DESIGN OF A SMALL VERTICAL AXIS WIND TURBINE BASED ON LOCAL WIND DATA IN THE CITY OF GHARYAN IN LIBYA

Abstract

ABSTRACT

The vertical axis wind turbines had several advantages compared with the other types of wind turbines in terms of dominant design principles in wind energy technology. One of the vertical axis wind turbines, called Darrieus Curved Blades axis wind turbine, has many aerodynamic and structural advantages over a horizontal axis wind turbine. However, these turbines are not self-starting at low wind speeds, which is a disadvantage for a simple small-scale installation. In this study, the design of a Darrieus Curved Blades axis wind turbine was examined for Gharyan city, which has potential wind sources, in terms of evaluating wind energy, aerodynamic design, and annual energy calculation. The wind data were taken from a representative meteorological station, and an aerodynamic design was carried out to achieve satisfactory performance of a vertical axis wind turbine concerning those wind data. As a result, it is observed that the height of 10 m and 50 m have proper power density to generate electric energy using the Darrieus wind turbine. Also, the designed Darrieus wind turbine generates 530131 kWh energy production in Gharyan at the mean annual wind speed of over 4.88 m/s. At the 50 m height, the expected mean annual wind speed is about 7.32 m/s with a capacity factor exceeding 49.94%, and the turbine generates 2187340 kWh per year. Besides, it was seen that the effect of tip speed ratio on rotor performance is higher than other factors. At the low tip speed ratio, the attack angle and azimuth angle increase, and this increment also causes the stall phase and flow separation. In order to improve the performance of the turbine, rotor starting torque and the solidity can be increased at low tip speed ratios.

ÖZET

Dikey eksenli rüzgar türbinleri diğer tip rüzgar türbinlerine kıyasla, enerji teknolojisi alanındaki baskın tasarım prensipleri bakımından birçok avantaja sahiptir. Dikey eksenli rüzgar türbinlerinden birisi olan Darrieus tip rüzgar türbinleri, aero dinamik ve yapısal özellikleri bakımından yatay eksenli rüzgar türbinlerine göre daha fazla avantajları bulunmaktadır. Ancak, Darrieus tip rüzgar türbinlerinin düşük rüzgar hızlarından, kendi kendine çalışmaya başlayamaması, küçük ölçekli rüzgar türbinleri için dezavantaj olarak sayılabilir. Bu çalışmada, Gharyan şehrinde kullanılmak üzere Darrieus tip Eğri Kanatlı rüzgar türbinin tasarımı, rüzgar enerjisinin değerlendirilmesi, aero-dinamik tasarım ve yıllık enerji hesaplamaları açısından incelenmiştir. Gerekli olan rüzgar bilgileri, meteoroloji istasyonundan alınmış olup, aero dinamik tasarım hesaplamaları, alınan rüzgar bilgileri kullanılarak, dikey eksenli rüzgar türbin performansı göz önünde bulundurularak gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, Gharyan şehrinde 10 m ve 50 m yükseklik değerlerinin Darrieus tip rüzgar türbini ile elektrik üretimi için yeterli rüzgar yoğunluğuna sahip oldukları gözlenmiştir. Aynı zamanda, tasarlanan Darrieus tip rüzgar türbinin, Gharyan şehrinde 530131 kWh elektrik enerjisini, 4.88 m/s rüzgar hızında üretebildiği görülmüştür. Diğer yandan, 50 m yükseklikte beklenen ortalama yıllık rüzgar hızının 7.32 m/s, kapasite faktörünün %49.94’ü aştığı durumda, Darrieus tip türbinin yıllık 2187340 kWh elektrik enerjisi ürettiği hesaplanmıştır. Bunların yanında, kanat uç hızının rotor üzerindeki etkisinin diğer etkenlere kıyasla daha fazla olduğu gözlenmiştir. Düşük kanat uç hızlarında, hücum açısının ve istikamet açısının arttığı ve bu artışın sonucunda sürat kaybının ve akış ayrışmasının meydana geldiği belirlenmiştir. Türbin performansını arttırmak amacıyla, rotor başlangıç torkunun ve güvenirliliğinin, düşük kanat uç hızları için arttırılması gerektiği görülmüştür.