbangkan kebisingan, burung dan biota sekitar, keselamatan masyarakat, serta ketahanan material terhadap udara bergaram demi keberlanjutan.

2. Niat Kegiatan Proyek (Intention)

Perancangan ini dilakukan untuk memahami secara sistematis proses perubahan energi kinetik angin menjadi gaya aerodinamika pada bilah, energi mekanik pada rotor dan poros, lalu energi listrik melalui generator.

Tujuan teknis proyek adalah membandingkan rotor Savonius dan Darrieus tipe-H berdasarkan kondisi angin yang diberikan, memperoleh dimensi dan parameter operasi rotor secara rasional, serta mengevaluasi torsi, daya, dan efisiensi sistem.

Perancangan juga ditujukan untuk membangun proses engineering yang dapat ditelusuri dari data awal hingga keputusan desain akhir. Dengan demikian, setiap angka yang digunakan dapat dibedakan sebagai data, asumsi, hasil perhitungan, atau keputusan desain.

F. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Energi angin merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik, termasuk di wilayah pesisir Indonesia yang memiliki angin laut dan angin darat yang relatif konsisten. Kecepatan rata-rata angin pesisir umumnya rendah hingga sedang, sementara banyak desa nelayan dan pulau kecil masih bergantung pada genset diesel yang mahal, bising, dan menghasilkan emisi, atau belum memiliki listrik yang andal.

Pada turbin angin, energi kinetik udara yang bergerak diubah menjadi gaya aerodinamika pada bilah, lalu menjadi torsi dan putaran rotor. Poros kemudian memutar generator melalui transmisi sehingga menghasilkan listrik. Karena hanya sebagian daya angin yang dapat diekstraksi, analisis perlu melacak daya dari angin hingga listrik:

rantai konversi daya · 5 tahap, V = 5 m/s

Turbin angin sumbu vertikal (VAWT) menarik untuk kondisi pesisir karena dapat menerima angin dari segala arah tanpa mekanisme yaw, generator dan transmisi dapat diletakkan dekat tanah, dan putarannya relatif tenang. Dua jenis utama adalah Savonius yang digerakkan gaya hambat, dan Darrieus yang digerakkan gaya angkat. Savonius berefisiensi rendah tetapi mudah start, sedangkan Darrieus lebih efisien tetapi sulit start sendiri.

Metodologi perancangan pada laporan ini mengikuti pola dari kondisi angin dan daya yang tersedia menuju rotor, putaran, torsi, geometri, segitiga kecepatan, rugi sistem, poros, kemudian verifikasi dan iterasi desain.

Pemikiran Awal tentang Masalah (Initial Thinking)

Perancangan turbin angin tidak dapat dilakukan hanya dengan menentukan diameter rotor. Daya angin berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatan sehingga selisih kecil kecepatan angin berdampak besar pada daya. Selain itu, tidak seluruh daya angin dapat diambil: teori momentum membatasi ekstraksi maksimum sebesar 59,3% (batas Betz), dan rotor nyata mencapai nilai yang lebih rendah.

Jenis rotor memengaruhi karakter operasi. Savonius berputar lambat dengan torsi besar, sedangkan Darrieus berputar cepat dengan torsi kecil dan bergantung pada sudut serang bilah yang berubah sepanjang putaran. Karena itu kecepatan putar, torsi, dan kebutuhan transmisi perlu ditentukan untuk masing-masing rotor.

mekanisme Savonius dan Darrieus · tampak atas

Setelah daya poros diketahui, rugi pada transmisi, generator, dan elektronika daya perlu diperhitungkan untuk memperoleh daya listrik. Poros dan struktur juga perlu diperiksa terhadap beban angin badai dan gaya sentrifugal, serta bahan harus tahan korosi akibat udara laut.

Pemangku kepentingan yang terdampak adalah warga dan nelayan sebagai pengguna listrik, bengkel lokal sebagai pembuat dan perawat turbin, pengelola desa atau koperasi, serta lingkungan pesisir.

Tabel 1. Permasalahan dan respons perancangan

Permasalahan	Dampak	Respons Perancangan
Angin pesisir rendah, daya sebanding V³	Daya keluaran kecil	Hitung daya pada V = 4, 5, 6 m/s
Daya poros tidak boleh melebihi batas Betz	Klaim kinerja tidak realistis	Periksa Cp dan faktor induksi
Savonius berefisiensi rendah	Daya listrik kecil	Evaluasi Cp, TSR, dan geometri
Darrieus sulit start sendiri	Rotor tidak berputar pada angin rendah	Analisis sudut serang dan torsi awal
Putaran rotor tidak sesuai generator	Perlu transmisi	Tentukan rasio penguat putaran
Rugi transmisi, generator, elektronika	Daya listrik berkurang	Hitung efisiensi tiap tahap
Beban badai dan korosi	Kegagalan struktur	Periksa poros, gaya sentrifugal, material
Data masih asumsi	Belum siap dibangun	Survei angin, CFD, dan pengujian

Refleksi CCIT

Ketelitian terhadap data merupakan bagian dari tanggung jawab seorang engineer. Karena nilai Cp dan kondisi angin pada laporan ini masih berupa data studi dan asumsi, hal tersebut dinyatakan secara eksplisit agar hasil perancangan tidak diperlakukan sebagai hasil survei atau pengukuran lapangan.

G. METODE DAN PROSEDUR

Perancangan dimulai dari kondisi angin menuju parameter aerodinamika dan mekanik turbin angin sumbu vertikal. Karena kecepatan angin dan geometri rotor telah ditentukan, besarnya daya menjadi hasil dari proses perhitungan.

Idealisasi, Asumsi, dan Penyederhanaan

Udara dianggap inkompresibel dan angin dianggap seragam dan tunak (steady) pada kecepatan rata-rata 5 m/s, dengan 4 dan 6 m/s sebagai analisis sensitivitas. Turbulensi, wind shear, dan efek tiga dimensi di ujung bilah diabaikan pada tahap awal. Kerapatan udara pesisir diambil 1,17 kg/m³ dan viskositas kinematik 1,6 × 10⁻⁵ m²/s.

Kedua rotor memakai geometri luar yang sama (D = 1,5 m, H = 2 m) agar perbandingan adil. Koefisien daya tiap rotor diambil dari rentang representatif literatur pada TSR optimum (Savonius 0,20 pada TSR 0,9; Darrieus 0,33 pada TSR 3) dan dianggap konstan. Darrieus tipe-H menggunakan tiga bilah berprofil NACA 0018 dengan kord 0,15 m, sedangkan Savonius menggunakan dua bilah semi-silinder dengan overlap e/d = 0,15 dan end plate 1,1 D.

Untuk transmisi dan generator digunakan asumsi desain berupa efisiensi transmisi 0,92 (Savonius) dan 0,96 (Darrieus), efisiensi generator magnet permanen 0,85, dan efisiensi elektronika daya 0,90. Untuk torsi awal Savonius digunakan asumsi koefisien torsi statis 0,3.

Tabel 2. Data dan asumsi perancangan

Parameter	Simbol	Nilai	Satuan
Kecepatan angin rata-rata	V	5 (variasi 4–6)	m/s
Kerapatan udara	ρ	1,17	kg/m³
Viskositas kinematik	ν	1,6 × 10⁻⁵	m²/s
Diameter rotor	D	1,5	m
Tinggi rotor	H	2	m
Luas sapuan	A	3	m²
Cp Savonius	Cp	0,20	–
TSR optimum Savonius	λ	0,9	–
Cp Darrieus-H	Cp	0,33	–
TSR optimum Darrieus-H	λ	3,0	–
Jumlah bilah Darrieus	N	3	–
Kord bilah Darrieus	c	0,15	m
Overlap Savonius	e/d	0,15	–
Efisiensi transmisi Savonius / Darrieus	ηt	0,92 / 0,96	–
Efisiensi generator	ηg	0,85	–
Efisiensi elektronika daya	ηe	0,90	–
Koefisien torsi statis Savonius	Cts	0,3	–
Kecepatan angin badai	Vs	25	m/s
Koefisien hambat Savonius (badai)	Cd	1,2	–
Jarak bantalan	L	2,5	m
Tegangan geser izin / lentur izin	τ, σ	40 / 120	MPa

Instruksi (Instruction Set)

Urutan perancangan terdiri atas daya angin, daya poros dan pemeriksaan batas Betz, putaran dan torsi, geometri rotor Savonius, parameter rotor Darrieus, segitiga kecepatan dan sudut serang, torsi awal, rugi sistem dan daya listrik, estimasi energi tahunan, analisis awal poros dan struktur, pemilihan transmisi dan generator, studi parametrik, serta validasi. Perhitungan diotomatisasi dengan MATLAB (Lampiran D).

Refleksi CCIT

Data, asumsi, hasil perhitungan, dan keputusan desain dipisahkan secara jelas agar seluruh proses dapat diperiksa kembali dan tidak menampilkan asumsi sebagai fakta.

H. HASIL DAN PEMBAHASAN

Ringkasan Hasil Rancangan

Tabel 3. Ringkasan hasil perancangan (V = 5 m/s)

Parameter	Savonius	Darrieus-H
Daya angin	219,4 W	219,4 W
Koefisien daya (Cp)	0,20	0,33
Cp / batas Betz	33,7%	55,7%
Faktor induksi aksial	0,056	0,102
TSR optimum	0,9	3,0
Kecepatan sudut	6,0 rad/s	20,0 rad/s
Putaran rotor	57 rpm	191 rpm
Daya poros	43,9 W	72,4 W
Torsi operasi	7,3 N·m	3,6 N·m
Torsi awal	9,9 N·m	mendekati nol
Daya listrik	30,9 W	53,2 W
Efisiensi total (listrik / angin)	14,1%	24,2%
Rasio transmisi	sekitar 1:8	sekitar 1:2,5
Energi tahunan (batas atas kasar)	sekitar 517 kWh	sekitar 889 kWh
Diameter poros awal	45 mm	45 mm

1. Daya Angin yang Tersedia

Luas sapuan dan daya angin:

Pada V = 4 m/s dan V = 6 m/s, daya angin masing-masing 112,3 W dan 379,1 W. Kenaikan kecepatan 50% menaikkan daya sekitar 3,4 kali.

2. Daya Poros, Batas Betz, dan Faktor Induksi

Rasio terhadap batas Betz (0,593): Savonius 0,20 / 0,593 = 33,7% dan Darrieus 0,33 / 0,593 = 55,7%. Dari Cp = 4a(1 − a)² diperoleh faktor induksi a = 0,056 (Savonius) dan a = 0,102 (Darrieus), sehingga kecepatan di bidang rotor V(1 − a) masing-masing 4,72 m/s dan 4,49 m/s. Seluruh Cp berada di bawah batas Betz dan a < 1/3, sehingga konsisten secara fisik.

dihitung dari parameter Tabel 2 · V = 4–6 m/s, Cp tetap

Kedua rotor berada di bawah batas Betz; selisihnya adalah rugi aerodinamika yang tidak dapat dihindari pada rotor nyata.

3. Putaran, TSR, dan Torsi

Kecepatan ujung bilah pada V = 5 m/s adalah 4,5 m/s (Savonius) dan 15 m/s (Darrieus). Putaran dan torsi pada beberapa kecepatan angin:

V (m/s)	Savonius: rpm	Savonius: torsi (N·m)	Darrieus-H: rpm	Darrieus-H: torsi (N·m)
4	45,8	4,7	152,8	2,3
5	57,3	7,3	191,0	3,6
6	68,8	10,5	229,2	5,2

4. Geometri Rotor Savonius

Dari D = 2d − e dengan e = 0,15d:

Diameter end plate ditetapkan 1,1 D = 1,65 m untuk mengurangi kebocoran aliran di ujung bilah. Aspek rasio 1,33 berada pada rentang praktis rotor Savonius.

5. Parameter Rotor Darrieus Tipe-H

Bilangan Reynolds berkisar sekitar 0,9 × 10⁵ sampai 1,9 × 10⁵, yaitu rentang rendah di mana data airfoil harus dipilih hati-hati (Sheldahl dan Klimas, 1981).

6. Analisis Segitiga Kecepatan dan Sudut Serang

Kondisi Azimut 90°

Pada azimut 90° angin tegak lurus gerak bilah. Kecepatan bilah ωR = λV = 15 m/s dan kecepatan angin V = 5 m/s sehingga:

segitiga kecepatan bilah Darrieus · TSR 3, azimut 90°

Kondisi Sudut Serang Maksimum

Sudut serang maksimum terjadi saat cos θ = −1/λ:

TSR (λ)	Sudut serang maksimum	Interpretasi
1,5	41,8°	stall dalam, sulit start
2,0	30,0°	stall dinamis dominan
3,0	19,5°	stall dinamis sebagian siklus
4,0	14,5°	aliran lebih melekat pada bilah

Hasil ini menjelaskan secara fisik mengapa Darrieus efisien pada TSR 3 sampai 4 tetapi tidak mampu start dari keadaan diam: pada TSR rendah sudut serang jauh melampaui sudut stall airfoil sehingga gaya angkat kecil dan torsi tangensial lemah atau negatif.

7. Torsi Awal (Self-Starting)

Dengan asumsi koefisien torsi statis Cts = 0,3, torsi awal Savonius pada V = 5 m/s:

Nilai ini lebih besar dari torsi operasi 7,3 N·m sehingga Savonius mampu start sendiri pada angin rendah. Untuk Darrieus, torsi awal mendekati nol atau negatif pada sebagian posisi azimut, sehingga diperlukan starter, misalnya motor kecil, bilah Savonius pada poros dalam (rancangan hibrida), atau pengaturan pitch.

8. Rugi Sistem dan Daya Listrik

Daya poros dikurangi rugi transmisi, generator, dan elektronika daya:

Tahap (V = 5 m/s)	Savonius (W)	Darrieus-H (W)
Daya angin	219,4	219,4
Daya poros rotor	43,9	72,4
Setelah transmisi (0,92 / 0,96)	40,4	69,5
Setelah generator (0,85)	34,3	59,1
Daya listrik (setelah 0,90)	30,9	53,2
Efisiensi total	14,1%	24,2%

Hubungan daya memenuhi P_listrik < P_poros < P_angin, yaitu 30,9 < 43,9 < 219,4 W (Savonius) dan 53,2 < 72,4 < 219,4 W (Darrieus), sehingga konsisten terhadap prinsip konservasi energi.

9. Estimasi Energi Tahunan

Dengan distribusi Rayleigh untuk kecepatan rata-rata 5 m/s, rata-rata kubik kecepatan adalah (6/π) × 125 = 238,7 m³/s³ sehingga daya angin rata-rata 418,9 W. Estimasi ini adalah batas atas kasar karena Cp dan efisiensi dianggap tetap dan cut-in speed belum dimasukkan.

Parameter	Savonius	Darrieus-H
Daya poros rata-rata	83,8 W	138,2 W
Faktor rugi total (ηt × ηg × ηe)	0,704	0,734
Daya listrik rata-rata	59,0 W	101,5 W
Energi per tahun	sekitar 517 kWh	sekitar 889 kWh
Energi per hari	sekitar 1,4 kWh	sekitar 2,4 kWh

10. Perancangan Awal Poros dan Struktur

Torsi desain ditetapkan dua kali torsi maksimum Savonius pada 6 m/s (2 × 10,5 = 21,1 N·m). Dengan asumsi material tegangan geser izin 40 MPa (baja tahan karat, memperhitungkan alur pasak dan fatigue):

Beban angin badai untuk V = 25 m/s dan Cd = 1,2 (kasus terburuk Savonius), jarak bantalan L = 2,5 m, tegangan lentur izin 120 MPa:

Beban lentur menentukan, bukan puntir. Dipilih diameter awal:

d_poros = 45 mm

Gaya sentrifugal pada bilah Darrieus aluminium padat NACA 0018 (sekitar 15 kg per bilah, 2 m) pada 20 rad/s:

Nilai tersebut belum final karena desain aktual perlu mempertimbangkan fatigue, keyway, bantalan, sambungan bilah-lengan, dan kecepatan kritis.

11. Generator dan Sistem Transmisi

Untuk generator magnet permanen berkecepatan rendah dengan putaran nominal sekitar 460 sampai 480 rpm, rasio transmisi:

Savonius memerlukan penguat putaran sekitar 1:8 (misalnya dua tahap sabuk atau roda gigi), sedangkan Darrieus cukup sekitar 1:2,5 (belt-pulley). Rasio yang besar pada Savonius menambah rugi transmisi (0,92 dibanding 0,96). Generator dengan kapasitas nominal sedikit di atas daya listrik desain (53,2 W, misalnya kelas 100 W) dapat dipertimbangkan. Pemilihan aktual memerlukan karakteristik generator yang nyata.

12. Parametric Study

Pengaruh kecepatan angin pada daya, dengan Cp dan efisiensi dianggap tetap pada TSR optimum:

dihitung dari parameter Tabel 2 · V = 4–6 m/s, Cp dan efisiensi tetap

Darrieus menghasilkan sekitar 1,7 kali daya listrik Savonius pada setiap kecepatan angin, sehingga lebih dulu melewati beban minimum 50 W.

Perubahan kecepatan 10% (4,5 dan 5,5 m/s) mengubah daya −27% dan +33%. Karena itu ketelitian data angin lokasi lebih berpengaruh daripada selisih kecil geometri rotor. Pada praktiknya Cp tidak konstan di seluruh kecepatan, sehingga kurva daya aktual perlu diperoleh dari CFD atau pengujian.

13. Engineering Design Validation

Pemeriksaan	Hasil	Status
Cp di bawah batas Betz	0,20 dan 0,33 < 0,593	Memenuhi
Faktor induksi	0,056 dan 0,102 < 1/3	Memenuhi
P_listrik < P_poros < P_angin	30,9 < 43,9 < 219,4 W; 53,2 < 72,4 < 219,4 W	Memenuhi
TSR dihitung balik (ωR/V)	0,9 dan 3,0	Konsisten
Daya dari torsi (T × ω)	7,3 × 6,0 ≈ 43,9 W; 3,6 × 20 ≈ 72,4 W	Konsisten
Torsi awal Savonius > torsi operasi	9,9 > 7,3 N·m	Memenuhi
Sudut serang maksimum Darrieus	19,5° pada TSR 3	Stall dinamis sebagian siklus
Diameter poros	45 mm > 41,2 mm	Memenuhi
Energi tahunan	517 dan 889 kWh	Batas atas kasar

Pembahasan

Hasil perancangan menunjukkan keterkaitan yang konsisten antara kecepatan angin, kecepatan putar, torsi, dan daya keluaran. Pada angin 5 m/s, daya angin 219,4 W menghasilkan daya poros 43,9 W pada Savonius dan 72,4 W pada Darrieus, atau 33,7% dan 55,7% dari batas Betz. Selisih ini berasal dari mekanisme gaya: gaya hambat membatasi Cp Savonius karena bilah tidak dapat bergerak jauh lebih cepat dari angin, sedangkan gaya angkat memungkinkan bilah Darrieus bergerak tiga kali lebih cepat dari angin.

Analisis segitiga kecepatan menunjukkan sudut serang maksimum Darrieus 19,5° pada TSR 3 dan meningkat tajam pada TSR rendah. Hal ini menjelaskan mengapa Darrieus berputar cepat dengan torsi kecil tetapi sulit start sendiri, sedangkan Savonius berputar lambat dengan torsi besar dan mampu start (torsi awal 9,9 N·m).

Setelah rugi transmisi, generator, dan elektronika daya, daya listrik menjadi 30,9 W (Savonius) dan 53,2 W (Darrieus). Efisiensi total Darrieus (24,2%) hampir dua kali Savonius (14,1%), terutama karena Cp lebih tinggi dan rasio transmisi lebih kecil. Untuk beban 50 sampai 100 W di lokasi dengan angin rata-rata 5 m/s, Darrieus lebih baik secara energi, sedangkan Savonius lebih sederhana dan andal untuk start.

Rancangan hibrida (Savonius sebagai starter pada poros dalam dan Darrieus di luar) menjadi opsi iterasi berikutnya. Di pesisir, korosi dan beban siklik lebih menentukan umur pakai daripada selisih Cp beberapa persen, sehingga pemilihan material dan perawatan harus masuk kriteria keputusan. Nilai Cp dan Cts berasal dari literatur atau asumsi, rugi bantalan, efek tiga dimensi, dan cut-in speed belum dimasukkan, serta estimasi energi tahunan adalah batas atas kasar. Karena itu CFD, analisis struktur (FEA), dan pengujian prototipe menjadi langkah lanjutan.

Refleksi CCIT

Analisis menunjukkan bahwa model ideal selalu memiliki keterbatasan. Kesesuaian hasil dengan batas fisika (misalnya batas Betz) tidak berarti sistem telah terbukti bekerja dengan efisiensi yang sama di lapangan. Hasil perhitungan tetap perlu diverifikasi melalui pengukuran dan eksperimen.

I. KESIMPULAN, PENUTUP, DAN REKOMENDASI

Kesimpulan

Berdasarkan kecepatan angin rata-rata 5 m/s, kerapatan udara 1,17 kg/m³, dan luas sapuan 3 m², daya angin yang tersedia sebesar 219,4 W.

Rotor Savonius (Cp 0,20) menghasilkan daya poros 43,9 W pada 57 rpm dengan torsi 7,3 N·m dan torsi awal sekitar 9,9 N·m. Rotor Darrieus tipe-H (Cp 0,33) menghasilkan daya poros 72,4 W pada 191 rpm dengan torsi 3,6 N·m, tetapi sulit start sendiri karena sudut serang maksimum 19,5° pada TSR 3 dan lebih besar pada TSR rendah.

Setelah rugi sistem, daya listrik sebesar 30,9 W (Savonius) dan 53,2 W (Darrieus), dengan efisiensi total 14,1% dan 24,2%. Estimasi energi tahunan batas atas kasar sekitar 517 kWh dan 889 kWh. Diameter poros awal dipilih 45 mm berdasarkan beban lentur angin badai 25 m/s.

Secara konseptual, Darrieus tipe-H dengan starter atau rancangan hibrida sesuai untuk beban 50 sampai 100 W di wilayah pesisir, sedangkan Savonius sesuai untuk kebutuhan yang mengutamakan kesederhanaan dan keandalan start. Namun survei angin lokasi, CFD, analisis struktur, dan pengujian eksperimen tetap diperlukan sebelum konstruksi.

Penutup

Perancangan menunjukkan bahwa performa turbin angin sumbu vertikal tidak ditentukan oleh satu parameter, melainkan hasil hubungan antara kecepatan angin, jenis rotor, TSR, sudut serang, torsi, transmisi, generator, dan efisiensi sistem.

Rekomendasi

Survei angin lokasi minimal beberapa bulan perlu dilakukan untuk memperoleh distribusi kecepatan angin. Setelah itu desain perlu dihitung ulang dengan data aktual, dilanjutkan dengan CFD (2D lalu 3D) untuk kurva Cp terhadap TSR, pengujian rancangan hibrida dan rotor heliks, analisis struktur dan kelelahan, pemilihan material tahan korosi, pemilihan generator, pembuatan prototipe, dan pengujian efisiensi.

J. UCAPAN TERIMA KASIH

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kesempatan dan ilmu yang memungkinkan penyusunan perancangan ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada dosen pengampu mata kuliah Sistem Konversi Energi, keluarga, rekan mahasiswa, dan seluruh pihak yang mendukung proses pembelajaran.

K. DAFTAR PUSTAKA

Akwa, J. V., Vielmo, H. A., & Petry, A. P. (2012). A review on the performance of Savonius wind turbines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(5), 3054–3064.

Betz, A. (1920). Das Maximum der theoretisch möglichen Ausnützung des Windes durch Windmotoren. Zeitschrift für das gesamte Turbinenwesen, 26, 307–309.

Islam, M., Ting, D. S.-K., & Fartaj, A. (2008). Aerodynamic models for Darrieus-type straight-bladed vertical axis wind turbines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(4), 1087–1109.

Manwell, J. F., McGowan, J. G., & Rogers, A. L. (2009). Wind energy explained: Theory, design and application (2nd ed.). Chichester: Wiley.

Menter, F. R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598–1605.

Paraschivoiu, I. (2002). Wind turbine design: With emphasis on Darrieus concept. Montreal: Polytechnic International Press.

Sheldahl, R. E., & Klimas, P. C. (1981). Aerodynamic characteristics of seven symmetrical airfoil sections through 180-degree angle of attack for use in aerodynamic analysis of vertical axis wind turbines (SAND80-2114). Albuquerque: Sandia National Laboratories.

Catatan: periksa kembali detail referensi (tahun, volume, halaman) di perpustakaan atau database kampus sebelum dikumpulkan, dan tambahkan sumber dari materi kuliah.

L. LAMPIRAN

Lampiran A. Daftar Rumus

• A = D × H
• P_angin = ½ ρ A V³
• P = Cp × P_angin
• Cp = 4a(1 − a)²; Cp,maks = 16/27 ≈ 0,593
• λ = ωR / V
• n = 60ω / (2π)
• T = P / ω
• Savonius: D = 2d − e; H/D
• Darrieus: σ = N c / D
• W = V √(1 + 2λ cos θ + λ²); W maks = V(1 + λ); W min = V(λ − 1)
• α = arctan[sin θ / (λ + cos θ)]; α maks = arcsin(1/λ)
• Re = W c / ν
• T_start = Cts × ½ ρ A V² R
• P_listrik = P × ηt × ηg × ηe
• Rayleigh: rata-rata V³ = (6/π) × (V rata-rata)³; E = P_listrik rata-rata × 8760 jam
• d_puntir = (16T / πτ)^(1/3); d_lentur = (32M / πσ)^(1/3); M = F L / 4
• F_sentrifugal = m ω² R

Lampiran B. Rekapitulasi Parameter Final

Parameter	Simbol	Savonius	Darrieus-H	Satuan
Kecepatan angin	V	5	5	m/s
Kerapatan udara	ρ	1,17	1,17	kg/m³
Luas sapuan	A	3	3	m²
Daya angin	P_angin	219,4	219,4	W
Koefisien daya	Cp	0,20	0,33	–
Faktor induksi	a	0,056	0,102	–
TSR	λ	0,9	3,0	–
Kecepatan sudut	ω	6,0	20,0	rad/s
Putaran	n	57,3	191,0	rpm
Daya poros	P	43,9	72,4	W
Torsi	T	7,3	3,6	N·m
Torsi awal	T_start	9,9	mendekati nol	N·m
Diameter bilah Savonius	d	0,81	–	m
Solidity Darrieus	σ	–	0,30	–
Sudut serang maksimum	α maks	–	19,5	derajat
Bilangan Reynolds	Re	–	1,4 × 10⁵	–
Daya listrik	P_listrik	30,9	53,2	W
Efisiensi total	η	14,1	24,2	%
Energi tahunan (batas atas)	E	517	889	kWh
Diameter poros	d_s	45	45	mm

Lampiran C. The 33 DAI5 Implementation Evaluation Criteria

No.	Kriteria DAI5	Implementasi dalam Laporan
1	Consciousness of Purpose	Perancangan dilakukan dengan kesadaran bahwa ilmu engineering digunakan untuk memanfaatkan energi angin secara bertanggung jawab dan bermanfaat bagi masyarakat pesisir.
2	Self-awareness	Penulis menyadari bahwa desain masih memakai data studi dan asumsi, bukan survei lapangan atau pengujian fisik.
3	Ethical Considerations	Perancangan mempertimbangkan keselamatan, kebutuhan masyarakat, kebisingan, burung dan biota, serta dampak lingkungan pesisir.
4	Integration of CCIT	Ketelitian, kejujuran terhadap data, dan keterbukaan menyatakan asumsi dijadikan bagian dari tanggung jawab engineering.
5	Critical Reflection	Hasil dievaluasi kembali berdasarkan keterbatasan model, asumsi Cp, dan kebutuhan validasi lanjutan.
6	Continuum of Awareness	Kesadaran terhadap akurasi, keterbatasan, keselamatan, dan tanggung jawab dipertahankan sepanjang proses melalui Refleksi CCIT.
7	Clarity of Intent	Proyek bertujuan jelas: menganalisis dan membandingkan turbin Savonius dan Darrieus untuk wilayah pesisir.
8	Alignment of Objectives	Perhitungan daya, TSR, torsi, geometri, rugi, dan poros diarahkan pada tujuan utama perancangan.
9	Relevance of Intent	Perancangan difokuskan pada kebutuhan listrik skala desa pesisir dengan angin rendah hingga sedang.
10	Sustainability Focus	Desain mempertimbangkan energi terbarukan, ketahanan korosi, kemudahan perawatan lokal, dan umur pakai.
11	Focus on Quality	Kualitas dijaga melalui konsistensi satuan, pemeriksaan batas Betz, neraca daya, dan angka yang sama di laporan maupun MATLAB.
12	Problem Understanding	Masalah dijelaskan melalui hubungan angin, rotor, TSR, torsi, rugi sistem, dan beban struktur.
13	Stakeholder Awareness	Pemangku kepentingan: warga, nelayan, bengkel lokal, pengelola desa, dan lingkungan pesisir.
14	Contextual Analysis	Analisis ditempatkan dalam konteks pesisir tropis: angin rendah, udara bergaram, dan kapabilitas produksi lokal.
15	Root Cause Analysis	Penyebab dianalisis: daya sebanding V³, karakter rotor (hambat atau angkat), sudut serang, dan korosi.
16	Relevance of Analysis	Setiap analisis berkaitan langsung dengan keputusan desain pemilihan rotor, transmisi, dan poros.
17	Use of Data and Evidence	Data studi, asumsi desain, hasil perhitungan, dan keputusan desain dibedakan jelas; referensi dari literatur.
18	Assumption Clarity	Asumsi Cp, efisiensi, Cts, kecepatan badai, dan tegangan izin dinyatakan eksplisit pada Tabel 2.
19	Creativity and Innovation	Analisis menggabungkan teori momentum, segitiga kecepatan, sudut serang, estimasi energi, dan opsi rancangan hibrida.
20	Physical Realism	Hasil diperiksa terhadap batas Betz, faktor induksi, konservasi energi, dan hubungan P = T ω.
21	Alignment with Intent	Rotor, transmisi, dan material dipilih agar sederhana, realistis, dan sesuai kebutuhan desa pesisir.
22	Scalability and Adaptability	Desain dapat dihitung ulang bila kecepatan angin, ukuran rotor, atau generator berubah (parametric study).
23	Simplicity and Elegance	Model 1-D dan dua rotor dengan geometri luar sama memudahkan analisis dan perbandingan.
24	Clarity of Steps	Perhitungan disusun berurutan dari daya angin sampai validasi (langkah 1 sampai 13).
25	Comprehensiveness	Analisis mencakup aerodinamika, kinematika, rugi sistem, energi tahunan, poros, struktur, transmisi, dan validasi.
26	Physical Interpretation	Hasil dijelaskan maknanya, misalnya torsi besar dan putaran lambat Savonius serta sudut serang pada Darrieus.
27	Error Minimization	Pembulatan dilakukan di akhir, satuan dijaga konsisten, dan hasil diperiksa balik (TSR dan daya dari torsi).
28	Verification and Validation	Verifikasi melalui bagian 13 (Engineering Design Validation); validasi lanjutan melalui CFD, FEA, dan prototipe direkomendasikan.
29	Iterative Approach	Parameter (jumlah bilah, kord, rasio aspek, hibrida) dapat diubah dan dihitung ulang.
30	Sustainability Integration	Rekomendasi mencakup survei angin, material tahan korosi, perawatan lokal, dan sistem hibrida bersama surya.
31	Communication Effectiveness	Hasil disajikan dengan paragraf, tabel, persamaan, gambar mekanisme, segitiga kecepatan, dan kode MATLAB.
32	Alignment with the DAI5 Framework	Alur mengikuti kesadaran, niat, pemikiran awal, idealisasi, instruksi, evaluasi, dan perbaikan.
33	Documentation Quality	Laporan sistematis dengan perhitungan, tabel, gambar, referensi, validasi, MATLAB, dan lampiran.

Demikian laporan tugas besar saya, saya ucapkan terima kasih.

وَالسَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ