yüksek lisans tezi - İstanbul Büyükşehir Belediyesi

advertisement
PROJEM İSTANBUL
YÜKSEK LİSANS TEZİ
RÜZGAR ENERJİ SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ VE
BİR UYGULAMA DEVRESİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
YÜKLENİCİ:
Yıldız Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Fakültesi
© 2007-İstanbul. Bu yüksek lisans tezi “Projem İstanbul” kapsamında İstanbul Büyükşehir Belediyesinin
desteğiyle hazırlatılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve Yıldız Teknik Üniversitesinin yazılı izni
olmadan çoğaltılamaz ve kopyalanamaz.
ii
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
RÜZGAR ENERJİ SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ VE
BİR UYGULAMA DEVRESİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Elektrik Mühendisi Caner ÜNSALVER
FBE Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı Elektrik Makineleri Ve Güç Elektroniği Programında
Hazırlanan
YÜKSEK LİSANS TEZİ
Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. A. Faruk BAKAN
İSTANBUL, 2008
iii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
SİMGE LİSTESİ ....................................................................................................................... iv
KISALTMA LİSTESİ ................................................................................................................ v
ŞEKİL LİSTESİ ........................................................................................................................ vi
ÇİZELGE LİSTESİ ..................................................................................................................vii
ÖNSÖZ
..............................................................................................................................viii
ÖZET
................................................................................................................................ ix
ABSTRACT ............................................................................................................................... x
1.
GİRİŞ....................................................................................................................... 1
2.
Rüzgar Enerji Sistemlerinin İncelenmesi ................................................................ 3
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
Tarihsel Gelişim ...................................................................................................... 3
Rüzgar Türbinlerinin Detaylı İncelenmesi ............................................................ 10
Rüzgar Türbinlerinin Alt Bileşenlerinin İncelenmesi............................................ 15
Rüzgar Türbinlerinin Enerji Üretimi ..................................................................... 19
Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinalarının İncelenmesi ................. 21
Rüzgar Türbinlerinde Dişli Takımı ....................................................................... 30
3.
5kW’lık Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör Sisteminin MATLAB /
Simulink Simulasyonu........................................................................................... 31
4.
Veri Toplama Amacıyla DSP Tabanlı Mikrodenetleyici Kullanarak USB
Üzerinden Bilgisayarda Gerçek Zamanlı Ölçüm Sisteminin Gerçekleştirlmesi ... 34
5.
Bilgasayar Üzerinde, Windows XP işletim sistemi ile çalışan DSP ile USB
veriyolundan haberleşen bir Kullanıcı Arayüz Yazılımının gerçekleştirilmesi .... 36
6.
1.5kW’lık Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör Deneyi .............................. 37
7.
SONUÇLAR ve ÖNERİLER ................................................................................ 39
KAYNAKLAR......................................................................................................................... 41
ÖZGEÇMİŞ.............................................................................................................................. 42
iv
SİMGE LİSTESİ
Cp
KEr
m
Vr
Pr
A
ρ
R
Türbin güç katsayısı
Rüzgar kinetik enerjisi
Rüzgar kütlesi
Rüzgar hızı
Rüzgar gücü
Rotor süpürme alanı
Havanın yoğunluğu
Rotor çapı
v
KISALTMA LİSTESİ
RES
TEİAŞ
AB
AC
DC
KUAG
PV
AWEA
Rüzgar Elektrik Santrali
Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi
Avrupa Birliği
Alternative Current
Direct Current
Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör
Foto-Voltaik Batarya
American Wind Energy Association
vi
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 2.1
Şekil 2.2
Şekil 2.3
Şekil 2.4
Şekil 2.5
Şekil 2.6
Şekil 2.7
Şekil 2.8
Şekil 2.9
Şekil 2.10
Şekil 2.11
Şekil 2.12
Şekil 2.13
Şekil 2.14
Sayfa
Ülkeler Bazında 2006 Avrupa RES Kurulu Gücü Haritası......................................8
Türbin Çevresindeki Hava Hareketleri ..................................................................11
Türbin Rüzgar Hızları ............................................................................................11
Yavaşlatma faktörünün değişimi ...........................................................................13
Modern Rüzgar Türbini Bileşenleri .......................................................................15
Modern Rüzgar Türbini Elektronik Kontrol Sistemi .............................................18
Güç Elektroniği Devresi ile Dolaylı Şebeke Senkronizasyonu .............................20
Semikron Firmasının 1,5 [MVA], 4 Bölge Değişken Hızlı Dönüştürücüsü..........21
Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinaları...........................................22
DC Şönt Generatör, Batarya grubu ve Yük Eşdeğer Devresi ................................22
PMSG Şebeke Senkronizasyonu............................................................................23
Bilezikli Asenkron Generatör Şebeke Senkronizasyonu .......................................24
Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatörün Tek Faz Eşdeğer Devresi ...............25
AWEA 2006’da sergilenen General Electric firmasının 2 MW’lık dişli takımı....26
Şekil 3.1
Şekil 3.2
Şekil 3.3
Şekil 3.4
MATLAB / Simulink Simulasyon Blok Diyagramı ..............................................27
Asenkron Makina Parametreleri ............................................................................28
Generatör Uçlarındaki Gerilim ..............................................................................29
Generatör Akımı ....................................................................................................29
Şekil 4.1
Şekil 4.2
Şekil 4.3
FTDI FT232 USB Arabirim Entegresi Blok Şeması .............................................30
FTDI FT232 USB Arabirim Entegresi Pin Bağlantıları ........................................31
Microchip Firmasının dsPIC30F3011 kodlu DSP Mikrodenetleyicisi ..................31
Şekil 5.1
Veri Toplama Ünitesi , Elektrik Makinaları Analiz Yazılımı................................32
Şekil 6.1
Şekil 6.2
Şekil 6.3
Kısa Devre Rotorlu Asenkron Generatör Deney Devresi......................................33
D-Q eksenindeki Stator Gerilimleri VsD ve VsQ..................................................34
D-Q eksenindeki Stator Akımları IsD ve IsQ ........................................................35
vii
ÇİZELGE LİSTESİ
Çizelge 2.1
Çizelge 2.2
Çizelge 2.3
Çizelge 2.4
Çizelge 2.5
Sayfa
Tarihteki Rüzgar Türbinleri ................................................................................4
İlk Büyük Ebatlı Rüzgar Türbinlerinin Performansları.......................................6
Dünya Çapında RES Kurulu Gücü......................................................................7
Avrupa Ülkelerinin 2006 Sonu RES Kurulu Gücü Miktarları............................9
Senkron Güç Elde Edilme Yöntemleri..............................................................19
viii
ÖNSÖZ
Rüzgar enerji sistemlerinin incelenmesi ve bir uygulama devresinin gerçekleştirilmesi
konulu tez çalışmamda, tarihteki rüzgar kullanımından, günümüz modern yüksek güçlü
türbinlerine kadar olan sistemleri inceleyip, 1.5kW gücünde şebekeden izole şekilde çalışan
sistemin modellenmesi ve laboratuarda gerçekleştirilmesi şansına sahip oldum. Yılların bilgi
ve tecrübesi ile gerek aldığım dersleri, gerek ders dışındaki tavsiyeleri ile Sayın Prof. Dr.
Hacı BODUR’a, tez çalışmalarım sırasında bana yardımcı olup yol gösteren, her türlü
desteğini veren Sayın Yrd. Doç. Dr. A.Faruk BAKAN’a, güleryüzü ve yardımlarıyla Sayın
Arş. Gör. Dr. İsmail AKSOY’a, “Projem İstanbul” akademik araştırmaları destek programı
ile İstanbul Büyükşehir Belediyesi’ne teşekkürlerimi borç bilirim. Ve tabi ki; bugüne kadar
maddi ve manevi olarak beni destekleyen sevgili aileme ve tüm dostlarıma teşekkürlerimi
sunarım.
ix
ÖZET
Rüzgar enerjisi, fosil yakıt kullanımına ihtiyaç duymadığından çevre dostu bir enerji
biçimidir. Rüzgar türbinlerinin, termik santraller ya da dizel santraller gibi emisyonları
yoktur. Bu türden emisyonlar, asit yağmurları
ve küresel ısınmayı gerçekleştiren sera
etkisine neden olmaktadırlar. Rüzgar enerjisinin en önemli özelliği, yenilenebilir enerji
kaynağı olmasıdır. Bu sebepten dolayı fosil yakıtlar gibi tükenmesi söz konusu değildir.
Rüzgar, günümüz yenilenebilir enerji teknolojileri arasında en ekonomik olanıdır. Henüz
gelişmekte olan hidrojen yakıt pilleri ve güneş panelleri hem çok küçük güç
mertebelerindedirler, hem de üretim maliyetleri çok fazla ve verimleri çok düşüktür. Rüzgar
enerjisinin en büyük dezavantajı kurulum maliyetidir. Yenilenebilir enerji kaynakları
arasında en ekonomik çözüm olsa da, hali hazırda üretilen elektrik enerjisi ile rekabeti çok
zordur. Ancak çok yüksek hızlarda, sürekli rüzgar alan bölgelerde kurulması rekabet gücünü
arttırmaktadır. Kurulum maliyetleri çok fazla olsa da, bakım ve işletme giderleri çok azdır.
Rüzgarın süreksizliği büyük bir problemdir. Bu yüzden şebeke ile bağımsız çalışması,
kesintilere ve dalgalanmalara neden olmaktadır. Genel olarak kararsız bir enerji kaynağıdır.
Günümüzde, güç elektroniği uygulamalarının gelişimi ve ilerlemesi ile bu problemler
azalmaktadır. Çift yönlü dönüştürücüler sayesinde değişken rüzgar hızlarında da sabit
gerilim ve frekansta çıkış verilebilmektedir.
Yaptığım bu tez çalışması kapsamında, öncelikli olarak rüzgar eneji sistemleri, elektrik
makineleri ve güç elektroniği bakış açısıyla incelenmiş ve şebekeden izole çalışabilen,
kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makina kullanılarak bir uygulama devresi
gerçekleştirilmiştir.
x
ABSTRACT
Wind energy is a clean renewable energy and does not depend on fossil fuel. Wind power
plants do not have air polluting emissions. In conventional power plants, these kind of
emissions causes greenhouse effect, acid rain and global warming.
Wind energy is the most economical solution in renewable energy systems. The renewable
systems, still on development such as photo-voltaic batteries, hydrogen powered fuel-cells,
have very large production costs, low output power and low efficiency. The biggest problem
in wind power plants, is the foundation and installation costs. Although it is the most
economical solution among other renewable energy sources, it is still expensive to compete
with the conventional power plants.
One other disadvantage is the instability of wind. Without an interconnection to grid, isolated
wind power systems, has instability and flicker problems. These problems are being solved
with the development and improvement of the new technologies in power electronics.
Bidirectional power converters can provide fixed voltage, fixed frequency outputs in variable
wind conditions.
In this master of science thesis, the wind energy systems are studied from the view of
electrical machinary and power electronics and isolated system with Self-Excited Induction
Generator has been realized.
xi
Keywords : Wind Energy Systems, Self-Excited Induction Generator, Power Electonics
in Wind Energy Systems
1
1. GİRİŞ
Son yıllarda fosil yakıtların yüksek miktarlarda tüketiminden kaynaklanan çevresel
kirlenmenin küresel ısınmayı ciddi şekilde etkiler duruma gelmesi, fosil bazlı yakıtların
sınırlı oluşu ve ithal enerji kaynaklarına gittikçe artan bağımlılık dünya genelinde alternatif
ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimi teşvik etmektedir.
Özellikle, 1997 yılında Kyoto protokolünün imzalanmasından sonra CO2 , NOx ve SOx
tabanlı emisyonlarının azaltılması uluslararası bir problem olarak benimsenmiş ve bu alanda
yapılan yasal uygulamalar açısından lider konumunda olan AB üye ülkeleri arasında
2002/358/EC direktifi kapsamında 2010 yılına kadar tüketilen yıllık enerjinin ülkeler bazında
en az %12’sinin ve AB-25 genelinde %21’inin yenilenebilir tabanlı enerji kaynaklarından
üretilmesi hedefi konulmuştur. Ülkemizin sahip olduğu mevcut yenilenebilir enerji (ağırlıklı
olarak hidroelektrik) santrallerinde yapılan üretim değerlendirildiğinde, çevre dostu enerji
üretimi yaptığımız ve mevcut AB hedefini tutturduğumuz ortaya çıksa da bu durumun
ilerleyen yıllarda da korunması için artan enerji talebinin karşılanırken yapılacak yatırımların
önemli bir kısmının yenilenebilir enerji kaynakları tabanlı üretim yapan santrallere yapılması
gerekmektedir.
Rüzgar enerji santrallerini diğer yenilenebilir enerji santrallerinden ayıran en etkin
dezavantajları sistemin arz güvenliği ve enerji kalitesine yaptıkları olumsuz etkiler ve bu
etkilerin şebeke tarafından kompanze edilmesi durumunda şebekeye mutlak surette ek yük
getirmesidir. Geliştirilen yeni türbin teknolojileri ve kontrol mekanizmanaları yardımıyla
rüzgar enerjisi santrallerin sebep olabileceği harmonik ve gerilimde dalgalanma gibi olumsuz
etkilerin önüne geçilmeye başlanmıştır.
Yaptığım bu tez çalışması kapsamında, öncelikli olarak rüzgar eneji sistemleri elektrik
makinaları ve güç elektroniği bakış açısıyla incelenmiş ve şebekeden izole çalışabilen,
kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makina kullanılarak bir uygulama devresi
gerçekleştirilmiştir. Devre, öncelikli olarak literatür bilgileri ışığında modellenmiş daha
sonra Güç Elektroniği Laboratuarı’nda prototipi üretilmiştir. Öncelikli olarak kendinden
uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makinanın matematiksel modeli tasarlanarak,
2
simulasyonları MATLAB / Simulink ortamında gerçekleştirilmiş , daha sonra laboratuarda
kurulan sistem üzerinde boşta çalışmasının geçici hal ve kararlı hal analizi yapılmış ve elde
edilen bilgiler ışığında bağlanacak kontrol sistemi tasarlanmıştır.
Bu kapsamda kendinden uyarmalı kısa devre rotorlu asenkron makina detaylı olarak
benzetim programları ve laboratuar çalışmaları ışığında incelenmiş ve elde edilen sonuçlar
tez çalışması içerisinde sunulmuştur.
3
2. Rüzgar Enerji Sistemlerinin İncelenmesi
2.1 Tarihsel Gelişim
Rüzgar
enerjisinin
Yeldeğirmenleri
kullanımı
sayesinde
tarihte
tahılların
yüzyıllar
öncesine
işlenmesinde,
tarımda
kadar
dayanmaktadır.
sulama
ihtiyacının
karşılanmasında ve deniz taşımacılığında gemilere uygulanan yelkenler sayesinde rüzgardan
faydalanılmıştır. Yeldeğirmenlerinin, günümüz rüzgar türbinleri halini alma serüveni, 19.yy
sonlarına doğru Danimarka’da LaCour tarafından yapılan 23m çapındaki rüzgar türbini ile
Amerikan Brush firması tarafından 12kW’lık DC türbinin kurulması ile başlamıştır.
1918 yılında Danimarka’da başlatılan bir çalışma ile, 120 kırsal merkezde elektrik üretimi,
20-30 kW’lık rüzgar türbinlerinin kullanımı ile sağlanmıştır. Rusya’da 1931 yılında 100
kW’lık rüzgar türbini yapılmıştır. 1941 yılında ABD’de Vermont yakınlarında Granpa’s
Knop’da kurulan Putnam rüzgar türbini, 1250 kW gücü ile dönemin en büyük rüzgar türbini
olmuştur. İki kanatlı rotorun çapı 53m olup, Putnam türbini, modern rüzgar türbinlerinin
ilkidir. Toplam ağırlığı 250 ton olan bu rüzgar türbini, bir milyon dolara mal olmuştur.
Ancak, öngörülemeyen titreşim ve malzeme yorgunluğu nedeniyle, 1945 yılında
kanatlarından biri kopmuştur.
İkinci Dünya Savaşı’nın ardından 1945’de İngiltere’de başlatılan deneysel çalışmalar
sonucunda, Enfeld’da 10 kW gücündeki Andreu türbini kurulmuştur. Bu rüzgar türbininin
rotoru, üç kanatlı olup, çapı 15 metreydi. 1947 yılında Danimarka’da başlatılan ve modern
yaklaşımlar içeren elektrik üretim amaçlı bir başka çalışmanın son ürünü ise, 1959 yılında
işletmeye sokulan 200 kW’lık Gedser türbini olmuştu, 24 metre çaplı rotor ve üç kanatlı idi.
Tarihteki rüzgar türbinleri gelişimi Çizelge 2.1’de verilmiştir.
4
Çizelge 2.1 Tarihteki Rüzgar Türbinleri
Türbin ve
Çap Süpürme
Güç
Spesifik Güç
Alanı
[kW]
[kW / m2]
Sayısı
[m]
Tarihi
23
408
18
0.04
4
----
1891
53
2231
1250
0.56
2
34
1941
17
237
50
0.21
3
24
1941
24
456
70
0.15
3
24
1942
24
452
200
0.44
3
25
1957
34
908
100
0.11
2
22
1958
Ülke
Poul La Cour,
Kanat Yükseklik
Yapım
Danimarka
Smith-Putnam,
ABD
F.L Smith,
Danimarka
F.L Smith,
Danimarka
Gedser,
Danimarka
Hütter,
Almanya
( Gipe, 1995 )
Aynı dönemde Fransa’da yapılan makinelerden Noeget Le Roi’deki rüzgar türbini 300 kW
gücündedir. Bu yıllardaki ilgi artışının sebepleri şu şekildedir.
• Hızla artan elektrik enerjisi talebi karşısında, ekonomik olarak geliştirilebilen hidroelektrik
kaynakların yakıt tedarikinin yetersiz kalması
• Hidroelektrik santrallerinin ve buhar türbinlerinin oluşturulmasında, hem ilk yatırım
sırasında, hem de enerjinin iletilmesi esnasında hızla artan yüksek maliyetler
• Savaş sonrasındaki zor ekonomik ve politik koşullar nedeniyle, ülkelerin enerji üretiminde
ithal yakıtlar yerine kendi öz kaynaklarına yönelmesi
• Kömür ve petrol türevli kaynakların yakıt olarak kullanımının yüksek hızla artması ve
dolayısıyla rezervlerin azalmaya başlaması
• Savaş sırasındaki araştırma–geliştirme çalışmalarının sonucunda uçak konstrüksiyonlarında
uygulanan aerodinamik bilgi birikiminin büyük bir oranda artması ve bu bilginin büyük
rüzgar türbinlerinin konstrüksiyonu yolunda kullanılabilirliğinin olması
5
• Yaygın enerji ağına farklı kaynaklardan enerji ve güç bağlanabilmesinin avantajlarının
değerlendirilmesi
• Rüzgar türbinleri ile ilgili denemelerin yapılması ve bu tip uygulamaların ekonomik bir
tesis olarak başarılı olmamasına karşın, rüzgar enerjisinden faydalanarak elektrik üreten
büyük tesislerin pratik olarak iyi bir performansla çalışabileceğinin kanıtlanması (Golding,
E. W., 1955, s.318).
1973 yılında meydana gelen petrol krizi ile birlikte, gelişmiş ülkeler radikal kararlar alarak,
yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını arttırmak için araştırma fonları ayırmış ve özel
teşebbüsleri teşvik etmek amaçlı destek programları başlatmışlardır. Günümüzde, ekonomik
kaygılardan da önemli olan CO2 , NOx ve SOx gibi sera gazları salınımı sonucunda oluşan
küresel ısınma ve iklim değişikliği nedeniyle, özellikle gelişmiş ülkeler rüzgar santralleri
konusunda yatırımlar yapmaktadırlar.
Rüzgar enerjisinin gelişimine, 1980’li yıllarda Uluslararası Enerji Ajansı eşgüdümünde
yürütülen araştırma geliştirme çalışmalarının büyük etkisi olmuştur. Artık eski tip rüzgar
jeneratörleri yerine, modern ve çağdaş rüzgar enerjisi çevrim sistemleri (WECS)
kurulmaktadır. Ayrıca rüzgar türbinleriyle beraber dizel motor ve güneş fotovoltaik
jeneratörü içeren rüzgar-dizel-PV hibrid sistemler de geliştirilmiştir. Bir tüketiciyi
besleyecek tek makine yerine, birden çok türbin içeren rüzgar çiftlikleri ile elektrik
şebekeleri için üretim yapılır olmuştur. ABD, Danimarka, Hollanda, İngiltere ve İsveç’in
katkıları sonucunda, deniz üstünde, kıyıdan uzakta (offshore) rüzgar santralleri kurulmuştur.
Çizelge 2.2’de ilk büyük ebatlı rüzgar türbinleri verilmiştir.
6
Çizelge 2.2 İlk Büyük Ebatlı Rüzgar Türbinlerinin Performansları
Türbin ve Ülke
Çap
Süpürme
Kapasite
Çalışma
Üretimi
Periyodu
[m]
Alanı [m2]
[MW]
Süresi
GWh
Mod-1, ABD
60
2827
2
---
---
1979 - 83
Growian, Almanya
100
7854
3
420
---
1981 - 87
Smith-Putnam, ABD
53
2236
1.25
695
0.2
1941 - 45
WTS-4, ABD
78
4778
4
7200
16
1982 - 94
Nibe A, Danimarka
40
1257
0.63
8414
2
1979 - 93
WEG LS1, İngiltere
60
2827
3
8441
6
1987 - 92
Mod-2, ABD
91
6504
2.5
8658
15
1982 – 88
Nassudden, İsveç
75
4418
2
11400
13
1983 – 88
Mod-OA, ABD
38
1141
0.2
13045
1
1977 - 82
Tjæreborg, Danimarka
61
2922
2
14175
10
1988 – 93
Ecole, Kanada
64
4000
3.6
19000
12
1987 – 93
Mod-5B, ABD
98
7466
3.2
20561
27
1987 – 92
Maglarp, İsveç
78
4778
3
26159
34
1982 – 92
Nibe B, Danimarka
40
1257
0.63
29400
8
1980 – 93
Tvind, Danimarka
54
2920
2
50000
14
1978 – 93
( Gipe, 1995 )
Rüzgar elektrik santralleri, yıllık büyümenin kurulu güce oranı olarak Avrupa’da 1990’ların
en hızlı gelişen enerji teknolojsi idi. 2003 yılının sonuna gelindiğinde, dünyaki rüzgar
elektrik santrallerinin %74’ü Avrupa’da, % 18’I Kuzey Amerika’da, % 8’i de Asya’da
bulunuyordu. Çizelge 2.3’te dünya çapındaki RES ve kurulu güçleri bölgeler cinsinden
verilmiştir.
7
Çizelge 2.3 Dünya Çapında RES Kurulu Gücü
Yıl Sonu Kurulu Güç
Bölge
Avrupa
Kuzey
1995
1997
1999
2000
2001
2002
2003
4766
9307
12972
17500
21319
28706
1676
1611
2619
2695
4245
4708
6677
11
38
87
103
135
137
139
626
1149
1403
1795
2330
2606
3034
13
24
39
141
147
149
150
2518
Amerika
Orta ve Güney
Amerika
Asya ve
Pasifik
Orta Doğu ve
Afrika
1995 ve 2003 yulları arasında, dünya çapındaki şebekeye entegre yeni nesil rüzgar
türbinlerinin %76’sı Avrupa’ya kurulmuştur. Avrupa’daki RES kurulu gücü en yüksek olan
ülkeler sırasıyla Almanya, Danimarka ve İspanya’dır. Şekil 2.1 ’de Avrupa’nın kurulu
gücünü gösteren harita verilmiştir. Çizelge 2.4’de ülkeler ve 2006 yılına ait kurulu güçleri
gösterilmiştir.
8
Şekil 2.1 Ülkeler Bazında 2006 Avrupa RES Kurulu Gücü Haritası (EWEA 2006)
9
Çizelge 2.4 Avrupa Ülkelerinin 2006 Sonu RES Kurulu Gücü Miktarları (EWEA 2006)
Ülkeler
2006 Sonu RES Kurulu Gücü
Avusturya
965
Belçika
193
Bulgaristan
32
Kıbrıs
0
Çek Cumhuriyeti
50
Danimarka
3136
Finlandiya
86
Fransa
1567
Almanya
20622
Yunanistan
746
Macaristan
61
İrlanda
745
İtalya
2123
Hollanda
1560
Portekiz
1716
Türkiye
51
İsveç
572
İngiltere
1963
İspanya
11615
10
2.2 Rüzgar Türbinlerinin Detaylı İncelenmesi
Rüzgar türbinleri ile ilgili ilk teori 1926 yılında Alman Dr. Albert BETZ tarafından ortaya
atılmıştır. Bu teoremde, Betz rüzgar rotorunun ideal olduğu varsayılır. Diğer bir ifade ile
rotor, havaya karşı sürüklenme direnci göstermeyen sonsuz sayıda kanattan oluşmaktadır. Bu
şekilde, rüzgar rotorunun mükemmel bir enerji dönüştürücüsü olduğu varsayılmıştır.
Bu teoriye göre; Rüzgar hareket halinde hava olup sahip olduğu kinetik enerji,
KEr = 1/2 .m .Vr2
(2.1)
bağıntısı ile verilir ve gücü, sahip olduğu kinetik enerjinin zamana göre türevidir:
Pr = d/dt (1/2 .m .Vr2)
(2.2)
Başka bir ifadeyle;
Pr = 1/2 . m . Vr2
(2.3)
olur. Buradaki kütlesel debi ise;
m = ρ .A .Vr
(2.4)
bağıntısı ile verilir. Buradan hareketle rüzgarın gücü,
Pr = 1/2.ρ.A.Vr3
(2.5)
olarak hesaplanır. Birim analizi yapıldığında,
Kg/m3. m2. m3/s2 = Kg . m/s2 .m/s = N . m/s = Watt
olarak bulunur.
(2.6)
11
Şekil 2.2 Türbin Çevresindeki Hava Hareketleri
Rüzgar, kinetik enerjisi nedeniyle doğal bir potansiyele sahiptir. Bunun bilinen fiziksel
konular ve teknolojik imkanlar sayesinde faydalı enerjiye çevrilen miktarına rüzgar enerjisi
teknik potansiyeli denir.
Şekil 2.3 Türbin Rüzgar Hızları
Bu durumda türbinin gücü,
PT = 1/2 .ρ.A .V2.(Vr2-V32)
Froude – Rankie teoreminden ortalama türbin içerisindeki rüzgar hızı,
(2.7)
12
V2 = (Vr + V3) / 2
(2.8)
Olarak hesaplanır. Türbin gücü V2 yerine yazılırsa,
PT = 1/2.ρ.A.(Vr + V3)/2. (Vr2-V32)
(2.9)
özdeşlikler yardımıyla,
PT = 1/2.ρ.A.Vr.1/2(1 + V3 / Vr). (1 – (V3 / Vr)2)
(2.10)
şekline dönüştürülür.
Burada her iki denklem kullanılarak;
PT = Pr .1/2 [(1 + V3 / Vr).(1 – (V3 / Vr)2)]
(2.11)
ifadesi elde edilir. Burada güç faktörü Cp = PT / Pr ve yavaşlatma faktörü n = V3 / Vr olarak
tanımlanırsa;
Cp = 1/2 . (1+n) .(1-n2)
(2.12)
şeklindedir. Bu denklemde maksimum güç faktörü Cp’yi bulmak için yavaşlatma faktörünün
türevi alınıp sıfıra eşitlenirse,
dCp/dn = 1/2 . d/dn(1 - n2 + n - n3)
(2.13)
n1 = 1/3 , n2 = -1
(2.14)
bulunur. Yavaşlatma faktörünün değişimi Şekil 2.4’de gösterilmiştir.
13
Şekil 2.4 Yavaşlatma faktörünün değişimi
Yavaşlatma faktörü n, hiçbir zaman negatif değer olamayacağından 1/3 alınır ve yerine
konursa,
Cpmax. = 1/2 (1 + 1/3).(1 - 1/9)
(2.15)
Cpmax. = 0,5926
(2.16)
serbest pervaneden alınacak maksimum verim bulunur. Yani bir rüzgar türbiniyle, rüzgarın
tüm enerjisinden faydalanmak imkansızdır. Rüzgar, rüzgar türbininden, elde edilen enerji
ölçüsünde yavaşlamış olarak çıkar. Eğer rüzgardaki tüm enerjiyi alabilseydik, rüzgarın
türbinden durgun halde çıkması gerekirdi. Fakat bu durumda da türbine rüzgarın diğer
taraftan girmesi engellenmiş olur ve hiç enerji elde edilemezdi.
Günümüz modern rüzgar türbinleri için Cp değeri yaklaşık olarak 0,40’tır. Bunun nedeni
hava direnci, rotorun oluşturduğu girdap ve aktarma organları ile elektrik sistemi gibi
noktalardaki kayıplardır.
14
Optimal bir rüzgar türbini pervanesinden alınabilecek maksimum güç;
Pp = CpBetz . 1/2 . ρ . A . Vr3
(2.17)
Pp = 0,5926 . 1/2 . ρ . π . R2 . Vr3
(2.18)
olabilir. Fakat uygulamada bu değere ulaşılamaz. Bunun nedenleri kayıplardır. Pervanedeki
bu kayıplar üç ana başlık altında incelenirler.
1. Profil Kayıpları: İhmal edilen direnç kuvvetlerinden kaynaklanırlar.
2. Uç Kayıpları: Kanat ucunda, profil alt kısmından profil üst kısmına doğru hava akımı
oluşur. Kanat uçlarındaki bu akım ile kanada gelen hava akımı üst üste binerek, gittikçe
genişleyen girdap oluştururlar.
3. Girdap Kayıpları: Betz Kriteri’ne göre rüzgar hızı, pervane düzlemi öncesi ve sonrasında
doğrultusunu değiştirmez. Halbuki, kanada çarpan hava kütlesi, kanat sonrasında
doğrultusunu değiştirir ve girdap oluşturur.
15
2.2.1 Rüzgar Türbinlerinin Alt Bileşenlerinin İncelenmesi
Şekil 2.5 Modern Rüzgar Türbini Bileşenleri
Günümüzde tercih edilen modern rüzgar türbinlerinin iç yapısı Şekil 2.5’te gösterilmiştir.
2.2.1.1. Göbek ve Pervane Kanatları
Pervane göbeği, rüzgar türbininin düşük hız miline bağlıdır. Pervane kanatları, rüzgarı
yakalar ve rüzgarın gücünü pervane göbeğine aktarır. Modern bir 600 kW rüzgar türbininde
her pervane kanadının uzunluğu 20 metre kadardır ve bir uçak kanadı gibi tasarlanır.
16
2.2.1.2 Düşük Hız Mili
Rüzgar türbininin düşük hız mili, pervane göbeğini dişli kutusuna bağlar. Modern bir 600
kW rüzgar türbininde dişli nispeten yavaş, dakikada 19 - 30 devir hızı ile döner. Bu mil
aerodinamik frenlerin çalışması için hidrolik sisteme ait borular içerir.
2.2.1.3 Elektronik Kontrol Ünitesi
Elektronik kontrol ünitesi, rüzgar türbininin durumunu sürekli izleyen ve eğim
mekanizmasını kontrol eden bir bilgisayar içerir. Şekil 2.6’da sistemin genel blok diyagramı
gösterilmiştir. Bir arıza halinde rüzgar türbinini otomatik olarak durdurur ve telefon modem
hattı vasıtasıyla türbin operatörünü bilgisayarına uyarı verir.
2.2.1.4. Dişli Takımı
Dişli kutusunda, solda düşük hız mili bulunur. Sağdaki yüksek hız milinin, düşük hız
milinden 30 ile 90 kat arasında hızlı dönmesini sağlar.
2.2.1.5. Mekanik Frenli Yüksek Hız Mili
Mekanik frenli yüksek hız mili, dakikada yaklaşık 1500 devir hız ile döner ve elektrik
generatörünü çalıştırır. Bir acil durum mekanik freni vardır. Mekanik fren, aerodinamik
frenlerin çalışmaması durumunda veya türbin bakımdayken kullanılır.
2.2.1.6. Generatör
Elektrik generatörü, genelde bir senkron generatörü veya asenkron generatördür. Modern bir
rüzgar türbinininde nominal elektrik gücü genelde 500 - 1500 kW arasındadır.
17
2.2.1.7. Soğutma Ünitesi
Soğutma ünitesi, elektrik generatörünü soğutmak için kullanılan bir soğutma ünitesi içerir.
Ayrıca dişli kutusundaki yağı soğutmak için kullanılan bir soğutma ünitesi içerir.
2.2.1.8. Anemometre
Anemometre, rüzgar hızını ölçmek için kullanılır. Anemometreden gelen elektronik
sinyaller, rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar hızı yaklaşık 5 m/s'ye
yaklaştığında rüzgar türbinini çalıştırmak için kullanılır. Bilgisayar, türbini ve çevresini
korumak için rüzgar hızı 25 m/s'yi aştığında türbini otomatik olarak durdurur.
2.2.1.9. Yelkovan
Anemometre ve yelkovan, rüzgar hızı ve yönünü ölçmek için kullanılır. Anemometreden
gelen elektronik sinyaller, rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar hızı
yaklaşık 5 m/s'ye yaklaştığında rüzgar türbinini çalıştırmak için kullanılır. Bilgisayar, türbini
ve çevresini korumak için rüzgar hızı 25 m/s'yi aştığında türbini otomatik olarak durdurur.
Yelkovan, sinyalleri rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar türbinini
rüzgara karşı döndürmek üzere kullanılır.
2.2.1.10. Eğim Mekanizması
Eğim mekanizması, pervane ile birlikte makina yerini rüzgara karşı döndürmek üzere
elektrik motorlarından yararlanılır. Eğim mekanizması, yelkovanı kullanarak rüzgar yönünü
algılayan elektronik kontrol ünitesi tarafından çalıştırılır. Rüzgar, yön değiştirdiğinde
normalde türbin bir defada sadece birkaç derece eğilir.
18
2.2.1.11. Makina Yeri
Makina yeri, rüzgar türbininin dişli kutusu ve elektrik generatörü dahil kilit parçalarını içerir.
Servis personeli, makina yerine türbin kulesinden girebilir. Makina yeri solunda, rüzgar
türbini pervanesi yani pervane kanatları ve göbek bulunur.
2.2.1.12. Kule
Rüzgar türbininin kulesi, makina yerini ve pervaneyi taşır. Genelde kulenin yüksek olması
bir avantajdır, zira zeminden uzaklaştıkça rüzgar hızları artar. Modern bir tipik 600 kW
rüzgar türbininde 40 - 60 metrelik bir kule bulunur. Kuleler, dairesel veya kafes biçiminde
olabilir. Dairesel kuleler türbinin tepesine ulaşmak için bir iç merdiven olabildiğinden
personelin türbinlere bakması için daha güvenlidir. Kafes kulelerin avantajı başlıca daha
ucuz olmasıdır.
Şekil 2.6 Modern Rüzgar Türbini Elektronik Kontrol Sistemi
19
2.2.2. Rüzgar Türbinlerinin Enerji Üretimi
Rüzgar türbinlerinden sabit gerilim, sabit frekans çıkışı almanın zaman içinde gelişen değişik
yöntemleri bulunmaktadır. Çizelge 2.5 ‘de sabit gerilim ve sabit frekans çıkışı için kullanılan
türbin, dişli takımı ve generatör kombinasyonları verilmiştir.
No.
1
2
3
4
5
6
7
Çizelge 2.5 Senkron Güç Elde Edilme Yöntemleri
Türbin
Dişli Takımı
Generatör
Değişken Kanat Açısı
Sabit Oranlı Dişli
Asenkron Generatör
Sabit Hız
Takımı
Değişken Kanat Açısı
İki Oranlı Dişli
Asenkron Generatör
Takımı
Sabit Hız
Sabit Kanat Açısı
Sabit Oranlı Dişli
Asenkron Generatör
Sabit Hız
Takımı
Sabit Kanat Açısı
Sabit Oranlı Dişli
DC Generatör – DC
Değişken Hız
Takımı
Motor – Asenkron Gen.
Sabit Kanat Açısı
Sabit Oranlı Dişli
AC Gen. – Doğrultucu –
Değişken Hız
Takımı
DC Motor – AC Gen.
Sabit Kanat Açısı
Sabit Oranlı Dişli
AC
Generatör
–
Değişken Hız
Takımı
Doğrultucu - İnverter
Sabit Kanat Açısı
Değişken Oranlı
AC Generatör
Değişken Hız
Dişli Takımı
Generatörün, şebekeye doğrudan bağlanmasına doğrudan şebeke senkronizasyonu adı verilir.
Şebeke ile generatör arasında dönüştürücüler, güç elektroniği devreleri, kullanılırsa buna da
dolaylı şebeke senkronizasyonu denir.
Doğrudan şebeke senkronizasyonu, generatörün nominal çalışma hızında sağlanır. Değişken
rüzgar uygulamalarında nominalin altındaki hızlarda generatör şebekeden ayrılarak motor
olarak çalışması engellenir. Maliyeti düşüktür, bağlantı için gereken kontrol devresi ve güç
elektroniği devreleri dolaylı şebeke senkronizasyonu uygulamalarının çok altındadır. Modern
rüzgar türbinleri şebekeye yumuşak bir şekilde (Soft-Start) senkron olurlar. Aksi takdirde ilk
anda çok büyük güç çeken generatör şebekede istenmeyen gerilim düşümlerine neden olur.
20
Dolaylı şebeke senkronizasyonunda, Türbin hızının her değerinde şebeke ile senkronizasyon
sağlanır. Aşırı hızlarda, şebekeye doğrudan senkronizasyonda verilemeyen fazla enerji, daha
sonra aktarılmak üzere depolanır. Özellikle zayıf bir şebekeye bağlı rüzgar türbinlerinde, güç
elektroniği devreleri sayesinde reaktif güç kontrolü sağlanır, güç kalitesi iyileştirilir.
Şekil 2.7 Güç Elektroniği Devresi ile Dolaylı Şebeke Senkronizasyonu
En büyük dezavantajı maliyetidir. Kullanılan güç elektroniği elemanları pahalı, gömülü
sistem yazlımları karmaşıktır. Yüksek frekansta çalışan güç elektroniği devrelerinin
arızalanması, işletmenin sürekliliğini bozar. AC-DC-AC Dönüştürme işlemleri, güç
kayıplarına neden olmaktadır. Günümüz güç elektroniğinin gelişimi ile 6. yöntem (AC
Generatör, Doğrultucu ve inverter) uygulama açısından güvenilirlik ve kolaylıklar
getirmektedir.
21
Şekil 2.8 Semikron Firmasının 1,5 [MVA], 4 Bölge Değişken Hızlı Dönüştürücüsü
2.2.3. Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinalarının İncelenmesi
Rüzgar türbinlerinde, zaman içerisinde teknolojinin gelişmesi ile paralel olarak, değişik
tiplerde generatörler kullanılmıştır. Bunlar ;
•
DC Şönt Generatör
•
Sabit Mıknatıslı Senkron Generatör (PMSG)
•
Bilezikli Asenkron Generatör (DFIG)
•
Kısa Devre Rotorlu Asenkron Generatör
olarak özetlenebilir. Şekil 2.9’da, rüzgar türbinlerinde kullanılan elektrik makinaları
sınıflandırılmıştır.
22
Şekil 2.9 Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Elektrik Makinaları
2.2.3.1. DC Şönt Generatör
DC Şönt Generatörler, rüzgar türbinlerinde, 20.yy başlarında evlerde radyo ve lambaların
beslenmesi amacıyla kullanıldı. Günümüzde, enerji hatlarının ulaşamadığı hava tahmin
istasyonlarına, yangın gözlem kulelerinde kısıtlı miktarda enerji sağlamada kullanılmaktadır.
Ayrıca acil durum aydınlatması ya da yedeklemesi için kullanılır. Çok küçük güçlü türbin
uygulamaları için uygundur. Genellikle batarya grubu ile birlikte kullanılırlar. Üretilen
gerilim batarya geriliminden küçükse akım bataryadan generatöre gelir ve generatör, motor
olarak çalışmaya başlar. Bunu önlemek için generatörden bataryaya doğru bir diyot konulur.
Çok basit bir güç elektroniği devresi vardır.
Şekil 2.10 DC Şönt Generatör, Batarya grubu ve Yük Eşdeğer Devresi
23
2.2.3.2. Sabit Miknatisli Senkron Generatör (PMSG)
Sabit mıknatıslı senkron generatör, mıknatıslanma alanını, rotora yerleştirilmiş sabit
mıknatıslar oluşturur. Rotorda sargı yada kısa devre çubuklar olmadığından bakır kayıpları
yoktur. Rotor kayıplarının olmaması verimin yüksek olmasını sağlar. Dengesiz yüklerde
momentte dalganma olur ve generatör sesli çalışır. Çok kutuplu yapıya imkan sağladığından
nominal hızı düşük olan modeller üretilebilmekte ve dişli takımı ihtiyacı ortadan kalkarak,
doğrudan türbin çıkışına akuple edilebilmektedir. Kutup sayısı az olan tiplerinde gene klasik
dişli takımı, rulmanlar ve akuple elemanları kullanılır. PMSG’nin elektriksel çıkışı, rotor
hızına çok bağlıdır. Rotor ω hızı ile tahrik edildiğinde, stator uçlarında ω hızına bağlı olarak
değişen genlik ve frekansta bir gerilim oluşur. Değişken hız uygulamalarında güç elektroniği
uygulamaları olmaksızın düzgün bir çıkış alınamaz, doğrudan şebeke senkronizasyonu
sağlanamaz. Şebeke ile doğrudan senkronizasyon ancak sabit hız uygulamalarında
mümkündür.
Şekil 2.11 PMSG Şebeke Senkronizasyonu
24
2.2.3.3. Bilezikli Asenkron Generatör (DFIG)
Bilezikli Asenkron Generatör, rüzgar uygulamalarında, 4 bölge çalışabilme özelliğine sahip
bir güç elektroniği devresi ile kullanılmaktadır. Sadece rotor devresinin kontrolü, yani
uyarma enerjisinin kontrolü yeterli olduğundan sürücü devresi düşük maliyetlidir. Değişken
hızlı rüzgar türbin uygulamaları için uygundur. Mekanik gerilmeleri azaltır. Momentteki
dalgalanmaları şebekeye minimum düzeyde yansıtır. Güç faktörü kontrolüne imkan sağlar.
Rüzgar türbinlerinde kullanılan generatör ve sürücünün grubuna özel olarak Çift Beslemeli
Asenkron Generatör (Doubly Fed Ind. Generatör) denilmektedir. GE-Wind-Power, Vestas,
RE Power, Nordex, NEG-Micon gibi büyük firmalar bu tip generatörü kullanan rüzgar enerji
sistemleri üretmektedir.
Şekil 2.12 Bilezikli Asenkron Generatör Şebeke Senkronizasyonu
25
2.2.3.4. Kısa Devre Rotorlu Asenkron Generatör
Yapısal olarak basit olduğundan çok güvenilir, bakım, onarım giderleri ve toplam maliyeti
düşüktür. Şebeke bağlantılı rüzgar türbini uygulamalarında mekanik ve elektriksel
özelliklerinden dolayı tercih edilmektedir. Kısa süreli aşırı yüklenme kabiliyeti generatörün
anlık yüksek hızlarda aşırı yükte çalışmasına olanak sağlar. Kayma sayesinde, mildeki ani
moment değişiklikleri rotor hızına çok fazla yansımaz. Bu sayede dişli takımında daha az
aşınma ve yorulma olur. Senkron hızın üzerinde generatör olarak çalışır. Generatör olarak
çalışabilmesi için uyarmanın sağlanması gerekir. Şebeke ile senkron uygulamalarda
generatör, reaktif akım çekerek uyarma alanını oluşturur. Şebekeden izole (bağımsız, standalone) uygulamalarda ise uyarma alanı, stator uçlarına bağlanan kapasiteler ile ilk andaki
artık mıknatısiyet tarafından sağlanır. Bu özel generatör çalışma durumuna literatürde
Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör (KUAG, SEIG – Self-Excited Ind. Gen)
denmektedir. Şebekeden izole olarak çalışma için diğer bir yöntemde batarya grubu ve iki
yönlü DC/AC dönüştürücü ile stator frekansının kontrolü yardımıyla, rotorun, senkron hızın
üzerinde kalacak şekilde ayarlanması ile sağlanmaktadır. (V/f Kontrolü, Alan Yönlendirmeli
Kontrol ya da DTC)
Şekil 2.13 Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatörün
Tek Faz Eşdeğer Devresi
26
Kendinden uyarmalı asenkron generatörler, uyarma alanını meydana getirmek için ilave güç
kaynağına ihtiyaç duymadıkları için rüzgar enerji santralleri için özellikle şebekenin
erişemediği uzak bölgelerde iyi bir seçimdirler. Sabit mıknatıslı senkron generatörler de
benzer bir yapıda olup, rüzgar enerjisinde kullanılmaktadır ancak uyarma alanını meydana
getiren mıknatıslar zaman ile bozulmalara ve zayıflamalara maruz kalmaktadırlar. Bu da
sistemin çalışmasında aksaklıklara ve gerilim düşümüne neden olmaktadır. Kendinden
uyarmalı asenkron generatörün doğal koruma mekanizması bulunmaktadır. Hatta bir kısa
devre sonucu gerilim çöktüğü anda uyarma alanı da zayıflayacağından elektrik enerjisi
üretimi kendiliğinden duracaktır. SEIG, düşük fiyatı, yapısal olarak basitliği, bakım
giderlerinin düşük olması ve fırça kollektör gibi zaman ile aşınan yapısı bulunmadığından
ağır şartlar altında bile dayanıklı olması sebebiyle tercih edilir.
Kendinden uyarmalı asenkron generatör incelendiğinde, mıknatıslanma reaktansının değeri,
hava aralığı gerilimin düşük olduğu ve doymadığı değerlerde sabit kabul edilir, doyuma
gittiğinde ise düşer. Ancak, kendinden uyarmanın gerçekleştiği kararsız halde mıknatıslanma
endüktansı karakteristiği, hava aralığı geriliminin sıfırdan yükselerek belirli bir maksimum
değere gelmesi ve nominal değerine(doyum değeri) düşmesi ile ilişkilidir. Mıknatıslanma
reaktansı Xm frekansa bağlıdır.
Kendinden uyarmalı asenkron generatörün matematiksel modeli kısa devre rotorlu asenkron
makina modeline benzemektedir. KUAG’ın etkin bir şekilde modellenebilmesi için öncelikle
makina parametrelerinin hassas ölçümü gereklidir. Bu parametreler, generatörün motor
olarak çalıştırılarak, yüksüz (no load) ve kısa devre (locked rotor) testleri ile
belirlenebilmektedir.
d-q eşdeğer devresi verilen devrede kullanılan parametreler yüksüz ve kısa devre testleri ile
belirlenerek elde edilmiştir. Lls = Llr = 11.4mH, Lm = 180mH, Rs = 1.66 Ω, Rr = 2.74Ω.
Motor uygulamaları için bu parametreler doğrudan kullanılabilir ancak KUAG uygulaması
için mıknatıslanma endüktansı Lm, gerilim ile değişimi incelenerek dikkate alınmalıdır.
27
Şekil 2.14 Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatörün d Eksenindeki
Eşdeğer Devresi
Şekil 2.15 Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatörün q Eksenindeki
Eşdeğer Devresi
(2.19)
2.19’daki matris denkleminde
Ls= Lls + Lm
(2.20)
ve
Lr = Llr + Lm
şeklindedir.
(2.21)
28
Kendinden uyarma olayının başlangıç durumu, remenant manyetik akı ve uyarma
kapasitelerinin başlangıç gerilimleri her iki tarafında diferansiyeli alınacağından dikkate
alınmamıştır.
2.2.3.4.1 Minimum Hız ve Uyarma Kapasitesi Değerleri
Şekil 2.15’deki stator uçlarına kapasite grubu bağlı KUAG, rüzgar türbini ile dışarıdan tahrik
edildiğinde belirli bir minimum hızda gerilim üretmeye başlar. Kendinden uyarmanın
başladığı bu minimum değer, (2.19)’da verilen matrisin çözümü ile gerçekleştirilir. Bu işlem
kullanılarak yüksüz bir generatörün kendinden uyarma başlangıç hızları Şekil 2.16’da
verilmiştir.
Şekil 2.16 Yüksüz Haldeki Generatörün Kapasiteye bağlı Hız değişimi
Şekil 2.16’da hesaplanan ve ölçülen değerlerin yanında mıknatıslanma endüktansının
kendinden uyarma olayına etkisi görülmektedir.
Asenkron makinanın modellenmesinde mıknatıslanma endüktansının nominal gerilimdeki
değerinin belirlenmesi önemlidir. KUAG’de mıknatıslanma endüktansının değişimi gerilimin
ve kararlı hale geçişin esas öğesidir.
29
2.2.3.4.2 KUAG’in Geçici Hal Modeli
Kendinden uyarma sırasında, asenkron generatörler klasik bakış açısı ile modellemesi
mümkün olmayan, olağandışı geçici hal sergilerler. KUAG’ı geçici halde analizini yaparken
döner alanların incelenmeseinde kullanılan Park dönüşümünden yararlanılmıştır.
Park dönüşümü uygulanmış asenkron makine Şekil 2.14 ve 2.15’de gösterilmiştir.Ids ve Iqs
akımları stator akımlarına, Idr ve Iqr akımları da rotor akımlarına d ve q eksenlerinde olacak
şekilde karşılık gelir. Açısal hız ω = dθ / dt, rotorun mekanik hızıdır.
Şekil 2.14’de görüleceği gibi, rotor ya da stator uçlarına hiç bir gerilim uygulanmamıştır. Bu
standart bir asenkron generatörün gösterim biçimidir. Ancak, KUAG’da devreye sonradan
ilave edilen uyarma kapasiteleri (C) bulunmaktadır.
KUAG, uçlarındaki kapasite grubu ile birlikte yüksüz olarak çalıştığı varsayılır. D ve Q
eksenlerindeki gerilim ve akımlar, Şekil 2.14’deki model, Şekil 2.15’deki d-q eksenlerindeki
gösterim ve (2.19) kullanılarak elde edilir. Elde edilen ifade, simetrik üç fazlı asenkron
makinanın, üç fazlı ideal kapasite grubuna bağlandığı durumu gösterir. Referans konum
stator olarak seçilerek normal çalışma noktaları ve geçici durumlar için geçerlidir.
30
2.2.4. Rüzgar Türbinlerinde Dişli Takımı
Rüzgar türbinlerinde kullanılan dişli takımlarının görevi, türbin dönüş hızının generatör
milinin dönüş hızına uygunluğunu sağlamaktır. Standart tek kutuplu makinalarda bu hız,
1500d/d’dır. Ayrıca üretilen enerjiye bağlı olarak s kaymasıda eklenmelidir. Nominal gücü
300kW-2000kW arasında olan santrallerde, üst türbin hızları 48-17 d/d arasında olur, buna
göre dönüştürme oranı, 1:31 ve 1:88 arasında seçilir. Dişli takımları, istenen dönüştürme
oranını, 1:3 ve 1:5 arasındaki oranlara sahip kaskad bağlı dişlilerle sağlarlar. Verimleri
teknolojilerinin gelişmesi ile %95 - %98 arasına ilerlemiştir.
Şekil 2.14 AWEA 2006’da sergilenen General Electric firmasının 2 MW’lık dişli takımı
31
3. 5kW ‘lık Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör Sisteminin MATLAB / Simulink
Simulasyonu
Kısa devre rotorlu asenkron generatörlerin rüzgar türbinlerinde kullanılması çok yaygın
olarak görülen bir uygulamadır. Kısa devre rotorlu elektrik makinaları, basit, güvenilir, ucuz,
hafif ve çok az bakım gerektirir. Genellikle bu tip generatörler sabit frekanslı şebekeye
doğrudan senkron edilirler. Sabit frekanstaki çalışmada, asenkron generatör küçük
miktarlardaki kayma dışında sabit hızda çalışmaktadır. Rüzgar türbini sadece dar bir rüzgar
hızı aralığında optimum verimde çalışır. Değişken hız uygulaması rüzgardan elde edilen
enerji miktarını arttıracağı gibi, mekanik aksamdaki moment dalgalanmalarını ve şebekeye
gönderilen güç dalgalanmalarını da azaltacaktır. 5kW nominal güce sahip bir kendinden
uyarmalı asenkron generatörün simulasyonu MATLAB / Simulink programı kullanılarak
öncelikle sistemin Simulink’te Şekil 3.1’deki gibi kurulması ile yapılmıştır.
Şekil 3.1 MATLAB / Simulink Simulasyon Blok Diyagramı
32
Simulasyonda kullanılan asenkron makinanın nominal gücü, frekansı, stator ve rotor
özendüktansları gibi parametreleri, elektrik makinası üreten çeşitli firmaların katalog
değerlerinden alınmıştır. Şekil 3.2’de elektrik makinasına ait parameterlerin MATLAB
ortamında simulasyon için gereken giriş diyalog kutusu görünmektedir.
Şekil 3.2 Asenkron Makina Parametreleri
Generatörün çıkışına, generatörün elektrik üretebilmesi için gereken reaktif enerjiyi
sağlayarak, uyarma alanını oluşturacak olan yıldız kapasite grubu bağlanmıştır. Çıkış
frekansı, kayma, çıkış gerilimi ve sistemin çalışma aralığı seçilen kapasite grubunun
değelerine bağlıdır.
Anlık simulasyon değerlerinin görüntülenmesi için osiloskoplar bağlanmıştır. Generatörün
milinden negatif moment uygulanarak, makinanın dışarıdan rüzgar türbini tarafından tahrik
edildiği kabul edilmiştir.
Simulasyon sonuçları, generatör uçlarında oluşan gerilim Şekil 3.3, generatörden çekilen
akım Şekil 3.4’de gösterilmiştir.
33
Şekil 3.3 Generatör Uçlarındaki Gerilim
Şekil 3.4 Generatör Akımı
34
4. Veri toplama amacıyla DSP tabanlı mikrodenetleyici kullanılarak USB üzerinden
bilgisayarda gerçek zamanlı ölçüm sistemininin gerçekleştirilmesi.
Kendinden uyarmalı asenkron generatörün, geçici hal parametrelerinin izlenip, kayıt
edilmesi amacıyla Üniversal Seri Arabirim (USB) üzerinden bilgisayar ortamında çalışan
gerçek zamanlı bir veri toplama sistemi gerçekleştirilmiştir. Eşzamanlı olarak dört kanal,
yüksek frekansta örnekleme yapılacağından, bilgisayar ortamına bilginin hızlı bir şekilde
aktarılması gerekmektedir, bu sebepten haberleşme arabirimi olarak Universal Seri Arabirim
(USB) kullanılmıştır. Seri haberleşme ve analog ölçümün dijitale dönüştürmesi işlemleri için
Şekil 4.3’deki Microchip firmasının dsPIC30F3011 kodlu DSP Mikrodenetleyicisi
kullanılmış, bu işlemciye ait yazılım “C” ve “Assembler” dillerini destekleyen Microchip
IDE yazılım geliştirme programında yazılmıştır. dsPIC30F3011’de USB arabirim
bulunmadığından FTDI firmasının FT232 isimli Seri Port – USB dönüştürücü arabirim
entegresi kullanımıştır. FT232 ‘nin blok şeması Şekil 4.1’da gösterilmiştir. FT232 ‘nin pin
bağlantı şeması Şekil 4.2’de gösterilmiştir.
Şekil 4.1 FTDI FT232 USB Arabirim Entegresi Blok Şeması
35
Şekil 4.2 FTDI FT232 USB Arabirim Entegresi Pin Bağlantıları
Şekil 4.3 Microchip Firmasının dsPIC30F3011 kodlu DSP Mikrodenetleyicisi
36
5. Bilgisayar üzerinde, Windows XP işletim sistemi ile çalışan, DSP ile USB
veriyolundan haberleşen bir Kullanıcı Arayüz Yazılımının gerçekleştirilmesi.
Veri toplama sistemi, ölçümleri başlatabilmek ve gösterebilmek için bilgisayar üzerinde
çalışan bir kullanıcı arayüzüne ihtiyaç duyar. Windows XP üzerinde çalışan arayüz, Elektrik
Makinaları Analiz Yazlımı, Borland C++ Builder 6 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Şekil 5.1’de yazılıma ait ana ekran görüntüsü ve örnek ölçüm gösterilmiştir.
Program, Windows’un MS Comm Controls Activex bileşeneni kullanarak, Veri Toplama
Ünitesi ile üniversal seri arabirim üzerinden haberleşme özelliğine sahiptir. Ölçüm
tamamlandıktan sonra, dört kanalın eşzamanlı olarak ekranda gösterimi gerçekleştirilir.
Grafiklerin ve ölçüm değerlerinin kayıtları kullanıcı isteğine göre saklanarak, daha sonradan
tekrar erişebilmesi sağlanmıştır.
Şekil 5.1 Veri Toplama Ünitesi , Elektrik Makinaları Analiz Yazılımı
37
6. 1.5kW Kendinden Uyarmalı Asenkron Generatör Deneyi
Kısa devre rotorlu asenkron generatörün, kendinden uyarmalı çalışması deneyi Güç
Elektroniği Laboratuarı’nda yapılmıştır. Şekil 6.1’deki deney düzenine sahip sisteme ait
elektrik makinasının ve kapasite grubunun özellikleri verilmiştir.
Kısa Devre Rotorlu Asenkron Makina Özellikleri:
z
z
z
z
z
Un = 380 (V) Y – 220 (V) ∆
In = 3.9 (A) Y - 6.0 (A) ∆
Pn = 1.5 (kW)
Cosφ = 0.77
3 ~ f = 50 (Hz)
n = 1400 (d/d)
Üçgen Bağlı Kapasite Grubu Özellikleri :
z
z
z
z
z
Un = 400 (V)
F = 50 (Hz)
In = 14.5 (A)
C = 200 uF x 2 = 400 uF
Q = 10 kVAR
Şekil 6.1 Kısa Devre Rotorlu Asenkron Generatör Deney Devresi
Kısa devre rotorlu asenkron generatör deneyinde, rüzgar türbinini temsil eden kontrollü DC
şönt motor, asenkron generatörün miline akuple edilmiştir. Generatör çıkış uçlarına üçgen
kapasite grubu bağlanmıştır. Akım ve gerilim ölçümleri, gerçekleştirilen veri toplama sistemi
38
ve yazılımı sayesinde generatör çıkışına bağlanan akım ve gerilim sensörleri üzerinden
yapılmıştır. Ayrıca çıkışa kademe ayarlı omik-endüktif yük bağlanarak generatörün çıkışı
kademeli olarak yüklenerek gerilim düşümü ve akım değerleri ölçülmüştür.
Yapılan deney sonucunda, kendinden uyarmalı asenkron generatör, yapısal özellikleri ve
seçilen kapasite grubuna göre değişen tam sinüzoidal gerilim üretebilmektedir. Üretimin
başladığı belirli bir hız değeri bulunmaktadır. Yüksüz çalışma durumunda akım ile gerilim
arasındaki faz farkı 90°’dir. Deneyden önce yapılan MATLAB / Simulink simulasyon
sonuçları ile ölçülen değerler arasında büyük benzerlikler bulunmaktadır.
Şekil 6.2 ve 6.3’de ölçülen değerlerin generatörün D-Q eksenlerindeki elde edilen sonuçları
verilmiştir.
Şekil 6.2 D-Q eksenindeki Stator Gerilimleri VsD ve VsQ
39
Şekil 6.3 D-Q eksenindeki Stator Akımları IsD ve IsQ
7. SONUÇLAR
Bu çalışmada, rüzgar eneji sistemleri incelenmiş ve 5kW’lık kendinden uyarmalı asenkron
generatör ile izole çalışan sistemin bir uygulama devresi yüksek verim hedeflenerek
gerçekleştirilmiştir.
Rüzgar türbinlerinde kendinden uyarmalı asenkron generatörün kullanılması, mekanik olarak
basit ve güvenilir olması, çok sayıda seri üretimi, kolay temini ve düşük fiyatı ile sistemin
güvenilirliğini arttırarak, yatırım maliyetlerini düşürmesi nedenlerinden dolayı tercih
edilmelidir. En önemli dezavantajı, statorun mıknatıslanma alanını oluşturabilmek için
reaktif enerjiye ihtiyaç duyması olan asenkron generatör, güç elktroniği teknolojisinin
gelişimi ile birlikte bu problemi de ortadan kaldırmıştır. Makinede sabit mıknatıslar
40
bulunmadığından, uyarma akımı ya şebekeden reaktif güç çekilerek, ya da çıkışına bağlı olan
kapasite grubundan sağlanır. Kapasite grubunun değerleri, makine parametreleri ile
değiştiğinden her makine için hesaplanmalıdır.
MATLAB / Simulink modelleri kullanılarak yapılan simulasyon, gerçeklenen devrenin
deneyleri arasında büyük benzerlikler görülmüştür.
41
KAYNAKLAR
[1] Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, E. (2001) Wind Energy Handbook, John
Wiley & Sons, Ltd/Inc., Chichester.
[2] Carlson, O., Hylander, J., Thorborg, K. (1996) ‘Survey of Variable Speed Operation of
Wind Turbines’, in 1996 European Union Wind Energy Conference, Sweden, pp. 406–409.
[3] Dubois, M. R., Polinder, H., Fereira, J. A. (2000) ‘Comparison of Generator Topologies
for Direct-drive Wind Turbines’, in IEEE NordicWorkshop on Power and Industrial
Electronics, IEEE, New York, pp. 22–26.
[4] Hansen, L. H., Helle L., Blaabjerg F., Ritchie E., Munk-Nielsen S., Bindner, H.,
Sørensen, P., Bak-Jensen, B. (2001) Conceptual Survey of Generators and Power Electronics
for Wind Turbines, Risø-R-1205(EN), Risø National Laboratory, Denmark.
[5] Krause, P. C., Wasynczuk, O., Sudhoff, S. D. (2002) Analysis of Electric Machinery and
Drive Systems, John Wiley & Sons Inc., New York.
[6] Mohan N., Undeland, T. M., Robbins, W. P. (1989) Power Electronics: Converters,
Applications and Design, Clarendon Press, Oxford, UK.
[7] Hansen, L.H., Helle L., Blaabjerg F., Ritchie E.,Munk-Nielsen S., Bindner, H., Sørensen,
P., Bak-Jensen, B. (2001) ‘Conceptual survey of Generators and Power Electronics for Wind
Turbines’, publication R-1205 (EN), Risø National Laboratory, Roskilde, Denmark.
[8] Hansen, J. C., Lundsager, P., Bindner, H., Hansen, L., Frandsen, S. (1999) ‘Keys to
Success for Wind Power in Isolated Power Systems’, paper presented at the European Wind
Energy Conference, Nice, France, March 1999.
42
ÖZGEÇMİŞ
Doğum tarihi
09.07.1982
Doğum yeri
İstanbul
Lise
1997-2000
FMV Ayazağa Işık Lisesi
Lisans
2000-2004
Yıldız Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Fakültesi
Elektrik Mühendisliği Bölümü
Yüksek Lisans
2005-2008
Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Programı
Yayınlar
[1] S.Fouzey, S. El-Barbari, W.Hoffman, C.Unsalver (2005) ‘A new space vector
modulation scheme for three phase four wire inverter for standalone photovoltaic systems’
EPE 2005, European Conference on Power Electronics and Applications
Çalıştığı kurumlar
2002-2003
Mak Bilişim ve Güvenlik Sistemleri Ltd.
2003-2005
Scanrotor Otomotiv Tic. A.Ş.
2005-Devam Ediyor TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi
Enerji Enstitüsü
Güç Elektroniği ve Kontrol
Download