Rüzgar türbini kanatlarında yıldırım hasarlarının üretime etkisi ve yıldırımdan korunma
Power generation effect of lightning damages on wind turbine blades and lightning protection
Yazar: ÇAĞATAY BAHADIR
Danışman: PROF. DR. ÖNDER GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Fosil yakıt kaynaklarının sınırlı olmasının ve küresel iklim değişikliğinin etkisiyle, elektrik enerjisinin sürdürülebilir yöntemlerle üretimi her zamankinden daha önemli bir konu haline gelmiştir. Rüzgâr enerjisi santralleri, yenilenebilir enerji üretim tesisleri arasında büyük bir yer tutmaktadır. Bu durum rüzgâr enerjisi santrallerinin sadece inşasına değil, işletme ve bakım faaliyetlerine de önem verilmesi gerektiğini göstermektedir. Rüzgâr türbinleri açık alanlarda olduğu için yıldırım kaynaklı hasarlara açık durumdadır. Yıldırım olayı; çeşitli boyutlarda kanat hasarlarına, buna bağlı kısa ya da uzun süreli duruşlara, hatta kanadın kullanılamaz hale gelmesine sebebiyet verebilir.
Bu tez çalışmasında rüzgâr türbinleri hakkında genel bir bilgi verildikten sonra, rüzgâr türbinlerinin boyut ve güç olarak evrimine değinilmiş, bunların nasıl bir gelişim göstereceğinin beklendiğine dair projeksiyonlar ortaya konmuştur. Rüzgâr türbinleri dönüş eksenlerine göre 2 gruba ayrılmaktadır: Dikey eksenli rüzgâr türbinleri ve yatay eksenli rüzgâr türbinleri. Ticari olarak faaliyette olan rüzgâr türbinlerinin çok büyük bir kısmının yatay eksenli rüzgâr türbinleri olması sebebiyle tez çalışmasında bu türbin tipine odaklanılmış, verilen bilgiler ve yapılan hesaplamalar da yatay eksenli rüzgâr türbinlerine göre şekillenmiştir. Ayrıca Türkiye ve dünya ölçeğinde rüzgâr enerjisinin büyüyen önemine dikkat çekilmiş, önümüzdeki yıllarda bu önemin artarak devam edeceğine dair bulgular paylaşılmıştır. Rüzgâr enerjisine genel bakışın ardından rüzgâr türbinlerine dair önemli performans göstergeleri sunulmuş ve bu performans göstergelerinden olan kapasite faktörünün Türkiye geneli durumu ortaya konmuştur. Gerek rüzgâr türbinlerinin boyut ve güç olarak geçirdiği önemli gelişim, gerekse Türkiye ve dünya enerji piyasalarında rüzgâr enerjisinin büyüyen önemi, rüzgâr türbinlerine dair çözülmesi gereken birçok sorunun gündemde yer tutmaya devam edeceğini göstermektedir. Gerek kamuoyu gerekse politika yapıcılar açısından sürdürülebilir bir gelecek için kilit bir rol oynamasına kesin gözüyle bakılan rüzgâr enerjisinin gelişimine sorunsuz devam edebilmesi, sorunlara çözümler geliştirilmesi ve soru işaretlerinin giderilmesi ile mümkündür. Bu tez, rüzgâr türbinlerine dair en önemli sorunlardan birisi olan yıldırım hasarları ve yıldırımdan korunmaya odaklanmaktadır.
Yıldırım hasarları rüzgâr türbinlerindeki en önemli duruş sebepleri ve gider kalemlerinden birisidir. Ne zaman ne şekilde gerçekleşeceği tam olarak bilinemeyen, nereye isabet edeceği tam olarak tahmin edilemeyen ve önlenmesi mümkün olmayan bir doğa olayı olan yıldırımın oluşumu incelenmiş ve etkilerine ilişkin genel bilgi verildikten sonra Türkiye genelindeki yıldırım dağılımı ve rüzgâr enerjisi kurulu gücü ile ilişkisi ortaya konmuştur. Daha sonra yıldırımların rüzgâr türbinlerinde sebebiyet verdiği hasarlara ve tamir yöntemlerine yer verilmiştir.
Çalışmada rüzgâr türbin kanatlarında oluşan yıldırım kaynaklı hasarların sebep olduğu duruşlar, bunların yol açtığı üretim kayıpları ile bu üretim kayıplarının finansal etkisi incelenmiş ve yıldırım hasarlarını minimize etmek için uygulanabilecek yöntemler önerilmiştir. Hesaplamalarda bir rüzgâr enerjisi yatırımcısının sağladığı veriler kullanılarak; 2 kanadın sepetli platform kullanılarak demonte edilmeden kule üstü tamiri, 2 kanadın sökülerek vinçler yardımıyla yere indirilerek tamiri, 2 kanadın ise değişimine ilişkin gerçekleşmiş duruş süreleri ve toplamda ne kadarlık bir kapasite faktörü düşüşüne sebebiyet verdiği incelenerek, bunun finansal etkisine değinilmiştir. Baz alınan örneklerde; kule üstü yapılan tamir çalışmaları 41 gün ve 73 gün sürerken, yerde yapılan tamir çalışmaları 13 ve 27 gün sürmüştür. Kanat değişimleri incelendiğinde tedarik süreleri dahil 146 ve 168 günlük sürelerle önemli üretim kayıpları gözlemlenmiştir. Farklı operasyonlara gözlemlenen farklı duruş süreleri ve kayıp miktarı, her bir operasyonun kendine özgü koşullarda planlama ve değerlendirmeye tabi tutulması gerektiğini göstermektedir.
Vaka olarak incelenen rüzgâr türbini kanat çalışmalarının her biri için saha rüzgâr verileri alınmıştır. Rüzgâr türbinleri daha önceden operasyon halinde olduğu için, halihazırda var olan geçmişe dönük güç eğrisi mevcuttur. Sahadan alınan türbinin kendisine ait rüzgâr verisi, güç eğrisi ile işleme sokularak, türbin çalışıyor olsaydı ne kadarlık bir kapasite faktörü ile çalışıyor olabileceği ortaya konmuştur. Kullanılan verilerin ticari nitelik taşıması ve gizliliği sebebiyle, çalışmada türbinin üretim kaybı değil, kapasite faktörü kaybı paylaşılmıştır. Kayıp kapasite faktörü verisi kullanılarak, farklı türbin güçleri için ortaya çıkabilecek üretim kayıpları tespit edilmiştir. Belirlenen üretim kayıpları, belirlenen tarihlerde gerçekleşmiş elektrik enerjisi piyasa takas fiyatları ile işleme sokularak, kanatlarla ilgili çalışmaların nasıl bir finansal kayba yol açabileceği tespit edilmiş, planlamanın üretim kayıplarını minimize etme yönündeki önemine değinilmiştir.
Hasarları en aza indirmek, oluşan hasarların da boyutlarını minimize edebilmek için genel olarak uygulanan yıldırımdan korunma tedbirleri ele alınmış, yıldırımdan korunma yaklaşımlarıyla ilgili bilgiler sunulmuştur. Örnek olarak yıldırımdan korunmaya ilişkin çalışma sonuçları incelenmiş, alınan tedbirlerin hasarları minimize ettiği, standardın üzerine çıkan bir yıldırımdan korunma yaklaşımının rüzgâr türbinlerinde yıldırımdan korunmada önemi tespit edilmiştir. 
Bu bilgiler ışığında, türbin kanatlarının yerde ya da kule üstünde platform yardımıyla tamir edilmesi için geçen sürelerin hava koşullarının da etkisi ile değişkenlik gösterebileceği, aynı hava koşullarının ve rüzgâr hızının üretim kaybını etkileyeceği görülmektedir. Benzer durum kanat değişim operasyonlarında da etkili olmakla birlikte, tedarik süresi de bu operasyonlarda önemli bir unsur olarak öne çıkmaktadır. Sonuç olarak; tespit edilen üretim kayıplarının finansal etkileri analiz edilmiş, türbin tipine uygun yıldırımdan korunma tedbirlerinin alınması ile önemli kayıpların önüne geçilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. Bu tez çalışması, rüzgâr enerjisi sektöründe yıldırım kaynaklı karşılaşılan pratik zorluklara bir bakış açısı sunmaktadır.

Abstract:
Due to the finite nature of fossil fuel resources and the increasing impacts of global climate change, the imperative to generate electric energy through sustainable methods has never been more important. Among renewable energy sources, wind power holds a significant share, emphasizing the need to not only focus on new investments but also on the operational and maintenance aspects of wind power plants. The geographical placement of wind turbines in open areas exposes them to the risk of lightning damage, a factor that can have various consequences.
The susceptibility of wind turbines to lightning-induced damage brings a range of potential outcomes. Primarily, this manifests in damages to the turbine blades, varying in severity from minor damages to more significant structural issues. Such incidents can result in downtime of different durations, from brief interruptions to extended periods, impacting the overall operational efficiency of the wind power plant. In extreme cases, the aftermath may even lead to the complete loss of a turbine blade, requiring extensive repairs or replacements. This shows the critical need to implement robust strategies for mitigating the adverse effects of lightning strikes on wind turbines, ensuring their sustained functionality and longevity within the broader context of sustainable energy production.
The thesis provides general information about wind turbines and presents their evolution in terms of size and power. Besides, projections for the expected developments in wind turbine technology are presented. Wind turbines are categorized into two main groups based on their axis of rotation: vertical-axis wind turbines and horizontal-axis wind turbines. The thesis primarily concentrates on horizontal-axis wind turbines due to their prevalent use in commercial operations. Additionally, it emphasizes the increasing significance of wind energy globally and in Türkiye, supported by findings suggesting its sustained importance in the foreseeable future.
Following the overview of wind energy, the thesis presents key performance indicators for wind turbines, emphasizing the overall capacity factor of wind energy power plants across Türkiye. The ongoing importance of wind energy in both Turkish and global energy markets, coupled with the significant advancements in wind turbine size and power, underscores the existence of numerous challenges that need attention in the field. Both from public and the policymaker perspectives, wind energy is widely regarded as playing a provital role in achieving goals for a sustaibable future. This is only possible upon resolution of challenges and alleviation of uncertainties. This thesis specifically focuses on addressing one of the most critical issues associated with wind turbines, which is lightning damages and protection
Lightning-induced damages represent a major cause of turbine downtime, resulting in various sizes of blade damages, short or prolonged stops, and even rendering the blade unusable. The study examines the formation of lightning, provides general information about its effects, and highlights the correlation between lightning distribution in Türkiye and wind energy installed capacity. Subsequently, the damages caused by lightning to wind turbine blades and repair methods are discussed.
Within the scope of this thesis, pricing information for the utilized cranes and basket platforms has been obtained through market data. It is essential to note that prices for such equipment may fluctuate over time and can vary between different companies. The data presented here provides a general outlook based on the current market conditions, offering valuable insights into costs.  It demonstrates that long lasting blade operations may create significant additional expenses.
The study investigates the impact of lightning-induced damages on turbine downtime, generation losses, and their financial implications. Various repair methods, such as uptower repairs, downtower repairs, and complete blade replacement, are evaluated based on actual downtime durations and the resulting capacity factor effects, using field data provided by a wind energy investor. 2 uptower repairs, 2 downtower repairs, 2 blade replacements examined in terms of capacity factor loss and its financial impact. In the base examples; uptower repairs took 41 and 73 days, while downtower repairs took 13 and 27 days. Blade replacements took 146 and 168 days including the supply lead time, which led to significant generation losses.
For each wind turbine blade study examined as a case, a comprehensive collection of field wind data was used. Due to operational history of these wind turbines, there is an existing historical power curve. The study, in its analytical process, involves processing the turbine's wind data through the power curve to estimate the potential capacity factor that the turbine could achieve if it were in operation. Due to the sensitive and confidential nature of the data utilized, the study opts to share capacity factor loss data rather than specific generation loss data.
Using the capacity factor loss data, the study identifies potential generation losses for wind turbines with different rated powers. It is essential to note that the rated powers attributed to these turbines are purely fictive, representing hypothetical scenarios for analytical purposes. To assess the financial impact of these identified generation losses, the study employs actual electricity market trading prices on specific dates, namely, January 1, 2022, March 1, 2022, and June 1, 2022, chosen as the start dates for the downtimes. This approach provides a detailed understanding of the economic implications associated with the identified generation losses.
Overall, the study underscores the critical importance of strategic planning to minimize production losses, recognizing the financial impacts and emphasizing the need for proactive measures in the realm of wind turbine performance optimization.In the pursuit of mitigating damages caused by lightning and minimizing their impact on wind turbines, an examination of general lightning protection measures is undertaken. Studies in the field are presented to provide insights into the most effective strategies. The presentation of these studies serves as a testament to the evolving landscape of knowledge in lightning protection. Through these examples, it becomes evident that staying current with the latest advancements is essential in protecting wind turbines against potential damages induced by lightning strikes. The incorporation of findings from these studies highlights the dynamic nature of the field and underscores the significance of adopting state-of-the-art practices to enhance the resilience and overall protection of wind turbines in the face of lightning-related challenges.
As a result, it is seen that the time required to repair the turbine blades, whether downtower or uptower may vary due to the influence of weather conditions. Same conditions will affect the generation loss as well. Supply lead time also stands out as an important element in blade replacement operations in addition to weather conditions. In conclusion, the research evaluates the financial impacts of identified production losses and highlights the importance of implementing lightning protection measures suitable for turbine types to prevent significant losses. The study contributes valuable insights to the practical challenges faced in the wind energy sector.