Rüzgar türbinlerinin sismik ve rüzgar yükleri altındaki davranışı
Behavior of wind turbines under seismic and wind loads
Yazar: ELİF ALTUNSU
Danışman: DOÇ. DR. ALİ SARI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Dünyada birincil enerji kaynakları olarak fosil yakıtlar hala kullanılmaktadır. Fosil yakıtların geleceğe dair meydana getirdiği kaygılar, çevreye verdiği olumsuz ve geri dönüşümsüz zararlar yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimi arttırmıştır. Teknolojinin gelişmesiyle artan enerji tüketimi, Kyoto protokolünün gereklilikleri bu yönelimi desteklemiştir. Bugün tüm dünyada rüzgar ve güneş enerjisinin üretim payı önemli bir büyüme yaşamaktadır. Ülkemizin üç tarafının denizlerle kaplı ve yüksek rüzgar potansiyeline sahip olması rüzgar enerjisinden faydalanmayı kaçınılmaz hale getirmiştir. Türkiye'de son 10 yılda rüzgar endüstrisinde yaşanan gelişmeler sayesinde enerji ihtiyacının %7.9'unu rüzgar enerjisi karşılamaktadır. Gelecekte bu payın önemli ölçüde büyümesi planlanmaktadır. Açık deniz rüzgar türbinleri daha yüksek elektrik üretimiyle bu büyümeye destek çıkabilecektir. Öte yandan, açık deniz rüzgar türbinleri kara türbinlerine göre daha maliyetlidirler. Buna rağmen avantajları da önemli ölçüde fazladır. 

Rüzgar türbinlerinden istenilen verimin alınması için yüksek rüzgar hızlarına ve büyük rotor çaplarına ihtiyaç vardır. Rüzgar hızı genellikle yükseklik arttıkça artmaktadır. Çevresel bir koşul olan rüzgar hızına müdahale edilemezken rotor çapı büyütülebilir. Bu durumda daha büyük tepe noktası kütlesi oluşur ve kule yüksekliğinin de artması gerekir. Dolayısıyla sismik olarak aktif bölgeler için kule tabanında oluşan sismik talep artar. Tesadüf olarak Türkiye, güçlü rüzgar sahalarına sahip olmasının yanında aktif fay hatlarının bulunduğu bir kuşakta yer almaktadır. Yüksek rüzgar sahalarının bu fay hatları üzerinde yer alması ülkemizde yapılması planlanan türbinler için sismik analizi zorunlu kılmaktadır. Bu amaçla 5 MW ölçekli yatay eksenli çelik bir rüzgar türbini için Gelibolu çevresindeki bir bölgede bir dizi rüzgar ve sismik yükler altında analizler gerçekleştirilmiştir. Bu çevresel etkiler türbinin farklı çalışma koşulları altında değerlendirilmiştir. Bu koşullar; türbin normal çalışma durumunda iken depremin etki etmediği, türbin park halinde iken depremin etki ettiği, türbin rölanti durumunda iken rüzgar yüklerinin etki etmesi, türbin normal çalışma halinde iken depremin etki ettiği ve türbin rölanti durumunda iken depremin etki ettiği durum olmak üzere 5 farklı şekilde ele alınmıştır. 

Toplam beş bölümden oluşan tezin ilk bölümünde rüzgar türbinlerinin rüzgar ve sismik yükler altında yapılmış farklı çalışmaların bir özeti sunulmuştur. Avrupa'nın bir döneme kadar liderliğini sürdürdüğü rüzgar endüstrisindeki akademik çalışmalarda sismik yüklerin etkisine yer verilmemiştir. Bu durumun esas nedeni Avrupa'nın coğrafi konum olarak aktif deprem kuşaklarında yer almamasından kaynaklanmaktadır. Sismik olarak aktif bölgelere sahip coğrafyalarda rüzgar türbinlerinin inşa edilmesiyle sismik etkiler önem kazanmıştır. Bu tezde, yakın geçmişten bu yana sismik etkilerin dikkate alındığı çalışmalar detaylı incelenmiştir. Tüm dünyada ve ülkemizde geçmişten bugüne rüzgar endüstrisinde yaşanmış gelişmeler de bu bölümde ele alınmıştır. Dünya'da ve Türkiye'de rüzgar endüstrisinin gelişimi yıllara göre grafiklerde sunulmuştur. 

İkinci bölümde, rüzgar enerjisinin tarihsel gelişimi ile birlikte türbin karakteristikleri incelenmiştir. Bu amaçla, rüzgar türbini çeşitleri, sınıflandırılmaları ve türbin bileşenleri araştırılmıştır. 

Üçüncü bölümde, mevcut kodlara göre türbin üzerindeki yüklemeler incelenmiştir. Rüzgar yükleri türbülanslı rüzgar modeli esasıyla ele alınacağı için türbülans sınıfları ve kullanılan spektrumlara yer verilmiştir. Türbinin maruz kaldığı en önemli yükleme olan rüzgar yükleri, türbin elemanlarının her biri için detaylı incelenmiştir. Aerodinamik yüklerin etkisiyle kanat üzerindeki hareket burada tanıtılmıştır. Türbin güç üretiminin en verimli şekilde olabilmesi için rüzgar yüklerinden doğru şekilde faydalanmayı sağlayan kontrol sistemleri ele alınmıştır. Bu çalışma kapsamında incelenen diğer bir yükleme çeşidi olan deprem TBDY 2018 yönetmeliğince sunulmuştur. Deprem kayıtlarının seçilmesi ve ölçeklendirilmesi araştırılmıştır. Rüzgar ve sismik çevresel yüklerinin yük kombinasyonunun nasıl olması gerektiği anlatılmıştır. Söz konusu olan çevresel yükler altında sistem dinamiği de bu bölümde anlatılmış ve Campbell diyagramında tanıtılmıştır. Tez kapsamında tasarım yapılmamasına rağmen etki eden yüklemeler altında kule üzerinde oluşabilecek gerilmelerin incelenmesi açısından Amerikan Petrol Enstitüsü (API RP-2A)'nün ilgili dökümanının önerileri ele alınmıştır. 

Dördüncü bölümde ise, projenin hükümleri belirlenmiş ve mevcut 5 MW ölçekli çelik rüzgar türbini özellikleri ortaya konulmuştur. Sistemin modal analizi sonucunda elde edilen kule, kanat ve aktarma organları modlarını içeren ilk 13 mod burada sunulmuştur. Tez kapsamında ele alınan yüklemelerin kule odaklı olmasından dolayı kule ilk iki modu dikkate alınmıştır. Rüzgar yükleri TurbSim adlı simülasyon programında türbülans modelini esas alarak simüle edilmiştir. Normal operasyonel koşulları için 3 m/s'den 23 m/s hızına kadar ikişer artışla türbülanslı rüzgar verileri kullanılmıştır. Türbin alabileceği en yüksek hız olan 25 m/s ve daha büyük hızlarda rölanti moduna geçer. Bu amaçla rölanti modu için 25 m/s-50 m/s aralığındaki türbülanslı rüzgar hızları beşer artışla sisteme etki ettirilmiştir. Sisteme etki edecek diğer bir dinamik yükleme olan deprem yükleri için deprem kayıtlarının seçimi TBDY 2018'e göre yapılmıştır. Hedef tasarım spektrumu belirlendikten sonra seçilen 14 farklı deprem kaydı tasarım spektrumuna göre ölçeklendirilmiştir. Normal ve rölanti modunda kullanılacak on dört deprem kaydının büyüklüğü 6 ile 8 arasında değişmektedir. Bu deprem kayıtları uzak ve yakın fay etkisi dikkate alınarak seçilmiştir. Tüm bu analizler Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) tarafından geliştirilen FAST kodu ile analiz edilmiştir. FAST koduna sismik modülün eklenmesiyle birlikte aerodinamik yüklerle birlikte sismik yükler de dikkate alınmaya başlanıldı. Bu sayede iki önemli yüklemenin aynı anda etki etmesinin sonucundaki yapısal davranış ortaya konulmuş oldu. 5 farklı durum ile türbin üzerinde meydana gelen taban momentleri ve tepe noktası yer değiştirmeleri bu bölümde araştırıldı. Ayrıca türbin için en önemli durum olan güç üretiminin güçlü yüklemeler altındaki değişimi incelendi. Bir diğer husus ise sismik ve aerodinamik yüklerin birlikte etki etmesi durumunda kesitte oluşan gerilmenin emniyetli bölgede kalması gerektiği durumdu. Bu kapsamda basınç, kayma ve eğilme gerilmesi farklı deprem kayıtlarının etki etmesi sonucunda kontrol edilmiştir. Kesitin bu yüklemeler altında güvenli olduğu sonucuna varılmıştır. 

Dördüncü bölümde yapılan analizler sonucunda tasarımcılara sadece sismik analiz yaparak aerodinamik etkilerin dikkate alınması için değişen rüzgar hızlarında ve deprem büyüklüklerinde kullanılmak üzere katsayılar önerilmiştir. Buradaki amaç, bilindik sonlu elemanlar programları ile rüzgar analizinin yapılması zorluğunu ortadan kaldırmaktır. Piyasada kullanılan programların maliyetli olması ve FAST gibi akademik yazılımların öğrenme zorluğu açısından bu katsayılar ön tasarımda büyük 
 kolaylık sağlayacaktır. Tasarım için önerilen katsayıların yanı sıra yük kombinasyonunda kullanılmak üzere yük katsayısı önerilmiştir. ASCE/AWEA 2012 standartının önerdiği yük katsayısını da dikkate alarak yeni bir yük katsayısı önerisi yapılmıştır. 

Son bölümde ise elde edilen sonuçlar tartışılmış ve önerilerde bulunulmuştur. Aerodinamik ve sismik yükler arasındaki etkileşim ile 5 MW referans türbininin yapısal dinamiği üzerindeki etkileri farklı çalışma koşullarında tartışılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda sismik yüklerin etkisiyle yapıdaki iç kuvvetlerin dikkate değer bir artış gösterdiği fakat güç üretiminin değişmediği söylenebilir. Sismik yüklerle birlikte uygulanan rüzgar hızı arttıkça moment değişimi nominal hız çevresinde farklılık gösterirken genellikle azalma eğilimi göstermiştir. Bunun yanı sıra hakim rüzgar yönünde iç kuvvetlerin artış oranı aerodinamik sönümleme ile daha düşük kalmıştır. %10-20 mertebelerinde bir aerodinamik sönümleme meydana gelmiştir. Tepe noktası yer değiştirmeleri sismik etkilerle birlikte büyük bir artış göstermiştir. Rölanti durumunda rotorda herhangi bir torkun oluşmamasından dolayı güç üretimi olmamıştır. Rotorun hareketsiz olması türbin üzerinde fazla yüklemelere engel olmuştur. Bu nedenle moment değerleri operasyonel duruma göre daha küçük çıkmıştır. Bu çalışmadan varılacak nihai sonuç, sismik aktivitesi yüksek bölgede inşa edilmesi planlanan türbinler için deprem yükleri mecburi dikkate alınmalıdır. İlk tasarım için dikkate alınan sismik yüklerin sonucunda elde edilen kuvvetler ile çarpılarak aerodinamik etkileri dikkate alan katsayılar önerilmiştir. Ekonomik bir yaklaşım elde etmek açısından iki güçlü yüklemenin kombinasyonunda kullanılmak üzere yük katsayısı önerimi de yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar sınırlı bir araştırma sonucunda ortaya konulmuştur. Gelecekte yapılacak olan çalışmalarda veri sayısını arttırmak ve farklı çevresel koşulları da dikkate alarak türbinin çeşitli çalışma koşullarında analizler gerçekleştirilmelidir.

Abstract:
Fossil fuels are still used as primary energy sources in the world. Future concerns about fossil fuels, negative and irreversible damages to the environment have increased the trend towards renewable energy sources. Increasing energy consumption with the development of technology and the requirements of the Kyoto protocol supported this trend. Nowadays, the production share of wind and solar energy is growing significantly all over the world. The facts that our country is surrounded by sea from three sides and has high wind potential have made it inevitable to benefit from wind energy. In Turkey, due to development of wind industry in the last ten years, 7.9% of total energy demand is provided by wind. It is planned that this share will grow significantly in the future. Offshore wind turbines having higher electricity generation capacity, can support this growth effectively. On the other hand, offshore wind turbines are more costly than onshore wind turbines. However, its advantages are also considerably high. 

High wind speeds and large rotor diameters are required to obtain the desired efficiency from wind turbines. Wind speed generally increases with increasing altitude. While wind speed, which is an environmental condition, cannot be intervened, the rotor diameter can be enlarged. In this case, a larger top mass is formed and the height of the tower must be increased. Therefore, the seismic demand at the base of the tower increases for seismically active regions. As coincidence, Turkey, besides having strong wind zones, is taken place in geopraphical location where active fault lines are passing through. Turkey, besides having strong wind zones, is taken place in geographical location where active fault lines are passing through. The presence of high wind zones on these fault lines necessitates seismic analysis for turbines planned to be built in our country. For this purpose, a 5 MW scale horizontal axis steel wind turbine was analyzed under a series of wind and seismic loads in a region around Gelibolu. These environmental effects were evaluated under different operating conditions of the turbine. These conditions; It has been handled in 5 different ways: earthquake does not affect when the turbine is in normal operation, earthquake affects when the turbine is parked, wind loads affect when the turbine is in idle mode, earthquake affects when the turbine is in normal operation and the impact of earthquake when the turbine is in idle mode.
In the first chapter of the thesis consisting of a total of five chapters, a summary of the different studies conducted under wind and seismic loads of wind turbines is presented. The effect of seismic loads has not been included in wind industry related academic studies carried out in Europe, where it was the leader for a period. The main reason for this situation is that Europe is not geographically located in active earthquake zones. Seismic effects have gained importance with the construction of wind turbines in geographies with seismically active regions. In this thesis, studies that have considered the seismic effects have been examined in detail. The developments in the wind industry from past to present all over the world and in our country are also discussed in this section. The development of wind industry in the world is presented in charts according to years. 

In the second chapter, the turbine characteristics are examined along with the historical development of wind energy. For this purpose, wind turbine types, their classification and turbine components were investigated. 

In the third chapter, the loads applied on the turbine are examined according to the existing codes. Since wind loads will be handled on the basis of turbulent wind model, turbulence classes and spectra used are included. Wind loads, the most important loading that the turbine is exposed to, have been studied in detail for each of the turbine elements. The motion on the blade under the effect of aerodynamic loads is introduced here. In order for the turbine power generation to be more efficient, control systems that provide the right utilization of wind loads have been discussed. Earthquake, which is another type of loading analysed within the scope of this study, is presented in accordance with TBDY 2018 standard. System dynamics under the environmental loads are also described in this section. The selection and scaling of earthquake records have been investigated. The rules regarding the load combination of wind and seismic environmental loads are explained. System dynamics under the existing environmental loads are also described in this section and introduced in the Campbell diagram. Within the scope of the thesis, the recommendations of the relevant document of the American Petroleum Institute (API RP-2A) have been discussed in order to examine the stresses that may occur on the tower under the impact loads, although the design has not been conducted. 

In the fourth chapter, the provisions of the project are determined and the features of the existing 5 MW steel wind turbine are presented. The first 13 modes including the tower, blade and drivetrain modes obtained as a result of the modal analysis of the system are presented here. The first two modes of the tower have been taken into consideration since the loadings in the scope of the thesis are tower-oriented. Wind loads were simulated in the simulation program named TurbSim based on the turbulence model. For normal operating conditions, turbulent wind data having 3 m/s to 23 m/s speed with 2 m/s increments was used. 25 m/s is the highest speed that wind tubine can generate energy at. The turbine switches to idle mode at speeds of 25 m/s and greater. For this purpose, the turbulent winds with speed in the range of 25 m/s - 50 m/s for idle mode were applied on the system with 5 m/s increments. The selection of earthquake records for earthquake loads, another dynamic loading that will affect the system, was made according to TBDY 2018. After the target design spectrum was determined, 14 different earthquake records were scaled according to the design spectrum. The magnitudes of fourteen earthquake records to be used in normal and idle mode range from 6 to 8. These earthquake records were selected taking the far and near fault effect into account. All of these analyses were carried out using FAST code developed by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). With the addition of the seismic module to the FAST code, aerodynamic loads and seismic loads have been taken into account. In this way, the structural behavior as a result of the effect of two important loading at the same time was revealed. Base moments and peak displacements occurring on the turbine with 5 different situations are investigated in this section. In addition, the change in power generation, which is the most important  situation for the turbine, under strong loads was examined. Another issue was the situation that if the stress formed in the cross section when both seismic and aerodynamic loads act together remain in the safe zone. In this context, pressure, shear and bending stress were controlled as a result of the effect of different earthquake records. It is concluded that the cross section is safe under these loads.

As a result of the analysis made in the fourth chapter, coefficients for use in varying wind speeds and earthquake magnitudes are proposed to the designers in order to take into account aerodynamic effects by performing only seismic analysis. The aim here is to eliminate the difficulty of performing wind analysis with familiar finite element programs. These coefficients will provide great convenience in preliminary design because the cost of the programs used in the market are high and it is difficult to learn academic software such as FAST. In addition to the coefficients suggested for the design, the load coefficient has been proposed for use in the load combination. A new load coefficient has been proposed, taking into account the load coefficient suggested by the ASCE / AWEA 2012 standard. 

In the last chapter, the obtained results are discussed and suggestions are made. The interaction between aerodynamic and seismic loads and their effects on the structural 
dynamics of the 5 MW reference turbine are discussed under different operating 
conditions. As a result of these studies, it can be said that the internal forces in the 
structure increased considerably with the effect of seismic loads, but the power 
generation did not change. As the wind speed applied with seismic loads increased, 
the moment change varied around the rated speed and generally tended to decrease. In 
addition, the rate of increase of internal forces in the dominant wind direction was 
lower because of aerodynamic damping. Since there is no comprehensive 
recommendation for earthquake analysis in the standards commonly used for wind turbine design, according to the results of the analysis, certain coefficients based on the earthquake analysis are proposed to the designers. The final conclusion to be drawn from this study is that earthquake loads must be taken into consideration for turbines planned to be constructed in the region with high seismic activity. Aerodynamic damping occurred in the order of 10-20%. Top displacements increased significantly with seismic effects. There was no power generation due to the lack of any torque in the rotor during idle mode. When the rotor is not turning, it prevents over loading on the turbine. Therefore, the moment values in this mode are smaller than the operational situation. The final conclusion to be reached from this study is that for turbines planned to be built in a region with high seismic activity, earthquake loads should be taken into consideration. The coefficients considering the aerodynamic effects are proposed by multiplying the forces obtained as a result of the seismic loads considered for the first design. Load coefficient recommendation has also been made for use in combination of two strong loads in order to achieve an economical approach. The results obtained have been presented as a result of limited research. In future studies, analyzes should be carried out in various operating conditions of the turbine to increase the number of data and to take different environmental conditions into consideration.