PENGEMBANGAN METODE PENENTUAN KARAKTERISTIK RANCANGAN AWAL ROTOR TURBIN ANGIN Sulistyo Atmadi Ahmad Jamaludln Fltroh Peneliti Pusat Teknologi Dirgantara Terapan, LAPAN
ABSTRACT A method for determining design characteristics of a wind turbine rotor h a s been developed. Given t h e desired power a n d operational wind speed, the approximate design diameter a n d rotor r p m c a n t h e n be determined. The size of the rotor diameter is governed by t h e blade performance, in which is normally given as power coefficient Cp; designed rotor speed can be known after calculating t h e tip speed ratio. Using this method, the blade a n d rotor characteristics c a n be designed quickly as a preliminary design parameter. ABSTRAK Telah dikembangkan metode p e n e n t u a n karakteristik r a n c a n g a n awal rotor turbin angin. Dengan daya d a n kecepatan angin rancangan tertentu, m a k a kisaran diameter d a n RPM rotor dapat diketahui. Besarnya diameter rotor sangat dipengaruhi oleh prestasi s u d u y a n g dinyatakan dalam b e n t u k koefisien daya, Cp, kecepatan putar rotor rancangan diketahui setelah h a r g a tip speed ratio ditentukan. Dengan metode ini m a k a d a p a t d i t e n t u k a n d e n g a n cepat karakteristik s u d u / r o t o r y a n g a k a n dirancang, sebagai r a n c a n g a n awal. Kata k u n c i : Rancangan awal, Koefisien daya. Tip speed ratio 1
PENDAHULUAN
Metode ini dikembangkan sebagai p a n d u a n cepat dalam m e r a n c a n g s u d u turbin angin. Dalam perancangan s e b u a h rotor atau sudu turbin angin, terdapat beberapa parameter yang d i b u t u h k a n sebagai requirement. Diantaranya adalah daya kehiaran sudu yang diingjnkan, kecepatan angin rancangan, diameter rotor, dan RPM. Daya dan kecepatan angin rancangan m e r u p a k a n parameter yang dapat ditentukan dengan bebas, yang merupakan m a s u k a n dari permintaan k e b u t u h a n . Diameter rotor dipengaruhi oleh prestasi s u d u , yang dinyatakan dalam b e n t u k koefisien daya, Cp. Dalam merancang s u d u , diinginkan diameter rotor yang sekecil mungkin, u n t u k menghemat biaya p e m b u a t a n , serta 26
m e m u d a h k a n p e m b u a t a n d a n pemasangan. Penampang s u d u pada u m u m n y a b e r u p a aerofoil S e b u a h aerofoil biasanya akan menghasilkan prestasi yang optimum p a d a s u d u t serang tertentu. Secara u m u m s u d u t serang dibentuk dari kecepatan angin dan kecepatan putar. Oleh k a r e n a itu u n t u k mend a p a t k a n prestasi y a n g optimum, m a k a s u d u dirancang p a d a RPM tertentu. 2 DASARTEORI Turbin angin m e r u p a k a n alat yang berfungsi u n t u k m e n g u b a h energi kinetik angin menjadi energi mekanik m a u p u n energi Hstrik. Angin dengan kecepatan tertentu bertiup dan kemudian memutar sudu-sudu turbin angin. Putaran sudu selanjutnya menjadi putaran generator sehingga timbul tegangan dan a r u s listrik.
Semakin tinggi k e c e p a t a n angin, maka daya yang dihasilkan j u g a a k a n semakin besar. Secara u m u m , u n t u k kecepatan angin tertentu, semakin besar diameter a k a n m a m p u menyerap energi angin yang semakin b e s a r pula. Koefisien d a y a s u d u sangat bergantung p a d a profil p e n a m p a n g s u d u , baik berupa aerofoil a t a u p u n circular arc Semakin b e s a r h a r g a c l / c d aerofoil penampang s u d u , m a k a semakin besar pula koefisien daya s u d u . Pada umumnya koefisien daya m a k s i m u m s u d u bisa mencapai 55%. Koefisien daya s u d u tidak bisa mencapai mendekati 100% k a r e n a adanya gaya h a m b a t di sepanjang penampang bilah. Sudu turbin angin yang dirancang p a d a u m u m n y a mempunyai koefisien daya a n t a r a 3 0 % hingga 5 5 % , tergantung dari b e n t u k p e n a m p a n g yang digunakan. Untuk kecepatan angin, diameter, dan putaran s u d u tertentu, semakin besar koefisien daya s u d u , m a k a d a y a yang dapat dihasilkan a k a n semakin besar. Hubungan antara daya, kecepatan angin, koefisien daya, d a n diameter diformulasikan sebagai b e r i k u t :
Keterangan: D = diameter (m) P = daya (Watt) p f kerapatan u d a r a (kg/m 3 ) V = kecepatan angin (m/det) Cp= koefisien daya P e n u r u n a n p e r s a m a a n di a t a s disajikan dalam lampiran. Sudu b e r p u t a r dengan kecepatan lertentu ketika ditiup angin dengan kecepatan tertentu sehingga p a d a s a a t beroperasional sudu menerima 2 kecepatan yang saling tegak l u r u s , yaitu kecepatan angin d a n kecepatan p u t a r sudu. Vektor k e c e p a t a n d a n gaya aerodinamika yang bekerja p a d a aerofoil
p e n a m p a n g s u d u disajikan dalam sketsa berikut;
Gambar 2-1 : Vektor gaya dan kecepatan Setiap penampang sudu mempunyai 2 kecepatan yang saling tegak lurus, yaitu kecepatan angin dalam arah aksial dan kecepatan putar dalam arah tangensial. Resultan kedua kecepatan tersebut adalah kecepatan relatif. Sudut antara kecepatan relatif dan arah tangensial didefinisikan sebagai sudut serang. Penampang sudu yang dikenai kecepatan relatif tertentu dengan sudut serang tertentu akan menghasilkan gaya angkat dan gaya hambat. Gaya angkat adalah gaya yang arahnya tegak lurus dengan kecepatan relatif, sedangkan gaya hambat adalah gaya yang searah dengan kecepatan relatif. Resultan konversi gaya angkat dan gaya hambat dalam arah tangensial akan menjadi torsi penggerak sudu sekaligus sebagai sumber daya. Pada kondisi on-desain, yaitu pada rated wind speed dan daya tertentu, sudu mempunyai daerah kerja sudut serang tertentu, yaitu secara aerodinamika sudu akan menghasilkan daya yang optimum pada daerah sudut serang tertentu juga. Sudut serang terbentuk dari kecepatan angin dan kecepatan putar. Biasanya sudu akan optimal pada velocity tip ratio, A antara 6 sampai dengan 10. Velocity tip ratio adalah perbandingan antara kecepatan tangensial di ujung sudu terhadap kecepatan angin. Kecepatan putar rotor yang biasanya dinyatakan dengan RPM dapat diformulasikan sebagai berikut: 27
RPM = 60
XV
(2-2)
P e n u r u n a n p e r s a m a a n disajikan dalam lampiran. S u d u berputar k a r e n a t i u p a n angin. Pada kecepatan angin tertentu dan geometri s u d u tertentu, s u d u a k a n berputar dengan kecepatan p u t a r tertentu dan dengan torsi tertentu pula. Perkalian antara kecepatan putar dengan torsi menghasilkan daya. Untuk kecepatan p u t a r yang sama, semakin besar torsi yang diberikan s u d u , m a k a akan semakin besar daya yang dapat diserap, demikian j u g a sebaliknya. Hubungan a n t a r a torsi t e r h a d a p daya dan kecepatan putar (RPM) diformulasikan sebagai berikut :
1.000
3 5 8 10 13 15
11,8-16,0 5,5-7,4 2,7-3,7 1,9-2,6 1,3-1,8 1,1-1,4
21 - 48 77 - 174 '249 - 562 435 - 983 839 - 1.893 1.200 - 2.708
3.000
3 5 8 10 13 15
20,5-27,8 9,5-12,9 4,7-6,4 3,4-4,6 2,3-3,1 1,8-2,5
12 - 28 44 - 100 144 - 325 251-567 4 8 4 - 1.093 6 9 3 - 1.563
5.000
3 5 8 10 13 15
26,5-35,8 12,3-16,7 6,1-8,2 4,3-5,9 2,9-4,0 2,4-3,2
10 - 22 34 - 7 8 111-252 195 - 439 375 - 847 537 - 1.21 1
Tabel 3-2 : DAYA 10.000 - 500.000 WATT
4
ANALISIS
Berdasarkan hasil perhitungan di atas, dapat dilihat bahwa semakin tinggi kecepatan angin r a n c a n g a n (rated wind speed), m a k a diameter rotor yang diperlukan akan semakin kecil. Hal tersebut dikarenakan u n t u k daya yang sama, maka semakin tinggi kecepatan angin rancangan diperlukan l u a s rotor yang lebih kecil. Besarnya RPM rotor secara langsung dipengaruhi oleh kecepatan angin rancangan d a n diameter. Seperti yang telah dijelaskan p a d a paragraf di atas bahwa u n t u k daya yang sama, maka semakin tinggi kecepatan angin rancangan diperlukan diameter rotor yang semakin kecil. Untuk tip speed ratio yang sama, m a k a semakin tinggi kecepatan angin rancangan a k a n bersesuaian dengan kenaikan kecepatan tangensial ujung rotor. Untuk kecepatan tangensial ujung rotor yang sama, m a k a pengecilan diameter a k a n secara langsung mengakibatkan kenaikan RPM. Dengan demikian kenaikan kecepatan angin rancangan a k a n bersesuaian dengan kenaikan RPM rancangan. Penentuan karakteristik rancangan awal rotor sangat dipengaruhi oleh tempat atau daerah dimana turbin angin akan dipasang, yang mempunyai kecepatan angin yang berbeda. Pada umumnya rotor b u a t a n Amerika a t a u Eropa dirancang p a d a kecepatan angin 1 2 - 1 4 m / d e t . Hal tersebut dikarenakan kecepatan angin rata-ratanya relatif lebih tinggi dibandingkan di negaranegara Asia. Untuk kecepatan angin 13 m/det, m a k a h u b u n g a n a n t a r a daya, diameter, dan RPM rancangan rotor turbin angin Amerika/Eropa dituiiskan kembali dalam Tabel 4 - 1 . Kecepatan angin rata-rata di Indonesia relatif lebih kecil dibandingkan di Amerika m a u p u n di Eropa. Oleh karena itu kecepatan angin rancangan rotor turbin angin d i h a r a p k a n lebih kecil dari 12 m / d e t .
Tabel 4 - 1 : ROTOR TURBIN ANGIN UNTUK KONDISI ANGIN DI AMERIKA/EROPA
Penentuan kecepatan angin rancangan u n t u k rotor turbin angin Indonesia j u g a masih dipengaruhi oleh tempat a t a u daerah dimana turbin angin akan dipasang. Secara u m u m daerah p e m a s a n g a n turbin angin dapat dibagi menjadi 2, yaitu daerah daratan d a n daerah pantai. Pada u m u m n y a daerah pantai mempunyai kecepatan angin rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan daerah daratan. Pemilihan kecepatan angin rancangan 10 m / d e t u n t u k rotor turbin angin yang a k a n dipasang di daerah pantai dianggap c u k u p m a s u k akal mengingat kecepatan angin di pantai m e m a n g c u k u p kencang. Rotor turbin angin yang a k a n dipasang di daerah d a r a t a n Indonesia dapat dirancang pada kecepatan angin r a n c a n g a n 5 m / d e t s.d 8 m / d e t . B e r d a s a r k a n hasil perhitungan pada Tabel 3-1 dan 3-2, dapat dilihat bahwa u n t u k daya yang sama, kecepatan angin r a n c a n g a n 5 m / d e t a k a n memb u t u h k a n diameter rotor yang j a u h lebih besar. Dengan demikian pemilihan kecepatan angin rancangan 8 m / d e t u n t u k daerah d a r a t a n Indonesia j u g a dianggap c u k u p m a s u k akal. H u b u n g a n a n t a r a daya, diameter, dan RPM rancangan rotor turbin angin daratan Indonesia dan daerah pantai Indonesia j u g a dapat dituiiskan kembali dalam Tabel 4-2 d a n 4-3.
29
Tabel 4-2: ROTOR TURBIN ANGIN PANTAI INDONESIA •
u m u m n y a a k a n m e m b u t u h k a n diameter rotor yang lebih besar. Hal tersebut dikarenakan kecepatan angin rata-rata di daerah daratan u m u m n y a lebih rendah dibandingkan di d a e r a h pantai. 5
Tabel 4-3: ROTOR TURBIN ANGIN DARATAN INDONESIA
KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini a n t a r a lain : • Telah dikembangkan s e b u a h metode penentuan karakteristik rancangan awal rotor turbin angin. • Penentuan daerah p e m a s a n g a n turbin angin d a n kecepatan angin rancangan m e r u p a k a n langkah awal yang h a r u s dilakukan u n t u k menentukan diameter d a n RPM rotor rancangan. • Dengan m e n g g u n a k a n metode ini m a k a dapat dilakukan p e n e n t u a n karakteristik r a n c a n g a n awal s u d u secara cepat, u n t u k m e m u d a h k a n rancangan komponen-komponen turbin angin lainnya. DAFTAR RU JUKAN
Berdasarkan Tabel 4-2 d a n 4-3, dapat dilihat bahwa turbin angin yang akan dipasang di daerah daratan
30
Anderson, J o h n D., 1985. Fundamentals of Aerodynamics, Mc. Grawhill company, Singapore. De Renzo, D. J., 1979. Wind Power (Recent Development), Noyes Data Corporation, Park Ridge, New Jersey, U.S.A. Freris L.L., 1990. Wind Energy Conversion Systems, Prentice Hall, UK. Tony Burton, et. al. 2 0 0 1 . Wind Energy Hand Book, J o h n Wiley 85 Sons.
Lampiran : Penurunan Persamaan Persamaan Hubungan Antara Daya,
Diameter Rotor (2-1)
Koefisien Daya, Kecepatan Angin,
dan
