Kanatlarına Basamak Açmanın Darrieus Düşey Eksenli Rüzgar Türbini Güç Üretimine Etkisi

Bir kanadın firar kenarı tarafına basamak açmanın, o kanadın kaldırma/sürükleme kuvvet oranını arttırabildiği literatürde belirlenmiştir. Bu tip kanatlara Kline-Fogleman kanatları denmektedir. Düşey eksenli Darrieus rüzgar türbinleri ise kanatların kaldırma kuvvetiyle dönen türbinlerdir. Bu türbinlerin güç artış potansiyellerinin ortaya çıkarılması literatürde yoğunlukla çalışılan güncel bir bilimsel araştırma konusudur. Bu çalışmada Kline-Fogleman kanatlarının Darrieus türbininde, yazarların bilgisi dahilinde, literatürde ilk defa kullanılmasının güç üretimine etkisi, önceden doğrulanmış hesaplamalı akışkanlar mekaniği (HAD) analizleri vasıtasıyla incelenmiştir. Yapılan karşılaştırmalarla, bunun olumlu ve olumsuz etkilerinin olduğu saptanmıştır. İleriki çalışmalarda aktif kontrollü farklı basamak geometrileriyle iyileştirmeler elde edilmesi mümkün gözükmektedir. Bu çalışmanın, konusunda bir referans çalışma olması beklenmektedir.

The Effect of Airfoil Backward-Facing Step on Power Production of aDarrieus Vertical-Axis Wind Turbine

Airfoils which have backward facing steps are called Kline-Fogleman airfoils and those have previously shown to have lift/drag enhancement potentials over conventional airfoils. Darrieus vertical-axis wind turbines rotate by the lift generated on its airfoils. The exploration of power enhancement potentials of such turbines is a current scientific topic in the literature. In this study, the effects of stepped airfoils in a Darrieus turbine is studied by validated computational fluid dynamics (CFD) simulations, to the author's best knowledge, for the first time in the open literature. The comparisons revealed that this has both positive and negative effects. Optimized step geometries with active flow control may eliminate negative aspects and improve overall performance. This study is expected to be a reference study on this area.

PDF

___

[1] Paraschivoiu I. 2002. Wind Turbine Design: With Emphasis on Darrieus Concept. Polytechnic International Concept, Montreal, 450 s.
[2] Darrieus G. 1931. Turbine Having Its Rotating Shaft Transverse to the Flow of the Current. U.S. Patent 1,835,018 08.
[3] Howell R, Qin N, Edwards J, Durrani, N. 2010. Wind Tunnel and Numerical Study of a Small Vertical-Axis Wind Turbine, Renewable Energy, Cilt 35, s. 412- 422. DOI:10.1016/j.renene.2009.07.025
[4] Sutherland H J, Berg, D E, Ashwill T D. 2012. A Retrospective of VAWT Technology. Sandia Report SAND2012-0304.
[5] Balduzzi F, Bianchini A, Maleci R, Ferrara G. 2016. Critical Issues in the CFD Simulation of Darrieus Wind Turbines, Renewable Energy, Cilt 85, s. 419-435. DOI: 0.1016/j.renene.2015.06.048
[6] Goude, A. 2012. Fluid Mechanics of Vertical Axis Turbines: Simulations and Model Development. Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 998, Uppsala University.
[7] Banas J F, Sullivan W N. Sandia. 1976. Vertical-Axis Wind Turbine Program Technical Quarterly Report. Sandia Laboratuvarları.
[8] Worstell M H. 1978. Aerodynamic Performance of the 17 Meter Diameter Darrieus Wind Turbine. Sandia Laboratuvarları.
[9] Sheldalh R E, Klimas P C, Feltz L V. 1980. Aerodynamic Performance of a 5-Metre-Diameter Darrieus Turbine With Extruded Aluminum NACA-0015 Blades. Sandia Laboratuvarları.
[10] Tescione G, Ragni D, He C, Ferreira C J S, Bussel C J W. 2014. Near Wake Flow Analysis of a VerticalAxis Wind Turbine By Stereoscopic Particle Image Velocimetry. Renewable Energy, Cilt 70, s. 47- 61. DOI:10.1016/j.renene.2014.02.042
[11] Lam H F, Peng H Y. 2016. Study of Wake Characteristics of a Vertical Axis Wind Turbine by Two and Three Dimensional Computational Fluid Dynamics Simulations, Renewable Energy, Cilt 90, s. 386- 398. DOI:10.1016/j.renene.2016.01.011
[12] Li Q, Maeda T, Kamada Y, Murata J, Yamamoto M, Ogasawara T, Shimizu K, Kogaki T. 2016. Study on Power Performance for Straight-Bladed Vertical Axis Wind Turbine by Field and Wind Tunnel Tests. Renewable Energy, Cilt 90, s. 291-300. DOI:10.1016/j.renene.2016.01.002
[13] Khosrowponah, S. 1984. Experimental Study of the CrossFlow Turbine: Colorado State University, Doktora Tezi.
[14] Colley G, Mishra R, Rao H V, Woolhead R. 2010. Effect of Rotor Blade Position on Vertical Axis Wind Turbine Performance. International Conference on Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ 10), Granada, İspanya.
[15] Fukutomi J, Shigemitsu T, Daito H. 2011. Study on Performance and Flow Condition of a Cross-Flow Wind Turbine With a Symmetrical Casing, Journal of Fluids Engineering, Cilt 133, s. 490-501. DOI:10.1115/1.4004023
[16] Araya D B, Craing A E, Kinzel M, Dabiri J. 2014. Low order Modeling of Wind Farm Aerodynamics Using Leaky Rankine Bodies, Journal of Renewable and Sustainable Energy, Cilt 6. DOI: 10.1063/1.4905127
[17] Dabiri J, Greer J R, Koseff J R, Moin P, Peng J. 2015. A New Approach to Wind Energy: Opportunities and Challenges, AIP Conference Proceedings 1652 (51), Berkeley, ABD.
[18] Karadeniz, Z.H. 2015. Düşey Eksenli Rüzgar Türbini Araştırmalarında Son Gelişmeler. 8. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Adana, Türkiye.
[19] Kline R. 1985. The Ultimate Paper Airplane. Simon and Schuster Publication, New York.
[20] Fertis D G. 1994. New Airfoil Design Concept with Improved Aerodynamic Characteristics, Journal of Aerospace Engineering, Cilt 7, s. 328-339. DOI:10.1061/(ASCE)0893- 1321(1994)7:3(328)
[21] Witherspoon S, Finaish F. 1996. Experimental and Computational Studies of Flow Developments Around an Airfoil With Backward Facing Steps. AIAA-96-2481-CP.
[22] Karunakaran C S. 2013. Study of Flow Field over Fabricated Airfoil Models of NACA 23015 with Its Kline-Fogleman Variant, Advances in Aerospace Science and Applications, s. 95-100.
[23] Bos R. 2012. Self-Starting of a Small Urban Darrieus Rotor: Strategies to Boost Performance in LowReynolds-Number Flows. Delft University of Technology, Yüksek Lisans Tezi.
[24] Baytekin, E., Acarer, S., Karadeniz, Z.H., Turgut, A. 2016. Darrieus Tipi Bir Rüzgar Türbininde Kanat Ucu Hızı Oranının Art İzine Etkisi, 10. Uluslararası Temiz Enerji Sempozyumu (UTES), İstanbul, Türkiye.