Dikey Eksenli Hidrokinetik Türbinlerin Sayısal ve Deneysel Performans Analizi: Koruyucu Yapılar ve Bölgesel Uygulama ile Entegre Bir Yaklaşım

Abstract

Hidrokinetik enerji, akan sudan elektrik ürettiği için sürdürülebilir enerji üretimi için kritik öneme sahiptir. Nehir akıntıları, gelgitler ve okyanus akıntıları gibi sürekli yenilenebilir doğal kaynaklardan elde edilen hidrokinetik enerji sistemleri, büyük ölçekli hidroelektrik projelerinin çevresel etkileri olmadan güvenilir ve tutarlı bir güç kaynağı sunar. Ayrıca, şebekeden uzak veya geleneksel güç sistemleri için uygun olmayan izole bölgelere elektrik sağlayarak enerji erişilebilirliğini artırabilirler. Bu doktora tezi, dikey eksenli hidrokinetik türbinlerin verimliliğini ve dayanıklılığını artırmak için sayısal modelleme ve deneysel çalışmaların kapsamlı bir entegrasyonunu sunmaktadır. Tezde Darrieus, Gorlov ve Savonius gibi farklı dikey eksenli türbin tipleri incelenmiştir. Bu türbinlerin performansı çeşitli akış hızlarında sayısal olarak analiz edilmiştir. Bulgular, farklı türbin tiplerinin farklı performans özellikleri sergilediğini göstermiştir. Deneyler, DSİ Teknik Araştırma ve Kalite Kontrol Dairesi Başkanlığı'na bağlı Hidrolik Model Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Çoruh Nehri Havzası'ndaki hidrokinetik güç potansiyelini değerlendirmek için önemli bir sayısal yaklaşım geliştirilmiştir. Bu yaklaşım, havzadaki akış deşarjlarını tahmin etmek için SWAT (Toprak ve Su Değerlendirme Aracı) hidrolojik modeli ile HEC-RAS (Hidrolojik Mühendislik Merkezi - Nehir Analiz Sistemi) hidrolik modelini birleştirir. Bu metodoloji, kamuya açık akış verilerinin bulunmadığı Çoruh Nehri gibi sınıraşan nehir havzaları için özellikle önemlidir. Entegre yaklaşımın mevsimsel analizi, havzadaki hidrokinetik güç yoğunluğunda mevsimsel değişiklikleri ortaya koydu. Bu, nehir boyunca küçük ölçekli hidrokinetik türbinlerin kurulumu için potansiyel yerlerin belirlenmesine yardımcı oldu. Ayrıca, yüzen döküntü ve tortu taşınmasının türbin kanatlarına zarar vermesini önleyen ve türbinin hizmet ömrünü uzatan koruyucu ızgara yapılarının etkisi araştırıldı. Bu çalışmada, düz ve Coanda tipi ızgara koruma yapılarının Darrieus tipi dikey eksenli hidrokinetik türbinlerin sayısal performansı üzerindeki etkileri araştırıldı. Farklı tasarım açılarındaki bu ızgara yapılarının türbin güç ve tork katsayıları üzerindeki etkileri ANSYS Fluent programı kullanılarak araştırıldı. Coanda ızgaraları, test edilen tüm merkez açılarında düz ızgaralardan sürekli olarak daha yüksek verimlilik değerleri gösterdi. Bu çalışmada, nehir akışlarından yararlanmak için kullanılan dikey eksenli hidro türbinlerine şebeke koruma yapılarının entegre edilmesinin sürdürülebilirliği ve uzun ömürlülüğü artırmak açısından önemli olduğu vurgulanmıştır.Hydrokinetic energy is critical for sustainable energy production because it generates electricity from moving water. Hydrokinetic energy systems, derived from continuously renewable natural resources such as river currents, tides, and ocean currents, offer a reliable and consistent power source without the environmental impacts of large-scale hydroelectric projects. They can also increase energy accessibility by providing electricity to isolated regions far from the grid or unsuitable for conventional power systems. This doctoral thesis presents a comprehensive integration of numerical modeling and experimental studies to improve the efficiency and durability of vertical axis hydrokinetic turbines. The thesis examined different vertical axis turbine types like Darrieus, Gorlov, and Savonius. The performance of these turbines was numerically analyzed at various flow rates. The findings showed that different turbine types exhibit different performance characteristics. The experiments were conducted at the Hydraulic Model Laboratory of the DSI Technical Research and Quality Control Department. A significant numerical approach was developed to evaluate the hydrokinetic power potential in the Çoruh River Basin. This approach combines the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hydrological model with the HEC-RAS (Hydrological Engineering Center - River Analysis System) hydraulic model to estimate runoff discharges in the basin. This methodology is particularly important for transboundary river basins such as the Çoruh River, which lack publicly accessible runoff data. The seasonal analysis of the integrated approach revealed seasonal variations in hydrokinetic power density in the basin. This helped identify potential locations for installing small-scale hydrokinetic turbines along the river. Furthermore, the effect of protective grid structures, which prevent floating debris and sediment transport from damaging the turbine blades and extending the turbine's service life, was investigated. This study investigated the effects of flat and Coanda-type grid protection structures on the numerical performance of Darrieus-type vertical axis hydrokinetic turbines. The effects of these grid structures at different design angles on the turbine power and torque coefficients were investigated using the ANSYS Fluent program. Coanda grids consistently showed higher efficiency values than flat grids at all tested center angles. This study highlighted that integrating grid protection structures in vertical axis hydro turbines, which are used to harness river flows, is essential to increase sustainability and longevity.