RÜZGÂR ENERJ S NDE KULLANILAN JENERATÖRLER N

Transkript

1 RÜZGÂR ENERJSNDE KULLANILAN JENERATÖRLERN KARILATIRMALI ANALZ 1 Meltem APAYDIN 2 Arif Kvanç ÜSTÜN 3 Mehmet KURBAN 4 Ümmühan BAARAN FLK Anadolu Üniversitesi ki Eylül Kampüsü Mühendislik-Mimarlk Fakültesi 26555, ESKEHR 1 e-posta: meltemapaydin@anadolu.edu.tr, 2 e-posta: akustun@anadolu.edu.tr 3 e-posta: mkurban@anadolu.edu.tr, 4 e-posta: ubasaran@anadolu.edu.tr ÖZET Günümüzde dünyamzn bulunduu enerji dar boaznda, yenilenebilir enerji kaynaklarna ihtiyaç artmaktadr ve bu yeni ayn zamanda temiz enerjilerden olan rüzgar enerjisine olan ilgi ve yatrmlarda gün geçtikçe önem kazanmaktadr. Böylece rüzgâr enerjisi dönüüm sistemleri yayglamaktadr. Rüzgâr enerjisinden yararlanarak mekanik enerjinin elektriksel enerjiye dönütürülmesinde kullanlan jeneratör sistemlerinin önemi büyüktür. Bu çalmada rüzgar enerjisinde kullanlan jeneratörlerin hem maliyet açsndan hem kullanlma amaçlar ve doru jeneratör seçimi açsndan çeitleri incelenmi, dezavantajlar ve avantajlar ortaya konmutur. Bu sebeple rüzgâr enerjisinde kullanlabilecek jeneratörlerin ve yeni sistemlerinin sanayiye tantlmas ve ilgi çekici yönlerinin ön plana çkarlmas amaçlanmtr. Anahtar Kelimeler: Rüzgâr enerjisi, Rüzgar Türbini, Jeneratör Tipleri 1. GR VE AMAÇ Artan dünya nüfusu, teknolojinin geliimi, sanayileme yar son yllarda enerjiye olan bamll ve ihtiyac belirgin bir ekilde artrmtr. Fosil yaktlarn azalmas, iklim deiiklii gibi önemli ekolojik nedenler, mevcut enerji kaynaklarnn verimli kullanlmasn ve yeni enerji kaynaklarnn bulunmasn zorunluluk haline getirmitir. Yenilenebilir enerji kaynaklar arasnda rüzgâr enerjisi özellikle son yllarda ilgi görmekte ve gelimektedir. Örnein dünya çapnda 50 den fazla ülkede enerji kayna olarak kullanlmaktadr. Son 15 ylda ortalama %25 büyüme hz göstermitir. Rüzgâr türbinleri, rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönütüren sistemlerdir. Bu teknoloji, aerodinamik, meteoroloji, mekanik, elektrik gibi birçok konuyu içinde barndrr. Bu çalmada rüzgâr türbinlerinde kullanlan jeneratör tipleri incelenmi, üstünlükleri ve sakncalar ele alnmtr. 2.RÜZGÂR ENERJS KULLANIM AMAÇLARI Rüzgâr enerjisi günümüzde en çok gelecek vadeden teknolojilerden bir tanesidir. Bu nedenleri öyle sralayabiliriz: - Öncelikle rüzgâr enerjisi temizdir. Gürültü kirlilii haricinde herhangi bir çevre kirlilii yaratmaz. Modern bir 600kW gücündeki bir rüzgâr türbini ortalama bir yerde, bir ylda genellikle kömürle çalan dier elektrik santrallerinin 1200 ton karbondioksitinin yerine geçecektir. - Rüzgâr enerjisi boldur ve tükenmez bir enerji kaynadr. - Enerjide da bamllmz azaltacak ekilde yerli bir kaynaktr. - Rüzgâr enerjisi tesisleri kurulduklar alann %1 lik bölümünü kullanrlar. - Rüzgar türbinleri kuruluu srasnda harcanan enerjinin 3 ay gibi ksa bir sürede üretilebilmesi, özellikle Türkiye gibi ksa dönemde enerji talebi olan ülkeler için önemli bir faktördür. - Rüzgar türbinlerinin güçleri birkaç kw tan birkaç MW a kadar deiebilir. Örnein 1-3 MW lk kapasiteye sahip olan 25türbin ile ylda yaklak 20GWh lk enerji üretilebilmektedir. Bu da orta büyüklükteki bir hidroelektrik santralinin ürettii enerjiye eittir. 3.RÜZGÂR ENERJSNN MALYET ANALZ Küresel rüzgâr enerjisi piyasasnn büyümesiyle, rüzgar kaynakl elektrik üretiminin maliyeti de dümütür. Modern bir rüzgâr türbini, yllk olarak 20yl önceki edeerinden 180 kat daha fazla elektrii yar maliyetine üretebilmektedir. yi bir uygulama alannda rüzgar, kömür ve gaz ile üretilen enerjiyle rekabet edebilir duruma ular. 103

2 Enerji sektöründe mevcut kaynaklarn elektrik enerjisine dönütürülmesi için göz önünde bulundurulmas gereken konular genel olarak: - Tesis edilecek santral ve bu santralin inas için gerekli olan sermaye maliyeti - Enerji kaynann eriilebilirliine ve kullanma uygun hale getirilmesine bal olarak deien giderler - Mevcut tesislerin bakm, onarm ve iletilmesi için karlanacak giderler - Çevreye, enerji sektörüne ve dier sektörlere verilen zararlarla ilgili d maliyetler Bunlar dikkate alndnda rüzgâr enerjisi, sermaye maliyetinin kw bana yüksek olduu ve bunun aksine mevcut tesislerin bakm, onarm ve iletme maliyeti çok düüktür. Tablo 1. Enerji Sektörlerine Göre Maliyet Deerleri Yakt Sent/kWh Maliyet Kömür Gaz Hidro Biokütle Nükleer Rüzgar Kullanm alanna göre, rüzgâr enerjisinde kullanlacak ekipmanlarn seçimi de önemli bir aamadr. Ev sistemleri, küçük üretim sistemleri ya da büyük üretim sistemlerine göre uygun jeneratörler de farkllk gösterirler.[1] 4.RÜZGÂR TÜRBNLERNDE KULLANILAN JENERATÖRLER Rüzgar türbin jeneratörleri mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Bunlar, ebekeye balanan dier jeneratörlerle karlatrldnda aralarnda bir fark görülür. Bu jeneratörler devaml azalp artan bir mekanik güç veren tahrik kayna ile çalmak durumundadr. Genel olarak 3 tip jeneratör kullanlr. Bunlar dezavantajlar ve avantajlarna göre ayr ayr deerlendirilebilir. Asenkron Jeneratör a) Sincap Kafesli Asenkron Jeneratör (SKAG) b) Rotoru Sargl Asenkron Jeneraör (RSAG) -Çift Beslemeli Asenkron Jeneratör (ÇBAG) -OptiSlip Jeneratör (OSG) Senkron Jeneratör a) Rotoru Sargl (Alan Sargl) Senkron Jeneratör (RSSG) b) Sürekli Mknatsl Senkron Jeneratör (SMSG) Doru Akm Jeneratörü Anahtarl Relüktans Jeneratör (ARG) 4.1.Asenkron Jeneratörler Son yllarda asenkron jeneratörler enerji üretim sektöründe özellikle rüzgar türbinlerinde oldukça fazla kullanlr. Bu jeneratörlerin ulusal ve uluslar aras standartlara uygun olmas gerekir(ts 3067, IEC 34-1, IEC 34-2, IEEE Standart , VDE 0530). Bunlarn fabrika testlerinde düük maliyeti ve kolayl sebebiyle dolayl metot, direk metoda göre daha çok tercih edilir. Rüzgar türbinlerinde kullanlmasndaki en önemli avantajlar ise salamlk, mekanik anlamda basitlik, fiyatnn düüklüü gibi sebeplerdir. Ayrca ani rüzgar artnda oluan tork titreimlerini azaltmada oldukça iyidir. En büyük dezavantaj ise duran ksm statorun, reaktif mknatslanma akmna olan ihtiyacdr. Rotor yaplarndaki farklla göre[3-6-7]: - Sincap Kafesli Asenkron Jeneratör(Ksa devre çubuklu) - Bilezikli (sargl) Asenkron Jeneratör Sincap Kafesli Asenkron Jeneratör (SKAG) SKAG hem sabit hzl rüzgâr türbinlerinde hem de deiken hzl rüzgar türbinlerinde kullanlr. Manyetik sesleri azaltmak ve iyi kalknma momenti elde etmek için rotor oluklar mile paralel olarak deil meyilli olarak açlarak pres alüminyum döküm rotor sargs elde edilir. Sincap kafesli asenkron makineler, frçasz, güvenilir, ekonomik ve salam bir yapya sahip olmalar nedeniyle uygulamada skça kullanlmaktadrlar. Dezavantajlar; jeneratör parametrelerinin scaklk ve frekansla deierek sistemin kontrolünü karmaklatrmasdr. Moment-hz erisi lineerdir. Böylece rüzgar gücündeki dalgalanmalar direkt olarak ebekeye iletilir. Bu geçiler özellikle rüzgar türbininin ebeke balants srasnda kritiktir. Bu noktalarda nominal akmdan 7-8 kat daha hzl akm geçici olur ki bu sistemin dezavantajlar arasnda yer alr. Ayrca sincap kafesli asenkron jeneratör reaktif güç tüketir. Birçok durumda, özellikle büyük türbinlerde ve zayf ebekelerde bu istenmeyen bir durumdur. Bu yüzden sincap kafesli asenkron jeneratörün reaktif güç tüketimi hemen her zaman ksmen ya da tamamen güç faktörünü bire yaklatrmak için kullanlan kapasitörlerle dengelenir. [8-9] ekil 1. SKAG ve ebeke balants 104

3 4.1.2.Rotoru Sargl (Bilezikli) Asenkron Jeneratör (RSAG) Bir RSAG de rotorun elektriksel özellikleri dardan kontrol edilebilir ve böylece rotor gerilimi deitirilebilir. Rotor sarg uçlar rotorla beraber dönen bileziklere baldr. Bilezikler üzerinde sabit duran frçalar yardm ile, rotor sarglar üç fazl bir yol verici direncine ya da d kaynaa balanabilir. Böylece yol alma akm snrland gibi hz ayar da yaplabilir. Dezavantaj pahal olmas ve SKAG kadar salam olmamasdr. Sadece rotorun kayma gücünü kontrol etmeye yarayan konverter sistemine sahip olduu için, toplam sistem gücünün yaklak %25 i orannda bir inverter kullanlmaktadr. Bu da inverter maliyetini azaltr. Sistemde kullanlan filtreler toplam sistem gücünün 0.25 p.u. lik ksm için gerekli olduundan, inverter filtrelerinin maliyeti azalmaktadr. Ayn zamanda inverter harmonikleri, toplam sistem harmoniklerinin daha küçük bir bölümünü temsil etmektedir. Ayrca bu makine harici bozucu etkilere kar dayankllk ve kararllk göstermektedir. ÇBAG için en büyük dezavantaj ise bünyesinde periyodik bakma ihtiyaç duyan bilezik tertibatnn bulunmasdr.[5-6] ekil 2. RSAG ve ebeke balants Çift Beslemeli Asenkron Jeneratörler Dili Sistemi ÇBAG AA/DA DA-Link DA/AA ekil 3. ÇBAG ve ebeke balants ebeke ekil 3 de çift beslemeli asenkron jeneratörün (ÇBAG) kullanld bir rüzgar güç sistemi görülmektedir. Bu sistemde, stator sargs ebekeye dorudan balanmtr. Rotor sargs ise iki adet backto-back gerilim kaynakl DGM tekniini kullanan inverterden oluan, dört bölgeli güç konverteri üzerinden ebekeye balanmtr. Genellikle, rotor tarafndaki konverter kontrol sistemi, elektromanyetik torku düzenler ve makinenin manyetizasyonunu sürdürebilmesi için reaktif güç salar. ebeke tarafndaki konverter kontrol sistemi ise, DA linkini düzenler. Senkron jeneratörlerle karlatrldnda, ÇBAG ün aada belirtilen baz avantajlar vardr: Optslp Induksiyon Jeneratörler (OSG) OSG, rüzgârn ani ve sert esmesi srasnda rüzgâr türbinindeki yükleri çok hzl güç elektronii elemanlar kullanarak minimuma indirmek için Danimarkal irket Vestas tarafndan gelitirilmitir. Optislip jeneratör rotoru sargl asenkron jeneratör ile afta yerletirilmi ayarlanabilir harici rotor dirençlerinden oluur. Herhangi bir bilezie ihtiyac yoktur. Jeneratörün kaymas, rotor aftna bal bir konvertör araclyla toplam rotor direncinin düzenlenmesi ile deitirilir. Bu deiim rüzgâr hzna ve yüke bal olarak elektronik devre ile %1 ile %10 arasnda deimektedir. Böylelikle ani rüzgâr artlarnda oluan mekanik yükler ve güç dalgalanmalarnn azaltlmas hedeflenmitir. Dezavantaj ise reaktif güç kontrolünün zayf olmasdr Senkron Jeneratör Senkron jeneratörler, ayn büyüklükteki asenkron jeneratörlere göre daha pahal ve mekanik olarak daha karmaktr. Senkron jeneratör, harici bir yükü besleyen üç fazl sarglarn oluturduu bir stator ve manyetik alan oluturan bir rotordan meydana gelir. Senkron jeneratörler sabit hzl sistemler için daha uygundur. Bu nedenle sabit hza bal olarak sabit frekansta çalrlar. Rotorun oluturduu manyetik alan, ya sürekli mknatslardan ya da sarglardan akan doru akmdan üretilir. Rüzgar türbinlerinde kullanlan senkron rotorlarndaki doru akm ebekeden alnan besleme ile salanr. ebekeden alnan A.C dorultularak D.C ye çevrilir. Daha sonra rotorun sarglarna frçalar aracl ile iletilir. 105

4 Alan Sargl Senkron Jeneratör Alan sargl senkron jeneratörlerde (ASSG); stator sargs, dalga genilik modülasyonu (DGM) tekniine göre anahtarlama yapabilen, çift yönlü akm aknn olabildii (back-to-back) gerilim kaynakl iki inverterden meydana gelmi, dört bölgeli bir güç konverteri üzerinden ebekeye balanmtr (ekil 4). Stator tarafndaki konverter elektromanyetik torku, ebeke tarafndaki konverter ise bu sistemin oluturduu aktif ve reaktif gücü düzenler. ASSG nin salad avantajlar unlardr: Elektromanyetik tork üretiminde stator akmnn tamam kullanld için bu makinenin verimi genellikle yüksektir. Çkk kutuplu alan sargl senkron jeneratörün kullanlmasnn en büyük faydas, makinenin güç faktörünün dorudan kontrolüne müsaade edilmesidir. Bunun sonucu olarak, stator akm bir çok iletim durumunda minimize edilebilir. Bu jeneratörlerin kutup eimi indüksiyon makinelerine göre daha küçük olabilir. Bu durum dili kutusu elimine edilerek, düük hzl çok kutuplu makineler elde edilmesinde önemli bir özellik olabilmektedir. Rotorda sarg devresinin bulunmas daimi mknatsl senkron jeneratör (DMSG) ile kyaslandnda bir dezavantajdr. Ayrca üretilen aktif ve reaktif gücü düzenlemek için, nominal rüzgar gücünün 1.2 kat büyüklüünde konverterler kullanlmas gerekmektedir.[2] ekil 4. Rotoru Sargl (Alan Sargl) senkron jeneratör (RSSG) Daimi Mknatsl Senkron Jeneratör ekil 5 de üç fazl dorultucuyu takip eden, yükseltici DA-DA kycs ile balants salanm, daimi mknatsl senkron jeneratöre (DMSG) ait rüzgar güç sistemi görülmektedir. Burada yükseltici DA-DA kycs elektromanyetik torku kontrol etmektedir. ebeke tarafndaki konverter ise, giriin güç faktörünü kontrol ettii gibi, ayn zamanda DA link gerilimini de regüle etmektedir. Genellikle bu konfigürasyon küçük güçlü (50 kw dan küçük) rüzgar güç sistemleri için tercih edilmektedir.[2] ekil 5. Daimi mknatsl senkron jeneratör (DMSG) DMSG nin avantajlar unlardr: Herhangi bir enerji kaynana gerek duymadan kendinden uyartml olmas nedeniyle rüzgar türbini uygulamalarnda önerilmektedir. Herhangi bir hzda güç üretebilir. Bakm maliyeti düüktür. Küçük ve hafif uygulamalar için uygundur. DMSG nin dezavantajlar unlardr: Makinenin fiyatn arttran daimi mknatslarn maliyeti yüksektir. Akmn genliini arttran diyotlu dorultucular kullanlmaktadr. Mknats malzemesinin manyetiklii bozulabilmektedir. Makinenin güç faktörünün kontrol edilmesi mümkün deildir Frçasz Doru Akm Jeneratörleri Doru akm jeneratörleri, güvenilirliklerinin düük olmas ve bakm gerektirmesi gibi dezavantajlarna ramen, hz kontrollerinin kolay olmas nedeniyle rüzgar enerjisi sektöründe kullanlmaktadr. DAG ler küçük kapasiteli rüzgar türbinlerinde, özellikle elektriin ebekeden bamsz olarak kullanld yerlerde tercih edilmektedirler. Son yllarda mekaniksel komütatörlü DAG larn komütatörü elimine etmek için sürekli mknatsl olarak tasarlanmasna balanmtr. Bu tertibatta üretilen alternatif akm yar iletken dorultucular yardmyla doru akma dönütürülür. Frçasz doru akm makineleri olarak da isimlendirilen bu makineler, sürekli mknatslarn kapasitelerinin ve güçlerinin snrl olmas nedeniyle, küçük güçlü rüzgâr türbinlerinde kullanlmaktadrlar.[4] Anahtarl Reluktans Jeneratör (ARG) Son yllarda ARG, iyi mekanik güvenilirlik, yüksek tork-güç oran, yüksek verim ve düük maliyetten dolay rüzgar enerjisi uygulamalarnda tercih edilen jeneratördür. ARG nin statorunda bulunan her çkk kutba çoklu sarglar yerletirilmitir. ARG uyartm ve üretim olmak üzere iki aamada çalr. ARG iki anahtar ve her faz bana iki diyottan oluur. Uyartm aamasnda 106

5 S1 ve S2 anahtarlar açk olup, statordaki sarglar harici elektriksel devre tarafndan uyartlr ve manyetik enerji ortaya çkar. Üretim aamasnda S1 ve S2 anahtarlar kapal olup, D1 ve D2 diyotlar üzerinden manyetik ve mekanik enerji elektrik enerjisine dönüür. ekil 6. Anahtarl relüktans jeneratör 5. SONUÇLAR Kömürün 230 yl, petrolün 38 ve doal gazn 60 yl sonra tükeneceini göz önüne aldmzda alternatif enerji kaynaklarna süratle yönelmemiz gerekir. Rüzgarda bu alternatif enerji kaynaklarndan bir tanesidir. Bu yüzden, dünya acsndan çevreyi kirletemeyen, ekonomik olan, ülkemiz acsndan da d ülkelere bamll olmayan rüzgar enerjisine, yatrmlarn artrlmas rüzgar potansiyelinden faydalanlmas bir zorunluluk haline gelmektedir. Konunun geni boyutlar da düünüldüünde bu alandaki endüstriyel AR-GE ve üretimi ilgi çekici ve katma deer oluturan bir nitelik göstermektedir. [2]Murat UYAR, Muhsin Tunay GENCOLU, Selçuk YILDIRIM, Deiken Hzl Rüzgar Türbinleri çin Generatör Sistemleri, 2006 [3]Onur Çopçuolu, Güven Önbilgin, Yel Enerjisi Dönüüm Sistemleri çin Uygun Generatör Türlerinin Deerlendirilmesi, 2008 [4]Patel, M.R., Wind and Solar Power Systems CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington, 1999 [5]Nicolás, C.V, Lafoz, M. And Iglesias, J. Guidelines For the Design and Control of Electrical Generator Systems for New Grid Connected Wind Turbine Generator. IECON 2002 [6]"Wind Turbine Grid Connection and Interaction, Deutsches Windenergie-Institut Tech wise A/S, DM Energy, oc/wind_energy/maxibrochure_final_version.p df, 2001 [7] American Wind Energy Association Homepage [8]Wind Power Generators in United Kingdom [9]Elektrik leri Etüd daresi web sayfas- Bir rüzgar santralinin performans, santralin kurulaca bölgenin rüzgar rejimine ve türbin tipine en uygun jeneratörün kullanlmasna baldr. Küçük ve orta güçlü rüzgar güç sistemlerinde hem SKAG, hem de DMSG kullanlr. Büyük güçlü rüzgar güç sistemleri için ise hem ÇBAG, hem de senkron jeneratör tercih edilir. DGM, sistemin giri ve çkndaki akm harmonilerini azaltaca için, DGM tekniine göre anahtarlama yapabilen, back-to-back gerilim kaynakl dört bölgeli güç konverteri tercih edilir. Böylece, jeneratör üzerindeki tork titreimleri azalr ve çk gücünün kalitesi artar. Ayrca güç elektronii teknolojisinde kaydedilecek yeni gelimeler ile beraber, rüzgar güç sistemlerinin performansn optimize etmek mümkün olacaktr. Rüzgar santrali kurmann sadece o bölgenin iyi rüzgar potansiyeline sahip olmasnda veya iyi ekipmanlardan olumasna bal deildir. Ayrca düük maliyetlerde tutulabilecek bir santral, hem kendini amorti etmesi açsndan hem de sanayinin tevik edilebilmesi açsndan önemli bir faktör olduu gösterilmek istenmitir. Bunlarn yannda jeneratör türünün ve yapsnn seçiminin de birçok etmene bal olduu gösterilmek istenmitir. 6.KAYNAKLAR [1]Prof. Dr. smail H. TAVMAN, Mehmet Sülün, Rüzgar Enerjisi, zmir