model aerodinamika dua dimensi (airfoil) pada desain turbin angin

Baling-baling pada turbin angin merupakan komponen penting untuk mengonversi energi mekanik angin ke energi listrik. Baling-baling dapat berputar karena angin disebabkan oleh bentuk penampang melintang baling-baling yang bisa disebut airfoil.

Bilah rotor turbin angin adalah struktur panjang. Komponen kecepatan span-wise jauh lebih rendah daripada komponen kecepatan stream-wise. Pada kondisi ini, fenomena airfoil baling-baling dapat diasumsikan dalam banyak model aerodinamis aliran udara pada posisi radial tertentu adalah dua dimensi dan data airfoil dua dimensi dapat diterapkan. Perhatikan bahwa aliran dua dimensi mewakili bidang dan jika bidang ini dijelaskan oleh x, y, z sistem koordinat diilustrasikan pada Gambar, komponen kecepatan aliran di arah z akan menjadi nol.

Hal ini diperlukan untuk mengekstrusi airfoil menjadi angin dengan rentang tak terbatas untuk mewujudkan aliran 2-D. Dalam praktik sebenarnya, chord dan putaran di bagian sayap nyata berubah sepanjang rentang. Aliran angin dimulai dari hub dan berakhir di ujung. Model ini selanjutnya diklaim menjadi model aerodinamis 2-D praktis untuk desain rotor turbin angin.

Gaya reaksi dari aliran udara memiliki dua komponen, yaitu komponen tegak lurus terhadap kecepatan aliran dan komponen yang sejajar dengan kecepatan aliran. Jika airfoil dirancang untuk pesawat terbang, rasio lift-to-drag (L/D) harus dimaksimalkan. Untuk airfoil turbin angin, drag-lift ratio harus dimaksimalkan dan drag harus diimbangi oleh sistem propulsi untuk mempertahankan kecepatan konstan. Semakin kecil drag, semakin kecil ukuran mesin yang dibutuhkan. Koefisien drag (C_D) dan lift (C_L) dapat dirumuskan menjadi:

C_D = [D/(1/2) ρ V₀²c]
C_L = [L/(1/2) ρ V₀²c]

di mana D adalah gaya hambat (drag), L adalah gaya angkat (lift), ρ adalah massa jenis udara, c adalah tali busur atau panjang airfoil, dan V₀ adalah kecepatan aliran. Chord didefinisikan sebagai garis dari trailing edge (tepi belakang) ke nose (hidung).

Penjelasan fisik untuk gaya lift adalah bahwa bentuk airfoil memaksa garis arus (streamline) melengkung di sekitar geometri seperti pada gambar di atas. Teori mekanika fluida dasar menyatakan bahwa gradien tekanan diperlukan untuk melengkung streamline pada radius dari lengkungan R dan kecepatan V. Gradien tekanan bertindak seperti gaya sentripetal menghasilkan gerakan melingkar dari partikel. Karena tekanan atmosfer P₀ jauh dari airfoil, tekanan di bawah atmosfer harus berada pada sisi atas dari airfoil dan tekanan di atas atmosfer berada pada sisi bawah airfoil seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Drag dan lift tergantung pada angle of attack. Jika koefisien gaya lift dan drag yang diterapkan di sepanjang bilah diketahui, mudah untuk menghitung distribusi gaya pada bilah. Beban seperti sebagai daya output dan bending moment ada akar bilah bisa ditentukan dengan mengintegrasikan distribusi beban ini di sepanjang span.

Airfoil

Desain turbin angin yang efisien sangat bergantung pada konfigurasi airfoil dan sifat-sifatnya. Sifat-sifat airfoil dapat diperoleh dari diagram berdasarkan pada hasil uji yang diperoleh dari terowongan angin (wind tunnel). Hasil pengujian ini terlebih dahulu menunjukkan hubungan antara angle of attack (sudut serang) dan koefisien lift (C_L), dan kedua, diagram rasio meluncur yang menunjukkan hubungan antara koefisien lift dan koefisien drag (C_D). Jika sudut sudu dan kecepatan putar konstan, sudut serang, koefisien angkat, koefisien drag, dan rasio meluncur akan berubah terus menerus di berbagai bagian bilah di sepanjang sumbu bilah.

Berbagai konfigurasi desain airfoil telah diselidiki dan dikembangkan untuk: desain turbin angin, dengan penekanan pada struktural utuh dari bilah rotor. Ketika aliran udara melewati airfoil, gaya hambat (D) tercipta pada arah angin semu dan gaya angkat (L) tegak lurus terhadap gaya hambat. Kedua gaya ini memiliki gaya resultan L_res yang terdiri dari dari dua komponen: gaya melingkar yang berguna dan gaya thrust yang tidak berguna. Gaya melingkar berguna karena, ketika gaya berada di bidang berotasi, gaya ini memunculkan kapabilitas rotasi ke rotor. Karena kapabilitas rotasi, gaya melingkar yang kuat dari airfoil adalah persyaratan pokok dari turbin angin.

Profil blade dapat memiliki beberapa ketebalan yang berbeda. Dua digit terakhir dalam nomor jenis airfoil menunjukkan ketebalan relatif (yaitu, ketebalan sehubungan dengan lebar) dinyatakan sebagai persen. Misalnya, untuk konfigurasi airfoil NACA4412, ketebalan maksimum airfoil adalah 12% dari lebar. dalam kasus turbin angin, gaya angkat dari bilah rotor digunakan untuk membuat rotor berputar, tetapi gaya keliling melingkar tidak sama dengan gaya lift. Selanjutnya, lift selalu diterapkan tegak lurus terhadap arah angin semu. Sebuah bilah rotor memiliki sudut tertentu ke bidang rotasi, sedangkan airfoil memiliki beberapa gesekan atau drag (D) yang diterapkan pada arah angin semu. Gaya-gaya ini bertanggung jawab untuk pembentukan gaya melingkar F_CIRC yang bekerja di bidang rotasi. Gaya thrust tegak lurus terhadap bidang rotasi. Besarnya gaya keliling itu kecil dibandingkan dengan gaya thrust, tetapi daya yang dihasilkan besar karena kecepatan putarnya sangat tinggi.

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA SEPUTAR ENERGI TERBARUKAN !

Selengkapnya tentang desain turbin angin, simak pada video berikut ini:

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

Jha, A.R. 2011. Wind Turbine Technology. Florida: CRC Press Taylor & Francis Group.

Author: admin