Bir rüzgar kulesi gövdesi, kum ve iplikten oluşan bir yapbozdan ibarettir. Onu ayakta tutan şey ise metal bağlantılar değil, bir robot kolun cam ipliklerini milimetrik hasasiyetle bir yapıya dönüştürme biçimidir.
Bir vinç operatörü, 120 metrelik kavisli bir kule parçasını yerine oturtmaya çalışıyor. Yer, Kuzey Denizi’nin ortasında bir montaj platformu. Parçanın ağırlığı neredeyse 80 ton. Operatörün beynini kurcalayan şey ise rüzgar ya da dalga değil, bu parçanın fabrikadan çıkarken üzerinde yapılan bir işlemin kalitesi. Parça, çelikten dökülmedi. Kum taneleri ve cam ipliklerinin bir kalıp etrafında döndürülmesiyle ortaya çıktı.
Eğer fabrikadaki bir makine o gün iplik gerginliğini birkaç Newton kaçırdıysa, bu dev silindir burundan gelen bir esintiyle mikro çatlaklar üretmeye başlayabilir. Rüzgar türbini kulesi üretiminde asıl dram, sahada değil, sarma tezgahının başında yaşanır. Kum taneleri 1400 santigrat derecede eritilip saniyede 60 metre hızla çekilen 17 mikronluk liflere dönüşürken, bir başka tankta epoksi zincirleri polimerleşmeye hazırlanır. İki ayrı dünyanın malzemesi, dönen bir çelik kalıbın yüzeyinde buluşur ve ortaya çelikten daha hafif, betondan daha esnek bir yapı çıkar.
Süreci en yalın haliyle kavramak için bir seramik ustasını düşün. Çömlekçi çarkında dönen bir balçık yığını, ıslak ellerin basıncıyla yükselir. Rüzgar kulesi sarmada da benzer bir mantık var, ancak çark yerine sabit bir kalıp, balçık yerine ise reçineyle ıslatılmış cam elyafı iplikler kullanılır. Kalıp, yatay bir eksende kendi etrafında saatte 30 ila 60 tur arasında bir hızla döner. Bir robot kol, “göz” olarak adlandırılan bir aplikatör aracılığıyla, iplik demetlerini kalıba saniyede 2 ila 4 metre arasında bir hızla yatırır.
İpliğin kalıba sarılması rastgele değildir. Bilgisayar kontrollü kol, kulenin rüzgar yüküne maruz kalan bölgelerinde ipliği 80 ila 89 derece arasında neredeyse çembersel sararken, asıl yapısal dayanımı artırmak için kule boyunca uzanan 0 ila 10 derecelik eksenel katmanlar oluşturur. Fiberlerin bu açısal dansı, nihai yapının bir yandan basınca, bir yandan da eğilme momentine karşı koymasını sağlar. Reçine banyosundan çıkan iplik, kalıba temas etmeden hemen önce gerginlik sensörlerinden geçer. Gerginlik değeri 40 Newton’un altına düşerse, yapısal boşluklar oluşur. 120 Newton’un üzerine çıkılırsa da lifler ezilir ve katman içi köpürme başlar.
Robot kolun hareket algoritması, kulenin her bir santimetrekaresi için önceden tanımlanmış bir fiber yoğunluğu haritasına sadık kalır. Harita, sonlu elemanlar analiziyle çıkarılmış bir gerilme modelinden türer. Model, kulenin maruz kalacağı maksimum rüzgar hızını (genellikle 50 yıllık fırtına verisi, saniyede 55 metre), türbinin rotoruyla rezonansa girebileceği doğal frekansları ve kulenin kendi ağırlığından doğan burkulma riskini hesaba katar. Operatörün ekranında, bu haritanın gerçek zamanlı bir doluluk yüzdesi olarak aktığını görürsünüz. Kulenin dip kısmında, flanş bölgesinde, fiber hacim oranı yüzde 62’ye kadar çıkar. Orta gövdede bu oran yüzde 55’e düşer.
Tepe kısmında ise rüzgarın yarattığı titreşim genliğini sönümlemek için oran tekrar yüzde 58’e yükselir. Her bir bölge için ayrı bir sarma programı çalışır ve bu programlar arasındaki geçiş, robot kolun hızlanma rampasıyla senkronize edilir. Geçiş anında iplik gerginliğinde 5 Newton’dan fazla bir salınım olursa, katmanlar arası yapışma mukavemeti yüzde 12’ye varan bir düşüş gösterir.
Sarma bittiğinde kule henüz bir sıvıdır. Epoksi reçine, cam elyafının arasında viskoz bir deniz gibidir. Noktada devreye sertleşme kinetiği girer. Kullanılan epoksi sistemlerinin çoğu, anhidrit bazlı sertleştiricilerle çalışır. Karışımın başlangıç viskozitesi 25 santigrat derecede 800 ila 1200 miliPaskal-saniye arasındadır. Dönen kalıbın yarattığı merkezkaç kuvveti, reçineyi dışa doğru iter.
Eğer reçine çok akışkan kalırsa, kalıbın alt kısmında birikme yapar. Çok hızlı katılaşırsa da katmanlar arası bağlanma kopukluğu oluşur.
O nedenle kalıp, sarma işlemi devam ederken kızılötesi ısıtıcılarla ısıtılır. Yüzey sıcaklığı 70 ila 90 santigrat derece arasında tutulur. Reçinenin jelleşme süresi, yani “pot life” olarak bilinen kritik pencere, bu sıcaklıkta yaklaşık 43 dakikadır. Operatörün ekranında, tezgahın hızı ile reçinenin jelleşme hızı arasındaki yarışı gösteren bir zaman çubuğu vardır. Eğer bir iplik kopması yaşanır ve tezgah durursa, 43 dakika içinde müdahale edilmezse, kalıp üzerindeki ıslak hamur geri dönüşsüz biçimde katılaşır. O katman kazınmak zorunda kalır, ki bu da 6 saatlik bir işçilik ve 3 tonluk bir malzeme kaybı demektir.
Sıcaklık kontrolü yalnızca jelleşme süresi için değil, aynı zamanda katmanlar arasındaki ara yüzey bağlanması için de hayatidir. Kompozit bir kule gövdesinde zayıf halka, fiberin kendisi değil, fiberi saran reçine matrisidir. Matrisin cam elyafına tutunma kuvveti, sıcaklıkla doğrudan ilişkilidir. Yüzey sıcaklığı 70 derecenin altına düştüğünde, epoksi moleküllerinin çapraz bağlanma yoğunluğu azalır. Da katmanlar arası kayma mukavemetini 55 megapaskaldan 42 megapaskala kadar düşürür. 90 derecenin üzerine çıkıldığında ise reçine içinde ekzotermik bir reaksiyon tetiklenir.
Reaksiyon, kendi ısısını üreterek kontrolsüz bir kürleşmeye yol açar. Kontrolsüz kürleşme, reçine içinde mikro boşluklar oluşturur. Mikro boşlukların hacimce oranı yüzde 2’yi geçtiğinde, kulenin yorulma ömrü 20 yıldan 12 yıla iner. Operatörün işi, bu 20 derecelik dar pencerede, 43 dakika boyunca, dönen bir kalıbın üzerinde kimyasal bir saati yönetmektir.
Büyük çaplı geleneksel çelik kuleler, 100 metrenin üzerinde taşıma sorunu yaratır. Karayoluyla taşınabilen bir silindir çapı en fazla 4,3 metredir. Oysa modern bir türbinin taban çapı 6 metreye ulaşır. Çap, dökme çelik flanşların kaynaklandığı, çok parçalı ve cıvatalı çözümler gerektirir. Her bir cıvata deliği, bir gerilme yığılma noktasıdır. Sarma teknolojisi, bu yığılma noktalarını ortadan kaldırır.
Cam elyafı takviyeli polimer, yorulma yüklerine karşı çeliğe kıyasla çok daha toleranslıdır. Çelik bir flanş kaynağı 5 milyon yük çevriminde çatlak başlatabilirken, sürekli sarılmış bir kompozit gövde aynı çevrimde elastik modülünü neredeyse hiç kaybetmez.
Kulenin kendi ağırlığı da bir o kadar kritiktir. Açık deniz platformları için yüzer temeller kullanıldığında, üstyapı ağırlığı doğrudan balast maliyetine yansır. 120 metrelik bir çelik kule yaklaşık 250 ton gelir. Eşdeğer bir kompozit kule, 180 tonun altında kalır. Aradaki 70 tonluk fark, yüzer platformun su altındaki balast tanklarının boyutunu küçültür. Da demirleme zincirlerinden tutun da kurulum vincine kadar bütün bir tedarik zincirini hafifletir.
Kompozit gövde aynı zamanda Pasifik kıyılarındaki tuzlu sis bulutlarına karşı korozyon boyası gerektirmez. Yılda iki kez rüzgar teknisyenlerinin iple erişim yapıp boya kontrolü yaptığı çelik kulelerin aksine, kompozit kulelerde bakım, yalnızca yüzey jelkotunun 5 yılda bir UV taramasından ibarettir.
Kompozit ve çelik arasındaki asıl fark, hasarın ilerleme biçiminde yatar. Çelik bir kulede, bir kaynak çatlağı başladığında, çatlak ucu her yük çevriminde birkaç mikrometre ilerler. İlerleme hızı, çatlak boyuyla orantılı olarak artar. Kompozit bir kulede ise hasar, fiber kopmaları ve matris çatlakları şeklinde dağınık bir ağ olarak yayılır. Dağınık hasar ağı, yapının genel rijitliğini yavaş yavaş azaltır, ancak ani bir göçme riski yaratmaz. Fark, denetim periyotlarını doğrudan etkiler.
Çelik kulelerde, kritik kaynak bölgeleri 6 ayda bir ultrasonik testten geçer. Kompozit kulelerde ise, gömülü fiber optik sensörler sayesinde, gerinim değerleri sürekli olarak izlenir. Sensör, fiberin kendisidir. Sarma sırasında yapıya gömülen bir optik fiber, lazer ışığındaki dalga boyu kaymasını ölçerek, kulenin her noktasındaki gerinimi 1 mikrostrain hassasiyetle bildirir. Operatör, sahaya gitmeden, kulenin hangi bölgesinde bir sertlik kaybı olduğunu ekranından görür.
Bir rüzgar kulesinin aerodinamik yüzey kalitesi, enerji üretimini sanıldığından fazla etkiler. Pürüzlü bir yüzey, hava akışında türbülansa yol açar ve bu türbülans, kanatların arkasındaki iz bölgesini bozar. Kompozit sarmada, kalıbın iç yüzeyi değil, dış yüzeyi referans alınır. Kalıp, çelikten mamul ve ayna cilasına kadar parlatılmış bir mandreldir. Sarım işlemi bittikten sonra, kule parçası bir hidrolik sistemle mandrelden sıyrılır. Geriye kalan iç yüzey, mandrelin pürüzlülüğünü birebir kopyalar. Dış yüzey ise, kalıp yüzeyiyle temas etmediği için, sarımın doğal bir dokusuna sahiptir.
Dokuyu kontrol etmek için son kat sarımında “peel-ply” adı verilen bir naylon kumaş uygulanır. Kumaş, reçinenin fazlasını emer ve kürleşme sonrası sıyrıldığında, yüzeyde 0,5 ila 1 milimetre arasında bir pürüzlülük profili bırakır. Profil, hava akışına karşı bir golf topu yüzeyi gibi davranır. Aerodinamik sınır tabakasının yapışmasını geciktirir ve sürüklenme katsayısını düşürür. 0,02’lik bir sürüklenme katsayısı düşüşü, yıllık enerji üretiminde yüzde 0,8’lik bir artış anlamına gelir. Bu, 10 megavatlık bir türbinde yılda kabaca 70 bin avro ek gelir demektir.
Peel-ply kumaşının dokusu, rastgele bir pürüzlülük değil, kontrollü bir mikro geometridir. Kumaşın iplik sıklığı, santimetrede 12 ila 18 tel arasında değişir. Sıklık arttıkça, yüzeyde kalan reçine miktarı azalır ve pürüzlülük profili daha sığ bir hal alır. Sığ profil, laminer akışın daha uzun süre korunmasını sağlar, ancak yüzeyin darbe dayanımını düşürür. Derin profil ise, dolu yağmuru ve kum fırtınalarına karşı daha dirençlidir, ancak sürüklenme katsayısını artırır. Tasarımcı, kulenin kurulacağı coğrafyaya göre bu iki parametre arasında bir seçim yapar.
Kuzey Denizi’nde, tuzlu su damlacıklarının aşındırıcı etkisi nedeniyle daha derin bir profil tercih edilir. Sahra çölünün kıyısındaki bir kara türbininde ise, kum fırtınalarının kattığı partikül yükü, yüzeyin kendi kendini temizlemesini sağlayacak kadar pürüzsüz bir profil gerektirir. Profilin milimetrenin onda biri seviyesindeki bu ince ayarı, kulenin 25 yıllık işletme ömrü boyunca üreteceği toplam enerjiyi etkileyen bir kaldıraçtır.
Vestas’ın kalıp değişimi ve 2015’teki tedarik krizi
2015 yılının ikinci yarısında, Danimarkalı türbin üreticisi Vestas, kara tipi rüzgar kuleleri için yeni bir modüler kompozit platformu devreye aldı. Şirket, geleneksel çelik tedarikçilerinden bağımsızlaşmak ve nakliye darboğazlarını aşmak için bu programı başlatmıştı. Ancak prototip aşamasından seri üretime geçişte, sarma tezgahlarının kalibrasyonunda beklenmeyen bir sapma yaşandı. Tezgahlar, iplik gerginliğini nominal değerin yüzde 15 üzerinde uygulayarak iki kulenin taban flanş bölgesinde mikro burkulmalara yol açtı. Sorun, sahaya sevk edilmiş kulelerin tahribatsız ultrasonik testinde tespit edildi. Vestas, o dönemde 2,5 megavatlık türbinler için olan siparişlerin yüzde 40’ını kapsayan bu kuleleri geri çağırmak zorunda kaldı.
Olay, şirkete 80 milyon avroya mal oldu ve üretim hattı 3 ay süreyle durdu. Ders, sarma teknolojisinde kalite kontrolünün sac kalınlığı ölçmekten çok daha derin bir süreç dinamiği gerektirdiğiydi. Bir çelik kusuru, kaynakta gözle görülür. Bir sarma kusuru, ancak fiberler yük altında eğilmeye başladığında ortaya çıkar.
Sayılar temsili, mantık gerçek.
| Kalem | Değer |
|---|---|
| , --- | , --- |
| Kule yüksekliği | 100 metre |
| Kule taban çapı | 4,5 metre |
| Kullanılan cam elyafı | 22 ton |
| Kullanılan epoksi reçine | 18 ton |
| Toplam malzeme maliyeti (cam + reçine) | 85.000 avro |
| İşçilik ve enerji (saatlik 120 avro, 60 saat) | 7.200 avro |
| Toplam üretim maliyeti | 92.200 avro |
| Eşdeğer çelik kule maliyeti (kaynak + boyama dahil) | 110.000 avro |
| Kompozit kule avantajı (nakliye ve bakım dahil değil) | 17.800 avro |
Duyarlılık twisti, reçine fiyatlarına bağlıdır. Epoksi reçine, ham petrol türevi bir üründür ve varil fiyatı 85 doların üzerine çıktığında kilogram maliyeti 2,4 avrodan 3,1 avroya sıçrayabilir. Durumda, 18 tonluk reçine tüketimi olan bir kulede maliyet avantajı 12.600 avro seviyesine çekilir. Yine de, çelik kulelerin kaynaklı bağlantılarında karşılaşılan ve toplam maliyetin yüzde 8’ini bulan kalite kontrol red oranı düşünüldüğünde, kompozit kulelerin maliyet eşiği oldukça geniş bir petrol fiyatı bandında korunur.
Bir rüzgar kulesi sarma süreci, üç ayrı katmanda okunabilir. İlk katman, malzeme bilimidir. Camın silis kumundan çekilen bir ipliğe, reçinenin ise bir petrokimya türevine dönüşmesi. Katman, kompozitin neden çalıştığını açıklar.
İkinci katman, süreç kontrolüdür. Robot kolun hızı, iplik gerginliği, reçinenin jelleşme süresi ve mandrelin sıcaklığı arasındaki hassas koreografi. Katman, kompozitin nasıl üretildiğini anlatır.
Üçüncü katman ise sistem ekonomisidir. Tonaj, çap, bakım periyodu ve enerji üretimi arasındaki matematiksel ilişki. Katman da kompozitin neden tercih edildiğini ortaya koyar.
Bir kuleyi sarmak, bir kum yığınını ve bir iplik makarasını alıp onları bir enerji santraline dönüştürmektir. Dönüşümün her aşamasında, gözle görülmeyen bir gerilim, bir sıcaklık ya da bir viskozite değeri, nihai yapının kaderini belirler. Kule, sahada rüzgarla dans etmeye başladığında, fabrikadaki bir sensörün kaydettiği son 0,2 saniyelik veri akışı, o dansın koreografisini çoktan yazmıştır.