Rüzgar türbin kanat profil optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, Türkiye'nin ortalama 5 m/s rüzgar hızına sahip bölgeleri için uygun olacağı düşünülen küçük türbin kanat tasarımı yapılmıştır. Kanatların dönmesini sağlayan aerodinamik kuvvetlerin meydan geldiği özel tasarlanmış standart kanat kesitleri (airfoil)akademik kaynaklardan hazır alınmıştır. Bu kanat kesitlerinin aerodinamik katsayı değerleri, kanat tasarım ve performans hesaplarında kullanılmak amacıyla matematiksel bir fonksiyon biçiminde ifade edilmiştir. Ayrıca üç yeni kanat kesit geometrisi oluşturulmuş ve elde edilen bu kanat kesitlerin aerodinamik özellikleri; Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği - HAD ile analiz edilmiştir.Kanat kesitlerinin kanat boyunca bağlanma açılarının ve kiriş uzunluklarının optimum (maksimum güç oluşturan)değerleri, lineer momentum, açısal momentum ve kanat eleman teoremlerine göre belirlenmiştir. Bu teoremlerin birleşim olan Kanat Eleman Momentum (BEM, Blade Element Momentum Theory) teoremi kullanılarak, kanatlarda üretilebilecek güç hesaplanmıştır. Kullanılan farklı standart kanat kesitleri ile elde edilen optimum kanat geometrileri ve güç verimleri karşılaştırılmıştır. Farklı uç hız oranlarına göre tasarlanan kanat geometrileri için güç verimleri hesaplanarak optimum uç hız oran değeri araştırılmıştır. Kanat geometrisinde yapılabilecek basitleştirmelerin güç verime etkileri hesaplanmıştır. Bu çalışmalar neticesinde şu sonuçlara varılmıştır:1. Maksimum güç, tasarım uç hız oranında değil bir veya iki değer fazlasında elde edilmektedir.2. Bu çalışmada kullanılan standart kanat kesitleriyle elde edilen güç çarpan değerleri arasındaki fark %10!a kadar olabilmektedir.3. Basitleştirme maksadıyla optimum kanat geometrisinden uzaklaşıldıkça güç veriminde %30'a kadar kayıp olabileceği hesaplanmıştır.4. HAD çalışmalarında standart kanat kesit geometrilerinde yapılan değişikliklerle daha iyi aerodinamik performansa sahip kanat kesitlerinin elde edilebileceği görülmüştür.

In this study, a small wind türbine blade has been designed expected to be suitable for the the region of Turkey with 5 m/s average wind speed. Aerodynamic coefficient values of airfoils used for the wind türbine blade were taken from the literatüre. These values were transformed into a mathematical function to design optimum blade and calculate its performance. Also, there new airfoil geometries were developed and the aerodynamic characteristics of the resulting airfoils were analyzed using CFD ( Computational Fluid Dynamics)The optimum pitch angles and chord lenghts of the airfoils along the blade are determined based on linear momentum theory, angular momentum theory and blade element theory. The power that could be producted by the wind türbine rotor was calculated using the Blade Element momentum Theory (BEM) which is a combination of three theorems above. The amount of power produced by the optimized blades with different airfoils were compared. The power efficiency values of blade geometry designed according to different optimum tip speed ratios were investigated. the effects of simplifications in blade geometry on power efficiency were calculated. As a result of this study, the following conclusions have been reached:1. MAximum power was not been obtained at the design tip speed ratio but achieved at one or two higher values.2. Higher lift coefficient of the airfoil improves balde performance.3. Excessive simplification of optimum blade geometry may cause power losses as high as %30.4. CFD work revealed that airfoils with better aerodynamic performance could be obtained by modifying the geometry of the standard airfoils.