Erosi Ujung Depan: Saat Curah Hujan Menghancurkan Bilah Turbin Angin

Erosi ada di sekitar kita, mulai dari aliran sungai dan saluran air lainnya yang berkelok-kelok, hingga pengukiran saluran secara bertahap bahkan di gunung yang paling sulit sekalipun, dan pelunakan fitur pada patung. Namun umumnya kita mengharapkan erosi dari curah hujan menjadi bertahap dan lembut, membutuhkan waktu puluhan tahun untuk membuat perbedaan yang nyata. Ini tentu saja memperhitungkan aliran lembut dan derai hujan yang lembut di atas batu, bukan bilah turbin yang melewati udara berkali-kali dengan kecepatan terminal tetesan hujan hingga 9 m/s.

Karena turbin angin telah meningkat dalam ukuran dan diameter bilahnya, ini secara nyata meningkatkan kecepatan terutama ujung bilahnya. Dengan semakin banyak ujung bilah turbin angin yang sekarang melebihi kecepatan 100 m/s, ini juga berarti peningkatan yang signifikan dalam dampak tetesan hujan, hujan es, dan partikulat lainnya pada masa pakai bilah turbin ini. Sebagai perbandingan, 100 m/s adalah 360 km/jam (224 mph), yang hanya sedikit lebih lambat dari kecepatan tertinggi mobil Formula 1.

Efek dari leading edge execution (LEE) sudu turbin tidak hanya menurunkan efisiensi aerodinamis, tetapi juga mengundang kegagalan dini. Selama beberapa tahun terakhir, pelapis khusus dan pita terdepan telah dikembangkan yang berfungsi sebagai permukaan yang dikorbankan, tetapi karena turbin angin terus bertambah besar, demikian juga efek LEE. Selain hanya mengganti pita LE setiap tahun di setiap turbin, opsi apa lagi yang ada?

Masalah yang Tumbuh

Contoh erosi terdepan di lapangan di berbagai tahun dalam pelayanan.  (Kredit: 3M)
Contoh erosi terdepan di lapangan di berbagai tahun dalam pelayanan. (Kredit: 3M)

Meskipun LEE bukan masalah unik dengan bilah turbin angin, mereka berada dalam posisi yang agak unik karena tidak seperti bilah baling-baling dan bilah turbin di peralatan industri atau mesin jet, mereka terpapar terus-menerus ke elemen. Selain itu, ukurannya yang tipis melebihi ukuran blade lainnya, yang mempersulit inspeksi dan perawatan.

Dalam ulasan oleh Keegan et al. (2013, PDF), sejumlah penyebab LEE diidentifikasi. Ini dapat secara luas dikelompokkan ke dalam kategori berikut:

  • Hujan turun.
  • Hujan es.
  • Semprotan laut.
  • Pasir dan debu.
  • Manakah dari turbin angin tertentu yang terkena tergantung pada lokasi di mana ia dipasang. Untuk beberapa turbin angin lepas pantai, keempat faktor ini mungkin menjadi faktor, sedangkan untuk yang lain hanya pasir atau hujan mungkin relevan. Terlepas dari itu, hasilnya sebagian besar tetap sama. Dengan adanya benturan tetesan air hujan atau partikulat padat, ujung depan sudu akan mengalami perpindahan energi kinetik yang lama kelamaan akan melemahkan dan mengikis strukturnya. Dalam kasus pancuran hujan dan turbin angin modern, ini melibatkan pemogokan konstan dengan tetesan berdiameter 0,5 mm – 5 mm pada sekitar 100 m/s.

    Hak atas foto Verma et al., 2020) Plot kontur tegangan permukaan Rayleigh pada sistem pelapisan terdepan di berbagai tahap riwayat gaya kontak
    Plot kontur tegangan permukaan Rayleigh pada sistem pelapisan terdepan pada berbagai tahap riwayat gaya kontak oleh tetesan. (Sumber: Verma dkk., 2020)

    Dalam sebuah studi oleh Verma et al. (2020) dalam Struktur Komposit, distribusi gaya tetesan hujan untuk bilah turbin angin lepas pantai diperiksa. Dengan menggunakan berbagai teknik pemodelan, ditemukan bahwa dengan mengurangi kecepatan ujung sudu dari lebih dari 100 m/s menjadi sekitar 80 m/s, sebagian besar kerusakan akibat benturan dapat dihindari selama hujan deras. Sebagai perbandingan, dengan kecepatan ujung sudu 140 m/s, gaya tumbukan maksimum ditemukan sebesar 181 Newton, sedangkan pada 80 m/s ini berkurang hingga di bawah 70 N, menghasilkan pengurangan sekitar 70%.

    Karena turbin angin terus tumbuh di ketinggian hub dan panjang bilah turbin yang sesuai, kecepatan ujung bilah ekstrem seperti itu mungkin menjadi semakin umum, terutama untuk turbin angin lepas pantai yang cenderung jauh lebih besar daripada saudaranya di darat. Mengurangi kecepatan bilah selama hujan deras atau badai dengan semprotan laut yang parah dengan membuat bilah sebagian berbulu, atau menggunakan sistem rem, setidaknya sebagian dari kerusakan LEE dapat dihindari.

    Pemeliharaan yang Tidak Dapat Dihindari

    Efek terhitung dari berbagai tingkat erosi terdepan pada Produksi Energi Tahunan turbin angin 1,5MW.  (Kredit: 3M)
    Efek terhitung dari berbagai tingkat erosi terdepan
    pada Produksi Energi Tahunan turbin angin 1,5MW. (Kredit: 3M)

    Dalam istilah konkret, efek LEE sedemikian rupa sehingga dapat mengurangi output turbin angin beberapa persen setelah hanya satu tahun, bahkan dengan lubang kecil yang mempengaruhi efisiensi bilah turbin dengan mengganggu aliran udara di atas permukaannya. Model umum untuk LEE yang berkaitan dengan bilah turbin dan baling-baling dibuat oleh GS Springer pada tahun 1976 di Erosi oleh Liquid Impact. Model ini menggunakan prinsip waterhammer, dan diperiksa secara kritis dengan perbaikan yang disarankan oleh Hoksbergen et al. (2022) dalam Bahan.

    Dalam sebuah studi oleh Law et al. (2020) data dari ladang angin di seluruh Inggris Raya dianalisis. Ditemukan bahwa kerugian rata-rata keluaran oleh setiap turbin angin per tahun diperkirakan sekitar 1,8%, dengan turbin angin yang terkena dampak terburuk mengalami kerugian sebesar 4,9%.

    Yang paling menarik tentang studi Law et al. adalah temuan bahwa penerapan pita perbaikan terdepan (perlindungan tepi terdepan, atau LEP) untuk memperbaiki kerusakan LEE pada bilah turbin berusia 3 tahun menghasilkan penurunan tambahan 1,29% dalam output. Ini menunjukkan betapa pentingnya bentuk bilah turbin untuk mendapatkan kinerja terbaik, dan mencontohkan masalah dengan perbaikan lapangan menggunakan pita LEP.

    Meskipun ada argumen yang dibuat bahwa membiarkan LEE terus tidak terkendali akan menyebabkan kinerja yang lebih buruk dari waktu ke waktu, seharusnya tidak ada harapan bahwa menerapkan pita ke tepi depan bilah turbin yang rusak akan mengembalikannya ke kejayaannya. Mayor dkk. (2020) juga melaporkan penurunan 2% -3% dalam Produksi Energi Tahunan (AEP) dari penggunaan pita LEP.

    Artikel 2019 di Ulasan Energi Terbarukan dan Berkelanjutan oleh Herring et al. semakin memperluas kompleksitas perawatan lapangan sudu turbin. Kecuali pita tersebut diterapkan dengan benar, itu mungkin terkelupas, memiliki kerutan atau kantong udara. Artikel ini juga membahas opsi untuk menerapkan pelindung anti-erosi logam ke ujung depan. Ini akan memberikan perlindungan yang baik terhadap erosi, tetapi menambahkan komplikasi komposit hibrida dan struktur bilah logam dengan kekakuan yang berbeda.

    Akhirnya, ada penelitian yang sedang berlangsung (McGugan et al., 2020) tentang penambahan sensor ke bilah turbin angin untuk memantau getaran dan parameter lain yang dapat mengindikasikan kerusakan pada bilah, termasuk kerusakan LEE.

    Tetesan Kecil, Konsekuensi Besar

    Pada akhirnya, mengurangi LEE adalah keuntungan ganda dalam hal perawatan blade yang lebih sedikit dan efisiensi yang lebih tinggi, tetapi solusinya sama sekali tidak sederhana. Bahkan perubahan kecil seperti ketebalan pita LEP dapat menjadi masalah ketika ditingkatkan ke ukuran bilah turbin angin raksasa, dengan implikasi keuangan yang signifikan dari efisiensi yang lebih rendah. Karena kecepatan ujung sudu meningkat dengan sudu turbin angin yang semakin besar, begitu pula pentingnya mengembangkan cara yang lebih baik untuk melindungi permukaan sudu.