Kompozit Malzemelerin Ana Özellikleri
Kompozit malzemeler yeni bulunan bir malzeme olmayıp, doğada varolan yapılardan hareketle farklı özelliklere sahip malzemelerin birleştirilmesi sonucu elde edilmektedir. Tanım olarak iki ya da daha fazla malzemenin makroskopik düzeyde bileşimi olarak söylenebilir.
Teknolojik olarak bakıldığında 1940’lı yıllardan sonra bu malzemelerin havacılık sektöründe kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Amaç olarak çelik ve alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini daha düşük ağırlıkta ancak daha mukavemetli, sertlik değeri, aşınma dayanımı ve kırılma tokluğu yüksek malzemelerin geliştirilmesidir (Çizelge 1)
Öte yandan tıpkı havacılık sektöründe olduğu gibi rüzgar türbini rotor kanat yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranını ifade eden, özgül mekanik özellik değerleri açısından da kompozit malzemelerin geleneksel malzemeler oranla önemli farkla üstünlükleri olduğu Çizelge 1’den de görülebilir. İşte bu durum kanat tasarımında kompozit kullanımının ön plana çıkmasına yol açmıştır.
Ancak kompozit malzemelerin yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılması hangi kompozitlerin bu konuda uygun olabileceği sorgulanabilir. Bu açıdan, yapılarındaki malzemelerin formuna göre değerlendirme yapılabilir. Buna göre gruplama; Elyaflı kompozitler, Parçacıkla kompozitler,
- Tabakalı kompozitler,
- Karma kompozitler, şeklinde yapılabilir.
- epoksi reçineler,
- polyester reçineleri,
- polyamidler (naylonlar), olarak sınıflandırılabilir.
- Düşük ve yüksek sıcaklıklarda sertleşebilmesi
- Yüksek aşınma direnci
- Çeşitli yüzeylere iyi yapışabilme
- Yüksek kimyasal direnç
Elyaflı kompozit tipi elyafların matris yapısında yer almasıyla meydana gelmiştir. Çünkü elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetine etkileyen önemli bir unsurdur. Uzun elyafların matris içinde birbirine paralelliği ile yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanabilmektedir. Parçacıkla kompozitler; bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklarıdır. Tabakalı kompozitler, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiplerdir. Farklı elyaf yönlemelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli malzemelerdir. Şekil 3’de kanat yapımında kullanılan sandviç tipi kompozit malzemelerinin işlem aşamaları görülmektedir. Karma kompozitler aynı yapıda iki daha fazla elyaf çeşidinin bulunması sonucu oluşmaktadır. Hibrid kompozitlerde olarak adlandırılan bu malzemeler iki farklı elyafın devrede olması ile maliyet düşüklüğünün yanında malzeme özelliklerinin iyileşmesi sağlanabilmektedir. Öte yandan kompozit tasarımında, iki önemli unsur vardır. Bunlardan birincisi, matristeki fiberin yönlenme doğrultusudur. İkincisi ise malzeme dizaynında, aerodinamik koşullarında göz önünde bulundurulması zorunluluğudur. Bu koşullar gerçekleştiğinde; kompozit malzemelerin imalata uygunluğu, bakım maliyetinin düşük olması ve mekanik özelliklerinin iyi olması türbin tasarımında büyük avantajlar sağlayacaktır.
Rüzgar türbini endüstrisinde kullanılan kompozitlerde matris görevi yapan polimer esaslı reçineler
Epoksi reçineleri isimlerini lineer polimerlerin uçlarındaki epoksil gruplarından alırlar. Epoksi reçinelerinin; uzay ve havacılık endüstrisinde kullanılan kompozit malzemelerinin üretilmesinde, çeşitli takviyelere (karbon, cam, bor) matris malzemesi olarak seçilmesini sağlayan özellikleri şunlardır;
Asit ve alkollerin kondensasyonu ile elde edilen polyester reçineleri reaksiyona giren maddelerle farklı gruplara ayrılırlar. Polyesterlerin bir cinsi olan alkidler; kaplayıcı madde yapımında, doymuş polyesterler; tekstil, elektrik, fotoğraf film ve otomotiv endüstrisinde kullanılırlar. Havacılık endüstrisinde kullanımı oldukça yaygın olan polyester çeşidi ise doymamış polyesterlerdir. Sert ve dayanıklı olan polyamidlerin birçok çeşidi vardır. Kompozit malzeme üretiminde kullanılan Naylon 6 ve Naylon 66 bu polyamidlerin en önemlileridir. Fiber üretiminde camın birçok farklı bileşimi kullanılır. En çok kullanılan; kalsiyum, bor, sodyum, demir ve alüminyum oksitlerini de içeren silis camıdır. Kompozit malzemelerde, cam fiber olarak en çok kullanılan 3 değişik bileşim Çizelge 2’de verilmiştir E camı; yüksek mukavemet, sertlik, elektriksel direnç özelliklerine sahiptir. C camının korozyon direnci yüksektir. S camı; yüksek young modülü, yüksek sıcaklıklarda gösterdiği direnç nedeniyle, türbin endüstrisinde geniş bir kullanım alanı bulmuştur. Karbon fiberler ; hazırlandığı maddeye bağlı olarak iki gruba ayrılır. Petrol türevlerinden elde edilen zift esaslı fiberler; büyük ölçüde dayanım dışı amaçlarla kullanılırlar. Takviye amaçlı kullanımlarda genellikle PAN fiberleri kullanılır. Bu grup içinde yüksek dayanımlı, fiber türleri vardır. Karbon fiberlerin tasarım malzemesi olarak kullanılması, daha çok yüksek dayanımlı türü üzerinde yoğunlaştırılmaktadır. Karbon fiberler; grafit tabakalarındaki karbon atomları arasındaki kuvvetli kimyasal bağ nedeniyle yüksek elastisitesi ve çekme dayanımına sahiptirler. Grafit tabakalarının fiber eksenine paralel olarak yönlendirildiği durumlarda en yüksek dayanım değerlerine ulaşılır. Nispeten yeni ve geleceği parlak bir fiber türü olan organik fiberler, yüksek mukavemet ve rijitliğe sahip ve büyük oranda düzenli polimerlerdir. Organik fiberlerde karbon fiberleri gibi anozotropik davranış gösterirler. Organik fiberlerin; kevlar 29 ve kevlar 49 gibi ticari isimleri olası çeşitleri vardır. 3. Kompozitlerin Rüzgar Türbinlerinde Kullanımı Rüzgar türbinleri genellikle rotor ağırlık kontrolü, uzun hizmet ömrü, sistem dizaynın ana hatları ve maliyet karakterlerinin yarısına performans gereksinimlerini karşılayacak şekilde dizayn edilirler. Diğer tüm koşulların eşit olduğu durumda ağırlığı en az tutan dizayn kriteri en uygun dizayn olacaktır. Buna göre uygun özelliklere sahip hafif malzemeler en iyi verimi sağlayacaktır. Kompozit malzemeler bu amaçla kullanılabilecek uygun bir malzeme gurubunu oluşturmaktadır. Kompozit malzemelerin rüzgar türbinlerinde kullanılması ile enerji elde edinim maliyet değeri aşağıya çekilmiştir. Günümüzde bu değer 1980’li yıllara oranla kWh başına neredeyse yüzde 90’lar düzeyindedir. Bunun anlamı 1980’lerde kwh maliyet değeri 40 US cent iken bugün bu 4 cente düşürülmüştür. 2020’li yıllar için beklenen 2, 25 cent düzeyidir. Şüphesiz bunda kompozit malzeme kullanımının büyük payı bulunmaktadır. Özellikle büyük türbinlerde kompozit malzemelerin kullanılmasının bu düşüşte etkili olmuştur. Ancak küçük türbinlerde metal malzemelerin kullanıma devam ettiği bazı uygulamalarda bulunmaktadır. Kompozit malzemelerin bu türbinlerde de gelecekte yerini alacağı hiç şüphesizdir. Ancak günümüzde çokça kullanılan 10 kW’lik jeneratörler yerini 600 kW’lik jeneratörlere bırakmıştır. Gelecek için 60 m hatta 80 m çaplı 5MW dan daha güçlü rüzgar türbinlerinin yapılması daha şimdiden gündeme gelmiştir. Kompozit malzemeler sadece konstrüksiyon açısından değil aynı zamanda rotoru oluşturan kanatların süpürdüğü alandan elde edilen enerjinin verimsel değerinin artması ile de önemlidir. Hatta başta Avrupa olmak üzere deniz üzerine yerleştirilen rüzgar türbinlerinin yaygınlaşarak adeta deniz üstünde rüzgar türbini tarlalarının oluşumunda kompozit malzemelerin etkisi büyük olmuştur. Öte yandan rüzgar türbinlerinin aerodinamik açıdan değerlendirilmesi yapıldığında sistemin optimizasyonu için örneğin 600 kW’lik bir türbin için 19-30 d/dak’lık bir devir yanında merkez noktada 15 m/s varan bir rüzgar hızının olması gerekmektedir. Ayrıca fırtınalı gibi yüksek hız koşullarında ya da rüzgar hızının olmadığı değişen koşullarda sistemin kararlılığını sağlayabilmesi gerekir. Şüphesiz bu değerlere ve koşullara ulaşabilmek ve çalışmasını devam ettirebilmek için rotoru oluşturan kanatların uygun tasarımı yanında uygun malzemenin de düşünülmesi zorunludur. Malzemeye sadece yoğunluk düşüşü, maliyet vb. açıdan değil değişen koşullara adaptasyonu açısından da bakılmalıdır. İşte tüm bu yaklaşımlar rüzgar türbininde bir noktada kilitlenmiş ve kompozit malzemenin kullanımının yaygınlaşması ile rüzgar enerjisinden daha fazla faydalanılabileceği görülmüştür. Nitekim yapılan çalışmalarda bu malzemenin kullanıldığı sadece rotor sistemi kanat yapılarında bir yıl içinde 3000 saati aşan değerlerde bakıma gereksinim kalmadan sistemin verimli bir şekilde çalıştığı saptanmıştır. Ayrıca yüksek dönü hızlarında rotorun türbin jeneratörüne yaptığı etkininde zarar vermeyecek düzeye indirilmesi de önemli görülmüştür. Hatta gücün bilgisayar kontrolü ile düzenlenmesi sistem kararlılığını sağlamıştır. Günümüzde bazı uygulamalarda her kanadın ayrı ayrı frenlenebilir oluşu ile de zarar görme riski en aza indirilmiştir. Yine yapılan çalışmalarda kompozit malzeme kullanımı ile rüzgar türbinlerinde ideal aerodinamik yapının gerçekleştirilebileceği ortaya konulmuştur. Nitekim dünya çapındaki büyük imalatçılar rüzgar türbini imalatlarında artık kompozit malzemeleri kullanmaktadırlar. Rüzgar türbinlerinde en çok kullanılan kompozit malzemeler cam/polyester özelliğindedir. Bazı uygulamalarda bünyeye metal parçacıkları katıldığı da görülmektedir. Cam/polyester kompozit yapılarda camın oranı yüzde 40’lara kadar çıkarılabilmektedir. Bu durum cam takviyeli kompozitlerin uzun kanat yapılarında sakıncalı yönünü oluşturmaktadır. Çözüm cam/karbon yapısında kompozitlerle sağlanabileceği söylenebilir. Ancak karbonun hali hazırda birim fiyatının yüksek oluşu bunun kullanılmasında baş faktör olduğu görülmektedir. Rüzgar türbinlerinde özellikle kanatlarda kullanılan bir başka tip kompozit yapısı doğal kompozit olarak bilinen ağacın kullanılmasıdır. Bu amaçla yaklaşık 2, 5-4 mm kalınlığındaki ince tahta ağaç kaplamalardan oluşturulan tahta/epoksi laminant kompozit ürünleri tercih edilmektedir. Ancak bununda özellikle büyük kanat formlarında işçilik gereksinmesinin fazla oluşu sakıncalı yönünü oluşturmaktadır. Dünya çapındaki uygulamalara bakıldığında örneğin üretilen kanatların yüzde 47’sini elinde bulunduran Danimarka’daki LM Glasfiber adlı şirketin cam takviyeli polyesterlerin rüzgar türbini imalatında kullandıkları görülmektedir. Bu şirketin bu kompozitleri 13, 5-39m çapında 50 kW’den, 5MW’a kadarki türbinleri bu malzemeden ürettiği bilinmektedir. Cam takviyeli polyesterler üstüne balsa ya da köpük kaplama ile yaptıkları sandviç malzemeler yine bu amaçla kullanmaktadırlar. Jel kaplama ile yansıma olmadan ve UV dayanımına sahip yapıların oluşturdukları bilinmektedir. Diğer bir imalatçı ki bu pazarın yüzde 24’ünü elinde bulunduran Vestas Wind System A. S. kanat yapılarında cam/epoksiyi önermektedir. Bu yapının 110 derecede oluşturulması ile oldukça iyi sonuçlar verdiği belirtilmektedir. Aynı firma kompozitin sadece kanatlarda değil, burun konisinde, jeneratör grubunun korunmasında, borularda, kulede, kaplinlerde kullanarak sistem maliyetini ve verimliliğini aşağıya çekmeyi başarmıştır. Yine Danimarkalı NEC Micon firması da tahta kompozitler içersinde aerolaminatların kullanılması gerektiğini ve bunun yerinin ağır cam/polyester ile hafif cam /polyester kompozit grubunun arasında olduğunu belirtmektedirler. Bu firma 1980 yılından beri üretimini yaptığı 5000 türbinde tahta kompozitleri kullandığını, özelikle tahta/epoksi yapıyı şiddetli savunarak cam takviyeli yapılara oranla daha uygun olduğunu açıklamaktadırlar.
