NACA 23012 Rüzgar Türbin Kanadı Performans Testleri

NACA 23012 Rüzgar Türbin Kanadı Performans Testleri

149
Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale
NACA 23012 Rüzgar Türbin Kanadı Performans Testleri
Ali Vardar
Kamil Alibaş
Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Görükle Kampüsü 16059 / Bursa
ÖZET
Bu çalışmada, Amerikan ulusal havacılık komitesinin ortaya koyduğu NACA 23012 profilinin rüzgar
türbin kanadı olarak kullanılması düşünülmüştür. Profilin en uygun burulma ve bağlama açıları rüzgar tüneli
yardımıyla bulunmaya çalışılmıştır. Bu amaçla 30 cm çapında 2, 3 ve 4 kanatlı olarak model rotorlar imal
edilmiştir. Malzeme olarak mukavemeti göz ardı etmek için “balsa” (bir çeşit ağaç malzeme) kullanılmıştır.
Çalışmada ortam sıcaklığı ve hava yoğunluğu da dikkate alınmıştır. NACA 23012 profilinin farklı burulma ve
bağlama açılarında performansı test edilmiştir ve kanatların devirleri ölçülmüştür.
Sonuç olarak, NACA 23012 profili için en uygun burulma ve bağlama açıları ile kanat sayıları
saptanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Rüzgar enerjisi, rüzgar tüneli, kanat açıları
Wind Tunnel Tests of NACA 23012 Profile as a Wind Tribune Blade
ABSTRACT
In this study, it was thought to use NACA 23012 profile, put forward by American national air commity,
as wind tribune wing. The most suitable twisting and connection angles of the profile were tried to be found. To
achieve this, model rotors with 2, 3 and 4 wings and with 30 cm diameter were manufactured. To neglect the
resistance, “balsa” (a kind of wood) was used as the material. Environment temperature and air density were also
taken into consideration in the study. NACA 23012 profile’s performance in different twisting and connection
angles were tested and their cycles of the winds were measured.
As a result, the most suitable twisting and connection angles, and wing numbers were determined for
NACA 23012 profile.
Keywords: Wind Energy, wind tunnel, blade angles.
GİRİŞ
Ekonomik kriz nedeniyle unutulmuş gibi
görünse de ülkemizin hala bir enerji sorunu vardır.
Son yıllarda ülke dışından alınan doğal gaz yardımıyla
bu sorun çözülmeye çalışılmıştır (DİE, 2006). Ancak
dış kaynaklardan satın alınan enerji bizi dışarıya daha
da bağımlı hale getirmektedir. Bu nedenle kendi
kaynaklarımızı en verimli şekilde değerlendirmemiz
daha da önem kazanıyor.
Ülkemizin sahip olduğu enerji kaynakları
arasında henüz kullanımı yaygın olmayan pek çok
enerji kaynağı bulunmaktadır. Bunlar güneş enerjisi,
biokütle, biyogaz, jeotermal enerji ve rüzgar enerjisi
gibi yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarıdır.
Rüzgar enerjisi potansiyeli olarak ülkemizin
potansiyelinin İspanya ile eşdeğer seviyede olduğu
tahmin edilmektedir (Klug, 2001). Arazi şartları da
benzerlikler göstermesine karşın İspanya rüzgar
enerjisi üretiminde dünya ikincisi konumunda iken
Türkiye son sıralarda yer almaktadır.
Rüzgar enerjisi santralleri büyük maliyetler
gerektirmektedir. Ancak rüzgar enerjisinin işletme
bazlı kullanımı maliyet açısından daha uygun
görülmektedir. Daha küçük çaplı rüzgar türbinleri
üretilerek ve yerli üretime geçilerek maliyet sorunu
çözülebilir. Böylece hem yerel sanayi için yeni bir
üretim ve istihdam alanı hem de maliyeti düşük rüzgar
türbinleri elde edilebilir.
İşletme bazlı rüzgar türbinleri ile rüzgar
santralleri arasında bazı farklar vardır. Bunlardan
bazıları şunlardır:
• Rüzgar santrallerinin pilon yüksekliği işletme
bazlı türbinlere kıyasla fazladır.
• Rüzgar santrallerinin rotor çapları işletme
bazlı türbinlere kıyasla büyüktür.
• Rüzgar santrallerinde kanat açıları rüzgara
göre otomatik olarak ayarlanabilir. İşletme
bazlı türbinlerde kanat açıları sabittir.
• Rüzgar santrallerinde her türbin bilgisayar ile
kumanda edilebilir. İşletme bazlı türbinlerde
bu özellik yoktur.
Rüzgar santrallerinden daha fazla verim elde
edebilmek için pek çok çalışma yapılmıştır ve
yapılmaktadır. Bu çalışmalar doğrultusunda pilon
yükseklikleri ve rotor çapları her geçen gün
artmaktadır. Ancak işletme bazlı türbinlere yönelik
150
Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale
çalışmalar çok az sayıdadır. Özellikle bu türbinlerde
kullanılacak kanat yapıları üzerine yeterli sayıda
araştırma yapılmamıştır. Genellikle güç gerektiren
sulama amaçlı rüzgar türbinleri bilinmektedir. Bu
türbinlerde de çok kanatlı kanat yapıları
kullanılmaktadır.
İşletme bazlı türbinlerde elektrik üretimini ele
aldığımızda karşımıza çok farklı tiplerde kanatlar
çıkmaktadır. Bu kanat profillerinin işletme bazlı
rüzgar türbinleri için hangi burulma ve kanat
açılarında en verimli olduğunun test edilmesi
gerekmektedir. Bu testler için gerçek koşullarda
yapılan testlerin yanı sıra laboratuar koşullarındaki
testler de önemlidir. Çünkü rüzgar hızının kontrol
edilebildiği şartlarda yapılan testler bize daha sağlıklı
bilgiler vermektedir. Gerçek koşullarda yapılan
testlerde ise doğal şartları kontrol etmemiz mümkün
olmamaktadır.
Bu çalışmada, işletme bazlı elektrik
üretiminde kullanılması düşünülen bir rüzgar türbini
kanadı olarak NACA 23012 kanat profili ele
alınmıştır. Rüzgar santrali amaçlı türbinlerden farklı
olarak türbin kanat açılarının türbinin çalışması
esnasında sürekli sabit olduğu göz önünde
tutulmuştur.
Rüzgar türbin kanatlarının burulma ve kanat
açılarını ve kanat sayılarını ortaya koymak en verimli
kanat formunun seçimi açısından son derece
önemlidir.
MATERYAL ve YÖNTEM
Materyal olarak “balsa” kullanılarak NACA
23012 profilli 4 adet kanat yapılmıştır. Kanatlar için
profil genişlikleri (chord) hesaplanmış ve uç profil
genişliği 1,5 cm olarak bulunmuştur. Buradaki
hesaplamada aşağıdaki (1) ve (2) no.lu eşitlikler
kullanılmıştır. Kök profil genişliği ise 3 cm olarak
belirlenmiştir (Şekil-1).
Şekil-1. Kanat profilinin uç ve kök genişlikleri.
Rotorların 2, 3 ve 4 kanatlı olarak test edilmesi
planlanmıştır ve rotorların çapı 30 cm dir. Profil
genişliklerinin belirlenmesinde ise aşağıdaki (1) ve (2)
no.lu eşitliklerden yararlanılmıştır (Piggott, 2005).
λ=
80
B
(1)
C=
4⋅ D
λ2 ⋅ B
(2)
Burada;
λ : Rotorun uç hız oranı,
B : Rotorun kanat sayısı,
C : Kanatlar için profil genişliği (m),
D : Rotorun çapı (m) dır.
Kanatlar 10 ve 20 derece burulma açısında
yapılmıştır. Burulma açısı rotor kanadının bir vida
adımı şeklinde burulması ile oluşturulmuştur. Rotor
çapı ve kanat burulma açısı Şekil-2 de görülmektedir
(Piggott, 2005). Kanat açısı (β) olarak ise, 5, 8, 10, 15
ve18 derece seçilmiştir. Kanat açısı kanadın rotor
göbeğine bağlanırken düşeyle yapmış olduğu açıyı
ifade etmektedir.
Çizelge-1’de test edilen kanat formlarına ilişkin
özellikler görülmektedir. 2 farklı burulma açısı, 5
farklı kanat açısı ve 3 farklı kanat sayısından oluşan
30 farklı kombinasyonda rotor formuna ilişkin Form
numaraları da Çizelge-1 ‘in sağ sütununda
görülmektedir. Form numaraları A, B, C, D, E ve F
harfleri ile rakamlardan oluşmaktadır.
Bu çalışmada yöntem olarak ise, 50 cm çaplı ve
2 m uzunluğunda bir rüzgar tüneli kullanılmıştır
(Şekil-3). Rüzgar tünelinde bulunan bir fan yardımıyla
rüzgar oluşturulmaktadır. Fan yardımıyla oluşturulan
rüzgar, bir venturi borusu ve düzeltici plakalar
yardımıyla laminer akıma dönüştürülmektedir. Rüzgar
tünelinin çıkışında ise model rotorların testleri için
oluşturulan bir platform bulunmaktadır. Rüzgar
tünelinde rüzgar hızı değeri 0-5 m/s arasında
ayarlanabilmektedir (Vardar, 2002). Rüzgar tünelinde
rüzgar hızındaki sapma ise ± %0,41 dir (Vardar ve
Eker, 2004).
151
Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale
Şekil-2. Rotor çapı ve kanat burulma açısı (Piggott, 2005).
Çizelge-1. Test edilen kanat formlarına ilişkin özellikler.
Burulma
Açısı
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
Kanat
Açısı
5
8
10
15
18
5
8
10
15
18
5
8
10
15
18
Kanat
Sayısı
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
Form
Numarası
A1
A2
A3
A4
A5
B1
B2
B3
B4
B5
C1
C2
C3
C4
C5
Burulma
Açısı
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
Kanat
Açısı
5
8
10
15
18
5
8
10
15
18
5
8
10
15
18
Şekil-3. Rüzgar tüneli ve parçaları.
Kanat
Sayısı
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
Form
Numarası
D1
D2
D3
D4
D5
E1
E2
E3
E4
E5
F1
F2
F3
F4
F5
152
Tarımsal Mekanizasyon 23. Ulusal Kongresi, 6-8 Eylül 2006, Çanakkale
Rotorların testleri sırasında ölçülen değerler;
rüzgar hızı, ortam sıcaklığı, havanın nemi ve rotor
devridir.
ARAŞTIRMA SONUÇLARI
Aşağıda Tablo-2’de kanat formlarına ilişkin
test sonuçları görülmektedir.
Tablo-2’deki sonuçlara göre A2 kanat from
numaralı rotor, devri en yüksek olan rotor olarak
saptanmıştır. Bu formun kullanılması ile diğer
formlara kıyasla daha yüksek değerde verim elde
etmek mümkündür. Örneğin A2 formu kullanılan bir
türbinden A3 formu kullanılan bir türbine göre % 4,7,
D4 formu kullanılan bir türbine göre % 16,67 ve E2
formu kullanılan bir türbine göre % 19,44 daha fazla
devir elde etmek mümkündür.
Test sonuçlarına göre NACA 23012 profili
kullanılarak işletme bazlı bir rüzgar türbini kurulması
halinde kullanılacak rotorun özellikleri şöyle
olmalıdır;
Kanat sayısı: 2,
Burulma açısı: 10 derece
Kanat açısı: 8-10 derece.
KAYNAKLAR
DİE, 2006, Elektril Üretim ve Dağılımı 2006 I.
Dönem, www.die.gov.tr
Klug, H., 2001, Basic Course in Wind Energy,
Deutsche Windenergie Institute GmbH,
İstanbul.
Piggott, H., 2005. Small Wind Turbine Design Notes,
http://www.scoraigwind.com.
Vardar, A., 2002. Trakya Yöresinde Kırsal Kesimde
Kurulacak Bir Rüzgar Türbini İçin En Uygun
Kanat Tipinin, Kanat Açısının ve Kanat
Konumunun
Belirlenmesi
Üzerine
Bir
Tablo-2. Kanat formlarına ilişkin test sonuçları.
Form
Rüzgar
Ortam
Hava
Numaraları Hızı
Devir Sıcaklığı Yoğunluğu
2
1308
8,95
1,25
A2
2,75
1966
8,95
1,25
3,75
3066
8,85
1,25
2,07
1065
8,5
1,25
A3
3,02
1939
8,75
1,25
4,19
2928
8,85
1,25
2,08
474,9
11,45
1,24
D4
3,12
1975
11,3
1,24
3,96
2628
11,15
1,24
1,94
1210
11,5
1,24
E2
3,07
2202
11,88
1,24
3,63
2567
12,1
1,24
SONUÇ
Araştırma
sonuçlarına
göre,
rüzgar
enerjisinden yararlanmak isteyen tarımsal işletmelerde
kurulabilecek rüzgar türbinleri için NACA 23012
profilinin tercih edilmesi halinde burulma açısı 10
derece, 2 kanatlı bir rotor ve kanadın rotora 8-10
derece açı ile bağlanması önerilir. Bu şartlarda bu
profilden optimum verim elde etmek mümkündür.
Araştırma, T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü
(Doktora Tezi), Edirne.
Vardar, A., B. Eker, 2004, The wind tunnel measuring
methods for wind turbine rotor blades, Wind &
Structures Vol. 7 No: 5 s.305-316.
Özdamar, A., M.G. Kavas, 1999. Rüzgar Türbini
Pervanesi Dizaynı Üzerine Bir Araştırma,
Güneş Günü Sempozyumu Bildiriler Kitabı
s.151-160, Kayseri.
http://www.mse.arizona.edu
http://www.windpower.org
http://www.windmission.dk