Küçük ölçekli rüzgar ve hidrokinetik enerjisi türbinleri için türbin-kanal tasarım optimizasyonu ve sistemin performans testleri
Turbine-concentrator design optimization performance tests for small scale wind and hydrokinetic energy turbines
Yazar: EMRE KOÇ
Danışman: PROF. DR. TAHİR YAVUZ
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Rüzgar türbinleri = Wind turbines

Özet:
Günümüzde yenilenebilir enerji çeşitlerinden olan rüzgar ve hidrokinetik enerjisine verilen önem her geçen gün artmaktadır. Bu kapsamda türbin performansını artırmaya yönelik birçok çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada rüzgar ve hidrokinetik türbinleri için türbin performansını arttırmak ve düşük hızlarda esen rüzgarla enerji üretimi yapmak üzere türbin-kanal kombinasyonu ele alınarak küçük kapasiteli türbinlerde türbin girişinde serbest akış hızını en yüksek düzeye çıkaracak sistemin optimizasyonu yapılmıştır. Optimizasyon çalışmalarında 2D Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği analizleriyle, Yanıt Yüzey Metodu (Response Surface Method) birlikte kullanılmış, kanal yapıyı tanımlayan geometrik parametrelerin optimum değerleri elde edilmiştir. İstenilen bir türbin çapı için bu parametrelerin kullanılmasıyla optimum bir kanal tasarımının oluşturulmasına imkan sağlanmıştır. 2D analizlerde, kanal yapı içerisindeki türbin, disk yaklaşımıyla modellenmiştir. Optimum kanal geometrisinde, türbini temsil eden disk üzerindeki hız değeri serbest akış hızına göre ortalama olarak 1.2 kat yükselmiştir. Optimum geometrik boyutlar kullanılarak sistemin 3D HAD analizleri yapılmıştır. Rotor çapı 0.9 m ve Reynolds sayısının 115000 değerinde, yalın türbin veriminin 0.43'den, flaplı kanal yapı ile 1.11'e kadar yükseldiği görülmüştür. Ayrıca flaplı kanal kullanılarak türbinin enerji üretimine başladığı minimum rüzgar hızı  % 19 oranında azaldığı kanıtlanmıştır. Böylece kanallı yapı kullanılarak türbinin ürettiği güç değeri 2.58 kat arttırılmış ve rüzgar türbininden enerji üretebileceği minimum rüzgar hızı azaldığından flaplı kanal kullanılarak rüzgar hızının yetersiz olduğu bölgelerde rüzgardan enerji üretilme imkanının sağlanabileceği görülmüştür.

Abstract:
The importance of wind and hydrokinetic energies which are kinds of renewable energy is increasing day by day. In this context, many studies are carried out to improve turbine performance. In this study, a system optimization is made in order to maximize the free stream velocity at the small capacity turbine entry zone by considering turbine-concentrator combination. It is aimed to increase the turbine performance and to generate energy in lower speeds for wind and hydrokinetic turbines. In the optimization studies, the geometric parameters of the concentrator which define the system are obtained by using 2D CFD analysis and RSM being used together. In 2D analysis, turbine inside the concentrator is modelled with disc approach. Free stream velocity at the disc zone is increased approximately by 1.2 times. 3D CFD analysis are carried out with the usage of optimum geometric parameters. Bare turbine efficiency with the concentrator is increased to 1.11 from 0.43 in the condition when rotor diameter is 0.9 m and Reynolds number is 115000 value. On the other hand, with the usage of concentrator with flap, it is proved that the minimum operation velocity of the turbine is decreased by % 19. Thus, it is proved that the power value is 2.58 times increased by the usage of concentrator and due to the decrease of minimum operation velocity of the turbine, energy is seen to be generated in the zones where there is insufficient wind speed.