TINJAUAN PUSTAKA
2.5 Perancangan Bilah Turbin Angin
Perancangan adalah salah satu proses pembuatan produk dalam bentuk gambar atau media apapun. Produk yang dibuat harus melalui tahap perancangan yang matang seperti mempertimbangkan material yang digunakan, tata cara memproduksinya, dan lain-lain. Oleh karenanya, seorang perancang harus memahami beberapa prosedur dalam melakukan perancangan di antaranya [26]:
1. Menciptakan ide atau konsep produk yang solutif.
2. Menentukan apakah produk yang dibuat akan statis atau dinamis.
3. Menggambar produk dalam bentuk dua atau tiga dimensi.
18
4. Melakukan input data material yang digunakan ke dalam gambar.
5. Menganalisis kekuatan produk yang dirancang dengan bantuan software komputer untuk menghemat biaya. Sehingga dapat diketahui keamanan produk sebelum diproduksi.
Dalam perancangan bilah turbin angin, terdapat beberapa hal yang harus dipertimbangkan untuk membuat bilah yang meliputi: material, ukuran, jenis bilah, panjang chord, jenis airfoil, dan jumlah bilah [17]. Persyaratan tersebut akan menentukan hasil perhitungan geometri bilah yang mengacu pada parameter-parameter yang sangat berpengaruh terhadap performa dan kekuatan struktur bilah yang dirancang.
2.5.1 Parameter Perancangan Bilah Turbin Angin
Dalam perancangan bilah turbin angin sumbu horizontal, terdapat beberapa parameter yang harus diperhatikan. Parameter – parameter tersebut di antaranya [12]:
1. Panjang bilah adalah parameter yang mempengaruhi besarnya daya yang akan dihasilkan turbin angin karena panjang bilah akan menentukan luasnya sapuan bilah.
2. Twist adalah sudut puntir pada sudu antara chord line dengan bidang rotor.
3. Koefisien torsi adalah parameter yang mempresentasikan besarnya torsi yang diproduksi oleh bilah. Koefisien torsi dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut:
𝐶𝑚 = 𝐶𝑝
𝜆 (2.8)
4. Tip Speed Ratio (TSR) adalah rasio kecepatan ujung rotor terhadap kecepatan angin relatif. Turbin angin dapat beroperasi maksimal pada TSR tertentu. Bilah dengan TSR yang besar akan menyebabkan putaran bilah yang tinggi. Apabila
19
bilah berputar dengan kecepatan yang tinggi maka akan terjadi gangguan suara yang lebih kencang. Hal tersebut menunjukkan bahwa turbin angin telah melewati batas optimum TSR. Karenanya, TSR dapat dihitung dengan perbandingan antara kecepatan rotor dan kecepatan angin yang dirumuskan sebagai berikut:
𝜆 = 𝜋 𝐷 𝑁
60 𝑣 (2.9)
5. Coefficient performance (Cp) adalah kinerja bilah dalam menyerap energi angin yang diterimanya. Jika nilai Cp-nya besar maka turbin angin tersebut memiliki kemampuan yang besar untuk mengekstrak energi angin yang diperolehnya.
Gambar 2.8 Tip Speed Ratio terhadap Cp [27]
6. Rated speed adalah kecepatan angin yang diperlukan turbin untuk menghasilkan daya. Cut-in speed adalah kecepatan angin minimum yang diperlukan turbin untuk mulai menghasilkan listrik, sedangkan cut-out speed adalah kecepatan angin maksimum turbin angin dapat beroperasi.
20 2.5.2 Pemilihan Material Bilah Turbin Angin
Tahap selanjutnya setelah melakukan perancangan bilah dalam bentuk 3 dimensi adalah menentukan material bilah yang akan digunakan dalam simulasi kekuatan struktur. Terdapat beberapa macam material yang dapat digunakan untuk membuat bilah di antaranya logam, komposit, styrofoam, kayu, dan sebagainya.
Material-material tersebut harus diperhatikan keunggulan dan kekurangannya. Seperti penggunaan steel untuk material bilah dapat menyebabkan bilah sulit berputar karena materialnya terlalu berat, sedangkan alumunium tidak cukup kuat dan dapat menyebabkan bilah menjadi patah. Komposit seperti resin polyster merupakan material yang umum digunakan, namun diperlukan cetakan atau master blade untuk membuat bilahnya dan hal tersebut membutuhkan biaya yang lebih besar. Sedangkan bahan styrofoam memiliki sifat yang ringan dan mudah dibentuk. Namun bahan tersebut cenderung mudah patah [12].
Kayu merupakan pilihan yang paling umum digunakan dalam pembuatan bilah turbin angin karena memiliki sifat yang ringan, kuat, mudah dibentuk, dan getas.
Kayu yang digunakan pada pembuatan bilah sebaiknya adalah kayu yang lunak dan ringan, memiliki serat yang rapat dan bebas dari mata kayu jika memungkinkan.
Beberapa contoh jenis kayu yang dapat diimplementasikan dalam pembuatan bilah adalah kayu pinus, jati, dan mahoni [12]. Dalam penelitian ini, penulis memilih material kayu untuk simulasi kekuatan struktur pada perancangan bilah turbin angin.
2.5.3 Sifat- Sifat Mekanik Kayu
Kayu adalah material alami yang memiliki karateristik atau sifat mekanik. Sifat mekanik kayu merupakan sifat yang erat kaitannya dengan kemampuan kayu dalam menahan beban yang diberikan. Kayu yang diberikan pembebanan akan menyebabkan terjadinya tegangan yang dapat membuat kayu mengalami perubahan
21
bentuk. Untuk itu, perlu diketahui beberapa macam sifat mekanik kayu yakni sebagai berikut (Dumanauw, 1990) [28]:
1. Kekuatan tarik kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang dapat menyebabkan kayu menjadi tertarik. Kekuatan tarik kayu pada arah serat yang sejajar memiliki nilai tertinggi dibandingkan arah serat yang tegak lurus.
Kekuatan tarik yang tercipta tersebut menunjukkan suatu hubungan tentang ketahanan kayu terhadap pembelahan.
2. Kekuatan tekan kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban tekan.
Kekuatan tekan yang sejajar arah serat memiliki nilai yang lebih besar daripada kekuatan tekan yang tegak lurs arah serat. Kekuatan tekan kayu erat kaitannya dengan kekerasan kayu dan kekuatan geser kayu.
3. Kekuatan geser kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang membuat kayu bergelingsir ke bagian lainnya. Kekuatan geser kayu yang paling besar terletak pada posisi melintang serat kayu.
4. Kekuatan lentur adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang membuat kayu menjadi melengkung akibat tekanan yang diberikan secara terus-menerus.
Kekuatan lentur terdiri atas lentur statik dan lentur pukul. Kekuatan lentur statik adalah kekuatan yang menunjukkan kekuatan kayu dalam menahan beban yang mengenai kayu secara perlahan-lahan, sedangkan kekuatan lentur pukul adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang diberikan secara mendadak seperti pukulan.
5. Keuletan kayu adalah kemampuan kayu terhadap tegangan yang diberikan secara berulang-ulang dan menyebabkan kayu melampaui batas proporsionalnya sehingga mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk yang permanen dan kerusakan pada bagian kayu. Dengan kata lain, keuletan merupakan lawan kata dari kerapuhan kayu. Kayu yang ulet adalah kayu yang sukar dibelah.
6. Kekerasan kayu adalah kemampuan kayu dalam menahan beban yang dapat mengakibatkan terjadinya lekukan pada kayu atau dengan kata lain diartikan
22
sebagai kemampuan kayu dalam menahan kikisan. Kekerasan kayu erat kaitannya dengan berat jenis kayu. Kayu yang keras termasuk kayu yang berat dan kayu yang lunak termasuk kayu yang ringan.
7. Kekuatan belah kayu adalah kekuatan kayu dalam menahan beban yang menyebabkan kayu menjadi terbelah.
2.5.4 Kayu Pinus
Kayu pinus merupakan jenis kayu yang memiliki kualitas baik. Kayu pinus memiliki berat (kepadatan 0,88 hingga 0,96), densitasnya berkisar 565-750 kg/m3, dan tahan terhadap panas. Kayu pinus sering digunakan dalam konstruksi, pembuatan korek api, bubur kertas, furnitur umum, alat peraga lubang, tiang elektronik, kapal, dan pembuatan kendaraan karena kayu pinus memiliki serat yang lurus dan sama rata yang dapat mempermudah proses manufaktur dan proses finishing [29]. Sehingga, jenis kayu pinus menjadi pilihan para peneliti dalam melakukan rancang bangun bilah turbin angin.
Dahlan [10] melakukan penelitian rancang bangun bilah turbin angin dengan material kayu pinus dan kayu mahoni. Hasil pengujian bilah tersebut menunjukkan bahwa ketahanan kayu pinus lebih baik daripada kayu mahoni. Bilah kayu mahoni mengalami keretakan pada salah satu bilahnya, sedangkan bilah kayu pinus tidak terjadi keretakan pada semua bilah. Sayogo et al. [30] melakukan penelitian rancang bangun bilah turbin angin sumbu horizontal untuk daerah Pantai Selatan Jawa menggunakan material kayu pinus. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah turbin angin dengan material kayu pinus mampu bekerja dengan baik pada kecepatan 1,5-3,9 m/s. Multazam dan Mulkan [9] melakukan penelitian rancang bangun turbin angin sumbu horizonyal menggunakan material kayu pinus untuk meningkatkan performa Permanent Magnet Generator (PMG). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa bilah turbin angin berbahan kayu pinus memiliki putaran yang optimal dibandingkan bilah turbin angin berbahan fiberglass sehingga dapat meningkatkan
23
performa PMG. Performa yang baik pada material kayu pinus dapat dipilih untuk perancangan bilah inverse taper pada penelitian ini.
