Dikey eksenli rüzgâr türbini

Dünyanın en yüksek dikey eksenli rüzgar türbini Cap-Chat, Quebec'tedir

Vortexis şeması

Açık denizde dikey eksenli bir rüzgar türbini

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 (Savonius, Darrieus ve giromill) başlıca dezavantajları arasında her devir sırasında önemli tork dalgalanması ve kanatlar üzerindeki büyük bükülme momentleri vardı. Daha sonraki tasarımlar, kanatları sarmal olarak (Gorlov tipi) süpürerek tork dalgalanmasını giderdi.

Savonius dikey eksenli rüzgar türbinleri (DERT) yaygın değildir, ancak küçük yatay eksenli rüzgar türbinleriyle (YERT) karşılaştırıldığında basitlikleri ve bozulmuş akış alanlarında daha iyi performansları, bunları kentsel ortamda dağıtılmış üretim cihazları için iyi bir alternatif haline getirir.

Dikey eksenli bir rüzgar türbininin ekseni rüzgar akım çizgilerine dik ve yere diktir. Bu seçeneği içeren daha genel bir terim, "enine eksenli rüzgar türbini" veya "çapraz akışlı rüzgar türbini"dir. Örneğin, orijinal Darrieus patenti, ABD patenti 1835018, her iki seçeneği de içerir.

Savonius rotoru gibi sürükleme tipi DERT'ler tipik olarak Darrieus rotorları ve siklotürbinler gibi kaldırma esaslı DERT'lerden daha az uç hız oranlarında çalışır.

Bilgisayar modellemesi, dikey eksenli rüzgar türbinleri kullanılarak inşa edilen rüzgar santrallerinin daha az türbülans yaptıkları için geleneksel yatay eksenli rüzgar türbinlerinden %15 daha verimli olduğunu göstermektedir.

Genel aerodinamik

Darrieus türbinine etki eden kuvvetler ve hızlar şekil 1'de gösterilmiştir. Oluşan hız vektörü ${\vec {W}}$, kesintisiz yukarı akış hava hızı ${\vec {U}}$ ve ilerleyen kanat hız vektörü $-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}$ 'nin vektörel toplamıdır.

${\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)$

Şekil 1: Darrieus türbininde çeşitli azimut konumları için etki eden kuvvetler ve hızlar

Sarmal bir Darrieus türbini

Bu nedenle yaklaşan akışkan hızı her döngüde değişir. Maksimum hız $\theta =0{}^{\circ }$ ve minimum hız $\theta =180{}^{\circ }$ için bulunur ki burada $\theta$ azimut veya yörünge kanadı konumudur. Hücum açısı $\alpha$, yaklaşan hava hızı W ile kanat kirişi arasındaki açıdır. Oluşan hava akışı, makinenin yukarı akış bölgesindeki kanada değişen, pozitif bir saldırı açısı yaparak makinenin aşağı akış bölgesindeki işareti değiştirir.

Ek şekilde görüldüğü gibi açısal hızın geometrik değerlendirmelerinden şu sonuç çıkar:

$V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )$

ve:

$V_{n}=U\sin(\theta )$

Teğetsel ve normal bileşenlerin sonucu olarak bağıl hız çözüldüğünde şu sonuç çıkar:

$W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}$

Böylece, yukardakilerin uç hız oranı $\lambda =(\omega R)/U$ tanımlarıyla birleştirilmesi, oluşan hız için aşağıdaki ifadeyi verir:

$W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}$

Hücum açısı şu formülle hesaplanır:

$\alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)$

Yukarıdaki yerine koyduğunuzda şu sonuç bulunur:

$\alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)$

Oluşan aerodinamik kuvvet, kaldırma (L) - sürükleme (D) bileşenlerine veya normal (N) - teğetsel (T) bileşenlere ayrılır.

Kuvvetlerin çeyrek kiriş noktasında etkili olduğu kabul edilir ve atış momenti (ing: pitching moment) aerodinamik kuvvetleri çözecek şekilde belirlenir. Havacılık terimleri kaldırma ve sürükleme, yaklaşan net bağıl hava akışı boyunca (kaldırma) ve boyunca oluşan (sürükleme) kuvvetleri ifade eder. Teğetsel kuvvet kanadın hızı boyunca etki ederek kanadı kendi etrafında çeker, normal kuvvet ise radyal olarak etki ederek mil yataklarını iter.

Kaldırma ve sürükleme kuvveti, kanadın etrafındaki dinamik durma, sınır tabakası vb. gibi aerodinamik kuvvetlerle uğraşırken faydalıdır; küresel performans, yorulma yükleri vb. ile uğraşırken normal teğetsel bir çerçeveye sahip olmak daha uygundur.

Kaldırma ve sürükleme katsayıları genellikle bağıl hava akışının dinamik basıncıyla normalleştirilirken, normal ve teğetsel katsayılar genellikle müdahale edilmemiş akış yukarı akışkan hızının dinamik basıncıyla normalleştirilir.

$C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}$

A = Kanat Alanı (kanat/rotor yüksekliği ile rotor çapı çarpımına eşit olan Süpürme Alanı ile karıştırılmamalıdır),

R = Türbin yarıçapı

Rüzgar türbininin emebileceği güç miktarı P:

$P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}$

Burada $C_{p}$ güç katsayısı, $\rho$ havanın yoğunluğu, $A$ türbinin süpürülen alanı, ve $\nu$ rüzgar hızıdır.

Tipler

Dikey eksenli rüzgar türbinlerinin Savonius Rüzgar türbini ve Darrieus rüzgar türbini olarak iki ana tipi vardır. Darrieus rotoru, sarmal şekilli, disk benzeri ve düz kanatlı H rotor dahil olmak üzere çeşitli alt formlardadır. Bu türbinler tipik olarak kaldırma kuvvetleri tarafından tahrik edilen ve yüksek hızlara ulaşmalarına olanak tanıyan üç ince rotor kanatlıdır.[1]

Dikey rüzgar türbinleri için aşağıda ayrıntıları verilen çeşitli basit tasarımlar vardır. Uygulamada, geliştiricilerin sıklıkla çeşitli dikey rüzgar türbini biçimleri oluşturma konusundaki yaratıcılıklarını sergilediği bir çok çeşit ve kombinazyonla karşılaşabilirsiniz.

Dikey Eksenli Rüzgar Türbin çeşitleri

Savonius

İki kepçeli Savonius türbininin şematik çizimi.

Savonius rüzgâr türbini (SWT), sürükleme tipi bir DERT'dir. Ortak tasarım, gelen rüzgarı yakalayan iki veya üç kepçeli dönen bir mili kapsar. Basit ve sağlam tasarımı ve nispeten düşük verimliliği nedeniyle güvenilirliğin verimlilikten daha önemli olduğu durumlarda kullanılır.

Savonius rüzgar türbininin az verimliliğinin bir nedeni, türbinin kabaca yalnızca yarısının pozitif tork üretmesi, diğer tarafının ise rüzgara karşı hareket etmesi ve dolayısıyla negatif tork üretmesidir.

SWT'nin bir çeşidi, sarmal şekilli kanatlara ve yüksek hızlı rüzgar koşullarında otomatik sarma mekanizmalı Harmony rüzgar türbinidir.

Darrieus

Darrieus rüzgâr türbini kaldırma tipi bir DERT'dir. Orijinal tasarım, uçları dönen bir mile tutturulmuş bir çok kavisli kanadı içeriyordu. Ancak H-rotor veya Giromill Darrieus rüzgar türbinleri denilen düz dikey kanat profillerini kullanan tasarımlar da vardır. Ayrıca Darrieus rüzgar türbininin kanatları, torku devir boyunca eşit şekilde yayarak türbin üzerindeki tork dalgalanma etkisini azaltmak için sarmal şeklinde yapılabilir.

Kaldırma tipi cihazlar olan Darrieus rüzgar türbinleri, Savonius rüzgar türbini gibi sürükleme tipi rüzgar türbinlerine kıyasla rüzgardan daha fazla güç çıkarabilir.

Döner kanat

Döner kanatlı rüzgar türbinleri veya döner kanatlı rüzgar türbinleri, kanat profilinin merkezinden geçen dikey mil etrafında 360 derecelik dönüş oluşturmak için 1 adet dikey duran, sarmal olmayan kanat profilini kullanan, kaldırma tipi DERT'lerin yeni bir kategorisidir.

Avantajlar

DERT'ler, geleneksel yatay eksenli rüzgar türbinlerine (YERT'ler) göre bir çok avantaj sunar:

• Çok yönlü DERT'lerin rüzgarı takip etmesi gerekmeyebilir. Bu, rotoru yalpalamak ve kanatları eğmek için karmaşık mekanizmaya ve motorlara ihtiyaç duymadıkları anlamına gelir.
• Şanzıman değişimi ve bakımı daha kolay ve verimlidir çünkü operatörün havada yüzlerce metrede çalışmasını gerektirmek yerine şanzımana zemin seviyesinden erişilebilir. Motor ve dişli kutusu arızaları genellikle önemli işletme ve bakım hususlarıdır.
• Bazı tasarımlarda betonun karayoluyla taşınmasını ve kurulumun çevresel etkisini azaltan vidalı kazık temeller kullanılabilir. Vidalı kazıklar kullanım ömrünün sonunda tamamen geri dönüştürülebilir.
• DERT'ler, mevcut YERT'ların altındaki YERT rüzgar santrallerine kurularak güç çıkışını tamamlayabilir.
• DERT'ler YERT'lara uygun olmayan koşullarda çalışabilir. Örneğin düzensiz, yavaş rüzgarlı yer seviyesi bağlamlarında çalışabilen Savonius rotoru, en 'verimsiz', sürükleme tipi DERT olmasına rağmen sıklıkla uzak veya gözetimsiz konumlarda kullanılır.
• YERT'lere kıyasla daha az gürültülü çalışır.
• Kuşlar için tehlikesi azdır.

Dezavantajları

DERT rüzgar türbininin hızı arttıkça, gücü de artar, ancak belirli bir tepe noktasında, rüzgar türbini hızı en yüksek seviyesindeyken bile güç kademeli olarak sıfıra düşer. Bu nedenle, disk frenler, yüksek rüzgar koşullarında bir rüzgar türbininin hızını yavaşlatmak için kullanılır. Ancak bazen disk freninin aşırı ısınması nedeniyle türbin alev alabilir.

DERT'ler, hücum açısının hızla değişmesi nedeniyle sıklıkla kanatların dinamik durmasından muzdariptir.

DERT'in kanatları, her dönüş sırasında uygulanan kuvvetlerdeki geniş çeşitlilik nedeniyle yorulmaya eğilimlidir. Dikey yönelimli kanatlar, her dönüşte bükülüp eğilebilir, bu ise kullanma ömürlerini kısaltır.

Sürükleme tiplerinin dışında, DERT'lerin YERT'lere göre daha az güvenilir olduğu kanıtlanmıştır ancak modern tasarımlar birçok erken dönem sorununu aşmıştır.

Araştırma

2021 tarihli bir çalışmada, DERT'lerin karşılaştırılabilir bir YERT kurulumunu %15 oranında geçmesine izin veren bir DERT yapılandırması simüle edildi. 11.500 saatlik bir simülasyon, kısmen bir şebeke oluşumu kullanılarak artan verimliliği gösterdi. Bir etki, şebekeye yerleştirilmiş YERT'lerden kaynaklanan ve verimliliği düşüren aşağı akış türbülansından kaçınmaktır. Diğer optimizasyonlar arasında dizi açısı, dönüş yönü, türbin aralığı ve rotor sayısı yer aldı.

2022'de Norveçli World Wide Wind' firması, iki set ters dönen kanatlı yüzen DERT'leri tanıttı. İki set eş merkezli millere sabitlenmiştir. Her birine bağlı bir türbin vardır. Biri rotora, diğeri statora bağlıdır. Bu, statik bir statora kıyasla birbirlerine göre hızlarını iki katına çıkarma etkisine sahiptir. En büyük YERT'lere kıyasla çıktıyı iki katından fazla artırdıkları iddia edildi.

YERT'ler kulenin tepesinde ağır aktarma organları, dişli kutuları, jeneratörler ve kanatlar gerektirir ve bu da ağır su altı dengeleyicileri gerektirir. DERT'ler ağır bileşenlerin çoğunu kulenin altına yerleştirir ve bu da dengeleyici ihtiyacını azaltır. Kanatlar konik bir alanı süpürür ve bu da her kulenin rüzgar altı yönündeki türbülansı azaltmaya yardımcı olur ve maksimum kule yoğunluğunu artırır. Şirket 400 m (1.300 ft) 40 megavatlık bir ünite inşa edeceğini iddia etmektedir.

Uygulamalar

Sokak lambası direkli rüzgar türbini

Bireysel (ev veya ofis) kullanım için tasarlanmış küçük bir DERT olan Windspire, 2000'lerin başında ABD'li şirket Mariah Power tarafından geliştirildi. Şirket, Haziran 2008'e kadar ABD genelinde birkaç ünitenin kurulduğunu bildirdi.

Ann Arbor, Michigan merkezli bir şirket olan Arborwind, 2013 yılı itibarıyla ABD'deki çeşitli yerlere kurulmuş olan patentli küçük bir DERT üretmektedir.

2011 yılında, Sandia Ulusal Laboratuvarları rüzgar enerjisi araştırmacıları, DERT tasarım teknolojisini açık deniz rüzgar çiftliklerine uygulamak için beş yıllık çalışma başlattı. Araştırmacılar şunları belirtti: "Açık deniz rüzgar gücünün ekonomisi, kurulum ve işletme zorlukları nedeniyle kara tabanlı türbinlerden farklıdır. DERT'ler, rüzgar enerjisinin maliyetini azaltabilecek üç büyük avantaj sunar: daha alçak türbin ağırlık merkezi; azaltılmış makine karmaşıklığı ve çok büyük boyutlara daha iyi ölçeklenebilirlik. Daha düşük ağırlık merkezi, su üzerinde daha iyi denge ve daha az yerçekimi yorulma yükleri anlamına gelir. Ayrıca, DERT'deki tahrik sistemi yüzeyde veya yüzeye yakındır, bu da bakımı daha kolay ve daha az zaman alıcı hale getirebilir. Daha az parça, daha az yorulma yükleri ve daha basit bakım, bakım maliyetlerinin düşmesine yol açar."

2010'ların başında Güney Kaliforniya'da Caltech havacılık profesörü John Dabiri tarafından 24 ünitelik bir DERT gösteri alanı kuruldu. Tasarımı, 2013'te Alaska'daki Igiugig köyünde kurulan 10 ünitelik bir üretim çiftliğine dahil edildi.

Dulas, Anglesey, Mart 2014'te Port Talbot kıyısındaki dalgakırana bir prototip DERT kurmak için izin aldı. Türbin, Galler merkezli C-FEC (Swansea) tarafından tedarik edilen yeni bir tasarımdır ve iki yıllık bir deneme için çalıştırılacaktır. Bu DERT, ilerleyen kanatlardan gelen rüzgarı engelleyen bir rüzgar kalkanı içerir ve bu nedenle yukarıda tartışılan "yumurta çırpıcı" tipteki DERT'lerin aksine bir rüzgar yönü sensörü ve bir konumlandırma mekanizması gerektirir.

Kanada merkezli bir şirket olan StrongWind, 2023 itibarıyla çeşitli Kanada ve uluslar arası yerlere kurulmuş patentli kentsel DERT üretmektedir.

Mimar Michael Reynolds (Earthship ev tasarımlarıyla tanınır) Dynasphere adlı 4. nesil bir DERT geliştirdi. İki adet 1,5 kW jeneratörü vardır ve çok düşük hızlarda elektrik üretebilmektedir.

Ayrıca bakınız

• Çapraz akışlı fan