DESAIN BLADE (BILAH) TURBIN ANGIN

Penggunaan angin sebagai sumber energi telah digunakan selama ratusan tahun untuk memompa air atau menggiling jagung, peralatan ini disebut juga dengan istilah windmill. Pada abad ke 19, bahan bakar fosil menggantikan penggunaan windmill yang besar, berat yang tidak efisien tersebut. Kemudian, pengetahuan tetang aerodinamika dan material yang ringan telah membawa kembali teknologi turbin angin pada sekitar abad ke 20.

Berdasarkan orientasi arah putaran porosnya, turbin angin ini dibagi menjadi dua kategori yaitu Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) dan Vertical Axis Wind Turbine (VAWT).

Masing-masing konfigurasi memiliki keunggulan dan kelemahan. Pengembangan VAWT secara umum mulai berkurang karena keterbatasan VAWT pada kondisi operasional kecepatan yang rendah dan sulitnya mengendalikan kecepatan rotor, desain ini juga memiliki keulitan dalam starting nya. Tetapi VAWT memiliki keunggulan tidak diperlukanya mekanisme tambahan serta generator yang besar dapat digunakan karena tidak dibatasi oleh penggunaan tower yang tinggi. Adapun pengembangan HAWT semakin populer karena peningkatan performa dan kontrol dapat dilakukan dengan kontrol pitch dan yaw.

EFISIENSI MAKSIMUM SECARA TEORI

Efisiensi rotor yang tinggi tentu saja diinginkan untuk meningkatkan konversi energi aliran angin menjadi energi mekanik rotor tentunya dengan biaya produksi yang masih terjangkau. Untuk menghitung efisiensi ini, pertama-tama perlu didefinisikan terlebih dahulu daya angin yang datang (energi potensial):

dengan P = Daya (watt), rho = massa jenis (kg/m3), A = luas penampang turbin (m2), dan V = kecepatan (m/2). Aliran udara melalui turbin angin akan mengalami penurunan kecepatan karena terjadinya interaksi antara udara dengan turbin, penurunan kecepatan ini juga mengindikasikan terjadinya perubahan energi angin menjadi energi mekanik rotor. Jika kita menghendaki terjadinya efisiensi 100%, kecepatan angin setelah melewati turbin haruslah bernilai nol, atau berhenti sama sekali, tentu saja hal ini tidak mungkin terjadi; adapun dapat dihitung menggunakan teori rotor disc bahwa efisiensi maksimum yang dapat dicapai secara teori adalah sebesar 59,3%, parameter efisiensi ini disebut dengan power coefficient Cp, maksimum Cp = 0,593 dikenal juga dengan istilah Betz limit dalam desain turbin angin. 

Efisiensi real dari turbin angin akan berkurang karena beberapa faktor seperti munculnya aliran wake pada blade yang mengurangi gaya angkat pada airfoil, pemilihan airfoil yang memiliki efisiensi rendah dan munculkan “kebocoran” aliran pada bagian tip yang mengakibatkan munculnya aliran vortex yang tidak diinginakan.

Untuk menghasilkan putaran (torsi) pada rotor turbin angin, digunakan dua metode yaitu memanfaatkan gaya hambat (drag) ataupun memanfaatkan gaya angkat (lift) dari bentuk aerodinamika blade. Berikut adalah tabel perbandingan kedua model tersebut:

Untuk model Drag, bilah turbin angin sengaja dibuat menghambat aliran udara dan diberi lengan momen tertentu terhadap sumbu putar, sehingga menghasilkan torsi untuk memutar turbin. alternatif lain lain adalah menggunakan gaya angkat aerodinamik yang terjadi pada airfoil rotor kemudian gaya angkat tersebut diarahkan searah dengan berputarnya rotor dan diberikan lengan momen terhadap sumbu putar sehingga menghasilkan torsi. Metode lift cenderung lebih efisien karena tidak banyak merubah pola aliran udara atau banyak menghasilkan wake. Berikut adalah beberapa jenis tipe turbin angin beserta beberapa deskripsinya:

DESAIN BLADE HAWT

Fokus pembahasan pada artikel ini adalah HAWT karena popularitasnya dalam industri turbin angin, turbin tipe ini sangatlah sensitif terhadap desain dari profil blade dan desainya. Hal pertama kali yang harus kita perhatikan dalam desain turbin angin adalah parameter Tip Speed Ratio (TSR), parameter ini merupakan perbandingan antara kecepatan tangensial pada tip blade terhadap kecepatan angin yang datang (free stream) yang secara matematis dituliskan sebagai berikut:

dengan lambda = TSR, omega = kecepatan rotasi (rad/s), r = radius (m), Vw = kecepatan angin (m/s). Aspek-aspek seperti efisiensi, torsi, tegangan mekanik pada blade dan noise harus dipertimbangkan dalam perhitungan TSR ini. Turbin angin modern cenderung didesain menggunakan nilai TSR sekitar 6-9 karena pertimbangan-pertimbangan diatas, pada umumnya peak efisiensi terdapat pada TSR = 7.

PERHITUNGAN BENTUK BLADE

berdasarkan teori Blade Element Momentum (BEM) yaitu perhitungan performa turbin angin berdasarkan potongan melintang atau bentuk airfoil dari tiap section blade dihitung dengan membaginya menjadi elemen-elemen yang kecil secara 2D. Untuk blade dengan desain TSR sekitar 6-9,  Betz’s momentum theory memberikan pendekatan yang cukup baik untuk menhitung bentuk profil blade dengan persamaan berikut:

dengan r = radius (m), n = jumlah blade, CL = lift coefficient dari airfoil, lambda = TSR lokal, Vr = kecepatan angin resultan (m/s), U = kecepatan angin (m/s), Uwd = kecepatan angin desain (m/s), Copt = panjang chord optimum (m). Adapun Copt dapat diplot terhadap r untuk menghasilkan “bentuk” blade yang optimal.

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa semakin besar TSR, maka ukuran blade akan semakin kecil, kemudian semakin banyak jumlah blade, maka ukuran blade juga akan semakin kecil (terlihat perubahan dilakukan pada bagian root dan tip untuk menyesuaikan kondisi aktual baik untuk pemasangan pada hub maupun karena alasan struktural, hal ini juga dapat dilakukan karena kontrobusi daya dari root juga relatif rendah):

Ukuran blade yang semakin kecil akan menguntungkan dari segi cost, karena bahan yang dibutuhkan akan semakin sedikit, tapi di sisi lain struktur blade juga akan semakin lemah. Pada umumnya pilihan blade yang paling optimal adalah 3 buah.

Pendekatan ini cukup baik untuk desain awal, namun ini adalah pendekatan secara 2D sehingga tidak terlalu akurat dalam mempertimbangkan munculnya fenomena-fenomena 3D ataupun kemunculan wake, tip loses dan lain sebagainya. Untuk hasil yang lebih akurat dan komprehensif digunakan analisis menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamics (CFD).

Pada akhirnya, untuk menganalisis performa aerodinamika secara 3D dan menyeluruh, kita tidak bisa hanya mengandalkan perhitungan-perhitungan pendekatan di atas. Salah satu metode yang sudah cukup dikenal dalam desain turbin angin adalah menggunakan computational fluid dynamics (CFD) (baca selengkapnya pada pengenalan CFD). Metode ini dilakukan menggunakan bantuan komputer untuk menaganalisis aliran fluida pada blade turbin angin secara detail hingga memperlihatkan interaksi aliran 3D serta fitur-fitur lainya seperti tip vortex, wake dan lain-lain tanpa penyederhanaan.

Dari simulasi CFD juga kita dapat memprediksi performa dari turbin angin seperti perhitungan power coefficient dan torsi pada berbagai kondisi variasi TSR maupun perubahan sudut twist, jumlah blade, variasi airfoil, variasi model tip dan lain sebagainya.

Adapun untuk menghitung kekuatan struktur dari bilah turbin angin, persamaan analitis saja tidak cukup, karena adanya variasi material dan bentuk-bentuk yang tidak kontinyu dari rangka bilah maupun tower turbin angin ini. Metode yang sering digunakan untuk analisis ini adalah menggunakan Finite Element Analysis (FEA)

Anda ingin mendesain turbin angin secara lebih mendalam dan komprehensif menggunakan metode CFD? kami hadir untuk anda, selengkapnya klik di sini.

Atau anda ingin menganalisis struktur bagian-bagian turbin angin secara lebih detail menyeluruh? klik di sini.

BY: CAESAR WIRATAMA

Velocity CFD consulting

REFERENSI DAN SEBAGIAN GAMBAR: Peter J. Schubel * and Richard J. Crossley, “Wind turbine blade design“. Energies 20125, 3425-3449; doi:10.3390/en5093425

Author: Caesar Wiratama

caesar@aeroengineering.co.id 0815-4806-5205

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *