Numerical and experimental study with optimization of a small–scale vertical axis wind turbine

Abstract

Bu çalışmada; şehir aydınlatması gibi kentsel enerji ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla küçük ölçekli bir rüzgar türbini geliştirilmiştir. Uygulama göz önünde bulundurularak, küçük ölçekli rüzgar türbini aerodinamik ve fizibilite açısından analiz edilmiştir. Bu amaç doğrultusunda dizayn edilen türbin, düşük rüzgar hızlarında bile başlangıç tahriğine ihtiyaç duymayan `starting-up` tipi rüzgar türbinidir. Bu çalışmada 3 kanatlı dikey eksenli `savonious` tip kullanılmıştır.Bu amaç doğrultusunda 2 boyutlu `Hesaplanabilir Akışkanlar Dinamiği` analizleri ile karşılaştırmalı çalışmalar yapılmış ve yapılan çalışmalar içerisindeki optimum dizayna sahip en verimli kanat geometrisi bulunmuştur. Statorların pozisyonu ve geometrisi, verimi artıran türbin yapısını ve stator pozisyonunu geliştirmek amacıyla modellenmiştir. Son olarak 3 boyutlu HAD çalışmaları yapılarak gerçek durumlara yönelik sayısal veriler alınmıştır. Seçilen dairesel sonlu profile sahip eliptik şekilli geometri, dairesel şekilli geometriye nazaran daha verimlidir. Optimum geometri, ilgili hesaplamaları uygulamak amacıyla seçilmiştir. Model değerlendirmesi, deneysel veriler ve simülasyon çıktılarıyla hesaplanan güce göre yapılmıştır. Ayrıca, türbinin zirve verimi %35 oranında artırılmıştır. Model değerlendirmesi, deneysel verileri ve ölçülen gücü simülasyon çıktılarıyla karşılaştırarak gerçekleştirilmiştir.

n the current study, a small-scale wind turbine is investigated in order to provide energy requirements such as lighting in urban areas and small scale power needs. Regarding the application, a small- scale wind turbine has been analyzed aerodynamically and in terms of feasibility aspects. The turbine is designed to be a starting-up type which needs no initial excitation even at lower wind speeds. A three blade vertical axes savonius type has been considered in this study. Analytical and numerical analyses in two-dimensions are carried out to determine the optimum design and the most efficient blade geometry. The geometry and position of stators have been modeled to improve the structure of turbine and position of stators which increase the efficiency due to diffuser angle to guide wind through the blades. Numerical studies are conducted in 3 dimensional CFD which shows that the peak efficiency of the turbine has been improved up to 35%. The selected geometry which is determined to be elliptical shaped with circular end profile has higher efficiency than the circular shaped geometry. The optimum geometry has been built to carry out the related measurements. Model assessment has been carried out by comparing the experimental data and measured power with the simulation outputs.