Helezonik Savonius Türbini Đmalatı ve Deneysel Olarak Đncelenmesi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 8, No: 1, 2011 (79-85) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 8, No: 1, 2011 (79-85) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR e-issn: Teknik Not Helezonik Savonius Türbini Đmalatı ve Deneysel Olarak Đncelenmesi Faruk KILIÇ*, Yusuf ÇAY** *Gazi Üniversitesi, Çubuk MYO Makine Böl. Ankara ** Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fak. Makine Müh. Böl. Karabük Geliş Tarihi: Kabul Tarihi: Özet Bu çalışmada, rüzgâr enerjisinden faydalanılarak helezonik Savonius türbini imal edilerek performans deneyleri ve elektrik enerjisi üretimi yapılmıştır. 0,8 m x 0,80 m x 1,5m ebatlarındaki tek kanatlı Savonius türbini ile Karabük ilinde yüksek bir tepede (Öğlebeli) deneyler yapılmıştır. Rüzgâr hızları 2,5 m/s ile 4,5 m/s arasında iken türbinden 25 w ile 102 w arasında güç elde edilmektedir. Anahtar Kelimeler: Rüzgâr enerjisi, Savonius rüzgâr türbini, helezonik Savonius rüzgâr türbini 1. GĐRĐŞ Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisi son yıllarda giderek daha bir önem kazanmaya başlamıştır. Söz konusu olan bu artış giderek artan çevre kirliliği, küresel ısınma ve petrol temelli enerji kaynaklarının dünyada tükenmeye yüz tutmasından kaynaklanmaktadır [1]. Türkiye de son yıllarda gittikçe artan enerji darboğazı, üretimin sabit kalması ya da çok az artması, tüketimin ise çok büyük bir hızla artması karşısında, gelecekte de büyüyecek bir sorun olarak karşımızda duruyor. Bu durum karşısında ülkemizin doğal kaynaklarından yararlanarak alternatif enerji sistemlerinin uygulanması, soruna genel ve kesin olmayan, ancak gelecek için umut verici bir çözüm olması nedeniyle gün geçtikçe artan bir önem kazanıyor. Bu enerji kaynaklarından rüzgâr, ülkemizde de çok iyi değerlere sahip olması, sınırsız, temiz, çevreyi kirletmeyen bir enerji kaynağı olması dolayısıyla öne çıkıyor. Rüzgâr enerjisi kullanımının dünyadaki örneklerine baktığımızda iki kısımda incelenmesi gerektiğini görüyoruz. Küçük türbinler olarak adlandırabileceğimiz, kişisel kullanıma yönelik sistemler ve büyük türbinler adını alan endüstriyel kullanıma yönelik sistemler. Türkiye nin toplam karasal alandaki yıllık rüzgar enerjisi doğal potansiyeli 400 milyar kwh ve teknik potansiyeli de 110milyar kwh olarak hesaplanmıştır. Bunun yanında, Türkiye toplam yıllık deniz üstü rüzgar enerjisi teknik potansiyeli de, 180 milyar kwh olarak tahmin edilmektedir. Buradan hareketle Türkiye nin dalga enerjisini de içeren toplam yıllık teknik rüzgar enerjisi potansiyeli yaklaşık olarak 308 milyar kwh olmaktadır. Türkiye nin gerek duyduğu enerjinin tümü güneşten elde edilebilir. Güneş yeryüzüne her saat kwh lık enerji yayar. Diğer bir deyişle, yeryüzü güneşten Wh gücünde enerji alır. Yurdumuzda ise yıllık güneş enerjisi yoğunluğu, bir saat için 0,149 kwh/m 2 olarak verilmektedir. Güneş enerjisinin yaklaşık %2 lik kısmının rüzgar enerjisine dönüştüğü bilinmektedir[4]. Bazı literatürde bu değer %1 dir. Bu enerjinin de Betz Kriteri uyarınca teorik olarak en çok %59 luk, kanatlarda, jeneratörde ve dişli kutusundaki gibi kayıplar dikkate alındığında ise uygulama da ancak %40 lık kısmı Bu makaleye atıf yapmak için Kılıç F.,, Çay, Y. Helezonik Savonius Türbini Đmalatı ve Deneysel Olarak Đncelenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, (8) 79-85

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) Helezonik Savonius Türbini Đmalatı ve Deneysel Olarak Đncelenmesi elektrik enerjisine çevrilmektedir. Diğer yandan ülkemizin ancak %2 lik bölümünde genel anlamda rüzgar enerjisinden elektrik üretmek mümkündür [2]. Dikey eksenli Savonius rüzgar türbini ilk olarak 1924 yılında Finli mühendis Sigurd Savonius tarafından icat edilmiş olup 1929 yılında patenti alınmıştır. Yapısının basit olması ve kolay inşa edilmesi tüm ilgileri üzerine çekmesini sağlamıştır. Savonius türbinlerinin başlangıç torkları yüksektir. Bunun sebebi aerodinamik yapıları gereği herhangi bir yönde esen rüzgarı alabilme özelliğinden kaynaklanmaktadır. Verimleri yatay eksenli rüzgar türbinlerine göre oldukça düşüktür. Savonius rüzgar türbinlerinin bakımı ve işletmesi oldukça basittir.[1-3]. Savonius rüzgar türbinlerinin tasarımı, imalatı ve performans analizlerine ilişkin geçmişten günümüze çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Altan vd. tasarladıkları Savonius rüzgar türbininde performansı arttırma amacıyla bu türbine perdeleme sistemi ilave etmişlerdir. Çalışmanın sonucunda savonius rüzgar rotorunun maksimum güç katsayısını %38.5 olarak belirlemişlerdir [4]. Kamoji vd. çeşitli kanat açılarına sahip savonius türbinlerde maksimum güç katsayısını elde etmek için optimum kanat açısının tespitini değerlendirmişlerdir. Kamoji vd. bir başka çalışmalarında farklı şaft yapılarına sahip helezonik Savonius türbinlerin performanslarını karşılaştırmışlardır [5]. Mohamed vd. Savonius türbinlerinin kullanımında optimizasyon koşullarını belirlemişlerdir [6]. Irabu vd. çalışmalarında hava akımının yapay bir tünel vasıtasıyla kanatlar üzerine yönlendirildiği savonius türbinlerinin performanslarını değerlendirmişlerdir [7]. Sargolzaei ve Kianifar çalışmalarında bir Savonius rüzgar türbinine ait matematik model ve simülasyon oluşturmuşlardır. Bu model ve simülasyonu yapay sinir ağları kullanarak desteklemişlerdir [8]. 2. ÇALIŞMANIN ÖNEMĐ Klasik Savonius rüzgâr türbinlerinden farklı olarak farklı kanatlar yerine tek bir kanat helezonik olacak şekilde tasarlanmış. Çok katlı Savonius türbinlerinden de üstün bir tasarım yapılmıştır. Helezonik tasarım kanatçıklar içindeki hava türbülanslarını ve elektrik üretimindeki ivmelenme en aza indirilmiştir. Yatay ve düşey eksenli olarak çalışabilen helezonik Savonius rüzgâr türbini fiber-bakalit malzemeleri sayesinde en hafif kanat tasarımıyla maliyet açısından da üstünlük sağlamıştır. 3. DENEYSEL YÖNTEM Şekil 1 de görüldüğü gibi bu uygulamada fiber-bakalit malzemesinden yapılan helezonik geometrili yeni bir tasarım yapılmıştır. Tasarım yapılırken uygulamada sorun çıkmaması için tam simetrik bir kanat imalatı yapılmıştır. 80

3 Kılıç F.,, Çay, Y. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) Şekil 1. Dikey eksenli Savonius türbini kanat tasarımı. Alcı yoğun bir kıvamda bu kumaşa yedirilip bir gün süre ile donması beklenildi. Şekil 2 de çubuklar arasındaki kumaşın salınım yaptığı görüldü. Bu sorun Şekil 3 de yüzey istenilen hale gelinceye kadar alçı dolgu yapılarak aşılmıştır. Şekil 2. Yatay eksenli Savonius türbini kanat imalat aşamasından bir görüntü. 81

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) Helezonik Savonius Türbini Đmalatı ve Deneysel Olarak Đncelenmesi Şekil 3. Yatay eksenli Savonius türbini kanat imalat aşamasından bir görüntü. Daha sonra fiber alçı kalıp yüzeye bakalit ile birlikte giydirilip kuruyuncaya dek bekletildi. Kuruyan fiber ve bakalit artık istenilen şekli ile kanat oluşturuldu. Helezonik şeklindeki demir kalıp jet taşı ile kesilerek kanat zedelenmeden birbirinden ayrıldı. Kanat üzerindeki kumaşta fiberden uygun bir şekilde birbirinden ayrıldı. Kanatın ortasına istenilen boya uygun içi boş boru, vida ile monte edildi. Şekil 4. Dikey eksenli Savonius türbini kanat imalat aşamasından bir görüntü. Şekil 4 de görüldüğü üzere yatay eksenli Rüzgar türbin kanadının esnek olduğu anlaşılmaktadır. Bu eksiklik kanatta uzun vadede değil kısa vadede bile kırılmaya ve düzensiz dönüşe sebebiyet vereceğinden bu konuda düzenlemeler düşünülüp imalat sürecinde giderildi. En çok çarpma ihtimalinin olduğu kanat ucu fiber kalınlığı daha fazla imal edildi. Daha önemlisi kanadın alt ve üst bölgelerine içi boş bakır boru takviyesi yapıldı Şekil 5. Böylelikle tüm yatırımların kar zarar ve amortisman değerlendirmesi yapılırken on yıl kullanılabilirlik göz ardı edilmemiş kullanım ömrü arttırıldı. 82

5 Kılıç F.,, Çay, Y. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) Şekil 5. Dikey eksenli Savonius türbini kanat imalat aşamasında. Kanattaki dönme momenti (tork) elektrik enerjisine dönüştürülmüştür. Şekil 6 da görüldüğü gibi kayışkasnak mekanizması kullanılmıştır. Şekil 6. Düşey eksenli Savonius türbini deney aşamasından bir görüntü. Đnvertör Konvertör ve akü sistemi kullanılmadığı için anlık elektrik ölçümleri voltmetre yardımı ile yapıldı. 4. UYGULAMA Deney düzeneği yapıldıktan sonra Karabük ilinin yüksek bir tepesine (Öğlebeli tepesi) çıkılarak deneyler yapılmıştır. Rüzgâr hızı değişken olduğundan, rüzgâr hızının en fazla olduğu anlarda sonuçlar kaydedilmiştir. Dolayısı ile tablolardaki sonuçların tamamı anlık değerlerdir. Yapılan deney sonuçları değerlendirildiğinde daha önce yapılmış sac kanatlı savonius türbinlerine göre daha iyi sonuç alınmıştır. 83

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) Helezonik Savonius Türbini Đmalatı ve Deneysel Olarak Đncelenmesi Şekil 7 de yüklü ve yüksüz haldeki kanat devir sayısının rüzgâr hızına göre değişimi karşılaştırmalı olarak görülmüştür. Yüksüz halde 1,2 m/s rüzgâr hızında 8 d/d dönüş yapan türbin, yüklü halde iken 2,3 m/s ye kadar dönüş hareketi yapamamıştır. Bunun sebeplerinden biri kanat ağırlığı ve kayış - kasnak arasındaki sürtünmelerdir. Burada yüklü durumunda rüzgâr hızı 2,5 m/s ye kadar ulaştığında kanat dönüşünün yavaş yavaş gerçekleştiği görülmektedir. Bu gecikmeli dönüş, kayış-kasnak arasındaki sürtünme ve alternatördeki kutuplar ile gövde sargıları arasındaki çekim kuvveti yüzünden olmuştur. Şekil 7. Yüklü ve yüksüz haldeki kanat devir sayısının rüzgâr hızına göre değişimi. Şekil 8. Yüklü kanat devrinden elde edilen güç. 84

7 Kılıç F.,, Çay, Y. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) Şekil 8 de çeşitli rüzgâr hızlarına göre yüklü durumdaki türbinden elde edilen güç üretimleri görülmektedir. Rüzgâr hızı 2,5 m/s iken maksimum güç 25 W elde edilirken, 4,5 m/s için 102 W olmuştur. 5. SONUÇLAR Bu çalışmada, klasik Savonius rüzgâr türbinlerinden farklı olarak farklı kanatlar yerine tek bir kanat helezonik olacak şekilde tasarlanmış ve bu helezonik tasarım sayesinde kanatçıklar içindeki hava türbülanslarından oluşacak dirençler en aza indirgenerek elektrik üretimindeki ivmelenme kolaylaştırılmıştır. Burada rüzgâr hızları 2,5 m/s ile 4,5 m/s arasında iken türbinden 25 w ile 102 w arasında güç elde edilmiştir. Bu sonuçlar ile farklı geometride (heliksoydal) imal edilen helezonik Savonius türbini ile elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilirliği ispatlanmıştır. 6. KAYNAKLAR 1. Dursun, B., Gökçöl, B., Ertürk, E., 2005, Gyte üç katlı Savonius rüzgar türbini mekanik tasarımı, Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Fıçıcı, F., Dursun, B., Gökçöl, C., 2007, Rüzgâr enerji sistemlerinden kaynaklanan gürültünün incelenmesi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi; 11(1), Gipe P., 2004 Wind Power-Renewable Energy for Home,Farm and Business, Chelsea Green Publishing Company. 4. Altan, B.D., Atılgan, M., Özdamar, A., 2008, An experimental study on improvement of a Savonius rotor performance with curtaining, Experimental thermal and fluid science; 32, Kamoji, M. A., Kedare, S. B., Prabhu, S.V., 2009, Experimental investigations on single stage modified Savonius rotor, Applied Energy; 86, Mohamed, M.H., Janiga, G., Pap, E., Thevenin, D., 2010, Optimization of Savonius turbines using an obstacle shielding the returning blade, Renewable Energy; 35, Irabu, K., Roy, J.N., 2007, Characteristics of wind power on Savonius rotor using a guide-box tunnel, Experimental thermal and fluid science; 32, Sargolzai, J., Kianifar, A., 2009, Modeling and simulation of wind turbine Savonius rotors using artificial neural networks for estimation of the power ratio and torque,simulation modelling practice and theory; 17,