Rotor kanatları, bir rüzgar türbininin temel bileşenleri arasındadır. 70 metreye kadar uzunlukları ve 15 ila 20 ton ağırlıkları vardır. Gelecekte rüzgar türbinlerini daha verimli çalıştırabilmek ve rüzgarın daha az yoğun olduğu lokasyonlarda kullanabilmek için daha da büyük ve aynı zamanda daha hafif kanatlara ihtiyaç duyulmaktadır. Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR), bunun nasıl başarılabileceğini ve bunun hangi teknik zorlukları gerektirdiğini araştırmak için araştırma ve endüstriden ortaklarla birlikte çalışıyor.
Eşsiz: Rüzgar Enerjisi Araştırma Parkı’nda gerçek ölçekte bilim
Şu anda Krummendeich’te kurulmakta olan DLR rüzgar enerjisi araştırma parkı WiValdi (Rüzgar Doğrulaması) benzersiz bir fırsat sunuyor: Mart ve Nisan 2022’de birkaç hafta boyunca iki DLR enstitüsünden bilim adamları aeroelastiklik ve hafif kompozit yapı ve adaptronik için Leibniz Universität Hannover’e ait Rüzgar enerjisi araştırma Merkezi ForWind ile araştırma parkının iki rüzgar türbini için altı rotor kanadı üretimine eşlik etti: Endüstriyel ortak Enercon’un Portekiz fabrikasında, 30 kişilik ekip rotor kanatlarını yaklaşık 1.500 sensörle donattı. Son teknoloji ürünü ölçüm teknolojisi artık bıçak ucundan bıçak köküne kadar mevcuttur. Bu, ilk kez bir rüzgar türbininin titreşim ve yük davranışının yanı sıra aerodinamiği ve statiğinin gerçek ölçekte ve pratik kullanımda bilimsel olarak incelenmesini mümkün kılar.
Bilgi toplama: Rotor kanatlarının “sinir sistemi” olarak sensörler
“Büyük ve hafif yapraklarınız olduğunda, çok esnek ve esnek hale gelirler. Rüzgar yükü altında bükülürler. Bu, dikkatle incelenmesi gereken yeni teknik zorlukları beraberinde getiriyor” diye açıklıyor Dr.-Ing. DLR Aeroelastisite Enstitüsü’nden Yves Govers ve enstrümantasyon çalışma paketi başkanı. Araştırma parkındaki iki rüzgar türbininin rotor kanatları 57 metre uzunluğunda ve birkaç metre bükülebiliyor.
“Sensörleri insan sinir sistemi gibi düşünebilirsiniz. DLR araştırmacısı Govers, bilgi topluyor, izliyor ve bir sorunun nerede ortaya çıkabileceğini gösteriyor” diye açıklıyor. Elektrikli ve optik sensörler rotor kanatlarının içine yerleştirilmiştir. Örneğin, kanatların farklı noktalarında ivmeyi ölçerler ve böylece titreşim davranışı hakkında açıklamalar yapılmasını sağlarlar. Lazer teknolojisi kullanan fiber optik gerinim sensörleri, malzemeye etki eden gerilimleri kaydeder. Bir piezoelektrik transdüser ağı, ultrasonik sinyalleri alır ve iletir ve doğrudan rotor kanadındaki hasarı tespit edebilir. Rüzgar türbinlerinin yakınındaki diğer kameralar, rotor kanatlarına dışarıdan bakar. Ölçümleri için bir referans olarak yaprakların çeşitli bölümlerine bir nokta deseni boyanır.
Titreşimler, malzeme gerilimi, kararlılık: daha iyi simülasyon ve tasarım için kapsamlı veriler
Kanatlar uzar ve türbinler büyürse, yeni etkiler ortaya çıkar: Örneğin, rotor kanatlarının titreşimleri birbirini güçlendirebilir ve türbinin kararlılığını etkileyebilir. “Şimdiye kadar, titreşim davranışı ve dolayısıyla malzeme gerilimi de çalışma sırasında hemen hemen kaydedilemezdi. Burada kapsamlı sensör teknolojimizle değerli veriler toplayabileceğiz ve simülasyonları daha da iyileştirebileceğiz. Bu bilgi, araştırma ve endüstrinin daha doğru tahminler yapmasına ve daha da hafif ve daha istikrarlı bir yapı oluşturmasına yardımcı oluyor” diye açıklıyor Govers. Rotor kanatları zaten hafif yapıyı sağlamlıkla birleştiriyor. Birbirine yapıştırılmış, içleri büyük ölçüde oyuk olan ve ağlarla birbirine bağlanan iki kabuktan oluşurlar. Sandviç malzemeler kullanılır: Üstte ve altta cam elyaf takviyeli ileri teknoloji plastiklerden, aralarda plastik köpük veya çok hafif balsa ağacından oluşan bir örtü tabakası vardır.
Kontrol teknolojisi: Yüksek verimlilik ve uzun hizmet ömrü için optimum kontrol sistemleri
Yük altında, rotor kanadı sadece eğilmez, aynı zamanda bükülür. Yaprakların içindeki sensörler de bunu kaydediyor. Bu veriler, rüzgar türbinlerini daha verimli ve daha uzun süre çalıştırmak için kontrol etmeye yönelik yeni yaklaşımlar geliştirmeye yardımcı olabilir. DLR, sistemlerin yüke uyarlanabilir kontrolü için konseptler üzerinde çalışıyor: Bir ani rüzgar gelirse, kanat kökündeki özel motorlar rotor kanadını rüzgardan uzaklaştırır. Böylece rüzgarın bıçağa çarpma açısını azaltır ve stresi azaltırsınız. Rüzgar türbinlerinin çevresindeki sensörler ile bağlantılı olarak, çok kısa sürede yerel hava koşullarına esnek bir şekilde tepki vermek mümkün olmalıdır.
DLR araştırma parkında olduğu gibi arka arkaya duran iki rüzgar türbini de kontrol teknolojisi için bir meydan okumadır. Yves Govers bunun nedenini şöyle açıklıyor: “İkinci sistem birinciyi takip ediyor. Bu, türbülanslı havayı ilk sistemden aldığı anlamına gelir. Bu nedenle, mümkün olduğu kadar çok elektrik üretebilmesi ve malzeme dostu bir şekilde çalıştırılabilmesi için ikinci sistemin nasıl kontrol edilmesi gerektiğini öğrenmek istiyoruz.” Burada da araştırmacılar büyük miktarda çok sayıda sensörden gelen veriler.Bu tür yeni kontrol konseptlerine olan talep çok büyük.Çünkü bugün bile bazen rüzgar santrallerinde birbirine o kadar yakın olan yüzden fazla türbin var ki hepsi birbirini etkiliyor.
Eğilme ve sallanma – pratik kullanımdan önce yoğun testler
2022 Mayıs ayının ortalarında Portekiz’den Almanya’ya yaptıkları yolculuktan sonra, altı rotor kanadının önünde hâlâ başka bir istasyon var. Krummendeich’deki araştırma parkında toplanmadan önce, iki aylığına Bremerhaven’da mola veriyorlar. Fraunhofer Rüzgar Enerjisi Sistemleri Enstitüsündeki (IWES) test tezgahlarında yoğun testlere tabi tutulurlar. Bunu yapmak için ekip, rotor kanatlarını lastik halatlarla bir vince asıyor ve titreştirmelerini sağlıyor. Bunun temel amacı, birçok sensörü kurmak ve test etmektir. İkinci bir büyük testte, araştırmacılar bıçakları bir test standına monte eder ve statiği, deformasyonu ve iç yükleri test etmek için bıçakları çeker. Bu testler tamamlandıktan sonra, yüksek teknolojili rotor kanatlarının montajının 2022 sonbaharında yapılması planlanıyor.
Eşsiz: Rüzgar Enerjisi Araştırma Parkı’nda gerçek ölçekte bilim
Şu anda Krummendeich’te kurulmakta olan DLR rüzgar enerjisi araştırma parkı WiValdi (Rüzgar Doğrulaması) benzersiz bir fırsat sunuyor: Mart ve Nisan 2022’de birkaç hafta boyunca iki DLR enstitüsünden bilim adamları aeroelastiklik ve hafif kompozit yapı ve adaptronik için Leibniz Universität Hannover’e ait Rüzgar enerjisi araştırma Merkezi ForWind ile araştırma parkının iki rüzgar türbini için altı rotor kanadı üretimine eşlik etti: Endüstriyel ortak Enercon’un Portekiz fabrikasında, 30 kişilik ekip rotor kanatlarını yaklaşık 1.500 sensörle donattı. Son teknoloji ürünü ölçüm teknolojisi artık bıçak ucundan bıçak köküne kadar mevcuttur. Bu, ilk kez bir rüzgar türbininin titreşim ve yük davranışının yanı sıra aerodinamiği ve statiğinin gerçek ölçekte ve pratik kullanımda bilimsel olarak incelenmesini mümkün kılar.
Bilgi toplama: Rotor kanatlarının “sinir sistemi” olarak sensörler
“Büyük ve hafif yapraklarınız olduğunda, çok esnek ve esnek hale gelirler. Rüzgar yükü altında bükülürler. Bu, dikkatle incelenmesi gereken yeni teknik zorlukları beraberinde getiriyor” diye açıklıyor Dr.-Ing. DLR Aeroelastisite Enstitüsü’nden Yves Govers ve enstrümantasyon çalışma paketi başkanı. Araştırma parkındaki iki rüzgar türbininin rotor kanatları 57 metre uzunluğunda ve birkaç metre bükülebiliyor.
“Sensörleri insan sinir sistemi gibi düşünebilirsiniz. DLR araştırmacısı Govers, bilgi topluyor, izliyor ve bir sorunun nerede ortaya çıkabileceğini gösteriyor” diye açıklıyor. Elektrikli ve optik sensörler rotor kanatlarının içine yerleştirilmiştir. Örneğin, kanatların farklı noktalarında ivmeyi ölçerler ve böylece titreşim davranışı hakkında açıklamalar yapılmasını sağlarlar. Lazer teknolojisi kullanan fiber optik gerinim sensörleri, malzemeye etki eden gerilimleri kaydeder. Bir piezoelektrik transdüser ağı, ultrasonik sinyalleri alır ve iletir ve doğrudan rotor kanadındaki hasarı tespit edebilir. Rüzgar türbinlerinin yakınındaki diğer kameralar, rotor kanatlarına dışarıdan bakar. Ölçümleri için bir referans olarak yaprakların çeşitli bölümlerine bir nokta deseni boyanır.
Titreşimler, malzeme gerilimi, kararlılık: daha iyi simülasyon ve tasarım için kapsamlı veriler
Kanatlar uzar ve türbinler büyürse, yeni etkiler ortaya çıkar: Örneğin, rotor kanatlarının titreşimleri birbirini güçlendirebilir ve türbinin kararlılığını etkileyebilir. “Şimdiye kadar, titreşim davranışı ve dolayısıyla malzeme gerilimi de çalışma sırasında hemen hemen kaydedilemezdi. Burada kapsamlı sensör teknolojimizle değerli veriler toplayabileceğiz ve simülasyonları daha da iyileştirebileceğiz. Bu bilgi, araştırma ve endüstrinin daha doğru tahminler yapmasına ve daha da hafif ve daha istikrarlı bir yapı oluşturmasına yardımcı oluyor” diye açıklıyor Govers. Rotor kanatları zaten hafif yapıyı sağlamlıkla birleştiriyor. Birbirine yapıştırılmış, içleri büyük ölçüde oyuk olan ve ağlarla birbirine bağlanan iki kabuktan oluşurlar. Sandviç malzemeler kullanılır: Üstte ve altta cam elyaf takviyeli ileri teknoloji plastiklerden, aralarda plastik köpük veya çok hafif balsa ağacından oluşan bir örtü tabakası vardır.
Kontrol teknolojisi: Yüksek verimlilik ve uzun hizmet ömrü için optimum kontrol sistemleri
Yük altında, rotor kanadı sadece eğilmez, aynı zamanda bükülür. Yaprakların içindeki sensörler de bunu kaydediyor. Bu veriler, rüzgar türbinlerini daha verimli ve daha uzun süre çalıştırmak için kontrol etmeye yönelik yeni yaklaşımlar geliştirmeye yardımcı olabilir. DLR, sistemlerin yüke uyarlanabilir kontrolü için konseptler üzerinde çalışıyor: Bir ani rüzgar gelirse, kanat kökündeki özel motorlar rotor kanadını rüzgardan uzaklaştırır. Böylece rüzgarın bıçağa çarpma açısını azaltır ve stresi azaltırsınız. Rüzgar türbinlerinin çevresindeki sensörler ile bağlantılı olarak, çok kısa sürede yerel hava koşullarına esnek bir şekilde tepki vermek mümkün olmalıdır.
DLR araştırma parkında olduğu gibi arka arkaya duran iki rüzgar türbini de kontrol teknolojisi için bir meydan okumadır. Yves Govers bunun nedenini şöyle açıklıyor: “İkinci sistem birinciyi takip ediyor. Bu, türbülanslı havayı ilk sistemden aldığı anlamına gelir. Bu nedenle, mümkün olduğu kadar çok elektrik üretebilmesi ve malzeme dostu bir şekilde çalıştırılabilmesi için ikinci sistemin nasıl kontrol edilmesi gerektiğini öğrenmek istiyoruz.” Burada da araştırmacılar büyük miktarda çok sayıda sensörden gelen veriler.Bu tür yeni kontrol konseptlerine olan talep çok büyük.Çünkü bugün bile bazen rüzgar santrallerinde birbirine o kadar yakın olan yüzden fazla türbin var ki hepsi birbirini etkiliyor.
Eğilme ve sallanma – pratik kullanımdan önce yoğun testler
2022 Mayıs ayının ortalarında Portekiz’den Almanya’ya yaptıkları yolculuktan sonra, altı rotor kanadının önünde hâlâ başka bir istasyon var. Krummendeich’deki araştırma parkında toplanmadan önce, iki aylığına Bremerhaven’da mola veriyorlar. Fraunhofer Rüzgar Enerjisi Sistemleri Enstitüsündeki (IWES) test tezgahlarında yoğun testlere tabi tutulurlar. Bunu yapmak için ekip, rotor kanatlarını lastik halatlarla bir vince asıyor ve titreştirmelerini sağlıyor. Bunun temel amacı, birçok sensörü kurmak ve test etmektir. İkinci bir büyük testte, araştırmacılar bıçakları bir test standına monte eder ve statiği, deformasyonu ve iç yükleri test etmek için bıçakları çeker. Bu testler tamamlandıktan sonra, yüksek teknolojili rotor kanatlarının montajının 2022 sonbaharında yapılması planlanıyor.