Aerodynamic analysis and performance predictions for wind turbines

ÖZETRÜZGAR TÜRBİNLERİ İÇİN AERODİNAMİK ANALİZ VE PERFORMANS TAHMİNLERİBu tezde dikey eksenli rüzgar türbini olan Darrieus, Star-CCM(+) yazılım programı kullanarak incelenmiştir. Yenilenebilir enerjiye odaklanmanın artmasıyla rüzgar türbinleri dizaynı çok önemli hale gelmiştir. Günümüzde yatay eksenli rüzgar türbinleri en yaygın kullanılan tür olmasına rağmen dikey eksenli Darrieus türbininin avantajları vardır. Rüzgar yönünden bağımsız olarak çalışırlar ve düşük gürültü yayımına sahiptirler. Kaldırma kuvveti prensibiyle çalışan Darrieus türbinleri özellikle elektrik üretimine uygun olan ve sürükleme kuvvetiyle çalışan, Savonious rotor gibi, türbinlerden daha fazla güç üretme prensibine sahiptir. Diğer avantajı da göreceli olarak yüksek olan uç kanat hız oranı λ dır. Bu sonuçlar aynı rotor çapındaki yüksek dakikadaki devir sayısında ve daha az malzeme kullanılarak üretim yapılmasına müsaade eder. Jeneratör zemine de yerleştirilebilir ve bu sebepten dolayı kolay kurulum ve bakım imkanı sağlar. Rotorun her yönden rüzgar alması sebebiyle Darrieus türbinleri yüksek binaların çatılarına yerleştirilmesi gittikçe daha fazla ilgi görmektedir. Bu çalışmada, ilk olarak tek ve sabit kanadın (NACA4415 kanat profili) sürükleme ve kaldırma katsayılarına seçilen ağların(grid) ve boyutların etkisi incelendi ve deneysel sonuçlar ile kıyaslandı. Sonra üç NACA 4415 kanat profili içeren bir Darrieus-H-rotor Star-CCM(+) yazılım programıyla simüle edildi. Sonuçlar (moment ve moment katsayıları) dönen bir 2D Darrieus türbin için elde edildi. Bunun dönüş hareketini sağlamak için programdaki ‘‘moving reference frame’’ hareketli referans çerçevesi yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Bu model birbirlerine göre sabit veya hareket edebilen, iki veya daha fazla referans yapısı içeren kararlı yaklaşımdır.ABSTRACTAERODYNAMIC ANALYSIS AND PERFORMANCE PREDICTIONS FOR WIND TURBINESIn this thesis a Darrieus type vertical axis wind turbine was examined by using STAR-CCM(+) software. Design of wind turbines has become more important, due to a growing focus on renewable energy. In today’s market the horizontal axis turbine is the most common type in use, however vertical axis (Darrieus) turbines have certain advantages. They work independently from wind direction and have low noise emission. Darrieus turbines, which are lift driven, have higher power potential than drag driven turbines, like Savonius rotor, which makes them well suited to electricity generation. Another advantage is that the tip speed ratio λ, can be relatively high. The results in a much higher rpm for the same rotor diameter and allows production using less amount of material. The generator can also be placed on the ground which provides easier installation and maintenance. Since the rotor can take wind from any direction, placing Darrieus turbines on the roofs of taller buildings became subject of increasing interest.In this study, first the influence of grid and dimension on drag coefficient and lift coefficient of a single stationary blade (NACA 4415 airfoil ) is checked and compared with experimental data. Then a Darrieus-H- rotor consisting of three NACA4415 blades was simulated with STAR CCM (+). The results ( moment and moment coefficients) are obtained for a rotating 2D Darrieus turbine. For this purpose in the software, the moving reference frame model has been used which is a steady-state approach involving two or more frames of reference that can be stationary or moving relative to each other