OpenFAST tabanlı simülasyonlarla rüzgar türbini konfigürasyonlarının aerodinamik ve yorulma dayanımı açısından optimizasyonu
OpenFAST based optimization of wind turbine configurations considering aerodynamic performance and fatigue life
- Tez No: 947254
- Danışmanlar: ÖĞR. GÖR. GÜLCAN ÖZEL EROL, DOÇ. DR. MUSA ÖZKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Bu tez kapsamında, bir rüzgar çiftliği formasyonunda güç yoğunluğu ile türbin yerleşim konfigürasyonu ve sapma açısı arasındaki etkileşimi incelemek amacıyla Taguchi tabanlı bir optimizasyon modeli önerilmiştir. Rüzgar hızı, Türkiye'nin Bandırma bölgesinde 100 m yükseklikteki ortalama verilere dayanarak tek yönlü ve sabit kabul edilmiştir. Numerik analizlerde OpenFAST yazılımının rüzgar çiftliği modülü Fast.FARM kullanılarak tandem yerleşimli üç türbinden oluşan bir model oluşturulmuştur. Çalışmada, aşağı akış türbinleri arasındaki mesafe rotor çapı cinsinden 3D, 4D ve 5D olarak; her türbinin sapma açıları ise -20° ile 20° arasında 5°'lik artışlarla tanımlanmıştır. Bu parametrelerin kombinasyonuyla 81 farklı senaryodan oluşan bir deney tasarımı (DOE) kurgulanmıştır. En küçük kareler yöntemiyle analiz sonuçlarına bir matematiksel model uyarlanmış ve en uygun dizilim için 57,30 W/m² güç yoğunluğu elde edilmiştir. Üçüncü türbinin sapma açısının etkisi düşük olduğundan 0°'de sabitlenmesi önerilmiştir. Ayrıca, sapma açısının 10°'lik artışlarla değerlendirildiği yeni senaryolar oluşturulmuştur. Mesafe faktörünün alt ve üst sınırlarını belirlemek amacıyla iki ek deney tasarımı yapılmıştır. Bu tasarımlarda türbinler arası mesafe sırasıyla 3D–8D ve 1D–5D arasında olacak şekilde kurgulanmış ve her biri 25 senaryodan oluşmuştur. En yüksek güç üretimi 8D mesafede, birinci türbinin 20°, ikinci türbinin 10° sapma açısında 8,454 MW olarak elde edilmiştir. En yüksek güç yoğunluğu ise 1D mesafede, sapma açıları birinci ve ikinci türbin için sırasıyla 10° ve -20° iken 151,42 W/m² olarak hesaplanmıştır. Bu iki senaryo için türbin köklerinde oluşan yükler MLife yazılımı ile değerlendirilmiş, yorulma analizleri yapılmıştır. En kritik yorulma ömrü, birinci türbinde dönme düzlemine paralel yönde olup maksimum güç yoğunluğu senaryosu için 33,9 yıl, maksimum güç senaryosu için ise 38,4 yıl olarak hesaplanmıştır. Her iki durumda da 20 yıllık ömrü karşıladığı görülmektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a Taguchi-based optimization model was proposed to investigate the interaction of power density with turbine layout configurations and yaw angles in a wind farm setup. The wind speed was assumed to be unidirectional and constant, based on the average wind data at 100 meters height in the Bandırma region of Turkey. For numerical analyses, a three-turbine tandem layout was modeled using the wind farm module Fast.FARM of the open-source aero-servo-elastic solver OpenFAST. In the study, the spacing between downstream turbines was defined as 3D, 4D, and 5D in terms of rotor diameter, while yaw angles for each turbine ranged from -20° to 20° in 5° increments. A design of experiment (DOE) consisting of 81 different scenarios was generated based on these parameters. A mathematical model was fitted to the analysis results using the least squares method, and the optimal configuration yielded a power density of 57.30 W/m². Since the yaw angle of the third turbine had minimal influence on the output, it was recommended to fix it at 0°. Additionally, new scenarios were created by evaluating yaw angles with 10° increments. To define the limits of the spacing factor, two additional experimental designs were developed. For the new designs, the inter-turbine spacing was defined within the ranges of 3D–8D and 1D–5D, each consisting of 25 scenarios. The highest power output, 8.454 MW, was achieved at an 8D spacing, with yaw angles of 20° for the first turbine and 10° for the second. The highest power density, 151.42 W/m², was obtained at a 1D spacing, with yaw angles of 10° and -20° for the first and second turbines, respectively. For both scenarios, fatigue analyses were conducted based on root loads obtained from FAST simulations and evaluated using MLife. The most critical fatigue life was observed in the first turbine in the edgewise direction, with estimated lifespans of 33,9 years for the maximum power density scenario and 38,4 years for the maximum power scenario. In both cases, the intended operational lifespan of 20 years is not exceeded.
Benzer Tezler
- Investigation of coupling methods for floating offshore wind turbines and their application for an innovative floating platform
Yüzer açık deniz rüzgar türbinleri için akuple yöntemlerinin araştırılması ve yenilikçi bir yüzer platforma uygulanması
OLCAY DEĞİRMENCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Enerjiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
- Açık deniz rüzgar türbin temeli uygulamalarında kullanılan çelik profil kazıkların dinamik davranışının sonlu farklar metodu ile modellenmesi
Modeling the dynamic behavior of monopiles used in offshore wind turbines using finite difference method
FAIZAN SHAFI BHAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiMersin Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR LÜTFİ ERTUĞRUL
- Hydrodynamic analysis of floating offshore wind turbine concepts: A case study in Black Sea
Açık deniz yüzer rüzgar türbin konseptlerinin hidrodinamik analizi: Karadeniz'de bir vaka çalışması
BÜŞRA YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELİF OĞUZ
- Rüzgâr türbini kanatlarındaki buzlanmanın türbin yüklerine etkisinin incelenmesi
Wind turbine load analysis of blade icing condition
CEM ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
- Açık maden işletmelerinde katı atık depolama teknikleri: Örnek uygulama Soda Sanayii A.Ş. proses atıklarının Karadiken Kalker İşletme sahasına depolanması
Methods of solid waste storage in opencast mines: field application; storage of Soda Sanayi A.Ş. process waste in Karadiken Limestone Quarry
RECAİ CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Maden Mühendisliği ve MadencilikÇukurova ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT ANIL