Yeni bir hidrolik güç aktarma sistemi, güvenilir ve ekonomik rüzgar türbinlerinin yolunu açabilir.
Geleneksel mekanik ve elektrik doğrudan tahrikli şanzımanlar, büyük rüzgar türbinlerinde ciddi eksikliklerle karşı karşıyadır. Yeni bir hidrolik şanzıman daha küçük, daha hafif ve daha güvenilir bir alternatif sunuyor.
Küresel tüketiciler yenilenebilir enerjiyi giderek daha fazla kucakladıkça, açık deniz rüzgar elektrik üretimi, son yıllarda yıllık %25’in üzerinde bir büyüme kaydetti. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, kümülatif kapasitenin 2030 yılına kadar yaklaşık 200 GW’a ve 2050 yılına kadar 500 GW’ın üzerine çıkmasıyla önümüzdeki on yılda pazar büyümesinin hızlandığını tahmin ediyor.
Hollanda, Utrecht merkezli rüzgar türbini uzmanı Hydrautrans BV, bu iddialı hedeflere ulaşmaya yardımcı olmak için hidroliğin kanıtlanmış faydalarından yararlanmaya çalışıyor. Yeni nesil açık deniz rüzgar santralleri için ideal olduğu söylenen 12+ MW mekanik-hidrolik bir aktarma organı geliştiriyor.
Boyut önemlidir
Hızla genişleyen açık deniz rüzgar pazarı, daha büyük ve daha güçlü türbinlere olan talebi artırdı. Okyanus tabanlı rüzgar platformları büyüdükçe daha verimli olma eğilimindedir ve açık deniz rüzgarını daha uygun maliyetli ve rekabetçi bir temiz enerji kaynağı haline getirir. Ancak Hydrautrans CEO’su Ernst van Zuijlen, boyut arttıkça geleneksel mekanik ve doğrudan tahrikli elektrik şanzımanlarını ciddi bir baskı altına soktuğunu söyledi.
10 MW’ı aşan açık deniz türbinlerinde büyük eksiklikler olduğunu açıkladı. Bu güç seviyelerinde geleneksel mekanik dişli kutuları bozulmaya eğilimlidir ve yüksek bakım gereksinimlerine sahiptir. Bu nedenle açık deniz endüstrisi giderek daha fazla doğrudan tahrikli jeneratörleri tercih ediyor. Bu birimler rotorla aynı hızda yavaşça döner. Ancak doğrudan tahrikli jeneratörler büyüdükçe, aynı zamanda ağırlıkta üstel bir artış da getiriyorlar.
Bu, dağıtımı giderek zorlaştırıyor. Örneğin, 12 MW’lık bir nominal güçte, jeneratörün kendisi yaklaşık 450 ton ağırlığındadır ve yardımcı bağlantılı sistemlerle birlikte, tüm ünite yaklaşık 600 ton ile ölçeğin en üstünde yer almaktadır. Ayrıca rotor ve kanatlar da 200 tonun üzerinde ağırlığa sahiptir.
Aktarma Organı, halka dişlinin her iki yanında sekiz planet dişli kutusu içerir. Her gezegen bir hidrolik pompayı çalıştırır ve dört pompa bir hidrolik motoru besler.
Hydrautrans Aktarma Organı, halka dişlinin her iki yanında sekiz planet dişli kutusu içerir. Her gezegen bir hidrolik pompayı çalıştırır ve dört pompa bir hidrolik motoru besler.
Bu kadar ağır bir paket, nakliye lojistiğini ve kurulumunu zorlaştırır. 600 tonluk tahrikin tamamını 140 m veya daha fazla yüksekliğe kaldıracak vinç kapasitesine sahip bir gemi gerektirir – tüm bunlar dalgalara ve rüzgar kuvvetlerine maruz kalırken. Başarılı kurulum, ancak günde yaklaşık 500.000 dolara mal olan son derece büyük ve pahalı bir jack-up gemi ile mümkündür.
Alternatif yaklaşım
Van Zuijlen, hibrit Hydrautrans Aktarma Organının (HDT) bu zorlukların üstesinden geldiğini söyledi. HDT, 12 MW’ı aşan ve modüler üniteler eklenerek artırılabilen bir kapasiteye sahip olacak. Yine de daha yüksek güç-ağırlık oranı ve kg başına karşılaştırılabilir maliyetle, mekanik ve doğrudan tahrik seçeneklerine kıyasla önemli ölçüde daha küçük, daha hafif ve daha güvenilir olacak şekilde tasarlanmıştır.
HDT iletiminde, türbin rotoru ana mil üzerinde yaklaşık 8 rpm’de döner. Elektriğin verimli bir şekilde üretilmesi, dönüş hızının 1.200 rpm’den fazla artırılması gerektiği anlamına geldiğini söyledi. Bunu başarmak için rotor, 16 planet dişli kutusuyla birbirine geçen büyük bir halka dişliyi doğrudan tahrik eder. Her dişli kutusu bir hidrolik pompayı çalıştırır. Dört pompa, aynı tasarıma sahip bir hidrolik motora yüksek basınçlı sıvı sağlar; dolayısıyla hız oranı 1:4’tür. Bu dört motor, elektrik üreten iki adet 6+ MW jeneratöre doğrudan bağlıdır. Bu nedenle, Hydrautrans Aktarma Organı, doğrudan tahrikli elektrik sistemlerine kıyasla daha hafif, yüksek hızlı jeneratörleri çalıştıran mekanik güç ayırmalı ve modüler hidrolik sistemlerden oluşur.
Yenilikçi hidrolikler
Hidrolik, uzun süredir yüksek güç yoğunluğuyla tanınırken, van Zuijlen, geleneksel hidrolik pompalar ve motorlar verimsiz olduğu için teknolojinin büyük rüzgar türbinlerinde daha önce başarılı bir şekilde kullanılmadığını söyledi. Ayrıca hareketli parçalar arasındaki metal-metal teması, performansı ve ömrü sınırlayan sürtünme, direnç ve aşınmaya neden olur.
Motor bölmesinin kesit görünümü, sağdaki elektrik jeneratörlerine bağlı dişliler, pompalar ve hidrolik motorları gösterir.
Şimdi, ekonomik yenilenebilir enerji üretimleri için bir atılımda, Hydrautrans Aktarma Organı, INNAS BV, Breda, Hollanda tarafından geliştirilen patentli Yüzer Kupa Teknolojisinden (FCT) yararlanıyor. FCT, güç aktarımını metalden metale temas olmaksızın hidrolik kuvvetler aracılığıyla iletir. Bu, sürtünmeyi ve aşınmayı neredeyse ortadan kaldırır ve pompa ve motor başına %98’in üzerinde bir verimlilik sağlar.
FCT teknolojisi daha küçük sistemlerde kanıtlanmıştır. Hydrautrans’ın HDT’de kullanmayı planladığı hidrolik pompalar ve motorlar, devir başına hacim/deplasman açısından yaklaşık 100 kat daha büyüktür. Van Zuijlen, “Bu, halihazırda piyasada bulunan FCT pompalarından bile daha yüksek verimlilikle sonuçlanmalıdır,” dedi.
INNAS’tan Peter Achten’e göre, HDT’nin pompaları ve motorları devir başına 4.920 cc deplasmana sahiptir ve 350 bar’lık bir tepe basıncı için tasarlanmıştır. Rüzgar türbini uygulamasında yük esas olarak 270 bar civarındadır. Pompaların nominal dönüş hızı 375 rpm’dir, bu da 1,1 MW’lık bir tepe güç seviyesi ile sonuçlanır. Motorlar dört kat daha hızlı (1.500 rpm) çalışır ve 4,3 MW’lık bir tepe gücüne sahiptir. Her motoru dört pompa besleyecek ve bir jeneratörü çalıştırmak için iki motor seri olarak monte edilecektir. Her birinin iki paralel düşük basınç bağlantı noktası ve iki yüksek basınç bağlantı noktası vardır.
Hidrolik üniteler 28 piston (2×14) olarak tasarlanmıştır. Rotorun sol tarafındaki pistonlar, sağ taraftaki pistonlarla aynı hizada konumlandırılmıştır. INNAS’ın mevcut pompa ve motorlarında olduğu gibi faz kayması yoktur. “Bu, büyük açık deniz rüzgar türbinleri için en büyük endişe olmayan ünitelerin gürültüsü için bir dezavantaja sahip. En önemli avantajı, rulman üzerindeki eksenel yükü tamamen ortadan kaldırarak makaralı rulmanların ömrünü birkaç on yıla çıkarmayı mümkün kılıyor” dedi.
Sistemin faydaları
Van Zuijlen, “Yüksek verimli mekanik-hidrolik sistem, tipik doğrudan tahriklere ciddi bir alternatiftir,” dedi. “Her şeyden önce, ağırlık tasarrufu ve buna bağlı olarak daha düşük maliyet var. Yüksek güç yoğunluğu nedeniyle daha hafif bir tasarımla yetinebiliriz. Bunun ağırlıkta %40’a varan tasarruf sağlayabileceğini hesapladık.” Jeneratörler dahil maksimum kaldırma ağırlığı artık 200 ila 240 ton aralığındadır. Ve kompakt aktarma organları genel nasel boyutlarını azaltır.
HDT’nin INNAS yüzer kap pompası, 350 bar’lık bir tepe basıncında akış devri başına 4.920 cc sağlar.
Ayrıca, aktarma organımız modülerdir. Sistemi 250 ton kapasiteli vinçler ile kurulabilecek parçalara bölebilirsiniz. Ve sonuç olarak, temellerin o kadar büyük ve ağır olması gerekmez. Modüler tasarım, mevcut, daha küçük gemilerle kurulumu mümkün kılıyor ve milyonlarca tasarruf sağlıyor” diye devam etti. “Bakım sırasında, bir pompayı, motoru veya dişli kutusunu değiştirmeniz gerektiğinde daha da küçük bir vinç parça değiştirebilir. Tüm bunlar maliyetten tasarruf sağlar.
Mekanik-hidrolik sistemin daha az karmaşık ve oldukça güvenilir olması bekleniyor. HDT halka dişli doğrudan mile bağlı olduğu için, dış yükler veya bileşenler arasındaki yanlış hizalama nedeniyle halka dişlide eğilme momentleri oluşmaz. Hidrolik şanzıman da esnektir, tepe yükleri sönümler ve bir pompanın diğerlerini etkileyen kademeli etkilerini sınırlandırır.
Metal-metal teması olmadığından hidrolik bileşenlerde aşınma ve yıpranma beklenmez. Radyal yükler mekanik dişli kutusunda veya jeneratörde değil ana yataklarda emildiğinden ve rüzgar yükündeki dalgalanmalar hidrolik sistemde kısmen sönümlendiğinden, bakım gereksinimlerinin son derece düşük olması beklenir.
Ve düzgün bir şekilde tasarlandığından, tek bir pompa veya hortumun arızalanması durumunda türbinin kapatılması gerekmez. Van Zuijlen, “Prensipte kısmi operasyon mümkün olacaktır” dedi. Tüm sistem 30 yıllık bir kullanım ömrü için tasarlanmıştır.
Geleceğe bakış
Pompalar, motorlar ve komple HDT aktarma organları tasarlanmış ve kavramsal olarak üretilmiştir. Bu yaklaşımı kanıtlamak için Hydrautrans ve INNAS, Hollanda Uygulamalı Bilimsel Araştırma Kurumu TNO ile işbirliği içinde testler gerçekleştirdi; ve ultra hassas parçaların ve prototiplerin uzman bir üreticisi olan VDL ETG Precision Technology.
Ağır kaldırma mühendisliği şirketi Mammoet, Hydrautrans ile ortaklaşa, 250 tonluk bir yükü kaldırabilen kendinden montajlı bir vinç sistemi geliştirdi. 12 MW HDT’nin büyük ve son derece pahalı bir jack-up kurulum gemisine ihtiyaç duymadan montajına izin verir.
Hedefler, temel bileşenlerin üretilebilirliğini sağlamak ve aynı prensipte çalışan daha küçük pompalar için halihazırda kanıtlanmış olan HDT’deki Yüzer Kap Teknolojisinin performansını ve verimliliğini doğrulamaktı.
350 barda çalışan monte edilmiş bir mahfaza içinde altı takım kap ve piston ile yapılan tezgah testleri,ihmal edilebilir sürtünme kayıplarını ve bileşen aşınmasının olmadığını ve yaklaşık %99’luk hacimsel verimliliği doğruladı. Van Zuijlen, ek optimizasyon ile daha fazla iyileştirmenin mümkün olduğunu söyledi. Testler ayrıca yüksek hassasiyetli üretim sürecini doğruladı.
Prensip Kanıtı aşaması tamamlandığında, VDL ETG prototip oluşturma ve sertifikalandırma için eksiksiz pompalar ve motorlar üretmeye başlayacak. “2023’te yaklaşık 12 MW’lık bir ilk prototipe sahip olmayı umuyoruz” dedi.
Hydrautrans yetkilileri şu anda rüzgar enerjisi OEM’leri ile HDT teknolojisinin potansiyel uygulamasını tartışıyorlar. Zorluk, yalnızca açık deniz rüzgar türbini üreticilerini HDT’nin uygulanabilirliği ve altında yatan ekonomik faydalar konusunda ikna etmek değil. Türbin üreticileri de mevcut doğrudan tahrik teknolojisine yapılan multi-milyon dolarlık yatırımlarından vazgeçmek konusunda isteksizler. Van Zuijlen, “İlgileniyorlar ama aynı zamanda tereddütlüler, çünkü bu, tasarımlarının yaklaşımında büyük bir değişiklik anlamına geliyor” dedi.
Piyasada karşılaştırılabilir bir dişli kutusu olmamasına rağmen, seri üretim başladığında geleneksel dişli kutularına kıyasla daha düşük maliyetler bekliyor. Ancak üretim, kurulum ve bakımın tüm yönlerini hesaba katarak, kWh (LCoE) başına ömür boyu maliyetlerin %4 azaltılabileceğini tahmin ediyor.
Günün sonunda sistemimiz teknik olarak mümkün olanın sınırlarını zorlayabilir. Hibrit aktarma organları modüler bir tasarıma sahiptir ve nispeten kolay bir şekilde 15 ila 20 MW’a kadar büyütülebilir. O zaman aktarma organları sınırlayıcı faktör değil, rotor kanatları gibi diğer bileşenlerdir” dedi.
Kaynak: https://www.fluidpowerworld.com/hydraulics-harnesses-offshore-wind/