Cam Takviyeli Plastiklerin (CTP) Rüzgâr Enerjisi Alanındaki Uygulamaları

  • Makale
  • Ziyaret: 2160
  • rüzgar, plastik, makine, cam
  • Son Güncelleme: 22-04-2015
  •  
    Share on Tumblr       

Dr. Cenk Sevim / Enerji Uzmanı - Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi Üyesi


Teknolojik arayışlar her geçen gün malzeme biliminin öne­mini gittikçe arttırmaktadır. Rüzgâr enerjisi sektöründe de yeni teknolojik arayışlar içerisinde mutlaka malzeme bili­minin gereklerinin ön plana alınması bir zorunluluk hali­ne gelmiştir.


Rüzgâr türbinlerinin kanat ve nasel bölümlerinde polime­rik kompozit yapılar kullanılmaktadır. Nasel bölümlerinde ağırlık olarak cam elyafıpolyester yapılar kullanılırken, ka­nat bölümlerinde camelyafı epoksi yapılar kullanılmakta­dır.


Rüzgâr türbin kanatlarının üretiminde günümüzde el ya­tırması ve infüzyon tekniği olmak üzere iki teknik kullanıl­maktadır. MW sınıfı rüzgâr türbinlerine artan taleple birlik­te 2000’li yılların başından itibaren infüzyon yöntemi daha yaygın kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca boyutları büyüyen rüzgâr türbin kanatlarının mekanik dayanımlarını yükselti­ci karbon/cam elyafı hibrid kompozitler, sandviç yapı kulla­nımı gibi yeni uygulamalar gerçekleştirilmeye başlanmıştır.


Rüzgâr türbinlerinde enerji dönüşüm zincirinin ilk halkası rotor pervanesidir ve sistemden elde edilebilecek gücü di­rekt olarak etkileyen bir parametredir. Rüzgâr türbinlerin­de kanat boyu arttıkça üretilen güç de artmaktadır (Tab­lo 1).

Rüzgâr enerjisi sektöründeki talebin karşılanabilmesi için rüzgâr türbinlerindeki teknolojik gelişmeler her geçen yıl artarak devam etmektedir. Bu teknolojik gelişmeler so­nucunda türbin boyutları ve enerji üretim kapasitelerinde ki artışlar, günümüzde artık 7-8 MW güce sahip rüzgâr türbinlerinin üretilebilirliliğini sağlamıştır. Bu ölçekteki rüzgâr türbinlerinin işletilebilmesi için 60-65 metre ara­sındaki rüzgâr türbin kanatları üretilmeye ve kullanılmaya başlamıştır. Bu ölçekteki rüzgâr türbin kanatları çok bü­yük dinamik yüklere maruz kalmaktadır, ortaya çıkan bu yükleri belli oranda optimize etmenin yollarından bir ta­nesi de kanatların ağırlık/mukavemet oranlarını artırmak başka bir ifadeyle rüzgâr türbin kanatlarında daha hafif ve mukavemet değeri yüksek malzemelerin kullanılmasıdır.

Rüzgâr türbin kanatlarının üretiminde de günümüzde en önemli konuların başında, kullanılacak olan malzemenin doğru olarak seçilip, tüm rüzgâr türbin sistemi içerisinde değerlendirilmesidir. Günümüzde rüzgâr türbin kanatları­nın üretiminde ağırlıklı olarak epoksi-cam elyafından olu­şan kompozit yapılar kullanılmakla birlikte yeni tür malze­meler içinde araştırma ve geliştirme faaliyetleri devam et­mektedir.


Kullanılan matris malzemesine göre kompozit malzeme­ler, yüksek rijitlik ve mukavemetleri, mükemmel yorulma ömürleri, yüksek korozyon ve erozyon dirençleri nedeniyle tercih sebebidir. Son 30 yılda reçine ve fiber teknolojisinde büyük gelişmeler sağlanarak geliştirilen kompozit malze­melerde, konvansiyonel malzemelerin elastisite modülleri­ne ulaşılmıştır. Kompozit malzemelerin mukavemet ağırlık oranın yüksek olması, üretim kolaylığı, bakım maliyetinin düşük ve mekanik özelliklerinin iyi olması nedeniyle rüzgâr türbin kanatlarının tasarımında ve uygulanmasında büyük avantaj sağlamaktadır.


Büyük ölçekli rüzgâr türbin kanatlarının üretiminde günü­müzde polimer matriks olarak epoksi reçine ve takviye mal­zemesi olarak da çok yönlü dokunmuş cam elyafı kullanıl­maktadır.


Epoksi reçinelerin hacimsel çekme (%1-3 arasındadır) ve boyutsal stabilite değerleri, diğer termoset reçinelerden daha iyi olduğu için amin esaslı sertleştirici sistemleri ile birlikte büyük ölçekli rüzgar türbin kanatlarının üretimin­de tercih edilmektedir. Rüzgâr türbin kanatları üretiminde çoğunlukla E camından üretilmiş cam elyafı ile dokunmuş çok yönlü kumaşlar tercih edilmektedir. Bir kumaşın me­kanik özellikleri dokunma tarzından büyük ölçüde etkilen­mektedir. Bu sebeple rüzgâr türbin kanatlarının tasarımın­da öncelikle aerodinamik yapı üzerindeki kuvvet dağılımı hesaplanmakta ve daha sonra söz konusu dağılıma uygun dokumayı içeren kumaşlar seçilmektedir.


 

 

Rüzgâr türbin kanatlarında homojen bir kuvvet dağılımı ve yüksek mekanik mukavemet değerlerinin sağlanabilmesi için sandviç yapılardan yararlanılmakta ve ağırlıkla PVC kö­pük ve balsa ağacı kullanılmaktadır. Sandviç yapı kullanı­larak %3 oranında bir ağırlık artışı ile ürünün eğilme daya­nım değerinin 3,5 kat artması sağlanabilmektedir.

Günümüzde hâlihazırda ifade edilen malzemeler kullanı­lırken, özellikle 5 MW ve üzerindeki rüzgâr türbin kanat­ları ile ilgili malzeme geliştirme konusunda araştırmalar ve denemeler yapılmaya devam etmektedir. Bu çalışmalardan bazıları aşağıda ifade edilmiştir;

 

• Epoksi-karbon/cam elyafı hibrid sistemler

• Epoksi-cam elyafı ve metal kompozit hibrid sistemler

Rüzgâr türbin kanatlarının üretiminde günümüzde kulla­nılan metot vakum infüzyon yönetimidir. Söz konusu yön­tem 2000 yılından


itibaren kanat üretiminde kullanılma­ya başlanmıştır. Söz konusu yöntemin uygulanması sırasın­da takviye malzemesi olarak kullanılan cam kumaşı ve ara malzemeler (balsa, PVC köpük) reçineyle ıslatmaksızın kuru bir şekilde epoksi kalıp üzerine yerleştirilir. Daha sonra ka­lıp plastik bir folyo veya film ile kaplanıp vakum işlemine tabi tutulur ve sıvı reçine ortam ile kalıp içindeki basınç farkından yararlanarak kalıp dışından kalıp içine transfer edilir.

Böylece cam kumaşının ve ara malzemelerin homo­jen bir şekilde reçine tarafından ıslatılması sağlanır. Reçine transfer işlemi tamamlanıncaya kadar kalıp vakum altında tutulmaya devam edilir. Daha sonra kürleme işlemi gerçek­leştirilir. Yöntemin uygulamasında genel olarak epoksi ka­lıplar tercih edilmektedir. Bu yöntem sayesinde daha stabil ve yüksek mekanik mukavemet değerine sahip ürünler elde edilmeye başlanmıştır ki büyük ölçekli rüzgar türbin kanat­ları için boyutsal stabilite ve yüksek mekanik mukavemet değerleri oldukça önemlidir.

Vakum infüzyon yönteminin el yatırması yöntemine göre bazı avantajları bulunmaktadır. Bunlar:

 

• Vakum infüzyon yöntemi ile reçine takviye malzeme­sinin içine el yatırması yöntemine göre daha homojen bir şekilde transfer edilir.

• Kürleme işlemi kapalı bir sistem içinde gerçekleştiği için kimyasal reaksiyon sırasında ortaya çıkan zararlı kimyasallar üretim ortamına yayılmaz.


Rüzgâr türbin kanatları üretiminde, kalıplama işlemi ta­mamlandıktan sonra kompozit yapıyı dış etkenlerden (UV, yağmur, nem vb.) korumak amacıyla kanat yüzeyine koru­yucu kaplama işlemi uygulanır. Bu işlem için genel olarak poliüretan esaslı jelkot ve boyalar tercih edilir. Kaplama iş­lemi sprey yöntemi ile yüzeye uygulanır. Özellikle büyük ölçekli rüzgâr türbin kanatlarında kullanılan boyalarda pü­rüzsüzlük/parlaklık oranı en önemli parametrelerinin başın­da olup optimize edilerek kullanılmaktadır. Kanat yüzeyle­rinde pürüzsüzlük arttıkça sistemden elde edilecek aerodi­namik verimde artış olmaktadır. Ancak, pürüzsüzlük para­metresi belli bir oranın üzerine çıktığında kanat yüzeyleri­nin parlaklık oranları artmaktadır. MW sınıfı rüzgâr türbin­lerinin 90-150 metre arasında bir yüksekliğe monte edil­dikleri düşünüldüğünde yüksek parlaklık düzeyi hava trafi­ğini olumsuz olarak etkileyebilmektedir. Bu sebeple kanat yüzeylerinde kullanılan boyalar belirli bir pürüzsüzlük/par­laklık oran aralığı içinde kullanılmaktadır.


Rüzgâr türbin sistemleri artık araştırma-geliştirme aşama­sını tamamlamış ve öğrenme-deneyim eğrilerinin (%92-95) hemen hemen en üst noktasına gelmiş ürünlerdir. Bu nok­tadan sonra rüzgâr türbinlerinin kanat bölümleri için ya­pılan iyileştirmeler kompozit malzeme teknolojisi üzerinde yoğunlaştırılarak dayanım/ağırlık oranı parametresinin art­tırılmasına yönelik olarak devam etmektedir.

Kaynakça

C. Sevim, C.Varlıklı, Solar and Environmental Degradation Effect on Tensile Strength and Glass Transition Temperature of Glass Fibre Reinforced Plastic Laminates, Polymers & Polymer Composites, Volume (issue)18(6):345-350 pp., 2010.

C. Atas, C. Sevim, On The Impact Response of Sandwich Composites with Cores of Balsa Wood and PVC Foam,

Composite Structures, Volume 93: 40-48 pp., 2010.

C. Sevim, Wind Energy Market and Methodology of Rotor Blade Production, 9th World Wind Energy Conference and Exhibition (WWEC 2010), İstanbul, Türkiye, June 2010.

C. Sevim, Türkiyede Rüzgâr Enerjisi Ve Kompozit Teknolojisi, Uluslararası Katılımlı Polimerik Kompozitler Sempozyumu, s.269-271 İzmir, Türkiye, Kasım 2008.

C. Sevim, Rüzgâr Türbin Kanatlarının Üretimi, 1. Polimerik Kompozitler Sempozyumu ve Sergisi, s.673-687, İzmir, Türkiye, Kasım 2006. C.Sevim, Türkiyede Rüzgâr Enerjisi ve Kompozit Teknolojisi, Yeni Enerji Dergisi, sayı 9, s.24-28, 2009.