Dikey eksenli rüzgar türbinlerinde sayısal analiz ve rüzgar çiftliği yerleşim optimizasyonu

Yenilenebilir enerji kaynakları, modern dünyanın gerektirdiği enerji ihtiyacını çevre dostu yaklaşımlarla karşılamakta çok önemli bir role sahiptir. Bu kaynaklar içerisinde de rüzgar enerjisi çok yüksek potansiyele sahip, umut vadeden bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Rüzgarın kinetik enerjisi rüzgar türbinleri aracılığıyla faydalı enerjiye dönüştürülerek kullanılır. En yaygın tür olan 3 kanatlı yatay eksenli rüzgar türbinleri son derece verimli dönüşüm sistemleridir. Bununla beraber basitliği, düşük maliyeti, bireysel kullanıma uygunluğu ile dikey eksenli rüzgar türbinlerine de giderek artan bir ilgi meydana gelmiştir. Bu tez çalışmasında da, günümüz araştırma dünyasında kendine önemli bir yer edinmiş dikey eksenli rüzgar türbinleri üzerine araştırma yürütülmüştür. Çalışmada sabit veter uzunluğuna sahip kanatları olan bir H-Darrieus türbini incelenmiştir. İncelemeler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi ile iki boyutlu, sıkıştırılamaz ve zamana bağlı akış şartları göz önüne alınarak yapılmıştır. Mevcut çalışmada öncelikle literatürde karşıt görüşlerin bulunduğu türbülans etkileri araştırılmıştır. Türbülans yoğunluğu %0-%29.2 aralığında ele alınarak türbin performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Genel anlamda türbülans yoğunluğunun artması ile türbin güç katsayısında artış olmuştur. Bununla beraber uç hız oranı 3 ve üzerinde olduğunda türbin performansında bir miktar düşüş gözlemlenmiştir. Daha sonra katılığın performans üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu aşamada türbin katılığı 0.25-3.00 arasında değiştirilmiştir. Sonuçlar katılığın artmasıyla türbin performasında düşüş meydana geldiğini göstermiştir. Diğer taraftan, yüksek katılık ile düşük uç hız oranlarında enerji üretiminin mümkün olduğu görülmüştür. Bu çalışmalara ek olarak katılık ve türbülansın ekserji verimi üzerindeki etkileri incelenmiş, güç katsayısı üzerindeki etkilerin benzeri ekserji veriminde de gözlemlenmiştir. Bu tez kapsamında ikinci ana motivasyon olan kendini başlatma karakteri - katılık ilişkisi de araştırılmıştır. Bu noktada 0.10- 3.00 aralığında katılık değerleri göz önüne alınmıştır. Sonuçlar katılığın 1.40'a kadar artmasıyla daha hızlı kendini başlatan türbinlerin elde edilebileceğini göstermiştir. Buna ek olarak katılığın artmasıyla ulaşılabilecek maksimum uç hız oranı ciddi şekilde düşmüştür. Dolayısıyla hem kendini hızlı başlatan hem de yüksek dönüş hızlarına ulaşabilen bir türbin için katılık değerinin σ ≤ 1.00 olması tavsiye edilmiştir. Mevcut tez çalışmasında son olarak dikey eksenli rüzgar türbinlerinden oluşan bir çiftlik konfigürasyonu için optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon aşaması iki adımda gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde 3 türbinli bir çiftlik için optimum konfigürasyonun şu parametrelerde gerçekleştiği tespit edilmiştir; türbin katılıkları 1.00, birinci yatay mesafe (X1) 1.1D, ikinci yatay mesafe (X2) 1.1D ve dikey mesafe (Y) 1.5D. Bu boyutlar kullanıldığında en iyi kendini başlatma performansı ve en kompakt türbin çiftliği yapısına ulaşılmıştır.