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
