turkiye ruzgar enerjisi

Rüzgar Türbinleri İçin Kanat Tasarımı (ve Üretimi) Can Serkan İbrahimoğlu Yavuz Güleç

Enerji Verimliliği Uygulamaları ve Yeni İş Fırsatları Proje Pazarı Sunumları 17 Haziran 2009, OSTİM

1/31

Rüzgar Enerjisinin Önemi Yenilenebilir Temiz Bedava Yaygın ve Bol


2/31

Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Installed Capacity (MW)

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 2004

Çanakkale – Gelibolu Rüzgar Çiftliği 18 türbin, 14.9 MW toplam kapasite 2007 yılında kuruldu

2005

2006

2007

2008

2010

Year

Türkiye’nin mevcut ve planlanmış rüzgar enerjisi kapasitesi

İlk çalışmalar 80’li yılların başlarında başladı. İlk rüzgar çiftliği 1998 yılında Çeşme’de kuruldu (0.6 MW). 2010 yılına kadar 1070 MW’lık kapasitenin tamamlanarak toplam 1546 MW’a ulaşılması hedefleniyor. Enerji Verimliliği Uygulamaları ve Yeni İş Fırsatları Proje Pazarı Sunumları 17 Haziran 2009, OSTİM

3/31

Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Türkiye’de rüzgar hızları düşük (4-6 m/s); – Uzun kanat boyu – Yüksek kule: Yükseldikçe ortalama rüzgar hızı artar – Bükümlü kanat : Hızlı rüzgarlarda yorulmayı azaltarak daha uzun kanat tasarımlarına izin verir


4/31

Kanat ve Kule Boyu •

Üretim metodları ve tasarımlardaki gelişmelerle kanat ve kule boyu – dolayısıyla enerji üretimi- zamanla artmıştır.

•

Arazi şartlarına da bağlı olarak, toplam kapasite artışı rotor ve kule boyu ile doğru orantılıdan daha iyidir.

P=

1 ⋅ ρ ⋅ A ⋅V 3 2


5/31

Kanat Hakkında • • • • • •

Yapısı Tasarımı Üretimi Testler Olası İyileştirmeler Yeni Fikirler


6/31

Kanat Yapısı •

Dış paneller- aerodinamik şekli oluşturur ve bükme yükünün bir kısmını taşır

•

Boylamasına kiriş ve plakalardan oluşan iç yapı- kesme yükünü ve bükme yükünün bir kısmını taşır, panellerin burkulmasını engeller

Tipik bir kanat kesiti

•

Ara elemanlar, burç gibi- yükleri panel ve kirişlerden çelik gövdeye aktarır

•

Yıldırım koruması- kanada düşen yıldırımı uçtan köke taşır

•

Aerodinamik fren- sabit yunuslamalı türbinlerin bazı tiplerinde koruma sisteminin bir parçasıdır


7/31

Kanat Yapısı •

Fiberle güçlendirilmiş plastikler(FGP) dış paneller, iç kirişler ve aerodinamik fren şaftı için en çok tercih edilen malzeme grubudur

•

FGP’yi dış etkilere (aşınma, UV ışınları ve nem) karşı korumak için jelkot kullanılır

Soyutwind tarafından üretilen ahşap omurga

•

Ahşap FGP ile benzer yapısal özellikler gösteren bir malzemedir ve panel/kiriş üretiminde kullanılabilir

•

Paneller ve kirişler için cam veya karbon fiber tercih edilebilir, aerodinamik fren şaftı için karbon kullanılır

•

Güçlendirme için karbon fiber kullanılan bölümlerin temas ettiği çelik kısımlarda korozyona yol açacağı dikkate alınmalı bu kısmlarda paslanmaz çelik kullanılmalıdır.


8/31

Kanat Yapısı •

Kanat üretiminde en sık kullanılan reçine polyesterdir. Tasarım gerekliliklerine göre polyester yerine epoksi veya vinilester de kullanılabilir

•

Dolgu malzeme olarak genellikle termoplastik köpük veya ahşap malzemeler kullanır


9/31

Kanat Tasarımı •

Rüzgar türbininin kanat yüzeyi aerodinamik özellikler değerlendirilerek tasarlanır

•

Daha sonra bu aerodinamik yapıyı sağlam ve direngen bir şekilde oluşturmak gerekir

Tipik bir kanat kesiti

•

Kanat profili alt ve üst kabuktan oluşan içi boş bir yapıdır, bu yapıyı direngen hale getirmek için bu kabuklara plakalar yapıştırılır

•

Yapısal olarak bu plakalar kiriş gibi davranacaktır, dolayısıyla kanadın mukavemet analizi temel kiriş teorisi kullanılarak yapılabilir


10/31

Kanat Tasarımı

•

Rüzgar endüstrisinin ilk yıllarında türbin kanatlarını tasarlamak için üzerinde bilgi sahibi olunan havacılık kesitleri kullanıldı.

•

Ancak kısa zamanda rüzgar kanatlarının daha değişken ve türbülanslı koşullarda çalıştığı ve yorulma yüklerine daha çok maruz kaldığı anlaşıldı.

•

Yapısal gereklilikleri yerine getirirken kökten uca kadar değişik performans özellikleri gösteren, rüzgar türbinleri için yapılmış modern kanat tasarımları ortaya çıktı. Türbinlerden elde edilen enerji %10-%35 kadar arttı. Enerji Verimliliği Uygulamaları ve Yeni İş Fırsatları Proje Pazarı Sunumları 17 Haziran 2009, OSTİM

11/31

Kanat Tasarımı Kanadın göbeğe yakın kısımları kanadın kalan kısımlarından kaynaklanan kuvvet ve streslere dayançlı olarak tasarlanmalı

O halde göbeğe yakın kısımlarda kanat profili kalın ve geniş olmalı

İngiltere’de, kanatlarından biri göbek bağlantılarından kurtularak fırlamış, hasarlı bir türbin


12/31

Kanat Tasarımı •

Rüzgar türbinlerinin en büyük düşmanı yıldırım çarpmalarıdır

•

Korunmasız bir kanatta sıcaklık 30,000o C’ye kadar çıkabilir, sonucunda içerdeki hava şiddetle genleşerek kanatta hasara yol açar

•

Kanadın yıldırımdan korunması çarpmasını engelleyerek değil, yıldırımı çekerek ve istenilen doğrultuda yönlendirerek sağlanır

•

Yıldırımı iletecek reseptörler iyi iletken, ısıya dayanıklı ve gerektiğinde kolayca değiştirilebilecek şekilde tasarlanmalıdır


13/31

Kanat Üretimi •

El yatırması- Vakum torbalama – Epoksi reçine kullanımı için uygundur – Polyester ve vinilester uygulamalarında, vakum fazla miktarda stirenin reçineden çıkmasına sebep olarak polimerleşmeyi engelleyebilir

•

Pre-preg – Reçine ile ıslatılmış hazır kumaşlar yine vakum yapılarak kür edilebilir

•

Vakum destekli reçine infüzyon metodu – Büyük kompozit parçaların üretiminde yüksek kaliteli bir çözümdür

•

Filaman sargısı (aerodinamik fren ve kirişler)


14/31

Kanat Üretimi •

En yaygın uygulama vakum destekli reçine infüzyon metodudur.

•

“Prepreg”e göre avantajı istenilen malzeme kombinasyonun seçilebilmesidir. Ayrıca elyafın depolanması “prepreg”inkinden daha kolay ve ucuzdur.

•

Bu metod reçine miktarı ve sertleşme hızı konusunda da üreticiye daha çok kontrol verir.

•

Reçine olarak polyester kullanılarak pahalı ısıtma gereçlerinden kurtulunabilir.

Rüzgar kanadının üretimi sırasında kalıba cam elyaf serimi. Günümüzde eğilim üretim işlemini otomatikleştirmeye yönelik


15/31

Kanat Üretimi

•

Kalıp yüzeyi bir ayırıcı ile kaplanır.

•

Belli bir dizilişte kuru kumaşlar kalıba yatırılır.

•

Kumaşın üzerine soyma kumaşı, ayırıcıfilm, reçine dağıtıcı filmler konur.

•

Plastik bir vakum naylonu (filmi) ve çift taraflı yapışkan bantlar kullanılarak, istiflenmiş kumaşlar çepeçevre dış ortamdan izole edilir.

•

Vakum yardımı ile reçinenin istiflenmiş kuru kumaşlara tamamen nüfuz etmesi sağlanır ve malzeme pişmeye bırakılır.


16/31

Kanat Üretimi •

Kanat üretimi kalıpla başlar. Kanat kalitesi için kalıbın tasarım özelliklerine uygunluğu çok önemlidir.

•

Kanatta ve kalıbın kabuğunda aynı malzemeyi kullanmak , genleşme katsayıları eş olacağı için, üreticiye daha iyi bir kontrol verir.

•

Kalıbın kompozitten üretilmesi kalıbını hafif ve taşınabilir olmasını da sağlayacaktır. Kompozit malzeme çelik iskelet yapıyla desteklenebilir. ALKEG Enerji (İzmir, Türkiye) tarafından üretilen kanat kalıpları

•

Kalıp üretiminde reçine olarak polyester kullanılması pahalı ve karışık ısıtma odası sistemleri ve donanımları kurulması masrafından kurtaracaktır.

•

Kalıbın hassasiyeti öncelikli olarak mastarın kalitesine bağlı olduğu için CNC kullanmak hızlı ve kesin olacaktır.

Kalıp yüzeyinin kalitesi lazer kullanılarak kontrol ediliyor


17/31

Kanat Üretimi •

Rüzgar enerjisi endüstrisi dünyanın en hızlı gelişen pazarlarından biri. 2007 yılında 43,000 kanat üretildi ve 2015 yılına kadar bunun üç katına çıkacağı öngörülüyor.

•

Mevcut tesislerde bu üretim miktarına ulaşmak mümkün değil, yeni fabrikalar kurmak da çok verimli bir çözüm olarak gözükmüyor.

•

Üretimi otomatik hale getirmek kaliteyi arttırmak, üretim süresini kısaltmak ve finansal verimlilik açısından önemli gözüküyor.

Üst ve alt kabuğu birbirine yapıştırmak için kullanılan otomatik donanım, insan hatasının önüne geçip bağlantı kalitesini arttırıyor

LM Glasfiber’ın birinci nesil laser güdümlü, otomatik cam yatırma cihazı, kanat kalitesini arttırdı

Rüzgar türbini üreticisi Gamesa Corp. (Madrid, İspanya) tarafından tanıtılan tam otomatik kanat üretim makinası


18/31

Üretilen Kanadın Testi •

•

Tasarımlanan kanadın küçük ölçekli bir modeli dinamik çalışma şartları taklit edilerek rüzgar tünelinde test edilir.

Kanat tasarımlarının aerodinamik özellikleri ve performansları saha testi ile doğrulanır.


19/31


Tasarımlanan her kanadın mukavemetinin doğrulanabilmesi için statik ve dinamik testinin yapılması gerekir. Bu testlerde gerçek ölçülerinde kanat kullanılır.

•

Test kanadı gerilme göstergeleri ile donatılır ve veriler bilgisayara kaydedilir.

1.5MW’lık türbinin yerinde statik kanat testi

•

Bükülme paternindeki doğrusal olmayan değişimler kanat yapısında bir hasar olduğu anlamına gelebilir.

26 m’lik kanadın statik testi


20/31


Dinamik test hem yanlamasına hem de kelebekleme yönünde (flapwise) uygulanır. Normal olarak, yükler bir defada sadece tek eksende uygulanır.

•

Dinamik test hızlandırılmış bir testtir. Kanada, gerçek yükle aynı hasarı taklit edecek daha büyük bir yük, ortalama 2.106 ile 5. 106 çevrim uygulanır ve kızılötesi kameralarla yapıda ısınan bölgeler takip edilir.

•

Ayrıca kanadın doğal frekansının türbinin frekansından farklı olması gerektiği için kanadın en küçük doğal frekansları da ölçülür, böylece frekanlsarın farklı olduğundan emin olunur.


21/31


Kanatlara aşırı yüklere (en az maksimum tasarım yükü kadar) dayançlarını test etmek için statik test uygulanır.

•

Uzun zamandır hizmet veren bir kanadın mukavemetini göstermesi açısından bu test dinamik testten sonra yapılır.

•

Statik test yine her iki eksende yapılır ve kanat simetrik olmadığı için her 2 yönde uygulanması önerilir.

•

Kanattan gerilme bilgileri alınır ve tasarım limitleri ile karşılaştırılır. Gerilmelerdeki doğrusallığın bozulması hasar belirtisi olabilir.


22/31

Kanat Tasarımındaki İyileştirmeler •

Göbeğe doğru kanadın kendi ağırlığını taşıyabilmesi için kanat profili kalınlaşır ve göbekte bağlantı yapılabilmesi için dairesel bir şekil alır. Bu faktörler kanadın performansını azaltır.

•

Vorteks oluşturucular yüzeyden uzayan, karşılıklı belli açılarda yerleştirilmiş küçük kanatçıklardan oluşur.

•

Bu kanatçıklar yüksek rüzgar hızlarında hava akımının yüzeyden daha geç ayrılmasını sağlayarak kopmayı (stall) geciktirir.


23/31


Kanat ucu tasarımı kanadın performansını ve gürültüsünü çok etkiler

•

Aerodinamik açıdan bakıldığında geniş kanat ucu en iyi olasılık olarak karşımıza çıkar. Ancak bu tasarım gürültülüdür ve yükleri arttırır, sonucunda kanadı güçlendirmek için daha çok malzeme kullanmak gerekir

•

Gürültüyü azaltmanın bir yolu dönüş hızını azaltmaktır, ancak bu şekilde enerji üretimi düşecektir

•

O halde kanat ucunun gürültü ve performans olarak eniyileştirilmesi gerekir.


24/31


Ön-bükümlü kanatlar, LM şirketinin patentini aldığı bir tasarım

•

Kanatlar bükümlü üretilerek, takıldıktan sonra rüzgar yönünde hareket etmeleri ve aşırı yüke maruz kalmaması sağlanıyor

•

Kanatlar kuleden ön-bükümle uzaklaştığı için rüzgar kaynaklı bükülmeye izin verilen mesafe artıyor böylece yapıyı direngen hale getirmek için malzeme harcanmıyor

•

Daha hafif kanatlar, daha uzun kanat üretimini olası hale getiriyor, bu da daha çok elektrik üretimi anlamına geliyor


25/31


Geri-bükümlü kanatlar Amerikan “Sandia National Labratories” ile “Knight &Carver” şirketinin ortak bir çalışması.

•

Kanatlar geriye bükümlü üretilerek türbülanslı, hızlı rüzgarlarda kelebekleme (flap) ve burulma etkileri eşleştirilerek yorulma azaltılıyor

•

Bu sayede düşük rüzgarlı bölgelerde daha büyük çapta türbinler üretilebilir.


26/31

Rüzgar Türbini Üzerine Yeni Fikirler •

Türbin kanatlarının firar kenarları elastik bir malzemeden üretilerek firar kenarının şekli kontrol edilebilir.

•

Böylece kanatların üzerindeki dinamik yükler azaltılarak türbin bileşenlerinin ömrü arttırılabilir.

Esnek firar kenarlı kanat profili- Uçtaki pitot borusundan aldığı ölçümlerle kontrol edilen bir prototip


27/31


Yer şekilleri, bitki örtüsü ve çevredeki yapıların yerel rüzgar koşullarını etkilediği biliniyor.

•

Aynı zamanda türbinlerin birbirlerini gölgelemeyecek ve türbülans yaratmayacak şekilde yerleştirilmesi verimli üretim için çok önemli.

•

Bunun için rüzgar çiftliğinde türbinlerin dizilimi için analizler yapılarak en iyi dizilimin bulunması sağlanıyor.


28/31

Rüzgar Türbini Üzerine Yeni Fikirler Rüzgar çiftliklerinin etrafına pasif objeler yerleştirilerek türbinlerin etrafındaki hava akımı değiştirilebilir.

Leviathan Energy-Wind Energizer

Yapılan testler sonucu bu uygulamayla genel kazancın %30, düşük hızlardaki kazancın ise %150 olduğu iddia ediliyor.


29/31


Çin ve Danimarka 1MW’a kadar küçük-orta rüzgar türbinleri için bambu bitkisinden kanat üretim çalışmalarına başladı.

•

Bambu ucuz, hafif ve dayançlı bir malzeme. Çin ve Hindistan’da yaygın bir bitki ve hızlı büyüyor.

Bambu ormanı

•

Hesaplamalara göre kompozit kanatların aksine bambu kanatlar üretimi için harcanan enerjiyi 2 gün içinde karşılayabiliyor.


30/31

Rüzgar Enerjisinin Geleceği •

2020 yılı itibariyle üretilen enerjinin %20’si yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacak.

•

Günümüzde rüzgar enerjisinin üretimde payı %3.7.

•

2020 itibariyle bu oranın %12-14, 2030 itibariyle %25 olması hedefleniyor.

•

80’lerde “40 cent” olan kWh maliyeti, bugünlerde verimli sahalarda “4-5 cent”e kadar düştü. 10 sene içinde bunun “2 cent” seviyesine düşmesi bekleniyor.

2008 yılı Avrupa’da rüzgar enerjisi üretim haritası


31/31

turkiye ruzgar enerjisi

Recommend Documents