SAVONIUS RÜZGAR ÇARKLARININ ERFORMANSININ GELİŞTİRİLMESİ VE KARŞILAŞTIRILMASI Mhmt ATILGAN, Burçin DEDA ALTAN * Hızla artan dünya nüfusunun sonucunda, tknolojidki v sanayidki glişmlrl orantılı olarak nrji tüktimi sürkli olarak artmaktadır. Yıllardan bri kullanılan fosil nrji kaynaklarının rzrvlri sınırlı olup, hr gçn gün artan nrji talbinin karşısında gidrk azalmaktadır. Bunun yanı sıra fosil nrji kaynaklarının rzrv sıkıntılarının yanında çvry olan olumsuz tkilri, tmiz v ynilnbilir nrji kaynaklarını gündm gtirmiştir. Bu tmiz nrji kaynaklarından birisi d rüzgar nrjisidir. Bu çalışmada da rüzgar nrjisindn daha iyi yararlanabilmk için düşy ksnli bir rüzgar çarkı olan Savonius rüzgar çarkının prformansını arttırıcı düznlmlr inclnmiş v bu konuda yapılan diğr çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Anahtar sözcüklr : Rüzgar nrjisi, savonius rüzgar çarkı, çark prformansı, prdlm tkisi. Du to population growth in th world; nrgy consumption is growing continuously with th tchnological and industrial dvlopmnt. Sinc rsrvs of fossil fuls sourcs which hav bn us for ags ar limitd, growing nrgy dmands and thir rsrvs ar xhaustd day aftr day. Bsids that th difficultis of th rsrvs of th nrgy rsourcs and thir nvironmntal impact, clan and rnwabl nrgy sourcs bcam currntly actuality. On of ths nrgy rsourcs is ths also wind nrgy. In this study to gt mor bnfit from wind nrgy it is invstigatd prformanc improving arrangmnt of Savonius wind rotors which is vrtical axis and it is also compard with th othr studis in th subjct. Kywords : Wind nrgy, savonius wind rotors, rotor prformanc, scrn ffct. GİRİŞ Enrji bir maddnin vya maddlr sistminin iş yapabilm ytnği olarak tanımlanır. İnsanlar önc ısınmak için nrjiy ihtiyaç duymuşlar, sonra da artan nüfus v tknolojinin glişmsi il nrjiy olan ihtiyaçları artmış v hızla artmaya dvam tmiştir. Dünyada nrji ihtiyacı uzun yıllar fosil yakıtlardan karşılanmıştır. Hr gçn gün rzrvlri azalan fosil yakıtların gidrk pahalılaşması, doğal bitki örtüsünün yanı sıra insan sağlığı üzrindki olumsuz tkilri gibi önmli ndnlr; tmiz v aynı zamanda ynilnbilir olan yni nrji kaynaklarına ilgiyi attırmıştır. Ynilnbilir nrji kaynakları; çvr dostu olması, dünyanın hr ülksind var olabilm özlliği v sürdürülbilir olması ndni il son yıllarda ülklrin nrji ihtiyacının karşılanmasında ön plana çıkmasında tkn olmuştur. Ynilnbilir nrji kaynakları arasında rüzgar nrjisinin blirgin v önmli bir yri vardır. Rüzgar nrjisi; fosil yakıtların oluşturduğu asit yağmurlarına v atmosfrik kirlnmy ndn olmayan tmiz, bdava v tüknmyn bir nrji kaynağıdır. 980'li yıllarda yni tknoloji v malzmlrl ynidn gliştirilrk tasarlanan v maliytlri gün gçtikc düşn rüzgar türbinlri; artan güçlri, iş potansiyllri v düşük çvrsl tkilri ndniyl dünyanın nrji glcğind d önmli bir sırada yr almıştır. Rüzgar nrjisindki hızlı glişimin önmli ndni; bu kaynağın çvr dostu tmiz kaynak oluşudur. Rüzgar nrjisi sistmlrinin gliştirilmsi v rüzgar çarklarından daha yüksk vrim ld tmk için çalışmalar sürdürülmktdir. Bu ndnl d, çok dğişik rüzgar çarkı tasarımları gliştirilrk ürtilmkt v kullanılmaktadır. Bu çalışmada da, birçok üstünlüğü bulunmasına rağmn düşük olan arodinamik prformanslarından dolayı çark hızı yüksk türbinlr il Darrius tipi rüzgar türbinlrin gör daha az kullanılan, Savonius tipi rüzgar çarkı inclnmiş v çark prformansını arttırmak için yapılan çalışma tanıtılmıştır. SAVONİUS RÜZGAR ÇARKI VE ÇALIŞMA RENSİBİ * amukkal Ünivrsitsi Mühndislik Fakültsi Düşy ksnli bir rüzgar çarkı olan, Savonius rüzgar çarkı 95 yılında Finlandiya'lı bir mühndis olan Sigurd Savonius tarafından kşfdilmiştir []. İki yatay disk arasına yrlştirilmiş v mrkzlri 0 DF cratd with pdffactory trial vrsion www.pdffactory.com
birbirin gör simtrik olarak kaydırılmış kanat adı vriln iki yarım silindirdn oluşur. Savonius rüzgar çarkının çalışma prnsibin gör; blirli bir hızla gln rüzgarın tkisiyl, çarkı oluşturan silindirin iç kısmında pozitif v dış kısmında ngatif bir momnt oluşmaktadır. İç kısımda oluşan pozitif momnt, dış kısımda oluşan ngatif momnttn daha büyük olduğundan, dönm harkti pozitif momnt yönünd sağlanır. Şkil 'd Savonius rüzgar çarkının basit bir şkli göstrilmiştir. Şkil. Savonius Rüzgar Çarkı Modli []. Diğr düşy ksnli rüzgar çarklarına gör; düşük rüzgar hızlarında iyi başlangıç karaktristiklrin sahip olması, yapımının kolay v ucuz olması, rüzgarın yönündn bağımsız olması v kndi kndin ilk harkt başlaması gibi birçok üstünlüklr sahip olan Savonius rüzgar çarklarının, arodinamik prformansı düşük olduğu için ilk uygulamaları; havalandırma, su pompalama gibi çok kısıtlı alanlarda olmuştur. Son yıllardaki glişmlr bağlı olarak, Savonius rüzgar çarklarının kullanım alanları artmış, Darrius rüzgar çarkı gibi diğr düşy ksnli rüzgar çarklarının ilk harkt gçirilmsind yardımcı düznk olarak kullanılmaya başlanmasının yanında glişmkt olan ülklrin kırsal ksimlrindki küçük güç ihtiyaçlarının karşılanmasında, küçük çiftlik v bahçlrd sulama v lktrik ihtiyacının karşılanmasında da kullanılmaya başlanmıştır. ERDELİ VE ERDESİZ SAVONİUS RÜZGAR ÇARKLARININ GÜÇ ERFORMANSLARININ İNCELENMESİ Savonius rüzgar çarklarının vrimlrini yüksltmk için n önmli paramtr; çarkın çalışma prnsibind d blirtildiği gibi, çalışma snasında, rüzgar yönün trs yönd harkt dn dış büky kanat üzrind dönm harktin trs yönd oluşan momntin dğrini, azaltmak ya da mümküns ortadan kaldırmaktır. Savonius rüzgar çarkının prformansını gliştirmk için sürdürdüğümüz çalışma il; çarkın çvrsin, rüzgar yönün bağlı olarak yön dğiştirn v ngatif yöndki momnti ngllybilck bir rüzgar prdsi oluşturarak v ayrıca rüzgar hızını arttırmak için daralan bir giriş ksiti il rüzgar çark vrimini v gücünü arttırmak amaçlanmıştır []. Tasarlanan prd saysind, prdy ilk giriştki süpürm alanına gör çarka hmn giriştki süpürm alanı çok daha küçük olacaktır. Buna bağlı olarak çarkın önündki hız artacak v dolayısıyla çarkın gücü d hızın küpü il orantılı olduğundan güçt d önmli bir artış olacaktır. Bu konuyla ilgili yapılan çalışmada dış büky yüzy gln momnti azaltmak amacıyla Şkil a' da görüldüğü gibi rüzgar yönün gör Rüzgar yönü (a) rdlm paramtrlri b) 90 0 açıda ikn akış görünümü Şkil. Savonius Rüzgar Çarkında Ngatif Momnti Engllyici rd Tasarımı []. DF cratd with pdffactory trial vrsion www.pdffactory.com
yön dğiştirbiln prd tasarlanmıştır []. Böyllikl arodinamik açıdan düşük olan çark vrimi arttırılarak, diğr düşy ksnli rüzgar çarklarına gör önmli birçok üstünlüğü bulunan Savonius rüzgar çarklarının kullanım alanlarının arttırılması sağlanacaktır. Şkil b'd trafına prd tasarlanmış Savonius rüzgar çarkının 900 açıyla durması halind, akışın alacağı durum göstrilmiştir. rd uygulanmış Savonius rüzgar çarklarında mydana gln güç artışını blirlmk için prdli v prdsiz çarklarda oluşan güç ifadlri inclnmiştir. Bunun için Savonius rüzgar çarklarında güç v prformans ifadlrinin hsaplanmasında, kpç üzrin gln kuvvtlrin hsaplanması kabul görmüş bir yaklaşımdır []. Buna gör güç ifadsi; = şklind vrilir..c. ρ.s.v. v () h yükskliğindki bir Savonius rüzgar çarkının S süpürm alanının dğri (.d-).h şklind yazılabilir. İç büky v dış büky yüzy için dirnç katsayıları sırası il c:, v c:, şklinddir. Burada kürsl kpçli rüzgar çarkının iç büky yüzyi üzrind v dış büky yüzyi üzrind - güç ifadlri kullanılabilir. İç büky yüzy için ; =. ρ.s. [ c. ( V v) ]v. Dış büky yüzy için; =. ρ.s. [ c.( V v) ]v. şklind ifad dilir. Buradan yapılarak; nt =. ρ.s.v. v.( c c ) nt = [ V.( c c ).V.v. ( c c ) ] () () işlmi (4) olarak bulunur. Bu ifady gör optimum güç ld tmk için optimum çark hızı v opt = V olarak blirlnrk, optimum nt güç ifadsi yazılacak olursa, prd uygulanmamış klasik Savonius rüzgar çarklarında optimum güç ; (5) opt = 7 şklind ld dilir.. ρ.c.h.(.d ). V Şkil a'da göstriln prdlmnin tkisi il dış büky yüzy üzrind hrhangi bir kuvvt oluşmayacağından (6) = =. ρ.s.c = nt olacaktır []. Dolayısı il, nt.(v.v.v.v ifadsi ld dilir. Etrafına prd tasarlanmış Savonius rüzgar çarkının prd giriş süpürm alanı / S ; / S = (L L (7) L).h şklinddir []. Burada prd giriş uzunlukları l, l v prd giriş açıları a v b dır. L = l. Sinβ, v v ) L = l. Sinα, L = d şklind ifad dilir. Eğr l = l = l v a=b=q olarak kabul dilir v bu dğrlr dnklm (7)'d yrin yazılırsa prdli çarkın / S süpürm alanı şu şkild ld dilbilir, S / (8) = (. l.sinθ d Eğr; çark hızı ).h V v = is ntopt = ntopt şitliği grçklşir. Dnklm (6)'da çark hızı v süpürm alanının dğri yrin yazılırsa nt optimum güç dğri; (9) ntopt =. ρ.. l.sinθ d.h.c. V 7 şklind ld dilir. rdlm işlmi yapıldıktan sonra iç büky yüzy üzrind oluşan nt güç kadar dış büky DF cratd with pdffactory trial vrsion www.pdffactory.com
kanadın iç büky yüzyind d bir güç oluşabilir. Bundan dolayı dış büky kanadın iç büky yüzyind oluşabilck güç göz önün alınmadığında prdlm yapıldıktan sonra oluşan optimum nt güç dnklm (9)'daki gibi oluşacaktır. Buna gör prdli v prdsiz Savonius rüzgar çarklarının güç ifadlri karşılaştırıldığında, dnklm (9); dnklm (5)' bölünürs; prdli prdsiz (. l.sinθ d = (.d ) ) (0) ld dilir. rdsiz v prdli Savonius rüzgar çarkının nt güçlrind tkili olan paramtrlrin sadc süpürm alanlarına bağlı olduğu, uygulanacak prdnin prd giriş uzunluğu arttıkça süpürm alanı v dolayısıyla aynı boyuttaki çark için ld dilbilck güç miktarının daha fazla olacağı dnklm (0) dan görülmktdir. Bu çalışmada; prdli v prdsiz Savonius rüzgar çarklarının güç ifadlri karşılaştırılmış v prdli durumdaki Savonius rüzgar çarkı gücünün daha fazla olduğu torik olarak saptanmış v ayrıca güç ifadsinin artışının prd paramtrlrin bağlı olduğu da görülmüştür [,]. Şkil. Sallanan Kanatlı Savonius Çark Modli [9]. prformanslarının iyilştirilmsind büyük glişmlr sağlanmıştır. Aldoss v Najjar, Savonius rüzgar çarkı prformansı üzrin Şkil 'd göstriln sallanan kanatlı çark kullanarak dnysl bir çalışma yapmışlardır. Çalışmalarında Savonius rüzgar çarkının prformansını, hm rüzgarın grisind hm d rüzgara doğru, çark kanatlarının bir optimum açı il gri doğru salınmasına müsaad drk gliştirmişlrdir [9]. AERODİNAMİK ERFORMANSI ARTTIRMAK İÇİN YAILAN DİĞER ÇALIŞMALAR Savonius rüzgar çarklarının birçok üstünlüğü bulunmasına rağmn, arodinamik prformanslarının düşük olmasından dolayı çok fazla kullanılmaması ndniyl, son yıllarda yapılan çalışmalar Savonius rüzgar çarkının arodinamik prformansını gliştirm yönünd olmuştur. Bu konuda yapılan torik v dnysl çalışmalar çşitli bilim adamları tarafından sürdürülmüştür [4-8]. Yapılan çalışmaların sonucunda Savonius rüzgar çarklarının güç v momnt Rüzgar Yönü Şkil 4. arçalı Kanatlı Savonius Rüzgar Çarkı Modli [0]. Rupk v robrt, Savonius rüzgar çarkının çalışma tkinliğini arttırmak için, Şkil 4'd göstrildiği gibi türbin kanatlarının kavisli kısımlarının yrin bir sıra mntşlnmiş kanatçıklar yrlştirrk, kanatçıkların rüzgara doğru ilrldiğind rüzgar basıncının tkisind, otomatik olarak açılarak daha az akış dirncinin ld DF cratd with pdffactory trial vrsion www.pdffactory.com
dildiğini v ynidn ilk konuma gldiğind, tkrar otomatik olarak kapandığını tspit drk, düzltilmiş parçalı kanatlı çarklardan çok düşük uç hız oranlarında, klasik Savonius rüzgar çarklarından daha yüksk momntlr ld dildiğini blirlmişlrdir [0]. SONUÇLAR Bu çalışmada ynilnbilir nrji kaynaklarından birisi olan rüzgar nrjisindn daha iyi yararlanabilmk için, sağladıkları düşük güç v çark vrimlrindn dolayı çok fazla kullanım alanı bulamayan Savonius rüzgar çarkları il ilgili yapmış olduğumuz çalışma tanıtılmış v prformanslarının arttırılması il ilgili olarak yapılan diğr çalışmalarla karşılaştırılmıştır []. Yapılan bu çalışmada; Savonius rüzgar çarkının orijinal şkli bozulmadan çark çvrsin rüzgara gör yön dğiştirbiln bir prd tasarlanarak ngatif yönd oluşan momnt ortadan kaldırılarak v aynı zamanda çark önünd daralan bir giriş ksiti oluşturularak çark prformansını arttırma yoluna gidilmiştir. Ayrıca bu çalışmada diğr prformans arttırıcı yöntmlrdn, Aldoss v Najjar [9] il Rupk v robrt'in [0] yaptıkları çalışmalar da inclnmiştir. Yapılan bu iki çalışmada Savonius rüzgar çarkının orijinal şkli bozularak, üzrind dğişikliklr yapılmıştır. Bu çalışmalarda kanatçıkların sürkli açılıp kapanmasından dolayı harktli kısımlarda bilhassa kanat bağlantı lmanlarında daha çabuk aşınmalar mydana glcği v çarkın fazla uzun ömürlü olamayacağı sonucuna varılmıştır. Bundan dolayı çark çvrsin tasarladığımız rüzgara gör yön dğiştirbiln prdlm yöntminin, düşük olan Savonius rüzgar çarklarının prformanslarının arttırılmasında yapılan bu iki çalışmaya gör çok daha kullanılabilir olabilcği görülmüştür. Özllikl Savonius rüzgar çarklarının arodinamik prformanslarının arttırılması il, düşük rüzgar hızlarında iyi başlangıç karaktristiklrin sahip olmasından dolayı, ülkmizin düşük rüzgar hızı ortalaması (.54 m/s) göz önün alındığında, hr gçn gün artan nrji ihtiyacının karşılanmasında rüzgar nrjisindn daha iyi yararlanabilmk amacıyla iyi bir uygulama olacağı sonucuna varılmıştır []. KAYNAKÇA. Ushiyama, I. and Nagai, H., Optimum Dsign Configurations and rformanc of Savonius Rotors, Wind Enginring Vol. (), 59-75, 988.. Dda B., Rüzgar Enrjisi v Savonius Rüzgar Çarklarının rformanslarının Arttırılması, AÜ, Yüksk Lisans Tzi, Dnizli, 000.. Dda B., Atılgan M., v Öztürk H.K., Savonius Rüzgar Çarklarının rformanslarının İnclnmsi, III. Ulusal Tmiz Enrji Smpozyumu, İstanbul, Cilt I, 5-7 Kasım 000. 4. Nwman, B.G., Masurmnts on Savonius Rotor with Variabl Gap, rocdings of th Univrsity of Shrbrook Confrnc on Wind Enrgy, Shrbrook, Qubc, 6s, Canada, 974. 5. Khan, M.H., Modl and rototyp rformanc Charactristics of Savonius Rotor Windmill, Wind Enginring, Vol.(), 75-85, 978. 6. Shldahl, R.E., Blackwll, B.F. and Fltz, L.V., Wind Tunnl rformanc Data for Two and Thr Buckt Savoniu Rotors, Journal of Enrgy, Vol.(),60-64, 978. 7. Sivasgaram, S., Concntration Augmntation of owr in a Savonius Typ Wind Rotor, Wind Enginring, Vol.(), 5-6, 979. 8. Modi, V.J. and Frnando, M.S.U.K., On Th rformanc of Th Savonius Wind Turbin, Journal of Solar Enrgy Enginring, Vol., 7-8, 989. 9. Aldoss,T.K., v Najjar, Y.S.H., Furthr Dvlopmnt of th Swinging-Blad Savonius Rotor, Wind Enginring, Vol. 9, No., 985. 0. Rupk,., v robrt, S.D., Slattd-Blad Savonius Wind- Rotors, Applid Enrgy, Vol.40, 99.. Elktrik İşlri Etüt İdarsi Gnl Müdürlüğü (EİE), Rüzgar Enrjisi, Ankara,99. 4 DF cratd with pdffactory trial vrsion www.pdffactory.com