-Rüzgar Santralleri- - pbs.bozok.edu.tr · Elektrik Enerjisi Üretim . Çeşitleri. Yenilenemez (Fosil) Kaynaklı. Doğalgaz. Kömür. Nükleer. Petrol türevleri. Yenilenebilir

Elektrik Enerjisi Üretimi-Rüzgar Santralleri-

Dr. Öğr. Üyesi Emrah ÇETİN

Elek

trik

Ene

rjisi

Üre

tim

Çeşitle

riYenilenemez (Fosil)

Kaynaklı

Doğalgaz

Kömür

Nükleer

Petrol türevleri

Yenilenebilir Kaynaklı

Hidrolik

Rüzgar

Güneş

Jeotermal

Dalga

Gelgit

Hidrojen

Biokütle (atık)

2019 ilk çeyrekte elektrik üretimi %62 yerli ve yenilenebilir kaynaklardan meydana gelmiştir. - 2017 yılında %49,3 idi. -

Rüzgar Enerji Santralleri –Tarihçesi

Kullanımı yüzyıllar öncesine dayanan rüzgâr ise, insanoğlunun her zaman gündemindeolmuştur. Rüzgâr enerjisi kaynak olarak, 1887 yılında İskoçyalı akademisyen JamesBlyth tarafından elektrik enerjisi üretimi için kullanılana kadar, daha çok tarımsalfaaliyetlerde kullanılıyordu. 1900’lü yılların başından itibaren ticari olarak elektrik eldeedilmeye başlanılan rüzgâr türbinleri, uzun yıllar boyunca gerek düzensiz bir kaynakolması, gerekse yeterli teknolojinin bulunmaması nedeni ile geri planda kalmıştır.Modern rüzgâr türbinlerinin gelişimi ise 1970’li yıllara dayanır. Bu yıllarda da ufakçapta gelişmeler yaşansa da fosil yakıtların popülaritesi ve kolay dönüştürülebilirliğisebebi ile rüzgâr türbinleri gelişim imkânı bulamamıştır.1997 yılında Kyoto Protokolü’nün imzalanması, gerek rüzgâr türbinleri, gerekse bütünyenilenebilir kaynaklar açısından bir milat sayılabilir. Bu tarihten sonra, yenilenebilirkaynaklara destekler birer devlet politikası olmuş ve büyük yatırımlar yapılmıştır. BaştaAlmanya ve Danimarka olmak üzere rüzgâr türbinleri konusunda hafif altyapıları olanülkeler bu enerji kaynağına büyük teşvikler verdiler. Bu sayede 2000’li yıllardayenilenebilir enerji kaynakları alanında büyük bir sektör oluştu. Oluşan bu sektörün başaktörü ise rüzgâr türbinleri idi.

Rüzgar Enerji Santralleri

Rüzgâr enerjisi son yıllarda dünyanın en hızlı büyüyen enerji kaynağı olup, özelliklegeçmiş 15-20 yılda rüzgâr enerjisi kullanım kapasitesi oldukça hızlı büyümüştür. 2019 yılıMart ayı itibari ile dünyadaki toplam rüzgar enerjisi kullanımı 600 GW değerineulaşmıştır. Bu rakam 1994 yılında 3.5GW, 2004 yılında 47GW, 2014 yılında 370 GW,2018 yılı başında ise 540 GW idi. Dünya’da rüzgâr enerjisi kurulu gücündeki büyümeyaklaşık yıllık olarak %15 civarındadır. Ancak rüzgâr enerjisi üretiminin payı ancak%5’ler seviyesindedir. Almanya ve Danimarka rüzgâr enerjisi kullanımında dünyada enönde gelen ülkelerdir. 2017 verilerine göre, Danimarka yaklaşık enerjisinin %40 ınırüzgârdan karşılamaktadır. Ancak toplam rüzgâr enerjisi kurulu gücü bakımından Çindünya lideridir. Türkiye ise bu sıralamada 11.sıradadır.


Dünyadaki rüzgar santralleri toplam kurulu güç değişimi


Dünyadaki rüzgar santralleri toplam kurulu güç değişimi

Rüzgar Enerji Santralleri –Türkiye’deki RES’lerin yıllara göre değişimi

Rüzgar Enerji Santralleri ProfiliKayıtlı Santral Sayısı : 192

RES Kurulu Güç : 7.521 MWe

Kurulu Güce Oranı : % 7,91

Yıllık Elektrik Üretimi : ~ 17.707 GWh

Üretimin Tüketime Oranı : % 6,81

Lisans Durumu : 175 lisanslı, 17 lisanssız

Rüzgar Enerji Santralleri –Türkiye’deki Santrallerin bölgelere göre dağılımı

Rüzgar Enerji Santralleri –Türkiye’deki Santrallerin illere göre dağılımı

Rüzgar HızıHaritası50 m Yükseklikte Yıllık Ortalama

Türkiye'de yer seviyesinden 50 metre yükseklikte ve 7,5 m/s üzeri rüzgârhızlarına sahip alanlarda kilometrekare başına 5 MW gücünde rüzgârsantralı kurulabileceği kabul edilmiştir. Bu kabuller ışığında, orta-ölçeklisayısal hava tahmin modeli ve mikro-ölçekli rüzgâr akış modelikullanılarak üretilen rüzgâr kaynak bilgilerinin verildiği Rüzgâr EnerjisiPotansiyel Atlası (REPA) hazırlanmıştır. Türkiye rüzgâr enerjisipotansiyeli 48.000 MW olarak belirlenmiştir.



RÜZGÂR ENERJİSİ DÖNÜŞÜMÜ

Türbin rotoru aerodinamik olarak dizayn edilmiş kanatları vasıtası ile rüzgar dalgaenerjisinin bir kısmını yakalayarak mekanik enerjiye çevirir. Düşük hızlı bu mekanikenerji dişli kutusu yardımı ile yüksek generatör hızı seviyesine çıkarılır. Eğergeneratör yüksek kutup sayısına sahip ise dişli kutusuna ihtiyaç duyulmayabilir.Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji ise generatör aracılığıile elektrik enerjine dönüştürülür. Daha sonra transformatör ve iletim hatları aracılığıile yerel elektrik şebekesine elektrik sayacı ve kesici üzerinden bağlanır. Tercih edilenrüzgâr enerji sistemi topolojisine bağlı olarak transformatörden önce güç elektroniğiüniteleri ile elektrik enerjisi farklı formlarda regüle edilir.

RÜZGÂR TÜRBİNLERİNİN YAPISI VE ÇEŞİTLERİ

Rüzgâr türbinleri mekaniksel olarak elektrik generatörüne bağlı iki veya daha fazlakanatları olan rotorları vasıtasıyla rüzgâr kinetik enerjisini yakalar. Bu türbin yüksekbir kule üzerine monte edilerek, yakalayacağı kinetik enerjisi artırılmaya çalışılır. Arzuedilen güç üretim kapasitesini elde etmek için bir bölgeye birçok rüzgâr türbinikurulur. Bu tür yapılara rüzgâr çiftliği denir.

Türbin dizaynında genel olarak iki farklı tasarım kullanılır:- Yatay eksenli rüzgâr türbini- Düşey eksenli rüzgâr türbini

Rotor haricindeki tüm bileşenler her iki rüzgâr türbini dizaynında da aynıdır. Dikeyeksenli makinanın şekli bir yumurta çırpıcısını andırır. Özel yapısal avantajlarındandolayı geçmişte kullanılmakta idi. Günümüzde modern türbinlerin çoğu yatay eksendizaynındadır.



Yatay eksenli rüzgâr türbinleri hem rüzgâr yönünde (downwind) hem de rüzgâra karşı(upwind) yönde çalışabilmektedir. Düşey eksenli türbinler ise rüzgârı her yönde kabulederler.



Bir Rüzgâr Enerji Santralinin Temel Bileşenleri:- Kule- 2 veya 3 kanatlı rüzgâr türbini- Rüzgâr yönüne göre kanatların/türbinin yönünü ayarlayan mekanizma- Mekanik dişli ünitesi- Elektrik generatörü- Hız sensörleri ve hız kontrol ünitesi- Güç-elektronik ünitesi ve kontrolü- Enerji depolama sistemleri(özellikle şebekeden bağımsız çalışma için)- Yerel elektrik şebekesine bağlantı için transformatör, iletim hattı ve kesici

RÜZGÂR HIZI VE GÜÇ ARASINDAKİ İLİŞKİ


A alanı boyunca v hızı ile hareket eden hava kütlesinin gücü;

Yoğunluk ile hacmin çarpımı kütleyi vereceğinden,

Akışkan bir kütle için kütlenin zamana göre türevi alınır ise,



Güç ifadesinin rüzgâr hızına bağlı olarak değişimi hızın kübü ile orantılı olarak aşağıdaki gibi değişir:


İki bölgenin rüzgâr potansiyeli, spesifik rüzgâr güçleri cinsinden karşılaştırılır vedönen kanatların süpürdüğü alan açısından w/ m2 olarak verilir. Bu güç rüzgârhızının küpü ile orantılı olarak değiştiğinden, örneğin rüzgâr hızının iki katınaçıkması gücün 8 kat artması anlamına gelir. Yani rüzgâr türbininin 1 saatte 20km/srüzgâr hızında yakaladığı enerji, 10km/s hızında 8 saatte elde edilebilir. Hız5km/s’ e düşerse aynı enerjiyi yakalayabilmek için türbini 64 saat çalıştırmakgerekir (yaklaşık 2,5 gün). Üstelik rüzgâr türbinleri düşük hızlarda hareketettirilemezler.

Güç ifadesi aynı zamanda türbin rotorunun süpürdüğü alan ile doğru orantılıdır

SÜPÜRME ALANI

Yatay eksenli türbin için rotor süpürme alanı;

Görüldüğü üzere A alanı yatay eksenli türbinlerde kanatçapının karesi ile orantılıdır. Dolayısıyla rüzgâr gücü“D2” ile orantılıdır. Yani kanat çapı iki katına çıkarıldığıtakdirde, rüzgâr gücü 4 katına çıkar. Bu basit incelemedaha büyük rüzgâr türbinleri ile çalışma konusundaekonomik skala hakkında bize genel karşılaştırmaimkanı verir. Bir rüzgâr türbininin maliyeti yaklaşıkkanat çapı ile orantılı olarak artar, hâlbuki güç kanatçapının karesi ile orantılıdır. Sonuç olarak daha büyükrüzgâr türbinleri daha ekonomiktir.

SÜPÜRME ALANI

Düşey eksenli rüzgâr türbininin(rotorun) süpürdüğü alan tam dairesel olmamasındandolayı daha karmaşık bir yapı arz eder. Bu alan yaklaşık olarak;

Burada;D: Rotor kanatlarının maksimum genişliğiH: Rotor kanatlarının dikey maksimumyüksekliğiRüzgâr türbinlerindeki en önemli noktalardanbirisi farklı rüzgâr hızlarındaki yakalanacakenerji miktarıdır.

Kan

at y

apıla

rına

göre

türb

in v

erim

lerin

ka

rşıla

ştırm

ası

Örnek 1: 0° C’ de ve 1 atm basıncında aşağıdaki rüzgâr durumları için 1m2’ lik alandayakalanabilecek enerji miktarlarını karşılaştırınız.

a) 8 m/s rüzgâr hızında 200 saatlik işletme süresinde elde edilebilecek enerjiyibulunuz.

b) 100 saat boyunca 4 m/s rüzgâr hızı ve 100 saat boyunca 12 m/s rüzgâr hızı, (Yani200 saatlik işletme periyodunda ortalama 8m/s rüzgâr hızında) elde edilebilecekenerjiyi bulunuz.

Görüldüğü üzere bir işletme periyodu boyunca ortalama rüzgâr hızı kullanımı oldukçabüyük hatalar oluşturabilmektedir. Her iki durumda da ortalama hız aynı olmasınarağmen (b) şıkkındaki sonuç (a)’ ya göre %75 oranla daha fazladır.

RÜZGÂR HIZI VE GÜÇ ARASINDAKİ İLİŞKİ –ÖRNEK

Rüzgâr güç verileri sunulurken genellikle hava yoğunluğunun 1,225 kg/m3 olduğu,yani hava şartlarının 15° C sıcaklık ve 1 atm basınç altında olduğu kabul edilir. Farklıhava şartları için hava yoğunluğu “ideal gaz kanunundan” hareketle elde edilebilir.

P.V= n.R.T

ATMOSFERİK ŞARTLARIN RÜZGÂR GÜCÜ ÜZERİNDEKİ ETKİLERİ –

Sıcaklığın Hava Yoğunluğuna Etkisi

P → Mutlak basınç (1 atm)V → Hacim (m3)n → Kütle (mol)R → İdeal gaz sabiti= 8.2056.10-5

T → Mutlak sıcaklık (K: Kelvin)Kelvin = K = °C + 273,15

Dolayısıyla bütün bilmemiz gereken havanın moleküler ağırlığıdır.

Hava(%100) ≈ Nitrojen(%78,8) + Oksijen(%20,95) + Argon(%0,93) + Karbondioksit(%0,035) + Neon(%0,0018)

Bu bileşenler kullanılarak hava karışımının moleküler ağırlığı

MAhava = 0.7808x28,02 + 0.2095x32 + 0.0093x39,95 + 0.00035x44.01 + 0.000018x20.18 = 28.97 (g/mol)



Bileşen MA (g/mol)

N2 28.02

O2 32

Ar 39.95

CO2 44.01

Ne 20.18Örnek 2: 1 atm basıncında ve 0° C’ de havanın yoğunluğunu bulunuz.



15° C ve 1 atm hava yoğunluğuna göre (1,225kg/m3), 0° C’de ki hava yoğunluğu yaklaşık %5 daha fazladır. Rüzgâr gücühava yoğunluğu ile doğru orantılı olduğundan, Pw gücü de %5oranında daha fazla olacaktır.Yandaki tablo 1 atm basıncındaki farklı hava sıcaklıklarınakarşılık gelen hava yoğunluklarını ve grafik ise sıcaklık iledeğişimlerini göstermektedir.


Rakımın Hava Yoğunluğuna Etkisi

Hava yoğunluğu ve dolayısıyla rüzgâr gücü atmosferik basınca ve sıcaklığa bağlıdır.Hava basıncı ise rakımın bir fonksiyonu olduğundan deniz seviyesinin üzerindekibölgelerde rüzgâr gücü tahmin edilirken bir düzeltme faktörü kullanılmalıdır.

Örnek 3: Hava yoğunluğunu aşağıdaki durumlar için hesaplayınıza) 15° C (288,15K) ve 1000m yükseklik,b) Hava sıcaklığı -5° C ve yükseklik 800m


Rakımın Hava Yoğunluğuna Etkisi

Yandaki tabloda 15° C’ de hava basıncının veyoğunluğunun rakım ile olan değişimiözetlenmiştir.


Kule Yüksekliğinin Etkisi





Örnek 4: Bir anemometre (rüzgâr hızı ve yönü ölçüm cihazı) sürtünme katsayısı0,30 olan bir bölgede, yer yüzeyinden 15m yükseklikte rüzgâr hızını 6m/s olarakölçmektedir. Aynı bölgede 50m yükseklikteki rüzgâr hızını ve bölgeye ilişkin özelgücü (spesifik güç) tahmin ediniz.. (Sıcaklık=15° C ve basınç 1 atm)



Örnek 5: Yanda verilen rüzgâr türbini içinkanat uçlarının maruz kalacağı maksimumve minimum özel güç oranını hesaplayınız.



Görüldüğü üzere kanat en tepeye çıktığı zamangüç, kanat ucunun en aşağı indiği duruma göre%52 daha fazla. Burada önemli bir noktayavurgu vardır. Kanat en üst noktaya çıktığı zamançok daha fazla rüzgâr kuvvetine maruz kalır.Aynı anda kanatın teki daha fazla rüzgârkuvvetine maruz kalmışken, alt kanat dahaküçük rüzgâr kuvvetine maruz kalır. Türbindöndükçe bu olay periyodik olarak devam eder.Yani türbin kanatları sürekli değişen birzorlanmaya maruz kalır. Bu özellikle büyükmakinalarda gürültüyü artırır ve kanatyorulmalarına ve sonuçta kanat kırılmalarınaneden olabilir.

RÜZGÂRDAN YAKALANAN GÜÇ (MEKANİK GÜÇ)

Kanatları kesen rüzgârın tamamı rotorda mekaniksel güce dönüşmez. Rüzgârın kinetikenerjisinden elde edilen mekaniksel güç ifadesi için rotor verimi hesaplanmalıdır.Rotor kanatları tarafından yakalanan gerçek güç miktarı, rüzgâr kanalı girişi ile rüzgârkanalı çıkışı hava akışları arasındaki kinetik enerjilerin farkına eşittir.




Bu durumda maksimum teorik verim %59.26’ tür bu verime “Betz” verimi veya “Betzkanunu” denir. Bu değer pratikte 0.5’ in altında kalır.Verilen bir rüzgâr hızı için, rotor verimi rotor dönüş oranının bir fonksiyonudur. Eğerrotor çok yavaş dönüyor ise verim düşer, çünkü kanatları etkilemeden geçen rüzgârmiktarı daha fazladır.Eğer rotor çok hızlı dönüyorsa rotor verimi yine düşer, çünkü bir kanatın neden olduğutürbülans gittikçe artan bir oranla takip eden diğer kanadı etkiler. Genel bir yöntem olarakrotor verimi kanat uçlarındaki hız oranının (Kanat-ucu hız oranı =KHO) bir fonksiyonuolarak tanımlanır. (Not: KHO, literatürde λ olarak ta verilir.) Rüzgar türbinleri için kanat-ucu hız oranı, kanat ucu dönüş hızının gerçek rüzgar hızına oranıdır.


Örnek 6: 15 m/s rüzgar hızında, kanat çapı 10m ve kanat 1 saniyede, 1 tam dönüşyapıyor ise, KHO değerini bulunuz.

Örnek 7: Rotor çapı 30m olan, 3 kanatlı bir rüzgâr türbini 12m/s rüzgâr hızında250kw 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 hızınıgeneratör hızına eşitlemek için hangi dişli oranına ihtiyaç vardır.(d) Tüm rüzgar türbinine ilişkin verimi hesaplayınız.

Duyurular için Bozok pbs adresi;www.emrahcetin.com

emrahcetin

emrah-cetin

[email protected]

-Rüzgar Santralleri- - pbs.bozok.edu.tr · Elektrik Enerjisi Üretim . Çeşitleri. Yenilenemez (Fosil) Kaynaklı. Doğalgaz. Kömür. Nükleer. Petrol türevleri. Yenilenebilir

Documents