2 1 vvm P − = x

1.5. RÜZGÂRDAN YAKALANAN GÜÇ (MEKANİK GÜÇ)
Kanatları kesen rüzgârın tamamı rotorda mekaniksel güce
dönüşmez. Rüzgârın kinetik enerjisinden elde edilen mekaniksel
güç ifadesi için rotor verimi hesaplanmalıdır.
Rotor kanatları tarafından yakalanan gerçek güç miktarı, rüzgâr
kanalı girişi ile rüzgâr kanalı çıkışı hava akışları arasındaki kinetik
enerjilerin farkıdır.
[
Pk =
1
× (birim zamanda akan kütle miktarı ). vi2 − vo2
2
Pk =
1
m& vi2 − vo2
2
(
]
)
Şekil 8. Bir rüzgâr türbininin maruz kaldığı rüzgâr kanalı boyunca oluşan rüzgâr
hızları
Pk
→ Rotor kanatlarının yakaladığı mekanik güç (Türbin gücü)
vi
→ Rotor kanatlarının girişindeki rüzgâr hızı
vo
→ Rotor kanatlarının çıkışındaki rüzgâr hızı
vk
→ Rotor kanatları düzlemindeki rüzgâr hızı ( vkanat )
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 1 vk =
vi + vo
2
Görüldüğü gibi rüzgâr kanalı boyunca (rüzgâr hızı vi ’ den vo ’ ya)
hareket ederken sürekli sabit formda değildir. Dolayısıyla dönen
kanatlar boyunca hareket eden havanın kütle akış oranı (birim
zamanda akan kütle miktarı) ortalama hız ile hava yoğunluğunun
çarpımından elde edilebilir (veya rotor düzlemindeki rotor süpürme
alanı içerisindeki vb hızı dikkate alınır).
m& = ρ . A.vk = ρ . A
vi + vo
ifadesi güç denkleminde yerine konulursa,
2
v +v ⎞
1⎛
Pk = ⎜ ρ . A. i o ⎟ vi2 − vo2 olur. İfade düzenlenerek,
2⎝
2 ⎠
(
Pk =
1
ρ . A.vi3 .
2
⎛ vo
⎜⎜1 +
⎝ vi
)
⎞ ⎡ ⎛ vo ⎞
⎟⎟ ⎢1 − ⎜⎜ ⎟⎟
⎠ ⎢⎣ ⎝ vi ⎠
2
2
Genel olarak vi = v ve λ =
cp =
(
1
(1 + λ ) 1 − λ2
2
)
⎤
⎥
⎥⎦
⇒
Pk =
1
ρ . A.vi3 .c p elde edilir.
2
vo
tanımlanırsa,
v
Burada c p rotor verimi olarak bilinir. Maksimum rotor verimini
bulmak için c p ’ nin λ ’ ya göre türevi alınıp sıfıra eşitlenirse;
dc p
dλ
=
=
[
]
1
(1 − λ )2 + (1 + λ )(1 − 2λ ) = 0
2
1
(1 + λ )(1 − 3λ ) = 0 ⇒ λ = vo = 1 , (Not: λ = -1 çözüm değil)
2
v 3
λ=
1
1 ⎛ 1 ⎞⎛
1 ⎞ 16
= 0.5926 = %59.26
iken rotor verimi, c p max = ⎜1 + ⎟⎜1 − 2 ⎟ =
3
2 ⎝ 3 ⎠⎝ 3 ⎠ 27
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 2 cp’nin λ ile değişimi çizilir ise,
λ ile değişimi
Şekil 9. cp’nin
Bu durumda maksimum teorik verim %59.26’ tür bu verime “Betz”
verimi veya “Betz kanunu” denir. Bu değer pratikte 0.5’ in altında
kalır.
Verilen bir rüzgâr hızı için, rotor verimi rotor dönüş oranının bir
fonksiyonudur. Eğer rotor çok yavaş dönüyor ise verim düşer, çünkü
kanatları etkilemeden geçen rüzgâr miktarı daha fazladır.
Eğer rotor çok hızlı dönüyorsa rotor verimi yine düşer, çünkü bir
kanatın neden olduğu türbülans gittikçe artan bir oranla takip
eden diğer kanadı etkiler. Genel bir yöntem olarak rotor verimi
kanat uçlarındaki hız oranının (tip-speed-ratio=Kanat-ucu hız oranı
=KHO) bir fonksiyonu olarak tanımlanır. (Not: KHO, literatürde λ
olarak ta verilir.) Rüzgar türbinleri için kanat-ucu hız oranı, kanat
ucu dönüş hızının gerçek rüzgar hızına oranıdır.
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 3 RRotor
→ Rotor yarıçapı [m]
→ Mekanik (kanat) açısal hızı [rad/s]
→ Rüzgar hızı [m/s]
→ Rüzgar hızı [m/s]
→ Dönüş frekansı [1/s, Hz]
ÖRNEK: 15 m/s rüzgar hızında, kanat çapı 10m ve kanat 1
saniyede, 1 tam dönüş yapıyor ise, KHO değerini bulunuz.
ÇÖÜZM:
-----------------------------------------------------------
, mekaniksel açısal hızı dönüş hızının bir fonksiyonu olarak yazılabilir:
Not:
Burada,
→ dev/dk
Verilen bir rüzgâr hızı için Cp rotor veriminin KHO ile değişimi aşağıda
verilmiştir.
KHO
Şekil 9. Bir rüzgâr türbini için cp’nin KHO ile değişimi
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 4 Farklı rotor ve kanat tipleri için oldukça farklı eğriler olabilir.
Genellikle ampirik bir ifade olarak maksimum güç için optimum
KHO’nun,
Değerinde oluştuğu görülmüştür. Burada , kanat sayısı olarak
verilmektedir.
Değişken hızda rüzgâr türbinin optimum işletimi için KHO değeri
kullanılır. KHO maksimum gücü elde edecek işletim noktasını
belirler. Cp’ nin hangi KHO değerinde maksimum olacağını türbinin
aerodinamik yapısı belirler.
Genel olarak örneğin, yüksek rüzgâr hızında yüksek hızı
yakalayabilmek için, rotorda yüksek hızda dönmelidir, böylece
optimum bir seviyede KHO sabit tutulmuş olur.
ÖRNEK: Rotor çapı 30m olan, 3 kanatlı bir rüzgâr türbini 12m/s
rüzgâr hızında 250kw güç üretmektedir. Hava yoğunluğu
1,225kg/m3 olduğuna göre;
(a) KHO=4.0 iken rotor hızı kaç dev/dk’dır (n = ?)
(b) Rotor kanat uçlarının hızı kaç m/s’dır.
(c) Eğer generatörün 1500 dev/dk dönme hızına ihtiyacı var
ise, rotor hızını generatör hızına eşitlemek için hangi dişli
oranına ihtiyaç vardır.
(d) Tüm rüzgar türbinine ilişkin verimi hesaplayınız.
ÇÖZÜM:
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 5 1.6 RÜZGÂR TÜRBİNLERİ İÇİN GENERATÖR SİSTEMLERİ
Kanatların fonksiyonu, rüzgâr kinetik enerjisini dönen mil gücüne
çevirerek generatörün dönmesini ve böylece elektrik gücünü
üretmektedir. Akü şarjı yapan küçük rüzgâr türbinleri dc
generatörleri kullanırken, şebekeye paralel çalışan rüzgar
türbinlerinde ise ac generatörler (asenkron ve senkron) kullanırlar.
Asenkron makinalar sabit hızlı veya değişken hızlı sistemlerde
kullanılabilirken, senkron makinalar normal olarak değişken hızlı
sistemlerde güç elektroniği ara yüzü ile birlikte kullanılırlar.
Temel olarak enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılan asenkron
generatörler 3 çeşittir. Bunlar sincap kafesli, yuvarlak rotorlu ve çift
beslemeli asenkron generatörlerdir. Sincap kafesli asenkron makine
bir ac sisteme doğrudan bağlanıp sabit hızda işletilebileceği gibi
güç elektroniği üniteleri ile birlikte değişken hızlarda da işletilebilir.
Yuvarlak rotorlu asenkron generatörler ise kayma kontrolünü
sağlayan rotor dirençleri ile birlikte bir ac sisteme doğrudan
bağlanabilirler. Burada kayma kontrolü ile işletim hızı ancak belirli
hız aralıklarında ayarlanabilir. Çift beslemeli asenkron generatör ise
güç elektroniği dönüştürücülerinin boyutuna bağlı olarak çok daha
geniş aralıklarda hız ayarlama imkanı verir.
1.6.1 DC MAKİNA
İç yapıları itibari ile bütün elektrik makineleri alternatif akım
makinesidir, çünkü iletkenler N-S kutupları arasındaki manyetik alan
içerisinde alternatif forma döner. DC makineler AC’den DC’ye
dönüşümü mekanik anahtarlama yoluyla yapar. Buradaki
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 6 komütatör, AC-DC işlemini karbon fırçaları bakır segmentler
üzerinde kaydırarak gerçekleştirir. Buradaki kontaklar yüksek bakım
maliyeti ve düşük güvenilirliğe sebep olurlar. Bu dezavantaja
rağmen hız kontrolü kolay olduğu için geçmişte sıkça kullanılmakta
idi.
Klasik DC makineler doğru akım taşıyan şönt veya seri bobin
aracılığı ile kendinden uyartımlı olarak (manyetik alanı üretmek
için) dizayn edilirler. Günümüzde ise DC makinelerde manyetik
alan, sabit mıknatıs kutupları aracılığı ile elde edilmektedir. Böylece
alan akımı ihtiyacı ve komütatör ihtiyacı ortadan kalmaktadır. Sabit
mıknatıs kutupları rotora yerleştirilmiş olup, statora AC akım üreten
armatür sargıları yerleştirilmiştir. Daha sonra AC, güç elektroniği
elemanları vasıtasıyla DC’ye çevrilir. Bu şekildeki bir makine
fırçalara ve komütatöre ihtiyaç duymaz, böylece güvenilirlik
arttırılmış olur. Bu şekildeki sabit mıknatıs kutuplu DC makineler
ancak küçük boyutlu rüzgâr türbinlerinde kullanılabilirler.
1.6.2 SENKRON MAKİNA
Senkron makine belirli bir sabit frekansı üreten ve sabit hızda
çalışan bir elektrik makinesidir. Bu sebepten dolayı rüzgâr
santrallerinde değişken hızda işletime çok uygun değildir. Ayrıca
makinenin DC uyarıma ihtiyacı olduğundan bilezikler üzerinde
kayan karbon fırçalara ihtiyacı vardır. Bu durum senkron makinenin
rüzgâr türbinlerinde kullanımda bir sınırlama oluşturur.
Bu mukabil senkron makine şebeke ile paralel çalıştığında,
asenkron makinenin şebeke ile paralel çalışmasına göre avantajı
vardır. Çünkü senkron makine şebekeden gelecek reaktif güce
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 7 ihtiyaç duymaz. Günümüzde rüzgâr santrallerinde kullanılan elektrik
generatörü genel olarak asenkron makinelerdir.
1.6.3 ASENKRON MAKİNA
Asenkron generatörün statoru üç faz grubundan müteşekkil birçok
sarıma yataklık yapar. Bu üç grup sargı fiziksel olarak stator etrafına
yayılmıştır. Bu sargılar üzerindeki akım akışından dolayı rotor
etrafında, çevresinde dönen bir manyetik alan oluşur ki bu
manyetik alan asenkron makinenin en önemli çalışma özelliğini
oluşturur. Dönen manyetik alanın açısal hızı aynı zamanda senkron
hızdır. Buradaki senkron hızı N s ile gösterirsek,
60 f
p
f → frekans
p→ manyetik alan kutup çifti
Ns =
Şekilde döner manyetik alan içerisindeki sincap kafes rotorlu
asenkron makine görülmektedir.
Stator sargıları yüksek manyetik geçirgenliğe sahip bir nüve
içerisindeki oluklara yerleştirilmiştir. Böylece yeterli miktardaki
manyetik alan yoğunluğu düşük uyarma akımları ile elde edilebilir.
Rotorda ise katı iletken çubuklar rotor nüvesindeki oluklara
gömülmüşlerdir. Bu çubuklar her iki taraf uçları karşılıklı olarak
iletken yüzükler tarafından birleştirilmişlerdir.(kısa devre edilmişlerdir)
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 8 Asenkron Generatörün Çalışma Prensibi
Stator manyetik alanı Ns=60f/p senkron hızı ile döner. Döner
manyetik alanı ile rotor arasındaki bağıl hız her bir rotor dönüşünde
gerilim indükler. Çünkü stator φ akıları, rotor tarafından kesilir.
İndüklenen gerilimin genliği Faraday kanununa göre
e=-
dΦ
dt
Φ → rotor dönüşlerini kesen manyetik alan miktarı.
Bu indüklenen gerilim rotorda bir sirkülâsyon akımı oluşturur. Rotor
akımı ile stator akısı arasındaki etkileşim bir momente neden olur.
Bu momentin (Torque=T) genliği
T = K ⋅ Φ ⋅ I 2 ⋅ Cosφ2
K→oransallık katsayısı
Φ → Stator akı (dalgasının) genliği
φ2 → rotor akımı ile rotor gerilimi arasındaki faz açısı
I 2 → rotor çubuklarındaki akımın genliği
Rotor bu moment altında ivmelenecektir. Boşta çalışma
durumunda (manyetik yük yok, sürtünmeler ihmal, sıfır direnç) rotor,
stator döner alanı ile aynı hızda (senkron hızda) dönecektir. Bu
hızda rotorda herhangi bir akım indüklenmez, dolayısı ile moment
oluşturmaz. Yani bu noktada rotor dengede olup, sürekli olarak
senkron hızda döner. Eğer rotor (fan gibi) mekanik bir yükü
çalıştırıyor ise, yavaşlayacaktır. Fakat stator akısı her zaman senkron
hızda döner ve rotora göre bağıl hız vardır. Sonuçta
elektromanyetik olarak indüklenen gerilim akım ve moment
rotorda üretilir. Buradaki moment (bu hızda) yükü sürmek için
gerekli olan momente eşit olmak zorundadır. Makine bu durumda
motor olarak çalışır.
Eğer rotora bir rüzgâr türbinine bağlarsak ve senkron hızdan daha
yüksek bir hızda döndürürsek, rotorda indüklenen akım ve
momentin yönü motor çalışma durumuna göre ters yönde olur. Bu
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 9 durumda makine generatör olarak çalışır. Türbinin mekanik gücünü
elektrik gücüne çevirir ve stator uçlarına bağlı yükü besler. Eğer
makine şebekeye paralel olarak çalışıyor ile, şebekeye güç temin
edecektir.
Yani makinenin generatör olarak çalışabilmesi için senkron hızdan
daha yüksek bir hızda döndürülmesi gerekir. Asenkron makinelerde
stator ile rotor arasında elektriksel bir bağlantı olmayıp, tamamen
elektromanyetik endüksiyon prensibine göre çalışır. Asenkron
makinenin çalışma prensibini transformatöre benzetebiliriz.
Statordaki yüksek gerilim sargıları kendisi üzerinde kısa devre
edilmiştir. Güç her iki sargı yönünde de akabilir. Rotor ile stator
döner alanı arasındaki bağıl hızda transformatör prensibine göre
açıklanabilir. Bu hız kayma indisi ile ifade edilir.(rotorun senkron
hızdaki döner alana göre bağıl kayması), ve “s” ile gösterilir.
s = (Ns-Nr)/Ns = 1-Nr/Ns
s
Ns
Nr
s
negatiftir.
: rotorun kayması
:senkron hız = 60f/p
:rotor hızı
: motor çalışmada pozitif, generatör çalışmada ise
“s” büyüdükçe elektromekanik enerji dönüşümü büyür. “s”(kayma)
büyüdükçe elektriksel kayıpta artar. Elektriksel kayıp ısı şeklinde
açığa çıktığından (işletme sıcaklığı kabul edilebilir limitler içerisinde
tutabilmek için) bu ısının rotordan uzaklaştırılması gerekir. Bu ısı
küçük boyutlu makinelerde fan ile uzaklaştırılabilir. Büyük boyutlu
makinelerde su sirkülâsyonu ile yapılır.
Sürekli hal işletme şartlarında ve “s” kaymasında asenkron
generatörde aşağıdaki hızlar tanımlanır.
Stator akısı hızı
: Ns
Rotor mekanik hızı
: Nr=(1-s).Ns
Rotora göre stator akısı hızı
: s.Ns
Statora göre rotor akısı hızı : Ns=Nr+s.Ns
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 10 Asenkron Makinanın Hız-Moment Karakteristiği
Stator indirgenmiş asenkron makine eşdeğer devresi:
I0 → mıknatıslanma akımı
I1 → stator akımı
I2 → rotor akımı
R1 → stator sargı iletken direnci
R2 → rotor iletken direnci
X1 → stator kaçak reaktansı
X2 → rotor kaçak reaktansı
Kaymaya bağlı “R2[(1-s)/s]” direnci elektromekanik güç dönüşümünü temsil
eder.
Makinenin bir fazına ilişkin güç dönüşümü : I22. R2[(1-s)/s]
3∼ güç dönüşümü
:
Pem=3.
I2.R2[(1-s)/s]
[watt]
Mekaniksel moment
: Tem=Pem/ω
Tem
ω
: Rotorda oluşan elektromekanik moment [Nt-m]
: Rotorun açısal hızı=2π.Ns. (1-s)/60 ;
Pem ve ω, Tem ifadesinde yerine yazılır ise
Tem=180/(2π.Ns).I2.(R2./s)
[Nt-m]
Moment-hız veya moment-kayma karakteristiği “s” in belirli bir
aralığı için çizilir ise aşağıdaki karakteristik elde edilir.
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 11 " S" Kayma
Eğer makine s>1 bölgesinde çalışıyor ise ve o anda makine ters
yönde döndürülür ise (herhangi iki fazın yerleri değiştirilir ise),
makine bütün gücü absorbe eder ve bu durumda fren gibi çalışır.
Bu durumda I2.R kaybı rotor iletkenlerinde ısı şeklinde açığa çıkar ve
bu ısı sistemden uzaklaştırılmalıdır. Eddy (girdap) akımı frenlemesi
bu prensibe göre çalışır. Acil durumlarda şebekeye paralel çalışan
generatör, stator uçlarındaki 3∼ gerilimlerinin sırası değiştirilerek fren
olarak kullanılabilir. Bu işlem manyetik akı dalgasının rotora göre
dönüş yönünü değiştirir.
ÖRNEK:
6 kutuplu 50 Hz’li asenkron motor nominal gücüne kaymanın %3
olması durumunda ulaşmaktadır. Nominal güçteki rotor hızını
hesaplayınız.
ÇÖZÜM :
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 12 Kendinden uyartımlı asenkron generatör:
Eğer stator, 3∼’lı uyarma akım sistemi ile birlikte dizayn edilirse milli
rüzgâr türbinine ve dişli kutusuna bağlı olan makine başlangıçta
motor olarak çalışmaya başlayacak ve senkron hızı yakalama
yönünde hızını arttıracaktır. Rüzgâr hızı generatör miline senkron hızı
aşacak seviyede etki edince, asenkron makine otomatik olarak
generatör çalışmaya geçecektir ve elde edilen elektriksel gücü
stator sargıları üzerinden şebekeye aktarılacaktır. Fakat tüm bu
süreçte 3∼’lı mıknatıslanma akımı nereden temin edilmektedir. Eğer
makine şebeke ile paralel çalışıyor ise, bu akım şebekeden temin
edilir. Bununla birlikte, makine harici bir kondansatör bağlayarak
makinenin ihtiyacı olan uyarma akımı şebekeye ihtiyaç olmaksızın
sağlanmış olur.
Kendinden uyartımlı generatörün temel mantığı, stator uyarma
sargısının sahip olduğu endüktans ile ilave edilen harici
kondansatör arasında rezonans durumu oluşturmaya dayanır.
Buradaki osilasyon frekans yani rotor uyarma frekansı harici
kondansatör boyutuna bağlıdır. Buradaki kondansatör tek yönlü
olarak rüzgâr türbin hızını kontrol imkanı verir.
Şekil: Kendinden uyarımlı 1∼’lı asenkron generatörün L ile C belirli bir frekansta
rezonansa girerek osilasyona neden olur
Not: Yukarıda verilen kayma ifadesi bu makine içinde aynen geçerlidir.
Örneğin senkron hızı 3000 dev/dk olan 2 kutuplu, 50 Hz asenkron generatör
NR=(1–s)Ns
NR=[1– (–0,01)].3000 = 3030 dev/dk
Kayma yaklaşık %1 civarındadır. Generatör modunda olduğu için
(–0,01) alınmıştır.
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 13 Not: Asenkron generatörün bir önemli avantajı da, ani ve sert
rüzgâr değişimlerinde oluşacak şok darbeleri absorbe etme özelliği
olmasıdır. Çünkü ani olarak rüzgâr hızının değişmesi, kaymanın da
artması veya azalması ile neticelenir; bu özellik mekanik
ekipmanlar üzerinde rüzgârın oluşturduğu şokların absorbe
edilmesinde yardımcı olur.
1.7 RÜZGÂR GÜÇ SİSTEMİ TOPOLOJİLERİ
1.7.1 ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI ASENKRON GENERATÖR
Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörler küçük ve orta
ölçekli rüzgâr türbinlerinde kullanılmaktadırlar. Bir dişli kutusu rotor
kanatlarının hızını ayarlar. Bu durumda asenkron generatör senkron
makine da olduğu gibi şebekeyle senkronize olmak zorunda
değildir. İşletim hızına ilave bir kontrole ihtiyaç duymaksızın ulaşır.
Ancak generatör boyutu büyüdükçe, bu makineler şebekeye
bağlantı esnasında oldukça yüksek bir başlangıç akımına neden
olurlar. Moment kontrolü bu başlangıç akımını sınırlandırabilir.
Şekil: Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatör (Not: Asenkron
makineler reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla
şekildeki gibi reaktif güç kompanzasyonu uygulanabilir.)
Rotorda stall regülâsyonu yüksek rüzgâr hızlarındaki gücü kısıtlar.
Rüzgâr hızları değiştikçe kayma değiştiğinden, bu generatörlerin
hızı, rüzgâr hızı değiştikçe değişmektedir. Dolayısı ile bu makineler
hızlı değişen dalgalanmaları azaltabilir. Asenkron rüzgâr
generatörleri sırasal hız değişimleri arasında yaklaşık %10’luk bir
değişime müsaade eder. Bununla beraber, kaymanın yükselmesi
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 14 ile kayıplar artacak, yani verim düşecektir. Bu nedenle modern
uygulamalarda değişken kayma (s) özelliğine sahip asenkron
makineler kullanılır. Bu generatörlerde sargı uçları kısa devre edilmiş
kafes rotorlar kullanılmaz. Buna mukabil kontrol edilebilir değişken
dirençli rotor devreleri yer alır. Rotor sargıları ya harici değişken bir
dirence bilezikler vasıtasıyla bağlıdır, ya da rotor ile birlikte dönen
kontrol edilebilir bir dirence bağlıdırlar.
Aşağıdaki şekilde rotor sargılarına ayarlanabilen direnç bağlı bir
asenkron makine ve hız-moment karakteristiklerindeki değişim
verilmiştir.
Şekil x: Rotor direncinin değişmesi ile kayma-moment değişimi arasındaki ilişki
Maksimum moment (Mmax) direncin artması ile birlikte yüksek
kayma değerlerinde oluşur. Güç ise moment ile orantılı
olduğundan yüksek hızlarda güç artar ve güç dalgalanmaları
azalır. Aşağıdaki şekilde rotor hızı ile rotor gücü arasındaki ilişkiyi
vermektedir.
2πR
n , formülü dikkate alındığında gücün rotor hızı ile olan ilişkisi ortaya
v
1
konabilir. Not: P = ρAv 3 c p ve c p = f (KHO ) ve KHO = f ( n = dev / dk ) .
2
KHO =
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 15 Stator frekansı ve dişli kutusu rotor hızını belirler, ve bu değer ancak
kaymaya bağlı olarak değiştirilebilir (Şekil x).
Aşağıdaki şekilde şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü
bir rüzgâr türbininin güç-hız karakteristiği verilmiştir.
v = 13m / s
v = 12m / s
v = 11m / s
v = 11m / s
Şekil xx: şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin
güç-hız karakteristikleri
Görüldüğü üzere, eğer rotor hızı sabit kalırsa, türbin hiçbir zaman
optimal güç üretimine ulaşamaz. Bu nedenle en uygun üretim için
rotor hızı (elektriksel hız) farklı rüzgâr hızları için farklı hızlarda
olmalıdır.
1.7.2 HIZ KONTROLLÜ ASENKRON GENERATÖRLER
Şebekeye doğrudan bağlı asenkron generatörlerde görüldüğü
üzere değişken kayma özelliği generatörün hızını değiştirebilir.
Ancak yüksek kayma oranı, rotorda yüksek kayıplara neden
olacağından, kayma miktarının %10 seviyelerini geçmemesine
dikkat edilir. Bununla birlikte rotor gücü şebekeye aktarılarak
generatör hız kontrolü için kullanılabilir. Eğer generatör hızı sadece
şebeke frekansından daha yüksek hızlara ulaşacak ise, bu durum
için kullanılacak devre senkron üstü (oversynchronous convertor)
kaskad konvertör olarak adlandırılır. Bu devrenin enbüyük
dezavantajı, yüksek reaktif güç talebidir.
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 16 Şekil xxx: Kaskad konverterli değişken hız kontrollü asenkron generatör.
Senkron üstü (oversynchronous convertor) kaskad konvertör
sadece rotor gücünü şebekeye aktarabilirken çift beslemeli
(double-fed) asenkron generatör her iki yönde de güç transferine
imkan tanır (rotordan şebekeye ve şebekeden rotora). Bu amaçla
direkt olarak bağlı bir AC/AC konverter kullanılabilir (şekil 4x).
Şekil 4x: çift beslemeli AC/AC konverterlü (double-fed) bir asenkron generatör
Çift beslemeli bir asenkron generatör hem senkron üstü, hem de
senkron altı hızda işletilebilir. Böylelikle generatörün reaktif güç
ihtiyacı kontrol edilebilir. Bu sistemin dezavantajı yüksek maliyati ve
nerji kalitesi ile ilgili problemlere neden olmasıdır.
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 17 1.7.3 ŞEBEKEYE DOĞRUDAN BAĞLI SENKRON GENERATÖR
Senkron makineler uyarma akımları kontrol edilmek sureti ile hem
reaktif güç üreticisi hem de reaktif güç tüketicisi olabilir. Yani reaktif
güç talepleri kontrol edilebilir. Senkron makineleri uyarmak için
sabit mıknatıslarda kullanılabilir. Ancak bu durumda senkron
makinelerin reaktif gücü kontrol edilemez.
Uyarma
ŞEBEKE
Kanatlar
Senkron
Generatör
Transformatör
Dişli
Kutusu
Şekil 5x: Şebekeye doğrudan bağlı senkron generatör
Asenkron generatörün aksine, senkron generatör sabit hızda işletilir.
Bu durum ise rüzgâr türbinlerinde oldukça zor bir durumdur. Bu
nedenle doğrudan bağlantılı senkron generatörler ada şebeke
uygulamalarında bağımsız (stand-alone) uygulamalar için
kullanılırlar. Bu makinenın şebekeye direkt olarak bağlanısı
neticesinde oluşacak bir diğer mahsur ise şebekedeki yük
değişimlerinin generatör üzerinde yüksek mekanik zorlamalar
oluşturmasıdır. Bu nedenlerden ötürü senkron makineler genellikle
şebekeye direkt olarak bağlanmazlar.
1.7.4 DC BARA BAĞLANTILI SENKRON GENERATÖRLER
DC bara bağlantılı senkron generatörler (frekans konvertörlü
senkron makinalar da denmektedir) şebekeye doğrudan bağlı
senkron generatörlerin dezavantajlarını ortadan kaldırabilir.
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 18 Şekil 6x: DC bara bağlantılı senkron generatörler
Şekil 7x de görüldüğü üzere düşük ve orta hızlı tüm rüzgâr hızlarında
rotor
hızı
değiştirilerek
maksimum
güç
noktaları
yakalanabilmektedir. Yüksek rüzgâr hızlarında ise gücü sınırlamak
türbin güvenliği açısından zaten gereklidir.
Frekans
konvertörleri
vasıtası
ile
şebeke
frekansı
yakalanabildiğinden ilave bir dişli kutusuna ihtiyaç duymazlar. Bu
nedenle günümüzde bir çok makina dişli kutusu barındırmazlar.
Ancak bu türbinler için üretilen senkron makinalar yüksek sayıda
kutuplu yapılırlar (kutup sayısı genelde 80 ve üzeridir.)
Bu
makinaların belli başlı avantajları:
¾ Daha az malzeme ihtiyacı
¾ Daha düşük maliyet
¾ Daha az gürültü
PWM inverterlerin
yapılabilmektedir.
kullanılması
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
ile
reaktif
güç
kontrolü
de
Sayfa 19 v = 13m / s
v = 12m / s
v = 11m / s
v = 11m / s
Şekil 7x: Sabit hızlı (1) ve DC bara bağlantılı (2) senkron generatörlerin çalışma
noktaları
0124730 - Rüzgâr ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Ders Notu
Sayfa 20