Aljazair Bilah dan bahan

1. Persyaratan untuk bilah kipas

Bilah merupakan komponen paling dasar dan kunci dari turbin angin. Desain yang baik, kualitas yang andal, dan kinerja unggul merupakan faktor penentu untuk memastikan operasi unit yang normal dan stabil. Dalam lingkungan yang keras serta operasi jangka panjang tanpa henti, persyaratan terhadap bilah adalah:

1.1. Kerapatan material ini ringan dan memiliki kekuatan lelah serta sifat mekanis yang terbaik, sehingga mampu menahan ujian dari kondisi material yang sangat buruk, seperti badai dan beban acak;

1.2. Kurva karakteristik elastisitas, inersia selama putaran, dan frekuensi getaran dari bilah turbin berada dalam kondisi normal, serta beban yang ditransmisikan ke keseluruhan sistem pembangkit listrik menunjukkan stabilitas yang baik. Bilah tersebut tidak boleh patah dan terlempar keluar akibat gaya sentrifugal dalam kondisi tidak terkendali (mobil terbang), juga tidak boleh patah akibat tekanan angin, serta tidak boleh menimbulkan resonansi yang kuat pada keseluruhan turbin angin dalam rentang kecepatan di bawah kecepatan mobil terbang;

1.3. Bahan bilah harus memastikan bahwa permukaannya halus untuk mengurangi hambatan angin, dan permukaan yang kasar juga akan “terkoyak” oleh angin;

1.4. Tidak boleh terjadi gangguan gelombang elektromagnetik yang kuat dan pemantulan cahaya;

1.5. Kebisingan yang berlebihan tidak diperbolehkan;

1.6. Ketahanan korosi yang baik, ketahanan terhadap radiasi ultraviolet, dan ketahanan terhadap sambaran petir;

1.7. Biaya rendah dan biaya pemeliharaan yang paling rendah.

2. Bahan bilah kipas

Menurut Bob Bellemare, Presiden utilipoint, sebuah perusahaan konsultasi internasional, serat karbon merupakan tren yang akan berkembang untuk turbin angin. Secara umum, bilah berukuran lebih kecil (misalnya dengan panjang 22 meter) dibuat dari plastik yang diperkuat serat kaca E-glass, yang tersedia dalam jumlah besar dan harganya relatif murah. Matriks resinnya sebagian besar berupa poliester tak jenuh; namun dapat pula dipilih vinil ester atau resin epoksi. Sementara itu, bilah berukuran lebih besar (misalnya dengan panjang lebih dari 42 meter) umumnya terbuat dari CFRP atau komposit hibrida yang menggabungkan serat karbon dan serat kaca, dengan matriks resin yang sebagian besar berupa resin epoksi. Ramesh Gopalakrishnan, manajer global bidang rekayasa bilah pada Ge Wind Energy, menyatakan bahwa dalam proses pencarian material yang ringan namun berkekuatan tinggi, para perancang memilih serat karbon untuk digunakan dalam desain bilah. Karena itu, serat kaca dan serat karbon merupakan dua material paling penting dalam manufaktur bilah.

Untuk memenuhi persyaratan di atas dan meningkatkan efisiensi ekonomi unit, peningkatan ukuran bilah turbin dapat meningkatkan efisiensi ekonomi pembangkit listrik tenaga angin sekaligus menurunkan biaya. Panjang bilah telah berkembang dari 4,5 m pada tahun 1980 menjadi 61,5 m saat ini, sedangkan kapasitasnya telah meningkat dari 55 kW menjadi 5 MW saat ini. Pada tahun 1970, bilah turbin angin sebagian besar terbuat dari baja, aluminium, atau kayu. Saat ini, plastik yang diperkuat serat kaca E-glass (GFRP) merupakan bahan yang paling banyak dipilih. Saat ini, komposit serat karbon (CFRP) juga telah mulai diadopsi. Perkembangan material bilah turbin selaras dengan arah pengembangan bilah yang berskala besar dan ringan.

2.1. Bilah kayu dan bilah kulit kain

Turbin angin mikro dan kecil modern juga menggunakan baling-baling berbahan kayu, namun baling-baling kayu tidak mudah mengalami torsi. Turbin angin berukuran besar dan menengah jarang menggunakan baling-baling kayu. Apabila baling-baling kayu tetap digunakan, maka balok longitudinal baling-baling yang terbuat dari kayu padat dengan kekuatan tinggi biasanya dipakai sebagai penopang gaya dan momen lentur yang harus ditahan oleh baling-baling selama beroperasi.

2.2. Bilah kulit kaca serat baja

Dalam beberapa tahun terakhir, bilah turbin angin dibuat dari pipa baja atau baja berbentuk D untuk balok longitudinal, pelat baja sebagai balok rusuk, serta busa plastik yang dilapisi kulit plastik bertulang serat kaca. Penampang pipa baja dan baja berbentuk D pada balok longitudinal bilah, mulai dari pangkal bilah hingga ujung bilah, secara bertahap dikurangi guna memenuhi persyaratan pemuntiran bilah sekaligus mengurangi berat bilah, yaitu dengan membentuk balok yang memiliki kekuatan yang seragam.

2.3. Bilah ekstrusi chord yang sama dari paduan aluminium

Bilah dengan chord yang sama yang diekstrusi dari paduan aluminium mudah diproduksi, dapat diproduksi secara berkesinambungan, dan dapat ditekuk sesuai dengan distorsi yang ditentukan oleh desain. Sumbu dan flensa yang menghubungkan pangkal bilah dengan hub dapat direalisasikan melalui pengelasan atau sambungan baut. Bilah dari paduan aluminium ringan dan mudah diproses, namun tidak dapat menyusut secara bertahap dari pangkal bilah ke ujung bilah, karena proses ekstrusi tersebut belum berhasil dipecahkan di seluruh dunia.

2.4. Bilah FRP

Plastik yang diperkuat serat kaca (GFRP) yang disebut-sebut adalah sejenis plastik bertulang yang terbuat dari resin epoksi, resin tak jenuh, serta jenis-jenis plastik lainnya, yang diserapkan ke dalam serat kaca atau serat karbon dengan panjang yang bervariasi. Plastik bertulang ini memiliki kekuatan tinggi, bobot ringan, dan ketahanan terhadap penuaan. Permukaannya dapat dilapisi dengan serat kaca dan resin epoksi, sementara bagian-bagian lainnya diisi dengan busa plastik. Kualitas serat kaca juga dapat ditingkatkan melalui modifikasi permukaan, pelapisan dengan sizing, dan pelapisan. Perusahaan serat kaca LM kini berkomitmen untuk mengembangkan bilah turbin angin berbahan serat kaca sepenuhnya hingga sepanjang 54 meter, dengan biaya per kWh yang rendah.

2.5. Bilah komposit FRP

Pada akhir abad lalu, bilah turbin angin berukuran besar dan menengah di negara-negara maju industri dunia pada dasarnya menggunakan balok longitudinal dari baja profil, balok rusuk berlapis FRP, serta material komposit dengan struktur logam untuk menghubungkan pangkal bilah dengan hub. Berbagai material komposit dipilih untuk bilah rotor pembangkit listrik tenaga angin sesuai dengan panjang bilah tersebut. Saat ini, yang paling umum digunakan adalah resin poliester yang diperkuat serat kaca, resin epoksi yang diperkuat serat kaca, dan resin epoksi yang diperkuat serat karbon. Penelitian di Amerika Serikat menunjukkan bahwa ketahanan terhadap kelelahan tarik pada serat kaca tipe E yang dilapisi melalui deposisi plasma frekuensi radio dapat mencapai tingkat serat karbon, dan keausan akibat getaran mikro antar serat—yang sebenarnya dapat menyebabkan kerusakan—dapat dikurangi setelah perlakuan tersebut. Perusahaan LM Glass Fiber kemudian mengembangkan bilah besar sepanjang 61 meter yang sebagian besar terbuat dari FRP, dengan hanya sejumlah kecil serat karbon pada ujung-ujung balok dan bilah, guna mendukung pengembangan turbin angin berkapasitas 5 MW.

2.6. Bilah komposit serat karbon

Seiring dengan meningkatnya daya tiap generator tunggal, panjang bilah turbin pun perlu diperbesar, sehingga penerapannya dalam pembangkit listrik tenaga angin juga akan semakin meluas. Bagi bilah turbin, kekakuan merupakan salah satu indikator yang sangat penting. Penelitian menunjukkan bahwa kekakuan bilah komposit serat karbon (CF) dua hingga tiga kali lipat lebih tinggi daripada bilah komposit FRP. Meski performa komposit serat karbon jauh lebih unggul dibandingkan komposit serat kaca, biayanya yang tinggi menjadi kendala bagi penerapan luasnya dalam pembangkit listrik tenaga angin. Oleh karena itu, berbagai perusahaan komposit besar di seluruh dunia tengah melakukan penelitian mendalam dari berbagai aspek, termasuk bahan baku, teknologi proses, dan pengendalian mutu, guna menekan biaya.