Yatay eksenli rüzgar türbini kanat performansı üzerine hava akış yarıklarının etkisinin incelenmesi.
Investigation of the effect of air flow slots on horizontal axis wind turbine blade performance.
Yazar: ADILKHAN TUKEN
Danışman: DOÇ. DR. CEMİL YİĞİT
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
YERT için yarıkların aerodinamik performanslar üzerindeki olumlu etkilerini incelemek amacıyla bir tez araştırması yapıldı. Tez araştırması, YERT'in üzerindeki yarıklar etkileri araştırmak için hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modellemesini kullanan sayısal bir çalışmayı temsil etmektedir. 
HAD sunduğu modelleri arasından uygun bir türbülans modelini seçmek için deneysel olarak bir rüzgar türbini tasarlayıp hava tünelinde test edilmiş bir araştırma referans olarak alınarak validasyon yapıldı. Yu-Jen ve Shiah araştırmada uzunluğu 0,41 metre olan bir kanadı SD8000 hava profili kullanarak önce Kanat Elemanı Momentum teorisiyle hesaplayıp bir rüzgar türbini tasarlamışlar. Ayrıca, deneysel araştırmada tasarlanan rüzgar türbini bir hava tünelinde test edildi. Sınır koşulları, 36,5 m uzunluğunda ve kesit boyutları 4x2,6 m'dir olan bir tüneldir. Araştırmada rüzgar türbininin hava tünelinde performansına göre en yüksek Cp güç katsayısı 4 uç hız oranında yaklaşık 0,38 gösterdi. Validasyon simülasyonu için Ansys Fluent 21.0 kullanarak HAD sunan Standard k-epsilon, Standart ve SST k-omega, Transition SST türbülans modelleri ile steady-state analizleri yapılarak güç katsayısı değeri elde edildi. Rüzgar türbini deneysel testin ve sayısal analizin sonuçları TSR-Cp eğrisi aracılığıyla karşılaştırıldı. Deneysel sonuçlara en yakın Transition SST türbülans modeli oldu. 2 uç hız oranında deneysel sonuçlarla %5 hata farkı, 4 uç hız oranında hata oranı %4 ve 6 uç hız oranında hata oranı %3 oldu.
Araştırma için tasarlanan rüzgar türbini kanadı 0,65 m uzunluğunda olup, kökte NREL'in S819 hava profili, ana ve uçta NACA 63-415 hava profili kullanıldı. Kord uzunluğu ve hücum açısı Kanat Elemanı Momentumu teorisi ile belirlendi. Araştırma, kanat yüzeyinde 0,35 m ve 0,45 m'ye konumlandırılmış, 1 mm ila 1,5 mm arasında değişen hava akış yarık genişliklerine sahip, 1200 ve 1400 eğimlerde 1 veya 2 hava akış yarığı içeren sekiz kanadın modellenmiş ve simüle edilmiş rüzgar türbininin yapımını kapsamaktadır. Optimum hava akış yarığın boyutunu bulmak için Response Surface Optimization yöntemi kullanıldı. Steady-state analiz türü için ve transition SST türbülans modeli kullanıldı. 12 m/s ve 6,5 uç hız oranında elde edilen sonuçlar, 1,5 mm genişliğe ve 1200 açısında kanadın 0,35 m konumunda yerleşen tek yarıklı kanadın güç katsayısı diğer yarıklı kanatları arasında en yüksek olduğunu gösterdi.
Ayrıca, yarık olmayan ve yarıklı kanatlar 12 m/s rüzgar hızında ve 40, 80, 120, 160 ve 180 rad/s açısal hızlarında zamana bağlı analizleri yapıldı. 
120 rad/s açısal hızında yarık olmayan kanadın üzerindeki oluşan girdapların yüzünden kanat stall durumuna ve kendi maksimum verimliliğine ulaştığını gösterirse, yarıklı kanat ise yarık sayesinde stall durumu geciktirilip 160 rad/s açısal hızında girdiği tespit edildi. BEM teorisine göre, yarıklı ve yarık olmayan kanatların HAD analizlerine göre güç katsayısı sonuçları karşılaştırıldı. 2,17 uç hız oranında BEM teorisi güç katsayısının 0,03 öngörürken, yarık olmayan (HAD) ve yarıklı kanatlar 0,024 ve 0,022 bir sonuç verdi. 3 ve 4 uç hız oranlarında BEM teorisindeki kanat ve yarık olmayan kanat yarıklı kanattan daha yüksek güç katsayısını gösterdiği öğrenildi. Fakat, 5 ve 8 uç hız oranları arasında yarıklı kanat 0,313, yarık olmayan kanat 0,303 ve BEM kanadı 0,321 olmak üzere yarıklı kanadımız daha iyi performans gösterdiğini öğrendik. Uç hız oranı daha fazla artınca yarıklı kanat avantajını kaybederek en az güç katsayısına sahip olduğu tespit edildi. 
Güç katsayısı – uç hız oranı eğrilerinden hava akış yarığı sayesinde kanadın yüksek uç hız oranlarında yarık olmayan kanattan daha iyi bir performansı gösterdiği ve stall durumu geciktirdiği tespit edildi. Bu bulgular, iyi tasarlanmış hava akış yarıkların yatay eksenli rüzgar türbinlerinin aerodinamik verimliliği üzerinde yaratabileceği önemli olumlu etkinin altını çizmektedir.

Abstract:
The positive effects of split on the aerodynamic performances for horizontal axis wind turbines (HAWT) are well-known. The split improves the HAWT performance by affecting its lift-drag forces. This article represents a numerical study using computational fluid dynamics modeling to investigate the split impacts on the HAWT blades. The blades are designed using NREL's S819 profile at the root and NACA 63-415 profile at the main and tip. Chord length and angle of attack are determined by Blade Element Momentum theory. Overall, there are eight wind turbines that are simulated with different angles of the split, their location on the blade surface, width and number of splits. A steady-state turbulent flow and transition SST turbulence model are used for the Moving Reference Frame calculation and Response Surface Optimization method is used to find the optimum split size. The simulation outcomes highlight that single-split blades, especially with a width of 1.5 mm and an angle of 120 degrees, exhibit superior power coefficients. The determined split geometry blade was compared to the non-split blade in sliding mesh model. The results indicate that power coefficients of split blades surpass non-split blades at tip speed ratios between 5 and 8. Overall, the research suggests that strategically implemented airflow splits can enhance energy production, providing valuable insights for optimizing wind turbine designs.