Yayınlandı:
26 Eylül 2014
Kategori:
Teknik Makaleler
Enerji ülkeler için stratejik bir öneme sahip olup ülkelerin gelişmişlik düzeylerini, uluslararası ilişkileri ve yaşam kalitesini belirleyen en önemli parametrelerden bir tanesidir. Dünyada ihtiyaç duyulan enerjinin büyük bir bölümü fosil esaslı kaynaklardan sağlanmaktadır.
Rüzgar türbinleri, rüzgardaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Rüzgâr türbinleri genel olarak kule, jeneratör, dişli kutusu (hız dönüştürücüler), elektronik kontrol elemanları ve kanatlardan oluşur. Türbinler tasarıma ve yapısına göre farklı elemanlardan oluşa bilirler ancak her türbinin özellikleri farklıda olsa aynı fonksiyonu icra eden benzer bileşenleri vardır. Şekil 1’de genel olarak bir rüzgar türbinini oluşturan elemanlar verilmiştir.
Şekil 2. Yatay eksenli rüzgar türbini
Rüzgar türbin güçleri rotor kanat yarıçapına göre kW’lardan MW’lara kadar geniş bir kapasiteye sahiptirler[5]. Rüzgar türbinlerini; güçlerine, dişli yapısına, sabit ve değişken hız durumlarına, kanat sayısına ve eksenlerine göre sınıflandırmak mümkündür. Rüzgâr türbinleri dönme eksenlerine göre üç gruba ayrılırlar:
-
Yatay eksenli rüzgar türbinleri,
-
Düşey eksenli rüzgar türbinleri,
-
Eğik eksenli rüzgar türbinleri.
Yatay Eksenli Rüzgar Türbinler
Şekil 3. Düşey eksenli rüzgar türbinleri
Rüzgar enerjisi sistemlerinde en çok kullanılan türbinlerdir. Verimleri yaklaşık %45’tir. Kanat sayılarına göre sınıflandırılırlar. Enerji üretimi için kullanılanlar genellikle üç kanatlı olup dönme eksenleri rüzgâr akımına paraleldir. Düşük hızlarda çalışabilme özelliğine sahiptirler. Maksimum enerji tutabilmesi için türbin kanatları rüzgâr yönüne diktir. Bu da rotorun kule üstünde dönmesiyle sağlanır. Yatay eksenli rüzgâr türbinlerinin kule üzerindeki yatay eksen yönündeki hareketini, rüzgâra yönelik birimlerde kılavuz bir kuyruk ve rüzgârı arkadan gören birimlerde ise oluşturulan konik açı ile sağlanır. Böylece sistem rüzgarı takip ederek maksimum faydayı sağlamış olur[6,7]. Şekil 2’de yatay eksenli rüzgar türbini görülmektedir.
Düşey Eksenli Rüzgar Türbinler
Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir. Bu türbinler rüzgarı her yönden kabul edebilme üstünlüğüne sahiptir. İlk harekete geçişleri güvenli değildir. Verimleri yaklaşık %35’dir. Türbinlerin üreteç, makine aksamı ve vites kutusu toprak seviyesinde kurulabildiğinden kuleye gerek duymaz. Bu yüzden düşük rüzgâr hızlarında çalışmak zorunda kalırlar ve kuyruk kısmına ihtiyaç duymazlar. Büyük güçlü düşey eksenli uygulamalarda mevcuttur[7]. Şekil 3’te düşey eksenli rüzgâr türbinine ait görüntü verilmiştir.
Eğik Eksenli Rüzgar Türbinler
Şekil 4. Betz Kanunu
Dönme eksenleri düşeyle rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgâr türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır. Verimleri düşük olup yaygın bir kulanım alanı bulunmamaktadır.
Son yıllardaki güç elektroniği alanındaki gelişmeler neticesinde rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmesinde kullanılan teknikler artmış ve gelişim göstermiştir. Bu gelişimler daha etkili ve daha verimli türbinlerin tasarımı ve yapımına imkân sağlamıştır.
Rüzgar Türbininin Aerodinamik Modeli ve Karakteristikleri
Şekil 5. Rüzgar türbininde güç transferi
Aerodinamik, hava akımı içerisindeki nesnelerin hareketini ve hava akımının ürettiği kuvvetleri fiziksel yasalarla inceleyen bir bilim dalıdır. Rüzgar türbin kanatları asimetrik biçimli olup bu biçime kanatların aerodinamik şekli denir. Türbin kanatlarının aerodinamik yapısı güç eğrisi ve gürültü seviyesini önemli ölçüde etkiler. Rüzgar türbinlerinde rüzgârın tüm enerjisini kullanmak mümkün değildir. İdeal bir rüzgâr türbini rüzgârın hızını 2/3 oranında düşürmektedir. Rüzgârdan elde edilebilecek maksimum güç, rüzgâr gücünün%59’u veya 16/27’si olduğu Betz kanunu ile açıklanmaktadır[8]. Şekil 4’de Betz kanunu gösterilmiştir. Rüzgar türbin modeli türbinin sürekli durum güç karakteristikleri temel alınarak geliştirilmekte olup türbinindeki enerji çevrimi doğrusal değildir[9]. “Vw” rüzgar hızı ile taşınan “m” kütleli havadaki kinetik enerji;
Havadaki taşınan güç kinetik enerjinin birim zamandaki akış oranıdır. Türbin modeli; güç katsayısı (Cp), uç-hız oranı (λ), eğim açısı (β) ve türbin momenti T’nin bileşenidir. Üç kanatlı yatay eksenli rüzgâr türbini için mekanik çıkış gücü (Pm); kanatın tam tur dönmesi ile oluşan rotor süpürme alanına (A), havanın yoğunluğuna (ρ), güç katsayısı (Cp) ve rüzgârın hızı (Vw)’nin bir fonksiyonu olarak aşağıdaki şekilde tanımlanır.
A rotor süpürme alanı (m2), ρ hava yoğunluğu (kg/m3), R türbin yarıçapı (m) olmak üzere mekanik çıkış güç;
şeklinde ifade edilir[10]. Kısacası herhangi bir rüzgar türbini için güç transferi Şekil 5’de görülmektedir.
Burada Pm mekanik gücü, Pw rüzgar gücü ve Cp güç katsayısı çarpımı ile bulunur. Ayrıca türbin çıkış gücü Pt, Pm ve dişli kutusu verimi çarpımıyla ve generatör çıkış gücü Pe ise generatör verimi ve iletim çıkış gücü Pt’nin çarpımıyla belirlenir.
Kısacası Şekil 8’den de görüleceği gibi herhangi bir rüzgâr türbinindeki elektriksel çıkış güç;
şeklinde ifade edilir. Çıkış gücünün mil hızına oranı türbin momentini vermektedir.
Şekil 6. Güç katsayısı ile hız oranı değişimi karakteristiği
Tt türbin momenti (Nm) olup wt türbinin açısal (rad/sn) hızıdır. Türbin generatör miline dönüştürme oranı ξ olan bir dişli kutusu üzerinden bağlıdır. Dişli kutusu generatör mil hızını ayarlamak için kullanılır. Rüzgar gücünün tamamı makinaya aktarılamaz. Çünkü mekanik güç iletimi esnasında dişli kutusu üzerinde kayıplar meydana gelir. Bu kayıplar ihmal edildiğinde rüzgâr türbininin generatör tarafına indirgenmiş momenti ve mil hızı aşağıdaki denklemlerle ifade edilebilir.
Burada Tm generatörü süren moment ve wm ise generatörün mil hızıdır. Bir rüzgar türbini rüzgarla ilgili gücün sadece belli bir yüzdesini üretebilir. Bu yüzde rüzgar hızının bir fonksiyonu olan Cp, türbinin dönme hızı ve türbin kanatlarının adım açısı ile temsil edilmektedir. Rüzgar hızı Vw (m/sn), rotor yarıçapı R (m) ve rüzgar türbini dönme hızı yani rotor acısal hız wt (rad/sn) kullanılarak noktasal hız (uç-hız) oranı olarak adlandırılan (λ) şu şekilde ifade edilir[10,11].
Rotor güç katsayısı Cp uç-hız oranı (λ) ile değişir. Cp ile (λ) arasındaki doğrusal olmayan ilişki herhangi bir türbin için deneysel olarak belirlenebilir. Cp katsayısını bütün hızlarda maksimumda tutabilmek için rotor açısal hızının Cp’yi maksimumda tutacak λ değerine uygun ayarlanması gerekir. Bu durum sabit hızlı rüzgâr türbinlerinde rotor hız kanat eğim açısıyla, değişken hızlı rüzgâr türbinlerinde ise hem kanat eğim açısıyla hem de generatör tarafındaki inverter ile gerçekleştirilir. Bu çalışmada kullanılan türbinin Cp- λ eğrisi Şekil 6’da görülmektedir.
Şekil 6’da görüleceği gibi çalışmada kullanılan türbinin güç katsayısı Cp maksimum olduğu noktadaki değeri 0.44 ve buna karşılık gelen uç-hız oranı λ ise 6.3 civarındadır. Şekil 7’de belli bir rüzgar hızı için farklı rotor hız değerlerinde rüzgar türbin gücünün farklı değerlerde olduğu görülmektedir. Bu durum değişken hızlı rüzgâr türbini tarafından tahrik edilen bilezikli asenkron generatörde, türbinin mil hızı elektriksel olarak ayarlanabilmektedir.
Güç katsayısı Cp, uç-hız oranı λ’nın ve eğim açısı β’nın fonksiyonu olup rüzgar türbini kanatlarının rüzgarın estiği yöne göre açısal olarak değiştirilmesi ile güç katsayısının ayarlanması söz konusudur. Değişken hızlı rüzgar türbinleri, eğim açısını değiştirebilecek mekanizmaya sahip olup kanat uç hızını ayarlayarak daha iyi güç katsayısını elde edebilirler. Belli bir rüzgâr hızında türbin kanatlarındaki açının değişimine göre rüzgâr türbini farklı güç karakteristikleri vermektedir. Şekil 8’de belli bir rüzgâr hızı için türbin kanatlarının farklı konum (β) açılarına göre Cp- λ karakteristiği, Şekil 9’da rüzgar hızı, rotor hızı ve rüzgâr türbin gücü değişimlerini gösteren grafik verilmiştir.
Şekil 7. Rüzgâr türbin gücünün rotor hızıyla değişim karakteristiği
Ayrıca sistemde bilezikli asenkron generatör kullanıldığından dolayı asenkron generatörlerde bu güç, generatörün tahrik momenti, rad/s olarak generatör hızı, generatörün kayma değeri ve rad/s olarak generatörün senkron hızı terimleri cinsinden ifade edilebilir.
Burada Pm generatörün tahrik giriş gücü, B sürtünme katsayısı, wm generatör hızı, S kayma ve ws generatörün senkron hızıdır.
Generatörün tahrik momenti Tm türbin momenti Tt ve sürtünme-vantilasyon kayıpları Bwm ile ilişkisi şu şekilde ifade edilebilir.
Generatör kayıpları ise, çalışma gerilimi ve frekansı ile değişen histeresiz ve eddy akım kayıpları, dönüş hızı ile değişen sürtünme-vantilasyon kayıpları ve yük akımının karesi ile değişen bakır kayıplardır. Bu bakımda generatör tahrik momenti Tm sürekli durumda, sistemin kayıp gücü çıkarıldığında, asenkron generatörün ürettiği elektromanyetik moment ile dengelenmektedir. Ayrıca Tm momentinin ayarlanması ile türbin mil hızının kontrolü sağlanmış olur. Bilezikli asenkron generatörün gücü stator ve rotor güç bileşenlerinden oluşmaktadır. Rotor gücü Pr, generatör çalışma durumuna bağlı olarak şebekeden çekilmekte veya şebekeye verilmektedir.
Şekil 8. Eğim acısı β’nın değişim ile Cp- λ karakteristiği
Bilezikli asenkron generatörden oluşan rüzgâr türbininde, generatörün stator bakır kayıpları ve nüve kayıpları ihmal edildiğinde stator gücü yaklaşık olarak hava aralığı gücüne eşittir.
Burada Pg hava aralığı gücü ve Ps stator gücüdür. Böylece generatörün ürettiği ve şebekeye verdiği elektrik gücü Ps-Pr kadar olur. Belli bir rüzgar hızında rüzgar türbininden maksimum güç alına bilmesi için, sisteme uygulanan kontrol yöntemi rüzgar türbininin kendi optimal güç eğrisini izlemesine müsaade etmelidir. Bu çalışmada kullanılan rüzgâr türbininin güç katsayısı Cp’nin, uç-hız oranı λ ve konum açısı β ile ilişkisini gösteren denklemler aşağıda verilmiştir[9-13].
Şekil 9. Rotor hızı, rüzgâr hızı ve rüzgâr türbini gücü değişimi
Yukarıdaki denklemler kullanılarak Matlab/Simulinkte oluşturulan rüzgâr türbini modeli Şekil 10’da gösterilmiştir.
Matlab/Simulink’de oluşturulan rüzgar türbini modelindeki “Wind Turbine” blokunun içyapısı Şekil 11’da gösterilmiştir.
Şekil 6-9’daki rüzgâr türbinine ait karakteristikler Matlab/simulinkte oluşturulan Şekil 10 ve Şekil 11’de gösterilen rüzgâr türbini modeli kullanılarak elde edilmiştir.
Sonuçlar
Şekil 10. Rüzgar türbini Matlab/Simulink modeli
Rüzgar türbinleri; güçlerine, dişli yapısına, sabit ve değişken hız durumlarına, kanat sayısına ve eksenlerine göre sınıflandırılır. Dönme eksenlerine göre rüzgar türbinleri üç gruba ayrılırlar. Bunların birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları mevcuttur.
Sonuç olarak rüzgar türbini için gereli olan matematiksel ifadeler kullanılarak matlab/simulink ortamında rüzgâr türbini modeli oluşturulmuş ve türbin karakteristikleri çıkartılmıştır.
Kaynaklar
Şekil 11. Wind Turbine blokunun içyapısı
Kaynaklar:
[1] N.S. Çetin, K. Başaran, “Adnan Menderes Üniversitesi Yerleşkesinin Rüzgar Elektrik Potansiyelinin Belirlenmesi”, VIII. Ulusal Temiz Enerji sempozyumu, pp.167-174, Aralık 2010
[2] K. Başaran, N. S. Çetin, H. Çelik, “Rüzgar-Güneş Hibrit Güç Sistemi Tasarımı ve Uygulaması”, 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11),pp.114-119, 16-18 Mayıs 2011, Elazığ
[3] T. Ackermann, “Wind Power in Power Systems”, John Wiley and Sons, 2005
[4] F. D. Bianchi, H. De Battista and R. J. Mantz, “Wind Turbine Control Systems”, Springer, 2007.
[5] Barambones, O. “Slinding Model Control Strategy for Wind Turbine Power Maximization”, Energies, vol. 5, pp. 2310-2330, 2012
[6] Mathew, S., “Wind Energy Fundementals, Resource Analysis, and Economics , springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006
[7] K Pope, I Dincer, G F Naterer, “Energy and exergy efficiency comparison of horizontal and vertical axis wind turbines”, Renewable Energy, Vol.35, No.9, 2010, pp.2102-2113.
[8] Çetin, N. S., Özdamar, A., Çolak, M., Özbalta, N., 2003, Rüzgar türbinlerinde optimum dizayn devirlilik sayısının enerji üretimine etkisinin belirlenmesi, I. Ege Enerji Sempozyumu Kitapçığı, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Denizli, 57-63s.
[9] A.H.M.A. Rahim, M. Ahsanul Alam, M.F. Kandlawala, “Dynamic performance improvement of an isolated wind turbine induction generator”, Computers and Electrical engineering, 35, 2009, 594-607.
[10]B.Chitti, Babu, K.B., Mohanty, “Doubly-Fed Induction Generatör for Variable Speed Wind Energy Conversion Systems-Modeling & Simulation”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 2, No. 1, February, 2010
[11]P. S., Mayurappriyan, J., Jerome, M., Ramkumar, K., Rajambal, “Dynamic Modeling and Analysis of Wind Turbine Driven Doubly Fed Induction Generator”, International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol 2, No. 5, November 2009
[12]Surya Santoso, Ha Thu Le. “Fundamental Time-domain Wind Turbine Models for Wind Power Studies”. Renewable Energy (2007), 32, 2436-2452.
[13]Uyar, M., Gençoğlu, M.T., Yıldırım, S., “Değişken hızlı rüzgar türbinleri için generatör sistemleri”, YEKSEM 2005, III. Enerji Kaynakları Sempozyumu, sh. 173-178.