TRAKYA YÖRESİNDE KIRSAL KESİMDE KURULACAK BİR RÜZGAR TÜRBİNİ İÇİN EN UYGUN KANAT TİPİNİN, KANAT AÇISININ VE KANAT KONUMUNUN BELİRLENMESİ ÜZERİNE BİR ARAŞTIRMA Dr. Ali VARDAR

Bu Doktora Tezi TÜBİTAK tarafından desteklenmiştir.

GİRİŞ Rüzgar enerjisinin kullanımı M.Ö.2800 yıllarında Ortadoğu da başlamıştır. M.Ö.17. Yüzyılda Babil kralı Hammurabi döneminde Mezopotamya’da sulama amacıyla kullanılan rüzgar enerjisinin, aynı dönemde Çin’de de kullanıldığı bilinmektedir. Yel değirmenleri ise ilk olarak İskenderiye yakınlarında kurulmuştur.

Günümüz silindir, piston, sübap ve krank mili parçalarından meydana gelen yatay eksenli rüzgar türbinlerinin ise ilk defa Diyarbakır yöresinde hüküm süren Artuk Türkleri zamanında yaşayan Ebu-l İz El-Cezeri tarafından 1200 yılı dolaylarında yapıldığı tespit edilmiştir.

Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Rüzgar enerjisi potansiyeli açısında açık denizlere kıyısı olan ülkelerin daha şanslı olduğu söylenebilir. Bununla beraber rüzgar enerjisi kurulu gücü açısından Almanya, ABD, İspanya ve Danimarka yarışı önde götürmektedir. Ülkemizin rüzgar potansiyelinin İspanya ile eşdeğer olduğu tahmin edilmektedir. Buna karşılık İspanya’nın kurulu rüzgar gücü 2481MW ülkemizin ise 19 MW dır.

Rüzgar Enerjisi Kullanım Alanları Rüzgar enerjisinin değirmencilik, su pompalama sistemleri, ısı pompalarının çalıştırılması, soğutma sistemleri, rüzgar türbini-dizel jeneratör sistemleri ve elektrik üretim sistemleri gibi kullanım alanları vardır. Günümüzde daha çok elektrik üretimi amacıyla kullanılmaktadır.

Rüzgar enerjisinden elektrik elde edilerek ulusal şebekeye enerji verilebilmektedir. Bu sayede ülkemizin enerji sorununa bir parça katkıda bulunulabilir. Bunun yanında kırsal kesimde kurulacak ve boyutları rüzgar santrallerine göre daha küçük olan türbinlerle de ulusal şebekeden enerji talebini azaltmak mümkündür. Bu tür rüzgar türbinleri ile kırsal kesimin enerji talebinin büyük bir kısmı karşılanabilir. Ancak burada önemli olan rüzgar türbininin konumu, kanat tipi, kanat sayısı ve kanat açılarıdır.

Rüzgar Türbininin Konumu Rüzgar türbininin kurulacağı yerdeki rüzgar potansiyeli çok önemlidir. Bu nedenle etrafta yüksek engeller bulunmamalıdır. Özellikle de rüzgarın hakim esme yönünde açık bir alan olmalıdır. Rüzgarın esme hızı yer yüzeyinden yükseldikçe artış göstermektedir. Bu nedenle rüzgar türbininin yüksekliği önem kazanmaktadır.

Rüzgar Türbini Kanat Tipi Rüzgar türbinlerinde kullanılan kanat tipi ve kanat profili aerodinamik açısından önemlidir. Kanatlar rotorları oluşturmaktadır. Rotorların en ufak rüzgar hızında dönmeye başlamalarını sağlamak ve rotorlardan daha fazla güç elde edebilmek için kanat profilleri en uygun aerodinamik özelliklerde seçilmelidir. Aerodinamik açıdan kanat profillerinin kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri rotordan elde edilecek gücü etkilemektedir.

Rüzgar Türbini Kanat Sayısı Kanat sayıları rüzgar türbininin kullanılacağı yere göre seçilmelidir. Genellikle büyük rüzgar türbinlerinde 2 ile 3 kanatlı rotorlar kullanılmaktadır. Güç gerektiren (örneğin, su çıkarma) yerlerde ise çok kanatlı rotorlar kullanılmaktadır.

Rüzgar Türbini Kanat Açıları Büyük rüzgar santralleri için kurulan rüzgar türbinlerinde kanat açıları elektronik sistemlerle otomatik olarak ayarlanabilmektedir. Kanat açılarının en uygun değerlerde olması türbinin verimli çalışması açısından son derece önemlidir. Küçük rüzgar türbinlerinde ise kanat açıları genellikle sabit olarak yapılmaktadır.

Rüzgar Türbini Test Sistemleri 1-Gerçek Hava Koşullarında Yapılan Testler Bu tür istasyonlarda testler bir test arazisinde ve gerçek hava koşullarında yapılmaktadır. Ancak bu tür testlerde rüzgar hızını kontrol etmek mümkün olmadığı için türbine yükleme yapmak da mümkün olmamaktadır.

2.Kapalı Koşullarda Yapılan Testler Bu tür istasyonlar büyük yapılardan oluşmaktadır. Rüzgar hızı, ortam sıcaklığı gibi koşulların hepsini kontrol etmek mümkündür. Uçakların denenmesinde kullanılan istasyonlara benzerler

3.Rüzgar Tüneli Kanat Testleri Rüzgarın hızını yararlı güce çevirmek rotorun performansı ile ilgilidir. Rotoru oluşturan her bir kanadın rüzgardan en iyi şekilde yararlanabilmesi gerekir. Bu amaçla dizayn edilen kanatların denemelerinde rüzgar tünelleri kullanılır.

MATERYAL Denemelerde kullanılan kanatlar T.Ü.Tekirdağ Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölüm atölyelerinde imal edilmiştir. Kanat malzemesi olarak mukavemeti oldukça düşük ve yoğunluğu 0,075 g/cm3 olan “Balsa” ağacı kullanılmıştır. Kanatlar 310 mm rotor çapında, 48 mm hub çapında ve 130 mm kanat boyunda hazırlanmıştır. Kanat profillerinin seçiminde NACA (National Advisory Committe for Aeronautics) nın belirlediği esaslar dikkate alınmıştır.

Kanatlar

Kanat Profilleri ve Kanat Formları Kanat profili olarak 6 farklı profil kullanılmıştır. Bu profillerden 5’i üzerinde pek çok teorik çalışma yapılmıştır. Kanat imali ve denemeler sırasında bu profillerden imal edilen kanatların burulma açıları, kanat sayıları ve bağlama açılarının farklılığından oluşan kombinasyonlar oluşturulmuştur. Bu kombinasyonlar “Kanat Formları” olarak isimlendirilmiştir ve her bir kanat formu için bir “kanat form kod numarası” verilmiştir.

Rüzgar Tüneli Rüzgar tüneli İstanbul’da üretilip T.Ü.Tekirdağ Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları atölyesinde monte edilmiştir. Yüksekliği :1,475 m Genişliği : 0,88 m Boyu :2,35 m İç boyu :2 m Tünel çapı :51,35 cm Fan çapı :35 cm Fan gücü :250 W Fan devri :1400 rpm

Kullanılan Ölçüm Aletleri ANENOMETRE

DEVİR ÖLÇER

SICAKLIK ve NEM ÖLÇER

MULTİMETRE

Trakya Yöresi Rüzgar Verileri Ölçüm Yeri Rüzgar Hızı (m/s) Baskın Esme Yönü Florya 3,5 NE Kumköy 4,9 Kırklareli 3 ENE Lüleburgaz 1,8 Tekirdağ 3,3 Çorlu 3,9 Edirne 1,9 N İpsala 3,8 NNE Uzunköprü 3,4 - Gökçeada 4,4

Trakya Yöresi Kırsal Kesimin Enerji Tüketimi Yer Abone Sayısı Abone Başı Aylık Tüketim (kWh) Tekirdağ 177.582 143,252 Çorlu 75.208 64,459 Çerkezköy 50.674 40,794 Kırklareli 87.572 137,96 Lüleburgaz 52.737 67,203 Edirne 120.728 111,556 Keşan 52.743 53,091 TOPLAM 617.244 104,088*

YÖNTEM 1-Rüzgar Tüneli Testleri Rüzgar Hızının Saptanması Hava Neminin Ölçümü Hava Sıcaklığının Ölçümü Rotor Devir Hızının Tespiti Elektriksel Gerilim Ölçümü Akım Şiddetinin Tespiti

2-Test Kanatlarına İlişkin Hesaplamalar Hava Yoğunluğunun Tespiti Rotor Kesit Alanının Tespiti Rüzgar Teorik Gücünün Hesaplanması Elektriksel Performans Değerinin Tespiti Uç Hız Oranının Tespiti Güç Katsayısının Hesabı Mil Gücünün Tespiti

3-Gerçek Kanatlara İlişkin Hesaplamalar Rotor Kesit Alanının Tespiti Rotor Mil Gücünün Tespiti

3-Gerçek Kanatların Trakya Yöresi Rüzgar Varlığına Göre Uyarlanması Rotor Kesit Alanının Hesabı Rotor Ekseni Yüksekliğindeki Rüzgar Hızının Tespiti Rotor Mil Gücü Hesabı

ARAŞTIRMA SONUÇLARI Araştırma sonuçlarını oluşturan başlıklar: Rüzgar tünel testlerine ilişkin sonuçlar Büyük kanatlara ilişkin hesaplama sonuçları Rüzgar türbin kanatlarının Trakya yöresi rüzgar varlığına göre uyarlanmasına ilişkin sonuçlar

Rüzgar tünel testlerine ilişkin sonuçlar Rotor formlarının harekete başlayabilmek için gereksinim duydukları rüzgar hızına göre en iyi kanadın özellikleri: Kanat profili: NACA 4415 Burulma açısı: 0 derece Kanat sayısı: 4 Bağlama açısı: 18 derece Rüzgar hızı: 1,23 m/s

Rotor formlarının elektriksel performanslarına göre en iyi kanadın özellikleri: Kanat profili: NACA 4412 Burulma açısı: 0 derece Kanat sayısı: 2 Bağlama açısı: 5 derece Performansı: 161,73 mW

Rotor formlarının devir sayılarına göre en iyi kanadın özellikleri: Kanat profili : NACA 4412 Burulma açısı: 0 derece Kanat sayısı: 2 Bağlama açısı: 5 derece Devir sayısı: 3077 rpm

Rotor formlarının mil güçlerine göre en iyi kanadın özellikleri: Kanat profili : NACA 4412 Burulma açısı: 20 derece Kanat sayısı: 4 Bağlama açısı: 10 derece Mil gücü: 1,79 W

Büyük kanatlara ilişkin hesaplama sonuçları Rotor çapı 5 m2, rüzgar hızı 10 m/s ve hava yoğunluğu 1,25 kg/m3 koşullarında büyük kanatların mil güçlerine göre en iyi kanadın özellikleri: Kanat profili : NACA 4415 Burulma açısı: 20 derece Kanat sayısı: 4 Bağlama açısı: 10 derece Mil gücü: 5139 W Birim rotor alanı başına mil gücü: 262 W/m2

Burulma açısı: 0 derece, 10 derece Kanat sayısı: 3, 4 Rüzgar türbin kanatlarının Trakya yöresi rüzgar varlığına göre uyarlanmasına ilişkin sonuçlar Kanat profili : NACA 4415 Burulma açısı: 0 derece, 10 derece Kanat sayısı: 3, 4 Bağlama açısı: 18 derece

Trakya yöresi için enerji gereksinimleri bazlı rüzgar türbini tavsiyeleri Kırklareli Kanat Profili Burulma Açısı Kanat Sayısı Bağlama Açısı Türbin Yüksekl. (m) Rotor Çapı (m) NACA 4415 4 18 15* 7,61* 25** 21,71** 10 3 7,5* 21,38** NACA 23012 2 7,96* 22,68**

Lüleburgaz Kanat Profili Burulma Açısı Kanat Sayısı Bağlama Açısı Türbin Yüksekl. (m) Rotor Çapı (m) NACA 4415 4 18 20* 10,17* 35** 28,84** NACA 0012 11,16* 31,69** 3 11,57* 32,84**

Tekirdağ Kanat Profili Burulma Açısı Kanat Sayısı Bağlama Açısı Türbin Yüksekl. (m) Rotor Çapı (m) NACA 0012 4 18 15* 6,6* 25** 18,77** NACA 4412 10 3 6,51* 18,57** 2 6,9* 19,63**

Çorlu Kanat Profili Burulma Açısı Kanat Sayısı Bağlama Açısı Türbin Yüksekl. (m) Rotor Çapı (m) NACA 0012 4 18 10* 4,2* 20** 10,87** NACA 4412 10 3 4,15* 10,72** 2 4,4* 11,37** 5 4,11* 10,63**

Edirne Kanat Profili Burulma Açısı Kanat Sayısı Bağlama Açısı Türbin Yüksekl. (m) Rotor Çapı (m) NACA 4415 4 18 20* 12,42* 40** 33,63** NACA 0012 13,65* 36,93** 3 14,14* 38,28**

Trakya Geneli (Ortalama değerler için) Kanat Profili Burulma Açısı Kanat Sayısı Bağlama Açısı Türbin Yüksekl. (m) Rotor Çapı (m) NACA 4415 4 18 15* 7,42* 30** 19,76** 10 3 7,32* 19,49**

SON SÖZ BOLLUK İÇERİSİNDE YOKLUK ÇEKİYORUZ. VAR OLAN KAYNAKLARIMIZI EN VERİMLİ ŞEKİLDE KULLANMADIKÇA DA YOKLUK ÇEKMEYE DEVAM EDECEĞİZ.

RÜZGAR ESİP GİDİYOR. ONU ENERJİYE ÇEVİRİP YARARLANMAK DA MÜMKÜN... HİÇBİRŞEY YAPMAYIP SADECE SERİNLEMEK DE...