ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGAR TÜRBĠNĠ

Transkript

1 T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGAR TÜRBĠNĠ Gökay KIRCA Sadullah TURAN Gökhan DABAK Muhsin BAKDEMĠR DanıĢman Yrd. Doç. Dr. Halil Ġbrahim OKUMUġ Haziran 2012 TRABZON

2 T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGAR TÜRBĠNĠ Gökay KIRCA Sadullah TURAN Gökhan DABAK Muhsin BAKDEMĠR DanıĢman Yrd. Doç. Dr. Halil Ġbrahim OKUMUġ Haziran 2012 TRABZON

3 LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU Gökhan DABAK, Gökay KIRCA, Muhsin BAKDEMĠR ve Sadullah TURAN tarafından Yrd. Doç. Dr. H. Ġbrahim OKUMUġ yönetiminde hazırlanan Asenkron Generatörlü Rüzgar Türbini baģlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiģ, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiģtir. DanıĢman : Yrd. Doç. Dr. H. Ġbrahim OKUMUġ Jüri Üyesi 1 : Jüri Üyesi 2 : Bölüm BaĢkanı : Prof. Dr. İsmail H. Altaş

4 ÖNSÖZ Günümüzde enerji kaynaklarının büyük çoğunluğunun fosil yakıtlardan karģılanması, artan dünya nüfusu ile birlikte bu kaynakların yetersiz kalmasına sebep olmuģtur. ArtıĢ gösteren enerji talebi, toplumları alternatif enerji kaynaklarına yönlendirmiģtir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının fosil kökenli enerji türlerine göre avantajlı olması bu konuda yapılan çalıģmaları hızlandırmıģtır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisinin hem maliyet hem çevreci hem de Türkiye Ģartlarına uygun oluģu bu enerji türünü ön plana çıkarmıģtır. Bu kapsamda projemizin konusu rüzgar enerjisi ile elektrik üretimi olmuģtur. Amaçladığımız proje ile Türkiye nin var olan rüzgar enerjisi potansiyelini daha fazla oranda kullanılmasında daha bilinçli olunmasını temenni ediyoruz. Bitirme projemizin hazırlanma aģamasında bizlere katkıda bulunan baģta proje danıģmanımız Sayın Yrd. Doç. Dr. H. Ġbrahim OKUMUġ a, Prof. Dr. A. Sefa AKPINAR a, bölüm olanaklarının bitirme çalıģmalarında kullanılmasına izin verdiği için bölüm baģkanlığına, desteklerinden dolayı Mühendislik Fakültesi Dekanlığı na, KTÜ Rektörlüğü ne ve bölümümüz teknisyenlerinden Yüksel SALMAN a teģekkür ederiz. Ayrıca bizleri bu günlere getirmek için emek sarf eden, bütün zorluklara rağmen desteklerini esirgemeyen ailelerimize Ģükranlarımızı sunuyoruz. Haziran 2012 Gökhan DABAK Gökay KIRCA Sadullah TURAN Muhsin BAKDEMĠR V

5 ĠÇĠNDEKĠLER Lisans Bitirme Projesi Onay Formu Önsöz Ġçindekiler Özet Semboller ve Kısaltmalar iii v vii ix x 1. GiriĢ 1 2. Teorik Altyapı Rüzgar Türbin Kesiti Asenkron Generatör Uyarma Kapasitesi Akü Grubu Tasarım KayıĢ- Kasnak Sistemi Rüzgar Türbininin Pervane Kanatları Fazlı Doğrultucu Rüzgar Türbini Kulesi ÇıkıĢ Akımı SınırlandırılmıĢ Gerilim Regülatörü Güvenlik Önlemleri Standart ve Kısıtlar Simülasyon ÇalıĢmaları fazlı Doğrultucu Multisim ÇalıĢması ÇıkıĢ Akımı SınırlandırılmıĢ Gerilim Regülatörü Simülasyon ÇalıĢmaları 25 Sonuç Yorumlar ve Değerlendirme Kaynaklar Ekler ÖzgeçmiĢ VII

6 ÖZET Yenilenebilir enerji kaynağı olan rüzgar enerjisini konu edinen bu projede, rüzgarın sahip olduğu gücün ülkemizde elektrik enerjisi talebine bir ölçüde cevap vermesi gerektiği üzerine durulmuģtur. ÇalıĢmamızda asenkron makine reaktif güç sağlayan uyarma kapasitelerinin de yardımıyla generatör olarak çalıģtırılmıģtır. Makinenin devrini arttırmak için kayıģkasnak sisteminden yararlanılmıģtır. Reaktif gücün oluģturduğu manyetik alanla ve rotorun yeterli hızda döndürülmesiyle çıkıģta elektrik enerjisi elde edilmiģtir. Elde edilen bu elektrik enerjisi öncelikle bir doğrultucu devresinden geçirilip regülatör devresi yardımıyla sabit doğru gerilim elde edilmiģtir. Bu doğru gerilim sonradan kullanılmak üzere akülerde depolanmıģtır. Bu projede, herhangi bir elektrikli aletin rüzgar enerjisi sayesinde çalıģtırılabileceği gösterilmiģtir. Sistemimizin geliģtirilmesiyle daha fazla güç elde edilebileceği yapılan sonuçlarla görülmüģtür. IX

7 SEMBOLLER VE KISALTMALAR ASM: Asenkron Makine SKAG: Sincap Kafesli Asenkron Generatör DC: Direct Current ( Doğru Gerilim ) AC: Alternative Current ( Alternatif Akım ) ENH: Enerji Nakil Hattı EMK: Elektro Motor Kuvvet TSE: Türk Standartları Enstitüsü ÇEVKO: Çevre Koruma ve Ambalaj Atıkları Değerlendirme Vakfı XI

8 1. GĠRĠġ Dünya nüfusunun hızla artmasıyla birlikte fosil kaynaklı yakıtların fazla miktarda tüketilmesi ciddi çevre sorunlarını beraberinde getirmektedir. Dünyanın karģı karģıya kaldığı bu çevresel sorunlar insanları yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yöneltmiģtir. Tükenmeyen enerji kaynaklarına olan bu talep projemizin çıkıģ noktasını oluģturmuģtur. Biz de hem çevreye zarar vermeden elektrik enerjisi üretmek hem de bu konuya ilgi çekmek amacıyla Asenkron Generatörlü Rüzgar Türbini projesini tasarladık. Projemiz genel anlamda mekanik enerjiden elektrik enerjisi elde edilmesi olarak tanımlanabilinir. Sistemimiz güç elektroniği, elektrik makineleri ve enerji dönüģümü gibi konuları kapsamakta ve bu konularda etkin bir bilgi gerektirmektedir. Projemizde asenkron motor generatör olarak çalıģtırılarak elektrik enerjisinin üretilmesi amaçlanmaktadır. Belirli bir hızda esen rüzgar pervane kanatlarını döndürerek motora mekanik bir güç sağlamaktadır. Pervanenin devir sayısını artırmak için kayıģ kasnak sistemi tasarlanarak devir sayısı altı kat arttırılmıģtır. KayıĢ kasnak yardımıyla motora gelen mekanik enerji, uyarma kapasiteleri yardımıyla motorun generatör olarak çalıģtırılmasına yardımcı olarak makinenin elektrik enerjisi üretmesini sağlamaktadır. Üretilen AC gerilim, üç fazlı doğrultucular yardımıyla DC gerilime dönüģtürülerek regüle devresinin giriģine verilir. Regüle devresi akünün beslemesini sağlayacağından çıkıģta sabit 12V, 0.7A değerlerini sağlamalıdır. Beslenen akü tarafından sağlanan gerilim ve akım değerleri evirici yardımıyla AC gerilime dönüģtürülerek herhangi bir yükü beslemek için kullanılabilinir. Rüzgar türbinleri elektrik enerjisi üretmek amacıyla Türkiye nin çeģitli yerlerinde kullanılmaktadır. Bu tip rüzgar türbinleri, büyük miktarda güç üreten, modern ve tam donanımlı sistemlerdir. Tasarladığımız proje ise küçük miktarda güç üreterek elektrik enerjisinin ulaģtırılamadığı merkezden uzak bölgelerde kullanılmaktadır. Ayrıca sistemimiz ucuz elektrik enerjisi elde edilmesini amaçlayan durumlarda tercih edilebilir. Üretilen enerji ile konutların aydınlatma ihtiyacını giderilebilir, elektrikli ev aletlerinin enerji ihtiyacı karģılanabilinir. Rüzgar türbinlerinde enerji dönüģümü asenkron motorlar tarafından sağlanmaktadır. Bu tip motorlar daha çok büyük güçte, modern ve tam donanımlı uzman kiģilerce tasarlanmıģ türbinlerde kullanılmaktadır. Bunun dıģında amatör olarak tasarlanan diğer

9 sistemlerde genel olarak DA mıknatıslı motorlar ve dinamo gibi makineler kullanılmaktadır. Bu makinelerin tercih nedeni, asenkron motorlarda sabit güç eldesinin basit, garanti bir yol ve kapasite grubu tarafından uyarılma sorununun olmamasıdır. Tasarladığımız proje Ġzmir, Çanakkale gibi Ģehirlerde kullanılan modern türbinlerin bir prototipi olup diğer örneklerinden tamamen farklıdır. Anlatılan bu çalıģmalar belirli bir program dahilinde gerçekleģtirilmiģtir. Projemiz çizelge 1.1 deki gibi yaklaģık olarak 11 haftada tamamlanmıģtır. Çizelge 1.1 ĠĢ-zaman çizelgesi 2

10 2. TEORĠK ALTYAPI 2.1. Rüzgar Türbin Kesiti ġekil 2.1. de AutoCAD programında çizdiğimiz günümüzde kullanılan bir rüzgar türbininin kesiti verilmiģtir. ġekil 2.1. Günümüzde kullanılan bir rüzgar türbininin kesiti Burada bulunan önemli bazı elemanların görev ve iģlevleri ise Ģu Ģekildedir: Pervane kanatları: Pervane kanatları, rüzgarı yakalar ve rüzgarın gücünü pervane göbeğine aktarır. Generatöre mekanik enerji sağlayan tribünün en önemli parçalarındandır. Makine yeri (Nacelle): Rüzgar tribünün generatör ve kayıģ - kasnak gibi önemli parçalarını içerir. 3

11 Fren sistemi: Rüzgardan elde edilecek güç rüzgar hızının küpü ile orantılı olup, özellikle yüksek hızlarda çok büyük güç elde edilir. Rüzgar tribünün kanatları savrulmaya neden olmaması için belli bir hızda dönmelidir. Yüksek hızlarda tribün zarar görebilir. Kayış - Kasnak: KayıĢ - kasnak, solda düģük hız mili bulunur. Sağdaki yüksek hız milinin yaklaģık olarak düģük hız milinden 6 kat hızlı dönmesini sağlar. Generatör: Mekanik enerjiyi elektriksel enerjiye çevirir. Büyük güçlerde Ģu generatörler kullanılır: -Doğru akım generatörü -Senkron generatör (bilezikli senkron generatör, sabit mıknatıslı senkron generatör) -Asenkron generatör (sincap kafes tür asenkron generatör, bilezikli asenkron generatör) Elektronik kontrol ünitesi: Türbinin durumunu sürekli izleyen ve mekanizmaları kontrol eden kısımdır. Anemometre ve Yelkovan: Rüzgar hızını ve yönünü belirlemek için kullanılır. Eğim mekanizması(yaw): Eğim mekanizması, pervane ile birlikte makine yerini rüzgara karģı döndürmek üzere elektrik motorlarından yararlanılır. Kule: Tribünlerde nacelleyi ve rotoru taģıyan kısım. Projemizde günümüzde kullanılan rüzgar tribünlerinin bir prototipini yapmayı amaçladığımız için yukarıda verilen elemanların hepsini sistemimizde kullanmayacağız. Sistemimizde kullanılacak elemanlar Ģunlardır: Kanatlar, kayıģ - kasnak, sincap kafes tür asenkron makine, kondansatör grubu, doğrultucu, DC-DC gerilim kıyıcı, akü ve eviricidir. Projemizde 3 kanatlı pervane kullanılmıģtır. Her kanatın uzunluğu yaklaģık 0.5 metre olup pervane malzemesi olarak hafif olan PVC kullanılmıģtır. Kule uzunluğu yaklaģık olarak 2-2,5 metredir. Rüzgar türbini rotoru ile generatör birbirine bağımlı olup bunlar arasında kayıģ kasnak sistemi bulunur. KayıĢ kasnak sistemi rotor kanatlarının hızına bağlı olarak devir sayısını arttırmaya yardımcı olur. 4

12 Generatörün stator uçlarına uygun değerde kapasiteler bağlanıp gerekli reaktif güç sağlanmıģtır. Bunun sonucunda manyetik alan oluģturularak rotorun da dönmesiyle döner alan oluģmuģtur. Bu döner alan sargıları keser ve gerilim endüklenir. Endüklenen gerilim regülesiz AC gerilimdir. Bu gerilim doğrultulup farklı tepe değerlerine sahip DC gerilim elde edilmiģtir. ÇeĢitli değerlerdeki bu DC gerilim DC-DC gerilim kıyıcı sayesinde sabit DC gerilim elde edilmiģtir. Bu gerilim akülerde depolanmıģtır ve ayrıca evirici sayesinde Ģebeke AC gerilim ve frekansı elde edilmiģtir. Sistemin blok diyagramı Ģekil 2.2. de verilmektedir. ġekil 2.2. Sistemimizin genel bir blok diyagramı 2.2 Asenkron Generatör Makinenin statoru üçgen bağlıdır. Projedeki hedef, asenkron makinenin (ki bu tarz motorlar uyartım sargısı taģımazlar) gerekli uyartım koģulları sağlandığında, generatör olarak çalıģabileceğini göstermektir. ġebekeden bağımsız gerçekleģtireceğimiz bu çalıģmada makinenin nominal hızının üstünde devinmesine gerek kalmamaktadır. Projemizde, rotoru sincap kafes tür üç fazlı ASM (Asenkron Makine) kullanılmıģtır. KullanmıĢ olduğumuz makinenin sahip olduğu plaka değerleri çizelge 2.1. de verilmiģtir. 5

13 Çizelge 2.1. Asenkron makine parametreleri MOTOR TĠPĠ Inter motor ĠA ANMA GÜCÜ ( kw ) 0,37 ANMA HIZI ( d / dk ) 1330 ANMA GERĠLĠMĠ ( V) 380 ANMA AKIMI ( A ) 1,2 VERĠM ( % ) 67 GÜÇ KATSAYISI ( cosα ) 0,75 ANMA MOMENTĠ ( Nm ) 2,56 EYLEMSĠZLĠK MOMENTĠ ( kgm 2 ) 0,0013 AĞIRLIK ( kg ) 6,3 Bu tarz makineler, serbest çalıģmada hızları ne olursa olsun çıkıģta mutlaka bir güç ve tork üretmektedirler. Makine generatör modunda çalıģırken kayma, sıfırdan küçük olmaktadır. Buna ait formül aģağıda verilmiģtir. ( s < 0 ) [ ( n s - n ) / n s ] ( 1 ) Ancak serbest çalıģmayı projemizde gerçekleģtirdiğimizden böyle mecburi bir durum söz konusu değildir. Yani, rotorun her devrinde mutlaka bir çıkıģ alınabilmektedir. Motoru generatör modunda çalıģtırdığımızda makinenin statorundan güç elde ettiğimizde generatörün deviniminin daha da güçleģtiğini gördük. Bu da demek oluyor ki makinede bir kuvvet oluģtuğunda, makine bu kuvvete ters yönde bir tepki doğurmaktadır. Makinenin yüksek hızlarında bu kuvvet, daha da hissedilebilir haldedir. Böyle bir durum dıģarıdan türbine uygulanacak küçük torklu kuvvetlerin, makine enerji üretmeye baģladığında mil devrini anlamlı bir tur sayısı seviyesinde tutamayacağını göstermektedir. Bundan dolayıdır ki türbine uygulanacak torku biraz daha arttırıp, 6

14 anlamlı tur sayılarını her hâlükârda makinenin miline transfer edebilmek öncelikli amacımız olmuģtur. Projede bu problemi, bir kasnak-kayıģ sistemi kullanarak aģmaya çalıģtık. Projemizdeki asenkron generatör Ģekil 2.3. de rüzgar türbini kulesinin üzerindeki Ģekliyle gösterilmiģtir. ġekil 2.3. Asenkron generatörün projedeki hali 2.3. Uyarma Kapasitesi Projenin tasarım aģamasından da bilindiği gibi, ASM ler diğer motorlar gibi uyartım sargısı taģımazlar. Sistemimizin tasarımının Ģebekeden bağımsız gerçekleģmesi ve gerekli uyartımın Ģebekeden karģılanamaması durumu, ASM ile yapılan tüm enerji üretim çalıģmalarında stator sargılarının uyarma kapasiteleri yardımıyla mıknatıslanmasını gerekli kılmıģtır. 7

15 Özetle, bir ASM nin Ģebekeden bağımsız olarak yalnız baģına çalıģabilmesi için gerekli ve yeter koģullar Ģunlardır: i) Makinenin statorunun mıknatıslanması için gerekli endüktif akım, uyarma kapasitesi grubu tarafından karģılanmalıdır ki bu akım uygulama alanında, asenkron generatörün bağlı olduğu Ģebekedeki senkron generatörler ya da senkron generatörler bulunmuyor ise kapasitelerden sağlanır [1] ; fakat bizim projemizde ASM Ģebekeye bağlı olmayacağından, mıknatıslanma akımı kapasite grubu tarafından karģılanmıģtır. ii) Makinenin daha önceki çalıģmalarından kalan artık bir mıknatıslanma olmalıdır. Böylelikle stator sargıları uyarma kapasitesinden sağlanan reaktif güçle beslenerek mıknatıslanacak, akabinde mıknatıslanan bu sargılar makine içerisinde bir döner manyetik alan üretecektir. OluĢturulan bu döner manyetik alan rotorun da dönmesiyle stator sargıları tarafından kesilerek bu sargılarda bir EMK endüklenir. Endüklenen bu gerilim sayesinde rotordan statora doğru bir aktif güç akıģı gözlemlenebilmektedir. Projemizde kullanılan uyarma kapasitesi Ģekil 2.4. de gösterilmiģtir. ġekil 2.4. Uyarma kapasitesi 8

16 Projemizdeki uyarma kapasitemiz üç fazlı olup taģıdığı bazı bilgiler çizelge 2.2. de gösterilmiģtir: Çizelge 2.2. Uyarma kapasitesi özellikleri FĠRMA ANMA GÜCÜ ANMA GERĠLĠMĠ ANMA AKIMI ANMA FREKANSI EKON KONDANSATÖR 500 KVAR 400 V 7,2 A 50 Hz ANMA KAPASĠTESĠ 3 33 µf SICAKLIK SINIFI -25/+40 ºC BAĞLANTI ġeklġ YALITIM DÜZEYĠ D-üçgen 3 kv Proje için gerekli olan kapasite parametrelerinin hesabı: X C = V F / I F = 1 / 2πfC (2) V F / I F = 1 / 2πfC ifadesinden de, C = I F / 2πfV F (3) I H = 3.I F I F : Faz Akımı I H: Hat Akımı 9

17 f: ÇalıĢma Frekansı C: Faz BaĢına Kapasite Değeri Yukarıdaki ifadelerden ve makinenin verilen parametrelerinden yola çıkarak: C = 1.12 / 2π = 16.2 µf ( Faz BaĢına ) ( faz baģına 33 µf seçim yapıldı ) ÇalıĢma Gerilimi ise: V Ç = 400 V Q = ,75 = 576 VAR, fakat bu değerde kapasitenin gücünün daha da artırılıp patlamalara karģı daha dirençli olması açısından 5 kvar lık seçim yapılmıģtır. Yukarıdan da anlaģılacağı gibi kapasite seçiminde kesin bir kural yoktur. Hatta kapasite değerleri ve reaktif gücü ne kadar yüksek ise statorda daha da anlamlı gerilimler indükleneceğinden kapasite parametrelerimizi olabildiğince yüksek tutmaya çalıģtık. Bu sayede projede ilerlemeler kaydederken ara ara yaptığımız gerilim ölçüm sonuçlarında sürekli olan küçük devirlerde ( El ile yaklaģık saniyede bir tam devir olmayan dönüģlerde ) V gibi sistemimize yetecek büyüklükteki gerilimleri elde edebileceğimizi gözlemledik. Ayrıca sistemde 400 V gibi büyük değerdeki gerilimleri de aģamayacağımızdan, sistemin çalıģması esnasında kapasitenin patlama ihtimalini de böylelikle ortadan kaldırmıģ olduk. Asenkron makinemizin asenkron generatör olarak çalıģtırılmasının basit bir gösterimi Ģekil 2.5. de verilmiģtir. ġekil Sistem çalıģmasına ait genel bir gösterim 10

18 ġekil 2.6. da uyarma kapasitesini devreye almak için yapılan sistem verilmiģtir. ġekil 2.6. Uyarma kapasitelerini devreye almak için yapılmıģ düzenek 2.4. Akü Grubu Akü enerjiyi kimyasal konumda depolayan bir elektrik depolama aygıtıdır. Herhangi bir elektrik devresi ile bağlantı kurduğunda kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüģür. Projemizde generatör olarak kullandığımız asenkron makineden sabit olmayan alternatif gerilim elde edilmiģtir. Elde edilen bu gerilim 3 fazlı doğrultucu sayesinde doğrultulmuģtur. Doğrultulan gerilim değerini regüle etmek için kullandığımız devre ise DC - DC gerilim kıyıcı devresidir. Bu devre çıkıģındaki regüle edilmiģ DC gerilim ise aküde Ģarj edilmiģtir. Daha sonra kullanılmak istenirse akülerden enerji 11

19 sağlanabilmektedir. Akü grubu birbirine seri bağlı 2 adet aküden oluģmaktadır. Sistemde kullanacağımız akülerden birisi Ģekil 2.7. de gösterilmiģtir. ġekil 2.7. Sistemimizdeki akü Akülerimizin özellikleri ise çizelge 2.3. de gösterilmiģtir. Çizelge 2.3. Akülerin özellikleri GASTON Marka Kuru tip 12 Volt 7 AH Uzunluk-GeniĢlik-Yükseklik 150x65x94 ġarj gerilimi: 13.5 V 13.8 V 12

20 Akü Ģarj iģlemi kolay gibi görünse de bazı önemli noktalarını gözden kaçırmamak gerekmektedir. Dikkat edilmesi gereken en önemli nokta; akım Ģarj değerinin akü akımının nominal değerinin %10 unu aģmamasıdır. Tek bir aküyü Ģarj edebileceğimiz gibi 2 aküyü seri bağlayıp 24 Voltluk bir akü grubunu da Ģarj etmek mümkündür. Akü kullanımında dikkat edilmesi gereken hususlardan biri de akünün pozitif ve negatif uçlarının hiçbir zaman kısa devre edilmemesidir. Doğru bir Ģekilde seri bağlanan akü grubunun bağlantı resmi Ģekil 2.8. de verilmiģtir. ġekil Volt luk iki akünün seri bağlanması Akü Ģarj iģlemini gerçekleģtirdikten sonra DC yük olarak istediğimiz uygun yükleri aküye bağlayıp bu yükleri çalıģtırabiliriz. Biz sistemimizi tasarlarken 12 Volt, 0.12 Amper lik bir fırçasız doğru akım motoruna sahip bir fanı rahatlıkla çalıģtırdık. 13

21 3. TASARIM 3.1 Kasnak KayıĢ Sistemi Kasnak-kayıĢ sisteminin görevi, makine enerji çevrimi yaptığında devirden düģmesini engellemektir. Projenin yapısal olarak en basit kısmını oluģturmaktadır. Kasnaklar iki adettir ve büyük olanı kalınlığı 18 mm ve çapı 30 cm olan medefe tür tahta malzemeden; küçük olanı ise dirin olarak anılan plastik tür malzemeden yapılmıģ 5 cm lik çapa sahip kalplinden oluģmaktadır. Projemizdeki kayıģ kasnak sistemi Ģekil 3.1. da gösterilmiģtir. ġekil 3.1. KayıĢ kasnak sisteminin projedeki görünümü 14

22 Bir adet kayıģ ise türbin gövdesine monteli medefe kasnağın kat ettiği mesafeyi motor miline monteli kalplin elemanına taģımaktır. Kalplinin çapı, medefe kasnağın çapının 1/6 katı olduğundan türbin bir devrini tamamladığında kalplin altı devir yapmaktadır. Bu da demek oluyor ki, türbin ile yaklaģık olarak saniyede bir tam devri sağladığımızda makine milinde dev/dk arası tur elde ederiz ki bu da yaptığımız bazı denemelerde 300 dev/dk nın üzerine çıktığımızda 110 V ( faz faz ) gibi anlamlı gerilimler elde edebildiğimizi bize göstermiģtir. Bu sistemin, türbin kulesine montajı ise; kulenin yan tarafına bilyeli ve kaynaklı demir aracılığı ile yapılmıģtır. Bu sayede, türbin milinin bilyeli sistem içerisinde sürtünmelerden en az etkilenecek Ģekilde rahatça dönebilmesi amaçlanmıģtır. Ayrıca medefe kasnağın kayıģ yolunun kalplin kasnağın kayıģ yoluyla aynı düģey doğrultuda olmasına dikkat edilmiģtir. Proje tasarımının uygulamaya geçirilmesi esnasında, türbin kanatlarının motor gövdesine ya da kalplinine herhangi bir temasının olmaması amacıyla da 15 cm çapında 1,8 cm kalınlığındaki bir baģka medefe halkasıyla türbin kanatları, medefe malzemenin türbin gövdesinin hemen altına monte edilmesiyle kuleden biraz uzaklaģtırılmıģtır. Özellikle, türbinin dönüģü esnasında sistemde oluģan büyük savrulmaların önüne geçmek için kule ayağı bir baģka tahta malzemeye tutturulmuģtur Rüzgar Türbinin Pervane Kanatları Rüzgar tribününde generatöre mekanik gücü kayıģ-kasnak yardımıyla verecek olan pervane sistemimizin önemli kısımlarındandır. Kanatlar ahģap, cam lifli güçlendirilmiģ plastik (GRP), PVC veya alüminyum gibi çeģitli metallerden olabilir. Biz sistemimizde özellikle hafif olması nedeniyle PVC kullanılmıģtır. Kanat sayısının fazla olması avantaj olsa da biz sistemimiz için kanat sayısını üç adet olacak Ģekilde yeterli bulduk. Kanatlar hakkında diğer önemli bir husus da kanat boylarıdır ki pervane yarıçapı ne kadar artarsa rüzgardan alınan güç de orantılı Ģekilde artar. Kanatlara çeģitli kavisler verilerek kanatların rahat dönmesi sağlanmıģtır. Pervanelerin kanatları ise günümüzdeki rüzgar türbinlerini andırsın diye beyaza boyanmıģtır. Sistemimizin pervane kanatlarına ait özellikler çizelge 3.1. de verilmiģtir. 15

23 Çizelge 3.1. Rüzgar türbini pervane kanatlarının özellikleri KANAT MALZEMESĠ PVC KANAT YARIÇAPI 0.5 m KANAT ADEDĠ 3 Yukarıda özellikleri verilen pervane kanatlarının görünümü Ģekil 3.2. de verilmiģtir. ġekil 3.2. Pervane kanatları 16

24 Rüzgar tribünlerinde kanatların gerekli gücü sağlayan elemanlardır. Rüzgar enerjisi, _ Pervanenin alanına, _ Rüzgar hızının küpüne, _ Havanın yoğunluğuna bağlıdır. Rüzgarın taģıdığı güç Ģu formülle hesaplanır: P= (4) Burada: P( Watt cinsinden güç ), A= pervanenin taradığı alan(,r rotor yarıçapı ), Vr= rüzgar hızı, ρ= Kg / m3 havanın deniz seviyesindeki yoğunluğudur.[2] Sistemimizde kullandığımız kanatların rüzgar eģliğinde verimli bir Ģekilde dönebilmesi için kanatlara gerekli açılar ve kavisler verilmiģtir. Özellikle projemizin Doğu Karadeniz Bölgesi gibi rüzgar açısından oldukça fakir olan bir bölgede çalıģtırılma ihtimali düģünüldüğünde bu hususa özellikle dikkat edilmiģtir. En son haliyle kanatlar saat yönünde dönecek Ģekliyle tasarlanmıģtır. Kanat yarıçaplarının uzun olması da rüzgardan alınabilecek mekanik enerjiyi arttırmaktadır. ġekil 3.3. ve Ģekil 3.4. de sistemimizde yer alan kanatların ölçüleri ve tüm kanatların monte edilmesiyle oluģan rüzgar türbinin ön görüģü verilmektedir. ġekil 3.3. Pervane kanatlarının ölçüleri 17

25 ġekil Kanatların önden görünüģü Fazlı Doğrultucu Gerilimi sabit bir değerde tutmak için öncelikle generatörden elde edilen AC gerilimin DC gerilime dönüģtürülmesi gerekmektedir. Bu amaç doğrultusunda sistemimizde 3 fazlı kontrolsüz doğrultucu kullanılmıģtır. Doğrultucunun kontrolsüz olması diyot kullanmamızdan kaynaklanmaktadır. 3 fazlı olması için ise iki adet köprü diyot kullanılmıģtır. Doğrultucu 1 fazlı veya 3 fazlı olabilmektedir. 1 fazlı sistemler için genellikle kontrolsüz doğrultucu, 3 fazlı sistemler için ise 6 darbeli kontrollü (tristörlü) doğrultucu kullanılmaktadır. Sistemimizde doğrultucu sadece gerilimi doğrultmak için kullanılmıģtır. Dolayısıyla herhangi bir kontrol sistemine gerek yoktur ve maliyetinin de düģük olmasına dikkat edilmiģtir. Bu yüzden diyot kullanılmıģtır. Uygulamada 4 ka akım değerine ve 4 kv a kadar çalıģma gerilimine dayanıklı olan diyotlar mevcuttur. Sistemimizde kullanılan köprü diyotlar ve bağlantı Ģekli Ģekil 3.5. ve Ģekil 3.6. de gösterilmiģtir. 18

26 ġekil 3.5. Köprü diyotlardan bir tanesi ġekil 3.6. Köprü diyotların bağlantısı Her iki köprü diyot üzerine alüminyum levhalar konulmaktadır. Bu levhaların kullanmasının sebebi soğutma iģlemini gerçekleģtirmektir. Devrenin çalıģması esnasında diyotlar üzerinde aģırı ısınmalar olabilmektedir. Bu nedenle diyotların soğutulması gerekmektedir. Sistemimizde kontrolsüz doğrultucu kullanmamızın nedenlerini sıralayacak olursak: -Doğrultucu devre yapısı basit oluğundan ve kontrole gerek olmadığından diyotların arıza ihtimali ve kayıpları azdır. 19

27 -ÇıkıĢındaki DC gerilimdeki dalgalılık kontrollü doğrultucuya göre daha azdır. Bu sebepler devrenin maliyetini oldukça düģürmekte ve verimliliğini ise yükseltmektedir. Bu avantajlarının yanında kontrolsüz doğrultucunun sakıncaları da mevcuttur. Bunları sıralayacak olursak: -BaĢlangıç akımının sınırlanması gerekir. Aksi durumda devre elemanları yanabilir. -Doğrultucunun çıkıģ gerilimi kontrolsüz olduğundan dolayı çıkıģa bağlanacak elemanın giriģi geniģ aralıklı olmalıdır. -Akü grubunun Ģarj edilebilmesi için gerilimin ve akımın sabit olması gerekmektedir. Bu sorun giderilmelidir. Devre çıkıģından elde edilecek gerilimi aģağıdaki Ģekilde formüle edecek olursak: Vort = ( π ) π π = Vort = ( π )Vm=0.955 Vm (5) 3.4. Rüzgar Türbini Kulesi ġekil 3.7. de projemizin türbin kulesi kanatlarla birlikte verilmiģtir. ġekil 3.7. Rüzgar türbinimizin kule ve pervane görünümü 20

28 Projemizde kule, sistem elemanlarının taģındığı kısımdır. Kule bir rüzgar türbinin kanatlarının istenilen yüksekliğe çıkarılmasını sağlar. Modern rüzgar türbinlerinde kullanılan kule tipleri: kafes, boru, gergi kulelerdir. Kule sistemi yapılırken dikkat edilecek husus elemanları taģırken zorlanmayacak Ģekilde tasarlanmasıdır. Özellikle generatör olarak kullanacağımız motor ağır olduğu için kuleyi ağırlığıyla zorlamaktadır. Bu etkenleri göz önüne alarak kulemiz yeterli yükseklikte ve ağır demirden yapılmıģtır ÇıkıĢ Akımı SınırlandırılmıĢ Gerilim Regülatörü Sistemimizde kullandığımız akü parametreleri 12V, 7 Ah değerlerine sahiptir. Bu tip akülerin Ģarj için gerekli gerilim aralığı 13.5 V V, akım ise maksimum akımın %10 u aģmayacak Ģekilde olmalıdır. Bu koģullar bize akü beslemesi için bir regüle devresi yapılmasını zorunlu kılmıģtır. AĢağıda Ģekil 3.8 ve 3.9 da yaptığımız regüle devresini gösterilmektedir. ġekil 3.8. Regüle devresinin önden görünüģü 21

29 ġekil 3.9. Devrenin arkadan görünüģü Projede kullanılan regüle devresinde gerilim sabitleme görevi, LM317 entegre devresi ile sağlanmıģtır. Bu entegre sayesinde giriģ gerilimi 17 V ile 37 V değerleri arasında olduğunda çıkıģ 13.5 V V değerlerini alırken, akım değeri ise 600 ma dolaylarında olmaktadır. Bu değerler aküyü beslemek için gerekli parametrelerdir ve bu koģullarda akü Ģarj olabilmektedir. Devremizde çıkıģ geriliminin istenilen seviyede elde edilebilmesi için gerekli R3 direnci için aģağıdaki formül kullanılmıģtır. = R3 ( 1.25 / R2 ) (6) 19.8 = ( 1.25 / 220 ) Bu formülden R3 = 2.2K Ω bulunmuģtur. Akü için gerekli Ģarj akımı ise : I = 0.6 / R4 (7) R4 = 1Ω olduğundan I = 600 ma = 0.6 A olarak elde edilmiģtir. 22

30 3.6. Güvenlik Önlemleri Genel itibariyle güvenlik her yerde ilk sırada yer almaktadır. Güvenlik tedbirleriyle makinenin korunmasının yanı sıra insan hayatının korunması da sağlanmaktadır. Sistemimizde generatör çıkıģından insan hayatını tehlikeye sokabilecek yeterlilikte alternatif gerilim elde edebilmektedir. Bu durumu göz önünde tutarak kimsenin zarar görmemesi için çalıģtığımız yere küçük bir uyarı yazısı yazdık ve makine laboratuvarına girenleri uyardık. Sistemimiz üzerinde çalıģmalar yaptıktan sonra tüm bağlantılar sistemden sökülmüģtür. Ayrıca rüzgar türbinin pervane kanatlarının uzun olması nedeniyle kanatlar da güvenlik sorunu oluģturmaktaydı. Bu problemi gidermek için projemizi gerçeklediğimiz makine laboratuvarının en uygun yeri seçilmiģtir. Alınan bütün bu önlemlerden sonra projemizin yapım aģaması boyunca hiçbir problemle karģılaģmamıģ olmak bizim içimizi önemli bir kazanç olmuģtur Standartlar Ve Kısıtlamalar Rüzgar türbininde asenkron generatör olarak kullandığımız asenkron motor TSE standartlarına uygun Ģekilde üretilmiģtir. Bu standartların oluģturulmasında kullanılan kaynak ise IEC standartlarıdır. 24 V DC gerilim kaynağımız ve uyarma kapasitemiz de TSE standartlarına uygun Ģekilde üretilmiģtir. Aynı zamanda ÇEVKO (Çevre Koruma ve Ambalaj Atıkları Değerlendirme Vakfı) standartlarına göre çevreye atık olarak verdiği zarar minimum seviyededir. Ayrıca uyarma kapasitemizin standartları oluģturulurken kullanılan kaynak IEC standartlarıdır. Kullanılan motorun ve kanatların elektriksel gürültüsü minimum seviyede olup mekanik gürültüsü normal seviyelerdedir. 23

31 4. SĠMÜLASYON ÇALIġMALARI Fazlı Doğrultucu Multisim ÇalıĢması Doğrultucu devrenin çalıģmasına ait simülasyon çalıģması yapılarak devrenin gerçeklenmesinden önce ortaya çıkabilecek sonuçlar gözlemlenmiģ ve bu sonuçlara göre gerekli devre elemanları seçilmiģtir. Doğrultucu devrenin Multisim simülasyon programında yapılan devre Ģekli ve simülasyon sonucuna ait Ģekiller Ģekil 4.1. de verilmiģtir. ġekil 4.1. Doğrultucu devresinin Multisim deki bağlantısı Bu devrenin 100 V, 50 Hz için çıkıģındaki gerilim seviyesi aģağıda verilmiģtir. Burada da görüldüğü gibi doğrultucu giriģindeki 100 V AC gerilim değeri için Ģekil 4.2. de gösterildiği gibi çıkıģında yaklaģık 100 V DC gerilim gözlenmektedir. 24

32 ġekil 4.2. Doğrultucu çıkıģ görüntüsü 4.2. ÇıkıĢ Akımı SınırlandırılmıĢ Gerilim Regülatörü Simülasyon ÇalıĢmaları Yapılan simülasyon çalıģmalarında Ģekil 4.3 Ģekil 4.4. ve Ģekil 4.5. de de görüldüğü gibi giriģ geriliminin değiģken olup çıkıģ geriliminin çok az değiģip 13.8 V ta sabit kaldığı gözlemlenmiģtir. Aynı Ģekilde akımın da aküyü sağlıklı Ģarj edecek Ģekilde 600 ma de sabit kaldığı gözlenmiģtir. ġekil 4.3. GiriĢ gerilimi 17 V için çıkıģ akım ve gerilim değeri 25

33 ġekil 4.4. GiriĢ gerilimi 25 V için çıkıģ akım ve gerilim değeri ġekil 4.5.GiriĢ gerilimi 30 V için çıkıģ akım ve gerilim değeri 26

34 SONUÇ Asenkron generatörler her hızda elektrik enerjisi üretebilen elektriksel aygıtlardır. Bu özellik onların barajlar, rüzgar türbinleri, su türbinleri gibi alanlarda kullanılmalarına imkan vermiģtir. Sistemimizde asenkron makinelerin bu özelliği kullanılarak elektrik enerjisi elde edilmeye çalıģıldı. Asenkron motorun milini harici bir eleman kullanmadan döndürmeye çalıģtık. Yani motorun milini baģka bir motor ya da elektriksel alet kullanmadan doğrudan yeterli koģullardaki rüzgar gücü ile ya da doğrudan el yardımıyla döndürecek Ģekilde tasarladık. Tasarladığımız bu sistemde AC gerilim elde ettik. AC gerilim elde etmede en önemli noktalar kapasitelerin uygun olması ve milin yeterli hızda döndürülmesidir. AC gerilim elde edildikten sonra 3 fazlı doğrultucu kısmını yapıp DC gerilim de elde etmeyi baģardık. Bu kısımdan sonra karģımıza sistemimizin en zor kısmı olan regüle devresi çıktı. Doğrultucu çıkıģ aralığı çok geniģ olduğu için regüle iģlemini yapmada çok zorlandık ve gerekli uğraģlardan sonra sistemimiz için gereken regüle devresini yapmayı baģardık. Bu regüle devresinin çıkıģına ise akü besleme devresi yapılarak akünün Ģarj edilmesi sağlandı. Fakat akünün Ģarjı için gerekli olan 12 Volt elde edilirken gerekli olan 0.7 A lik akım değeri elde edilemedi. Bunun sebebi ise asenkron makinelerin senkron hıza yakın döndürüldüğü takdirde akım verebileceklerini, senkron hızın çok altında ise akım elde edilmesinin oldukça zor olmasıdır. Sistemimiz rüzgar gücü ya da el yardımıyla döndürüleceğinden bu koģullar altında senkron hıza yakın hız elde etmek imkansızdır. Ortaya çıkan bu sorun projemizin geleceğini tamamen etkileyerek farklı bir yol izlememizi zorunlu kıldı. Sistemimizde enerji eldesinin ispatını regüle devresinin çıkıģındaki aküyü Ģarj edip daha sonra evirici yardımıyla AC gerilim altında yük beslemesi yapılacaktı. Fakat ortaya çıkan akım problemi nedeniyle enerji ispatını AC ve DC gerilim altında çeģitli yükleri enerjilendirerek (ampul, fan vs.) gösterdik. Sonuç itibariyle projemizde asenkron makine yardımıyla istediğimiz kadar olmasa da çeģitli yükleri besleyecek kadar enerji elde ettik ve asenkron generatörle her hızda enerji elde edilebileceğini gözlemledik. 27

35 YORUMLAR VE DEĞERLENDĠRME Bu projeye baģlarken rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmesinin karmaģık bir süreç olduğunu düģünmüyorduk; fakat proje çalıģmaları sırasında karģılaģtığımız bazı sorunlar elektriğin üretimini bu kadar da basit olmadığını bize gösterdi. Özellikle gerilim elde etmemize rağmen akımın yeterli düzeyde üretilememesi projemizin en büyük zorluklarından birini oluģturdu. Bu projeyle rüzgar enerjisinden elektrik elde ederek ileriye dönük mesleğimize yönelik tecrübe edindik. Özellikle karģılaģtığımız problemleri çözme konusunda yeteri kadar deneyim elde ettik. Tasarladığımız proje daha da geliģtirilerek daha çok enerji elde edilip, çeģitli yatırımcılara örnek teģkil edip ülkemizin rüzgar enerji potansiyelinden daha fazla yararlanılmasını umuyoruz. 28

36 KAYNAKLAR [1] M. K. Sarıoğlu, Asenkron Makinalar ve Kontrolü, Ġstanbul, Türkiye: Birsen Yayınevi, Ağustos [2] D. A. Spera, Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts of Wind Turbine Engineering, Second Edition, New York, USA: ASME Press,

37 EK 1 - Standartlar ve Kısıtlar Formu Bitirme Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aģağıdaki soruları cevaplayınız. 1) Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. 3- fazlı sincap kafes rotorlu asenkron makina kullanılarak bir rüzgar türbininin küçük bir modeli tasarlanmıģtır. Tasarlanan projeyle enerjinin taģınamadığı uzak ve yüksek yerlerde de enerjiden yararlanma sağlanabilecektir. 2) Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Regüle devresi için gereken giriģ çıkıģ gerilimlerinin hesabı yapılarak bu hesaba uygun Ģekilde regüle devresi yapıldı. 3) Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Elektrik makinaları dersindeki asenkron makine ve asenkron generatör hakkında aldığımız bilgiler, doğrultucu ve regüle devresi için güç elektroniği dersinde aldığımız bilgiler projemizi yaparken bize çok yarar sağladı. 4) Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Proje tasarım ve gerçekleģtirme aģamalarında TS 9057, ISO 27011, TSE ve ÇEVKO standartları göz önünde bulundurulmuģtur. 5) Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Diğer enerji üretim sistemlerine göre kurulum, kullanım ve bakım açısından gayet maliyeti azdır. 30

38 b) Çevre sorunları Büyük alanlar gerektirdiği için görüntü kirliliği dıģında bir olumsuz etkisi yoktur. Hiç bir Ģekilde ekolojik dengeyi kimyasal ve biyolojik olarak bozucu etkisi yoktur. c) Sürdürülebilirlik Dünyada git gide artan enerji gereksinimi ve mevcut enerji sistemlerinin çevreye olan global etkisi rüzgar enerjisine yönelimi artıracağından ve de pratik bir sistem olduğundan önümüzdeki yıllarda çokça ön plana çıkacaktır. d) Üretilebilirlik Sistemimizin kurulumu ve maliyeti gayet uygun olduğu için üretilebilirdir. e) Etik Sistemimizde etik olmayan hiçbir unsur kullanılmamıģtır. Benzer projeleri yapmıģ kiģi ve kurumların emeklerine saygı duyulmuģtur. f) Sağlık Projenin çevreye ve canlılara olumsuz etki yapmamasına özellikle dikkat edilmiģ ve tasarım özenle yapılmaya çalıģılmıģtır. g)güvenlik Projede kullanılan doğrultucu, akü gibi devrelerin yalıtımı yapılarak koruma sağlanmaktadır. Ayrıca yazılı Ģekilde kiģileri uyarma sağlanmıģtır. 31

39 h) Sosyal ve politik sorunlar Enerjinin üretilmesinden sonra en zor kısımlardan birisi de kullanılacak yere taģınması ve kullanıma sunulmasıdır. Bizim projemizin en çok öne çıkan yönü de bu problemi çözmektir. Not: Gerek görülmesi halinde bu sayfa istenilen maddeler için geniģletilebilir. Projenin Adı ASENKRON GENERATÖRLÜ RÜZGAR TÜRBĠNĠ Projedeki adları Öğrencilerin Gökhan DABAK Gökay KIRCA Sadullah TURAN Muhsin BAKDEMĠR Tarih ve Ġmzalar 25 / 05 /

40 ÖZGEÇMĠġ Gökhan DABAK, 1989 da Ġzmir de doğdu. Ġlk ve Ortaöğrenimini Fırat Ġlköğretim Okulu nda, Lise öğrenimini Hoca Ahmet Yesevi Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na baģladı. Yabancı dil olarak orta derecede Ġngilizce bilmektedir. Gökay KIRCA, 1989 de Ankara da doğdu. Ġlk ve Ortaöğrenimini Çağlar Ġlköğretim Okulu nda, Lise öğrenimini ġentepe Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na baģladı. Yabancı dil olarak orta seviyede Ġngilizce bilmektedir. Muhsin BAKDEMĠR, 1989 de Ordu da doğdu. Ġlk ve Ortaöğrenimini Çayırkent ġehit Nevzat Çatık Ġlköğretim Okulu nda, Lise öğrenimini Ulubey Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na baģladı. Yabancı dil olarak orta seviyede Ġngilizce bilmektedir. Sadullah TURAN, 1988 de Erzurum da doğdu. Ġlk ve Ortaöğrenimini Kirazlı Ġlköğretim Okulu nda, Lise öğrenimini Mehmet Niyazi Altuğ Lisesi nde yaptı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na baģladı. Yabancı dil olarak orta seviyede Ġngilizce bilmektedir. 33