Wind energy has emerged as one of the mostly utilized renewable energy sources in
recent years. The use of small-scale horizontal axis wind turbines (HAWT) as a
source of electricity is a viable solution. Despite significant progress in the wind
energy field, there is always space for improvement in terms of efficiency, cost and
the energy extracted.
This thesis discusses the aerodynamic design and performance analysis of a small scale
HAWT using two reliable methods: The blade element momentum (BEM) method and
the computational fluid dynamics (CFD) method. This study is divided into two major
parts. Two blade configurations with the same length of 5m are designed and analysed.
The first part discusses the aerodynamic performance analysis of the 1st blade
configuration using the BEM method. The blade is designed and aerodynamically
optimized using QBlade software. Power output, power coefficient, and annual yield
for a given Weibull distribution is determined using QBlade software.
The second part investigates the impact of integrating a stationary sealed gap trailing
edge flap to the 1st blade configuration (2nd configuration) for HAWT applications
using both CFD and BEM methods. Accordingly, performance of the 3D blade with a
trailing edge flap is determined. Finally, a comparative analysis is conducted to find the
optimal blade design amongst both configurations based on power output and annual
yield.
The BEM results show that At the design tip speed ratio of 7, the power coefficient in
the 2nd design configuration is 8.3% higher than the 1st design configuration.
According to the 2nd configuration, the CFD method over-predicts the power
coefficient compared with the BEM method. The power coefficient from 3D CFD
simulation is approximately 12% higher. The annual yield of the wind turbine with
the 1st and 2nd configuration is found as 6378 kWh/year and 6944 kWh/year
respectively.
ÖZ:
Rüzgar enerjisi, son yıllarda en hızlı geli¸sim gösteren yenilenebilir enerji
kaynaklarından biri olarak öne çıkmaktadır. Öte yandan, küçük ölçekli yatay eksenli
rüzgar türbinlerinin (YART) elektrik üretimi amaçlı kullanımı uygulanabilir bir
yöntem olarak görülmektedir. ¸Su ana dek rüzgar enerjisi alanında önemli yenilikler
saglanmasına ra ˘ gmen, verimlili ˘ gin arttırılması, maaliyetlerin azaltılması ve enerji ˘
üretim performansının arttırılması anlamında geli¸sime açık yönler bulunmaktadır.
Bu çalı¸smada, küçük ölçekli yatay eksenli bir rüzgar türbininin aerodinamik tasarımı
ve performans analizleri gerçekle¸stirilmi¸stir. Bu amaçla Kanat Elemanı Momentum
(KEM) yöntemi ve Hesaplamalı Akı¸skanlar Dinamigi (HAD) yöntemi olmak üzere ˘
iki farklı etkin teknik kullanılmı¸stır. Çalı¸sma iki farklı temel kısma bölünmü¸stür. ˙Ilgili
kısımlarda, 5m uzunluga sahip iki farklı kanat konfigürasyonu tasarlanarak analiz ˘
edilmi¸stir.
˙Ilk bölüm, birinci kanat konfigürasyonun aerodinamik performansının KEM yöntemi
kullanılarak incelenmesini kapsamaktadır. ˙Incelenen kanat, QBlade programında
tasarlanmı¸s ve aerodinamik olarak optimize edilmi¸stir. QBlade programı kullanılarak,
bu kanat konfigürasyonunun sagladı ˘ gı güç çıktısı, güç katsayısı ve seçilmi¸s belirli bir ˘
Weibull dagılımına göre yıllık enerji üretimi belirlenmi¸stir. ˘
Çalı¸smanın ikinci bölümünde, YERT uygulamaları için, birinci kanat
konfigürasyonuna, sabit sızdırmaz bo¸sluklu arka kenar kanatçıgının entegre ˘
edilmesinin (ikinci konfigürasyon) etkisi, KEM ve HAD yöntemleri kullanılarak
incelenmi¸stir. Bu baglamda, arka kenar kanatçıklı üç boyutlu kanadın performansı ˘
analiz edilmi¸stir. Son olarak, her iki konfigürasyon, güç çıktısı ve yıllık enerji üretimi
parametrelerine göre kar¸sıla¸stırmalı olarak incelenmi¸s ve ideal kanat tasarımı
belirlenmi¸stir.
KEM sonuçlarına göre, kanat ucu hızının 7 oldugu durum için, ikinci kanat ˘
konfigürasyonunun güç katsayısı birinci konfigürasyona göre 8.3% daha yüksek
olarak bulunmu¸stur. ˙Ikinci kanat konfigürasyonu için uygulanan iki farklı analiz
yöntemi kar¸sıla¸stırıldıgında, HAD yönteminin, güç katsayısını, KEM yöntemine göre ˘
yakla¸sık 12% daha yüksek olarak hesapladıgı görülmü¸stür. Son olarak, birinci ve ˘
ikinci kanat konfigürasyonunu kullanan bir YERT’nin yıllık enerji üretimi, sırasıyla
6378 kWh/yıl ve 6944 kWh/yıl olarak hesaplanmı¸stır.
