Bir otomobilin aerodinamik kayıplarının bir kısmının elektrik enerjisi olarak geri kazanımı için rüzgar türbini tasarımı ve araç enerji performansı üzerindeki etkisinin incelenmesi
Wind turbine design for the recovery as electrical energy of a some of aerodynamic losses of an automobile and investigation of its effect on vehicle energy performance
Yazar: EMİN EL
Danışman: PROF. DR. CENGİZ YILDIZ ; PROF. DR. BEŞİR DANDIL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aerodinamik = Aerodynamics ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Menziller = Ranges ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Sayısal analiz = Numerical analysis

Özet:
Bu çalışmada; mevcut elektrikli araçlarda gerekli olan elektrik enerjisinin bir bölümünün şebekeden bağımsız olarak, hareket halindeki araçlarda meydana gelen rüzgar enerjisinden sağlanması ve bu sayede tek şarjla gidilen mesafenin arttırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, araç tipi rüzgar türbini tasarlanarak araç aerodinamik performansı ve enerji verimliliği üzerine etkisi sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Bu kapsamda Solidworks ve Spaceclaim programları kullanılarak, rüzgar türbin modeli ve sekiz farklı araç modeli (M0-M7) oluşturulmuştur. Oluşturulan modellerin 10, 15, 27 m/s hızlarda; sürükleme katsayılarını, basınç konturlarını, akım çizgilerini ve hız vektörlerini belirlemek için hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları, SST k-ω türbülans modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sayısal simülasyonlarda ANSYS-Fluent yazılımı kullanılmıştır. Analizler sonucunda; araç modelinin, hızının ve rüzgar türbininin konumunun araç sürükleme katsayısı üzerinde etkili olduğu görülmüştür. Ayrıca, araç tipi rüzgar türbininden geri kazanılacak enerji miktarı hesaplanmış ve türbinin araç enerji verimliliği üzerine etkisi belirlenmiştir. Buna göre; 27 m/s araç hızında rüzgar türbinli M2 ve M3 ızgaralı modellerinin M0 modeline göre 100 km mesafede türbinden elde edilen net enerji kazanç yüzdesi sırasıyla %5.82 ve %3.35 olarak bulunmuştur. Aynı araç hızında M4 modeline göre rüzgar türbinli M6 ve M7 kapalı modellerin türbinden elde edilen net enerji kazanç yüzdesi sırasıyla %6.19 ve %4.17 olarak elde edilmiştir. Tasarlanan rüzgar türbininin araç üzerine yerleştirilmesiyle yapılan deneylerde; rüzgar türbininin farklı araç hızlarında kanat devir sayısı, üretilen akım, gerilim ve güç değerleri belirlenmiştir. Sonuç olarak, araç tipi rüzgar türbini sisteminin elektrikli araçlarda kullanılması durumunda araçta oluşacak ek aerodinamik kayıptan daha fazla enerji üretilebileceği, elektrikli araçların tek şarjla menzilinin uzatılabileceği ve taşıt teknolojisinde sistemin uygulanabileceği görülmüştür.

Abstract:
In this study; it is aimed to provide a part of the electrical energy required in existing electric vehicles from the wind energy that occurs in the vehicles in motion, independently of the grid, and thus to increase the distance traveled with a single charge. For this purpose, a vehicle type wind turbine was designed and its effects on vehicle aerodynamic performance and energy efficiency were investigated numerically and experimentally. In this context, a wind turbine model and eight different vehicle models (M0-M7) were created using Solidworks and Spaceclaim programs. At 10, 15, 27 m/s speeds of the created models; computational fluid dynamics simulations were performed using the SST k-ω turbulence model to determine drag coefficients, pressure contours, streamlines, and velocity vectors. ANSYS-Fluent software was used for numerical simulations. As a result of the analysis; it has been seen that the vehicle model, speed and position of the wind turbine have an effect on the vehicle drag coefficient. In addition, the amount of energy to be recovered from the vehicle type wind turbine was calculated and the effect of the turbine on the vehicle energy efficiency was determined. According to this; The percentage of net energy gain obtained from the turbine at a distance of 100 km compared to the M0 model of the M2 and M3 grid models with wind turbines at 27 m/s vehicle speed was found to be 5.82% and 3.35%, respectively. Compared to the M4 model at the same vehicle speed, the percentage of net energy gain obtained from the turbine of the M6 and M7 closed models with wind turbines was 6.19% and 4.17%, respectively. In the experiments carried out by placing the designed wind turbine on the vehicle; The blade revolutions, generated current, voltage and power values of the wind turbine at different vehicle speeds were determined. As a result, it has been seen that if the vehicle type wind turbine system is used in electric vehicles, more energy can be produced from the additional aerodynamic loss that will occur in the vehicle, the range of electric vehicles can be extended with a single charge and the system can be applied in vehicle technology.