RÜZGAR TÜRBİNLERİ İLE ENERJİ ELDE EDİLMESİ

Transkript

1 8.Cilt,.Say (Mart 2004) Rüzgar Türbinleri ile Enerji Elde Edilm i H. R. Güven, M İ. ÖZanlan RÜZGAR TÜRBİNLERİ İLE ENERJİ ELDE EDİLMESİ H. Rza GÜVEN, M. İsmail ÖZARSLAN Ozet Ulkemizde ve dünyada hzla artan enerji ihtiyac karşsnda mevcut tükenir enerji kaynaklarndaki azalma ve baz kaynaklann yol açtğ çevresel sorunlar yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarn gündeme getirmiştir. Dünyada konvensiyonel kaynaklardan elektrik üretiminin yarattğ çevre sorunlar nedeniyle artan hassasiyet, bu sorunlarn en aza indirilnesi için uygulanan teknolojiterin getirdiği maliyetler ve kullanlan kaynaklarn yenilenemez oluşu, çevre dostu sfr yakt maliyetli olan yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklanndan elektrik üretimini arttrmştr. Bu çalşmada rüzgar türbinleri teknolojileri üzerinde durulmuş, bir rüzgar santrali kurarken dikkat edilmesi ve incelenmesi gereken hususlar araştnlmştr. yenilenebilir enerji, rüzgar enerjisi, enerji kaynaklar, rüzgar türbini, Türkiye ve ruzgar Anahtar Kelimeler Abstract New and renewable energy resources are currently issued by the inercasing demand on energy in our country and \\orlwide and the decrease in these current energy sources according to that demand and enviromental problem cansed by some resources. Due to increase in conventional sources usage in production of electricity, sensitiveness increased to environmental problems, as because of the cost for the usage of new technologies to rednce the environmental problems and this sources not be renewed, renewable energy sources usage in electricity production increased. Wind turbine technologies and the points that are necessary to esta blisb wind power plant have been discussed. Key Words renewable energy, wind eoergy, energy resources, wind turbine, Turkey and wind H. R. Güven, SAU Mühendislik Fak. Mak. Müh. Bölümü, Adapazan M. l. Özarslan, SAU Fen Bilimleri Enstitüsü, Adapazan 8 I. GİRİŞ Ene jiye olan büyük gereksinim, yeni ve yenilenebil: enerji kaynaklarnn sürekli gündemde olmasll[ nedenidir. Alternatif kaynaklar olarak da adlandnlan bl enerji kaynaklarndan biriside rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisi, fosil yaktlarn tükeneceğinin anlaşldğ son y larda, enerji sorununa çözüm olarak görülc kaynaklardan birisidir. İlk kullanm örneklerinin b und 3000 yl öncesinde rastlanlmasna rağmen, rüzg enerjisi, sanayi devrimi ile başlayarak 20. yüzyl: ortalarna kadar olan dönemde popülerliğini yitirmiştir. Güneş kaynakl olan rüzgar enerjisi, doğal ene dönüşümü sonucunda kendisini atmosferde hava hareket ve denizlerde dalga hareketi olarak hissettirmektedir. Bw kinetik enerjide, rüzgar enerjisi ve dalga ene!ji: tesislerinde elektrik enerjisine, su pompalama tesislerind: nekanik enerjiye dönüştürülebilmektedir []. Rüzgar, yüzyllar boyunca yelkenli gemilerde gli kaynağ olarak kullanld ve tarih boyunca ülkek denizcilikteki yetkinlikleriyle başary yakaladjar Karada da, çok zaman olmamasna karşn, su çarklan gir yeldeğirmenleri ve rüzgar milleri de yerini a Özellikle buğday, msr öğütme ve su pompalama git gereksinimler bu yolla çözülebilmiştir []. Ondokuzuncu yüzyln ikinci yarsnda, akarsular4aki \ rüzgardaki enerji, yegane doğal mekanik güç kaynald&i idi. Akarsulara yerleştirilen su değirnenleri uzun ylla: kullanlmştr. Su değirmenlerinin kullanlabilec yerlerin azlğ nedeniyle yeldeğirrnenlerine daha çe rastlanmaktadr. Doğal olan, daha çok rüzgar alabik rnekanlara, mümkünse tepelerin en üst noktalanl yerleştirmektir. İkinci Dünya Savaş ndan sonra rüzgara bir ene kaynağ olarak bakş büyük ölçüde artnş, birçok ülke.i: özel ya da devlet destekli araştrna kurumlar ba}r geçirilmiştir []. Bu çerçevede, Türkiye rüzgar enerjisi pota yelifif katkda bulunmak, sektörü yönlendirmek amacyla 9 ylnda Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği kurulmuştur.

2 SAU Fen Bilimleri EnstitUsO Dergisi 8.Cit,!.Say (Mart 2004) H. R. Güven, M. İ. Özarslan II.l Rüzgar Tanm II. RÜZGAR ENERJİSİ Rüzgar, geniş, açk bir yüzey üzerinde havann yere göre yatay hareketi olarak tanmlanabilir. Hem rüzgar hz hem de yönü yerden yüksekliğe bağl olarak belirgin bir değişkeni ik gösterir (Şekil ). z(m) i 60, 30 J g Q D U =3 60 t4 Şekil. Yüzeysel farkllklann rüzgar profiline etkisi [2] u , Il.2 Rüzgardan Elde Edilebilecek Gücün Hesab t9,2 Rüzgar türbinin rotoru hava akmndaki enerjiyi absarbe eder ve bu da rüzgarn hzna bir etkide bulunur. Bir rüzgar türbini tesis etmeden önce seçilen yörenin rüzgar enerjisi potansiyelinin ve buna ait teorik hesaplarn yaplnas gerekir. Sağlkl bir tahmin için rüzgar hz ölçümleri, türbin kanat çap, kanat says, iürbinin yerden yüksekliği, kanat ucu hz oran gibi parametrelerin bilinmesi gerekir. Rüzgar hznn ratorlu ve rotorsuz haldeki hzlarnun değişimi Şekil 2de gösterilmiştir. Rüzgardan elde edilebilecek naksimum teorik verin Betz Limiti olarak ifade edilmiştir. Buna göre rüzgar türbini havada bulunan rüzgar enerjisinin ancak %59.3 ünü kullanabilmektedir [3].., A "... ).. r... V.... Şekil 2. Rotorsuz ve rotorlu haldeki rüzgar hzlan Rüzgarn getirdiği güç, _,..,.:.... 9J6 ", eşitliği ile hesaplanr.. Görüldüğü gibi güç, hzn küpü ve tipik alann yarçapnn karesi ile orantldr. Rüzgar türbininin rüzgardan çkarabileceği enerji miktan şu eşitlik ile ifade edilir: 3 N 2 = 2 p C p 7 A V (W) Burada p hava yoğunluğunu (kgm3), mekanikelektrik katsaysn, A kanat alann (m2), V pervane önünde bulunan bozulmamş rüzgar hzn (ms), Cp Betz limjtini (güç veya perfonnans katsays) ifade eder [4]. m. RÜZGAR TÜRBİNLERİ ill.l Rüzgar Türbinlerinin Yaps Tahrik edilen ksm dönme hareketi yapan ve bir akşkanda bulunan enerjiyi milinde mekanik enerjiye dönüştüren makinalara türbin denir. Rüzgar türbinleri i le ilgili tanmlamalar, değişik kaynaklarda birbirleriyle çelişmektedirler. Bu konudaki en genel tanmlama şu şekil d ed ir; pervane kanatlar, pervane göbeği ve pervan e miline rotor veya türbin denilir. Pervane mili, dişli kutusuna bağldr. Dişli kutusunu jeneratmre bağlayan mile de, jeneratör nili denir (Şekil 3). Bunlarn tümü, kule tarafndan taşnr. Kule ile yer.5a(ants da temel araclğtyla sağlanr. Tüm bu elemanlara, en genel halde rüzgar enerjisi tesisi ad verilir. Bu gerçeğe rağme yerli ve yabanca literatürde, rüzgar enerjisi tesisi yerine, rüzgar türbini denilmesi alşkanlk olmuştur [5]. ruzgar petuane di li kutusu jeneratör transforl!latör Şekil 3. Rüzgar enerjisi tesisi prensip şemas [6] III.2 Rüzgar Türbinlerinin Snflandrlmas şebeke Rüzgar türbinleri; sürükleome veya kaldrma kuvvetinden yararlanmaianna göre, pervane ekserunin yatay ya da düşey olmasna göre veya ayn rüzgar hzndaki devir saylanna göre snflandrlabilirler. Sürükleome kuvvetinden yararlanan türbinlerde, rüzgara karş bir yüzey tutulur ve rüzgar basncndan dönme hareketi oluşur. Örnek olarak; kepçe tipi anemometreler, Fars çark ve Savonius türbini gösterilebilir. Bu türbinlerde (daha doğru bir ifadeyle rüzgar çark) akşkan; iç bükey kanat üzerinde türbülansl bir yol izler ve dönel akşlar oluşur (Şekil 4). Bu dönel akşlar Savonius rüzgar çarknn performansn düşürür [7],[8]. 3 N = p A Y (W) 2 9

3 8.Cilt,.Say (Mart 2004) H. R. G nven, M i. Özarsta : : t t tf Şekil 4. Savonius çark [8] B u sebeple, sürüklenme kuvvetinden yararlanan türbinler, pistonlu pompalar ile su pompalanmas gibi yüksek moment gereken yerlerde kullanlrlar ve elektrik üretimi gibi yüksek güç gereken alanlarda kullanlmazlar. Kaldrma kuvvetinden yararlanan türbinlerde rüzgar; yüzeye belli bir açyla gelir ve yüzeye etkiyen hava hznn doğrultusuna dik olarak oluşan kaldrma kuvveti, dönme hareketine dönüşür. Akşkann akş yönünde meydana gelen kuvvet sürükleme kuvveti olarak isimlendirilir (Şekil 5). V... kqldtrlla kuvveti Şekil 5. Sürükleme ve kaldrma kuvvetleri [9] L t F sürükleine...., D ktleti Bunlarn dşnda da, yükselen hava akml rüzgar türbinleri gibi, hava hareketindeki kinetik enerjiden yararlanan türbinler vardr. Enerji dönüştürücüsü yükselen hava akml rüzgar türbinleri (güneş enerjisi konveksiyon bacas), güneş şnlarnn enerjisi tarafndan stlan havann yükselmesi ve yükselen havadaki kinetik enerjinin de rüzgar türbinini tahrik etmesi prensibine göre çalşr. Isnarak yükselmesi istenen hava, üstten cam veya plastik malzemeden yaplmş geçirgen bir çat ile örtülüdur ve bu çatnn ortasnda yer alan betonarme bacada yükselir (Şekil 6). : 20 [l]:soğuk hava girişi [2]:cam çat [3]:enerji depolama (içi su dolu siyah borular) [4]:scak hava türbin girişi (S]:türbin [6]:baca [7]: hava çkş Şekil 6. Yükselen hava akm l rüzgar türbinlerinin çalşma prensib [. lll.3 Kanat Profili Yüksek hava akş hz, kanat profilinin üst basnc düşürerek alçak basnç bölgesi getirecektir. Bunun sonucunda emme etkisi gelerek kanat havalana caktr. ksmr.:. meyd.r. me vd& Kanat profllerinde sürükleme ve kaldrna kuvvetlerin; özellikleri, rüzgar tünelinde yaplan testler: belirlenmektedir. Bu testlerde farkl hücum açlanr: birimsiz büyüklükler olan sürükleme katsays kaldrma katsays hesaplanr. Bu katsaylar yardru : türbin için en uygun kanat yaps tasarlamr [ll]. Ill.4 Rüzgar Türbinlerinin Güç Kontrolü Pervane kanatlannn üzerine etkiyen aerodinam kuvvetlerden dolay rüzgar türbinleri, rüzgardaki kin; enerjiyi dönme (rotasyonel) mekanik enerjisine çevir:: Pervane kanatlarndaki bu kuvvetler uçak kanatarm: maruz kaldğ kuvvetiere çok benzer. Günüm kul lanlan modem rüzgar türbinlerinde, iki far aerodinatnik kontrol mekanizmas kullanlr. Bunlar Sw. (pasif) ve Pitch (aktif) kontrol mekanizmalar dr. Bu ll mekanizma, jeneratörün rüzgardan çkarabile.e enerjiye göre ayarlanr. Eskiden çoğu küçük ve :; büyüklükte türbinler stall kontrol kularurktgünümüzde rüzgar türbinleri üzerinde daha etkin t kontrolü sağlayan pitch kontrol kul lanlmaktadr [ ]. Stall olay, akşn kanat profilininin negatif bas,... bölgesini aniden terkederken meydana gelen : durumdur. Pitch kontrol (aktif kontrol), jeneratörden girdi Eif bekleyen aktif bir sistemdir. Pitch kontrojlü rüzç

4 8.Cilt, l.say (Mart 2004) H. R. Güven, M. İ. Özarslan türbinlerinde bulunan elektronik aksama bağl hz kontrol sistemi saniyede birkaç kez güç çkşn kontrol eder. Güç çkş normalden çok yüksekse, hz kontrol sistemi pervane pitch mekanizmasna sinyal göndererek durumu bildirir. Gelen bu sinyalden sonra, pervane kanatlan da yönünü rüzgarn estiği yönden hafifçe çevirerek güç kontrolü yapar. IV. RÜZGAR TÜRBiNLERİNİN ELEKTRiK S İSTEMi IV.l Elektrik Jeneratörleri Genellikle rüzgar, pervaneyi bir dişli kutusu üzerinden hareket ettirerek elektrik jeneratörünü sürer. Dişli teknolojisinde ortaya çkan gelişmeler ve düşük hzl elektrik jeneratörlerinin maliyetinin yüksek olmas, küçük sistemler dşnda pervanenin jeneratör tarafndan doğrudan sürülmemesi eğilimine yol açmaktadr. Jeneratörler iki ksmdr. Bunlar AC (alternatif akm) ve DC (doğru akm) jeneratörlerdir. Tüm şebeke bağlantl rüzgar türbinleri üç faz AC jeneratörlerinin hepsini sürebilirler [2]. IV.2 DC Jeneratörler Küçük güç sistemlerinde eskiden çok fazla kullanlan doğru akm jeneratörleri şimdi genellikle senkron veya asenkron jeneratörler ile değiştirilmektedir. Bu jeneratörler, bir değiştirici yardmyla alternatif akma dönüştürebilen doğru akn üretir. IV.3 AC Jeneratörler IV.3. Senkron Jeneratörler (Aiternatörler) Senkron jeneratörlerin en önemli özelliği, bağlandğ şebeke i le ayn frekansta çalşmasdr. Senkron jeneratörün doğru akm jeneratörüne göre avantaj, veriminin yüksek olmas ve bir doğru akm jeneratörüne göre daha düşük dönne hznda elektrik verebilme özelliğidir. Bunun yannda senkron jeneratörler daha ) üksek hzlarda elektrik üretir ler. Alternatif akm jeneratörlerinde maksimum dönme hz ile elektrik üretimi için gerekli minimum hz arasndaki oran yüksektir. Böylece bir senkron jeneratörü süren bir rüzgar türbini daha geniş rüzgar hz aralğnda çalşabilecektir. IV.3.2 Asenkron (İndüksiyon) Jeneratörler Asenkron jeneratör, bağlandğ şebekeye daima sabit frekansta sinyal verir [2]. Asenkron jeneratörler şebeke frekansndan biraz yüksek frekansta çalşrlar. Senkron hzdan çok az farkl bir hz ile uyum gözetmeksizin bağlanabil ir. V. RÜZGAR ENERJİSİ PROJELERİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ V.l Projenin gerçekleştirilmesi Bir rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi girişimini başaryla sonuçlandrabilmek:te en önemli faktörler sistemin kurulacağ yerin karakteristikleri, kamuoyu ve hukuk, enerjinin gelecekteki değeri sistemin performans yeterliliği ve güvenirliği, ve yetkin bir hareket plannn verimli uygulanmasdr. Çeşitli ülkelerce hazrlanp kullanma sunulan ve bir alandaki rüzgar ölçüm parametrelerini kullanarak rüzgar enerjisi potansiyelinin belirlenmesine yardmc olan bilgisayar programlar mevcuttur. Bu bilgisayar programlarndan b iriside Avrupa ktasnn rüzgar atlasnn hazrlanmasnda kullanlan WASP (Wind Atlas Analysis and Application Program) bilgisayar programdr. W ASP bilgisayar program rüzgar hz ve yön bilgileri ile rüzgar gözlem istasyonu çevresindeki engellerden, arazi yüzey pürüzlülüğü ve arazinin topoğrafik özelliklerinden yola çkarak bölgesel rüzgar atlas istatistiklerinin ve enerji potansiyelinin belirlenmesinde kullanlmaktadr [ 3]. V.2 Finansman ve Ekonomik Değerlendirme Rüzgar makinalar bol miktarda malzeme tüketi p, imalatlar, inşalar ve işletmeleri için kömür ve petrol gibi ana yaktlar kullanacaklardr. Ayrca, çkan güce oranla, kule ve rotorlarn büyük olmas yüzünden rüzgar gücünden faydalanmak önemli miktarda toprak kaybna neden olacaktr. Bu anlatlanlara göre, rüzgar gücünün ekonomik yorumunu yapmak için önemli bir kriter de, elde edilen enerjiye göre sistemin enerji maliyetidir. VI. SONUÇ Günümüzde tüm dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarnn kullanmnda bir artş görülmektedir. Özellikle rüzgar enerjisinin kullanm giderek yaygnlaşmaktadr. Türkiyede de bu konudaki çalşmalar hzlann ştr. Rüzgar alan bölgelerde bulunan ve enerji hatlarna uzak kalan yerlerde rüzgar türbinleri kullanm ile gerekli enerji sağlanabilir. Özellikle Ege bölgesinde bulunan tudstik tesis ve otellerde kullanma suyunun stlmasnda rüzgar enerjisinden faydalanlabilir. KAYNAKLAR [I] Golding, E. W., "The Generatian of Electricity by W i nd Power", Pitman Press, London, [2] Beurkens, J., "The Implementation of Wind Energy Projects", W i nd Energy Investment in Turkey, Ankara, 997. [3] Danish Wind Industry Assocati on,

5 8.Cilt,.Say (Mart 2004) H. R. Güven, M.. Özarslan [4] Çöten, A., "Rüzgar Enerjisi", Yldz Teknik Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 990. [5] Özdamar, A., Ülgen, K., Büyüktuna, V., Özgöner, Ö., "Ege Bölgesindeki Rüzgar Güllerinin Güç ve Moment Faktörlerinin Araştrlmas", Ege Üniversitesi, İzmir, 200. [6] Onat, C., Çetin, Ş., "Rüzgar Tünelindeki Kanat Profilinin Dikey Hareketinin Modellenmesi", Mühendis ve Makine Dergisi, Temmuz [7] Fujisava, N., Shirai, H., "Experimental Investigation on the Unsteady Flow Field Araund a Savonius Rotor at the Maximum Power Perforrnance" Vol. l l, Tokyo, 987. ff [8] Windpumping Systems, [9] Honsberg, C., "W i nd Energy", Georgia Institute of Technology, USA, [ O] Kara, Ö., Özdamar, A., Özbalta, N., "Yükselen Hava Akml Rüzgar Türbinleri", 2. Yenilenebilir Enerji Kaynaklar Sempozyumu, İzmir, [ll] Durak, M., "Rüzgar Enerjisi Teknolojisi ve Türkiye Uygulamas: Akhisar Rüzgar Elektrik Santrali", İTÜ, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, [2] Walker, J. F., Jenkins, N., "Wind Energy Tecnology, John Willey & Sons, England, 997. [3] Enerji İşleri Etüt Dairesi Web Sitesi,