Proje Gelişme Raporu-1

Transkript

1 Giriş Türkiye nin muhtemel rüzgâr enerjisi potansiyeli karalarda MW, denizlerde ise MW olduğunu tahmin edilmektedir. Elektrik İşleri Etüt İdaresi (EİE) tarafından geliştirilen Türkiye Rüzgâr Atlasına göre, Marmara ve Ege kıyıları en yüksek rüzgâr potansiyeline sahip olduğu görülmektedir (Ṣekil 1). Bununla birlikte, aynı atlasta Düzce ilinin yer aldığı Batı Karadeniz bölgesindeki rüzgâr hızının kayda değer olduğu ve ortalama rüzgâr hızının 5m/s olduğu öngörülmektedir (Ṣekil 2). Bu hız değeri, rüzgârın 1 metre uzunluğunda dairesel alanı 1 metrekare olan bir silindirden geçmesi durumunda bir yılda ortalama 760kWh enerji üreteceği anlamına gelir ki; bu azımsanmayacak bir enerji miktarı olup birincil enerji kaynağının maliyeti fosil yakıtların aksine sıfırdır. Maliyeti sıfır olan bu kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılan rüzgâr türbinleri içersinde en yüksek verim 3 kanatlı yatay eksenli rotor yapısına sahip rüzgâr türbinleridir. Bu tip rotor yapılarında verim, iyi tasarlanmış olmak kaydıyla, %40-%45 arasında değişim gösterir. Bu tip bir rotor yapısına sahip olan bir türbinin kullanılması durumunda yaklaşık olarak mevcut potansiyelin yarısı enerjiye dönüştürülür. Bu kapsamda, mevcut rüzgâr potansiyelini sembolik anlamda değerlendirmek ve ileriye dönük çalışmaların başlangıcını oluşturmak için minimum maliyetli çıkış gücü en fazla 5kW olan yatay eksenli rüzgâr türbininin tasarlanması ve geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amacı gerçekleştirmek için konu bir proje önerisi olarak hazırlanarak ilgili makama sunulmuştur. Proje değerlendirilip uygun bulunduktan sonra tarihinde yapılan sözleşme ile yürürlüğe girmiştir. Bu şekilde 1 yıl süreli proje çalışması altı iş paketine bölünerek, 1 yürütücü, 4 araştırıcı ve 1 teknikerden oluşan personel ile çalışmalara başlamıştır.

2 Şekil 1. Yeni geliştirilmiş Türkiye rüzgâr atlası. [1]. Şekil 2. EİE nin Düzce ili için belirlediği rüzgâr potansiyeli haritası. [1]. Çalışma Ekibi Bu proje çalışmasında, proje yürütücüsü hariç toplam beş personel görev yapmaktadır. Beş iş paketinde toplam 11 ay süreyle çalışacak olan bu personel sırasıyla, araştırma görevlisi Dinçer Maden (1., 2., 3., 5. ve 6. iş paketlerinde); yüksek lisans öğrencisi Naim Yücel (2., 3., 5., ve 6. iş paketlerinde); Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Doç. Dr. Ali Öztürk (2., 3., 5., ve 6. iş paketlerinde); Çevre

3 Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Yrd. Doç. Dr. Fatih Taşpınar (2., 3., 5., ve 6. iş paketlerinde) araştırıcı olarak ve Hasan H. Bedir (2., 3., 4., ve 5. iş paketlerinde) tekniker olarak çalışmaktadır. Tablo 1. Proje çalışanları ve oransal görev süreleri. Proje Çalışanları ve Çalışma Zamanları Adı Soyadı Nitelik (*) Görev Süresi (%) Nedim TUTKUN Yürütücü 100 Dinçer MADEN Araştırmacı 90 Naim YÜCEL Araştırmacı 50 Ali ÖZTÜRK Araştırmacı 50 Fatih TAŞPINAR Araştırmacı 50 Hasan Hüseyin BEDİR Tekniker 50 Projedeki Bilimsel Gelişmeler Projenin başlaması ile birlikte ilk olarak benzer proje çalışmalarını yerinde görmek ve rüzgâr türbini veya aksamlarını üreten firmaları ziyaret etmek için Bursa, İzmir, Yalova, İstanbul ve Bilecik illerine seyahat edilmiştir. Bu bağlamda, ilk olarak Bursa da küçük güçlü rüzgâr türbini uygulamasını, İzmir de faaliyet gösteren Altema Enerji Ltd ile ArGe Mühendislik firmalarını, Yalova da fiberglas kanat tasarımı için Marine-Boat firmasını, İstanbul da rüzgâr direği üretimi konusunda faaliyet gösteren Prodaş firmasını ve Bilecik Metristepe de yapımı süren rüzgar türbinlerinin şantiye sahası ziyaret edilmiştir. Altı iş paketi şeklinde tanımlanan projenin ilk iş paketinde tasarım ve imalat için şartlar çerçevesinde gerekli makine-teçhizat ve sarf malzemenin bir kısmı temin edilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak rüzgâr türbini için gerekli gücü üretecek 3 lü kanat yapısı ArGe Mühendislik firmasından satın alınan hizmet alımı ile imal edilmiş ve kullanıma hazır hale getirilmiştir. Üretilen kanatların her biri 2,1m uzunluğunda olup normal şartlarda 5kW lık

4 çıkış gücü verecek şekilde fiberglas malzemeden tasarlanmıştır (Şekil 3.). Kanatlar, rüzgâr hızının kurulum bölgesinde 3m/s değerine ulaşması halinde elektrik üretmeye başlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bunun yanında kanatlar 6mm kalınlıkta ve 30cm çapındaki mil çıkışı yapılmış disk (flanş) üzerinde birleştirilerek rotor yapısı elde edilmiştir (Şekil 4). Şekil 3. 2,1 m uzunluğunda türbin kanat yapısı. Şekil 4. Kanatların birleştirilmesinde kullanılan flanşlar. Üreteç olarak en zor şartlarda çalışabilen, düşük maliyetli kapasitör uyarmalı asenkron generatörü (KUAG) kullanılmıştır (Şekil 5). Bu tip generatörde elektrik üretimi için gerekli devir sayısına çıkmak gerektiğinden iki kademeli 48 kat devir yükseltebilen ve %90 verimle çalışan devir yükseltici tasarlanıp gerçekleştirilmiştir (Şekil 6). Bu şekilde rüzgârdan alınan maksimum 5kW lık gücü rotor milindeki devir sayısı 50 kat yükseltilmek suretiyle jeneratör miline aktarılmıştır.

5 Şekil 5. Test amaçlı kullanılan KUAG. Şekil 6. İki kademeli 48 katlı devir yükseltici. Böylece düşük rüzgâr hızlarında yüklü ve yüksüz KUAG mekanik kol yardımıyla laboratuvar şartlarında test edilerek 220V luk gerilim üretilmiştir. Üretilen elektrik enerjisi ısınma ve aydınlatma amaçlı olacağından çıkışta gerilim-frekans kararlılığının olması gerekli değildir. Bu şekilde çıkışta gerilim-frekans regülâsyonunu sağlayacak elektronik veya mekanik kontrol mekanizmasına gerek duyulmaz. Maliyet ve sadelik açısından rüzgâr enerjisi sistemlerinde oldukça tercih edilen KUAG yük tipinin ve yükün değerinin değişmesi durumunda çıkış geriliminde ve frekansında dramatik bir düşüş meydana gelir. Bu durum bu araştırma projesinin esas konusu olmamakla birlikte KUAG ta güç elektroniği elemanları ile reaktif güç kontrolü yapılarak istenilen kararlılık sağlanabilir. Alternatif olarak maliyeti bir miktar arttırsa da gerilim-frekans kararlığını sağlamak için doğrudan sürülebilen daimi mıknatıslı 8 veya 12 kutuplu generatör kullanılacaktır.

6 Aşırı rüzgâr hızlarında sistemin kontrolünü sağlamak için elektrik ve mekanik frenleme mekanizmaları kullanılmaktadır. Elektrik frenleme sistemdeki mevcut kinetik enerjinin omik bir elektrik yükü kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülerek sistemden alınmasıdır (Şekil 7). Şekil 7. Üç fazlı yıldız bağlı omik yük. Geliştirilen sistemin ön testlerini yapmak için 12m uzunluğunda alt çapı 170mm üst çapı 130mm olan 5mm kalınlığı galvaniz kaplı direk imal edildi (Şekil 8). Bu direğin dikilmesi için 1,6m derinliğinde ve 2,3 metreküp hacminde beton bloktan oluşan bir temel yapısı oluşturulmuştur (Şekil 9). Temel 12 lik ve 8 lik inşaat demirlerinden yapılan kafes örgü ve bu kafes örgüye bağlantılı U demirinden yapılmış karesel kaiden oluşmaktadır. Direğin temel ile bağlantısının yapılması için 0,25 metrekarelik 1cm kalınlığında karesel bir flanş direğin alt kısmına kaynak ile bağlanmıştır (Şekil 10). Bu şekilde direğe bağlı karesel flanş temele metrik 12 lik 8 vida ile temele bağlanmak üzere hazır hale getirildi. Bunun yanında üreteç ve dişli çarkın yağmur, kar ve diğer dış etkilerden korumak amacıyla kapalı kutu olarak adlandırılan naselin imalatı pleksiglas olarak malzemeden imal edildi.

7 Şekil 8. 12m uzunluğunda 2 parça olarak imal edilmiş türbin direği. Şekil 9. Ön testler için hazırlanmış beton temel yapısı. Şekil 10. Direği beton blokaja bağlayan karesel flanş. KUAG ta üretilen gerilim güvenli bir şekilde zemine 12m uzunluğunda 1,5 milimetrekare kesitinde çok telli 3 fazlı kablo yardımıyla alınıp bir kontaktör üzerinden elektriksel yüke bağlamak için hazır hale getirilmiştir. Rüzgâr kanatlarının rüzgârın esiş yönüne göre yönlendirilmesi 2mm kalınlığında saçtan imal edilmiş rüzgâr kuyruğu kullanılmıştır (Şekil 10).

8 Şekil 10. Rüzgâr yönlendirici kuyruk yapısı. Rüzgâr kanatlarının 360 derecelik dönüşünün kolay bir şekilde yapılması için nasel ile direk arasına rulmanlı bir sistem yerleştirilmiştir (Şekil 11). Bu yöntem maliyeti düşürmek için küçük güçlü rüzgar türbinlerinde tercih edilmesine rağmen yeterince stabil bir sistem değildir. Bunun yerine direk tepesine yerleştirilen yön sensöründen alınan bilgilere göre rotorun yönünü ayarlayan bir sistem kullanılması performansı artıracaktır. Şekil derecelik dönüş sağlayan rulmanlı sistem. Projenin geri kalan kısmında, türbin kanatlarını rüzgar yönüne göre ayarlayacak ve değişik omik yük durumlarında çıkış gerilimin belli tolerans değerleri arasında tutacak reaktif güç kompanzasyonu yapacak otomatik bir kontrol sistemi tasarlanacaktır. Bunun yanında, acil

9 durumlarda kullanmak üzere üretilen elektriğin 4 saat sure ile depolanması için dört aküden oluşan bir akü grubu ve üretilen elektrik enerjisini doğrultarak akümülatörlere depo edilmesini gerçekleştirecek kontrollü şarj edici sistem veya doğrultucu sistemi tasarlanıp imal edilecektir. Buna ilaveten, akü gurubuna bağlı çalışan evirici aygıt sisteme eklenecektir. Ayrıca, yüksek rüzgâr hızlarında türbinini durdurup güvenli şekilde park ettirecek otomatik bir kontrol sisteminin tasarlanıp gerçeklenmesi sağlanacaktır. Daha sonra sistemi çalıştıracak ve durduracak bir kumanda paneli oluşturulacaktır. Son olarak, ön testler ile tasarlanan rüzgâr türbininin bir binanın veya çevresinin kısmen aydınlatılması veya binanın bir bölümünün ısıtılmasını sağlayacak gerekli elektrik enerjisinin üretilmesi test edilecektir. 5kW lık rüzgâr türbininin üreteç, evirici ve akümülatör gibi cihazları hariç, geri kalan cihaz ve gereçler tasarlanıp imal edilecektir. Tasarım ve imalat, direk, nasel, devir yükseltici ve yön ayarlayıcıyı kapsamaktadır. Ekonomik bir tasarım için bilgisayar yazılımı elde edilmiş stokastik bir optimizasyon tekniği kullanılacaktır. Bu projenin gerçekleşmesi durumunda üretilen elektrik enerjisi ile kısmî bir tasarruf sağlanacak ve elde edilen tasarım deneyimleri ve bulgular proje nihai raporu ile bu konuya ilgi duyan üçüncü kişilere aktarılacaktır. Projedeki Mali Gelişmeler(Satın alınan teçhizat ve diğer harcamalar) Proje kapsamında ön araştırmalarda kullanılmak üzere her biri 2,1m uzunluğunda 3 adet fiberglas kanat, bazı sarf malzemeler ve hizmet alımları için 6887,26TL lik bir harcama yapılmıştır. Bundan sonraki aşamalarda üniversite yerleşkesi içersinde belirlenen uygun bir noktada türbinin faaliyete geçmesi için gerekli makine-teçhizat, gerilim regülasyonu, hız, yön ve fren sistemlerinin denetleyici ünitelerinin büyük bir kısmı imal edilecek; doğrudan sürülebilen generatör, 12m konik direk, on-grid ve off-grid eviriciler satın alınarak bütçenin geri kalan kısmı araştırma, tasarım ve imalat amaçlı kullanılacaktır.

10 Proje kapsamında yürütülen lisansüstü tezler hakkında bilgiler Yüksek lisans programının yeni açılması nedeniyle, proje kapsamında yürütülen lisansüstü tez bulunmamaktadır. Ancak, elektromanyetik frenleme, yön ve hız kontrolü gibi bir kısım proje çalışmalarının yüksek lisans tez çalışmalarına dönüştürülmesi düşünülmektedir. Değerlendirme Projenin ilk altı aylık dilimi daha çok araştırma, görüşme, yerinde inceleme ve elde edilen bilgiler ışığında bir kısım tasarım ve imalatın gerçekleştirmesini içermektedir. Bu zaman süresinde en uygun kanat profilinin, direğin konulacağı temel yapısının, devir yükselticinin ve direk tipinin nasıl olacağı yapılan ön tasarımlar ile gerçekleştirilmiştir. Ancak, yapılan çalışmalar projenin proje takvimine uygun olarak ilerlediğini göstermekle birlikte proje süresi öngörülen bir yıllık sürenin araştırma-geliştirme ve bilgi üretme açısından yeterli olamayacağı görülmektedir. Bu yüzden proje süresinin en az 6 ay daha uzatılmasının daha doğru olacağı sonucuna varılmıştır. Sonuç Proje çalışmasında günümüzde gitgide önem arz eden yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisine dönüşümünü en düşük maliyetle ve güvenli çalışma ortamıyla sağlayacak rüzgâr türbinini gerçekleştirecek tasarım ve imalat için deneysel bilgi birikimine büyük ölçüde ulaşılmıştır. Bunun yanında, bölge için mevcut rüzgâr türbinlerinden daha farklı ve düşük hızlarda elektrik enerjisi üretebilme kapasitesi sahip türbinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar başlatılmıştır. Sonuç olarak, proje çalışması belirlenen hedefler doğrultusunda adım adım ilerlemektedir.

11 Öneriler Bu proje çalışmasında yapılmayan bölgeye uygun küçük güçlü düşey eksenli rüzgâr türbini tasarımı ve imalatına yönelik yeni proje çalışmaları yapılabilir.