14 Betz merupakan orang pertama yang merumuskan ini, sehingga nilai ini
disebut dengan Betz limit. Dengan mengetahui bahwa koefisien performansi ideal diperoleh pada
rasio kecepatan v
2
v
1
= 13 maka kecepatan aliran tepat di depan turbin, v
’
= 23 v
1
2.17 dan kecepatan udara setelah melewati turbin,
v
2
= 13 v
1
2.18
2.4 Turbin angin Darrieus
Turbin angin Darrieus pada umumnya dikenal sebagai turbin sumbu horizontal dengan bentuk melengkung troposkien: tali yang berputar, bahasa
Yunani. Turbin angin Darrieus pertama kali ditemukan oleh Georges J.M Darrieus pada tahun 1931. Turbin angin Darrieus merupakan turbin angin yang
menggunakan prinsip aerodinamik dengan memanfaatkan gaya lift pada penampang sudu rotornya dalam mengekstrak energi angin. Sudu turbin ini
berbentuk airfoil.
Gambar. 2.6 Turbin angin Darrieus-H lima sudu www.wintufel.net
2.4.1 Airfoil Airfoil adalah bentuk aerodinamik yang dianggap sangat efektif untuk
menghasilkan gaya angkat lift. Sebagai contoh sebuah airfoil adalah penampang potongan sayap pesawat. Sayap adalah bagian pesawat terbang yang berfungsi
Universitas Sumatera Utara
15 untuk menghasilkan gaya angkat. Gaya angkat yang dihasilkan itu akan terjadi
karena gaya tekanan dibawah lebih besar daripada gaya tekanan diatas airfoil. Sayap juga dinamai penguat gaya dorong thrust amplifier, karena gaya angkat
yang dihasilkan dapat beberapa kali lebih besar daripada gaya tahan drag yang harus diatasi oleh gaya dorong motor propulsi. Nomenklatur dan cara
menggambar airfoil dapat dilihat pada gambar dibawah.
Gambar.2.7 Nomenklatur airfoil Arismunandar, 2000 Garis kamber rata-rata mean camber line adalah tempat kedudukan dari
titik-titik tengah antara permukaan atas dan permukaan bawah airfoil; yaitu tempat kedudukan titik tengah dari garis tegak lurus, pada garis kamber rata-rata
itu sendiri, yang menghubungkan permukaan atas dan permukaan bawah. Garis kamber rata-rata menjadi ciri utama sebuah airfoil. Titik terdepan dan titik
terbelakang dari garis kamber rata-rata, berturut-turut dinamai tepi depan leading edge dan tepi belakang trailing edge. Garis korda chord line adalah garis lurus
yang menghubungkan tepi depan dan tepi belakang, korda chord adalah panjangnya garis korda antara tepi depan dan tepi belakang. Ukuran airfoil
biasanya dinyatakan sebagai fungsi dari korda c. kamber maksimum adalah jarak maksimum antara garis kamber dengan garis korda, diukur pada garis tegak
lurus dari korda. Letak kamber maksimum dari tepi depan sangat penting dalam menentukan karakteristik aerodinamika sebuah airfoil. Banyak usaha dilakukan
untuk menggeser letak kamber maksimum ke depan untuk menaikkan gaya angkat C
L maks
. Kamber, bentuk garis kamber rata-rata dan juga distribusi tebal airfoil
Universitas Sumatera Utara
16 sangat menentukan karakteristik gaya angkat dan momen airfoil. Tebal
maksimum sebuah airfoil adalah jarak maksimum antara permukaan atas dan permukaan bawah Arismunandar, 2000.
Gambar.2.8 Contoh airfoil NACA 4 digit Sumber: Dokumen Penulis Radius lingkaran yang melalui tepi depan merupakan ukuran ketajaman
tepi depan; biasanya 0-2 korda. Titik pusat lingkaran tersebut berada pada garis singgung garis kamber rata-rata yang melalui tepi depan. Berdasarkan
pertimbangan tersebut maka ukuran dan bentuk airfoil dinyatakan dengan nomor seri seperti contoh diatas.
2.4.2 Turbin angin Darrieus-H Turbin angin Darrieus memiliki torsi rotor yang relatif rendah tetapi
putarannya lebih tinggi dibanding dengan turbin angin Savonius sehingga lebih diutamakan untuk menghasilkan energi listrik. Namun turbin ini membutuhkan
energi awal yang lebih besar untuk mulai berputar. Turbin angin Darrieus biasanya akan mulai berputar pada kecepatan angin 2,5 ms dan dapat
menghasilkan daya pada kecepatan angin 3 ms. Turbin angin Darrieus memiliki sudu dengan penampang berbentuk airfoil. Efisiensi maksimum turbin angin tipe
Darrieus-H untuk saat ini masih berada pada 42 , sedangkan turbin angin tipe horizontal mempunyai efisiensi maksimum sebesar 50 . Hal ini mengakibatkan
Universitas Sumatera Utara
17 turbin angin tipe Darrieus-H jarang dipakai untuk pembangkit listrik dengan
kapasitas yang besar.
Gambar.2.9 Gaya-gaya aerodinamik pada sudu turbin Sumber: Dokumen Penulis
Keterangan gambar: L = gaya lift sudu N
D = gaya drag sudu N ω = kecepatan sudut elemen sudu rads
r = radius turbin m α = sudut serang sudu
, c = kecepatan absolut elemen sudu resultan vektor
v’ dengan u’ c = v’{λ + cos
2
+ sin
2
}
12
2.19 v’ = kecepatan angin ms
u’ = kecepatan tangensial elemen sudu ms u’ = rω
2.20
Universitas Sumatera Utara
18 Catatan:
- gaya lift L tegak lurus terhadap komponen kecepatan c - gaya drag D paralel terhadap komponen kecepatan c
Turbin angin Darrieus-H menggunakan sudu berbentuk airfoil. Sudu ini diatur sedemikian rupa dengan sudut tertentu yang disebut dengan sudut serang
angle of attack. Sudut serang merupakan sudut antara garis referensi garis korda c dengan arah aliran, sudut ini merupakan sudut serang lokal. Pada saat
turbin berputar, sudut serang sudu berubah terhadap posisi sudut sudu dan
merupakan fungsi dari tip speed rati o λ.
α = arc tan [sin λ + cos ] dimana, α = sudut serang 2.21
Gambar.2.10 Sudu turbin pada kondisi sudut serang rendah, medium, dan tinggi Sumber: Dokumen Penulis
Besarnya sudut serang tidak boleh melebihi sudut serang kritis sudu karena pada saat sudut serang melebihi sudut serang kritis akan terjadi stall. Stall
merupakan kondisi dimana terjadi pemisahan aliran udara diatas sudu dan timbul gelombang wake udara yang tidak beraturan. Pada kondisi stall, sudu hanya
mempunyai koefisien lift yang sangat kecil. 2.4.3 Sudut serang angle of attack dan sudut pitch
Sudut serang pada turbin Darrieus-H merupakan sudut antara garis chord sudu dengan garis komponen kecepatan relatif. Pada turbin angin Darrieus-H ini,
besarnya sudut serang dipengaruhi oleh beberapa hal seperti, tip speed ratio, sudut azimuth sudu, dan sudut pitch sudu. Semakin besar tip speed ratio maka sudut
serang akan semakin kecil, hal ini dapat dilihat dari persamaan di bawah ini. α = arc tan [sin λ + cos ]
Universitas Sumatera Utara
19 dimana:
λ = tip speed ratio θ = sudut azimuth sudu
R Menuju
pusat rotasi Menjauhi
pusat rotasi -
φ +
φ
Garis Chord ω
Gambar. 2.11 Arah sudut pitch Sumber: Dokumen Penulis Untuk sudut pitch
φ = 0, maka nilai sudut serang tidak berubah, tetapi jika sudut pitch
φ 0, maka sudut serang akan berubah sesuai dengan besarnya perubahan sudut pitch.
α = {arc tan [sin λ + cos ]} - φ θ 180
α = {arc tan [sin λ + cos ]} + φ 180
θ 360 α = φ
θ = 0
, dan θ = 180
Universitas Sumatera Utara
20
φ α
Garis korda chord θ = 45
θ = 135
θ = 225 θ = 315
Angin
α
α α
φ
φ φ
φ
Komponen kecepatan angin dan kecepatan tangensial α
Komponen kecepatan relatif
Gambar. 2.12 Perubahan sudut serang sebagai fungsi tip speed ratio, sudut azimuth, dan sudut pitch Sumber: Dukumen Penulis
Universitas Sumatera Utara
21 Berikut ini merupakan contoh perubahan sudut serang sebagai fungsi sudut
azimuth sudu.
v’ c
u’
c
c c
c c
c c
v’
v’ v’
v’ v’
v’
v’
u’
u’ u’
u’ u’
u’ u’
ω θ
1 2
3 4
5
6 7
8 Angin
α
Gambar.2.13 Perubahan sudut serang Sumber: Dokumen Penulis Kecepatan angin
V = 3.85 ms Putaran Turbin
n = 50 rpm
Universitas Sumatera Utara
22 Radius Turbin
r = 0.75 m Kcepatan Sudut
ω = 2πnθ0 = 2π.5060 = 5.666 rads Kecepatan Tangensial
u’ = ω.r = 5.6660.75 = 4.24 ms Tip speed ratio
λ = ω.rv = 5.6660.753.85 = 1.103 Untuk tiap titik diperoleh:
1. θ = 0 α = 0
c = 8.09 ms 2. θ = 45
α = 21.37 c = 7.48 ms
3. θ = 90 α = 42.19
c = 5.72 ms 4. θ = 135
α = 60.75 c = 3.17 ms
5. θ = 180 α = 0
c = 0.39 ms 6. θ = 225
α = -60.75 c = 3.17 ms
7. θ = 270 α = -42.19
c = 5.72 ms 8. θ = 315
α = -21.37 c = 7.48 ms
2.5 Sistem Kelistrikan
