Yeni bir rüzgar enerji üretim sisteminin optimal tasarımı, gerçeklenmesi ve performans iyileştirmesi
Optimal design, implementation and performance improvement of a new wind energy conversion system
Yazar: BEDRİ KEKEZOĞLU
Danışman: PROF. DR. MUĞDEŞEM TANRIÖVEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde elektrik enerjisine olan talep giderek artmaktadır. Geleneksel enerji üretim tekniklerinin artan talebi karşılamakta yetersiz kalması, fosil yakıt rezervlerindeki azalma ve çevresel etkiler sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı hız kazanmıştır.Dünyadaki gelişim incelendiğinde, yenilenebilir enerji kaynakları arasında rüzgar enerjisinin öne çıktığı görülmektedir. Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinde farklı yapıya ve bileşenlere sahip türbin sistemlerinin enerji üretimi amacıyla kullanıldığı bilinmektedir. Bununla birlikte, çeşitli ortam şartlarında maksimum verimi, minimum maliyet ile elde edebilecek optimum rüzgar turbini yapısının ortaya konulması konusundaki çalışmalar da hızla devam etmektedir.Bu tez çalışmasında, yerleşimin yoğun olduğu kentsel bölgelerde kullanıma uygun yeni bir rüzgar enerji dönüşüm sisteminin tasarımı ve prototip imalatı gerçekleştirilmiştir. Uygulaması gerçekleştirilen sistem esnek bir yapıya sahiptir. Ortaya konulan rüzgar türbini konseti dış yüzeyine dişli çarklar yerleştirilmiş kanatlardan meydana gelmektedir. Tasarım çalışmalarında ve gerçekleştirilen analizlerde farklı kanat ve dişli sayıları dikkate alınmıştır.Tasarımı gerçekleştirilen mini rüzgar türbini farklı kanat sayısı ve dişli miktarı ile çalışmaya uygun olarak dizayn edilmiştir. Böylece arttırılabilir bir yüzey alanı oluşturulmuş ve farklı rüzgar rejimine sahip bölgeler için ayrı ayrı optimize edilebilme olanağına kavuşulmuştur. Geliştirilen yapı ile 3, 4, 5 ve 6 kanatlı konfigürasyonların, ihtiyaca göre farklı ortamlarda kullanılabilmesine imkan tanınmıştır. Her bir konfigürasyonun tekli, ikili ve üçlü çark sistemleri ile çalıştırılabilmesi sağlanmıştır. Böylece kullanılacağı bölgenin rüzgar potansiyeline bağlı olarak değişken bir yapıya sahip, modüler mini rüzgar türbini tasarımı gerçekleştirilmiştir.Gerçeklenen tüm durumlar için mini rüzgar türbini analiz edilmiş ve elde edilen sonuçlar tez kapsamında sunulmuştur. Mini rüzgar türbini konseptine üzerinde kullanılacak olan generatör laboratuar ortamında gerçekleştirilen testler ile sekiz farklı generatör tipi arasından belirlenmiştir. Ayrıca, geliştirilen optimizasyon algoritması kullanılarak tasarımı gerçekleştirilensistemin minimum maliyeti sağlayacak şekilde optimum boyutlandırılması sağlanmıştır. Optimizasyon çalışmalarında sistemin farklı bölgeler için farklı konfigürasyonlar ile optimize edilebildiği gösterilmiştir.Anahtar Kelimeler: Rüzgar türbini tasarımı, rüzgar türbini prototipi, rüzgar türbinlerinin boyutlandırılması, rüzgar türbinlerinde optimizasyon

Abstract:
Electrical energy demand has been continuously increasing. Depleting fossil fuel reserves, environmental concerns, and insufficiency of conventional generation techniques in meeting growing demand, renewable energy use has been widely adopted in the world. When the application of renewable energy sources in the world considered, it can be seen that wind energy is mostly preferred over other renewable energy sources. Various wind turbines and components are used in wind energy conversion systems. Therefore, research continues on developing optimal wind turbine structure that has maximum efficiency with minimum cost for various environmental conditions. In this thesis, a new prototype wind energy conversion system suitable for urban use is designed and manufactured. The proposed design is modular and has flexible structure. In the new design, an outer gear ring attached to turbine blades is used. In design stage, both the number of blades and the number of tooth in the outer ring are varied to analyze their effect on turbine performance.The designed wind turbine can be operated with different blade numbers and different outer ring tooth numbers. By connecting several small wind turbine modules, it is possible to increase effective area. Thus, the new design can be optimized for regions with different wind speed regimes. 3-blade, 4-blade, 5-blade and 6-blade versions are manufactured and ready to use. Analyses for these versions are completed and results are given in this study. The generator for the new wind power system is selected based on tests of 8 different generators. xviiIn addition, optimal sizing of the proposed systems that minimizes the cost is completed using an optimization algorithm. In optimization studies, it is shown that optimal configurations can be found for different regions. Key words: Wind turbine design, prototype wind turbine, sizing of wind turbines, optimization studies in wind turbines