NACA 23012 Rüzgar Türbin Kanadı Performans Testleri
Transkript
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