Rüzgar türbini kanadının biyomimetik olarak deneysel ve sayısal metotlarla tasarlanması
Design of wind turbine wing as biomimetic by experimental and numerical methods
Yazar: MUSTAFA ÖZDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. ÇAĞRI VAKKAS YILDIRIM ; DR. ÖĞR. ÜYESİ METİN UZUN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Sivil Havacılık Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, rüzgâr türbininin kanat tasarımında doğadan ilham alınarak, yeni tasarımlar ile rüzgâr enerjisinin verimliliği arttırılmaya çalışılmıştır. Yapılan bu çalışmada baykuş kanat yapısından esinlenilmiş ve kavisli kanat, kanat ucuna eklenen kanatçıklı tasarım ve sonsuz kanat tasarımı ile çentikli firar kenarı tasarımları yapılmıştır. En iyi sonucu veren kanat tasarımını belirlemek için yapılan tasarımlar iki aşamalı olarak incelenmiştir. İlk aşamada tasarım parametrelerine uygun olarak tasarlanmış kanatlar Solidworks programında çizilmiş ve Ansys Fluent programına aktarılarak burada tasarlanan kanatların dinamik basınç, hız ve pattline analizleri sayısal olarak incelenmiştir. Aynı zamanda karşılaştırma yapılabilmesi adına sabit kanat yapısı da aynı analizlerde incelenmiştir. Analizlerin ikinci aşamasında ise sayısal analizlerde ideal sonuçlar veren kanat tasarımları 3B yazıcıda üretilerek rüzgâr tünelinde farklı göbek bağlama açılarında ve farklı hızlarda incelenmiştir. Rüzgâr tüneli analizinde birebir rüzgâr türbini yapısında üretilerek test alanına bağlanan kanatlar değişik göbek bağlama açıları için üretilmiş çeşitli rotor göbekleri ile dönü hareketinden voltaj çıktısı verecek olan motora bağlanmıştır. Voltaj çıktılarını okuyabilmek için motora bağlanan bir multimetre devresine aynı zamanda bir integratör devresi eklenmiş ve her biri 3 dk süren deneysel incelemelerde ortalama gerilim değerini ve grafik çıktısı alınarak grafiksel olarak sunulmuştur. Kavisli kanatlarda kanat ucuna eklenen sonsuz kanat yapısının boyutuna bağlı olarak üretilen gerilim değerleri değişiklik göstermiş ve tasarlanan kanat yapısında %15'e varan aerodinamik performans iyileşmesi görülmüştür. Ayrıca yapılan tasarım geleneksel sabit kanatlar üzerinde de deneysel olarak incelenmiş olup sabit kanatlar üzerinde %6' ya varan iyileşme görülmüştür. Bunların yanı sıra baykuş kanat yapısında bulunan çentikli firar kenarı tasarımı da deneysel olarak çalışılmış ancak çalışmalar sonrasında enerji üretimi açısından bir gelişim gözlenmemiştir.

Anahtar Kelimeler: Rüzgâr türbini, Aerodinamik performans, Biyomimetik tasarım

Abstract:
In this study, the wind turbine blade design was inspired by nature and tried to increase the efficiency of wind energy with new designs. In this study, inspired by the owl wing structure, curved wing, fin design added to the wing tip, endless wing design and notched trailing edge designs were made. In order to determine the wing design that gives the best result, the designs were examined in two stages. In the first stage, the blades designed in accordance with the design parameters were drawn in the Solidworks and transferred to the Ansys Fluent, and the dynamic pressure, velocity and pattline analyzes of the blades designed here were analyzed numerically. At the same time, the fixed wing structure was also examined in the same analyzes for comparison purposes. In the second stage of the analysis, wing designs that give ideal results in numerical analysis were produced on a 3D printer and examined at different hub clamping angles and different speeds in the wind tunnel. In the wind tunnel analysis, the blades produced in the same wind turbine structure and connected to the test area are connected to the motor, which will output voltage from the rotation movement, with various rotor hubs produced for different hub coupling angles. In order to be able to read the voltage outputs, an integrator circuit was also added to a multimeter circuit connected to the motor, and the average voltage value and graphic output were taken in the experimental examinations, each of which lasted 3 minutes. In curved wings, the stress values produced depending on the size of the endless wing structure added to the wing tip have changed and up to 15% aerodynamic performance improvement has been observed in the designed wing structure. In addition, the design has been experimentally examined on conventional fixed wings, and up to 6% improvement has been observed on fixed wings. In addition to these, the notched trailing edge design in the owl wing structure was also studied experimentally, but after the studies, no improvement was observed in terms of energy production.

Keywords: Wind turbines, Aerodynamic performance, Biomimetic design