Kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımı ve had analizi ile kanal profilinin türbin performansına etkilerinin incelenmesi

Literatürde, rüzgar türbini tasarımına ve rüzgar türbinlerinden elde edilebilecek enerjinin arttırılmasına yönelik birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmaları çoğunlukla tasarıma yönelik olup, kanat geometrilerinin rüzgardan daha fazla enerji çekebilmesini sağlamaya yöneliktir. Bununla birlikte yakın geçmişten günümüze kadar rüzgar türbinin performansını arttırılmasına yönelik daha yenilikçi çalışmalarda mevcuttur. Bu tez çalışmasında da bu amaca yönelik olarak çalışmalar yürütülmüştür. Bu bağlamda küçük rotor çapına sahip bir rüzgar türbini tasarlanması ve tasarlanan rüzgar türbini modelinin kanal içerisine yerleştirilmek yoluyla performansının arttırılması amacıyla incelemeler yürütülmüştür. Bu amaçla ilk olarak kanat geometrisi, belirlenen tasarım koşullarına uygun olarak optimal tasarım parametreleri için kanat elemanı teorisi ve momentum disk teorisinden yararlanılarak elde edilmiştir. Kanat tasarımının elde edilmesinde QBlade yazılımından yararlanılmış ve bu yazılım yardımıyla kaldırma hattı teorisi kullanılarak iki boyutlu analizler ile rüzgar türbini performansına yönelik ilk öngörüler elde edilmiştir. Tasarımı gerçekleştirilen kanat geometrisinin CATIA programı yardımıyla üç boyutlu modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen rotor geometrisi için ANSYS 16.0 analiz programının ICEM modülü kullanılarak ağ yapısı modellenmiş ve ANSYS FLUENT modülü kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler serbest akış rejimi için sabit hacim ve rotor çevresinde dönel akışkan hacmi olarak modellenerek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca analizlerin gerçekleştirileceği akış hacimleri periyodik analiz yapısına uygun olarak oluşturulmuş olup, üç kanatlı olarak tasarlanan rüzgar türbininin bir kanadını içerisine alacak şekilde düzenlenmiştir. Türbülans modeli olarak k-omega STT modülü seçilmiş ve sabit rotor çevresinde dönel akış hacmi oluşturulması metodu kullanılarak sonuçlar elde edilmiştir. Bununla beraber kanat geometrisinin etrafında daha doğru sonuçlar elde edilebilmesi adına ayrı bir dönel akış hacmi tanımlanmış ve bu hacim için O-örgü formunda yapısal ağ modellemesi kullanılmıştır. Rüzgar türbininin performans karakteristiğini gösteren rüzgar hızına bağlı değişen güç üretimi eğrisi ve kanat uç hızına bağlı değişen güç katsayısı verilerine ulaşılmıştır. Elde edilen sonuç verileri ile tasarım aşamasında ilk öngörülerin elde edildiği QBlade iki boyutlu analizlerinin birbirine benzer eğilimde olduğu görülmüştür. Rüzgar türbini performansını karakterize eden güç katsayısı eğrisinin literatürde ki çalışmalarda ulaşılan sonuçlara bakıldığında tutarlı olduğu görülmüştür. İlerleyen aşamada tezin de esas konusu olan ve ulaşılan rüzgar türbini performansının arttırılması yönelik kanal içerisinde rüzgar türbini tasarımının elde edilmesine geçilmiştir. Bu doğrultuda tasarım kanal profilinin belirlenmesinde 6 nokta kontrollü Bezier eğrileri teorisi kullanılmış ve bu teorinin düzenlendiği MATLAB kodu yardımıyla kapalı kanal profilleri oluşturulmuştur. Kanal profillerinin elde edildiği MATLAB kodunun içeresine gömülü olarak eklenen DFDC yazılımı ile oluşturulan rasgele kanal profillerinin 2 boyutlu HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. MATLAB programından optimizasyon modülü kullanılarak genetik algoritma çoklu hedef optimizasyonu analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada rüzgar türbini rotor tasarımının elde edilmesinde de belirlenen tasarım parametreleri ve kanat profillerinin aerodinamik özellikleri de analiz girdileri olarak uygulanmış ve optimizasyon hedef parametreleri olarak maksimum güç ile minimum itki getirileri belirlenerek, pareto çözüm setleri elde edilmiştir. Çözüm setlerine, GAO parametrelerinde farklı yaklaşım metotları için, sorunsuz şekilde analizlerin ilerleyebilmesi adına belirlenen kontrol noktalarının sınırları içerisinde profiller elde edilerek ulaşılmıştır. Kanal geometrisi ve kanal içerisinde rüzgar türbini tasarım parametrelerinin ayrıntılı olarak incelenebilmesi adına, çözüm seti içerisinden kanal profilleri seçilmiştir. Seçilen kanal profillerinin rüzgar türbini performansına etkileri belirlenen tasarım parametrelerine yönelik hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri gerçekleştirilerek elde edilmiştir. Bu doğrultuda kanal ile kanatlar arasındaki boşluk oranı, kanal içeresinde rotorun yerleştirildiği pozisyon, kanal giriş ve çıkış akış alanları arasındaki oran ve kısmi kanal modelinin kullanılması gibi farklı tasarımlar için analiz sonuçları elde edilmiş ve ulaşılan veriler karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. İncelenen tasarımlardan pareto çözüm seti içerisinde farklı bölgelerden seçilen iki profil için ulaşılan HAD analizi sonuçlarıyla, pareto çözüm setinin elde edilmesinde kullanılan DFDC yazılından elde edilen iki boyutlu analiz sonuçlarının birbirine yakın olduğu söylenebilir. Bununla birlikte incelenen tasarım parametrelerinin sonuç verilere olduğu kadar kanal ve kanat çevresindeki akışa da etki ettikleri ve bu etkiye bağlı olarak rüzgar türbini performansının da değiştiği sonuçlardan görülmektedir.