Connect with us

A'dan Z'ye Rüzgar Santrali

3.3 Saha Seçimi

Yayın tarihi:

-

3.3 Saha Seçimi

Yukarıda belirtilen kriterler doğrultusunda ölçüm direği aşağıda bahsedilecek olan kurallar ve yönetmelikler dâhilinde yer seçimi yapılarak montajı yapılacaktır. Rüzgâr elektrik santralinin kurulacağı bölgede en az 1 yıl ölçüm yapılmalıdır. Herhangi bir bölgeye rüzgâr ölçüm direği dikilmeden önce arazi belirlemede dikkat edilmesi gereken bazı kriterler bulunmaktadır. Rüzgâr elektrik santral yatırımının temeli, bu noktada yatmaktadır. Bu amaçla rüzgâr potansiyelinin yüksek olduğu bölgelerin belirlenmesi gerekmektedir. Bu aşamada ilk yapılması gereken rüzgâr potansiyelinin yüksek olduğu bölgelerin yaklaşık olarak değerlendirilerek detaylı incelemeye tabi tutulması için planlama yapmaktır. Tahmini rüzgâr hızlarının yüksek olduğu bölgelerin belirlenmesi amacı ile başvurulacak ilk kaynaklar ise, o ülke için hazırlanmış rüzgâr atlası, bilimsel tezler, meteoroloji istasyon verileri veya konu ile ilgili diğer kurumların yapmış olduğu rüzgâr ölçümleridir.

Şekil 3.5 Türkiye Rüzgâr Atlası

3.3.1 Saha Araştırmaları

Rüzgâr enerji santrali kurulması planlanan arazide yapılacak ölçümler için aday sahalar belirlenir ve bu sahalarda detaylı araştırmalar yapmak için hazırlıklara başlanmalıdır.

3.3.2 Saha Gezileri

Potansiyel sahalar belirlendikten sonra, sahaya keşif gezileri yapılmalıdır. Yapılan teknik keşiflerde yöre ahalisinden, köylülerden, çobanlardan, orman işletme şefliklerinden ve avcılardan bilgi alınabilir. Yöre halkının gözlemleri, yel değirmenleri veya eski yel değirmeni kalıntıları, rüzgâr veya yel isimlerini içeren bölgeler (Esentepe, Esenşehir, Yeltepe, Poyrazdamları vb. gibi) bir nevi veri gibi kabul edilebilir.

Şekil 3.6 Örnek Saha Gezisinden

 

Şekil 3.7 Keşif Gezisinde Tutulan Güzergâh Bilgisi

Yörede uzun yıllardır bulunan insanlar en önemli veri kaynağıdır. Bununla beraber, doğanın kendisi de önemli bir veri kaynağı olabilmektedir. Rüzgârın bölgede bulunan ağaç, çalılık, taşlar, kayalıklar gibi doğa nesneleri üzerinde oluşturduğu etkiler de bazen çıplak göz ile görülebilmektedir. Şekil 3.8 ve Şekil 3.9’da bu etkileri göstermektedir. Özellikle küçük ağaçlar üzerinde daha da iyi gözlemlenebilen bu etkiye bayraklama (flagging) denir.

Şekil 3.8 Bayraklama                                                                                                      Şekil 3.9 Bayraklama

Rüzgârın ağaç ve çalılıklar üzerinde yaptığı etkileri Griggs-Putnam indeksi olarak bilinen bir çizelgede bulunmaktadır. Bu indekse göre rüzgârın çalılar veya ağaçlar üzerinde yaptığı etki 8 sınıfa ayrılmıştır.

Şekil 3.10 Griggs Putnam Index                                                                                              Şekil 3.11 Barsch İndeksi

Rüzgârın ağaç ve çalılıklar üzerinde yaptığı etkileri gösteren bir diğer indekste Alman bilim adamı Barsch tarafından geliştirilen “Barsch İndeksi’dir.” Bu indeks, O ile VI arasında toplam 7 sınıfta toplamıştır. Barsch İndeksi’nde Griggs-Putnam İndeksi’nden biraz farklı olarak ağaç deformasyon oranı tanımlanmıştır ve aşağıdaki eşitlikle verilmektedir:

D = A / B = C / 45°

A / B oranı yani  D, 1  D  5 arasındadır. D = 1 ise, herhangi bir deformasyon yoktur, dolayısıyla rüzgâr da yoktur.

3.3.3 Dikkat Edilmesi Gereken Noktalar

Bölgenin incelenmesi bir rüzgâr ölçüm direğinin dikilmesinden ibaret olarak değil; daha sonra kurulması düşünülen rüzgâr enerji santralinin kurulacağı gerçeği de dikkate alınmalıdır. Bu amaçla aşağıdaki hususlara dikkat etmek gerekmektedir:

1. Saha belirleme yöntemleri için öncelikli olarak dikkat edilmesi gereken hususların başında ofis çalışmaları ve önceden edinilmiş altlıkların incelenmesi gelir.

2. Ofis ortamında inceleme yapılan saha ve sahalar için keşif gezisi yapılmalıdır. Ofis ortamında tespit edilen verilerin sahada görülmesi ve gerekli tedbirlerin alınması için gereklidir.

3. Yapılan çalışmalar ölçümleme yapıldıktan sonra santral bölgesi için alınacak olan izinlere de önceden hazırlık alt yapısını hazırlamaktır.

Mülkiyet Belirlenmesi (Orman, Özel Mülk, Hazine)

Bölgede bulunan mülk sahiplerinin bilinmesi çok önemlidir. Arazi niteliğine göre mülki- yeti özel şahıs, hazine, orman, mera gibi vasfında olan taşınmazların kadastral çalışmaları tamamlandıktan sonra ilgili kayıtların tabu müdürlüğünden alınarak taşınmaz sahiplerinin belirlenmesidir.

Çevredeki Diğer Enerji Santralleri Bilgileri

Yarışma öncesinde mevcut lisanslı sahaya girmemek ve türbin konumlandırmasını ona göre yapabilmek.

Sahaya Ulaşım

Sahaya ulaşımın kolay olmalıdır. En azından bir servis yolu, stabilize veya toprak yolunun bile olması yeterlidir. Daha ileriki aşamalarda bölgeye tırlarla gelecek teçhizatın, vinçlerin olacağı ulaşım yolları düzenlenecektir.

Trafo Merkezi ve Enerji Nakil Hatları

Rüzgâr enerji santrallerinde trafo merkezlerine yakınlık çok önemlidir. Günümüz şartlarında bağlantı onayını TEİAŞ vermektedir. (154-380 kV) Bazı durumlarda doğrudan enerji nakil hatlarına girdi-çıktı (saplama) nadir olarak izin verilmektedir. Trafo merkezi ve rüzgâr enerji santrali arasındaki uzaklığın artması proje maliyetini de etkilemektedir.

Askeri Bölgeler Vor İstasyonları TEA Analizi

Ülkemizde konuyla alakalı olarak TÜBİTAK bünyesinde kurulan (RAPSİM), rüzgâr türbinlerinin, askeri ve sivil elektronik sistemlerin performansları üzerindeki etkilerini araştırması maksadıyla kurulmuştur. Önlisans alan tüm rüzgâr enerji projeleri bu kurumdan görüş alarak ilerlemektedir.

Sit Alanları, Milli Parklar

Seçilecek olan sahanın milli park, SİT alanı, muhafaza ormanı vb. kısıtlamalara tabi ol- maması gerekmektedir. Eğer seçilen saha bahsedilen bölgelerden birinde bulunuyorsa rüzgâr profilinin çıkarılması için dikilecek rüzgâr ölçüm direkleri için dahi ilgili kurumlardan izin alınamaz.

Arazinin Topografyası

Seçilecek saha kurulması planlanan rüzgâr türbinlerinin bölgeye ulaştırılması, montajının yapılabilmesi adına fazla engebeli bir lokasyonda bulunmamalıdır. Sahadaki eğimin, büyüklüğünün yeterli olması ve aynı zamanda jeolojik açıdan da imara uygun olması gerekmektedir.

GSM Operatörleri ve Baz İstasyonları

Seçilecek sahanın GSM operatörlerine ait baz istasyonlarına ve radyo link hatlarına yakın olmaması gerekmektedir.

  • Arazi Bitki Örtüsü ve Etkileri (Orman vs.)
  • Kuş Göç Yolları
  • Fay Hatları
  • Pürüzsüzlük Haritası

Yukarıda sayılan sebeplerden dolayı saha seçimi yapılırken çok hassas davranılmalıdır. İleriki çalışma dönemlerinde yapılacak olan İmar Planı çalışmaları, ÇED çalışmaları bu etapta verilecek olan kararlar ışığında ilerleyecektir. Baştan atılan adımların sağlam olması projenin de ilerleyişinde kolaylık sağlayacaktır.

3.4 Rüzgâr Türbini Yer Seçim Esasları Mikrokonuşlandırma (MICROSITING)

Bir veya birden fazla rüzgâr türbininden oluşan enerji üretim sistemlerine rüzgâr enerji santrali denilmektedir. Hızla gelişen endüstride rüzgâr enerji santrallerinin kurulumuna yönelik gerçekçi bir yatırım yapılabilmesi için; santralin kurulacağı bölge belirlenmeli, bölgenin ön değerlendirmesi, rüzgâr verilerinin analizi, türbinin mikrokonuşlandırması, türbin kurulacak alanda alt yapı çalışması, uygun türbin seçimi, enerji üretim değerlendirmesi, ekonomik analiz ve çevre etki değerlendirmesi yapılmalıdır. Rüzgâr türbini yer seçimi için ise, bölgedeki hâkim rüzgâr yönü belirlenerek türbinin kurulacağı alandaki ortalama rüzgâr hızının en az 6 ve üzerinde olması gerekmektedir. Her rüzgâr türbini rüzgârdaki enerjiyi alıp elektrik enerjisine çevirdikten sonra rüzgârı yavaşlatır. Bu sebeple, rüzgâr türbinlerinin belli aralıklarla yerleştirilmesi gerekmektedir. Rüzgâr enerji santrali kurulacak saha içinde rüzgâr türbinlerinin en fazla üretim yapabilecek şekilde optimum olarak yerleştirilmesi işlemine mikrokonuşlandırma denir. Mikrokonuşlandırma için rüzgâr türbinleri, tek bir hat boyunca yerleştirilebileceği gibi çift sıralı olarak da yerleştirilebilmektedir. Rüzgâr enerji santrallerinde, türbinler birbirlerinden en az yatayda 3 kanat çapı (3D) uzaklıkta kurulurlar. Bunun nedeni, türbinlerin akıntı yönünde yaratacağı türbülanstan kaçınmaktır. Genel olarak bir rüzgâr enerji santralinde, aynı sıradaki türbinler arası en az 7 kanat çapı (7D), yatayda türbinler birbirlerine en az 3 kanat çapı (3D) mesafe ve çapraz olarak konumlandırmada (5D) 5 kanat olacak şekilde yerleştirilirler. Rüzgâr türbinlerinin mikrokonuşlandırılması Şekil 3.12’de verilmiştir. Konuşlandırmalar arazinin topografyasına hâkim rüzgâr yönüne göre değişkenlik gösterebilir. Temel kavram korunduğu takdirde yerleşimde kayıplar ve etkilenmeler en aza inecektir. Bu çalışmada, rüzgâr türbinlerinin yer seçim esasları değerlendirilerek türbinlerde iz etkisi, tünel etkisi, tepe etkisi ve türbinlerin mikro konuşlandırması (yerleşim etkisi) analiz edilmiştir.

Kurulan rüzgâr türbini için diğer önemli parametre ise kapasite faktörüdür (KF). Kapasite faktörü, türbinin yıllık net enerji üretim miktarının türbinin maksimum güçte üretebileceği yıllık teorik enerji miktarına oranı olup birim dönüştürmesiyle aşağıda verilmiştir.

Burada, rüzgâr türbininden bir yılda üretilen enerji (GWh) ve NN ise rüzgâr türbininin nominal gücüdür (GW). Türkiye’de rüzgâr türbinlerinin ortalama kapasite faktörü, dünyada olduğu gibi %30-35 seviyelerindedir. Rüzgâr enerji santrallerinin kapasite faktörü termik, hidro- elektrik ve nükleer santrallerin kapasite faktörüne göre çok daha düşük olup bu durum Tablo 3.2’de verilmiştir.

Tablo 3.2 Enerji Santrallerinin Kapasite Faktörü

 

Şekil 3.12 Rüzgâr Türbinlerinin Örnek Mikro Konuşlandırılması 1

 

Şekil 3.13 Rüzgâr Türbinlerinin Örnek Mikro Konuşlandırılması 2

Rüzgâr türbinlerinde kanatlardan ayrılan rüzgâr enerjisi türbine gelen rüzgâr enerjisinden her zaman daha düşük olmaktadır. Bir rüzgâr türbini rüzgâr altı yönünde daima bir rüzgâr gölgelemesi yaratır. Rüzgârın kule tarafından engellenmesiyle oluşan rüzgâr gölgelemesi, türbinin arkasında uzun bir aralıkta oldukça fazla türbülans oluşturur. Bu nedenle bir rüzgâr türbini engellerden en az iki katı yükseklikte ve engelden 20 katı uzakta bir mesafede kurulmalıdır.

Şekil 3.14 Rüzgâr Türbinlerinin Engellere Karşı Konumlandırılması

3.4.1 Micrositing için hangi verilere ihtiyaç vardır?
  • Rüzgâr Verisi
  • Yükselti Eğrileri
  • Roughness/Pürüzlülük
  • Sahanın Teknik Kapasitesi
  • Sahanın Büyüklüğü ve Sınırları
  • Gücü, vs.
  • Sahanın Diğer Özellikleri
  • Arkeolojik Sahalar
  • Göçmen Kuş Yolları
  • SİT Alanları, vs.
  • Kullanılan her verinin aynı koordinat sisteminde gösterilmiş olması gerekir.
3.4.2 Genel Micrositing Aşamaları
  • Sahanın Modellenmesi
  • Yükselti Eğrileri
  • Eğim Haritası
  • Modellemesi
  • Pürüzlülük Haritası ve Eğrileri, Bina ve Ağaç Modellemesi
  • Rüzgâr verilerinin değerlendirilmesi; Verinin ayıklanması, aylık, yıllık ortalama rüzgâr hızları, temel rüzgâr yönü, türbülans yoğunluğu, buzlanma, saha rüzgâr hızının türbin üretiminde etkisi
  • Sahaya Spesifik Rüzgâr Haritasının Çıkarılması
  • Türbin yerleşiminde dikkat edilmesi gerekenler; eğim haritası, yükselti haritası, saha sınırları, rüzgâr atlası, türbin yük hesaplamaları, türbin arası mesafeler
  • Gürültü/Ses, Gölgeleme
3.4.3 Kapasite Faktörü

Rüzgâr türbinlerinin teknik özellikleri ve teknik performansları göz önüne alındığında, türbinlerin kapasite faktörlerinin yüksek rüzgâr potansiyeline sahip bölgelerden, direkt etkilendiği görülmektedir. Bu da türbin yatırımlarının daha kısa sürede geri ödenmesine olanak sağlar. Kapasite faktörü hem üreticiler hem de kullanıcılar açısından bilinmesi gereken önemli bir performans parametresidir. Kapasite Faktörü belirli bir zaman diliminde üretilen enerjinin o zaman diliminde üretilebilecek maksimum enerjiye bölümüdür ve şu şekilde ifade edilir.

Formülde CF Kapasite Faktörü, Er = 8760xPt türbinin yıllık üretebileceği maksimum enerji, Pt Türbin çıkış gücü,  Eout türbinin ürettiği gerçek enerji miktarını göstermektedir. Türkiye’de bulunan rüzgâr türbinleri için hesaplanan kapasite faktörünün %25 ve üzerinde olması yatırım için uygun görülmektedir.

3.4.4 Rüzgâr Güç Formülasyonu

Rüzgâr hareket halindeki bir hava akımı olduğundan kinetik enerjiye sahiptir. Rüzgârdan elde edilebilecek güç;

olarak bulunur. Kullanılan birimler:

 

 E = Watt / m2,

ρ : Hava yoğunluğu (1.223 kg / m3 ),

A : Hesaplamada kullanılan rüzgâr türbininin süpürme alanı ( m2 ),

V : Rüzgâr şiddeti (  m / s ).

Şekil 3.15 Rüzgârdan Enerji Üretimi

3.4.4.1 Hava Yoğunluğu

Sahamızdaki ölçümlerle elde edilebilecek basınç denkleminde de görüldüğü gibi yoğunlukla doğru, hava sıcaklığı ile ters orantılıdır. Yani soğuk hava ve yüksek basınç dönemlerinde yoğunluk artar. Bu durumunda üretim üzerinde olumlu bir etkisi olur denilebilir. Deniz seviyesinden yükseldikçe düşen hava basıncı yükseklere kurulan türbinlerin daha düşük hava yoğunlukta çalışmalarına neden olur. Rüzgar analizleri yapılırken de yakınlarındaki bir meteoroloji istasyonundan ya da sahaya kurulan ölçüm direğinden elde edilmiş verilerle türbin noktaları için hava yoğunlukları hesaplanır. Her ne kadar hava yoğunluğu yılın belli dönemlerinde ya da günün farklı saatlerinde değişse de çalışmaların basitleştirilmesi adına tüm yılın ortalaması kullanılır. Türbinlerin de bu ortalama değer için hesaplanmış güç eğrileri analizlerde kullanılır. İdeal bir gaz için gaz eşitliği;

p. V = n . R . T

Olarak verilmektedir. Bu eşitlikte;

R : Evrensel Gaz Sabiti,

T : Kelvin Cinsinden Sıcaklık

V : Gazın Hacmi (kg / m3 )

P : Basınç (Pascal, N / m2)

N : Gazın Kilomoleküllerinin sayısıdır.

3.4.5 Weibull Dağılımı

Rüzgâr verilerinin analizinde kullanılan Weibull Dağılımı’nın parametreleri kullanılarak herhangi bir rüzgâr hızının frekansı konusunda hassas bir tahminde bulunmak mümkün olabilmektedir. Weibull yoğunluk fonksiyonu, rüzgârın herhangi bir hızda esme sıklığını gösteren fonksiyondur. Weibull yoğunluk fonksiyonunun elde edilebilmesi için şekil ve ölçek parametrelerinin bilinmesi gerekir. Rüzgâr hızı için, iki parametreli Weibull olasılık yoğunluk fonksiyonunun genel ifadesi:

V : Rüzgâr hızı

k : Şekil faktörü

c : Ortalama rüzgâr hızına bağlı bir parametre ( V / c = 0,89 )

Weibull olasılık dağılımının ölçek parametresi c=l ve değerlerinin arttığı görülmektedir. Eğriler keskinleştikçe, rüzgâr hızındaki değişimlerin azaldığı anlamına gelmektedir.

Şekil 3.16 Farklı k Değerlerine Göre Weibull Dağılımı

Şekil 3.16’da da görüldüğü üzere k değerinin artışıyla birlikte k parabolünün de kolları birbirine yaklaşmaktadır. Grafik üzerinden gidilecek olursa k değeri küçüldükçe rüzgârın değişken bir profile sahip olduğu, zıt şekilde k değeri büyüdükçe rüzgârın kararlı bir yapıya sahip olduğu söylenebilir. “k” değerinin 2’ye eşit olduğu noktalar iklimsel rüzgarları ve 3 olduğu değerler ise sabit rüzgarları belirtmektedir. Şekil 3.16’da verilen grafikte k değerinin 1,5’a eşit olduğu nokta ise aşırı değişken rüzgarları ifade eder.

Şekil 3.17 Weibull Dağılımı

3.4.6 Rayleigh Dağılımı

Rüzgârın belli bir periyotta değişimi ve dağılımı, enerji üretimi değerlendirmeleri için çok önemlidir. Türbin tasarımcıları; türbin iyileştirmesinde ve maliyetleri en aza indirmede rüzgâr dağılımı ve değişimi ile ilgili bilgilere gerek duyarlar. Bir yerde sadece ortalama rüzgâr hızı (rort v) biliniyorsa; Rayleigh Dağılım fonksiyonu yardımıyla herhangi bir rüzgâr hızının (ri v), esme saati (hr) yüzdesi bulunabilir. Bunun sonucunda ortaya çıkan rüzgâr hızları bir olasılık yoğunluğu dağılımıdır. Dağılım şematik olarak çizildiğinde bu dağılımın altında kalan alan bire eşittir. Çünkü rüzgârın sıfır dâhil herhangi bir hızda esme olasılığı %100’dür. Rayleigh yoğunluk fonksiyonu;

Rayleigh kümülatif dağılım fonksiyonu;

şeklindedir. Rayleigh Dağılım fonksiyonuna göre esme hızı saati;

olarak bulunur. Rayleigh Dağılımı’nın en büyük avantajı sadece ortalama rüzgâr hızı ile dağılımın belirlenmesidir. Rayleigh Dağılımı’nın rüzgâr çalışmalarında geçerliliği pek çok referansta gösterilmiştir.

Nordex firmasına ait farklı platformlarda ve rüzgâr sınıflarında üretilmiş rüzgâr türbin kataloğu

Şekil 3.18 Nordex Firmasının Ürün Gamı

3.5 Sahaya Uygun Rüzgâr Türbini Seçimi ve Güç Formülasyonu

3.5.1 Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması

Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) 1988 yılında çalışmaya başladığı ilk uluslararası standart olan “IEC 1400-1Rüzgâr Türbini Generatör Sitemleri-Bölüm 1 Güvenlik Koşulları”nı 1994 yılında, ikinci sürümünü de 1997 yılında yayınladı. Bazı önemli değişikliklerle gözden geçirilmiş olarak ve yeni numarası IEC 64100-1 ile 1999 yılında yeniden yayınlandı. Son olarak; rüzgâr ve türbülans sınıfları ve modeller, yük durum tanımlamaları, yük analizleri, kontrol, mekanik sistem ve konum değerlendirmeleri gözden geçirilerek IEC 64100-1 standardı 2005 yılında yayınlanmıştır. Bu standarda göre günümüzde rüzgâr türbinleri tasarım ve rüzgâr koşulları açısından dört sınıfa ayrılmıştır. Sınıflar rüzgâr hızları ve türbülans verilerine göre tanımlanmıştır. Rüzgâr hız parametreleri her bir sınıf için Tablo 3.3’te verilmiştir. Hesaplamalarda hava yoğunluğu 1.225 kg / m3 kabul edilmiştir.

Türbin sınıflarına bakıldığında rüzgâr hızının belirleyici olduğu görülmektedir. Sınıfı I olan türbinlerin yüksek rüzgâr hızlarına daha dayanıklı olduğu ve sınıf arttıkça yüksek rüzgâr hızlarına olan dayanımın azaldığı görülmektedir. Rüzgâr enerjisi projelerinin başarısı, rüzgâr çiftliklerinin yerleşimi ve türbin tipi seçimi rüzgâr kaynaklarına bağlıdır. IEC 64100-1 standardının amacı, bir kurulum protokolü türbin sınıflandırma sitemi ile türbin güveliğini ve konuşlanmasını sağlamaktır.

Tablo 3.3 Rüzgâr Türbin Sınıfları için Rüzgâr Hızı Parametreleri

3.5.2 IEC Standartlarında Seçilen Türbinlere Örnek Teknik Özellikler

Bu çalışmada Nordex firmasının 3,3 – 3,6 MW gücünde farklı çap ve süpürme alanına sahip fakat farklı sınıfta üç farklı modeli incelenmiştir. Türbinler IEC 64100-1 standardına göre Ia, IIa, IIIa şeklinde üretici firma tarafından sınıflandırılmıştır. Türbinler üretim sınıflarına göre I, II, III sınıflarına ayrılarak her bir sınıf kendi içerisinde ve genel değerlendirme içerisinde incelenmiştir. Türbinlere ait teknik veriler üretici firma kataloglarından elde edilmiştir. Tablo 3.4‘de 3,3 ve 3,6 MW gücündeki türbin modelleri, sınıfları, rotor çapları, nominal hızları, devreye girme ve devreden çıkma hızları gösterilmiştir.

Tablo 3.4 Hesaplamada Kullanılan Türbinlerin Teknik Özellikleri

Türbinlerin sınıflarıyla diğer özellikleri karşılaştırıldığında; rotor yarıçaplarının genel olarak türbin sınıfıyla uyumlu olduğu, rotor yarıçapların 100 ve 131 metre arasında değiştiği ve buna bağlı olarak süpürme alanlarının da değiştiği, türbinlerin 3,5-4 m /s rüzgâr hızı aralığında devreye girdiği, nominal hızlarının 11,5-14 m /s rüzgâr hızları arasında değiştiği, devreden çıkma hızlarının genel olarak 25 m /s  olduğu görülmektedir.

Şekil 3.19 Sınıfı I-II-II Olan NORDEX Marka ve Modellerine Ait Türbin Güç Eğrileri

 

A'dan Z'ye Rüzgar Santrali

5.2 Rüzgâr Türbini Bileşenleri

Yayın tarihi:

-

Yazar

Şekil 5.3 Rüzgâr Türbini Bileşenleri

5.2.1 Kule (Tower)

Sistemin mekanize bölümlerinin tümünü üzerinde bulunduran platform, çelik konstrüksiyondan ve gürültü kirliliğini azaltmak amacıyla ses izolasyonlu olarak imal edilmektedir. Platformun kütlesi üzerindeki aksamlarla birlikte 12-82 ton arasında değişebilmektedir. Platform bir mil vasıtası ile konik veya bilyeli radyal rulmanlarla kuleye, çevresinde dönebilecek şekilde yataklandırılır. Kule yüksekliği rüzgâr hızında etkili bir faktör olduğundan tasarımının hem çevrim sisteminin gücüne hem de mukavemetine göre yapılması gerekmektedir. Kule, sistem büyüklüğüne göre çelik koni boru, çelik kafes, çelik silindir, beton konik boru ya da silindir biçiminde imal edilebilmektedir Kimi kule tiplerinde hibrit kullanılmaktadır. (Beton ve çelik). Göbek (hub) yüksekliğine bağlı olarak 3 veya 5 bölüme (section) kadar da çıkabilmektedir. (Bottom, mid 1, mid 2, mid 3, top)

Şekil 5.4 Kule içi                                                                       Şekil 5.5 Çelik Kule

5.2.2 Nasel (Nacelle)

Nasel yatay eksenli rüzgâr türbininin gövde kısmını oluşturmaktadır. İçerisinde çeşitli sistem elemanlarını barındıran bu kısım sistemin beyni niteliğindedir. Elektriğin üretildiği, düzenlendiği bu kısım aynı zamanda rüzgâr türbini için tüm kontrolünün yapıldığı yerdir.

Şekil 5.6 Nacelle Boyutları

Şekil 5.7 Nacelle Ön Görünüş

Şekil 5.8 Nacelle Yan Görünüş-1                                                                            Şekil 5.9 Nacelle Yan Görünüş-2

5.2.2.1 Yaw Mekanizması (Yaw Drive)

Kulenin üzerindeki anemometre, yön sensörü, ultrasonik vasıtasıyla gelen rüzgâr yönü ve şiddetine göre türbinin rüzgâr ile yüzleşmesini veya tam tersi şekilde türbinin durması istenen durumlarda rüzgârın kanatları döndüremeyecek duruma gelmesini sağlar. Genellikle nasele monte edilmiş elektrik veya hidrolik motorların kontrolünü içermektedir. Nordex firmasının tüm türbin modellerinde kullanılan yaw sistemleri aşağıdaki gibidir.

Şekil 5.10 Yaw Mekanizması                                                                                                            Şekil 5.11 Yaw Sensörleri

5.2.2.2 Yaw Motorları

Yaw motorları naselin rüzgâr yönüne doğru dönüşünü sağlayan her biri bir sürücü ile kontrol edilen kompenantlardır. Yaw motorları yaw dişli kutuları üzerindedir. Türbinin büyüklüğüne göre 2-3-4 adet “yaw motor” bulunmaktadır. Komutu yaw converter denilen sürücüler- den alır ve bilgi alışverişini de yine bu converterlar üzerinden yapar.

Şekil 5.12 Yaw Motorları

5.2.2.3 Dişli Kutusu (Gear Box)

Rüzgâr türbininin en ağır ve en pahalı parçasıdır. Rotor milinin düşük dönme hızını jeneratörün ihtiyaç duyduğu yüksek hıza dönüştürür. Rüzgâr türbinlerinin dişli kutuları genellikle planet dişli sistemi kullanır. Doğrudan sürücülü türbinlerde dişli kutusu yoktur. İçerisinde 500 litre”x-optic gear” yağ bulunur. 2 yılda bir boroskopi yapılıp dişliler kontrol edilir. Her yıl filtre değişimi yapılır. (İsteğe göre 2. bir filtre de yerleştirilir.) Türbin boyutuna göre dişli kutusu markası ve boyutu değişir.

Şekil 5.13 Dişli Kutusu (Gearbox)

5.2.2.4 Jeneratör (Generator)

Rüzgâr türbinlerinde mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için gerekli olan parçadır. Basitçe jeneratörlerin çalışması elektromanyetik alan prensibine dayanmakta olup, bobin üzerinde oluşturulan manyetik alanın, o bobin teli üzerinde akım meydana getirmesi şeklindedir. Genellikle aşağıdaki üç tip jeneratör Rüzgâr türbinlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır:

  • Doğru Akım Jeneratörü
  • Senkron Jeneratör (Alternatör)
  • Asenkron Jeneratör (İndüksiyon Jeneratör)

Şekil 5.14 Nordex N117/3000 Türbinlerinde Kullanılan Asenkron Jeneratör

5.2.2.4.1 Senkron Jeneratörler (Alternatörler)

Senkron jeneratörler veya alternatörler, mekanik gücü AC elektrik gücüne dönüştürmek için kullanılan senkron makinelerdir. Bir senkron generatörde, rotor sargısına DC akım uygu- lanır. Bu akım bir rotor manyetik alanı oluşturur. Sonra generatörün rotoru, bir hareket kaynağı ile döndürülür. Böylece makinada içinde dönen bir manyetik alan üretilmiş olur. Bu dönen manyetik alan generatörün stator sargılarında üç fazlı gerilimler indükler. Genelde makinada sargıları tanımlamak için iki terim kullanılır. Bunlar; alan sargıları ve endüvi sargılarıdır. Genel olarak “alan sargıları” terimi makinada ana manyetik alanı üreten sargılar için ve “endüvi sargıları” terimi de ana gerilimin endüklendiği sargılar için kullanılır. Senkron makinalarda alan sargıları rotor üzerinde bulunduğundan, bu sargılara rotor sargısı da denir. Benzer şekilde endüvi sargıları stator sargıları olarak da isimlendirilir.

5.2.2.4.2 Asenkron (İndüksiyon) Jeneratörler

Asenkron jeneratörün statoru üç faz grubundan birçok sarıma yataklık yapar. Bu üç grup sargı, fiziksel olarak stator etrafına yayılı halde olur. Bu sargılar üzerindeki akıştan ötürü rotor etrafında dönen bir manyetik alan oluşur ve bu manyetik alan, asenkron makinenin en önemli çalışma özelliğini meydana getirir. Rotor akımı ile stator akışı arasındaki etkileşim, bir hareketlenmeye neden olur. Eğer rotoru bir rüzgâr türbinine bağlayıp senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürürsek, rotorda indüklenen akımın yönü, motor çalışma yönünün tersinde olur. Bu durumda makine jeneratör olarak çalışmaya başlar. Türbinin mekanik gücünü elektrik enerji- sine çevirir ve stator uçlarına bağlı yükü besler. Eğer makine şebekeye paralel olarak çalışı- yorsa, şebekeye güç temin edecektir. İndüksiyon jeneratörler Rüzgâr türbinlerinde bütün dün- yada yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

5.2.2.5 Jeneratör Soğutma (Generator Cooling)

Jeneratörler sahanın iklimsel şartlarına göre antifriz ve su karışımı vasıtasıyla soğutulur. Türbinin dışarısında bulunan radyatör sayesinde bu karışımın soğutma işlemi gerçekleştirilir.

Şekil 5.15 Radyatör

5.2.2.6 Konvertör (Converter)

Düşük seviyeli DC gerilimlerini, yeterli akımı da sağlayacak şekilde istenilen seviyede DC veya AC gerilimlere dönüştüren cihazlara “converter” denir. Converter elektrik enerjisinin kontrolünü sağlayan ve herhangi bir akım şeklindeki enerjiyi başka akım şekline çeviren aygıttır. Güç elektroniği devrelerinden olan konvertörler herhangi bir DC kaynaktan aldığı gerilimi işleyerek, sabit ya da değişken genlik ve frekanslı AC gerilimi elde etmek için kullanılan elektronik devrelerdir.

Şekil 5.16 Konvertör

5.2.2.7 Rotor Şaftı (Rotor Shaft)

Rotor mili, rotor dönüşünü ve torkunu dişli kutusuna iletir. Rotor milinin içi boştur. Kablolar şaftın içerisinden geçer. (Slip Ring)

 

Şekil 5.17 Rotor Şaftı Görünümleri

5.2.2.8 Rotor Rulmanları

Şekil 5.18 Rotor Rulmanları

5.2.2.9 Coupling

Dişli kutusu ve jeneratör arasındaki bağlantı ekipmanıdır.

Şekil 5.19 Coupling

5.2.2.10 Fren Sistemi

Rüzgâr türbinlerinin devir sayılarının sabit tutulması gerektiğinde veya jeneratörün aşırı ısınması, şebekeden ani kopma gibi istenmeyen durumlarda ve bakım, tamirat gerektiren durumlarda türbinin durdurulması gerekebilir. Bunların yanında fırtına gibi yüksek rüzgâr hızlarının olduğu durumlarda rüzgâra karşı kanadın küçük bir yüzeyini göstermek veya acilen türbini tamamen durdurmak gerekebilir. Bu tip durumlarda kullanılmak üzere aerodinamik fren ve mekanik fren sistemleri geliştirilmiştir. Aerodinamik fren sistemleri kanat ucunun eksenleri etrafında belli bir açıda dönmesi mantığı ile çalışmaktadır. Mekanik fren sistemi rüzgâr türbininin ikincil acil emniyet sistemi olup; aerodinamik fren sisteminin yedeği gibi kullanılmaktadır. Mekanik fren, dişli kutusunun jeneratöre bağlanan yüksek hızlı şaftına sabitlenmiştir.

Şekil 5.20 Fren Sistemi

5.2.3 Hub

Hub rüzgâr türbin kanatlarının birleştiği ortak noktadır. İçerisinde kanat dişlileri yağlama hattı, pitch dişli kutusu ve motorları ve central box denilen bilgilerin ve enerjinin dağıtıldığı toplanma noktasını barındırır. Yaklaşık 27 ton ağırlığındadır. Rotorlock yapılarak sabitlenir ve bu sayede içerisinde çalışma yapılır. Maksimum çalışma rüzgârı 12 𝑚/𝑠 dir. 12 𝑚/𝑠 üzerindeki hızlarda kanada düşen yük miktarı artacağından dolayı “rotorlock” kaldırılıp kanatların serbest salınımda durması sağlanır.

Şekil 5.21 Hub Elemanları

5.2.3.1 Rotorlock

Rotor kilitleri rüzgâr türbini endüstrisinde kullanılır ve tipik olarak türbinin ana rotor şaftına monte edilen güvenlik elemanıdır.

Bakım çalışmalarında, örneğin; kanat, göbek veya güç aktarma sistemindeki çalışmalar öncesi; istenmeyen dönmeye karşı rotor kilidi aracılığıyla rotor kilitlenir. Bu sistem; hidrolik, elektriksel, veya mekanik olarak rotor diskine doğru uzatılan bir kilitleme mekanizmasından oluşur.

Şekil 5.22 Rotorlock Mekanizması

5.2.4 Kanatlar (Blades)

Kanatlar rüzgârı yakalar ve onun gücünü rotora aktarır. Rotor, gücü şaft vasıtasıyla dişli kutusuna, oradan da jeneratöre gönderen en dış birimdir. Bunlar rüzgâr türbininin yüksekliği, rüzgâr türbin kanadının süpürme alanı ve aerodinamik yapısı, hava yoğunluğu ve rüzgâr hızı gibi faktörlerdir. Bu faktörlerin en önemlilerinden biri de rüzgâr türbin kanadının aerodinamik yapısıdır. Rüzgâr türbin kanadının aerodinamik yapısının önemi rüzgârın barındırdığı kinetik enerjinin maksimum %59‘unun yararlı enerjiye dönüştürülebiliyor olmasından kaynaklanmaktadır. Rüzgâr türbininin sınıfına göre uzunluğu değişir. Kanat malzemesi olarak genellikle GRP-Glass Reinforced Plastic, ağaç, haddelenmiş ağaç, karbon fiberiyle kuvvetlendirilmiş plastik CFRP-Carbon Fibre Reinforced Plastic, çelik ve alüminyum kullanılmaktadır. 25 metre ila 72,5 metre aralığında boyları vardır. (Türkiye için) Kendi etrafında 360 derece dönebilir. İçerisinde yıldırım koruma hattı mevcuttur. Rüzgârın şiddetine göre 0-90 derece arasında uygun olan derecede anlık açısal değişimler yapar.

Şekil 5.23 Kanat Yapısı

 

Tablo 5.1 Türbin Tipine Göre Değişen Kanat Teknik Bilgileri

 

Şekil 5.24 N117 Rüzgâr Türbini Kanadı

5.2.5 Kanat Yönlendirme (Pitch Control)

Pitch kontrollü türbinlerde kanatlar, göbeğe sabit bir açı ile sabitlenmiş değildirler. Kanat, pitch kontrol mekanizması sayesinde rüzgâr hızına göre ekseni etrafında döndürülebilmektedir. Bu türbinler, nominal hız üzerinde sabit güç üretimi sayesinde daha kaliteli bir güç çıkısı sağlamaktadırlar. Bu sistem ile bütün hızlarda kullanılarak elde edilen enerjinin arttırılması sağlanabilir ya da sistemde aşınmayı azaltmak için sadece nominal hızın üzerinde güç kontrolü için kullanılabilir. Pitch kontrollü türbinlerden elde edilecek performans artışı temel olarak kullanılan pitch mekanizmalarının hızına ve hassasiyetine bağlıdır. Kanat yönlendirme türbinde PLC (Programmable Logic Controller) tarafindan yapılır. Kanatlar rüzgârın şiddetine göre 0-90 derece arası çalıştırılır.

Şekil 5.25 Pitch Control

5.2.6 Kanatların Açılarının Ayarlanması ve Kontrolü

Her bir kanadı kontrol eden kanat sürücü (Pitch Master) ve kanadın açı değişimini sağlayan motor vardır. Bu motorların her biri bir kanat dişli kutusu üzerindedir. Kanatlara bilgi pitch master üzerinden gelir ve kanat aldığı komuta göre pitch derecesini ve testini yapar. Pitch masterlar profinet haberleşme sistemi üzerinden bilgi akış verişini gerçekleştirir.

Şekil 5.26 Pitch Motorları

5.2.7 Pitch Motorları

Her türbinde 3 adet pitch motor bulunur. Bu motorlar kanadın 0-90 derece arası gidiş gelişini sağlar, komutları her bir kanatta bulunan pitch musterlardan alır.

Şekil 5.27 Pitch Motorları

5.2.8 Yıldırım Koruması – Rotor Kanadı (Lightning protection – rotor blade)

Tüm paratonerler IEC 62305-3 gerekliliklerini karşılamalıdır. Paratonerler, bir rüzgar türbinine yıldırım çarpmasının kontrollü olarak boşaltılmasını sağlamak için kullanılır. Rüzgar türbinindeki paratonerler öncelikle rotor kanadı, göbek ve motor bölümü alanlarında bulunur.

Şekil 5.28 Paratoner Sistemi

 

Şekil 5.29 Kanat Reseptörü

 

Şekil 5.30 Kanat Yıldırım Testi                           Şekil 5.31 Rüzgâr Türbini Yıldırım Düşüş Anı

5.2.9 Haberleşme

Türbinde fiber ve ethernet haberleşmesi mevcuttur. Bu haberleşme analog/input modüllerle desteklenir. ”bottom”, ”nacelle” ve ”hub”arası haberleşme mevcuttur. Her bir bilgi en son Bottom’a gelir. Bottom‘dan da SCADA’ya ve Ana surver’a aktarılır. Anlık tüm değerler kaydedilir.

Şekil 5.32 Haberleşme Prosedürü

5.2.10 Rüzgâr Türbini Elektronik Kontrol Sistemi (SCADA)

Her türbin firmasının kendine özel hazırlattığı bir SCADA sistemi vardır. SCADA sistemi türbin içerisindeki her modüle, sensörlere, ana compenantlara, warning ve arızalara erişim sağlar. SCADA sisteminde Access Levellar mevcuttur. Access level yukarıda bahsedilen kısımlara erişim iznini belirler. SCADA, Supervisory Control and Data Acquisition keli- melerinin ilk harflerinden oluşmuştur. Türkçeye Denetimli Kontrol ve Veri Toplama Sistemi olarak çevrilir. SCADA sistemleri, belirli bir alanda toplanmış küçük bir sistem ile geniş bir coğrafi alana yayılmış iletim hatlarının, borulu taşıma sistemlerinin (petrol, su) veya bir fabrika ya da işletmede çalışan rüzgar türbinlerinin, gözlenmesini, durumları hakkında bilgi edinilmesini ve kontrol edilmesini sağlar. Saha cihaz ve noktalarından elde edilen gerçek zamanlı arızaların tespiti, arızanın işletmenin hangi bölgesinde olduğunun ve önem derecesi belirlenerek filtrelenebilmesi ve öncelik seviyesinin tespiti, arızanın giderilmesi ile ilgili yapı- lan çalışmaların operatör veya bakımcı tarafından not olarak belirtilebilmesi, arıza ve arıza ihbarlarının tarihsel özetinin ekrandan ve yazıcıdan alınabilmesi ve sabit disk veya sunucuya kaydedilebilmesi arıza ihbar işlemlerini yerine getiren bir kontrol ünitesinden beklenen özelliklerdir.

5.2.10.1 SCADA Sisteminin İşlevleri

SCADA sisteminin fonksiyonları 4 grupta toplanmaktadır. Bunlar:

1. İzleme İşlevleri

2. Kontrol İşlevleri

3. Veri Toplama

4. Verilerin Kaydı ve Saklanması

Şekil 5.33 Devreye Giriş ve Çıkış Rüzgâr Hızları (İşletme Aralığı)

 

Şekil 5.34 Jeneratör Çıkışının Şebekeye Verilmesi

 

Şekil 5.35 Naselin Oryantasyonu (Rüzgâr Yönüne Göre)

 

Şekil 5.36 Kanat Pitch Açısının Düzenlenmesi

Devamını oku

A'dan Z'ye Rüzgar Santrali

Bölüm 5: Rüzgar Türbinleri ve Bileşenleri

Yayın tarihi:

-

Yazar

5.1 Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması

Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çeşitlilik göstermektedirler. Türbinler, dönme eksenine, güç kontrol sistemlerine, rotorun dönüş hızına ve kullanım yerine göre sınıflandırılabilirler. 1989 yılından itibaren Almanya’da RT teknolojisi hızla gelişmiştir. Rotor çapı 25 metre, çıkış gücü 150-250 kW olan RT’ler imal edilmiş ve bunu rotor çapı 30-35 metre, çıkış gücü 300 kW’dan büyük türbinler izlemiştir. Nordex firması da rüzgâr türbini üretimine 1987 yılında başlayarak ürün gamını günümüze kadar geliştirmiştir.

  • 1987 Dünyanın en büyük seri üretim rüzgâr türbini (250 kW) üretildi.
  • 1992 Almanya’da üretim operasyonel faaliyetlerin kurulması.
  • 1995 Dünyanın ilk seri üretim megawatt düzeyinde rüzgâr türbininin inşası.
  • 1998 Xi ‘an Nordex Rüzgâr Türbini Co. Ltd.’nin kuruluşu. (Çin)
  • 1999 1.000. Nordex rüzgâr türbininin kurulumu.
  • 2000 Dünyanın ilk seri üretim 2.500 kW rüzgâr türbininin kurulumu.
  • 2001 Endüstriyel rotor kanadı üretiminin başlaması.
  • 2003 2.000. Nordex rüzgâr türbininin kurulumu. İlk N90 / 2300 kW’ın kurulumu.
  • 2005 N90 / 2500 kW Yinchuan’da üretim için ortak girişim (S70 / 77) kurulması. (Ningxia)
  • 2007 N100 / 2500 kW 3.000’inci Nordex rüzgâr türbininin kurulumu.
  • 2009 1.000.Multi-MW rüzgâr türbininin kurulumu. (Arkansas’ta ABD üretim tesisi)
  • 2010 Gamma Üretiminin Sunumu.
  • 2011 İlk Gamma Üretiminin N117 / 2400 kW’ın kurulumu.
  • 2012 5.000. Nordex rüzgâr türbininin kurulumu.
  • 2013 Delta Generation piyasaya sürüldü. (N100 / 3300 kW, N117 / 3000 kW ve N131 / 3000)
  • 2014 En iyi rüzgar türbini olarak N117/ 2400 kW seçildi.
  • 2016 Nordex ve Acciona Windpower şirket birleşimi.
  • 2017 4 MW’lık ürün serisi olan Delta4000 üretiminin tanıtımı.
  • 2018 Yüksek rüzgar alanları için N133 /4800 kW üretiminin tanıtımı.
  • 2018 En iyi rüzgar türbini olarak N149/ 4.0-4.5 seçildi.
  • 2019 N155 / 5.X, N149 / 5.X ve N163 / 5.X üretiminin tanıtımı.

Şekil 5.1 Nordex Türbin Segmentleri

5.1.1 Eksen Farkına Göre Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması
5.1.1.1 Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri

Bu tür türbinlerde türbin mili dikey eksenlidir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi başlıca türlerdir. Darrieus tipi düşey eksenli rüzgâr türbininde, düşey şekilde yerleştirilmiş iki tane kanat vardır. Kanatlar, yaklaşık olarak türbin mili uzun eksenli olan bir elips oluşturacak biçimde yerleştirilmişlerdir. Kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluşur. Yapısı gereği Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinde, devir başına iki kere en yüksek tork elde edilir. Rüzgârın tek yönden estiği düşünülürse; türbinin verdiği güç, sinüs şeklinde bir eğri oluşturur. Dikey eksenli rüzgâr türbinleri her istikametlidirler ve değişen rüzgâr yönlerinde dönerler. Böylece rüzgârı her bir yönden kabul ederler. Dönüşün dikey ekseni, sürücünün toprak seviyesine dahi yerleştirilmesine izin vermektedir. Bu tipteki rüzgâr türbinlerinin güç katsayısı 0,15’ten azdır. Bu nedenle güç üretiminde tercih edilmezler.

5.1.1.1.1 Savonius Rüzgâr Türbinleri:

Dikey eksenli Savonius rüzgâr türbini ilk olarak 1924 yılında Finli mühendis Sigurd Savonius tarafından icat edilmiş olup 1929 yılında patenti alınmıştır. Yapısının basit olması ve kolay inşa edilmesi tüm ilgileri üzerine çekmesini sağlamıştır. Savonius türbinlerinin başlangıç torkları yüksektir. Bunun sebebi aerodinamik yapıları gereği herhangi bir yönde esen rüzgârı alabilme özelliğinden kaynaklanmaktadır. Verimleri yatay eksenli rüzgâr türbinlerine göre oldukça düşüktür. Savonius rüzgâr türbinlerinin bakımı ve işletmesi oldukça basittir. İki yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirine göre simetrik olarak kaydırılmış, “kanat” adı verilen iki yarım silindirden oluşmaktadır. Belirli bir hızla gelen rüzgârın etkisiyle, çarkı oluşturan silindirin iç kısmında pozitif ve dış kısmında negatif bir momenti olmaktadır.

Pozitif moment, negatif momentten daha büyük olduğundan, dönme hareketi pozitif moment yönünde sağlanır. Diğer DERT’lere göre düşük rüzgâr hızlarında iyi başlangıç karakteristiklerine sahip olması, yapımının kolay ve ucuz olması, rüzgârın yönünden bağımsız olması ve kendi kendine ilk harekete başlaması gibi birçok üstünlüklere sahip olan Savonius RT’lerinin, aerodinamik performansı düşük olduğu için ilk uygulama alanları; havalandırma, su pompalama gibi kısıtlı alanlar olmuştur. Savonius RT’nin birçok üstünlüğü bulunmasına rağmen, aerodinamik performanslarının düşüklüğü nedeniyle kullanılmamaktadır. Son yıllarda yapılan Savonius RT çalışmaları, aerodinamik performansın geliştirmesi yönünde olmuştur.

Aldoss ve Najjar, (1985) bu çarkın performansı üzerine; “sallanan kanatlı çark” kullanarak deneysel bir çalışma yapmışlardır. Çalışmalarında Savonius RT’nin performansını hem rüzgârın gerisinde hem de rüzgâra doğru, çark kanatlarının bir optimum açı ile geriye doğru salınmasına müsaade ederek geliştirmişlerdir. Reupke ve Probert, (1991) Savonius RT’nin çalışma etkinliğini arttırmak için, türbin kanatlarının kavisli kısımlarının yerine bir sıra menteşelenmiş kanatçıklar yerleştirmiştir.

Kanatçıklar rüzgâra doğru ilerlerken, rüzgâr basıncının etkisinde otomatik olarak açılmış ve daha az akış direnci elde edilmiştir. Kanatçıkların ilk konuma gelirken, tekrar otomatik olarak kapandığını tespit edip, çok düşük uç hız oranlarında, düzeltilmiş parçalı kanatlı çarklardan, klasik Savonius RT’lerine oranla daha yüksek momentler elde edildiğini belirlemişlerdir.

Şekil 5.2 Dikey Rüzgâr Türbinleri

5.1.1.1.2 Darrieus Rüzgâr Türbinleri:

1931 yılında Fransız mühendis George J.M. Darrieus tarafından icat edilmiştir. 1970 ve 1980’lerde Amerika ve Kanada’da Darrieus türbinlerinin kanat tasarımları üzerine geniş çalışmalar yapılmıştır. Kanatları geometrik formlu aerodinamik profile sahip olduğundan yüksek performanslıdır. Kanatlardaki hafif eğim sayesinde kanatlardaki çekme gerilimleri minimuma iner. Yüksek hızlarda çalışabilir ve türbin; 2 veya 3 kanatlı olur. İlk hareket için Savonius RT veya bir tahrik motoru gerekmektedir.

5.1.1.1.3 H-Darrieus Rüzgâr Türbinleri:

Dikey eksenli en önemli RT’lerden biridir. Darrirus RT’nin geliştirilmesiyle meydana gelen daha karmaşık tipte bir türbinidir. Darrirus RT’den iki önemli farkla ayrılır. Bunlar:

  • Aerodinamik profili düzdür.
  • Kanatlara pitch kontrol uygulanır.
H-Darrieus türbinlerinin avantajları söyle sıralanabilir:
  • Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için, türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez. Böylece kule masrafı olmaz.
  • Türbini rüzgâr yönüne çevirmeye gerek yoktur. Yani dümen sistemine ihtiyaç yoktur. Türbin mili hariç diğer parçaların bakım ve onarımı yoktur.
  • Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır.
H-Darrieus türbinlerinin dezavantajları ise şöyledir:
  • Yere yakın oldukları için alt noktalardaki rüzgâr hızları düşüktür.
  • Verimi düşüktür.
  • Çalışmaya başlaması için bir motor tarafından ilk hareketin verilmesi gerekir.
  • İlk hareket motoruna ihtiyacı vardır.
  • Ayakta durabilmesi için tellerle yere sabitlenmesi gerekir. Bu da pek pratik değildir.
  • Türbin mili yataklarının değişmesi gerektiğinde, makinenin tamamının yere yatırılması gerekir.
5.1.1.2 Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri

Bu türbinlerde; dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel, kanatlar rüzgâr yönüne diktir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %45’tir. YERT genel olarak yerden 20-30 metre yüksekte ve çevredeki engellerden 10 metre yüksekte olacak şekilde yerleştirilmelidir.

Rüzgâr hızının, rotor kanadı uç hızına bölünmesi ile elde edilen orana kanat uç hız oranı (λ) denir. Eğer;

  • λ = 1– 5 Çok kanatlı rotor, λ = 6– 8 Üç kanatlı rotor, λ = 9– 15 İki kanatlı rotor ve λ > 15 Tek kanatlı rotor kullanılır.

YERT, farklı sayıda rotor kanadına sahip olan ve rüzgârı önden alan veya rüzgârı arkadan alan sistemler olarak da çeşitlilik gösterirler. Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanırlar. Rüzgârı arkadan alan rüzgâr türbinlerinin ise, yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgârı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgâr gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgâra bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerde ise; eğer rotor ve gövde uygun şekilde tasarlanmışsa, dümen sistemine gerek yoktur. Bu nedenle daha hafiftirler. Fakat büyük çaplı türbinlerde rüzgârın arkadan gelmesi tercih edilmez. Bunun nedeni ise; serbestçe dönmeye bırakılan türbinin elektrik enerjisini taşıyan kabloları burmasıdır. 1000 A gibi yüksek akımlarla çalışan bu sistemde, akımın mekanik sistemlerle de toplanması sağlıklı değildir. Fakat küçük çaplı türbinlerde kolaylıkla uygulanabilirler. Yatay eksenli türbinlerin bir başka sınıflandırması ise, dönme hızlarına göredir. Yavaş hızlarda çalışan rüzgâr türbinleri ve yüksek hızlarda çalışan rüzgâr türbinleri adı altında iki gruba ayrılırlar. Burada sınıflandırma, rüzgâr alma yönüne göre yapılacaktır.

5.1.2 Rüzgârı Alış Yönlerine Göre Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması
5.1.2.1 Rüzgârı Arkadan Alan Makineler

Bu makinelerin rotorları kule arkasına konur. Bunların önemli üstünlüğü rüzgâra dönmek için “yaw” mekanizmasına gerek duymayışlarıdır. Eğer nacelle ve rotor uygun tasarlanırsa, nacelle rüzgârı pasif olarak izler. Daha önemli bir üstünlük kanatların esnek özelliğe sahip olmasıdır. Bu hem ağırlık hem de makinenin güç dinamiği açısından önemli bir üstünlüktür. Böylece bu makinelerin avantajları; önden rüzgârlı makinelere göre daha hafif yapılması sonucu kule yükünün azalmasıdır. Ancak, bu tür türbinlerde meydana gelen güç dalgalanması, türbine önden rüzgârlı makinelerden daha çok zarar verir.

5.1.2.2 Rüzgârı Önden Alan Makineler

Yıllardır yaygın olarak kullanılan bu makinelerde rotor yüzü rüzgâra dönüktür. En önemli üstünlüğü, yukarıda da değindiğimiz gibi kulenin arkasında olacak rüzgâr gölgeleme etkisine çok az maruz kalmasıdır, yani rüzgâr kuleye eğilerek varır. Kule yuvarlak ve düz olsa bile ka- nadın kuleden her geçişinde türbinin ürettiği güç biraz azalır. Bu nedenle rüzgâr çekilmesinden dolayı kanatların sert yapılması gerekir ve kanatların kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekir. Ayrıca, önden rüzgârlı makineler, rotoru rüzgâra karşı döndürmek için yaw mekanizmasına gerek duyarlar.

5.1.3 Tek Kanatlı Rüzgâr Türbinleri:

Tek kanatlı RT’nin yapılmasının sebebi, kanat sayısına göre dönme hızının yüksek olmasıdır. Bu sayede makine kütlesini ve rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Ek olarak rotor kanadı, kanat üzerindeki yapısal yükleri azaltacak mekanizma ve kanat mekanizma hareketinin pürüzsüz olabilmesi için, tek menteşe ile sabitleştirilip, 2 karşı ağırlıkla dengelenmelidir. Diğer taraftan tek kanatlı rotorlarda, ilave yüklerden ortaya çıkan aerodinamik balanssızlık ve mekanizma hareketinin kontrol altında tutulması için kanat bağlantı noktaları çok iyi yapılmalıdır. Bir kanatlı RT’nin kanat uç hızı, üç kanatlı RT ile karşılaştırıldığında, iki kat daha yüksektir. Bu da çalışma esnasında aşırı gürültüye sebebiyet vermektedir.

5.1.4 Çift Kanatlı Rüzgâr Türbinleri:

Üç kanatlı türbinlere göre rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi bu türbin fikrini doğurmuştur. Birçok ülkede 10 ile 100 metre rotor çaplı ölçülerde RT’ler tasarlanıp, Avrupa ve ABD’de çalışmaya başlamıştır. Bu ticari RT’lerden sadece birkaç tanesi prototip durumundan, seri üretime geçebilmiştir. İki kanatlı rotorun balansı, bir kanatlı rotora göre daha düzgündür. Fakat maalesef iki kanatlı rotorun sebep olduğu dinamik hareketleri önlemek için ilave teknik güç, maliyetin daha fazla artışına sebep olmaktadır. Kanat bağlantı noktalarının titreşimini azaltmak için rotora kadran sistemi ilave edilmiştir. Bu kadran, rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına dik yerleştirilir. Üç kanatlı rotorla karşılaştırıldığında en büyük avantajı; kanat uç hızlarının yüksek olmasıdır. Bu RT’nin gürültü seviyesinin yüksek olması ve düşük rüzgâr hızlarında (3 m/sn ) çalıştırılması dezavantajıdır.

5.1.5 Üç Kanatlı Rüzgâr Türbinleri:

Üç kanatlı modern türbinler, dünyanın her tarafında kullanılmaktadır. Üç kanat kullanımının asıl sebebi, dönme momentinin daha düzgün olmasıdır. Bu türbinde, türbinin yapısı üzerinde depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momenti olmadığından, kanat bağlantı göbeğinin içinde titreşimi önleyici pahalı parçalara gerek yoktur. Kanat uç hızı 70 m/s altında olduğundan gürültünün düşüklüğü, sarsıntısız döndükleri için göz estetiğini bozmamaları önemli bir avantaj olup, halk tarafından kabulünü sağlamıştır. Küçük güçlü RT’lerde, üç kanatlı rotor kullanıldığında güç problemleri ortaya çıkar. Bu problemin çözümü için düşük devirde dönen rotorun devir sayısını 1/n oranında arttıran dişliler kullanılır ve “cut in” olarak adlandırılan hız değerine ulaşıncaya kadar, jeneratör boşta çalıştırılır.

5.1.6 Rüzgâr Hızına Göre Rüzgâr Türbinleri
5.1.6.1 Düşük Hızlarda Çalışan Rüzgâr Türbinleri:

İlk olarak 1870’li yıllarda ABD’de çok kanatlı düşük hızlarda çalışan türbinler üretilmeye başlanmıştır. Günümüzde 12 ile 24 adet arasında değişen kanatlar, rotorun neredeyse tüm yüzeyini kaplar. Yerleştirilen kuyruk kanadı dümen işlevini görür. Genellikle bu tip rüzgâr türbinlerinin çapı 5 ile 8 metre arasında değişir. Bu tipin en büyük örneği ABD’de inşa edilmiş olup, çapı 15 metredir. Yavaş çalışan rüzgâr türbinleri 2-3 m/s arası rüzgâr hızlarında kendiliğinden çalışmaya başlarlar. Bu türbinlerin özellikleri aşağıda maddeler halinde belirtilmiştir:

  • Genellikle hızları 3-7 m/s arasında değişen rüzgârlarda kullanılırlar.
  • Elektrik üretimi için verimleri düşüktür.
  • Çap büyüdükçe ağırlık artacağından, bu türbinleri kurmak kolay değildir.
  • Bu tipteki türbinler, daha çok su pompalama işi için idealdirler. Genellikle pistonlu pompalarda kullanılırlar.
5.1.6.2 Yüksek Hızlarda Çalışan Rüzgâr Türbinleri:

Yüksek hızlarda çalışan bu tip rüzgâr türbinlerinde kanat sayısı 1 ile 4 adet arasındadır. Düşük hızlarda çalışan çok kanatlı rüzgâr türbinlerinden çok daha fazla hafiftirler. İki kanatlı türbinler, üç kanatlılara göre %2-3 daha az verimlidir. Tek kanatlı türbinler ise, iki kanatlı tür- binlerden %6 daha az verimlidirler. Ayrıca tek kanatlı türbinlerde dengeleyici olarak karşı ağırlık kullanılır. Yüksek rüzgâr hızlarında çalışan bu tip türbinlerde kanat sayısı arttıkça verim artar. Ancak 3 kanattan daha fazla sayıda kanat, maliyeti önemli ölçüde arttıracağından tercih edilmez. Bir ve iki kanatlı türbinler daha hızlı döndüklerinden, üç kanatlı türbinlere göre daha fazla gürültü yaparlar. Bütün bunların yanında, üç kanatlı türbinlerin estetik görünüşleri de bu tip türbinlerin daha çok tercih edilmesinde önemli bir etkendir. Söz konusu türbinlerin yavaş hızlarda çalışan rüzgâr türbinlerine göre avantajları şunlardır:

  • Düşük kanat sayısı; bu tipteki türbinlerin fiyatını ve ağırlığını önemli ölçüde azaltır. Ani rüzgâr patlamalarından kaynaklanan basınç değişimlerinden az etkilenirler.
  • Çok yüksek hızlarda çalışan kanat koruyucu sistemleri, bu tip türbinlerde daha ucuzdur.
  • Yüksek verimleri nedeniyle günümüzde elektrik üretimi amaçlı kullanılan rüzgâr türbinlerinin büyük çoğunluğu bu tip türbinlerdir.
Devamını oku

A'dan Z'ye Rüzgar Santrali

4.3 Türkiye’de Rüzgârdan Elektrik Üretiminin Gelişimi

Yayın tarihi:

-

Yazar

Yüksek basınç alanından alçak basınç alanına doğru oluşan hava akımının, diğer bir deyişle rüzgârın kinetik enerjisini önce mekanik enerjiye ardından elektrik enerjisine çeviren sistemlere rüzgâr türbini denir. Ticari olarak işletilen rüzgâr elektrik santrallerindeki (RES) rüzgâr türbinleri genellikle 5-6 m/s (18-21,6km/h) hızda devreye girip, yine genel olarak 25-30 m/s (90-108 km/h) rüzgâr hızında kendini korumaya alır. Daha küçük rüzgâr türbinleri 2 m/s (7,2km/h) rüzgâr hızında da devreye girebilmektedir.

Türkiye’de işletmede bulunan rüzgâr santrallerinde kullanılan rüzgâr türbinleri Almanya, Danimarka, Amerika Birleşik Devletleri, İspanya, Çin, Fransa, Hindistan ve Türkiye gibi farklı menşeilere sahip olup, bu ülkelerde geliştirilmiş Nordex, Enercon, Vestas, GE, Siemens, Gamesa, Sinovel, Alstom, Suzlon, Vira ve Milres gibi markalardır.

Türkiye’de ilk rüzgâr santrali 1998 yılında İzmir’de kurulmuştur. Türkiye’de ilk olarak 1998 yılında başlayan rüzgâr ile elektrik üretimi ilk yılını 6 milyon kWh üretim ile kapatmıştır. Sonraki yıl 21 milyon kWh’e çıkan üretim miktarı %250 artış göstermiştir. Sektörün henüz emeklediği bu yıllarda hızlı büyümeler görülse de 2015 yılını 11,5 milyar kWh üretim ile kapatan sektör, 2014 yılına göre üretimini %38 oranında arttırmayı başarmıştır.

4.4 Türkiye’de Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Üretimi

Türkiye’de RES’leri için son on yılda (2010-2020) toplam kurulu kapasite gelişimi Grafik 4.5’te verilmiştir. Türkiye’de toplam RES Kurulu kapasitesi 2010 yılında 1375.8MW seviye- lerinde iken, 2020 yılında 9305 MW seviyesine ulaşmıştır. Oransal olarak en yüksek kapasite artışı 2015-2016 yıllarında yaşanmıştır.

Türkiye’de 2023 yılında RES kurulu gücünün, toplam elektrik kurulu gücünün (100 000 MW) %20’sine karşılık gelecek şekilde 20.000 MW değerine ulaşması hedeflenmektedir. Rüzgâr potansiyeli ve 2023 yılı hedefleri dikkate alındığında, günümüzdeki RES kurulu gücü az olmakla birlikte, son on yıllık süreçte önemli gelişmeler sağlanmıştır. 2014 yılı sonunda 3762 MW olan RES Kurulu gücü, 2015 yılının ilk yarısında 430 MW değerinde bir artışla 4192 MW düzeyine ulaşmıştır. Türkiye’de tüketilen elektriğin %8’lik bir bölümü rüzgâr enerjisinden üretilmektedir. Bu değerin 2023 yılında %20 düzeyine yükseltilmesi hedeflenmektedir.

Grafik 4.5 Türkiye’deki Rüzgâr Enerjisi Santralleri için Kümülatif Kurulum

 

Grafik 4.6 Türkiye’deki Rüzgâr Enerjisi Santralleri için Yıllık Kurulum

 

Grafik 4.7 Türkiye’de Rüzgâr Enerjisi Santrallerinin Aylık Elektrik Üretimi (2020)

 

Grafik 4.8 Türkiye’de Rüzgâr Enerjisi Santrallerinin Elektrik Üretimindeki Payı

 

Grafik 4.9 İşletmedeki RES’lerin Türbin Markalarına Göre Dağılımı (2020)

 

Grafik 4.10 İşletmedeki RES’lerin Bölgelere Göre Dağılımı (2020)

 

Grafik 4.11 İşletmedeki RES’lerin İllere Göre Dağılımı (2020)

Devamını oku
Reklam
Reklam

Trendler

Copyright © 2011-2018 Moneta Tanıtım Organizasyon Reklamcılık Yayıncılık Tic. Ltd. Şti. - Canan Business Küçükbakkalköy Mah. Kocasinan Cad. Selvili Sokak No:4 Kat:12 Daire:78 Ataşehir İstanbul - T:0850 885 05 01 - info@monetatanitim.com