1
ÖNSÖZ Bu proje Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi yönetmeliği gereğince hazırlanmıştır. Bu projenin amacı Rüzgar Enerjisinden Faydalanarak Elektrik Üretiminin gerçekleşmesi hakkında bilgi edinmek ve uygulamaları hakkında araştırmalarda bulunmaktır. Proje mühendislik ve genel bilgi vermek amacı ile hazırlanmış olup Rüzgar Enerjisi Sistemleri ,Rüzgar Çiftliği için gerekli Parametrelerin İncelenmesi , Rüzgar Dizel Elektrik Üretim Sistemleri , Rüzgar Enerjisiyle ile Panel Isıtma -Soğutma ve Rüzgar Türbinlerinin Çevresel Etkileri hakkında temel bilgiler verilmiş ve mühendislikte gerekli ve yararlı olan noktalar üzerinde durulmuştur. Elektrik enerjisi üretimi amacıyla rüzgar enerjisi kullanımı, 1973-1974’de yaşanan ilk petrol krizinin ardından, enerji arzı güvenliği, ithal enerji kaynağı bağımlılığından kurtulma ve fiyat istikrarı gereksinimlerinden dolayı tekrar ilgi görmeye başladı. Hemen tüm Avrupa ülkeleri ve A.B.D.’de yenilebilir enerji kaynakları için ulusal Ar-Ge programları başlatıldı. Programlar kapsamında, kurumsal veya kişisel uygulamaları ekonomik bakımdan desteklemek amacı ile ulusal ve uluslararası hibe ve kredi kaynakları oluşturuldu. Koliforniya’da 80’li yıllarda, Koliforniya’lı büyük elektrik şirketlerince başlatılan geniş ölçekli rüzgar çiftliği uygulamaları, hem teknolojinin ilerlemesi hem de rüzgar enerjisinin diğer enerji kaynakları ile yarışabilirliğinin kanıtlanması anlamında çok önemli deneyim ve bilgi birikimi sağladı. 90’lı yıllar, Avrupa Topluluğu’nun 1991 yılında hazırlattığı ‘ Rüzgar Enerjisi Strateji Dokümanı ‘ ile belirlenen ve o günlerde çok iyimser olduğu söylenen kurulu güç artış öngörümlerine ulaşılması için hazırlanan çeşitli projelerle başladı. Rüzgar enerjisi veya rüzgar gücünün üstünlüğü yaygın ve tükenmez olmasından kaynaklanmaktadır. Rüzgar enerjisi diğer enerji biçimlerine göre ısıl yada maddi kirlenmeye yol açmaz. Düşük yoğunlukta olması, güç / alan oranı ve düzensizliği dezavantajlarını oluşturur. Rüzgar düzensizliğine rağmen sıvı yakıtlara göre istatistiksel öngörümü kolay ve güvenilir bir kaynaktır.
1
2
İÇİNDEKİLER KONULAR
SAYFA NO:
RÜZGAR ÇİFTLİĞİ TASARIMI İÇİN GEREKLİ PARAMETRELERİN İNCELENMESİ.........3 Çiftlik bölgesindeki rüzgar hızı değerlerinin incelenmesi.................................................................4 Enerji Üretiminin İncelenmesi...........................................................................................................4 Gürültü değerlerinin incelenmesi.......................................................................................................5 Elektriksel altyapı tasarımı.................................................................................................................5 Çiftlik arazisi incelemesi ön alt yapı çalışmaları................................................................................6 Ekonomik analiz.................................................................................................................................7 Teknik fizibilite ve mühendislik tasarımları.......................................................................................7 Rüzgar Şarjörleri.................................................................................................................................8 Elektrik Şirketleri İçin Elektrik Üretimi.............................................................................................8 RÜZGAR ÖZELLİKLERİ.................................................................................................................9 ENERJİ VE GÜÇ...............................................................................................................................9 Rüzgar Güç Değerlerini Etkileyen Faktörler..................................................................................11 RÜZGAR ENERJISI ÇEVRIM SISTEMLERI................................................................................12 Sürükleme cihazı...............................................................................................................................13 Kaldırma cihazı.................................................................................................................................13 Rotor eksenin konumu......................................................................................................................14 Sistemin tanımı.................................................................................................................................14 Çalıştırma..........................................................................................................................................15 Kontrol..............................................................................................................................................15 RÜZGAR ENERJİSİNİN ELEKTRİK ENERJİSİNE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ...............................17 RÜZGAR ENERJİSİ SİSTEMLERİNİN SINIFLANDIRILMASI.................................................17 Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması...............................................................................................18 Yatay eksenli rüzgar türbinleri..........................................................................................................19 Düşey eksenli rüzgar türbinleri..........................................................................................................19 Eğik eksenli türbinler.........................................................................................................................20 Rüzgar enerjisi ile enerji üretiminin öngörümü.................................................................................20 Jeneratör büyüklüğü...........................................................................................................................20 Rotor alanı ve rüzgar haritası.............................................................................................................21 Hesaplanan Yıllık enerji....................................................................................................................22 RÜZGAR ENERJİSİ POTANSİYELİNİN TESPİTİ........................................................................23 TÜRKİYE DE YÜRÜTÜLEN ÇALIŞMA VE ARAŞTIRMALAR................................................23 Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü......................................................................................24 TÜRBİNLERİN İNCELENMESİ.....................................................................................................24 Rüzgar Durumuna Göre Rüzgar Türbininin Çalışması Ve Durdurulması.........................................25 İletim Dağıtım Ve Toprağa Bağlama.................................................................................................27 Rüzgar Enerjisinin Genel Değerlendirmesi........................................................................................28 Kaynaklar............................................................................................................................................30
2
3
1.1.RÜZGAR ÇİFTLİĞİ TASARIMI İÇİN GEREKLİ PARAMETRELERİN İNCELENMESİ Rüzgar enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arsında en büyük potansiyele ve kullanım alanına sahiptir. Teknolojik gelişimin hızla sürdüğü rüzgar enerjisi endüstrisinde, üretilen elektriğin oldukça ekonomik oluşu da bu enerjiye olan ilgiyi kaçınılmaz hale getirmektedir. Bu enerjiden en ekonomik ve en verimli düzeyde yararlanabilmek için, ilk yatırım maliyetinin yüksek oluşu da dikkate alınarak kapsamlı fizibilite çalışmalarının yapılması gerekmektedir. Hızla gelişen bu endüstride gerçekçi bir yatırım için yapılması gereken incelemeler şöyle sıralanabilir; rüzgar çiftliğinin kurulacağı bölgenin belirlenmesi, bölgenin ön değerlendirmesi, rüzgar verisi gözlemleri veri analizi, rüzgar yapısı modellenmesi mikro konuşlandırma, alt yapı tasarımı, türbin seçimi, enerji üretimi değerlendirmesi, ekonomik analiz ve çevre etki değerlendirmesi. Bugünkü tüketim oranları baz alınarak yapılan hesaplamalara göre, günümüzde yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlarından kömürün 240, petrolün 43 ve doğal gazın 67 yıl sonra tükeneceği belirtilmektedir. Bunların neden olduğu çevre kirliliği de göz önünde bulundurulduğu zaman yüksek bir nüfus artışı oranına sahip olan Türkiye’nin yakın bir gelecekte mümkün olan bütün enerji kaynaklarına ihtiyaç duyacağı inkar edilemez bir gerçektir. Bugünkü enerji planlamaları ve bunların sonucunda yüz yüze gelinen çevreci karşı çıkışlar, gerek fosil yakıt kullanan santrallerin, gerekse geleceği halen açıklık kazanmayan nükleer enerji kullanımının önünü tıkamaktadır. Bunun yerine yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynaklarına olan ilgiyi arttırmakta ve bunların kullanımını desteklemektedir.
3
4
1.1.1.Çiftlik bölgesindeki rüzgar hızı değerlerinin incelenmesi Bir rüzgar çiftliğinin ekonomik uygulanabilirliği incelenirken dikkate alınacak en önemli parametre öngörülen uzun dönem ortalama rüzgar hızıdır. Bu, rüzgar çiftliği kurulması düşünülen bölgede yapılan ölçümlerle birlikte sayısal modelleme kullanılarak yapılır. Belirlenecek uzun dönem ortalama rüzgar hızı değeri için yüksek bir güvenilirlik tesis etmek amacıyla çiftlik bölgesinde yapılacak gözlemlerle yakın civarda bulunan
bir meteoroloji istasyonundan alınacak veri birlikte kullanılır.
Çiftlik bölgesine bir rüzgar verisi ölçüm sistemi (anemometre) kurularak, ölçümler yapılır ve analiz edilir. Bu veri daha sonra meteoroloji istasyonundan elde edilen aynı döneme ait - eş zamanlı veriyle karşılaştırılır. Elde edilen sonuçlar meteoroloji istasyonunda mevcut eski veriye uygulanarak, çiftlik kurulması düşünülen bölgenin uzun dönem rüzgar verisi elde edilmiş olur. Bu inceleme programı, rüzgar hızının uzun dönem ortalamasının, hızın yıllara göre, aylık ve ortalama günlük değişiminin, rüzgar gülünün Weibull Parametreleri’nin (genel ve sektörel) ve türbülans yoğunluğu rejiminin belirlenmesini sağlar. Bu verilerin güvenilirlikleri, tamamen çiftlik alanında yapılan gözlemlerin kapsadığı zaman aralığına ve bu veriyle meteoroloji istasyonundan elde edilen veri arasındaki korelasyonun derecesine bağlıdır. Yukarıda bahsedilen çıktılara, hata sınıfı belirlenerek, yetkinlik kazandırılabilir. 1.1.2. Enerji Üretiminin İncelenmesi : Bir rüzgar çiftliğinin net enerji üretimi, projenin ekonomik açıdan uyğulanabilirliğinin belirlenmesindeki anahtar faktörlerden birisidir. Bu, bilgisayar ortamında hazırlanan modeller kullanılarak hesaplanır.
4
5
Dijitize edilmiş yeryüzü verisi, rüzgar türbini verisi (geometrik yapısı, güç eğrisi, devreye girme vb.) rüzgar hızı ve yönü dağılımları, rüzgar profili ve türbülans düzeylerini rüzgar türbini dizilişiyle birleştirerek, türbinlerin tek tek ve birarada üretecekleri yıllık enerji miktarları hesaplanır. Bu hesaplamalarda, çiftlik bölgesindeki akış değişimleri ve iz bölgesi etkileri (wake effects) de dikkate alınmalıdır. Elektrik sisteminde meydana gelebilecek diğer kayıplar da bu hesaba dahil edilebilir. Prosedürün etkileşimli olarak kullanılmasıyla türbin dizilişini optimize etmek ve böylece enerji üretimini, dolayısıyla karlılığı en yüksek değerine yükseltmek de mümkündür. Bu işlemler sonucunda rüzgar çiftliğinin toplam ve ayrı ayrı her türbinin beklenen yıllık enerji üretimi miktarı elde edilir. Buna bağlı olarak da rüzgar çiftliğinin kapasite faktörü hesaplanarak, çiftliğin verimi belirlenir. 1.1.3. Gürültü değerlerinin incelenmesi : Rüzgar çiftliğinin meydana getireceği gürültü etkisinin dağılımı, çiftliğin kabul edilebilirliğinin ortaya konulmasında önemli bir parametredir. Bu nedenle rüzgar çiftliği içerisinde ve civarındaki her noktada gürültü düzeylerinin meteorolojik koşullara göre belirlenmesi gerekir. Bu
belirlemeleri
yapabilmek
için
mesafe,
atmosferik
ve
yeryüzü
apsorpsiyonu gibi faktörleri de içeren bir gürültü yayılma modeli kullanılır. Model için gerekli olan girdi, yeryüzü verisi ile her türbinin gürültü karakteristikleri ve dizilişleridir. Ayrıca meteorolojik etkiler de buna dahil edilir. Model yardımıyla çiftlik düzenini optimize ederek gürültü düzeyini en az düzeye indirmek mümkündür. Burada, kullanılan öngörü tekniği tek tek her nokta için hesaplamaların yapılmasına olanak sağlamaktadır. Böylece civardaki bir yerleşim yerinde gözlenecek gürültü değerleri belirlenebilmektedir. Ayrıca gürültü düzeyi kontürleri çizilmiş haritaların elde edilmesi de mümkün olmaktadır. 1.1.4. Elektriksel altyapı tasarımı : 5
6
Rüzgar çiftliği planlamalarında ihmal edilen özelliklerden bir tanesi de elektriksel altyapının durumudur.
Bu, rüzgar çiftliğinin yatırım maliyeti, enerji
üretimi ve dolayısıyla karlılığı üzerinde önemli etkilere neden olabilmektedir. Elektrik sistemindeki kayıplar tipik olarak rüzgar çiftliğini toplam üretimin %2 - 3 ‘ü kadardır. Bu nedenle optimum hat ve transformatörlerin belirlenmesi gereklidir. Bu amaçla hazırlanacak modelde alternatif akımlı elektrik sistemlerinin durumlarının detaylarıyla birlikte, rüzgar hızı dağılımı ve türbinlerin performans detayları veri olarak kullanılır. Maliyetlerin ve iletim hatlarıyla transformatörlerin belli bir alan için enerji kayıplarının veri tabanı kullanılarak yatırım maliyetleri ve enerji kayıpları hesaplanır. Alınan enerji ve reaktif güç miktarları ayrıca belirlenmektedir. Daha sonra basit bir yatırım - kazanç testi yardımıyla en ekonomik durum belirlenir. Yapılan hesaplamalar sonucunda maliyetleri, enerji kayıplarının kaynaklarını ve reaktif güç gereksinimlerini gösteren bir tablo oluşturulur. Şebeke boyunca voltaj profilleri de hesaplanarak sunulur. 1.1.5.Çiftlik arazisi incelemesi ön alt yapı çalışmaları : Rüzgar çiftliği ekonomisinde önemli bir faktör de inşaat işlemleri, erişme yolları (geçici veya daimi) yapımı, ara istasyonlar ve kontrol binası yapımını içeren altyapı işlemleridir. Bu işlerin maliyeti tipik bir rüzgar çiftliği için toplam proje maliyetinin yaklaşık %30 - 40’ı kadardır. Bu çalışmalar inşa periyodunun özellikle kış aylarında önemli etkilere neden olabilmektedir. Dolayısıyla, bu faktörlerin projenin ilk aşamalarında belirlenmesi büyük önem arz etmektedir. Gerekli zaman ve maliyetlerinin tahminlerinin iyilik derecesi önceden ele alınan tasarım çalışmalarının kalitesine bağlıdır. Altyapı tasarımı bölgenin ziyaretinden ve döneme kazılarından elde edilen veriye dayalı olarak yapılır. Ana hatları oluşturacak parametreler bir rüzgar çiftliğinin ön tasarımının yapılabileceği yeterlilikte oluşturulur. Bu aşamada, taşıtların geçiş yolları ve türbinlerin kurulması ile ilgili potansiyel problemler belirlenir.
6
7
Bu işlemler sonucunda bölgenin ziyaretinden ve incelemelerden elde edilen veri sunulur. Bütçe tahmini yapılabilecek detaylara sahip bir ön tasarım hazırlanır.
1.1.6. Ekonomik analiz : Bir rüzgar çiftliği bölgesinin uzun bir dönem enerji üretiminin tahminin ve türbin sayısı ile türbin kapasitesinin kararlaştırılması için proje maliyetinin belirlenmesi gereklidir. Geri ödeme oranı (Internal Rate of Return, IRR) ve net bugünkü değer (Net Present Value, NPV)’in belirlenmesi için rüzgar çiftliği projesinde ekonomik analiz olanak sağlayan bir model kullanılır. Rüzgar çiftliği düzeni, rüzgar rejimi gibi çeşitli detaylar verilerek, oluşturulan bir model yardımıyla proje ömrü boyunca her yıl, enerji üretimi ve bu enerjinin satışından elde edilecek gelir, bakım ve onarım masrafları, arazi kirası ve diğer giderler hesaplanır. Değer kaybı ve vergiler ödendikten sonra, yıllık nakit akışı hesaplanır; bunlar projenin net bugünkü değerini hesaplamak için göz ardı edilebilir veya projenin geri ödeme oranını belirlemede kullanılır. Kredilerin geri ödemesindeki provizyon ve enflasyon basit bir şekilde dahil edilebilir. Yapılan hesaplamalar sonucunda hazırlanacak raporda her proje için mukayeseli bir para akışı sınıflandırması ve ekonomik göstergelerin (IRR ve NPV gibi) özeti sunulur. 1.1.7.Teknik fizibilite ve mühendislik tasarımları : Yapılması gereken teknik ve mühendislik işlemleri şöyle sıralanabilir; 1 ) Rüzgar türbinlerinin satın alma koşullarının ve mevcut türbinlerin teknik karekteristik ve fiyat analizlerinin hazırlanması. 2 ) Rüzgar çiftliği bölgesinin incelenmesi; yerin jeolojik yapı analizi ve yol gereksiniminin belirlenmesi. 3 ) Rüzgar türbini temel inşaatının tasarlanması.
7
8
4 ) Bölgenin elektrik şebekesinin incelenmesi. 5 ) Ana şebeke bağlantılarının tasarlanması. 6 ) Teknik veri ve türbin karakteristiklerinin gerçekleşme durumlarını belirlemek için rüzgar türbini performans testi ölçümlerinin yapılması. 2.1.Rüzgar Şarjörleri : Elektrik
kullanımı
pratik
olmaya
başlayınca,
izole
yöreler
üretim
merkezlerinden uzak ve taşıma hatlarının maliyeti ise çok yüksek kaldı. Bu nedenle bazı firmalar elektrik üretmek için kendi başına yeterli rüzgar sistemleri imal ettiler. Rotorlar 6 ve 32 volt daha sonraları 110 volt doğru akım jeneratörlerine bağlandı. Depolama amacıyla da piller kullanıldı. Bu sistemlerin, iki ve üç kanatlı olmaları nedeniyle, rüzgar değirmenlerinden oldukça farklı bir görünümleri vardı. Ufak su hacimlerinin pompalanması işine çok uygun olan çiftlik değirmenleri elektrik üretimi için verimsiz bulundu. En bilinen rüzgar türbinleri arasında Jacobs ve Wincharger tarafından üretilenleri sayabiliriz. 1931 ve 1957 yılları arasında Jacobs firması on binlerce türbin sattı. Jacobs türbinlerinin üretiminde 260 kişinin bir arada çalıştığı bir dönem bile yaşandı. Wincharger’in satışları ise 200 000 ‘e ulaştı. 1940 ve 1950’li yıllarda kırsal elektrik kooperatiflerinden ucuz elektrik sağlanmaya başlayınca rüzgar türbinlerinin kullanımı azaldı. Wincharger 1960 ‘lı yıllar boyunca, her yıl 50 adet türbin satabildi. 2.1.1.Elektrik Şirketleri İçin Elektrik Üretimi
8
9
Şebeke kullanımı için büyük rüzgar türbini tasarım ve imalatı konusunda değişik girişimler oldu. Bu tasarımlar yatay veya dikey eksenli kanatlar üzerine yoğunlaştı. Tek olumlu sonuç Danimarka’lıların 200 Kw!lık Gedser türbini projesinden alındı. Gedser deneyinden başlayarak özellikle Danimarka, ABD, Hollanda İngiltere ve diğer ülkelerde rüzgar türbini kullanımı yaygınlaştı.
Şebeke kullanımı için büyük rüzgar türbini tasarım ve imalatı konusunda değişik girişimler oldu. Bu tasarımlar yatay veya dikey eksenli kanatlar üzerine yoğunlaştı. Tek olumlu sonuç Danimarka’ lıların 200 KW ’lık Gedser türbini projesinden alındı. Gedser deneyinden başlayarak özellikle Danimarka, ABD, Hollanda İngiltere ve diğer ülkelerde rüzgar türbini kullanımı yaygınlaştı. 2.1.2. RÜZGAR ÖZELLİKLERİ: Bir yörede belli bir rüzgar türbinin ekonomik fizibilitesinin belirlenmesinde en önemli girdi rüzgar özellikleridir. Rüzgar değerlerinin karakterizasyonu güvenilir prosedürler gerektirmektedir. 2.1.3. ENERJİ VE GÜÇ: Enerji iş yapma yeteneği olarak tanımlanır. Değişik biçimlerde bulunur ve bir biçimden diğerine çevrilebilir. Güç enerjinin üretildiği, iletildiği veya ortaya çıktığı hızdır. GÜÇ= ENERJİ / ZAMAN
ENERJİ= GÜÇ X ZAMAN
Hareket halindeki her şey bir kinetik enerjiye sahiptir. Rüzgar hareket halindeki havadır. Kinetik enerji şu denklem ile verilir. K.E.= 0.5 X KÜTLE X HIZ X HIZ
9
10
Rüzgar söz konusu olunca denklemdeki hız rüzgarın hızı olacaktır. Bir alandan birim zamanda geçen havanın kütlesi şu şekilde tanımlanır. KÜTLE = HAVA YOĞUNLUĞU X RÜZGAR HIZI X ALAN Bu alandan geçen rüzgardaki toplam güç ise , GÜÇ = 0.5 X YOĞUNLUK X (RÜZGAR HIZI )3 X ALAN denklemi ile verilecektir. Farklı rüzgar hızları ile farklı yörelerin rüzgar güçlerini karşılaştırma olanağı sağlandığından birim alan başına güç için
P/A tanımı yaygın olarak
kullanılmaktadır. P/A = 0.5 X YOĞUNLUK X V 3 Burada en önemli faktör rüzgar gücünün rüzgar hızının kübü ile orantılı olarak değişmesidir. Rüzgar hızı iki katına çıktığı zaman güç sekiz kat artar. Rüzgar hızlarındaki elde edilen güçte göreceli olarak büyük farklara yol açar. Hesaplanan güç değerleri doğrudan watt olarak verildiğinden, metrik sistem kullanımı rüzgar gücü tanımını basitleştirir. Yoğunluk kg/m3 ve rüzgar hızı m/s ile birimlendirilir. ÖRNEK: İki ayrı bölge düşünelim ve rüzgar hızları sırasıyla 5 m/s ve 6 m/s olsun. Bölgelerin rüzgar güçleri arasındaki farkı bulalım. Hava yoğunluğunu 1160 metre seviyesinde 1 kg/m3 alalım. 1.BÖLGE : P/A = 0.5 X 1 X 53 = 62.5 watt/m2 2. BÖLGE :
P/A = 0.5 X 1 X 63 = 108 watt/m2
Rüzgar hızında görülen 1 m/s’ lik bir değişim rüzgar gücünü % 72 oranında değiştirmektedir. Eğer rüzgar hızı 10 m/s den 11 m/s ye değişirse güç artmaktadır.
10
% 33
11
Rüzgarın hızı yanı sıra yönü de değişmektedir. Bu nedenle herhangi bir bölgede
rüzgar enerji potansiyelinin değerlendirilmesi çok karmaşıktır. Kaba
karşılaştırmalar için bölgenin ortalama rüzgar hızları kullanılabilir. Daha detaylı analizler için diğer verilerin toplanması gerekir.
2.1.4. Rüzgar Güç Potansiyelinin Ön Görümü Mevcut veriler ve doğruluk dereceleri, analiz çeşidi ve öngörümdeki hata oranını belirleyecektir. Hata payı %5’ ten az olan sonuçlara ulaşmak, rüzgar hızlarının atmosferik basınç değerlerinin ve hava sıcaklıklarının bilinmesi ile mümkündür. Enerji ve güç potansiyelleri,rüzgar akış yönüne dik yüzeyle alınarak hesaplanmaktadır. Rüzgar yön verileri rüzgar güç potansiyeli öngörümü için bir girdi olmamaktadır. Ancak, rüzgar türbininin rüzgar yönüne döndürülme gereksinimi hakkında bilgi vermektedir. Eğer bir rüzgar türbini rüzgar yönünü izlemede zorluk çekiyor ise, rüzgar yönünün ani değişim koşullarında, çıkış gücünde ciddi kayıplar söz konusu olabilir. Diğer taraftan, eğer enerjinin çoğunu taşıyan rüzgarlar belirgin bir yönden geliyorsa, sabit yönlü bir makine yeterli olacaktır. Rüzgar hızı, atmosferik basınç ve hava sıcaklık değerlerinin her zaman aralığında birlikte kaydedildiği varsayılırsa, birim alan başına güç daha önce sözüne ettiğimiz şu formül ile hesaplanabilir: GÜÇ / ALAN = 0.5 X YOĞUNLUK X V3 Bu denklemdeki yoğunluk ise YOGUNLUK= 0.465 X Pr / (273 + T)
11
12
Formülü ile hesaplanabilir. Pr = mm Hg , T= sıcaklıktır. Ortalama güç değerleri ise tek tek hesaplanan bu değerlerin ortalaması alınarak bulunabilir. Eğer rüzgar verileri üç saatte bir alınıyorsa. 2920 güç değerinin ortalaması ortalama yıllık gücü verir. Yıllık ortalama enerji ise 8760 saat ile çarpılarak bulunur. Bütün analizler çok sayıda veriye kapsadığından teyp verileri ve bilgisayar analizi pratik gereksinimlerdir. Daha yaygın olarak kullanılan bir yöntem ise hız verilerini bir rüzgar hızı histogramında birleştirmektir. Rüzgar hızı histogram veri toplama süresi içinde gözlemlenen hızların her birinde rüzgarın estiği saat sayısını göstermektedir.
2.1.5.Rüzgar Güç Değerlerini Etkileyen Faktörler : a) Coğrafi konum b) Yerel yüzey yapısı c) Toprak seviyesinden yükseklik d) Hava yoğunluğu sayılabilir. Genelde rüzgar gücü yer seviyesinden yüksekliğe bağlı olarak en azından bizi pratik olarak ilgilendiren ilk 150 m içinde artış gösterir. Rüzgar hızında yükseklik ile değişim miktarı şu formülle öngörülebilir: V/Vo = (H/Ho)n Burada Vo , Ho yüksekliğinde ölçülmüş bilinen rüzgar hızını gösterir. H ise rüzgar hızını hesaplayacağımız yüksekliktir. n için yaygın olarak kullanılan değerler 1/6 ile 1/7 arasındadır. Bu formül güç değerlerini hesaplamak üzere düzenlenebilir. (P/A) / (Po/A) = (H/Ho)3n
12
13
Rüzgarın sürtünme nedeniyle yavaşlamasını öngörmek için yüzey etkisini dikkate alan bazı formüllerde mevcuttur. *Bir yörede rüzgar gücünün zamanın fonksiyonu olarak bilinmesi çok önemlidir. Güvenilir değerler için en azından beş yıllık rüzgar verisi gereklidir. *Rüzgar gücünün mevsimlere veya aylara göre dağılımı da rüzgar türbinlerinin ekonomisini etkileyebilir. Eger rüzgar, elektrik talebinin en yüksek olduğu mevsimde en yüksek gücüne ulaşıyor ise rüzgar türbininden elde edilen enerji daha değerli olacaktır.
Bu kapsamda günlük dağılımda önem kazanacaktır. Kıyı bölgelerinde Karadeniz meltemleri vardır. Ancak deniz meltemleri iç bölgelere gidildikçe etkinliklerini yitirirler. Günlük rüzgar değişimlerinin 50 m üzerinde etkinliğini yitirdiğine ilişkin bazı veriler mevcuttur. Bu ise 10 m’ de toplanan verilerden öngörülen güçten daha fazlasının büyük rüzgar türbinleri ile toplanabileceği anlamına gelmektedir. 2.2. RÜZGAR ENERJISI ÇEVRIM SISTEMLERI: Rüzgar türbinleri , rüzgar ile kanatların etkileşimine , yeryüzüne göre rotor ekseninin konumuna ve makinelerin yeni veya alışılmamış tipte olmalarına bağlı olarak sınıflandırılırlar. Rüzgar ile kanatların etkileşimi , sürükleme veya kaldırma cihazları ile olur. 2.2.1. Sürükleme cihazı: Bir sürükleme cihazında(şekil.1) , rüzgar kanatları iterek rotoru eksen etrafında dönmeye zorlar. Sürükleme cihaz verimleri , kanat hızı hiçbir koşulda rüzgar hızından yüksek olmayacağından sınırlıdır. örnek olarak rüzgarı arkadan alan yelkenli verilebilir
13
14
En bilinen sürükleme cihazı çiftlik rüzgar değirmenidir. düşük rüzgar hızlarında az miktarda su pompalama amacıyla tasarımlanmıştır. Çiftlik değirmeni , kanat sayısı fazla olduğundan , bir yük altında dönmeye başlar. Büyük bir dönme momentine sahiptir. Öte yandan, kanat sayısının çokluğu nedeni ile malzeme ağırlığı fazladır ve yüksek hızlarında verimsiz çalışırlar. Güç düzeyleri 5m çapındaki rotor için yaklaşık 0.5 civarındadır. Sürükleme cihazına diğer örnekler arasında fincan anemometreler, pervaneler, rotor turunun yarısı boyunca rüzgardan korunan ve rüzgara doğru hareket ederken geri çekilen cihazlar sayılabilir. Savonius rotoru bir sürükleme cihazı değildir. Ama bu cihazların özelliği olan, büyük bir kanat alanına sahiptir. Bu ise rotorun dönmediği zamanlarda bile, yüksek rüzgar hızlarının taşıdığı güç nedeniyle fazla malzeme kullanımı ve ek sorunlara yol açar. Savonius’un bir üstünlüğü ise imalatının kolay olmasıdır. 2.2.2. Kaldırma cihazı : Kaldırma cihazlarının pervane veya uçaklarda kullanılanlara benzer kanat yapıları vardır(şekil.2). Kaldırma hareketiyle kanatlar rüzgar hızından daha hızlı dönebilir ve böylece verim yükselir(şekil.3). Çok hızlı dönen bir kanat, yavaş dönen çok kanatlı bir pervane ile aynı düzeyde enerji toplayabilir. Bu malzeme tasarrufuna yol açar. Günümüzde ise çoğu modern makineler iki veya üç kanatlıdır. Almanya’da imal edilmiş tek kanatlı rüzgar türbinleri MBB Monopteros ve Flair tasarımlarıdır. 2.2.2.1.Rotor eksenin konumu : Rüzgar türbinleri, rotor ekseninin konumuna göre iki tipe ayrılır (şekil.4). Yatay eksen rüzgar türbini (YERT) Dikey eksen rüzgar türbini (DERT)
14
15
YERT’ lerin rotorları maksimum enerjiyi tutabilmek için rüzgar akışına dik olarak durmalıdır. YERT’ ler bu konuma, rotor kule üzerinde döndürülerek getirilir. YERT’ ler kule üzerinde yatay eksen yönündeki hareketi motorlar (rüzgar veya elektrik) rüzgara yönelik birimlerde kılavuz bir kuyruk ve rüzgarı arkadan gören birimlerde ise oluşturulan konik açı ile sağlanır (şekil.5). DERT’ lerin rüzgarı her yönden kabul edilme üstünlüğü vardır. Kanatların güç üretebilmeleri için rüzgardan daha hızlı dönmelerini gerektirdiğinden, ilk harekete geçişleri güvenilir değildir. Giromill ise açısı değiştirilebilen kanatlara sahip olduğundan, kendi başına çalışmaya başlayabilir. DERT’ lerin bir diğer üstünlüğü ise makine aksamı, hız yükselticisi ve jeneratörün toprak üzerine konulabilmesidir.
2.2.2.2.Sistemin tanımı : Sistemin bütününü rüzgar türbini ve yük oluşturur. Tipik bir rüzgar türbini rotor (kanatlar ve göbek), hız yükseltici, çevrim sistemi, kontroller ve kuleden oluşur (şekil.6). Rüzgar türbinin çıktısı olan rotasyonel kinetik enerji; mekanik, elektrik veya ısıl enerjiye çevrilebilir. Çoğunlukla yaygın kullanım olanakları nedeni ile elektrik enerjisi üretimi söz konusudur. Kanatlar; sabit, ayarlanabilir, veya kanat boyunca değişken olabilir. 50 veya 60 Hz’ lik şebekelere bağlanmış birimlerde çeviricili doğru akım veya değişken frekanslı alternatör, senkron ve indiksiyon jeneratörleri kullanılabilir. Bazı doğru akım makineleri ve sürekli mıknatıs alternatörleri hız yükseltici gerektirmez. Çoğu YERT’ ler, güç ve kontrol sinyallerini yer yüzüne indirmek için toplayıcı kontak bileziği kullanırlar. 2.2.2.3.Çalıştırma:
15
16
Aerodinamik: Rüzgar türbin kanatları, rüzgardaki gücün bir kısmını dönme gücüne çevirir. P=TxW Burada T = dönme momenti, W = açısal hızdır. Büyük dönme momenti ile küçük açısal hızın transfer ettiği güç ve küçük dönme momenti ile büyük açısal hızın transfer ettiği güç aynıdır. Rotorun ve yükün dönme momenti-devir/dakika özellikleri uyum sağlamalıdır. Enerji ve momentumun korunumu yasası gereğince rüzgar enerjisinin toplanmasında en yüksek teorik verim %59’dur. Rüzgar türbinleri için en yüksek deneysel verim %45, ortalama yıllık verim ise %20 civarındadır. Güç katsayısı ise güç çıkışı/rüzgardaki güç olarak tanımlanır. Kanadın kord çizgisi ile etkin rüzgar yönü arasındaki açı olan (şekil.7) etki açısının fonksiyonu olarak, değişik kanat yapıları için kaldırma ve sürükleme ölçümleri yapılmıştır. Kanatlardaki kaldırma kuvveti, eksen etrafında rotorun dönmesini sağlar ve etki açısına bağımlıdır. Kanadın gördüğü etkin rüzgar iki etkiden oluşur: kanat hareketi ve türbine ulaşmadan önceki rüzgar hareketi (şekil.8). Herhangi bir rüzgar hızı için en yüksek güç çıkışı, rüzgar hızı arttıkça dakikadaki devir sayısı artan rotor veya sabit devir çalışması için doğru etki açısını sağlayan değişken bir kanat ile elde edilebilir. Değişmez açılı kanat ve sabit devir sayılı rotor sadece tek bir rüzgar hızında en yüksek güç katsayısına ulaşır (şekil.9). Maksimum güç katsayısının üzerinde, verimde bir düşüş olsa bile, mevcut güç artış gösterdiğinden, rüzgar türbini çıkış gücü yüksek değerini koruyabilir. YERT ve DERT’ lerin aerodinamik performansının öngörülmesine yardımcı olan bilgisayar programları mevcuttur. Bu programlara etki açısına göre kanat yapısının kaldırma ve sürükleme özellikleri, yarıçap, kanadı biçimi ve açısı ile kanat alanının taranan alana oranı girdi olarak verilmektedir. Rüzgar hızları veya uç hız oranları da değiştirebilen parametrelerdir. 16
17
Bir dert için yapılan teorik hesaplama (şekil.10) da gösterilmiştir. Eğrideki her nokta bir çalışma konumudur ve tasarım rüzgar hızı 10 m/s dir. Rüzgar türbinleri sabit uç hız /rügar hızı (maksimum Cp) ,sabit devir sayısı (A çizgisi) veya sabit bir dönme momenti (B çizgisi) koşullarında çalıştırılabilir . Uç hız oranı , kanadı uç hızının rüzgar hızına oranıdır. Devir sayısı , maksimum Cp çizgisi boyunca değişkendir. Sabit dönme momenti çalışmasının kısa sürede çok yüksek devir sayılarına ulaştığı bilinmelidir. Sabit dönme momenti olan bir yükü rüzgar türbinine bağlamak ve verim elde etmek çok güçtür.
2.2.2.4.Kontrol : Rüzgardaki gücün artışı çok hızlı olduğundan, bütün rüzgar türbinleri yüksek hızlarda güç toplamalarını önleyecek düzenlemeler ile donatılırlar. Yüksek hız koşullarında güç denetimi amacıyla belli başlı üç yöntem kullanılmaktadır. A.) Aerodinamik verimin değiştirilmesi: 1) Kanat açısını değiştirmek veya kanatları döndürmek 2) Sabit devirde çalıştırmak 3) Kaldırma etkilerini azaltıp sürükleme etkilerini çoğaltmak B) Kanatların rüzgar ile etkileşim içinde olduğu alanı küçültmek: 1) Rotoru hakim rüzgar yönünden çevirmek 2) Rotor geometrisini değiştirmek C) Frenleme: 17
18
1) Mekanik, hidrolik 2) Hava freni 3) Elektrik (direnç, manyetik) Bu yöntemler tek tek ya da yüksek hız kontrolü ve yük denetim kaybı durumlarında kombine olarak bir arada kullanılabilir. 2.3.RÜZGAR ENERJİSİNİN ELEKTRİK ENERJİSİNE DÖNÜŞTÜRÜLMESİ:
Rüzgar enerjisi günümüzde gerek kırsal kesimde elektrik enerjisinin yerel üretim-tüketim amacı ile gerekse enterkonnekte sistemi beslemek amacı ile elektrik enerjisi üretiminde kullanılmaktadır. Enterkonnekte sistemin ulaşmadığı yerleşim merkezlerinde, kırsal alanlarda ormanlık ve dağlık bölgelerde kurulmuş iletişim birimlerinde, yangın gözetleme kuleleri gibi elektrik enerjisine ihtiyaç duyulan yerlerde rüzgar enerjisinden yararlanılmaktadır.
2.4.RÜZGAR ENERJİSİ SİSTEMLERİNİN SINIFLANDIRILMASI : 18
19
Rüzgar enerjisi sistemleri genelde 3 ana grupta toplanabilir. 1) Küçük güç sistemleri : Genellikle 0 - 10 KW gücündeki sistemlerdir. 2) Orta güç sistemleri : Genellikle 10 - 100 KW arasında olan sistemlerdir. 3) Büyük güç sistemleri : 100 KW ‘dan daha büyük olan sistemlerdir.
2.4.1.Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması : Günümüzde rüzgar enerjisinden çok çeşitli alanlarda yaralanılmaktadır. Belirli bir uygulamada kullanılan rüzgar türbinleri o uygulamanın gerektirdiği özelliklere sahip olmalıdır. Şimdiye kadar değişik nitelikte ve tipte türbinler geliştirilmiş olup bunların bir kısmı günümüzde ticari hale gelmiştir. Çoğunlukta kullanılmakta olan rüzgar türbini tipleri ve bunların kullanım yerleri tablo 1’de gösterilmiştir. Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre üç sınıfta ayrılmaktadır. 2.4.1.1.Yatay eksenli rüzgar türbinleri :
19
20
Yer konumuna göre rotoru yatay eksende çalışan bu makineler daha geleneksel ve daha modern bir kullanımı sunarlar. Yatay eksenli makinelerin maksimum enerji tutabilmeleri için rotorları daima rüzgar akış yönünde olmalıdır. Buda rotorun kule üstünde dönmesi ile sağlanır. Rüzgarın yönüne dönme hareketi iki değişik konstriksiyon ile sağlanır. Bunlar ‘’öne - rüzgar ‘’ ve ‘’arkaya - rüzgar’’ olarak adlandırılırlar. Eğer kanat rüzgarı ön yüzünden alıyorsa rotorun arkasına bir kılavuz kanat takılır. Diğer şekilde ise kanat rüzgarı arka kısımdan alır veya kanatlar biraz konik yapılır. Böylece sistem rüzgarı takip ederek maksimum faydayı sağlar. 2.4.1.2.Düşey eksenli rüzgar türbinleri : Dönme ekseni rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinin kanatları da düşeydir. Günümüzde çeşitli ülkelerdeki elektrik enerjisi üretimi uygulamalarının çoğunluğu 2 ve 3 kanatlı yatay eksenli rüzgar türbinleri oluşturmaktadır. Büyük güçlü düşey eksenli uygulamalarda mevcuttur. Özellikle DORRİEUS tipi türbinler ve bunun geliştirilmiş daha karmaşık yapılı olanı CYCLOGİNO tipi rüzgar türbinleri kullanılmaktadır.
ŞEKİL C 20
21
2.4.1.3.Eğik eksenli türbinler: Dönme eksenleri düşey ile rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgar türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır. 2.4.2.Rüzgar enerjisi ile enerji üretiminin öngörümü : En önemli faktör yıllık enerji üretimidir. Aşağıdaki yöntemler ile yıllık enerji yaklaşık olarak öngörülebilir: 1) Jeneratör büyüklüğü 2) Rotor alanı ve rüzgar haritası 3) Enerjiye göre yıllık rüzgar hızını veren imalatçı eğrisi
2.4.2.1.Jeneratör büyüklüğü : Aynı büyüklükteki rotorlar çok farklı jeneratör büyüklüklerine sahip olabileceğinden oldukça kaba bir yaklaşımdır. Verim faktörü değiştirilerek, rüzgar rejiminin etkisi ve tasarım gücü öngörülebilir. YKWH = VER x JB x 8760 YKWH = Yıllık enerji üretimi VER
= Verim faktörü
JB
= Jeneratör büyüklüğü
8760
= Yıl içindeki saat sayısı
21
22
10 m/s lik rüzgar hızları için tasarımlanmış bir jeneratör ve iyi bir rüzgar rejimi için verim faktörü 0.20 alınabilir. Daha düşük rüzgar rejimleri ve birimin daha yüksek hızları için tasarımlandığı durumlarda verim fakrörü daha da küçülecektir. ÖRNEK: Tasarım gücü : 10 m/s de 25 kW ve rotor çapı :10m olarak verilen türbin özelliklerine göre yıllık enerji üretimi ; YKWH = 0.2 X 25 X 8760 SAAT = 43800 kWh Zayıf bir rüzgar rejimi için YKWH 30000 kWh civarında olacaktır. 2.4.2.2.Rotor alanı ve rüzgar haritası : Rotor boyutlarından farklı rüzgar türbinlerinin alanı hesaplanabilir.
Türbin ismi :
Alanı : Π xrxr
YERT DERT - Giromil
HxD
Savonius
HxD
Darrieus
0.65 x H x D
Bir rüzgar haritasından yıllık ortalama güç elde edilebilir ve sonra RE = A x P x 8760 formülü ile rotordan geçen rüzgar enerjisi hesaplanabilir. Bu formülde ;
22
23
A = Alan (m2) P = Güç (Watt/m2) dir. Yılık enerji üretimi ise rüzgar üretiminin verimine bağlıdır. YKWH = VER x RE % 20 civarında olan verim faktörü bir rüzgar türbininin yıllık ortalama verimini yansıtmalıdır. ÖRNEK: Daha önce verdiğimiz örneği hatırlayalım. Alan = Pi x 5 x 5 P
= 180 watt / m2 alalım.
RE =78.5 x 180 x 8760 RE = 124.000.000 WH =124000 KWH. Bu bir yıl boyunca rotor alanından geçen enerji miktarıdır . yıllık üretim ise YKWH = 2 x 124.000 = 24.8 KWH olur. 2.4.2.3.Hesaplanan Yıllık enerji : Rüzgar hızı için çoğu imalatçılar bir Rayleigh dağılımı varsayımı yaparlar. Yıllık enerji üretimine ilşkin öngörüm ise, rüzgar hız dağılımı ve ürettikleri rüzgar türbinlerinin güç eğrisinden yapılır. Deneysel verilerden rüzgar hız histogramı bilinirse, rüzgar türbini için histogram ve güç eğrisinden yararlanılarak iyi bir öngörüm yapılabilir. Eğer 1 m/s lik hız dilimleri kullanılıyor ise enerjiyi bulmak için o hızdaki saat sayısı karşılık gelen güç ile çarpılır. Yıllık toplam enerji üretimini bulmak için bu değerler toplanır.
23
24
14 yıllık veriler kullanılarak Amarillo, Texas için elde edilen yıllık rüzgar hızı verilerinden yıllık toplam enerji 55000 kWh civarında öngörülmüştür. Bakım ve onarım gereksinimleri kullanım faktörünü 0.9 civarına düşürdüğünden yıllık üretim 50000 KWH civarında gerçekleşir. 2.5.RÜZGAR ENERJİSİ POTANSİYELİNİN TESPİTİ : Rüzgar enerji potansiyelini kesin olarak tespit edebilmek için belirli bir noktada 5 yıl süre ile ölçümlerin sürdürülmesi gerekmektedir. Her noktada sürekli olarak yapılan tespitten sonra elde edilen sonuçlara göre rüzgar haritalarının hazırlanması mümkün olabilmekte dedir. Bunlar; 1) Hız eğrileri ile çizilmiş olan rüzgar haritaları 2) Güç eğrileri haritaları 3) Rüzgar gülleri haritaları Rüzgar eğrileri ile çizilen haritalar, belirli bir alana dağılmış olan noktasal hız ölçümlerinin karşılaştırılan bir süre içinde değerlendirilmesi ve aylık-yıllık ortalamaların tespit edilmesi esasına dayanır. Güç eğrileri haritası, rüzgar yönüne dik yüzeye gelen rüzgar enerji sistemi tarafından hesaplama yapılması esasına dayanmaktadır. Birim alana gelen güç değerlerinin dağılımını gösteren bu tür haritalarda genellikle (w/m2) birimleri kullanılır. Rüzgar gülleri haritaları,ölçülmüş olan rüzgar değerlerinin noktasal olarak oklar şeklinde gösterilmesi esasına göre hazırlanır. Türkiye’nin rüzgar durumu, rüzgar gülleri haritalarının 1993 yılı Mart ve Eylül aylarına ait iki harita verilmiştir.
24
25
Türkiye’de şimdiye kadar tamamlanan ölçümler sonucunda rüzgar enerjisi elde edebilme yönünden en uygun üç nokta tespit edilmiştir. Bunlar sırasıyla Antalya,
Sinop,Çanakkale’dir.
Buralarda
1980
yılında
tamamlanan
ölçümlerde,rüzgarın hızla estiği yerlerde yıllık olarak toplam Antalya’da 5138 saat , Sinop’ da 3293 saat , Çanakkale’de 3640 saat rüzgar kaydedilmiştir. Bu yerlerden Çanakkale
ve
Sinop’ta
rüzgarın
aylara
göre
dağılmış
homojenlik
göstermekte,Antakya’da ise Haziran, Temmuz, Ağustos ve Eylül aylarında yoğunlaşmaktadır. Rüzgarın hızla estiği sürenin yılda 3500 saat civarında ve rüzgar hızının da 6 m/s ve üstünde olması küçümsenmeyecek bir değerdir. Bu güç, 58 m kanat çaplı 100 KW’ lık rüzgar türbinlerinin rahatça çalışmasını sağlayabilmektedir. 2.6.TÜRKİYE DE YÜRÜTÜLEN ÇALIŞMA VE ARAŞTIRMALAR: 2.6.1.Resmi kuruluşların çalışmaları: 2.6.1.1.Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü: Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünün bu konudaki çalışmaları şu şekilde sıralanabilir. Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyelinin tespiti: Rüzgar ile ilgili ölçümlerin yapılması, verilerin toplanması, harita ve diyagramlara geçirilmesi 3) Türkiye rüzgar alanları ve rüzgar kanatlarının tespiti
25
26
Gelecek 10 yıl içinde bu hedeflere ulaşılabilmesi için 300 adet anemograf temini ve 50 adet rüzgar jeneratörü tesisi düşünülmektedir. Ilk kurulacak rüzgar jeneratörü için belirtilmiş olan üç alan ile beraber beş bölge ile tespit edilmiştir. Bunlar Antakya, Sinop Çanakkale, Karapınar ve Bodrum’ dur. Diğer 45 jeneratörün tesisi ise gelecek dokuz yılda tamamlanacaktır. Ayrıca anemoğraflar ile yapılan ölçmelerin bir bilgi bankasından değerlendirilmesinde plan içinde yer almaktadır. D.M.İ Genel Müdürlüğünce halen 152 istasyonda rüzgar ölçümleri yapılmaktadır. 2.7.TÜRBİNLERİN İNCELENMESİ: Genellikle iki kısımdan oluşur. kule ve türbinin başlığı olan kanatların bulunduğu kısımdır. Kule betonerme bir yapı olarak tasarlanır. Üst kısım 3.3 m çapında silindirik bir mildir. Bu kısmın iç tarafı WK 60 olarak bilinen bir türbin çeşidinin kontrol odası ve elektriksel devre parçalarını içeren kısımdır. WK 60’ ın özel işlem konumuna göre bir jeneratör geniş hız değerleri ile sistem belirlenir. Bu sistem şebeke içinde sabit frekansla (50 Hz ) üretilen akım tarafından rotor kenarında değişik hız miktarlarını alan statik bir frekans dönüştürücü ve senkron jeneratöründen meydana gelen bir sistemdir. Dönüştürücü tarafında indüklenen harmonikleri dengeleyen bir elemanda dahildir. Jeneratörün uyarılması vasıtasıyla rotor hızı ve güç çıkışı tüm aşırı yük çalışmasında kontrol edilir. Kanatların adım aralıkları nominal seviyede çıkış sınırlama ve kontrol için kullanılır. Kanatların harekete geçirilmesi ile rotor hızının durması ve çalışması ayarlanarak tesisin çalışma fonksiyonları daima bir kritik hata halinde çalışma durumunu kontrol edici mekanizmalar yardımı ile yapılır.
26
27
2.7.1.Rüzgar Durumuna Göre Rüzgar Türbininin Çalışması Ve Durdurulması: Rüzgar durumuna göre rüzgar türbininin otomatik olarak çalışması ve durması için yazılım kontrol programı ile sağlanan bir sistem bulunur. Eğer rüzgar türbilansı büyük güç çıkışı dalgalanmalarına ve sert yapısal yüklere neden olursa sistemin amacı rüzgar türbinini kapatmak olmalıdır. Yerel topoğrafya farklı rüzgar hızları ve onun yönleri için büyük değerler rüzgar türbilansına neden olur. Bunların toplandığı ve verildiği bir kontrol bilgisayarı vardır. Kontrol bilgisayarı her bir dakikada ortalamaları alır ve eğer rüzgar hızı, verilen basitleştirilmiş açılır, kapanır gözlem aletiyle verilen limitleri sınırları geçtiğinde türbini kapatacaktır. Yazılım kontrol programı, üretim malzemesi, yük idare sistemi, merkezi kontrol sistemi, tesis kontrolleri, pompa depolama evresi iletim ve dağıtım sisteminden oluşmaktadır. Bu sistem içinde hem su hem de rüzgar türbinleri için geçerli olan sistemler vardır. Rüzgar türbini 17 cm çaplı kule, 3 kanatlı 60 KW’ lık nominal hıza sahip bir örnek tiptir. Rüzgar türbini dizel, hidro-su veya herhangi jeneratör veya voltaj regülatörüne bağlı olma ihtiyacı olmaksızın çalışması için senkronize bir jeneratör ile donatılmış bir türbindir. Jeneratör nominal frekanstan yüksek ve boralara göre ayrıca dengesiz yükler için hazırlanmasına ve karşılaşmasından dolayı 97 KVA’ dan değerlendirilir.
27
28
Dizel
jeneratör
aksamı
ve
su
türbin
jeneratörü
rüzgar
türbinine
benzerlikleriyle farklılıkları da vardır. 2.7.2.İletim Dağıtım Ve Toprağa Bağlama: Tüm üretim ve dağıtım 415/240 volttadır. Ayrıca ana iletim 3 faz 3300 V’a göre düzenlenmiştir. 2.7.3.Türbinde kontrol: 2.7.3.1.Voltaj kontrolü: Sistemin voltajı otomatik voltaj regülatörü ile kontrol edilir ki bu senkronize jeneratörün yerinde deyişle parçasıdır. Otomatik voltaj regülatörü rüzgar türbinine ve hidro senkronize jeneratörüne paralel bağlanır. Dizel jeneratörler ise akım transformatörleri ile bağlanır. 2.7.3.2.Frekans kontrolü: Rüzgar türbini şebekedeyken ve ilaveten hidro şebekedeyken valfa sağlanan hidro ile frekans kontrolü yük idare sistemine bağlıdır. 2.7.3.3.Yük kontrolü: Yük idare sistemi su ve rüzgar kontrol sisteminin bir parçası ve ayrıca her tüketim tesisinin bir parçası olan bir sistemdir. Genellikle 90 KW ‘dan daha büyük yükleri rüzgar türbini, 25 KW’ a kadar olanları da su türbini sağlar. Yük idare sistemi rüzgar türbinleri ile ve jeneratör ile üretilen maksimum miktardaki enerjiden yararlanmak ve ayrıca kaynağa bağlamadan veya başka bir jeneratör ile çalıştırmaksızın yenilenebilir kaynaklardan kaynağın mümkün olan maksimum saatte sağlanması için tasarlanmıştır. Güç dalgalanması ve frekansın düşmasi olayında yük idare sistemi tüketiciye giden yük ve aşırı yükün bağlantısını otomatik olarak keser. Aynı işlevler frekansın yükselmesi sırasındada yapılır.
28
29
2.7.3.4.Devrenin Emniyeti: Sistemin tüm kontrolü baştan tasarlanarak güvenlik içinde yapılır. Buda bütün üç üretim tesisi ve yüksek voltaj şebeke ağındaki yeraltı kabloları kullanılarak şebeke ağındaki kaçakları ve yüklenmeleri bulan bir güvenlik devresine bağlanır. 2.7.3.5.Sistem Ve Kısımların Devre Kontrolleri: Her jeneratör kendisinin sahip olduğu, işlev gördüğü kısmı yada tüm tesisi kontrol eden bir merkezdir. Bu merkez birbirine bağlı ana birimlerden oluşur. Bu kontrol edici bölge algılayıcı, arızayı ve kaçağı bulan bir güvenlik devresidir. 2.7.3.6.Merkezi Kontrol: Jeneratörlerin programlanması bir UMAC 6000 adlı analog aygıt olan merkezi bir bilgisayar tarafından yapılır. 2.8. Rüzgar Enerjisinin Genel Değerlendirmesi
29
30
Rüzgar türbinlerinin kanatları bir jeneratörü çalıştırarak elektrik üretilmesini sağlarlar. Bu kanatlar ne kadar uzunsa ve rüzgar ne kadar hızlı esiyorsa o kadar çok elektrik üretilir. Rüzgar yükseklerde daha hızlı estiği için bu türbinler kulelerin üstüne yerleştirilir.
Günümüzde tarlalara periyodik olarak su pompalamak için iyi bir kaynak teşkil etmektedir. Rüzgardan elektrik üretmek ise, iklime son derece bağlıdır. Bu bakımdan kurulabilecek yerler, rüzgarın yıl boyunca devamlı ve hızlı bir şekilde estiği alanlarla sınırlıdır. örneğin sıcak yaz aylarında gün ortasında kuvvetli bir şekilde esiyorsa o yer bir rüzgar santrali için uygun olabilir.
Bu türbinlerle, sürekli enerji üretilebilir fakat rüzgar olmadığında dönmezler ve kuvvetli fırtınalarda birbirlerine zarar vermelerini önlemek için kapatılmalıdır. Rüzgar tarlalarının yakınında yaşayan insanlar aşırı gürültüden rahatsız olmaktadır. Büyük miktarlarda alana ihtiyaç vardır. Örneğin bir rüzgar santralının, normal bir doğal gaz santralıyla aynı enerjiyi üretmesi için 85 kat daha fazla alana gereksinim duymaktadır. Ayrıca rüzgar türbinlerinin bakım ve onarımı çok pahalıdır. Rüzgar olmadığı zaman gerekli olacak elektriği sağlamak için pahalı enerji depolama sistemlerine de ihtiyaç vardır. Tüm dünyada sadece 3710 MW ‘lık rüzgar santralı vardır. Rüzgar türbinlerinin getirdiği en büyük sorunlardan birisi de çok sayıda kuşun ölümüne neden olmalarıdır. Özellikle yüksekten uçan, avlanması yasak olan veya nesli tükenmekte olan kuşlar için potansiyel bir tehlikedir. Örneğin A.B.D 'deki dünyanın en geniş rüzgar tarlası(yaklaşık $200 km2) olan Altamont Pass'de, ak tüylü kartalların ölmesi bu kuşları koruma sözleşmesine göre federal bir cinayet sayılmaktadır. Çevre örgütleri bu yüzden Washington eyaletinde planlanmış bulunan rüzgar çiftliğinin yapımını durdurtmuşlardır.
30
31
Kaynaklar 1- 3e , Alternatif Enerji , ( Ağustos , 1996 ) 2- Tanay S. Uyar , Rüzgar Enerjisi Sistemleri , TÜBİTAK Marmara Bilimsel ve Endüstryel Araştırma Enstitüsü 3- Kaynak Elektrik , Rüzgar Enerjisi , ( Mayıs-Haziran , 1995 ) 4- Kaynak Elektrik , Rüzgar Enerjisi , ( Temmuz-Ağustos , 1995 ) 5- Journal of Solar Energy Engineering , Electric Design of Wind -Electric Water Pumping Systems , ( November , 1996 )
31
32
32
33
33
