Rüzgar Enerjisi
Yenilenebilir enerjinin çeşitleri, jeotermal enerji, rüzgâr enerjisi, güneş enerjisi, hidroelektrik ve biokütle enerjisi olarak sayılabilir.
Rüzgar Enerjisi
Rüzgâr enerjisinin de ana kaynağı aslında güneştir. Karalar ve denizler farklı ısı hapsetme kapasitelerine sahip olduğundan güneş ışınları karaları ve denizleri aynı derecede ısıtmaz. Karalar ve denizler arasındaki sıcaklık farkından dolayı oluşan basınç farkı da rüzgârları oluşturur. Yoğun rüzgâr alan yerlerde kurulan rüzgâr türbinleri ile rüzgârın kinetik enerjisi, elektrik enerjisine dönüştürülür.
Rüzgâr enerjisi basınç farklarına olduğu kadar dünyanın dönüşü, yüzey sürtünmesi gibi başka birçok etmene bağlıdır. Çoğunlukla tahmin edilemez olmasından dolayı rüzgâr enerjisinden elektrik üretimi yakın zamana kadar diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının gerisindeydi.
Hem yatırım maliyetlerinin yıllar içerisinde düşmesi, hem de teknolojik gelişmelerle rüzgârın çok daha tahmin edilebilir ve ölçülebilir hale gelmesiyle rüzgâr enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları arasında en verimlilerinden bir tanesi olarak kabul edilmesini sağlamıştır. Ayrıca bazı üreticiler(GE) tarafından geliştirilen, endüstriyel internet sayesinde birbirleri ile iletişime geçerek rüzgâr enerjisinden en iyi şekilde yararlanabilen türbinler sayesinde birçok rüzgâr türbini çiftliğinde verimlilik %20 oranında artırılmıştır.
Rüzgâr, alçak basınçla yüksek basınç bölgesi arasında yer değiştiren havadan oluşur. Rüzgar türbini ise rüzgardaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren enerji dönüşüm sistemidir. Bir rüzgar türbini genellikle kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrikelektronik elemanlar ve pervaneden oluşur. Bunlar dışında yardımcı birçok ara parça ve bileşen vardır.
Pervane Kanatları:
Rüzgar türbinlerinin çoğu 2 veya 3 adet pervane kanadına sahiptir. Kanatların üzerinden esen rüzgar, kanatları kaldırıp dönmelerini sağlar. Örnek verecek olursak modern bir 600 kW’lık rüzgar türbininde her pervane kanadının uzunluğu 20 metre kadardır ve tasarım olarak uçak kanadı gibi tasarlanır.
Tower (Kule):
Pervane ve motor bölümünü yerden güvenli bir yükseklikte çalışmasını sağlar. Kule, rüzgar türbinlerinde nacelle ve rotoru taşır. Kuleler genellikle tüp şeklinde çelik, kafes yapılı veya betonarme olarak inşa edilir. Halat destekli direk tipi kuleler genellikle küçük türbin uygulamalarında kullanılır.
Fren sistemi:
Rüzgar türbinlerinin güvenli bir şekilde çalışması için etkili bir fren sistemi gereklidir. Rüzgar türbinlerinde bağımsız iki sistem vardır; Pitch-Stall kontrol ve Mekanik fren sistemi. Her ikisi de hız limitinin aşıldığı durumlarda şebeke bağlantısının kopması ve diğer acil durumlarda türbinleri güvenli konuma getirme özelliğine sahiptir.
Generatör Sistemi: (Jeneratör Sistemleri)
Rüzgar türbini jeneratörleri indüksiyon prensibine göre mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirirler. Rüzgar türbini jeneratörleri diğer tip jeneratörlere göre biraz daha farklıdır. Bunun sebeplerinden biri, jeneratörün salınımlı güç üreten rüzgar türbini rotoruyla birlikte çalışmasıdır.
Rüzgar türbinlerinde “Doğru Akım Jeneratörleri, Senkron Jeneratörler ve Asenkron Jeneratörler” olmak üzere üç farklı jeneratör kullanılmaktadır.
Rüzgar Ölçer (Anemometre):
Rüzgar hızını ölçerek kontrol ünitesine kadar iletilmesini sağlar.
Yüksek Hız Mili (Şaft):
Rüzgar türbinin jeneratörü sürer.
Düşük Hız Mili:
Rotor tarafından dakikada 30-60 dönüş yapacak şekilde düşük hızların oluşturulmasını sağlar.
Sapma Sürücüsü (Yaw Drive):
Rüzgara karsı çalışan rüzgar türbinleri daha önce de bahsettiğimiz gibi rüzgarın geliş yönüne dönük olarak çalışmak zorundadırlar. Sapma sürücüsü rüzgarın yönünde olan değişiklere göre rotorun sürekli olarak rüzgara dönük olmasını sağlayarak verimi artırır.
Sapma Motoru (Yaw Engine):
Sapma sürücüsüne güç sağlar.
Makine Bölümü (Nacelle):
Makine bölümü rüzgar türbin kulesinin tepesinde durur ve içerisinde vites kutusunu, düşük ve yüksek hız millerini, jeneratörü, kontrol ünitesini ve freni bulundurur. Bazı türbinlerin makine bölümleri üzerlerine helikopter inebilecek kadar geniş olabilir.
Vites Kutusu (Dişli Kutusu, Gear Box):
Vitesler düşük hız milini, yüksek hız miline bağlayarak dönüş hızını 30-60 rpm devir/dakika’dan 1000-1800 devir/dakika’ya (elektrik üretmek için gerekli olan dönüş hızına) çıkartırlar.
Vites kutusu, ağır ve pahalı bir ekipmandır. Bu sebeple, günümüzde vites kutusuna gerek kalmadan doğrudan sürüş ile düşük hızlarda elektrik enerjisi üretebilen jeneratör teknolojileri üzerine araştırmalar yapılmaktadır.
Rotor:
Rüzgar türbinlerinde, pervane kanatları ve göbek arasında kalan kısma rotor denilmektedir.
Yelkovan:
Rüzgarın yönünü ölçer ve bu bilgiyi sapma sürücüsüne iletir. Böylece rüzgar türbininin rüzgara doğru dönmesi sağlanmış olur.
Kontrol Ünitesi:
Kontrol ünitesi rüzgarın hızındaki değişikliklere göre sistemi durdurur veya harekete geçirir. Rüzgar hızının saatte 12-25 km arasında olması durumunda sistemi çalıştır. Aynı şekilde rüzgar hızının saatte yaklaşık olarak 90 Km’den (55mil) yüksek olduğu durumlarda ise sistemi durdurur. Rüzgar hızının saatte yaklaşık 90 Km’den fazla olması, türbinlere zarar vermektedir. Kontrol ünitesi bu nedenle önemlidir. Kontrol ünitesi rüzgarın hızındaki değişikliklere ve türbinin devreye girme (cut in) ve devreden çıkma (cut out) değerlerine göre sistemi durdurur veya harekete geçirir. Modern rüzgar türbinlerinin cut-in hızları 2-4 m/s, nominal hızları 10-15 m/s ve cut out hızları ise 25-35 m/s arasındadır.
******************
Rüzgar enerjisi son yıllarda dünyanın en hızlı büyüyen enerji kaynağı olup, özellikle geçmiş 10 yılda rüzgar enerjisi kullanım kapasitesi oldukça hızlı büyümüştür. 2007 yılı sonu itibari ile Dünyadaki toplam rüzgar enerjisi kullanımı 94.1 GW değerine ulaşmıştır. Bu rakam 1994 yılında 3.5GW, 2004 yılında ise 47GW idi. Dünya’da rüzgar enerjisi kurulu gücündeki büyüme yaklaşık yıllık olarak %30-%35 civarındadır. Ancak rüzgar enerjisinin payı ancak %1’ler seviyesindedir. Almanya ve Danimarka rüzgar enerjisi kullanımında Dünya’da en önde gelen ülkelerdir. 2007 verilerine göre, Danimarka yaklaşık enerjisinin %20 sini rüzgardan karşılarken, bu oran Portekiz ve İspanyada %9, Almanya’da ise %7 seviyelerindedir. Ancak toplam rüzgar enerjisi kurulu gücü bakımından Almanya Dünya lideridir.
Türkiye’de rüzgar enerjisi yatırımları 1998 yılından itibaren, daha çok küçük ölçeli yap-işlet-devret modeli ile uygulamalar artmaya başlamıştır. Türkiye de halen faaliyette olan Rüzgar Santralleri Tablo 1. de verilmiş olup, ilgili verilere göre Türkiye deki toplam kurulu güç 13 santral ile 249.15 MW tır. Bu haliyle ülkemizde rüzgar enerjisinin payı %1 seviyesinin altındadır.
Rüzgar enerji dönüşümü: Bir rüzgar enerji dönüşüm sisteminin temel safhaları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Türbin rotoru aerodinamik olarak dizayn edilmiş kanatları vasıtası ile rüzgar dalga enerjisinin bir kısmını yakalayarak mekanik enerjiye çevirir. Düşük hızlı bu mekanik enerji dişli kutusu yardımı ile yüksek generatör hızı seviyesine çıkarılır.
Eğer generatör yüksek kutup sayısına sahip ise dişli kutusuna ihtiyaç duyulmayabilir. Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji ise generatör aracılığı ile elektrik enerjine dönüştürülür. Daha sonra transformatör ve iletim hatları aracılığı ile yerel elektrik şebekesine elektrik sayacı ve kesici üzerinden bağlanır. Tercih edilen rüzgar enerji sistemi topolojisine bağlı olarak transformatörden önce güç elektroniği üniteleri ile elektrik enerjisi farklı formlarda regüle edilir.
Rüzgar türbinlerinin yapısı ve çeşitleri: Rüzgar türbinleri mekaniksel olarak elektrik generatörüne bağlı iki veya daha fazla kanatları olan rotorları vasıtasıyla rüzgar kinetik enerjisini yakalar. Bu türbin yüksek bir kule üzerine monte edilerek, yakalayacağı kinetik enerjisi artırılmaya çalışılır. Arzu edilen güç üretim kapasitesini elde etmek için bir bölgeye birçok rüzgar türbini kurulur. Bu tür yapılara rüzgar çiftliği denir.
Kanatları kesen rüzgarın tamamı rotorda mekaniksel güce dönüşmez. Rüzgarın kinetik enerjisinden elde edilen mekaniksel güç ifadesi için rotor verimi hesaplanmalıdır.
Rotor kanatları tarafından yakalanan gerçek güç miktarı, rüzgar kanalı girişi ile rüzgar kanalı çıkışı hava akışları arasındaki kinetik enerjilerin farkıdır.
Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlerde görüldüğü üzere değişken kayma özelliği generatörün hızını değiştirebilir. Ancak yüksek kayma oranı, rotorda yüksek kayıplara neden olacağından, kayma miktarının %10 seviyelerini geçmemesine dikkat edilir. Bununla birlikte rotor gücü şebekeye aktarılarak generatör hız kontrolü için kullanılabilir. Eğer generatör hızı sadece şebeke frekansından daha yüksek hızlara ulaşacak ise, bu durum için kullanılacak devre senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör olarak adlandırılır. Bu devrenin enbüyük dezavantajı, yüksek reaktif güç talebidir.
DC bara bağlantılı senkron generatörler (frekans konvertörlü senkron makinalar da denmektedir) şebekeye doğrudan bağlı senkron generatörlerin dezavantajlarını ortadan kaldırabilir.
Tek sabit hızlı sürücü: Elektrik generatörü nispeten daha yüksek hızlarda verimli çalışmasına rağmen, türbin hızı genelde düşüktür. Bu ikisi arasında hız farkı, mekanik dişli kutusu ile kompanze edilmeye çalışılır. Tek sabit hızlı rüzgar generatörleri sabit hızda işletilir. Yıllık enerji üretimi rüzgar hızına ve dişli oranına bağlıdır.
İki sabit hızlı sürücü: Hız, dişli oranının değiştirilmesi ile değiştirilir. Yıllık enerji miktarını optimize eden iki tane işletim hızı vardır. Yıllık enerji üretimi dişli oranı ve rüzgar hızına bağlıdır. İlk dizaynlarda bunun için iki ayrı generatör kullanılıyordu ve bir kemer yardımı ile iki generatör arasında anahtarlama yapılıyordu. Ama daha ekonomik- verimli bir yöntem iki ayrı hızda çalışabilecek asenkron generatör dizayn etmektir.
Değişken hızlı dişli ünitesi: Bazı rüzgar türbinleri iki farklı dişli kutusuna sahiptir. Her bir dişli kutusu ayrı bir generatörü sürer.
Güç Elektroniği Elemanları Kullanan Değişken Hız Sürücüleri: Modern değişken hız sürücüleri güç elektroniği elemanlarını kullanarak generatör çıkışındaki değişken gerilim ve frekansı, sabit gerilim ve frekans çıkışına çevirirler. Klasik olarak silikon kontrollü doğrultucular (scr = slicon-controlled rectifier) ile birlikte inverterler kullanılabileceği gibi, modern dizaynlarda daha çok pwm tristör tercih edilmektedir.
Gücü 1000 kW’ı aşan rüzgar türbinlerinin özellikle zayıf şebekelere bağlantısı söz konusu ise, öncelikle şebekenin bu çapta bir rüzgar türbininin üreteceği akımı kaldırıp kaldıramayacağı kontrol edilmelidir. Yüksek güç seviyelerindeki iletim kayıplarını düşük tutabilmek için uygun yüksek gerilim seviyesi seçilmelidir (0.1-1kV: alçak gerilim; 1-35kV: orta gerilim; 35-230kV: yüksek gerilim).
Rüzgar türbinleri orta ve yüksek gerilim sistemlerine genellikle bir transformatör aracılığı ile bağlanır. Arıza durumunda rüzgar türbinini şebekeden ayırmak amacıyla koruma sistemlerine ihtiyaç vardır. Koruma sistemi şebeke gerilimi ve frekansını korumak için aşağıdaki durumlar oluşmadan önce sistemi açmalıdır:
Tek türbinin yeterli olduğu uygulamalar dışında arazi şartları dikkate alınarak ilgili bölgelerde birden fazla rüzgar türbini (genelde mümkün olan fazla sayıda) aynı rüzgar bölgesine kurulur. Bu tür bölgelere “rüzgar çiftliği”, “rüzgar tarlası” veya “rüzgar parkı” gibi isimler verilir.
Bu şekilde rüzgar çiftlikleri oluşturmanın en önemli avantajları:
Rüzgar türbinlerinin aynı bölgeye kurulması daha düşük maliyet gerektirir.
İletim hatlarına bağlantı kolaylığı oluşturur.
İşletim ve bakım için merkezi bir erişim sağlar
rotorlu endüksiyon (asenkron )makinalardır. Bu makinaların çalışma şekli uzun yıllardır biliniyor olmasına karşılık, son zamanlarda karşımıza sıklıkla çıkar olmuşlardır. Bunun sebebi elektrik üretim teknolojilerinden rüzgar enerjisiyle enerji üretiminde bu makina türünün tercih edilir hale gelmesi olmuştur.
Çift Beslemeli endüksiyon jeneratörleri (Doubly-fed induction generators) bu makinaların en çok kullanılan türüdür ve rüzgar santrallerinde tercih edilirler. Diğer jeneratör (alternatör) türlerine göre bir takım üstünlükleri vardır.
En büyük üstünlüğü rüzgar enerjisiyle üretimi esnasında," rüzgar hızından bağımsız olarak çıkış gerilimlerinin genlik ve frekanslarının sabit bir değerde kalmasını sağlayabiliyor olmaları"dır. Bu yüzden bu alternatörler ulusal şebekeye direk bağlanarak şebeke ile sürekli senkron halde çalışabilirler.
Diğer üstünlüğü ise, çıkış güç faktörünü kontrol ederken aynı zamanda kullanılacak güç elektroniği cihazlarının ebatlarının makul seviyelerde tutulabilmesine olanak sağlamalarıdır. Bunlardan başka;
Düşük rüzgar hızlarında elektrik güç üretimi yapabilmesi
Ani tork ve çıkış güç değişimlerine çok iyi cevap verebilmesi
Kaynaklar
https://bilimfili.com/ruzgar-turbini-nasil-calisir
http://eski.emhk.itu.edu.tr/%5Cimg%5Cemhk%5Cdatafiles/Y%C3%BCksek%20G%C3%BC%C3%A7l%C3%BC%20R%C3%BCzgar%20T%C3%BCrbinlerinin%20Yap%C4%B1lar%C4%B1.pdf
https://www.enerjimgunesten.com/ruzgar-enerjisi-parcalari.html
https://320volt.com/ruzgar-gunes-enerji-kaynaklari-bilgi-hesap-formul/
https://evrimagaci.org/ruzgar-enerjisi-nedir-bir-ruzgar-turbini-nasil-enerji-uretir-9817
https://muhendisgelisim.com/ruzgar-turbini-ve-kisimlari/
https://geturkiyeblog.com/yenilenebilir-enerji-kaynaklari-cesitleri/
Yorumlar
Yorum Gönder