LİSANS BİTİRME PROJESİ RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü LİSANS BİTİRME PROJESİ RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ Oğuz GÜNDÜZ Muzaffer MANGIR Oğuzhan NİŞANCI Rasim Berk AKTAŞ Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP Mayıs, 2013 TRABZON

2

3 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü LİSANS BİTİRME PROJESİ RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ Oğuz GÜNDÜZ Muzaffer MANGIR Oğuzhan NİŞANCI Rasim Berk AKTAŞ Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP Mayıs, 2013 TRABZON

4

5 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Oğuz GÜNDÜZ, Muzaffer MANGIR, Oğuzhan NİŞANCI ve Rasim Berk AKTAŞ tarafından Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP yönetiminde hazırlanan Rüzgar Enerji Sistemi başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP Jüri Üyesi 1 : Prof. Dr. Cemil Gürünlü Jüri Üyesi 2 : Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ

6

7 ÖNSÖZ Günümüzde kullanımı artan elektronik aletler ve tüketilen enerji miktarları göz önüne alındığında enerji üretimi ile tüketimi arasındaki fark gün geçtikçe artmaktadır. Bu enerji açığını kapatmak için farklı enerji üretim yolları üzerinde durulmaktadır. Bu yollardan birisi de yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisidir. Hem çevre üzerinde olumsuz etkisi olmaması hem de üretilen enerji baz alındığında kullanımı dünya genelinde yaygınlaşmaktadır. Rüzgar gücünden elde edilen elektrik enerjisi kullandığımız enterkonnekte sistemde zayıf şebekelere destek sağladığı gibi nakil ve dağıtım kayıplarını azaltarak bağlanabilmektedir. Enerji açığının insanları farklı kaynaklara yöneltmesi sonucu bu derece gelişen rüzgar enerjisi artık bir alternatif enerji değil ana enerji üretim kaynağı haline gelmektedir. Enerji açığının bir ürünü olan bu enerji doğal kaynak masrafı olmadığından tüketilen enerjinin maliyetini de düşürmektedir. Bu tasarım projesinin hazırlanmasında yardımı olan herkese ve bu proje süresince fikir ve önerilerini aldığımız Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP'a teşekkürlerimizi sunarız. Ayrıca maddi ve manevi konularda her türlü desteğini bizden esirgemeyen anne ve babalarımıza bu projeyi armağan ediyoruz. Oğuz GÜNDÜZ Muzaffer MANGIR Oğuzhan NİŞANCI Rasim Berk AKTAŞ TRABZON, 2013 v

8 vi

9 İÇİNDEKİLER Lisans Bitirme Projesi Onay Formu Önsöz İçindekiler Özet Semboller ve Kısaltmalar Şekiller Dizini Tablolar Dizini iii v vii ix xi xii xiii 1. GİRİŞ Tarihsel Gelişim Dünya Ülkelerinde Rüzgar Enerjisi Türkiye'de Rüzgar Enerjisi Rüzgar Enerjisi Üzerinde Çalışmalar Rüzgar Enerjisinin Avantajları Rüzgar Enerjisinin Dezavantajları 4 2. TEORİK ALTYAPI DA/DA Yükselten Çevirici PIC Mikrokontrolör Evirici Rüzgârdan Elektrik Enerjisi Elde Edilmesi 9 3. TASARIM Yükselten (Boost) DA-DA Çeviricinin Tasarımı ve Malzeme Seçimi 10 vii

10 3.2. Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Sistemin Gerçekleştirilmesi ve Kurulması BENZETİM ÇALIŞMALARI Yükselten (Boost) DA DA Çeviricinin MATLAB/Simulink Simülasyonu DA/DA Yükselten Çevirici Devre Simülasyonu Yükselten (Boost) Çevirici Devrenin Kontrol Elemanıyla Simülasyonu Evirici Devresinin MATLAB/Simulink Simülasyonu DENEYSEL ÇALIŞMALAR DA/DA Yükselten Çevirici Devre Evirici Devre SONUÇLAR DEĞERLENDİRME 26 KAYNAKLAR 27 EKLER 28 EK.1 Türkiye Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Atlası 29 EK.2 Maliyet Tablosu 30 EK.3 Çalışma Takvimi 32 EK.4 Standartlar ve Kısıtlar Formu 33 ÖZGEÇMİŞ 36 viii

11 ÖZET Rüzgar enerjisinin kullanımı son dönemlerde önemsenecek bir artış göstermektedir. Dünya ülkelerinde rüzgar enerjisi kullanımına teşvik gün geçtikçe artmaktadır. Türkiye'de de bir çok özel kuruluş bu konuda araştırma yapmakta ve rüzgar enerjisini kullanmayı teşvik etmektedir. Rüzgar enerjisi üretiminde sadece zayıf şebekeleri beslemek ve küçük çaplı ihtiyaçları karşılamak değil, ana enerji kaynağı olması istenmektedir. Bunu gerçekleştirebilmek için üzerinde daha çok araştırma ve geliştirme yapılması gerekmektedir.bu amaçla projemizde kullanıldığımız motor ve generatör, çevirici devresi ve evirici devresi konuları incelenip üzerinde araştırma ve geliştirme yapılmıştır. Yükselten çevirici devresi ve evirici devresi açıklanmıştır ve bu devreler gerçeklenmiştir. Büyük emekler vererek hazırladığımız projenin konuya ilgisi olan ve ya bu konuya hakim olmak isteyenlere katkısı olacağını düşünmekteyiz. ix

12 x

13 SEMBOLLER ve KISALTMALAR : Endüktans Gerilimi : Kaynak Gerilimi İ Endüktans Akımı [A] ıkış gerilimi D: Doluluk oranı : Frekans : Direnç : Kapasite xi

14 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil İzmir/Alaçatı'da Bulunan Türkiye'nin İlk Rüzgar Santrali 1 Şekil 2.1. Rüzgar Enerji Sistemi Blok Şeması 5 Şekil DA/DA Yükselten Çevirici Devre Şeması 6 Şekil Yarım Köprü Evirici Devre Şeması 8 Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Simülasyonu 13 Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Çıkış Gerilimi 14 Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Çıkış Akımı 14 Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Devre Şeması 16 Şekil Yükselten Çevirici Devrenin Denetleyici ISIS Simülasyonu 17 Şekil Akış Diyagramı 18 Şekil Evirici Devrenin MATLAB/Simulink Benzetimi 19 Şekil Evirici Devrenin Çıkış Akımı 20 Şekil Evirici Devrenin Çıkış Gerilimi 20 Şekil Evirici Devre Çıkışı Osiloskop Görüntüsü 23 Şekil f=5khz İçin MOSFET Çıkışı Osiloskop Görüntüsü 24 xii

15 TABLOLAR DİZİNİ Tablo Kurulu Rüzgar Gücü Bakımından İlk Beş Ülke 2 Tablo Yükselten Çevirici Devre Parametreleri 15 Tablo Yükselten Çevirici Giriş Gerilimi Sabitken Elde Edilen Veriler 22 Tablo Yükselten Çevirici %75 Doluluk Oranı Sabitken Elde Edilen Veriler 22 Tablo f=5khz ve V=12V sabitken Frekans, Gerilim, Akım Değerleri 23 xiii

16 xiv

17 1.GİRİŞ 1.1. Tarihsel Gelişim Tarihte rüzgar enerjisinin kullanımı yelkenli gemilerle başlamıştır. Buradaki kullanım elektrik enerjisi üretimi olmasa da rüzgarın önemli bir doğal kaynak olduğu anlaşılmıştır. M.Ö. 2800'lü yıllara dayanan bu enerji ilk başlarda sulama amaçlı kullanılırken, 1890 yılında rüzgar türbini ilk olarak Danimarka'da üretilmiştir.ilk rüzgar türbinlerinin ürettikleri güç miktarları az olsa da günümüzde gelişen teknolojiyle birlikte ürettikleri güç miktarları bir hayli artmıştır ve bu artış rüzgarı önemli bir enerji kaynağı haline getirmiştir. Türkiye'de rüzgar enerjisinin gelişimi 1992 yılında Rüzgar Enerji Birliği kurulmasıyla başlamıştır. Türkiye'deki ilk rüzgar santrali 1998 yılında İzmir-Alaçatı'da kurulmuştur. Bu rüzgar santrali toplam 7.2 MW'lık güç üreten türbinlerle enerji üretimine başlamıştır. İlerleyen yıllar içerisinde ülkemizde rüzgar santrallerine verilen önem artmış ve günümüzde bu konuda çalışmalar hız kazanmıştır [1]. Şekil İzmir/Alaçatı'da Bulunan Türkiye'nin İlk Rüzgar Santrali 1

18 1.2. Dünya Ülkelerinde Rüzgar Enerjisi Dünya ülkelerinde 1996 yılından itibaren rüzgar enerjisiyle elektrik enerjisi üretimi logaritmik olarak artmaktadır. Bunun en büyük sebebi küresel iklim değişiklerinin insanlar üzerindeki etkisi ve artan enerji ihtiyacıdır. Son yıllarda rüzgar enerjisindeki faal güç artışı %29 gibi yüksek bir değerdedir. Bu artış göstermektedir ki rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretimi son dönemlerin en önemli enerji üretim yollarından birisidir. Aşağıda bazı dünya ülkelerindeki kurulu rüzgar gücü tablosu verilmektedir. Tablo : Kurulu Rüzgar Gücü Bakımından İlk Beş Ülke Ülke Toplam Kurulu Rüzgar Gücü(MW) kw/ W/kişi Almanya 16628,8 46,5 199,7 İspanya 8263,0 16,4 206,2 ABD 6740,0 0,70 24,0 Danimarka 3117,0 72,3 580,6 Hindistan 2985,0 0,91 2,85 Görüldüğü gibi kurulu rüzgar gücü bakımından en yüksek değere sahip ülke Almanya'dır. Fakat kişi başına düşen en yüksek değer Danimarka'ya aittir yılı yapılan araştırmalara göre elektrik ihtiyacının %20'sini rüzgardan sağlayan ülke Danimarka'dır. Almanya %6, İspanya %5 ve Amerika %1'den az oranda enerjisini rüzgardan sağlamaktadır. Kıtalar arasında, kurulu rüzgar enerjisi sistemleri karşılaştırıldığında ise Avrupa %73 ile ilk sırayı almaktadır. Bu oranı %15 ile Amerika, %10 ile Asya ve %1 ile Avustralya- Afrika izlemektedir [2]. 2

19 Türkiye'de Rüzgar Enerjisi Ülkemiz bulunduğu jeopolitik konum itibariyle farklı coğrafi bölgelerinde rüzgar enerjisi kullanılmaktadır. Uzaydan alınan meteorolojik verilere göre Türkiye yüksek rüzgar potansiyeline sahiptir. Ek.1 de Türkiye nin rüzgar enerjisi potansiyeli atlasını görmekteyiz. Ülkemizin sahip olduğu teknik rüzgar potansiyeli MW' dır fakat kullandığı kurulu rüzgar enerji sistemiyle 20,6 MW enerji üretmektedir [3]. Son yıllarda revaçta olan rüzgar enerji sistemleri ile ilgili Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu (EPDK) tarafından onay alan 243 projenin 36' sı rüzgar enerji sistemleri ile ilgilidir. Bu bilgiler ışığında ülkemizde rüzgar enerjisi kullanımının yaygınlaşacağını görmekteyiz [4] Rüzgar Enerjisi Üzerinde Çalışmalar Rüzgar enerjisi teknolojisinin gelişmesiyle birlikte yapılan çalışmalarda da büyük bir artış olmuştur. Amaç rüzgar çiftlikleri kurarak üretilen enerjiyi enterkonnekte sisteme bağlamaktır. Çalışmalar sonucunda en uygun büyüklükler belirlenmiştir. Bu belirlemelerde kule yüksekliği m çapında 1,5-5 MVA olarak belirlenmiştir. Türbin güçleri de teknolojinin gelişmesiyle artmaktadır. 1990' lı yılların başında 100 kw ile 500 kw arasında olan bu türbin güçleri günümüzde 3,5 MW' lara kadar çıkmıştır. Ulaşılan büyük güçler rüzgar enerjisinin halen küçük işletmelerde ve su pompalama işlemlerinde kullanılmasını engellememiştir. Öyle ki dünya üzerinde halen küçük güçlü rüzgar türbinleri ile su pompalama ve güvenilir enerji üretimi yapılmaktadır [1] Rüzgar Enerjisinin Avantajları Rüzgar enerjisinin yenilenebilir olması. Herhangi bir yakıt kullanılmadığı için çevreye zarar vermez. Çoğu enerji üretiminde ham madde kullanılırken, rüzgar enerjisinde ham madde kullanılmamaktadır. Dolayısıyla ucuzdur. Rüzgar türbini arazileri genellikle yüksek ve kırsal bölgelere kurulduğu için yer masrafı azdır. Rüzgar türbinleri çiftliklere kurulabilir bu sayede kırsal bölgelerde istihdam alanı oluşturur. Rüzgar türbinleri ömürlerini tamamlamasından sonra türbinlerin kurulduğu bölge kısa sürede eski haline döner. 3

20 Rüzgar türbinlerinin söküm maliyeti, hurda maliyetiyle karşılandığı için söküm maliyeti yoktur. Rüzgar enerjisi yerli enerji kaynağıdır. Rüzgar enerji sisteminin kurulum aşaması kısadır dolayısıyla kısa sürede aktif hale gelir Rüzgar Enerjisinin Dezavantajları Kurulum masrafları çoktur. Üretilen enerji sabit olmadığı için yıllık belirli bir enerji miktarını garanti etmez bu yüzden depolanması zorunludur. Rüzgarın genellikle yüksek ve kırsal bölgelerde fazla oluşu, enerji gereksinimi fazla olan yerleşim merkezlerine uzak kalmasına neden olur. Elektromanyetik alan etkisiyle haberleşme sistemlerinde bozulmalara sebebiyet verirler. Kuş ölümlerine sebep olurlar. 4

21 2. TEORİK ALTYAPI Rüzgar enerjisi çıkışında aldığımız değişken gerilim sebebiyle enerjiyi doğrudan yüke verememekteyiz. Üretilen enerjinin sabit bir değerde yüke iletilmesi için yükselten çevirici çıkışında enerjiyi aküde depolayarak gerektiğinde kullanmak üzere bekletilir. Generatörden elde edilen AC gerilim Şekil 2.1'de görüldüğü gibi doğrultucu üzerinden DC gerilime dönüştürülerek yükselten çeviriciye iletilir. Yükselten çevirici çıkışındaki gerilim aküde depolanmaktadır. Generatörden gelen gerilimin istenilen gerilim değerinin altında olması durumunda mikrokontrolör vasıtasıyla istenilen değere çekilir. Şekil 2.1'de sistemin blok diyagramı incelenebilir. Şekil 2.1. Rüzgar Enerji Sistemi Blok Şeması 2.1 DA/DA Yükselten Çevirici Rüzgar, sabit bir kaynak olmadığından üretilen enerji de sabit olmaz. Yani giriş gerilimi değişkendir. Enerjinin aküde depolanması için regüle edilmesi gerekir. Bu durumda AA Generatör çıkışının 24V dan düşük değerleri için aküde depolama işlemini gerçekleştirmek üzere yükselten çevirici (boost converter) tasarlanmıştır. Yükselten çevirici devrelerinde çıkış geriliminin giriş geriliminden yüksek olması hedeflenmektedir. Temel yükselten çevirici devresi Şekil 2.1.1'de verilmiştir. Yükselten çeviriciler çıkış gerilimi ayarlı DA güç kaynakları ya da DA motorlarının frenlenmesinde sıkça kullanılırlar [5]. 5

22 Şekil DA/DA Yükselten Çevirici Devre Şeması Şekildeki devrede kontrollü anahtar iletime geçtiğinde diyot ters kutuplanır ve çıkış katı girişten izole edilmiş olur. Bu sırada girişten endüktansa doğru enerji akışı olur. Anahtarın kesime geçmesiyle endüktans ve diyot üzerinden enerji akışı olur. V L gerilimi kondansatörü şark ederek çıkış katını yükseltmiş olur. Kapasitenin çıkışa paralel bağlanması çıkış gerilimini sabitler. Endüktans akımının sürekli olması durumu: Anahtar iletimdeyken; VL = VS = (1) (ΔiL)kapalı = (2) Anahtar kesimdeyken; VL = VS V0 = (3) (ΔiL)açık = ( (4) Sürekli durum için endüktans daki net akım değişimi sıfır olur. Buradan hareketle şu denklem elde edilir: (5) 6

23 I L = I S den hareketle endüktans akımı şu şekilde bulunur: IL = ( (6) I Lmin bağıntısına bağlıdır. olması gerektiğinden endüktans akımının sürekli olup olmaması endüktansın ( ise I L endüktans akımı süreklidir. (7) ( ise I L endüktans akımı sürekli değildir. (8) Endüktans akımının sürekli olması durumunda; (9) Çıkış geriliminin dalgalanması; (10) 2.2. PIC Mikrokontrolör Sistemimizin istenilen değerlerde çalışmasını ve denetimini sağlamak için mikrokontrolör kullandık. Bu mikrokontrolör istenilen gerilim değeri ile çıkış gerilimi arasındaki farkı denetler ve hatayı minimize eder. Sistemimizde mikrokontrolör olarak uygulama alanı çok geniş olan PİC mikrokontrolör kullandık. Bu kontrolör çıkış ve giriş gerilimlerini okuyarak, okuduğu değerleri karşılaştırır. Karşılaştırma sonucu yükselten çevirici devremizdeki dalga genişlik modülasyonunu(dgm) ayarlamaktadır. 7

24 2.3 Evirici Eviriciler, DA elektrik enerjisini AA elektrik enerjisine dönüştüren devrelerdir. AA çıkışı anahtarlama işlemleri ile elde edilir ve oluşan dalga şekli gerilim parçacıklarından oluşur. Yarım köprü ve tam köprü gibi türleri vardır. Projemizde giriş değerleri 24V, 10A (DA), çıkış değerleri 220V, 5A (AA) olan yarım köprü evirici tasarlanmıştır. Yarım Köprü Evirici: Şekil 2.3.1'deki devre yüke AA gerilim sağlamak için kullanılmıştır. DA gerilim kaynağı iki bölümden oluşmaktadır. Yarım köprüde iki tane anahtar kullanılır. Anahtarlama elamanı olarak IGBT, MOSFET gibi yarıiletken elemanlar kullanılır. Periyodun %50'si için anahtarların biri açıkken diğeri kapalıdır. Burada önemli olan yarıiletken elemanın kesime geçmesi iletime geçmesinden genellikle yavaş olmasıdır. Bundan dolayı yarıiletkenin iletimi diğer yarıiletkenin işlemini tamamlayıncaya kadar geciktirilir. Şekil Yarım Köprü Evirici Devre Şeması Yük üzerinden akan akımın davranışı aşağıdaki eşitliklerden bulunabilir. S1A anahtarı kapalıyken; ( S2A anahtarı kapalıyken; ( 8

25 2.4. Rüzgârdan Elektrik Elde Edilmesi Rüzgârdan elektrik enerjisi üretimi için milleri birbirine akuple edilmiş 3 fazlı asenkron motor ile 3 fazlı DA Generatör kullanmaya karar verdik. Bu kararı almamızdaki sebep, rüzgar gülleri ile bağlantılı generatörlerin fiyatlarının çok pahalı olmasıydı. Kurduğumuz sistemde rüzgar gülleri yerine, generatör milimizi çevirmek için 3 fazlı asenkron motor o görevi üstlenmiştir. 9

26 3.TASARIM Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisi ülkemizde ve dünyada son yıllarda hızla gelişen ve üzerinde birçok araştırma yapılan bir alandır. Kurulum masrafları fazla olmasına rağmen hızla kendini amorti etmesi ve söküm masraflarının olmaması bu alana olan ilgiyi artırmaktadır. Ülkemizde yapılan geliştirme çalışmalarının artması ve hali hazırda onay bekleyen birçok rüzgar enerjisi projesinin olması sebebiyle kurulum fiyatlarında da düşme olması beklenmektedir. Projemiz birbirinden yapı olarak farklı alt kısımlara sahiptir. Sistemimizin çalışmasını daha iyi anlamak için ayrıntılı incelemelerden bu bölümde bahsedilmiştir. Bu kısım sistemin tasarım aşamasıdır. Sistemimizde kullanılan malzemelerin türleri, miktarları ve maliyetleri Ek.2 de sunulmuştur Yükselten (Boost) DA-DA Çeviricinin Tasarımı ve Malzeme Seçimi Yükselten çevirici üretilen DA gerilimi istediğimiz değere çıkaran kısımdır. Ürettiğimiz gerilimi istediğimiz değere sabitlemek için darbe genişlik modülasyonunun(dgm) ayarlandığı kısımdır. Sistemimizi oluştururken kullandığımız elemanlar aşağıda verilmiştir. Bu elemanlar seçilirken devrenin sağlıklı çalışması ve ısınma durumları göz önüne alınmıştır. Mosfet Diyot Endüktans Kapasite Direnç Anahtarlama frekansını mikroişlemciden darbe genişlik modülasyonunu(dgm) kullanarak seçtik. Giriş gerilimi rüzgârının sabit bir hızda esmediğinden mikroişlemciden çıkış değerini 24V olarak girdik. Doluluk-Boşluk oranını anlık okuyup, istenilen değeri elde etmeyi sağladık. Devremizdeki anahtarlama kayıpları, iletim kayıpları ve omik kayıplardan dolayı çıkış değerini 27V olarak mikroişlemci içerisinde ayarladık. 10

27 3.2. Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi üretimi için 3 fazlı asenkron motorun milini 3 fazlı DA generatörün miline akuple ettik. Bu akuple işlemi ile asenkron motorla generatörü sürdük. Generatör çıkışındaki alternatif gerilimi doğrultucu kullanarak doğru gerilime çevirdik. Doğrultucu çıkışındaki doğru gerilimi yükselten çeviricimizin girişine uyguladık Sistemin Gerçekleştirilmesi ve Kurulması Projemizde birbirinden bağımsız tasarladığımız sistemlerin devre elemanlarını temin ettikten sonra standartlara uygun tasarımları yapılmış ve uygulamaları tamamlanmıştır. DA yükselten çevirici devresini bilgisayar ortamında hazırladığımız simülasyonların ışığında kurduk. Devre bağlantılarını bölümlere ayırıp her bölümü kendi içinde test ettik. Her bölüm içerisinde devremizden akacak akım değerlerine kullanılan elemanların davranışlarını gözlemledik. Devremizi parça parça bir araya getirdik. Darbe genişlik modülasyonunu ayarlamak için mikroişlemciye gerekli yazılımı yükledikten sonra sistemi çalıştırdık. Yükselten çevirici sonundaki gerilim değerini LCD ekranda yazdırdık. Mikroişlemci ile darbe genişlik modülasyonunun ayarlanabilmesi için analog-sayısal dönüşümünün hatasız yapılması gerekmektedir aksi halde darbe genişlik modülasyonu gerçekleşmeyecektir. Mikrokontrolör kullanmamızdaki amaç sisteme dışarıdan bir etki yapmadan sistemin kendi kendisini otomatik olarak denetlemesidir. İstenilen çıkış gerilim değeri sağlandığında akülerin şarj edilmesi hedeflenmiştir. Evirici devresinde daha önceden ürettiğimiz 24V DA gerilim, TL494 entegresi kullanılarak DGM üretimi sağlanmıştır. TL494'ün beşinci ve altıncı ayaklarındaki kapasite ve direnç değerleri ile darbenin genliğini ayarladık. Darbe genliğini aşağıdaki formülden hesapladık. TL494'ün üç ve ondört bacakları arasına 10k'lık potansiyometre bağlayarak doluluk boşluk oranını ayarladık. (13) TL494'de üretilen DGM, birisi tersleyen entegre ile MIC4451 sürücüden MOSFET'e diğeri ise MIC4451 sürücüsünden MOSFET'e gelir. Devrenin girişinden verilen kare dalga 11

28 harmonikli şekilde çıkıştan tam kare dalga elde edilir. 24V DA gerilim 24V AA gerilime dönüştürüldükten sonra tek fazlı trafo bağlanarak 220V AA gerilime yükseltilir. Harmonikler T süzgeç devresinde giderilerek 220V AA gerilim yüke verilecek hale gelir. 12

29 4. BENZETİM ÇALIŞMALARI Yapacağımız benzetimler üç ana başlık üzerinden açıklanmıştır. Bu başlıklar; Yükselten çevirici devresi, denetleyici devresi ve evirici devresidir Yükselten (Boost) DA DA Çeviricinin MATLAB/Simulink Simülasyonu Yükselten çevirici devresi giriş gerilimini darbe genişlik modülasyonuna göre yükselterek çıkış gerilimini arzulanan değere çıkarmaya yarar. Yükselten çevirici devresinde kullanılan elemanların görevlerinden temek olarak bahsedersek, MOSFET anarlama yapmak, kapasite ve endüktans enerjinin depolanmasını sağlamak ve diyot ise devrenin girişine akım akmasını önlemek için kullanılmıştır. MATLAB/Simulink te oluşturduğumuz Yükselten çevirici devremiz Şekil de gösterilmektedir. Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Simülasyonu Yükselten çevirici girişine gelen gerilimin doluluk boşluk oranı %82 seçilerek çıkış gerilimin değeri Şekil de gösterilmektedir. 13

30 Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Çıkış Gerilimi Yükselten çevirici çıkış gerilimi ç denkleminden hesaplanmıştır. Şekil Yükselten çevirici devresinin çıkış gerilimini geçici ve sürekli haldeki değerlerini göstermektedir. Sürekli haldeki çıkış gerilimi 24V değerinden aşağıdadır. Yükselten çevirici devresindeki anahtarlama ve kullanılan elemanların kayıplarından dolayı sürekli halde 24V değeri yakalanamaz. Yükselten çevirici devresinin çıkış akımı Şekil 4.1.3'de gösterilmiştir. Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Çıkış Akımı 14

31 4.2. DA/DA Yükselten Çevirici Devre Simülasyonu Rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi elde edildikten sonra bu enerjinin depolanması gerekmektedir. Rüzgâr hızının üretilecek enerji için her daim sabit gerilim üretmemesi nedeniyle yükselten çevirici çıkışında gerilimin depolanması gerekmektedir. Bu nedenle üretilen enerji akülerde depolanmaktadır. Simülasyonu yapılan devremizde kullanılan malzemeler Tablo 1'de, oluşturulan simülasyon ise Şekil 4.2.1'de verilmiştir. MOSFET elemanıyla ayarlanan anahtarla için doluluk boşluk oranı mikroişlemci ile ayarlanmaktadır. Akülerin çıkışından 10A 24V elde edilecektir. Tablo Yükselten Çevirici Devre Parametreleri Direnç R 1 =100 Ω R 2 =0,33 Ω Kapasitör C 1 =680 nf C 2 =1000 uf Endüktans L=5 mh Diyot MOSFET Low side I = 10 A Vdc = 100 V I = 75 A V = 80 V 15

32 Şekil MATLAB/Simulink DA/DA Yükselten Çevirici Devre Şeması Aküleri şarj edecek yükselten çevirici devresinin MATLAB simülasyonu yukarıdaki gibi yapılmıştır. Akü olarak yazılmış direnç yük direncidir. Devrenin elemanlarından MOSFET anahtarlama elemanı, D1 ve D2 diyotu, L endüktansı, C1 ve C2 kapasitesidir. MOSFET elemanına bağlı R1 ve C1 elemanları susturucu elemanlardır. D2 ters akım akmasını önlemektedir Yükselten (Boost) Çevirici Devrenin Kontrol Elemanıyla Simülasyonu Yükselten çevirici devremizi mikrokontrolör kullanarak yaptığımız simülasyon Şekil 4.3.1'de görüldüğü gibidir. Bu simülasyon projemizde kullandığımız modellemenin en yakın gösterimidir. Mikro denetleyicinin yazılımsal kısmı bilgisayar ortamında test edilmiştir. Mikrokontrolörün 17 numaralı pininden darbe geniş modülasyonu yükselten çeviricimize verilmektedir. 2 ve 3 numaralı pinler vasıtasıyla mikrokontrolöre gelen gerilim bilgisi yazılım içerisinde hata giderilerek düzeltilir. Ayrıca gerilim bilgisi LCD ekranda yazdırılmaktadır. Yazılım yapılırken Şekil 4.3.2'deki akış diyagramı işlem basamakları sırasıyla işleme alınmıştır. 16

33 Şekil Yükselten Çevirici Devrenin Denetleyici ISIS Simülasyonu 17

34 BAŞLANGIÇ ADC DÖNÜŞÜMÜ BİLGİ KARŞILAŞTIRMA DOLULUK-BOŞLUK AYARI SON Şekil Akış diyagramı 4.4. Evirici Devrenin MATLAB/Simulink Simülasyonu Evirici devrenin Matlab/Simulink kullanılarak oluşturulan simülasyonu yapılmıştır. Matlab/Simulink benzetimi Şekil de görüldüğü gibidir. Eviricinin akım ve gerilim değerlerinin zamanla değişimi de sırasıyla Şekil ve Şekil 4.4.3'de gösterilmiştir. 18

35 Şekil Evirici Devrenin MATLAB/Simulink Benzetimi 19

36 Şekil Evirici Devrenin Çıkış Akımı Şekil Evirici Devrenin Çıkış Gerilimi 20

37 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu kısımda Ek.3 de verilen çalışma takvimine göre yaptığımız deneysel çalışmalar ve bu çalışmalar sonucunda elde ettiğimiz sonuçlar başlıklar halinde sıralanmıştır DA/DA Yükselten Çevirici Devre Yükselten çevirici devremizin mikroişlemci kontrollü olacağından daha önceki bölümlerde bahsetmiştik. Mikro işlemci ile kontrol ayarlanan zaman dilimlerinde geri besleme ile referans gerilimi ve çıkış gerilimi karşılaştırılarak doluluk boşluk oranı ayarlanmaktadır. Devremizi test ederken doğru akım kaynağı kullanarak giriş gerilimini istediğimiz değerlere ayarlayabildik. Devremizi oluştururken parça parça inceleyerek yaşanacak sorunları minimize etmeyi amaçladık. Mikroişlemci ile kontrol yapmadan önce TL494 entegre devresi ile anahtarlamaları doğrudan kendimiz ayarladık. TL494 entegresi ile oluşturduğumuz kare dalga ile doluluk boşluk oranını elle değiştirerek devremizin farklı değerlerdeki karakteristiklerine baktık. Devremizde kullanılan elemanların kayıplarından dolayı teorik devre ile uygulama devresi arasındaki farkı gözlemleyip anahtarlamaların değişmesi gerektiğine karar verdik. Devrenin sağlıklı çalışabilmesi için yapılan anahtarlamanın önemini gördük. Yükselten çevirici devrenin referans gerilimi ile MOSFET kapı geriliminin ilişkisi ayarlanamaz ise sonuçların hatalı olduğunu gözlemledik. Mikroişlemcinin ayarlayacağı darbe genişlik modülasyonu deneyler esnasında potansiyometre ile ayarlanarak giriş gerilimi ve çıkış gerilimi arasındaki ilişkiler Tablo 2 ve Tablo 3'de verilmiştir. 21

38 Tablo Yükselten Çevirici Giriş Gerilimi Sabitken Elde Edilen Veriler Vin(V) Vout(V) Doluluk Oranı % % % % % % %97 Tablo Yükselten Çevirici %75 Doluluk Oranı Sabitken Elde Edilen Veriler Doluluk Oranı Vin(V) Vout(V) % % % % % % % Evirici Devre Evirici devremizde doluluk boşluk oranını ayarlamak için TL494 entegresini kullandık. TL494'ün besleme voltajı en az 7V en yüksek 42V'dur. İdeal besleme gerilimi 12-15V değerleri arasındadır. TL494 iki adet çıkışı olan darbe genişlik modülasyonu(dgm) üretecidir. Bu entegre, ürettiğimiz DGM ile çalışma frekansını ayarlayabilme imkanı sunmaktadır. TL494'ün pin9 ucundan aldığımız DGM evirme işlemleri için MOSFET'lere verilmektedir. 22

39 Evirici devrenin çıkışından aldığımız harmonikli AA gerilim Şekil 5.2.1'de verilmektedir. Evirici devrenin sonuna harmonikleri gidermek için T süzgeç devresi bağlanmıştır ve sonuçlar aşağıda kaydedilmiştir. Şekil Evirici Devre Çıkışı Osiloskop Görüntüsü Tablo f=5khz ve V=12V Sabitken Frekans, Gerilim, Akım Değerleri Yük I(mA) (V) Yokken W k M Devremizi kurarken simülasyon değerleri ile gerçek değerler birbirine benzememektedir. Evirici devremizin TL494 kısmında bir problem yaşamamıza rağmen yük bağlı devrede gerilim düşümleri gözlemledik. MOSFET'lerin çıkışında ise istediğimiz değerleri yakaladık. Şekil 5.2.2'de MOSFET çıkışı gerilim değeri osiloskoptan kaydedilmiştir. 23

40 Şekil f=5khz İçin MOSFET Çıkışı Osiloskop Görüntüsü 24

41 6.SONUÇLAR Rüzgar enerji sistemleri genel olarak düşük enerji ihtiyaçlarının karşılanmasında kullanılmaktır. Günümüzde yapılan çalışmalar sonucunda büyük çaplı enerji ihtiyaçlarının karşılanmasında da yaygınlaşmaya başlamıştır. Yaptığımız proje sonucunda aşağıdaki sonuçlara varılmıştır. 3 Fazlı Asenkron Motorun miline 3 fazlı AA Genaratör bağlanarak alternatif gerilim elde edilmesi. AA gerilimin 3 fazlı doğrultucuyla doğrultulması. Yükselten çevirici devresiyle gerilimin referans değere yükseltilmesi. Mikroişlemci ile kontrol yapılması. Akülerin şarj edilmesi. DA gerilimin evirici devresiyle AA gerilime çevrilmesi. AA gerilimin süzgeç devresi ile harmoniklerinin giderilmesi. Projemizin bazı kısımları teorik sonuçlarla bire bir örtüşmese de sorunlara çözüm getirdik. Aldığımız derslerle paralellik gösteren konularda bilgilerimizi pekiştirme imkanı sağladık. Mühendislik bakış açısının sorunlarla baş etme kısmında tecrübe ve fikir sahibi olduk. 25

42 7. DEĞERLENDİRME Enerjinin büyük çoğunluğunu dış ülkelerden alan ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgar enerjisiyle, hem dışa bağlı ekonomik sorumlulukların hem de pahalı enerjinin önüne geçilmiş olunmaktadır. Ülkemizdeki enerji açlığı düşünüldüğünde rüzgar potansiyeli bakımından jeopolitik konumumuzun zenginliğiyle yapılacak olan rüzgar santrallerinin ülkenin enerji ihtiyaçlarına yardım edecek kapasitededir. Ülkemizde artan rüzgar santralleri sayısı ve onay bekleyen projeler düşünüldüğünde rüzgar enerjisinin önemini bir kez daha ortaya çıkacaktır. Rüzgar enerjisinin yenilebilir enerji kaynaklarından olması sebebiyle maliyet, temiz enerji ve %100 yerli olması gibi konularda ön plana çıkmasını sağlamıştır. Gün geçtikçe gelişen rüzgar enerjisi sektöründe elektrik mühendislerinin bu konuya olan ilgisi ve eğilimi de artmaktadır. Özellikle büyük güçte elektrik üretimi, bu üretimin enterkonnekte sisteme bağlanması konusunda elektrik mühendislerinin yoğun çabası ve araştırması bulunmaktadır. Bu projeyi seçerek bizde bu alandaki AR-GE çalışmalarının bir parçası olmak ve ileride bu konu üzerinde çalışmak istememizdir. Günümüzde her vatandaşın teknolojiyle iç içe olması enerji ihtiyacının karşılanması konusuna itmiştir. Bu konuda rüzgar enerjisinin elektrik hattı olmayan dağ evlerinde, elektronik aletlerin çalıştırılmasında, evlerin kendi enerjisini üretmesinde yararlı bir sistemdir. Ülkemizin rüzgar potansiyeli bakımından jeopolitik öneme sahip olduğunu söylemiştik. Kurulacak rüzgar santrallerinde üretilen enerjinin verimi ise üstünde durulması gereken başka bir konudur. Bu bakımdan Ek.1'de gösterilen rüzgar potansiyelleri haritasından potansiyel bakımdan yüksek yerlere santrallerin kurulması gerekmektedir. Bu durumun gözetilmesi hem enerji hem de maliyet bakımından büyük kazanç sağlayacaktır. Tasarım Projesi kapsamında aldığımız bu sistem teorik ve pratik kısımlarda birbirinden ayrılmıştır. Çünkü teorik olarak tasarladığımız sistem ile pratikte hazırladığımız sistemin kayıplar bakımından büyük farkları vardır. Bu bakımdan sistemi oluştururken kayıpları minimize edecek şekilde malzeme seçimleri ve devre yapıları üzerinde durulmuştur. 26

43 KAYNAKLAR [1]. Enver ŞİPAR - Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü - Rüzgar Enerjisi Türbin Sistemleri İçin Gerçek Zamanlı Dinamik Analiz Simülatörü Gerçekleştirilmesi, İstanbul 2011 [2]. Yrd. Doç. Dr. Önder GÜLER, Dünyada ve Türkiye' de Rüzgar Enerjisi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü [3]. pressrelease, 7 March 2005 [4]. Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu (EPDK). [5]. Mohan, Undeland, Robbins: Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3rd Edition 27

44 EKLER 28

45 EK.1 Türkiye Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Atlası (REPA). 29

46 EK.2 Maliyet Tablosu Malzeme Türü Birim Kullanım 100 Adet( ) 1000 Adet( ) Fiyatı( ) Adedi MIC TL LM 741 Op-Amp DSEI12-12 Diyot GIGTA Mosfet ETH06FP Diyot nF Kapasite nF Kapasite nF Kapasite nF Kapasite nf Kapasite 0, uF Kapasite uF Kapasite K Direnç K Direnç LM K Direnç K Direnç K Direnç LM Bakır Plaka F4620 PIC PİC Deney Kartı K Pot

47 Sanayi Masrafları Toplam 443,87 TL 364,35 TL 349,01 TL 31

48 EK.3 Çalışma Takvimi İŞ ZAMAN ÇİZELGESİ Aylar İş Paketi Adı / Yapılacak İş Tanımı Malzemelerin Sistemin Hedeflerin Deney Sonuçları Sisteme Son Temin Gerçekleştirilmesi Yapılan Halinin Edilmesi Projede Verilmesi Aranması 1 Malzemenin Sistemin teslim mühendislik alınması şartlarında 2 Malzemelerin test edilmesi Sistemin planlı bir şekilde kurulması gerçeklenip maksimum güç verilmesi ve Devre parametrelerinin elde edilmesi. 3 Arızalı parça Sistemin Test normal Akünün Generatörün varsa, Edilmesi şartlar boşaltılarak ayaklara değişim altında sistemin bağlanması yapılması optimum değişken ve sonuç elde şartlarda şarja sabitlenmesi edilmesi bırakılması 4 AA yüklerin tasarımı ve test edilmesi 5 Eviricinin test edilmesi 32 Çevirici ve evirici devrelerin bağlanması Sistemin test edilmesi ve hata varsa üzerinden geçilmesi

49 EK.4 Standartlar ve Kısıtlar Formu Bitirme Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisi ile enterkonnekte şebekenin ulaşamadığı yerlerde ve enerji ihtiyacının az olduğu yerlerde kullanılabilir. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Projemizde rüzgar enerjisinin hızına ve şiddetine bağlı olarak değişen üretilen gerilimi yükselten çevirici ile yükseltip evirici devresiyle alternatif gerilime çevirdik. Yükselten çevirici devresinde mikroişlemci kullanarak tam kontrollü geri besleme sağladık. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Doç. Dr. Halil İbrahim OKUMUŞ hocamızın dersi olan "Güç Elektroniği Devreleri" dersinde gördüğümüz DA / DA yükselten (Boost) çeviriciyi kullandık. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Projemize başlarken kendimize kural olarak koyduğumuz maksimum verim minimum maliyet prensibine göre sistemimizi oluşturduk. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Oluşturduğumuz sistemde en fazla maliyete sahip malzeme DA Generatördür. Bu generatörü bağış sayesinde edindik. b) Çevre sorunları: 33

50 Projemizin yenilenebilir enerji kaynağı olması sebebiyle herhangi bir çevre sorunuyla karşılaşmadık. Ancak kurulacak büyük sistemlerde gürültü ve görüntü kirliliğine sebep olduğu görülmüştür. c) Sürdürülebilirlik: Projemiz özellikle düşük enerji ihtiyacı olan yerlerde kullanılabilir. d) Üretilebilirlik: Kendi kendini kısa sürede amorti etmesi nedeniyle üretimi rahat yapılabilir. e) Etik: Projemizde etik değerlere karşı gelen bir durum bulunmamaktadır. f) Sağlık: Doğal kaynakların kullanılmasından dolayı insan sağlığına olumsuz bir etkisi bulunmamaktadır. g) Güvenlik: Elektrikle çalışma ve işletme ile ilgili güvenlik standartları projemizde de bulunmaktadır. Güvenlik açısından İş Güvenliği ve Sağlığı kurallarına uyulduğu taktirde herhangi bir sorun teşkil etmemektedir. h) Sosyal ve politik sorunlar: %100 yerli olması bu projenin, bir ülkenin enerji ihtiyacında dışa bağımlılığını ortadan kaldırmaktadır. Dolayısıyla politik bir sorun oluşturmamaktadır. Görüntü ve gürültü kirliliği dışında sosyal sorunu bulunmamaktadır. 34

51 Projenin Adı Projedeki Öğrencilerin adları RÜZGAR ENERJİ SİSTEMİ Oğuz GÜNDÜZ Muzaffer MANGIR Oğuzhan NİŞANCI Rasim Berk AKTAŞ Tarih ve İmzalar

52 ÖZGEÇMİŞ Oğuz GÜNDÜZ 25 Temmuz 1990'da Elazığ'da doğmuştur. Babasının mesleği sebebiyle ilk ve orta öğretim hayatını sırasıyla Çorum, Erzurum ve Karabük'te geçirmiştir. Lise öğrenimini Rize Anadolu Lisesinde tamamlayıp 2008 yılında başarıyla mezun olmuştur yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünü kazanarak üniversite hayatına başlamıştır. Halen bu bölümde öğretim hayatına devam etmektedir. Muzaffer MANGIR 25 Temmuz 1990'da Konya'da doğmuştur. İlköğretim hayatını Almanya'nın Frankfurt şehrinde geçirmiştir. Almanya'da başladığı Gymnasium okulunu yarıda bırakıp Türkiye'ye kesin dönüş yapmış ve ortaöğretim için Konya Dolapoğlu Anadolu Lisesine geçiş yapmış ve liseyi burada tamamlamıştır. 2009'da Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliğini kazanıp 2011'de Elektrik-Kontrol dalını seçmiştir. Halen bu bölümde öğretim hayatına devam etmektedir. Oğuzhan NİŞANCI 8 Haziran 1990 da Trabzon'un Vakfıkebir İlçesinde doğmuştur. İlköğretim ve ortaöğretimini Çarşıbaşı'nda Gazi İlköğretim Okulu'nda okumuştur. Liseyi Trabzon Kanuni Anadolu Lisesi'nde tamamlamıştır yılında KTÜ Elektrik-Elektronik mühendisliğini kazanarak üniversiteye başlamıştır. Şuan bu bölümde okumaya devam etmektedir Rasim Berk AKTAŞ 2 Mart 1990 da İzmir de doğmuştur. İlk ve orta öğretim hayatını sırasıyla Merzifon, Konya ve Eskişehir'de tamamlamıştır yılında Konya Selçuk Üniversitesi Biyoloji Bölümü nü kazanmıştır yılında Selçuk Üniversitesinden ayrılarak Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümünü kazanmıştır. Öğretim hayatına Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektrik ve Kontrol dalında devam etmektedir. 36