Rüzgâr türbini tasarımı

Rüzgar türbini tasarımı, rüzgardan enerji elde etmek için rüzgar türbininin şekil ve teknik özelliklerinin belirlenmesidir. Rüzgar türbini kurulumu rüzgar enerjisini almak, türbini rüzgara yönlendirmek, mekanik dönüşü elektrik enerjisine çevirmek, türbini başlatmak, durdurmak ve kontrol etmek için gerekli sistemlerden oluşur.
Çoğu ticari türbinler bu tasarımı kullandığından bu makalede yatay eksenli rüzgar türbinlerin (kısaca HAWT) tasarımı anlatılmıştır.
1919'da fizikçi Albert Betz kütle ve enerjinin korunumu yasalarına göre ideal bir rüzgar türbininde rüzgarın teorik kinetik enerjisinin 16/27'sinden (% 59.3) daha fazlasının rüzgardan alınamayacağını ispatladı. Betz yasasındaki bu sınıra modern türbin tasarımlarıyla ancak % 70 - 80'i arasında yaklaşılabilir.
Rüzgar enerjisi sistemi tasarımı, kanatların aerodinamik tasarımının yanında, göbek, kontroller, jeneratör, destekleyici yapı ve kule temel tasarımını kapsar. Rüzgar türbinlerini elektrik güç şebekelerine bağlarken daha ileri tasarım soruları ortaya çıkar.
Aerodinamik
Rüzgar türbininin kanatlarının şekil ve boyutları, rüzgardan enerjiyi verimli olarak almak için gereken aerodinamik performans ile kanat üzerine etkiyen kuvvetlere dayanması için gerekli mukavemet tarafından belirlenir.
Yatay-eksenli rüzgar 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 rüzgar 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. Rüzgar hızının küpüyle rüzgarın gücü arttığından türbinler uygulamada güç üretebildiklerinden çok daha fazla rüzgar yüklerinde (ani fırtınalar gibi) bozulmayacak şekilde yapılmalıdır. Rüzgar türbinlerinin şiddetli rüzgarlarda torku azaltan araçları vardır.
Rüzgar türbini çeşitli rüzgar hızlarında güç üretmesi için tasarlanır. Çoğu türbinler yaklaşık 34 m/s' de dönmeye başlar ve 25 m/s'de devreden çıkar. Nominal rüzgar 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.
Rüzgar türbinleri, eğer aşılırsa hasarlanacakları hayatta kalma hızı adı verilen maksimum rüzgar hızına göre tasarlanır. Ticari rüzgar 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 rüzgar türbin kanatları şiddetli rüzgar hızlarında durması için aerodinamik olarak tasarlanabilir bu ise türbinin daha yavaş dönmesine neden olur. Bu aşırı rüzgar hızı nedeniyle sisteme zarar gelmesini önlemeye yardımcı olan kolay ve arızalara karşı güvenli bir mekanizmadır. Ancak değişken kontrollu hatveye sahip sistemler dışında daha geniş rüzgar hız aralığında sabit bir güç alınamadığından bu uygulama büyük ölçekli güç şebeke uygulamaları için uygun değildir.
Sabit hızlı HAWT (Yatay Eksenli Rüzgar Türbini) kanatları hızlandıkça yüksek rüzgar hızında hucum açısını doğal olarak artırır. Doğal bir strateji rüzgar 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 rüzgar enerjisine kapanması)
Kapatma rotor-kesitinin yanı sıra rotorun kaldırma kuvvetinden kaynaklanan uyarılmış sürüklemeyi azaltan hücum açısını azaltarak çalışır. Rüzgar türbinlerinin tasarımındaki en büyük sorunlardan biri rüzgar aniden hızlanınca türbin kanatlarının çabucak durdurulmasını veya kapanmasını sağlamaktır. Tamamen kapalı türbin kanadı durduğunda kanadın kenarı rüzgara doğru bakar.
Yapısal sistemi daha yumuşak veya daha esnek yaparak yükler azaltılabilir. Bu rüzgar yönünde dönen rotorlar ya da daha yüksek rüzgar 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 rüzgarda kanatlarını rüzgara 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 rüzgara karşı açılır. Diğer türbinlerde her rotor kanadı için elektrikli servo motor kullanılır. Elektrik şebeke arızasında küçük akü rezervine sahiptirler. Değişken hatveli küçük rüzgar türbinleri (50 kWın 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 hükumetten 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 arttırmak 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.
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 rüzgar türbinleri değişken hızlı makinelerdir. Rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar hızının altında kanat hatvesi rüzgardan en çok gücü alacak şekilde rüzgara düz sabit açıda tutulurken jeneratör tork kontrolu aktiftir. Nominal rüzgar 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 90o 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:
Te= 3/2 p (λpm Iqs+ (Lds-Lqs) Ids Iqs )= 3/2 p λpm Iqs
Dolayısıyla makine tarafı dönüştürücüsünün ve kademeli PI denetleyici döngülerinin sistemi sağdaki şekilde verilmiştir. Burada PWM-regüle dönüştürücünün görev oranları mds ve mqs olan kontrol girişlerine sahibiz. Ayrıca makine tarafındaki rüzgar türbini için kontrol şemasını ve eşzamanlı olarak Ids'yi nasıl sıfır tuttuğumuzu görebiliriz (elektromanyetik tork denklemi doğrusaldır).
Türbinin rüzgar yönüne çevrilmesi
Modern büyük rüzgar türbinleri motor yuvasının arkasındaki rüzgar gülü tarafından ölçülen rüzgar yönüne bakacak şekilde aktif olarak kumanda edilir. Sapma açısını (rüzgar ve türbin işaret yönü arasındaki yanlış hizalama) azaltarak güç artırılır ve simetrik olmayan yükler azaltılır. Ancak rüzgar 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 rüzgar hızlarında sapma türbin gücünü önemli miktarda azaltabilir, ± 30 rüzgar yönü değişimleri yaygındır ve türbinlerin rüzgar yönündeki değişikliklere tepki süreleri uzundur. Hızlı rüzgarlarda rüzgar yönü daha az değişir.
Elektrikle frenleme
Küçük rüzgar 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 rüzgarlarda dönüş (nominal) güç çıkışı korunurken türbin güvenli hızda tutulabilir. Bu yöntem genellikle şebekeye bağlı büyük rüzgar 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 rüzgara 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
Rüzgar 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 rüzgar türbinleri köyler, hibrit sistemler ve dağıtılmış güç için kullanılır. İngiltere'nin Liverpool Körfezi'ndeki Burbo Bank Extension rüzgar çiftliğindeki 8 MW'lık dünyanın en büyük rüzgar türbini 2016 yılında kuruldu. Şebeke ölçekli türbinler (bir megawatt'tan büyük) merkez istasyon rüzgar çiftliklerinde, dağıtılmış güçte ve topluluk rüzgarında kullanılır.
Belirli sürdürülebilir bir rüzgar hızı için türbinin kütlesi yaklaşık olarak kanat-uzunluğunun küpü ile orantılıdır.
Türbin tarafından yakalanan rüzgar 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 rüzgar çiftliği türbinleri temel olarak malzemelerin mukavemeti ve oturma şartlarıyla sınırlıdır.
Tipik modern rüzgar türbin çapları 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 rüzgar 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 rüzgarın hızını ve yönünü algılar motorlar güç çıkışını maksimum yapmak için nacelle rüzgar yönüne döndürür.
Şanzıman
Geleneksel rüzgar 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. Rüzgar türbin bakım maliyetlerini azaltmanın bir yolu olarak manyetik şanzımanların kullanımı da keşfedildi.
Jeneratör
Büyük, ticari boyutta yatay eksenli rüzgar türbinlerinin elektrik jeneratörü türbin rotor göbeğinin arkasına, kulenin tepesindeki makine yuvasına (nacelle) yuvasına konulur. Genellikle rüzgar türbinleri elektrik şebekesine doğrudan bağlı olan asenkron makineler aracılığıyla elektrik üretir. Rüzgar türbininin dönüş hızı elektrik şebekesinin eşdeğer dönüş hızından genelde daha azdır: rüzgar 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 rüzgar jeneratörleri daha az maliyetli indüksiyon jeneratörlerinin kullanılmasına imkan veren güç hattı frekansına uyacak şekilde sabit hızda döner. Yeni rüzgar 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 rüzgar enerjisinin çok daha büyük kısmını yakalayabilir. Bazı durumlarda özellikle türbinler kıyıya yerleştirildiğinde, DC enerji şebekeye bağlantısı için türbinden merkezi (karadaki) invertöre iletilir.
Şanzımansız rüzgar türbini
Dişlisiz rüzgar 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 rüzgar türbinleri genellikle dişlili rüzgar türbinlerinden daha ağırdır. En çok örnek türbin sayısına dayanan AB'nin "Reliawind" adlı çalışması şanzımanlı türbinlerin güvenilirliğinin rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar türbinleri Çin dışındaki pazarın sadece %5'ini oluştururken Çin'deki pazar payının %25 veya daha fazla olduğu tahmin edilmektedir.
2011'de rüzgar türbinlerinde neodiyum talebinin elektrikli araçların 1/5'i olduğu tahmin edildi.
Kanatlar
Kanat tasarımı
Kanat uç hızı ile rüzgar hızı arasındaki orana uç hızı oranı denir. Verimliği yüksek olan 3 kanatlı türbinlerin uç hızı/rüzgar hızı oranları 6 ila 7'dir. Modern rüzgar 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 rüzgar çıktığında yeni rüzgar türbinlerinin çabuk hızlanacağı ve uç hız oranının neredeyse sabit kalacağı demektir. Rüzgarın ani hareketlerinde türbini optimum uç hız oranlarına yakın çalıştırmak kent ortamında görülen ani rüzgarlarda enerji alımını iyileştirir. Buna karşılık eski tip rüzgar 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
Basit tasarımlarda kanatlar doğrudan göbeğe cıvatalanır ve kendi eksenleri etrafında dönmez bu ise belirli rüzgar hızlarının üzerinde aerodinamik frenlemeye sebep olur. Daha karmaşık tasarımlarda kanatlar dönüş hızını kumanda etmek için rüzgar 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
Kanat sayısı aerodinamik verimliliğe bileşen maliyetlerine ve sistem güvenilirliğine göre belirlenir. Gürültü emisyonları kanatların kulenin yukarı veya aşağı rüzgarından 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 rüzgar türbinlerinin neredeyse hepsi iki veya üç kanatlıdır. Bununla birlikte Chan Shin'in çok üniteli rotor kanat sistemi birleşik rüzgar 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. Rüzgar türbinini rüzgar 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 rüzgar 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
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 rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar türbini tasarımları gittikçe daha büyük kanatlar kullanarak güç üretimini 1 megawatt aralığından 10 megavatın üstüne doğru zorlamaktadır. Daha geniş alan belirli bir rüzgar 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 rüzgar türbin kanat rotor çapı 130 metreye açık deniz türbin çapı ise 170 metreye ulaşmıştır. 2001 yılında rüzgar 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. Rüzgar dikkate alındığında türbin kanatlarının ~10^9 yükleme döngüsünden geçmesi beklenir. Rüzgar, 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.
Rüzgar yükleri rüzgar hızı ve rüzgar kesmesindeki doğal değişkenlik nedeniyle döngüseldir (dönüşün tepesinde daha yüksek hızlar vardır).
Rüzgar ve yerçekimi yüküne maruz kalan rüzgar türbini rotor kanatlarının yükten dolayı kopması rotor kanatları tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir arıza türüdür. Rotor kanatlarının bükülmesine neden olan rüzgar 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 rüzgar 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. 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. Rüzgar 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 rüzgarın 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 rüzgar 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 Rüzgar Enerjisi Konseyi (GWEC) rüzgar enerjisinin 2020 yılına kadar dünyanın toplam enerji ihtiyacının% 15,7'sini ve 2030 yılına kadar % 28,5'ini karşılayacağını tahmin etmektedir. Küresel rüzgar enerjisi üretimindeki bu çarpıcı artış daha verimli rüzgar türbinlerinden oluşan daha yeni ve daha büyük bir filonun kurulmasını ve bunun sonucunda eskimiş olanların devreden çıkarılmasını gerektirecektir. Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliği tarafından yapılan bir araştırmaya göre sadece 2010 yılında rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar çiftlikleri yoğunluğuna yakın Texas, Sweetwater'daki bir tesiste numune üretmeye başladı. Iowa'da ise başka bir operasyon planlamaktadır.
Kule
Kule yüksekliği
Rüzgar hızları yüzey aerodinamik sürüklemesi (kara veya su yüzeyleri tarafından) ve havanın viskozitesi nedeniyle daha yüksek irtifalarda artar. Rüzgar kesimi adı verilen irtifa ile hızdaki değişim en çok yüzeye yakın yerlerde etkileyicidir. Tipik olarak değişim rüzgar hızının rakımın yedinci kökü ile orantılı olarak artacağını öngören rüzgar profil güç kanununu izler. Bir türbinin yüksekliğini iki katına çıkarmak beklenen rüzgar 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 rüzgar hızı genellikle azalır ancak türbin göbeği yüksekliğinde o kadar azalmaz veya hatta artabilir. Sonuçta rüzgar hızı daha çoktur ve bir türbin 1/7 güç yasasından beklenenden daha fazla güç üretir: rakımı iki katına çıkarmak rüzgar 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) rüzgar kuvvetli olduğunda (10 metrelik rüzgar hızı yaklaşık 6 ila 7 m/s) kararlı atmosfer sürtünme türbülansı nedeniyle bozulur ve atmosfer nötr hale gelir. Gündüz atmosferi ya nötrdür (genellikle kuvvetli rüzgarlar 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 rüzgar profilinin iyi bir yaklaşımıdır. Indiana 30.000 MW'lık bir rüzgar kapasitesine sahip olarak derecelendirilmişti ancak beklenen türbin yüksekliğini 50 metreden 70 metreye çıkararak rüzgar 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.
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 rüzgar 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 21⁄2 kule bu şekilde yapılır.
2003 yılı itibarıyla tipik modern rüzgar türbini tesislerinde yaklaşık 65 m (210 fit) yüksekliğinde kuleler kullanılır. Yükseklik vinçlerin olup olmamasıyla sınırlıdır. Bu belirli mevcut vinçle "kısmen kendi kendini kuran rüzgar türbinleri" için daha güçlü ve daha sert rüzgarlara türbin yerleştiren daha uzun kulelere ve vinç olmadan "kendi kendini kuran rüzgar türbinlerine" imkan veren çeşitli önerilere yol açmıştır.
Kule malzemeleri
Şimdilerde rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar türbini kulelerinin S500 çelik ile değiştirilmesi hem ağırlıkta hem de maliyette net tasarruf sağlar.
Konik çelik kulelerin bir diğer dezavantajı da rüzgar 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 rüzgar türbini ömrünü iki katına çıkarabiliyorsa genel çevresel fayda daha yüksek olmalıdır.
Ahşap rüzgar 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 rüzgar türbinlerinin geliştirilmesine kadar tüm şebekeye bağlı rüzgar türbinleri sabit hızlıydı. 2003'e kadar tarihlerde şebekeye bağlı neredeyse tüm rüzgar türbinleri tam olarak sabit hızda (senkron jeneratörler) veya sabit hızın birkaç yüzdesinde (indüksiyon jeneratörleri) çalışıyordu. 2011 itibarıyla birçok çalışan rüzgar türbini sabit hızlı indüksiyon jeneratörleri (FSIG) kullanmaktadır. 2011 itibarıyla şebekeye bağlı yeni rüzgar türbinlerinin çoğu değişken hızlı rüzgar türbinleridir- bazısı da değişken hız yapılandırmasındadır.
İlk rüzgar türbini kontrol sistemleri aynı zamanda maksimum güç noktası izleme olarak da adlandırılan en yüksek güç çekimi için tasarlanmıştı- bunlar mevcut rüzgar koşulları altında belirli bir rüzgar türbininden mümkün olan maksimum elektrik gücünü çekmeye çalışırlar.. Daha yakın zamanlı rüzgar 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 rüzgar koşullarının desteklediği maksimum güce kadar.
Değişken hızlı rüzgar türbinleri (çok kısaca), rüzgar enerjisinin bir kısmını kinetik enerji olarak depolayarak (daha hızlı rüzgarın kısa rüzgarları sırasında hızlanarak) ve daha sonra bu kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek (yavaşlayarak) mevcut rüzgar koşullarının destekleyebileceğinden daha fazla güç üretebilir. ya başka bir yerde daha fazla güce ihtiyaç duyulduğunda ya da rüzgarda kısa durgunluklar sırasında ya da her ikisi).
şebekedeki sönümleme (elektrik) eşzamansız rezonanslar
kuledeki mekanik rezonansları sönümleme
Rüzgar 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 rüzgar türbini endüksiyon makinelerini kullanan rüzgar 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 rüzgar türbini reaktif güç sağlayabilir veya tüketebilir. Bu nedenle güç sistemlerinin kararlılığına yardımcı olmak için dinamik bir kapasitör/indüktör grubu olarak çalışabilir.
Yukarıda birlik güç faktörüne ulaşmak için kontrol şeması verilmiştir:
Reaktif güç ayarlaması eşit güç faktörü ile çalışmayı sağlamak için (diğer deyişle Qızgara= 0) PI kontrolöründen oluşur. Kararlı durumda (IdNref = 0) IdN'in sıfıra ulaşacak şekilde ayarlanması gereklidir.
Şebeke tarafı dönüştürücünün ve kademeli PI kontrolör döngülerinin tam sistemini sağdaki şekilde görebiliriz.
İnşaat
Rüzgar 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
Doğaları gereği rüzgar 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 rüzgar türbinlerinde rüzgarın kulenin tepesindeki rotorla etkileşiminin kuvveti rüzgar türbininin devrilmesi için güçlü bir eğilim yaratır. Bu yükleme rejimi rüzgar türbininin temellerine büyük moment yükleri uygulanmasına neden olur. Sonuç olarak temelin bu devrilme eğilimine direnmesini sağlamak için temeller tasarlanırken büyük dikkat gösterilmelidir.
Açık deniz rüzgar 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 rüzgar 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. Rüzgar türbini boyutu ve tipi sahadaki rüzgar ve toprak koşulları temelin tasarımında belirleyici faktörlerdir.
Maliyetler
Modern rüzgar 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 rüzgar enerjisi maliyetini düşürür.
Bunu başarmanın bir yolu Atkinson Sürdürülebilir Gelecek Merkezi tarafından desteklenen üniversiteler, sanayi ve hükumetten 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
Rüzgar türbini için tasarım özellikleri güç eğrisini ve garantili kullanılabilirliliği kapsar. Rüzgar kaynağı değerlendirmesinden sağlanan verilerle ticari uygulanabilirliği hesaplamak mümkündür.
Tipik çalışma sıcaklık aralığı arasındadır. Aşırı iklim koşulları olan bölgelerde (İç Moğolistan veya Rajasthan gibi) belirli soğuk ve sıcak hava uyarlamaları gereklidir.
Rüzgar türbinleri IEC 61400 standartlarına göre tasarlanıp doğrulanabilir.
RDS-PP (Enerji Santralleri için Referans Tanımlama Sistemi) rüzgar 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 rüzgar türbini jeneratörlerinin -20 C aşağısı sıcaklıklarda çalışan alanlarda uygulanan minimum sıcaklık çalışma sınırları vardır. Rüzgar 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 rüzgar koşuluyla birleştirilirse rüzgar türbini dahili ısıtma için nominal gücünün yüzde birkaçına eşdeğer harici bir güç kaynağına gerek duyar. Örneğin Kanada Manitoba'daki St. Leon Rüzgar 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 rüzgar türbini işletiminin ekonomisini etkiler.