İçeriğe atla

Darrieus rüzgâr türbini

Şekil 1: Magdalen Adaları'nda bir zamanlar elektrik üretmek için kullanılan bir Darrieus rüzgar türbini

Darrieus rüzgâr türbini, rüzgar enerjisinden elektrik üretmek için kullanılan bir tür dikey eksenli rüzgâr türbinidir (DERT). Türbin, dönen bir şaft veya çerçeve üzerine monte edilmiş bir çok kavisli kanat profili kanatlarından oluşur. Kanatların kavisi, kanadın yalnızca yüksek dönüş hızlarında gerilim altında gerilmesine olanak tanır. Düz kanatlar kullanan birkaç yakından ilişkili rüzgar türbini vardır. Türbinin bu tasarımı, Fransız havacılık mühendisi Georges Jean Marie Darrieus tarafından patentlenmiştir; patent başvurusu 1 Ekim 1926'da yapılmıştır. Darrieus türbinini aşırı rüzgar koşullarından korumak ve kendi kendine çalışmasını sağlamak konusunda büyük zorluklar vardır.

Çalışma yöntemi

Şekil 2: Gaspé yarımadasında, Québec, Kanada'da çok büyük bir Darrieus rüzgar türbini
Tayvan'da kullanılan kombine Darrieus–Savonius jeneratörü
Darrieus rüzgar türbininin çalışma ilkeleri

Darrieus tasarımının orijinallerinde, kanat profilleri simetrik olacak ve sıfır ayar açısına sahip olacak şekilde yani kanat profillerinin takıldıkları yapıya göre ayarlandığı açıya göre düzenlenmiştir. Bu düzenleme, rüzgara doğru döndürülmesi gereken geleneksel tipin aksine rüzgarın hangi yönden estiğine bakmaksızın eşit derecede etkilidir.

Darrieus rotoru dönerken, aerofoiller dairesel bir yolda havada ileri doğru hareket eder. Kanatla karşılaştırıldığında, bu yaklaşan hava akışı rüzgara vektörel olarak eklenir, böylece ortaya çıkan hava akışı kanatta değişken küçük bir pozitif hücum açısı yaratır. Bu, belirli bir "eylem çizgisi" boyunca eğik bir şekilde öne doğru işaret eden net bir kuvvet oluşturur. Bu kuvvet, belirli bir mesafede türbin ekseninin ötesine doğru yansıtılabilir, şafta pozitif tork verir ve böylece halihazırda hareket ettiği yönde dönmesine yardımcı olur. Rotoru döndüren aerodinamik prensipler, otojirolardaki ve otorotasyondaki normal helikopterlerdeki prensiplere eşdeğerdir.

Kanat profili aygıtın arkası etrafında hareket ettikçe, hücum açısı ters işarete değişir, ancak üretilen kuvvet hala dönüş yönünde eğiktir, çünkü kanatlar simetriktir ve donanım açısı sıfırdır. Rotor, rüzgar hızıyla ilgisi olmayan bir hızda ve genellikle çok daha hızlı döner. Tork ve hızdan kaynaklanan enerji, bir elektrik jeneratörü kullanılarak alınıp yararlı bir güce dönüştürülebilir.

Havacılık terimleri olan kaldırma ve sürükleme, kesin bir dille ifade etmek gerekirse, sırasıyla yaklaşan net göreli hava akışı boyunca ve boyunca kuvvetlerdir, bu yüzden burada işe yaramazlar. Etki eden kuvvetler, kanadı etrafında çeken teğetsel kuvvet ve yataklara karşı etki eden radyal kuvvettir. Rotor hareketsizken, rüzgar hızı oldukça yükselse bile net bir dönme kuvveti oluşmaz; tork oluşturmak için rotor zaten dönüyor olmalıdır. Bu yüzden tasarım normalde kendi kendine başlamaz. Nadir durumlarda, Darrieus rotorları kendi kendine dönmeye başlayabilir, bu yüzden durduğunda onu sabitlemek için bir tür fren gerekir.

Tasarımla ilgili bir sorun, türbin dönerken hücum açısının değişmesidir, bu nedenle her kanat, döngüsündeki iki noktada (türbinin önü ve arkası) maksimum torkunu üretir. Bu, tasarımı karmaşıklaştıran sinüzoidal (darbeli) bir güç döngüsüne yol açar. Özellikle, hemen hemen tüm Darrieus türbinlerinde, belirli bir dönme hızında, titreşimin kanatların doğal frekansında olduğu ve (sonunda) kırılmalarına neden olabilen rezonans modları vardır. Bu nedenle, çoğu Darrieus türbininde, türbinin bu hızlarda uzun süre dönmesini önlemek için mekanik frenler veya diğer hız kontrol cihazları bulunur.

Başka bir sorun, dönen mekanizmanın kütlesinin çoğunun, bir pervanede olduğu gibi göbekte değil, çevrede olması nedeniyle ortaya çıkar. Bu, mekanizma üzerinde çok yüksek merkezkaç streslerine yol açar ve bunlara dayanabilmesi için aksi takdirde olduğundan daha güçlü ve ağır olması gerekir. Bunu en aza indirmek için yaygın bir yaklaşım, kanatları "yumurta çırpıcı" şekline (bu, Yunancada "eğirilmiş ipin şekli" anlamına gelen "troposkein" şekli olarak adlandırılır) kıvırmaktır, böylece kendi kendini destekler ve bu kadar ağır desteklere ve montajlara ihtiyaç duymazlar. Bkz. Şekil 1.

Bu biçimde, Darrieus tasarımı teorik olarak geleneksel tipten daha ucuzdur, çünkü stresin çoğu türbinin alt kısmında bulunan jeneratöre karşı tork uygulayan kanatlardadır. Dikey olarak dengelenmesi gereken tek kuvvetler, kanatların dışarı doğru bükülmesinden (böylece kuleyi "sıkıştırmaya" çalışmaktan) kaynaklanan sıkıştırma yükü ve yarısı alt tarafa iletilen ve diğer yarısı da destek telleriyle kolayca dengelenebilen tüm türbini devirmeye çalışan rüzgar kuvvetidir.

Buna karşılık, geleneksel tasarımda, kuleyi ana yatağın bulunduğu tepeden itmeye çalışan rüzgarın tüm kuvveti vardır. Ayrıca, pervane kulenin hem üstünde hem de altında döndüğünden bu yükü dengelemek için kolayca gergi telleri kullanılamaz. Bu nedenle geleneksel tasarım, pervanenin boyutuyla önemli ölçüde büyüyen sağlam bir kule gerektirir. Modern tasarımlar, bu değişken hız ve değişken eğimdeki çoğu kule yükünü telafi edebilir.

Genel karşılaştırmada, Darrieus tasarımında bazı avantajlar olsa da, özellikle MW sınıfındaki daha büyük makinelerde çok daha fazla dezavantaj vardır. Darrieus tasarımı, kanatlarda çok daha pahalı malzeme kullanırken, kanadın çoğu gerçek güç vermek için yere çok yakındır. Geleneksel tasarımlar, enerji üretimini ve kullanım ömrünü en üst düzeye çıkarmak için kanat ucunun en düşük noktada yerden en az 40 m uzakta olduğunu varsayar. Şimdiye kadar döngüsel yük gereksinimlerini karşılayabilen bilinen hiçbir malzeme (karbon fiber bile) yoktur.

Verim olarak günümüzde en çok kullanılan üç kanatlı YERT'lere yakındırlar. En büyük avantajlarından biri rüzgâr yönüne dönmesi gerekmediğinden gövde dönüş sistemi (YAW) kullanılmasına gerek yoktur. Bununla beraber mekanik ve elektronik parçaları, alternatörü, dişli kutusunu yere yakın yerleştirme imkânı sağladığı için, bakım, servis ve montajları YERT'lere göre daha kolaydır. Bu avantajlar; az kanat ucu çevresel hız oranı, kendiliğinden dönmeye başlayamaması ve güç çıkışının veya dönüş hızının kanat açı kontrolü yapılarak kontrol edilememesi gibi dezavantajlar ile dengelenir.[1]

Giromilller

Şekil 3: Giromill tipi bir rüzgar türbini
Avustralya, Hobart'taki Marine Board Binası'nın tepesine kurulan MUCE türbinleri

Darrieus'un 1927 tarihli patenti, dikey kanat profilleri kullanılarak yapılan hemen hemen her türlü düzenlemeyi kapsıyordu. Daha yaygın tiplerden biri, H-rotor,[2][3][4] aynı zamanda Giromill veya H-bar tasarımı olarak da adlandırılan, yaygın Darrieus tasarımının uzun "yumurta çırpıcı" kanatlarının, yatay desteklerle merkezi kuleye tutturulmuş düz dikey kanat bölümleriyle değiştirildiği tasarımdır. Bu tasarım, Şanghay merkezli MUCE tarafından kullanılmaktadır.[5][6]

Darrieus-Giromill-(H) tipi rüzgâr türbini[7]

Siklotürbinler

Giromill'in bir diğer çeşidi de her bir kanadın kendi dikey ekseni etrafında dönebilecek şekilde yerleştirildiği Siklotürbindir. Bu, kanatların rüzgara göre her zaman bir saldırı açısına sahip olacak şekilde "eğilmesine" olanak tanır. Bu tasarımın en büyük avantajı, üretilen torkun oldukça geniş bir açıda neredeyse sabit kalmasıdır, bu nedenle üç veya dört kanatlı bir Siklotürbin oldukça sabit torkludur. Bu açı aralığında, torkun kendisi mümkün olan maksimum değere yakındır, bu da sistemin daha fazla güç ürettiği anlamına gelir. Siklotürbin ayrıca, sürüklenme oluşturmak ve türbini az hızda döndürmeye başlamak için "rüzgar altı hareket eden" kanadı rüzgara doğru düz şekilde eğerek kendi kendine başlama avantajına sahiptir. Olumsuz tarafı, kanat eğim mekanizması karmaşıktır ve genellikle ağırdır ve kanatları düzgün bir şekilde eğmek için bir tür rüzgar yönü sensörü eklenmesi gerekir.

Siklotürbinde kanat açı kontrolü yaparak maksimum verimi elde edilir. Bu tarz türbinlerde diğer Darrieus türbinlerde olmayan kendiliğinden başlama avantajı vardır. Az hızlı rüzgârda açı kontrolü ile rüzgâra karşı açı verilerek sürüklenme kuvvetleri oluşturulur ve türbin dönüşe başlar. Dönüş hızı arttıkça açı rüzgâr kanatlara çarpacak şekilde değiştirilir ve kaldırma kuvvetleri ile türbin ivmelendirilmiş olur.

Birleştirilmiş Darries-Savonius

Darrieus ve Savonius türbinlerinin karışımı sürüklenme ve kaldırma kuvvetlerinin karışımı olan verimli bir DERT tasarımı elde edilmesini sağlar. Savonius türbinler, kendi başına dönmeye başlayabildikleri için bu hibrit tasarımda türbin kendiliğinden dönme imkânına kavuşur.[8]

Kaynakça

  1. ^ Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. Berlin/ Heidelberg 2008, pp. 621. (Almanca). (İngilizce versiyonu: Erich Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics, Springer 2005)
  2. ^ S. Brusca, R. Lanzafame, M. Messina. "Design of a vertical-axis wind turbine: how the aspect ratio affects the turbine’s performance" 21 Haziran 2024 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.. 2014.
  3. ^ Mats Wahl. "Designing an H-rotor type Wind Turbine for Operation on Amundsen-Scott South Pole Station" 30 Mayıs 2024 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.. 2007.
  4. ^ "H-rotor picture (page22)" (PDF). 3 Aralık 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 15 Eylül 2024. 
  5. ^ "VAWT,Vertical Axis Wind Turbine - MUCE VAWT,上海模斯翼风力发电设备有限公司". www.vawtmuce.com. 11 Ağustos 2024 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Eylül 2024. 
  6. ^ "Overcoming the Barriers to Renewable Embedded Generation in Tasmania: Appendix 13 Discussion – Peter Fischer, Director,Tasmanian Planning Commission" (PDF). Goanna Energy Consulting Pty Ltd. 10 Eylül 2010. s. 195. 10 Ağustos 2019 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Ağustos 2019. (Vertical Muce) turbines on the MarineBoard building 
  7. ^ Giromill-Darrieus Rüzgâr Türbinleri http://www.reuk.co.uk/Giromill-Darrieus-Wind-Turbines.htm 2 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  8. ^ http://www.isesco.org.ma/ISESCO_Technology_Vision/NUM16/doc/9.pdf 27 Eylül 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Some Aspects of Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs) - A review, ISESCO Journal, Kasım 2013

Ayrıca bakınız

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Türbin</span>

Türbin, bir akışkanın enerjisini işe çevirmek için kullanılan alettir. Türbin bir mil ve üzerinde kanatçıklardan oluşur. Kullanılan akışkana göre türbinin yapısı değişir. Çalışma prensibi şu şekildedir. Akışkan türbinin kanatçıklarına çarparak türbin miline hareket verir, hareket milin çıkışında mekanik işe dönüşür.

<span class="mw-page-title-main">Rüzgâr türbini</span> Rüzgârın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren sistem

Rüzgâr türbini, rüzgârdaki kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Rüzgar türbinleri, aralıklı yenilenebilir enerjinin giderek daha önemli bir kaynağı haline gelmekte ve birçok ülkede enerji maliyetlerini düşürmek ve fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmak için kullanılmaktadır. Bir çalışma, 2009 yılı itibarıyla rüzgarın fotovoltaik, hidro, jeotermal, kömür ve gaz enerji kaynaklarına kıyasla "en düşük göreceli sera gazı emisyonlarına, en az su tüketimi talebine ve en olumlu sosyal etkilere" sahip olduğunu öne sürmüştür.

<span class="mw-page-title-main">Helikopter</span>

Helikopter, dikey kalkış ve iniş yapabilen döner kanatlı bir hava taşıtıdır. İsmin kökü Yunancada heliko pteron yani hareketli kanatlar anlamından gelir. Fransız Gustave Ponton d'Amécourt tarafından 1861'de ortaya atılmıştır. 1907 yılında Fransız Paul Cornu ilk motorlu helikopteri uçurmuştur.

<span class="mw-page-title-main">Buhar türbini</span>

Buhar türbini, basınçlı buhardan termal enerjiyi çıkaran ve bunu dönen bir çıkış milinde mekanik iş yapmak için kullanan makinedir. Modern tezahürü 1884'te Charles Parsons tarafından icat edilmiştir. Modern bir buhar türbininin imalatı, 20. yüzyılda ilk kez kullanılabilir hale gelen teknolojiler kullanılarak yüksek kaliteli çelik alaşımlarını hassas parçalara dönüştürmek için gelişmiş metal işçiliğini içerir. Buhar türbinlerinin dayanıklılığı ve verimliliğindeki sürekli gelişmeler, 21. yüzyılın enerji ekonomisinin merkezinde yer almaya devam etmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Kanat profili</span>

Kanat profili veya aerofoil, kanat, yelken, dümen, pervane kanadı, rotor veya türbin gibi bir akışkan içindeki hareketi kaldırma kuvveti oluşturabilen nesnenin kesit şeklidir.

<span class="mw-page-title-main">Gaz türbini</span> içten yanmalı motor tipi

Gaz türbini, bir tür sürekli ve içten yanmalı motordur. Bütün gaz türbinlerinde ortak bulunan ana bileşenler aşağıdaki gibidir:

<span class="mw-page-title-main">Francis türbini</span>

Francis turbini James B. Francis tarafından geliştirilmiş bir su türbini çeşididir. Radyal ve eksenel akış çeşitlerinin bulunduğu bir iç akış reaksiyon türbinidir.

<span class="mw-page-title-main">Rüzgâr çiftliği</span>

Rüzgâr tarlası veya rüzgâr çiftliği, elektrik üretimi için kullanılan ve aynı yerde bulunan rüzgâr türbinleri grubudur. Özel türbinler orta gerilim güç sistemine ve ağ şebekesine bağlanır. Elektrik şebekesinin orta gerilimdeki elektrik akımını bir transformatör yardımıyla yüksek gerilim iletim hattına bağlar.

<span class="mw-page-title-main">Rüzgâr gücü</span> Rüzgârdan elektrik enerjisi üretimi

Rüzgâr gücü, elektrik üretmek için rüzgâr türbinleri, mekaniksel güç için yel değirmeni, su veya kuyu pompalama için rüzgâr pompaları veya gemileri yürütmek için yelkenler kullanarak rüzgârın kullanışlı formundaki rüzgâr enerjisinin sonucudur.

<span class="mw-page-title-main">Burgu türbini</span>

Arşimet burgu türbini, memba seviyesindeki suyun potansiyel enerjisini iş'e dönüştüren hidrolik bir makinedir.

Nordex SE, rüzgâr türbinleri tasarlayan, üreten ve satan bir Alman şirketidir. Yönetim kademesinin Hamburg'da bulunmasına rağmen şirketin merkezi Alman kenti Rostock’tadır. Üretim Rostock'un yanı sıra Çin'de ve kısa bir süre için de olsa Jonesboro, Arkansas gerçekleşir.

<span class="mw-page-title-main">Savonius rüzgâr türbini</span>

Savonius rüzgar türbinleri, rüzgârın kuvvetini dönen bir şaft üzerinde torka dönüştürmek için kullanılan bir tür dikey eksenli rüzgâr türbinidir (DERT). Türbin, genellikle dönen bir şaft veya çerçeve üzerine dikey olarak yerleştirilmiş, ya yere sabitlenmiş ya da havadaki sistemlere bağlanmış bir çok kanat profilinden oluşur.

<span class="mw-page-title-main">Döner kanatlı hava aracı</span> döner kanatlı hava aracı 🚁

Dönerkanat ya da dönerkanatlı uçaklar, dikey bir şafta bağlı olarak dönen pallerin (kanatların) ürettiği kaldırma kuvvetiyle yerçekimini yenen ve uçuşunu gerçekleştiren hava araçlarıdır. Tek bir şafta bağlı pallerden oluşan sistem de rotor olarak adlandırılır. Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü tarafından yapılan dönerkanat tanımı, "uçuş için bir ya da birden fazla rotor tarafından desteklenen hava aracı" şeklindedir. Dönerkanat dendiğinde akla gelen hava araçları genellikle helikopter, cyclocopter, autogyro ve gyrodynedır. Bazı melez (hibrit) dönerkanatlı hava araçları ise motorlarıyla tahrik ettikleri ana rotorlarına ek olarak, fazladan itki sağlayan ek motorlar, pervaneler ve sabit taşıma yüzeylerine de sahip olabilirler.

<span class="mw-page-title-main">Dikey eksenli rüzgâr türbini</span>

Dikey eksenli rüzgar türbini (DERT), ana rotor milinin rüzgara enine yerleştirildiği ve ana bileşenlerin türbinin tabanında yer aldığı bir rüzgar türbin türüdür. Bu düzenleme, jeneratör ve dişli kutusunun yere yakın yerleştirilmesine olanak tanıyarak servis ve onarımı kolaylaştırır. DERT'lerin rüzgara doğrultulmasına gerek yoktur, bu ise rüzgar algılama ve yönlendirme mekanizmalarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır. İlk tasarımların başlıca dezavantajları arasında her devir sırasında önemli tork dalgalanması ve kanatlar üzerindeki büyük bükülme momentleri vardı. Daha sonraki tasarımlar, kanatları sarmal olarak süpürerek tork dalgalanmasını giderdi.

<span class="mw-page-title-main">Küçük rüzgâr türbini</span>

Küçük rüzgar türbini, rüzgar çiftlikleri'ndeki gibi büyük güçlü ticari rüzgar türbinlerinin aksine mikro elektrik üretimi için kullanılan rüzgar türbinidir.

<span class="mw-page-title-main">Rüzgâr türbini tasarımı</span>

Rüzgâr türbini tasarımı, rüzgârdan enerji elde etmek için rüzgâr türbininin şekil ve teknik özelliklerinin belirlenmesidir. Rüzgâr türbini kurulumu rüzgâr enerjisini almak, türbini rüzgâra yönlendirmek, mekanik dönüşü elektrik enerjisine çevirmek, türbini başlatmak, durdurmak ve kontrol etmek için gerekli sistemlerden oluşur.

<span class="mw-page-title-main">Su freni</span>

Su freni, mekanik enerjiyi emmek için kullanılan bir tür sıvı kavramadır ve genellikle su dolu bir muhafazaya monte edilmiş bir türbin veya pervaneden oluşmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Rüzgar türbini aerodinamiği</span>

Rüzgarın enerjisi, rüzgar türbininin dönen kanatlarına rüzgarın uyguladığı aerodinamik kuvvetler yoluyla türbinin alternatöründe elektrik enerjisine çevrilir. Bu nedenle aerodinamik hesaplamalar rüzgar türbininde önemlidir. Çoğu makine gibi rüzgar türbinleri de hepsi farklı enerji kazanım kavramlarına dayanır.

<span class="mw-page-title-main">Eksenel kompresör</span>

Eksenel kompresör, gazları sürekli olarak basınçlandırabilen bir gaz kompresörüdür. Gazın veya çalışma sıvısının esas olarak dönme eksenine paralel veya eksenel olarak aktığı, dönen, kanat profili bazlı bir kompresördür. Bu, sıvı akışının kompresör boyunca bir "radyal bileşen" içereceği santrifüj kompresör, eksenel santrifüj kompresörler ve karışık akışlı kompresörler gibi diğer döner kompresörlerden farklıdır.

<span class="mw-page-title-main">Sigurd Johannes Savonius</span>

Sigurd Johannes Savonius Fin mimar ve mucit idi. Özellikle 1924'te icat ettiği Savonius rüzgâr türbini ile bilinir.