Yatay eksenli rüzgar türbinlerinde optimum uç hız oranının incelenmesi
Investigation on optimal tip speed ratio of horizontalaxis wind turbines
Yazar: MEHMET BAKIRCI
Danışman: PROF. DR. SEZAYİ YILMAZ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yatay eksenli rüzgar türbinlerinde maksimum güç elde edilmesi için türbin dönme hızının optimum olması hem aerodinamik hem de jeneratör seçimi açısından önemlidir. Kanat uç teğet hızının rüzgar hızına oranı olarak tanımlanan uç hız oranının optimum değeri, literatürde verilen formüllerle, Kanat eleman momentum (BEM) teoremiyle, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonlarıyla ve deney çalışmalarıyla araştırılmıştır. Bu farklı metotlar arasındaki uyumluluk irdelenmiştir. Optimum dönme hızını etkileyen parametreler analiz edilerek optimum uç hız oranı (OUHO) hakkında sonuçlar elde edilmiştir. NACA 23012 standart kanat kesiti (airfoil) kullanılarak yapılan tasarım için optimum uç hız oranı 9 olarak bulunmuştur.

Yatay eksenli bir rüzgar türbinine (YERT) ait kanat geometrisinin optimizasyonunda tasarım uç hız oranı (TUHO) önemli bir parametredir. Literatürde bulunan önceki araştırmalarda, 6 ve 8 arasındaki TUHO değerleri tavsiye edilmiştir. Ancak, bu çalışmada tasarım uç hız oranının optimum değeri farklı bir yaklaşım kullanılarak araştırılmıştır.  HAD ile farklı airfoillerin aerodinamik özellikleri iki boyutlu olarak analiz edilmiş ve bu airfoiller ile oluşturulan YERT'lerin güç verim değerleri üç boyutlu olarak hesaplanmıştır. HAD ve BEM teoremleriyle bulunan YERT sonuçları irdelenmiş ve farklı sonuçların nedenleri tartışılmıştır. Literatürde verilen Rüzgâr Türbin Airfoil kataloğunda (Sorensen) belirtilen iki farklı standart airfoil seçilmiş ve üç farklı TUHO değeri (6, 7 ve 8) için Schmitz formülü kullanılarak altı farklı YERT kanat geometrisi oluşturulmuştur. Elde edilen bu geometriler ile, hem Kanat Eleman Momentum (BEM) teoremine hem de Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) simülasyonuna göre rotor güç verimliliği ve optimum uç-hız oran (OUHO) değeri araştırılmıştır. Katalogda (Sorensen) verilen airfoil aerodinamik özellikleri BEM Teoreminde kullanıldığında, altı farklı YERT'in ortalama maksimum güç katsayısı (Cp) 0,54 ve OUHO değeri ise 8,2 olarak elde edilmiştir. Kullanılan airfoillerin aerodinamik özellikleri; katalogdan alınmak yerine, airfoillerin standart koordinatlarını kullanarak iki boyutlu HAD ile hesaplandığında maksimum Cp değeri 0,43 ve OUHO değeri ise 6,7 olarak elde edilmiştir. YERT'ler üç boyutlu HAD kullanılarak hesaplandığında bu değerler (Cp ve OUHO) sırasıyla 0,41 ve 7,3 olarak elde edilmiştir. Bu çalışmada görülmüştür ki, literatürde verilen farklı değerlerin asıl nedeni, CL/CD oranının maksimum değerinin farklı alınmasıdır. Doğru sonuçlara ulaşmak için airfoil aerodinamik katsayı değerleri hesaba katılırken Reynold sayısı dikkate alınmalıdır. Bu çalışmada ayrıca, HAD sonuçlarının BEM teoremini doğruladığı sonucuna varılmıştır; Bu yöntemlerle elde edilen sonuçlar arasındaki farkların ise, BEM teorisindeki kabullerden ve farklı Reynold değerinde alınan verilerden kaynaklandığı sonucuna ulaşılmıştır.

NACA 4412 ve NREL's 809 airfoilleri kullanılarak Schmitz formülüne göre tasarlanan iki YERT geometrisinin prototipleri üretilmiş ve otomobil hareket halindeyken üzerinde oluşan 6 m/s hızda homojen rüzgârla OUHO değerleri araştırılmıştır. NACA 4412 için OUHO değeri 8,5 olarak bulunurken NREL's 809 için bu değer 9 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
The tip speed ratio of a horizontal axis wind turbine should be optimized to get high aerodynamic efficiency and suitable for the generator used in the turbine to harvest more power from wind. Tip speed ratio is defined as the ratio of blade tangential velocity by wind velocity. In the study, optimum tip speed ratio is investigated using; the mathematical formulas in the literature, BEM theory, CFD simulations and experiments. The results, which are obtained by different methods, were compared. The results about optimum tip speed ratio were obtained by analyzing the parameters affecting the optimum rotation velocity. Optimum tip speed ratio of the HAWT by NACA 23012 was obtained at 9 by BEM, CFD and the experiment.

An important factor in the optimization of the geometry of a horizontal-axis wind turbine (HAWT) is the design tip-speed ratio (DTSR). Previous research has suggested that DTSR values between 6 and 8 are desirable. However, a different  
approach was used in this study. Two standard airfoils with aerodynamic properties that are specified in the wind turbine airfoil catalog were selected and six different HAWT geometries are generated using the Schmitz formula for three DTSR values. These geometries are investigated theoretically based on the blade-element momentum (BEM) theory and numerically by using computational fluid dynamics (CFD) to calculate the rotor power efficiency and the optimal tip-speed ratio (OTSR). The six HAWT had an average maximum power coefficient of 0.54 and an OTSR of 8.2 when the airfoil properties given in the airfoil catalog were used; these values were 0.43 and 6.7, respectively, when the airfoil properties were calculated using CFD and 0.41 and 7.3 when the HAWT were simulated using three-dimensional CFD. To determine the power coefficient and OTSR values based on the BEM theory, the maximum value of CL/CD should be carefully selected considering some factors such as the Reynolds numbers. Based on these findings, it is concluded that the CFD results validated the BEM theorem; the differences between the results obtained by both methods were likely due to the assumptions used while applying the BEM theory.

The prototypes of the two HAWT geometries designed according to the Schmitz formula were produced using NACA 4412 and NREL S 809 airfoils and the OUHO values were investigated with homogeneous wind speed of 6 m/s. The OUHO value for the NACA 4412 is is calculated as 8.5 and 9 for NREL S 809.