107 - ursi.org.tr
Transkript
107 - ursi.org.tr
RÜZGAR TÜRBİN SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Soner ÇELİKDEMİR1 1 Bitlis Eren Üniversitesi Adilcevaz Meslek Yüksekokulu scelikdemir@beu.edu.tr Mehmet ÖZDEMİR2 2 Fırat Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü mozdemir@firat.edu.tr Özet Rüzgar türbin sistemlerinde elektrik enerji üretirken, kullanılan ekipmanlar ve yöntemlerden dolayı sistemler birbirlerinden farklılık gösterirler. Bu farklılıklar, genel olarak rüzgar santrallerinin kurulacağı bölgenin rüzgar hızı değişimlerine bağlı olarak eksenlerine, çalışma hızlarına, kanat sayılarına ve rüzgar enerjisini alma şekillerine göre değişiklik gösterir. Üretilen elektrik enerjisinin gücüne ve kullanım alanlarına bağlı olarak da, güç kontrol sistemlerine, kullanılan generatörlere ve şebeke bağlantı durumlarına göre farklılıklar gösterirler. Giriş Günümüzde yaygın olarak kullanılmakta olan yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgar enerjisinin kaynağı yine yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisidir. Mevcut rüzgar türbin sistemleri çeşitli özelliklerinden dolayı birbirlerinden farklılık göstermektedir. Rüzgar türbin sistemleri; eksenlerine, çalışma hızlarına, kanat sayılarına, rüzgar enerjisini alma şekillerine, güç kontrol sistemlerine, kullanılan generatörlere ve şebeke bağlantı durumlarına göre sınıflandırılabilir. Eksenlerine Göre Rüzgar Türbinleri 1. Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri Düşey eksenli rüzgar türbinleri temel olarak ‘drag’ adı verilen rüzgar enerjisinin hava direncinden yararlanarak tasarımları yapılmıştır. Savonius ve Darrieus gibi iki çeşiti mevcuttur [3]. Darrieus rüzgar türbin modelinde, düşey konumlandırılmış ve türbin mili boyunca elips şeklinde olan iki kanat mevcuttur. Bu türbin sistemlerinde hareket kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkları ile sağlanır ve iki defa en yüksek moment değeri elde edilir. Bu türbin modelleri ‘yaw mekanizmasına’ ihtiyaç duymazlar, ayrıca generatör ve dişli kutusu yer seviyesinde bulunur [3]. Yaw mekanizması; rüzgar türbinlerinin rüzgarı alacak şekilde dönmelerini sağlayan hidrolik ya da mekanik aksamlar tarafından sağlanan sistemlerdir [3]. Düşey eksenli rüzgar türbinleri düşük rüzgar hız seviyelerinde üretim yapabilirler fakat buna karşın dişli kutusu maliyetleri ve bakımları masraflıdır. Ayrıca yüksek moment değerleri söz konusu olmaktadır. Türbin kanatlarının düşey konumlu olmalarından dolayı üst noktalar ile alt noktalardaki rüzgar hızları farklı değerlere sahiptir. Savonius rüzgar türbin sistemleri ise iki adet yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirlerine göre simetrik olarak kaydırılmış iki adet yarım silindirden oluşmaktadır. Silindirlerin iç kısımlarında pozitif ve dış kısımlarında negatif moment oluşmaktadır. Pozitif moment, negatif moment değerinden büyük olursa türbin pozitif moment yönünde hareket eder [3]. 2. Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri Yatay eksenli rüzgar türbin modellerinde dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatlar rüzgar ile belirli açı yapacak şekilde farklı kanat sayılarına sahip olabilirler. Bu rüzgar türbin modelleri yaw mekanizmasına ihtiyaç duyarlar. Kule masrafları fazla olmakla birlikte karasal alanlara kurulabildikleri gibi deniz üstlerine de kurulabilirler. Rüzgar Hızlarına Göre Rüzgar Türbinleri 1. Sabit Hızlı Rüzgar Türbinleri Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde rüzgar hızı belirli bir hız değerinin üzerinde ise dişli kutusu aracılığı ile rotor hızı sabitlenir. Bu rüzgar türbin sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonunu azaltmak için bir soft-starter ve kapasitör grubu ile şebekeye doğrudan bağlanmış bir indüktif generatöre sahip olmaları gerekmektedir [3]. Dişli kutusuna sahip olmalarından ve rüzgar hızlarında meydana gelen değişimler mekanik torkta ve buradan da şebekeye olumsuz etki olarak yansımaktadır. 2. Değişken Hızlı Rüzgar Türbinleri Değişken hızlı rüzgar türbinleri, geniş rüzgar hız aralıklarında kanatların farklı açılar ile konumlanabilmeleri sonucu çalışabilen rüzgar türbin modelleridir. Dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle verimleri yüksektir. Reaktif gücün kontrol edilebilir en iyi karakteristiklere sahiptirler fakat güç elektroniği maliyetleri yüksektir [2]. Kanat Sayılarına Göre Rüzgar Türbinleri 1. Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri Tek kanatlı rüzgar türbinlerinde, dönme hızının ve kanat uç hız oranının yüksek olmasından dolayı generatörün sağladığı moment, küçük değerli olmaktadır. Bu tür sistemlerde dengeyi sağlamak için karşıt yükler kullanılır. Fakat bu durum aerodinamik ve tasarım problemlerini ortaya çıkarır. Kanat uç hız oranlarının yüksek olmasından dolayı gürültü seviyeleri de yüksektir. 2. Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri Çift kanatlı olarak üretilen rüzgar türbinlerinde motor milinde meydana gelen dinamik hareketleri önlemek için yapılan tasarımlar ve rotor milinde oluşacak titreşimleri azaltmak için rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına dik olacak şekilde konumlandırılmış ‘kadran’ sistemleri bulunur. Tek kanatlı rüzgar türbin modelleri kadar olmasa da kanat uç hız oranları yüksektir. Buna rağmen düşük rüzgar hızlarında elektrik enerji üretebilirler. Fakat gürültü seviyeleri yüksektir. 3. Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri Üç kanatlı rüzgar türbinlerinde oluşan döndürme momenti kanatlara daha düzgün ve eşit olarak dağılımı gerçekleşir. Bu tür rüzgar türbin yapılarının milinde atalet momentleri oluşmadığından ek donanımlara ihtiyaç duymazlar. Kanat uç hız oranları düşüktür ve bundan dolayı gürültü seviyeleri azdır. 4. Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri Çok kanatlı rüzgar türbinleri, rüzgar enerjisinden su pompalamak ve yel değirmenlerinde kullanmak üzere tasarlanmış rüzgar türbin modellerinin ilk örnekleridir. Çok kanatlı olarak üretilmelerinin nedeni bu tür işlerde yüksek moment değerlerine ihtiyaç olmasıdır. Kanat profilleri ise, pervane orta noktasından kanat uçlarına ilerledikçe kanat genişlikleri artar. Bu rüzgar türbinlerinde dişli kutusu kullanılarak devir sayıları artırılır. İki kanatlı türbinler, üç kanatlı türbinlere göre % 2-3 daha az verimlidir. Tek kanatlı türbinler ise; iki kanatlı türbinlerden % 6 daha az verimlidir. Ayrıca tek kanatlı türbinlerde dengeleyici olarak karşıt ağırlık kullanılır. Yüksek rüzgar hızlarında çalışan bu tip türbinlerde kanat sayısı artıkça verim artar [2]. Rüzgarı Alma Yönlerine Göre Rüzgar Türbinleri 1. Rüzgarı Önden Alan Türbinler Rüzgarı önden alan rüzgar türbin modellerinde kulenin arka tarafında oluşacak rüzgar gölgeleme etkisine çok az maruz kalırlar. Kule yuvarlak ve düz olsa bile kanadın kule hizasından her geçişinde rüzgar türbinin üreteceği güç biraz azalır. Bu olumsuzluğu gidermek için rotor kanatları sert malzemeden üretilmektedir. Bu tür rüzgar türbin tasarımlarında, rotor yüzeyi rüzgar yönünde ve dik konumdadır. Ayrıca yaw mekanizmaları da bulunur. 2. Rüzgarı Arkadan Alan Türbinler Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbin modellerinde rotor yüzeyi kulenin arkasında bulunur. Bu nedenle yaw mekanizmasına ihtiyaç duymazlar. ‘Nacelle’ ile rotorun uygun tasarımı yapılmış ise nacelle rüzgarı pasif olarak takip eder [3]. Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinlerinde rotor kanatları esnek özelliğe sahip olabilirler. Bunun avantajı olarak kule yükü azalır. Fakat kanatlar kule hizasından her geçişinde meydana gelen güç dalgalanmaları fazla olur ve bunun sonucu olarak kulenin yarattığı türbilans rüzgar türbinlerinin verimlerini düşürür [2]. Güç Kontrol Sistemlerine Göre Rüzgar Türbinleri 1. Durma (Stall) Kontrollü Rüzgar Türbinleri Rüzgar türbin hızının istenilen değerler arasında kalmasını sağlayan aktif fren kontrol sistemleridir. Tercih edilme nedenleri, uygun fiyatları, az bakım gerektirmeleri, basit ve sağlam olmasıdır. Buna karşın nominal hızın üzerindeki rüzgar hızlarında güç değerleri düşüktür. Bu kontrol sistemlerinde, rotor kanatları rüzgar türbininin ‘hub’ sistemine sabit açılar ile sabitlenmiştir [3]. 2. Eğim (Pitch) Kontrollü Rüzgar Türbinleri Pitch kontrollü rüzgar türbin modellerinde rotor kanatları; mekanik veya hidrolik sistemler ile rüzgar hızlarına göre kendi eksenleri etrafında dönebilecek şekilde konumlandırılmışlardır. Nominal hızın üzerindeki değerlerde sabit güç üretimi sayesinde daha kaliteli çıkış sağlarlar. Bu güç kalitesi pitch kontrolörün hızına ve duyarlılığına bağlıdır. Pitch kontrollü rüzgar türbin sistemlerinin avantajları arasında gücün kontrol edilebilir olması, kontrollü başlatma ve acil durdurma yeteneklerinin bulunması sıralanabilirken, dezavantajları olarak da yüksek rüzgar hız değerlerindeki küçük değişimler çıkış güç değerinde büyük değişimlere neden olması gösterilebilir. Şebeke Bağlantı Şekillerine Göre Rüzgar Türbinleri 1. Şebeke Entegrasyonlu Rüzgar Türbinleri Şebeke entegrasyonlu rüzgar türbin modellerinde işletme gerilim ve frekans değerlerinin önemi kadar, arıza durumlarında sistemde belirli bir süre kalabilme gibi özel durumları söz konusudur. Ayrıca rüzgar türbinlerinin yüke daha yakın olması kayıpları, reaktif güç kompanzasyon gerekliliğini ve sistem kararlılığına ters etkisini azaltır [2]. Şebeke entegrasyonlu rüzgar türbin tasarımlarında, şebeke üzerinde bozucu etkiler söz konusu olabilmektedir. Bu bozucu etkiler ise, sistem dinamiği ve kararlığı, frekans kontrolü ve konvansiyonel santrallerde sık sık yük alma/atma ve reaktif güç kontrolü ve gerilimi, büyük rüzgar santrallerinin planlanmasında yaşanabilecek sürekli hal sorunları, güç katılımının etkileri, kısa devre arızaları ve şebekeyi besleme kapasite sınırları şeklinde sıralanabilir [2]. 2. Şebeke Entegrasyonsuz Rüzgar Türbinleri Enterkonnekte şebekeden bağımsız olarak çalışan rüzgar türbin sistemleri elektrik nakil hatlarının ulaşamadığı kırsal bölgelerde veya bir sistemin enerjisini karşılamak üzere kurulabilir. Bu tür sistemlerde üretilen elektrik enerjisi doğru akıma çevrilir ve daha sonra işletmenin ihtiyaç duyduğu gerilim ve frekansta alternatif akıma dönüştürülür. Bu işlemin amacı ise doğrultma işlemi ile çıkış gerilimini regüle etmek, DA-DA kıyıcı ile elektromanyetik torku ve inverter tarafındaki konverter ile de girişin güç faktörünü kontrol etmektir [5]. Kullanılan Generatörlere Göre Rüzgar Türbinleri 1. Doğru Akım Generatörler Rüzgar türbin sistemlerinde kullanılan doğru akım generatörlerinin bakım gereksinimleri olmasına ve güvensiz çalışma şartlarına rağmen yaygın olarak tercih edilmektedir. Bunun nedeni ise hız kontrollerinin basit olmasıdır. Doğru akım generatörlerinin sahip olduğu komütatör sistemlerinden arındırmak için zaman ile sürekli mıknatıslı olarak tasarlanmaya başlanmıştır. Fırçasız doğru akım generatörleri olarak da adlandırılan bu generatörler, sürekli mıknatısların manyetik akı güçlerinin kapasitesine göre rüzgar türbin sistemlerinde kullanılmaktadır. 2. Asenkron Generatörler Asenkron generatörlerin rüzgar türbin sistemlerinde tercih edilme nedenleri, uygun fiyatları, dayanıklı ve mekanik olarak basit olmalarıdır. Bu özelliklerine karşın uyarma akımı için harici bir kaynağa ihtiyaç duymaları ve stator sargılarının reaktif bir mıknatıslanma akımına ihtiyaç duymaları gibi olumsuz özelliklere sahiptirler. Harici kaynağa ihtiyaç duymalarından dolayı reaktif güç harcarlar. Bu reaktif güç, şebeke veya güç elektroniği devrelerinden karşılanır. Stator sargılarının reaktif mıknatıslanmaya ihtiyaç duymaları ise asenkron generatörlerinin sadece şebekeye bağlı olduğu durumda karşılanır. Meydana gelen bu manyetik alan, sargı kutup sayısı ve akımın frekansı tarafından belirlenen hızda döner. Bundan dolayı senkron hızı aşan hızlarda dönerse, nispi bir hareket tarafından dönen stator manyetik alanı ile rotor sargıları arasında elektrik alan indüklenir. Bunun sonucu olarak rotor sargılarından akım geçer. Rotor manyetik alanı ile stator manyetik alanı etkileşimi sonucu, rotor üzerinde tork meydana gelir. Asenkron generatörler yapılarına göre; sincap kafesli asenkron generatörler ve rotoru sargılı asenkron generatörler olarak tasarlanmaktadır. a) b) Şekil 1. a) Asenkron generatörlerin şebekeye bağlantı şeması [4] b) Senkron generatörlerin şebekeye bağlantı şeması [4] 3. Senkron Generatörler Rüzgar türbin sistemlerinde kullanılan senkron generatörler, sabit hızın istenildiği tasarımlarda kullanırlar. Senkron makinalar, inverter veya ayarlı gerilim ve frekans kaynağı tarafından beslenirse hız kontrolleri yapılabilir. Ayrıca uygun kutup sayısı ile dişli sistemlerine gereksinim duyulmaz. Bu üstünlüklerinden dolayı değişken hızlarda da kullanılabilir. Senkron generatörleri doğru akım generatörlerine göre boyutları ve atalet momentleri küçük, asenkron generatörlerine göre ise verimleri ve güç faktörleri yüksektir. Senkron generatörler, reaktif mıknatıslanma akımına ihtiyaç duymazlar. Bu nedenden dolayı reaktif güç harcamazlar ve daha kaliteli güç çıkışına sahiptirler. Bu avantaj ile rüzgar santrali küçük kapasiteli şebekelere uzun ve düşük gerilimli hatlar ile bağlandığı zaman daha ön plana çıkar. Senkron generatörler, tam güç kontrolü için uygun tasarımlardır. Çünkü şebekeye bir güç konverteri ile bağlanırlar. Buradaki konverterin temel amaçları; yapısal olarak bora etki niteliğindeki rüzgar hızlarının neden olduğu güç dalgalanmaları ve şebeke tarafından gelen geçici rejimler için bir enerji tamponu gibi davranarak ve mıknatıslanmayı kontrol ederek şebeke frekansı ile senkron kalarak meydana gelebilecek sorunları önlemektir. Senkron generatörlerde manyetik alan, alan sargıları veya sürekli mıknatıslar tarafından sağlanır. Bu tasarımlara göre senkron generatörler; rotoru sargılı senkron generatörler ve sürekli mıknatıslı senkron generatörler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Sürekli mıknatıslı senkron generatör tasarımında; senkron generatörün rotorunda bulunan uyartım sargıları sürekli mıknatıslar ile yer değiştirerek, rotorda meydana gelen manyetik akı sürekli mıknatıslar tarafından sağlanırsa sürekli mıknatıslı senkron generatörler elde edilmiş olunur. Mıknatısların kullanılması, uyarma kayıplarını ve generatörde meydana gelen fırça ve kollektör kayıplarını ortadan kaldırmaktadır. Diğer üstünlükleri ise, sürekli mıknatısların kullanılması verimi artırır. Hava aralığı indüksiyonları arttığı için boyutları ve ağırlıkları azalır. Dinamik performansları ve güç faktörleri rotoru sargılı senkron generatörlerden fazladır. Harici uyarma kaynağına ihtiyaç olmaması termik sınırları genişletmektedir. Ayrıca bakım masrafları azdır. Bu üstünlüklerinin yanında sahip olduğu olumsuzluklar ise, sürekli mıknatısların ve bu mıknatısların montaj maliyetlerinin fazla olması ve zaman ile mıknatıslık özelliklerinin bozulmasıdır. Sonuçlar Rüzgar türbin sistemlerinin istenilen ihtiyaçlara göre farklı şekillerde tasarımlarının mümkün olduğu görülmektedir. Bu tasarımlar gerçekleştirilirken dikkat edilecek hususların başında, yüksek verimli bir sistem tasarlanarak, çıkış gerilim ve frekansının kontrol edilebilir olması gelmektedir. Bunun yanı sıra üretim prosesinin ekonomik ve çevresel faktörlere karşı da duyarlı olması gerekmektedir. Kaynaklar [1] Dursun, E. ve Binark, A., 2008. Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Generatörler, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES 17-19 Aralık, İstanbul. [2] Tekin, K., 2006, “Rüzgar Santrali İçeren Elektrik Sistemlerinde Etkilenmeler ve Kısa Devre İncelenmesi”, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. [3] Ackerman, T., 2009, “Güç Sistemlerinde Rüzgar”, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası, Emo Yayın No: GY/2009/4. [4] Çamur, S., Arifoğlu, B., Bilgin, Z. ve Duru, T., 2001, “Değişken Hız Sabit Frekans Yöntemi İle Rüzgar Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretimi Uygulaması”, Elektrik Mühendisleri 9. Ulusal Kongresi, Eylül, sf. 166170. [5] Koç, E. ve Güven, A., N., 2011, “Değişken Hızlı Rüzgar Türbinlerinin Modellenmesi ve Arıza Sonrası Sisteme Katkı Yeteneklerinin İncelenmesi”, EMO Bilimsel Dergi Cilt:1 Sayı:1 sf. 51-55. [6] Apaydın, M., Üstün, A., K., Kırban, M. ve Filik, Ü., 2009, “Rüzgar Enerjisinde Kullanılan Jeneratörlerin Karşılaştırmalı Analizi”, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Diyarbakır.