5.2 Rüzgâr Türbini Bileşenleri

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)

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

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.

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.

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)

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.

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 ?/? dir. 12 ?/? 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.

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.

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.

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.

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