Rüzgar türbini tasarımı uzun bir zaman alır, çünkü belirli bir konumdaki rüzgardan maksimum enerjinin elde edilmesi için bir türbinin tasarım parametrelerini ve boyutunun özelliklerini belirlemek gerekmektedir. Bir rüzgar türbininin kurulumu, rüzgar enerjisini harekete geçirmek, rüzgar enerjisini dönme enerjisine dönüştürmek, mekanik rotasyonu elektrik enerjisine dönüştürmek ve türbini çalıştırmak, durdurmak ve kontrol etmek için gerekli sistemleri birbirine bağlayan birden çok alt sistemden oluşur.

Bu tür sistemlerin tasarımı, ileri - geri analiz çalışmaları gibi çok aşamalı bir süreçten geçer.

Bu makalede size en verimli rüzgar türbinini optimize etmek için kusursuz stratejileri ve adım adım CFD’nin nasıl yapılacağını anlatacağız.

Rotasyonel eksen dizilimine dayalı iki tip rüzgar türbin tasarımı mevcuttur.

          1. Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri     2. Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri.

Rüzgar çiftliği kullanımında en yaygın türbin yatay eksenli olduğu için, tasarım analizinde bu tip türbini ele alacağız.

Rüzgar türbini, rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bazı parça ve bölümler içerdiğinden dolayı rotor tasarımına ve rüzgar akışı sadece rotorun kanatlarına etki edeceği için kanatlara odaklanacağız. CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) ile kolayca çalışılabilir mi?

Rüzgar türbininin rotoru kanatlardan ve göbekten (hub) oluşur. Kanatların ve rotorun tasarım parametreleri, rüzgarın elektrik enerjisi dönüşümünde verimlilik açısından çok fazla farklılık oluşturabilirler.     

Çünkü rüzgar enerjisinin daha verimli şekilde elde edilmesinde hayati rol oynayan aerodinamik parçalardır. Rotor kanatlarındaki hava akışı kanadın tüm yüksekliği boyunca aynı olmadığı için kanadın uç kısmındaki hava akımı kanadın kök kısmındakinden farklıdır.

Rüzgar Türbinin CAD Modeli

Ayrıca, rotorun dönme hızının (RPM cinsinden) kanadın uç kısmındaki havanın hızlı olmasına neden olurken kanadın kök kısmındaki havayı daha yavaş hızda hareket ettirdiğini göz önünde bulundurun. Yani bu parametreler, CFD kullanılarak optimize edilebilen parametrelerdir.

• Kanat Profili (Kanat kesiti)
• Kanat Sayısı
• Rotor Çapı (Kanat yüksekliği)

Gelin bunları ayrıntılı olarak tartışalım.

• Kanat profili: Verilen çalışma koşullarında en iyi hava sahasını seçmek için ilk ve en önemli seçimdir. En yaygın olarak bir türbin, 3-4 metre / saniyede elektrik üretmeye başlar ve maksimum 20-25 metre / saniye rüzgar hızına ulaşabilir.  Kanat profilinin kalınlığı belirli bir kullanım aralığını belirler; örneğin, bazıları yüksek hızlı kanat profiline göre olurken, kalın kanatlar ise düşük hızda iyi performans sağlamaktadır.

E231 (kalın) ve E374 (Orta kalınlıkta) Kanat Profili

Kanadın 2D CFD analizinde doğru şekilde bir seçim yapmak için iyi performans gösterebileceği düşündüklerinizin hepsi ele alınır, daha sonra her birinin Cl ve Cd değerleri karşılaştırılır. CFD, çeşitli hücum açılarındaki standart işletmede sahip olunan rüzgar hızlarına göre yapılır. 0,5,10,15 derece kademeli olarak yapılabilir veya analizin uzun sürmesine neden olan ancak daha doğru sonuçlar veren rüzgar hızı değişimlerine göre de yapılabilir.

Örneğin:

Kanat Profilinin CFD’si

Cl ve Cd arasındaki grafik, Cl ve Hücum Açısı arasındaki grafik

Bu sonuçlara dayanarak, optimum rüzgar hızına göre kanat profillerini karşılaştırabilir ve en iyi profili seçebilirsiniz.

Uç kısmın kesiti ve yük uzunluğu boyunca hücum açısının varyasyonu.

• Kanat Sayısı: Artık insanlar, modern türbinlerin çoğunun üç kanatlı olduğunu ve çiftliklerde su pompalamak amacıyla veya öğütme değirmenleri için kullanılan eski türbinlerin ise çok sayıda kanada sahip olduklarını fark etmişlerdir.

Elektrik enerjisi üreten bir rüzgar türbininde tork ikincil bir konu olur iken rotorun dönme hızına daha fazla gereklilik duyulması oldukça basittir. Ancak eski türbinlerde, ağır su pompası veya öğütme değirmenlerini döndürmek için daha fazla tork gerekiyordu. Dolayısıyla rotorun dönüş hızı ikincil durumdaydı. Kanat sayısı, türbin rotorunun dönme hızı ile rotor tarafından üretilen tork arasındaki ilişkiyi gösterir, yani rotorun maksimum güç üretmek için döneceği hız, en iyi hızı verir. Ancak akıllara neden 4 veya 5 pervane kanadı kullanmıyoruz sorusu gelebilir. Cevabı şudur, jeneratörü döndürmek için gereken minimum tork aynı zamanda türbinin devir sayısını minimumda tutmak içindir. Bu durum, belli bir konumdaki minimum rüzgar hızına ve belli bir rüzgar hızına göre kanadın tasarlanmasına bağlı olup, böylece her kanat, arkasında dönen bir sonraki kanat için karartma alanı oluşturmadan (havasız) maksimum alan kaplayabilir. Buna durdurma (stall) denir. Stall, hücum açısını, hava akışının kanatta ayrılmaya başladığı limite kadar arttırılmasıyla veya akışın aniden yükselmesine neden olacak daha çok sayıda kanat ile oluşturulabilir.

CFD ile kolayca 3 veya 5 kanat arasında bir seçim yapmak mümkündür. Seçtiğiniz kanat profiliyle birlikte bir rotorda olmasını istediğiniz kanat sayısını ayarlayarak dilediğiniz kadar model oluşturun. İşletmedeki rüzgar hızına ve dönüş hızına göre çözüm üretin. Üretilen torku bulmanıza yardımcı olan aynı zamanda 3, 4 veya 5 kanatlı modeller arasında hangisinin en iyi olduğunu bulmanız için karşılaştırabildiğiniz Cl (Katsayısı kaldırma) Cd (Sürtünme Katsayısı) ve Cm (Katsayı Momenti) gibi parametreleri bulun.

• Rotor Çapı: Bir başka önemli husus da rotor çapıdır çünkü türbin kanatları tarafından kaplanan alanı belirler. Bu da, rüzgar enerjisi ile elektrik haline dönüştürülebilen alan demektir. Rotor çapı türbinin ve kanatlarının mukavemeti ve malzemesine göre şekillenen bazı kısıtlamalara sahiptir. Ancak, türbin milini döndürmek için minimum torkun sağlanması kadar da yeterli olmalıdır. Bununla birlikte fırtınalar sırasında yüksek hızlı rüzgarların türbine çarptığı gözlemlenmiştir. Böyle bir durumda, dönme hızı veya rüzgardan oluşan RPM, türbinin maksimum işletmedeki RPM sınırını aşar ve böylece hub tarafından kaldırılamayan büyük torkla sonuçlanır ve kendi momenti veya ataleti nedeniyle türbin kanatları kırılır.

 3 Kanatlı Rotor CFD

Rotor göbeği boyunca ve kesit düzlemi üzerinde hava akışı

Tüm bu aşamalardan sonra, rüzgar türbininin tam ölçekli cad modelindeki son tasarımı için hangi ve kaç adet kanadın ve rotor çapının kullanılacağını bilebilir ve sonrasında yukarıdaki analizlerde varsaydığımız optimum sınır koşullarına bağlı olarak 3D tam ölçek modelinde aynı şekilde kullanabilirsiniz. Nihai CFD aynı dönme ve rüzgar hızı ile yapılmaktadır.