Rüzgar türbinlerinde deneysel tork ölçümü için farklı kontrol algoritmalarının karşılaştırılması
Comparison of different control algorithms for experimental torque measurement in wind turbines
Yazar: HAYDAR ÜLKER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ZİYA HAKTAN KARADENİZ
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Sistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerjinin korunum yasasına göre rüzgardan kaynaklanan hareket enerjisini rüzgar türbinleri vasıtasıyla jenaratöre aktarıp, jenaratörün tasarımı sayesinde bu hareket enerjisini, elektrik enerjisine dönüştürme işlemine rüzgar türbinlerinden elektrik üretme olarak tanımlıyoruz.
1980'den günümüze kadar özellikle son yıllarda rüzgar türbinlerinin verimliliğini artırmak için yapılan bilimsel çalışmalarda elektrik üretimi için kullanılan rüzgar türbinlerini yatay ve dikey olarak iki gruba ayırmak mümkündür.
Yatay olarak tasarlanan rüzgar türbinleri daha büyük güç üretmeleri için tasarlanmış ticari işletmeler tarafından yönetilen tesislerde kullanılmaktadırlar.
Dikey rüzgar türbinleri ise boyutları genelde küçük, düşük güç üretmeleri için tasarlanmış kurulum ve kullanım kolaylıkları bakımından bireysel ihtiyaçlara cevap verecek niteliktedirler. Bu özelliklerinden dolayı bu tip rüzgar türbinlerinin gelecek yıllarda kullanımının artacağı değerlendirilmektedir.
Rüzgar türbinlerinin önemli bir karakteristiği kanat uç hız oranı ile güç ve verim ilişkisini veren grafikleridir. Bu grafikler, kanat uç  hızı ve rüzgar hızı değerlerinin oranı sabit tutularak rüzgar yükünün doğurduğu torkun ölçülmesi veya bu şartlar altında yapılan matematiksel analizler ile torkun hesaplanması ile elde edilmektedir. Bu eğriler deneysel olarak ve gerçek çalışma şartlarında ölçülmeye çalışıldığında, ölçülecek tork değerlerinin ve mekanik yapıların büyüklüğü direk tork ölçümünü zorlaştırmaktadır. Direk tork ölçümünün gerçek ölçekteki türbinlerde uygulanmasının zor olması sebebi ile araştırmacılar, mevcut sistemlerin farklı alt sistemlerindeki ölçülebilir büyüklükleri kullanarak rüzgar torkunun gerçek zamanlı izlenmesi için gözlemleyeciler önermişlerdir. Bu yöntemlerin en yaygını elektrik makinalarının kontrolü için rüzgar torkunun bulunması için tasarlanan gözlemleyecilerdir.  Hassas Tork kontrolünün amacı elektrik makinasının veriminin yükseltilmesidir.
Bu tezde deneysel türbin karakterizasyonunda tork metre kullanmadan kontrol algoritması metodu ile tork ölçme ve sistemin torkunu hesapladıktan sonra türbin karakterizasyonunu hesaplama yöntemi denenmiştir.
Bu kontrol algoritması hassas hız kontrollü motor ile sürülen PID ve PI  sistemi ile oluşturulmuştur. Bu sayede istenilen kanat uç hız oranı'nin sağlanması ile ilgili var olan sistemlerden daha yüksek bir başarım sağlanmıştır. Hassas hız kontrolü için kullanılacak bu sistemler, anlık olarak rüzgar yükünü belirleyeceğinden sistemde ayrıca bir tork sensörü bağlanması gerekmemektedir. Her iki sistemin sonuçları karşılaştırılıp türbin deneylerindeki en uygun yöntem belirlenmiştir.
Sistem için en iyi kontrol algoritması belirlendikten sonra deneyin ikinci aşaması olan türbin karakterizasyon işlemi iki kanat yapısı ile farklı rüzgar hızlarında sabit RPM'de ve Sabit Reynold sayısı için sabit rüzgar hızlarında olacak şekilde deneyler yapılmış bu deneylerin sonuçları Cp/kanat uç hız oranı grafikleri ile yorumlanmıştır.
Sonuç olarak tezin kurgusu olan rüzgar türbinlerinde deneysel tork ölçümü için farklı kontrol algoritmalarının karşılaştırılmış, sistemin torku tork metre olmadan ölçülmüş ve ikinci aşamada farklı türbin yapılarının karakterizasyon ölçümleri yapılmıştır.
Bu çalışmada dikkat edilmesi gereken konu ölçeklendirilen kanat modeline uygun tepkimeler verecek güçte motor ve seçilen bu motora uygun elektronik ekipmanlar seçilmelidir.

Abstract:
According to the conservation law of energy, we define the movement energy originating from the wind as a generator through wind turbines and design this generator as the generation of electricity from the wind turbines to convert this movement energy into electric energy.
It is possible to separate two wind turbines horizontally and vertically from the wind turbines used for electricity generation in the scientific studies to increase the efficiency of the wind turbines, especially from 1980 to the present day.
Horizontally designed wind turbines are used in installations managed by commercial enterprises designed to generate greater power.
Vertical wind turbines will respond to individual needs in terms of installation and ease of use, which are usually designed for small, low power generation. Due to these features, it is estimated that the use of such wind turbines will increase in the coming years.
An important characteristic of wind turbines is the graph that shows the relationship between blade tip speed ratio and power and efficiency. These graphs are obtained by measuring the torque generated by the wind load by keeping the ratio of the blade tip speed and the wind speed constant, or by calculating the torque by the mathematical analysis made under these conditions. When trying to measure these curves experimentally and under actual operating conditions, the torque values to be measured and the size of the mechanical structures make direct torque measurement difficult. Because direct torque measurement is difficult to implement in real-world turbines, researchers have suggested that observers use real-time tracking of wind torque using measurable quantities in different subsystems of existing systems. The most common of these methods are observers designed to find wind tur- bines for control of electric machines. Precision Torque control is the purpose of increasing the efficiency of the electric machine.
The experimental part of the comparison of control algorithms for experimental torque measurement in wind turbines consists of two parts, mechanically and electronically. The mechanical part is the interface program written in Darrieus 3-wing wind turbine and shovel, and the electronic part is motor, encoder, motor drive, arduino mega 2560, arduino software and visual studio. In order for the thesis to be able to draw conclusions from the experimental section, it is necessary that these two parts work in harmony with one another. Before the test phase, 2 different power engines and 2 different types of wings were tested and the engine set which responded to the wind speeds according to the turbine scale was selected.
In the experiments, firstly different control algorithms were concluded to be more successful than PID algorithm and PID algorithm compared to PID algorithm and PI algorithm. This result was then passed to the second stage and the PID controller for the turbine characterization, the fixed RPM variable wind speed for the Darrieus turbine with a veterinary length of 2 cm (small wing) and a veterinary length of 4 cm (large wing) These data of DC motor RPM, current, voltage, torque, PWM information are recorded in txt format and converted to graphics with excel program. During this process, the obvious reading errors caused by the synchronization error between the interface and the arduino pragma have been corrected manually.
Power efficiency (Cp) is obtained by dividing the turbine power into wind power. The Reynolds number and the number of Reynolds numbers that determine the characterization of the flow that causes the fluid flow through the fluid are the basic parameters used in the wind turbine characterization. The power is calculated by multiplying the current and the voltage by the data taken in the experiment and the power and rpm values are calculated in the field. In this experiment, torque measurement without torque meter was performed in experimental turbine tests, and Cp / tip speed ratio graphs and turbine characteristics were investigated in the second stage.
The Cp / tip speed ratio graphs for the turbine characterization were generated at pre-planned RPM and wind speeds. Negative and positive points were obtained according to the tip speed ratio of Cp, but the transition points from the positive to the negative region were not precisely determined. In future studies, the graphics resolution can be increased by taking more data between transition zones. The experiments in this thesis for the next study are an important data quality.
The interface program written in visual studio in the controller section of the system can be improved and the reading error can be reduced to minumum due to the processor speed of the arduino mega card and the requirements of the motor + encoder system in the current system, with the belief that the Cp / TSR graphs obtained for future studies can be used as important data. A 96-pulse encoder was used. 400 pulse encoder for more precise operation of the installed system and operation with this data processing speed