1 kW gücünde, difüzörlü yatay eksenli bir rüzgâr türbininin optimizasyonu ve deneysel incelenmesi = Optimization and experimental study of a horizontal axis wind turbine with diffuser with 1 kW power

Abstract

Geçmişten günümüze kadarki zamanlarda insanoğlu her zaman bir enerji arayışı içerisinde olmuştur. Enerji üretmek için insanlar genelde geleneksel yöntemlerle elektrik üretmiştir. Bu geleneksel yöntemlerin başında kömür madeni gibi yenilenemez enerji kaynakları kullanılmıştır. Fakat zamanla görünen odur ki bu yenilenemez enerji kaynakları tükenebildiği gibi, aynı zamanda çok önemli miktarda doğaya zarar vermeye başlamıştır. Bu yüzden gelişen teknoloji, altyapı ve önemli gelişmelerin de yardımıyla yenilenebilir enerji kaynakları son yıllarda önemli bir ivme kazanmıştır. Bu yenilenebilir enerji kaynaklarının başında rüzgâr enerjisi yani rüzgâr türbinleri gelmektedir. Bugünlerde dünya genelinde çok farklı tip ve özelliklerde rüzgâr türbinleri üretilmiştir. Fakat yapılan bu çalışma Türkiye'de bir ilk örnegi taşıdığı gibi dünyada çok nadiren göze çarpmaktadır. Bu çalışmanın asıl amacı rüzgâr türbinleri arasında en çok yaygın ve kullanılmakta olan yatay eksenli rüzgar türbininin kanat kesitini optimize etmek ve aynı zamanda rüzgar türbini etrafına bir difüzör ilave ederek elde edilen verimi arttırmaktır. İlaveli difüzör ve kanat kesit geometrisinin parametreleri dahil olmak üzere tüm tasarım parametleri ANSYS Ek Çözücü (Adjoint Solver) optimizasyon aracı ile optimize edildikten sonra, 3 boyutlu parametreleri optimize etmek için ANSYS Hedef Odaklı Optimizasyon Tekniği (Goal Driven Optimization) kullanılmış ve bu sayede rüzgar türbinine etki eden tüm parametrelerin aynı anda eşlenik olarak çözülmesi sağlanmıştır. Bu çalışmada yapılan, optimize işleminde türbin verimine çok önemli etkisi olan kriterler dikkate alınmıştır. Bu yüzden kanatın hücum açısı, firar açısı, difüzörün açısı ve aynı zamanda boyu optimize edilmiş ve difüzör ilavesiyle verim arttırılmış ve kendine özgü yeni bir kanat profili üretilmiştir. Daha sonra difüzörlü ve difüzörsüz türbinin analizleri CFD programında yapılmıştır ve değerler karşılaştırılmıştır. Difüzörün verime olan etkisi gösterilmiştir. Son olarak difüzörlü türbinin CFD ve deney sonuçları karşılaştırılmış ve verimi etkileyen kayıplar söz edilmiştir. Deneyler sonucunda hedeflenen 1kW'lık güç 9 m/s rüzgar hızında yakalanmıştır. Sonuç olarak piyasada bulunmayan ve kendine özgün tasarımıyla yepyeni bir kanat tasarlanmıştır ve bu kanada ilave olarak difüzör ilave edilmiş böylelikle rüzgar türbini verimi %8 ila % 11 arası verim artışı göstermiştir. Aynı zamanda kanat üretiminde kullanılan karbon fıber ve cam elyaf gibi malzemeler sayesinde kanatlar hafif ve mukavemetli bir yapıda elde edilmiştir. Bu hafiflik sayesinde en düşük rüzgar hızlarında bile örneğin 1,75 m/s türbin enerji üretmiştir.

Humankind has always been in search of energy from the very beginning to the present day. However, over time, it seems that these non-renewable energy sources can be depleted and at the same time have started to cause significant damage to nature. Therefore, with the help of developing technology, infrastructure and important developments, renewable energy sources have gained significant momentum in recent years. One of these renewable energy sources is wind energy, namely wind turbines. Nowadays, wind turbines of many different types and features have been produced worldwide. However, this study is the first of its kind in Turkey and is rarely seen in the world. The main purpose of this study is to optimize the blade cross section of the horizontal axis wind turbine, which is the most common and widely used wind turbine among wind turbines, and at the same time to increase the efficiency obtained by adding a diffuser around the wind turbine. After optimizing all design parameters, including the parameters of the added diffuser and blade cross-section geometry, with the ANSYS Adjoint Solver optimization tool, ANSYS Goal Driven Optimization Technique was used to optimize the 3D parameters, so that all parameters affecting the wind turbine could be solved conjugately at the same time. In the optimization process performed in this study, the criteria that have a very important effect on the turbine efficiency are taken into account. Therefore, the blade's angle of attack, trailing angle, diffuser angle and length were optimized and the efficiency was increased with the addition of a diffuser and a new unique airfoil was produced. Then the turbine with and without diffuser is analyzed in CFD program and the values are compared. The effect of the diffuser on the efficiency is shown. Finally, the CFD and experimental results of the turbine with diffuser are compared and the losses affecting the efficiency are mentioned. As a result of the experiments, the targeted 1kW power was achieved at 9 m/s wind speed. As a result, a brand new blade was designed with a unique design that is not available in the market and a diffuser was added to this blade, so that the efficiency of the wind turbine increased between 8% and 11%. At the same time, materials such as carbon fiber and glass fiber used in the production of the blades have made the blades light and strong. Thanks to this lightness, even at the lowest wind speeds, for example 1.75 m/s, the turbine produced energy.