Turbin Angin

 Klasifikasi Turbin Angin

   Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill. Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin (Daryanto, 2007)

Saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensional (Contoh: PLTD, PLTU, dll), namun turbin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak dapat diperbaharui (Contoh: batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik. Turbin angin dapat dibagi menjadi dua kategori utama, yaitu: turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal (Daryanto, 2007)

Turbin Angin Sumbu Horisontal

Turbin angin sumbu horizontal ialah jenis turbin angin yang paling banyak digunakan. Turbin ini terdiri dari sebuah menara yang di puncaknya terdapat sebuah baling-baling yang berfungsi sebagai rotor dan menghadap atau membelakangi arah angin. Kebanyakan turbin angin jenis ini mempunyai dua atau tiga bilah baling-baling walaupun ada juga turbin bilah baling-balingnya kurang atau lebih daripada yang disebut diatas. Contoh turbin angin sumbu horizontal ditunjukan pada Gambar 1.

Gambar1 Turbin Angin Sumbu Horizontal.

Sumber: Daryanto (2007).

Turbin angin sumbu vertikal

Turbin sumbu vertikal dibagi menjadi dua jenis yaitu: Savonius dan Darrieus.

a.    Turbin Darrieus

Turbin Darrieus mula-mula diperkenalkan di Perancis pada sekitar tahun 1920-an. Turbin angin sumbu vertikal ini mempunyai bilah-bilah tegak yang berputar kedalam dan keluar dari arah angin (Daryanto, 2007). Contoh turbin Darrieus ditunjukkan pada Gambar 2.

 

Gambar 2  Turbin Darrieus.

Sumber: Daryanto (2007).

b.      Turbin Savonius

Turbin Savonius diciptakan pertama kali di negara Finlandia dan berbentuk S apabila dilihat dari atas. Turbin jenis ini secara umumnya bergerak lebih perlahan dibandingkan jenis turbin angin sumbu horizontal, tetapi menghasilkan torsi yang besar. Contoh turbin Savonius ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Turbin Savonius.

Sumber: http://www.reuk.co.uk/Savonius-Wind-Turbines.htm.

Gaya Aerodinamik pada Turbin angin Darrieus

Prinsip kerja dari rotor Darrieus dapat disederhanakan. Pertama, asumsikan arah angin datang dari depan rotor baling-baling. Ketika pergerakan rotor lebih cepat menyamai dengan kecepatan angin yang tak terganggu yaitu ratio kecepatan blade dengan kecepatan angin bebas, tsr > 3. Gambar 4 menunjukan garis vektor percepatan dari bentuk airfoil baling-baling pada posisi angular yang berbeda-beda (Arsad et al, 2009)

Gambar 4 Gaya-gaya pada setiap blade

Sumber: Arsad et al (2009).

Dengan:

1.      Panah biru – kecepatan angin relatif.

2.      Panah merah – kecepatan relatif ke baling-baling.

3.      Panah hitam – resultan kecepatan udara relatif ke baling-baling.

4.      Panah hijau – gaya angkat (lift force).

5.      Panah abu-abu – gaya seret (drag force).

Dengan nilai tsr yang tinggi, baling-baling akan ”memotong” melalui angin dengan sudut serang (angle of attack) yang kecil. Resultan gaya angkat (lift) akan membantu perputaran baling-baling, sedangkan gaya seret (drag) akan melawan perputaran dari baling-baling itu. Ketika gaya angkat nol pada sisi kiri (0˚) dan sisi kanan (180˚) dengan baling-baling simetris bergerak pararel menuju arah angin, torsi berubah menjadi negatif disekitar posisi ini. Mendekati posisi depan (90˚) dan posisi dibelakang (270˚), komponen dari gaya 15 angkat (lift) lebih besar dibandingkan gaya seret (drag) sehingga menghasilkan torsi. Torsi total per satu putaran akan bernilai positif jika baling-baling diposisikan pada tempat yang tepat sehingga rotor akan berputar pada arah yang benar (Arsad et al, 2009)

Keuntungan turbin angin Darrieus (Kragten, 2004):

a.    tidak memerlukan pengarah angin dan memerlukan konstruksi yang mudah.

b.    biaya pembuatannya lebih murah dibanding dengan turbin angin sumbu horisontal dan memiliki desain rotor yang lebih mudah

c.    dapat digunakan di kecepatan angin rendah.

Kerugian turbin angin Darrieus ( Kragten, 2004):

a.    tidak memiliki sistem self starting.

b.    rumit dalam pembuatan sudunya.

c.    Sudut serang berubah ubah seiring dengan berputarnya turbin. 

Teori Elemen Bilah

Teori elemen bilah adalah metode sederhana yang digunakan unutk menganalisis rotor, propeler, fan, dan kompresor. Teori ini digunakan untuk menganalisa gaya aerodinamika pada rotating machine. Pada teori ini, gaya angkat dan gaya hambat dihitung per elemen sudu kemudian diintregasikan sepanjang sudu.

Prinsip teori ini adalah membagi sudu menjadi beberapa bagian dan menghitung gaya-gaya yang timbul pada setiap sub bagian untuk kemudian disatukan kembali. Penerapan teori elemen bilah pada turbin angin Darrieus tipe-H ditunjukkan pada gambar 5 di bawah ini:

Gambar 5: Gaya pada sudu turbin angin Darrieus

Sumber: Arsad et al (2009)

Dari gambar 2.18 dapat diturunkan kecepatan relatif:

                 

Sudut serang α,

Koefisien normal dan tangensial,

                

Sehingga Torsi yang diperoleh searah putaran pada θ tertentu suatu airfoil adalah:

Dengan:U_r: kecepatan relatif(m/s)

ρ  :  masa jenis udara(kg/m³)

U’:kecepatan udara pada sudu(m/s)

ω : kecepatan tangensial turbin(rad/s)

Fl:Gaya angkat airfoil (N)

Fd: Gaya hambat airfoil(N)

R  : jari-jari turbin(m)

2.6  Teori momentum

Teori momentum adalah metode analisis dengan cara memperhitungkan perubahan momentum udara selama melewati turbin angin. Teori momentum mengasumsikan bahwa aliran adalah tidak viskos dan tunak, juga rotor dianggap sebagai sebuah piringan dengan jumlah sudu tak terbatas. Pertimbangan yang digunakan dalam teori momentum yang juga diaplikasikan pada teori elemen sudu adalah (Liang, 2002):

1.        Daya merupakan fungsi sederhana dari thrust

2.        Kecepatan dianggap seragam

Gambar 6 Arah angin sebelum dan sesudah turbin

Sumber: Liang (2002)

Seperti pada Gambar 6 terlihat bahwa jika U adalah kecepatan angin di depan rotor, U’ adalah kecepatan angin pada saat melalui rotor dan U” adalah kecepatan angin dibelakang rotor, maka berdasarkan persamaan kontinuitas (Liang, 2002):

 

Selanjutnya berdasarkan teorema Euler, gaya yang bekerja pada rotor adalah:

             

Karenanya daya kinetik angin yang diserap oleh rotor adalah:

             

Selisih daya kinetik di depan dan di belakang rotor dapat dihitung dengan persamaan energi kinetik:

                                                       

Dengan integral diperoleh:
                   

Lalu kita substitusikan kecepatan angin diatas ke dalam persamaan bernoulli diperoleh:

              

Dengan menambahkan kedua persamaan untuk menghilangkan P maka diperoleh:

               

Dengan membandingkan dengan perbedaan energi kinetik di depan dan di belakang rotor:

                 

Maka diperoleh:

                                     

Jika persamaan 2-19 disubstitusikan kedalam 2-10 dan 2-11 didapat:

                 

Untuk kecepatan U tertentu dapat dikaji besarnya Pt sebagai fungsi dari U” dengan , mendeferensiasi persamaan.

 

Pada , maka:

Untuk persamaan diatas dapat diperoleh akar-akarnya dengan persamaan dibawah:

dengan:

a=-3

b=-2U

c=-U

Sehingga diperoleh dua akar persamaan yaitu: U” = -U yang berarti mengahsilkan energi kinetik minimum dan yang merupakan harga yang menghasilkan energi kinetik maksimum. Dengan demikian energi kinetik maksimum yang diperoleh adalah:

Efisiensi turbin angin adalah perbandingan antara energi kinetik yang diserap oleh turbin angin terhadap energi kinetik angin yang tersedia. Persamaan untuk mendapatkan efisiensi maksimum turbin angin adalah sebagai berikut (Liang, 2002):

          

Dengan energi kinetik maksimum dari persamaan 2-23 didapat:

             

Nilai 16/27 adalah batas maksimum Betz (Betz limit) yang menyatakan daya maksimum yang mampu diserap oleh turbin angin tidak lebih dari 59,3% dari daya angin yang tersedia.

Daya Turbin Angin

Daya yang dihasilkan dari konversi oleh rotor turbin angin sebanding dengan pangkat tiga kecepatan angin. Daya yang dapat dihasilkan rotor turbine adalah (Hunt, 1981):

                                                       

Dengan:        P_t          : daya keluaran rotor turbin angin (watt)

                               C_p         : koefisien daya turbin angin

                               ρ            : massa jenis udara (kg/m³)

                               A’         :Luas sapuan rotor(m²)

                               U          : kecepatan angin (m/s)