Teori Momentum Satu Dimensi pada Rotor Turbin

Turbin angin mengonversi energi mekanik dari energi kinetik angin menjadi energi listrik. Rotor turbin memainkan peran kunci dalam mengonversi energi kinetik angin ini.

Untuk mempelajari rotor turbin lebih lanjut, teori momentum satu dimensi digunakan. Sebuah rotor dalam model 1-D sederhana adalah cakram melingkar. Cakram dianggap sebagai contoh ideal karena tidak memiliki gesekan dan tidak memiliki komponen kecepatan rotasi di belakangnya.

Disk bertindak sebagai perangkat penghambat (drag) dan memperlambat kecepatan angin dari kecepatan angin awal V₀ jauh ke hulu rotor ke kecepatan angin u di bidang rotor dan akhirnya ke u₁ seperti yang diilustrasikan pada Gambar. Dalam kondisi ini, garis arus harus menyimpang seperti yang ditunjukkan pada gambar. Drag muncul dari pressure drop pada rotor. Pressure drop tergantung pada massa jenis udara (ρ), kecepatan angin awal (V₀), dan kecepatan angin akhir pada bidang rotor u₁.

Karena aliran angin pada model stasioner, incompressible , dan tanpa gesekan, tidak ada gaya eksternal yang bekerja pada fluida upstream atau downstream dari rotor. Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk merumuskan tekanan hulu dan hilir rotor dapat ditulis sebagai:

[p₀ + (1/2)ρV₀²] = [p + (1/2)ρu²] (upstream ke rotor)
[p – Δp)+ (1/2)ρu²] = [p₀ + (1/2)ρu₁²] (rotor ke downstream)

Eliminasi kedua persamaan di atas menjadi Δp = [(1/2)ρ (V₀²– u₁²)]. Di mana ρ adalah massa jenis udara (1,225 Kg/m³), p adalah kenaikan tekanan dari tingkat tekanan atmosfer pada p₀, V₀ adalah kecepatan angin di upstream rotor, u adalah kecepatan angin pada bidang rotor, Δp adalah pressure drop pada rotor.

Thrust

Thrust didefiniskan sebagai pressure drop yang melintasi cakram aktuator dikalikan dengan luas cakram. Thrust adalah gaya dorong yang bekerja dalam arah yang berlawanan yang dihasilkan dari pressure drop rotor yang mengurangi kecepatan angin awal V₀ ke u₁.

Thrust = T = ∆pA_rotor. A = [πR²]

Karena Δp = [(1/2)ρ (V₀²– u₁²)], Thrust akan menjadi T = [(1/2)ρ (V₀²– u₁²)] πR².

Koefisien Thrust

Koefisien daya, C_T, didefinisikan sebagai rasio thrust dari rotor turbin T, dengan thrust yang tersedia yang tersedia, atau bisa dirumuskan sebagai:

CT = T/T_avail
CT = [(1/2)ρ (V₀²– u₁²) πR²] / [(1/2)ρ V₀² πR²]
CT = (V₀²– u₁²) / V₀²

Daya Rotor

Daya yang diekstraksi dari angin oleh cakram aktuator adalah sama dengan gaya dorong thrust T, dikalikan kecepatan angin pada cakram aktuator.

P = T.u
P = [(1/2) ρ (V₀²– u₁²)] πR² u
P = (1/2) ρ πR² u (V₀²– u₁²)

Koefisien Daya (Power Coefficient)

Koefisien daya, C_p, didefinisikan sebagai rasio daya diekstraksi dari angin, P, dan daya angin yang tersedia, atau bisa dirumuskan sebagai:

C_p = P/P_avail

Daya angin yang tersedia pada penampang rotor adalah energi kinetik angin pada jalur hulu (upstream yang dapat dirumuskan menjadi:

P_avail = (1/2)ρ πR² V₀³

Sehingga C_p menjadi Cp = [(1/2) ρ πR² u (V₀²– u₁²)] / [(1/2)ρ πR² V₀³]
Cp = [u (V₀²– u₁²)] / V₀³

Pada zaman modern ini, perancangan rotor turbin angin selain menggunakan rumus fisika, kita dapat merancang menggunakan metode komputasi. Metode ini adalah metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah seni untuk menggantikan persamaan-persamaan integral dan diferensial parsial menjadi persamaan aljabar diskrit, yang mana untuk kemudian dapat diselesaikan untuk memperoleh solusi berupa angka-angka nilai aliran pada titik-titik diskrit ruang dan waktu. Jadi persamaan-persamaan analitik seperti hukum-hukum mekanika fluida yang rumit dapat diselesaikan secara cepat dengan bantuan komputer. >> KLIK DI SINI UNTUK MENDESAIN ROTOR TURBIN ANGIN MENGGUNAKAN CFD!

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

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

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

https://en.wikipedia.org/wiki/Blade_element_momentum_theory (diakses pada tanggal 1 November 2021)

https://www3.nd.edu/~tcorke/w.WindTurbineCourse/Aerodynamics_Presentation.pdf (diakses pada tanggal 1 November 2021)

Author: admin