Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinlerinde Kule Yüksekliği ve Türbülans Yoğunluğu Etkisinin İncelenmesi

Year 2024, Volume: 6 Issue: 3, 566 - 582, 31.12.2024

Rıza Büyükzeren , Mehmet Numan Kaya , Ali Aydın Bacakoğlu , Muhammed Uçar , Hasan Basri Altıntaş , Ali Öztürk , Ahmet Yasin Bilici

https://doi.org/10.47112/neufmbd.2024.66

Abstract

Yatay eksenli rüzgâr türbinleri, yenilenebilir enerji üretiminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu türbinlerin verimli ve güvenli bir şekilde çalışabilmesi için çeşitli çevresel ve tasarım faktörlerinin dikkate alınması gerekmektedir. Bu çalışmada, yatay eksenli rüzgâr türbinlerinde kule yüksekliği ve türbülans yoğunluğunun rüzgâr türbini çalışma karakteristiği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Referans olarak seçilen NREL 5-MW rüzgâr türbinin çalışma simülasyonları farklı koşullarda gerçekleştirilmiştir. Simülasyonlar, 90, 110 ve 130 metre kule yüksekliklerinde, %1, %5, %10 ve %20 türbülans yoğunluğu seviyelerinde, referans 80 metre yükseklik için tanımlanan 6, 8 ve 10 m/s rüzgâr hızlarında gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın bulguları, kule yüksekliği ve türbülans yoğunluğunun rüzgâr türbini çalışma karakteristiği üzerinde önemli etkileri olduğunu ve bu etkinin büyüklüğünün kule yüksekliği ve rüzgâr hızına bağlı olarak değişkenlik gösterdiğini ortaya koymaktadır. Türbülans yoğunluğunun, rüzgâr türbinlerinin aerodinamik ve yapısal parametreleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu görülmüştür. Türbülans yoğunluğundaki artışlar, rüzgâr hızında ve buna bağlı tüm parametrelerde dalgalanmaların artmasına neden olmuştur. Ayrıca, kule yüksekliğinin artması, türbinin maruz kaldığı rüzgâr hızını arttırdığı için rüzgâr türbini çıkış gücü artmaktadır. Ancak artan kule yüksekliği ile aerodinamik itme kuvveti de artmakta ve bu da yapısal elemanlar üzerindeki etkileri arttırmaktadır. Rüzgâr hızı arttıkça türbülans yoğunluğunun olumsuz etkilerinin daha belirgin hale geldiği görülmüştür.

Keywords

Kule yüksekliği, NREL, Rüzgâr enerjisi, Türbülans yoğunluğu, YERT

Investigation of the Tower Height and Turbulence Intensity on Horizontal Axis Wind Turbines

Abstract

Horizontal axis wind turbines play an important role in renewable energy generation. For these turbines to operate efficiently and safely, various environmental and design factors need to be considered. In this study, the effects of tower height and turbulence intensity on the operating characteristics of horizontal axis wind turbines are investigated. Operating simulations of the NREL 5-MW wind turbine, selected as a reference, are carried out under different conditions. The simulations were carried out at tower heights of 90, 110 and 130 meters, turbulence intensity levels of 1%, 5%, 10% and 20%, wind speeds of 6, 8 and 10 m/s defined for the reference height of 80 meters. The findings of the study reveal that tower height and turbulence intensity have significant effects on wind turbine operating characteristics and the magnitude of this effect varies with tower height and wind speed. Turbulence intensity is found to have a significant effect on the aerodynamic and structural parameters of wind turbines. Increases in turbulence intensity resulted in increased fluctuations in wind speed and all related parameters. Furthermore, increasing the tower height increases the wind speed to which the turbine is exposed, thus increasing the output power of the wind turbine. In addition, the aerodynamic thrust increases with increasing tower height, which increases the effects on the structural elements. It was observed that the negative effects of turbulence intensity become more pronounced as the wind speed increases

Keywords

HAWT, NREL, Tower height, Turbulence intensity, Wind energy

References

• R. Buyukzeren, A. Kahraman, A comparative study on the application of solar thermal collector and photovoltaic combinations to assist an air source heat pump, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 149 (2024), 9413–9428. doi:10.1007/s10973-024-13475-z.
• R.E. Unal, M.H. Guzel, M.A. Sen, M.H. Aksoy, Solar radiation estimation using ANFIS model: evaluation of membership function types and data selection, International Journal of Environmental Science and Technology. 21 (2024), 9031-9044. doi:10.1007/s13762-024-05571-2.
• B. Akgayev, S. Akbayrak, M. Ylmaz, M.S. Büker, V. Unsur, Assessing the feasibility of photovoltaic systems in Türkiye: technical and economic analysis of On-Grid, Off-Grid, and Utility-Scale PV Installations, Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 6 (2024), 69-92.
• A.O. Özkan, H.B. Demir, Fotovoltaik panellerde scaklk ve zenit açsnn panel güç üretimine etkisi, Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 1 (2019), 1-9.
• M.S. Endiz, R. Akkaya, Yarı Empedans Kaynaklı İnverterlerde Farklı PWM Kontrol Tekniklerinin Performans Etkisinin İncelenmesi, Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2 (2020), 12-26.
• R. Büyükzeren, A. Kahraman, M.N. Kaya, H.İ. Dağ, Experimental validation of performance parameters of an air source heat pump model, Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology. 9 (2021), 739–748. doi:10.29109/gujsc.1015345.
• F. Kose, M.N. Kaya, Wind-Hydro pumped storage power stations to meet the energy demands of ırrigation: feasibility, optimal design and simulation of a system, Journal of the Chinese Society of Mechanıcal Engıneers. 39 (2018), 223-232.
• H.D. Arslan, S.M. Acar Bilgili, S. Doğan, Farklı ilkim bölgelerinde TOKİ tip konutlarının doğal havalandırma analizi, Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 6 (2024), 1-21.
• Y. Celik, A comparative aerodynamic analysis of NACA and NREL aerofoils for darrieus turbines using CFD, International Journal of Innovative Engineering Applications. 6 (2022), 111-117. doi:10.46460/ijiea.1075684.
• Y. Celik, D. Ingham, L. Ma, M. Pourkashanian, Novel hybrid blade design and its impact on the overall and self-starting performance of a three-dimensional H-type Darrieus wind turbine, Journal of Fluids and Structures. 119 (2023), 103876. doi:10.1016/j.jfluidstructs.2023.103876.
• Y.-T. Wu, F. Porté-Agel, Simulation of turbulent flow inside and above wind farms: model validation and layout effects, Boundary-layer meteorology. 146 (2013), 181-205.
• M.N. Kaya, O. Uzol, D. Ingham, F. Köse, R. Buyukzeren, The aerodynamic effects of blade pitch angle on small horizontal axis wind turbines, International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow. 33 (2023), 120-134. doi:10.1108/HFF-02-2022-0128.
• J.Y. Zhu, L. Zhang, Q.L. Qu, P.Q. Liu, Experimental investigation of aerodynamic characteristics for three typical micro wind turbines at low reynolds number, Journal of Applied Fluid Mechanics. 13 (2020) 1143-1148.
• D. Rozehnal, J. Hnidka, Performance analysis of a horizontal axis wind turbine, içinde: MATEC Web of Conferences, 2020: s. 52.
• Y.-T. Wu, C.-Y. Lin, T.-J. Chang, Effects of inflow turbulence intensity and turbine arrangements on the power generation efficiency of large wind farms, Wind Energy. 23 (2020), 1640-1655.
• L. Li, Y. Liu, Z. Yuan, Y. Gao, Dynamic and structural performances of offshore floating wind turbines in turbulent wind flow, Ocean Engineering. 179 (2019), 92-103.
• K.O. Roberts, N. Mahomed, Hub height optimisation of commercial WTGs based on accurate wind resource analysis, Wind Engineering. 46 (2022), 200-220.
• Y.-S. Lee, B.-L. Choi, J.H. Lee, S.Y. Kim, S. Han, Reliability-based design optimization of monopile transition piece for offshore wind turbine system, Renewable Energy. 71 (2014), 729-741.
• K. Chen, M.X. Song, X. Zhang, The investigation of tower height matching optimization for wind turbine positioning in the wind farm, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 114 (2013), 83-95.
• T.-H. Yeh, L. Wang, A study on generator capacity for wind turbines under various tower heights and rated wind speeds using Weibull distribution, IEEE Transactions on Energy Conversion. 23 (2008), 592-602.
• Q. Li, J. Murata, M. Endo, T. Maeda, Y. Kamada, Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inflow on a Horizontal Axis Wind Turbine (Part I: Power performance), Energy. 113 (2016), 713-722. doi:10.1016/j.energy.2016.06.138.
• Y. Gülsoy, Kanal içerisinde rüzgar türbini tasarım ve HAD analizi ile kanal profilinin türbin performansna etkilerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı, İstanbul, 2018.
• D. Marten, J. Wendler, G. Pechlivanoglou, C.N. Nayeri, C.O. Paschereit, QBLADE: An open source tool for design and simulation of horızontal and vertical axis wind turbines, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 3 (2013), 264-269.
• J. Jonkman, S. Butterfield, W. Musial, G. Scott, Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development, 2009. doi:10.2172/947422
• M.O.L. Hansen, Aerodynamics of wind turbines, Earthscan, 2008.