Rüzgar Enerjisi
12 Temmuz 2007
RÜZGAR ENERJİSİ
GİRİŞ
Yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları olarak isimlendirilen alternatif kaynaklardan yararlanılması ; hidrolik enerji dışında ,teknolojik gelişimlerinin yeniliği ve geleneksel kaynaklarla ekonomik açıdan rekabet edebilme güçlükleri nedeniyle , bugüne kadar arzulanan düzeye ulaşamamıştır.bununla birlikte ,jeotermal,güneş,rüzgar ve modern biyokütle nerjisi teknolojileri ,bu gün dünya enerji pazarlarında yer almAya başlamışlardır.enerji bitkileri ,fotovoltaik ve rüzgar enerjisi teknolojilerindeki Ar-Ge çalışmaları devam etmektedir. Yeraltında ısıl enerji depolaması özellikle gelişmiş ülkelerde hızlı bir yaygınlaşma sürecine girerken, hidrojen enerjisi teknolojisinde yoğun araştırmaların sürdüğü görülmektedir.
Rüzgardan elektrik üretimi 100 yıl önce başlamıştır.1950 yılı öncesinde daha çok 20-100kWlık makinalar üzerinde durulmuş olmakla birlikte ,1250kWlık türbinler de yapılmıştır. 1974-1978 yapay petrol krizine kadar 100-800 kWlık rüzgar türbinleri üzerinde durulduğu görülmektedir. 1980li yıllarda yeni teknoloji ve malzemelerle yeniden gelişerek dizayn edilen ve maliyetleri düşürülen rüzgar türbinleri rüzgar elektriği için çağ açmıştır.
1-RÜZGAR ENERJİSİNİN TARİHÇESİ
Rüzgar enerjisi kullanımı M.Ö. 2800 yıllarında Orta Doğuda başlamıştır. M.Ö. 17. Yüzyılda Babil kralı Harrîmurabi döneminde Mezopotamya’da sulama amacıyla kullanılan rüzgar enerjisinin , aynı dönemde Çin’de de kullanıldığı belirtilmektedir. Yel değirmenleri , ilk olarak İskenderiye yakınlarında kurulmuştur. Türklerin ve İranlıların ilk Yel değirmenlerini M.S. 7. yüzyılda kullanmaya başlamalarına karşın , Avrupalılar yel değirmenlerini ilk olarak Haçlı seferleri sırasında görmüşlerdir. Fransa ve İngiltere’de yel değirmenlerin kullanılmaya başlanması 12.yüzyılda olmuştur.
Avrupa, Haçlı Seferlerinde kazandığı bu teknoloji ile. Roma İmparatorluğunun kaçırdığı bir serveti yakalamıştır. Roma İmparatorluğu gücünün zirvesindeyken para basmak için gereken altın ve gümüşü Avrupa dışındaki eyaletlerden sağlamaktaydı. Bu eyaletleri kaybettikten sonra Avrupa’daki fakir madenlerin işletilmesi denenmiş, ancak, bu madenlerin yüzeysel kapasiteleri hızla tüketilip, derinlere inildikten sonra galerilerden su çıktığından, madenler terk edilmiştir. Giderek artan para ve ekonomik bunalımla birlikte , o dönemin yüksek hızlı enflasyonu Roma İmparatorluğunun sonunu getirmişti. Romalıların terk ettikleri madenlerin yeniden işletmeye açılması olduğu söylenir. Avrupalılar bunu yel değirmenleri yardımı ile , galeri diplerindeki suları dışarı pompalayarak , yani rüzgar enerjisini kullanarak başarmışlardır.
18.Yüzyılın sonunda yalnızca Hollanda’da 10.000 yel değirmeni bulunuyordu. Buhar makinesinin yapılması ve odun, kömür gibi yakıtlardan kesintisiz enerji üretimine başlanması ile rüzgar enerjisi önemini yitiriyordu. Bununla beraber, rüzgar türbini denilen ve elektrik üretiminde kullanılan ilk makineler 1890′larm başlarında Danimarka’da yapılmıştır. Aynı dönemde, bu makinelerin geliştirilmesi için Almanya’da da önemli çalışmalar yapıldığı bilinmektedir. Rüzgar kuvvet makineleri yerlerini yakıtlı kuvvet makinelerine bırakırken , rüzgar enerjisi kullanımının sürmesi için yeni bir teknoloji de başlıyordu. Ancak 19.yüzyılda geliştirilen ilk rüzgar türbinlerin verimleri düşüktü.
1961 yılında Roma’da birleşmiş milletler tarafından düzenlenen “Enerjinin Yeni Kaynakları Konferansında ele alınan üç kaynaktan biri rüzgar enerjisi idi. Böylece çok eskiden bu yana tanınan rüzgar enerjisi, teknolojik gelişmelerle ele alınıyor, yeni ve yenilenebilir kaynaklar arasına sokuluyordu. 1961-1966 yılları arasında Almanya da rotor çapı 35m olan 100kW’lık bir modelin geliştirilmesi üzerinde duruluyordu. 1970′lerde Danimarka’daki Gedser türbini, gücü 650 kW olan büyük türbinlerle değiştiriliyordu. Bu dönemde rüzgar jeneratörleri üzerinde İsviçre, Avusturya ve İtalya’da da teknolojik çalışmalar yapılmıştır. Amerika’da 1970′lerde büyük tip yatay eksenli makineler üzerinde yeniden çalışılırken, dikey eksenli Darrieus tipi makineler üzerinde de çalışmalar başlatılmıştır. Ucuz petrol döneminde güncellik kazanamayan rüzgar enerjisi,1974-1978 yılları arasındaki yapay petrol bunalımlarının ardından, gündeme daha çok girmiştir.
Rüzgar enerjisinin gelişimine, 1980′li yıllarda Uluslararası Enerji Ajansı eşgüdümünde yürütülen araştırma geliştirme çalışmalarının büyük etkisi olmuştur. Artık, eski tip rüzgar jeneratörleri yerine modern ve çağdaş rüzgar enerjisi çevrim sistemleri (WECS) kurulmaktadır. Ayrıca, rüzgar türbini ile beraber, dizel motor ve güneş fotovoltaik jeneratörü içeren rüzgar-dizel-PV hibrid sistemlerde geliştirilmiştir.
Bir tüketiciyi besleyecek tek makine yerine, birden çok türbin içeren rüzgar çiftlikleri ile elektrik şebekeleri için üretim yapılır olmuştur. ABD, Danimarka, Hollanda, İngiltere ve İsveç ‘in katkıları sonucunda, deniz üstünde, kıyıdan uzakta rüzgar santralları kurulmuştur. Günümüzde şamandıra üzerine yerleştirilen rüzgar türbinleri’ de vardır.
2-RÜZGAR ENERJİSİNE GENEL BAKIŞ
2.1-Rüzgar Gücünün Küresel durumu
Rüzgar gücü yenilenebilir enerji teknolojilerinin en ileri ve ticari olarak mevcut olanıdır. Tamamen doğal bir kaynak olarak kirliliğe neden olmayan ve tükenme olasılığı olmayan bir güç sağlamaktadır. Son yıllarda dünyanın en hızlı büyüyen enerji kaynağı olmuştur.
1998 sonuna gelindiğinde dünya çapındaki hemen hemen 50 ülkede 10 000 MW dan fazla elektrik üreten rüzgar türbinleri çalışmaktadır. Son altı yılda rüzgar türbinlerinin satışlarındaki ortalama yıllık büyüme % 40 civarında gerçekleşmiştir. Rüzgar enerjisi endüstrisi 600 kW büyüklüğünde orta boy makinelerin seri üretimini sürdürmekte ve megawatt büyüklüğündeki 10 adet tasarımın prototiplerini üretmiş bulunmaktadır. Mevcut kurulu kapasitedeki artış (500-600 kW tan 1.5 MW a 3 kat) çarpıcıdır ve 1990 dan bu yana çok hızlı bir gelişme gerçekleşmiştir. Büyük ünitelerin ortaya çıkışı, endüstrinin büyük deniz üstü uygulamalara hazırlandığından dolayı, zamanında gerçekleşmiştir.
Son yıllarda rüzgar enerjisinin en başarılı pazarları, özellikle Danimarka, Almanya ve İspanya olmak üzere Avrupa ülkeleridir. Arasında Hindistan, Çin ve Güney Amerika’nın da bulunduğu bazı gelişmekte ülkelerin yanı sıra Amerika Birleşik Devletlerinde de bu teknolojinin kullanımında bir sıçrama görülmektedir. Rüzgar enerjisi bir dizi farklı ekonomi ve coğrafi yapıda başarılı olmaktadır.
Rüzgar enerjisi aynı zamanda en ucuz yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Rüzgarlı yörelerde yeni geleneksel fosil yakıt ve nükleer üretimi ile daha şimdiden tümüyle rekabet edebilmektedir. Teknoloji iyileştikçe ve arazilerin kullanımı iyileştikçe maliyetleri de azalmaya başlamaktadır.
Çevresel üstünlükleri tanındıkça, bir çok ülke hükümet destekli girişimler ile rüzgar enerjisinin gelişimini desteklemeye başlamışlardır. Bu desteklerin hedefi pazarın hareketlendirilmesi, maliyetlerin düşürülmesi, konvansiyonel yakıtların örneğin devlet sübvansiyonları yoluyla sağladıkları hakça olmayan üstünlüklerinin etkisinin azaltılmasıdır. Farklı ülkelerde bir dizi Pazar hareketlendirme mekanizmaları kullanılmıştır.
Araştırma ve geliştirme girişimlerinin desteklenmesi ve elektrik şebekesine rüzgar güç üreticileri için hakça erişim sağlanması teknolojinin sürekli başarısı için önemli unsurlardır
Türkiyede Rüzgar Enerjisi Potansiyeli
2.2.1- Türkiye deki Rüzgar Enerjisi Kaynakları
Türkiye’deki rüzgar enerjisi kaynakları teorik olarak Türkiye’nin elektriğinin tamamını karşılayabilecek yeterliliktedir. Fakat rüzgar enerjisinin sisteme girişinin tutarlı bir biçiminde gerçekleşmesini kolaylaştırmak üzere gerekli altyapı tasarımlanmalıdır. EİKT Avrupa Ülkelerinde Rüzgar Enerji Potansiyelinin bir özeti aşağıdaki Tabloda verilmiştir. Tabloda da görüldüğü gibi Türkiye Avrupa’da rüzgar enerjisi potansiyeli en ümit verici olan ülkedir.
Türkiye’nin teknik potansiyeli 83.000 MW dır. Bu, Türkiye’nin biran önce kullanması gereken önemli bir rüzgar enerjisi potansiyeli olduğunu göstermektedir.
Türkiye’nin Anadolu ve Rumeli kısımlarına dengeli bir dağılımla seçilen 20 meteorolojik istasyon çevresinde Türkiye Rüzgar Atlası çalışmaları Dr. Tanay Sıdkı Uyar ve çalışma arkadaşları tarafından 1989 yılında tamamlanmıştır. Bu çalışma meteoroloji istasyonlarında toplanan verilerin rüzgar enerjisinden yararlanmak amacıyla yapılacak çalışmalarda kullanılabilecek düzeyde temsili olmadığını kanıtlamıştır.
Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği TÜREB’ in kuruluşundan sonra yatırımcılar, akademisyenler, imalatçılar ve diğerleri Türkiye’de rüzgar enerjisi gelişimini desteklemek üzere bir araya geldiler.
1996 yılında da ETKB’ nin Türkiye’de rüzgar enerjisi kullanımına ilişkin politikası pek iyimser değildi. Resmi açıklamalar Türkiye’de rüzgar enerjisi gelişimine çok şans tanımıyorlardı.
Son üç yıldır, Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği’nin çabaları ve ETKB ile Elektrik İşleri Etüt İdaresinin (EİEİ) TUREB çalışmalarına katılımı sonrası Türkiye’deki rüzgar enerjisi potansiyeli kabul görmeye başlamıştır.
Türkiye’de rüzgar enerjisinin gelişiminin önündeki sorunları belirlemek üzere İberotel Sarıgerme Park Ortaca’ da Kocaeli Üniversitesi Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Teknolojileri Araştırma Birimi tarafından 3 adet Uluslararası Rüzgar Enerjisi Atölye Çalışması düzenlenmiştir. Bu atölye çalışmalarına katılanlar daha sonra uzun süreli ortaklıklar kurmuş ve Türkiye’de rüzgar enerjisi kullanımı çalışmaları yaygınlaşmıştır.
Kocaeli Üniversitesi YEKAB birimi tarafından İstanbul’da koordinasyonu ve tasarımı yapılan 2 adet uluslararası enerji teknolojileri fuarı kamuoyu ve karar vericilere modern rüzgar türbinlerinin gelişmişliğini göstermiştir.
2.2.2 TÜRKİYEDE RÜZGAR ENERJİSİ GELİŞİMİNİN MEVCUT DURUMU
Bugüne kadar ETKB tarafından değerlendirilen 39 adet Rüzgar Çiftliği projesi bulunmaktadır. Bu projelerin toplam kapasitesi 1370 ila 1440 MW ‘dır. Bu 39 projenin, 215 MW ‘lık kapasiteye sahip 8 tanesinin yatırımcılarla yapılan görüşmeleri sonuçlandırılmıştır.
Türkiye’de Kurulma Hazırlıkları Sürdürülen Rüzgar Güç Santralleri
Projenin Adı
Başvuran Firma
Yeri
Gücü (MW)
Çeşme Alaçatı Rüzgar Santralı
ARES A.Ş.
İzmir-Çeşme Alaçatı
7.2
Kocadağ Rüzgar Santralı
AS MAKİNSAN
İzmir-Çeşme Kocadağ
50.4
Çanakkale Rüzgar Santralı
AS MAKİNSAN
Çanakkale
30 MW
Bozcaada Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDING A.Ş.
Çanakkale Bozcaada
10.2
Mazıdağı Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDING A.Ş.
İzmir-Çeşme Alaçatı
39
İntepe Rüzgar Santralı
INTERWIND
Çanakkale-İntepe
30
Datça Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDING A.Ş.
Datça-Muğla
28.8
Datça Rüzgar Santralı
ATLANTIS TİCARET
Muğla-Datça
12.54
Yalıkavak Rüzgar Santralı
ATLANTİS TİCARET
Muğla-Bodrum Yalıkavak
7.92
Bandırma Rüzgar Santralı
ATLANTİS TİCARET
Balıkesir-Bandırma
15
Çeşme Rüzgar Santralı
PROKON
İzmir-Çeşme
12
Akhisar Rüzgar Santral
AK-EN (SASAŞ İNŞAAT)
Manisa-Akhisar
12
Akhisar Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDİNG A.Ş.
Manisa-Akhisar
30
Beyoba Rüzgar Santralı
ATLANTİS TİCARET
Manisa-Akhisar (Beyoba)
7.92
Karaburun Rüzgar Santralı
ATLANTİS TİCARET
İzmir-Karaburun
22.5
Hacıömerli Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDİNG A.Ş.
İzmir-Hacıömerli
45
Kocadağ Rüzgar Santralı
MAGE A.Ş.
İzmir-Çeşme (KOCADAĞ)
26.25
Gökçeada Rüzgar Santralı
SİMELKO
Çanakkale-Gökçeada
Yaylaköy Rüzgar Santralı
MAGE A.Ş.
İzmir-Karaburun
15
Lapseki Rüzgar Santralı
ATLANTİS TİCARET
Çanakkale-Lapseki
15
Şenköy Rüzgar Santralı
AKFIRAT A.Ş.
Hatay-Şenköy
12
Belen Rüzgar Santralı
TEKNİK TİCARET
Belen-Hatay
20-30
Kumkale Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDİNG A.Ş.
Çanakkale-Kumkale
12.6
Mazıdağı-2 Rüzgar Santralı
DEMİRER HOLDİNG A.Ş.
İzmir-Çeşme
90
Mazıdağı-3 Rüzgar Santralı
YAPISAN LTD.
İzmir-Çeşme
39.6
Kapıdağ Rüzgar Santralı
AS MAKİNSAN
Erdek-Balıkesir
20-35
Karabiga Rüzgar Santralı
AS MAKİNSAN
Karabiga-Çanakkale
15-50
Yellice Belen Rüzgar Santralı
AS MAKİNSAN
Yellice-Belen Karaburun
70-100
Zeytinbağ Rüzgar Santralı
Deryalar LTD.
Bursa-Zeytinbağ
30-60
ÇERES (Çeşme) Rüzgar Santralı
INTERWIND LTD.
Çeşme
18-25.5
Taştepe Rüzgar Santralı
FORA A.Ş.
Taştepe-Bandırma
37.8
Kocaali Rüzgar Santralı
DERİN LTD.
Tekirdağ-Şarköy
31.2
Topdağ Rüzgar Santralı
DERİN LTD.
Sinop
33
Paşalimanı Rüzgar Santralı
AS MAKİNSAN
Kapıdağ-Marmara
Seyitali Rüzgar Santralı
DERİN LTD.
Aliağa
51
Güzelyer Rüzgar Santralı
ENDA Enerji Üretim A.Ş.
Çeşme
50.4
Yenişakran Rüzgar Santralı
YAPISAN İNŞAAT LTD.
Aliağa-Bahçedere
54
Ekinli Rüzgar Santralı
DERYALAR LTD.
Karacabey-Bandırma
39.6
ETKB’ nin 9 Eylül 1999 da açtığı YİD Modeli ile Rüzgar Güç Santralleri Yaptırılması konusundaki resmi ihale gündemdeki toplam proje sayısını 55e çıkartmıştır. Böylece Türkiye’de gerçekleşme aşamasına girmiş rüzgar güç santrallerinin toplam kurulu gücü 1700 MW ‘a ulaşmıştır. İhale sistemi eğer Türkiye’de halihazırdaki rüzgar enerji gelişim potansiyelini sınırlamak için getirilmemiş ise Türkiye’deki rüzgar enerjisinin sağlıklı gelişimine katkıda bulunabilecektir.
Rüzgardan üretilen elektriğe, kirletici emisyonlar olmadan üretilecek elektriğin çevresel yararlarını yansıtan, hakça bir bedel ödenmesi ve iyi organize olmuş bir kurumsal alt yapı ve rüzgar enerjisinin planlama yönetmeliklerinin hazırlanması durumunda , Türkiye’de rüzgar enerjisi kurulu gücünün gelişiminde kolayca aşağıdaki hedeflere ulaşılabilecektir.
2.2.3-TÜRKİYEDE RÜZGAR ENERJİSİ İÇİN MÜMKÜN HEDEFLER
Yıl
Kurulu Kapasite
(MW)
2000
400
2003
1400
2005
5000
2010
10,000
2020
20,000
Rüzgar enerjisinin geliştirilmesine gereken önem verilerek pazar yaratıldığında Türk Endüstrisi rüzgar gücü santrallerinin imalatına kolayca adapte olabilecektir. Yeni kurulan rüzgar çiftliklerinin kuleleri yerel olarak imal edilmeye başlanmıştır.
TÜRKİYE RÜZGAR HIZI VE POTANSİYELİ DAĞILIM HARİTALARI
RÜZGAR HIZI DAĞILIM HARİTASI
RÜZGAR POTANSİYEL DAĞILIM HARİTASI
2.3- AVRUPADA RÜZGAR ENERJİSİNİN DURUMU
Geçtiğimiz altı yıl boyunca Avrupa’da kurulu rüzgar enerjisi kapasitesi yılda %40 oranında artmıştır. Bugün Avrupa’daki rüzgar enerjisi projeleri 5 milyon civarında insanın yerel gereksinimlerini karşılayacak yeterlilikte elektrik üretmektedir.
ÜLKE
Eylül 1999 sonu kurulu kapasite
2003 için öngörülen kapasite (MW)
Danimarka
1606
2645
Finlandiya
32
218
Fransa
22
621
Almanya
3817
6774
Yunanistan
79
265
İrlanda
73
334
İtalya
227
872
Hollanda
405
1179
Portekiz
60
221
İspanya
1180
5580
İsveç
197
896
İngiltere
350
1313
Diğer Ülkeler
91
905
Toplam
8139
21833
Rüzgar enerjisi endüstrisi Avrupa için 2010 yılına kadar 40,000 MW rüzgar enerji kapasitesi kurmak üzere bir hedef koymuştur. Bu hedefe ulaşılmasıyla yaklaşık 50 milyon insana elektrik sağlanacaktır. “2010 da 40,000 MW” kampanyası, Avrupa Komisyonu’nun “AB ‘deki Yenilenebilir Enerji Kaynakları için Beyaz Rapor” ‘u tarafından da desteklenmektedir. Bu raporda yapılan değerlendirme bu hedeflere erişilebileceğini göstermektedir.
Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliğinin Hedefleri:
YIL
Kurulu kapasite
2000
8000 MW
2010
40000 MW
2020
100000 MW
20 türbinden oluşan tipik bir rüzgar çiftliği yaklaşık 1 km2 (100 hektar) lik alana kurulabilmektedir. Diğer güç istasyonlarına nazaran rüzgar çiftliği, bulunduğu alanın sadece % 1′ini kullanır. Tarım alanlarında çiftçilik faaliyetleri türbinlerin hemen altında yapılabilmektedir. Türbinler çalışma hayatlarının sonuna geldiklerinde kolayca sökülebilmekte ve bulundukları alan eskiden kullanıldığı hale dönüştürülebilmektedir. Türbinlerin sökülmesinin maliyeti genelde türbinlerin arta kalan parçaların parasal değeri ile karşılanabilmektedir.
2.4 RÜZGAR VE DİĞER YAKITLARIN MALİYETLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI
Rüzgar enerjisi gelecekteki pazar başarısı için en önemli kriter olan ekonomik maliyette kararlı ve hızlı bir gelişme göstermektedir. 1990lı yılların başında Pasific Gas & Electric ve Electric Power Research Institute tarafından yapılan ve rüzgar enerjisinin en ucuz elektrik üretim kaynağı olacağına ilişkin uzun vadeli öngörümler artık hayal olmayıp gerçekleştirilmek üzeredir.
Kaliforniya Enerji Komisyonu çeşitli enerji seçeneklerinin maliyetlerini ve pazara hazırlılıklarını incelemektedir Tablo 4 temel yakıt tiplerinin maliyetini rüzgar enerjisi ile karşılaştırmaktadır.
Tablo 4
Yakıt
Maliyet (sent/kWh)
Kömür
4.8-5.5
Gaz
3.9-4.4
Hydro
5.1-11.3
Biomass
5.8-11.6
Nükleer
11.1-14.5
Rüzgar (ABD Federal Üretim Vergi Kredisi hesaba katılmadan,)
4.0-6.0
Rüzgar maliyetleri artık fosil yakıtların en ucuz seçenekleri olan kömür ve gaz ile rekabet edebilir duruma gelmiştir ve enflasyona göre düzenlenen ABD Federal Üretim Kredisi ile rekabet daha da iyileştirilebilecektir.
· Rüzgarın gücü iki faktörden etkilenmektedir, ortalama rüzgar hızı ve faiz oranları
· Rüzgar yeni bir teknolojidir ve maliyeti konvansiyonel üretime göre daha hızlı düşmektedir.
Elektrik Üretim Maliyetleri şu kalemlerden oluşmaktadır:
· Yatırım maliyeti - güç santrallerinin inşaatı ve şebekeye bağlanması
· İşletme maliyetleri - tesisin işletilmesi, yakıtının sağlanması ve bakımı
· Finansmanı - yatırımcı ve bankalara geri ödeme maliyeti
Rüzgar türbinleri için yakıt maliyeti yoktur ve rüzgar bedavadır. Projenin maliyeti ödendikten sonra sadece işletme ve bakım maliyetleri söz konusudur. Yatırım maliyeti toplam maliyetin %75 ila %90 ‘ını oluşturmaktadır.
Türbin maliyeti kW güç başına halen 600-900 ECU’dur. Projenin hazırlanması ve tesis etme maliyetleri kW başına 200-250 ECU daha eklemektedir. Bu rüzgar türbinlerinin toplam maliyetini kW kurulu kapasite başına 1000 ECU’ya ulaştırmaktadır.
Rüzgar enerjisi geliştirmenin işletme maliyetleri üretilen kWh elektrik başına yaklaşık 1-2 ECU mertebesindedir. Bu maliyet arazi kirası, bakım ve sigorta primlerini kapsamaktadır
2.5 -RÜZGAR ÇİFTLİĞİ İÇİN GEREKLİ PARAMETRELERİN İNCELENMESİ
Bugünkü tüketim oranlan baz alınarak yapılan hesaplamalara göre, günümüzde yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlardan kömürün 240,petrolün 43 ve doğalgazın 67 yıl sonra tükeneceği belirtilmektedir. Bugünkü enerji planlamaları ve bunların sonucunda yüzyüze gelinen çevreci karşı çıkışlar,gerek fosil yakıt kullanılan santrallerin, gerekse geleceği halen açıklık kazanmayan nükleer enerji kullanımının önünü tıkamaktadır.
GERÇEKÇİ BÎR YATIRIM ICIN GEREKLİ İNCELEMELER :
Rüzgar türbini teknolojisi gelişimi, çevre dostu bir enerji kaynağına yatınm için yeni bir firsat yaratmaktadır. Hızlı bir biçimde gelişen rüzgar enerjisi endüstrisinde gerçekçi bir yatınm için yapılması gereken incelemeleri şöyle sıralamak gerekir :
1- Çiftliğin kurulacağı bölgenin belirlenmesi.
2- Bölgenin ön değerlendirmesi.
3- Rüzgar hızı gözlemleri ve veri analizi.
4- Yüzey yapısı modellemesi ve mikro -konuşlandırma.
5- Alt yapı tasannu ve türbin seçimi.
6- Enerji üretimi değerlendirmesi.
7- Ekonomik analiz.
8- Çevre etki değerlendirmesi.
TEKNİK FİZİBİLİTE VE MÜHENDİSLİK TASARIMLARI;
Yapılması gereken teknik ve mühendislik işlemleri şöyle sıralanabilir:
Rüzgar türbinlerinin satın alma koşullarının ve mevcut türbinlerin teknik karakteristik fiat analizlerinin hazırlanması.
Rüzgar çiftliği bölgesinin incelenmesi ; yerin jeolojik yapı analizi ve yol gereksinimin belirlenmesi
Rüzgar türbini temel inşaatının tasarlanması
Bölgenin elektrik şebekesinin incelenmesi
Ana şebeke bağlantıların, tasarlanması
Teknik veri ve türbin karakteristiklerinin gerçekleşme durumlarını belirlemek için rüzgar türbini performans testi ölçümlerinin yapılması.
ENERJİ ÜRETİMİ İNCELEMESİ;
Bir rüzgar çiftliğinin net enerji üretimi, projenin ekonomik açıdan uygulanabilirliğin belirlenebilmesindeki anahtar faktörlerden birisidir. Bu, bilgisayar ortamında hazırlanan modeller kullanılarak hesaplanır.
Dijitize edilmiş yeryüzü verisi, rüzgar türbini verisi, rüzgar hızı ve yönü dağılımları, rüzgar profili ve türbülans düzeylerini rüzgar türbini dizilişiyle birleştirerek, türbinlerin tek tek ve bir arada üretecekleri yıllık enerji miktarları hesaplanır. Bu hesaplamalarda , çiftlik bölgesindeki akış değişimleri ve iz bölgesi etkileri de dikkate alınmalıdır. Elektrik sisteminde meydana gelebilecek diğer kayıplarda bu hesaplamalara 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 miktarları elde edilir.
ELEKTRİKSEL ALT YAPI TASARIMI:
Rüzgar çiftliği planlamalarında ihmal edilen özelliklerden bir tanesi de elektriksel alt yapının durumudur. Bu, rüzgar çiftliğinin yatırım maliyeti, enerji üretimi ve dolayısıyla karlılığı üzerinde önemli etkilere neden olabilmektedir. Elektrik sistemindeki kayıplar tipik olarak rüzgar çiftliğinin toplam üretiminin %2-3′ü kadardır. Bu nedenle optimum hat ve transformatörlerin belirlenmesi gerekmektedir. Maliyetlerin ve iletim hatlarıyla transformatörlerin belli bir alan için enerji kayıplarının veri tabanı kullanılarak yatırını maliyetleri ve enerji kayıpları hesaplanır. Alınan enerji ve reaktif güç miktarları ayrıca belirlenmektedir. Daha sonra basit bir yatırım -kazanç testi yardımı ile en ekonomik durum belirlenir.
3- RÜZGAR TÜRBİNLERİ VE GENERATÖRLERİ
3.1.RÜZGAR TÜRBİNLERİ VE SINIFLANDIRILMASI
Rüzgar türbününe bağlı elektrik üretici, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Rüzgar enerjisi dönüştürme sistemleri 50W ile 2-3 MW arasında mekanik veya elektrik gücü sağlayabilmektedir. Havanın özgül kütlesi az olduğundan, rüzgardan sağlanacak enerji rüzgar hızına bağlıdır. Rüzgar hızı yükseklikle, gücü ise hızının kübü ile orantılı biçimde artar. rüzgarın sağlayacağı enerji, gücüne ve esme saati sayısına bağlıdır özgül rüzgar gücü, hava debisine dik birim yüzeye düşen güçtür. Topoğrafik koşullara göre yerden 50 m yükseklikte özgül güç, hız 3.5m/s den küçük iken 50W/m2 den az olabileceği gibi hız 11.5m/s den büyük iken 1800W/m2 den çok olabilir. Ortalama rüzgar hızı yıldan yıla değişebilir. Rüzgar hızının değişkenliğinden dolayı, rüzgar enerjisi potansiyelinden elde edilecek enerji, yıllık ortalama hız değerinden hesaplanan enerjiden daha fazla olmaktadır. Bu yüzden belli bir bölgede rüzgar türbünleri ile üretilebilecek elektrik enerjisi üretim miktarının hesabında, yıllık ortalama rüzgar hızından çok, gözlemlenene dağılım veya Weibull dağılımı ile hesap edilmiş rüzgar hızı sıklık dağılımı kullanılmaktadır. Türbün tarafından üretilen enerjinin miktarı, rüzgar hızı dağılımına bağlıdır. Rüzgar hızları, frekans dağılımına bağlı olarak, aynı ortalama rüzgar hızına sahip farklı yerlerde iki kata varabilecek güç yoğunluluğu farklılıkları olabilir. Bu durum küb çarpanından kaynaklanmaktadır.
Güç Katsayısı (Power Coefficent): bir türbünün rüzgardaki enerjiyi elektriğe dönüştürme verimi olarak adlandırılır. Bu rüzgar türbinin enerji çıktısı aşağıdaki eşitlik ile belirlenir.
P=1/2dv3ACP
P, güç çıktısı; d, hava yoğunluğu; A, süpürme alanı; CP, Güç katsayısı; v, Rüzgar hızı
Modern rüzgar türbünlerinde güç çıktısı rated power düzeyinde sınırlandırılır
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 gelimiştir.
Rüzgar türbinleri dönme eksenlerine göre üç sınıfa ayrılmaktadır.
3.1.1 YATAY EKSENLİ TÜRBİNLER
Bu tür türbinler, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel, kanatları ise rüzgar yönüne dik olarak çalışırlar.Bu tür türbinler bu konuma, rotor kule üzerinde döndürülerek getirilir.Yatay eksenli türbinlerin 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.
3.1.2 DÜŞEY EKSENLİ TÜRBİNLER
Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir.Bu türbinlerin rüzgarı her yönden kabul edebilme üstünlüğü vardır.Kanatların güç üretebilmeleri için rüzgardan daha hızlı dönmeleri gerektiğinden, ilk harekete geçişleri güvenli değildir.Giromill ise açısı değiştirilebilen kanatlara sahip olduğundan, kendi başına çalışmaya başlayabilir.Düşey eksenli türbinlerin bir diğer üstünlüğü ise makina aksamı, hız yükselticisi ve jeneratörün toprak üzerine konulabilmesidir.Günümüzde çeşitli ülkelerdeki elektrik enerjisi üretimi uygulamalarının çoğunluğunu 2 veya 3 kanatlı yatay eksenli rüzgar türbinleri oluşturmaktadır.Büyük güçlü düşey eksenli uygulamalar da mevcuttur.
3.1.3 EĞİK EKSENLİ TÜRBİNLER
Dönme eksenleri düşeyle rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgar türbinleridir.Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.
3.4-RÜZGAR TÜRBİNİ ELEMANLARI
Rüzgar türbinleri kabaca aşağıdaki parçalardan oluşmuştur ;
1 . Nacelle ( Gövde veya kapak )
2 . Rotor kanatları
3 . Hub ( Kanatların rotora bağlantısını sağlayan parça )
4 . Düşük hız şaftı
5 . Dişli kutusu
6 . Yüksek hız şaftı ve mekanik fren
7 . Elektrik jeneratörü
8 . YAW mekanizması ( türbinin yatay eksende hareketini sağlar )
9 . Elektronik kontrol sistemi
10 . Hidrolik sistem
11 . Soğutma ünitesi
12 . Kule
13 . Anamometre ve rüzgar gülü
3.3- ROTOR KANATLARI
Modern kanatların çoğu güçlendirilmiş fiber glass malzemeden (GRP ) yapılır. Epoxsy ve güçlendirilmiş fiber polyester buna örnek verilebilir. Karbon fiber kullanımı da diğer bir seçenektir. Ancak bu malzemeler türbin kanadı için ekonomik bir seçenek değildir.Ağaç , ağaç-epoxsy karışımı veya bunlar gibi değişik karışımlar kullanılmaz. Aynı zamanda aliminyum ve çelik kanatlarda sağlamlıklarına karşın ağırlıkları ile dezavantajlıdırlar. Bu tip malzemelerde yaşanan diğer bir problemde metal yorgunluğu oluşumudur. Bu tip kanatlar sadece küçük rüzgar türbinlerinde kullanılır
3.4 RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE YAW (YÖN SAPTIRMA) MEKANİZMASI
YAW mekanizması türbinlerde rüzgarın sürekli rotora doğru yönelmesini sağlayan sistemdir.
3.4.1 YAW HATASI
Rüzgar türbinlerinde eğer rüzgar yönü rotora dik konumda ise bu duruma YAW hatası denir. Bu hata sonucu rotor enerjiden daha şekilde yararlanır.
Bu durum çıkış gücünün kontrolü ile belirlenir. Diğer yandan YAW mekanizması rotoru bu konumdan alarak rüzgara doğru yöneltir.
3.4.2 YAW MEKANİZMASI
Genellikle bütün yatay eksenli türbinlerde kullanılır. Bu mekanizma ile motor, dişli kutusu ve rotor rüzgara doğru yöneltilir. Şekilde 750 KW lık bir türbinin YAW mekanizması görülüyor.
Şeklin en dışında YAW taşıyıcısı görülüyor. Daha içte YAW motoru tekerlekleri ve en içte YAW frenleri bulunur. Genellikle tüm üreticiler frenli YAW sistemlerini tercih eder.
YAW mekanizması elektronik kontrolör ile çalıştırılır. Bu sistem YAW konumunu saniyede birkaç kez kontrol eder. Konum verileri rüzgar gülünden elde edilen yön bilgileri ile karşılaştırılıp YAW mekanizmasına gerekli komut verilir.
3.5- KABLONUN KIVRILMASINI ÖNLEYİCİ SİSTEM
Jeneratörde üretilen elektrik enerjisi kulede aşağıya kablolar ile iletilir. Ancak kablolar YAW mekanizmasının hareketi ile bükülmeye uğrar.
Bu hem mekanik hem de elektrik olarak kabloyu zorlayıcı ve zarar verici bir etkendir. İşte bu durumu önlemek için türbinlerde bu sisteme ihtiyaç duyulmuştur.
3.6-RÜZGAR TÜRBİNİNDE KULELER
3.6.1- KULE SEÇİMİ
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.
Tüp şeklindeki kule şekli en çok tercih edilen kule şeklidir. Şekil a da tüp şeklinde kule kullanılan rüzgar türbinleri görülebilir. Genellikle 20 30 metre yükseklikte üretilir.
Kafes yapılı kuleler çelik profillerin kaynaklanarak birleştirilmesi ile oluşturulur. ( şekil .b ) En temel avantajları maliyetlerinin düşük olmasıdır. Benzer boyutlarda bir tüp kulenin hemen hemen yarısı kadar malzeme ve yapım maliyeti vardır.
Birçok küçük türbin halat destekli direk tipi kule kullanılarak inşa edilir. En büyük avantajı ağılığının çok az ve maliyetlerinin çok düşük olmasıdır. Şekil . c de bir bu kule tipine bir örnek görülüyor. Dezavantajları ise araziye kurulum zorluğu ve tarım alanlarının kullanımını engellemesidir.
3.6.2 KULE UZUNLUĞUNUN SEÇİMİ
Büyük bir türbinden küçüğüne oranla daha büyük bir güç elde edileceği muhakkaktır. Eğer şekil . e bakacak olursak sırası ile 225 KW , 600 KW ve 1500 KW
lık türbinleri görebiliriz.
Bu türbinlerin güçleri gibi büyüklüklerinin de farklı olduğu açıktır. Ayrıca büyük güç elde etmek için jeneratörün daha büyük olması , onu tahrik içinde daha büyük kanatlar gerekir. Kanat boyunun uzaması demek doğal olarak kule boyunun da uzaması anlamına gelir. Ancak unutulmaması gereken husus , her 10 metre extra uzunluğu için 15.000 $ extra maliyet oluştuğudur.
Kısaca kule ve kanat boyutları elde edilen gücün maliyete oranı ekonomik olduğu sürece büyük seçilebilir.
3.7 RÜZGAR TÜRBİNİ GENERATÖRLERİ
Rüzgar türbin generatörleri mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.Bunlar, şebekeye bağlanan diğer generatörlerle karşılaştırıldığında aralarında bir fark görürlür.Bu generatörler devamlı azalıp artan bir mekanik güç veren tahrik kaynağı ile çalışmak durumundadır.
3.7.1 GERİLİM ÜRETME
Büyük güçlü rüzgar türbinlerinde (100-150 kw ve üzeri) üretilen 3 faz gerilim genellikle 690 V civarındadır.Üretilen akım daha sonra trafolara gönderilerek, gerilim şehir şebeke standartlarına bağlı olarak 10000-30000 V arasında bir değere yükseltilir.
3.7.2 SOĞUTMA SİSTEMİ
Jeneratörler çalışırken ısınır ve soğutma sistemine ihtiyaç duyulur. Türbinlerin çoğunda jeneratördeki hava kanallarından bir fan ile hava sirkülasyonu sağlanması metodu ile soğutulmaktadır. Fakat birkaç üretici firma su ile soğutulan jeneratörler kullanırlar.
Su ile soğutulan jeneratörler daha küçük yapılabilir. Ayrıca elektriksel olarak daha sorunsuz ve verimlidir. Ancak bu sistemde soğutma suyu için sıvı tankı gereklidir. Bu tankın veya radyatörün nacelle ye yerleştirilmesi problem yaratır.
3.7.3 GENERATÖRÜ BAŞLATMA VE DURDURMA
Büyük bir rüzgar türbin generatörünü devreye alma ve devreden çıkarma esnasında sıradan, rasgele bir anahtar kullanılırsa generatör , dişli kutusu ve yakın çevredeki şebeke akımı zarar görebilir.Kullanılacak anahtar generatör tasarımı göz önüne alınarak seçilir.
3.7.4 GENERATÖR SEÇİMİ VE ŞEBEKE BAĞLANTISI
Rüzgar türbinleri senkron veya asenkron generatörlerle ve bu generatörlerin şebekeye doğrudan veya dolaylı bağlanmasıyla tasarlanır.
Türbinler jeneratörün şebekeye bağlantı şekline göre çeşitli şekillerde seçilir. Direkt şebeke bağlantılı sistemlerde 3 fazlı A.C jeneratörler kullanılır. İndirekt şebeke bağlantılı sistemle de üretilen gerilim çeşitli ara birimlerden geçirildikten sonra şebekeye uyumlu hale getirilir.
Rüzgar türbinlerinde kullanılan senkron rotorlarındaki doğru akım şebekeden alınan besleme ile sağlanır. Şebekeden alınan A.C doğrultularak D.C ye çevrilir. Daha sonra rotorun sargılarına fırçalar aracılığı ile iletilir. Jeneratörün kutup sayısına ve dönüş hızına bağlı olarak istenen frekansta gerilim üretilir. Aşağıda kutup sayısı ve dönüş hızına bağlı olarak frekans oluşumu tablosu verilmiştir.
frekans 50 Hz 60 Hz
kutup sayısı dönüş hızı (rpm) dönüş hızı (rpm)
2 3000 3600
4 1500 1800
6 1000 1200
8 750 900
10 600 720
12 500 600
Jeneratör hızı terimi sadece şebekeye bağlanan senkron makineler için geçerlidir. Asenkron jeneratörlerde böyle bir şey söz konusu değildir. Rüzgar türbinlerinde genellikle altı kuutplu makineler kullanılır. Jeneratörün düşük yada yüksek hızlarda olması kullanılacağı türbinin büyüklüğüne ve maliyete bağlıdır. Büyük güçlü türbinlerde yavaş , küçük güçlülerde daha hızlı generatörler kullanılır.
Generatörün şebekeya doğrudan bağlantısında generatörden elde edilen gerilim, üzerinde hiçbir değişiklik yapılmadan direk şebekeye verilir.
Dolaylı şebeke bağlantısında ise elde edilen gerilim bir dizi elektriksel aygıt vasıtasıyla şebekeye uygun hale getirildikten sonra şebekeye verilir.
4. RÜZGAR GÜCÜNDEN ELEKTRİKSEL GÜÇ ELDE ETMEDE KULLANILAN DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ VE KONTROL TEKNİKLERİ
Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinde etkin olarak güç elektroniği devreleri kullanılmaktadır.Bu tür dizgeler üretilen enerjinin istenen forma çevrilmesinde ve amaçlanan kontrol mantığının gerçekleştirilmesinde önemli bir yer tutmaktadır.
Yakın geçmişte ve günümüzde akaryakıt, doğal gaz ve nükleer enerji sektörlerinde yaşanan zorluklar ile bunların sebep olduğu çevresel problemler alternatif enerji kaynaklarına verilen önemi arttırmıştır.Bu kaynaklar içinde rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri oldukça fazla ilgi görmekte ve bu alana yapılan yatırımlar ve araştırmalar hızla artmaktadır.1999 yılı sonu rakamlarına göre tüm dünyada rüzgar enerjisi santrallerinin toplam kurulu gücü 14000 MW a yaklaşmaktadır.Bu sistemlerden yüksek güçlü rüzgar enerjisi santralleri enterkonnekte şebekeye bağlanmakta olup orta ve düşük güçlü sistemler ise daha çok radyo, baz, meteoroloji istasyonları gibi yerleşimden uzak bölgelerde kullanılabilmektedir.
Rüzgar enerjisinin elektriksel enerjiye dönüştürüldüğü sistemlerin çoğunda güç elektroniği teknikleri kullanılmaktadır.Bu tür sistemlerde üretilen enerjinin istenen forma çevrilmesi ve belirlenen kontrol mantığı çerçevesinde rüzgardan optimum enerji elde edilmesi amaçlanmaktadır.Yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler, güç kapasitesi yüksek anahtarlama elemanları ve hızlı DSP işlemcilerini ortaya çıkarmış ve böylece rüzgar enerjisinden optimum güç elde edilmesini sağlayan sistemlerin tasarımına olanak sağlamıştır.
Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri, türbin hızı ve üretilen gerilimin frekansı esas alındığında çalışma prensiplerine göre 3 gruba ayrılabilir.
Sabit hız, sabit frekans dönüşüm sistemleri
Değişken hız, sabit frekans dönüşüm sistemleri
Değişken hız, değişken frekans dönüşüm sistemleri
4.1 SABİT HIZ SABİT FREKANS DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ (SHSF)
Bu tür sistemlerde rüzgar türbininin mili generatöre, generatör stator terminalleri ise enterkonnekte sisteme doğrudan bağlanmaktadır.Generatör olarak senkron generatör veya indüksiyon generatör kullanılmaktadır.Senkron generatör kullanıldığı zaman ikaz akımı güç elektroniği devreleri ile kontrol edilerek güç faktörü ayarlanabilir.İndüksiyon generatör kullanılması durumunda rotor hızını senkron hızın üzerinde tutabilmek için türbin ile rotor arasında hz dönüşüm redüktörü kullanılmalıdır.
4.2 DEĞİŞKEN HIZ SABİT FREKANS DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ (DHSF)
Bir rüzgar türbininden elde edilebilecek güç aşağıdaki formül ile ifade edilmektedir :
P = ½ Cp (l) r A v³ watt
Burada Cp rüzgar türbinin güç katsayısı olup q ve l parametrelerine bağlı olarak değişir. r rüzgar türbininin A alanından geçen hava yoğunluğu, v ise rüzgar hızıdır. l parametresi uç-hız oranıdır ve şu şekilde ifade edilir:
l = w1 r / v
w1 türbin milinin açısal dönüş hızı, r türbin yarıçapı, q ise türbin kanat açısıdır.
Rüzgar hızının değiştiği durumlarda uç hız oranı optimum bir değerde tutulmak suretiyle rüzgardan elde edilecek gücün maksimum transferi sağlanabilir.Rüzgar türbininden maksimum güç elde etmek için uç hız oranı, kanat aralık açısı değiştirilmek suretiyle optimum değerde tutulabilir.
Burada generatör çıkışı değişken gerilim ve frekansta olacağından enterkonnekte şebekeye direkt bağlanamaz.Generatör çıkışlarını şebeke gerilim ve frekansı ile uyumlandırmak için bir ac dc ac çevirgeç yardımıyla üretilen enerji önce dc daha sonra da ac forma çevrilebilir.
4.2.1 DEĞİŞİK FREKANSTA ALTERNATİF AKIM ÜRETME
Burada rüzgar türbin generatörü mini bir ac şebeke ile çalışmaktadır.Bu mini elektrik şebeklesi elektronik olarak inverter kullanmak suretiyle kontrol edilmektedir.Generetörün stator kısmında üretilen alternatif akımın frekansı değişkendir.Çünkü türbin pervaneleri değişik hızlarda çalışmaktadır.Generatörden önce devir sayısını dişliler yardımıyla arttıran bir dişli kutusu bulunmaktadır.
4.2.2 DC AKIMA DÖNÜŞTÜRME
Değişken frekanslı alternatif akım şehir şebekesinde kullanılmamaktadır.Bu yüzden önce tristörler veya büyük üçlü transistörler kullanılarak doğru akıma çevrilir.
4.2.3 SABİT FREKANSLI ALTERNATİF AKIMA DÖNÜŞTÜRME
Değişken frekanslı alternatif akımdan elde edilen doğru akım, inverterler vasıtasıyla şehir şebekesiyle aynı frekansta olacak şekilde alternatif akıma dönüştürülür.İnverterlerle yapılan bu işlem ayrıca transistör ve tristör aracılığıyla da yapılabilir.
İnverterler yardımıyla elde edilen alternatif akım düzgün bir sinüs eğrisi şeklinde seyretmez.Gerilim ve akımda ani sıçramalar görülür.
4.2.4 ALTERNATİF AKIMIN FİLTRE EDİLMESİ
Uygun endüktans ve kapasitanslar kullanılarak, elde edilen alternatif akım daha düzgün bir hale getirilir yani filtre edilir(AC filtre mekanizması).İğne uçlu gerilim yükselmeleri böylece ortadan kaldırılır.
Değişken hız uygulaması bilezikli indüksiyon generatöründe rotor dirençleri değiştirilerek sağlanmaktadır.Bu sistemde indüksiyon generatörü çıkışlar bir çevirgece gereksinim olmadan doğrudan enterkonnekte şebekeye bağlanabilmektedir.Rotor dirençleri değiştirilmek suretiyle indüksiyon generatörün tork hız eğrisi değiştirilerek güç akışı kontrol edilmektedir. Buradaki sistemde makinanın rotor dirençlerinde kaybolabilecek enerji (rotor terminalleri kısa devre edildiğinde veya dirençle sonlandırıldığında), bir ac dc ac çevirgeç yardımıyla kaynağa geri gönderilmektedir.Sistemin dinamik denklemi yazılacak olursa:
Ta = J dw = Tw - Td
dt
Burada ;
Ta : hızlanma torku (Nm)
Tw : rüzgar türbininden elde edilen tork (Nm)
Td : indüksiyon generatörünün ürettiği tork (Nm)
J : tüm sistemin eylemsizlik momenti (kgm²)
: rotor milinin açısal hızı (rad/s)
Tw rüzgar hızı ile mil hızının bir fonksiyonudur.Td ise mil hızı ve rotor direncinin bir fonksiyonudur.İndüksiyon generatörünün ürettiği tork, mil hızı sabit kaldığı sürece, rotor direnci arttıkça azalır veya tersi olarak azaldıkça artar.Buna göre Ta değeri 0 olacak şekilde, türbin hızı artma eğilimi gösteriyorsa (J dw /dt > 0 ) rotor direnci azaltılır veya azalma eğilimindeyse (J dw / dt < 0) rotor direnci arttırılır. Böylece rotor direnci değiştirilerek indüksiyon generatörü sabit hız uygulamasından değişken hız uygulamasına geçer ve türbin verimi optimum değerinde tutulmuş olur.
Değişken hız uygulaması eğer indüksiyon generatörü kullanılıyorsa PWM çevirgeçlerle sağlanır. Bu sistemde indüksiyon generatörlerinin reaktif güç gereksinimi PWM çevirgeçler, tarafından sağlanmaktadır. PWM çevirgeçlerin kontrolü bulanık mantıkla gerçekleştirilmektedir. Sistemde 3 tane bulanık mantık kontrolü vardır. Bunlar sırayla generatör hız izleme kontrolü, generatör akı programlama kontrolü ve kapalı çevrim generatör hız kontrolüdür. Generatör hız izleme kontrolünde herhangibir rüzgar hızında sistemin maksimum güç noktası tespit edilir ve generatörün hızı maksimum güç verilecek şekilde ayarlanır. Generatör akı programlama kontrolünde rotor akısı kontrol edilerek makinanın demir kayıpları azalır dolayısıyla sistemin verimi artmış olur. Kapalı çevrim generatör hız kontrolüyle rüzgardaki çok ani değişimleri ve türbindeki salınım torklarına karşı dayanıklı hız kontrolü gerçekleştirilmektedir.
Fırçasız çift beslemeli indüksiyon generatör kullanıldığında stator kısmında farklı kutup sayılarında 2 adet sargı bulunmakta olup sırayla güç sargıları ve kontrol sargıları olarak adlandırılmaktadır. Stator sargı frekansları ile rotor mil hızı arasındaki ilişki şu şekildedir:
fc = fr ( Pp + Pc ) fp
Burada
Pp ve Pc sırasıyla güç ve kontrol sargılarının kutup sayısı
fp şebeke frekansı
fr mil hızı
fc gerekli kontol sargıları frekansı
Buradaki sistemde kullanılan PWM çevirgeçler yardımıyla indüksiyon generatörünün kontrol sargıları frekansı ayarlanarak generatör mil hızı kontrol edlilmekte ve değişken hız uygulaması sağlanmaktadır.
4.3 DEĞİŞKEN HIZ DEĞİŞKEN FREKANS DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ
Üretilen enerjinin enterkonnekte şebekeye bağlanması zorunluluğu olmayan otonom sistemlerde kullanılır. Bu tür sistemlerde kenel olarak kapasitör yardımıyla kendinden uyartımlı indüksiyon generatörler, alan sargılı senkron generatörler veya sabit mıknatıslı alternatörler kullanılır. Generatör çıkışları bir kontrollü ac dc doğrultucu yardımıyla doğru akıma çevrilip batarya şarjında kullanılabilir.Kontrol edilmesi gereken parametreler çıkış voltaj seviyesi olup değişen rüzgar hızı koşullarına göre uyartımı sağlayan indüksiyon generatörün mıknatıslanma akımını sağlayan kapasitörlerin değerinin denetlenmesi gerekir.Alan sargılı senkron generatörlerde hem ikaz akımı hem de kontrollü ac/dc doğrultucu yardımıyla çıkış gerilimi denetlenebilir.
Rüzgar hızının aşırı yükseldiği durumlarda türbini korumak amacıyla kanat aralık açısı değiştirilir. Böyle bir sistemde çıkış gücü kontrol değişkeni olarak kullanılır.
Buna göre sistemin dinamik denklemi şöyledir:
J w1x dw1 / dt = P1 (w1) + Pm (w1)
Buradan da görüleceği gibi rüzgar hızı arttıkça J w1x dw1 / dt > 0 olur ve türbin daha fazla güç üretmeye başlar. Benzer şekilde rüzgar hızı azaldıkça J w1x dw1 / dt< 0 olur ve türbin gücü düşer. Buna göre batarya ve yükün güç ihtiyacına bağlı olarak dc referans akımı ayarlanır. Böylece sistemin maksimum güç veya gerilim / akım kontrolü altında çalışması sağlanır.
4.4 SONUÇ
Sınıflandırılan sistemler içerisinde değişken hız rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin rüzgar türbininden maksimum güç elde edilmesine olanak sağlanması nedeniyle üzerinde oldukça fazla çalışılan sistemler olduğu görülmektedir.Ayrıca güç elektroniği devrelerindeki harmonikler ve bunların oluşturduğu kayıplar önemli bir problem olarak ortaya çıkmaktadır.Bu kısıtlamalar gerilim bozulma faktörü düşük kontrollü doğrultucuların kullanımını zorunlu kılmakta ve bu tür dizgiler için hızlı ve etkili kontrol devrelerinin tasarımını gerektirmektedir
5. ÜRETİLEN GÜCÜN KALİTESİ
Sabit hızlı rüzgar türbinleri direk indiksiyon jeneratörlerine bağlandıklarından ürettikleri harmonikler ihmal edilebilmektedir ve senkronizasyonda problem çıkarmamaktadırlar. Rüzgar türbinlerinde ve rüzgar güç santrali alt istasyonlarında ki kompanzasyon kondansatörleri ile güç katsayısı , sistemin herhangi bir güç değeri için 1.0 değerine yakın değerde kontrol edilebilmektedir.
Değişken hızlı rüzgar jeneratörleri , üretmiş oldukları değişken frekanslı gücü, ulusal şebekenin ihtiyaç duyduğu sabit frekanslı güce dönüştürmek için elektronik konvertörlere gereksinim duyarlar. Konvertör yardımı ile rüzgar türbini güç üretiminin düzenlenmesi , elde edilen akım dalgası genliğinin kontrolünü sağlamaktadır. Akım dalgasının frekansı ve faz açısı , rüzgar jeneratöründe hazır bulunan servis geriliminin izlenmesiyle belirlenebilmektedir. Bu yöntemde , sistem frekansı ile servis gerilim frekansının 50 ya da 60 Hz olmasına bakılmaksızın senkronize olması sağlanmaktadır. Bu yöntem ile aynı zamanda rüzgar türbininden alınan akımın faz açısı kontrol edilerek oluşturulan güç faktörü de kontrol edilebilmektedir.
Konvertördeki anahtarlanmalardan dolayı tipik harmonikler oluşacaktır. Yüksek anahtarlama frekansları düşük harmonikli dalgalar üretmektedir. IGBT (ısolated Gate Bipolar Transistor) gibi katı hal yarı iletken transistörler ile yüksek frekanslı anahtarlama yapılarak harmonik bileşenleri küçük olan iyi bir akım dalgası üretebilir. Rüzgar jeneratörünü servis şebekesine bağlayan yükseltici transformatörler ile gerilimin yükseltilmesi halinde düşük olan harmonikler daha da azaltılabilmektedir. Böylece ortak bağlantı noktasında rüzgar türbinleri aracılığıyla harmoniklerin bozucu etkisi çok küçük olacaktır.
6.1 RÜZGAR DİZEL SİSTEMLERİ
6.1.1 EŞ ZAMANLI YÜK KONTROLÜ
Eş zamanlı yük kontrolü, Landy ve Fair ada halklarına ucuz elektrik sağlamak amacıyla 1982 yılından beri başarılı bir şekilde işletimde bulunmaktadır. Fair Adası dizel rüzgar sistemlerinde önem sırasına göre üç öncelikli yük tanımlanmıştır. Çalışma prensibine göre yükün günün belirli saatlerinde ( örneğin, 7 9 ve 16 23 arası ) karşılanması zorunludur.
Bu öncelikli yükün rüzgar gücü tarafından karşılanamaması halinde, dizel jeneratörü çalıştırarak açık kapatılmaktadır. Rüzgar gücü birinci öncelikli yük gereksiniminden fazla ise, daha az önemli yükler devreye alınarak, enerji gereksinimleri karşılanmaktadır.
Sisteme ait hassas bir özellik ise, ikinci ve üçüncü öncelikli yüklerin frekans izleme anahtarı yolu ile sürekli olarak değiştirilebilmesidir. Bunun anlamı daha az önemli yüklerin rüzgar gücündeki dalgalanmalara bağlı olarak, sürekli sistem tarafından azaltılıp veya çoğaltılmasıdır. Şayet ikinci ve üçüncü önemdeki yükler düşer ve rüzgar türbini hiçbir yükü karşılayamaz ise, dizel sistemi tekrar devreye girmektedir. Bu sistem Fair Ada`sı için 5 sent/kwh fiyatla elektrik sağlamaktadır. Daha önceden sadece dizelden elde edilen elektrik fiyatı 27 sent/kwh olarak bildirilmektedir. Bu sisteme göre rüzgar gücü, dizel sisteminden daha fazla elektrik sağlamaktadır. Ancak rüzgar gücü çıktısının küçük bir oranı su ve sistem ısıtmasını içeren az önemli yüklere gitmektedir.
Bu yük kontrol sisteminin bir olumsuz yanı, rüzgar türbini çıktı fazlasından iyi bir şekilde yararlanacak belirlenebilir düşük önemli yüklerin olması gereğidir. Bu durum ise, sistemin ticari uygulanabilirliğini sınırlamaktadır.
6.1.2 ELEKTRO KİMYASAL DEPOLAMA
Rüzgar dizel sistemlerinde bulunan bir enerji depolama şekli, elektro kimyasal depolama veya akümülatör kullanılmasıdır. Akümülatörün kullanılması ile rüzgar dizel sistemleri, rüzgar dizel akü sistemleri olarakta anılmaktadır. Bu sistemler, genelde bir (veya daha çok) dizel jeneratörü, bir akümülatör ünitesi (çevirici ile ) , rüzgar türbinleri, ac / dc doğrultucular, dc / ac üç fazlı dönüştürücüler vb. gibi kısımlardan oluşmaktadır.
Bu rüzgar dizel akü sisteminin çalışma şekli, rüzgarın durumuna bağlı olarak değişmektedir. Rüzgarın iyi olması ve şebeke gereksiniminden daha fazla elektrik üretmesi halinde, fazla enerji, aküde depolanır. Orta rüzgar durumunda, şebeke yük açığını kapatmak için akümülatör de ve rüzgar türbinine ek olarak devreye girer. Şayet rüzgar çok zayıf ise, dizel jeneratörü çalıştırarak üretilen elektrik enerjisiyle şebeke beslenir. Genelde birisi diğerinin iki katı mesafede olan jeneratörlerin kullanımı ve bunlardan uygun olanının çalıştırılması, dizel tüketiminde oldukça önemli bir ekonomi sağlayacaktır. Çünkü büyük dizel jeneratörlerinin düşük kapasite ile çalıştırılmaları etkili ve ekonomik olmamakta, böylece enerji üretiminde amaçlanan düşük maliyet sağlanamamaktadır.
Almanlar tarafından üretilen rüzgar dizel akü sistemleri, İrlanda, Çin, Ürdün, Avustralya, İspanya ve Tayland gibi ülkelerde başarıyla kullanılmaktadır.
6.1.3 MEKANİK DEPOLAMA
Rüzgar dizel sistemlerinde kullanılan bir enerji depolama şekli ise, mekanik depolama veya volan kullanımıdır. Bir kinetik enerji depolama şekli olarak volanlar, girdi/çıktı enerjilerinden birinin sabit diğerinin değişken olduğu hallerde kullanılabilir. Bu elemanlar, rüzgar yapısındaki değişimlere bağlı olarak bir rüzgar dizel sisteminde de kısa süreli enerji depolama aracı olarak kullanılmaktadır.
Bir rüzgar dizel sisteminde kullanılan volanlar sadece yakıt tasarrufu sağlamayıp, aynı zamanda şebeke voltaj ve frekans kararlılığını da iyileştirmektedir. Ayrıca dizel jeneratörün sık sık çalışıp durmasıyla oluşabiliecek deformasyonlar da önlenebilecektir.
Imperial Collage, Rutherford Appleton Laboratuvars ce Leicester Üniversitesi tarafından yürütülen araştımada enerji depolama aracı olarak volan kullanılan bir rüzgar dizel sistemi geliştirilmiş ve deneme çalışmaları başarılı olmuştur. Bu sistemde volan maksimum 6000, minimum 1 devirle dönebilmekte, 12 Mj seviyesinde bir enerji sağlayabilmektedir. Volana enerji nakli ve alımı, bir elektronik varyatör kullanan iki kutuplu bir indüksiyon makinası aracılığıyla sağlanmaktadır.
Volanların düşük maliyetli ve uzun ömürlü olmalarından dolayı, rüzgar dizel sistemlerinde enerji depolama aracı olarak kullanılmaları oldukça caziptir.
6.1.4 HİDROLİK DEPOLAMA
Hidrolik depolama, rüzgar dizel sistemlerinde kullanılan diğer bir alternatif enerji depolama şekli olarak bilinir. Bir hidrolik toplayıcı ve hidrolik motor pompası kullanımı ile, sistemdeki fazla rüzgar enerjisi depolanabilir ve daha sonra rüzgar enerjisi kısa aralıklarla azaldığında, tüketiciye enerji sağlayabilir.
Hidrolik toplayıcılarda, enerji depolama süresi volanlara çok benzemekte ve bundan yararlanma süresiyle, volanlarda olduğu gibi birkaç dakikadır. Ancak, dönen volan veya hidrolikten hangisinin daha güvenli oldupu sorulabilir. İki sistemden hangisinde daha fazla enerji kaybı olduğu ve ekonomikliği de söz konusudur. Bu sorunların yanıtları ancak yapılacak ileri araştırmalarla bulunabilir.
Kısaca belirtirsek ulusal şebekeye bağlı olmayan uzak ve küçük yerleşim yerlerine elektrik sağlamak amacıyla kullanılabilecek rüzgar dizel sistemleri ucuz ve güvenilir elektrik enerjisi üretmektedir. Bu sistemlerin tasarımında, düzenli bir şekilde şebeke gereksinimini karşılamanın yanı sıra en az dizel tüketimi ve dizel jeneratörünün mümkün olduğunca az ve tam kapasitede çalıştırılması da hedeflenmiştir. Dizel jeneratörlerden maksimum verim sağlamak için genelde iki ( birisi diğerinin iki katı kapasitede ) jeneratör kullanılmıştır. Ayrıca rüzgar gücünün fazla olduğu durumlarda üretilen şebeke gereksinim fazlası enerji, depolanarak gerektiği zaman kullanılmaktadır. Bu durum , yakıt tüketimine (ve dolayısıyla maliyete) çok olumlu katkıda bulunurken ; dizel jeneratörün çabuk deforme olmasını da önleyebilmektedir. Şunu da belirtmekte fayda var ki; rüzgar dizel sistem tasarım ve geliştirilmesi Türkiyede de yapılabileceği gibi, kullanımı ulusal ekonomiye katkı sağlayabilecektir.
Kategori: Bilim