EDISI SPESIAL

Arsip 2008~2014

Design Turbin Angin

with 10 comments

Turbin angin adalah suatu alat yang didisain untuk menangkap energi kinetik angin. Angin

adalah aliran fluida yang memiliki sifat-sifat aerodinamis antara lain : sifat kompresibel

(mampat), viskositas (kekentalan), densitas (kerapatan), dan turbulensi (olakan).

Teori batasan efisiensi turbin

Bila sejumlah aliran massa (angin) dilewatkan pada cakram penghalang maka aliran

massa tersebut akan membelok membentuk garis aliran (streamline). Dengan bentuk

disain cakram tertentu (luas penampang atas lebih kecil daripada luas penampang bawah)

akan terjadi perbedaan kecepatan dan perbedaan tekanan udara di antara sisi atas dan sisi

bawah cakram. Hal ini terjadi karena kesetimbangan debet aliran massa (asas kontinuitas),

sehingga pada permukaan cakram terjadi gaya hambat (drag, sejajar permukaan) dan

gaya angkat (lift, tegak lurus permukaan). Perbandingan lift terhadap drag (L/D ratio)

merupakan kriteria penting dalam mendisain blade rotor. Kecepatan pola aliran (streamwise)

adalah :

s o V = (1- a) V

dimana

Vo = kecepatan datang angin

a = faktor induksi aliran aksial

Kemudian fluida yang melewati cakram akan bergerak dengan kecepatan V1, sehingga

terdapat perubaham kecepatan yang mengakibatkan terjadi laju perubahan momentum

sebesar : o s (V V )r AV 1 . Gaya F yang menyebabkan perubahan momentum ini datang

dari perbedaan tekanan di antara kedua sisi cakram, sehingga dapat ditulis :

o s F = p.A = (V V )rAV 1

dimana p = beda tekanan

A = luas penampang cakram

r = kerapatan fluida

Dengan menggunakan persamaan Bernoulli: P + ½r.v2 + rgh = konstan, diterapkan pada

kedua sisi cakram.

Sehingga nilai maksimum Cp diperoleh untuk nilai a=0.33, dan Cp maksimum yang dapat

dicapai adalah :

Cp = 0.593 (maksimum)

Hasil ini dinamakan sebagai batasan Betz (ahli aerodinamis Jerman). Ini berarti secara

teoritik energi angin maksimum yang dapat ditangkap hanya 59,3% dari kandungan energi

yang lewat.

Tip Speed Ratio (TSR)

Gaya yang bekerja pada cakram dapat berupa gaya angkat (lift) atau gaya dorong. Untuk

menentukan gaya mana (gaya angkat atau gaya dorong) yang dominan tergantung pada

jenis cakram penghalang yang dipakai (blade).

TSR adalah perbandingan antara kecepatan ujung blade dengan kecepatan angin yang

melewatinya. Bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya angkat

dan bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong.

Umumnya disain blade dengan dominasi gaya angkat memiliki efisiesi dan daya yang lebih

tinggi.

Airfoil

Kebanyakan turbin memakai blade (sirip baling-baling) berbentuk penampang sayap pesawat

(aerofoil), karena efisiensinya tinggi dan menghasilkan beda tekanan yang besar di

antara kedua sisi blade untuk berputar dengan momen gaya yang cukup besar. Airfoil

adalah suatu cakram berpenampang lengkung parabolik dengan bagian depan cukup halus

dan bagian ujung runcing. Angin melewati airfoil lebih cepat di bagian atas daripada

bagian bawahnya. Hal ini akan menimbulkan tekanan yang lebih besar pada bagian

bawah sehingga terjadi gaya angkat.

Bila sudut airfoil terhadap horisontal (pitch) melebihi sudut kritik (10o sampai 16o) maka

lapisan batas akan terbentuk di ujung airfoil. Hal ini akan menimbulkan olakan (turbulen)

yang dapat menurunkan lift dan menaikkan drag, kejadian ini dinamakan stall. Stall ini

dapat juga terjadi bila kecepatan angin terlalu besar. Untuk itu kebanyakan disain turbin

dilengkapi dengan pengontrol sudut (pitch) pada blade. Pada saat kecepatan angin turun,

blade bergerak memutar menghadap arah angin, tetapi pada saat kecepatan angin sangat

besar maka bergerak memutar menjauhi arah angin. Hal ini dibuat agar disain turbin

dapat menghasilkan daya yang optimal dan konstan.

Disain turbin

Banyak jenis mesin turbin yang telah dikembangkan, tetapi secara garis besar dapat dibedakan

menjadi dua tipe, yaitu:

1. HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)

2. VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)

HAWT

Cirinya adalah sumbu putar turbin sejajar terhadap tanah. Turbin jenis ini paling banyak

dikembangkan di berbagai negara. Cocok dipakai untuk menghasilkan listrik. Terdiri dari

dua tipe, yaitu mesin upwind dan mesin downwind.

· Mesin upwind : rotor berhadapan dengan angin. Rotor di disain tidak fleksibel, diperlukan

mekanisme yaw untuk menjaga rotor agar tetap berhadapan dengan angin.

untuk menjaga rotor agar tetap berhadapan

· Mesin downwind : rotor ditempatkan dilbelakang tower. Rotor dapat dibuat lebih fleksibel

tanpa menggunakan mekanisme yaw, sehingga mengurangi berat, lebih ringan dari pada

mesin upwind. Kelemahannya adalah bahwa angin harus melewati tower terlebih dahulu

sebelum sampai pada rotor, sehingga menambah beban (fatigue load) pada turbin.

VAWT

Cirinya adalah memiliki sumbu putar vertikal terhadap tanah. Turbin jenis ini jarang

dipakai untuk turbin komersial. Rotornya berputar relatif pelan (di bawah 100 rpm),

tetapi memiliki momen gaya yang kuat, sehingga dapat dipakai untuk menggiling bijibijian,

pompa air, tetapi tidak cocok untuk menghasilkan listrik (di atas 1000 rpm cocok

untuk menghasilkan listrik). Sebenarnya dapat dipakai gearbox untuk menaikkan kecepatan

putarnya, tetapi efisiensinya turun dan mesin sulit untuk dimulai. VAWT terdiri

dari dua tipe, yaitu:

(1) tipe dorong

Terjadi bila TSR<1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya dorong,

seperti pada mangkuk anemometer dan Savonius. Memiliki bentuk yang bervariasi,

seperti ember, dayung, layar, tangki. Rotornya berbentuk S (bila dilihat dari atas).

Kecepatan maksimum blade yang dihasilkan hampir sama dengan kecepatan angin.

Ujung blade tidak pernah bergerak lebih cepat daripada kecepatan angin, sehingga

pada ujungnya nilai TSR £ 1. Turbin jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah.

(2) tipe angkat

Terjadi bila TSR>1 artinya lebih banyak bagian blade yang mengalami gaya angkat,

seperti pada turbin Darrius. Masing-masing blade memperlihatkan momen gaya angkat

maksimum hanya dua kali setiap putaran dan daya keluarannya berbentuk sinusoida.

Ukuran blade relatif besar dan tinggi, sehingga menimbulkan getaran. Biasanya

memakai dua atau tiga blade. Turbin jenis ini menghasilkan lebih banyak daya

output dan memiliki efisien tinggi.

Keunggulan turbin sumbu vertikal :

· generator berada di tanah, sehingga tidak perlu membebani tower.

· tidak diperlukan mekanisme yaw untuk menyejajarkan rotor dengan arah angin.

Kelemahan :

· kecepatan rotor rendah

· efisiensi total rendah

· mesin tidak dapat mulai berjalan sendiri, perlu dorongan awal (atau perlu motor).

· mesin perlu kawat lentur untuk menjaganya berdiri tegak, sehingga tidak praktis.

Turbin jenis VAWT tipe angkat Eole C, 4200 kW dengan diameter 100 m di Quebec,

Kanada (terbesar di dunia) dioperasikan tahun 1997.

Bahan blade

Bahan blade yang dipilih harus memenuhi aspek fisis yang meliputi kekuatan, elastisitas,

dan ketahanan. Disain blade harus memperhatikan pula kejadian mendadak seperti kemungkinan

adanya angin taufan. Bahan blade yang biasa dipilih umumnya relatif ringan

seperti kayu (murah, tapi tidak tahan lama), tetapi lebih diutamakan yang terbuat dari bahan

komposit GRP (glass-reinforced plastics) seperti vinilester dan epoksi, karena memiliki

aspek fisis yang handal walaupun lebih mahal. Bahan logam tidak pernah dipakai

karena terlalu berat dan mudah mengalami deformasi (ketahanannya jelek). Blade dengan

diameter sekitar 25 m, bila memakai bahan dari komposit kayu-epoksi memiliki berat sekitar

500 kg, untuk bahan GRP sekitar 700 kg, untuk bahan logam sekitar 1700 kg. Blade

yang sangat berat akan menjadi kendala yang besar pada disain turbin, sehingga perlu dicari

alternatif lain misalnya fiber karbon. Bahan komposit Kevlar dan titanium telah diusulkan

dan terbukti lebih handal dan ringan, tetapi jauh lebih mahal.

Konsep jumlah blade

Jumlah blade pada rotor turbin angin bervariasi, dan tidak ada tinjauan teoritis yang benar

sebagai konsep terbaik, tetapi lebih ditentukan oleh jenis penggunaannya, misalnya untuk

pembangkit listrik atau pompa air, serta kecepatan angin saat rotor mulai berputar.

· Konsep satu blade, sulit setimbang, membutuhkan angin yang sangat kencang untuk

menghasilkan gaya angkat memutar, dan menghasilkan noise di ujungnya. Konsep ini

telah dikembangkan sukses di Jerman.

· Konsep dua blade, mudah untuk setimbang, tetapi kesetimbangannya masih mudah

bergeser. Disain blade harus memiliki kelengkungan yang tajam untuk dapat

menangkap energi angin secara efektif, tetapi pada kecepatan angin rendah (sekitar 3

m/s) putarannya sulit dimulai.

· Konsep tiga blade, lebih setimbang dan kelengkungan blade lebih halus untuk dapat

menangkap energi angin secara efektif. Konsep ini paling sering dipakai pada turbin

komersial.

· Konsep multi blade (misalnya 12 blade), justru memiliki efisiensi rendah, tetapi

dapat menghasilkan momen gaya awal yang cukup besar untuk mulai berputar, cocok

untuk kecepatan angin rendah walaupun dioperasikan dengan transmisi gear sampai

1:10. Memiliki profil blade yang tipis, kecil, kelengkungan halus, dan konstruksi

yang solid. Konsep ini banyak dijumpai pada turbin angin untuk keperluan memompa

air, menggiling biji-bijian, karena murah dan mampu bekerja pada kecepatan angin

rendah sehingga tower tidak perlu terlalu tinggi dan air dapat dipompa secara kontinu.

Konsep dua dan tiga blade membutuhkan momen gaya awal yang cukup untuk mulai

proses putaran dan dapat menjadi kendala bila mesin memiliki rasio transmisi gear lebih

dari 1:5 pada kecepatan angin rendah. Pada turbin angin skala besar, diperlukan mesin

(disel) untuk memulai berputar (sebagai motor) sampai rotor memiliki daya yang cukup

untuk mengimbangi beban mekanik dan beban induksi generator.

*Dep-FMipa-Ubaya

Written by Hasyim

Agustus 5, 2009 pada 1:23 pm

Ditulis dalam FORUM HASYIM

Tagged with

10 Tanggapan

Subscribe to comments with RSS.

  1. trimakasih artikelnya udah membantu saya. mohon kiranya dapat dikirim ke email saya mengenai cara pembuatan turbin angin secar detail mulai dari pembuatan turbin hingga mekanikal ke generator utk kapasitas rumah tangga. karena saya berniat membuat turbin tersebut didaerah saya yg sering sekali mengalami gangguan listrik. sekali lg trimakasih

    panji

    Desember 21, 2009 at 5:08 am

  2. Iya, insya Allah saudara Panji, saya coba periksa lagi artikel desain turbin angin ini yang lebih lengkap dulu, kalau sudah ada nanti saya akan kirimkan.
    Terima kasih atas kunjungan ke blog saya.

    Hasyim

    Desember 21, 2009 at 9:29 am

  3. alhamdulillah, akhirnya dapat juga penjelasan yang cukup sederhana dan dapat dimengerti.
    Syukron bro, terima kasih.
    Saya juga mohon dikirim artikel seperti saudara Panji diatas ya, untuk pengembangan windturbine di daerah Indonesia timur.
    Terima kasih banyak …

    indrasukmayadi@gmail.com
    indra_indra891@yahoo.com

    Indra

    Januari 27, 2010 at 6:49 pm

  4. yup bagus banget, mas hasyim punya artikel tentang mekanisme yaw secara spesifik g?

    Agil

    Februari 15, 2010 at 6:24 pm

  5. assalam,, pak,,bgus bgt,,

    Bapak berkenan share ttg artikel atw penelitian Pak Hasyim? untuk pengembangan windturbine

    thx pak

    tari

    April 19, 2010 at 2:07 pm

  6. terimakasih pak atas infonya.
    pak kebetulan saya sedang mengambil TA masalah VAWT dengan multi blade karena kondisi lapangan yang low speed.
    tapi saya bingung bagaimana cara menentukan jumlah blade yang harus digunakan atau desain VAWT yang tepat.
    jika boleh saya ingin tanya rumus-rumus serta perhitungan yang bisa saya gunakan.
    dan saya minta tolong kiranya bapak bersedia mengirim ke email saya mengenai cara pembuatan turbin angin secar detail mulai dari pembuatan turbin hingga mekanikal output ke generator utk kapasitas rendah sekitar 500 Watt.

    terimakasih banyak pak

    mey

    Mei 3, 2010 at 12:43 am

  7. terimakasih pak atas infonya.
    pak kebetulan saya sedang mengambil TA masalah VAWT dengan multi blade karena kondisi lapangan yang low speed.
    tapi saya bingung bagaimana cara menentukan jumlah blade yang harus digunakan atau desain VAWT yang tepat.
    jika boleh saya ingin tanya rumus-rumus serta perhitungan yang bisa saya gunakan.
    dan saya minta tolong kiranya bapak bersedia mengirim ke email saya mengenai cara pembuatan turbin angin secar detail mulai dari pembuatan turbin hingga mekanikal output ke generator utk kapasitas rendah sekitar 500 Watt.

    terimakasih banyak pak

    mey_chin0355@yahoo.com

    mey

    Mei 4, 2010 at 3:10 pm

  8. Sehubungan ada rencana ambil TA dg Topik Analisis Teknis dan Ekonomis sistim Pengisian Accu menggunakan 2 buah Alternator yang digerakkan oleh Win turbin dan Motor 1 phase sebagai sumber penerangan listrik di perahu Bagan atau di pesisir pantai. mohon Bapak berkenan share ttg artikel atw penelitian Pak Hasyim? untuk pengembangan windturbine

    thx pak

    Akhmad Nurfauzi

    Juni 23, 2010 at 5:56 pm

  9. Assalaamu’alaikum wrwb,

    Kondisi yang serupa dengan mas/mba Mey terjadi pada saya, mohon info yang serupa juga di e-mail-kan ke kems_84@yahoo.com , sebelumnya atas perhatian dan share ilmunya saya ucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya, semoga mendapat balasan pahala/ keberkahan ilmu yang bermanfaat dari Allah SWT.

    Wassalaamu’alaikum wrwb.

    Muhammad Kemal Maulana

    Desember 1, 2010 at 5:52 pm

  10. Aslmkm wr.wb
    terima kasih untuk infonya
    sangat bermanfaat
    semoga Allah membalasnya dgn lebih baik

    saya juga berminat utk artikel/data lengkapnya.
    Jika ada kesempatan tolong kirim k email saya y

    Cahya Adijana Nugraha

    Oktober 29, 2012 at 8:54 pm


Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: