Material Selection and Projection on the Composite Wind Turbine Blades’ Fatigue Life and Strenght

Yıl 2018, Cilt: 59 Sayı: 690, 27 - 44, 21.03.2018

Mine Yağlıkçı Melih Soner Çeliktaş

Öz

Energy prices fluctuations, supply uncertainties and environmental concerns are driving the Globe to rethink
its energy mix and develop diverse sources of clean, renewable energy. Wind turbine blade is on of the most
research is carried out in terms of the material in the renewable energies. Turbine blades are elements that
capture the maximum amount of wind to produce energy. In this respect, blades both design and material
aspect of the wind turbine is becoming one of the most important elements. At the same time turbine
blades due to exposure to aerodynamic conditions are the most in damaged parts. Wind turbine blades in
high-strength materials to adapt to the harsh natural conditions must be selected. Composite materials are
preferred for the wind turbine blades due to both mechanical properties and light weight the product. This
study includes work done on behalf of improve the mechanical means used in the composite materials of
the wind turbine blade. Reinforcement and matrix materials used for strengthenings were examined and
the results were compared. Additionally, this study focused on future projections of wind blade materials. 

Anahtar Kelimeler

Wind turbine blades, composite materials, strength, strengthenings

Kompozit Rüzgâr Türbin Kanatlarının Yorulma Ömrüne ve Dayanımına Bağlı Olarak Malzeme Seçimi ve Gelecek Projeksiyonu

Öz

Enerji fiyatlarındaki dalgalanmalar, tedarik konusundaki belirsizlikler ve çevresel kaygılar, tüm dünyayı temiz ve yenilenebilir enerji ile çeşitlendirme konusunda tekrar düşünmeye itmektedir. Yenilenebilir enerjiler
içinde rüzgâr türbin kanatları, malzeme açısından en çok araştırmanın yapıldığı alanlardan biridir. Türbin
kanatları maksimum oranda enerji üretimi için rüzgârı yakalayan elemanlardır. Bu açıdan kanatlar hem
tasarım hem de malzeme yönüyle rüzgâr türbinin en önemli unsurlarından biri haline gelmektedir. Aynı
zamanda türbin kanatları maruz kaldığı aerodinamik koşullar yüzünden en çok hasara uğrayan kısımlardır.
Rüzgâr türbin kanatlarında zorlu doğa koşullarına uyum gösterecek şekilde yüksek dayanımlı ve aynı zamanda hafif malzemeler seçilmesi gerekmektedir. Kompozit malzemeler hem hafifliği hem de ürün mekanik özelliklerinden dolayı rüzgâr türbin kanatlarında tercih edilmektedirler. Bu çalışma, rüzgâr türbinlerinin
kanatlarında kullanılan kompozit materyallerin mekanik anlamda iyileştirmesi adına yapılan çalışmaları
içermektedir. Takviye ve ana malzemeler için kullanılmış olan güçlendiriciler incelenmiş ve sonuçları karşılaştırılmıştır. Ayrıca, rüzgâr türbin kanat malzemeleri için gelecek projeksiyonları verilmeye çalışılmıştır.

Anahtar Kelimeler

Rüzgâr türbin kanatları, kompozit malzemeler, mukavemet, güçlendiriciler

Kaynakça

• 1. Yücel, F. 2004. “Sürdürülebilir Kalkınmanın Sağlanmasında Çevre Korumanın ve Ekonomik Kalkınmanın Karşıtlığı ve Birlikteliği,” Çukurova Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, sayı 11, s. 100-120.
• 2. Çeliktaş, M. S., Sonlu, G., Özgel, S., Atalay, Y. 2015. “Endüstriyel Devrimin Son Sürümünde Mühendisliğin Yol Haritası,” Mühendis ve Makina, sayı 662 (56), s. 24-34.
• 3. Toffler, A. 1984. The Third Wave, Bantam Books, New York.
• 4. Basalla, G. 2004. Teknolojinin Evrimi, Çev. Cem Soydemir, TÜBİTAK, Ankara.
• 5. Aktan, C. C., Tunç, M. 1998. “Bilgi Toplumu ve Türkiye,” http://www.canaktan.org/yeni-trendler/yeni-ekonomi/bilgi-toplum-dogusu.htm, son erişim tarihi: 12.02.2015.
• 6. Sevim, C. 2014. Küresel Enerji Stratejileri ve Jeopolitik, 3. Baskı, Seçkin Yayınları, Ankara.
• 7. GWEC. 2016. “Global Wind Energy Council,” http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-PRstats-2015_LR_corrected.pdf, son erişim tarihi: 07.04.2016.
• 8. Towler, B. F. 2014. “Wind Energy,” In the Future of Energy, Towler, B. F (editor), Boston, Academic Press, p. 187-214.
• 9. Holierhoek, J. G., de Vaal, J. B., van Zuijlen, A. H., Bijl, H. 2013. “Comparing Different Dynamic Stall Models,” Wind Energy, vol. 16, p. 139–158.
• 10. Veers, P. S., Ashwill, T. D., Sutherland, H. J., Laird, D. L., Lobitz, D. W., Griffin, D. A., et al. 2003. “Trends in The Design, Manufacture and Evaluation of Wind Turbine Blades,” Wind Energy, vol. 6, p. 245-259.
• 11. Ma, P., Zhang, Y. 2014. “Perspectives of Carbon Nanotubes/Polymer Nanocomposites for Wind Blade Materials,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 30, p. 651-660.
• 12. Hau, E. 2006. Wind Turbines Fundamentals, Technology. Application, Economics. Second Edition, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Germany.
• 13. Kensche, C. W. 2006. “Fatigue of Composites for Wind Turbines,” International Journal of Fatigue, vol. 28, p. 1363-1374.
• 14. Korukçu, M. Ö. 2012. “Bir Rüzgâr Türbininin Değişik Koşullardaki Dinamik Davranışlarının İncelenmesi,” Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, sayı 17 (2), s. 121-138.
• 15. Çivi, C., Köksal, N. S. 2011. “Rüzgâr Türbinlerinde Oluşan Hasarların İncelenmesi,” C. B. Ü. Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi, sayı 16 (2), s. 45-56.
• 16. Turan, M. 2007. “Tabakalı Kompozit Malzemelerde Yüksek Hızlı Darbe Hasarı,” Mühendis ve Makina, sayı 575 (48), s. 3-8.
• 17. Khashaba, U. A. 2003. “Fatigue and Reliability Analysis of Unidirectional GFRP Composites Under Rotating Bending Loads,” Journal of Composites Materials, vol. 4 (37), p. 317-331.
• 18. Marin, J. C., Barroso, A., París, F., Cañas, J. 2008. “Study of Damage and Repairof Blades of a 300 Kw Windn Turbine,” Energy, vol. 7 (33), p. 1068-1083.
• 19. Ronold, K. O., Christensen, C. J. 2001. “Optimization of a Design Code for Wind Turbine Rotor Blades in Fatigue,” Engineering Structures, vol. 23, p. 993 -1004.
• 20. Liao, C. C., Zhao, X. L., Xu, J. Z. 2012. “Blade Layers Optimization of Wind Turbines Using FAST and Improved PSO Algorithm,” Renewable Energy, vol. 42, p. 227-233.
• 21. Kam, T., Tsai, S., Chu, K. 1997. “Fatigue Reliabilitity Analysis Composite Laminates Under Spectrum Stress,” Int. J. Solids Struct., vol. 34, p. 1441-1461.
• 22. Willett, H. G. 2012. “Characterisation of Composites for Wind Turbine Blades,” Reinf Plast, vol. 56, p. 34-36.
• 23. Kong, C., Kim, T., Han, D., Sugiyama, Y. 2006. “Investigation of Fatigue Life for a Medium Scale Composite Wind Turbine Blade,” Int. J. Fatigue, vol. 28, p. 1382-1388.
• 24. Hua, Y., Kasavajhala, A. R. M., Gu, L. 2013. “Elasticeplastic Analysis and Strength Evaluation of Adhesive Joints in Wind Turbine Blades,” Compos Part B Eng., vol. 44, p. 650-656.
• 25. Hayman, B., Wedel-Heinen, J., Brøndsted, P. 2008. “Materials Challenges in Present and Future Wind Energy,” MRS Bull, vol. 33, p. 343-353.
• 26. Karabağ, S. 2015. “Rüzgâr Türbini Kanadı İmalatı,” 3. İzmir Rüzgâr Sempozyumu, 8-10 Ekim, İzmir.
• 27. Hacıalioğlu, İ. H. 2013. “Türkiye 10. Kalkınma Planı Projeksiyonunda Kompozit Sektörü Genel Değerlendirmesi,” Türk Kompozit 2013-Kompozit Zirvesi, 3-5 Ekim 2013, İstanbul, s. 2-14.
• 28. Avcı, B., Yılmaz, T. B. 2012. “Rüzgâr Türbini Kanat Tasarımı ve Analizi,” Bitirme Projesi, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, İzmir.
• 29. Başdemir, C. Elibol, M. 2012. “Sandviç Kompozit Plakalarda Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Gerilme Analizi,” Bitirme Projesi, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, İzmir.
• 30. Uysal, A. 2008. “Rüzgâr Türbini Kanat Malzemelerinin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi,” Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• 31. Bassyouni, M., Iqbal, N., Iqbal, S. S., Abdel-Hamid, S. M. S., Abdel-Aziz, M. H., Javaid, U., et al. 2014. “Ablation and Thermo-Mechanical Investigation of Short Carbon Fiber Impregnated Elastomeric Ablatives for Ultrahigh Temperature Applications,” Polym Degrad Stab., vol. 110, p. 195-202.
• 32. Griffin, D. A., Ashwill, T. D. 2003. “Alternative Composite Materials for MegawattScale Wind Turbine Blades: Design Considerations and Recommended Testing,” Journal of Solar Energy Engineering , vol. 125, p. 515-521.
• 33. Edward, K. 1998. “An Overview of The Technology of Fibre-Reinforced Plastics for Design Purposes,” Materials & Design, vol. 19, p. 1-10.
• 34. Babu, K. S., Subba Raju, N. V., Srinivasa Reddy, M., Nageswara Rao, D. 2006. “The Material Selection for Typical Wind Turbine Blades Using a Madm Approach & Analysis of Blades,” MCDM 2006, 19-23 June2006, Chania, Greece.
• 35. Liu, B., Liu, Z., Wang, X., Zhang, G., Long, S., Yang, J. 2013. “Interfacial Shear Strength of Carbonfiber Reinforced Polyphenylene Sulfide Measured by The Microbond Test,” Polym Test, vol. 32 (4), p. 724–730.
• 36. Brondsted, P., Lilholt, H., Lystrup, A. 2005. “Composite Materials for Wind Power Turbine Blades,” Annu. Rev. Mater. Res., vol. 35, p. 505-538.
• 37. Mishnaevsky Jr, L., Brondsted, P., Nijssen, R., Lekou, D. J., Philippidis, T. P. 2012. “Materials of Large Wind Turbine Blades: Recent Results in Testing and Modelling,” Wind Energy, vol. 15, p. 83–97.
• 38. Shan, Y., Lai, K. L., Wan, K. T., Liao, K. 2002. “Static and Dynamic Fatigue of Glass–Carbon Hybrid Composites in Fluid Environment,” J Compos Mater, vol. 36, p. 159–72.
• 39. Shan, Y., Liao, K. 2001. “Environmental Fatigue of Unidirectional Glass–Carbon Fiber Reinforced Hybrid Composite,” Compos Part B: Eng., vol. 32, p. 355–63.
• 40. Park, J. M., Shin, W. G., Yoon, D. J. 1999. “A Study of Interfacial Aspects of EpoxyBased Composites Reinforced with Dual Basalt and SIC Fibres by Means of The Fragmentation,” Composites Science and Technology , vol. 59 (3), p. 355-370.
• 41. Wu, Z. S., Wang, X., Iwashita, K., Sasaki, T., Hamaguchi, Y. 2010. “Tensile Fatigue Behaviour of Frp and Hybrid Frp Sheets,” Compos Part B, vol. 41, p. 396–402.
• 42. Chikhradze, N. M., Marquis, F. D. S., Abashidze, G. S. 2015. “Hybrid Fiber and Nanopowder Reinforced Composites for Wind Turbine Blades,” J. Mater Res. Technol., vol.4 (1), p. 60-67.
• 43. Daniel, I. M., Ishai, O. 2006 Engineering Mechanics of Composite Materials, 2nd ed., Oxford University Press, New York.
• 44. Garcia, J. M., García, F. C., Serna, F., Pe˜na, J. L. de la. 2010. “High-Performance Aromatic Polyamides,” Prog. Polym. Sci., vol. 35, p. 623–686.
• 45. Ehlert, G. J., Sodano, H. A. 2009. “Zinc Oxide Nanowire Interphase for Enhanced Interfacial Strength in Lightweight Polymer Fiber Composites,” ACS. Appl. Mater. Interfaces, vol. 1, p. 1827–1833.
• 46. Wang, W., Li, R., Tian, M., Liu, L., Zou, H., Zhao, X., Zhang, L. 2013. “Surface Silverized Meta- Aramid Fibers Prepared by Bio-İnspired Poly (Dopamine) Functionalization,” ACS. Appl. Mater. Interfaces, vol. 5, p. 2062–2069.
• 47. Song, H. J. 2015. “Pairing Effect and Tensile Properties of Laminated High-Performance Hybrid Composites Prepared Using Carbon/Glass and Carbon/Aramid Fibers,” Composites Part B, vol. 79, p. 61-66.
• 48. Liu, Z., Erhan, S. Z., Xu, J. 2005. “Preparation, Characterization and Mechanical Properties of Epoxidized Soybean Oil/Clay Nanocomposites,” Polymer, vol. 46, p. 10119–10127.
• 49. Chatterjee, A., Islam, M. S. 2008. “Fabrication and Characterization of TiO2–Epoxy Nanocomposite,” Materials Science and Engineering A, vol. 487, p. 574–585.
• 50. Etika, K. C., Liu, L., Hess, L. A., Grunlan, J. C. 2009. “The Influence of Synergistic Stabilization of Carbon Black and Clay on the Electrical and Mechanical Properties of Epoxy Composites,” Carbon, vol. 47, p. 3128-3136.
• 51. Li, Y., Liu, X., Yuan, J., Wu, M. 2015. “Toughness Improvement of Epoxy Resin Mortar by Incorporation of Ground Calcium Carbonate,” Construction and Building Materials, vol. 100, p. 122-128.
• 52. EWEA. 2011. EU Energy Policy to 2050 Achieving 80-95% Emissions Reductions, March 2011 A report by the European Wind Energy Association.
• 53. Drachmann, A. G. 1961. Heron’s Windmill, Centaurus, vol. 7, p. 145–151.
• 54. Watson, J. C., Serrano, J. C. 2010. “Composite Materials for Wind Blades,” www.ppg.com, son erişim tarihi: 10.07.2016.
• 55. European Commission Staff Working Paper. 2011. Materials Roadmap Enabling Low Carbon Energy Technologies, Brussels, 13.12.2011, SEC (2011) 1609 final.
• 56. Mandell. J. 2010. “Selection of Wind Turbine Blade Materials for Fatigue Resistance,” The American Ceramics Society Materials Challenges in Alternative and Renewable Energy, Cocoa Beach, FL, 24 February 2010.
• 57. Fa, L. C., Ting, S. T. 2014. “Research on Technology Roadmaps of the Wind Power Industry Based on Bibliometrics and AHP Method - A Case Study of Wind Blade,” Advanced Materials Research, p. 1044-1045, 397-400.
• 58. Lekou, D. J. 2010. “Scaling Limits & Costs Regarding WT Blades,” WP3 Deliverable Report D3.4.3, https://www.researchgate.net/publication/263178958_Scaling_Limits_and_Costs_regarding_WT_blades, son erişim tarihi: 18.04.2016.
• 59. Aymerich, F. 2012. “Composite Materials for Wind Turbine Blades: Issues and Challenges,” SYSWIND Summer School, July 2012, University of Patras.
• 60. Marin, J., C., Barroso, A., Paris, F., Cañas, J. 2008, “Study of Damage and Repair of Blades of a 300 kW Windn Turbine,” Energy, vol. 33 (7), p. 1068-1083.