Perubahan Sudut Brim Pada Wind Lens Terhadap Kinerja Turbin Angin Skala Mikro

PERUBAHAN SUDUT BRIM PADA WIND LENS TERHADAP
KINERJA TURBIN ANGIN SKALA MIKRO

DANIEL A. P. SINAGA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Perubahan Sudut Brim pada
Wind Lens terhadap Kinerja Turbin Angin Skala Mikro adalah benar karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun
kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan
dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.

Bogor, Januari 2016

Daniel A. P. Sinaga
NIM F14110114

ABSTRAK
DANIEL A. P. SINAGA. Perubahan Sudut Brim pada Wind Lens terhadap Kinerja
Turbin Angin Skala Mikro. Dibimbing oleh EDY HARTULISTIYOSO dan
MUHAMAD YULIANTO.
Wind lens merupakan suatu selubung yang memiliki brim dan dipasang di
sekitar turbin angin untuk meningkatkan kecepatan angin datang sehingga dapat
meningkatkan daya yang dihasilkan. Tujuan penelitian ini adalah melakukan kajian
pada kinerja yang dihasilkan turbin angin akibat adanya perubahan sudut brim pada
wind lens. Turbin angin Jointiff WP-1 dengan diameter 36 cm telah diuji pada
penelitian ini. Wind Lens dengan 3 nilai sudut brim yaitu 90°, 75°, dan 60° telah
dipasang pada turbin angin secara bergantian untuk diuji. Turbin angin dan wind
lens diuji pada wind tunnel. Sumber angin berasal dari axial fan. Daya keluaran dan
kecepatan putar rotor turbin angin diukur oleh energy monitor Jointiff EM-1. Range
kecepatan angin sumber pada pengujian adalah 2.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1.

Nilai rata-rata power coefficient (Cw) yang dihasilkan oleh turbin angin tanpa wind
lens mencapai 0.062. Secara berturut-turut, Cw yang dicapai akibat pemasangan
wind lens dengan sudut brim 90°, 75°, dan 60° adalah 0.095, 0.104, dan 0.130. Hasil
eksperimen telah menunjukkan adanya peningkatan kinerja turbin angin akibat
pemasangan wind lens dengan sudut brim 90°, 75°, dan 60°.
Kata kunci: power coefficient, turbin angin, wind lens, wind tunnel

ABSTRACT
DANIEL A. P. SINAGA. Modification of Brim Angle in Wind Lens for Micro
Wind Turbine Performance. Supervised by EDY HARTULISTIYOSO and
MUHAMAD YULIANTO.
Wind lens is a shroud that is assembled around wind turbine to increase wind
speed so that the power of wind turbine can be increased. The purpose of this
research is to investigate the wind turbine performance by changing the brim angle
in wind lens. Jointiff WP-1 wind turbine was tested. The rotor diameter is 36 cm.
There were 3 values of brim angle that is 90°, 75°, and 60°. Wind lens with these 3
kinds of brim angle was assembled on wind turbine and tested in wind tunnel.
Output power and rotational speed of rotor was measured by energy monitor EM1. Wind speed from axial fan was ranged in 2.6 m s-1 to 5.5 m s-1. Average power
coefficient (Cw) by wind turbine without shroud was 0.062. Power coefficient (Cw)
of wind turbine with 90° brimmed wind lens, 75° brimmed wind lens, and 60°

brimmed wind lens was 0.095, 0.104, and 0.130 respectively. The experimental
result showed that the performance of wind turbine had increased after installing
90°, 75°, and 60° brimmed wind lens.
Keywords: power coefficient, wind lens, wind tunnel, wind turbine

PERUBAHAN SUDUT BRIM PADA WIND LENS TERHADAP
KINERJA TURBIN ANGIN SKALA MIKRO

DANIEL A. P. SINAGA

Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR

2016

Judul Skripsi

: Perubahan Sudut Brim pada Wind Lens terhadap neja
Turbin Angin Skala Mikro

Nama

: Daniel A. P. Sinaga

NIM

: F14110114

Disetujui oleh

,

Dr Ir Edy ulistiyoso, MScAgr

Pembimbing I

Tanggal Lulus:

2 2 JAN 2016

Pembimbing II

PRAKATA
Puji serta syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas berkat dan anugerahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi yang berjudul
“Perubahan Sudut Brim pada Wind Lens terhadap Kinerja Turbin Angin Skala
Mikro”. Penelitian ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar
Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi
Pertanian.
Skripsi ini tersusun atas bimbingan dan kerjasama dari berbagai pihak
selama penulisan. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Ir. Edy Hartulistiyoso, MScAgr, dan Dr. M. Yulianto, ST, MT, selaku dosen
pembimbing akademik atas bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada
penulis.

2. Dr. Slamet Widodo, STP, MSc sebagai dosen penguji yang telah memberikan
banyak masukan.
3. Ir. Sri Endah Agustina, MSi, selaku Kepala Divisi Teknik Energi Terbarukan,
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, IPB.
4. Dr. Ir. I Wayan Astika, MSi, selaku Koordinator Mayor Departemen Teknik
Mesin dan Biosistem yang telah memberikan bimbingan dan pembekalan dalam
penyusunan proposal ini.
5. Dr. Leopold O. Nelwan, S.TP, M.Si yang sudah memberi arahan dan dukungan
materiil pada penelitian ini.
6. Pak Harto yang telah berperan membantu proses penelitian.
7. Ayah, ibu, adik-adik dan teman-teman TMB 48 yang telah banyak mendukung
penulis selama penelitian.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa yang penulis buat masih jauh dari
sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat memerlukan kritik serta saran yang
membangun demi penyempurnaan penelitian dan demi peningkatan pengetahuan
agar menjadi lebih pesat. Semoga skripsi ini bermanfaat bagi semua pihak yang
membutuhkannya.

Bogor, Januari 2016

Daniel A. P. Sinaga

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

iv

DAFTAR GAMBAR

iv

DAFTAR LAMPIRAN

v

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian

TINJAUAN PUSTAKA
Turbin Angin
Wind Lens
Diffuser pada Turbin Angin
Brim pada Wind Lens
Pembentukan Vortex
METODE
Waktu dan Tempat
Alat dan Bahan
Prosedur Penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Kinerja Turbin Angin
Power Coefficient dan Tip Speed Ratio
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN

1

1
2
2
3
3
3
4
5
6
7
8
8
8
9
16
16
21
24
24
25

25
27

DAFTAR TABEL
1
2
3
4

Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 90°
Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 75°
Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 60°
Nilai TSR rata-rata dan Cw rata-rata pada range kecepatan angin pengujian

20
21
21
22

DAFTAR GAMBAR

1 Jenis turbin angin aksis horizontal dan turbin angin aksis vertikal
2 Wind lens buatan Yuji Ohya pada turbin angin
3 Tipe selubung berdasarkan struktur rongga

3
4
5

4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

Diffuser dengan tipe compact-brimmed
Aplikasi brim pada wind lens
Sketsa pembentukan vortex oleh brim pada wind lens
Pola aliran angin pada suatu benda padat
Turbin angin WindPitch WP-1
Energy Monitor EM-1
Diagram alir pelaksanaan penelitian
Skema turbin angin yang dilengkapi dengan diffuser dan brim
Sketsa sudut brim pada masing-masing wind lens
Wind lens pada penelitian ini
Experimental set-up saat pengujian kinerja turbin angin
Pengujian kinerja turbin angin pada wind tunnel
Grafik TSR terhadap Cw pada penelitian Ohya et al.
Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range
kecepatan angin sumber 2.7 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1
Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range
kecepatan angin sumber 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1
Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada range
kecepatan angin sumber 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1
Perubahan daya axial fan terhadap perubahan daya turbin angin dengan
brim 75° pada kecepatan angin 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1
Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan
angin sumber 2.7 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1
Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan
angin sumber 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1
Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan
angin sumber 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1
Daya yang dihasilkan turbin angin pada kecepatan angin sumber
Kecepatan angin sumber terhadap Cw
Nilai TSR terhadap Cw
Kurva TSR terhadap power coefficient pada beberapa jenis turbin angin

6
6
7
8
9
9
10
10
12
12
13
13
15
16
17
17
18
19
19
19
20
22
23
24

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Bagian turbin angin WP-1
Power resistor 20 W, 47 ohm
Brim 90° yang dipasang pada wind lens
Brim 75° yang dipasang pada wind lens
Brim 60° yang dibuat pada penelitian ini
Data pengukuran saat pengujian kinerja turbin angin
Grafik fluktuasi daya input axial fan terhadap daya keluaran turbin angin
saat pengujian
Tabel TSR dan power coefficient (Cw) setiap pengujian turbin angin
Contoh perhitungan nilai TSR
Contoh perhitungan nilai Cw
Hasil uji beda nyata daya turbin angin di setiap perlakuan
Wind lens dengan sudut brim 90°

28
28
29
29
29
30
34
38
39
39
40
41

13 Wind lens dengan sudut brim 75°
14 Wind lens dengan sudut brim 60°

42
43

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Ketersediaan energi merupakan hal yang sangat penting bagi segala kegiatan
di dunia ini. Sumber energi berupa bahan bakar fosil yang semakin langka
mengakibatkan munculnya berbagai teknologi energi alternatif. Sumber energi
alternatif dapat berasal dari surya, angin, air, dan biomassa.
Kebutuhan akan energi yang terus meningkat menjadi perhatian khusus bagi
setiap negara. Peningkatan kebutuhan akan energi menimbulkan masalah terhadap
ketersediaan energi suatu negara. Oleh karena itu pengembangan teknologi untuk
energi alternatif terus dilakukan.
Salah satu teknologi energi alternatif adalah pembangkit listrik tenaga angin.
Energi kinetik dari angin dimanfaatkan untuk menggerakkan suatu turbin angin
hingga diubah menjadi energi listrik. Angin yang dimanfaatkan sebagai suatu
pembangkit merupakan suatu pengembangan energi alternatif yang terbarukan dan
ramah lingkungan.
Aplikasi pembangkit listrik tenaga angin sudah banyak dilakukan di
Indonesia. Kapasitas pembangkit listrik tenaga angin per tahun yang sudah
terpasang di Indonesia pada tahun 2012 sebesar 1.962 MW (DJEBTKE 2014).
Kecepatan angin yang rendah di Indonesia menjadi salah satu kendala dalam
pemanfaatan energi angin ini karena daya yang dihasilkan proporsional dengan
pangkat tiga dari kecepatan angin. Pada ketinggian 30 meter di daerah Sulawesi
Selatan , kecepatan angin berkisar 2 m s-1 sampai dengan 4 m s-1. Namun pada
daerah tertentu seperti Takalar dan Bulukumba kecepatan angin didapat lebih dari
4 m s-1 (DESDM 2011).
Wind Lens dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan angin yang akan
dimanfaatkan oleh turbin angin sehingga daya yang dihasilkan juga meningkat.
Wind Lens merupakan suatu komponen yang berbentuk diffuser dengan tambahan
flange (brim) yang dipasang menutupi atau melingkupi turbin angin. Wind lens
merupakan suatu konsep untuk meningkatkan kecepatan angin dengan cara
menangkap dan mengonsentrasikan angin lokal dalam suatu mekanisme yang
disebut dengan wind-lens effect (Ohya et al. 2008).
Brim merupakan salah satu komponen dari wind lens yang berbentuk cincin
dan terletak pada bagian outlet. Brim berguna untuk menciptakan vortex di
belakang wind lens suatu turbin angin. Vortex berbentuk pusaran angin yang
menciptakan suatu area bertekanan lebih rendah di belakang wind lens atau turbin
angin. Area yang memiliki tekanan lebih rendah ini mengakibatkan peningkatan
kecepatan angin yang bisa memutar blade pada kincir sehingga terjadi peningkatan
daya yang dihasilkan.
Sampai saat ini sudah banyak dilakukan penelitian tentang uji eksperimental
terhadap wind lens. Percobaan dilakukan dengan membandingkan kinerja antara
wind turbine saja dengan wind turbine yang memakai wind lens. Untuk wind lens
berbentuk diffuser, dilakukan optimasi performansi wind turbine dengan mengubah
sudut bukaan diffuser (Kannan et al. 2013). Ohya et al. (2008) juga melakukan uji
eksperimental dan menemukan bahwa sudut bukaan diffuser optimum pada 12º.
Ohya dan Karasudani (2010) telah melakukan uji eksperimental terhadap wind lens
dan menghasilkan ukuran optimum pada rasio panjang diffuser dengan diameter

2

inlet. Kinerja turbin dan tip-speed ratio semakin meningkat dengan naiknya nilai
rasio panjang diffuser terhadap diameter inlet (Ohya dan Karasudani 2010). Ohya
dan Karasudani (2010) juga melakukan optimasi terhadap bentuk wind lens yang
memiliki diffuser panjang. Panjang diffuser diperkecil hingga berbentuk compact
dengan turbin angin sehingga mudah diaplikasikan untuk wind turbine dalam skala
besar. Pada penelitian tersebut, simulasi juga dilakukan untuk melihat adanya
vortex yang terbentuk di belakang brim.
Brim yang berbentuk cincin tersebut merupakan suatu penghalang bagi angin
datang untuk menghasilkan vortex di belakang brim. Penghalang ini
memungkinkan adanya turbulensi yang bisa menghalangi angin datang sehingga
kecepatan angin menuju kincir (blade) berkurang. Oleh karena itu, peneliti
melakukan pengujian terhadap kinerja turbin angin dengan melakukan perubahan
sudut brim yang mampu mengurangi halangan terhadap angin datang.
Perumusan Masalah
Daya yang dihasilkan pada turbin angin proporsional dengan pangkat tiga dari
kecepatan angin yang datang untuk memutar blade. Usaha peningkatan kecepatan
angin untuk memutar blade pada turbin angin dapat dilakukan dengan
menambahkan komponen berbentuk nozzle atau diffuser. Tipe nozzle memiliki
diameter inlet yang lebih besar daripada diameter outlet sehingga dapat
menurunkan kecepatan angin di awal atau di daerah inlet lalu mempercepat
kecepatan angin di bagian outlet sedangkan tipe diffuser memiliki diameter inlet
yang lebih kecil daripada diameter outlet sehingga dapat meningkatkan kecepatan
angin pada daerah inlet atau daerah masuknya angin. Wind lens yang digunakan
merupakan komponen berbentuk diffuser dengan tambahan brim yang berbentuk
seperti cincin .
Brim (flange) terletak pada bagian outlet dari wind lens tersebut. Brim yang
terletak di bagian belakang dapat menciptakan area pusaran angin yang disebut vortex.
Vortex menyebabkan area di belakang wind lens memiliki tekanan yang lebih rendah
daripada area di depan sehingga dapat meningkatkan kecepatan angin pada daerah inlet.
Adanya brim memungkinkan terjadinya turbulensi angin yang dapat
menghalangi dan mengurangi kecepatan angin datang. Perubahan sudut brim
diharapkan mampu meningkatkan kinerja dari turbin angin.

Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Melakukan kajian pada nilai kecepatan angin lokal akibat adanya
pemasangan wind lens dengan sudut brim yang berbeda di sekitar turbin
angin.
2. Melakukan kajian pada daya yang dihasilkan turbin angin akibat adanya
perubahan sudut brim pada wind lens yang dipasang di sekitar turbin angin.
3. Melakukan kajian pada nilai power coefficient ataupun efisiensi turbin angin
setelah dipasangkan wind lens dengan sudut brim yang berbeda.

3

Ruang Lingkup Penelitian
Beberapa batasan-batasan terhadap masalah yang akan diteliti yaitu :
1. Turbin angin yang digunakan adalah turbin angin aksis horizontal skala mikro
(laboratorium).
2. Wind lens yang dibuat adalah diffuser berbentuk compact yang mengacu pada
hasil penelitian Ohya dan Karasudani (2010).
3. Sumber angin berasal dari axial fan dengan kecepatan angin yang sesuai dengan
rata-rata kecepatan angin di Indonesia. Kecepatan angin berada pada rentang 3
m s-1 sampai dengan 5 m s-1.
4. Perubahan sudut dilakukan pada bagian brim yaitu sudut 90°, 75°, dan 60°.
5. Efek perpindahan panas akibat aliran fluida dalam wind lens diabaikan.
6. Pengaruh kekerasan permukaan pada dinding wind lens diabaikan.

TINJAUAN PUSTAKA
Turbin Angin
Turbin angin merupakan suatu alat yang mengubah energi kinetik dari angin
menjadi energi listrik. Namun tidak seluruh energi angin yang datang dapat
dikonversi menjadi energi listrik. Hukum Betz menyatakan bahwa energi
maksimum yang dapat dikonversi adalah sekitar 59% dari total energi kinetik angin
(De Vries 1983).
Komponen-komponen utama turbin angin adalah generator, d, rotor, dan
menara. Sudu atau blade berputar akibat adanya energi kinetik dari angin menuju
blade tersebut. Perputaran blade mengakibatkan perputaran pada rotor lalu energi
mekanik dari rotor diubah oleh generator untuk menghasilkan listrik.

Gambar 1 Jenis turbin angin aksis horizontal (HAWT) dan turbin angin aksis
vertikal (VAWT) (Morthorst et al. 2002)
Berdasarkan sumbu putarnya, turbin angin terbagi atas 2 jenis yaitu turbin
angin aksis horizontal dan turbin angin aksis vertikal. Turbin angin aksis horizontal
adalah tipe turbin angin yang umum dijumpai. Pada tipe aksis horizontal, rotor

4

tegak lurus dengan arah datangnya angin. Sementara itu pada tipe aksis vertikal,
rotor berputar sejajar dengan arah datang angin. Contohnya adalah tipe savonius
dan darrius.
Model yang dikembangkan pada turbin angin didasarkan pada pemodelan
aerodinamik. Pemodelan aerodinamik digunakan untuk menentukan tinggi menara
optimum, sistem kontrol, jumlah blade, dan bentuk blade (Goudarzi 2013).
Daya yang bisa dihasilkan oleh energi angin dapat dihitung dengan
pendekatan energi kinetik angin dan laju massa angin. Energi kinetik angin dapat
dihitung dengan rumus berikut.
�� =

�

Massa dan kecepatan angin dinyatakan dalam huruf dan �. Laju aliran massa
yang melalui turbin angin dapat dinyatakan dala persamaan berikut.
̇ =�×�×
Luas penangkap udara dan massa jenis udara masing-masing dinyatakan dalam �
dan . Satuan dari laju aliran massa ( ̇ ) adalah kilogram/detik. Sehingga didapat
daya teoritis turbin angin dengan persamaan berikut.
�=

�×

�

Daya teoritis dinyatakan dengan huruf P. Daya teoritis merupakan hasil perkalian
dari luas tangkap angin, massa jenis udara, dan kecepatan angin.

Wind Lens
Wind lens merupakan suatu komponen untuk meningkatkan kecepatan
angin dengan cara menangkap dan mengonsentrasikan angin lokal dalam suatu
mekanisme yang disebut dengan wind-lens effect (Ohya et al. 2008).

Gambar 2 Wind lens buatan Yuji Ohya pada turbin angin (Ohya et al. 2008)
Kecepatan angin ditingkatkan untuk meningkatkan daya yang dihasilkan
karena dari rumus daya yang bisa dihasilkan oleh turbin angin dapat dilihat bahwa
daya proporsional dengan pangkat tiga dari kecepatan angin. Penggunaan wind lens

5

untuk turbin angin mampu meningkatkan daya 4 kali lebih besar dibandingkan
dengan turbin angin tanpa wind lens (Ohya et al. 2008).

Gambar 3 Tipe selubung berdasarkan struktur rongga (Ohya et al. 2008)
Ada 3 jenis struktur rongga pada selubung turbin angin, yaitu tipe nozzle,
tipe cylindrical, dan tipe diffuser (Ohya et al. 2008). Dilihat dari Gambar 3, masingmasing tipe memiliki perbedaan rasio antara diameter inlet dan diameter outlet.
Tipe nozzle memiliki diameter inlet yang lebih besar daripada outlet sehingga
kecepatan angin menurun di inlet lalu semakin kencang pada bagian outlet. Tipe
diffuser memiliki diameter outlet yang lebih besar daripada diameter inlet sehingga
kecepatan angin sudah ditingkatkan di inlet. Wind lens pada penelitian ini
merupakan komponen yang menyelubungi turbin angin dengan bentuk diffuser.
Diffuser yang dibuat memiliki brim yang dapat menciptakan vortex pada bagian
belakangnya.

Diffuser pada Turbin Angin
Gilbert dan Foreman (1983) pernah melakukan penelitian tentang diffuser
untuk peningkatan kinerja turbin angin. Pemasangan diffuser dilakukan pada model
turbin angin dan diuji secara eksperimental. Penelitian tersebut tidak begitu menarik
perhatian pada masa itu. Setelah semakin berkembangnya aplikasi-aplikasi dalam
analisis numerik maupun simulasi-simulasi, penelitian terhadap peningkatan
kinerja turbin angin juga semakin banyak dan semakin berkembang.
Ohya et al. (2008) melakukan penelitian terhadap bentuk diffuser untuk
peningkatan kinerja turbin angin. Dalam penelitiannya, diffuser yang dilengkapi
dengan brim mampu meningkatkan kinerja turbin angin secara signifikan. Ohya et
al. (2008) menemukan bahwa semakin panjang diffuser atau semakin besar rasio
panjang diffuser terhadap diameter inlet diffuser (rasio L/D) dapat meningkatkan
kinerja atau daya yang dihasilkan turbin angin. Rasio L/D diatas 3 menunjukkan
nilai peningkatan kinerja turbin angin yang sangat drastis (Ohya et al. 2008).
Penelitian Kosasih dan Tondelli (2012) juga telah menunjukkan bahwa

6

penambahan diffuser pada turbin angin mampu meningkatkan daya hingga 56%
lebih tinggi daripada turbin angin tanpa selubung.
Namun, pemakaian diffuser yang panjang akan sangat menyulitkan untuk
diaplikasikan dalam skala besar atau diaplikasikan pada turbin angin di lapangan.
Oleh karena itu, Ohya dan Karasudani (2010) juga melakukan penelitian pada
diffuser tipe compact. Ukuran panjang diffuser lebih kecil dan besarnya
menyelimuti turbin angin saja. Skema wind lens atau diffuser tipe compact dapat
dilihat pada gambar berikut.

Gambar 4 Diffuser dengan tipe compact-brimmed (Ohya dan Karasudani 2010)
Ohya dan Karasudani (2010) melakukan pengujian terhadap diffuser tipe
compact dengan beberapa jenis rasio dimensi. Ohya dan Karasudani (2010)
mengkategorikan tipe compact dengan Lt (panjang diffuser) sama dengan 0.1D
sampai dengan 0.4D. Beberapa rasio tinggi brim terhadap diameter inlet diffuser
pada pengujian Ohya dan Karasudani (2010) ditentukan dengan h/D lebih kecil dari
0.2. Hasil dari pengujian Ohya dan Karasudani (2010) menunjukkan bahwa daya
yang dihasilkan oleh turbin angin setelah pemasangan compact-brimmed diffuser
meningkat hingga 1.9 sampai 2.4 kali dibandingkan dengan daya yang dihasilkan
turbin angin tanpa wind lens.

Brim pada Wind Lens
Brim berada pada bagian pinggiran di belakang diffuser. Brim berbentuk
cincin dan dapat diaplikasikan di bagian belakang wind lens.

Gambar 5 Aplikasi brim pada wind lens (Ohya et al. 2008)

7

Brim digunakan untuk menghasilkan pusaran angin yang disebut vortex pada
bagian belakang wind lens.

Gambar 6 Sketsa pembentukan vortex oleh brim pada wind lens (Ohya dan
Karasudani 2010)
Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa adanya brim dapat menahan aliran angin
datang sehingga terbentuk pusaran angin di belakang brim yang terdapat pada wind
lens. Pusaran angin atau yang disebut dengan vortex menciptakan suatu area dengan
tekanan yang rendah. Tekanan yang rendah pada area belakang wind lens akan
mengakibatkan peningkatan kecepatan angin pada inlet wind lens tersebut sehingga
diharapkan bahwa daya yang dihasilkan turbin angin semakin meningkat.
Tinggi brim dapat mempengaruhi kinerja turbin angin. Ohya et al. (2008)
melakukan pengujian pada rasio tinggi brim dengan diameter diffuser terhadap
kinerja turbin angin. Rasio tinggi brim terhadap diameter inlet diffuser (rasio h/D)
yang paling efektif dalam peningkatan kinerja turbin angin adalah sebesar 0.25
untuk diffuser yang panjang (Ohya et al. 2008).
Simulasi terhadap diffuser dengan perubahan sudut brim (flange) telah
dilakukan pada penelitian Kale et al. (2014). Kale et al. (2014) melakukan simulasi
CFD terhadap diffuser tipe compact-brimmed yang mengacu pada penelitian Ohya
dan Karasudani (2010). Hasil simulasi CFD menunjukkan adanya peningkatan
kecepatan angin dari 9.6 m s-1 menjadi 10 m s-1 akibat perubahan sudut brim hingga
perubahan kemiringan sebesar 10° dari brim tegak (sudut 90°) .

Pembentukan Vortex
Vortex merupakan pusaran angin yang terbentuk di sekitar suatu benda
akibat adanya benda yang menghalangi aliran suatu fluida dengan kecepatan
tertentu (Sakamoto dan Haniu 1990). Pada wind lens pembentukan vortex berguna
untuk menciptakan area dengan tekanan rendah sehingga kecepatan angin pada
daerah inlet bisa meningkat.
Aliran fluida yang terbentuk dengan bilangan Reynold yang tinggi atau
terjadinya turbulensi dapat menciptakan vortex yang kompleks (Ohya 2014). Jika

8

suatu plat datar diletakkan tegak lurus terhadap suatu aliran maka vortex akan
terbentuk sejajar dengan sisi plat tersebut (Ohya et al. 1986).
Pada penelitian Peterka et al. (1985) telah didapatkan pola aliran rata-rata
dan vortex pada suatu benda. Dengan pemberian asap (smoke flow) dan analisis
kinematik, didapat aliran-aliran seperti pada Gambar 7 .

Gambar 7 Pola aliran angin pada suatu benda padat (Peterka et al. 1985)
Peterka et al. (1985) menyatakan bahwa vortex bisa terbentuk akibat adanya
turbulensi angin. Vortex bisa terbentuk di depan maupun di belakang benda. Vortex
yang terbentuk di depan benda dapat mengakibatkan turbulensi dan menciptakan
vortex atau menciptakan adanya aliran balik (Peterka et al. 1985).
Pada wind lens, pembentukan vortex mengakibatkan adanya daerah yang
bertekanan rendah di belakang brim sehingga kecepatan angin dapat ditingkatkan.
Namun, ada kemungkinan bahwa angin yang cepat juga menciptakan terjadinya
vortex pada bagian depan brim yang bisa menghalangi kecepatan angin datang.

METODE
Waktu dan Tempat
Pelaksanaan kegiatan tugas akhir dilaksanakan pada bulan Mei 2015 sampai
dengan bulan Oktober 2015. Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Lapang
Siswadhi Soeparjo, Laboratorium Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen
Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian.

Alat dan Bahan
Ada 3 komponen utama yang dibutuhkan pada penelitian ini. Komponenkomponen tersebut adalah turbin angin, wind tunnel, dan wind lens.
Turbin angin yang dipakai pada penelitian ini adalah model turbin angin
mikro yaitu turbin angin Jointiff tipe Wind Pitch WP-1. Diameter rotor turbin angin
adalah 36 cm dengan 3 sudu (blade). Jenis blade yang dipasang adalah BP-44
mengacu pada standar NACA 44 series aerofoils. Generator yang digunakan adalah
generator AC. Generator turbin mampu menghasilkan daya 1.08 watt pada putaran
1730 rpm. Generator dilengkapi diode untuk mengubah arus AC menjadi DC.
Gambar bagian turbin angin dapat dilihat pada Lampiran 1. Turbin angin secara
keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 8.

9

Gambar 8 Turbin angin Wind Pitch WP-1
Alat-alat yang digunakan pada proses pembuatan wind tunnel dan
dudukannya adalah peralatan perbengkelan. Bahan-bahan yang digunakan adalah
plat besi dengan ketebalan 2 mm, besi hollow 2×2 mm, kawat kassa, fiber, kabel
ties, sealant, dan isolasi. Wind tunnel dilengkapi dengan axial fan merk CKE tipe
DSF-D20/1 sebagai sumber angin. Axial fan tersebut memiliki daya maksimum 350
W pada kecepatan putar 1400 rpm. Alat yang digunakan pada pembuatan wind lens
merupakan peralatan bengkel. Bahan-bahan yang digunakan untuk membuat wind
lens adalah plat besi dengan ketebalan 2 mm dan plat hollow.
Alat-alat yang digunakan pada pengujian adalah speed control Nankai 8A,
energy monitor EM-1 Jointiff, anemometer, stopwatch, wattmeter dan power
resistor dengan nilai hambatan sebesar 47 Ω dan daya maksimum sebesar 20 W
yang dipasang pada papan sirkuit. Bentuk power resistor dapat dilihat pada
Lampiran 2. Bentuk dari energy monitor dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 9 Energy monitor EM-1

Prosedur Penelitian
Penelitian ini tersusun atas beberapa tahap, yaitu: tahap penentuan dimensi
diffuser dan brim, tahap pembuatan wind lens, tahap uji kinerja, dan tahap
pengolahan dan analisis data. Secara skematis, prosedur penelitian dapat dilihat
pada Gambar 10.

10

Mulai

Penentuan dimensi diffuser dan brim

Pembuatan wind lens

Uji kinerja

Pengolahan dan analisis data

Selesai
Gambar 10 Diagram alir pelaksanaan penelitian
Penentuan Dimensi Diffuser dan Brim
Ohya dan Karasudani (2010) telah mendapatkan rasio-rasio dimensi dari
diffuser tipe compact yang menghasilkan kinerja optimum untuk turbin angin.
Peneliti mengikuti rasio dimensi tersebut dalam penentuan dimensi wind lens yang
dibuat. Sketsa dengan simbol dimensi wind lens dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 11 Skema turbin angin yang dilengkapi dengan diffuser dan brim
(flange) (Ohya dan Karasudani 2010)
Gambar 11 menyatakan sketsa dan simbol dimensi dari penelitian Ohya dan
Karasudani (2010) yang akan dipakai pada penelitian ini. D merupakan diameter
inlet diffuser, L merupakan panjang dari diffuser, h merupakan tinggi dari brim, dan
simbol α merupakan sudut brim.

11

Pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010), ditentukan diameter inlet
diffuser (D) sebesar 70 cm dengan diameter kincir atau rotor blade sebesar 60 cm.
Pada penelitian Ohya (2010), diffuser tipe compact memiliki panjang diffuser
sebesar 0.1D sampai dengan 0.4D. Tinggi brim yang dipakai sebesar 0.1D sampai
dengan 0.2D. Rasio tersebut ditentukan berdasarkan uji eksperimental yang telah
dilakukan terhadap berberapa ukuran diffuser.
Pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) telah ditentukan nilai-nilai dimensi
wind lens tipe compact. Penelitian Toshimitsu et al. (2012) juga mengacu pada
penelitian Ohya dan Karasudani (2010). Pada penelitian Toshimitsu et al. (2012),
ditentukan D sebesar 200 cm dengan L sebesar 27 cm. Dengan demikian didapat
rasio L/D sebesar 0.13. Tinggi brim pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) adalah
sebesar 20 cm sehingga didapat rasio h/D sebesar 0.1. Diameter outlet diffuser pada
penelitian Toshimitsu et al. (2012) adalah sebesar 226 cm yang berarti diameter
outlet sama dengan 1.1D.
Dimensi wind lens pada penelitian ini mengacu pada rasio-rasio yang
didapat pada penelitian Toshimitsu et al. (2012). Turbin angin yang digunakan pada
penelitian ini merupakan turbin angin merk Jointiff. Spesifikasi turbin telah
dinyatakan pada bab metode, yaitu pada bagian alat. Diameter rotor atau kincir yang
digunakan pada penelitian ini adalah 36 cm. Diameter inlet diffuser yang akan
dipakai pada penelitian ini adalah 37 cm. Dimensi wind lens pada penelitian ini
mengikuti rasio yang didapat pada penelitian Toshimitsu et al. (2012) dan harus
lebih kecil dari ukuran wind tunnel. Wind tunnel memiliki diameter sebesar 60 cm.
Panjang diffuser (L) yang dipakai pada penelitian ini adalah sebesar 4.8 cm yang
berarti rasio panjang diffuser terhadap diameter inlet (L/D) adalah sebesar 0.13.
Rasio tersebut masih berada di range diffuser tipe compact. Diameter outlet diffuser
pada penelitian ini adalah sebesar 42.6 cm yang berarti rasio diameter outlet
terhadap diameter inlet sama dengan 1.1. Tinggi brim sebesar 3.7 cm. Tinggi brim
sama dengan 0.1D, yang masih berada di kisaran tinggi brim optimum pada
penelitian Ohya dan Karasudani (2010).
Pada penelitian Ohya dan Karasudani (2010) ataupun Toshimitsu et al.
(2012), tidak dilakukan perubahan sudut brim, namun pada penelitian ini dibuat
diffuser dengan 3 jenis brim. Brim tersebut masing-masing memiliki nilai sudut (α)
yang berbeda-beda yaitu 90°, 75°, dan 60°. Selain untuk kemudahan dalam
pembuatan atau manufaktur brim, nilai sudut ini juga ditentukan berdasarkan
simulasi yang sudah dilakukan sebelumnya oleh Kale et al. (2014). Simulasi CFD
oleh Kale et al. (2014) menunjukkan adanya peningkatan kecepatan angin lokal
hingga kemiringan 80° pada α. Sketsa diffuser dengan sudut brim berbeda dapat
dilihat pada Gambar 12 . Gambar teknik dari wind lens dapat dilihat pada Lampiran
12, Lampiran 13, dan Lampiran 14.

12

Gambar 12 Sketsa sudut brim pada masing-masing rancangan wind lens
Pembuatan Wind Lens
Diffuser dan brim dibuat di bengkel dengan bahan berupa plat besi 2 mm
dan plat hollow. Untuk penelitian ini dibuat 3 brim masing-masing dengan sudut
(α) berbeda yaitu 90º, 75º, dan 60º namun memiliki ketinggian yang sama. Brim
dibuat secara terpisah dan dapat disambungkan atau dilepaskan ke diffuser. Brim
disambungkan ke diffuser dengan las titik. Brim yang dibuat untuk wind lens pada
penelitian ini dapat dilihat pada Lampiran 3, Lampiran 4, dan Lampiran 5. Bentuk
wind lens yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 13.

Gambar 13 Wind Lens pada penelitian ini

13

Uji Kinerja
Dari atas, set-up pengujian pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 14.

Gambar 14 Experimental set-up saat pengujian kinerja turbin angin
Pengujian wind lens dilakukan pada wind tunnel yang sudah dilengkapi
dengan axial fan. Alat-alat pengujian disusun sesuai dengan penomoran pada
Gambar 14. Power resistor berfungsi sebagai beban untuk turbin angin yang
menghasilkan daya. Energy monitor berada di dekat turbin angin dan terhubung
dengan turbin angin untuk mengukur daya keluaran dalam satuan watt serta
kecepatan putar rotor dalam satuan rpm. Sumber angin pada pengujian ini berasal
dari axial fan. Wattmeter memiliki fungsi untuk menunjukkan nilai daya yang
dibutuhkan oleh axial fan untuk menghasilkan kecepatan angin tertentu. Dimmer
atau speed control berfungsi untuk mengatur kecepatan angin dari axial fan.

Gambar 15 Pengujian kinerja turbin angin pada wind tunnel
Sebelum turbin angin diuji di dalam wind tunnel, kecepatan angin di dalam
wind tunnel diukur dengan anemometer. Kecepatan angin diukur sambil melihat
nilai daya pada wattmeter. Dimmer diputar hingga nilai kecepatan angin yang
ditunjukkan oleh anemometer sesuai dengan skala kecepatan angin yang diinginkan

14

pada penelitian ini yaitu 3 m s-1, 4 m s-1, dan 5 m s-1. Daya axial fan pada wattmeter
dicatat untuk setiap kecepatan angin pengujian agar bisa dijadikan acuan untuk
melakukan pengujian berikutnya.
Setelah kecepatan angin dengan nilai daya axial fan pada wattmeter
diketahui, turbin angin diuji di dalam wind tunnel. Turbin angin diuji pada
kecepatan yang diinginkan yaitu 3 m s-1, 4 m s-1, dan 5 m s-1 berdasarkan nilai daya
axial fan pada wattmeter. Kecepatan rotor (rpm) dan daya yang dihasilkan turbin
angin diukur oleh energy monitor EM-1. Nilai kecepatan rotor dan daya yang
dihasilkan turbin diukur di setiap kecepatan angin sumber. Pengukuran dilakukan
setiap 3 menit selama setengah jam pada suatu nilai kecepatan angin. Nilai daya
axial fan pada wattmeter dicatat di setiap waktu pengujian agar menjadi acuan
untuk mengukur nilai kecepatan angin sumber.
Setelah itu, turbin angin yang sudah dipasang dengan wind lens diuji. Pada
pengujian turbin angin dengan wind lens, kecepatan angin sumber yang diinginkan
sama dengan pengujian tanpa wind lens yaitu 3 m s-1, 4 m s-1, dan 5 m s-1. Energy
monitor dipakai untuk mengukur putaran rotor dan daya yang dihasilkan oleh turbin
angin. Pengukuran dilakukan setiap 3 menit selama setengah jam pada masingmasing kecepatan angin. Setelah pengukuran dengan satu wind lens selesai,
pengukuran akan dilanjutkan pada wind lens dengan sudut brim yang berbeda
dengan rentang pengukuran waktu yang sama yaitu setiap 3 menit selama setengah
jam. Di setiap waktu pengujian, nilai daya axial fan pada wattmeter dicatat untuk
dijadikan acuan nilai kecepatan angin sumber.
Setelah setiap pengujian turbin angin yang memakai wind lens dengan sudut
brim tertentu dilakukan, kecepatan angin akibat adanya wind lens diukur dengan
anemometer. Kecepatan angin setelah wind lens diukur pada saat nilai daya axial
fan di wattmeter menunjukkan nilai yang sama dengan saat pengujian turbin angin
dengan wind lens. Hal ini dilakukan untuk mengetahui adanya peningkatan
kecepatan angin akibat penggunaan wind lens.
Pada saat pengujian, nilai daya input axial fan (daya listrik) yang terukur
oleh wattmeter memiliki nilai yang sangat fluktuatif sehingga kecepatan putar axial
fan juga fluktuatif. Kecepatan putar axial fan yang fluktuatif mengakibatkan
kecepatan angin sumber yang fluktuatif juga. Oleh karena itu, kecepatan angin
sumber pada penelitian ini memiliki range tertentu. Range kecepatan angin
pengujian untuk kecepatan 3 m s-1, 4 m s-1, dan 5 m s-1 yaitu 2.6 m s-1 sampai dengan
3.4 m s-1, 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1, dan 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1.
Pengolahan dan Analisis Data
Setelah dilakukan pengujian, data-data yang dikumpulkan selama penelitian
dianalisis. Data daya yang dihasilkan turbin angin selama pengujian dibuat menjadi
grafik daya turbin terhadap waktu pengujian.
Untuk mengetahui perbedaan kinerja turbin angin, maka dibuat suatu grafik
daya terhadap kecepatan angin sumber pada masing-masing diffuser serta turbin
angin tanpa wind lens. Dari grafik tersebut dapat dilihat adanya peningkatan daya
akibat adanya perubahan sudut brim pada wind lens.
Dari data-data kecepatan angin, kecepatan putar rotor (blade), dan daya
yang dihasilkan oleh turbin angin, power coefficient dan tip-speed ratio dapat
dihitung lalu dibuat dalam suatu grafik. Peningkatan power coefficient berarti

15

menunjukkan adanya peningkatan efisiensi pada turbin angin setelah dipasang
diffuser.
Nilai daya telah diukur oleh energy monitor. Sementara itu, power
coefficient (�� ) dihitung dengan persamaan berikut.
�� =

P
��

. ×

P merupakan daya terukur yang dihasilkan oleh turbin angin, � merupakan luas
area rotasional kincir (blade) dalam satuan meter, � merupakan kecepatan angin
dalam satuan meter/detik, dan ρ merupakan massa jenis udara dalam satuan
kilogram/meter .
Tip-speed ratio dihitung dengan persamaan berikut.

Dengan,

TSR =
ω=

��
�

×

×

Kecepatan putar rotor (rpm) dinyatakan dalam . Jari-jari rotor dinyatakan
dalam �, dan kecepatan angin aktual dinyatakan dalam �. Kecepatan angin aktual
adalah kecepatan angin yang mengenai blade atau kecepatan angin sumber.
Setelah nilai power coefficient dan TSR dari turbin angin tanpa wind lens
dan turbin angin dengan masing-masing nilai sudut brim didapat, maka grafik
kinerja dari masing-masing jenis dapat disatukan dan dapat dilihat perbedaannya.
Grafik tersebut merupakan grafik TSR terhadap �� . Contoh grafik tip-speed ratio
yang sudah didapatkan pada penelitian Ohya et al. (2008) dapat dilihat pada
Gambar 16.

Gambar 16 Grafik TSR terhadap Cw pada penelitian Ohya et al. (2008)

16

HASIL DAN PEMBAHASAN
Kinerja Turbin Angin
Kinerja turbin angin telah diukur pada 4 kondisi. Pada kondisi pertama,
kinerja turbin angin diukur tanpa menggunakan wind lens atau hanya pengukuran
kinerja turbin angin saja. Pada kondisi kedua, kinerja turbin angin yang
menggunakan diffuser dengan sudut brim 90° diukur. Pada kondisi ketiga, kinerja
turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 75° diukur. Pada
kondisi keempat, pengukuran kinerja dilakukan pada turbin angin yang memakai
diffuser dengan sudut brim 60°.
Pengukuran dilakukan untuk mendapatkan nilai daya yang dihasilkan turbin
angin. Turbin angin diuji pada rentang waktu dan range kecepatan angin tertentu.
Pengukuran dilakukan setiap 3 menit selama 30 menit untuk setiap kondisi dan pada
setiap range kecepatan angin yang sama. Range kecepatan angin pada penelitian
ini adalah 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1, 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1, dan
4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Daya yang dihasilkan oleh turbin angin pada
waktu pengujian dapat dilihat pada Gambar 17, Gambar 18, dan Gambar 19.
Gambar 17 menunjukkan daya yang dihasilkan oleh 4 kondisi yaitu turbin
angin saja, turbin angin yang dipasang diffuser dengan sudut brim 90°, turbin angin
dengan sudut brim 75°, dan turbin angin dengan sudut brim 60° namun diuji pada
range kecepatan angin yang sama yaitu 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1. Gambar
18 menunjukkan daya yang dihasilkan oleh 4 kondisi turbin angin pada waktu
pengujian dalam range kecepatan angin 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1. Gambar
19 menunjukkan daya yang dihasilkan 4 kondisi turbin angin dalam range
kecepatan angin 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1. Nilai-nilai pengukuran daya,
kecepatan angin, dan kecepatan rotor selama pengujian dapat dilihat pada tabel di
Lampiran 6.

Daya Output turbin (W)

0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 17 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada
range kecepatan angin sumber 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1

Daya output turbin (W)

17

0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 18 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada
range kecepatan angin sumber 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1

Daya output turbin (W)

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 19 Daya yang dihasilkan turbin angin selama waktu pengujian pada
range kecepatan angin sumber 4.6 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1
Dari grafik-grafik pada Gambar 17, Gambar 18, dan Gambar 19, dapat
dilihat bahwa daya keluaran turbin angin yang paling tinggi hingga yang paling
rendah secara berturut-turut dihasilkan oleh turbin angin yang menggunakan
diffuser dengan sudut brim 60°, turbin angin yang menggunakan diffuser dengan
sudut brim 75°, turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 90°,
dan turbin angin tanpa diffuser. Hal ini menunjukkan bahwa wind-lens effect terjadi

18

akibat penambahan wind lens dengan menggunakan brim. Hasil tersebut juga
menunjukkan bahwa pemasangan brim dengan sudut yang lebih miring hingga 60°
menciptakan peningkatan daya yang dihasilkan oleh turbin angin. Uji beda nyata
tiap perlakuan dapat dilihat pada Lampiran 11.
Nilai daya keluaran turbin angin yang fluktuatif diakibatkan oleh kecepatan
angin sumber yang fluktuatif. Daya listrik sumber yang dialirkan ke axial fan tidak
stabil sehingga kecepatan angin sumber yang dihasilkan juga fluktuatif. Perubahan
daya input axial fan yang mengakibatkan tidak stabilnya daya yang dihasilkan oleh
turbin angin dideskripsikan pada Gambar 20.
0.75

357
0.7
347
337

0.65

327

Daya input axial fan (W)

Daya output turbin (W)

367

317

0.6
0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Daya turbin angin dengan brim 75 derajat

Daya axial fan

Gambar 20 Perubahan daya axial fan terhadap perubahan daya turbin angin
dengan brim 75° pada kecepatan angin 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1
Gambar 20 menunjukkan bahwa terjadi fluktuasi daya input pada axial fan
pada pengujian turbin angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 75°.
Fluktuasi daya input turbin pada pengujian dengan kondisi yang lain dapat dilihat
pada Lampiran 7. Semakin meningkatnya daya input axial fan mengakibatkan
meningkatnya daya output dari turbin angin dan juga sebaliknya, saat daya input
axial fan menurun, daya output turbin angin juga menurun. Peningkatan atau
penurunan daya yang dihasilkan oleh turbin angin ini disebabkan oleh kecepatan
angin sumber yang fluktuatif. Daya input axial fan yang fluktuatif tersebut
mengakibatkan kecepatan angin yang fluktuatif juga. Kecepatan angin yang tidak
stabil selama pengujian di setiap range kecepatan angin sumber ditunjukkan pada
Gambar 21, Gambar 22, dan Gambar 23.

Kecepatan angin sumber (m s-1)

19

3.6
3.4
3.2
3
2.8
2.6
2.4
2.2
2
0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Kecepatan angin sumber (m s-1)

Gambar 21 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan
angin sumber 2.6 m s-1 sampai dengan 3.4 m s-1

4.5
4
3.5
3
2.5
2
0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Turbin saja
Diffuser (Brim 90)
Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Kecepatan angin sumber (m s-1)

Gambar 22 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan
angin sumber 3.4 m s-1 sampai dengan 4.2 m s-1
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
0

5

10
Turbin saja

15

20

25

30

35

Waktu (menit)
Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 23 Nilai kecepatan angin selama waktu pengujian pada range kecepatan
angin sumber 4.7 m s-1 sampai dengan 5.5 m s-1

20

Untuk mengetahui peningkatan daya oleh kecepatan angin sumber, maka
dibuatlah grafik kecepatan angin selama pengujian dalam 4 kondisi turbin angin
terhadap daya output turbin. Data kecepatan angin diurutkan dari nilai yang
terendah ke nilai yang tertinggi agar dapat dilihat pola peningkatan daya turbin
angin. Grafik tersebut dapat dilihat pada Gambar 24.

Daya output turbin (W)

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

1

2

3

4

Kecepatan angin sumber (m
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

5

6

s-1)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 24 Daya yang dihasilkan turbin angin pada kecepatan angin sumber
Dari Gambar 24 dapat dilihat bahwa daya yang dihasilkan turbin angin
meningkat seiring dengan peningkatan kecepatan angin sumber. Kecepatan angin
sumber pada penelitian ini terbatas yaitu pada rentang 2.6 m s-1 sampai dengan 5.5
m s-1. Maka perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan menambah rentang
kecepatan angin hingga ke nilai yang lebih tinggi sehingga karakter atau pola dari
daya turbin terhadap kecepatan angin dapat diketahui lebih jelas. Namun, penelitian
ini telah menunjukkan bahwa ada peningkatan daya yang dihasilkan oleh turbin
setelah dipasangkan dengan diffuser dan ada peningkatan daya turbin akibat
perubahan sudut brim dari 90° ke 60°. Peningkatan rata-rata daya yang dihasilkan
turbin pada masing-masing nilai sudut brim ditunjukkan oleh Tabel 1, Tabel 2, dan
Tabel 3.
Tabel 1 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 90°
Daya
Daya turbin
Persentase
Kecepatan
turbin
angin dengan peningkatan
angin (m s-1) angin saja
diffuser (W)
daya (%)
(W)
2.6–3.4
0.100
0.160
60.747
3.4–4.2
0.196
0.273
38.889
4.6–5.5
0.379
0.562
48.488
Rata-rata
0.225
0.332
49.374

21

Tabel 2 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 75°
Daya
Daya turbin
Persentase
turbin
Kecepatan
angin
dengan
peningkatan
angin (m s-1) angin saja
diffuser (W)
daya (%)
(W)
2.6–3.4
0.100
0.178
77.869
3.4–4.2
0.196
0.325
65.278
4.6–5.5
0.379
0.685
80.773
Rata-rata
0.225
0.396
74.640
Tabel 3 Peningkatan rata-rata daya turbin pada diffuser dengan sudut brim 60°
Daya
Daya turbin
Persentase
Kecepatan
turbin
angin
dengan
peningkatan
angin (m s-1) angin saja
diffuser (W)
daya (%)
(W)
2.6–3.4
0.100
0.229
129.508
3.4–4.2
0.196
0.409
108.380
4.6–5.5
0.379
0.774
104.297
Rata-rata
0.225
0.471
114.062
Tabel 1, Tabel 2 dan, Tabel 3 menunjukkan persentase peningkatan daya
turbin angin setelah dipasangkan diffuser. Dari data tersebut dapat dilihat bahwa
diffuser dengan sudut brim 90° pada pengujian ini melakukan peningkatan daya
turbin sekitar 1.5 kali dari daya turbin tanpa wind lens. Diffuser dengan sudut brim
75° mampu meningkatkan daya hingga 1.7 kali. Sementara itu, diffuser dengan
sudut brim 60° mampu melakukan peningkatan tertinggi pada pengujian ini yaitu 2
kali lipat dari daya turbin angin tanpa wind lens. Penelitian Ohya dan Karasudani
(2010) berhasil menunjukkan bahwa diffuser tipe compact buatannya melakukan
peningkatan daya 1.9 sampai dengan 2.4 kali dibandingkan dengan daya turbin
angin tanpa wind lens. Turbin angin yang diuji pada penelitian Ohya dan
Karasudani (2010) memiliki diameter sebesar 1 meter dan diuji pada kecepatan
angin diatas 8 m s-1. Sementara itu, wind lens pada penelitian ini hanya mampu
meningkatkan 2 kali daya turbin. Kecepatan angin yang lebih rendah pada
pengujian di penelitian ini serta diameter kincir angin yang jauh lebih kecil pada
penelitian ini yaitu 36 cm bisa menjadi penyebab peningkatan daya yang lebih
rendah.

Power Coefficient dan Tip-Speed Ratio
Power coefficient (Cw) merupakan perbandingan antara daya yang
dihasilkan oleh turbin dengan nilai daya teoritis. Adanya peningkatan efisiensi
akibat penambahan wind lens dan perubahan sudut brim pada penelitian ini dapat
dilihat pada grafik kecepatan angin sumber terhadap Cw yang ditunjukkan pada
Gambar 25.

22
0.16

Power coefficient

0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0

1

2

3

Kecepatan angin sumber (m
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

4

5

s-1)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 25 Kecepatan angin sumber terhadap nilai Cw
Gambar 25 menunjukkan adanya peningkatan efisiensi akibat penambahan
wind lens dibandingkan dengan turbin saja (tanpa wind lens) pada range kecepatan
angin yang sama. Nilai power coefficient paling tinggi ditunjukkan oleh turbin
angin yang menggunakan diffuser dengan sudut brim 60°.
Tip-speed ratio adalah perbandingan kecepatan rotor (kincir) turbin angin
dengan kecepatan angin datang. Adanya peningkatan Cw dan TSR menunjukkan
peningkatan kinerja turbin itu sendiri. Nilai power coefficient (Cw) dan tip-speed
ratio (TSR) dapat dihitung dengan data-data kecepatan angin dan daya yang sudah
diukur. Data Cw dan TSR setiap pengujian dapat dilihat pada Lampiran 8. Contoh
perhitungan nilai TSR dan Cw dapat dilihat pada Lampiran 9 dan Lampiran 10.
Rata-rata TSR dan Cw di setiap range kecepatan angin sumber dengan 4 jenis
kondisi turbin dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4 Nilai TSR rata-rata dan Cw rata-rata pada range kecepatan angin
pengujian
Diffuser
Diffuser
Diffuser
Turbin saja
Kecepatan
(Brim 90°)
(Brim 75°)
(Brim 60°)
angin
TSR
Cw
TSR
Cw
TSR
Cw
TSR
Cw
sumber
ratarataratarataratarataratarata(m s-1)
rata
rata
rata
rata
rata
rata
rata
rata
2.6–3.4
3.393 0.057 4.244 0.095 4.426 0.104 4.790 0.130
3.4–4.2
3.704 0.062 4.220 0.079 4.660 0.095 5.016 0.114
4.6–5.5
3.861 0.049 4.153 0.074 4.637 0.088 5.783 0.086
Dari data rata-rata tersebut didapat grafik TSR tergadap Cw seperti pada Gambar
26.

6

23

Power coefficient

0.140
0.120
0.100
0.080
0.060
0.040
0.020
0.000
2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Tip-speed ratio
Turbin saja

Diffuser (Brim 90)

Diffuser (Brim 75)

Diffuser (Brim 60)

Gambar 26 Nilai TSR terhadap Cw
Nilai yang digunakan pada grafik tersebut adalah nilai rata-rata TSR dan Cw
di setiap range kecepatan angin sumber. Grafik ini dibuat untuk melihat adanya
peningkatan efisiensi atau Cw dan juga peningkatan TSR dari turbin angin. Grafik
TSR terhadap Cw juga sering dibuat untuk mengetahui karakter atau pola kinerja
dari suatu turbin angin.
Gambar 26 menyatakan power coefficient dan tip-speed ratio pada masingmasing jenis kondisi turbin angin yaitu turbin angin tanpa wind lens (turbin saja),
turbin yang dipasang diffuser dengan sudut brim 90°, turbin dengan sudut brim 75°
dan turbin dengan sudut 60°. N