Teknik mendapatkan energi angin optimal pada turbin angin

Teknik menangkap energi angin dalam jumlah besar akan ditekankan pada biaya dan faktor keamanan. Pemilihan lokasi yang ideal untuk instalasi turbin angin sangat penting. Proses seleksi harus mempertimbangkan faktor-faktor seperti kecepatan dan arah angin, fitur medan yang diinginkan, daerah perumahan terdekat, dan penangkapan energi tahunan.

Untuk pengoperasian optimal, kecepatan angin dari 20 hingga 30 m/menit sangat direkomendasikan. Ini adalah persyaratan pemilihan lokasi yang paling penting. Parameter seleksi lainnya seperti tinggi pemasangan, parameter blade, karakteristik airfoil, dan keaerodinamisan; mereka semua memainkan peran penting dalam menangkap energi angin secara efisien oleh turbin angin.

Parameter Penting Energi Angin

Kinerja turbin sangat tergantung pada energi angin. Turbin angin beroperasi pada teori mekanika fluida dan oleh karena itu pengetahuan awal tentang prinsip-prinsip dasar mekanika fluida perlu dipahami. Energi kinetik dari angin digunakan untuk menggerakan rotor turbin. Energi kinetik dapat dirumuskan menjadi:

Energi Kinetik: E_k= 0.5mV² ; m: massa udara (ρAV) ; ρ: massa jenis udara, A= luasan rotor yang terkena angin, V= kecepatan udara.

Seorang perancang turbin angin harus memerhatikan jumlah daya yang dapat dihasilkan dari energi angin yang tersedia. Daya didefinisikan sebagai laju angin energi yang tersedia per satuan waktu. Ini juga dapat didefinisikan sebagai laju energi angin melewati suatu luasan per satuan waktu. Berdasarkan definisi ini, daya yang tersedia dari angin adalah:

Daya: P = [(1/2)ρAV³]

Daya turbin angin yang tersedia berbanding lurus pada massa jenis udara pada lokasi pemasangan dan luasan yang terkena angin (menyapu luasan bilah). Luasan yang terkena angin dapat dirumuskan sebagai rumus luas lingkaran.

Luas: A=[πR²] ; R= jari-jari rotor

Dampak Massa Jenis Udara Pada Tenaga Angin

Data meteorologi menunjukkan bahwa massa jenis udara menurun dengan meningkatnya suhu dan peningkatan ketinggian. Ini berarti massa jenis udara yang lebih tinggi terjadi di lokasi turbin yang terletak pada ketinggian yang lebih rendah dengan suhu yang lebih dingin. Dengan kata lain, tempat seperti Gobi Gurun, yang terletak di ketinggian yang lebih tinggi tetapi di ketinggian yang lebih rendah, paling cocok untuk instalasi turbin angin. Itulah sebabnya orang Cina memasang beberapa turbin angin yang mampu menghasilkan lebih dari 10.000 MW setiap tahun.

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: