107 - ursi.org.tr

RÜZGAR TÜRBİN SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
Soner ÇELİKDEMİR1
1
Bitlis Eren Üniversitesi
Adilcevaz Meslek Yüksekokulu
[email protected]
Mehmet ÖZDEMİR2
2
Fırat Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
[email protected]
Özet
Rüzgar türbin sistemlerinde elektrik enerji üretirken, kullanılan ekipmanlar ve yöntemlerden dolayı sistemler
birbirlerinden farklılık gösterirler. Bu farklılıklar, genel olarak rüzgar santrallerinin kurulacağı bölgenin rüzgar
hızı değişimlerine bağlı olarak eksenlerine, çalışma hızlarına, kanat sayılarına ve rüzgar enerjisini alma
şekillerine göre değişiklik gösterir. Üretilen elektrik enerjisinin gücüne ve kullanım alanlarına bağlı olarak da,
güç kontrol sistemlerine, kullanılan generatörlere ve şebeke bağlantı durumlarına göre farklılıklar gösterirler.
Giriş
Günümüzde yaygın olarak kullanılmakta olan yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgar enerjisinin kaynağı yine
yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisidir.
Mevcut rüzgar türbin sistemleri çeşitli özelliklerinden dolayı birbirlerinden farklılık göstermektedir. Rüzgar
türbin sistemleri; eksenlerine, çalışma hızlarına, kanat sayılarına, rüzgar enerjisini alma şekillerine, güç kontrol
sistemlerine, kullanılan generatörlere ve şebeke bağlantı durumlarına göre sınıflandırılabilir.
Eksenlerine Göre Rüzgar Türbinleri
1. Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri
Düşey eksenli rüzgar türbinleri temel olarak ‘drag’ adı verilen rüzgar enerjisinin hava direncinden yararlanarak
tasarımları yapılmıştır. Savonius ve Darrieus gibi iki çeşiti mevcuttur [3]. Darrieus rüzgar türbin modelinde,
düşey konumlandırılmış ve türbin mili boyunca elips şeklinde olan iki kanat mevcuttur. Bu türbin sistemlerinde
hareket kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkları ile sağlanır ve iki defa en
yüksek moment değeri elde edilir. Bu türbin modelleri ‘yaw mekanizmasına’ ihtiyaç duymazlar, ayrıca generatör
ve dişli kutusu yer seviyesinde bulunur [3]. Yaw mekanizması; rüzgar türbinlerinin rüzgarı alacak şekilde
dönmelerini sağlayan hidrolik ya da mekanik aksamlar tarafından sağlanan sistemlerdir [3]. Düşey eksenli rüzgar
türbinleri düşük rüzgar hız seviyelerinde üretim yapabilirler fakat buna karşın dişli kutusu maliyetleri ve
bakımları masraflıdır. Ayrıca yüksek moment değerleri söz konusu olmaktadır. Türbin kanatlarının düşey
konumlu olmalarından dolayı üst noktalar ile alt noktalardaki rüzgar hızları farklı değerlere sahiptir. Savonius
rüzgar türbin sistemleri ise iki adet yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirlerine göre simetrik
olarak kaydırılmış iki adet yarım silindirden oluşmaktadır. Silindirlerin iç kısımlarında pozitif ve dış
kısımlarında negatif moment oluşmaktadır. Pozitif moment, negatif moment değerinden büyük olursa türbin
pozitif moment yönünde hareket eder [3].
2. Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri
Yatay eksenli rüzgar türbin modellerinde dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatlar rüzgar ile belirli açı
yapacak şekilde farklı kanat sayılarına sahip olabilirler. Bu rüzgar türbin modelleri yaw mekanizmasına ihtiyaç
duyarlar. Kule masrafları fazla olmakla birlikte karasal alanlara kurulabildikleri gibi deniz üstlerine de
kurulabilirler.
Rüzgar Hızlarına Göre Rüzgar Türbinleri
1. Sabit Hızlı Rüzgar Türbinleri
Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde rüzgar hızı belirli bir hız değerinin üzerinde ise dişli kutusu aracılığı ile rotor hızı
sabitlenir. Bu rüzgar türbin sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonunu azaltmak için bir soft-starter ve
kapasitör grubu ile şebekeye doğrudan bağlanmış bir indüktif generatöre sahip olmaları gerekmektedir [3]. Dişli
kutusuna sahip olmalarından ve rüzgar hızlarında meydana gelen değişimler mekanik torkta ve buradan da
şebekeye olumsuz etki olarak yansımaktadır.
2. Değişken Hızlı Rüzgar Türbinleri
Değişken hızlı rüzgar türbinleri, geniş rüzgar hız aralıklarında kanatların farklı açılar ile konumlanabilmeleri
sonucu çalışabilen rüzgar türbin modelleridir. Dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle verimleri yüksektir.
Reaktif gücün kontrol edilebilir en iyi karakteristiklere sahiptirler fakat güç elektroniği maliyetleri yüksektir [2].
Kanat Sayılarına Göre Rüzgar Türbinleri
1. Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri
Tek kanatlı rüzgar türbinlerinde, dönme hızının ve kanat uç hız oranının yüksek olmasından dolayı generatörün
sağladığı moment, küçük değerli olmaktadır. Bu tür sistemlerde dengeyi sağlamak için karşıt yükler kullanılır.
Fakat bu durum aerodinamik ve tasarım problemlerini ortaya çıkarır. Kanat uç hız oranlarının yüksek
olmasından dolayı gürültü seviyeleri de yüksektir.
2. Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri
Çift kanatlı olarak üretilen rüzgar türbinlerinde motor milinde meydana gelen dinamik hareketleri önlemek için
yapılan tasarımlar ve rotor milinde oluşacak titreşimleri azaltmak için rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına
dik olacak şekilde konumlandırılmış ‘kadran’ sistemleri bulunur.
Tek kanatlı rüzgar türbin modelleri kadar olmasa da kanat uç hız oranları yüksektir. Buna rağmen düşük rüzgar
hızlarında elektrik enerji üretebilirler. Fakat gürültü seviyeleri yüksektir.
3. Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri
Üç kanatlı rüzgar türbinlerinde oluşan döndürme momenti kanatlara daha düzgün ve eşit olarak dağılımı
gerçekleşir. Bu tür rüzgar türbin yapılarının milinde atalet momentleri oluşmadığından ek donanımlara ihtiyaç
duymazlar. Kanat uç hız oranları düşüktür ve bundan dolayı gürültü seviyeleri azdır.
4. Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri
Çok kanatlı rüzgar türbinleri, rüzgar enerjisinden su pompalamak ve yel değirmenlerinde kullanmak üzere
tasarlanmış rüzgar türbin modellerinin ilk örnekleridir. Çok kanatlı olarak üretilmelerinin nedeni bu tür işlerde
yüksek moment değerlerine ihtiyaç olmasıdır. Kanat profilleri ise, pervane orta noktasından kanat uçlarına
ilerledikçe kanat genişlikleri artar. Bu rüzgar türbinlerinde dişli kutusu kullanılarak devir sayıları artırılır.
İki kanatlı türbinler, üç kanatlı türbinlere göre % 2-3 daha az verimlidir. Tek kanatlı türbinler ise; iki kanatlı
türbinlerden % 6 daha az verimlidir. Ayrıca tek kanatlı türbinlerde dengeleyici olarak karşıt ağırlık kullanılır.
Yüksek rüzgar hızlarında çalışan bu tip türbinlerde kanat sayısı artıkça verim artar [2].
Rüzgarı Alma Yönlerine Göre Rüzgar Türbinleri
1. Rüzgarı Önden Alan Türbinler
Rüzgarı önden alan rüzgar türbin modellerinde kulenin arka tarafında oluşacak rüzgar gölgeleme etkisine çok az
maruz kalırlar. Kule yuvarlak ve düz olsa bile kanadın kule hizasından her geçişinde rüzgar türbinin üreteceği
güç biraz azalır. Bu olumsuzluğu gidermek için rotor kanatları sert malzemeden üretilmektedir.
Bu tür rüzgar türbin tasarımlarında, rotor yüzeyi rüzgar yönünde ve dik konumdadır. Ayrıca yaw mekanizmaları
da bulunur.
2. Rüzgarı Arkadan Alan Türbinler
Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbin modellerinde rotor yüzeyi kulenin arkasında bulunur. Bu nedenle yaw
mekanizmasına ihtiyaç duymazlar. ‘Nacelle’ ile rotorun uygun tasarımı yapılmış ise nacelle rüzgarı pasif olarak
takip eder [3]. Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinlerinde rotor kanatları esnek özelliğe sahip olabilirler. Bunun
avantajı olarak kule yükü azalır. Fakat kanatlar kule hizasından her geçişinde meydana gelen güç dalgalanmaları
fazla olur ve bunun sonucu olarak kulenin yarattığı türbilans rüzgar türbinlerinin verimlerini düşürür [2].
Güç Kontrol Sistemlerine Göre Rüzgar Türbinleri
1. Durma (Stall) Kontrollü Rüzgar Türbinleri
Rüzgar türbin hızının istenilen değerler arasında kalmasını sağlayan aktif fren kontrol sistemleridir. Tercih
edilme nedenleri, uygun fiyatları, az bakım gerektirmeleri, basit ve sağlam olmasıdır. Buna karşın nominal hızın
üzerindeki rüzgar hızlarında güç değerleri düşüktür. Bu kontrol sistemlerinde, rotor kanatları rüzgar türbininin
‘hub’ sistemine sabit açılar ile sabitlenmiştir [3].
2. Eğim (Pitch) Kontrollü Rüzgar Türbinleri
Pitch kontrollü rüzgar türbin modellerinde rotor kanatları; mekanik veya hidrolik sistemler ile rüzgar hızlarına
göre kendi eksenleri etrafında dönebilecek şekilde konumlandırılmışlardır. Nominal hızın üzerindeki değerlerde
sabit güç üretimi sayesinde daha kaliteli çıkış sağlarlar. Bu güç kalitesi pitch kontrolörün hızına ve duyarlılığına
bağlıdır. Pitch kontrollü rüzgar türbin sistemlerinin avantajları arasında gücün kontrol edilebilir olması, kontrollü
başlatma ve acil durdurma yeteneklerinin bulunması sıralanabilirken, dezavantajları olarak da yüksek rüzgar hız
değerlerindeki küçük değişimler çıkış güç değerinde büyük değişimlere neden olması gösterilebilir.
Şebeke Bağlantı Şekillerine Göre Rüzgar Türbinleri
1. Şebeke Entegrasyonlu Rüzgar Türbinleri
Şebeke entegrasyonlu rüzgar türbin modellerinde işletme gerilim ve frekans değerlerinin önemi kadar, arıza
durumlarında sistemde belirli bir süre kalabilme gibi özel durumları söz konusudur. Ayrıca rüzgar türbinlerinin
yüke daha yakın olması kayıpları, reaktif güç kompanzasyon gerekliliğini ve sistem kararlılığına ters etkisini
azaltır [2].
Şebeke entegrasyonlu rüzgar türbin tasarımlarında, şebeke üzerinde bozucu etkiler söz konusu olabilmektedir.
Bu bozucu etkiler ise, sistem dinamiği ve kararlığı, frekans kontrolü ve konvansiyonel santrallerde sık sık yük
alma/atma ve reaktif güç kontrolü ve gerilimi, büyük rüzgar santrallerinin planlanmasında yaşanabilecek sürekli
hal sorunları, güç katılımının etkileri, kısa devre arızaları ve şebekeyi besleme kapasite sınırları şeklinde
sıralanabilir [2].
2. Şebeke Entegrasyonsuz Rüzgar Türbinleri
Enterkonnekte şebekeden bağımsız olarak çalışan rüzgar türbin sistemleri elektrik nakil hatlarının ulaşamadığı
kırsal bölgelerde veya bir sistemin enerjisini karşılamak üzere kurulabilir. Bu tür sistemlerde üretilen elektrik
enerjisi doğru akıma çevrilir ve daha sonra işletmenin ihtiyaç duyduğu gerilim ve frekansta alternatif akıma
dönüştürülür. Bu işlemin amacı ise doğrultma işlemi ile çıkış gerilimini regüle etmek, DA-DA kıyıcı ile
elektromanyetik torku ve inverter tarafındaki konverter ile de girişin güç faktörünü kontrol etmektir [5].
Kullanılan Generatörlere Göre Rüzgar Türbinleri
1. Doğru Akım Generatörler
Rüzgar türbin sistemlerinde kullanılan doğru akım generatörlerinin bakım gereksinimleri olmasına ve güvensiz
çalışma şartlarına rağmen yaygın olarak tercih edilmektedir. Bunun nedeni ise hız kontrollerinin basit olmasıdır.
Doğru akım generatörlerinin sahip olduğu komütatör sistemlerinden arındırmak için zaman ile sürekli mıknatıslı
olarak tasarlanmaya başlanmıştır. Fırçasız doğru akım generatörleri olarak da adlandırılan bu generatörler,
sürekli mıknatısların manyetik akı güçlerinin kapasitesine göre rüzgar türbin sistemlerinde kullanılmaktadır.
2. Asenkron Generatörler
Asenkron generatörlerin rüzgar türbin sistemlerinde tercih edilme nedenleri, uygun fiyatları, dayanıklı ve
mekanik olarak basit olmalarıdır. Bu özelliklerine karşın uyarma akımı için harici bir kaynağa ihtiyaç duymaları
ve stator sargılarının reaktif bir mıknatıslanma akımına ihtiyaç duymaları gibi olumsuz özelliklere sahiptirler.
Harici kaynağa ihtiyaç duymalarından dolayı reaktif güç harcarlar. Bu reaktif güç, şebeke veya güç elektroniği
devrelerinden karşılanır. Stator sargılarının reaktif mıknatıslanmaya ihtiyaç duymaları ise asenkron
generatörlerinin sadece şebekeye bağlı olduğu durumda karşılanır. Meydana gelen bu manyetik alan, sargı kutup
sayısı ve akımın frekansı tarafından belirlenen hızda döner. Bundan dolayı senkron hızı aşan hızlarda dönerse,
nispi bir hareket tarafından dönen stator manyetik alanı ile rotor sargıları arasında elektrik alan indüklenir.
Bunun sonucu olarak rotor sargılarından akım geçer. Rotor manyetik alanı ile stator manyetik alanı etkileşimi
sonucu, rotor üzerinde tork meydana gelir.
Asenkron generatörler yapılarına göre; sincap kafesli asenkron generatörler ve rotoru sargılı asenkron
generatörler olarak tasarlanmaktadır.
a)
b)
Şekil 1. a) Asenkron generatörlerin şebekeye bağlantı şeması [4] b) Senkron generatörlerin şebekeye bağlantı
şeması [4]
3. Senkron Generatörler
Rüzgar türbin sistemlerinde kullanılan senkron generatörler, sabit hızın istenildiği tasarımlarda kullanırlar.
Senkron makinalar, inverter veya ayarlı gerilim ve frekans kaynağı tarafından beslenirse hız kontrolleri
yapılabilir. Ayrıca uygun kutup sayısı ile dişli sistemlerine gereksinim duyulmaz. Bu üstünlüklerinden dolayı
değişken hızlarda da kullanılabilir. Senkron generatörleri doğru akım generatörlerine göre boyutları ve atalet
momentleri küçük, asenkron generatörlerine göre ise verimleri ve güç faktörleri yüksektir.
Senkron generatörler, reaktif mıknatıslanma akımına ihtiyaç duymazlar. Bu nedenden dolayı reaktif güç
harcamazlar ve daha kaliteli güç çıkışına sahiptirler. Bu avantaj ile rüzgar santrali küçük kapasiteli şebekelere
uzun ve düşük gerilimli hatlar ile bağlandığı zaman daha ön plana çıkar.
Senkron generatörler, tam güç kontrolü için uygun tasarımlardır. Çünkü şebekeye bir güç konverteri ile
bağlanırlar. Buradaki konverterin temel amaçları; yapısal olarak bora etki niteliğindeki rüzgar hızlarının neden
olduğu güç dalgalanmaları ve şebeke tarafından gelen geçici rejimler için bir enerji tamponu gibi davranarak ve
mıknatıslanmayı kontrol ederek şebeke frekansı ile senkron kalarak meydana gelebilecek sorunları önlemektir.
Senkron generatörlerde manyetik alan, alan sargıları veya sürekli mıknatıslar tarafından sağlanır. Bu tasarımlara
göre senkron generatörler; rotoru sargılı senkron generatörler ve sürekli mıknatıslı senkron generatörler olmak
üzere ikiye ayrılırlar.
Sürekli mıknatıslı senkron generatör tasarımında; senkron generatörün rotorunda bulunan uyartım sargıları
sürekli mıknatıslar ile yer değiştirerek, rotorda meydana gelen manyetik akı sürekli mıknatıslar tarafından
sağlanırsa sürekli mıknatıslı senkron generatörler elde edilmiş olunur.
Mıknatısların kullanılması, uyarma kayıplarını ve generatörde meydana gelen fırça ve kollektör kayıplarını
ortadan kaldırmaktadır. Diğer üstünlükleri ise, sürekli mıknatısların kullanılması verimi artırır. Hava aralığı
indüksiyonları arttığı için boyutları ve ağırlıkları azalır. Dinamik performansları ve güç faktörleri rotoru sargılı
senkron generatörlerden fazladır. Harici uyarma kaynağına ihtiyaç olmaması termik sınırları genişletmektedir.
Ayrıca bakım masrafları azdır. Bu üstünlüklerinin yanında sahip olduğu olumsuzluklar ise, sürekli mıknatısların
ve bu mıknatısların montaj maliyetlerinin fazla olması ve zaman ile mıknatıslık özelliklerinin bozulmasıdır.
Sonuçlar
Rüzgar türbin sistemlerinin istenilen ihtiyaçlara göre farklı şekillerde tasarımlarının mümkün olduğu
görülmektedir. Bu tasarımlar gerçekleştirilirken dikkat edilecek hususların başında, yüksek verimli bir sistem
tasarlanarak, çıkış gerilim ve frekansının kontrol edilebilir olması gelmektedir. Bunun yanı sıra üretim prosesinin
ekonomik ve çevresel faktörlere karşı da duyarlı olması gerekmektedir.
Kaynaklar
[1]
Dursun, E. ve Binark, A., 2008. Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Generatörler, VII. Ulusal Temiz
Enerji Sempozyumu, UTES 17-19 Aralık, İstanbul.
[2]
Tekin, K., 2006, “Rüzgar Santrali İçeren Elektrik Sistemlerinde Etkilenmeler ve Kısa Devre
İncelenmesi”, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi.
[3]
Ackerman, T., 2009, “Güç Sistemlerinde Rüzgar”, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası, Emo Yayın
No: GY/2009/4.
[4]
Çamur, S., Arifoğlu, B., Bilgin, Z. ve Duru, T., 2001, “Değişken Hız Sabit Frekans Yöntemi İle Rüzgar
Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretimi Uygulaması”, Elektrik Mühendisleri 9. Ulusal Kongresi, Eylül, sf. 166170.
[5]
Koç, E. ve Güven, A., N., 2011, “Değişken Hızlı Rüzgar Türbinlerinin Modellenmesi ve Arıza Sonrası
Sisteme Katkı Yeteneklerinin İncelenmesi”, EMO Bilimsel Dergi Cilt:1 Sayı:1 sf. 51-55.
[6]
Apaydın, M., Üstün, A., K., Kırban, M. ve Filik, Ü., 2009, “Rüzgar Enerjisinde Kullanılan
Jeneratörlerin Karşılaştırmalı Analizi”, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Diyarbakır.