tip speed ratio pada rotor turbin angin

Untuk mengekstrak energi angin dengan cara yang efisien, rotor harus memiliki kecepatan rotasi relatif terhadap ukuran diameter rotor dan kecepatan angin yang cukup. Dengan kata lain, rotor harus memiliki tip speed ratio yang efisien.

Tip speed ratio turbin angin sangat tergantung pada jumlah bilah yang dikerahkan oleh rotor. Studi lebih lanjut menunjukkan jika bilah rotor sedikit sebaiknya tip speed ratio ditingkatkan. Dengan kata lain, untuk turbin angin dengan diameter rotor sama, rotor berbilah satu membutuhkan RPM lebih tinggi dibandingkan rotor berbilah dua, dan membutuhkan RPM lebih tinggi dibandingkan tiga bilah serta membutuhkan desain gearbox yang rumit.

Ada hubungan yang erat antara rasio kecepatan ujung (λ), kecepatan rotasi (ω), dan jari-jari rotor (R). Tip speed ratio didefinisikan sebagai rasio antara kecepatan di ujung sudu rotor dan kecepatan angin yang tidak terganggu (V₀). Tip speed ratio dapat dirumuskan menjadi:

λ = [V_tip/V₀]

Perbandingan tip speed berdasarkan jumlah bilah

Penting untuk diingat bahwa pada kecepatan rotasi tertentu, Kecepatan ujung (tip speed) meningkat dengan panjang atau jari-jari bilah. Kecepatan rotasi (ω) biasanya dinyatakan dalam putaran per menit (rpm) dan kecepatan ujung dan kecepatan angin dinyatakan sebagai meter per detik (m/s). tip speed dapat ditulis sebagai:

V_tip = [ω 2 π R/60] m/sec

di mana ω adalah kecepatan rotasi (rpm) dan R adalah jari-jari atau panjang rotor (m).

Perhatikan bahwa turbin angin berkapasitas besar memiliki bilah yang lebih panjang yang beroperasi pada rotasi kecepatan secara signifikan di bawah 50 rpm untuk mengurangi kebisingan dan menjaga keutuhan struktural dari turbin. Ketika bilah dari turbin angin berputar, kecepatan pada tip dari bilah lebih tinggi dibandingkan kecepatan di tengah bilah. Untuk contoh, turbin angin dengan panjang bilah 20 m dan rotasi kecepatan dari 30 rpm, tip speed akan menjadi 60 m/dtk tetapi kecepatan pada tengah bilah hanya sekitar 30 m/dtk.

Tabel radius rotor dan rpm sebagai fungsi tip speed

Karena kecepatan segmen bilah meningkat dari akar bilah ke ujung bilah, arah angin yang tampak juga akan berubah. Jika angin bergerak dari akar ke ujung bilah, arah angin yang terlihat akan bergerak ke arah bidang vertikal. Oleh karena itu, untuk mencapai sudut serangan yang sama di seluruh sumbu bilah, bilah harus diputar seperti pada gambar di bawah.

Perkiraan aliran arah angin sepanjang sumbu aksial bilah rotor.

Arah angin semu sepanjang sumbu sudu rotor dengan kecepatan angin 9 m/s terlihat jelas karena untuk memutar bilah. Sudut (φ) dari arah angin semu terhadap bidang vertikal bervariasi dari 27 derajat di akar bilah hingga 6 derajat di ujung bilah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Penting untuk menunjukkan bahwa dengan memutar sudu sehingga sudut menurun ke arah ujung, sudut serang (α) dapat dijaga konstan untuk kondisi angin tertentu. Sudut arah angin semu dapat dirumuskan menjadi:

φ = [α + β]

Penting untuk disebutkan bahwa kecepatan angin yang tidak terganggu (V_undist) akan berkurang menjadi sekitar 2/3 dari asumsi kecepatan angin 9 m/detik tepat di depan piringan rotor. Nilai perkiraan sudut arah angin semu terhadap bidang vertikal dan besarnya kecepatan angin yang tidak terganggu di berbagai lokasi blade yang dirangkum pada tabel di bawah. Tabulasi tabel di bawah memperkiraan kecepatan angin yang tidak terganggu pada bermacam-macam lokasi sepanjang bilah. Jelas bahwa kecepatan angin maksimum ada pada tip dan minimum pada akar. Hal ini berarti bahwa gaya sentrifugal dan bending moment akan menjadi besar sekali pada tip dari sebuah bilah.