PROJEM İSTANBUL YÜKSEK LİSANS TEZİ RÜZGAR ENERJİ SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ VE BİR UYGULAMA DEVRESİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 PROJEM İSTANBUL YÜKSEK LİSANS TEZİ RÜZGAR ENERJİ SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ VE BİR UYGULAMA DEVRESİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ YÜKLENİCİ: Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesi 2007-İstanbul. Bu yüksek lisans tezi Projem İstanbul kapsamında İstanbul Büyükşehir Belediyesinin desteğiyle hazırlatılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve Yıldız Teknik Üniversitesinin yazılı izni olmadan çoğaltılamaz ve kopyalanamaz.

2 ii YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ RÜZGAR ENERJİ SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ VE BİR UYGULAMA DEVRESİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Elektrik Mühendisi Caner ÜNSALVER FBE Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı Elektrik Makineleri Ve Güç Elektroniği Programında Hazırlanan YÜKSEK LİSANS TEZİ Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. A. Faruk BAKAN İSTANBUL, 2008

3 iii İÇİNDEKİLER Sayfa SİMGE LİSTESİ...iv KISALTMA LİSTESİ... v ŞEKİL LİSTESİ...vi ÇİZELGE LİSTESİ...vii ÖNSÖZ ÖZET...viii...ix ABSTRACT... x 1. GİRİŞ Rüzgar Enerji Sistemlerinin İncelenmesi Tarihsel Gelişim Rüzgar Türbinlerinin Detaylı İncelenmesi Rüzgar Türbinlerinin Alt Bileşenlerinin İncelenmesi Rüzgar Türbinlerinin Enerji Üretimi Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinalarının İncelenmesi Rüzgar Türbinlerinde Dişli Takımı kW lık Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör Sisteminin MATLAB / Simulink Simulasyonu Veri Toplama Amacıyla DSP Tabanlı Mikrodenetleyici Kullanarak USB Üzerinden Bilgisayarda Gerçek Zamanlı Ölçüm Sisteminin Gerçekleştirlmesi Bilgasayar Üzerinde, Windows XP işletim sistemi ile çalışan DSP ile USB veriyolundan haberleşen bir Kullanıcı Arayüz Yazılımının gerçekleştirilmesi kW lık Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör Deneyi SONUÇLAR ve ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 42

4 SİMGE LİSTESİ iv C p KE r m V r P r A ρ R Türbin güç katsayısı Rüzgar kinetik enerjisi Rüzgar kütlesi Rüzgar hızı Rüzgar gücü Rotor süpürme alanı Havanın yoğunluğu Rotor çapı

5 v KISALTMA LİSTESİ RES Rüzgar Elektrik Santrali TEİAŞ Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi AB Avrupa Birliği AC Alternative Current DC Direct Current KUAG Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör PV Foto-Voltaik Batarya AWEA American Wind Energy Association

6 vi ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1 Ülkeler Bazında 2006 Avrupa RES Kurulu Gücü Haritası...8 Şekil 2.2 Türbin Çevresindeki Hava Hareketleri...11 Şekil 2.3 Türbin Rüzgar Hızları...11 Şekil 2.4 Yavaşlatma faktörünün değişimi...13 Şekil 2.5 Modern Rüzgar Türbini Bileşenleri...15 Şekil 2.6 Modern Rüzgar Türbini Elektronik Kontrol Sistemi...18 Şekil 2.7 Güç Elektroniği Devresi ile Dolaylı Şebeke Senkronizasyonu...20 Şekil 2.8 Semikron Firmasının 1,5 [MVA], 4 Bölge Değişken Hızlı Dönüştürücüsü...21 Şekil 2.9 Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinaları...22 Şekil 2.10 DC Şönt Generatör, Batarya grubu ve Yük Eşdeğer Devresi...22 Şekil 2.11 PMSG Şebeke Senkronizasyonu...23 Şekil 2.12 Bilezikli Asenkron Generatör Şebeke Senkronizasyonu...24 Şekil 2.13 Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatörün Tek Faz Eşdeğer Devresi...25 Şekil 2.14 AWEA 2006 da sergilenen General Electric firmasının 2 MW lık dişli takımı...26 Şekil 3.1 MATLAB / Simulink Simulasyon Blok Diyagramı...27 Şekil 3.2 Asenkron Makina Parametreleri...28 Şekil 3.3 Generatör Uçlarındaki Gerilim...29 Şekil 3.4 Generatör Akımı...29 Şekil 4.1 FTDI FT232 USB Arabirim Entegresi Blok Şeması...30 Şekil 4.2 FTDI FT232 USB Arabirim Entegresi Pin Bağlantıları...31 Şekil 4.3 Microchip Firmasının dspic30f3011 kodlu DSP Mikrodenetleyicisi...31 Şekil 5.1 Veri Toplama Ünitesi, Elektrik Makinaları Analiz Yazılımı...32 Şekil 6.1 Kısa Devre Rotorlu Asenkron Generatör Deney Devresi...33 Şekil 6.2 D-Q eksenindeki Stator Gerilimleri VsD ve VsQ...34 Şekil 6.3 D-Q eksenindeki Stator Akımları IsD ve IsQ...35

7 vii ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 2.1 Tarihteki Rüzgar Türbinleri...4 Çizelge 2.2 İlk Büyük Ebatlı Rüzgar Türbinlerinin Performansları...6 Çizelge 2.3 Dünya Çapında RES Kurulu Gücü...7 Çizelge 2.4 Avrupa Ülkelerinin 2006 Sonu RES Kurulu Gücü Miktarları...9 Çizelge 2.5 Senkron Güç Elde Edilme Yöntemleri...19

8 viii ÖNSÖZ Rüzgar enerji sistemlerinin incelenmesi ve bir uygulama devresinin gerçekleştirilmesi konulu tez çalışmamda, tarihteki rüzgar kullanımından, günümüz modern yüksek güçlü türbinlerine kadar olan sistemleri inceleyip, 1.5kW gücünde şebekeden izole şekilde çalışan sistemin modellenmesi ve laboratuarda gerçekleştirilmesi şansına sahip oldum. Yılların bilgi ve tecrübesi ile gerek aldığım dersleri, gerek ders dışındaki tavsiyeleri ile Sayın Prof. Dr. Hacı BODUR a, tez çalışmalarım sırasında bana yardımcı olup yol gösteren, her türlü desteğini veren Sayın Yrd. Doç. Dr. A.Faruk BAKAN a, güleryüzü ve yardımlarıyla Sayın Arş. Gör. Dr. İsmail AKSOY a, Projem İstanbul akademik araştırmaları destek programı ile İstanbul Büyükşehir Belediyesi ne teşekkürlerimi borç bilirim. Ve tabi ki; bugüne kadar maddi ve manevi olarak beni destekleyen sevgili aileme ve tüm dostlarıma teşekkürlerimi sunarım.

9 ix ÖZET Rüzgar enerjisi, fosil yakıt kullanımına ihtiyaç duymadığından çevre dostu bir enerji biçimidir. Rüzgar türbinlerinin, termik santraller ya da dizel santraller gibi emisyonları yoktur. Bu türden emisyonlar, asit yağmurları ve küresel ısınmayı gerçekleştiren sera etkisine neden olmaktadırlar. Rüzgar enerjisinin en önemli özelliği, yenilenebilir enerji kaynağı olmasıdır. Bu sebepten dolayı fosil yakıtlar gibi tükenmesi söz konusu değildir. Rüzgar, günümüz yenilenebilir enerji teknolojileri arasında en ekonomik olanıdır. Henüz gelişmekte olan hidrojen yakıt pilleri ve güneş panelleri hem çok küçük güç mertebelerindedirler, hem de üretim maliyetleri çok fazla ve verimleri çok düşüktür. Rüzgar enerjisinin en büyük dezavantajı kurulum maliyetidir. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en ekonomik çözüm olsa da, hali hazırda üretilen elektrik enerjisi ile rekabeti çok zordur. Ancak çok yüksek hızlarda, sürekli rüzgar alan bölgelerde kurulması rekabet gücünü arttırmaktadır. Kurulum maliyetleri çok fazla olsa da, bakım ve işletme giderleri çok azdır. Rüzgarın süreksizliği büyük bir problemdir. Bu yüzden şebeke ile bağımsız çalışması, kesintilere ve dalgalanmalara neden olmaktadır. Genel olarak kararsız bir enerji kaynağıdır. Günümüzde, güç elektroniği uygulamalarının gelişimi ve ilerlemesi ile bu problemler azalmaktadır. Çift yönlü dönüştürücüler sayesinde değişken rüzgar hızlarında da sabit gerilim ve frekansta çıkış verilebilmektedir. Yaptığım bu tez çalışması kapsamında, öncelikli olarak rüzgar eneji sistemleri, elektrik makineleri ve güç elektroniği bakış açısıyla incelenmiş ve şebekeden izole çalışabilen, kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makina kullanılarak bir uygulama devresi gerçekleştirilmiştir.

10 x ABSTRACT Wind energy is a clean renewable energy and does not depend on fossil fuel. Wind power plants do not have air polluting emissions. In conventional power plants, these kind of emissions causes greenhouse effect, acid rain and global warming. Wind energy is the most economical solution in renewable energy systems. The renewable systems, still on development such as photo-voltaic batteries, hydrogen powered fuel-cells, have very large production costs, low output power and low efficiency. The biggest problem in wind power plants, is the foundation and installation costs. Although it is the most economical solution among other renewable energy sources, it is still expensive to compete with the conventional power plants. One other disadvantage is the instability of wind. Without an interconnection to grid, isolated wind power systems, has instability and flicker problems. These problems are being solved with the development and improvement of the new technologies in power electronics. Bidirectional power converters can provide fixed voltage, fixed frequency outputs in variable wind conditions. In this master of science thesis, the wind energy systems are studied from the view of electrical machinary and power electronics and isolated system with Self-Excited Induction Generator has been realized.

11 xi Keywords : Wind Energy Systems, Self-Excited Induction Generator, Power Electonics in Wind Energy Systems

12 1 1. GİRİŞ Son yıllarda fosil yakıtların yüksek miktarlarda tüketiminden kaynaklanan çevresel kirlenmenin küresel ısınmayı ciddi şekilde etkiler duruma gelmesi, fosil bazlı yakıtların sınırlı oluşu ve ithal enerji kaynaklarına gittikçe artan bağımlılık dünya genelinde alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimi teşvik etmektedir. Özellikle, 1997 yılında Kyoto protokolünün imzalanmasından sonra CO 2, NO x ve SO x tabanlı emisyonlarının azaltılması uluslararası bir problem olarak benimsenmiş ve bu alanda yapılan yasal uygulamalar açısından lider konumunda olan AB üye ülkeleri arasında 2002/358/EC direktifi kapsamında 2010 yılına kadar tüketilen yıllık enerjinin ülkeler bazında en az %12 sinin ve AB-25 genelinde %21 inin yenilenebilir tabanlı enerji kaynaklarından üretilmesi hedefi konulmuştur. Ülkemizin sahip olduğu mevcut yenilenebilir enerji (ağırlıklı olarak hidroelektrik) santrallerinde yapılan üretim değerlendirildiğinde, çevre dostu enerji üretimi yaptığımız ve mevcut AB hedefini tutturduğumuz ortaya çıksa da bu durumun ilerleyen yıllarda da korunması için artan enerji talebinin karşılanırken yapılacak yatırımların önemli bir kısmının yenilenebilir enerji kaynakları tabanlı üretim yapan santrallere yapılması gerekmektedir. Rüzgar enerji santrallerini diğer yenilenebilir enerji santrallerinden ayıran en etkin dezavantajları sistemin arz güvenliği ve enerji kalitesine yaptıkları olumsuz etkiler ve bu etkilerin şebeke tarafından kompanze edilmesi durumunda şebekeye mutlak surette ek yük getirmesidir. Geliştirilen yeni türbin teknolojileri ve kontrol mekanizmanaları yardımıyla rüzgar enerjisi santrallerin sebep olabileceği harmonik ve gerilimde dalgalanma gibi olumsuz etkilerin önüne geçilmeye başlanmıştır. Yaptığım bu tez çalışması kapsamında, öncelikli olarak rüzgar eneji sistemleri elektrik makinaları ve güç elektroniği bakış açısıyla incelenmiş ve şebekeden izole çalışabilen, kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makina kullanılarak bir uygulama devresi gerçekleştirilmiştir. Devre, öncelikli olarak literatür bilgileri ışığında modellenmiş daha sonra Güç Elektroniği Laboratuarı nda prototipi üretilmiştir. Öncelikli olarak kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makinanın matematiksel modeli tasarlanarak,

13 2 simulasyonları MATLAB / Simulink ortamında gerçekleştirilmiş, daha sonra laboratuarda kurulan sistem üzerinde boşta çalışmasının geçici hal ve kararlı hal analizi yapılmış ve elde edilen bilgiler ışığında bağlanacak kontrol sistemi tasarlanmıştır. Bu kapsamda kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makina detaylı olarak benzetim programları ve laboratuar çalışmaları ışığında incelenmiş ve elde edilen sonuçlar tez çalışması içerisinde sunulmuştur.

14 3 2. Rüzgar Enerji Sistemlerinin İncelenmesi 2.1 Tarihsel Gelişim Rüzgar enerjisinin kullanımı tarihte yüzyıllar öncesine kadar dayanmaktadır. Yeldeğirmenleri sayesinde tahılların işlenmesinde, tarımda sulama ihtiyacının karşılanmasında ve deniz taşımacılığında gemilere uygulanan yelkenler sayesinde rüzgardan faydalanılmıştır. Yeldeğirmenlerinin, günümüz rüzgar türbinleri halini alma serüveni, 19.yy sonlarına doğru Danimarka da LaCour tarafından yapılan 23m çapındaki rüzgar türbini ile Amerikan Brush firması tarafından 12kW lık DC türbinin kurulması ile başlamıştır yılında Danimarka da başlatılan bir çalışma ile, 120 kırsal merkezde elektrik üretimi, kw lık rüzgar türbinlerinin kullanımı ile sağlanmıştır. Rusya da 1931 yılında 100 kw lık rüzgar türbini yapılmıştır yılında ABD de Vermont yakınlarında Granpa s Knop da kurulan Putnam rüzgar türbini, 1250 kw gücü ile dönemin en büyük rüzgar türbini olmuştur. İki kanatlı rotorun çapı 53m olup, Putnam türbini, modern rüzgar türbinlerinin ilkidir. Toplam ağırlığı 250 ton olan bu rüzgar türbini, bir milyon dolara mal olmuştur. Ancak, öngörülemeyen titreşim ve malzeme yorgunluğu nedeniyle, 1945 yılında kanatlarından biri kopmuştur. İkinci Dünya Savaşı nın ardından 1945 de İngiltere de başlatılan deneysel çalışmalar sonucunda, Enfeld da 10 kw gücündeki Andreu türbini kurulmuştur. Bu rüzgar türbininin rotoru, üç kanatlı olup, çapı 15 metreydi yılında Danimarka da başlatılan ve modern yaklaşımlar içeren elektrik üretim amaçlı bir başka çalışmanın son ürünü ise, 1959 yılında işletmeye sokulan 200 kw lık Gedser türbini olmuştu, 24 metre çaplı rotor ve üç kanatlı idi. Tarihteki rüzgar türbinleri gelişimi Çizelge 2.1 de verilmiştir.

15 4 Çizelge 2.1 Tarihteki Rüzgar Türbinleri Türbin ve Çap Süpürme Güç Spesifik Güç Kanat Yükseklik Yapım Ülke Alanı [kw] [kw / m2] Sayısı [m] Tarihi Poul La Cour, Danimarka Smith-Putnam, ABD F.L Smith, Danimarka F.L Smith, Danimarka Gedser, Danimarka Hütter, Almanya ( Gipe, 1995 ) Aynı dönemde Fransa da yapılan makinelerden Noeget Le Roi deki rüzgar türbini 300 kw gücündedir. Bu yıllardaki ilgi artışının sebepleri şu şekildedir. Hızla artan elektrik enerjisi talebi karşısında, ekonomik olarak geliştirilebilen hidroelektrik kaynakların yakıt tedarikinin yetersiz kalması Hidroelektrik santrallerinin ve buhar türbinlerinin oluşturulmasında, hem ilk yatırım sırasında, hem de enerjinin iletilmesi esnasında hızla artan yüksek maliyetler Savaş sonrasındaki zor ekonomik ve politik koşullar nedeniyle, ülkelerin enerji üretiminde ithal yakıtlar yerine kendi öz kaynaklarına yönelmesi Kömür ve petrol türevli kaynakların yakıt olarak kullanımının yüksek hızla artması ve dolayısıyla rezervlerin azalmaya başlaması Savaş sırasındaki araştırma geliştirme çalışmalarının sonucunda uçak konstrüksiyonlarında uygulanan aerodinamik bilgi birikiminin büyük bir oranda artması ve bu bilginin büyük rüzgar türbinlerinin konstrüksiyonu yolunda kullanılabilirliğinin olması

16 5 Yaygın enerji ağına farklı kaynaklardan enerji ve güç bağlanabilmesinin avantajlarının değerlendirilmesi Rüzgar türbinleri ile ilgili denemelerin yapılması ve bu tip uygulamaların ekonomik bir tesis olarak başarılı olmamasına karşın, rüzgar enerjisinden faydalanarak elektrik üreten büyük tesislerin pratik olarak iyi bir performansla çalışabileceğinin kanıtlanması (Golding, E. W., 1955, s.318) yılında meydana gelen petrol krizi ile birlikte, gelişmiş ülkeler radikal kararlar alarak, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını arttırmak için araştırma fonları ayırmış ve özel teşebbüsleri teşvik etmek amaçlı destek programları başlatmışlardır. Günümüzde, ekonomik kaygılardan da önemli olan CO 2, NO x ve SO x gibi sera gazları salınımı sonucunda oluşan küresel ısınma ve iklim değişikliği nedeniyle, özellikle gelişmiş ülkeler rüzgar santralleri konusunda yatırımlar yapmaktadırlar. Rüzgar enerjisinin gelişimine, 1980 li yıllarda Uluslararası Enerji Ajansı eşgüdümünde yürütülen araştırma geliştirme çalışmalarının büyük etkisi olmuştur. Artık eski tip rüzgar jeneratörleri yerine, modern ve çağdaş rüzgar enerjisi çevrim sistemleri (WECS) kurulmaktadır. Ayrıca rüzgar türbinleriyle beraber dizel motor ve güneş fotovoltaik jeneratörü içeren rüzgar-dizel-pv hibrid sistemler de geliştirilmiştir. Bir tüketiciyi besleyecek tek makine yerine, birden çok türbin içeren rüzgar çiftlikleri ile elektrik şebekeleri için üretim yapılır olmuştur. ABD, Danimarka, Hollanda, İngiltere ve İsveç in katkıları sonucunda, deniz üstünde, kıyıdan uzakta (offshore) rüzgar santralleri kurulmuştur. Çizelge 2.2 de ilk büyük ebatlı rüzgar türbinleri verilmiştir.

17 6 Çizelge 2.2 İlk Büyük Ebatlı Rüzgar Türbinlerinin Performansları Türbin ve Ülke Çap Süpürme Kapasite Çalışma Üretimi Periyodu [m] Alanı [m2] [MW] Süresi GWh Mod-1, ABD Growian, Almanya Smith-Putnam, ABD WTS-4, ABD Nibe A, Danimarka WEG LS1, İngiltere Mod-2, ABD Nassudden, İsveç Mod-OA, ABD Tjæreborg, Danimarka Ecole, Kanada Mod-5B, ABD Maglarp, İsveç Nibe B, Danimarka Tvind, Danimarka ( Gipe, 1995 ) Rüzgar elektrik santralleri, yıllık büyümenin kurulu güce oranı olarak Avrupa da 1990 ların en hızlı gelişen enerji teknolojsi idi yılının sonuna gelindiğinde, dünyaki rüzgar elektrik santrallerinin %74 ü Avrupa da, % 18 I Kuzey Amerika da, % 8 i de Asya da bulunuyordu. Çizelge 2.3 te dünya çapındaki RES ve kurulu güçleri bölgeler cinsinden verilmiştir.

18 7 Çizelge 2.3 Dünya Çapında RES Kurulu Gücü Yıl Sonu Kurulu Güç Bölge Avrupa Kuzey Amerika Orta ve Güney Amerika Asya ve Pasifik Orta Doğu ve Afrika ve 2003 yulları arasında, dünya çapındaki şebekeye entegre yeni nesil rüzgar türbinlerinin %76 sı Avrupa ya kurulmuştur. Avrupa daki RES kurulu gücü en yüksek olan ülkeler sırasıyla Almanya, Danimarka ve İspanya dır. Şekil 2.1 de Avrupa nın kurulu gücünü gösteren harita verilmiştir. Çizelge 2.4 de ülkeler ve 2006 yılına ait kurulu güçleri gösterilmiştir.

19 8 Şekil 2.1 Ülkeler Bazında 2006 Avrupa RES Kurulu Gücü Haritası (EWEA 2006)

20 9 Çizelge 2.4 Avrupa Ülkelerinin 2006 Sonu RES Kurulu Gücü Miktarları (EWEA 2006) Ülkeler 2006 Sonu RES Kurulu Gücü Avusturya 965 Belçika 193 Bulgaristan 32 Kıbrıs 0 Çek Cumhuriyeti 50 Danimarka 3136 Finlandiya 86 Fransa 1567 Almanya Yunanistan 746 Macaristan 61 İrlanda 745 İtalya 2123 Hollanda 1560 Portekiz 1716 Türkiye 51 İsveç 572 İngiltere 1963 İspanya 11615

21 Rüzgar Türbinlerinin Detaylı İncelenmesi Rüzgar türbinleri ile ilgili ilk teori 1926 yılında Alman Dr. Albert BETZ tarafından ortaya atılmıştır. Bu teoremde, Betz rüzgar rotorunun ideal olduğu varsayılır. Diğer bir ifade ile rotor, havaya karşı sürüklenme direnci göstermeyen sonsuz sayıda kanattan oluşmaktadır. Bu şekilde, rüzgar rotorunun mükemmel bir enerji dönüştürücüsü olduğu varsayılmıştır. Bu teoriye göre; Rüzgar hareket halinde hava olup sahip olduğu kinetik enerji, KE r = 1/2.m.V r 2 (2.1) bağıntısı ile verilir ve gücü, sahip olduğu kinetik enerjinin zamana göre türevidir: P r = d/dt (1/2.m.V r 2 ) (2.2) Başka bir ifadeyle; P r = 1/2. m. V r 2 (2.3) olur. Buradaki kütlesel debi ise; m = ρ.a.v r (2.4) bağıntısı ile verilir. Buradan hareketle rüzgarın gücü, P r = 1/2.ρ.A.V r 3 (2.5) olarak hesaplanır. Birim analizi yapıldığında, Kg/m 3. m 2. m 3 /s 2 = Kg. m/s 2.m/s = N. m/s = Watt (2.6) olarak bulunur.

22 11 Şekil 2.2 Türbin Çevresindeki Hava Hareketleri Rüzgar, kinetik enerjisi nedeniyle doğal bir potansiyele sahiptir. Bunun bilinen fiziksel konular ve teknolojik imkanlar sayesinde faydalı enerjiye çevrilen miktarına rüzgar enerjisi teknik potansiyeli denir. Şekil 2.3 Türbin Rüzgar Hızları Bu durumda türbinin gücü, P T = 1/2.ρ.A.V 2.(V r 2 -V 3 2 ) (2.7) Froude Rankie teoreminden ortalama türbin içerisindeki rüzgar hızı,

23 12 V 2 = (V r + V 3 ) / 2 (2.8) Olarak hesaplanır. Türbin gücü V 2 yerine yazılırsa, P T = 1/2.ρ.A.(V r + V 3 )/2. (V r 2 -V 3 2 ) (2.9) özdeşlikler yardımıyla, P T = 1/2.ρ.A.V r.1/2(1 + V 3 / V r ). (1 (V 3 / V r ) 2 ) (2.10) şekline dönüştürülür. Burada her iki denklem kullanılarak; P T = P r.1/2 [(1 + V 3 / V r ).(1 (V 3 / V r ) 2 )] (2.11) ifadesi elde edilir. Burada güç faktörü C p = P T / P r ve yavaşlatma faktörü n = V 3 / V r olarak tanımlanırsa; C p = 1/2. (1+n).(1-n 2 ) (2.12) şeklindedir. Bu denklemde maksimum güç faktörü Cp yi bulmak için yavaşlatma faktörünün türevi alınıp sıfıra eşitlenirse, dc p /dn = 1/2. d/dn(1 - n 2 + n - n 3 ) (2.13) n 1 = 1/3, n 2 = -1 (2.14) bulunur. Yavaşlatma faktörünün değişimi Şekil 2.4 de gösterilmiştir.

24 13 Şekil 2.4 Yavaşlatma faktörünün değişimi Yavaşlatma faktörü n, hiçbir zaman negatif değer olamayacağından 1/3 alınır ve yerine konursa, C pmax. = 1/2 (1 + 1/3).(1-1/9) (2.15) C pmax. = 0,5926 (2.16) serbest pervaneden alınacak maksimum verim bulunur. Yani bir rüzgar türbiniyle, rüzgarın tüm enerjisinden faydalanmak imkansızdır. Rüzgar, rüzgar türbininden, elde edilen enerji ölçüsünde yavaşlamış olarak çıkar. Eğer rüzgardaki tüm enerjiyi alabilseydik, rüzgarın türbinden durgun halde çıkması gerekirdi. Fakat bu durumda da türbine rüzgarın diğer taraftan girmesi engellenmiş olur ve hiç enerji elde edilemezdi. Günümüz modern rüzgar türbinleri için C p değeri yaklaşık olarak 0,40 tır. Bunun nedeni hava direnci, rotorun oluşturduğu girdap ve aktarma organları ile elektrik sistemi gibi noktalardaki kayıplardır.

25 14 Optimal bir rüzgar türbini pervanesinden alınabilecek maksimum güç; P p = C pbetz. 1/2. ρ. A. V r 3 (2.17) P p = 0, /2. ρ. π. R 2. V r 3 (2.18) olabilir. Fakat uygulamada bu değere ulaşılamaz. Bunun nedenleri kayıplardır. Pervanedeki bu kayıplar üç ana başlık altında incelenirler. 1. Profil Kayıpları: İhmal edilen direnç kuvvetlerinden kaynaklanırlar. 2. Uç Kayıpları: Kanat ucunda, profil alt kısmından profil üst kısmına doğru hava akımı oluşur. Kanat uçlarındaki bu akım ile kanada gelen hava akımı üst üste binerek, gittikçe genişleyen girdap oluştururlar. 3. Girdap Kayıpları: Betz Kriteri ne göre rüzgar hızı, pervane düzlemi öncesi ve sonrasında doğrultusunu değiştirmez. Halbuki, kanada çarpan hava kütlesi, kanat sonrasında doğrultusunu değiştirir ve girdap oluşturur.

26 Rüzgar Türbinlerinin Alt Bileşenlerinin İncelenmesi Şekil 2.5 Modern Rüzgar Türbini Bileşenleri Günümüzde tercih edilen modern rüzgar türbinlerinin iç yapısı Şekil 2.5 te gösterilmiştir Göbek ve Pervane Kanatları Pervane göbeği, rüzgar türbininin düşük hız miline bağlıdır. Pervane kanatları, rüzgarı yakalar ve rüzgarın gücünü pervane göbeğine aktarır. Modern bir 600 kw rüzgar türbininde her pervane kanadının uzunluğu 20 metre kadardır ve bir uçak kanadı gibi tasarlanır.

27 Düşük Hız Mili Rüzgar türbininin düşük hız mili, pervane göbeğini dişli kutusuna bağlar. Modern bir 600 kw rüzgar türbininde dişli nispeten yavaş, dakikada devir hızı ile döner. Bu mil aerodinamik frenlerin çalışması için hidrolik sisteme ait borular içerir Elektronik Kontrol Ünitesi Elektronik kontrol ünitesi, rüzgar türbininin durumunu sürekli izleyen ve eğim mekanizmasını kontrol eden bir bilgisayar içerir. Şekil 2.6 da sistemin genel blok diyagramı gösterilmiştir. Bir arıza halinde rüzgar türbinini otomatik olarak durdurur ve telefon modem hattı vasıtasıyla türbin operatörünü bilgisayarına uyarı verir Dişli Takımı Dişli kutusunda, solda düşük hız mili bulunur. Sağdaki yüksek hız milinin, düşük hız milinden 30 ile 90 kat arasında hızlı dönmesini sağlar Mekanik Frenli Yüksek Hız Mili Mekanik frenli yüksek hız mili, dakikada yaklaşık 1500 devir hız ile döner ve elektrik generatörünü çalıştırır. Bir acil durum mekanik freni vardır. Mekanik fren, aerodinamik frenlerin çalışmaması durumunda veya türbin bakımdayken kullanılır Generatör Elektrik generatörü, genelde bir senkron generatörü veya asenkron generatördür. Modern bir rüzgar türbinininde nominal elektrik gücü genelde kw arasındadır.

28 Soğutma Ünitesi Soğutma ünitesi, elektrik generatörünü soğutmak için kullanılan bir soğutma ünitesi içerir. Ayrıca dişli kutusundaki yağı soğutmak için kullanılan bir soğutma ünitesi içerir Anemometre Anemometre, rüzgar hızını ölçmek için kullanılır. Anemometreden gelen elektronik sinyaller, rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar hızı yaklaşık 5 m/s'ye yaklaştığında rüzgar türbinini çalıştırmak için kullanılır. Bilgisayar, türbini ve çevresini korumak için rüzgar hızı 25 m/s'yi aştığında türbini otomatik olarak durdurur Yelkovan Anemometre ve yelkovan, rüzgar hızı ve yönünü ölçmek için kullanılır. Anemometreden gelen elektronik sinyaller, rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar hızı yaklaşık 5 m/s'ye yaklaştığında rüzgar türbinini çalıştırmak için kullanılır. Bilgisayar, türbini ve çevresini korumak için rüzgar hızı 25 m/s'yi aştığında türbini otomatik olarak durdurur. Yelkovan, sinyalleri rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar türbinini rüzgara karşı döndürmek üzere kullanılır Eğim Mekanizması Eğim mekanizması, pervane ile birlikte makina yerini rüzgara karşı döndürmek üzere elektrik motorlarından yararlanılır. Eğim mekanizması, yelkovanı kullanarak rüzgar yönünü algılayan elektronik kontrol ünitesi tarafından çalıştırılır. Rüzgar, yön değiştirdiğinde normalde türbin bir defada sadece birkaç derece eğilir.

29 Makina Yeri Makina yeri, rüzgar türbininin dişli kutusu ve elektrik generatörü dahil kilit parçalarını içerir. Servis personeli, makina yerine türbin kulesinden girebilir. Makina yeri solunda, rüzgar türbini pervanesi yani pervane kanatları ve göbek bulunur Kule Rüzgar türbininin kulesi, makina yerini ve pervaneyi taşır. Genelde kulenin yüksek olması bir avantajdır, zira zeminden uzaklaştıkça rüzgar hızları artar. Modern bir tipik 600 kw rüzgar türbininde metrelik bir kule bulunur. Kuleler, dairesel veya kafes biçiminde olabilir. Dairesel kuleler türbinin tepesine ulaşmak için bir iç merdiven olabildiğinden personelin türbinlere bakması için daha güvenlidir. Kafes kulelerin avantajı başlıca daha ucuz olmasıdır. Şekil 2.6 Modern Rüzgar Türbini Elektronik Kontrol Sistemi

30 Rüzgar Türbinlerinin Enerji Üretimi Rüzgar türbinlerinden sabit gerilim, sabit frekans çıkışı almanın zaman içinde gelişen değişik yöntemleri bulunmaktadır. Çizelge 2.5 de sabit gerilim ve sabit frekans çıkışı için kullanılan türbin, dişli takımı ve generatör kombinasyonları verilmiştir. Çizelge 2.5 Senkron Güç Elde Edilme Yöntemleri No. Türbin Dişli Takımı Generatör 1 Değişken Kanat Açısı Sabit Oranlı Dişli Asenkron Generatör Sabit Hız Takımı 2 Değişken Kanat Açısı İki Oranlı Dişli Asenkron Generatör Sabit Hız Takımı 3 Sabit Kanat Açısı Sabit Oranlı Dişli Asenkron Generatör Sabit Hız Takımı 4 Sabit Kanat Açısı Değişken Hız Sabit Oranlı Dişli Takımı DC Generatör DC Motor Asenkron Gen. 5 Sabit Kanat Açısı Değişken Hız Sabit Oranlı Dişli Takımı AC Gen. Doğrultucu DC Motor AC Gen. 6 Sabit Kanat Açısı Sabit Oranlı Dişli AC Generatör Değişken Hız Takımı Doğrultucu - İnverter 7 Sabit Kanat Açısı Değişken Hız Değişken Oranlı Dişli Takımı AC Generatör Generatörün, şebekeye doğrudan bağlanmasına doğrudan şebeke senkronizasyonu adı verilir. Şebeke ile generatör arasında dönüştürücüler, güç elektroniği devreleri, kullanılırsa buna da dolaylı şebeke senkronizasyonu denir. Doğrudan şebeke senkronizasyonu, generatörün nominal çalışma hızında sağlanır. Değişken rüzgar uygulamalarında nominalin altındaki hızlarda generatör şebekeden ayrılarak motor olarak çalışması engellenir. Maliyeti düşüktür, bağlantı için gereken kontrol devresi ve güç elektroniği devreleri dolaylı şebeke senkronizasyonu uygulamalarının çok altındadır. Modern rüzgar türbinleri şebekeye yumuşak bir şekilde (Soft-Start) senkron olurlar. Aksi takdirde ilk anda çok büyük güç çeken generatör şebekede istenmeyen gerilim düşümlerine neden olur.

31 20 Dolaylı şebeke senkronizasyonunda, Türbin hızının her değerinde şebeke ile senkronizasyon sağlanır. Aşırı hızlarda, şebekeye doğrudan senkronizasyonda verilemeyen fazla enerji, daha sonra aktarılmak üzere depolanır. Özellikle zayıf bir şebekeye bağlı rüzgar türbinlerinde, güç elektroniği devreleri sayesinde reaktif güç kontrolü sağlanır, güç kalitesi iyileştirilir. Şekil 2.7 Güç Elektroniği Devresi ile Dolaylı Şebeke Senkronizasyonu En büyük dezavantajı maliyetidir. Kullanılan güç elektroniği elemanları pahalı, gömülü sistem yazlımları karmaşıktır. Yüksek frekansta çalışan güç elektroniği devrelerinin arızalanması, işletmenin sürekliliğini bozar. AC-DC-AC Dönüştürme işlemleri, güç kayıplarına neden olmaktadır. Günümüz güç elektroniğinin gelişimi ile 6. yöntem (AC Generatör, Doğrultucu ve inverter) uygulama açısından güvenilirlik ve kolaylıklar getirmektedir.

32 21 Şekil 2.8 Semikron Firmasının 1,5 [MVA], 4 Bölge Değişken Hızlı Dönüştürücüsü Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinalarının İncelenmesi Rüzgar türbinlerinde, zaman içerisinde teknolojinin gelişmesi ile paralel olarak, değişik tiplerde generatörler kullanılmıştır. Bunlar ; DC Şönt Generatör Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör (PMSG) Bilezikli Asenkron Generatör (DFIG) Kısa Devre Rotorlu Asenkron Generatör olarak özetlenebilir. Şekil 2.9 da, rüzgar türbinlerinde kullanılan elektrik makinaları sınıflandırılmıştır.

33 22 Şekil 2.9 Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinaları DC Şönt Generatör DC Şönt Generatörler, rüzgar türbinlerinde, 20.yy başlarında evlerde radyo ve lambaların beslenmesi amacıyla kullanıldı. Günümüzde, enerji hatlarının ulaşamadığı hava tahmin istasyonlarına, yangın gözlem kulelerinde kısıtlı miktarda enerji sağlamada kullanılmaktadır. Ayrıca acil durum aydınlatması ya da yedeklemesi için kullanılır. Çok küçük güçlü türbin uygulamaları için uygundur. Genellikle batarya grubu ile birlikte kullanılırlar. Üretilen gerilim batarya geriliminden küçükse akım bataryadan generatöre gelir ve generatör, motor olarak çalışmaya başlar. Bunu önlemek için generatörden bataryaya doğru bir diyot konulur. Çok basit bir güç elektroniği devresi vardır. Şekil 2.10 DC Şönt Generatör, Batarya grubu ve Yük Eşdeğer Devresi

34 Sabit Miknatisli Senkron Generatör (PMSG) Sabit mıknatıslı senkron generatör, mıknatıslanma alanını, rotora yerleştirilmiş sabit mıknatıslar oluşturur. Rotorda sargı yada kısa devre çubuklar olmadığından bakır kayıpları yoktur. Rotor kayıplarının olmaması verimin yüksek olmasını sağlar. Dengesiz yüklerde momentte dalganma olur ve generatör sesli çalışır. Çok kutuplu yapıya imkan sağladığından nominal hızı düşük olan modeller üretilebilmekte ve dişli takımı ihtiyacı ortadan kalkarak, doğrudan türbin çıkışına akuple edilebilmektedir. Kutup sayısı az olan tiplerinde gene klasik dişli takımı, rulmanlar ve akuple elemanları kullanılır. PMSG nin elektriksel çıkışı, rotor hızına çok bağlıdır. Rotor ω hızı ile tahrik edildiğinde, stator uçlarında ω hızına bağlı olarak değişen genlik ve frekansta bir gerilim oluşur. Değişken hız uygulamalarında güç elektroniği uygulamaları olmaksızın düzgün bir çıkış alınamaz, doğrudan şebeke senkronizasyonu sağlanamaz. Şebeke ile doğrudan senkronizasyon ancak sabit hız uygulamalarında mümkündür. Şekil 2.11 PMSG Şebeke Senkronizasyonu