yatay eksenli rüzgar türbin kanadının bilgisayar destekli tasarımı

8/7/2019 Yatay Eksenli Rzgar Trbin Kanadnn Bilgisayar Destekli Tasarm

1/113


2/113

ii

Murat NDER tarafndan hazrlanan YATAY EKSENL RZGR TRBN

KANADININ BLGSAYAR DESTEKL TASARIMI adl bu tezin Yksek Lisans

tezi olarak uygun olduunu onaylarm.

Prof. Dr. H. Gl YAVUZCAN

Bu alma, jrimiz tarafndan Endstriyel Teknoloji Eitimi Anabilim Dalnda

Yksek Lisans tezi olarak kabul edilmitir.

Bakan : Prof. Dr. Mahmut ZCLER

ye : Prof. Dr. H. Gl YAVUZCAN (Danman)

ye : Do. Dr. Serdar YCESU

ye :

ye :

Tarih :12/06/2006

Bu tez, Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits tez yazm kurallarna uygundur.


3/113

iii

TEZ BLDRM

Tez iindeki btn bilgilerin etik davran ve akademik kurallar erevesinde elde

edilerek sunulduunu, ayrca tez yazm kuralarna uygun olarak hazrlanan bu

almada orijinal olmayan her trl kaynaa eksiksiz atf yapldn bildiririm.

Murat NDER


4/113

iv

YATAY EKSENL RZGR TRBN KANADININ BLGSAYAR

DESTEKL TASARIMI

(Yksek Lisans Tezi)

Murat NDER

GAZ NVERSTES

FEN BLMLER ENSTTS

Mays 2006

ZET

Bu almada yatay eksenli rzgr trbinleri iin istenilen koullara bal

olarak kanat tasarm yapabilecek bir bilgisayar program gelitirilmesi

amalanmtr. Bu amala, yatay eksenli rzgr trbinlerinin aerodinamii ile

ilgili teorik yaklamlar ve kanat eleman momentum teorisine gre kanat

tasarm sistematik olarak incelenmitir. Sonu olarak, yatay eksenli rzgr

trbin kanat tasarm iin Microsoft Visual C#. NET 2.0 tabanl olarak KANAT

SMLATR adl bir program gelitirilmitir. Program, kullanc blge ve

kanat uzunluunu girdii zaman tasarm iin gerekli lleri (kanat kiri

lleri, tahmini g, kanat as) verecek ekilde dzenlenmitir. Program

belirli bir blgedeki rzgr verilerine gre yatay eksenli rzgar trbini kanat

tasarm yapmak isteyenlere fikir verebilecek ve kolaylk salayabilecek

dzeydedir.

Bilim Kodu : 705.1.071Anahtar Kelimeler : Rzgar Trbini, Rzgar Enerjisi, Kanat TasarmSayfa Adedi : 98

Tez Yneticisi : Prof. Dr. H. Gl YAVUZCAN


5/113

v

COMPUTER-AIDED DESGN OF HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

BLADE

(M.Sc. Thesis)

Murat NDER

GAZ UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

May 2006

ABSTRACT

This study aims to develop software that will be able to perform blade designs

depending on the desired conditions for horizontal axis wind turbines. To serve

this purpose, theoretical approaches pertaining to aerodynamics of horizontal

axis wind turbines and blade design in terms of blade element momentum

theory were examined systematically. As a result, software called a wing

simulator based Microsoft Visual C#. NET 2.0 was developed for the horizontal

axis wind turbines. The software was designed in a manner that will enable to

give out required measurements (blade chord measurements, estimated power,

blade angle) for the time design when the user inputs local features and blade

length. The program is at a level that will give some insight for those willing to

perform blade design horizontal axis wind turbines according to the wind data

of an area.

Science Code : 705.1.071Key Words :Wind Turbine, Wind Energy, Blade DesignPage Number : 98

Adviser : Prof. Dr. H. Gl YAVUZCAN


6/113

vi

TEEKKR

Bu alma srasnda deerli katklarn grdm Danmanm Sayn Prof. Dr. H.

Gl YAVUZCANa ve her zaman bana destek olan aileme kranlarm sunarm.


7/113

vii

NDEKLER

Sayfa

ZET...........................................................................................................................iv

ABSTRACT..................................................................................................................v

TEEKKR.................................................................................................................vi

NDEKLER...........................................................................................................vii

ZELGELERN LSTES...........................................................................................x

EKLLERN LSTES...............................................................................................xi

RESMLERN LSTES.xii

HARTALARIN LSTES....xiii

SMGELER VE KISALTMALAR...........................................................................xiv

1. GR........... .1

2. RZGAR ENERJS............................................................................................2

2.1. Giri....................................................................................................................2

2.2. Rzgar Enerjisinin Olumlu Ynleri...................................................................2

2.3. Rzgar Enerjisinin Maliyeti...............................................................................3

2.4. Rzgar Enerjisinin Maliyetini Etkileyen Faktrler............................................4

2.4.1. Rzgar hz ve rzgar tarlasnn bykl.............................................4

2.4.2. evresel maliyetler..................................................................................4

2.4.3. Faiz oran.................................................................................................5

2.5. Dnya Rzgar Enerjisi Potansiyeli....................................................................5

2.6. Trkiyedeki Rzgar Enerji Potansiyeli............................................................6

3. RZGAR TRBNLER.......................................................................................11

3.1. Yatay Eksenli Rzgar Trbinleri.....................................................................11


8/113

viii

Sayfa

3.1.1. nden rzgar alan trbinler..................................................................123.1.2. Arkadan rzgar alan trbinler................................................................13

3.2. Dey Eksenli Rzgar Trbini.........................................................................13

3.3. Rzgar Trbinlerinin Yapsal zellikleri........................................................13

4. KANAT TASARIMINDAK AERODNAMK ESASLAR.................................15

4.1. Srkleme ve Kaldrma Kuvveti.....................................................................15

4.2. Gelitirilmi olan Modeller..............................................................................16

4.3. deal Disk Teorisi ve Betz Limiti.....................................................................16

4.4. Genel Momentum Teorisi................................................................................21

4.5. Kanat Eleman Teorisi.....................................................................................30

4.6. Kanat Eleman Momentum Teorisi.................................................................34

5. KANAT TASARIMI..............................................................................................38

5.1. Genel................................................................................................................38

5.2. U Kayplar.....................................................................................................38

5.3. Kanat Seimi....................................................................................................39

5.4. Kanada likin Hesaplamalar...........................................................................41

6. KANAT TASARIMI GELTRLEN BLGSAYAR PROGRAMI...................436.1. Genel................................................................................................................43

6.2. Kanat Simlasyonu..........................................................................................44

6.3. Kanat Simlatr Programyla Kanat Tasarm...............................................47

7. SONU VE NERLER........................................................................................52

KAYNAKLAR...........................................................................................................54

EKLER.......................................................................................................................56


9/113

ix

Sayfa

EK-1 Kanat simlatr programnn kodlar..............................................................57

ZGEM................................................................................................................98


10/113

x

ZELGELERN LSTES

izelge Sayfa

izelge 2.1 Elektrik retim maliyetleri ...3

izelge 2.2 Dnyadaki mevcut rzgar kurulu gcnn lkelere gre dalm.. 5

izelge 2.3. Trkiyedeki kurulu gcn yllar itibari ile geliimi6

izelge 2.4 Trkiyenin corafi blgelerindeki ortalama rzgar hzlar .................6izelge 2.5 Trkiye Rzgar Atlasnda nemli grlen baz blgelere ilikinMmmmmm veriler8

izelge 2.6 Trkiyedeki rzgar santrali projeleri .......................................................9

izelge 3.1. Baz yatay ve dey eksenli rzgar trbin tipleri ve kullanmMmmmm yerleri ve amalar...13

izelge 6.1. Programn veri tabannda kullanlmak zere seilen kanat modelleri

ve bu modele ilikin hesaplanan Reynolds says deerleri....................49


11/113

xi

EKLLERN LSTES

ekil Sayfa

ekil 4.1. Kanada etki eden kaldrma ve srkleme kuvveti basit gsterimi.15

ekil 4.2. Akm tpndeki hareketli diskten geen idealletirilmi ak....17

ekil 4.3. Akm tp boyunca hz ve basn dalm....20

ekil 4.4. Rotordan geen akn akm tpndeki geometrisi.22

ekil 4.5. U hz oranna gre g katsaysnn gsterimi..30ekil 4.6. Kanat elemanlarnn ematik gsterimi..31

ekil 4.7. Kanat kirii..31

ekil 5.1. Kanat alar41

ekil 6.1 Kanat simlatr programn akemas.....45

ekil 6.2. Programn ara yz.46

ekil 6.3. Programn girdileri..47

ekil 6.4. nerilen kanat tipleri......48

ekil 6.5. Seilen kanat tipleri....48

ekil 6.6. Programn kt grnts......50

ekil 6.7 Grafik kts....51


12/113

xii

RESMLERN LSTES

Resim Sayfa

Resim 3.1. (a) nden rzgar alan yatay eksenli trbin (b) Arkadan rzgralan yatay eksenli trbin.12


13/113

xiii

HARTALARIN LSTES

Harita Sayfa

Harita 2.1. Trkiye rzgar atlas.......7


14/113

xiv

SMGELER VE KISALTMALAR

Bu almada kullanlm olan baz simgeler aklamalar ile birlikte aada

sunulmutur.

Simgeler Aklama

m Rotor dzleminden geen havann debisi, m3/s

Hava younluu

Rzgr trbindeki rotorun asal hz, m/s

Grnr rzgr as

Hcum as

Kanadn hcum as

Kanat as

U hz oran

opt,i i. kanat eleman iin grnr rzgar asr Yerel u hz oran

r,i i. kanat eleman iin u hz oran

a Rotor dzlemindeki eksenel ak faktr

A Rzgr trbinindeki rotorun alan, m2

B Rotordaki kanat says

c Kanat kiri uzunluu, m

Cd Kanadn srkleme katsaysci i. kanat elemann kiri uzunluu, m

CL Kanadn kaldrma katsays

Cp Rzgr trbini rotorunun g katsays

F U kayp faktr

Fi i. kanat eleman iin kayp faktr

H1 Rotor gerisi ile trbin gerisindeki alanarasndaki Bernoulli sabiti


15/113

xv

Simgeler Aklama

Ho Serbest rzgr ile rotorun n arasndakiBernoulli sabiti

N Jeneratr verimi

Ne trbinin retecei tahmini g, W

P rzgr trbini rotorundan kan g, W

p rotor dzlemindeki basn dmesi, Pa

pd rotor gerisindeki havann basnc, Pa

po trbin nndeki havann basnc, Papu rotor nndeki havann basnc, Pa

Q rotorun dndrme momenti, Nm

r rotordaki radyal mesafe, m

R Rzgr trbini rotorunun yarap, m

ri kanat yarapndaki i. kanat eleman, m

T rotorun itme kuvveti, N

u rotor dzlemindeki eksenel rzgar hz, m/sU serbest akan rzgrn hz, m/s

UR rotor dzlemindeki rzgr hz, m/s

uw trbin gerisindeki eksenel rzgr hz, m/s

Uw rotor gerisinde oluan rzgr hz, m/s

v rotor dzlemindeki hz bileeni, m/s

Va Grnr rzgr hz, m/s

vw trbin gerisindeki radyal rzgr hz, m/sw rotor dzlemindeki asal hz, rad/s

ww trbin gerisindeki asal rzgr hz, rad/s

Re Reynolds says

Katlk katsays

Urel bal rzgr hz, m/s

b rotor gerisindeki eksenel ak faktr

Szlme oran


16/113

1

1. GR

Gnmzde lkemizin iinde bulunduu enerji darboaz giderek artmaktadr. Enerji

kaynaklar bakmndan yeterli eitlilie sahip olan lkemizde bu kaynaklarn

kullanm yeterli deildir. Bu nedenle lkemiz enerji ithalat eden konumundadr.

2000 ylnda Trkiyenin ihtiya duyduu elektrik enerjisi 128 500 GWh iken bu

miktarn 3 800 GWhni yurtdndan ithal etmitir. lkemizin gelimekte olan sanayi

ye bal olarak yllk enerji talebi % 8 art gstermektedir [1]. Bundan dolay da

baml olmayan enerji kaynaklarna doru araylar balamtr. Bunlardan birisi de

rzgr teknolojisidir. Son dnemlerde rzgr enerjisi teknolojisi hzla ilerlemektedir.

Rzgrdan maksimum derecede enerji elde etmek iin aerodinamik esaslara uygun

tasarm yaplmas gereklidir.

Bu almada, aerodinamik esaslar ve kanat eleman tasarm esaslar nda

istenilen blge ya da rzgr koullarna bal olarak yatay eksenli rzgr trbinleri

iin pratik ve grsellik tayan bir kanat tasarm program gelitirilmesi

amalanmtr. Sz konusu program ile konuya ilgi duyabilecek kullanclara yeterli

bilgi sunup kolay hesaplama ve karlatrma yapabilecekleri bir alt yap

oluturulmas hedeflenmitir.


17/113

2

2. RZGR ENERJS

2.1. Giri

Bilindii zere dnyadaki enerji kaynaklarnn tamam gne tarafndan

oluturulmaktadr. Rzgr; gne enerjisinin yeryzne ulamas sonucunda ortaya

kan bir doa kuvvetidir. Gne tarafndan dnyaya gnderilen enerjinin yaklak

%1-2si rzgr enerjisidir [2]. Karalarn, denizlerin ve atmosferin kendine zg

zgl slar vardr. Bulunduklar corafik konumlara gre slar deimektedir.

Yzeyde oluan scaklk fark, basn farkllklarna bunun sonucu da rzgr

oluumuna neden olur. Yksek basntan, dk basnca hareket eden havaya rzgr

denir. Gnmzde rzgr enerjisi teknolojisi hzla ilerlemektedir. Rzgr

enerjisinden elektrik retiminin maliyeti, geleneksel elektrik enerjisi retim

maliyetleri ile rekabet edebilir duruma gelmitir.

2.2. Rzgr Enerjisinin Olumlu Ynleri

Rzgr enerjisi doal, yenilenebilir, temiz bir enerji kaynadr. Rzgr enerjisinin

baz stnlkleri aada sralanmtr.

a) Enerji girdisi olarak kullanlan fosil yaktlardan tasarruf salar.b) Atmosferde bol ve serbest olarak bulunur.

c) Rzgr trbinlerinin zerine kurulduu alanlarn hayvanclkta v.b. gibi kullanmmmkndr.

d) Hammaddenin zamanla tkenmesi sz konusu deildir.e) Rzgr santralleri iin gerekli olan projeler basit ve rzgr trbinlerin bakmkolaydr.

f) Rzgr teknolojisi giderek ucuzlamaktadr.


18/113

3

Fakat rzgrn devaml olmamas ve rzgr santralinin ilk yatrm maliyetinin

nispeten yksek olmas rzgr enerjisinin olumsuz ynleri olarak gze arpmaktadr.

2.3. Rzgr Enerjisinin Maliyeti

Rzgr enerjisinin maliyeti, teknolojideki gelimelerle beraber azalmaktadr.

Gnmzde rzgr santralleri kullanmda olan konvansiyonel enerji teknolojileri ile

rekabet edebilecek duruma gelmitir. Rzgr enerjisi santrallerinde nemli olan bir

nokta ise santral kurulduktan sonra sadece bakm ve onarm masraflarnn olmasdr.

Hammadde iin herhangi bir deme sz konusu deildir. Gelien teknoloji ile birlikte

rzgrdan elde enerjinin maliyeti dmektedir [3]. Daha nce rzgr trbinlerinin

yaklak 3000 $/kW olan yatrm maliyeti, gnmzde sistemlerin verimliliinin

artmasndan dolay 980 $/kW civarlarna dmtr [4]. Bunun sonucu elektriin

birim retim maliyeti 20 cent/kWhden 7 cent/kWhya inmitir. retici firmalar

bugn dk hzlarda (20m/s) bile elektrik retimi

yaparak maliyetleri indirdiklerini ifade etmektedirler [4].

Farkl enerji kaynaklar ile kurulan enerji santrallerin birim sistem maliyetleri ve

birim enerji maliyetleri karlatrmal olarak izelge 2.1de verilmitir. izelgeden

de grld zere doalgaz santrallerinin birim maliyeti en dktr. Ancak sz

konusu santrallerde hammaddenin da baml olduu unutulmamaldr.

izelge 2.1. Elektrik retim maliyetleri [4]

Kaynak Birim Sistem Maliyeti ($/kWh) Birim Enerji Maliyet (cent/kWh)

Termik Santral (kmr) 1200-1369 4,8-5,5Doal Gaz santrali 500-600 3,9-4,4Rzgar Santrali 1000-1100 4,0-6,0Gne Pili 3000-6000 25,0-100,0Nkleer Santral 3500-4000 11,1-14,5Hidroelektrik Santral 800-1000 5,1-11,3


19/113

4

2.4. Rzgr Enerjisinin Maliyetini Etkileyen Faktrler

Rzgrdan elde edilen enerjinin birim maliyeti etkileyen faktrler rzgr hz, rzgr

tarlasnn bykl, evresel maliyetler ve faiz orandr.

2.4.1 Rzgr hz ve rzgr tarlasnn bykl

Rzgrdan elde edilecek enerjinin miktar rzgr hznn kp ile orantl olarak

deiir. Bundan dolay hzdaki deiim enerji retim miktar ve birim enerji

maliyetinde deiimlere yol aar. Corafik olarak rzgr hznn yksek olabileceiyerler;

a) Yalarn srekli, esen rzgrlara paralel olduu vadiler,b) Yksek, engebesiz tepe ve platolar,c) Yksek basn gradyanl geni dzlkler ve srekli rzgr alan az eimlivadilerdir [5].

2.4.2. evresel maliyetler

retilen elektrik enerjisinin gerek maliyetini belirlemek iin retim esnasnda

evreye verilen kirlilik ve sosyal maliyetler hesaba katlmaldr. nsan sal ve

evresi zerinde olumsuz etkileri olan bu maliyete sosyal maliyet ad verilmektedir.

Fakat bu maliyetler henz enerji maliyetlerinde hesaba katlmamaktadr. rnekolarak petrol karma srasnda yeralt sularnn kirlenmesi, nkleer santrallerde

mrn tamamlayan atklarn saklanmas, kmr karmak iin yaplan madenciliin

evreyi kirletmesi gz ard edilemez. Bundan dolay rzgr enerjisi evre dostu bir

enerji kayna saylabilmektedir. Enerji retimi srasnda zararl emisyon oluturmaz.

Dier evresel ve sosyal maliyetler elektrik retimi maliyetine dhil edilirse rzgr

enerjisi teknolojisi dier enerji teknolojileri ile daha fazla rekabet edebilir [3].


20/113

5

2.4.3. Faiz oran

Rzgr enerjisi ilk yatrm maliyeti yksek bir teknolojidir. Santralin ilk yatrm

maliyeti olarak paralarn retimi veya satn alnmas, santralin kurulmas v.b.

maliyetleri ierir. Bundan dolay ilk yatrmda uygulanan faiz oran geri demede

nemlidir.

2.5. Dnya Rzgr Enerjisi Potansiyeli

Rzgr, sahip olduu kinetik enerji nedeniyle doal bir enerji potansiyeline sahiptir.Fakat dnyann sahip olduu toplam rzgr enerjisini tahmin etmek olduka zordur.

izelge 2.2de 2002 itibari ile dnyadaki mevcut kurulu rzgar gcnn lkelere

gre dalm gsterilmitir. izelge 2.2ye gre trbin teknolojisinde Avrupa

lkeleri ve Amerika Birleik Devletleri lider konumdadr. Bunun temel nedeni sz

konusu lkelerin rzgr teknolojilerini 1960l yllardan bu yana srekli olarak

gelitirmeleridir.

izelge 2.2 Dnyadaki mevcut rzgar kurulu gcnn lkelere gre dalm [6]

No lke Kurulu G (MW) No lke Kurulu G (MW)1 Almanya 11968 24 Kosta Rika 712 spanya 5043 25 Belika 453 USA 4674 26 Ukrayna 444 Danimarka 2880 27 Finlandiya 395 Hindistan 1702 28 Letonya 246 talya 806 29 Brezilya 197 Hollanda 727 30 Trkiye 158 ngiltere 570 31 Lksemburg 14

9 Japonya 486 32 Arjantin 1210 in 473 33 ek cumhuriyeti 1111 Yunanistan 462 34 ran 1112 sve 372 35 Tunus 813 Kanada 270 36 srail 814 Portekiz 204 37 Rusya 715 Fransa 183 38 Gney Kore 616 rlanda 167 39 svire 517 Avustralya 143 40 Meksika 518 Avusturya 130 41 skoya 719 Msr 125 42 Sri Lanka 220 Norve 97 43 rdn 121 Yeni Zelanda 82 44 Romanya 122 Fas 54 45 Dier lkeler 12

23 Polonya 54 46 Toplam 32039


21/113

6

2.6. Trkiyedeki Rzgr Enerjisi Potansiyeli

Trkiye elektrik enerjisi retimi asndan sorun yaayan bir lkedir. u an lkenin

iinde bulunduu darboazn gelecekte de devam etmesi muhtemel gzkmektedir.

Bu nedenle iin yeni ve ucuz enerji kaynaklarna ihtiya duyulmaktadr. Rzgr

enerjisi de bunlardan biridir. Trkiye, Avrupa lkeleri ile edeer dzeyde rzgr

enerjisi potansiyeline sahiptir. lkemizin teorik olarak 83000 MWlk rzgr enerjisi

potansiyeline sahip olduu tahmin edilmektedir. Genel olarak Marmara, Ege,

Bozcaada, Gkeada, Sinop ve skenderun Trkiyenin rzgr santrali kurmak iin

potansiyeli en yksek olan blgeleridir [7]. Rzgar enerjisinden elde edilen enerjinin

dier kaynaklardan elde edilen enerji ile yllara gre karlatrlmas izelge 2.3de

verilmitir.

izelge 2.3 Trkiyedeki kurulu gcn yllar itibari ile geliimi [8]

Yl Termik(MW) Hidrolik(MW) Rzgar Enerjisi(MW) Toplam(MW)1985 5229,3 3874,8 15 9119,11990 9535,8 6764,3 15 16315,1

1995 11074,0 9862,8 15 20951,81999 15555,9 10573,2 19 26148,1

Trkiyenin corafi blgelerindeki ortalama rzgar hzlar izelge 2.4de, tm lke

iin oluturulan rzgar atlas ise ekil 2.1de gsterilmitir [9].

izelge 2.4. Trkiyenin corafi blgelerindeki ortalama rzgar hzlar [7]

Blge Ad Ort. Rzgr Hz (m/s)Akdeniz 2,45

Anadolu 2,46Ege 2,65Karadeniz 2,38Dou Anadolu 2,12Gneydou Anadolu 2,69Marmara 3,29


22/113

Harita 2.1. Trkiye rzgar atlas [9]


23/113

8

Devlet Meteoroloji leri Genel Mdrlnce lm yaplmakta olan

istasyonlardan rzgar iddeti olarak nemli grlenlere ilikin baz veriler izelge

2.4de verilmitir. Bu alma kapsamnda gerekletirilen bilgisayar programnda,

izelge 2.5de belirtilen 17 blge dikkate alnmtr. Bunun temel nedeni sz konusu

17 blgede rzgr enerjisi santrali kurmann verimlilik asndan en uygun

olacann dnlmesidir.

izelge 2.5. Trkiye Rzgar Atlasnda nemli grlen baz blgelere ilikin bazmmmmmmmcorafi veriler [9]

No stasyonad

Enlem Boylam Ykseklik

(m)

lm zamanAral

OrtalamaRzgrhz (m/s)

1 Amasra 4104502N 3202303E 73 1989-1998 5,22 Bandrma 4001954N 2705956E 58 1989-1998 4,03 Bergama 3900730N 2701115E 53 1989-1998 3,04 Bozcada 3905000N 2600425E 28 1989-1998 5,85 Cihanbeyli 3803903N 3205523E 969 1989-1998 2,96 anakkale 4000833N 2602400E 6 1989-1998 3,77 Diyarbakr 3705421N 4001208E 677 1989-1998 2,88 Erzurum 3905705N 4101021E 1758 1989-1998 2,8

9 Gney 3800907N 2900334E 805 1989-1998 4,310 psala 4005506N 2602251E 10 1989-1998 2,911 Karata 3603411N 3502329E 22 1989-1998 3,112 Mardin 3701850N 4004337E 1050 1989-1998 3,913 Pnarba 3804333N 3602330E 1500 1989-1998 3,914 Sinop 4200151N 3500918E 32 1989-1998 2,915 Siverek 3704520N 3902000E 801 1989-1998 2,916 Suehri 4000947N 3800426E 1163 1989-1998 3,217 ile 4101013N 2903605E 31 1989-1998 3,4

Trkiyede bugne kadar gerekletirilmi ve gerekletirilmesi planlanan rzgarenerjisi santrallerine ilikin bilgiler de izelge 2.6de verilmitir.


24/113

9

No Projenin Ad Projeyi gelitiren firma Yer Kurulu G(MW)Yaplm olan projeler1 Germiyan R. S. Delta Plastik eme Germiyan 1,52 eme Alaat R.S. Ares A.. zmir-eme-Alaat 7,23 Bozcaada R.S. Demirer Holding A.. anakkale 10,2Devlet Planlama Tekilatnn kararn bekleyen projeler4 Kacada R.S. AS Makinsan anakkale 50,45 anakkale R.S. AS Makinsan anakkale 306 Mazda R.S. Demirer Holding A.. zmir-eme-Alaat 39Fizibilite almalar tamamlanan projeler7 Akhisar R.S. Ak-En (Sasanaat) Manisa-Akhisar 128 Akhisar R.S. Demirer Holding A.. Manisa-Akhisar 309 Bandrma R.S. Atlantis Ticaret Balkesir-Bandrma 1510 Beyoba R.S. Atlantis Ticaret Manisa-Akhisar-Beyoba 7,9211 eme R.S. Proton zmir-eme 1212 Data R.S. Demirer Holding A.. Mula-Data 28,813 Data R.S. Atlantis Ticaret Mula-Data 12,5414 ntepe R.S. Interwind anakkale-ntepe 1215 ntepe R.S. Interwind anakkale-ntepe 3016 Karaburun R.S. Atlantis Ticaret zmir-Karaburun 22,517 Yalkavak R.S. Atlantis Ticaret Mula-Bodrum-Yalkavak 7,92Fizibilitesi raporunun yenilenmesi beklenen projeler18 Gkeada R.S. Simelko anakkale-Gkeada 5Fizibilite raporu bekleyen santral planlar

19 Belen R.S. Teknik Ticaret Hatay-Belen 20-3020 eres R.S. Interwind zmir-eme 18-25,521 Ekinli R.S. Deryalar Ltd. Bandrma-Karacabey 39,522 Gzeyler R.S. Enda Enerji retim A.. zmir-eme 50,423 Hacmerli R.S. Demirer Holding A.. zmir-Hacmerli 4524 Kapda R.S. AS Makinsan Balkesir-Erdek 20-3525 Karabiga R.S. AS Makinsan anakkale-Karabiga 15-5026 Kocaali R.S. Derin Ltd Tekirda-arky 31,227 Kocada R.S. Mage A.. zmir-eme-Kocada 26,2528 Kumkale R.S. Demirer Holding A.. zmir-eme 12,629 Lpseki R.S. Atlantis Ticaret anakkale-Lapseki 1530 Mazda2 R.S. Demirer Holding A.. zmir-eme 90

31 Mazda3 R.S. Yapsan Ltd. zmir-eme 39,632 Paaliman R.S. AS Makinsan Marmara-Kapda 933 enky R.S. Akfrat A.. Hatay-enky 1234 Seyitali R.S. Derin Ltd. zmir-Aliaa 5135 Tatepe R.S. Fora A.. Bandrma-Tatepe 37,836 Topda R.S. Derin Ltd. Sinop 3337 Yaylaky R.S. Mage A.. zmir-Karaburun 1538 Yellice Belen R.S. AS Makinsan Hatay-Belen-Yellice 70-10039 Yeniarkan R.S. Yapsan naat Ltd. zmir-Aliaa-Bahedere 5440 Zeytinba R.S. Deryalar Ltd. Bursa-Zeytinba 30-60

izelge 2.6. Trkiyedeki rzgar santrali projeleri [6,9]


25/113

10

Trkiyedeki zel sektre ait olan rzgr santralinin zellikleri ise unlardr: eme-

Alaat rzgar iftliinde; 600 kWlk, rotor ap 44 m olan 12 adet Vestas V 44

rzgar trbini, eme-Germiyan rzgar iftliinde; 500 kWlk, rotor ap 40,3 m

olan 3 adet Enercon 40 rzgar trbini, anakkale-Bozcaada rzgar iftliinde; 600

kWlk, rotor ap 44 m olan 17 adet Enercon 40 rzgar trbini vardr [10].


26/113

11

3. RZGR TRBNLER

Rzgr trbinleri, rzgrn dndrme kuvvetini kanatlar yardmyla elektrik

enerjisine eviren sistemlerdir. Havann zgl ktlesi olduka az olduundan

rzgrdan elde edilecek enerji esas olarak rzgr hzna baldr. Rzgr hz

ykseklikle, gc ise hznn kp doru ile orantl olarak artar. Rzgr santrali

kurulmas planlanan bir blgenin en az bir yllk rzgr lmlerinin yaplmas

tavsiye edilmektedir. Ortalama rzgr hz topografik zeliklere gre yldan yla

deiiklik gsterebilir. Rzgr hzndaki deiliklerden dolay, rzgrdan elde

edilecek olan enerji potansiyeli de deiiklik gsterir. Bu yzden belli bir blgede,

rzgrdan retilecek elektrik enerjisinin planlanan retim miktar belirlenirken, yllk

ortalama rzgr hz, Weibull dalm ile hesaplanm rzgr hz dalmnn

kullanlmas daha uygundur [2]. Fakat bu almada trbin tasarm srasnda

ortalama rzgr hz kullanlmtr. Rzgr trbinleri ana milin dn eksenine gre

yatay eksenli veya dey eksenli olarak imal edilebilir. Bu iki tipten yaygn olarak

kullanlan yatay eksenli trbinlerdir.

3.1.Yatay Eksenli Rzgr Trbinleri

Rotorlar yzeye paralel olan trbinlerdir. Geleneksel bir kullanm imkn sunar.

Maksimum g elde etmek iin rotorlar rzgra dik konumlandrlmaldr. Yatay

eksenli rzgr trbinleri nden rzgr alan ve arkadan rzgr alan olmak zere iki

ekilde imal edilirler.


27/113

12

(a) (b)

Resim 3.1. (a) nden rzgar alan yatay eksenli trbin, (b) Arkadan rzgr alan yataymmmmmmeksenli trbin

3.1.1. nden rzgr alan trbinler

Rotorun yz rzgra doru konumlandrlm olan trbinlerdir. Daha yaygn olarak

kullanlr. nk bu trbinlerde jeneratrn arkasna yani rotora doru yapaca

glgeleme etkisi ortadan kalkm olur. Fakat kulenin nnde ihmal edilebilecek

dzeyde bir rzgr glgelemesi oluur. Kanatlar kuleye gre eilimli

konumlandrlrlar. Kulenin silindirik yaplmas bile kanadn kuleden her geiinde

trbinin rettii gc azaltr. Bundan dolay kanatlarn sert malzemeden yaplmas ve

kuleye gre biraz uzakta konumlandrlmas daha uygun olmaktadr.


28/113

13

3.1.2. Arkadan Rzgr alan trbinler

Bu trbinlerde ise rotor trbinin arkasnda olacak ekilde konumlandrlmtr. Fakat

trbin rotora perdeleme etkisi yapt iin kullanm yaygn deildir [5].

3.2. Dey Eksenli Rzgr Trbini

Dey eksenli trbinlerde, kanatlarn i bkey ve d bkey yzeyleri arasndaki

ekme kuvveti fark nedeniyle dnme hareketi olumaktadr. Bu trbinlerin dnme

eksenleri deydir. alma basitliinden dolay kullanlan en eski rzgr trbini

eididir. Dey eksenli rzgr trbinleri, yatay eksenli rzgr trbinlerine gre daha

dk verime sahiptir [5].

izelge 3.1de ise baz rzgar trbinlerinin zellikleri verilmitir.

izelge 3.1. Baz yatay ve dey eksenli rzgar trbin tipleri ve kullanm amalarccccccccccc[11]

Rotor Tipi (kanat uhz oran)

Cp(G Katsays)

Kullanm Amalar

Pervane Tipi 3-10 0,42-0,57 Elektrik retimiDarrieus Tipi 5-6 0,40 Elektrik retimiCyclogiro Tipi 3-4 0,45 Elektrik ret. veya su pomp.Fan Tipi 1 0,3 Su Pompalamaok Kanatl Tip 3-4 0,35 Elektrik ret. veya su pomp.Yelken Kanat Tipi 4 0,35 Elektrik ret. veya su pomp.Savonious Tipi 1 0,15 Su PompalamaHollanda Tipi 2-3 0,17 Su Pomp. veya deirmen

3.3. Rzgr Trbinlerinin Yapsal zellikleri

Rzgr trbinin rotoru, evredeki engellerin (ev, aa v.b.) rzgr hzn kesmeyecek

ykseklikte konumlandrlmaldr. Tepelerin st arka ksmlar trblans nedeniyle

konumlandrma iin uygun deildir. Malzeme ve iilik maliyetleri gz nnde

bulundurarak trbinlerin enerji nakil hatlarnn yaknna yerletirilmesi gerekir.

Rotorun dn hz sistemin yapsna gre sabit veya deiken olabilir. Modernrzgr trbinlerinde rotor gbekleri yerden 2575 m ykseklikte bir kule zerinde


29/113

14

bulunur. Kuleler konstrksiyonun salaml asndan elik kafes ya da elik

silindirden yaplrlar.

Rzgr trbinlerinin kanatlar ise polyester ile kuvvetlendirilmi fiberglas veya

epoxy ile glendirilmi fiber karbondan yaplmakta ve elik omurga ile

desteklenmektedir. Kanatlardaki gcn kontrol iin yntem kullanlmaktadr.

a) Kanat as kontrol (pitch kontrol) ad verilen kontrol ynteminde kanat alarkontrol sistemi tarafndan ayarlanmaktadr. Sistem jeneratrden gelen sinyal ile

almaktadr. Jeneratr gc nominal gcn stne kt zaman rotor kanatlar

kendi ekseni etrafnda dnerek ve gelen rzgara gre kanadn hcum asn

deitirerek aerodinamik kuvvetleri azaltr. Bylece frenleme veya durdurma

gerekletirilir, trbinin g k azaltlm olur.

b) Stall kontrol ynteminde ise ayarlanacak hareketli para yoktur. Hava akmnnaz veya hcum asnn fazla olmas dolaysyla pervane kanadnn kaldrma

kuvvetinin azalp havada asl kalmayacak hale gelmesine stall kontrol denir. Rotorkanadn doal aerodinamik zellii ile durdurulur.

c) Pitch kontrol ve stall kontroln birleimi olarak gerekletirilen aktif stallkontrol sistemidir.

Rzgr trbinlerinin mr, trbin kalitesine ve yerel iklim zelliklerine gre 20 ile

25 yl arasnda deimektedir. Rotor yksekliindeki trblans younluu ve bundan

dolay oluacak mekanik yorulma, trbin mrn etkileyen nemli faktrlerdir.


30/113

15

4. KANAT TASARIMININ AERODNAMK ESASLARI

4.1. Srkleme ve Kaldrma Kuvveti

Gnmzde rzgr trbinlerinin kanat tasarm yaplrken, etkili olan iki nemli

aerodinamik kuvvet bulunmaktadr. Bu kuvvetler kanadn srkleme ve kaldrma

kuvvetleridir [12]. Kanadn srkleme kuvveti, kanada ak ynnde etkiyen

kuvvettir. rnek olarak, kanat yapsn dz bir plaka olarak dnrsek plaka stnde

oluacak maksimum srkleme kuvveti plakann ak ynne 900 derece dik

konumlandrld zaman olumaktadr. Minimum srkleme kuvveti ise, kanat ak

ynne paralel olarak konumlandrld meydana gelir. deal bir kanatta srkleme

kuvvetinin az olmas tercih edilir. ekil 4.1de kanat stndeki kaldrma srkleme

kuvvetinin etkisi gsterilmitir.

ekil 4.1. Kanada etki eden kaldrma ve srkleme kuvveti basit gsterimi

Srkleme kuvvetini minimuma indirmek iin kanat tasarmnda yamur damlasn

andran tasarmlar yaplmaktadr. Bunlara ak hatl cisimler ad verilir. Kanadn

kaldrma kuvveti ise, kanada ak ynne dik olarak etkiyen kuvvettir. rnek olarak

uaklarn havalanmas kanadn kaldrma kuvveti ile salanmaktadr. Maksimum

kaldrma kuvveti kanat ak ynne paralel konumlandrldnda meydana gelir.

deal bir kanat tasarmnda kaldrma kuvvetinin yksek olmas tercih edilir. Havann

ak ynne gre, kanat ile yapaca alardan dolay ak iddeti artar. Artan ak

iddetinden dolay dk basnl blgeler oluur. Bu blgelere akalt (downstream)


31/113

16

denir. Dolaysyla, hava ak hz ile basn arasnda bir iliki vardr. Yani hava ak

hz hzlandka basn der, hava ak yavaladka basn artar. Bu ilikiye

Bernoulli etkisi denir. Bu iliki sonucunda, kanat zerinde kaldrma kuvveti

olumu olur [12].

4.2. Gelitirilmi Olan Modeller

Rzgr trbini retimi iin gelitirilen modeller g tahmini iin nem tamaktadr.

deal disk teorisi gelitirilmi olan ilk teorilerdendir. Bu teoride koullar ideal olarak

dnlmtr. Bu teorinin temelinde sonsuz sayda kanada sahip ve sfr kalnlkta

bir rotor bulunmaktadr [7, 13, 14].

Kanat Eleman Momentum Teorisi ise deal Disk Teorisi ve Kanat Eleman

Teorisinin birleimidir [13]. u anda geerlilii olan bir teoridir. Kanat Eleman

Teorisi ile kanatlarn ekli tanmlanabilir ve kanattaki diferansiyel (erisel) ksmn

analizi yaplabilir. Glauert ise akm tp analizini kullanarak tek boyutlu momentum

teorisi ve Kanat Eleman Teorisini kullanarak kendi modelini gelitirmitir [15].Yukarda bahsedilen teorilerde 2 boyutlu ak olduu kabul edilerek analizler

yaplmtr.

Prandtl ise kanatlar iin Kaldrma izgisi Teorisini gelitirmitir. Bu model ile

yatay eksenli rzgr trbinlerinin performans tahmininde yeni bir boyut ortaya

kmtr. Kaldrma izgisi teorisi, kanat zerindeki kaldrmann dalmnn

hesaplanmas iin gelitirilmi yoldur. Kaldrma yzeyleri metodu ise karmak

kanat ekilleri iin yararl bir hesaplamadr. Deiik serbest rzgr hzlar iin

yaplan dier bir alma ise Girdap Teorisi dir [13].

4.3. deal Disk Teorisi ve Betz Limiti

Rzgrdan enerji elde etmek iin kurulacak trbinin boyutlar aerodinamik yap ile

dorudan ilikilidir. Sistem ne kadar ideal olursa olsun rzgrdan elde edilecek

enerjinin bir st limiti vardr. Betz tarafndan 19191926 ylnda belirlenen bu limite


32/113

17

Betz limiti denir [11, 16, 17, 14]. Betz sz konusu teoriyi hesaplarken hareketli

diskin nnde, zerinde ve gerisindeki hava akmlar iin enerjinin korunumu

kanunlarn kullanmtr. Betzin ideal disk teorisine gre;

Diskten geen havann ak hz, disk alannn her noktasnda eit olmasna ramen

basn ani olarak der. Bu basn farkndan dolay diskin hareket enerjisi artm

olur. Betz teoremine gre hesaplama yaplrken, akn srekli, homojen ve

sktrlamaz olduu, disk zerindeki basn deiiminin disk zerindeki her noktada

ayn olduu, sonsuz sayda kanat olduu ve diskin nnde ve arkasnda trblans

olmad kabullenilmektedir.

deal disk teorisinin analizi, kontrol hacmi alnarak yaplr. Burada kontrol hacminin

snrlar ekilde gsterildii gibi akm tpnn snrlar ve akm tpnn iki ucudur

(ekil 4.2).

ekil 4.2. Akm tpndeki hareketli diskten geen idealletirilmi ak [7,16]

Burada diskin iinden geen hava ak hznn srekli olduu varsaylrsa;

2 3 RU U U= = (4.1)

yazlr. Sabit debili bir akta diskten geen havann debisi ise;

Rm AU= (4.2)


33/113

18

olur. Tm sistemi evreleyen kontrol hacminde lineer momentumun korunumu ilkesi

uygulanr, bylece kontrol hacminin ierisindeki net kuvvetler bulunur. Bernoulli

fonksiyonu, hareketli diskin her iki tarafndaki kontrol hacminde de kullanlabilir.

Serbest ak ve rotorun n taraf arasnda ve rotorun arka taraf ile oluan dalga

arasnda srasyla Bernoulli fonksiyonu uygulanrsa;

2 21 1

2 2o u R p U p U + = + (4.3)

2 21 12 2d R O w

p U p U + = + (4.4)

Burada T rotordaki rzgr kuvvetidir ve itme kuvveti olarak adlandrlmaktadr. tme

kuvveti, hareketli diskin her iki tarafndaki kuvvetlerin toplam olarak da aadaki

ekilde ifade edilebilir:

'T Ap= (4.5)

Buradap hareketli disk yzeyindeki basn azalmasn ifade etmektedir.

' ( )u d p p p= (4.6)

E. 4.3 ve E. 4.4 nolu Bernoulli denklemini kullanlarak basn azalmas;

2 21' ( )2 w

p U U

= (4.7)

olarak yazlabilir. E. 4.7, E. 4.5 nolu eitlikte kullanrsa;

2 21 ( )2

wT A U U = (4.8)

olur. Rotor dzlemindeki hz ise;


34/113

19

2w

R

U UU

+= (4.9)

olarak ifade edilebilir. Bylece, rotor dzlemindeki rzgr hz basit bir model

kullanlarak ortalama olarak bulunur. E. 4.9 nolu eitlikten grld gibi hareketli

disk zerindeki ak hz, diskin nndeki ve arkasndaki hzlarn aritmetik

ortalamasdr. E. 4.9 nolu eitlie gre Uw


35/113

20

ekil 4.3. Akm tp boyunca hz ve basn dalm [7, 17]

Rotordaki g k (P) ise, itme kuvvetinin ve rotor dzlemindeki rzgr hznn

arpmna eit olarak u ekilde belirlenir;

RP TU= (4.13)

Yazlr. E. 4.8 nolu eitlik E. 4.13 nolu eitlikte kullanlrsa;

2 21 ( )2

w RP A U U U = (4.14)

eitlii elde edilir. Daha nce yazlan E. 4.11 ve E. 4.12 nolu eitliklerden UR ve

Uw deerleri E. 4.14 nolu eitlikte yerine yazlrsa;

2 32 (1 )P Aa a U = (4.15)

eitlii elde edilir. Trbin g katsays ise;

3 21

2

p

Pc

U R

= (4.16)


36/113

21

eitlii ile ifade edilebilir. G katsays cp ise, E. 4.15 nolu eitlik E. 4.16 nolu

eitlikte kullanlrsa,

24 (1 )pc a a= (4.17)

haline gelir. Maksimum g katsaysn cp bulmak iin E. 4.17 nolu eitliin trevi

alnp, sfra eitlenirse (a=1/3 olarak alndnda) ;

max

16

( ) 0.592627pc = =

elde edilir. Bulunan bu deer, ideal ortam artlarnda, rzgrdan ekilebilecek

enerjinin teorik olarak en st limitidir [16]. deal alma artlarnda rotor serbest

ekilde akan rzgrn ancak 2/3 nnden faydalanabilir. Fakat pratik kullanmda

istenilen ideal alma artlar salanamayacandan bu limite ulalmas zordur.

Bunun temel nedenleri; rotor gerisindeki dairesel dalgalar, snrl saydaki kanat

says ve kanat u kayplar ile aerodinamik srtnmedir.

4.4. Genel Momentum Teorisi

deal disk teorisi zerine gelitirilen bu teoride kanat arkasndaki ak izgilerinde

akn dner hareket etmedii kabul edilir. Ayrca hareketli diskin yerine trbin

kanatlar bulunmaktadr. Bu durum hzda herhangi bir deime olmadan akta ani

basn dmesine neden olmaktadr. Genellikle, ak, kanat maksimum dndrme

momentine ulanca dngsel hareket alr. Sz konusu dngsel hareket enerji

kaybn ifade etmektedir. Dngsel hareketin etkilerini ieren teoriyi geniletilerek,

eksenel ve radyal bileenlerin deimeden kald zamanda dnel bileenin

bulunmas gerekmektedir.

Akm tp analizi kullanarak, dalga hz ve rotordaki rzgr hz arasndaki iliki

eitliklerle ifade edebilir. Trbin rotorundan geen akn akm tpndeki geometrisi

ekil 4.4de verilmitir.


37/113

22

ekil 4.4. Rotordan geen akn akm tpndeki geometrisi [7]

ekil 4.4de ekle gre, r rotor dzlemindeki herhangi bir yaraptaki kanat

elemannn mesafesini, u ve v ise aktaki yatay ve dey hzlar gstermektedir. pu

ise i aktaki basnc, p ise rotor dzleminden kan akn asal hzla bal olarak

azalan basnc gstermektedir. Dalgada ise pw basnc, uw eksenel hz ve ww ak

tp ekseninden rw yarap mesafesindeki asal hz gstermektedir.

Rotordaki dairesel eleman iin akn sreklilii uygulanrsa;

urdrdrru www = (4.18)

Pervaneden geen rzgr akn asal momentumunun sabit olduu kabul edilirse;

2 2w ww r wr = (4.19)

Dolaysyla kanat elemann dndrme momenti,

2dQ uwr dA= (4.20)

Olur. Burada 2dA rdr =

Rotor dzlemi

Ak izgileri


38/113

23

Bernoulli denklemi, ak tpnde diskten nce ve sonraki enerjiler dnlerek

yazldnda;

21

2o o H p U = +

2 21 ( )2

u p u v= + +

2 2 2 21 1 ( )2

dH p u v w r = + + +

2 2 21 ( )2

w w w w p u w r = + +

Bylece

2 21 1' ( )

2oH H p w r = (4.21)

olur. E. 4.21 nolu eitlik, kanat eleman zerinden geen toplam basntaki azalmay

gstermektedir. Toplam basn ise;

2 2 2 21

1 1( ) ( )

2 2o w w w w op p u U w r H H = + +

2 2 2 2 2 21 1( ) ( ) '2 2

w w wu U w r w r p = + + (4.22)

eitlii ile bulunabilir. Ani basn dn (p) bulmak iin, Bernoulli eitlii

kanadn giri ve k akna uygulanabilir. Kanatlar asal hz ile dnmektedir.

Rotor arkasndaki ak, rotordaki akn dndrme momentinden dolay rotora ters

ynde dner. Bundan dolay kanattaki havann asal hz dan (+w)ya artar

ancak hzn eksenel bileenleri sabit kalr. Bu sonu;


39/113

24

2 2 21' [( ) ]2

p w r = +

2( )2

wwr= + (4.23)

eklinde ifade edilebilir. Sonuta, E. 4.23 nolu eitlik ile E. 4.19 ve E. 4.22 nolu

eitlikler birletirilirse, kanat gerisindeki basn d;

2 2 21 ( ) ( )2 2o w w w ww p p u U w r = + + (4.24)

olur. Kanat gerisindeki basn grandyant, aktaki merkezka kuvvetini dengeler ve

aadaki eitlie dntrlr:

2ww w

w

dpw r

dr= (4.25)

E. 4.24 nolu eitliin rw ye gre diferansiyeli alnr ve E. 4.26 nolu eitlie eitlenir.

Diferansiyel eitlik dzlem sonrasndaki eksenel ve dnel hzlara bal olarak

aadaki gibi bulunur;

( ) ( )2 2 21

2w w w w

w w

d dU u w w r

dr dr

= + (4.26)

Daha sonra kanat eleman iin eksenel momentum eitlii aadaki gibi olur.

( ) ( )w w w o w wT u U u dA p p dA = + (4.27)

E. 4.27 nolu eitliin diferansiyeli alnm hali ise aadaki gibidir:

( ) ( )w w w o w wdT u U u dA p p dA = + (4.28)


40/113

25

Rotor dzlemindeki basn d, dTaadaki gibi yazlabilir,

'dT p dA= (4.29)

E. 4.23 nolu eitlikteki deer E. 4.29 nolu eitlikte yerine konulursa,

2

2

wdT wr dA

= +

(4.30)

ifadesi elde edilir. Sonu olarak E. 4.18, E. 4.22, E. 4.28 ve E. 4.30 nolueitliklerin birletirilmesiyle;

[ ]2 21 2 2

2

w

w w w w

w

w w

U u u w r u U

+ +

=

(4.31)

Elde edilir. E. 4.18, E. 4.19, E. 4.26 ve E. 4.31 nolu eitliklerin, kanadn itmekuvveti ve dndrme momenti hakknda karar vermeye yeterli olmaktadr. rnek

olarak, eer asal hz ww yarapn (r) fonksiyonu olarak istenirse, E. 4.31 nolu

eitlikten eksenel hz uw bulunur. Sonra E. 4.31 nolu eitlik, E. 4.18 ve E. 4.26

nolu eitliklerle birlikte kullanlarak rotor dzlemindeki eksenel ve dairesel hzlar

bulunabilir. Rotorun itme kuvveti ve dndrme momenti E. 4.30 nolu eitlik ve E.

4.20 nolu eitlikten bulunur. Bu eitliklerin karmaklndan dolay, ak

izgisindeki dngsel hzlar kesin sonular bulmak iin ok kktr bu yzdenihmal edilebilir.

Genel momentum eitliklerinin kesin zm, kanat arkasndaki akn eksen

boyunca dngsel olmad zaman bulunabilir. Bu koullar, dngsel momentumun

wr2 tm radyal elemanlar iin ayn deere sahip olduunda kabul edilir. E. 4.29 nolu

eitliin etkisiyle, eksenel hz, uw eitliin sa taraf sfr olduundan dolay yarap

boyunca sabittir.


41/113

26

u ve uw eksenel hzlar aadaki gibi yazldnda,

(1 )u U a=

(1 )wu U b=

u ve uw deerlerini veren eitlikler, E. 4.31 nolu eitlikte yerine konulduunda;

( )

( )

2

2

1

12 4

a bba b a

= (4.32)

elde edilir. Yaklak zm iin, varsaymlar yaplr. Asal hz w kanatn asal hz

ile karlatrldnda ok kktr ve bu yzden genel eitlikte w2 ihmal edilerek

basitletirmek mmkndr. Rotor gerisindeki havann basnc pw rotor ncesindeki

ilk basnca po a eittir ve rotor diskten geen basncn azalmas p toplam basn

azalmasna (Ho-H1)eittir. tme kuvveti ve eksenel hz arasndaki iliki basit

momentum teorisi ile ayndr, rotor dzlemindeki eksenel hz u [ )1( aUu = ],

serbest akan rzgrn hzna U cinsinden yazlrsa kanat elemann itme kuvveti, E.

4.33 nolu eitlikteki gibi elde edilir,

2 ( )dT u u U dA =

24 (1 )U a a rdr = (4.33)

E. 4.23 nolu eitlik E. 4.33 nolu eitliin iinde yazlrsa;

'dT p dA=

32 ( )2

wwr dr +


42/113

27

Asal akm faktr ' 2a w=

2 34 '(1 ')dT a a r dr = + (4.34)

E. 4.33 ve E. 4.34 nolu eitliklerde verilen itme kuvvetleri iin iki ifade

eitlendiinde, eksenel ak faktr a ve asal ak faktr a arasndaki iliki

bulunur:

2 22

2

(1 )

'(1 ') ra a r

a a U

= = (4.35)

Rotordaki her elemann dndrme momenti E. 4.20 nolu eitlikten bulunur;

2dQ uwr dA=

34 '(1 )U a a r dr = (4.36)

Her radyal eleman iin oluturulan g, dP aadaki eitlikle ifade edilir;

dP dQ= (4.37)

dQ E. 4.36 nolu eitlikten, E. 4.37 nolu eitliin iine yerletirildiinde, lokal u

hz oran r tanmlanrsa, kanattaki her bir radyal eleman iin g,

3 3

2

1 8'(1 )

2r rdP AU a a d

=

(4.38)

eklinde ifade edilir. Her bir halkadaki artan g katsays;

31

2

p

dPdC

U A

= (4.39)


43/113

28

eitlii ile ifade edilir. E. 4.38 nolu eitlik E. 4.39 nolu eitliin iinde

konulduunda ve elemantal g katsaysnn gbekteki lokal u hz oranndan h, u

hz oranna kadar integrali alnrsa Cp,

3

2

8'(1 )

h p r r C a a d

= (4.40)

olur. E. 4.40 nolu eitliin integralini almak iin a, a, ve r deikenleri arasndaki

ilikinin bilinmesine ihtiya duyulmaktadr. E. 4.35 nolu eitliin zlerek a, a

cinsinden aadaki gibi yazlr:

( )21 1 4

' 1 12 2 r

a a a

= + + (4.41)

E. 4.40 nolu eitlikteki '(1 )a a deeri maksimum olduu zaman mmkn olan

maksimum g retimi iin aerodinamik koullar meydan gelmektedir.

'(1 )a a terimi E. 4.41 nolu eitliin iine a deerini bulmak iin kullanlrsa ve a

ya gre trevi alnp sfra eitlendiinde:

22 (1 )(4 1)

(1 3 )ra a

a

=

(4.42)

olur. E. 4.24 nolu eitlik E. 4.17 nolu eitliin iine konulursa, her bir halka iin

maksimum g aadaki gibi bulunur;

(1 3 )'

(4 1)

aa

a

=

(4.43)

Eer E. 4.42 nolu eitlik a ya gre arpanlarna ayrlrsa, dr ve da arasndaki

matematiksel eitlik aadaki gibi olur,


44/113

29

2

2

6(4 1)(1 2 )2

(1 3 )r r

a ad da

a

=

(4.44)

Daha sonra E. 4.42, E. 4.43, E. 4.44 nolu eitlikler E. 4.40 nolu eitliin iine

yerletirilirse,

2

1

2

,max 2

24 (1 )(1 2 )(1 4 )

(1 3 )

a

p a

a a aC da

a

=

(4.45)

elde edilir. E. 4.42 nolu eitlik kullanlarak;

2 2 2

2

(1 )(1 4 )

(1 3 )

a a

a

=

(4.46)

E. 4.46 nolu eitlikte a2=1/3 olduunda, maksimum g katsaysna ulalm olur.

Eer =5 olarak kabul edilip zm yaplrsa a2=0,3324 ve cpmax ise 0,57 olur.

Genel momentum teorisinin sonular ekil 4.5da verilmitir. Grafikte, nceki

blmde analiz edilen lineer momentuma gre ideal trbin iin Betz limitleri de

gsterilmitir. Sonu olarak u hz oran artka, maksimum g katsaysnn da art

grlmektedir [16].


45/113

30

ekil 4.5. U hz oranna gre g katsaysnn gsterimi [7]

4.5. Kanat Eleman Teorisi

Rzgardan maksimum derecede g ekilebilmesi iin rzgar trbinin kanat

yapsnn optimum dzeyde tasarlanmas gereklidir. Glauert almalarnda Betzden

farkl olarak, rotor sonrasnda oluan girdapl akm da hesaba katmtr. Bylece

teori optimum kanat tasarm da nem kazanmtr [17]. Glauertin teorisine gre;

- Hava akm homojen, trblans sz ve sreklidir,- Rotorum gerisinde silindirik bir iz meydana gelmektedir.- Kanatn her bir eleman bir sonraki kanat elemanndan bamsz hareketetmektedir.

- Uygulamada kullanlacak olan profilin karakteristikleri her bir elemana adapteedilmitir.

Kanat eleman teorisi iki ana esasa dayanr. Kanat elemanna etki eden kuvvet ve

momentler; kanat profilindeki kaldrma ve srkleme kuvvetlerine baldr. Her bir

kanat elemannn bamsz hareket etmesi kabulnden dolay her bir kanat eleman

Genel momentum Teorisi

Betz teorisi

U hz oran ()

G Katsays Cp


46/113

31

zerine gelen kuvvetler, blgesel rzgr hzlar ile hesaplanr [14]. Kanat eleman

teorisi, hava iindeki hareketinden dolay kanatlarn davrann analiz eden alternatif

bir yntemdir. Bu analizde ekil 4.6de gsterildii gibi, kanadn N tane paraya

veya elemana blnd kabul edilmektedir ve her bir kanat eleman iin kabul

edilen aerodinamik kuvvet, kanat elemanlar iin adapte edilen ayn kesitin uygun

kanat profilindeki kuvvetler olarak dnlmektedir. Her bir elemann davran,

ayn kanadn bitiik elemanlar tarafndan etkilenmez, kanat ucundaki kuvvet kanat

boyunca tm elemanlarndaki kuvvetlerin birbirine eklenmesiyle bulunabilir [7].

Kanat eleman ematik grn ekil 4.6da verilmitir.

ekil 4.6. Kanat elemanlarnn ematik grn

Kanat kiriine etkiyen kuvvetlerin analizi ekil 4.7de gsterilmitir.

ekil 4.7. Kanat kirii

Kiri

Hatt


47/113

32

ekil 4.7e dayanlarak aadaki eitlikleri elde etmek mmkndr.

(1 )

sin( )relU a

U

= (4.47)

(1 ) (1 )tan( )

(1 ') (1 ') r

U a a

r a a

= =

+ +(4.48)

21

2

D D reldF C U cdr = (4.49)

21

2 L L reldF C U cdr = (4.50)

cos sinL DdT dF dF = + (4.51)

sin cosL DdL dF dF = (4.52)

Eer rotorda B adet kanat varsa, elemann r mesafesinde etkiyen tm normal ve

teetsel kuvvetler E. 4.51, E. 4.52 nolu eitlikler ile E. 4.47, E. 4.49, ve E. 4.50

nolu eitlikler kullanlarak aadaki ekilde yeniden dzenlenebilir:

21 ( cos sin )2

rel L DdT B U C C cdr = + (4.53)

21 ( sin cos )2

rel L DdL B U C C cdr = (4.54)

Teetsel kuvvetler nedeniyle oluan moment (dL) merkezden r mesafesindeki

almalarda aadaki eitlikle bulunabilir:

dQ rdL= (4.55)


48/113

33

Bylece E. 4.54 nolu eitlik E. 4.55 nolu eitlie eklenerek dnme momenti

aadaki ekilde bulunur:

21 ( sin cos )2

rel L DdQ B U C C crdr = (4.56)

ekil 4.7 deki kanada ait hz izelgesinden, bal rzgar hz aadaki gibi

yazlabilir,

(1 )sinrel

U aU

= (4.57)

katlk katsays ise;

2

Bc

r

= (4.58)

ifadesi ile tanmlanabilir ve E. 4.57 ve E. 4.58 nolu eitlikler E. 4.53 ve E. 4.56

nolu eitliin ierisine eklenerek, itme kuvveti ve dnme momentinin eitlikleri

aadaki genel yapya dntrlebilir:

2 2

2

(1 )( cos sin )

sinL D

U adT C C rdr

= (4.59)

2 2

22(1 ) ( sin cos )sin

L DU adQ C C r dr

= (4.60)

E. 4.59 ve E. 4.60 nolu eitlikler; rotor blmndeki normal itme kuvvetini ve

teetsel kuvvetleri (dnme momenti); kanatlarn ak alarnn ve kanat profili

karakteristikleri fonksiyonu olarak tanmlanmaktadr.

Kanat eleman teorisinin gelitirilmesi iin aadaki kabullenmelerin yaplmas

gereklidir:


49/113

34

a) Elemann davran ayn kanattaki bitiik elemandan etkilenmez.b) Kanat profillerinin zellikleri kanat elemanlar iin geerlidir.Kanat eleman teorisi ve sonra gelitirilen teorilerde kabul edilen bamsz kanat

elemanlar ile genel momentum teorisindeki kabullenmeler birbirine benzerdir. Bu

teoride rotordaki itme kuvveti

2 ( )dT u u U da = (4.61)

olarak ifade edilir. Bu yaklamla, rotor merkezine r mesafesindeki kanat

elemanndaki itme kuvveti, kendisinden sonra gelen kanat elemann itme

kuvvetinden bamszdr.

4.6. Kanat Eleman Momentum Teorisi

Kanat Eleman Momentum Teorisi olduka yaygn geerlilii olan teorilerden biridir.Genel momentum teorisi ve kanat eleman teorisinin birleiminden olumaktadr.

+=

tan1

sin4

cos)(

)1( 2 L

DL

C

CC

a

a(4.62)

Genel momentum teorisi ve kanat eleman teorisindeki eitliklerin trevi alnrsa;

=

cot1

sin4

)(

)1(

'

L

D

r

L

C

CC

a

a(4.63)

bulunur. Hzlarn oluturduu geometriden;

+

=

ra

Ua

)'1(

)1(tan


50/113

35

elde edilir ve E. 4.48 nolu eitlik kullanlarak E. 4.63 nolu eitliin iinde

kullanlrsa E. 4.64 nolu eitlik elde edilir;

=

+

cot1

cos4

)(

)'1(

'

L

DL

C

CC

a

a(4.64)

eitlii bulunur. Daha nceki blmde de ifade edildii gibi kanat profili

performansnn iyi olabilmesi iin kaldrma katsaysnn yksek, srkleme

katsaysnn dk olmas gerekmektedir. Dolaysyla dk CD/CL oran ihmal

edilirse;

2sin4

cos)(

1 LC

a

a=

(4.65)

eitlii elde edilir. Bu eitlik aadaki gibi yeniden dzenlenebilir.

( )

sin4'1

'r

LCa

a =+

( )

sin4)1(

'

r

LC

a

a=

(4.66)

Trbin kanat tasarm iin kullanlan dier bir ifade ise u hz orandr. Rotor yarap

R ise, u hz oran;

R

U

= (4.67)

yazlabilir. Kanat tasarmndaki her bir para birbirinden bamsz hareket ettii iin

yerel u hz oran ise;

rr r

R U

= = (4.68)


51/113

36

olur. E. 4.65 ve E. 4.66 nolu eitlikler kullanlarak aadaki eitliklerin elde

edilmesi mmkndr.

( )

( )

cos sin4sin

sin cosr

L

r

c

=

+(4.69)

( )

2

1

4sin1

cosL

a

C

=

+

(4.70)

( )

1'

4cos1

L

a

C

=

(4.71)

' tanra

a

= (4.72)

Rzgr trbininin g katsaysn belirlemek iin, her yaraptaki g katksnn

bulunmas ve kanat boyuna gre integralinin alnmas gerekir Aadaki eitlik

kullanlarak g katsaysnn cp bulunmas mmkndr:

3 21

2

p

Pc

U R

= (4.73)

Her bir kanat elemannn gc, aadaki eitlikle tanmlanr;

dP dQ= (4.74)

ve rotordaki toplam g de aadaki eitlikle ifade edilirse:

h h

R R

r rP dP dQ= = (4.75)


52/113

37

E. 4.73 nolu eitlik ve E. 4.75 nolu eitlik aadaki gibi tekrar yazlabilir:

3 3 21 1

2 2

h

R

r

p

dQP

cU A U R

= =

(4.76)

Elemental tork ifadesi kullanlarak g katsays;

2

222 (1 ) 1 cotsin

D p L r r

L

Cac C dC

=

(4.77)

eitlii ile belirlenir. E. 4.65 ve E. 4.72 nolu eitlikler E. 4.77 nolu eitlikte

kullanldnda, g katsaysnn genel formu aadaki gibi ifade edilebilir:

( )328

' 1 1 cot

h

D p r r

L

Cc a a d

C

=

(4.78)

CD0 olduu zaman, cp genel momentum eitliindeki halini alr. Daha deiik bir

ifade ile E. 4.69 ve E. 4.70 nolu eitlikler E. 4.77 nolu eitliin iinde

kullanldnda;

( ) ( )2 228

sin cos sin sin cos 1 coth

D p r r r r

L

Cc d

C

= +

(4.79)

elde edilir.


53/113

38

5. KANAT TASARIMI

5.1. Genel

Kanat Eleman Momentum Teorisini kullanarak kanat kirii hesaplamas gnmzde

en yaygn olarak kullanlan yntemdir. Sz konusu yntemde tahmini bir kanat kiri

deeri belirlenerek Reynolds says hesaplanmakta ve Reynolds saysna gre

kanadn kaldrma ve srkleme katsays belirlenerek maksimum g bulunmaktadr

[18].

Jung et al. [19] 30 kWlk iki rotora sahip olan bir trbinin boyutlandrmasnda

Glauert momentum teorisinden faydalanmlardr. Badreddinne [15] ise kaldrma

izgisi teorisini esas alarak girdap teorisi ile boyutlandrma yapm, bulduu

sonular kanat eleman momentum teorisi ile karlatrmtr. Daha nceki blmde

bahsedilen kanat eleman momentum teorisi, rotordaki kanat saysnn performansa

olan etkisini tam olarak belirleyememektedir. Bu nedenle performans analizinde

kanatlardaki u kayplarnn da dikkate alnmas daha uygun olmaktadr.

5.2. U Kayplar

Daha nce bahsedilen varsaymlarda rotor kanadnn sonsuz sayda olduundan

hareket edilmitir. Bu varsaym yardmyla rotor dzleminden ve iz blgesinden

geen akn radyal hz ihmal edilerek eitlikler tretildi. Ancak, ak hattnn

snrnda, kanat ularndan dolaan havann hz da nemlidir. nk kanadn emme

yzeyindeki basnc, basn yzeyindekinden dktr. Dolaysyla kanat ucuna

yaklatka kaldrma kuvveti ve g rzgrn u ksmlardan kaybolmasndan dolay

azalmaktadr. Sz konusu radyal akn ve u kayplarnn etkilerini tahmin etmek

iin Prandtl tarafndan bir model nerilmitir [7, 14, 16].

Prandtl, bu yntemde trbin arkasnda oluan helisel girdap tabakalarnn, d akma

gre eksenel hza eit bir hzda, kat dzlemler eklinde hareket ettiini belirtmitir.


54/113

39

Hesap kolayl asndan bu dzlemleri, aralarnda d kadar mesafe bulunan paralel

ince levhalar olarak incelemitir [17].

Levhalarn ucuna doru iki levha arasndaki potansiyel farkn azalma miktarnn,

rotor palasnn evresindeki sirklsyonunun azalma miktarna eit olduu

varsaylarak Fu dzeltme katsays, aadaki gibi belirlenmitir [20]:

1

122

cos exp

sin

B r

RF

rR

=

(5.1)

lem kolayl asndan F aada belirtilen koullarda 0 veya 1 olarak alnr[7, 11],

0


55/113

40

cosa

rU

R

V

= (5.2)

U hz oran () kanatl rzgr trbinleri iin yaklak 5 olarak alnabilir. Rzgrn

rotor dzlemine arpt a ise, aadaki gibi hesaplanr:

12 tan3

R

r

=

(5.3)

olur. Reynolds saysnn hesaplanabilmesi iin tahmini bir kiri uzunluunun

bilinmesi gereklidir. Kiri mesafesi, c;

2

16

9

RR

rc

B

= (5.4)

eitlii ile elde edilir. Bulunan bu deerler E. 5.5 nolu eitlikte yerine konulduunda

Reynolds says elde edilmi olur,

Re 68500 ac V= (5.5)

Yazlan programda ise Reynolds saysnn hesabnda kanadn orta noktas esas

alnmtr. Hesaplanan Reynolds saysna bal olarak belirlenen kanat tiplerinin

srkleme-kaldrma katsaylarna baklarak en uygun kanat seimi yaplr;

L

D

C

C= (5.6)


56/113

41

5.4. Kanada likin Hesaplamalar

Kanat eklinin tasarm, rotordan maksimum g elde edilecek ekilde bilinen

parametrelerle yaplr. Kanat uzunluu boyunca kiri-uzunluk (c-R) ve kanat as ()

hesaplanr. Bu nedenle hesaplamalara balamadan nce u hz oranna karar

verilmelidir. U hz oranna bal olarak, maksimum g katsays (cp) ise genel

momentum teorisinde u hz oran =5 kabul edilerek 0,57 olarak belirlenir. Kanat

profili seilmeden nce kanadn verimine srkleme/kaldrma oranna bal olarak

kanat verimi hakknda yaklamda bulunulmas gerekir. ekil 5.1 de ise kanat

dzleminde oluan alar gsterilmitir.

ekil 5.1. Kanat alar

Rzgr as ve blgesel u hz oran arasndaki ilikiden dolay,

=

r

opt

1tan32 1 (5.7)

olur. Optimum rzgr as iin blgesel u-hz orannn bulunmas gerekir. Kanat

eleman momentum teorisi ile birlikte u-kayp katsays hesaba katlrsa seilen

kanat iin rotordan maksimum g elde edecek ekilde boyutlandrma yaplr.

Boyutlandrma ilemi verilen kanat boyunun N paraya blnerek her bir istasyon

iin ayr ayr hesaplama yaplarak gerekletirilir. Kanat eleman iin blgesel u

kayp katsays,


57/113

42

=

R

riir , (5.8)

olur. E. 5.7 nolu eitlie gre her bir kanat eleman iin optimum rzgar as,

=

ir

iopt

,

1,

1tan

3

2

(5.9)

olarak hesaplanr. E. 5.10 nolu eitlikten her bir kanat eleman iin u kayp faktr,

=

iopti

i

i

R

r

R

rB

F

,

1

sin

12

expcos2

(5.10)

bulunur. Kanat boyunca kiri uzunluunun dalm, her bir eleman iin,

( )ioptirioptioptiriopt

L

ioptii

iBC

Frc

,,,

,,,,

cossin

sincossin8

+

= (5.11)

olur. Kanat as ise,

= iopti , (5.12)

eitlii ile belirlenir. E. 5.13 nolu eitlik kullanlarak trbinin retecei tahmini g

bulunabilir:

30,6 p Ne C N U = (5.13)

eitlikte jeneratr verimi (N) 0,8 alnmtr.


58/113

43

6. KANAT TASARIMI GELTRLEN BLGSAYAR PROGRAMI

6.1. Genel

Bu alma kapsamnda; nceki blmlerde belirtilen kanat tasarm parametreleri ve

kanat eleman momentum teorisi erevesinde yatay eksenli rzgr trbini kanat

tasarmn bilgisayar destekli olarak gerekletirecek bir bilgisayar program

gerekletirilmitir. Gelitirilen program sayesinde kanadn kiri uzunluu, kanat

as ve elde edilecek tahmini g hesaplanm olacaktr. Kanat kiri mesafesi ve

kanat as ne kadar kk aralklarla hesaplanrsa elde edilen sonu o kadar gereki

olacaktr. Microsoft Visual C#.NET 2.0 tabanl olarak Kanat Simlasyonu program

kodlanmtr. Programn gelitirilmesinde sz konusu yazlmn kullanlmasnn

nedenleri unlardr;

a) XML tabanl bir yapya sahiptir (metin tabanl olduu iin kullanm kolaydr).

b)

Oluturulan veritabanyla kolay iletiim salamaktadr.

c) Program gelitirme srasnda kolaylk salamakta ve ierdii nesneler yardmylafazla kod yazmaya gerek duyulmamaktadr.

d) Programn derlenmesi (altrlmas) olduka hzldr.e) Veritaban ile balant srasnda gerekli olan ktphane dosyalar programnierisinde yer aldndan dolay kullanm srasnda farkl bir veritaban balant

yazlmna gerek duyulmamaktadr.

f) Grafik yazm iin ek nesnelere gereksinim duyulmamaktadr. Yazlmn kendiiindeki nesneler bu husus iin yeterlidir.

Gelitirilen program ile deiik kanat tiplerinin tasarm ekillerinin

karlatrlabilmesi mmkn olacaktr. ncellikle program iin gelitirilen

algoritmadan bahsedilecek ve daha sonra programa ilikin yaplan rnek bir

hesaplama aklanacaktr.


59/113

44

6.2. Kanat Simlasyonu

Gerekletirilen bilgisayar programnn temel amac Trkiyenin herhangi bir

blgesinde veya rzgr hz bilinen bir yerde kurulmas istenilen rzgr trbinin

kanat uzunluuna bal olarak gerekli boyutlandrmasnn yaplmasdr. Yaplan

boyutlandrmann programn nerecei kanat tipleriyle karlatrlmas da mmkn

olabilecektir. Programn ak diyagram ekil 6.1de verilmitir.


60/113

45

ekil 6.1 Kanat simlatr programn akemas

E

H

Bala

BlgelerRzgarHz, V

Grnr Rzgrhz, Va

KanatUzunluu R

1


61/113

46

Programn ara yz ekil 6.2de gsterilmitir.

ekil 6.2. Programn ara yz

Program hakkndaki genel bilgiler aada zetlenmitir:

a) Program Microsoft Visual C#.NET 2.0 da kodlanmtr.b) Programn iki girdisi, drt kts bulunmaktadr.c) Programn girdisi olarak blge veya rzgr hz ve istenen kanat boyu, ktolarak kanat kiri uzunluu, kanat as, retilmesi planlanan g ile Reynolds

saysdr.

d) Ayrca programda hesaplatlan kanat kiri deerlerini grafik olarak elde etmek demmkn olacaktr.

e)

Kanadn kiri mesafesi ve oturma as 0,01 m aralklarla hesaplanacaktr.


62/113

47

f) Program istediimiz giri deerlerine gre hesaplama yaparak bulduu Reynoldssaysna yakn olan kanat tipinin n, ikisini veya birini seme imkn

vermektedir.

g) Eer istenirse seilen kanat tiplerinin veya tipinin grafiini verebilir.6.3. Kanat Simlatr Programyla Kanat Tasarm

ekil 6.3de grld zere; programa giri verileri olarak rzgr hz ve istenen

kanat uzunluu deerleri girilir. Rzgr hz iin istenirse programn bilgi bankasnda

kaytl olan blgelerden biri seilebilir veya dorudan saysal deer yazlabilir.

Programn bilgi bankasnda bulunan blgeler izelge 1.4 de verilmitir. Programda

girilebilecek kanat uzunluu ise 1 ile 55 metre arasnda snrlandrlmtr. Bunun

nedeni ticari olarak yaplan rotorlarn aplarnn yaklak 40 ila 65 metre olmasdr.

Ufak apta yaplanlar ise 2 ila 9 metre arasnda deimektedir.

ekil 6.3. Programn girdileri


63/113

48

ekil 6.3de rnek giri verileri yazlmtr. ekilde rzgar trbini planlamas yaplan

yer olarak Bandrma seilmitir. Kanat boyunun ise 23 metre olmas istenmitir.

Program yaygn olarak kullanmndan dolay verilen girdi koullarnda 3 kanatl

trbin tasarm iin simlasyon yaplacaktr. kanatl trbinler iin ideal olan u

hz orannda kanadn boyutlandrlmas yaplr. Sonu olarak rotorun ap hesaba

katlarak g hesab yaplr. Programdaki hesapla butonuna basldnda program

ak diyagramnda gsterildii gibi hesaplanan Reynolds saysna gre 3 adet kanat

tipi nermektedir (ekil 6.4). Programn veri tabanna girilen ve piyasada yaygn

kullanm alan bulan kanat modelleri ile sz konusu modellere ilikin hesaplanan

Reynolds says deerleri izelge 6.1de verilmitir.

ekil 6.4. nerilen kanat tipleri

Programn nerdii 3 kanat tipinden istenilenler seilerek (ekil 6.5) ve Tamam

butonuna baslarak kanat boyunca kirii 0,01m aralklarla kiri genilii ve kanat

as deerleri hesaplanmaktadr (ekil 6.6).

ekil 6.5. Seilen kanat tipleri


64/113

49

izelge 6.1. Programn veri tabannda kullanlmak zere seilen kanat modelleriffffvvvvvvvvve bu modele ilikin hesaplanan Reynolds says deerleri

Kanatlar Reynolds saylar

A18 SM 203000, 300000, 302600

AQUILA SM 203900, 301100

GOE 417 A 297500, 398800

ESA 40 200600, 301600, 398100, 403800

DAVIS SM 198600, 297900

J 5012 201900, 303100

CLARK Y 203800, 301200

FALCON 56 MK 2 200000, 301300, 401700

K 3311 SM 201800, 302900

R 140 SM 203000, 199900, 300300

PT 40 200100, 299800, 399100

SPICA SM 202300, 301500

USNPS 4 199300, 299000, 398300

TRANIER 60 200000, 301800, 400000

WASP SM 201600, 302600

WB 140 200500, 307600WB 13535 SM 204000, 302700

CLARK YSM 200000, 299800, 399900

NACA 2414 200500

NACA 2414 301000

NACA 2415 200600

NACA 2415 301100

NACA 25411 200600

NACA 25411 303300

NACA 6409 200100

NACA 2418 2900000

NACA 2412 3100000

NACA 2421 2900000

NACA 1408 3000000

NACA 4412 3000000


65/113

50

Programda kaytl olan blge ve kanat tipleri dnda veri eklenmesi istenirse

programn yardm mensnde sz konusu verilerin nasl ekleneceine ilikin

aklamalar yaplmtr.

ekil 6.6. Programn kt grnts

Program, kanat kiri mesafesini ve kanat asn kanat elemannn balangcndaki

%2lik ksmnda ve kanat sonundaki %2lik ksmda hesaplamamaktadr. Bunun

nedeni, kanadn rotora oturmas iin gerekli ilem kolaylnn salanmas ve kanatu ksmnn yuvarlatlmasdr. ya da iki kanat tipi seilerek aralarndaki

karlatrma yaplmas mmkndr. Ayrca grnt olarak karlatrma yaplmak

istenirse grafik olutur butonuna baslarak kanat grafiklerinin elde edilmesi de

mmkndr (ekil 6.7).


66/113

51

ekil 6.7 Kanat uzunluu boyunca kiri geniliinin deiimini gsteren grafik kts

Ekran ktsnda seilen her bir kanadn kendine ait ayr bir rengi bulunmakta ve

renklerin hangi modellere ait olduu ekrann sa st kesinde gsterilmektedir.

Bylece kanatlar birbirinden ayrt etmek mmkn olmaktadr. Ekran kts

sayesinde seilen kanadn nasl bir ekle sahip olduu kolaylkla grlebilmektedir.


67/113

52

7. SONU VE NERLER

Bu almada, yatay eksenli rzgr trbinlerinin kanat tasarmndaki aerodinamik

esaslar tantlm ve kanat simlatr isimli paket bir program hazrlanarak 3 kanatl

yatay eksenli rzgr trbinlerinin tasarm parametrelerinin belirlenmesi

amalanmtr.

Rzgr trbinlerindeki kanatlar elektrik retimi iin nemlidir. Kanatlar rzgrdaki

enerjiyi alan paralardr. Dolaysyla rzgr ila kanat arasndaki aerodinamik

kuvvetler tasarm iin olduka nemlidir. Rzgr trbininden retilecek enerji

aerodinamik koullar ile snrldr. Kanat tasarm ile ilgili bugne kadar pek ok

teori gelitirilmitir. ncelikle ideal disk teorisinden bahsedilmitir. Burada trbin

veriminin ideal koullarda ancak % 59 olabilecei dolaysyla da ideal disk teorisinin

temel bir model olmasna ramen rzgr trbinlerinin ideal tasarmnda gereki

sonular vermedii belirtilmitir.

Daha sonra, genel momentum teorisinde rotordaki ve rotor gerisindeki hzlarn kanattasarmna olan etkileri analiz edilmitir. Ancak, genel momentum teorisinin kanat

geometrisi asndan uygun sonular vermedii belirtilmitir.

Kanat eleman teorisinde ise kanat geometrisindeki katsaylar kullanlarak rotorun

dnme momenti ve itme kuvveti analiz edilmitir. Sz konusu teori ile rotorun

performans ve rotor geometrisi arasndaki ilikinin desteklendii analiz edilmitir.

Sonu olarak yatay eksenli rzgr trbininin kanat tasarm iin genel momentum

teorisinin ve kanat eleman teorisinin birletirilmesi gerektii; bu teoriye ise kanat

eleman momentum teorisi ad verildii belirtilmitir. Sonular dorusal hale

dntrmek iin u dzeltme metodu (Prandtln u kayp faktr) da hesaba

katlmtr. Bylece rotordaki kanat saysnn etkisi hesaba dhil edilmitir.


68/113

53

Ayrca deiik rzgr hzlar iin eitli kanat tipleri verilerek blgeye uygun kanat

tipinin belirlenmesi salanmtr. Kanat tipinin kolay seilebilmesi iin kanat

simlatr program kodlanmtr. Programda rzgr hz ve kanat uzunluunun

girilmesi yeterlidir. Daha sonra program, en uygun 3 kanat tipinden birisini

kullancya setirme imkn salamakta ve seilen kanat tipine gre gerekli

boyutlandrmay yapmaktadr. stenildiinde sonular da grafiksel olarak da elde

edebilmektedir.

Eer kullanclar bu programdan daha fazla oranda yararlanmak isterlerse veri

tabanndaki kanat profili tiplerini artrabilmektedirler, Bunun iin gerekli aklamalar

yardm blm altnda belirtilmitir. Bylelikle istenilen kanat tiplerinin

karlatrmasn yapabilmek mmkn olmaktadr.

Bilindii zere, kanat profillerinin kaldrma ve srkleme davranlar rzgr

tnellerinde kanat hareketsiz haldeyken llmektedir. Ancak gerek koullarda,

rzgr trbinlerindeki kanatlar hareket halindeyken eilme meydana gelmektedir.

leride yaplacak almalarda sz konusu eilmeler de dikkate alnarak programngelitirilmesi ve uygulamaya daha yakn sonular vermesi salanabilir.

Kanat eleman momentum teorisi bir yaklam yanstmaktadr. Deiik artlar

altnda kanat tasarm yapmak iin yeni yaklamlar gelitirilebilir ve sz konusu yeni

yaklamlar nda benzer paket programlar hazrlanarak karlatrma yaplabilir.

Bu almada, rzgr hznn deimedii kabul edilmitir. Ancak normal artlarda

rzgr hz deikendir. Ani rzgr hz deiimleri kanatlarda zorlamalara

dolaysyla hesaplanan kanat boyutlarnn ilgili blge iin geerli olabilecek

maksimum rzgr hzlar da kontrol edilmesi faydal olacaktr.


69/113

54

KAYNAKLAR

1. zerdem, B., Trkiyede Rzgar Enerjisi Uygulamalarnn Geliimi vebbbGelecei,Mhendis ve Makine, 526: 10-25 (2003).

2. Daradeli, S., Rzgar Enerjisi, Temiz Enerji Vakf, Ankara, 5-22 (2001).

3. Demirtola , M., Yenilenebilir Enerji Kaynaklar,Enerji Dnyas, 42-43: 7-22bb (2002).

4. Kse, F., zgren, M., Rzgar Enerjisi Potansiyeli lm ve Rzgar TrbinibbSeimi,Mhendis ve Makine, 551:20-30(2005).

5. elik, B., Yatay Eksenli Rzgar Trbini Tasarm ve Prototip malat, YksekbbLisans Tezi, Gazi niversitesi Fen Bilimleri Enstits, Ankara, 9-47(2001).

6. Kenisarin, M., Karsl, V. M., alar, M., Wind power engineering in the worldbband perspectives of its development in Turkey, Renewable&Sustainable Energy

bbReviews, 10: 341-369 (2006) .

7. Duran, S., Computer-Aided Design of Horizontal-Axis Wind Turbine Blades,bbYksek Lisans Tezi, Orta Dou Teknik niversitesi Fen Bilimleri Enstits,bbAnkara, 26-66 (2005).

8. Atlgan, ., Trkiyenin Enerji Potansiyeline Bak, Gazi niversitesibbMhendislik Mimarlk Fakltesi Dergisi, 15(1):31-47 (2000).

9. Dndar, C., Canbaz, M., Akgn, N., Ural, G., Trkiye Rzgar Atlas,bbEE&DM, 27-205 (2002).

10. zgener, ., Rzgar Gl Kanad ve G Eldesi zerine Bir Aratrma,bbmYksek Lisans Tezi, Ege niversitesi Fen Bilimleri Enstits, zmir, 12-36bbm(2002).

11. Walker, J., F., Jenkins, N., Wind Energy Technology, John Wiley & Sons,bbmNew York, 17-74 (1997).

12. Durak, M., Rzgar Enerjisi Teknolojisi ve Trkiye Uygulamas: Akhisar RzgarbbElektrik Santrali, stanbul Teknik niversitesi Fen Bilimleri Enstits,bbstanbul, 26-31 (2000).

13. Ycel, B., Performance Prediction of Horizontal Axis Wind Turbines UsingbbmVortex Teory, Yksek Lisans Tezi , Orta Dou Teknik niversitesi Fen

bbmBilimleri Enstits, Ankara, 5-14 (2004).


70/113

55

14. Onat, C., Rzgar Trbini Pervanesi Dizayn, Yksek Lisans Tezi, nnmmniversitesi Fen Bilimleri Enstits, Malatya, 61-98 (2001).

15. Badredinne, K., Ali, H., David, A., Optimum project for horizontal axis windcccturbines OPHWT,Renewable Energy, 30, 2019-2043 (2005).

16. iek, A., Yatay Eksenli Rzgar Trbini Dizayn ve malat, Yksek LisansTezi, Nide niversitesi Fen Bilimleri Enstits, Nide, 22-35 (2002).

17.Wilson, R., E., Aerodynamic Behavior of Wind Turbines, Wind turbinecccTechnology Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering, Spera, D., A.,cccAsme Pres, New York, 215-282 (1998).

18. Mejia, J., M., Chejne, F., Smith, R., Rodriguez, L., F., Fernandez, O., Dyner, I.,cccSimulation of wind energy output at Guajira, Colombia, Renewable Energy,ccc31, 383-399 (2006).

19. Jung, S., N., No, T., Ryu, K., Aerodynamic performance prediction of a 30 kWccccounter-rotating win turbine system,Renewable Energy, 30: 631-644 (2005).

20. Manwell, J., F., McGowan, J., G., Rogers., A., L., Wind Energy Explained:cccTheory, Design and Application, John Wiley&Sons Ltd., London, 83-137ccc(2002).


71/113

56

EKLER


72/113

57

EK-1 Kanat simlatr programnn kodlar

using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using System.Xml;using SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities.List;using SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.XmlHelper{ public sealed class StationsXmlHelper

{ private XmlDocument document;public StationsXmlHelper(string documentName){ document = new XmlDocument();

document.Load(documentName);}public StationEntityList GetAllStations(){ StationEntityList retList = new StationEntityList();

XmlNodeList stationList =this.document.SelectNodes("/StationsData/Stations");

foreach (XmlNode node in stationList){ retList.Add(new StationEntity(node));}return retList;

}}

}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using System.Xml;using SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities.List;using SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.XmlHelper{ public sealed class WingsXmlHelper

{ private XmlDocument document;private WingEntityList wingList;public WingsXmlHelper(string documentName){ document = null;

wingList = null;document = new XmlDocument();document.Load(documentName);

}public WingEntityList GetWings(){ WingEntityList wingEntityList = new WingEntityList();

XmlNodeList wingDataList = document.SelectNodes("/WingDatas/Wings");

foreach (XmlNode node in wingDataList)wingEntityList.Add(new WingEntity(node));


73/113

58

EK-1 (Devam) Kanat simlatr programnn kodlar

return wingEntityList;}public WingEntityList SearchNearestWings(double reynold){ if (wingList == null)

wingList = GetWings();WingEntityList returnList = new WingEntityList();long num1 = 10;while (returnList.Count < 3){ foreach (WingEntity entity in wingList)

{ if (returnList.Count == 3)break;

if (!((entity.RValue = (reynold +num1)) || isIn(returnList, entity)))

returnList.Add(entity); }num1 += 10; }

return returnList; }private bool isIn(WingEntityList list, WingEntity entity){ foreach (WingEntity currentEntity in list)

{ if (currentEntity.RValue == entity.RValue && currentEntity.Rate== entity.Rate && currentEntity.Rid == entity.Rid && currentEntity.WingName ==entity.WingName)

return true; }return false; } }}

using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.Interfaces{ public interface IValuedList

{}

}using System;

using System.Collections.Generic;using System.Text;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.Interfaces{ public interface IValuedListItem

{ double Index{ get;

set; }double Value{ get;

set;}

}


74/113

59


}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using System.Windows.Forms;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.Exceptions{ public class ExceptionManager

{ public static void ManageException(Exception exc){ MessageBox.Show(exc.Message, "Wing Simulator",

MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error);}

}}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using SBB.Mathematics;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.Calculator{ public class SimulationCalculator

{ #region Private - Public Declerationsprivate double b;private double c;private double io;private double lambda;private long prm_ReynoldFactor;private double r;private double reynold;private double v;private double va;public double B{ get

{ return b;

}set{ b = value;

}}public double C{

get{ return c;}

}


75/113

60


public double IO{ get

{ return io;}

}public double Lambda{ get

{ return lambda;} set{ lambda = value;}

}public double R{ get

{ return r;} set{ r = value;}

}public double Reynold{ get

{ return reynold;}

}public double V{ get

{ return v;} set{ v = value;}

}

public double Va{ get{ return va;

}}#endregion

public SimulationCalculator(){ v = 5.2;

r = 5;prm_ReynoldFactor = 68500;

lambda = 5;


76/113

61


b = 3;}public void CalculateReynold(){ c = (16 * Math.PI * R * (R / (R / 2))) / ((9 * Math.Pow(Lambda, 2)) *

B);io = MathematicConversion.ToDegree(Math.Atan((2 * R) / (3 * (R / 2) *

lambda)));va = (((R / 2) / R) * Lambda * v) /

Math.Cos(MathematicConversion.ToRadian(IO));reynold = prm_ReynoldFactor * c * va;

}

}}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities{ public sealed class BEntity

{ #region Private - Public Declerationsprivate double index;private double value;public double Value{ get

{ return value;}set{ this.value = value;}

}public double Index{ get{ return index;

} set{ index = value;}

}#endregion#region Constructorspublic BEntity(double ix, double val){ this.index = ix;

this.value = val;}

#endregion}


77/113


78/113

63


private double b;private double index;public double B{ get

{ return b;}

}public double Index{ get

{ return index;}

}public double FirstPartUp{ get

{ return firstPartUp;}

}public double SecondPart{ get

{return secondPart;

}}#endregion#region Constructorspublic CHelperEntity(double index, double firstPartUp, double secondPart,

double b){ this.index = index;

this.firstPartUp = firstPartUp;this.secondPart = secondPart;this.b = b;

}

#endregion}}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;

namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities{ public sealed class LambdaREntity

{ #region Private - Public Declerationsprivate double index;

private double value;


79/113

64


public double Value{ get



{ return index;

}set{ index = value;}

}#endregion

#region Constructorspublic LambdaREntity(double index, double value){ this.index = index;

this.value = value;} #endregion

}}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.Interfaces;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities{ public sealed class QEntity : IValuedListItem

{ #region Private - Public Declerationsprivate double index;

private double value;public double Value{ get



{ return index;


80/113

65


}set{ index = value;}

}#endregion#region Constructorspublic QEntity(double ix, double val){ this.index = ix;

this.value = val;}

#endregion}

}using System;using System.Collections.Generic;using System.Text;using System.Xml;namespace SBB.External.WingSimulator.Windows.Business.BusinessEntities{ public sealed class StationEntity

{ #region Private - Public Declerationsprivate int rid;private string stationName;

private double yearlyAverageSpeed;public int Rid{ get

{ return rid;}

}public string StationName{ get

{ return stationName;

}}public double YearlyAverageSpeed{ get

{ return yearlyAverageSpeed;}

}

#endregion#region Constructorspublic StationEntity(XmlNode nodeX)

{ XmlNodeList list = nodeX.ChildNodes;


81/113

66


foreach (XmlNode node in list){ switch (node.Name)

{ case "Rid":{

rid = ParseValue.ToInt(node.InnerText);break;

}case "StationName":

{ stationName = node.InnerText;break;

}

case "YearlyAverageSpeed":{ yearlyAverageSpeed = ParseValue.ToDouble(node.InnerText);

break;}

yatay eksenli rüzgar türbin kanadının bilgisayar destekli tasarımı

Documents