Rüzgar türbini aerodinamiği

Serme bahçesinde kurulum bekleyen rüzgar türbini kanatları.

Rüzgar türbinlerinin birincil uygulaması, rüzgarı kullanarak enerji üretmektir. Bu nedenle, aerodinamik, rüzgar türbinlerinin çok önemli bir yönüdür. Çoğu makine gibi, rüzgar türbinleri de hepsi farklı enerji alma kavramlarına dayanan birçok farklı türde gelir.

Aerodinamiğin ayrıntıları topolojiye çok bağlı olsa da, bazı temel kavramlar tüm türbinler için geçerlidir. Her topoloji belirli bir akış için maksimum güce sahiptir ve bazı topolojiler diğerlerinden daha iyidir. Güç elde etmek için kullanılan yöntemin bunda güçlü bir etkisi vardır. Genel olarak, tüm türbinler ya kaldırma-esaslı ya da sürükleme-esaslı olarak sınıflandırılabilir, birincisi daha verimlidir. Bu gruplar arasındaki fark, enerjiyi almak için kullanılan aerodinamik kuvvettir.

En yaygın topoloji yatay eksenli rüzgar türbini'dir. Çok iyi performansa sahip kaldırma kuvveti esaslı bir rüzgar türbinidir. Buna göre, ticari uygulamalar için popüler bir seçimdir ve bu türbine çok fazla araştırma yapılmıştır. 20. yüzyılın ikinci yarısında kaldırma kuvvetine dayalı popüler bir alternatif olmasına rağmen, Darrieus rüzgâr türbini bugün nadiren kullanılmaktadır. Savonius rüzgâr türbini en yaygın sürünme tipi türbindir. Düşük verimliliğine rağmen, sağlamlığı, inşası ve bakımı kolaylığı nedeniyle kullanılmaktadır.

Genel aerodinamik hususlar

Rüzgardan güç üretme denklemi şöyle yazılır:

   

$P={\vec {F}}\cdot {\vec {v}}$

(1)

   

burada P güç, F kuvvet vektörü ve v hareketli rüzgar türbin parçasının hızıdır.

"F" kuvveti, rüzgarın rotor kanadıyla etkileşimiyle üretilir. Bu kuvvetin büyüklüğü ve dağılımı, rüzgar türbini aerodinamiğinin birincil odak noktasıdır. Aerodinamik kuvvetin en bilinen türü sürüklemedir. Sürükleme kuvvetinin yönü, bağıl rüzgara paraleldir. Genellikle, rüzgar türbini parçaları hareket ederek parçanın etrafındaki akışı değiştirir. Göreceli rüzgara bir örnek, sakin bir günde bisiklet sürerken hissedilen rüzgardır.

Güç elde etmek için türbin parçası net kuvvet yönünde hareket etmelidir. Sürükleme kuvveti durumunda, bağıl rüzgar hızı daha sonra azalır ve böylece sürükleme kuvveti de azalır. Göreceli rüzgar yönü, sürükleme esaslı bir rüzgar türbini tarafından elde edilebilecek maksimum gücü sınırlar. Kaldırma esaslı rüzgar türbinleri genellikle akışa dik hareket eden kaldırma yüzeylerine sahiptir. Burada bağıl rüzgar azalmaz; bunun yerine rotor hızıyla artar. Bu nedenle, bu makinelerin maksimum güç sınırları, sürükleme esaslı makinelere göre çok daha yüksektir.

Kaynaklar

• Hansen, M.O.L. Aerodynamics of Wind Turbines, 3rd ed., Routledge, 2015 978-1138775077
• Schmitz, S. Aerodynamics of Wind Turbines: A Physical Basis for Analysis and Design, Wiley, 2019 978-1-119-40564-1
• Schaffarczyk, A.P. Introduction to Wind Turbine Aerodynamics, 2nd ed., SpringerNature, 2020 978-3-030-41027-8