Cara kerja turbin angin

Yang ditunjukkan model

Dari jalan tol, turbin angin tampak hampir tidak bergerak. Bilahnya berputar kira-kira sekali setiap lima detik, cukup lambat untuk dihitung. Padahal ujung bilah itu melaju hampir 300 km/h, dan mesin di puncak menara dapat memasok listrik untuk beberapa ribu rumah. Pameran ini membongkar sebuah turbin besar untuk menunjukkan bagaimana rotor yang lambat dan berat mengubah udara yang bergerak menjadi listrik, dan mengapa ia sengaja membuang daya saat angin menjadi kencang.

Modelnya adalah turbin acuan NREL 5 MW. Para peneliti Laboratorium Energi Terbarukan Nasional Amerika Serikat (sekarang National Laboratory of the Rockies, NLR) menetapkannya pada 2009 agar siapa pun bisa menjalankan simulasi pada mesin yang sama. Rancangannya sangat dekat dengan turbin sungguhan, REpower 5M. Diameter rotor 126 m, hub berada 90 m di atas tanah, dan ketiga bilahnya masing-masing sepanjang 61,5 m. Semua ukuran dalam model digambar dalam meter, jadi mobil servis di kaki menara pun sesuai skala.

Gunakan penggeser kecepatan angin untuk bergerak di sepanjang kurva daya. Rotor makin cepat, bilah berputar pada bantalannya, dan titik merah di grafik ikut bergerak. Penggeser arah angin membuat nasel berbalik, dan titik-titik di udara menunjukkan bagaimana angin melambat di belakang rotor sebelum mencapai turbin kedua sejauh 630 m.

Dari mana daya angin berasal

Udara yang bergerak memiliki energi kinetik. Setiap detik, satu kolom udara selebar rotor dan sepanjang kecepatan angin melewati cakram rotor. Massanya bertambah seiring kecepatan angin dan energinya per kilogram bertambah sebanding kuadrat kecepatan, sehingga daya yang dibawa angin naik sebanding pangkat tiga kecepatan:

P = ½ ρ A v³

Di sini ρ adalah massa jenis udara (1,225 kg/m³ di permukaan laut), A luas yang disapu bilah, dan v kecepatan angin. Untuk rotor ini A = π × 63² = 12.469 m². Pada 8 m/s, itu berarti 3,91 MW melewati cakram. Pada 11,4 m/s menjadi 11,3 MW, dan pada 25 m/s menjadi 119 MW.

Pangkat tiga inilah alasan lokasi sangat menentukan. Angin 6 m/s dan 12 m/s terdengar mirip, tetapi yang kedua membawa daya delapan kali lipat. Per meter persegi rotor, angin 8 m/s membawa 314 W dan angin 12 m/s membawa 1058 W.

Turbin hanya mengambil sebagian. Bagian yang diambilnya disebut koefisien daya, Cp, dan persamaan lengkap daya poros adalah P = ½ ρ A v³ Cp. Panel angka di sudut panggung menuliskannya dengan angka saat itu, lalu mengalikannya dengan efisiensi generator 94,4 %.

Mengapa tidak ada rotor yang menangkap lebih dari 59,3 %

Rotor tidak bisa menghentikan angin sama sekali. Kalau bisa, udara akan menumpuk di depannya dan tidak ada lagi yang mengalir lewat. Kalau udara dibiarkan lewat tanpa disentuh, rotor tidak mendapat apa-apa. Hasil terbaik ada di antara keduanya, dan pada 1919 insinyur Jerman Albert Betz menghitung letaknya.

Anggap rotor sebagai cakram tipis yang memperlambat udara. Sebut bagian perlambatan udara di cakram sebagai a, faktor induksi aksial. Kekekalan massa dan momentum memberi Cp = 4a(1 − a)². Nilai terbesar muncul pada a = 1/3, ketika udara di cakram melambat menjadi dua pertiga kecepatan angin dan udara jauh di belakangnya menjadi sepertiga. Nilai maksimumnya

Cp = 16/27 ≈ 0,593

Perhitungan numerik menemukan puncak yang sama: 0,59259 pada a = 0,3333. Inilah batas Betz, garis titik-titik biru pada grafik daya. Rotor NREL mencapai koefisien daya 0,482 pada setelan terbaiknya, 81 % dari batas itu. Sisanya hilang karena hambatan pada bilah, pusaran yang tertinggal di jejak angin, dan udara yang lolos di sekitar ujung bilah.

Bilah adalah sayap yang bergerak menyamping

Setiap bilah bekerja seperti sayap pesawat. Bedanya, bilah bergerak melingkar memotong arah angin, sehingga udara yang ditemuinya datang dari dua arah sekaligus. Angin bertiup menembus bidang rotor, dan gerak bilah sendiri menimbulkan angin dari depan di sepanjang bidang itu. Jumlah keduanya adalah angin relatif, dan itulah udara yang benar-benar dirasakan bilah.

Panel kecil di kanan bawah panggung menggambarkannya untuk satu irisan bilah pada jarak 47 m dari pusat, tiga perempat panjang bilah. Pada 8 m/s irisan itu bergerak 45 m/s, sedangkan angin yang melewati cakram (sudah diperlambat rotor) sekitar 6,6 m/s. Karena itu angin relatif datang hanya 8,3° dari bidang rotor. Airfoil dipasang agar menemui udara ini dengan sudut serang kecil, sekitar 6°, di mana gaya angkatnya besar dan hambatannya kecil. Gaya angkat kira-kira tegak lurus terhadap angin relatif, sehingga condong ke depan searah gerak dan menarik bilah berputar.

Makin dekat ke hub, bilah bergerak makin lambat tetapi anginnya sama, sehingga angin relatif datang dengan sudut lebih curam. Itulah sebabnya bilah dipuntir. Dalam tabel NREL, garis korda dipasang 13,3° di dekat pangkal dan turun menjadi 0,1° di ujung. Potongan oranye pada bilah 1 menunjukkan tiga irisan: irisan pada 47,25 m 8,9° lebih datar daripada irisan pada 15,85 m.

Bentuk irisannya juga berubah. Pangkal bilah berupa tabung bundar, karena harus meneruskan lenturan balok sepanjang 61,5 m ke hub. Makin ke luar, ia menjadi airfoil DU yang tebal (tebalnya 40 % sampai 21 % dari lebarnya), dan sepertiga luar memakai bentuk NACA 64 yang lebih tipis. Korda terlebar, 4,65 m, ada di dekat pangkal, dan korda menyusut menjadi 1,42 m di dekat ujung.

Kecepatan ujung dan rasio kecepatan ujung

Rasio kecepatan ujung, λ, adalah kecepatan ujung bilah dibagi kecepatan angin. Angka inilah yang menentukan seberapa baik rotor bekerja. Jika rotor berputar terlalu lambat untuk anginnya, bilah menemui udara dengan sudut terlalu curam dan kehilangan gaya angkat (stall). Jika berputar terlalu cepat, sudutnya menjadi terlalu kecil, bahkan negatif, dan bilah malah mengerem.

Untuk rotor NREL, rasio terbaiknya 7,55. Pada 8 m/s, ujung bilah lalu bergerak 60 m/s dan rotor berputar 9,2 rpm. Pengendali tidak mengukur angin untuk ini; ia mengatur torsi generator berdasarkan kecepatan generator, sehingga rotor dengan sendirinya mantap di dekat rasio terbaik. Perhatikan panel angka antara 7 dan 10 m/s: angin berubah, putaran rotor ikut berubah, dan λ tetap 7,55.

Ujung bilah tidak bisa terus bertambah cepat. Kebisingan naik cepat seiring kecepatan ujung, sehingga rancangan NREL membatasi rotor pada 12,1 rpm, kecepatan ujung 80 m/s (287 km/h). Dalam model, rotor mencapai batas itu pada 10,6 m/s. Dari situ sampai angin nominal, rasionya turun dan Cp merosot dari 0,482 menjadi sekitar 0,47.

Pada angin lemah rotor juga punya batas bawah. Mesin sungguhan tidak pernah berputar lebih lambat dari 6,9 rpm selama berproduksi. Dalam model, batas ini berlaku dari 3 sampai 6 m/s, sehingga rasionya lebih tinggi dari ideal dan rotor menghasilkan 33 kW pada 3 m/s dan 181 kW pada 4 m/s.

Dari 12 rpm ke 1174 rpm

Rotor yang lambat menghasilkan gaya putar yang besar, atau torsi. Pada daya nominal, poros utama menahan sekitar 4,2 juta newton meter sambil berputar 12,1 rpm. Generator yang bisa memakai torsi itu secara langsung harus sangat besar. Karena itu rancangan NREL, seperti mesin REpower, memakai gearbox.

Poros utama berjalan dari hub ke dalam nasel di atas bantalan utama. Tiga tingkat roda gigi menaikkan kecepatan 97 kali, sehingga 12,1 rpm menjadi 1173,7 rpm pada poros cepat. Poros itu membawa cakram rem parkir dan memutar generator, yang mengubah 94,4 % daya poros menjadi listrik. Nyalakan "Lihat ke dalam" untuk melihat menembus rumah nasel. Pasak oranye pada poros utama berputar bersama rotor; tanda pada cakram rem berputar jauh lebih cepat, meski layar menahannya pada kecepatan yang masih bisa Anda ikuti.

Sebagian turbin tidak memakai gearbox dan menggunakan generator besar yang lambat dengan banyak kutub, yang disebut penggerak langsung. Departemen Energi Amerika Serikat menjelaskan kedua susunan itu. Gearbox membuat generator bisa lebih kecil; penggerak langsung sama sekali tidak memerlukan gearbox.

Kurva daya punya empat bagian

Garis hitam di grafik adalah kurva daya model, dan bentuknya sama untuk semua turbin besar.

Di bawah kecepatan awal 3 m/s, energinya terlalu sedikit untuk dikumpulkan. Rotor diam dan bilah diputar menyamping terhadap angin.

Dari 3 m/s sampai kecepatan nominal, keluaran naik tajam karena pangkat tiga. Rotor mengikuti rasio kecepatan ujung terbaik bila bisa, dan titiknya selalu berada pada proporsi tetap di bawah garis biru Betz.

Pada kecepatan angin nominal 11,4 m/s, generator mencapai 5 MW. Setelah itu kurvanya datar: angin lebih kencang tidak berarti daya lebih besar.

Pada kecepatan henti 25 m/s, turbin mati untuk melindungi dirinya. Bilah berputar ke 90° dan rotor berhenti. Daya langsung jatuh ke nol, itulah sebabnya grafik punya tebing di sisi kanannya.

Bagaimana sudut bilah menahan daya di 5 MW

Pada 18 m/s angin membawa 44,5 MW melewati rotor, sembilan kali daya nominal. Jika bilah tetap di tempatnya, rotor akan mencoba menghasilkan sekitar 9,8 MW. Anda bisa melihatnya dengan mematikan sudut otomatis dan menyetel sudut bilah ke 0°: muncul kurva oranye putus-putus di grafik, titiknya naik di atas 5 MW, dan panel angka memperingatkan kelebihan beban.

Jalan keluarnya adalah memutar setiap bilah pada sumbu panjangnya ke arah angin. Ini disebut memutar bilah ke posisi menyamping (feather). Saat bilah berputar, tepi depannya lebih mengarah ke angin relatif, sudut serang mengecil, dan gaya angkat berkurang. Panel penampang menunjukkan perubahannya: pada 18 m/s irisan pada 47 m menemui udara dengan sudut serang mendekati nol.

Laporan NREL mencantumkan sudut bilah yang diperlukan untuk menahan daya nominal pada setiap kecepatan angin: 3,8° pada 12 m/s, 10,5° pada 15 m/s, 14,9° pada 18 m/s, dan 23,5° pada 25 m/s. Rumus koefisien daya model dicocokkan dengan nilai-nilai itu, jadi sudut yang Anda baca pada 18 m/s adalah angka NREL. Koefisien dayanya di sana hanya 0,119: rotor sekarang sengaja mengambil sekitar seperdelapan daya angin.

Motor sudut bilah tidak bisa memutar bilah seberat 17 ton dalam sekejap. Pengendali NREL dibatasi 8° per detik, begitu pula model. Lompatkan angin dari 8 ke 18 m/s dan Anda akan melihat sudut bilah naik selama sekitar dua detik sementara rotor mempertahankan putarannya.

Berbalik menghadap angin

Rotor hanya bekerja baik bila menghadap angin tepat di depan. Penunjuk arah angin dan anemometer mangkuk di atap nasel mengukur arah dan kecepatan, dan penggerak arah hadap memutar seluruh nasel di atas bantalan cincin besar di puncak menara. DOE menjelaskan susunan ini untuk turbin hulu angin, yang rotornya berada di sisi menara yang menghadap angin, seperti turbin ini.

Nasel dan rotor bersama-sama beratnya sekitar 350 ton, sehingga rancangan NREL memutarnya hanya 0,3° per detik. Mengikuti perubahan angin 30° memakan 100 detik. Model menggambarkannya 20 kali lebih cepat. Geser penggeser arah angin: penunjuk arah di atap langsung berbalik, nasel menyusul lebih lambat, dan selisih arah di panel angka terus berkurang.

Selama selisih itu ada, rotor hanya mendapat bagian angin yang bertiup sejajar sumbunya. Dalam gambaran sederhana yang dipakai model, daya turun sebanding pangkat tiga kosinus selisihnya. Pada 30°, tersisa 65 % daya.

Udara yang lebih lambat di belakang turbin

Energi yang diambil dari udara membuat udara itu lebih lambat. Di belakang rotor ada jejak angin: tabung udara lambat dan berpusar yang makin melebar, lalu pulih sedikit demi sedikit saat udara yang lebih cepat bercampur dari samping. Titik-titik aliran menampilkannya dalam warna biru, dan cincin pucat menunjukkan seberapa jauh ia menyebar.

Model memakai model jejak angin yang diterbitkan N. O. Jensen dari Laboratorium Nasional Risø pada 1983. Tepat di belakang rotor, angin melambat sebesar 1 − √(1 − Ct), dengan Ct koefisien dorong, dan jejak angin melebar dalam garis lurus sebesar 0,1 m untuk setiap meter ke hilir, nilai yang dipakai Jensen. Perlambatan itu lalu tersebar ke luas yang terus membesar:

v_wake = v (1 − (1 − √(1 − Ct)) / (1 + 0,1 x / R)²)

Pada 8 m/s rotor model memiliki Ct = 0,59. Pada jarak 630 m, lima diameter ke hilir, jejak angin sudah melebar sampai jari-jari 126 m dan anginnya 7,3 m/s. Itu hanya 9 % lebih lambat, tetapi karena pangkat tiga, turbin kedua menghasilkan 1,34 MW dibanding 1,78 MW untuk turbin pertama, 76 %. Putar angin 20° dan jejak angin bergeser melewati rotor kedua.

Di atas sekitar 12 m/s, jejak angin jauh kurang berpengaruh. Turbin pertama sedang mengatur sudut bilah dan hanya mengambil sebagian kecil angin, sehingga meninggalkan lubang yang lebih kecil, dan turbin kedua toh sudah melewati angin nominal.

Menara dan fondasi

Menara adalah tabung baja setinggi 87,6 m, lebar 6 m di dasar dan 3,87 m di puncak, tersusun dari segmen yang dibaut pada flensa. Beratnya sekitar 347 ton. Menara harus menanggung berat nasel dan rotor dan, yang lebih penting, dorongan angin pada rotor, yang berusaha membengkokkannya seperti tuas sepanjang 90 m.

Semua itu berakhir di fondasi. Model menampilkan jenis yang umum di darat: pelat beton bertulang yang lebar, terkubur beberapa meter di bawah tanah, dengan alas dan cincin baut angkur yang mencengkeram flensa bawah menara. Ukurannya di sini adalah nilai model, lebar 20 m dan dalam 3,6 m. Tanah di sekitarnya dipotong agar Anda bisa melihatnya; di lokasi sungguhan fondasi tertutup dan ditumbuhi rumput.

Perbandingan turbin ini dengan yang lain

Turbin NREL adalah rancangan tahun 2009. Sejak itu laboratorium riset menerbitkan turbin acuan yang lebih besar, dan DOE memantau ukuran mesin yang benar-benar dibangun di Amerika Serikat. Tabel ini menjajarkannya. Baris terakhir dihitung dari angka pertumbuhan DOE (sejak periode 1998 sampai 1999, tinggi hub naik 83 %, luas sapuan sekitar 670 %, dan daya nominal 375 %), jadi nilainya perkiraan.

Daftar di bawah panggung lebih lengkap, dengan 22 mesin dari Smith-Putnam berbilah dua tahun 1941 sampai rancangan IEA 22 MW, termasuk ladang angin lepas pantai Korea di Tamra, Hallim, dan lokasi percontohan Barat Daya. Pilih satu dan turbin di panggung digambar ulang dengan ukuran rotor, tinggi hub, dan daya nominalnya, di samping seorang manusia, sebuah bus kota, dan 63 Building, gedung pencakar langit di Seoul, sebagai pembanding skala. Turbin lepas pantai berdiri di laut di atas monopile.

Ada dua hal yang menonjol. Rotor model ini mirip rotor turbin darat rata-rata saat ini, tetapi daya nominalnya lebih tinggi, karena ia ditetapkan untuk studi lepas pantai, tempat generator yang lebih besar sepadan. Lalu, makin besar rotor, makin lambat putarannya: rotor IEA 240 m paling cepat 7,56 rpm, namun ujung bilahnya bergerak lebih cepat daripada rotor NREL, 95 m/s. Laporan NREL 5 MW menyebut kebisingan sebagai alasan batas kecepatan ujungnya sendiri.

Daya spesifik dan faktor kapasitas

Daya nominal sebuah turbin angin menunjukkan apa yang dihasilkannya dalam keadaan terbaik. Berapa yang dihasilkan dalam setahun bergantung pada seberapa sering angin membuatnya mencapai daya itu. Para insinyur memakai dua angka untuk ini. Daya spesifik adalah daya nominal dibagi luas sapuan. Faktor kapasitas adalah energi yang benar-benar dihasilkan dalam suatu periode dibagi energi yang akan dihasilkan turbin bila bekerja pada daya nominal sepanjang periode itu.

Mari hitung daya spesifik dengan angka dalam pameran. Rotor NREL 5 MW menyapu 12.469 m², jadi daya spesifiknya 5.000.000 W / 12.469 m² = 401 W/m². Rotor acuan IEA 15 MW berdiameter 240 m, sehingga A = π × 120² = 45.239 m² dan daya spesifiknya 15.000.000 / 45.239 = 332 W/m². Di belakang rotor besar ada generator yang sebanding lebih besar, tetapi lebih kecil per meter persegi rotor.

Daya spesifik rendah berarti rotor besar untuk generatornya. Rotor seperti itu menangkap cukup angin untuk memenuhi generator pada angin yang lebih lemah, sehingga lebih banyak jam berada di dekat daya nominal. Laporan NREL tentang turbin acuan IEA Wind menyebut bahwa perancang yang disurvei meminta acuan darat dengan daya spesifik di bawah 250 W/m², karena turbin untuk angin rendah mencapai faktor kapasitas yang jauh lebih tinggi. Laporan yang sama mengutip perkiraan GE untuk turbin lepas pantai Haliade-X: daya spesifik 315 W/m² dan faktor kapasitas 63 % pada menara sekitar 150 m. Angka 63 % itu perkiraan pabrikan untuk satu rancangan, bukan rata-rata nasional hasil pengukuran. Halaman ini tidak memuat rata-rata terukur karena tidak ada sumber yang diperiksa di sini yang menyediakannya.

Kecepatan ujung, kecepatan rotor, dan kebisingan

Kecepatan ujung bilah adalah kecepatan sudut rotor dalam radian per detik dikalikan jari-jari. Pada rotor NREL di batasnya, 12,1 rpm adalah 12,1 × 2π / 60 = 1,267 rad/s, dan 1,267 × 63 m = 79,8 m/s, yang dibulatkan tabel NREL menjadi 80 m/s. Pada rotor IEA 15 MW, 7,56 rpm menjadi 0,792 rad/s dan 0,792 × 120 m = 95 m/s.

Karena kecepatan ujung dibatasi, rotor yang lebih besar harus berputar lebih lambat. Pada kecepatan ujung yang sama, jari-jari dua kali lipat membuat rpm separuhnya. Itu sebabnya rotor 240 m berputar 7,56 rpm dan rotor 126 m 12,1 rpm, padahal ujung yang lebih besar bergerak lebih cepat.

Batas itu ada terutama karena kebisingan. Laporan NREL mengatakan wilayah 2½ yang ditambahkan ke pengendali berfungsi membatasi kecepatan ujung, dan dengan itu kebisingan, pada daya nominal. Survei IEA Wind menemukan bahwa sebagian besar perancang menyarankan kecepatan ujung maksimum 80 sampai 90 m/s untuk acuan darat dan 90 sampai 110 m/s untuk acuan lepas pantai. Itu pilihan rancangan, bukan hukum alam.

Apa yang menopang turbin lepas pantai

Pameran menggambar fondasi di darat, tetapi laporan NREL tentang mesin 5 MW mencatat bahwa struktur penopang di laut bergantung pada kedalaman air, tanah, angin, dan gelombang di lokasi. Laporan itu menyebut jenis utamanya: monopile yang tertancap di dasar laut, fondasi gravitasi, rangka ruang seperti tripod, quadpod, dan jaket kisi, serta struktur terapung.

Turbin acuan IEA 15 MW memakai monopile, satu pipa baja yang ditancapkan ke dasar laut. Rancangannya untuk kedalaman air 30 m. Tiang itu berdiameter luar 10 m, masuk 45 m ke dasar, dan bermassa 1318 t; menara di atasnya bermassa 860 t. Hub berada pada ketinggian 150 m, sehingga tersisa jarak 30 m antara permukaan air dan titik terendah bilah sepanjang hingga 120 m. Laporan itu mengatakan tiang 10 m mendekati batas pembuatan dan pemasangan. Untuk air yang lebih dalam, mesin yang sama punya versi terapung di atas platform semi-submersible yang dirancang di University of Maine, dijelaskan dalam laporan terpisah. Departemen Energi AS juga mendanai penelitian rancangan dan pembuatan tenaga angin terapung.

Rancangan juga harus menghindari resonansi. Laporan menempatkan frekuensi alami pertama menara dan tiang pada 0,17 Hz, di antara frekuensi putaran rotor (1P) dan frekuensi lintasan bilah (3P) pada semua kecepatan angin. Laporan menambahkan bahwa ini juga jauh dari gelombang laut berenergi tertinggi di lokasi umum pantai timur AS, 0,10 sampai 0,13 Hz.

Salah kaprah yang umum

Angin lebih kuat tidak berarti daya tanpa batas. Mulai 11,4 m/s turbin model menahan 5 MW, dan di atas 25 m/s ia tidak menghasilkan apa-apa. Angin tetap membawa daya lebih besar; turbinlah yang memilih tidak mengambilnya.

Batas Betz bukan cacat bilah. Batas itu berlaku untuk rotor mana pun di udara terbuka. Angka 59,3 % merujuk pada daya udara yang melewati cakram rotor. Rotor NREL mengambil 48,2 % pada keadaan terbaiknya.

Ujung bilah tidak bergerak dengan kecepatan angin. Pada pengaturan terbaik, ujungnya bergerak 7,55 kali lebih cepat daripada angin, dan angin relatif yang dirasakan bilah sebagian besar berasal dari gerakannya sendiri.

Daya nominal bukan keluaran rata-rata. Turbin 5 MW jarang bekerja pada 5 MW. Keluaran rata-ratanya dibagi daya nominal adalah faktor kapasitas, dan hukum pangkat tiga menjelaskan mengapa angkanya jauh di bawah 100 %: pada sebagian besar jam angin lebih lemah daripada angin nominal.

Coba di layar

1. Geser pengatur kecepatan angin ke 8 m/s. Tampilan menunjukkan rasio kecepatan ujung 7,55 dan sekitar 9,2 rpm. Naikkan ke 10 m/s: rasio tetap sama, hanya rpm yang naik.
2. Lanjutkan sampai 10,6 m/s. Rotor berhenti bertambah cepat di 12,1 rpm dan rasio mulai turun.
3. Lewati 11,4 m/s. Garis daya mendatar di 5 MW dan sudut pitch mulai naik.
4. Matikan pitch otomatis dan atur 0° pada 18 m/s. Kurva putus-putus naik di atas 5 MW dan tampilan memperingatkan beban berlebih.
5. Nyalakan "Lihat ke dalam". Pasak oranye pada poros utama berputar pelan; tanda pada cakram rem berputar jauh lebih cepat, dengan kecepatan yang dibatasi layar agar bisa diikuti.
6. Geser pengatur arah angin dan lihat kesalahan yaw berkurang. Lalu pilih turbin acuan IEA Wind 15 MW di daftar dan bandingkan rotor dan hub-nya dengan mesin NREL di samping bus dan Gedung 63.

Yang tidak dimasukkan dalam model

Angin dalam model tetap dan sama di setiap ketinggian. Angin sungguhan berembus, berbelok, dan lebih kencang di tempat tinggi, sehingga bilah di puncak lingkarannya merasakan angin lebih kuat daripada di bawah.

Koefisien daya berasal dari rumus umum yang dipakai banyak buku teks kendali, dicocokkan dengan puncak NREL (0,482 pada rasio kecepatan ujung 7,55) dan tabel sudut bilah NREL. Ini bukan perhitungan elemen bilah, jadi angka di antara titik-titik itu adalah nilai model. Sudut serang di panel penampang memakai faktor induksi seluruh rotor dan mengabaikan pusaran di dekat bilah, jadi itu panduan, bukan pengukuran.

Pengendali NREL punya daerah mulai yang halus dan daerah kecepatan dengan slip generator; model menggantinya dengan batas sederhana. Model tidak memperhitungkan bayangan menara, lenturan bilah, es, jaringan listrik, atau konverter yang menyesuaikan generator dengan jaringan. Di layar, arah hadap berputar 20 kali lebih cepat daripada kenyataan dan titik-titik aliran bergerak 4 kali lebih cepat daripada udara.

Contoh hitungan: rotor 150 m pada angin 10 m/s

Rumus dalam pameran berlaku untuk ukuran apa pun, jadi mari coba rotor yang tidak ada di model. Anggap diameter rotor 150 m, angin 10 m/s, udara setinggi muka laut 1,225 kg/m³, koefisien daya 0,45, dan efisiensi generator 94,4 %. Ini nilai asumsi untuk latihan, bukan angka mesin tertentu.

Luas sapuan A = π × 75² = 17.671 m². Angin membawa melalui cakram ½ × 1,225 × 17.671 × 10³ = 10,8 MW, yaitu 612 W per meter persegi. Batas Betz mengizinkan paling banyak 16/27 darinya, 6,41 MW. Koefisien daya 0,45 memberi 4,87 MW di poros, dan generator mengubahnya menjadi listrik 4,60 MW.

Dua pelajaran muncul. Diameter dua kali lipat akan membuat luas empat kali lipat, tetapi kecepatan angin dua kali lipat membuat daya delapan kali lipat. Dan rotor yang bagus pun menyerahkan jauh kurang dari separuh daya yang dibawa angin melaluinya.