Yatay eksenli rüzgar türbini kanadının HAD metodu ile tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of horizontal axis wind turbine blade by using CFD method
Yazar: HASAN İBİLOĞLU
Danışman: PROF. DR. ALİ KOÇ
İskenderun Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Fosil yakıtların talebinde düşüş yaşanırken yenilenebilir enerji kaynaklarına yapılan yatırımlar ve ayrılan bütçeler artarak dijitalleşen bir dünyaya katkı sağlamaktadır. Yenilenebilir enerji üzerine yapılacak olan çalışmalarda mevcutta var olan enerji sistemlerinin daha da geliştirilerek daha fazla fayda elde etmeye odaklanma ihtiyacı oldukça önemli bir gereksinim haline gelmiştir. Bu çalışmada ilk olarak Yatay Eksenli Rüzgâr Türbini kanadı tasarlanmış ve bu tasarımda aerodinamik yönden optimizasyonu yapılmıştır. NACA 4415 profilleri Solidworks ortamında 19 adet düzleme twist açısı verilerek 3 m uzunluğundaki kök kısmı ile birlikte toplamda 25,5 m uzunluğunda altı farklı twist açısında türbin kanadı tasarımları yapılmıştır. En verimli twist açısına sahip kanat tipi belirlendikten sonra değişken hızlarda yapılan analizlerde 10 m/s hız değerinde 16 RPM devir sayısına yaklaşık olarak 45º hücum açısında ulaşıldığı, üretilen gücün yaklaşık olarak 210 kW olduğu, 15 m/s hız değerinde 16 RPM devir sayısına yaklaşık olarak 38º hücum açısında ulaşıldığı, üretilen gücün yaklaşık olarak 560 kW olduğu, 20 m/s hız değerinde 16 RPM devir sayısına yaklaşık olarak 28º hücum açısında ulaşıldığı, üretilen gücün yaklaşık olarak 650 kW olduğu, 25 m/s hız değerinde 16 RPM devir sayısına yaklaşık olarak 23º hücum açısında ulaşıldığı, üretilen gücün yaklaşık olarak 800 kW olduğu belirlenmiştir. Yapılmış olan çalışmalar ile karşılaştırıldığında, literatürdeki çalışmaların sonuçlarının rüzgâr türbini kanat tasarımı optimizasyon değerleriyle uyumlu olduğu açıkça görülmektedir. Farklı hızlarda ve hücum açılarında yapılan analizlerle yapılan karşılaştırmada farklı hızlarda yapılan analizlerde 16 RPM devir sayısında elde edilen tork değerinin paralellik gösterdiği görülmüştür. Yatay eksenli bir rüzgâr türbininin farklı hız ve hücum açılarında benzer çalışmaların literatürde yaygın olarak yapıldığı görülmektedir. Ancak belirli devirde dönüş sayısının sabit tutularak farklı hız ve hücum açılarında yapılan analizlerle karşılaştırılması açısından bu çalışma literatüre ayrıca katkı sunmaktadır.

Abstract:
While the demand for fossil fuel is declining, Investments in renewable energy sources and allocated budgets increase, contributing to the increasingly digitalizing world. In the studies on renewable energy, the need to focus on obtaining more benefits by further developing the existing energy systems has become a very important requirement. In this study, firstly, the horizontal axis wind turbine blade has been designed and it has been aerodynamically optimized in this design. A turbine blade with a total length of 25.5 m with a 3 m long root part has been designed by giving 19 plane rotation angles to NACA 4415 profiles in Solidworks environment. Blades are designed six different twist angle and once the most efficient twist angle for the blade was determined, analysis began. Analyzes  made at variable speeds, it has been determined that; the number of turns 16 RPM at 10 m/s speed is reached at approximately 45º angle of attack, the power produced is approximately 210 kW; the number of turns of 16 RPM at 15 m/s speed is reached at approximately 38º angle of attack, the generated power is approximately 560 kW, the number of turns 16 RPM at 20 m/s speed is reached at approximately 28º angle of attack, the generated power is approximately 650 kW, the number of turns 16 RPM at 25 m/s speed is reached at approximately 23º angle of attack, the generated power is approximately 800 kW, has been determined. When compared with the studies that have been done, the results of the studies in literature are clearly compatible with the wind turbine blade design optimization values. In the comparison made between the analyzes at different speeds and angles of attack, it was seen that the torque value obtained at 16 RPM rotation number in the analyzes made at different speeds showed parallelism. It is seen that similar studies have been done widely in the literature at different speeds and angles of attack of a horizontal axis wind turbine. However, by keeping the number of turns in a rotation constant, this study also contributes to the literature in terms of comparing it to the analyzes made at different speeds and angles of attack.