Rüzgar türbinlerinin yorulma analizinde özel durumlar

Abstract

Yakın gelecekte fosil yakıt kıtlığı tahmini, geleneksel enerji üretim yöntemlerinin kullanılmasının yol açtığı olumsuz çevresel kirlilik ve küresel ısınma etkilerinin yanı sıra, enerji üretimi alanında sürdürülebilir yeni enerji kaynaklarını keşfetmeye zorlamıştır. Bu amaçla, artan yenilenebilir enerji üretimine olan talep, çok sayıda teknolojik gelişmelere ve araştırmalara neden olmuştur. Artan yatırımlarla kara tabanlı rüzgar enerjisi, on yıldan uzun bir süredir yüzde bazında dünyanın en hızlı büyüyen yenilenebilir enerji sektörü olmuştur. Rüzgar enerjinin efektif şekilde kullanmak adına daha yüksek rüzgar hızına ve daha düşük türbülans bulunması nedeniyle açık denizlere yönelim rüzgar enerjisi endüstrisi için atılan doğal bir atılımdır. Rüzgar türbinlerinin enerji üretim kapasiteleri daha verimli mekanik araçlar, daha yüksek kule boyu ve uzun kanatlar kullanılmasına neden olmuştur. Türbinlerin giderek daha zorlu koşullarda çalışması ve servis ömrünü olabildiğince verimli geçirmesi önem kazanır. Çalışma koşulları gereği türbinler sürekli olarak stokastik ve dinamik olarak rüzgar yüklerine maruz kalırlar. Çevrimli dinamik yüklerin etkisi ile elemanlar üzerinde yorulma kavramını ön plana getirir. Yorulma, tekrarlı yüklere maruz kalması ile oluşan mikro çatlakların yükleme ile beraber yayılması ve öngörülemeyen instabilite sorunlarına neden olması durumu ile açıklanabilir. Rüzgar türbinleri tipik olarak rotorlar ve bıçaklar gibi hareketli bileşenlerin yorulmaya bağlı arızaları nedeniyle 20 yıllık hedef hizmet ömrü için tasarlanmıştır. Kulenin diğer bileşenlerle aynı kullanım ömrüne sahip olacak şekilde tasarlanması, rüzgar türbini sisteminin optimizasyonu için açıkça arzu edilir. Bu çalışmada, rüzgar yüküne maruz kalan kule tabanı bağlantısının yorulma ömrüne odaklanmaktadır. Zaman alanında doğrusal olmayan rüzgar yüküne maruz kalan rüzgar türbinleri için NREL (Ulusal Yenilebilir Eneji Laboratuvarı) tarafıdan açık kaynaklı yazılım olarak üretilen kapsamlı aerodinamik simülatörü olan FAST programı kullanılmıştır. Hollanda kıyılarında yıllık rüzgar verileri rüzgar dağılımı ve türbülans yoğunluğu bilinen koordinat için TurbSim rüzgar simülatörü kullanılarak rüzgar verileri üretilmiş ve bu analizler için kullanılmıştır. FAST simülatörü ile hesaplanan kule tabanında oluşan momentler ve kuvvetler hesaplandı ve yazılan özel MATLAB kodları ile kule kestinin farklı noktalarında gerilmeler okundu. Değişken gerilmeler yağmur akışı sayım (rainflow counting) yöntemi kullanılarak histogram şeklinde çevrimsel gerilmeler toplandı ve incelenen detay için standartlarca belirlenen S-N eğrileri ile hasar tespiti yapıldı. Kümülatif hasar birikimi yöntemi olan Palmgren-Miner hasar yöntemi modeli olarak kullanıldı. Kule tabanında ve eleman birleşim bağlantısı için çatlak ilerlemesi de dahil olmak üzere yapının yorulma ömrünü değerlendirilmiştir. IEC 61400-1 (Uluslararası Elektroteknik Komisyonu) tarafından sunulan rüzgar türbini dizayn koşullarında, türbinin enerji üretimi durumunda olduğu varsayılmıştır. Analizi bu bölümünde referans olarak iki farklı türbin; NREL 5 MW kara tabanlı rüzgar türbini ve DTU (Danimarka Teknik Üniversitesi) 10 MW referans rüzgar türbini kullanıldı. Referans alınan konum için verilen ortalama rüzgar hızı ve türbülans yoğunluğu NREL 5 MW rüzgar türbini ile uyumlu olarak 90 metre yükseklik konumu için verilmiştir. Türbin boyutları birbirinden farklı olması nedeniyle IEC standartında yer alan formüller ile DTU 10 MW rüzgar türbini göbek yüksekliği ve kanat genişliğine uygun rüzgar alanları oluşturulmuş ve analiz sonucunda yorulma hasarına maruz kalan detaylar karşılaştırılmıştır. IEC 61400 tasarım standardı, rüzgar türbinleri için tasarım gereksinimlerini belirler. Tasarım standardı oluşan yükleri ve yapı bütünlüğünün analizi için önemlidir. Türbin üzerinde oluşacak nihai ve yorulma yüklerini belirlemeyi hedefler. Türbinin hizmet verdiği ömrü boyunca karşılaşabileceği farklı modları belirler. Bu operasyonel durumlar normal çalışma, devreye alma, kapanma, acil kapanma, park durumu ve bu koşulların sistem arızaları nedeniyle meydana gelebilecek koşulları içeren sekiz farklı durumu temsil eder. Kontrol sistemi yaw açısı, kanat elemanlarının pitch açısı ve tork kontrolünü içerir. Türbin üzerinde oluşacak yükleri kontrol eder ve enerji üretimini optimum seviyede tutmak için önemlidir. Bu sistemlerin arızası koşulu IEC standartları gereği modellenmesi için literatür araştırması kapsamında yaygın karşılan arıza koşulları tercih edilmiştir. Bu tezin kapsamında, IEC tasarım standartı tarafından belirtilen koşulları aynı rüzgar şartlarına maruz bırakarak oluşan yorulma hasarlarını karşılaştırmış ve değerlendirmiştir.