Turbin angin sumbu vertikal

Turbin angin sumbu vertikal tertinggi, di Cap-Chat, Quebec

Turbin angin sumbu vertikal (bahasa Inggris: vertical-axis wind turbine; VAWT) atau dapat disingkat TASV adalah salah satu jenis turbin angin dengan poros rotor melintang terhadap arah angin, dan komponen utama diletakkan pada dasar turbin. Hal ini memungkinkan rancangan yang meletakkan generator dan boks gerigi pada dasar turbin yang mempermudah perawatan dan perbaikan. TASV tidak perlu diarahkan pada arah angin, yang menghilangkan kebutuhan mekanisme penginderaan angin dan orientasi turbin. Kekurangan terbesar pada rancangan-rancangan awal (seperti Savonius, Darrieus, dan giromill) yaitu adanya riak torsi yang signifikan setiap perputaran dan adanya momen lentuk yang tinggi pada bilah turbin. Rancangan lebih baru menyelesaikan permasalahan riak torsi dengan melengkungkan bilah secara heliks, seperti tipe Gorlov. TASV Savonius tidak tersebar secara luas, tapi kesederhanaan dan kinerjanya yang lebih baik pada bidang aliran yang terganggu, dibanding dengan turbin angin sumbu horizontal (TASH) membuatnya menjadi alternatif yang baik untuk perangkat pembangkit listrik beredar pada lingkungan perkotaan.

Turbin angin sumbu vertikal memiliki poros putar yang tegak lurus terhadap aliran udara dan vertikal terhadap tanah. Istilah yang lebih umum yang termasuk dalam pilihan ini adalah "turbin angin sumbu transversal" atau "turbin angin aliran silang". Misalnya, paten awal Darrieus, paten Amerika Serikat nomor 1835018, memasukkan dua opsi tersebut.

TASV tipe hambat seperti rotor Savonius biasanya berjalan pada rasio kecepatan ujung yang lebih rendah dibandingkan dengan TASV jenis angkat, seperti rotor Darrieus.

Model komputer menunjukkan bahwa TASV yang diatur pada pembangkit listrik tenaga angin dapat membangkitkan tenaga hingga 15% lebih tinggi per turbin daripada jika digunakan sendiri-sendiri.

Aerodinamika umum

Artikel utama: Aerodinamika turbin angin

Gambar 1: Gaya dan kecepatan yang bekerja pada turbin Darrieus untuk beberapa posisi azimut.

Gaya dan kecepatan yang bekerja pada turbin Darrieus diperlihatkan pada Gambar 1. Resultan dari vektor kecepatan, W→ adalah penjumlahan vektor dari kecepatan udara hulu yang tidak terganggu, U→, dan vektor kecepatan dari bilah yang maju, -ω→ × R→ .

${\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)$

Turbin heliks Darrieus

Maka, kecepatan cairan yang mendekat beragam pada setiap siklus. Kecepatan maksimum dapat dihitung dengan θ = 0^° dan minimum pada θ = 180^°, dengan θ adalah posisi azimut atau orbital. Sudut serang, α, adalah sudut antara kelajuan air yang mendekat, W, dan akord bilah. Hasil aliran udara menciptakan sudut serang yang beragam dan positif terhadap bilah pada zona hulu mesin, mengubah tanda pada zona hilir mesin.

Ini mengikuti pertimbangan geometris dari kecepatan sudut seperti yang ada pada Gambar 1, bahwa:

$V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )$

dan:

$V_{n}=U\sin(\theta )$

Menyelesaikan kecepatan relatif sebagai resultan dari komponen tangensial dan normal akan menghasilkan:

$W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}$

Maka, dengan memadukan persamaan di atas dengan definisi dari rasio kecepatan ujung λ = (ωR)⁄U menghasilkan ekspresi berikut untuk resultan kecepatan:

$W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}$

Sudut serangan diselesaikan dengan:

$\alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)$

Yang ketika disubtitusikan ke atas akan menghasilkan:

$\alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)$

Gaya aerodinamika resultan akan menghasilkan komponen gaya angkat (L) - gaya hambat (D) atau komponen normal (N) - tangensial (T). Gaya-gaya yang dianggap bekerja pada poin di seperempat akord, dan momen jarak ditentukan untuk menyelesaikan gaya aerodinamika. Istilah aeronautik lift (gaya angkat) dan drag (gaya hambat) merujuk pada gaya yang melintasi (angkat) dan sepanjang (hambat) yang mendekati aliran udara relatif bersih. Gaya tangensial yang bekerja di sepanjang kecepatan bilah, yang menarik bilah, dan gaya normal yang bekerja secara radial, mendorong melawan bantalan poros. Gaya angkat dan hambar berguna ketika berurusan dengan gaya aerodinamika di sekitar bilah seperti anjlok, lapisan batas, dan lain sebagainya. Ketika berurusan dengan performa global, beban lelah, dan lain-lain, akan lebih mudah untuk menggunakan kerangka normal-tangensial. Koefisien angkat dan hambat biasanya dinormalisasi oleh tekanan dinamis dari aliran udara relatif, sementara tekanan dinamik dari kecepatan fluida hulu tak terganggu biasanya digunakan untuk menormalisasikan koefisien normal dan tangensial.

$C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}$

• A adalah area bilah (jangan dikelirukan dengan Luas Sisiran, yang sama dengan tinggi dari bilah atau rotor dikalikan dengan diameter rotor),
• R adalah jari-jari turbin.

Jumlah daya, P, yang dapat diekstrak oleh turbin angin adalah:

$P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}$

Dengan C_p adalah koefisien daya, ρ adalah massa jenis udara, A adalah luas sisiran dari turbin, dan ν adalah kecepatan angin.

Tipe

Tipe turbin angin sumbu vertikal.

Terdapat dua tipe utama dari TASV, yaitu turbin angin Savonius dan Darrieus. Rotor Darrieus memiliki banyak subtipe, termasuk bentuk heliks, bentuk cakram, dan bentuk H.

Beberapa desain sederhana mungkin dapat termukan. Dalam praktiknya, terdapat beberapa variasi atau kombinasi bentuk, dengan pengembang seringkali memperlihatkan kreativitas mereka dalam membangun rupa bentuk yang luas untuk turbin angin sumbu vertikal.

Savonius

Artikel utama: Kincir angin Savonius

Diagram skematik dari turbin angin Savonius dengan dua "sendok".

Turbin angin Savonius adalah turbin angin sumbu vertikal tipe hambat. Desain umum dari turbin angin ini adalah turbin yang berputar dengan dua atau tiga sendok yang menangkap angin yang datang. Oleh karena desain yang sederhana dan kuat, dan efisiensinya yang rendah, turbin angin jenis ini digunakan di mana reliabilitas lebih penting dibandingkan dengan efisiensi. Satu alasan mengapa turbin angin jenis ini memiliki efisiensi yang rendah adalah turbin ini adalah hanya setengah dari bagian turbin yang memberikan torsi positif, sementara yang lain bergerak melawan angin dan menghasilkan torsi negatif. Sebuah varian dari turbin ini adalah turbinangin Harmony dengan bilah berbentuk heliks dan sebuah mekanisme penguncup otomatis pada kondisi angin dengan kecepatan tinggi.

Darrieus

Artikel utama: Kincir angin Darrieus

Turbin angin Darrieus adalah turbin angin sumbu vertikal tipe angkat. Desain awal dari turbin angin ini memiliki bilah penampang udara dengan ujung yang ditempel pada poros yang berputar. Namun, ada juga desain yang langsung menggunakan penampang udaa vertikal, yang dirujuk sebagai rotor H atau turbin angin Giromill Darrieus. Lebih lanjut, bilah pada turbinangin Darrieus dapat dibentuk menjadi heliks untuk mengurangi efek riak torsi pada turbin dengan menyebarkan torsi secara merata pada setiap rotasi.

Karena turbin angin tipe Darrieus adalah perangkat bertipe angkat, turbin angin Darrieus dapat mengekstrak lebih banyak tenaga angin dibandingkan dengan turbin angin tipe hambatan, seperti turbin angin Savonius.

Kelebihan

TASV menawarkan beberapa kelebihan dibandingkan dengan turbin angin sumbu horizontal (TASH):

• TASV semua arah tidak perlu melacak arah angin. Artinya, mereka tidak perlu mekanisme kompleks dan motor untuk mengoleng rotor dan mengganggulkan bilah.
• Penggantian dan pemeliharaan kotak roda gigi lebih sederhana dan lebih efisien karena kotak roda gigi lebih dapat diakses di level tanah, bukannya berada ratusan kaki di atas udara. Kegagalan motor dan kotak roda gigi biasanya pertimbangan operasi dan pemeliharaan yang signifikan.
• Beberapa desain dapat menggunakan fondasi tumpukan sekrup, yang mengurangi transportasi darat untuk beton dan dampak lingkungan dari pemasangan turbin angin. Tumpukan sekrup dapat mendaur ulang di akhir umurnya.
• TASV dapat dipasang pada pembangkit listrik tenaga angin (ladang angin) untuk TASH di bawah TASH, menambahkan pengeluaran daya.
• TASV dapat beroperasi pada kondisi yang kurang baik untuk TASH. Misalnya, kincir angin Savonius dapat beroperasi pada area dengan angin yang tidak teratur pada level tanah, yang seding digunakan di lokasi yang jauh dan tidak berpenghuni, walaupun desain tersebut adalah desain yang paling tidak efisien, tipe hambat, TASV.
• Mengurangi derau dibandingkan dengan TASH.
• Mengurangi bahaya bagi burung.

Kekurangan

Ketika kecepatan dari TASV bertumbuh, begitu juga dayanya. Namun, pada beberapa poin tertinggi, daya yang dikeluarkan dapat menurun ketika kecepatan angin terus bertumbuh. Dari situ, pengereman cakram digunakan untuk menurunkan kecepatan turbin angin pada kondisi kecepatan yang tinggi. Namun, kadang karena rem cakram menjadi panas, turbin dapat terbakar.

TASV sering menderita anjlok dinamis pada bilah ketika sudut serang bervariasi secara cepat.

Bilah-bilah dari TASV rentan terhadap kelelahan oleh karena variasi yang luas untuk gaya yang diaplikasikan pada setiap putaran. Bilah berorientasi vertikal dapat melintir dan bengkok setiap putaran, mengurangi umur penggunaannya.

Selain tipe hambatan, TASV terbukti kurang dapat diandalkan dibandingkan dengan TASH, meskipun desain modern telah mengatasi masalah-masalah di awal.