rüzgar enerjisi potansiyelinin belirlenmesi ve rüzgar

BİLDİRİLER
PROCEEDINGS
RÜZGAR ENERJİSİ POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİ VE RÜZGAR ENERJİ
SANTRALLERİNİN PERFORMANS DEĞERLENDİRMESİNDE
EKSERJİ ANALİZİNİN ÖNEMİ
İskender KÖKEY
Genba Enerji – CMİ Mühendislik İnşaat Enerji Makine
Sanayi Tic. Ltd. Şti.
ÖZET
1 • 2
mV
2
•
Burada m ile ifade
P=
Bu çalışmada, rüzgar enerji santrallerinin performans
değerlendirmesinde enerji ve ekserji analizlerinin önemi
irdelenerek sonuçlara etkiyen parametreler ortaya
konmuştur. İlk kısımda enerji üretimine etkiyen faktörler,
Betz kriteri ve güç katsayısı incelenerek rüzgar türbinlerinde
enerji dengesi üzerinde durulmuştur. İkinci kısımda ise
ekserji dengesi üzerinde durularak, rüzgar türbinin enerji
performansı termodinamik açıdan irdelenmiş ve ikinci yasa
verimi üzerinde durulmuştur. Yapılan çalışma sonucunda
ikinci yasa verimi ile sistemdeki kayıpların çok daha net
olarak tanımlanabileceği ortaya konarak, rüzgar türbini gibi
bulunduğu çevre ile etkileşim halinde çalışan bir sistemin
daha verimli hale getirilebilmesi için, ekserji analizinin güçlü
bir araç olduğu sonucuna varılmıştır.
(1)
edilen, hareket halindeki hava
moleküllerinin kütlesel debisi olup Denklem (2) ile
açıklanabilir.
•
m = ( ρAV )
(2)
Bu durumda Denklem(1) ile Denklem(2) birleştirildiğinde
V hızına sahip rüzgâr kütlesinin gücüne Denklem(3) ile
ulaşılır.
P=
1
ρAV 3
2
(3)
Anahtar Kelimeler: Enerji, ekserji, enerji verimi, ekserji
verimi, ikinci yasa verimi
Denklem (3) incelendiğinde görüleceği gibi, rüzgâr
enerjisinin bileşeni olan güç, rüzgâr hızıyla 3. mertebeden
ilişkilidir. Bu nedenle rüzgâr hızında meydana gelecek
küçük değişikliklerin, enerji üretimine büyük farklar olarak
yansıyacağını söylemek yerinde olacaktır.
1. GİRİŞ
3. BETZ LİMİTİ VE ENERJİ VERİMİNİN
HESAPLANMASI
Bir rüzgar türbininden üretilebilecek güç, rüzgarın türbine
giriş hızı (Vi) ve rüzgarın türbinden çıkış hızı (Vo) arasındaki
fark ile orantılı olarak değişmektedir. Bu hız değişimi
sırasındaki ortalama hızı;
Yenilenebilir enerji kaynaklarının toplam enerji üretimindeki
yerinin sağlamlaşması ve her geçen gün enerji üretimindeki
payının artması ile yenilenebilir enerji santrallerinin performans değerlendirmesi önemli bir hal almıştır. En önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan rüzgar enerjisinden enerji üreten rüzgar enerji santrallerinin performansları,
başlarda enerji analizleri ile değerlendirilirken, geldiğimiz
noktada çok daha derinlemesine analizler yapılmasına olanak tanıyan ekserji analizlerinin kullanıldığı görülmektedir.
Vort =
Vi + Vo
2
(4)
olarak hesaplanabilir. Bu durumda türbin kanatları üzerinden
akan havanın kütlesel debisi;
•
m = ( ρAVort )
2. RÜZGÂR ENERJİSİ
(5)
olarak ifade edilmelidir.
Güneşten gelen enerjinin yerküreye düşmesinden sonra,
farklı ısınma bölgelerinin oluşmasıyla meydana gelen
basınç ve sıcaklık farkları rüzgarın temel kaynağını
oluşturur. Bu açıdan bakıldığında güneş enerjisinin bir
biçimi olarak kabul edilebilecek olan rüzgar enerji güneşten
gelen enerjinin yaklaşık %2’sini kinetik enerji formunda
bünyesinde barındırır[1]. Bu hareketli kütlenin sahip olduğu
kinetik enerji Denklem (1) ile ifade edilen güç bağıntısından
çıkartılabilir:
Bu eşitlikler göz önüne alındığında bir türbinin üreteceği
güç aşağıdaki şekliyle hesaplanabilir;
P0 =
1
2
⎡ Vi + Vo ⎤ 2
2
⎢⎣ρA 2 ⎥⎦ Vi − Vo
(
)
(6)
Denklem (6) düzenlenerek aşağıdaki şekli ile de ifade
edilebilir;
75
BİLDİRİLER
PROCEEDINGS
P0 =
1
ρAVi 3
2
⎛ Vo ⎞ ⎡ ⎛ Vo ⎞
⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎢1 − ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ Vi ⎠ ⎢⎣ ⎝ Vi ⎠
2
⎤
⎥
⎥⎦
η en =
(7)
2
∑ ( h + ke + pe )
in
in
(8)
1
ρAVi 3C p
2
m& in − ∑ ( h + ke + pe )out m& out + ∑ Qr − W = 0 (12)
out
r
min ve mout; incelenen rüzgar türbinine giren ve çıkan kütlesel
hava debisini; h, ke, pe, birim kütlenin sahip olduğu entalpi,
kinetik enerji ve potansiyel enerjiyi; Qr r yüzeyinden transferi
gerçekleşen ısı enerjisini ve W, sistemden çıkan işi ifade
eder.
Denklem (8) ile ifade edilen güç katsayısı, Denklem 7’de
yerine yazılır ise güç ifadesi;
P0 =
(11)
1 ρAV 3
i
2
Bir rüzgar türbininin genel enerji dengesi aşağıdaki şekilde
ifade edilebilir:
Denklem (7)’nin ikinci kısmını oluşturan bileşen güç
katsayısı olarak ifade edilir.
2
⎛ Vo ⎞ ⎡ ⎛ Vo ⎞ ⎤
⎜⎜1 + ⎟⎟ ⎢1 − ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥
⎝ Vi ⎠ ⎢⎣ ⎝ Vi ⎠ ⎥⎦
Cp =
2
P0
4. RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN TERMODİNAMİK
AÇIDAN İNCELENMESİ VE EKSERJİ ANALİZİ
(9)
Rüzgar türbinlerinin ekserji analizi; enerjinin korunumu ve
kütlenin korunumunu bir arada kullanarak gerçekleştirilen
termodinamiğin ikinci yasasına dayanan verim analizidir.
Genel olarak ekserji, çevreyle etkileşim halindeki bir
sistemin tanımlanan bir ölü duruma göre üretebileceği
maksimum işi ifade eder. Enerjinin aksine ekserji ideal
şartlar dışında korunumsuzdur. Gerçek bir çevrim sırasında
ekserji tüketimi olabileceği gibi tersinmezliklerden kaynaklı
olarak ekserji kayıpları da yaşanmaktadır.
olarak ifade edilir.
Denklem (9) incelendiğinde türbinin üreteceği güce
doğrudan etkiyen güç katsayısı rüzgar giriş ve çıkış hızları
arasındaki orana bağlı olarak değişen bir sabittir. Rüzgar
giriş ve çıkış hızlarına bağlı olarak güç katsayısındaki
değişim irdelendiğinde aşağıdaki sonuç elde edilir;
Bir ekserji analizi için öncelikle ölü durum şartları saptanmalıdır. Bu şartlar sistemin etkileşim içinde bulunduğu ortamın sıcaklık, basınç ve kimyasal bileşenlerinin tam olarak tanımlanmasını ifade etmektedir. Tanımlanan duruma
gelen sistemin, diğer bir ifade ile çevresiyle denge haline
gelen, ekserjisi sıfır olur[2].
Bir rüzgar türbini için genel ekserji dengesi aşağıdaki
şekilde ifade edilebilir:
∑ ex
in
in
Vo
Vi
güç katsayısının
1
ρAVi 3 x0.59
2
(13)
r
Ekserji dengesini oluşturan bileşenler aşağıdaki şekilde
açılabilir;
oranının 1/3 olduğu noktada meydana geldiği ve değerinin
0.59 olduğu görülür. Betz yasası olarak bilinen bu eşitlik
gereği bir türbinden üretilebilecek maksimum güç;
P0 =
out
min ve mout; incelenen rüzgar türbinine giren ve çıkan kütlesel
hava debisini, ExQ ; r yüzeyinden türbine transfer olan ısı
transferinden kaynaklı ekserjiyi, ExW; rüzgar türbininden
üretilen işe ait ekserjiyi, I; ekserji kaybını ifade eder.
Grafik 1. Güç katsayısının rüzgar çıkış hızının giriş hızına oranı
ile değişimi.
Grafik 1 incelendiğinde maksimum
m& in − ∑ exout m& out + ∑ Ex Q − ExW − I = 0
ex = [ke + pe + ( h − h0 ) − T0 ( s − s0 )]
(10)
olarak ifade edilir.
Betz yasası teorik olarak bir rüzgar türbinin enerjini veriminin
maksimum %59 olacağını ifade etmektedir.
Bu durumda Vi giriş hızında P0 gücünü üreten bir rüzgar
türbinin enerji verimi aşağıdaki şekilde ifade edilebilir;
76
(14)
⎛ T ⎞
Ex Q = ⎜1 − 0 ⎟ Q&
T ⎠
⎝
(15)
ExW = W&
(16)
I = T0 S gen
(17)
BİLDİRİLER
PROCEEDINGS
5. SONUÇ
Doğa ile etkileşim halinde çalışan rüzgar türbinlerinin
performans değerlendirmesinde, sıcaklık, nem, basınç gibi
çevresel faktörlerin etkisini de irdeleyen ekserji analizinin
enerji analizine göre daha güçlü bir araç olduğu ortaya
konmuştur. İlerleyen süreçte geliştirilecek tasarımların
performanslarının artışında ve günümüzde çalışan rüzgar
enerji santrallerinin performanslarının değerlendirilmesinde
ekserji analizi yine önemli bir araç olarak öne çıkmaktadır.
Türbinlerin termodinamik açıdan değerlendirilmesi, sistemde
meydana gelen çeşitli kayıpların ve tersinmezliklerin tespiti
için önemli olup, bu kayıp ve tersinmezliklerin geliştirilmesi
için yol göstericidir.
Şekil 1. Ekserji analizine etkiyen parametrelerin şematik gösterimi.
Bir rüzgar türbinin ekserji verimi aşağıdaki şekilde ifade
edilebilir:
η ex =
Ex products
Exin
Yeni geliştirilecek olan rüzgar enerji santralleri için düşük
belirsizlikli analizler yapılabilmesi adına kullanılan klasik
metod olan enerji analizinin sıcaklık nem ve basınç
gibi parametrelerin etkisini doğrudan içermiyor olması,
sisteme giren toplam kullanılabilir enerji nin saptanmasını
güçleştirmektedir. Bu nokta ekserji analizi, diğer mühendislik
uygulamalarında olduğu gibi rüzgar enerji santrallerinin
geliştirilmesi ve işletilmesinde de güçlü bir araç olarak
gerek ortaya çıkmaktadır.
(18)
Denklem (18)’de Exproducts sistemden çıkan faydalı işe
ait ekserjiyi, Exin ise sisteme giren toplam ekserjiyi ifade
etmektedir.
Ekserji analizini dolayısı ile ekserji verimini etkileyen
parametreler incelendiğinde giren kütleye ilişkin sıcalık,
nem ve basınç değerlerinin doğrudan yoğunluk, entalpi,
entropi gibi termodinamik özelliklere etkidiği görülmektedir.
Bu nedenle herhangi bir rüzgar enerji santrali ya da rüzgar
türbininin ekserji analizi yapılırken sistemin etkileşim halinde
olduğu ortam şartlarını göz önünde bulundurmak gerekir.
KAYNAKLAR
[1] Hepbaşlı A., Alsuhaibani Z., Exergetic and
exergoeconomic aspects of wind energy systems in
achieving sustainable development, 2011, KSU, Saudi
Arabia
[2] Şahin A., Dinçer İ., Rosen M., 2005, New SpatioTemporal Wind Exergy Maps, İTÜ, Turkey
[3] Başkurt Ö., 2010, Rüzgar Güç Tesislerinde Ekserji
Analizi, E.Ü., Turkey
[4] Yılmaz S., 2008, Rüzgar Enerjisinde Ekserji İncelemesi,
2008, UTES’2008, Turkey
[5] Şahin A., Thermodynamic Analysis of Wind Energy,
2006, ITU , Turkey
[6] Başkurt Ö., Özgener Ö., Özgener L., Second law
analysis of wind turbine power plants: Cesme, Izmir
example, 2011, EÜ, CBÜ, Turkey
[7] Özgener Ö., Özgener L., Exergy and reliability analysis
of wind turbine systems: A case study, 2006, EÜ, CBÜ,
Turkey
[8] Xydis G., Effects of air psychrometrics on the exergetic
efficiency of a wind farm at a coastal mountainous site
e An experimental study, 2011, Riso DTU Nat. Lab.,
Denmark
[9] Şahin, A., Rüzgar Enerjisi Hesaplamalarında
Geliştirilmiş Bir Yöntem, 1994, İTÜ, Turkey
Daha önce yapılmış çalışmalar irdelendiğinde aynı rüzgar
hızlarında ancak farkı sıcaklıklardaki hava girişlerinin ekserji
verimini doğrudan etkidiği saptanmıştır:
Grafik 2. Farklı rüzgar hızlarındaki sıcaklık değişiminin, ekserji
verimine etkisi.
SUMMARY
Among renewable energy sources, wind energy, which
is a free, clean and renewable energy source of energy,
Grafik 3. Farklı rüzgar hızlarındaki özgül nem değişiminin ekserji
verimine etkisi.
77
BİLDİRİLER
PROCEEDINGS
which will never run out, plays big roles. In this paper, the
thermodynamic characteristics of wind through energy and
exergy analyses are considered and both energetic and
exergetic efficiencies are studied.
In first chapter, Betz Criteria and energy efficiency are
studied then the energy balance for wind turbines is
described. The most common and classical method for
wind assessment is energy analysis method. The most
important limit to convert energy from wind to mechanical
is described as Betz Criteria. In this paper, Betz Criteria is
studied deeply to understand energy analysis which is also
assumed as first step for exergy analysis.
In the second chapter, the second law efficiency are studied
and parameters which effect the second law efficiency are
described. Formulas for thermodynamic analysis of wind
energy are described, which provides important information
about the system. The effects of properties of air such
as temperature, specific humidity, velocity, pressure etc.
are studied. It is shown that these usually disregarded
meteorological parameters while planning new wind farm,
in fact, do play an important pole in the farm’s overall
exergetic efficiency.
It seen that exergy efficiency are more powerful tool then
energy efficiency for analyzing wind energy systems and the
results show that there are noticeable differences between
energy and exergy efficiencies. Exergy analysis has been
proven to be right tool used in design, simulation and
performance evaluation of all renewable energy systems.
78