Rüzgar Türbini Kanatları Neden Çelikten Değil de Kompozitten Yapılıyor?

günümüzde rüzgar enerjisi deyince aklımıza dönen dev kanatlar geliyor ama o kanatların iç yapısı pek bilinmez. öyle “biraz plastik, biraz çelik” değil olay. baya malzeme mühendisliğinin marifetli ellerinden çıkmış, infüzyonu, kürlenmesi, mekanik performansı hassasiyetle hesaplanmış kompozit malzemelerden bahsediyoruz.

kanatlar ilk başta çelik ve alüminyumdan yapılıyordu (1940-50’ler). sağlam ama ağırdı. hem üretim maliyeti hem de yorulma (fatigue) ömrü sıkıntılıydı. malzemenin kendi ağırlığından dolayı türbinler yoruluyordu daha sonra 1970’lerde “acaba hafif ama dayanıklı bir şey mi kullansak” diye düşünüldü ve kompozit devrimi başladı.

bugün kullanılan rüzgar türbini kanatları aslında iki yüzeyden oluşur

- emme (suction) yüzeyi
- basınç (pressure) yüzeyi

rüzgar bu yüzeylere farklı basınçlar uygular, kanat da bu fark sayesinde dönmeye başlar. ama olay sadece dönmek değil. o kanatlar rüzgardan gelen basınca, yerçekiminden gelen torka, kendi ağırlığına kadar bir sürü yüke maruz kalıyor. bunun için içine shear web, spar, kaplama gibi yapılar yerleştiriliyor.

şimdi gel gelelim asıl konuya: neden kompozit?

- hafif (daha az yerçekimi yükü)
- rijit (çekmeye, eğilmeye karşı dirençli)
- esnek tasarımlara uygun (kalıp tasarımı yapılmalı)
- uzun ömürlü (20-25 yıl ortalama)

malzeme olarak genelde cam elyaf (e-glass) kullanılıyor çünkü ucuz ve yeterli performans veriyor. daha performanslısı var mı? var. s-glass ve karbon fiber. ama onlar pahalı. karbon fiberin mukavemeti yüksek, yoğunluğu da çok düşük, ama öyle her projeye girmez girerse de türbinin yüksek yük bölgesinde kullanılır yani hibrit bir yapı oluşturulur.

fiberler tek başlarına iş görmez, bir de reçine/matris gerekiyor. burada genelde epoksi ya da poliester kullanılıyor. termoset reçineler bunlar. üretim anı ve fiberleri ıslatması kolay ama geri dönüşüm konusunda zayıf. bu yüzden son yıllarda geri dönüştürülebilir termosetler ya da termoplastikler üzerine araştırmalar da hızlandı.

peki bu kanatlar neden zamanla bozuluyor?

çünkü türbin sürekli dönüyor. mesela dakikada 20 devir yapsa, yılda yaklaşık 10 milyon döngü demek. 20 yılda 200 milyon. bu döngüler sonucunda mikroskobik çatlaklar başlıyor. önce matris çatlıyor, sonra fiberle olan bağ kopuyor (debonding), en son da fiberler kırılıyor. yani öyle bir anda “çat” diye kırılmaz ama yavaş yavaş ölür.

yani o dev kanatlar hem fiziksel hem yapısal anlamda ciddi yük altındalar. ve bu yükleri hafif malzemeyle, sağlam şekilde taşımak için kompozit mühendisliği devreye giriyor.

bir de şöyle bir olay var. eğer cam elyaf-epoksi bir malzemeye çekme dayanımının %60’ına denk gelen bir yük verirsen, bu yapı 25.000 çevrim dayanıyor. ama bu oran %90 olursa... geçmiş olsun, 2-3 çevrimde parçalanıyor. bu yüzden mühendisler tasarımlarda her zaman emniyet katsayısını yüksek tutuyor.

eğer geleceğe bakarsak karbon fiber takviyeli yapılar artacak. daha hafif, daha güçlü, daha uzun ömürlü türbinler üretilecek ve bazı parçalar geri dönüştürülmüş kompozitlerden imal edilecek ama maliyetleri düşmeden her yere girmesi zor.