|
RÜZGAR
TÜRBÜNÜ
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.
Rüzgar
Türbünleri Kavramları
·
Yatay eksenli (HAWT) veya dikey eksenli (VAWT) tür rüzgar türbünleri
·
Önden-rüzgarlı (Up-Wind) veya arkadan rüzgarlı (Down-wind) rüzgar
türbünleri
·
Tek, iki veya üç kanatlı indüksyon
veya senkron üreteçli rüzgar türbünleri
·
Durdurma veya kanat eğimi denetimli rüzgar türbünleri
·
Değişmez veya değişken hızlı rüzgar türbünleri
Rüzgar
Türbünü Yapısı
·
Kule (tubular, boru şeklinde veya lattice
kafes şeklinde)
·
Döngen (rotor) Göbeğe (hub) takılmış fiberglass kanatlı
·
Türbün denetleyicileri
·
Nacelle (bir veya iki ana yataklı ana şaft)
-Rotor şaftında fren diski
-Vites kutusu (bazı türbünler vitessizdir)
-Üreteç şaftı
-Üreteç
Yön saptırma
-dalgalı akım
Rüzgar
Gücünün İletimi Ve Üretim Olayları Dizisi
1.
Rüzgar, rotoru çevirdiği için bir döndürüm üretilir.
2.
Rotorun oransal olarak düşük dönme sıklığı bi vites kutusu ile
artırılır.
3.
Vites kutusundan çıkan şaft, üreteci döndürür.
4.
Türbün denetleme mekanizmaları, frenler ve trafolar tarafından üretecin
ürettiği elektriğin orta gerilimli olmasını sağlar.
5.
Site kablo sistemi, site fren sistemi ve site kontrol sistemiyle site
trafolarına elektriği dağıtır.
6.
Site trafosu voltajı şebeke
gerilimi düzeyine yükseltir.
7.
Şebeke sistemi, elektriği kullanım için mahallelere dağıtır.
8.
Ara-İstasyon trafoları elektrik voltajını düşürür.
9.
Düşük yerel gerilim ağları elektriği ev ofis ve fabrikalara taşır.
Yatay
Eksenli ve Dikey Eksenli Türbünler
Teknolojik ve ticari olarak en çok kullanılan türbünler
yatay ekenli olanlarıdır. Dikey eksenli türbünler genellikle Darrieus tipi
makine lardır. Dikey eksenli türbünlerin üstünlükleri
·
Üreteç ve vites kutusu gibi donanımlar yeryüzündedir. Bu
nedene kuleye gerek duyulmaz.
·
Dikey eksenli türbünler yön saptırma
“Yaw” mekanizmasına
gerek duymaz,
Olumsuz yanları
·
Kule mekanizmasına gerek olmamasına karşın, yere yakın
oldukları için düşük rüzgar hızlarında çalışmak zorunda kalırlar.
·
Bu türbünler çalışmaya kendi kendine başlamaz
·
Bu türbünlerin yer yüzeyine bağlanmaları için çelik
halatlara gereksinim duyulur.
Önden
Rüzgarlı Makinalar
Bu makine larda rotor yüzü rüzgara doğru yönlenmişitr. Bu makinaların
en önemli üstünlüğü kulenin arkasında yapacağı gölgeleme etkisine
maruz kalmamaktır. Yıllardır yaygın olarak bu makinalar kullanılmıştır.
Öte yandan yine de kulenin önünde, azda olsa, bir rüzgar gölgelemesi vardır.
Yani, rüzgar kuleye eğilerek varır. Kule yuvarlak ve düz olsa bile bu
nedenle kanatın kuleden her geçişinde türbinin türbinin ürettiği güç
biraz azalır. İşte bu nedenle rüzgar
çekilmesinden dolayı kanatların çok ser yapılması gerekir ve kanatların
kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekir. Ayrıca, önden rüzgarlı
makineler, rotoru rüzgara karşı döndürmek için “Yaw” mekanizma
sına gerek duyarlar.
Arkadan
Rüzgarlı Makinalar
Bu makinaların rotorları kule arkasına konur.
Bunların önemli üstünlüğü rüzgara dönmek için “Yaw”
mekanizmasına gerek duymayışlarıdır.
Eğer “Nacelle” ve rotor uygun tasarlanırsa Nacelle rüzgarı pasif
olarak izler. Bazı rüzgar türbünlerinde bu kesin bir üstünlük değildir.
Üreteçten inen akım kabloları, rotor pasif olarak belli bir periyotta her öne
döndüğü zaman kablo dolanır. İşte “YAW” bu sorunu ortadan kaldırır.
Daha önemli bir üstünlük kanatların
esnek özelliğe sahip yapılmasıdır. Bu, hem ağırlık hem de makinanın güç
dinamiği açısından önemli bir üstünlük sağlar. Böylece kule yükü
azalmış olur. Arkadan rüzgarlı makinaların
temel üstünlüğü böylece önden rüzgarlı makinalara göre daha
hafif yapılması şeklinde ortaya çıkar. Ancak, kanat kuleden geçerken
meydana gelen güç dalgalanması, türbüne önden rüzgarlı makinalardan daha
çok zarar verir.
|
|
|
Önden ve Arkadan rüzgarlı Türbün |
Rüzgar
türbünün güç eğrisi
Bir türbünün güç eğrisi, çizim olarak verilir. ve hangi rüzgar
hızına ne kadar güç üretileceğini gösterir. Güç ölçümleri, araziye
kurulan ve rüzgar türbününe belli bir yakınlıkta göbek yüksekliği ile
aynı yükseklikte bulunan bir
anemometre ile ölçülür. Anemometre, türbün kanatlarının üreteceği türbülans
nedeniyle türbünün üzerine konmaz. Eğer rüzgar hızı çok hızlı
dalgalanmıyorsa, ölçülen rüzgar hızında türbünden elde edilen
elektriksel güçler elde edilir. Ve iki değer çizimsel olarak karşılaştırılır.
Ancak, rüzgar hızı ölçümlerinin kusursuz olması gerekir. Çünkü, rüzgar
hızı ölçümünde yapılacak %3 lük bir hata
enerji hesaplamalarında +-
%9 luk bir hataya neden olacaktır. Bu nedenle, sertifikanmış güç
eğrisinde dahi +-%10 bir hata olabilir. Güç eğrileri.
Düşük türbülanslı alanlarda yapılan ve türbününe doğru doğrudan
gelen akışkan ölçümlerine dayalıdır. Yerel türbülans ve karmaşık
arazilerde hamleler, rüzgar türbününe değişik yönlerden etki eder. bu
nedenle her hangi bir yerde kesin güç eğrisi elde etmek zor olabilir. Gerçekte,
bir güç eğrisi bir ortalama hızda rüzgar
türbününün ne kadar kesin güç üreteceğini göstermez. Ayrıca, türbünün
farklı sıcaklık ve yoğunluk koşullarında çalışacağı, bu nedenle farklı
güçler üreteceği unutulmamalıdır.
|
|
|
Rüzgar Türbünü güç eğrisi |
Rüzgar Türbünlerinde
Güç Ayarlanması
·
Durdurma denetimi ( kanatlar göbeğe sabitlenmiştir.
·
Kanat eğimi denetimi (çeşitli açılardan rüzgarı
yakalayabilir.)
·
Yön saptırma denetimi
Rüzgar türbünleri olabildiğince
ucuz olacak şekilde elektrik üretimi için tasarlanılır. Bu nedenle
bir türbün, yaklaşık 15l/s den en çok
güç üretimi verecek şeklide tasarlanılır. Çünkü, daha fazla hızlara
sahip rüzgarlar daha az oluşur. Çok
şiddetli rüzgar koşullarında rüzgar türbinlerinin hasarlanmaması için
belli bir hızdan sonrasında çalışması istenmez. Bu nedenle türbünlerde güç
denetimi mekanizmaları vardır. Bu mekanizmalar modern rüzgar tübünlerinin güvenle
çalışmasını sağlar.
Kanat eğimi (pitch)
denetimli rüzgar türbünleri
Kanat eğim lendirme denetimi, rüzgar türbinlerinde türbünün
elektronik denetimi sanayide birkaç kez güç denetimi yapar.
Güç üretimi çok yüksek olduğu zaman denetim mekanizması kanat eğimlendirme
mekanizmasını hemen rüzgarın dışında yavaşça döndürür.
Tersine durumda kanatlar, rüzgar tekrar azalana dek rüzgar geri döner.
Kanatlar böylece kendi dikey eksenlerinde dönerek rüzgar yakalama miktarını
ayarlarlar. Böylece rüzgar hızı
ne olursa olsun güç değişmez kılınmış olur. Olağan işletimde kanatlar
birkaç derece döner. Kanat eğimi deneyimili rüzgar türbünlerinde
bilgisayar, kanatları birkaç derece döndürerek
rüzgar değişikliklerini tüm hızlarda gücü en büyük
yapacak şekilde kanatları rüzgara en iyi açıda tutar.
Durdurma (stall)
denetimli rüzgar türbünleri
Bu türbünlerde kanatlar göbeğe sabit bir açıda bağlanmıştır.
Kanat profili geometrisi, döndürme
Sağlamak için aerodinamik olarak tasarlanmıştır.
Kanatların yanında türbülans yaratır. Durdurma mekanizması kanatlardaki
kaldırma kuvvetini önler. Rüzgar hızı arttıkça aynı noktada kanatın
yakalama açısı artacak ve kanat durmaya başlayacaktır. yani rüzgar arttıkça
kanat dikey eksende bükülmeye başlayacaktır.
Kanatlı (Flaps)
Denetim
Eski model türbünlerde gücü denetlemek için kanat şekli değiştirilir.
Yön saptırma (yaw)
Denetimi
Rotoru kısmen rüzgarın dışına çevirmekle güç azaltılır. Bu
teknik pratikte çok küçük güçlü rüzgar türbünlerinde kullanılmaz.
Hız Denetimi
Başlama rüzgar hızı: genellikle rüzgar türbünleri 3-5m/s de çalışmaya
başlayacak şekilde ayarlanır.
Kesme rüzgar hızı: rüzgar türbünleri, hasar lanmayı önlemek için,
yaklaşık 25m/s rüzgar hızı üzerinde çalışmayacak şekilde tasarlanır.
Deniz-üstü Rüzgar Türbünleri
Deniz-üstü rüzgar türbünlerinin en önemli üstünlüğü ve özelliği,
maliyetlerinin daha az olmasıdır. Deniz altı kablo lama ve temeller,
kıyıdan uzak rüzgar enerjisinin son zamanlara kadar pahalı bir seçenek
yapmış iken, yeni temel teknolojileri ve Mega-watt
boyutlu rüzgar türbünleri şimdi
kıyıdan uzak rüzgar türbünleri en azından 15m ye kadar deniz derinliği için,
karadaki türbünler ile yarışabilir. Kıyıdan uzaktaki rüzgarlar, karadaki
düz arazilerden %50 daha çok
enerji üretebildiği için, kıyıdan uzak bütün yerleşimleri oldukça çekici
olmuştur. Yeni teknolojiler 15m su derinliğine kadar ekonomik olunacağını göstermektedir.
1.5MW büyüklükteki türbünleri
şebekeye bağlantısı ve temel işleri 450-500 kW lık türbün lerin kinden yalnızca %10-20 oranında yüksektir. Deniz-üstü petrol
platformları ile ilgili deneyimler, bu platformların korozyon önlemleri ile
korunabildiğini göstermektedir. Yüzey koruma ile kara türbünlerinden daha yüksek
koruma sistemi deniz üstü rüzgar türbünlerinde de olacaktır.
İlk ticari deniz-üstü rüzgar parkı, kıyıdan 15-40km uzaklıkta 5,
10, 15m derinliklerde 120-150MW olarak Danimarka da kurulması planlanmaktadır.
Kullanılacak türbünler 1.5MW güçte olup, işletmeye yaklaşık 5 yılda geçilecektir.
Bu tür türbünlerin şebekeye bağlantısı deniz altı kabloları ile yapılacaktır.
|
 |
|
Deniz Üstü Rüzgar Tarlaları |
Rüzgar Türbünlerinin
Şebekeye Bağlanması
Büyük ölçekli rüzgar türbünleri ulusal şebekeye bağlanır. Ve üretilen
enerji şebekeye verilir. rüzgar olmadığı zaman gereksinim duyulan enerji şebekeden
karşılanır. Şebeke bağlantılı rüzgar türbünleri yüksek rüzgar hızlarında,
yüksek döndürüm oluşturmak için 2-3 kanatlı yapılırlar. Su pompalamak için
kullanılan rüzgar türbünleri, çok kanatlı olduğu için düşük dön dürüm
üretmektedir. 3 kanatlı türbünler daha fazla enerji üretirler. Görüntüleri
daha estetiktir. Ancak daha pahalı, daha ağır ve kurulmasının daha zor
olması kusurlarıdır. 2 kanatlı sistemler, daha ucuz daha hafif ve
daha yüksek rüzgar hızı olmayışı ve gürültülü çalışmaları, kolay
kurulma üstünlüğüne karşın, önemli bir kusurdur.
Şebeke Bağlantılı Rüzgar
Santrallari
Yalnızca bir yerleşim yerinin elektrik enerjisi gereksiniminin karşılayabileceği
gibi, belli bir yerde çok sayıda şebekeye elektrik sağlamak amacıyla
kurulurlar. Şebeke bağlantılı
sistemlerde günümüzde ticari olarak en yaygın olanı 600kW lık birim ünite
gücüne sahip türbünlerdir. Kanat çaplarındaki gelişmeye koşut olarak,
birim türbün gücünün önümüzdeki yıllarda optimum büyüklük olarak
kabul edilen 1-3MW lık düzeye ulaşması beklenmektedir.
Ülkemizde Demirer Holding A.Ş tarafından uygulaması olan 3 adet türbün
ile uygulamaları gerçekleştirilecek olan
santrallerdeki birim ünite gücü 600kW tır.
Şebekeden Bağımsız
Rüzgar Üreteçleri :
A,
Rüzgar Pompası
Bu pompalar çok kanatlı, düşük rüzgar hızında döndürüm
sağlayabilen, su pompası ile bağlantılı olarak çalışabilen, genellikle
su pompalamada kullanılan sistemlerdir.
b.
Şebekesiz Uygulamalar
Uygulamaların çoğu küçük ucuz rüzgar türbünleri şeklinde ve
bireysel olarak veya kotular için elektrik enerjisi üretmek şeklindedir.
Rüzgar
Türbünü Ömrü
Eğer bir otomobil ortalama 80-90km/saat lik bir hızda yaklaşık
150-200 bin km yol yaparsa, bu yolu almak için geçe süre yaklaşık olarak
2000saat olacaktır. Ortalama hız düşük ise, bu süre 3000 saati bulacaktır.
Rüzgar türbünlerinin yılın 8760 saati
çalıştığı düşünülürse 150 000 km yol yapan aracın parçalarının
değiştirilmesinde olduğu gibi, bu değiştire, rüzgar türbünündede
olacaktır. Günümüzde 15-16 yıldan daha fazla çalışan türbün olmadığı
için kesin bir ömür verilmemekle
birlikte, beklenen türbün ömrünün 20-30 yıl olabileceği söylenebilir. Dünya
da bu gün için yaklaşık 30 000 türbünün çalıştığı bilinmektedir. Rüzgar
türbünlerinin kanatları fiber-glass
polyester malzemeden, nadiren de tahtadan yapılmaktadır.
Kuleler ise, çelik boru şeklinde, kafes tipi veya betondan üretilmektedir.
Günümüzde yaygın kullanılan rüzgar türbünleri yaklaşık 3-5m/s
de çalışmaya başlar. Maksimum güce yaklaşık 15m/s ulaşır yaklaşık
25m/s çalışmaz. Kanatlar dakikada yaklaşık 15-50 kez döner, ancak değişken
kanat hızlı türbün çeşitlerinin sayısı giderek artmaktadır.
Rüzgar
Türbünleri Bakımı
Modern rüzgar türbünleri 20 yıllık ömürlerinde 120 000 saat çalışacak
şekilde tasarlanırlar. Bu süre, bir otomobilin 4 000-6 000 saat çalışma
aralığından çok daha fazladır. Pratikteki deneyimler, yeni türbün bakım
maliyetleri artmaktadır. Danimarka da 1975 den beri kullanılan 4 400 türbün
üzerinde yapılan çalışmalar,yeni üretim türbünlerinin bakım ve onarım
maliyetlerinin eski üretim türbünlerin bakım ve onarım maliyetlerinden
oldukça düşük olduğu görülmektedir. Eski Danimarka türbünlerinin yıllık
bakım maliyetleri, türbün yatırım maliyetlerinin %3 dolayındadır.
Yeni üretim türbün lerinde ise bu oran, yatırım maliyetlerinin
%1.5-2 dolayındadır. Tek bir türbünün bakım maliyeti,
bir rüzgar parkındaki türbünlerin bakım maliyetinden daha pahalıdır.bazı
rüzgar türbünü parçaları bozulmaya ve değiştirilmeye, diğerlerinden çok
maruz kalır. Bu, özellikle rotor kanatları
ve vites kutusu görülür. Özellikle kanatlar, vites kutusu veya üreteç türbün
fiyatının %15-20 arasında değişen
kısmını oluşturur. Türbünlerin
20 yıllık tasarım ömrü üreteçler tarafından belirtilmektedir. Ancak gerçek
ömür hem türbün kalitesine hemde lokal klimatolojiye bağlıdır. Örneğin,
site”deki türbülans miktarı gerçek ömrü önemli oranda belirleyen değişkendir.
Rüzgar
Türbünü Güvenliği
Rüzgar türbünün kantları ve diğer parçaları en az 50 yıl için
tasarlanır. Bu süre, rüzgarlı
hava koşullarında rüzgar türbününün 120 000 saat işletilmesi anlamına
gelir. Bu süre ortalama otomobil motorunun 5000 saat çalışma süresi ile kıyaslanırsa
rüzgar türbününün çok daha uzun çalıştığı görülür. Büyük modern
rüzgar türbünleri normal olarak konik çelik boru şeklinde kuleler kullanırlar.
Bu kulelerin kafes kulelere göre en büyük üstünlüğü , daha güvenli
olması ve rüzgar türbünün bakım ve onarımının personel tarafından daha
rahat ve güvenli yapılmasını sağlamasıdır. Kusuru ise, maliyetleridir.
Kafes tipi kulelerin en büyük Kusurları,
rüzgar çiftliğinde daha az uygun olması ve yanına varılabilirliğinin zor
olmasıdır. Bakım onarım ve servis için az güvenliklidir.
Kule yüksekliği, türbünleri kurarken ve bakım çalışması yaparken
en tehlikeli özelliktir. Fakat yeni rüzgar türbünlerinde personelin düşmemesi
için inerken ve çıkarken her türlü güvenlik önlemi alınmıştır.
Bakım anında makinaların tamamen
durması gerekmektedir. Kritik parçaların bozulması durumunda ve ya şebekenden
ayrılma durumunda, rotorun ve türbünün durması gerekmektedir. Bu durumda durma olmazsa, rotor çok kısa sürede hızlanmaya
başlayacaktır. İşte bu durumlarda aşırı
hızlanma koruması olmalıdır. yeni modern türbünlerde bu önlem vardır.
|
