Darrieus rüzgâr 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.

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]

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]

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.

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]

• Rüzgâr türbini
• Savonius rüzgâr türbini