COMPUTER-AIDED DESIGN OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE BLADE

Transkript

1 1 ÖZET 2008 Gaz Ünverstes Endüstryel Sanatlar Eğtm Fakültes Dergs Sayı: 22, s.1-11 YATAY EKSENLĐ RÜZGÂR TÜRBÜN KANADININ BĐLGĐSAYAR DESTEKLĐ TASARIMI Murat ÖNDER 1 Hüseyn Güçlü YAVUZCAN 2 Bu makalede yatay eksenl rüzgâr türbnler çn stenlen koşullara bağlı olarak kanat tasarımı yapablecek br blgsayar programı gelştrlmes amaçlanmıştır. Bu amaçla, yatay eksenl rüzgâr türbnlernn aerodnamğ le lgl teork yaklaşımlar ve kanat elemanı momentum teorsne göre kanat tasarımı sstematk olarak ncelenmştr. Sonuç olarak, yatay eksenl rüzgâr türbn kanat tasarımı çn Mcrosoft Vsual C#. NET 2.0 tabanlı olarak KANAT SĐMÜLATÖRÜ adlı br program gelştrlmştr. Program, kullanıcı bölge ve kanat uzunluğunu grdğ zaman tasarım çn gerekl ölçüler (kanat krş ölçüler, tahmn güç, kanat açısı) verecek şeklde düzenlenmştr. Program belrl br bölgedek rüzgâr verlerne göre yatay eksenl rüzgâr türbn kanat tasarımı yapmak steyenlere fkr vereblr ve kolaylık sağlayablr düzeydedr. Anahtar Kelmeler: Rüzgâr Türbn, Rüzgâr Enerjs, Kanat Tasarımı ABSTRACT COMPUTER-AIDED DESIGN OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE BLADE Ths paper ams to develop software that wll be able to perform blade desgns dependng on the desred condtons for horzontal axs wnd turbnes. To serve ths purpose, theoretcal approaches pertanng to aerodynamcs of horzontal axs wnd turbnes and blade desgn n terms of blade element momentum theory were examned systematcally. As a result, software called a wng smulator based Mcrosoft Vsual C#. NET 2.0 was developed for the horzontal axs wnd turbnes. The software was desgned n a manner that wll enable to gve out requred measurements (blade chord measurements, estmated power, blade angle) for the tme desgn when the user nputs local features and blade length. The program s at a level that wll gve some nsght for those wllng to perform blade desgn horzontal axs wnd turbnes accordng to the wnd data of an area. Key Words: Wnd Turbne, Wnd Energy, Blade Desgn 1. GĐRĐŞ Kanat Elemanı Momentum Teorsn kullanarak kanat krş hesaplaması günümüzde en yaygın olarak kullanılan yöntemdr. Söz konusu yöntemde tahmn br kanat krş değer belrlenerek Reynolds sayısı hesaplanmakta ve Reynolds sayısına göre kanadın kaldırma ve sürükleme katsayısı belrlenerek maksmum güç bulunmaktadır (Meja, 2006: 384). Uç Kayıpları, kanat elemanı momentum teors, rotordak kanat sayısının performansa olan etksn tam olarak belrleyememektedr. Bu nedenle performans analznde kanatlardak uç kayıplarının da dkkate alınması daha uygun olmaktadır. Daha önce bulunan varsayımlarda rotor kanadının sonsuz sayıda olduğundan hareket edlmştr. Bu varsayım yardımıyla rotor düzlemnden ve z bölgesnden geçen akışın radyal hızı hmal edlerek eştlkler türetld. Ancak, akış hattının sınırında, kanat uçlarından dolaşan havanın hızı da önemldr. Çünkü kanadın emme yüzeyndek basıncı, basınç yüzeyndeknden düşüktür. Dolayısıyla kanat ucuna yaklaştıkça kaldırma kuvvet ve güç rüzgârın uç kısımlardan kaybolmasından dolayı azalmaktadır. Söz konusu radyal akışın ve uç kayıplarının etklern tahmn etmek çn Prandtl tarafından br model önerlmştr (Duran, 2005:26-66, Onat, 2001:61-98, Ççek, 2002:22-35). Prandtl, bu yöntemde türbn arkasında oluşan helsel grdap tabakalarının, dış akıma göre eksenel hıza eşt br hızda, katı düzlemler şeklnde hareket ettğn belrtmştr. Hesap kolaylığı açısından bu düzlemler, aralarında d kadar mesafe bulunan paralel nce levhalar olarak ncelemştr (Wlson, 2002: ). 1 Gaz Ünverstes Endüstryel Sanatlar Eğtm Fakültes Endüstryel Teknoloj Eğtm Bölümü, Gölbaşı/Ankara, 06830, muratonder@gaz.edu.tr 2 Gaz Ünverstes Endüstryel Sanatlar Eğtm Fakültes Endüstryel Teknoloj Eğtm Bölümü, Gölbaşı/Ankara, 06830, gyavuzcan@gaz.edu.tr

2 2 Levhaların ucuna doğru k levha arasındak potansyel farkın azalma mktarının, rotor palasının çevresndek srkülâsyonunun azalma mktarına eşt olduğu varsayılarak F uç düzeltme katsayısı, aşağıdak gb belrlenmştr (Manwell et al, 2002: ): B r R F cos = exp π r snθ R Đşlem kolaylığı açısından F aşağıda belrtlen koşullarda 0 veya 1 olarak alınır (Duran, 2005: 26-66, Walker et al, 1997: 17-74), 0<r<r e se F=1, r e r R se F=0, r e 0,97 R 2. KANAT SEÇĐMĐ Kanatlar, türbnlerde mekank gücün gelştrlmes amacıyla kullanılan elemanlardır. Kanadın krş ve uzunluğu aerodnamk performansını etkler. Dolayısıyla kanat profllernn özellkler yapılacak olan dzaynı etkler. Kanat seçmndek en öneml etken Reynolds sayısıdır. Çünkü en uygun hücum açısını (α) bulmak performans belrlemes çn gerekl br husustur. Kaldırma ve sürükleme katsayısı hem kanat kestne hem de Reynolds sayısına bağlıdır. Modern türbnlerde kullanılan kanatların krş ölçüler MegaWatt büyüklüğündek türbnlerde 2 m ye kadar ulaşmaktadır. Kanatların uç hız oranları (λ) se 0,5 den 10 a kadar değşmektedr. Dolayısıyla Reynolds sayısı da 0,3 mlyon le 10 mlyon arasında değşmektedr. Reynolds sayısını bulmak çn öncellkle görünür rüzgâr hızının bulunması gerekr. (1) V a r λu R = cosϕ (2) Uç hız oranı (λ) üç kanatlı rüzgâr türbnler çn yaklaşık 5 olarak alınablr. Rüzgârın rotor düzlemne çarptığı açı ϕ se, aşağıdak gb hesaplanır: ϕ 2 tan 3 R rλ 1 = olur. Reynolds sayısının hesaplanablmes çn tahmn br krş uzunluğunun blnmes gerekldr. Krş mesafes, c; R 16π R r c = 2 9λ B eştlğ le elde edlr. Bulunan bu değerler 5 nolu eştlkte yerne konulduğunda Reynolds sayısı elde edlmş olur, (3) (4) Re = c Va (5)

3 3 Yazılan programda se Reynolds sayısının hesabında kanadın orta noktası esas alınmıştır. Hesaplanan Reynolds sayısına bağlı olarak belrlenen kanat tplernn sürükleme-kaldırma katsayılarına bakılarak en uygun kanat seçm yapılır; C C D γ = (6) olur. L 3. KANADA ĐLĐŞKĐN HESAPLAMALAR Kanat şeklnn tasarımı, rotordan maksmum güç elde edlecek şeklde blnen parametrelerle yapılır. Kanat uzunluğu boyunca krş-uzunluk (c-r) ve kanat açısı (θ) hesaplanır. Bu nedenle hesaplamalara başlamadan önce uç hız oranına karar verlmeldr. Rüzgârın çnde barındırdığı gücün teork olarak 0,59 u rotor aracılığı le çevrleblr (Betz, 1926). Uygulamada se bu değer kanatlara göre değşmekte olup uç hız oranına bağlı olarak, maksmum güç katsayısı (c p ) se genel momentum teorsnde uç hız oranı λ=5 kabul edlerek 0,57 olarak belrlenr. Kanat profl seçlmeden önce kanadın vermne sürükleme/kaldırma oranına bağlı olarak kanat verm hakkında yaklaşımda bulunulması gerekr. Şekl 1 de se kanat düzlemnde oluşan açılar gösterlmştr. α θ Şekl 1. Kanat Açıları Rüzgâr açısı ve bölgesel uç hız oranı arasındak lşkden dolayı, ϕ opt ϕ 2 1 = tan 3 1 λr olur. Optmum rüzgâr açısı çn bölgesel uç-hız oranının bulunması gerekr. Kanat elemanı momentum teors le brlkte uç-kayıp katsayısı hesaba katılırsa seçlen kanat çn rotordan maksmum güç elde edecek şeklde boyutlandırma yapılır. Boyutlandırma şlem verlen kanat boyunun N parçaya bölünerek her br stasyon çn ayrı ayrı hesaplama yapılarak gerçekleştrlr. Kanat elemanı çn bölgesel uç kayıp katsayısı, r (7) λ r, = λ (8) R olur. 7 nolu eştlğe göre her br kanat elemanı çn optmum rüzgar açısı, ϕ opt, = tan (9) 3 λr, olarak hesaplanır. 10 nolu eştlkten her br kanat elemanı çn uç kayıp faktörü,

4 4 2 F = cos π 1 B r 1 2 R exp r snϕopt, R (10) bulunur. Kanat boyunca krş uzunluğunun dağılımı, her br eleman çn, L ( cosϕopt, λr, snϕopt, ) ( snϕ + λ cosϕ ) 8πr F snϕopt, c = (11) BC olur. Kanat açısı se, opt, r, opt, θ = ϕ opt, α (12) eştlğ le belrlenr. 13 nolu eştlk kullanılarak türbnn üreteceğ tahmn güç bulunablr: Ne 0,6 Cp N U 3 = (13) eştlkte jeneratör verm (N) 0,8 alınmıştır. 4. KANAT TASARIMI GELĐŞTĐRĐLEN BĐLGĐSAYAR PROGRAMI Bu çalışma kapsamında; öncek bölümlerde belrtlen kanat tasarım parametreler ve kanat elemanı momentum teors çerçevesnde yatay eksenl rüzgâr türbn kanat tasarımını blgsayar destekl olarak gerçekleştrecek br blgsayar programı gerçekleştrlmştr. Gelştrlen program sayesnde kanadın krş uzunluğu, kanat açısı ve elde edlecek tahmn güç hesaplanmış olacaktır. Kanat krş mesafes ve kanat açısı ne kadar küçük aralıklarla hesaplanırsa elde edlen sonuç o kadar gerçekç olacaktır. Mcrosoft Vsual C#.NET 2.0 tabanlı olarak Kanat Smülasyonu programı kodlanmıştır. Programın gelştrlmesnde söz konusu yazılımın kullanılmasının nedenler şunlardır; a) XML tabanlı br yapıya sahptr (metn tabanlı olduğu çn kullanımı kolaydır). b) Oluşturulan vertabanıyla kolay letşm sağlamaktadır. c) Program gelştrme sırasında kolaylık sağlamakta ve çerdğ nesneler yardımıyla fazla kod yazmaya gerek duyulmamaktadır. d) Programın derlenmes (çalıştırılması) oldukça hızlıdır. e) Vertabanı le bağlantı sırasında gerekl olan kütüphane dosyaları programın çersnde yer aldığından dolayı kullanım sırasında farklı br vertabanı bağlantı yazılımına gerek duyulmamaktadır. f) Grafk yazımı çn ek nesnelere gereksnm duyulmamaktadır. Yazılımın kend çndek nesneler bu husus çn yeterldr. Gelştrlen program le değşk kanat tplernn tasarım şekllernn karşılaştırılablmes mümkün olacaktır. Öncellkle program çn gelştrlen algortmadan bahsedlecek ve daha sonra programa lşkn yapılan örnek br hesaplama açıklanacaktır. Gerçekleştrlen blgsayar programının temel amacı Türkye nn herhang br bölgesnde veya rüzgâr hızı blnen br yerde kurulması stenlen rüzgâr türbnn kanat uzunluğuna bağlı olarak gerekl boyutlandırmasının yapılmasıdır. Yapılan boyutlandırmanın programın önereceğ kanat tpleryle karşılaştırılması da mümkün olablecektr. Programın akış dyagramı Şekl 2.1 de verlmştr.

5 5 Başla Rüzgar Hız, V Bölgeler Görünür Rüzgâr hızı, Va Kanat Uzunluğu R 1<=R<=55 H C E Re ϕ, C, P Re Değerne En Yakın 3 Kanada At C L, C D Değerler Kanat Alternatfler ϕ, C, P Şekl 2.1 Kanat Smülatörü Programın Akış Şeması Programın ara yüzü Şekl 2.2 de gösterlmştr.

6 6 Şekl 2.2. Programın Ara Yüzü Program hakkındak genel blgler aşağıda özetlenmştr: a) Program Mcrosoft Vsual C#.NET 2.0 da kodlanmıştır. b) Programın k grds, dört çıktısı bulunmaktadır. c) Programın grds olarak bölge veya rüzgâr hızı ve stenen kanat boyu, çıktı olarak kanat krş uzunluğu, kanat açısı, üretlmes planlanan güç le Reynolds sayısıdır. d) Ayrıca programda hesaplatılan kanat krş değerlern grafk olarak elde etmek de mümkün olacaktır. e) Kanadın krş mesafes ve oturma açısı 0,01 m aralıklarla hesaplanacaktır. f) Program stedğmz grş değerlerne göre hesaplama yaparak bulduğu Reynolds sayısına yakın olan üç kanat tpnn üçünü, ksn veya brn seçme mkânı vermektedr. g) Eğer stenrse seçlen kanat tplernn veya tpnn grafğn vereblr. Şekl 2.3 de görüldüğü üzere; programa grş verler olarak rüzgâr hızı ve stenen kanat uzunluğu değerler grlr. Rüzgâr hızı çn stenrse programın blg bankasında kayıtlı olan bölgelerden br seçleblr veya doğrudan sayısal değer yazılablr. Programın blg bankasında bulunan bölgeler Çzelge 1 de verlmştr.

7 7 Çzelge 1. Türkye Rüzgâr Atlasında Öneml Görülen Bazı Bölgelere Đlşkn Bazı Coğraf Verler No Đstasyon adı Enlem Boylam Yükseklk Ölçüm zaman Ortalama (m) Aralığı Rüzgâr hızı (m/s) 1 Amasra N E ,2 2 Bandırma N E ,0 3 Bergama N E ,0 4 Bozcada N E ,8 5 Chanbeyl N E ,9 6 Çanakkale N E ,7 7 Dyarbakır N E ,8 8 Erzurum N E ,8 9 Güney N E ,3 10 Đpsala N E ,9 11 Karataş N E ,1 12 Mardn N E ,9 13 Pınarbaşı N E ,9 14 Snop N E ,9 15 Sverek N E ,9 16 Suşehr N E ,2 17 Şle N E ,4 Programda grleblecek kanat uzunluğu se 1 le 55 metre arasında sınırlandırılmıştır. Bunun neden tcar olarak yapılan rotorların çaplarının yaklaşık 40 la 65 metre olmasıdır. Ufak çapta yapılanlar se 2 la 9 metre arasında değşmektedr. Şekl 2.3. Programın Grdler

8 8 Şekl 2.3 de örnek grş verler yazılmıştır. Şeklde rüzgar türbn planlaması yapılan yer olarak Bandırma seçlmştr. Kanat boyunun se 23 metre olması stenmştr. Program yaygın olarak kullanımından dolayı verlen grd koşullarında 3 kanatlı türbn tasarımı çn smülasyon yapılacaktır. Üç kanatlı türbnler çn deal olan uç hız oranında kanadın boyutlandırılması yapılır. Sonuç olarak rotorun çapı hesaba katılarak güç hesabı yapılır. Programdak hesapla butonuna basıldığında program akış dyagramında gösterldğ gb hesaplanan Reynolds sayısına göre 3 adet kanat tp önermektedr (Şekl 2.4). Programın ver tabanına grlen ve pyasada yaygın kullanım alanı bulan kanat modeller le söz konusu modellere lşkn hesaplanan Reynolds sayısı değerler Çzelge 2 de verlmştr. Şekl 2.4. Önerlen Kanat Tpler Programın önerdğ 3 kanat tpnden stenlenler seçlerek (Şekl 2.5) ve Tamam butonuna basılarak kanat boyunca krş 0,01m aralıklarla krş genşlğ ve kanat açısı değerler hesaplanmaktadır (Şekl 2.6). Şekl 2.5. Seçlen Kanat Tpler Çzelge 2. Programın Ver Tabanında Kullanılmak Üzere Seçlen Kanat Modeller ve Bu Modele Đlşkn Hesaplanan Reynolds Sayısı Değerler Kanatlar Reynolds sayıları A18 SM , , AQUILA SM , GOE 417 A , ESA , , , DAVIS SM , J , CLARK Y , FALCON 56 MK , , K 3311 SM , R 140 SM , , PT , , SPICA SM , USNPS , ,

9 9 Çzelge 2 nn Devamı TRANIER , , WASP SM , WB , WB SM , CLARK YSM , , NACA , NACA , NACA , NACA NACA NACA NACA NACA Programda kayıtlı olan bölge ve kanat tpler dışında ver eklenmes stenrse programın yardım menüsünde söz konusu verlern nasıl ekleneceğne lşkn açıklamalar yapılmıştır. Şekl 2.6. Programın Çıktı Görüntüsü Program, kanat krş mesafesn ve kanat açısını kanat elemanının başlangıcındak %2 lk kısmında ve kanat sonundak %2 lk kısımda hesaplamamaktadır. Bunun neden, kanadın rotora oturması çn gerekl şlem kolaylığının sağlanması ve kanat uç kısmının yuvarlatılmasıdır. Üç ya da k kanat tp seçlerek aralarındak karşılaştırma yapılması mümkündür. Ayrıca görüntü olarak karşılaştırma yapılmak stenrse grafk oluştur butonuna basılarak kanat grafklernn elde edlmes de mümkündür (Şekl 2.7).

10 10 Şekl 2.7 Kanat Uzunluğu Boyunca Krş Genşlğnn Değşmn Gösteren Grafk Çıktısı Ekran çıktısında seçlen her br kanadın kendne at ayrı br reng bulunmakta ve renklern hang modellere at olduğu ekranın sağ üst köşesnde gösterlmektedr. Böylece kanatları brbrnden ayırt etmek mümkün olmaktadır. Ekran çıktısı sayesnde seçlen kanadın nasıl br şekle sahp olduğu kolaylıkla görüleblmektedr. 5. SONUÇ VE ÖNERĐLER Bu çalışmada, yatay eksenl rüzgâr türbnlernn kanat tasarımındak aerodnamk esaslar tanıtılmış ve kanat smülatörü sml paket br program hazırlanarak 3 kanatlı yatay eksenl rüzgâr türbnlernn tasarım parametrelernn belrlenmes amaçlanmıştır. Rüzgâr türbnlerndek kanatlar elektrk üretm çn önemldr. Kanatlar rüzgârdak enerjy alan parçalardır. Dolayısıyla rüzgâr la kanat arasındak aerodnamk kuvvetler tasarım çn oldukça önemldr. Rüzgâr türbnnden üretlecek enerj aerodnamk koşullar le sınırlıdır. Kanat tasarımı le lgl bugüne kadar pek çok teor gelştrlmştr. Öncelkle deal dsk teorsnden bahsedlmştr. Burada türbn vermnn deal koşullarda ancak % 59 olableceğ dolayısıyla da deal dsk teorsnn temel br model olmasına rağmen rüzgâr türbnlernn deal tasarımında gerçekç sonuçlar vermedğ belrtlmştr. Daha sonra, genel momentum teorsnde rotordak ve rotor gersndek hızların kanat tasarımına olan etkler analz edlmştr. Ancak, genel momentum teorsnn kanat geometrs açısından uygun sonuçlar vermedğ belrtlmştr.

11 11 Kanat elemanı teorsnde se kanat geometrsndek katsayılar kullanılarak rotorun dönme moment ve tme kuvvet analz edlmştr. Söz konusu teor le rotorun performansı ve rotor geometrs arasındak lşknn desteklendğ analz edlmştr. Sonuç olarak yatay eksenl rüzgâr türbnnn kanat tasarımı çn genel momentum teorsnn ve kanat elemanı teorsnn brleştrlmes gerektğ; bu teorye se kanat elemanı momentum teors adı verldğ belrtlmştr. Sonuçları doğrusal hale dönüştürmek çn uç düzeltme metodu (Prandtl ın uç kayıp faktörü) da hesaba katılmıştır. Böylece rotordak kanat sayısının etks hesaba dâhl edlmştr. Ayrıca değşk rüzgâr hızları çn çeştl kanat tpler verlerek bölgeye uygun kanat tpnn belrlenmes sağlanmıştır. Kanat tpnn kolay seçleblmes çn kanat smülatörü programı kodlanmıştır. Programda rüzgâr hızı ve kanat uzunluğunun grlmes yeterldr. Daha sonra program, en uygun 3 kanat tpnden brsn kullanıcıya seçtrme mkânı sağlamakta ve seçlen kanat tpne göre gerekl boyutlandırmayı yapmaktadır. Đstenldğnde sonuçları da grafksel olarak da elde edeblmektedr. Eğer kullanıcılar bu programdan daha fazla oranda yararlanmak sterlerse ver tabanındak kanat profl tplern artırablmektedrler, Bunun çn gerekl açıklamalar yardım bölümü altında belrtlmştr. Böylelkle stenlen kanat tplernn karşılaştırmasını yapablmek mümkün olmaktadır. Blndğ üzere, kanat profllernn kaldırma ve sürükleme davranışları rüzgâr tünellernde kanat hareketsz haldeyken ölçülmektedr. Ancak gerçek koşullarda, rüzgâr türbnlerndek kanatlar hareket halndeyken eğlme meydana gelmektedr. Đlerde yapılacak çalışmalarda söz konusu eğlmeler de dkkate alınarak programın gelştrlmes ve uygulamaya daha yakın sonuçlar vermes sağlanablr. Kanat elemanı momentum teors br yaklaşımı yansıtmaktadır. Değşk şartlar altında kanat tasarımı yapmak çn yen yaklaşımlar gelştrleblr ve söz konusu yen yaklaşımlar ışığında benzer paket programlar hazırlanarak karşılaştırma yapılablr. Bu çalışmada, rüzgâr hızının değşmedğ kabul edlmştr. Ancak normal şartlarda rüzgâr hızı değşkendr. An rüzgâr hızı değşmler kanatlarda zorlamalara dolayısıyla hesaplanan kanat boyutlarının lgl bölge çn geçerl olablecek maksmum rüzgâr hızları da kontrol edlmes faydalı olacaktır. 6. KAYNAKLAR Meja, J., M., Chejne, F., Smth, R., Rodrguez, L., F., Fernandez, O., Dyner, I., (2006). Smulaton of wnd energy output at Guajra, Colomba, Renewable Energy, 31, Duran, S. (2005). Computer-Aded Desgn of Horzontal-Axs Wnd Turbne Blades, (Yayınlanmış Yüksek Lsans Tez), Orta Doğu Teknk Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü. Onat, C. (2001). Rüzgâr Türbn Pervanes Dzaynı, (Yayınlanmış Yüksek Lsans Tez), Đnönü Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü. Ççek, A. (2002). Yatay Eksenl Rüzgâr Türbn Dzayn ve Đmalatı, (Yayınlanmış Yüksek Lsans Tez), Nğde Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü. Wlson, R., E., (1998). Wnd turbne Technology Fundamental Concepts of Wnd Turbne Engneerng, Asme Pres, New York. Manwell, J., F., McGowan, J., G., Rogers., A., L. (2002). Wnd Energy Explaned: Theory, Desgn and Applcaton, John Wley&Sons Ltd., London. Walker, J., F., Jenkns, N. (1997). Wnd Energy Technology, John Wley & Sons, New York.