Rüzgâr türbini kanadı aerodinamiği ve güç çıkışı üzerindeki atmosferik buzlanma etkilerinin sayısal olarak incelenmesi

Abstract

This thesis presents a numerical investigation of the effects of atmospheric icing on the aerodynamic performance and power output of the NREL 5 MW reference wind turbine. Ice accretion on wind turbine blades changes the geometry of the blade profile, reduces aerodynamic performance and leads to significant power losses. In this study, two-dimensional analyses were performed on six blade sections. The analyses were performed using FENSAP-ICE software. The analyses were conducted under different atmospheric icing conditions. Liquid water content values of 0.22 g/m³ and 0.50 g/m³ were considered. Ambient temperatures were selected as -2.5 °C and -10 °C. The median volumetric diameter was fixed at 20 µm and the icing duration was set to one hour for all cases. Glaze ice and rime ice formation were investigated. Relative velocities and attack angles for each blade section were calculated using the Blade Element Momentum (BEM) theory. These results were used in the analysis. The Spalart-Allmaras turbulence model was used to model the turbulent flow. The analysis results obtained show that ice accretion is more pronounced in the blade tip regions. This situation is related to higher relative speeds and increased collection efficiency in the outer sections of the blade. It has also been observed that the ice structure formed at low temperatures is of the glaze ice type and causes more serious aerodynamic losses than the rime ice type. This is due to the horned and irregular geometry of the glaze ice form. Aerodynamic coefficients obtained from the iced airfoils were then used in power calculations. The results show that total power losses can reach up to 37% for the iced blade. Most of this reduction comes from the outer sections of blade. Finally, economic assessment was conducted to evaluate the impact of icing on overall costs. This assessment is based on annual energy cost losses. The results show that icing has significant effect on turbine performance and operating costs.Bu tez, atmosferik buzlanmanın NREL 5 MW referans rüzgar türbininin aerodinamik performansı ve güç çıkışı üzerindeki etkilerinin sayısal bir incelemesini sunmaktadır. Rüzgar türbini kanatlarında buz birikmesi, kanat profilinin geometrisini değiştirir, aerodinamik performansı düşürür ve önemli güç kayıplarına yol açar. Bu çalışmada, altı kanat bölümü üzerinde iki boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler FENSAP-ICE yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Analizler farklı atmosferik buzlanma koşulları altında gerçekleştirilmiştir. 0,22 g/m³ ve 0,50 g/m³ sıvı su içeriği değerleri dikkate alınmıştır. Ortam sıcaklıkları -2,5 °C ve -10 °C olarak seçilmiştir. Ortalama hacimsel çap 20 µm olarak sabitlendi ve buzlanma süresi tüm durumlar için bir saat olarak belirlenmiştir. Sır buz ve kırağı buz oluşumu incelenmiştir. Her kanat bölümü için bağıl hızlar ve saldırı açıları, Kanat Elemanı Momentumu (BEM) teorisi kullanılarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar analizlerde kullanılmıştır. Türbülanslı akışı modellemek için Spalart-Allmaras türbülans modeli kullanılmıştır. Elde edilen analiz sonuçları, buz birikiminin kanat ucu bölgelerinde daha belirgin olduğunu göstermektedir. Bu durum, kanadın dış bölümlerindeki daha yüksek yerel hızlar ve artan toplama verimliliği ile ilgilidir. Ayrıca, düşük sıcaklıklarda oluşan buz yapısının sır buzlanma tipinde olduğu ve kırağı tipi buzlanmaya göre daha ciddi aerodinamik kayıplara neden olduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni, sır buzlanma tipinin boynuzlu ve düzensiz geometrisidir. Buzlu kanat profillerinden elde edilen aerodinamik katsayılar daha sonra güç hesaplamalarında kullanıldı. Sonuçlar, buzlu kanat için toplam güç kayıplarının %37'ye kadar ulaşabileceğini göstermektedir. Bu azalmanın çoğu kanadın dış bölümlerinden kaynaklanmaktadır. Son olarak, buzlanmanın toplam maliyetler üzerindeki etkisini değerlendirmek için ekonomik bir değerlendirme yapıldı. Bu değerlendirme, yıllık enerji maliyeti kayıplarına dayanmaktadır. Sonuçlar, buzlanmanın türbin performansı ve işletme maliyetleri üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir.