Yatay Eksenli Rüzgar Türbini Rotoru Tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, 10 m/s rüzgar hızında 5 kW güç üreten yatay eksenli bir rüzgar türbini rotoru tasarımı yapılmıştır. İlk önce, rüzgar enerjisi dönüştürücü sistemin kavramsal tasarımı yapılmış ve tasarım gereksinimleri oluşturulmuştur. Bu çerçevede verimi yüksek, hafif, üretimi kolay ve düşük maliyetli bir rotor palası (kanadı) tasarlanmak istenmiştir. Aerodinamik tasarımı verimlilik ve imal edilebilirlik kısıtları üzerine kurulmuştur. Performans hesabı ve geometri hesabı için MATLAB programı hazırlanmıştır. Hesaplamalar sonucu burulan ve sivrilen 3 paladan oluşan 0.476 güç katsayısına sahip bir rotor tasarlanmıştır. Linearleştirme sonucu oluşan güç kaybını telafi etmek için rotor yarıçapı 2.5 m den 2.6 m ye uzatılmıştır. Palanın ve tüm türbinin CAD modeli CATIA kulanarak modelenmiştir. Bir sonraki aşama yapısal tasarım ve analizi pala geometrisinin belirlenmesinden sonra gerçekleştirilmiştir. Yapısal tasarımı için hafifliği, düşük maliyeti ve kolayca temin edilebilmesi sebebiyle fiberglass/epoksi kompozit malzemesi seçilmiştir. Pala içi boş ve kabuk olarak modellenmiş ve gerilme ve gerinme komponentleri ANSYS 7.0 SEA ticari yazılımı kullanarak yapılmıştır. Palaya etkiyebilecek maksimum yükler hesaplanarak sonlu elemanlar modeline etkitilerek analiz yapılmıştır. Daha hafif ve sağlam bir yapı elde edebilmek için farklı tabaka kompozisyonları analiz edilmiş ve iç kısımda bir spar perdesi ve başlıkları oluşturulmuştur. Gerinme değerleri yapısal bozulma kriteri olarak kullanılmıştır. Daha sonra modal analizi yapılmış ve doğal frekansları rotorun dönme frekansı ve türbini taşıyan kulenin doğal frekanslarıyla karşılaştırılmıştır. Non-lineer ve modal analiz sonucu elde edilen değerlerin uygun olduğu görülmüştür.

In this study, a horizontal axis wind turbine rotor, which is producing 5 kW power at 10 m/s wind speed, is designed. Firstly, the conceptual design of wind energy conversion system is done and design requirements are constituted. In these limits, a rotor blade, that has high efficiency, lightweight, ease of manufacture and low cost, is being wanted to design. The aerodynamic design is built on efficiency and ability of manufacturing constraints. The blade geometry is designed and its performance is calculated by using blade element momentum theory. A MATLAB program is prepared for geometry and performance calculations. As a consequence of calculations, a rotor that has three tapered and twisted blades and power coefficient of 0.476 is designed. The blade is extended from 2.5 m to 2.6 m long to recover the power loss occurred by the linearization process. The CAD model of the blade and whole turbine is modeled using CATIA. The next step structural design and analysis is performed after determination of the geometry. Fiber glass/epoxy composite material is chosen because of its lightweight, low cost and easy to obtain. The blade structure is modeled as hollow and shell structured and stress and strain components are determined using ANSYS 7.0 FEA commercial software. The maximum loads that affect the blade are calculated and applied on Finite element model. The different laminate lay-up schedules are analyzed and a spar web and spar caps are created inside the blade to lower the weight and to stiffer the structure. The strain results are used as structural failure criteria. After modal analysis is done, blade’s natural frequencies are compared with rotation frequency and tower frequency. It is seen that the results obtained from non-linear static analysis and modal analysis are reasonable.