Rüzgar türbinleri hareket halindeki havanın enerjisini mekanik enerjiyedönüştüren makinalardır. Bu nedenle rüzgardan elektrik üretimi rüzgarenerjisi uygulamalarının temel yöntemlerinden biridir. Hareketli havadan mekanik enerji şeklinde elde edilen enerji, uygun birkaplin ve dişli kutusu içeren mekanik aktarıcı yoluyla elektrikgeneratörüne aktarılır. Generatörden elektrik çıkışı, uygulamaya görebir yüke ya da güç şebekesine bağlıdır.
Bu tür istemde kullanılan kontrol cihazı bir yada daha fazla noktadarüzgar hızı ve yönü, mil hızları ve torkları (döndürme momenti ), çıkışgücü ve gerekliyse generatör sıcaklığını algılayarak kanat açısıkontrolü, yön kontrolü (sadece yatay eksenli makinalarda )yapmak verüzgar enerji girişi ile elektrik çıkışını eşlemek amacıyla generatörkontrolü için uygun sinyalleri üretir. Ayrıca kuvvetli rüzgar,sonucunda oluşan aşırı koşullardan, elektriksel arızalardan, genaratöraşırı yüklenmesi gibi koşullardan sistemi korur.
Rüzgar-elektrik sistemlerinde rüzgardan alınabilen güçten elektrikselgüç çıkışına kadar olan tüm dönüşüm verimi %25-35 aralığındadır. Rüzgar enerjisinin kaynağı güneştir. Güneşin, yer yüzeyini ve atmosferi farklı derecede ısıtmasından rüzgar adı verilen hava akımı oluşur. Dünya yüzeyine ulaşan güneş enerjisinin yalnızca küçük bir bölümü rüzgar enerjisine çevrilir. Rüzgar enerjisinin özellikleri genel olarak şunlardır..
1) Atmosferde bol ve serbest olarak bulunur.
2) Yenilenebilir ve temiz bir enerji kaynağıdır.
3) Enerjisi hızının küpü ile orantılıdır.
4) Yoğunluğu düşüktür.
5) Enerjisinin depolanması, başka bir enerjiye çevrilmesi ile mümkündür.Çevre kirliliği yapmaz
Rüzgar – enerji dönüşüm ( RED ) sistemleri aşağıdaki üç temel faktöre bağlı olarak sınıflandırılabilir.
- Çıkış türü:
a- Doğru akım
b- Değişken frekans, değişke veya sabit gerilim, alternatif akım.
c- Sabit frekans, değişken veya sabit gerilim, alternatif akım.
- Rüzgar türbininin dönme hızı:
a- Değişken kanat açısı ile sabit hız
b- Basit açı değiştirici mekanizmaları ile yaklaşık sabit hız
c- Sabit kanat açısı ile değişken hız
- Elektrik enerji çıkışından yararlanma şekli:
a- Akü gurubunda depolama
b- Diğer şekillerde depolama
c- Konvansiyonel şebeke sistemine bağlantı
Uygulamadaki sistemlerde optimum nominal (tam yükte ) rüzgar hızınınsaatlik hızın yıllık ortalamasına oranı yöreye, rüzgar rejimine veuygulanan tasarım yöntemine bağlı olarak 1.25 ile 2.5 değerleriarasında değişir. Yıllık enerji çıkışı, yıllık ortalama rüzgar hızınıkullanarak yapılan hesaplarda elde edilen enerjinin 1 ile 1.6 katıarasında olacaktır. Elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan rüzgar türbinleri, bir ikiveya üç kanadı olan yüksek hızda çalışan makinalardır. Yüksek hızdaçalışma nedenleri; Eşit çaptaki yüksek hızlı bir rüzgar türbini düşükhızlı türbinden daha hafif, dolayısıyla daha ucuzdur.
Dönme hızları yüksek olduğu için gerekli çevrim oranı daha düşüktür. Bu nedenle dişli kutusu daha hafiftir. Elektrik generatörlerinin çalışmaya geçmesi için gerekli başlangıçtorku küçüktür. Hızlı bir rüzgar rotorunun başlatma torku çok küçük deolsa, generatörü kolaylıkla harekete geçirir. Dolayısıyla yüksek hızlırüzgar türbinleri bu kullanım için son derece uygundur. Türbin kanatları sabit veya değişken açılı olurlar. Bazı tasarımlardarotor frenlendiğinde açıyı arttıran özel bir regülatör kullanılarakbaşlatma kolaylaştırılır.
Sabit kanat açılı yüksek hızlı rüzgar makinalarında, generatör başlamaesnasında motor gibi davranır ve dönme hızı nominal hıza ulaştığındageneratöre dönüşür. Regülatör sistemleri olmayan rüzgar rotorları da vardır. Bu tür rüzgarrotorlarının çalışmaya başlaması özellikle makinanın yıldız0 uç hızoranı yüksekse daha zordur. Bu gibi makinalarda burulmuş kanatlartercih edilir. Genellikle, rüzgar rotoru bir dişli kutusu üzerinden elektrikgeneratörünü sürer.
Dişli yapımında ortaya çıkan gelişmeler ve düşükhızlı elektrik generatörlerinin maliyetinin yüksek olması, küçüksistemler dışında rotorun generatör tarafından doğrudan sürülmemesieğilimine yol açmaktadır. Rüzgar rotoru kuleye up – wind ( rüzgarı önden alan ) veya down – wind( rüzgarı arkadan alan ) olarak yerleştirilebilir. Birinci durumdakalkış etkisinden kaçınılır, ikinci durumun avantajı ise başlangıçtorku düşük olduğu için yön bulma motorunun gücünün azalmasıdır.
REGÜLASYON SİSTEMLERİ:
Uygulanan elektriksel sistem ne olursa olsun, verilen gücün mekanikregülasyonun yapılması gereklidir. Bu regülasyon ya kanatlarınayrılmasıyla ya da aerodinamik frenle yapılabilir. Frekansı generatörün kendisi tarafından düzenlenen bir doğru akımgeneratörünü veya bağımsız bir şebekeyi besleyen bir alternatörü sürenrüzgar türbinleri takometre kullanılarak regüle edilebilir. Değişken açılı kanatları olan ve sabit frekansta bir şebekeyi besleyenrüzgar generatörleri için güç regülasyonu yapmak daha iyidir. Mekanikhız regülatörü güç çıkışının sınırlanmasına da yardımcı olacak vegeneratör şebekeden ayrıldığı zaman hız sınırlamasını da sağlayacaktır.
Sabit frekanslı bir şebekeyi besleyen sabit kanatlı makinalar için hızregülasyonu gerekli değildir. Çünkü rüzgar rotorunun dönme hızınışebeke belirler. Bu durumda güç regülasyonu eş zamanlı olarak meydanagelir. Yani dönme hızı sabit olduğundan rüzgar hızı arttığı zamanuç-hızı düşer. Böylece verim azalır ve uç-hızı sabit bir değerdeolduğundaki kadar fazla güç elde edilemez. Güç sınırlaması kanadın uçbölgelerinin kendi frenleme noktalarına yakın çalışmasından dolayıortaya çıkar.
Bununla birlikte eğer generatör şebekeden ayrılmışsa hız artışındankaçınmak için sabit kanatlı bir makinaya frenleme sistemi koymak gereklidir: mile mekanik bir fren ve kanat uçlarına da aerodinamik fren sistemi. Bağımsız sabit kanatlı makinalarda regülasyon, güç artışını rotasyonelhızın küpü ile sağlayan hiper kompunt generatörler paralelindeelektronik kontrollü değişken elektrik dirençler bulunan bir yükübesleyen ve statik kapasitörlerle paralellenmiş olan indüksiyongeneratörü ile sağlanabilir.
ENERJİ DEPOLAMA:
Rüzgar gücü düzensiz bir enerji kaynağıdır. Bu nedenle enerji depolamagereklidir. Pek çok depolama yolu vardır, fakat hiç birisi mükemmeldeğildir.
Isıl Depolama: Isıl depolama birçok şekillerde olabilir. Bunlarsu ısıtma, çakıl taşı ve taşların izole bir tank içinde ısıtılması veyadaha önceki durumlarına dönerken aldıkları ısıyı geri verebilenmaddelerin eritilmesi şeklinde olabilir. Depolanan ısı daha sonra ortamısıtılmasında kullanılır.
Su Pompalama: Bazı hidrolik güç tasarımları için kullanılan busistem rüzgar enerji dönüşüm sistemleri için şimdiye kadar hiçkullanılmamıştır. Su yüksekteki bir tanka veya reservuara pompalanır vedaha sonra enerji ihtiyacı olduğunda bir türbini döndürmek içinkullanılabilir. Verimliliği %60 ile %80 arasındadır.
Atalet Depolama: Hızla dönen volanlar ( fly-wheel ) ile enerjidepolama yeni bir fikir değildir. Son zamanlarda karma malzemelerden (metal + polyester + reçine ) volanlar yapılmıştır. Bununla birlikteenerji depolama olanakları sınırlı kalmıştır. Çünkü belli bir dönmehızının ötesinde volan parçalanabilmektedir. Magnetik yataklar üzerineyerleşmiş 15.000 d/d hızla dönen bir volana 24 saat süreyle 400 WH / kg‘lık depolama yapmak kurumsal olarak mümkündür. Sistemin verimi (yeniden depolanan enerji / tüketilen enerji ) mükemmeldir. Yaklaşık %80 dir. Sıkıştırılmış Hava Depolama: Bu depolama türünde sıkıştırılmışhava bir depoya veya kemerli bir yeraltı odasına basılır. Bu hava dahasonra mekanik enerji elde etmek amacıyla ya bir kompresöre yada içtenyanmalı türbine gönderilir. Her birinin verimi sırası ile %60 ve %80dir.
Hidrojen Depolama: Hidrojen, rüzgar türbini tarafından üretilendoğru akımla suyun elektroliz edilmesi ile elde edilir. Hidrojen dahasonra sıkıştırılır ve silindirlere, veya düşük basınçta gaz tutuculardadepolanarak ısıtma, yemek pişirme veya bir motoru çalıştırmaktakullanılabilir. Diğer bir yol, sıkıştırıldıktan sonra gerektiğindekimyasal enerjiyi elektrik enerjisine doğrudan dönüştüren yakıthücrelerine hidrojen vermektir. Verimlilik %60 ile %70 dir.
Akümülatörler: Enerji depolamak için yaygın olarak kullanılır.En iyi bataryalar kurşun asit akümülatörlerdir. Bunlar azar azar şarjiçin çok uygundur. Elektriksel çıkışın miktarı, verimliliği aşağıyukarı %80 -%90, enerji %70 -%80 arasındadır. Büyük tesisler için kalınplakalı bataryalar kullanılır. Küçük tesisler için traksiyonerakümülatörler yeterlidir. Akülerin çabuk bozulmasının ana nedenleriaşırı şarj, aşırı deşarj ve uzun süre boş durumda bırakmaktır. Nikelkadmiyum bataryalar tavsiye edilmez çünkü küçük güçlerde verimleri çokdüşüktür ve kurşun asit bataryalarınkinden daha azdır. Bunun yanında neaşırı şarjdan ne de düzensiz aşırı deşarjdan etkilenmezler, kendikendine deşarj olmazlar ve kurşun asit tipe göre soğuktan daha azetkilenirler.
ELEKTRİK ÜRETİMİ:
Rüzgar enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümünün bir çok avantajı vardır. Bu avantajların en önemli üç tanesi şunlardır:
1) Generatör çok geniş bir alan üzerinde yüksek verimlilik, güvenilirlik ve çok az bakım ihtiyacı ile tasarımlanabilir.
2) Üretilen enerji kullanım noktasına diğer kaynaklara göre daha yüksek verimle ve daha düşük maliyetle iletilebilir.
3) Elektrik enerjisi diğer formlara daha kolay getirilebilir, modüle edilebilir veya çevrilebilir.
ŞEBEKEYE BAĞLANTI:
Rüzgardan elde edilen elektrik enerjisini mevcut konveksiyonel elektrikşebekesine bağlantısına çoğunlukla rüzgar gücünün büyük geçicideğişimlerine ve bu dalgalanmaların küçük tahmin edilebilirliğine bağlıolan bazı ciddi sorunlar ortaya çıkar. Bölgesel veya ulusal şebekeden talep edilen güç, elektrik güç talebininyapısı tarafından belirlenir. Bu talep günün saatleri, haftanın günlerive mevsimlerle değişen bir yapı ister. Bununla birlikte bu gücün daimasabit frekansta ( 50 HZ ) ve kararlı gerilimde olması gereklidir.
Butalebin en önemli kısmı genellikle sabit gerilim ve frekansta oldukçakararlı ve sabit güç veren büyük konvansiyonel elektrik santralleritarafından sağlanır (bazı yük santralleri ). Güç talebindeki değişimlerorta ve pik yük santrallerinin devreye alınması ile dengelenebilir. Gerçekte her zaman için baz yük santralleri enerjinin büyük bölümünü veataletleri yüksek olduğu için gerilim ve frekans kararlılığını sağlar.Orta ve pik yük santralleri ise güç kaynağı ve talebin her zaman içinuyumlandırılmasını sağlar, ayrıca hidroelektrik santraller de frekansdüzenlemesi için faz düzeltici olarak kullanılabilirler.
Rüzgar santrallerindeki durum ise farklıdır. Rüzgardaki büyük dengesizdeğişimler nedeniyle, tek rüzgar türbini stokastik bir enerji kaynağıgibi görülmelidir. Dolayısıyla bir türbin elektrik şebekesinebağlandığı zaman ortaya çıkan sorunlar ikiye ayrılabilir.
GERİLİM VE FREKANSIN SABİTLEŞTİRİLMESİ:
Rotorun savrulma momenti etkisi, saniye ve dakika süresindekidalgalanmaları düzenler, ayrıca eğer bir elektrik/elektronik regülatör, generatörün frekans ve gerilim çıkışını sabit tutuyorsa, rotorundevir sayısındaki %10 ile %15 arasındaki küçük değişimler de kabuledilir. Bu durumda sadece üretilen akım dolayısıyla üretilen güçdeğişir. Bu frekans ve gerilimi arttırmak veya düşürmek için rotorunyönü veya alan bobini fazının dönmesini, elektronik olarak kontroledilmesiyle başarılabilir . Türbin ve generatör belli bir nominalrüzgar hızına (Vnom ) göre tasarımlanır.
Bu hız türbinin tesis edidiğiyerdeki türbinin faaliyet merkezi seviyesindeki yıllık ortalama rüzgarhızı değerine göre seçilir. Vnom’dan daha yüksek hızlar için rotorunverimi, ya kanat profilinin aerodinamik karakteristiği ile veya rotorkanatlarının gelme açısının mekanik olarak değiştirilmesi ile aşağıyadoğru ayarlanır. Böylece nominal hız ve çıkış gücü, kabul edilen bantgenişliği arasında kalacaktır.
Ani Gerilim Değişimleri:
Ani gerilim değişimleri, çeşitli devreye alma ve devreden çıkarma işlemleri esnasında görülen normal şebeke sinüsoidal dalga şeklinden farklı kısa zamanlı bozulmalardır. Bu durum rüzgar santrallerinde sabit hızlı asenkron generatörlü türbinin devreye girmesi esnasında oluşabilir. Genellikle sabit hızlı pasif kontrollü türbinlerde bu soruna rastlanır. Çünkü bu türbinlerde devreye girme esnasında pitch açısıyla ayarlanabilen rüzgar hızı kontrolü uygulanmamaktadır. Ancak pitch (kanat açı kontrolü) kontrollü sistemlerde bu durumdan söz etmek çok olası değildir. Generatörün kalkış anında rotor hızı kontrol edilebildiği için bu durum ortadan kalkar. Sabit hızlı türbinlerde bu etkiyi azaltmak mümkünse yok etmek için yumuşak geçiş özellikli güç elektroniği devreleri kullanılmaktadır.
Kırpışma (Fliker):
Şebekenin sinüsoidal dalgasının belli kesimlerinde ve periyodik olarak oluşan ani küçük değişimler fliker olarak adlandırılır. Ark ve kaynak makinaları indüksiyon ısıtma fırınları ge büyük güçlü sık devreye girip çıkan elektrik makinaları bu duruma neden olabilmektedir. Rüzgar santrallerinde ise bu duruma neden olan olay rüzgar hızındaki değişimdir. Büyük güçlü rüzgar türbinleri yaklaşık olarak 80 metre kanat çapına sahiptirler ve ortalama olarak 100 metre direk boyuna sahiptirler. Dolayısıyla havanın yoğunluğu da dikkate alındığında rüzgar hızının 80 metre mesafede değiştiği görülmektedir. Türbin kanatlarının en üst noktası ile en alt noktası arasında oluşan rüzgar hızındaki farklılıktan dolayı gerilim değerinde belli periyotta düşmeler ve yükselmeler görülmektedir. Bu durum generatör tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir durumdur. Aynı zamanda bu problem iki farklı hızdaki rüzgar türbinlerinin arasındaki geçiş esnasında görülmektedir. Bu durum ise uygun bir enerji kontrol programı (SCADA) vasıtasıyla çözülebilmektedir. Fliker ile ilgili standartlar IEC 1000-3-7'de belirtilmiştir. Fliker etkisi elektriksel olarak çalışan sisteme ciddi zararlar vermemesinden dolayı büyük bir sorun olarak görülmez. Ancak yapılan bir araştırmada fliker etkisi olan bir şebekeden beslenen evlerde aydınlatmada oluşan gözle görülemeyen titreşimler sonucu baş ağrısı nedeniyle doktara başvuranların sayısı oldukça artmıştır. Bu durum ise biz mühendislerin düşünmesi ve göz önüne alması gereken, elektrikle çalışan makinaları değil, insan sağlığını etkileyen bir durum olarak karşımıza çıkmıştır.
Harmonikler:
Harmonik, temel sinüs dalga şeklindeki bozulmalar olarak ifade edilebilir. Temel frekansın tek katları frekansları olarak karşımıza çıkar (3,5,7,9,11,...). harmoniğin sebepleri ark kaynakları, fleorasan lambalar gibi cihazlar olabileceği gibi asıl olarak güç elektroniği elemanlarıdır. Rüzgar santrallerinin enerji kalitesine yaptığı en büyük olumsuz etki harmoniklerdir. Rüzgar santrallerinde güç elektroniği dönüştürücüleri elde edilen AC gerilimin önce DC gerilime ardından bir inverter yardımıyla tekrar AC gerilime dönüştürülmesi esasına dayanır. Bu dönüştürme işlemi için PWM (Pulse Width Modulation) yöntemi kullanılmaktadır. Bu dönüştürücüler gelişen teknolojiyle beraber çok düşük seviyelerde harmonik üretmekte olup (Yüksek mertebeden harmonik) bu oran izin verilen değerler ile sınırlı kalmaktadır. Çeşitli filtreleme yöntemleriyle bu etki azaltılabilir. AC gerilim önce DC gerilime çevirilerek LC filtreden geçirilir. Daha sonra DC-AC çevirmenin sonucunda tekrar LC filtreden geçirilerek harmonik etkisi azaltılmış olur. Bu konu ile ilgili IEC 1000-3-6'da orta ve yüksek gerilim şebekeleri için harmonik ölçüm değerleri ve kriterleri belirtilmiştir.
Gerilim Dengesizliği:
Gerilim dengesizliği, 3 fazlı sistemlerde her bir fazdan farklı güç değerlerinin çekilmesi, tek fazlı sistemlerde pozitif ile negatif alternanasdan çekilen gücün farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Bu durum dağıtım sistemlerinde her fazı yaklaşık olarak eşit güç çekilebilecek yerlere dağıtılarak önlenir. Asenkron generatörün yapısı gereği devreye girdiği zaman salınımlar ortaya çıkmaz. Bu problemin olduğu şebekelere bağlanan asenkron generatörlü rüzgar türbinleri dengesizliği azaltacak şekilde çalışabilir.
