Küçük ölçekli kompozit rüzgâr türbin kanadının aerodinamik-yapısal bütünleşik tasarımı
Aerodynamic-structural integrated design of small-scale composite wind turbine blade
Yazar: RAMAZAN ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA SERDAR GENÇ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, küçük ölçekli bir rüzgâr türbin kanadının aerodinamik koşullarının ve yapısal özelliklerinin bütünleşik olarak optimize edilerek tasarımının ortaya konmasıdır. Bu ana amaç aşağıdaki iki alt amaca göre yürütülmüştür: i) Kanat geometrisinden maksimum enerji elde edilebilmesi için aerodinamik tasarımının gerçekleştirilmesi, ii) Aerodinamik tasarımla bütünleşik olarak, minimum ağırlık ve maliyet için, yapısal özellikler ve kısıtlamalar dikkate alınarak kompozit malzeme ile kanadın yapısal tasarımının gerçekleştirilmesi. Bu amaçlara ulaşmak için rüzgâr türbini kanat profilinin geleneksel aerodinamik tasarım yaklaşımına ek olarak kompozit malzemeler ile yapısal tasarım ve kriterlerinin de dâhil edildiği farklı bir tasarım yaklaşımı sunmaktır. Bu bütünleşik tasarım yaklaşımı ile yerli bir algoritma olan arı algoritmasının kullanıldığı bir platformda gerçekleştirerek hem aerodinamik hem de yapısal açıdan daha verimli ve düşük maliyetli rüzgâr türbini imalatını mümkün kılan bir matematiksel model ve optimizasyon çalışması sunulmuştur. Bir amaç fonksiyonu ile ifade edilecek bu matematiksel model ile aerodinamik açıdan yapısal kısıtlarının da dahil edildiği optimum bir kompozit kanat elde edilmiştir. Üretilen kompozit rüzgâr türbin kanadının standartlara uygun olarak yapısal ve aerodinamik deneyler ile performansının ortaya konulması sağlanmıştır. Böylece tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiş kanadın performans beklentisini sağlamadaki başarısı değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda, ana amaca ulaşılarak ve rüzgâr enerjisi konusunda özgün ve yenilikçi bir yaklaşım ile mevcut muadilleri ile kıyaslandığında daha üstün bir performansa sahip ve ucuz yerli küçük ölçekli bir rüzgâr türbini kanadı üretilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Rüzgâr Enerjisi, Kompozit Rüzgar Türbini Kanadı, Aerodinamik Optimizasyon, Yapısal Optimizasyon, ABC Algoritması

Abstract:
The aim of this thesis study is to determine the design of a small-scale wind turbine blade by optimizing the aerodynamic conditions and structural properties integrated. This main purpose was carried out according to the following two sub-objectives: i) Realizing the aerodynamic design in order to obtain maximum energy from the blade geometry, ii) Realizing the structural design of the wing with composite material for minimum weight and cost, taking into account the structural features and constraints, integrated with the aerodynamic design. In order to achieve these aims, the first aim is to offer a different design approach, in which composite materials and structural design and criteria are included in addition to the traditional aerodynamic design approach of the wind turbine blade profile. With this integrated design approach, a mathematical model and optimization study is presented, which makes it possible to manufacture more efficient and low-cost wind turbines both in terms of aerodynamics and structure, by performing it on a platform using the bee colony algorithm, which is a domestic algorithm. With this mathematical model, which will be expressed with an objective function, an optimum composite wing has been obtained including the structural constraints in terms of aerodynamics. In the final goal, the performance of the produced composite wind turbine blade was demonstrated by structural and aerodynamic experiments in accordance with the standards. Thus, the success of the designed and manufactured wing in meeting the performance expectation was evaluated. In line with these goals, a local small-scale wind turbine blade with a superior performance and cheaper compared to its current counterparts has been produced, with a unique and innovative approach to wind energy, by achieving the main purpose.

Keywords: Wind Energy, Composite Wind Turbine Blade, Aerodynamic Optimization, Structural Optimization, ABC Algorithm