Optimized Blade Design for Homemade Windmills/tr

Mech425 ile işbirliği içinde oluşturulan bu projenin amacı, düz ve homojen kanatların hava akımına göre en uygun açısını belirlemektir. Kanatların açısı, en fazla enerjiyi dönme hareketine dönüştürecek şekilde optimize edilmelidir. Düz kanatlar, dikey eksenli türbinlerle birlikte kullanılır ve genellikle basitlik tercih edildiğinde veya alet ve malzemelere erişim sınırlı olduğunda bu tasarım seçilir.

• Proje, rüzgar enerjisinden elektrik üretmek isteyen bireylere destek sağlamak amacıyla seçilmiştir.
• Hedef kitle, piyasada bulunan modelleri satın almaya gücü yetmeyen ve kendi modellerini yapmayı tercih eden kişilerdir.

Yel değirmenlerinin birçok işlevi vardır ve rüzgarın olduğu her yerde çalıştırılabilirler. Yel değirmenleri, kanatlarını kullanarak rüzgardaki enerjiyi dönme hareketine dönüştürür. Bu dönme hareketi ya doğrudan iş için kullanılabilir ya da tekrar elektriğe dönüştürülebilir. Başlangıçta yel değirmenleri değirmenlerde öğütme işlemini gerçekleştirmek için kullanılıyordu. Bugün hala bu amaçla kullanılmaktadırlar, ancak kullanım alanları su pompalamaya ve elektrik üretimine kadar genişlemiştir. Daha az gelişmiş ülkelerde, ev yapımı yel değirmenleri tarafından üretilen elektrik genellikle pilleri ve cep telefonlarını şarj etmek veya aydınlatma cihazlarını, radyoları ve sulama pompalarını çalıştırmak için kullanılır.

Piyasada bulunan modern rüzgar türbinleri, belirli rüzgar hızlarına göre tasarlanmış olup her bir türbinden megavatlarca elektrik üretebilmektedir. Bununla birlikte, ev yapımı çözümler genellikle düşük teknolojiye sahip olup optimizasyon açısından çok az incelemeye tabi tutulmuştur. Bu rapor, en fazla miktarda elektrik üretmek için kanatların gelen rüzgara göre en iyi eğim açısını belirlemeyi amaçlamaktadır.

William Kamkwamba, bu raporda sunulan analizden faydalanabilecek harika bir örnektir. Zekâsını ve deneme yanılma yöntemini kullanarak yel değirmenini inşa etmeyi başardı. Çevresindeki hurda malzemeleri hem ışık hem de sulama sağlayan işlevsel bir yel değirmenine dönüştürdü. Çalışması ailesine ve arkadaşlarına daha iyi bir yaşam sağlarken, dünyanın dört bir yanındaki insanlara da ilham verdi. Ancak, sınırlı resmi eğitimine dayanarak, tasarımı optimize etmek için mühendislik hesaplamalarını kullanmadı. Daha fazla insan rüzgarın potansiyelinden yararlanmaya çalışırken, bu cihazların sosyal faydalarını en üst düzeye çıkarmak için optimize edilmesi büyük önem taşımaktadır.

William hakkında daha fazla bilgi edinmek için, ilham verici öyküsünü aşağıda inceleyebilirsiniz:

Düz bıçaklar diğer tasarımlara göre daha az yaygındır ancak özellikle düşük gelirli veya uzak bölgelerde önemli avantajlar sunar. Düz bıçak kullanımının sağladığı avantajların listesi aşağıdadır:

• Yapımı kolay
• Daha az tasarım ve yerel bilgi gerektirir.
• İnşaat sırasında daha az ekipman ve zamana ihtiyaç duyulur.
• Bıçakların şekil ve boyutunun tutarlı olmasını sağlamak daha kolay.

Rüzgarda depolanan kinetik enerji, Bernoulli İlkesine göre bulunabilir:

KE = 1 / 2( m * v ² )

Rüzgardaki enerjiyi bulmak için silindirin kütlesini bulmalıyız. Bu, silindirin hacminin sıvının yoğunluğuyla çarpımına dayanır:

m = ρ * V

Silindirik kolon tarafından temsil edilen sıvının toplam hacmi şöyledir:

V = A * L

Silindirin taban alanını şu şekilde hesaplayabiliriz:

A = 1 / 4(π * D ² )

Silindirin uzunluğu, yel değirmeninin süpürdüğü alandan geçen sıvı miktarını temsil eder. Bu miktar, rüzgar hızının zamanla çarpılmasıyla hesaplanır:

L = v * t

Bu durum şu şekilde basitleştirilebilir:

KE = 1/8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Sonuç olarak, rüzgardaki güç, zaman birimi başına düşen enerjidir.

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Gösterildiği gibi, rüzgardaki güç, havanın hızıyla ve daha az ölçüde kanatların çapıyla yakından ilişkilidir. Akışkandaki enerji miktarı, akışkanın hızının küpüyle ilişkilidir ve yüksek rüzgar hızlarının önemini gösterir. Bu nedenle, enerji üretimini artırmak için en önemli faktör, yüksek rüzgar hızlarına sahip bir yer bulmaktır. Bu, rüzgar türbinini daha yüksek bir yere yerleştirmek için bir kule inşa edilerek sağlanabilir. Bu, yerden gelebilecek herhangi bir engelin etkisini azaltmaya yardımcı olacaktır. Türbin kanatlarının boyutu da önemlidir ve daha fazla güç elde etme yöntemi olarak dikkate alınmalıdır.

Betz limiti , Albert Betz tarafından geliştirilmiştir ve bir cihazın belirli bir hızdaki akışkan akışından elde edebileceği maksimum enerjiyi temsil etmeyi amaçlamaktadır. Yel değirmeni örneğinde, ince bir rotorun maksimum teorik verimliliği aşağıdaki varsayımlara dayanarak bulunabilir:

• Rotor, sonsuz sayıda kanadı ve sıfır sürtünme kuvveti olması nedeniyle ideal kabul edilir.
• Rotorun içine ve dışına olan akış ekseneldir ve korunum denklemlerine uygundur.
• Akışkan, sıkıştırılamaz akış esas alınarak modellenmiştir.

Betz limiti, güç katsayısı için teorik maksimum değerin 0,593 olacağını öngörmüştür. Bu, akışkandan uzaklaştırılan gücün teorik limitinin %59,3 olduğu anlamına gelir. Buna karşılık, ticari rüzgar türbinleri, kanat tasarımı ve mekanik süreçle ilgili küçük verimsizlikler nedeniyle şu anda %40-50 dönüşüm oranına ulaşabilmektedir. ^{[ 1 ]}

Aşağıda, bir akışkan akışında bulunan enerji miktarı belirtilmiştir ve bu miktar hem akışkan hızı hem de kanatların süpürme alanı ile yakından ilişkilidir. Diğer önemli bileşen ise gelen akışkandan ne kadar enerji elde edilebileceğidir. Düz kanatlar için, rüzgar türbini kanatlarının akışkan akışına göre eğim açısı, ne kadar enerjinin dönme hareketine dönüştürülebileceğini ve daha sonra sistem tarafından anlamlı bir iş için nasıl kullanılabileceğini belirleyecektir. Optimal açı aşağıda hesaplanmıştır:

Rüzgar basıncı, rüzgarın kanatların birim alanına uyguladığı kuvvet miktarıdır ve şu formülle verilir: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Burada c bir sabittir ve uzun düz plakalar için 1,0'a eşittir.

Rüzgarın yel değirmeni kanadına uyguladığı kuvvet, rüzgar basıncının, gelen akışa bakan kanat alanıyla çarpımına dayanır. Kanat, gelen hava akımına açılı olarak eğildiğinde, akışkana maruz kalan kanat alanı sin θ faktörü kadar azalır. Bu nedenle, rüzgar basıncı hesaplaması, kanatlara etki eden rüzgar kuvvetini elde etmek için A * sin θ ile çarpılır . Ek olarak, dönme hareketine dönüştürülen rüzgar kuvveti, kanadın gelen akışkan akışına göre açısıyla ilişkilidir. Bu ilişki cos θ faktörü ile verilir .

Ayrıca, kanatlar, kendi eksenleri etrafında, gelen akışkan akışına dik olarak dönerken, kanatların açısıyla ilgili bir sürüklenme katsayısıyla karşılaşacaktır. Bu sürüklenme katsayısı D * cos θ ile gösterilecektir .

Dolayısıyla, kanatlara etki eden kuvvet dengesini belirlemek için yapılan birleşik hesaplama şu şekildedir:

F = ρ * v ² * A * günah θ * çünkü θ * D * çünkü θ

Dikkat edilmesi gereken önemli bir ilişki, kuvvet ile θ arasındaki ilişkidir . Birleşik kuvvet dengesi, kuvvet ile sin θ * cos θ * cos θ arasında bir ilişki olduğunu gösterir .

Sonuç olarak, kanatların optimum eğimi, sin θ * cos θ * cos θ değerinin maksimum olduğu bir hava akışı açısı sağlayacaktır. Bu değer, θ ayarlandığında nasıl değiştiğini göstermek için aşağıdaki grafikte sunulmuştur .

Açı radyan cinsinden ayarlanır ve yaklaşık 0,62 radyan veya kabaca 35,5 derece civarında maksimum bir değere işaret etmektedir. Bu, rüzgar kuvvetinin %38,5'inin dönme hareketine maksimum oranda dönüştürülmesi anlamına gelir. Bu nedenle, düz kanatlı rüzgar türbinlerinde optimum enerji miktarını elde etmek için kanatların gelen hava akımına göre yaklaşık 35,5 derecelik bir açıyla eğilmesi gerekir.

Bu kanat açısı için basınç dağılımını ve kanatlardan geçen hava akışını incelemek amacıyla hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analizi yapılması planlanmıştı. Ne yazık ki, CFD yazılımı Fluent'in lisansı sona ermiştir. Gambit programı kullanılarak oluşturulan kanat tasarımının ağ modeli aşağıda verilmiştir.

Tamamlanan CFD analizi, Fluent veya eşdeğer bir yazılım programına erişim sağlandıktan sonra yayınlanacaktır.

Bu teknolojinin hedef bölgeleri, Sahra Altı Afrika gibi insanların aletlere veya malzemelere erişiminin sınırlı olduğu yerlerdir. Ayrıca, bölgenin makul bir rüzgar kaynağına ve bazı temel malzemelere erişimi olmalıdır. Bu malzemeler arasında jeneratörler ve motorlar gibi birçok teknolojik olarak gelişmiş malzeme bulunmaktadır. Bununla birlikte, bunlar işlevsel oldukları ve temel gereksinimlerini karşılayabildikleri sürece hurda depolarında da bulunabilirler. Birçok insan bu eşyaları karşılayamasa da, yeterli olacak birçok bozuk araba ve ev aleti mevcuttur.

Sosyal etki açısından bakıldığında, elektriğe erişim, toplulukları yoksulluktan kurtarmaya yardımcı olabilecek güçlü bir araçtır. Öte yandan, ekonomik uçurumu sürdürmeye ve genişletmeye yardımcı olduğu da defalarca gösterilmiştir. Enerjinin saygıyla ele alınması ve talihsizleri daha da yoksullaştırmak için bir araç olarak kullanılmaması önemlidir.

Aşağıdaki liste, evde veya hurda malzemeler kullanarak bir yel değirmeni yapmak için gerekli temel malzemeleri temsil etmektedir. William Kamkwamba, nelerin mümkün olduğunu göstererek dünyadaki insanlara ilham verdiğinden, ilk yel değirmenini inşa etmek için kullandığı malzemeler aşağıda gösterilmiştir: ^{[ 2 ]}

Eğer yel değirmeni inşa ediliyorsa ve amaç elektrik depolamak ise, aşağıdaki malzemeler de gereklidir: ^{[ 3 ]}

• 12V derin döngülü aküler (Kullanıcı elektrik enerjisi depolamayı amaçlıyorsa)
• Pil şarj miktarını düzenleyen şarj kontrol cihazı.
• DC/AC Dönüştürücü
• Köprü doğrultucu (elektriğin pillere akmasını sağlamak için)

Eğer eldeki aletler konusunda herhangi bir kısıtlama yoksa, bir testere, tornavida, vidalar, çekiç, çiviler, rondelalar, somunlar ve cıvatalar, bir su terazisi ve işaretleyiciye sahip olmak değerli olurdu. Ayrıca, pense ve ayrıca voltaj, amper ve direnç ölçerler ile elektrik işleri daha kolay olurdu. Bununla birlikte, dünyanın kırsal kesimlerinde insanlar mevcut kaynaklarla daha yaratıcı olmak zorunda kalıyorlar. İşte bunun nasıl olduğunu gösteren birkaç örnek: ^{[ 4 ]}

• Düz bıçaklar, bir PVC boruyu testere veya benzeri bir aletle uzunlamasına keserek ve ardından boruyu ateş üzerinde ısıtarak elde edilebilir. Isındıktan sonra, uzun, düz bir bıçak şekline getirilebilir.
• Şişe kapakları düzleştirilip ortasından delik açılarak rondela yapılabilir.

Bu koşullar altında, rüzgar türbinini inşa etmek için çivi, taş, ateş ve odun gibi aletler kullanılır. Çelik veya taşlar çekiç olarak kullanılabilir, bisiklet telleri bir taş üzerinde sürtülerek düz bir kenar oluşturulabilir ve plastik poşetler eritilerek bir ucuna sap yapılabilir. Ayrıca, mısır koçanından sap ve dışarıya doğru uzanan bir çivi kullanılarak matkaplar yapılabilir. Çivi daha sonra açık ateşte kızıl hale gelene kadar ısıtılabilir ve ardından belirli malzemeleri delmek için kullanılabilir.

Rüzgar türbinlerinin enerji üretme potansiyelinden faydalanmak için, belirli bir konumda ne kadar rüzgarın mevcut olduğunu anlamak önemlidir. Beaufort ölçeği, çeşitli görsel ipuçlarına dayanarak rüzgar hızları hakkında bir gösterge sağlar. Bu ipuçları yerdeki rüzgar hızı hakkında bilgi verirken, irtifa arttıkça rüzgarda muhtemelen daha fazla enerji bulunur. Bu, Dünya yüzeyinde gelişen sınır tabakasına ve yerdeki rüzgar akışını etkileyen çeşitli engellere dayanmaktadır. Beaufort ölçeği aşağıda verilmiştir: ^{[ 5 ]}

Daha kapsamlı bir fiziksel tanımlama faktörleri listesi için lütfen bu bağlantıyı takip edin.

Ayrıca, üretilen elektriğin lamba çalıştırmak, radyo çalıştırmak veya pil şarj etmek gibi uygulamalarda kullanılmak üzere iletilmesi için, istenen cihazı çalıştırmak için gereken voltaj ve amper gibi elektrik teorisini anlamak çok önemlidir. Bu bilginin bir özetine burada ulaşabilirsiniz.

William, aşağıda gösterilen şemaya göre yel değirmenini inşa edebildi. ^{[ 6 ]} Daha sonra, ahşaptan yaptığı büyük bir kuleye monte edildi. Genel olarak, makine kavram olarak oldukça basittir ve başlıca sınırlamaları mevcut malzemeler ve aletlere sınırlı erişimdir. Testler sonucunda William, tasarımını kullanarak dört kanatlı bir yel değirmeninin üç kanatlı muadiline göre daha fazla güç üretebildiğini buldu. ^{[ 7 ]}

William, yel değirmeninin üretiminin yaklaşık 15 dolara mal olduğunu ve bisiklet jeneratörünün elde edilmesinin en zor olduğunu açıkladı. ^{[ 8 ]} Çeşitli bileşenlerin maliyetlerine ilişkin bir tahmin, hurda deposunda veya ailesinden ücretsiz olarak bulabildiği şeylere dayanarak derlendi.

Kırsal bölgelerde, parçaların maliyeti, kurtarılabilecek veya yerel olarak ya da komşu köylerden satın alınması gereken malzemelere bağlı olarak önemli ölçüde değişecektir. Bu nedenle, belirli malzemelerin erişilebilirliğindeki değişkenliğe bağlı olarak beklenen maliyetler için bir aralık sunmak daha uygun olacaktır. Bu sadece bir tahmindir, ancak parçalar için ne kadar ödeme yapılması beklenebileceği konusunda bir fikir vermektedir.

Belirtildiği gibi, maliyet aralığı yaklaşık 0 - 99 dolar arasındadır ve ne kadarının kurtarılabileceğine bağlı olarak genel bir proje maliyet aralığı sunmaktadır. Bu tahminlere göre, William'ın 15 dolarlık bütçesi, başkalarının atık olarak gördüğü şeylerden malzemelerinin çoğunu temin edebildiği için aralığın alt ucunda görünmektedir.

İlk maliyetin ötesinde, rüzgardan elde edilen enerji, gelir getirici bir teknoloji olma potansiyeline sahiptir. Cep telefonları, çeşitli malların fiyatını belirlemek için komşu pazarları aramak isteyen kişilere telefonlarını kiralayan birçok insana iş imkanı sağlamıştır. Benzer şekilde, enerji, cep telefonlarını veya aydınlatma uygulamalarında veya radyo dinlemek için kullanılabilecek diğer pilleri şarj etmek isteyen kişilere satılabilir. 

William Kamkwamba tarafından kullanılan ve bu bölümde geliştirilen yel değirmeni tasarımında birçok varyasyon bulunmaktadır. Bununla birlikte, yaygın olarak kullanılan ve performansı olumsuz etkileyen bazı varyasyonlar da vardır. Bu örneklerden biri, kanatları oluşturmak için ahşap malzeme kullanılmasıdır. Ahşap, daha ağır bir madde olduğu ve bu nedenle dönmeye başlamak ve daha fazla dönüş hızı elde etmek için daha fazla enerji gerektirdiği için kötü bir seçimdir. Diğer malzemeler göz önünde bulundurulmalıdır.

Ayrıca, kanatların düzgün şekillendirilmesi çok önemlidir, çünkü bu bir sallanmaya neden olabilir. Sallanma, performansı düşürecek ve ek titreşimlere bağlı olarak rüzgar türbininin ömrünü kısaltacaktır. Daha güçlü ve tutarlı bir rüzgar akımı elde etmek için rüzgar türbini kanatları diğer tüm engellerin üzerinde yüksek bir yere yerleştirilmelidir. İyi bir kural, türbini yakındaki herhangi bir engelin iki katı yüksekliğe yerleştirmektir.

Eğer testere ve zımpara kağıdı gibi ek ekipmanlara erişiminiz varsa, aşağıdaki videoda gösterilen tasarımı kullanmanız mümkün olabilir. Ayrıca, rüzgar türbininin dönebildiğini ve kanatlarını rüzgara doğru yönlendirmek için bir kuyruk kullandığını da unutmayın.