tmmob makina mühendisleri odası

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI SEMPOZYUMU VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI Editör: Yrd. Doç. Dr. Şükrü SU MMO Yayın No: E / 2001 / 275 EKİM KAYSERİ

2 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sokak No: 36 / 1 - A Demirtepe, ANKARA Tel: (0 312) ; ; ; Fax :(0 312) e-posta : mmo@mmo.org.tr web : MMO Yayın No : E / 2001 / 275 ISBN : Bu yapıtm yaym hakkı 'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. 'nınizni olmadan elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir. KAPAK TASARIMI DİZGİ BASKI İlhan İNCETÜRKMEN - (0 352) İNCETÜRKMEN LTD.ŞTİ. - TMMOB MMO KAYSERİ ŞUBESİ NETFORM MATBAACILIK AŞ. - KAYSERİ

3 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE KONTROL VE GÜVENLİK SİSTEMLERİ İrfan GÜNEY, Selçuk NOĞAY, Sezai TAŞKIN Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe - İstanbul iguney@marun.edu.tr snogay@marun.edu.tr sezai.taskin@marun.edu.tr ÖZET Rüzgar türbinlerinde kontrol ve güvenlik sistemleri; rüzgar türbinini oluşabilecek tehlikeli durumlardan koruyan ve kapsamlı bir sistemin elemanlarını içeren bir çok farklı bileşenden meydana gelmektedir. Güveninirlik konusundaki genel amaç, en az donanım ve devre ile koruma düzenlerinin oluşturulmasıdır. Kontrol sistemlerinde algılayıcılar ve diğer aktif bileşenler yüksek kalitede olmalı ve sayılan mümkün olduğunca sınırlı tutulmalıdır. Bu çalışmada, rüzgar türbinlerinde kontrol ve güvenlik sistemlerinin bileşenleri tanıtılmakta, rüzgar türbinlerinin normal çalışmasını denetim altında tutmak için gerek duyulan kontrol sistemleri, ölçümler ve testler araştırılmaktadır. Ayrıca 600 kwiık bir rüzgar türbini temel alınarak kontrolsüz aşırı hızlanma durumlarındaki güç ve ivmelenme eğrileri incelenmektedir. Anahtar kelimeler : kontrol, güvenlik, güvenilirlik, güç kontrolü, kontrolsüz aşın hızlanma. ABSRACT Control and safety systems at the wind turbines comprise many different components, preventing possible dangerous situations from arising and including part of a comprehensive system. The high demands on reliability require systems are simple enough to be robust but at the same time give the possibility for necessary supervision. The number of sensors and other active components need to be limited as for as possible, hovvever the necessary components must be of the highest possible quality. in this study, components of control and safety systems at the wind turbines has been introduced. Control systems, measurements and tests required to supervise normal operation of wind turbines are investigated. Also by based on a 600 kw wind türbine, power and rotational acceleration curves during run-away situations has been examined. Key words: Control, safety, reliability, powercontrol, run-away. 1. GİRİŞ Rüzgar Türbini (RT) bileşenlerinin son 20 yılda dizayn edildiğini göz önünde bulundurduğumuzda, fırtınalı hava şartlan da dahil olmak üzere çalıştırma saatinden daha fazla dayanma gücüne sahip olduklannı görmekteyiz. Sıradan bir otomobil motorunun yaklaşık 5000 çalıştırma saati ömrü vardır. RT'lerinin bu kadar uzun süre dayanabilmeleri için ve güvenli çalışmayı sağlayabilmeleri için kontrol ve güvenlik sistemlerine ihtiyaç duyulur.[l] Rüzgardaki gücün artışı çok hızlı olduğundan, bütün RT'leri yüksek hızlardaki güç toplamalannı önleyecek düzenlemeler ile donatılırlar. Yüksek hız koşullannda güç kontrolü için belli başlı üç yöntem vardır: 1. Aerodinamik verimin değiştirilmesi a) Kanat açısını değiştirmek veya kanatlan döndürmek b) Sabit devirde çalışmak c) Kaldırma etkilerini azaltıp sürükleme etkilerini çoğaltmak 2. Kanatlann rüzgar ile etkileşim içinde olduğu alanı küçültmek a) Rotoru hakim rüzgar yönünden çevirmek b) Rotor geometrisini değiştirmek. 3- Frenleme a) Mekanik, hidrolik b) Hava freni c) Elektrik (direnç, manyetik) Bu yöntemler tek tek ya da yüksek hız kontrolü ve yük denetim kaybı durumlannda kombine olarak bir arada kullanılabilirler.[2] 137

4 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri Kontrol ve güvenlik sistemleri değişik tipteki rüzgar türbinlerine göre farklılıklar göstermektedir. Bu çalışmada kontrol ve güvenlik sistemlerini oluşturan bileşenler tanıtılmakta ve bu kontrol sisteminin kurulduğu 600 kw'lık bir RT'nin güç ve ivmelenme eğrilerini de içeren bir araştırma yapılmıştır. 2. PROBLEMİN BELİRLENMESİ RT'lerinde kontrol ve güvenlik sistemlerinin kurulabilmesi için öncelikle çözülmesi istenen problemlerin belirlenmesi gerekmektedir. Genel olarak iki tane önemli problem vardır. İlk problem tüm kontrol ve güvenlik sistemleri için geçerlidir. Rüzgar türbinlerinin devamlı olarak kendi kendini kontrol edebilecek mekanizması yoktur. Kontrol sistemi RT'nin çalışma şartlarında olup olmamasına göre iki fonksiyonlu olarak kurulmalıdır. Endüstrinin bir çok alanında iç kontrol sistemlerine rastlamak mümkündür. Örneğin ; güç istasyonlarında sistem devamlı olarak merkez kontrol odasından kontrol edilir. Beklenmedik bir durum meydana geldiğinde hızlı ara kontrol sistemi hemen etkisini göstermektedir. RT'lerinin kendi kendini kontrol edebilecek mekanizmaya sahip olmasının yanında, hataları kayıt edebilme ve kayıtlı bilgileri tekrar ele alarak, olabilecek sorunlara mümkün olduğunca tam bir şekilde cevap verebilme yeteneğine sahip olması gerekir. Güveninirlik konusunda genel istek en az donanım ve devre ile koruma düzenlerinin oluşturulmasıdır. Algılayıcı ve diğer aktif bileşenlerin sayısı mümkün olduğunca sınırlı tutulmalı ve gerekli bileşenler mümkün olan en yüksek kalitede olmalıdır.[3] Diğer problem ise güvenlik sistemleri ile ilgilidir. Rüzgar türbini eğer kontrol edilmezse yüksek rüzgar periyotları esnasında kendiliğinden aşın hızlanacaktır. Ya da normal hızının çok üstüne çıkacaktır. Planlı bir kontrol sistemi olmadığı sürece durdurulabilmesi imkansız hale gelebilir. RT'nin aşın hızlandığı durumlarda ürettiği güç, üretmesini istediğimiz nominal gücünden çok daha fazla olabilir. RT'ninin rotor devir hızı bu yüzden smırlandınlır ve RT şebeke bağlantılı jeneratör tarafından nominal gücünde işletilir. RT normal çalışma şartlanndayken, eğer şebeke bağlantısı herhangi bir arızayla kesilirse RT ani bir şekilde ivmelenmeye başlayacaktır. Bu anda RT kontrolsüz aşırı hızlanma şartlarındadır.[l] I" - Dakikadaki devir sa 1 ; ı / S~ - Kontrolsuz aşırı hızlanma zamanı(s) Şekil 1. Farklı rotasyonel hızlardaki güç eğrileri [3] Aşağıdaki şekilde RT'ninin kontrolsüz aşırı hızlanma durumlan gösterilmektedir. İlk grafik 600 kw'hk bir RT için rotasyonel kanat hızının bir fonksiyonu olarak güç eğrisini göstermektedir. Alttaki eğri ise, jeneratör tarafından denetlenen 27 rpm'lik rotasyonel kanat hızındaki güç eğrisini göstermektedir. Diğer üç eğri de 30, 40 ve 60 rpm'deki güç üretim eğrilerini göstermektedir. Bu RT 20 m/s 'lik rüzgar hızında, 600 kw'm çok az altında normal bir üretim yapacaktır. Eğer sadece % 10 'luk bir ivmelenmeye izin verilirse bu ecoo Güç (kw) ıumı *0M Kttı im 0, _ «rfü Rüzgar hızı (m/s) t J T Şekil 2. Kontrolsüz aşın hızlanma esnasında rotasyonel ivmelenme [3] 30 rpm Z7 rpm 138

5 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri durumda güç üretimi, 30 rpm rüzgar hızında yaklaşık 1000 kw'a ulaşabilecektir. 40 rpm rotasyonel kanat hızında güç 2000 kw 'a ve 60 rpm hızında da 3300 kw'a ulaşır. 25 m/s rüzgar hızında, kanatlar 60 rpm de dönmeye dayanırsa, güç üretimi 5400 kw gibi yüksek bir değere ulaşmış olur.[3] İkinci grafik kontrolsüz aşırı hızlanma durumundaki RT'nin, rotasyonel kanat hızının hızlı bir şekilde ivmelendiğini göstermektedir. Bir metreden sonra 0.6 saniyedeki rotor hızı 30 rpm'ye ivmelenir ve 2.5 saniyeden sonra kanatlar 40 rpm'ye ulaşır. Bu durumdaki çıkış gücü 2000 kw 'tır. Gücü bu seviyede tutan bir frenleme sistemi mümkün değildir. Bu yüzden güvenlik sisteminin kontrolsüz aşın hızlanma durumlarına çok hızlı cevap verebilmesi çok önemlidir. Kontrolsüz aşırı hızlanma durumlarına kesin çözüm iki şekilde olabilir. Birincisi, rotasyonel kanat hızının ivmelenerek güç üretiminde aşırı bir artmanın sağlandığı rüzgar şartlarına kanatların dayanabilecek mukavemette ve dinamiklikte yapılabilmesi, ikincisi ise tehlikeli seviyelere yükselen devir hızının korunabilmesidir. [3] 3. KONTROLÖR RT kontrolörü, RT'nin çalışma şartlarını devamlı olarak denetleyen, istatistikleri toplayan belirli sayıda bilgisayardan oluşmaktadır. Ayrıca kontrolör, RT'nin içerdiği butonları, hidrolik pompaları, valfları ve motorları da denetler. RT'nin boyutları büyüdükçe kontrolörün önemi de aynı ölçüde artmaktadır. Kontrolör sistemi, telefon hattı üzerinden veya diğer haberleşme sistemleri aracılığıyla rüzgar türbini operatörü ile iletişime geçebilir. Herhangi bir yerden RT'ni telefonla veya başka bir aracı sistemle arayarak istatistikleri alıp o andaki durum ile kıyaslama yapmak mümkündür. Rüzgar santrallerindeki türbinlerden birisi verileri toplamak için veya denetlemek için bilgisayarlar ile donatılır. Genellikle rüzgar türbini kulesinin tabanında ve üstünde bir kontrolör ünitesi bulunur. Son yıllardaki RT modellerinde kontrolörler arasındaki iletişim fiber optik sistemlerle yapılmaktadır. Bazı modellerde ise rotor göbeğine üçüncü bir kontrolör yerleştirilmiştir. Bu kontrolör genellikle göbekteki kontrolör ile 139 iletişime geçerek ana mildeki fırçalar ve bileziklere bağlı olan bir kablo üzerinden seri iletişimler kurar.fl] Bilgisayar birçok elektroteknik cihaz, kontaktörler, anahtarlar, sigortalar vb. ile beraber kontrol kabinine yerleştirilir. Kontrolörden beklentiler çok sayıda farklı bileşenden oluşan karmaşık bir yapı içinde sonuçlandırılır. Dolayısıyla denetim ne kadar karmaşık bir yapı içerisinde gerçekleşirse hata olasılığı da o kadar fazla olur. Bu sorun, arıza güvenlik denetim sistemi geliştirilerek çözümlenebilmektedir. Ayrıca kontrolörün de kendi kendisini kontrol etmesini sağlayan iç kontrol sistemi geliştirmek de mümkündür. [3] Şekil 3. CU(Centrifugal Release Unit)'nm iç görünüşü[3] Arıza güvenlik sistemlerinde algılayıcıların gerekli olduğu kadarıyla sınırlandırılması şarttır. Modern rüzgar türbinlerinde 100 ile 500 arasındaki parametre değerlerini herhangi bir yerden monitörle takip etmek mümkündür. Kontrolör aşağıdaki parametreleri analog olarak ölçer. [1] Üç faz gerilimi Üç faz akımı Bir faz frekansı Göbek içi sıcaklığı Jeneratör sıcaklığı Dişli kutusunun yağ sıcaklığı

6 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri Dişli yatağı sıcaklığı Rüzgar hızı Yalpalama açısı Düşük hızda rotasyonel mil hızı Yüksek hızda rotasyonel mil hızı RT çok yüksek rotasyonel hıza ulaştığında hidrolik valf açılır. Sonra hidrolik yağının kanat uçlarını yerinde tutan hidrolik silindirlerden dışarıya doğru akmasıyla kanat ucu hava frenleri aktif duruma geçer. Kontrolör ayrıca aşağıdaki parametreleri de dijital olarak ölçer. Rüzgar yönü Jeneratör sargılanndaki sıcaklık Valf fonksiyonu Titreşim seviyesi Güç kablosu burkulması Acil fren devresi Hidrolik pompaların ve diğer sistemlerin esnemeden dolayı aşırı ısınması Fren ayan Merkezkaç ayırma işlemi[l] Kontrolör rüzgar hızını güce bağlı olarak denetler. Eğer bir periyotluk düşük rüzgar esnasındaki üretilen güç çok fazla ise veya yüksek rüzgar esnasındaki üretilen güç çok az ise kontrolör RT'ni durduracak ve rüzgar ölçüm hatasını gösterecektir. Rüzgar ölçüm hatası genellikle ya elektriksel bağlantıda ya da anemometre yatağında oluşabilecek arızalardan meydana gelmektedir. RT'nin rüzgar ölçüm hatası ile işlemeye devam etmesi imkansızdır. Çünkü rüzgar hızı ile güç üretimi arasında fonksiyonel bir bağıntı vardır. RT'nin riizgar enerjisinden elektrik enerjisi üretmeye başladığı rüzgar hızına "nominal rüzgar hızı", RT'lerinin modellerine göre devreye girebileceği en düşük hıza "devreye giriş hızı", belli bir rüzgar hızından sonra ise güvenlik nedeni ile devreden çıktıkları hıza da "devreden çıkış hızı" denmektedir. Nominal rüzgar hızından daha yüksek veya daha düşük rüzgarlarda anemometreler vasıtasıyla kontrol ünitesi devreye girmektedir. [4] Kontrolör için başka bir güvenlik sistemi tekrarlı sistemlerdir. Mekanik merkezkaç birimleri buna iyi bir örnektir. Bu birimler kontrolörün hız ölçüm sisteminde hata olsa bile, rotasyonel kanat hızını ve aktif frenleme sistemlerini kontrol ederler. RT'lerinde genellikle iki adet merkezkaç anahtarlama birimi kullanılır. Bunlardan birisi RT'nin göbeğinde yer alan hidroliktir ve CU (Centrifugal Release Unit) şeklinde adlandırılır. Şekil 4. Dişli kutusunun yüksek hız miline yerleştirilen HCU[3] Bundan sonra kontrolör veya hidrolik sistemin hangi konumda olacağı önemli değildir. Basınç silindirlerde devam etmeyecektir ve servis elemanı merkezkaç anahtarlama elemanını manuel olarak resetleyene kadar hava frenleri aktif halde kalmaya devam edecektir. [3] Hidrolik merkezkaç anahtarlama (CU) biriminin avantajı, kontrolör ve hidrolik sistemden tamamen bağımsız olmasıdır. Ayrıca hayati önem taşıyan dizayn hatasının neden olduğu kontrolsuz aşırı hızlanma ile sonuçlanan durumlara da engel olur. İkinci mekanik merkezkaç birim ise aşırı hızlanma durumlarına karşı dişli kutusu miline sabitlenen elektromekanik birimdir(hcu). RT aşırı hızlandığında mekanik frenleme sistemi ve hava frenlerinin manyetik valfına elektrik akımının geçişini sağlayan iki küçük kol dışarıya doğru fırlayarak frenleme sistemlerini harekete geçirecektir. Hava freni ve mekanik fren valilerinin kapalı pozisyonda devam etmesi için elektrik devresinin kapalı devre pozisyonda olması gerekmektedir. Bu sistem hata güvenlik sistemi olarak adlandırılır. Elektrik devresinin şebeke ile bağlantının kesilmesi yada kontrolör tarafından olabilecek bir elektrik kesintisi 140

7 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri dolayısıyla valfler açılacak ve frenleri aktif hale geçirerek RT'nin yavaşlamasını ve durmasını sağlayacaktır. HCU devre kesimini mekanik olarak yapabilir ve bu suretle her iki frenleme sistemimde harekete geçirmiş olur. RT'nin göbeğine monte edilen CU ise yalnızca kanattaki hidrolik sistemi keser. HCU bu yüzden daha üstündür. Bunun yanı sıra CU kendi ekstra valf sistemine sahiptir. Her iki mekanik merkezkaç birimi de nominal rotasyonel kanat hızına göre ayarlanır. Diğer yandan, mekanik merkezkaç birimleri sadece bakım testi için de tasarlanabilmektedir. [3] üzerinden yaklaşık 90 derece döndürülmesi ile gerçekleşmektedir. [1] t,,,.. 4. HİDROLİKLER Hidrolik sistem frenleme sistemlerini çalıştırırken, kontrolör de güvenlik sisteminde hangi işlemlerin sonuçlandırılacağına karar verir. Bir hidrolik sistemde basınç altındaki sıvı, belirli bileşenleri hareket ettirmekte kullanılır. Bu sıvıya hidrolik yağ denir. Çalıştırma basıncı yaklaşık 1 Bar'dır. Hareket eden bileşenler ise hidrolik silindirlerdeki pistonlardır. 50 mm'lik hidrolik silindirde 100 bar'lık basınç altındaki bir piston 2 ton kuvvet üretir. Pervane ucu freni ve mekanik frenin her ikisindeki hidrolik sistemler aynı zamanda hata güvenlik sistemleridir. Mesela RT'nin çalışması için hidrolik yağa ihtiyaç vardır. Hidrolik sistem, RT çalışmaya başladığı andan itibaren basınç uygular, duracağı zaman ise basıncı keser. İstenen basınç seviyesi bir pompa ile elde edilene kadar basınç uygulanır ve sonra basıncın aynı seviyede kalması sağlanır. Ayrıca sistem yedek basınç tankına sahiptir. Yağ basınç alttında olduğu zaman piston havayı sıkıştıracak ve dolayısıyla tüm sistem çalışmasını sürdürecektir. Mekanik frenden ve pervane uç freninden basıncın uygulanması manyetik valfler ile gerçekleştirilir. Manyetik valfler elektromıknatısın kullanımıyla kapalı pozisyonda tutulur ve elektrik akımı olmaksızın otomatik olarak açılarak devre açma işlemini yerine getirirler. 5. PERVANE UÇ FRENLERİ Pervane uç frenleri, pervane kanadının kendi boylamsal ekseni boyunca bir karbon mil Şekil 5. Pervane uç freninin görüntüsü[3] Pervanenin kanat ucu, kanadın ana gövdesi içersindeki mil yatağına bağlanan bir karbon fiber miline sabitlenir. Kanat içersindeki milin son kısmındaki mekanizma, kanat ucunun herhangi bir dış harekete maruz kaldığında dönmesini sağlar. Ayrıca milin içersinde çelik bir tel vardır. Bu çelik tel kanat ucundan göbeğe kadar uzunlukta olan bir tüp içersinden geçirilerek göbeğe bağlanır. Çalışma esnasında pervane kanadının ucu, göbek içersindeki hidrolik silindir tarafından ana kanadın hızında döner. Pervanenin kanat ucunun ana kanat gövdesi ile aynı hızda dönmesi, çelik telin yaklaşık 1 tonluk kuvvet ile çekilmesi ile gerçekleşir. Herhangi bir nedenle RT'ni durdurmak gerekirse, silindirdeki yağ boşaltılarak harcanan güç kesilir. Bu suretle merkezkaç kuvveti ile kanat ucu dışarıya doğru itilir ve uç muindeki mekanizma kanat ucunu 90 derece frenleme pozisyonuna doğru döndürür. Hidrolik yağın boşalması küçük bir delik ile sağlandığı için hidrolik yağ tamamen boşalana kadar pervane yavaşça dönmeye devam eder. Böylelikle frenleme yavaş bir şekilde gerçekleştirilerek bu esnada oluşabilecek aşırı şok etkiside önlenmiş olur. Görüldüğü gibi, türbinin çalışmaya devam edebilmesi için aktif bileşenlere (yağ basıncı) gerek vardır. Yani oluşturulan sistem hala güvenlik sistemidir. [3] 141

8 Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri 6. MEKANİK FREN Mekanik fren, aerodinamik frenleme için bir güvenlik sistemi olarak kullanılır ve türbini stall kontrolü durumunda durdurur. Türbinin pitch kontrolü durumunda mekanik fren sistemine nadiren ihtiyaç duyulur. Mekanik fren dişli kutusuna yerleştirilen bir diskten oluşmaktadır. Fren diski çelikten yapılır ve mil üzerine sabitlenir. Asıl frenlemeyi yapan bileşen fren pergelidir (brake caliper). Benzer şekilde bu sistem de bir hata güvenlik sistemidir. Frenleme sistemini olabilecek arızalara karşı korumak için hidrolik yağ basıncı gerekmektedir. Yağ basıncı olmadığında, fren blokları fren diskini sıkıştıracaktır. Frenleme, fren bloğu ile disk arasındaki sürtünmenin bir sonucudur. [1] Fakat günümüzde RT boyutlarının büyümesiyle üreticiler RT'nin çalışmasına etki edebilecek daha çok olanaklar sunan Pitch kontrol sistemini daha fazla tercih etmektedirler[5] 7.1. Pitch Kontrol (Adım Kontrolü) Pitch kontrol aktif bir kontrol sistemidir ve jeneratör gücünden gelen giriş sinyaline ihtiyaç duyar. Jeneratör gücü nominal gücün üstüne çıkarsa, rotor kanatları daima kendi uzunlamasına ekseni boyunca döndürülür. Başka bir deyişle, giren hava akışının hücum açısını azaltmak için pitch açısını değiştirir. Hücum açısının azaltılması rotor kanatlarını döndüren aerodinamik kuvvetleri azaltır ve rüzgardan dolayı türbinin güç eldesini azaltmış olur. Nominal rüzgar hızından daha yüksek olan tüm rüzgar hızları için, minimum olanı nominal güç üretimine ihtiyaç duyar. Türbinin yalnızca nominal güç üretmesi için pitch açısı bu yolla seçilir. Tüm rüzgar şartlarında, pervane profili etrafında akış, yüzeye bağlı durumdadır. Böylece çok küçük çekme kuvvetleri altında aerodinamik kaldırma üretilir[5]. Şekil 6. Mekanik fren [3] 7. GÜÇ KONTROLÜ Pervanedeki aerodinamiksel kuvvetlerden dolayı, RT rüzgar akışının kinetik enerjisini rotasyonel mekanik enerjiye dönüştürür. Bu aerodinamiksel kuvvetler rotor kanatları boyunca elde edilir. Hava akış hızının artışı ile beraber gücün ikinci kuvveti ve rüzgar hızı gücünün üçüncü kuvvetinden elde edilmiş enerjisi ile aerodinamik kaldırma kuvvetleri büyür. RT'nin enerji iletim sistemlerinde çok etkili rotor güç kontrolü, mekanik ve elektriksel aşırı yüklemelere karşı sistemi korur. [5] Modern rüzgar türbinlerinde güç üretimini jeneratörün nominal gücünde sınırlandırmak için iki farklı aerodinamik kontrol prensibi kullanılır. Bunlardan pasif olanına "Stall kontrol", aktif olanına da "Pitch kontrol" adı verilir. Geçmişte çoğu büyük ve orta büyüklükteki RT jeneratör sistemleri daha basit olan Stall kontrol sistemini kullanmaktaydı. * 0$*"^*'* *""* Şekil 7. Profil etrafına bağımlı hava akışı [5] Pitch kontrollü türbinler stall kontrollü türbinlerden daha gelişmiştir. Çünkü pitch açısı değiştirme sistemine ihtiyaç duyarlar. Pitch kontrolün avantajları: Tüm rüzgar şartlarında aktif ve düşük güç kontrolüne olanak tanır. Hafif hava yoğunluğu şartlarında bile nominal güce ulaşırlar. Aynı şartlar altında daha yüksek enerji üretimi Pitch açısı değiştirme sistemi ile daha basit çalıştırma Acil durumlar için güçlü fren sistemine ihtiyacın olmaması. Nominal yükün üzerinde artan rüzgarlarla hafifleyen pervane yükü 142

9 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri Aşırı rüzgarlarda düşük yük olması için rotor kanatlarının kılıçlama pozisyonunda olması (feathering position) Hafif pervane kütlesi ile daha hafif RT [5] P,ıttcJ 3 -P nominal V kesme V nominal Rüzgar Hızı Şekil 10. Stall kontrollü bir rüzgar türbininin güç eğrisi. [5] L _ V kesme V nominal Rüzgar Hızı Şekil 8. Pitch kontrollü bir rüzgar türbininin güç eğrisi 7.2. Stall Kontrol (Perdovites kontrolü) Hava akımının az veya hücum açısının fazla olması dolayısıyla pervane kanadının kaldırma kuvvetinin azalıp havada asılı kalmayacak hale gelmesi olayına stall veya perdovites adı verilmektedir [ 6]. Şekil 9. Profil etrafındaki ayrık hava akışı Stall kontrol rüzgar hızına tepki veren pasif kontrol sistemidir. Pervane kendi pitch açısına sabitlenir ve kendi uzunlamasına ekseni boyunca dönmesi engellenir. Pitch açısı ise, nominal rüzgar hızından daha yüksek rüzgarlarda pervane profili etrafındaki akışın pervane yüzeyinden ayrılması yolu ile seçilir. Böylelikle aktif kaldırma kuvvetleri azaltılırken çekme kuvvetleride arttırılmış olur. Daha düşük kaldırma ve daha yüksek rotasyonel çekme, rotor gücünün daha çok artması yönünde hareket eder. Nominal rüzgar hızından daha yüksek rüzgar şartlarında pervane profili etrafındaki hava akışı pervane yüzeyinden kısmende olsa ayrılır. Böylece daha az kaldırma ve daha çok çekme kuvvetleri üretilir. Stall kontrol Pitch kontrolden daha basittir. Çünkü stall kontrolde pitch açısı değiştirme sistemine ihtiyaç duyulmaz. Pitch kontrollü rüzgar türbinleri ile kıyaslama yapılacak olursa : Pitch açısı değiştirme sistemine ihtiyaç duyulmaz Daha basit rotor göbek yapısı Hareketli parçanın daha az oluşundan dolayı daha az bakım gerekliliği Güç kontrolünde yüksek güvenirlik Dünyada stall kontrol hala geçerliliğini sürdürmektedir. Çoğu üreticiler genellikle şebekeye direkt bağlı olan ve sabit rotor hızına ihtiyaç duyan asenkron jeneratörün kullanıldığı basit güç kontrolünü kullanırlar[5]. Son yıllarda stall ve pitch kontrolün bir karışımı olan "Aktif Stall Kontrol" adı verilen kontrol sistemi kullanılmaktadır. Aktif stall kontrol sistemin de ise pervane pitch açısı stall yönüne doğru döndürülür. Dolayısıyla kılıçlama pozisyonuna(feathering position) doğru döndürülmez. Yani normal pitch sistemleri gibi yapılır. Bu sistemin avantajları ise : Çok küçük pitch açısı değiştirilmesine ihtiyaç duyulur Olası düşük güç şartları altında güç kontrolünün sağlanması (düşük rüzgarlarda) Büyük rüzgarlarda küçük yük sağlamak için pervanenin kılıçlama durumu pozisyonunda olması[5]. 143

10 Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Ekim 2001 Kayseri 7.3. SONUÇ RT'lerinde kontrol ve güvenlik sistemleri RT'ni tehlikeli durumlardan koruyan kapsamlı bir sistemin parçalarını oluşturan bir çok farklı bileşenden oluşmaktadır. Bu sistem, karmaşık bir yapı içersinde en az hata ile yapılan ölçümlerden gelen sonuçları değerlendiren kontrolör ve kontrolörün karar mekanizmasıyla devreye giren fren veya yavaşlatma sistemleri olarak özetlenebilir. RT'nin çalışması esnasında oluşabilecek her türlü problemin anında giderilmesi, RT imalatçıları için talep artışı açısından da oldukça önemlidir. Bir RT'ninde olabilecek en tehlikeli durum, yüksek rüzgar periyotları esnasında RT'nin kendiliğinden nominal hızının çok üstüne çıkmasıyla başlar. Planlı bir kontrol mekanizması olmadığı sürece türbini durdurabilecek seviyeye getirmek imkansızlaşabilir. Bu esnada türbinin ürettiği güç çok yüksektir ve kontrol edilemediği yada türbin pervanesinin dayanamadığı durumda hayati tehlike arz etmektedir. Bu gibi tehlikeli durumlardan korunmak için güvenlik sistemi kontrolsuz aşırı hızlanma durumlarına çok hızlı ters tepki verebilecek etkiye veya sisteme sahip olmalıdır. Kontrolsuz aşırı hızlanma koşullarından kurtulmanın iki temel yolu vardır. Birincisi, rotasyonel pervane hızının nominal hızın üstüne çıkarak ivmelendiği ve güç üretiminin de arttığı durumlara karşı dayanabilecek pervane dizayn edilmesi, ikincisi ise bu şartlarda, yani devir hızının tehlikeli durumlara geldiği durumlarda, pervane devir hızının kontrol altına alınabilmesidir. Rüzgar türbinlerinin normal çalışmasının gözetim altına alındığı ve bunun için bazı istatistiklerin elde edilip ölçüm sonuçlarının değerlendirildiği birim kontrolördür. Kontrolör mikrobilgisayarların kullanımına dayandırılır. Bazı kontrol sistemlerinde mikrobilgisayarlar endüstriyel kullanımlar için özel olarak dizayn edildiğinden normal PC'lerden daha yüksek işlemci kapasitesine sahip olabilmektedirler. Güvenlik sistemleri, iç donanım hatalarından dolayı oluşabilecek arızalara karşın güvenlik önlemi için mümkün olduğunca az bileşenli olmalıdır ve kontrol sisteminde kullanılacak algılayıcılar optimum gereklilikler sağlanarak seçilmelidir. Güvenlik sisteminde frenleme işlemini başlatan ve çalıştıran mekanizma hidrolik sistemdir. Hidrolik sistem, frenleme sistemlerini çalıştırırken kontrolörde güvenlik sisteminde hangi işlemin uygulanacağına karar verir. Fren sistemleri genellikle Mekanik ve Pervane Uç Freni olarak iki mekanizmadan oluşmaktadır. Uç freni pervane uçlarında belli bir mesafeden başlayarak, bir mekanizmanın pervane kanat ucunu hava akış yönüne göre pervaneyi fenleyecek şekilde döndürülmesini sağlamasıyla oluşurken, mekanik fren ise; pervane milinin dişlisine yerleştirilen ve fren diski adı verilen diskin fren bloğu ile sürtünmesi ile gerçekleşen bir frenleme veya yavaşlatma sistemidir. RT'nin dizaynı esnasında güç kontrolü için önlem alınması gereklidir. Bu aşamada RT'nin mekanik ve elektriksel aşırı yüklenmelere karşı sistemi koruyabilecek şekilde tasarlanması gerekir. KAYNAKLAR 1. "Power Control of Wind Turbines", "Wind Türbine Safety" "The Electronic Wınd Türbine Controlor" 2. Uyar, S, T.,Erdallı,Y.,Kenger,Z.,Fığlalı,A., "Türkiyede Rüzgar Enerjisi Kullanım Seçeneklerinin Belirlenmesi" Türkiye 4. Enerji Kongresi Kasım 1986 İzmir 3. "The Wind Türbine Companents and Operation",Bonus Info, Autumn Durak.M. " Rüzgar Enerjisi Teknolojisi ve Türkiye Uygulaması, Akhisar Rüzgar Elektrik Santralı" Yüksek Lisans Tezi "Wind Energy Information Brochure", German Wind Energy Instıtute, DEWI, June 30 th, Tığrak, A. "Havacılık Sözlüğü", Çağlayan Kitabevi 1980, 1. Baskı.,Beyoğlu İstanbul. 144