Karabük ili kırsal kesimleri için küçük ölçekli rüzgar türbin tasarımı ve aerodinamik performans optimizasyonu
Small scale wind turbine design and aerodynamic performance optimization for rural sections of Karabuk province
Yazar: MEHMET TAYYİP ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. REFİK POLAT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ülkemizde artan nüfusla birlikte enerjiye olan ihtiyaç da artmaktadır. Bundan dolayı yenilenebilir ve temiz enerjiye olan ilgi son yıllarda önem arz etmektedir. Rüzgar türbini ise yenilenebilir enerji kaynağı olan rüzgar enerjisinden elektrik elde etmektedir. Bu tezde 1 kW/h elektrik üretebilen küçük ölçekli yatay eksenli rüzgar türbin tasarımı yapılmıştır. Öncelikle elektrik şebekesinin olmadığı veya zor ulaştığı bölgeler araştırılmıştır. Karabük ili Ovacık ilçesi buna uygun bir bölge olarak karar verilmiştir. Daha sonra Ovacık ilçesinin yıllık rüzgar istatistik bilgileri incelenmiştir. Bunun sonucunda 3 kanatlı ve 3 metre kanat uzunluğuna sahip bir türbin tasarlanmıştır. Kanat geometrisi belirlenirken Schmitz formülleri kullanılmıştır. Farklı airfoillerin aerodinamik performansları incelenmiştir. İncelenen airfoiller arasında NACA 4412 airfoilinin en iyi performans gösterdiği anlaşılmıştır. Ancak literatürde 1 metre kiriş uzunluğunda çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmada ise kiriş uzunluğu 0,2 metre olarak belirlendiği için Ansys analiz programı kullanılarak 2 boyutlu CFD analizi yapılmıştır. Farklı hücum açılarında analiz edilen NACA 4412 airfoilinin aerodinamik performansı incelenmiştir. Weibull dağılım yöntemi kullanılarak Ovacık ilçesinin rüzgar enerji potansiyeli belirlenmiş ve tasarlanan rüzgar türbininin elektrik üretimi hesaplanmıştır. Hesaplamalar neticesinde yılda 2734,8 kW/h elektrik üretimi sağlanmıştır.
1 kW/h'tan daha fazla elektrik enerjisi üretimine ihtiyaç duyulması halinde ikinci bir rüzgar türbin tasarımı yapılmıştır. Öncelikle daha yüksek rüzgar hızlarından faydalanmak için rüzgar türbini daha yükseğe konumlandırılmış ve kanat uzunluğu 10 metre olarak belirlenmiştir. Ansys analiz programı kullanılarak rüzgar türbini 3 boyutlu tasarlanmıştır. Aynı özelliklere sahip rüzgar türbini BEM teoreminde de tasarlanmıştır. Analizi yapılan rüzgar türbininin kanatlarında oluşan kuvvet, hız ve basınç değerleri elde edilmiştir. Farklı uç hız oranlarındaki güç katsayı değerleri hesaplanmıştır. BEM ve CFD sonuçları karşılaştırılmış ve BEM teoremiyle elde edilen değerlerin daha yüksek olduğu vurgulanmıştır. Hem BEM hem de CFD ile yapılan analizlerde optimum uç hız oranı 9 olarak bulunmuştur. 10 metre kanat boyundaki rüzgar türbininin güç verimi BEM yöntemiyle %56, CFD ile %43 olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
With the increasing population in our country, the need for energy is also increasing. Therefore, the interest in renewable and clean energy has become important in recent years. The wind turbine obtains electricity from wind energy, which is a renewable energy source. In this thesis, a small scale horizontal axis wind turbine that can generate 1 kW/h of electricity is designed. First of all, areas where there is no electricity network or where it is difficult to reach were investigated. Karabük province Ovacık district has been decided as a suitable region. Then, annual wind statistics of Ovacık district were examined. As a result, a turbine with 3 blades and a blade length of 3 meters was designed. While determining the blade geometry, Schmitz formulas were used. The aerodynamic performances of different airfoils were investigated. Among the airfoils examined, it was found that the NACA 4412 airfoil performed the best. However, studies with a beam length of 1 meter have been carried out in the literature.In this study, since the beam length was determined as 0.2 meters, 2-dimensional CFD analysis was performed using the Ansys analysis program. The aerodynamic performance of the NACA 4412 airfoil, which was analyzed at different angles of attack, was investigated. By using the Weibull distribution method, the wind energy potential of the Ovacık district was determined and the electricity production of the designed wind turbine was calculated. As a result of the calculations, 2734.8 kW/h of electricity was produced annually.
If more than 1 kW/h of electrical energy is needed, a second wind turbine is designed. First of all, in order to benefit from higher wind speeds, the wind turbine was positioned higher and the blade length was determined as 10 meters. The wind turbine was designed in 3D using Ansys analysis program. The wind turbine with the same features is also designed in the BEM theorem. The force, speed and pressure values formed in the blades of the analyzed wind turbine were obtained. Power coefficient values at different tip speed ratios were calculated. BEM and CFD results were compared and it was emphasized that the values obtained with the BEM theorem were higher. The optimum tip velocity ratio was found to be 9 in the analyzes performed with both BEM and CFD. The power efficiency of the wind turbine with a blade length of 10 meters was calculated as 56% by BEM method and 43% by CFD.