Eğimli bir yatay eksenli rüzgar türbini kanadının aerodinamik tasarımı ve optimizasyonu
Aerodynamic design and optimization of a swept horizontal axis wind turbine blade
Yazar: MEHMET NUMAN KAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FARUK KÖSE ; PROF. DR. OĞUZ UZOL
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Rüzgar enerjisi, dünyada en çok kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olup, enerjide dışa bağlılığı yüksek olan Türkiye için büyük bir öneme sahiptir. Rüzgar türbinlerinin en önemli bileşenlerinden biri rüzgarın sahip olduğu enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren kanatlardır. Kanatların aerodinamik yapıları halen yüksek öneme sahip bir konu olup, üretilen enerji miktarını arttırmak amacı ile çeşitli aerodinamik tasarımlar geliştirilmiştir. Bu çalışmada eğimli bir yatay eksenli rüzgar türbini kanadının Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak güç katsayısında artış sağlamak amacı ile tasarımı ve optimizasyonu yapılmıştır. Çalışmada 0.94 m rotor çapına sahip bir model rüzgar türbini baz alınarak tasarım uç hız oranında maksimum güç katsayısı eldesi için en uygun eğimli kanat parametreleri, eğiklik başlangıç kesiti (rss/R), uç deplasman miktarı (d/R) ve eğiklik mertebesi (M) ve bunlara ek olarak en uygun kanat hatve açısı araştırılmıştır. Öncelikle eğimli kanatlarda eğimin yönü, uç deplasman miktarı ve eğiklik başlama kesitinin güç çıkışına etkisi literatürde deneysel verileri mevcut olan iki adet rüzgar türibini, 10 m rotor çapına sahip Amerikan Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) tarafından geliştirilerilen NREL Faz II ve 0.9 m rotor çapına sahip Norveç Teknik Üniversitesinde (NTNU) tasarlanan NTNU rüzgar türbini, ile incelenmiştir. Bu aşamada yeni eğimli kanatların tasarımı için her üç parametreninde bağımsız olarak değiştirelebileceği bir denklem geliştirilmiş ve yeni eğimli kanatların tasarımında kullanılmıştır. Parametrik çalışmadan elde edilen ana sonuç, öne eğimli kanatların güç üretimine katkı sağlayabileceği, arkaya eğimli kanatların ise güç üretimine etkisinin negatif olduğu olmuştur.  İkinci aşamada optimizasyon işlemine geçilmiş, optimum eğimli kanat parametrelerini bulmak için yanıt yüzey yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemin kullanımında, deney tasarımı aşamasında yani ilk popülasyonun oluşturulmasında yüzey merkezli merkezi karma tasarım yöntemi kullanılmıştır. Daha sonra yanıt yüzeyi oluşturma aşamasına geçilmiş, farklı yöntemler arasından en yüksek başarıyı göstermiş olan Kriging yöntemi ile yanıt yüzeyler oluşturulmuştur. Optimizasyon işleminin son aşamasında ise genetik algoritma yöntemi ile optimizasyon gerçekleştirilmiştir.  Tasarlanan optimum eğimli rüzgar türbini kanadı ile tasarım uç hız oranında güç katsayısında %4.28'lik bir artış elde edilmiştir. Bundan sonra tasarlanan optimum kanadın performansı, farklı kanat hatve açılarında test edilmiş ve en uygun kanat hatve açısı bulunmuştur. Tez çalışmasının son aşamasında ise tasarlanan optimum kanadın üretimi yapılmış ve açık jet bir rüzgar tüneli ve model yatay eksenli rüzgar türbini kanadı test düzeneği kullanılarak güç katsayısı – uç hız oranı (CP – λ) eğrisi 0° ve 5° (yukarı) olmak üzere iki adet kanat hatve açısında deneysel olarak çıkarılmış, deneysel çalışma sonuçları ile HAD sonuçları karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre HAD sonuçları ile deneysel sonuçların birbirleri ile uyumlu olduğu görülmüştür. Çalışmada HAD simülasyonları için ANSYS Fluent 17.2 kullanılmıştır.

Abstract:
Wind energy is one of the most applied renewable energy sources and it has a crucial importance for our country since Turkey has a very hight energy import ratio. One of the most important elements of wind turbines are wind turbine blades which convert the wind energy to mechanical energy. Aerodynamic designs of blades are still an important topic and various blade designs are available in order to increase the produced energy. In this study, design and optimization of a swept horizontal axis wind turbine blade performed in order to increase the power production by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. A rotor with 0.94 m is used as a baseline, and optimum design parameters, sweep begin section (rss/R), tip displacement (d/R) and sweep strength (M), additionally the pitch angle, were investigated in order to find optimum parameters to maximise the power coefficient at the design tip speed ratio. Firstly, effect of sweep direction, tip displacement and sweep begin section on power was investigated using two horizontal axis wind turbines, NREL Phase II wind turbine that has a rotor diameter of 10 m and NTNU model wind turbine that has a rotor diameter of 0.9 m, which have experimental data available.  At this time, an equation that allows to change sweep begin section, tip displacement and sweep strength independently is developed in order to desing new swept blades. According to the results of the parametric study, an important outcome was obtained: increase in power coefficient can be obtained using forward swept blades while backward swept blades have negative effect on power production. After that optimizaton was performed using a meta model based method, response surface method. Face Centered Central Composite Design method was used as the design of experiments method. After that response surfaces are created using the Kriging method which showed best accuracy among various methods. As the final step of the optimization, optimum parameters were found using genetik algorithms. A significant boost in power coefficient, namely 4.28% is obtained at the design tip speed ratio using optimal baldes After that the performance of the designed optimal blade is tested with various pitch angles to find the optimum pitch angle. In the final stage of this study, the optimal swept blade was produced and experimentally tested at two pitch angles, 0° and 5° (up), using an open jet wind tunnel and a model wind turbine test system, and the results were compared with CFD simulation results. According to the comparison, it is observed that experimental results are in a good agreement with CFD results. In the study, ANSYS Fluent 17.2 was used for CFD simulations.