Ay: Mayıs 2024

Rüzgar Santrali Nasıl Çalışır?

Rüzgar santrali nasıl çalışır sorusunu sormadan önce enerji kaynağımız rüzgarı tam olarak tanımak gerekir. Rüzgar, gezegenimizin yapısı gereği ısınma ve soğuma farklılıklarından kaynaklanan hava hareketleridir. Rüzgar enerjisi ise bu hava akımlarının elde edilen hareket enerjisi olarak düşünülebilir. Havanın yüzeyde hareket etmesini sağlayan ve rüzgarın hızını etkileyen ana kuvvetler basınç, Dünya’nın dönmesinden kaynaklanan bir saptırıcı kuvvet, havanın merkezkaç ve sürtünme kuvvetleridir. Rüzgarlar genellikle bir merkez etrafında dolaşır ve merkezkaç kuvveti olarak bilinen bir kuvvet etkisi altında bulunurlar. Sürtünme kuvveti ise rüzgar hızını azaltır ve özellikle yer yüzeyine yakın bölgelerde etkisini gösterir. İnsanoğlu rüzgarın bu enerjisini kullanmayı sağlayan teknolojiyi bulmuştur. Rüzgar enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahiptir ve dünya genelinde enerji üretiminde giderek artan bir rol oynamaktadır. Rüzgar santralleri, rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir.

Rüzgar Santrali Nasıl Çalışır?

Rüzgar santrali nasıl çalışır sorusunun en genel cevabı rüzgarın hareket enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üretmesi olarak düşünülebilir. Temel prensip, rüzgarın santral pervanesine çarpmasıyla oluşan dönme hareketinin jeneratör tarafından elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Bu işlemin belirli adımlarda meydana gelir. Rüzgar, genellikle yükseklikte konumlandırılmış olan türbin adı verilen dev pervanelere çarpar. Pervanelere bağlı rotor, rüzgarın yönüne göre otomatik olarak döner. Rotorun dönüşü, şaft üzerindeki dişli kutusuna gider ve bir asenkron generatörün (jeneratörün) talep ettiği şekilde momenti ve devir sayısını değiştirir. Asenkron generatör (jeneratör), mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren temel bileşendir. Jeneratör, dönme hareketini elektrik enerjisine çevirir. Elde edilen alternatif akım (AC) genellikle elektrik şebekesine aktarılır veya depolanmak üzere batarya sistemlerine yönlendirilir.

Rüzgar Santrali Ekipmanları

Rüzgar santralleri karmaşık sistemlerdir ve çeşitli bileşenleri içerir. Genel olarak şu ekipmanlar bulunmaktadır.

Pervane (Türbin): Bu bölüm, rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren rotor mili tarafından taşınır. Genellikle hafif ancak dayanıklı malzemelerden yapılan, örneğin polyester veya fiber-glass gibi malzemeler kullanılır.

Rotor: Pervaneleri (türbinleri) dişli kutusuna bağlayan bölümdür.

Dişli Kutusu: Rüzgarın hareket enerjisinin torkunu ve devir sayısını değiştirerek asenkron generatöre iletir.

Jeneratörler: Rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makinesidir. Elektrik makinesi türlerinden asenkron generatördür.

Şaft ve Dişliler: Rotoru jeneratöre bağlayan ve dönme hareketini ileten yapılardır.

Kontrol Sistemleri: Anemometre, rüzgar vanası, fren gibi yapıların bulunduğu rüzgar hızı, yönü ve gücünü izleyen ve optimize eden sistemlerdir. Bu sistemler, rüzgar santralinin verimliliğini artırmak ve aşırı yüklenmeyi önlemek için önemlidir.

Temel ve Kule: Rüzgar türbininin yerine sabitlenmesini sağlayan temel ve genellikle yüksekliği artırmak için kullanılan kulelerdir. Kuleler genellikle çelik veya betondan yapılmıştır.

Rüzgar Santrali Nasıl Çalışır? Rüzgar Türbini Çeşitleri

Rüzgar santrali nasıl çalışır sorusu cevaplandıktan sonra RES’in en önemli ekipmanı türbinleri detaylıca incelemek gerekir. Birçok çeşit rüzgar türbini bulunmaktadır.  Dönme eksenine, devir sayısına, gücüne, kanat sayısına, rüzgar etkisine, dişli kutusu özelliklerine göre veya kurulum yeri özellerine göre rüzgar türbinleri bulunmaktadır. Bunlardan en çok kullanılan sınıflandırmalardan olan dönme eksenine ve kanat sayısına göre sınıflandırma yapılacaktır.

Dönme Eksenine Göre Rüzgar Türbinleri

Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri

Bu türbinlerde, dönme ekseni rüzgar yönüne paralel olarak yerleştirilir ve kanatlar rüzgarın yönüne dik konumlanır. Kanat sayısı azaldıkça, rotorun dönme hızı artar. Bu türbinlerin verimliliği yaklaşık olarak %45’tir. Yer seçimi genellikle, türbinin yerden 20-30 metre yüksekte olması ve çevredeki engellerden 10 metre yüksekte olması şeklinde yapılır. Bu yükseklik, daha güçlü ve sürekli rüzgar akışı için idealdir ve çevredeki yapılardan etkilenmeyi minimize eder. Kanat sayısını belirlemek için bir hesap kullanılır. Rüzgar hızı, rotor kanadının uç hızına bölünerek elde edilen orana kanat uç hız oranı denir. Eğer bu değer 1-5 arasında ise çok kanatlı rotorlar, 6–8 arası ise, üç kanatlı rotorlar, 9–15 arası ise, iki kanatlı rotorlar ve 15’ten büyük ise tek kanatlı rotorlar kullanılır. Dünya genelinde en çok kullanılan türbin çeşididir yatay eksenli rüzgar türbinleridir. Bu tür türbinler, genellikle daha yüksek verimlilik ve kararlılık sağlamak için tercih edilir.

Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri

Düşey eksenli rüzgar türbinleri, yatay eksenli de olduğu gibi geleneksel bir pervane görünümüne sahip değildir, çünkü milleri dikey bir yapıya sahiptir. Pek ticari anlamda kullanılmazlar. Yatay eksende yerleştirildikleri için kuleye ihtiyaçları ve dolayısıyla maliyetleri ortadan kalkar. Ayrıca, sistem istenilen rüzgar yönüne çevrilebilir, bu nedenle dümen sistemine ihtiyaç duyulmaz. Verimleri düşüktür. Darrieus ve Savonius tipi olmak üzere iki çeşittir.

Darrieus tipi düşey eksenli rüzgar türbinlerinde, düz tip bir Darrieus tasarımı bulunur. Bu türbinlerde, dikey olarak yerleştirilmiş iki kanat vardır ve bu kanatlar, türbin mili uzun eksenine yaklaşık olarak bir elips oluşturacak şekilde bulunur ve böylece aerodinamik etki sayesinde kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluşur. Rüzgarın tek yönden estiği durumda, türbinin ürettiği güç, sinüsoidal bir eğri oluşturur.

Savonius tipi rüzgar türbinleri, yapısı biraz daha farklıdır ve genellikle iki ya da üç adet kepçe şeklinde tasarlanmıştır. En çok kullanılan tip olanı, iki adet kepçenin bulunduğu ve “S” şeklini andıran bir görüntüye sahip olanıdır. Savonius türbinlerinde, akışkan içbükey kanatlar sayesinde dönel hava akışı meydana gelir ve bu türbini döndürür. elektrik üretimi için pek tercih edilmezler. Daha çok su pompalama veya rüzgâr ölçümlerinde kullanılan anemometreler gibi küçük uygulamalarda tercih edilirler.

Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri

Eğik eksenli rüzgar türbinleri, dönme eksenleriyle rüzgar yönü arasında bir açı oluşturan türbinlerdir. Bu tür türbinlerde, kanatlar ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunur. Çok tercih edilen bir türbin çeşidi değildir.

Kanat Sayısına Göre Rüzgar Türbinleri

Rüzgar türbinleri, kanat sayısına göre farklı kategorilere ayrılır. Bunlar tek kanatlı, çift kanatlı, üç kanatlı ve çok kanatlı olarak sınıflandırılı.

Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Tek kanatlı rüzgar türbinlerinin kullanımının temel amacı, pervanelerin üzerindeki yüksek rotasyonel hızı düşürmektir. Ancak, bu tür türbinler aerodinamik açıdan dengesizdir ve kontrol edilmesi için orta göbek kısmına ek yapılar eklenmesi gerekebilir. Ayrıca, yüksek aerodinamik gürültü seviyeleri gibi bazı dezavantajları vardır. Üç kanatlı pervanelerle karşılaştırıldığında, tek kanatlı türbinlerin üç kat daha yüksek hızlarda çalışması gerekebilir ve bu da genellikle daha fazla gürültüye neden olabilir.

Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Eskiden çift kanatlı rüzgar türbinleri Avrupa ve Amerika’da çeşitli pervane çaplarında yaygın olarak kullanılmıştır. Bunlar, üç kanatlı türbinlere göre daha ekonomik görünebilir ancak dinamik etkiler nedeniyle ek ekipmanlara ihtiyaç duyarlar ve bu da üç kanatlı türbinlerle aynı maliyete gelir. Üç kanatlı türbinlerden farklı olarak, çift kanatlı türbinler dönme sırasında ve kuleye yatay eksende ek bir atalet momenti yaratır. Bu, türbine ek bir yük getirir ve yalnızca sallanan bir göbekle giderilebilir. Böylece oluşabilecek atalet değişimlerinin önüne geçilir.

Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Günümüzde en yaygın olarak kullanılan rüzgar türbinlerinden biri üç kanatlı türbinlerdir. Bunun nedeni, pervanenin tüm hızlarda sabit bir atalet momentine sahip olmasıdır. Üç veya daha fazla kanada sahip olan tüm pervaneler bu avantaja sahiptir ve genellikle rüzgar türbinlerine ek bir yük getirmezler.

Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Çok kanatlı rüzgar türbinleri, küçük güçlü uygulamalarda uzun süre sadece su pompalama gibi işlemlerde kullanılmıştır ve moment gereksinimlerini karşılayabilmek için çok kanatlı olarak üretilmiştir. Bu tür türbinler düşük hızlarda çalışır ve genellikle pervane göbeğinden uçlara doğru genişler. Bir dişli kutusu vasıtasıyla pervanenin devir sayısı artırılarak jeneratör miline iletilir. Rüzgar gülleri olarak da adlandırılan çok kanatlı rüzgar türbinleri, rüzgar yönünü her zaman dik olarak alabilmesi için bir rüzgargülü yönlendiricisi taşırlar.

Rüzgar Santrali Nasıl Çalışır? Rüzgar Santrallerinin Şebekeye Bağlanması

Güç sistemine bağlanan rüzgar türbinlerinin, şebeke kalitesi problemlerine yol açmayacak şekilde planlanması büyük önem taşır. Bu nedenle, bir rüzgar santralinin şebekeye bağlanması durumunda karşılaşılabilecek potansiyel sorunlar ve kısıtlamalar, yapılacak statik ve dinamik simülasyon çalışmalarıyla önceden belirlenmelidir. Bu çalışmalar sayesinde, rüzgar enerji santralinin (RES) şebekeye entegrasyonu ve hatta türbin konvertörü seçimi doğru bir şekilde yapılabilir. Bu planlama süreci, güvenilirlik, istikrar ve şebeke uyumluluğu gibi faktörleri göz önünde bulundurarak gerçekleştirilmelidir. Bu şekilde, rüzgar enerjisi sistemlerinin şebekeye entegrasyonu sorunsuz bir şekilde sağlanabilir ve istikrarlı bir elektrik tedariki sağlanabilir.

Öncelikle kulenin tepesindeki pervanenin bağlı olduğu rotorun bulunduğu bölümde dişli kutusu ve asenkron generatör bulunur. Buradan üretilen elektrik enerjisi OG kablolarla kulenin aşağı kısmında OG odasındaki gaz izoleli RMU hücrelere girer. Burada gaz izoleli hücrelerin kullanılmasının nedeni, yapısının küçük olmasından dolayı kule içerisine sığabilmesindendir. Hücreler, giriş-çıkış olmak üzere iki veya üç adet gaz izoleli hücreden oluşarak asıl üretim tesisinin dağıtım tesisine bir step-up trafo (eğer gerilimin yükseltilmesi durumunda) merkezine gider. Bazı uygulamalarda ise kuru tip yükseltici step-up transformatör ile RMU gaz izoleli orta gerilim hücreleri kulenin yukarısındaki jeneratör odasında da bulunabilir. Trafo merkezindeki orta gerilim hücreleri sayesinde fider koruma röleleri vs. ile ana koruma ve şebeke senkronizasyonu yapılır. Buradaki röleler ve kontrol sistemleri vasıtasıyla rüzgar santralinin aktif güç ve frekans kontrolü sürekli olarak yapılır. Çünkü yapısı gereği rüzgar hareketlerini kontrol edemediğimizden rüzgar santrallerinde 50 Hz frekans değerini bulmak biraz daha karışıktır ve zordur. Bu yüzden bu değerlerin anlık sürekli olarak izlenmesi ve şebekeyi bozucu yönden bir etki etmesinin önüne geçilmelidir.

RES’lerin (Rüzgar Enerji Santrallerinin) Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliği’nde belirlenen aktif güç oranına uygun şekilde, şebeke bağlantı noktasında belirli bir miktarda reaktif güç kapasitesini sağlayabilme yeteneğine sahip olmaları gerekmektedir. Rüzgar türbini üreticileri genellikle her bir türbin için yüklenme eğrisini sağlayabilirler, ancak burada önemli olan nokta, reaktif güç kapasitesinin şebeke yönetmeliğine göre şebeke bağlantı noktası için tanımlanmasıdır. Bu nedenle, türbine bağlı transformatörler, rüzgar santrali OG şebekesi ve gerekiyorsa santral ana transformatörü gibi bileşenlerde meydana gelebilecek reaktif güç kayıpları ve RES OG şebeke gerilimi dikkate alınarak hesaplanmalıdır. Bu hesaplamalar, şebekede istikrarlı bir elektrik enerjisini ve şebeke uyumluluğunu sağlamak için önemlidir.

Rüzgar enerjisi elde etmek için, optimum rüzgar koşullarının olduğu bölgelere rüzgar türbinleri kurulur. Optimum rüzgar seviyesi, genellikle yerden 10 – 50 metre yükseklikte ve saatte en az 4 metre hızla esen rüzgar anlamına gelir. Rüzgar santralleri, temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Bu makalede, rüzgar santrallerinin temel çalışma prensipleri ve bileşenleri hakkında genel bir bakış sunulmuştur. Rüzgar enerjisi teknolojilerindeki sürekli gelişmelerle birlikte, rüzgar enerjisi daha verimli ve ekonomik hale gelmekte ve küresel enerji dönüşümünde önemli bir rol oynamaya devam etmektedir.