Rüzgar
Türbinlerini Sınıflandırma:
1.1--Eksenlerine
Göre Rüzgar Türbinleri:
1--Düşey
Eksenli Rüzgar Türbinleri:
1.1--Bu türbin modelleri ‘yaw mekanizmasına’ ihtiyaç
duymazlar, ayrıca generatör ve dişli kutusu yer seviyesinde bulunur.Yaw
mekanizması; rüzgar türbinlerinin rüzgarı alacak şekilde dönmelerini sağlayan
hidrolik ya da mekanik aksamlar tarafından sağlanan sistemlerdir
1.2--Düşey eksenli rüzgar türbinleri düşük rüzgar hız
seviyelerinde üretim yapabilirler fakat buna karşın dişli kutusu maliyetleri ve
bakımları masraflıdır.
1.3--Ayrıca yüksek moment değerleri söz konusu
olmaktadır.
1.3.1--Savonius rüzgar türbin sistemleri ise iki adet
yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirlerine göre simetrik
olarak kaydırılmış iki adet yarım silindirden oluşmaktadır. Silindirlerin iç
kısımlarında pozitif ve dış kısımlarında negatif moment oluşmaktadır. Pozitif
moment, negatif moment değerinden büyük olursa türbin pozitif moment yönünde
hareket eder [3].
2-- Yatay
Eksenli Rüzgar Türbinleri
2.1--Yatay eksenli rüzgar türbin modellerinde dönme
eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatlar rüzgar ile belirli açı yapacak
şekilde farklı kanat sayılarına sahip olabilirler.
2.2--Bu rüzgar türbin modelleri yaw mekanizmasına
ihtiyaç duyarlar. Kule masrafları fazla olmakla birlikte karasal alanlara
kurulabildikleri gibi deniz üstlerine de kurulabilirler.
2--Rüzgar Hızlarına
Göre Rüzgar Türbinleri
1-- Değişken hızlı sistemlerin, sabit hızlı sistemlere
göre bazı önemli avantajları
1.1--Türbin hızı, çıkış gücünü en üst düzeye
çıkarabilecek şekilde rüzgar hızının bir fonksiyonu olarak ayarlanabildiği için
yıllık enerji üretimi artar. Türbin aerodinamiğine ve rüzgar rejimine bağlı
olarak,yıllık enerjiye ortalama %10 oranında bir katkı sağlanır.
1.2--Sistem, gücün en uygun şekilde düzenlenmesine
imkan sağladığı için mekaniksel baskılar azalır.
1.3--Rüzgar ve mekaniksel sistemlerden kaynaklanan ve
çıkış gücünde değişime sebep olan anlık durumlar önemli ölçüde azalır. Türbin
ani ve çok kuvvetli rüzgara maruz kaldığında, mekaniksel sistemin eylemsizliği
rotor hızını artırıp artık enerjiyi emerek, elektriksel sistemin şebekeye sabit
güç aktarmasına engel olmaz.
1.4--Güç kalitesi, güçteki dalgalanmalar azaltılarak
iyileştirilebilir. Güçteki dalgalanmaların azalması,gerilimin nominal
değerinden uzaklaşmasını da önleyecektir. Bu da rüzgar gücünün şebekedeki
etkisini arttıracaktır.
1.5--Kanat eğim açısının kontrol zaman sabiti, daha
yüksek olabileceğinden, kanat eğim mekanizmasının karmaşık kontrol sistemi daha
basit bir şekilde yapılabilmektedir.
1.6--Akustik gürültü azalacaktır. Yerleşim
bölgelerinin yakınlarına kurulan rüzgar çiftliklerinde gürültü önemli bir
problem olmaktadır.
1.7--Değişken hızlı sistemlerin dezavantajları ise;
generatör ve şebeke arasındaki bağlantı için gerekli güç konverterlerinin
karmaşıklığı ve maliyetin yüksek olmasıdır.
2.1-- Sabit
Hızlı Rüzgar Türbinleri
1--Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde rüzgar hızı
belirli bir hız değerinin üzerinde ise dişli kutusu aracılığı ile rotor hızı
sabitlenir.
2--Bu rüzgar türbin sistemlerinde reaktif güç
kompanzasyonunu azaltmak için bir soft-starter ve kapasitör grubu ile şebekeye
doğrudan bağlanmış bir indüktif generatöre sahip olmaları gerekmektedir.
3--Dişli kutusuna sahip olmalarından ve rüzgar
hızlarında meydana gelen değişimler mekanik torkta ve buradan da şebekeye
olumsuz etki olarak yansımaktadır.
2.2--Değişken
Hızlı Rüzgar Türbinleri
1--Değişken hızlı rüzgar türbinleri, geniş rüzgar hız
aralıklarında kanatların farklı açılar ile konumlanabilmeleri sonucu
çalışabilen rüzgar türbin modelleridir.
2--Dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu nedenle
verimleri yüksektir. Reaktif gücün kontrol edilebilir en iyi karakteristiklere
sahiptirler fakat güç elektroniği maliyetleri yüksektir .
3--Kanat
Sayılarına Göre Rüzgar Türbinleri
3.1--Tek
Kanatlı Rüzgar Türbinleri
1--Tek kanatlı rüzgar türbinlerinde, dönme hızının ve
kanat uç hız oranının yüksek olmasından dolayı generatörün sağladığı moment,
küçük değerli olmaktadır.
2--Bu tür sistemlerde dengeyi sağlamak için karşıt
yükler kullanılır. Fakat bu durum aerodinamik ve tasarım problemlerini ortaya
çıkarır. Kanat uç hız oranlarının yüksek olmasından dolayı gürültü seviyeleri
de yüksektir.
3.2-- Çift
Kanatlı Rüzgar Türbinleri
1--Çift kanatlı olarak üretilen rüzgar türbinlerinde
motor milinde meydana gelen dinamik hareketleri önlemek için yapılan tasarımlar
ve rotor milinde oluşacak titreşimleri azaltmak için rotor şaftına dikey ve iki
rotor kanadına dik olacak şekilde konumlandırılmış ‘kadran’ sistemleri bulunur.
2--Tek kanatlı rüzgar türbin modelleri kadar olmasa da
kanat uç hız oranları yüksektir. Buna rağmen düşük rüzgar hızlarında elektrik
enerji üretebilirler. Fakat gürültü seviyeleri yüksektir.
3.3--Üç
Kanatlı Rüzgar Türbinleri
1--Üç kanatlı rüzgar türbinlerinde oluşan döndürme
momenti kanatlara daha düzgün ve eşit olarak dağılımı gerçekleşir.
2--Bu tür rüzgar türbin yapılarının milinde atalet
momentleri oluşmadığından ek donanımlara ihtiyaç duymazlar.
3--Kanat uç hız oranları düşüktür ve bundan dolayı
gürültü seviyeleri azdır.
4--Çok
Kanatlı Rüzgar Türbinleri
1-- Çok kanatlı olarak üretilmelerinin nedeni bu tür
işlerde yüksek moment değerlerine ihtiyaç olmasıdır.
2--Kanat profilleri ise, pervane orta noktasından
kanat uçlarına ilerledikçe kanat genişlikleri artar.
3--Bu rüzgar türbinlerinde dişli kutusu kullanılarak
devir sayıları artırılır.
4--İki kanatlı türbinler, üç kanatlı türbinlere göre %
2-3 daha az verimlidir.
5--Tek kanatlı türbinler ise; iki kanatlı türbinlerden
% 6 daha az verimlidir.
6--Ayrıca tek kanatlı türbinlerde dengeleyici olarak
karşıt ağırlık kullanılır.
7--Yüksek rüzgar hızlarında çalışan bu tip türbinlerde
kanat sayısı artıkça verim artar.
4--Rüzgarı
Alma Yönlerine Göre Rüzgar Türbinleri
4.1--
Rüzgarı Önden Alan Türbinler
1--Rüzgarı önden alan rüzgar türbin modellerinde
kulenin arka tarafında oluşacak rüzgar gölgeleme etkisine çok az maruz
kalırlar. Kule yuvarlak ve düz olsa bile kanadın kule hizasından her geçişinde
rüzgar türbinin üreteceği güç biraz azalır. Bu olumsuzluğu gidermek için rotor
kanatları sert malzemeden üretilmektedir.
2--Bu tür rüzgar türbin tasarımlarında, rotor yüzeyi
rüzgar yönünde ve dik konumdadır. Ayrıca yaw mekanizmaları da bulunur.
4.2--
Rüzgarı Arkadan Alan Türbinler
1--Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbin modellerinde
rotor yüzeyi kulenin arkasında bulunur. Bu nedenle yaw mekanizmasına ihtiyaç
duymazlar.
2--‘Nacelle’ ile rotorun uygun tasarımı yapılmış ise
nacelle rüzgarı pasif olarak takip eder .
3--Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinlerinde rotor
kanatları esnek özelliğe sahip olabilirler. Bunun avantajı olarak kule yükü
azalır. Fakat kanatlar kule hizasından her geçişinde meydana gelen güç
dalgalanmaları fazla olur ve bunun sonucu olarak kulenin yarattığı türbilans
rüzgar türbinlerinin verimlerini düşürür
5--Güç
Kontrol Sistemlerine Göre Rüzgar Türbinleri
5.1-- Durma
(Stall) Kontrollü Rüzgar Türbinleri
1--Rüzgar türbin hızının istenilen değerler arasında
kalmasını sağlayan aktif fren kontrol sistemleridir.
2--Tercih edilme nedenleri, uygun fiyatları, az bakım
gerektirmeleri, basit ve sağlam olmasıdır.
3--Buna karşın nominal hızın üzerindeki rüzgar
hızlarında güç değerleri düşüktür. Bu kontrol sistemlerinde, rotor kanatları
rüzgar türbininin ‘hub’ sistemine sabit açılar ile sabitlenmiştir
5.2-- Eğim
(Pitch) Kontrollü Rüzgar Türbinleri
1--Pitch kontrollü rüzgar türbin modellerinde rotor
kanatları; mekanik veya hidrolik sistemler ile rüzgar hızlarına göre kendi
eksenleri etrafında dönebilecek şekilde konumlandırılmışlardır.
2--Nominal hızın üzerindeki değerlerde sabit güç
üretimi sayesinde daha kaliteli çıkış sağlarlar. Bu güç kalitesi pitch
kontrolörün hızına ve duyarlılığına bağlıdır.
3--Pitch kontrollü rüzgar türbin sistemlerinin
avantajları arasında gücün kontrol edilebilir olması, kontrollü başlatma ve
acil durdurma yeteneklerinin bulunması sıralanabilirken, dezavantajları olarak
da yüksek rüzgar hız değerlerindeki küçük değişimler çıkış güç değerinde büyük
değişimlere neden olması gösterilebilir.
6--Şebeke
Bağlantı Şekillerine Göre Rüzgar Türbinleri
6.1-- Şebeke
Entegrasyonlu Rüzgar Türbinleri
1--Şebeke entegrasyonlu rüzgar türbin modellerinde
işletme gerilim ve frekans değerlerinin önemi kadar, arıza durumlarında
sistemde belirli bir süre kalabilme gibi özel durumları söz konusudur.
2--Ayrıca rüzgar türbinlerinin yüke daha yakın olması
kayıpları, reaktif güç kompanzasyon gerekliliğini ve sistem kararlılığına ters
etkisini azaltır.
3--Şebeke entegrasyonlu rüzgar türbin tasarımlarında,
şebeke üzerinde bozucu etkiler söz konusu olabilmektedir. Bu bozucu etkiler
ise, sistem dinamiği ve kararlığı, frekans kontrolü ve konvansiyonel
santrallerde sık sık yük alma/atma ve reaktif güç kontrolü ve gerilimi, büyük
rüzgar santrallerinin planlanmasında yaşanabilecek sürekli hal sorunları, güç
katılımının etkileri, kısa devre arızaları ve şebekeyi besleme kapasite
sınırları şeklinde sıralanabilir.
6.2--Şebeke
Entegrasyonsuz Rüzgar Türbinleri
1--Enterkonnekte şebekeden bağımsız olarak çalışan
rüzgar türbin sistemleri elektrik nakil hatlarının ulaşamadığı kırsal
bölgelerde veya bir sistemin enerjisini karşılamak üzere kurulabilir.
2--Bu tür sistemlerde üretilen elektrik enerjisi doğru
akıma çevrilir ve daha sonra işletmenin ihtiyaç duyduğu gerilim ve frekansta
alternatif akıma dönüştürülür. Bu işlemin amacı ise doğrultma işlemi ile çıkış
gerilimini regüle etmek, DA-DA kıyıcı ile elektromanyetik torku ve inverter
tarafındaki konverter ile de girişin güç faktörünü kontrol etmektir.
7--Kullanılan
Generatörlere Göre Rüzgar Türbinleri
7.1-- Rüzgar
Türbinlerinde Kullanılan Generatörler
1--Rüzgar türbininin ürettiği mekanik enerjiyi minimum
kayıpla elektrik enerjisine dönüştürmek için, farklı hız ve çıkış
kombinasyonları kullanılmaktadır. Rüzgar türbinlerinde üç çeşit generatör
kullanılmaktadır.
1) Doğru akım generatörü,
2) Senkron generatör,
3) Asenkron generatör.
2--Küçük güçlü sistemlerde eskiden çok kullanılan
doğru akım (d.a.) generatörü, günümüzde yerini genellikle senkron veya asenkron
generatörlere bırakmıştır.
3--Senkron ve asenkron generatörler daha çok orta ve
büyük güçlü sistemlerde yaygın olarak kullanılırlar
7.1-- Doğru
Akım Generatörler
1--Rüzgar türbin sistemlerinde kullanılan doğru akım
generatörlerinin bakım gereksinimleri olmasına ve güvensiz çalışma şartlarına
rağmen yaygın olarak tercih edilmektedir.Bunun nedeni ise hız kontrollerinin
basit olmasıdır.
2--Doğru akım generatörlerinin sahip olduğu komütatör
sistemlerinden arındırmak için zaman ile sürekli mıknatıslı olarak tasarlanmaya
başlanmıştır. Fırçasız doğru akım generatörleri olarak da adlandırılan bu
generatörler, sürekli mıknatısların manyetik akı güçlerinin kapasitesine göre
rüzgar türbin sistemlerinde kullanılmaktadır.
7.2--
Asenkron Generatörler
1--Asenkron generatörlerin rüzgar türbin sistemlerinde
tercih edilme nedenleri, uygun fiyatları, dayanıklı ve mekanik olarak basit
olmalarıdır.
2--Bu özelliklerine karşın uyarma akımı için harici
bir kaynağa ihtiyaç duymaları ve stator sargılarının reaktif bir mıknatıslanma
akımına ihtiyaç duymaları gibi olumsuz özelliklere sahiptirler.
3--Harici kaynağa ihtiyaç duymalarından dolayı reaktif
güç harcarlar. Bu reaktif güç, şebeke veya güç elektroniği devrelerinden
karşılanır.
4--Stator sargılarının reaktif mıknatıslanmaya ihtiyaç
duymaları ise asenkron generatörlerinin sadece şebekeye bağlı olduğu durumda
karşılanır. Meydana gelen bu manyetik alan, sargı kutup sayısı ve akımın
frekansı tarafından belirlenen hızda döner.
5--Senkron hızı aşan hızlarda dönerse, nispi bir
hareket tarafından dönen stator manyetik alanı ile rotor sargıları arasında
elektrik alan indüklenir. Bunun sonucu olarak rotor sargılarından akım geçer.
Rotor manyetik alanı ile stator manyetik alanı etkileşimi sonucu, rotor
üzerinde tork meydana gelir.
6--Asenkron generatörler yapılarına göre; sincap
kafesli asenkron generatörler ve rotoru sargılı asenkron generatörler olarak
tasarlanmaktadır.
7.2.1— Çift
Beslemeli Asenkron Generatörün Avantajları:
1--Sadece rotorun kayma gücünü kontrol etmeye yarayan
konverter sistemine sahip olduğu için, toplam sistem gücünün yaklaşık %25 ’i
oranında bir inverter kullanılmaktadır. Bu da inverter maliyetini azaltır.
2--Sistemde kullanılan filtreler toplam sistem gücünün
0.25 p.u.’lik kısmı için gerekli olduğundan, inverter filtrelerinin maliyeti
azalmaktadır. Aynı zamanda inverter harmonikleri, toplam sistem harmoniklerinin
daha küçük bir bölümünü temsil etmektedir.
3--Ayrıca bu makina harici bozucu etkilere karşı
dayanıklılık ve kararlılık göstermektedir.
4--ÇBAG için en büyük dezavantaj bünyesinde periyodik
bakıma ihtiyaç duyan bilezik tertibatının bulunmasıdır
7.2.2—Sincap
Kafesli Asentron Generatörün ’nin sağladığı avantajlar :
1--Sincap kafesli asenkron makinalar, fırçasız,
güvenilir, ekonomik ve sağlam bir yapıya sahip olmaları nedeniyle uygulamada
sıkça kullanılmaktadırlar.
2--Doğrultucu, generatör için programlanabilir bir
uyartım oluşturabilmektedir.
3--İnverter, harmonik kompanzatör olarak
çalıştırılabilmektedir.
4--Generatör parametrelerinin sıcaklık ve frekansla
değişerek sistemin kontrolünü karmaşıklaştırması ve stator tarafındaki
konverterin, makinanın ihtiyaç duyduğu manyetik alanı sağlamak için nominal
güce göre %30-%50 oranında daha büyük ölçülerde yapılması, bu sistemin
dezavantajları arasında yer alır
5-- Bir rüzgar santralinin performansı, santralin
kurulacağı bölgenin rüzgar rejimine ve türbin tipine en uygun generatörün
kullanılmasına bağlıdır.
5.1--Küçük ve orta güçlü rüzgar güç sistemlerinde hem
Sincap Kafesli Asenkron Generatör, hem de Daimi Mıknatıslı Senkron Generatör
kullanılır.
5.2--Büyük güçlü rüzgar güç sistemleri için ise hem
Çift Beslemeli Asenkron Generatör, hem de senkron generatör tercih edilir.
5.2.1—Dalga Genişlik Modülasyonlu-DGM sistemin giriş
ve çıkışındaki akım harmoniklerini azaltacağı için, DGM tekniğine göre
anahtarlama yapabilen,back-to-back gerilim kaynaklı dört bölgeli güç konverteri
tercih edilir. Böylece, generatör üzerindeki tork
titreşimleri azalır ve çıkış gücünün kalitesi artar.
7.3--Senkron
Generatörler
1--Rüzgar türbin sistemlerinde kullanılan senkron
generatörler, sabit hızın istenildiği tasarımlarda kullanırlar. Senkron
makinalar, inverter veya ayarlı gerilim ve frekans kaynağı tarafından
beslenirse hız kontrolleri yapılabilir.
2--Ayrıca uygun kutup sayısı ile dişli sistemlerine
gereksinim duyulmaz. Bu üstünlüklerinden dolayı değişken hızlarda da
kullanılabilir.
3--Senkron generatörleri doğru akım generatörlerine
göre boyutları ve atalet momentleri küçük, asenkron generatörlerine göre ise
verimleri ve güç faktörleri yüksektir.
4--Senkron generatörler, reaktif mıknatıslanma akımına
ihtiyaç duymazlar. Bu nedenden dolayı reaktif güç harcamazlar ve daha kaliteli
güç çıkışına sahiptirler. Bu avantaj ile rüzgar santrali küçük kapasiteli
şebekelere uzun ve düşük gerilimli hatlar ile bağlandığı zaman daha ön plana
çıkar.
5--Senkron generatörler, tam güç kontrolü için uygun
tasarımlardır. Çünkü şebekeye bir güç konverteri ile bağlanırlar. Buradaki
konverterin temel amaçları; yapısal olarak bora etki niteliğindeki rüzgar
hızlarının neden olduğu güç dalgalanmaları ve şebeke tarafından gelen geçici
rejimler için bir enerji tamponu gibi davranarak ve mıknatıslanmayı kontrol
ederek şebeke frekansı ile senkron kalarak meydana gelebilecek sorunları
önlemektir.
6--Senkron generatörlerde manyetik alan, alan
sargıları veya sürekli mıknatıslar tarafından sağlanır. Bu tasarımlara göre
senkron generatörler; rotoru sargılı senkron generatörler ve sürekli mıknatıslı
senkron generatörler olmak üzere ikiye ayrılırlar.
7--Mıknatısların kullanılması, uyarma kayıplarını ve
generatörde meydana gelen fırça ve kollektör kayıplarını ortadan
kaldırmaktadır. Diğer üstünlükleri ise, sürekli mıknatısların kullanılması
verimi artırır. Hava aralığı indüksiyonları arttığı için boyutları ve
ağırlıkları azalır.
8--Dinamik performansları ve güç faktörleri rotoru
sargılı senkron generatörlerden fazladır.
9--Harici uyarma kaynağına ihtiyaç olmaması termik
sınırları genişletmektedir. Ayrıca bakım masrafları azdır.
10--Bu üstünlüklerinin yanında sahip olduğu
olumsuzluklar ise, sürekli mıknatısların ve bu mıknatısların montaj
maliyetlerinin fazla olması ve zaman ile mıknatıslık özelliklerinin
bozulmasıdır.
7.3.1--Daimi
Mıknatıslı Senkron Genarratörün ’nin dezavantajları şunlardır:
1--Makinanın fiyatını arttıran daimi mıknatısların
maliyeti yüksektir.
2--Akımın genliğini arttıran diyotlu doğrultucular
kullanılmaktadır.
3--Mıknatıs malzemesinin manyetikliği
bozulabilmektedir.
4--Makinanın güç faktörünün kontrol edilmesi mümkün
değildir.
8—Rüzgar
Türbinlerini Sınıflandırma:
Ölçek…………….
Rotor Çapı (m)………….. Güç (kW)
Mikro……………. 3’den küçük……………… 0.05-2
Küçük……………. …3-12 ……………………..2-40
Orta………………… 12-45………………….. 40-1000
Büyük……………….. >45 …………………….>1000
Kaynak:
1--Değişken Hızlı Rüzgar Türbinleri İçin Generatör
Sistemleri
Murat UYAR Muhsin Tunay GENÇOĞLU* Selçuk
YILDIRIM-Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi-Elektrik Eğitimi Bölümü,
23119, ELAZIĞ-muyar@firat.edu.tr-syildirim@firat.edu.tr-*Fırat Üniversitesi,
Mühendislik Fakültesi-Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 23279,
ELAZIĞ-mtgencoglu@firat.
2-- Rüzgar Türbin Sistemlerinin Karşılaştırılması--Soner ÇELİKDEMİR1 Mehmet ÖZDEMİR2-1Bitlis Eren Üniversitesi 2Fırat Üniversitesi--Adilcevaz Meslek Yüksekokulu Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü--scelikdemir@beu.edu.tr mozdemir@firat.edu.tr