Rüzgâr türbini tasarımı

Rüzgâr türbini tasarımı, rüzgârdan enerji elde etmek için rüzgâr türbininin şekil ve teknik özelliklerinin belirlenmesidir. Rüzgâr türbini kurulumu rüzgâr enerjisini almak, türbini rüzgâra yönlendirmek, mekanik dönüşü elektrik enerjisine çevirmek, türbini başlatmak, durdurmak ve kontrol etmek için gerekli sistemlerden oluşur.

Rüzgâr türbinine örnek bu 3 kanatlı türbin modern rüzgâr türbinlerinin klasik tasarımıdır

Rüzgâr türbini bileşenleri : 1- Temel, 2- Elektrik şebekesi bağlantısı, 3- Kule, 4- Merdiven, 5- Rüzgâra doğru yönlendirme kontrolü (Sapma kontrolü), 6-Makina yuvası(Nacelle), 7- Jeneratör, 8- Anemometre, 9- Elektrikli veya Mekanik Fren, 10- Şanzıman, 11- Rotor kanadı, 12- Kanat hatve kontrolü, 13- Rotorun göbeği.

Çoğu ticari türbinler bu tasarımı kullandığından bu makalede yatay eksenli rüzgâr türbinlerin (kısaca HAWT) tasarımı anlatılmıştır.

1919'da fizikçi Albert Betz kütle ve enerjinin korunumu yasalarına göre ideal bir rüzgâr türbininde rüzgârın teorik kinetik enerjisinin 16/27'sinden (% 59.3) daha fazlasının rüzgârdan alınamayacağını ispatladı. Betz yasasındaki bu sınıra modern türbin tasarımlarıyla ancak % 70 - 80'i arasında yaklaşılabilir.

Rüzgâr enerjisi sistemi tasarımı, kanatların aerodinamik tasarımının yanında, göbek, kontroller, jeneratör, destekleyici yapı ve kule temel tasarımını kapsar. Rüzgâr türbinlerini elektrik güç şebekelerine bağlarken daha ileri tasarım soruları ortaya çıkar.

Aerodinamik

Ana madde: Rüzgar türbini aerodinamiği

Rüzgâr türbininin kanatlarının şekil ve boyutları, rüzgârdan enerjiyi verimli olarak almak için gereken aerodinamik performans ile kanat üzerine etkiyen kuvvetlere dayanması için gerekli mukavemet tarafından belirlenir.

Rüzgâr rotor profili

Yatay-eksenli rüzgâr türbininin aerodinamiği basit değildir. Kanatlardan geçen havanın akışı türbinden uzaktaki hava akışıyla aynı değildir. Enerjinin havadan alınma şekli, havanın türbinden tarafından saptırılmasına neden olur. Ayrıca rotor yüzeyindeki rüzgâr türbininin aerodinamiği diğer aerodinamik alanlarda nadiren görülen olgular sergiler.

Güç kontrolü

Verimli güç çevrimi ve türbin bileşenlerinin tasarlanan hız ve tork sınırlarında çalışması için türbin hızı kontrol edilmelidir. Dönen kanatlardaki merkezkaç kuvveti, kanat dönüş hızının karesi ile olarak arttığından bu yapı aşırı hıza karşı hassastır. Rüzgâr hızının küpüyle rüzgârın gücü arttığından türbinler uygulamada güç üretebildiklerinden çok daha fazla rüzgâr yüklerinde (ani fırtınalar gibi) bozulmayacak şekilde yapılmalıdır. Rüzgâr türbinlerinin şiddetli rüzgârlarda torku azaltan araçları vardır.

Rüzgâr türbini çeşitli rüzgâr hızlarında güç üretmesi için tasarlanır. Çoğu türbinler yaklaşık 3–4 m/s' de dönmeye başlar ve 25 m/s'de devreden çıkar. Nominal rüzgâr hızı aşılırsa güç sınırlandırılmalıdır. Bu çeşitli yollarla yapılır.

Kontrol sisteminin üç temel elemanı vardır: proses değişkenlerini ölçen sensörler, enerjiyi yakalayan ve türbin parçalarına yüklemeyi düzenleyen motorlar ve sensörler tarafından toplanan bilgiye dayanarak motorları yönetmek için kullanılan kontrol algoritmaları.

Rüzgâr türbinleri, eğer aşılırsa hasarlanacakları hayatta kalma hızı adı verilen maksimum rüzgâr hızına göre tasarlanır. Ticari rüzgâr türbinlerinin hayatta kalma hızı 40 m/s (144 km/s, 89 mil/saat) ila 72 m/s (259 km/s, 161 mil/saat) aralığındadır. En yaygın hayatta kalma hızı 60 m/s (216 km/s, 134 mil/saat) dir. Bazıları 80 m/saate (290 km/saat, 180 mil/saat) dayanacak şekilde tasarlanır.

Ani Yavaşlayıp durma (Stall)

Akan havanın kanat profiline uyguladığı kaldırma kuvvetini hızla azaltacak şekilde hava akımı kanat profilinin üzerinden geçtiğinde oluşur. Genellikle bunun nedeni hucum açısının (AOA) fazla olmasıdır ancak değişken etkilerden de kaynaklanabilir. Sabit hatveli rüzgâr türbin kanatları şiddetli rüzgâr hızlarında durması için aerodinamik olarak tasarlanabilir bu ise türbinin daha yavaş dönmesine neden olur. Bu aşırı rüzgâr hızı nedeniyle sisteme zarar gelmesini önlemeye yardımcı olan kolay ve arızalara karşı güvenli bir mekanizmadır. Ancak değişken kontrollu hatveye sahip sistemler dışında daha geniş rüzgâr hız aralığında sabit bir güç alınamadığından bu uygulama büyük ölçekli güç şebeke uygulamaları için uygun değildir.

Sabit hızlı HAWT (Yatay Eksenli Rüzgâr Türbini) kanatları hızlandıkça yüksek rüzgâr hızında hucum açısını doğal olarak artırır. Doğal bir strateji rüzgâr hızı arttığında kanadın durmasına izin vermektir. Bu teknik birçok erken HAWT'de başarıyla kullanılmıştır. Ancak bu kanat takımlarının bazılarında kanat hatve derecesinin işitilebilir gürültü seviyelerini artırdığı gözlenmiştir.

Vorteks jeneratörleri kanadın kaldırma özelliklerinin kontrolu için kullanılabilir. Aerofil profilinin alt yüzeyine uygulanan kaldırma kuvvetini artırmak veya maksimum kaldırma kuvvetini sınırlamak için aeroprofilin üst yüzeyine (daha çok kamber) VG'ler yerleştirilir.

Kapatma (Kanadın rüzgâr enerjisine kapanması)

Kapatma rotor-kesitinin yanı sıra rotorun kaldırma kuvvetinden kaynaklanan uyarılmış sürüklemeyi azaltan hücum açısını azaltarak çalışır. Rüzgâr türbinlerinin tasarımındaki en büyük sorunlardan biri rüzgâr aniden hızlanınca türbin kanatlarının çabucak durdurulmasını veya kapanmasını sağlamaktır. Tamamen kapalı türbin kanadı durduğunda kanadın kenarı rüzgâra doğru bakar.

Yapısal sistemi daha yumuşak veya daha esnek yaparak yükler azaltılabilir. Bu rüzgâr yönünde dönen rotorlar ya da daha yüksek rüzgâr hızında hucum açısını azaltmak için doğal şekilde bükülen kavisli kanatlarla gerçekleştirilebilir. Bu sistemler doğrusal olmayacak ve yapıyı akış alanı ile eşleşecektir- böylece tasarım araçları bu doğrusal olmama durumlarını modellemek için geliştirilmelidir.

Standart modern türbinlerin tümü şiddetli rüzgârda kanatlarını rüzgâra karşı kapatır. Kanadın döndürülmesi kanattaki torka karşı hareket gerektirdiğinden döner tahrik ile elde edilen bir çeşit hatve açı kontrolü gerektirir. Bu tahrik yüksek tork yüklerine dayanırken kanadı hassas şekilde açar. Ayrıca birçok türbin hidrolik sistemler kullanır. Bu sistemler genellikle yay kuvvetiyle yüklüdür böylece hidrolik güç kesilirse kanatlar otomatik olarak rüzgâra karşı açılır. Diğer türbinlerde her rotor kanadı için elektrikli servo motor kullanılır. Elektrik şebeke arızasında küçük akü rezervine sahiptirler. Değişken hatveli küçük rüzgâr türbinleri (50 kW‘ın altında) elektrik veya hidrolik kontrol kullanmaz genellikle volan ağırlıkları veya geometrik tasarım kullanan merkezkaç kuvveti ile çalışırlar.

Sürdürülebilir Bir Gelecek için Atkinson Merkezi'nce desteklenen üniversiteler, endüstri ve hükûmetten araştırmacıların ortak raporuna göre enerji maliyetlerinin azaltılmasını sınırlayan hatve kontrolünde temel boşluklar vardır. Yük azaltma şu anda tam açıklıklı kanat hatve kontrolüne odaklanmıştır çünkü hatve motorları halen ticari türbinlerde bulunan motorlardır. Kanatlar kule ve aktarma organları için simülasyonlarda önemli yük azalması gösterilmiştir. Ancak hala araştırmaya gerek vardır, enerji yakalamayı artırmak ve yorgunluk yüklerini azaltmak için tam açıklıklı kanat hatve kontrolünün gerçekleştirilmesine yönelik yöntemlerin geliştirilmesi gerekmektedir.

Motorun mevcut aktif gücü ile nominal motor devrindeki aktif güç değerini (aktif güç referansı, Ps referansı) karşılaştırılarak hatve açısına kontrol tekniği uygulanır. Bu durumda hatve açısının kontrolü bir Oransal İntegral PI denetleyici kullanılarak yapılır. Ancak hatve açısının kontrol sistemine gerçekçi bir tepki elde etmesi için motor zaman sabiti Tservo, integral alıcı ve sınırlayıcıları kullanır böylece hatve açısı saniyede (±10 °) değişimle 0° ila 30° arasında olur.

Hatve Denetleyici

Sağdaki şekilden referans hatve açısı gerçek hatve açısı b ile karşılaştırılır ve ardından hesaplanan hata motor tarafından düzeltilir. PI denetleyiciden gelen referans hatve açısı bir sınırlayıcıdan geçer. Gerçek anlamda hatve açısını korumak için sınırlardaki kısıtlamalar önemlidir. Özellikle şebekedeki arızalarda değişim oranının sınırlandırılması çok önemlidir. Bunun önemi denetleyicinin hata sırasında ivmelenmeyi önlemek için aerodinamik enerjiyi ne kadar hızlı kısabileceğine karar vermesidir.

Diğer kontroller

Jeneratör torku

Modern büyük rüzgâr türbinleri değişken hızlı makinelerdir. Rüzgâr hızı nominal değerin altına düştüğünde mümkün olduğunca fazla güç almak amacıyla rotor hızını kontrol etmek için jeneratörün torku kullanılır. Uç hız oranı 6 veya 7 optimum değerinde sabit tutulduğunda maksimum güç alınır. Bu ise rüzgâr hızlandıkça rotor hızının orantılı olarak artması gerektiği anlamına gelir. Kanatların aldığı aerodinamik tork ile uygulanan jeneratör torku arasındaki fark rotor hızını kontrol eder. Jeneratör torku azsa rotor hızlanır jeneratör torku çoksa rotor yavaşlar. Nominal rüzgâr hızının altında kanat hatvesi rüzgârdan en çok gücü alacak şekilde rüzgâra düz sabit açıda tutulurken jeneratör tork kontrolu aktiftir. Nominal rüzgâr hızının üstünde kanat hatvesi aktifken jeneratör torku sabit tutulur.

Sabit mıknatıslı senkron motoru kontrol etmenin tekniklerinden birisi Alan Odaklı Kontroldür. Alan Odaklı Kontrol torku ve tek hızlı kontrol cihazını kumanda etmek için gereken iki akım kontrolörden (bir iç döngü ve dış döngü kademeli tasarımı) oluşan kapalı çevrim stratejisidir.

Sabit tork açı kontrolü

Bu kontrol stratejisinde tork açısını 90^o ye eşit tutmak için vektör akımı q ekseni ile hizalanırken d eksen akımı sıfırda tutulur. Bu basitliği nedeniyle en çok kullanılan kontrol stratejilerinden biridir çünkü sadece Iqs akımını kontrol edilir. Dolayısıyla sabit mıknatıslı senkron jeneratörünün elektromanyetik tork denklemi sadece Iqs akımına bağlı basit bir doğrusal denklemdir.

Yani Ids = 0 için elektromanyetik tork (bunu d ekseni denetleyicisiyle elde edebiliriz) şimdi:

T_e= 3/2 p (λ_pm I_qs+ (L_ds-L_qs) I_ds I_qs )= 3/2 p λ_pm I_qs

Makine Tarafı Denetleyicinin Tasarımı

Dolayısıyla makine tarafı dönüştürücüsünün ve kademeli PI denetleyici döngülerinin sistemi sağdaki şekilde verilmiştir. Burada PWM-regüle dönüştürücünün görev oranları m_ds ve m_qs olan kontrol girişlerine sahibiz. Ayrıca makine tarafındaki rüzgâr türbini için kontrol şemasını ve eşzamanlı olarak I_ds'yi nasıl sıfır tuttuğumuzu görebiliriz (elektromanyetik tork denklemi doğrusaldır).

Türbinin rüzgâr yönüne çevrilmesi

Modern büyük rüzgâr türbinleri motor yuvasının arkasındaki rüzgâr gülü tarafından ölçülen rüzgâr yönüne bakacak şekilde aktif olarak kumanda edilir. Sapma açısını (rüzgâr ve türbin işaret yönü arasındaki yanlış hizalama) azaltarak güç artırılır ve simetrik olmayan yükler azaltılır. Ancak rüzgâr yönü hızla değiştiğinden türbin hassas olarak bu yönü takip etmez ve her zaman biraz küçük bir sapma açısı olur. Güç çıkış kayıpları (cos (yalpa açısı))³ ile düşmek üzere yaklaşık olarak tahmin edilir. Özellikle az-orta rüzgâr hızlarında sapma türbin gücünü önemli miktarda azaltabilir, ± 30 ° rüzgâr yönü değişimleri yaygındır ve türbinlerin rüzgâr yönündeki değişikliklere tepki süreleri uzundur. Hızlı rüzgârlarda rüzgâr yönü daha az değişir.

Elektrikle frenleme

Küçük rüzgâr türbini için 2kW dinamik fren direnci.

Küçük rüzgâr türbininin frenlenmesi jeneratörden enerjinin direnç grubuna boşaltılmasıyla türbin dönüşü kinetik enerjisinin ısıya dönüştürülmesi ile yapılabilir. Bu yöntem jeneratördeki kinetik yükün aniden azaltılması veya türbin hızını izin verilen sınırın içinde tutamayacak kadar küçük olması durumunda faydalıdır.

Döngüsel frenleme kanatların yavaşlamasına neden olur bu da anlık durma (stall) etkisini arttırır ve kanatların verimliliğini azaltır. Bu şekilde daha hızlı rüzgârlarda dönüş (nominal) güç çıkışı korunurken türbin güvenli hızda tutulabilir. Bu yöntem genellikle şebekeye bağlı büyük rüzgâr türbinlerine uygulanmaz.

Mekanik frenleme

Aşırı ciddi olaylarda veya aşırı hız gibi acil durumlarda türbini durdurmak için mekanik kampanalı fren veya disk fren kullanılır. Bu fren birincil araç olarak rotor kilit sistemi ile türbin bakımında türbini durdurmak için ikincil araçtır. Bu tür frenler genellikle sadece kanadı rüzgâra karşı kapattıktan ve elektromanyetik frenlemeyle türbinin hızını azalttıktan sonra uygulanır çünkü mekanik frenler türbini tam hızdan durdurmak için kullanılırsa motor bölümünde yangın çıkabilir. Fren nominal RPM'de uygulanırsa türbin üzerindeki yük artar.

Türbinin büyüklüğü

Şekil 1. Rüzgâr türbini tesisinin akış diyagramı

Rüzgâr türbininin farklı boyut sınıfları vardır. En küçük enerji üretimi 10 kW'dan az güçlerde evlerde, çiftliklerde ve şehirden uzak uygulamalarda kullanılırken, 10-250 kW arası rüzgâr türbinleri köyler, hibrit sistemler ve dağıtılmış güç için kullanılır. İngiltere'nin Liverpool Körfezi'ndeki Burbo Bank Extension rüzgâr çiftliğindeki 8 MW'lık dünyanın en büyük rüzgâr türbini 2016 yılında kuruldu. Şebeke ölçekli türbinler (bir megawatt'tan büyük) merkez istasyon rüzgâr çiftliklerinde, dağıtılmış güçte ve topluluk rüzgârında kullanılır.

15 m uzunluğundaki kanatların yanında duran bir kişi.

Belirli sürdürülebilir bir rüzgâr hızı için türbinin kütlesi yaklaşık olarak kanat-uzunluğunun küpü ile orantılıdır. Türbin tarafından yakalanan rüzgâr enerjisi kanat uzunluğunun karesiyle orantılıdır. Bir türbinin en büyük kanat uzunluğu malzemesinin katılığı, dayanıklılığı ve nakliye hususlarıyla sınırlıdır.

Artan türbin büyüklüğü ile birlikte işçilik ve bakım maliyetleri kademeli olarak artar bu nedenle maliyetleri en aza indirmek için rüzgâr çiftliği türbinleri temel olarak malzemelerin mukavemeti ve oturma şartlarıyla sınırlıdır.

Tipik modern rüzgâr türbin çapları 40 ila 90 metre (130 ila 300 ft) ve güçleri 500 kW ve 2 MW arasında derecelendirilir. 2017 itibarıyla en güçlü türbin Vestas V-164, 9.5 MW güce ve 164 m rotor çapına sahiptir.

Git gide daha büyük rüzgâr türbinleri tasarlanmaktadır üreticiler henüz maksimum boyuta yaklaşmadılar. En büyük türbinler 265 metre veya daha büyük çapta olacaktır.

Makina yuvası (Nacelle)

Nacelle kule ile rotoru birbirine bağlayan şanzıman ve jeneratörü barındıran yuvadır. Sensörler rüzgârın hızını ve yönünü algılar motorlar güç çıkışını maksimum yapmak için nacelle rüzgâr yönüne döndürür.

Şanzıman

Geleneksel rüzgâr türbinlerinde kanatlar jeneratöre şanzıman yoluyla bağlı bir mili döndürür. Şanzıman bir-megawattlık bir türbinin 15- 20 tur/dak' da dönen kanatlarının dönüş hızını elektrik üreten jeneratör için 1.800 dev/dak hıza çıkarır. GlobalData 'dan analistler şanzıman pazarının 2006'da $3.2bn iken 2011'de $6.9bn'e ve 2020'de $8.1bn 'na büyüyeceğini tahmin etmektedir. 2011'de pazar liderleri Winergy idi . Rüzgâr türbin bakım maliyetlerini azaltmanın bir yolu olarak manyetik şanzımanların kullanımı da keşfedildi.

Jeneratör

Şanzıman, rotor mili ve fren grubu

Büyük, ticari boyutta yatay eksenli rüzgâr türbinlerinin elektrik jeneratörü türbin rotor göbeğinin arkasına, kulenin tepesindeki makine yuvasına (nacelle) yuvasına konulur. Genellikle rüzgâr türbinleri elektrik şebekesine doğrudan bağlı olan asenkron makineler aracılığıyla elektrik üretir. Rüzgâr türbininin dönüş hızı elektrik şebekesinin eşdeğer dönüş hızından genelde daha azdır: rüzgâr jeneratörleri için tipik dönüş hızları 5-20 devir/dakikadır direkt tahrikli bir makinenin hızı ise 750 - 3600 dev/dak arasındadır. Bu nedenle rotorun göbeği ile jeneratör arasına dişli kutusu yerleştirilir. Bu aynı zamanda jeneratör maliyetini ve ağırlığını da azaltır. Ticari boyutlu jeneratörlerde alan sargısını taşıyan bir rotor bulunur böylece stator adı verilen sargı kümesinin içinde dönen bir manyetik alan oluşturulur. Dönen alanın sargısı jeneratör çıkışının yüzde birini tüketirken alan akımının ayarlanması jeneratör çıkış voltajı üzerinde iyi bir kontrol sağlar.

Eski tip rüzgâr jeneratörleri daha az maliyetli indüksiyon jeneratörlerinin kullanılmasına imkan veren güç hattı frekansına uyacak şekilde sabit hızda döner. Yeni rüzgâr türbinleri genellikle ne hızda dönerse dönsün elektriği en verimli şekilde üretir. Üretilen değişken frekanslı akımının DC'ye ve sonra tekrar AC'ye dönüştürüldüğü çift beslemeli indüksiyon jeneratörleri veya tam-etkili dönüştürücüler (converter) gibi çoklu teknolojiler kullanarak değişen çıkış frekansı ve voltajı şebekenin sabit değerleriyle eşleştirilir. Her ne kadar bu alternatifler maliyetli ekipman gerektirse de ve güç kaybına neden olsa da türbin rüzgâr enerjisinin çok daha büyük kısmını yakalayabilir. Bazı durumlarda özellikle türbinler kıyıya yerleştirildiğinde, DC enerji şebekeye bağlantısı için türbinden merkezi (karadaki) invertöre iletilir.

Hidrolik

Hidrolik rüzgar türbinleri, dişli kutularının frekans ve tork ayarlamalarını basınçlı bir hidrolik sıvı aracılığıyla gerçekleştirir. Genellikle, türbinin hareketi sıvıyı nacelle'deki bir hidrolik pompa ile basınçlandırır. Bu arada, zemindeki bileşenler bu basıncı enerjiye dönüştürebilir ve çalışma sıvısını tekrar dolaştırabilir. Tipik olarak, bu tür hidrostatik şanzımanda kullanılan çalışma sıvısı, hidrolik ünitelerdeki sürtünmeden kaynaklanan kayıpları azaltan ve geniş bir çalışma sıcaklığı aralığına izin veren bir yağlayıcı görevi gören yağdır. Ancak, halen çalışma sıvısı olarak bol miktarda ve çevre dostu olduğu için suyu kullanmayı içeren başka kavramlar da incelenmektedir.

Hidrolik türbinler hem işletme hem de sermaye maliyetleri açısından fayda sağlar. Gerçek zamanlı olarak uyum sağlayan sürekli değişken bir şanzımana sahip olmak için değişken deplasmanlı hidrolik üniteler kullanabilirler. Bu, jeneratör hızını rotor hızına ayırır, durmayı önler ve türbinin optimum hız ve torkta çalışmasını sağlar. Bu dahili şanzıman, bu hidrolik sistemlerin geleneksel dişli kutusuna olan ihtiyacı ortadan kaldırma yoludur. Dahası, mekanik güç dönüşümü yerine hidrolik güç dönüşümü, dönüş dalgalanmaları üzerinde bir sönümleme etkisi yaratarak, aktarma organlarının yorgunluğunu azaltır ve türbinin yapısal bütünlüğünü iyileştirir. Ayrıca, mekanik bileşenler yerine basınçlı bir sıvı kullanılması, elektrik dönüşümünün nacelle yerine zeminde gerçekleşmesini sağlar. Bu, bakım zorluğunu, türbinin ağırlığını ve ağırlık merkezini azaltır. Çalışmalara göre, bu faydaların açık deniz rüzgar türbinleri için eşitlenmiş güç maliyetinde %3,9-18,9 oranında bir azalma sağlayabileceğini tahmin edilmektedir.

Birkaç yıl önce Mitsubishi, Artemis şubesi aracılığıyla, kamu ölçeğinde benzersiz bir hidrolik rüzgar türbini olan Sea Angel'ı konuşlandırdı. Dijital Yer Değiştirme teknolojisi, 7 MW olarak derecelendirilen rüzgar türbini Sea Angel'da denemelere tabi tutuldu. Bu tasarım, düzensiz rüzgar hızlarına yanıt olarak merkezi ünitenin yer değiştirmesini ayarlayarak sistemin optimum verimliliğini koruyabilir. Yine de bu sistemler geleneksel dişli kutularına kıyasla daha yenidir ve ticarileştirmenin daha erken aşamalarındadır.

Şanzımansız rüzgâr türbini

Dişlisiz rüzgâr türbinlerinde (doğrudan tahrik de denir) şanzıman yoktur. Bunun yerine, rotorun mili doğrudan kanatlarla aynı hızda dönen jeneratöre bağlanır.

PMDD jeneratörlerin şanzımanlı jeneratörlere göre avantajları artan verimlilik, daha az gürültü, daha uzun ömür, düşük devirde yüksek tork, daha hızlı ve hassas konumlandırma ve sürücü mukavemeti vardır. PMDD jeneratörleri "ciddi miktarda birikmiş yorulma torku yüklemesi, ilgili güvenilirlik sorunları ve bakım maliyetlerine duyarlı dişli-hız arttırıcıyı ortadan kaldırır."

Doğrudan tahrikli jeneratörün düşük dönüş hızını telafi etmesi için gerekli frekans ve gücü oluşturmada daha çok mıknatıs olsun diye jeneratörün rotor çapı arttırılır. Dişlisiz rüzgâr türbinleri genellikle dişlili rüzgâr türbinlerinden daha ağırdır. En çok örnek türbin sayısına dayanan AB'nin "Reliawind" adlı çalışması şanzımanlı türbinlerin güvenilirliğinin rüzgâr türbinlerinin ana sorunu olmadığını göstermiştir. Direkt tahrikli türbinlerin denizde güvenilirliği hala bilinmemektedir çünkü numune sayısı çok azdır.

Danimarka Teknik Üniversitesi uzmanları sabit mıknatıs dişlili jeneratörün 25 kg/MW nadir toprak elementi neodiyum, dişlisiz olanı ise 250 kg/MW kullanacağını tahmin etmektedir.

Aralık 2011'de ABD Enerji Bakanlığı şanzımansız rüzgâr türbinlerinin sabit mıknatıslar için çok miktarlar kullanılan neodiyum gibi nadir toprak elementinin kritik derecede az olduğunu yazan bir rapor yayınladı. Çin nadir toprak elementlerinin % 95'inden fazlasını üretirken Hitachi Neodiyum mıknatısları kapsayan 600'den fazla patente sahiptir. Doğrudan tahrikli türbinler 1 megavat için 600 kg sabit mıknatıs kullanır ki neodiyum içeriğinin mıknatıs ağırlığının% 31'i olduğu tahmin edildiğinde 1 megawatt için yüzlerce kg nadir toprak içeriği kullanılacağı anlaşılabilir. Hibrit aktarma organları (doğrudan tahrik ile geleneksel dişli arasında arasında) önemli miktarda daha az nadir toprak malzemesi kullanır. Sabit mıknatıslı rüzgâr türbinleri Çin dışındaki pazarın sadece %5'ini oluştururken Çin'deki pazar payının %25 veya daha fazla olduğu tahmin edilmektedir. 2011'de rüzgâr türbinlerinde neodiyum talebinin elektrikli araçların 1/5'i olduğu tahmin edildi.

Kanatlar

Kanat tasarımı

Kanadın boyanmamış ucu

Kanat uç hızı ile rüzgâr hızı arasındaki orana uç hızı oranı denir. Verimliği yüksek olan 3 kanatlı türbinlerin uç hızı/rüzgâr hızı oranları 6 ila 7'dir. Modern rüzgâr türbinleri değişen hızlarda dönecek şekilde tasarlanır (jeneratör tasarımlarının bir sonucu, yukarıya bakınız). Kanat yapımında alüminyum ve kompozit malzemelerin kullanılması düşük dönme ataleti oluşturur bu ise rüzgâr çıktığında yeni rüzgâr türbinlerinin çabuk hızlanacağı ve uç hız oranının neredeyse sabit kalacağı demektir. Rüzgârın ani hareketlerinde türbini optimum uç hız oranlarına yakın çalıştırmak kent ortamında görülen ani rüzgârlarda enerji alımını iyileştirir. Buna karşılık eski tip rüzgâr türbinleri daha çok ataletli daha ağır çelik kanatlarla tasarlandı ve güç hatlarının AC frekansı tarafından yönetilen hızlarında döndürüldü. Yüksek atalet dönüş hızında değişiklikleri azaltıp güç çıkışını da daha kararlı yaptı.

Yüksek kanat uç hızlarında genellikle gürültünün arttığı duyulur. Gürültüyü artırmaksızın uç hızını artırmak şanzımana ve türbine giden torku azaltmak tüm yapısal yüklerin azaltılacak böylece de maliyet düşecektir. Gürültünün azaltılması kanatların ayrıntılı aerodinamiğine özellikle ani durmayı azaltan faktörlere bağlıdır. Duruşun öngörülememesi girişken aerodinamik kavramlar geliştirmeyi kısıtlar. Bazı kanatlarda (çoğunlukla Enercon'da kullanılan) verimi artırmak ve gürültüyü azaltmak için kanatçık bulunur.

Yelkenli için 70, uçak için 15'e kıyasla türbin kanadının kaldırma-sürükleme oranı 120 olabilir.

Göbek

Bir rüzgâr türbininin göbeği yerine takılıyor

Basit tasarımlarda kanatlar doğrudan göbeğe cıvatalanır ve kendi eksenleri etrafında dönmez bu ise belirli rüzgâr hızlarının üzerinde aerodinamik frenlemeye sebep olur. Daha karmaşık tasarımlarda kanatlar dönüş hızını kumanda etmek için rüzgâr hızına göre hatve sisteminin yardımıyla hucum açılarını ayarlayan hatve yatağına cıvatalanır. Hatve yatağının kendisi göbeğe cıvatalanmıştır. Göbek jeneratörü doğrudan veya bir dişli kutusundan tahrik eden rotor miline sabitlenir.

Kanat sayısı

1990'ların başında 98 metre çaplı iki kanatlı NASA/DOE Mod-5B rüzgâr türbini dünyanın çalışan en büyük rüzgâr türbiniydi

Sandusky, Ohio yakınlarındaki Plum Brook İstasyonundaki tek kanatlı rüzgâr türbini rotor yapısının NASA tarafından denenmesi

Kanat sayısı aerodinamik verimliliğe bileşen maliyetlerine ve sistem güvenilirliğine göre belirlenir. Gürültü emisyonları kanatların kulenin yukarı veya aşağı rüzgârından ve rotorun hızından etkilenir. Kanatların arka kenarlarından ve uçlarından çıkan gürültü emisyonları kanat hızının 5. üssüne göre değiştiği göz önüne alındığında uç hızındaki küçük bir artış büyük bir fark yapabilir.

Son 50 yılda geliştirilen rüzgâr türbinlerinin neredeyse hepsi iki veya üç kanatlıdır. Bununla birlikte Chan Shin'in çok üniteli rotor kanat sistemi birleşik rüzgâr türbini gibi ek kanatlı tasarımlar sunan patentler de vardır. Aerodinamik verimlilik kanat sayısı arttıkça artar ancak geri dönüş ile azalır. Kanat sayısının birden ikiye çıkması aerodinamik verimlilikte yüzde altı artış sağlarken kanat sayısının ikiden üçe çıkarılması verimlilikte sadece yüzde üç daha fazla verim sağlar. Kanat sayısının daha da arttırılması aerodinamik verimliliği çok az artırır ve kanatlar inceldikçe kanat sertliği de azalır.

Teorik olarak uç hız oranının yüksek değerinde çalışan sonsuz genişlikte sonsuz sayıda kanat en verimlisidir. Ancak diğer hususlar sadece birkaç kanat olmasına yol açar.

Kanat sayısından etkilenen bileşen maliyetleri esasen türbin rotoru, aktarma organ malzemeleri ve üretiminden etkilenir. Genelde kanat sayısı ne kadar azsa malzeme ve üretim maliyetleri de o kadar az olur. Ayrıca kanat sayısı ne kadar azsa dönüş hızı o kadar yüksek olabilir. Bunun nedeni sadece rüzgara karşı makineler için kule ile etkileşimi önlemek için kanat sertliği gerekliliklerinin kanatların ne kadar ince üretilebileceğini sınırlamasıdır; rüzgar yönündeki makinede kanatların bükülmesi kule açıklığının artmasına neden olur. Daha yüksek dönme hızlarına sahip daha az sayıda kanat aktarma organlarındaki tepe momentlerini azaltır ve daha az şanzıman ve jeneratör maliyetlerine neden olur.

Sistemin güvenilirliği, kanat sayısını esas olarak rotorun aktarma organları ve kule sistemlerine dinamik olarak yüklenmesi yoluyla etkilenir. Rüzgâr türbinini rüzgâr yönündeki değişikliklere doğru hizalarken her kanat, kanat konumuna bağlı olarak kök ucuna döngüsel bir yük alır. Bu bir, iki, üç veya daha fazla kanat için geçerlidir. Ancak bu döngüsel yükler aktarma organı milinde birleştirildiğinde üç kanatta yükler simetrik olarak dengelenir ve türbin yön değiştirirken daha yumuşak çalışır. Bir veya iki kanatlı türbinler yön değişiminde tahrik miline ve sisteme gelen döngüsel yükleri yok etmek için dönebilen göbek kullanılır. Çin malı 3.6 MW iki-kanatlı Danimarka'da test edildi. Mingyang 2013 yılında Zhuhai yakınlarındaki 87 MW (29 * 3 MW) iki-kanatlı açık deniz rüzgâr türbinleri ihalesini kazandı.

Son olarak estetik durum önemsenebilir çünkü bazı insanlar üç kanatlı rotorun bir veya iki kanatlı rotordan daha hoş olduğunu düşünürler.

Kanat malzemeleri

Bazı modern rüzgâr türbinlerinde ağırlığı azaltmak için karbon fiber kirişli rotor kanatları kullanır.

Genellikle kanat için ideal malzemeler aşağıdaki kriterlere uygun olmalıdır:

• maliyet ve bakımı azaltmak için bol bulunabilme ve kolay işleme
• yer çekimi kuvvetini azaltmak için hafiflik veya düşük yoğunluk
• kuvvetli rüzgâr yüküne ve kanadın yer çekimi kuvvetine dayanması için yüksek mukavemet
• döngüsel yüke karşı yüksek yorulma mukavemeti
• kanadın optimum şekil, yön kararlılığı ve kule ile açıklığını sağlamak için sertlik
• yüksek kırılma tokluğu
• yıldırım çarpması, nem ve sıcaklık gibi çevresel etkilere dayanıklılık

Bunlar kullanılabilecek malzeme listesini azaltır. Metaller yorgunluğa karşı savunmasızlıkları yüzünden istenmeyebilir. Seramiklerin kırılma tokluğu azdır ve bu yüzden erken kanat kırılabilirler. Geleneksel polimerler kullanılacak kadar sert değildir ve ahşabın özellikle kanadın uzunluğu göz önüne alındığında tekrarlanabilirlikle ilgili sorunları vardır. Bu durumda rüzgâr türbinlerinin tasarımı için çok çekici bir malzeme sınıfı olarak geriye mukavemetli, sert ve yoğunluğu az elyaf takviyeli kompozitler kalır.

Ucuz fiyatları, bulunabilirlikleri ve üretim kolaylıkları nedeniyle ahşap ve kanvas yelkenler eskiden yel değirmenlerinde kullanıldı. Alüminyum gibi hafif metallerden küçük kanatlar yapılabilir. Ancak bu malzemeler sık bakım gerektirir. Ahşap ve kanvas konstrüksiyon kanat profil şeklini katı kanat profillerine kıyasla nispeten yüksek sürükleme kuvvetli düz plakayla (aerodinamik verimi az olduğundan) sınırlar. Katı kanat tasarımlarının yapımı metaller veya kompozitler gibi katı malzemeler gerektirir. Ayrıca bazı kanatlarda yıldırım iletkenleri bulunur.

Yeni rüzgâr türbini tasarımları gittikçe daha büyük kanatlar kullanarak güç üretimini 1 megawatt aralığından 10 megavatın üstüne doğru zorlamaktadır. Daha geniş alan belirli bir rüzgâr hızında türbin uç hız oranını etkili şekilde artırır böylece enerji alımını artar. Kanat tasarımını geliştirmek için HyperSizer (aslında uzay aracı tasarımı için geliştirilmişti) gibi bilgisayar destekli mühendislik yazılımları kullanılabilir.

2015 itibarıyla karasal rüzgâr türbin kanat rotor çapı 130 metreye açık deniz türbin çapı ise 170 metreye ulaşmıştır. 2001 yılında rüzgâr türbini kanatlarında tahminen 50 milyon kilogram fiberglas laminat kullanılmıştır.

Daha büyük kanat sistemlerinin önemli bir amacı kanat ağırlığını azaltmaktır. Kanat kütlesi türbin yarıçapının küpü olarak ölçeklendiğinden yerçekimine bağlı yük daha büyük kanatlı sistemlerini kısıtlar. Yerçekimi yükleri, arasında eksenel ve çekme/ sıkıştırma yükleri (dönüşün üst/alt konumlarında) yanı sıra bükülme kuvvetleri de (yanal pozisyonlar) vardır. Bu yüklerin büyüklüğü döngüsel olarak dalgalanır ve yanlamasına momentler her 180° dönüşte bir tersine döner. Tipik rotor hızları ve tasarım ömrü sırasıyla ~10 ila 20 yıl arasındadır ve ömür boyu devir sayısı 10^8 civarındadır. Rüzgâr dikkate alındığında türbin kanatlarının ~10^9 yükleme döngüsünden geçmesi beklenir. Rüzgâr, rotor kanat yükünün bir başka kaynağıdır. Kaldırma düz yönde (rotor düzleminin dışına) bükülmeye neden olurken kanat etrafındaki hava akışı (rotor düzleminde) kenarlardan eğilmeye neden olur. Kanatların bükülmesi basınç (upwind) tarafında çekme ve emme (downwind) tarafında sıkıştırmayı içerir. Kenardaki bükme ön kenarda çekmeyi ve arka kenarda ise sıkıştırmayı içerir.

Rüzgâr yükleri rüzgâr hızı ve rüzgâr kesmesindeki doğal değişkenlik nedeniyle döngüseldir (dönüşün tepesinde daha yüksek hızlar vardır).

Rüzgâr ve yerçekimi yüküne maruz kalan rüzgâr türbini rotor kanatlarının yükten dolayı kopması rotor kanatları tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir arıza türüdür. Rotor kanatlarının bükülmesine neden olan rüzgâr hızı ve rotor kanatlarındaki gerilim tepkisi de doğal bir değişkenlik sergiler. Ayrıca rotor kanatlarının çekme mukavemetleri bakımından dayancı doğal bir değişkenlik sergiler.

Bu arıza türlerinin ve giderek daha büyüyen kanat sistemlerinin ışığında daha yüksek mukavemet/kütle oranlarına sahip uygun maliyetli malzemeler geliştirmek için sürekli çaba sarf edilmektedir. Mevcut 20 yıllık kanat ömrünü uzatmak ve daha geniş alanlı kanatların uygun maliyetli olmasını sağlamak için tasarım ve malzemelerin sertlik, mukavemet ve yorulma direnci için optimize edilmesi gereklidir.

Mevcut ticari rüzgâr türbini kanatlarının çoğu polimer matris ve elyaflardan oluşan kompozitler olan elyaf takviyeli polimerlerden (FRP) yapılır. Uzun lifler uzunlamasına sertlik ve mukavemet verir ve matris kırılma tokluğu, delaminasyon mukavemeti, düzlem dışı mukavemet ve sertlik sağlar. Güç verimliliğini en üste çıkarmak, yüksek kırılma tokluğuna, yorulma direncine ve ısıl kararlılığa sahip olan malzeme özelliklerinin cam ve karbon elyaf takviyeli plastiklerde (GFRP'ler ve CFRP'ler) daha çok olduğu ispatlandı.

Siemens SWT-2.3-101 rüzgar türbinlerinin Camelyafı-takviyeli epoksi kanatları. 49 metrelik kanat boyutu, arkalarındaki Wolfe Adası Rüzgar Çiftliği'ndeki trafo merkezi ile kıyaslanabilir.

40 ila 50 metre ölçü aralığında üretilen kanatlar kanıtlanmış camelyaflı kompozit imalat tekniklerini içerir. Nordex SE ve GE Wind gibi imalatlar infüzyon işlemi kullanır. Diğer üreticiler bu teknikte bazıları epoksi matrisinde camelyaflı karbon ve ahşap da dahil olmak üzere malzeme çeşitlerini kullanır. Diğer seçenekler önceden emprenye edilmiş ("prepreg") camelyafı ve vakum yardımlı reçine transferli kalıplamadır. Bu seçeneklerin her biri farklı karmaşıklığa sahip cam elyaf takviyeli polimer kompozit kullanır. Belki de daha basit, açık kalıplı, ıslak sistemlerle ilgili en büyük sorun ortama salınan uçucu organiklerle ilişkili emisyonlardır. Önceden emprenye edilmiş malzemeler ve reçine infüzyon teknikleri tüm VOC'leri içererek uçucu maddelerin ortama verilmesini önler. Ancak yapısal elemanlar için gerekli kalın laminatların üretiminin zorlaşması gibi bu işlemlerin de zorlukları vardır. Önceden şekillendirilmiş reçine geçirgenliği maksimum laminat kalınlığını belirlediğinden boşlukları ortadan kaldırmak ve uygun reçine dağılımını sağlamak için hava alma (bleeding) gereklidir. Kısmen emprenyeli camelyafına reçineyi dağıtmak buna karşı bir çözümdür. Boşatma sırasında kuru kumaş hava akışına yol verir, ısı ve basınç uygulandığında ise reçine kuru bölgeye akıp tamamen emdirilmiş laminat yapıyı oluşturur.

Epoksi bazlı kompozitler diğer reçine sistemlerine göre çevre, üretim ve maliyet avantajlarına sahiptir. Epoksiler ayrıca daha kısa katılaşma döngüsü daha çok dayanıklılık ve daha iyi yüzey kalitesi sağlar. Prepreg işlemleri ıslak serme sistemlerine göre işlem süresini daha da azaltır. Türbin kanatları 60 metreyi geçtikçe infüzyon teknikleri daha yaygınlaşır; geleneksel reçine transfer kalıplama enjeksiyon süresi reçine kurulum süresine kıyasla çok daha uzundur ve laminat kalınlığını sınırlar. Enjeksiyon reçineyi daha kalın bir kat istifinden geçirerek jelleşmeden önce laminat yapının bulunduğu reçineyi çökeltir. Ömrü ve viskoziteyi özelleştirmek için özel epoksi reçineler geliştirildi.

Karbon elyafla güçlendirilmiş yük taşıyıcı direkler ağırlığı azaltır ve sertliği artırır. 60 metrelik türbin kanatlarında karbon elyaf kullanımının toplam kanat kütlesini % 38 azaltacağı ve % 100 camelyafı ile karşılaştırıldığında maliyeti % 14 azaltacağı tahmin edilmektedir. Karbon elyaflar camelyaf laminat bölümlerin kalınlığını azaltma ve kalın yerleştirme bölümlerinin reçineyle ıslatılmasıyla ilişkili sorunları çözebilir. Rüzgâr türbinleri karbon elyaf malzemelerin kullanımının artması ve maliyetinin düşürülmesi eğiliminden de yararlanabilir.

Cam ve karbon elyafları türbin kanat performansı için birçok optimal kaliteye sahip olsa da bu mevcut dolgu maddelerinin birçok dezavantajı vardır bunlara yüksek dolgu fraksiyonunun (ağırlıkça % 10-70), yoğunluğun artmasına ve sıklıkla neden olan mikroskobik kusurlara ve boşluklara neden olması ve erken kırılma da dahildir.

Son gelişmeler polimer bazlı nanokompozitleri güçlendirmek için karbon nanotüplerin (CNT'ler) kullanımıdır. FRP yapıları için bir matris olarak CNT'ler elyaflar üzerinde büyütülebilir veya biriktirilebilir veya polimer reçinelere eklenebilir. Geleneksel mikro ölçekli dolgu maddesi (cam veya karbon elyafları gibi) yerine dolgu maddesi olarak nano ölçekli CNT'lerin kullanılması özelliklerin çok düşük dolgu içeriklerinde (tipik olarak <% 5 ağırlık) önemli ölçüde değiştirilebildiği CNT/polimer nanokompozitler ile sonuçlanır. Çok az yoğunluğa sahiptirler ve polimer matrisin elastik modülünü, mukavemetini ve kırılma tokluğunu geliştirirler. CNT'lerin matrise eklenmesi aynı zamanda, geleneksel FRP'lerde problem olabilen, tabakalar arası çatlakların yayılmasını da azaltır.

Kanat kaplamalarında karbon nanoelyafların (CNF'ler) kullanılmasıyla daha fazla gelişme mümkündür. Çöl ortamlarında önemli bir sorun kanatların ön kenarlarının rüzgârın taşıdığı kum tarafından aşındırılmasıdır ki bu da pürüzlülüğü artırır ve aerodinamik performansı azaltır. Elyaf takviyeli polimerlerin partikül erozyon direnci metalik malzemeler ve elastomerler ile karşılaştırıldığında azdır ve iyileştirilmelidir. Kompozit yüzeyde cam elyafın CNF ile değiştirilmesinin erozyon direncini büyük ölçüde artırdığı gösterilmiştir. CNF'lerin ayrıca iyi elektriksel iletkenlik (yıldırım düşmeleri için önemlidir), yüksek sönümleme oranı ve iyi darbe-sürtünme direnci sağladığı ispatlanmıştır. Bu özellikler CNF bazlı nano kağıdı rüzgâr türbini kanatları için olası bir kaplama haline getirir.

Türbin kanatları için diğer önemli bozulma kaynağı 25 yıllık normal bir ömürlük hizmet süresince bir dizi yıldırım düşmesi sonucu beklenen yıldırım hasarıdır. Yıldırım çarpmalarının neden olduğu hasar aralığı sadece laminat malzemenin yüzey seviyesinde yanması ve çatlamasından kanadı bir arada tutan yapıştırıcıların tamamen ayrılmasına veya kanatta yırtılmaya kadar uzanır. Yıldırım çarpması içerisindeki bakır kablolardan dolayı özellikle yağmurlu havalarda kanat uçlarına yıldırım çarpma görülmesi çok yaygınıdır. Özellikle GFRP'ler ve CFRP'ler gibi iletken olmayan kanat malzemelerinde bununla mücadele etmenin en yaygın yöntemi bu bileşenlerde hasar riskini ortadan kaldırmak için tamamen kanatları ve şanzımana uğramadan toprağa kesintisiz yol sağlayan yalnızca metalik iletkenli yıldırım "parafudurlar" eklemektir.

Kanadın geri dönüşümü

Küresel Rüzgâr Enerjisi Konseyi (GWEC) rüzgâr enerjisinin 2020 yılına kadar dünyanın toplam enerji ihtiyacının% 15,7'sini ve 2030 yılına kadar % 28,5'ini karşılayacağını tahmin etmektedir. Küresel rüzgâr enerjisi üretimindeki bu çarpıcı artış daha verimli rüzgâr türbinlerinden oluşan daha yeni ve daha büyük bir filonun kurulmasını ve bunun sonucunda eskimiş olanların devreden çıkarılmasını gerektirecektir. Avrupa Rüzgâr Enerjisi Birliği tarafından yapılan bir araştırmaya göre sadece 2010 yılında rüzgâr türbini endüstrisi kanatları üretmek için 110 ila 140 kiloton kompozit tüketmiştir. Kanat malzemesinin çoğu sonunda atık olarak sonuçlanır ve bu miktardaki kompozit atığı barındırmak için tek seçenek geri dönüşümdür. Tipik olarak cam elyaf takviyeli polimerler (GFRP'ler) kanatdaki laminat malzemenin yaklaşık % 70'ini oluşturur. GFRP'ler yakılmayı engeller ve yanmaz. Bu nedenle geleneksel geri dönüşüm yöntemlerinin değiştirilmesi gerekir. Şu anda tek tek elyafların geri kazanılıp kazanılmayacağına bağlı olarak rüzgâr türbini kanatlarında GFRP'leri geri dönüştürmek için birkaç genel yöntem vardır:

• Mekanik Geri Dönüşüm: Bu yöntem tek tek elyafları geri kazanmaz. İlk işlemler parçalama, ezme veya frezelemeyi içerir. Ezilmiş parçalar daha sonra elyafca zengin ve reçinece zengin parçalara ayrılır. Bu artıklar nihayetinde yeni kompozitlere dolgu maddesi veya takviye olarak katılır.
• Kimyasal İşleme/Piroliz: Kompozitlerin termal ayrışması tek tek elyafları geri kazanmak için kullanılır. Piroliz için malzeme 500 °C'ye kadar oksijensiz ortamda ısıtılır böylece daha az ağırlıklı organik maddelere ve gaz ürünlere ayrılmasına neden olur. Cam elyaflar genellikle başlangıç mukavemetlerinin % 50'sini kaybedecek ve artık boyalar veya betondaki elyaf takviye uygulamaları için aşağı dönüştürülebilir. Araştırmalar bu ömür sonu seçeneğinin yaklaşık 19 MJ/kg'a kadar geri kazanılabildiğini göstermiştir. Bununla birlikte bu yöntemin maliyeti nispeten yüksektir ve benzer mekanik ön işleme gerektirir. Ayrıca gelecekteki büyük ölçekli rüzgâr türbini kanadı geri dönüşümü ihtiyacını karşılamak için henüz değiştirilmemiştir.
• Kompozitlerin doğrudan yapısal geri dönüşümü: Performans özelliklerini azaltan veya yalnızca diğer kompozitler için dolgu görevi gören kimyasal, termal ve mekanik geri dönüşüm süreçleriyle ilişkili verimsizlikler ve maliyetlerle mücadele etmek için geliştirilmiştir. Bu yöntemin genel fikri kompozitin olduğu gibi yeniden kullanılmasıdır; bu kompozit bileşenin kimyasal özelliklerini değiştirmeden diğer uygulamalarda olduğu gibi kullanılabilen birkaç parçaya bölünebildiği için özellikle daha büyük kompozit malzemelerde elde edilebilir.

One start-up, Global Fiberglass Solutions kanatları parçalama ve bunları döşeme ve duvarlarda kullanılan peletlere ve fiber levhalara preslemek için bir yöntemi olduğunu belirtmektedir. Şirket, kıtanın en büyük rüzgâr çiftlikleri yoğunluğuna yakın Texas, Sweetwater'daki bir tesiste numune üretmeye başladı. Iowa'da ise başka bir operasyon planlamaktadır.

Kule

Kule yüksekliği

Rüzgâr hızları yüzey aerodinamik sürüklemesi (kara veya su yüzeyleri tarafından) ve havanın viskozitesi nedeniyle daha yüksek irtifalarda artar. Rüzgâr kesimi adı verilen irtifa ile hızdaki değişim en çok yüzeye yakın yerlerde etkileyicidir. Tipik olarak değişim rüzgâr hızının rakımın yedinci kökü ile orantılı olarak artacağını öngören rüzgâr profil güç kanununu izler. Bir türbinin yüksekliğini iki katına çıkarmak beklenen rüzgâr hızlarını % 10 ve beklenen gücü % 34 artırır. Burkulmayı önlemek için kule yüksekliğinin iki katına çıkarılması genellikle kulenin çapının iki katına ve malzeme miktarının en az dört katına arttırılmasını gerektirir.

Gece vakti veya atmosfer durağanlaştığında yere yakın rüzgâr hızı genellikle azalır ancak türbin göbeği yüksekliğinde o kadar azalmaz veya hatta artabilir. Sonuçta rüzgâr hızı daha çoktur ve bir türbin 1/7 güç yasasından beklenenden daha fazla güç üretir: rakımı iki katına çıkarmak rüzgâr hızını % 20 ila % 60 artırabilir. Durağan bir atmosfer yüzeyin ışınımla soğumasından kaynaklanır ve ılıman iklimde yaygındır: genellikle geceleri (kısmen) açık bir gökyüzü olduğunda ortaya çıkar. (Yüksek irtifada) rüzgâr kuvvetli olduğunda (10 metrelik rüzgâr hızı yaklaşık 6 ila 7 m/s) kararlı atmosfer sürtünme türbülansı nedeniyle bozulur ve atmosfer nötr hale gelir . Gündüz atmosferi ya nötrdür (genellikle kuvvetli rüzgârlar ve yoğun bulutlarla birlikte net ışıma yoktur) veya kararsızdır (güneş tarafından yerin ısınması nedeniyle yükselen hava yüzünden). Burada da yine 1/7 güç yasası geçerlidir veya en azından rüzgâr profilinin iyi bir yaklaşımıdır. Indiana 30.000 MW'lık bir rüzgâr kapasitesine sahip olarak derecelendirilmişti ancak beklenen türbin yüksekliğini 50 metreden 70 metreye çıkararak rüzgâr kapasitesi tahmini 40.000 MW'a yükseltildi ve 100 metrede bunun iki katı olabilir.

HAWT'ler için kanat uzunluğunun yaklaşık iki - üç katı kule yüksekliği pahalı aktif bileşenlerin iyi kullanılması için kule malzeme maliyetini dengelediği bulunmuştur.

Dökme yük gemisinde taşınan rüzgâr türbini kule bölümleri

Yol ölçülerindeki kısıtlamalar 4,3 m'den daha büyük çaplı olan kulelerin taşınmasını zorlaştırır. İsveç analizleri alt kanat ucunun ağaç tepelerinden en az 30 m yukarıda olması gerektiğini ancak daha uzun bir kulenin daha büyük kule çapı gerektirdiğini göstermektedir. 3 MW'lık bir türbin 80-125 metre kule yüksekliğe ve yıllık 5.000 MWh'dan 7.700 MW.saat'e kadar güçlere çıkabilmektedir. Silindir yerine birleştirilmiş kabuklardan yapılan kule profili daha büyük çaplıdır ama gene de taşınabilir. TC cıvatalı 100 prototip kulesi 18 mm 'döşeme' kabuklarıyla Danimarka'daki Høvsøre rüzgâr türbini test merkezinde kuruldu ve Siemens Nacelle ile Det Norske Veritas tarafından sertifikalandırılıp onaylandı. Kabuk elemanlar standart 12 m nakliye konteynerlerinde sevk edilebilir ve haftada 2½ kule bu şekilde yapılır.

2003 yılı itibarıyla tipik modern rüzgâr türbini tesislerinde yaklaşık 65 m (210 fit) yüksekliğinde kuleler kullanılır. Yükseklik vinçlerin olup olmamasıyla sınırlıdır. Bu belirli mevcut vinçle "kısmen kendi kendini kuran rüzgâr türbinleri" için daha güçlü ve daha sert rüzgârlara türbin yerleştiren daha uzun kulelere ve vinç olmadan "kendi kendini kuran rüzgâr türbinlerine" imkan veren çeşitli önerilere yol açmıştır.

Kule malzemeleri

Şimdilerde rüzgâr türbinlerinin çoğu konik borulu çelik kulelerle desteklenir. Bu kuleler türbin ağırlığının % 30-65'ini oluşturur ve bu nedenle kuleler türbin nakliye maliyetinin çoğunluğudur. Kulede daha hafif malzemelerin kullanılması rüzgâr türbinlerinin genel nakliye ve yapım maliyetini azaltır ancak stabilitenin korunması gerekir. Daha yüksek dereceli S500 çeliği, S335 çeliğinden (standart yapı çeliği) %20-%25 daha pahalıdır ancak yüksek mukavemeti nedeniyle % 30 daha az malzeme kullanılır. Bu nedenle rüzgâr türbini kulelerinin S500 çelik ile değiştirilmesi hem ağırlıkta hem de maliyette net tasarruf sağlar.

Konik çelik kulelerin bir diğer dezavantajı da rüzgâr türbin gereksinimlerini karşılayan 90 metreden daha uzun kulelerin inşasının zor olmasıdır. Yüksek performanslı beton kule yüksekliğini artırma ve kulelerin ömrünü artırma potansiyeli gösterir. Öngerilmeli beton ve çelikten oluşan bir melez 120 metrelik kule yüksekliğinde standart çelik boruya göre daha iyi performans göstermiştir. Beton aynı zamanda nakliye sırasında çeliğin karşılaştığı zorluklardan kaçınarak küçük önceden dökülmüş kesitlerin sahada birleştirilmesine imkan verme avantajı da sağlar. Beton kulelerin bir dezavantajı çeliğe kıyasla beton üretimi sırasında daha yüksek CO2 emisyonlarıdır. Bununla birlikte beton kuleler rüzgâr türbini ömrünü iki katına çıkarabiliyorsa genel çevresel fayda daha yüksek olmalıdır.

Ahşap rüzgâr türbini kuleleri için bir malzeme olarak araştırılmaktadır. Almanya'da 1.5 MW'lık bir türbini destekleyen 100 metre yüksekliğinde bir kule inşa edildi. Ahşap kule bölmeli çelik kabuk kulenin aynı nakliye avantajlarını paylaşır ancak çelik kaynağı tüketimi olmaz.

Elektrik şebekesine bağlantı

1939'daki ilkinden 1970'lerde değişken hızlı şebekeye bağlantılı rüzgâr türbinlerinin geliştirilmesine kadar tüm şebekeye bağlı rüzgâr türbinleri sabit hızlıydı. 2003'e kadar tarihlerde şebekeye bağlı neredeyse tüm rüzgâr türbinleri tam olarak sabit hızda (senkron jeneratörler) veya sabit hızın birkaç yüzdesinde (indüksiyon jeneratörleri) çalışıyordu. 2011 itibarıyla birçok çalışan rüzgâr türbini sabit hızlı indüksiyon jeneratörleri (FSIG) kullanmaktadır. 2011 itibarıyla şebekeye bağlı yeni rüzgâr türbinlerinin çoğu değişken hızlı rüzgâr türbinleridir- bazısı da değişken hız yapılandırmasındadır.

İlk rüzgâr türbini kontrol sistemleri aynı zamanda maksimum güç noktası izleme olarak da adlandırılan en yüksek güç çekimi için tasarlanmıştı- bunlar mevcut rüzgâr koşulları altında belirli bir rüzgâr türbininden mümkün olan maksimum elektrik gücünü çekmeye çalışırlar..Daha yakın zamanlı rüzgâr türbini kontrol sistemleri aşağıdakileri içeren diğer faydaları sağlamak için çoğu durumda bilinçli olarak mümkün olandan daha az elektrik gücünü alır:

• dönüş gerektiğinde daha fazla güç üretmek için ertelenir- örneğin başka jeneratörün aniden şebekeden düştüğü durumlarda - mevcut rüzgâr koşullarının desteklediği maksimum güce kadar.
• Değişken hızlı rüzgâr türbinleri (çok kısaca), rüzgâr enerjisinin bir kısmını kinetik enerji olarak depolayarak (daha hızlı rüzgârın kısa rüzgârları sırasında hızlanarak) ve daha sonra bu kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek (yavaşlayarak) mevcut rüzgâr koşullarının destekleyebileceğinden daha fazla güç üretebilir. ya başka bir yerde daha fazla güce ihtiyaç duyulduğunda ya da rüzgârda kısa durgunluklar sırasında ya da her ikisi).
• şebekedeki sönümleme (elektrik) eşzamansız rezonanslar
• kuledeki mekanik rezonansları sönümleme

Rüzgâr türbinindeki jeneratör alternatif akım (AC) elektrik üretir. Bazı türbinler şebekenin frekansını ve fazını eşleştirmek için AC'yi redresörle doğru akıma (DC) ve ardından invertörle tekrar AC'ye dönüştüren bir AC/AC dönüştürücüyü çalıştırır. Ancak büyük modern türbinlerde en yaygın yöntem elektrik şebekesine doğrudan bağlı çift beslemeli bir endüksiyon jeneratörü kullanmaktır.

Sabit mıknatıslı senkron jeneratörü şebekeye bağlamak için kullanışlı bir teknik arka arkaya dönüştürücü kullanmaktır. Ayrıca şebekeye bağlantıda birlik güç faktörünü sağlamak için kontrol şemalarımız olabilir. Bu şekilde rüzgâr türbini endüksiyon makinelerini kullanan rüzgâr türbinlerinde en yaygın sorun olan reaktif gücü tüketmez. Bu, daha kararlı bir güç sistemine yol açar. Ayrıca farklı kontrol şemaları ile sabit mıknatıslı senkron jeneratörlü bir rüzgâr türbini reaktif güç sağlayabilir veya tüketebilir. Bu nedenle güç sistemlerinin kararlılığına yardımcı olmak için dinamik bir kapasitör/indüktör grubu olarak çalışabilir.

Şebeke Tarafı Denetleyici Tasarımı

Yukarıda birlik güç faktörüne ulaşmak için kontrol şeması verilmiştir:

Reaktif güç ayarlaması eşit güç faktörü ile çalışmayı sağlamak için (diğer deyişle Q_ızgara= 0) PI kontrolöründen oluşur. Kararlı durumda (I_dNref = 0) I_dN'in sıfıra ulaşacak şekilde ayarlanması gereklidir.

Şebeke tarafı dönüştürücünün ve kademeli PI kontrolör döngülerinin tam sistemini sağdaki şekilde görebiliriz.

İnşaat

Rüzgâr türbini kullanımı arttıkça bu türbinlerin planlanmasına ve inşasına yardımcı olan şirketler de artmaktadır. Çoğu zaman türbin parçaları deniz veya demiryolu ile ve daha sonra kamyonla kurulum sahasına gönderilir. İlgili bileşenlerin büyük boyutlu olduğundan şirketlerin genellikle nakliye izinleri almaları ve seçilen kamyon yolunun üst geçitler, köprüler ve dar yollar gibi olası engellerden arındırılmış olmalarını sağlamaları gerekir. "Keşif ekipleri" olarak bilinen bu gruplar sorunlu yolları belirleyecek gerekirse ağaçları kestirecek ve elektrik direklerinin yerini değiştirmek için bir yıl öncesine kadar keşif yapacaklardır. Türbin kanatları boyut olarak artmaya devam etmekte bazen daha önce kullanılan yollar daha büyük bir kanada izin vermeyebileceğinden bazen yeni lojistik planları gerektirmektedir. Schnabel römorkları olarak bilinen özel araçlar türbin bölümlerini yüklemek ve taşımak için özel olarak tasarlanmıştır: kule bölümleri vinç olmadan yüklenebilir ve römorkun arka ucu yönlendirilebilir böylece daha kolay manevra yapılır. Sürücüler özel olarak eğitilmelidir.

Temeller

Rüzgâr türbininin temelleri

Doğaları gereği rüzgâr türbinleri çok uzun ince yapılardır bu temellerin yapısal tasarımı düşünüldüğünde bir takım sorunlara neden olabilir. Geleneksel bir mühendislik yapısının temelleri esas olarak dikey yükü (ölü ağırlık) zemine aktarmak için tasarlanır bu genellikle nispeten karmaşık olmayan bir düzenlemenin kullanılmasına imkan verir. Bununla birlikte rüzgâr türbinlerinde rüzgârın kulenin tepesindeki rotorla etkileşiminin kuvveti rüzgâr türbininin devrilmesi için güçlü bir eğilim yaratır. Bu yükleme rejimi rüzgâr türbininin temellerine büyük moment yükleri uygulanmasına neden olur. Sonuç olarak temelin bu devrilme eğilimine direnmesini sağlamak için temeller tasarlanırken büyük dikkat gösterilmelidir.

Açık deniz rüzgâr türbinleri için en yaygın temellerden birisi kazık çapının 5-6 katı derinliğe kadar deniz tabanına çakılan tek büyük çaplı (4 - 6 metre) çelik boru şeklindeki çelik kazıklı monopildir. Toprağın yapışması ve kazıkla toprak arasındaki sürtünme rüzgâr türbini için gerekli yapısal desteği sağlar.

Karadaki türbinlerinde en yaygın temel türü türbin yüklerine dayanması için geniş bir alana yayılan büyük beton kütlesinin kullanıldığı yerçekimi temelidir. Rüzgâr türbini boyutu ve tipi sahadaki rüzgâr ve toprak koşulları temelin tasarımında belirleyici faktörlerdir.

Maliyetler

Liftra Blade Dragon rüzgâr türbin göbeğine kanat takıyor.

Modern rüzgâr türbini karmaşık ve bütün bir sistemdir. Maliyetin ve ağırlığın çoğunluğunu yapısal elemanlar oluşturur. Yapının tüm parçaları değişken yük ve çevre koşulları altında ucuz, hafif, dayanıklı ve üretilebilir olmalıdır. Daha az arızalı, daha az bakım gerektiren türbin sistemleri daha hafiftir ve daha uzun ömürlü olmaları rüzgâr enerjisi maliyetini düşürür.

Bunu başarmanın bir yolu Atkinson Sürdürülebilir Gelecek Merkezi tarafından desteklenen üniversiteler, sanayi ve hükûmetten kurulu araştırma koalisyonunun 2011 raporuna göre iyi belgelenmiş, onaylı analiz kodlarını uygulamaktır.

Modern türbinin ana parçalarının maliyet yüzdeleri (toplamdaki yüzdeleri) şöyle olabilir: kule % 22, kanatlar % 18, şanzıman % 14, jeneratör % 8.

Tasarım özellikleri

Rüzgâr türbini için tasarım özellikleri güç eğrisini ve garantili kullanılabilirliliği kapsar. Rüzgâr kaynağı değerlendirmesinden sağlanan verilerle ticari uygulanabilirliği hesaplamak mümkündür. Tipik çalışma sıcaklık aralığı -20 ila 40 °C (-4 ila 104 °F) arasındadır. Aşırı iklim koşulları olan bölgelerde (İç Moğolistan veya Rajasthan gibi) belirli soğuk ve sıcak hava uyarlamaları gereklidir.

Rüzgâr türbinleri IEC 61400 standartlarına göre tasarlanıp doğrulanabilir.

RDS-PP (Enerji Santralleri için Referans Tanımlama Sistemi) rüzgâr türbini bileşenlerinin yapılandırılmış hiyerarşisini oluşturmak için dünyada çok kullanılan standart bir sistemdir. Bu, türbin bakım ve işletme maliyetini hesaplamayı kolaylaştırır ve türbin yapımının tüm aşamalarında kullanılır.

Düşük sıcaklık

Kamu-ölçeğindeki rüzgâr türbini jeneratörlerinin -20 C aşağısı sıcaklıklarda çalışan alanlarda uygulanan minimum sıcaklık çalışma sınırları vardır. Rüzgâr türbinleri buz birikimine karşı korunmalıdır. Anemometre hatalı okuyabilir ve bazı türbin kontrol tasarımlarında aşırı yapı yüklerine ve hasara neden olabilir. Bazı türbin üreticileri dahili ısıtıcılar, farklı yağlayıcılar ve yapısal elemanlar için farklı alaşımlar içeren, yüzde birkaç ek maliyetle düşük sıcaklık paketleri sunar. Düşük sıcaklık aralığı düşük rüzgâr koşuluyla birleştirilirse rüzgâr türbini dahili ısıtma için nominal gücünün yüzde birkaçına eşdeğer harici bir güç kaynağına gerek duyar. Örneğin Kanada Manitoba'daki St. Leon Rüzgâr Çiftliği'nin toplam puanı 99 MW dır ve -30 C aşağısındaki sıcaklıklar için yılda birkaç gün istasyon hizmet gücünün 3 MW kadarına (kapasitenin yaklaşık % 3'ü) gerek duyacağı tahmin edilmektedir. Bu faktör soğuk iklimlerde rüzgâr türbini işletiminin ekonomisini etkiler.

Ayrıca bakınız

• Fırçasız sargı rotor iki kat beslemeli elektrikli makinesi
• Yüzen rüzgâr türbini
• Dikey eksenli rüzgâr türbini
• Rüzgar türbini aerodinamiği
• Yenilenebilir enerjide bakır, bölüm Rüzgâr
• Alışılmadık rüzgâr türbinleri

Konuyla ilgili yayınlar

• Robert Gasch, Jochen Twele (ed.), Wind power plants. Fundamentals, design, construction and operation, Springer 2012 978-3-642-22937-4
• Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm, and Business. second. Chelsea Green Publishing Company. 2004. ISBN 978-1-931498-14-2.  Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm, and Business. second. Chelsea Green Publishing Company. 2004. ISBN 978-1-931498-14-2.  Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm, and Business. second. Chelsea Green Publishing Company. 2004. ISBN 978-1-931498-14-2. 
• Erich Hau, Wind turbines: fundamentals, technologies, application, economics Springer, 2013 978-3-642-27150-2 (Google Kitaplar'da önizleme)
• Siegfried Heier, Grid integration of wind energy conversion systems Wiley 2006, 978-0-470-86899-7
• Peter Jamieson, Innovation in Wind Turbine Design. Wiley & Sons . Wiley & Sons 2011, 978-0-470-69981-2
• David Spera (ed,) Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, İkinci Baskı (2009), ASME Press, 9780791802601
• Alois Schaffarczyk (ed.), Understanding wind power technology, Wiley & Sons 2014, 978-1-118-64751-6
• Wind Power Generation and Wind Turbine Design. WIT Press. 2010. ISBN 978-1-84564-205-1.  Wind Power Generation and Wind Turbine Design. WIT Press. 2010. ISBN 978-1-84564-205-1.  Wind Power Generation and Wind Turbine Design. WIT Press. 2010. ISBN 978-1-84564-205-1. 
• Hermann-Josef Wagner, Jyotirmay Mathur, Introduction to wind energy systems. Basics, technology and operation. Springer 2013, 978-3-642-32975-3

Dış bağlantılar

• Açık Deniz Rüzgâr Türbinleri - Türbinlerin Kurulumu ve İşletilmesi 1 Ağustos 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Enerji Bölümü - Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji28 Ocak 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• RenewableUK - Rüzgâr Enerjisi Referansı ve SSS
• Rüzgâr türbini nasıl yapılır 11 Ağustos 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.