Rüzgâr türbini kanatlarındaki buzlanmanın türbin yüklerine etkisinin incelenmesi

Abstract

Doğadaki enerjiyi işe yarar hale getirip kullanmak insanlık tarihi boyunca hep ilerlemenin en önemli unsuru olmuştur. Özellikle sanayi devrimi sonrası bu enerji farklı alanlarda kullanılarak medeniyetin hızla ilerlemesini sağlamıştır. Enerji talebi artarken üretilen enerjinin kaynağı da önem kazanmıştır. Günümüzde doğaya zarar vermeden sürdürülebilir enerji üretiminin yolları aranmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları yarının enerji talebini karşılayacak şekilde kullanılmak istenmektedir. Rüzgâr enerjisi de bu konuda öncü alanlardan biridir. Rüzgâr enerjisinin yüksek potansiyeli, çevreye minimum etkisi, ekonomik avantajları ve geniş bir uygulama bölgesi olması nedeniyle son zamanlarda sıkça çalışılmaktadır. Rüzgâr türbinlerinin zorlu iklim koşullarında da sorunsuz çalışması, enerji arzının sürekliliği için yüksek ehemmiyet taşımaktadır. Rüzgâr enerjisi üretiminde öncü ülkelerin genelde soğuk iklim kuşağında bulunması ve enerji talebinin bu ülkelerde kış aylarındaki artışı da göz önüne alındığında rüzgâr türbinlerinin sıfır santigrat derecenin altında uzun süre çalışması gerekmektedir. Düşük sıcaklıklarda kanatlarda birikebilecek buz parçalarının, hava sıcaklığının uzun süre düşük kalmasıyla kanatlarda ciddi buzlanmalara neden olması olağandır. Buzlanma kanat profilini ve kütlesini değiştirmekte ve türbindeki bazı yükleri arttırmaktadır. Türbinlerin tasarımı ve sertifikasyonu sırasında buzlanma yükleri de dahil edilmelidir. Tezin içeriği buzlanma yüklerinin artışının nicel incelemesine odaklanmıştır. Bu inceleme yapılırken dünya çapında kabul edilen IEC standartları temel alınmıştır. Buzlanma durumunun oluşturduğu ekstrem yükler ve türbin ömrünü doğrudan etkileyen yorulma yükleri hem buzlanma olan hem de buzlanma olmayan durumda incelenmiş, yük değişimi temel nedenleriyle birlikte ortaya konulmuştur. Çalışmada NREL'in 5MW'lık kara üzerinde kurulu açık model rüzgâr türbini kullanılmıştı. NREL'in açık kaynak aero-servo-elastik yazılımı olan OpenFAST programı kullanılmıştır. Simülasyonlar IEC'nin tasarım yük senaryolarını kapsayacak şekilde koşulmuştur. Standartlarda belirtilen rüzgâr şartları (II-B) alınmış ve buzlanma modellemesi yine IEC standartlarında belirtilen şekilde yapılmıştır. Ekstrem yükler tasarım yükü formatına, yorulma yükleri eşdeğer yük formatına dönüştürülüp incelenmiştir. Sonuç olarak buzlanma sebepli rotor dengesizliği ve aerodinamik kanat profillerinin değişiminin; özellikle türbin kanat kenarı (edge) yönündeki momentlerin ve türbin kulelerindeki sağ-sol (side-to-side) yönündeki momentlerin artışına sebep olduğu gözlenmiştir. Bu artış hem ekstrem yüklerde hem de yorulma yüklerinde oldukça belirgindir. Soğuk iklim kuşağında bulunan türbinlerin bu yükler hesaba katılarak tasarlanması gerekliliği nicel olarak ortaya konmuştur.