3. Bölüm Rüzgar Türbinleri Kontrol · 3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Bir rüzgar türbini, kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için gereken çeşitli parçalar

3. Bölüm:

Rüzgar Türbinleri Kontrol

Sistemleri

Doç. Dr. Ersan KABALCI

AEK-204 Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Üretimi

3.1. Giriş

Bir rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi (REDS), rüzgarın kinetik enerjisini

rotordaki kanatlar vasıtasıyla mekanik enerjiye dönüştürür. Bu enerji

daha sonra elektrik enerjisine dönüştürülür.

Sistem bütünüyle enerji dönüşüm işlemini gerçekleştiren bölümlerden

oluşur.

Bunun yanı sıra sistemin güvenli ve verimli çalışmasını sağlayan

çeşitli kontrol mekanizmaları da diğer bileşenler arasında yer alır.

REDS işlemini daha iyi anlamak için rüzgar türbinlerinin bilinmesi

gereken parçaları bu bölümde açıklanmıştır.

2

3.1. Giriş

Rüzgar türbinlerinde enerji kaynağı rüzgarın kinetik enerjisi olduğu için

enerji dönüşüm işleminde ve özellikle maksimum güç çıkışının rüzgar

hızının önemi büyüktür.

Bu nedenle, rüzgar hızı ile kanatlardan üretilen güç arasındaki ilişkinin

temel özelliklerini bilmek gerekir. Böylece, bir rüzgar türbininin kanat

açısı ve tork-hız ayarlarıyla nasıl regüle edileceğine yönelik kararlar

daha bilinçli verilir.

Söz konusu kontrol yöntemleri geniş bir rüzgar hız aralığında

maksimum çıkış gücü üretilmesini sağlar. Ayrıca, güçlü rüzgarlar

karşısında mekanik sistemin korunması ve güvenilir çalışma sağlanır.

3

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri

Bir rüzgar türbini, kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için

gereken çeşitli parçalar içerir. Tipik bir rüzgar türbinini iç yapısı Şekil

1’de verilmiştir.

Bu bölümde görünen parçaların, özellikle doğrudan sürülen (direct

drive) dişlisiz modellerde çeşitli alternatifleri vardır. Buna rağmen,

şekilde görülen kısımlar modern türbinlerin iç yapısında yaygın olarak

kullanılmaktadır.

Rüzgarın kinetik enerjisi, rotora bağlı kanatlar tarafından mekanik

enerjiye dönüştürülür. Rotor göbeği, düşük hızlı mil olarak adlandırılan

bir mil üzerinde sabitlenmiştir.

4


Mekanik enerji, sürme hattı üzerinden (mil, rulman ve dişli kutusu)

mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürüleceği generatöre

aktarılır.

Bu dönüştürme sistemi, genellikle generatöre şebekeden güç

sağlayacak bir güç konvertörüyle desteklenir. Rüzgar türbinindeki

parçaların büyük bir kısmı kulenin üstünde yer alan motor bölümünde

(nacelle) bulunur.

Bunların yanı sıra, enerji dönüşümünde kullanılmayan fakat düzenli,

verimli ve güvenli çalışmayı sağlayan başka önemli parçalar da türbin

içerisinde yer alır.

5


6 Şekil 1. Bir rüzgar türbininin iç yapısı


Bunlar kanatların kontrolünü sağlayan döndürme sistemi, kule kontrol

sistemi, mekanik fren, rüzgar hız ve yönünü ölçen sensörler, güç

dağıtım kabloları, sıcaklık önleme ve havalandırma sistemleri, yıldırım

önleme sistemleri ve kule, kaide ve direk gibi yapısal sistemlerdir.

Aynı zamanda büyük rüzgar türbinleri, bünyelerindeki kontrol

sistemleri, kanat sürücüleri ve frenler için gerekli enerjiyi sağlamak

üzere kesintisiz güç kaynakları ve enerji depolama sistemleri içerir.

Doğrudan sürücülü türbinlerde dişli sisteminin olmaması yüksek hızlı

dişlinin daha bütünleşik sürme hattına ve daha kısa kuleye imkan tanır.

7


8

Şekil 2. Bir rüzgar türbininin bölümleri

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Türbin Kanatları

Kanatlar, bir türbinin en ayırt edici ve görünen parçasıdır. Kanatlar,

aynı zamanda enerji dönüşümünün en önemli görevini yerine

getirmekle sorumludur; kinetik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmek.

Kanatlar aerodinamik tasarımda çok etkili şekilde geliştirilmiştir ve ilk

türbinlerde ahşap ya da kumaşlardan yapılmaktaydı.

Modern kanatlar ise genellikle alüminyum, fiberglass veya karbonfiber

kompozit malzemelerden yapılarak ağırlık-dayanıklılık ilişkisi ile

malzeme yorgunluğu azaltılarak sertlik kazandırılırmış bir yapıdadır.

9


Tek ve iki kanatlı türbinler uygulamada kullanılmış olsa da büyük

türbinler için üç kanatlı rotor endüstri standardı olarak kabul edilmiştir.

Az sayıda kanadı bulunan türbinler daha yüksek hızda dönerler. Bu

durum, daha düşük maliyetle düşük dişli oranı gerektirdiği için sürme

hattı açısından bir avantajdır. Ayrıca az sayıda kanat maliyetleri de

düşürür.

Bununla birlikte, kanat uç hızı ile orantılı olarak artan akustik gürültü

söz konusudur. Bu nedenle, tek ve iki kanatlı türbinlerin oluşturduğu

akustik gürültü özellikle nüfusun yoğun olduğu yerlerde ciddi bir

sorundur. 10


Tek kanatlı türbinlerde asimetrik bir mekanik yük dağılımı vardır. Türbin

rotoru aerodinamik olarak dengesizdir ve mekanik titreşimlere neden

olur.

Ayrıca, yüksek dönüş hızı kanat, türbin yapısı, rulmanlar ve dişli kutusu

üzerinde mekanik baskıya neden olarak kullanım ömrünü azaltır.

Üçten fazla kanatlı rotor tipi pahalı olmasından dolayı çok fazla tercih

edilmez. Bu tiplerde, düşük hızlarda daha yüksek dişli oranı gerekir. Bir

kanatta geciken rüzgar türbülansı birbirine yakın olduğu için diğer

kanatları etkiler. Bu nedenle üç-kanatlı rüzgar türbinleri mekanik baskı

ve gürültü açısından en verimlisidir. 11

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Eğim Mekanizması

Büyük rüzgar türbinlerinde kullanılan eğim mekanizması, kanatların

uzunlamasına dönmesini sağlar. Bu mekanizma, kanatların rüzgara

göre açı değiştirmesini ve kanatların aerodinamik karakteristiklerinin

ayarlanmasını sağlar.

Bu sayede, türbini korumak ya da güç dönüştürme verimini ayarlamak

için kontrol açısı üretilebilir.

Rüzgar hızı, anma değerinde ya da daha düşük olduğunda kanat

açıları optimum değere ayarlanır ve türbinin gelen rüzgardan

maksimum enerji üretmesi sağlanır.

12


Rüzgar hızı anma değerini aşarsa, eğim mekanizması devreye girerek

çıkış gücünü sınırlandırır ve tasarım kapasitesine uygun bir çıkış gücü

üretecek regülasyonu gerçekleştirir.

Bu amaçla kullanılan eğim açısının genellikle 20 ile 25 derece

arasında seçilmesi yeterli olmaktadır.

Rüzgar hızı aşırı artarak türbin kapasitesinin son sınırına ulaştığında

kanatlar tamamen eğimlendirilir ve kanatların güç üretmesi engellenir.

Böylece türbin kapatılmış ve korunmuş olur.

13


The pitch mechanism can be either hydraulic or electric. Electric pitch

actuators are more common nowadays since they are simpler and

require less maintenance. Traditionally, all blades on the rotor hub are

pitched simultaneously by one pitch mechanism. Modern wind turbines

are often designed to pitch each blade individually, allowing an

independent control of the blades and offering more flexibility. The

pitch system is usually placed in the rotor hub together with a backup

energy storage system for safety purposes (an accumulator for the

hydraulic type or a battery for the electric type). An electric pitch

mechanism is shown in Figure 2-3, where the three motor drives and

pitch gears can be seen inside the rotor hub.

14


Eğim mekanizması hidrolik ya da elektrik kontrol şeklinde

gerçekleştirilir. Elektrik eğim hareketlendiricileri (actuator), çok az

bakım gerektirmeleri ve daha basit yapılarından dolayı günümüzde en

yaygın olarak kullanılan eğim mekanizmasıdır.

Geleneksel olarak rotora bağlı bütün kanatlar tek bir eğim

mekanizması tarafından eş zamanlı olarak kontrol edilir.

Modern türbinlerde ise her kanadın bağımsız olarak kontrol edilmesini

sağlayan esnek mekanizmalar mevcuttur. Eğim kontrol sistemi rotor

kulesinde güvenlik açısından genellikle bir enerji depolama sistemiyle

birlikte monte edilir. 15


Bu enerji depolama sistemi hidrolik mekanizmalarda akü, elektrik

mekanizmalarda ise batarya grubudur.

16

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Dişli Kutusu

Üç kanatlı büyük bir rüzgar türbininin rotoru genellikle 6-20 rpm

arasında döner. Bu dönüş hızı, standart 4 ya da 6 kutuplu standart

generatörlerin 50 Hz stator frekansında ürettikleri 1500 ya da 1000 rpm

ile 60 Hz stator frekansında ürettikleri 1800 ya da 1200 rpm’e göre

oldukça düşük bir orandır.

Bu nedenle, türbin rotorunun düşük dönüş hızını generatörün yüksek

hızına adapte etmek için dişli kutusu gerekir.

Dişli kutusu dönüştürme oranı (rgb), aynı zamanda dişli oranı olarak da

bilinir, yüksek hızlı generatör ile düşük hızlı kanatları eşleştirmek için

tasarlanmıştır. 17


Belirli bir generatör ve türbin hızında dişli oranı şu şekilde hesaplanır;

Bu eşitlikte nm ve nM sırasıyla rpm cinsinde generator ve türbin hızları, s

kayma, fs Hz cinsinden stator frekansı, P ise generatördeki kutup çifti

sayısıdır.

Anma hızında kaymanın değeri büyük asenkron generatörlerde

genelde %1’den düşük, senkron generatörlerde ise sıfırdır.

18


Bir asenkron generatörde anma kaymasının %1 olduğu kabul edilirse,

anma türbin hızının bir fonksiyonu olarak dişli oranı çeşitli kutup çifti

sayısına ve stator frekansına göre aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi

değişir.

19


Dişli kademeleri içerisinde kullanılan tipler gezegenimsi (planetary)

dişli, helisel dişli, paralel şaft, pinyon dişlisi ve sonsuz dişli olarak

adlandırılır.

Dişli kademelerinde iki ya da daha fazla dişli tipi bir arada kullanılabilir.

Dişli kutuları genellikle en üst kalite alüminyum karışım, paslanmaz

çelik ve döküm demirden yapılır.

Şekilde örnek olarak verilen çok katmanlı bir dişli kutusu, 78:1 veya

136:1 dönüştürme oranını sağlayan iki planetary katmanından ve bir

paralel şaft katmanından oluşmaktadır ve bu dişli kutusu MW

türbinlerde kullanılır. 20


21

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Mekanik Rotor Freni

Bir mekanik fren normalde dişli kutus ve generatör arasındaki yüksek

hızlı şafta monte edilir. Buna rağmen, bazı türbinlerde fren türbin ile

dişli kutusu arasındaki düşük hızlı şafta yerleştirilir.

Freni yüksek hızlı şafta yerleştirmenin en önemli avantajı daha düşük

frenleme torkuna ihtiyaç duyulmasını sağlamaktır. Fren, yüksek rüzgar

hızlarında türbini durdurmak ya da park moduna almak için kullanılan

eğim ya da durdurma kontrolü gibi aerodinamik güç kontrol

sistemlerine yardımcı olur.

Genelde hidrolik ve elektromekanik disk frenler yaygın olarak kullanılır.

Şekilde elektromekanik disk fren ve kontrol mekanizması

görülmektedir. 22

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Mekanik Rotor Freni

23

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Yön Kontrol Sürücüsü

Yön kontrolcüsünün temel görevi, türbinin rüzgarı karşıdan almasını

sağlayarak üretilen enerjinin maksimum değere ulaştırılmasıdır.

24


25


Yön kontrolcüsü birden fazla elektrik motor sürücüsü, yön dişlisi, ayar

mil dişlisi ve rulmandan oluşur. Şekilde görülen kontrolcü, dört

sürücülü bir yönlendiricidir.

Yönlendirme sistemi kuleyi döndürebilmek için 10000 ile 70000 Nm

arasında bir tork üretmek zorundadır. 26

Yön sürücüsü, yön dişlisini hızını

düşürmek için bir planetary dişli

kullanır. Bütün motorlar aynı

kontrol sinyali ile kumanda edilir ve

türbin istenilen konuma geldikten

sonra motorlar kilitlenir.

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Direk ve Kaide

Direğin temel fonksiyonu, kule ve türbin rotorunu taşımakla birlikte

rotorun en iyi rüzgar koşullarında çalıştığı yükseklikte bulunmasını

sağlamaktır.

Türbinlerde kullanılan direklerin çoğu çelikten yapılır. Bunun yanı sıra,

beton direkler ya da beton zeminli ve çelik üst kısımlı direkler de

kullanılabilir.

Direk yüksekliği türbin gücüyle ve rotor çapıyla orantılı olarak artar.

Ayrıca, direk yüksekliğinin ağaçlar ve binaların neden olduğu

türbülanstan etkilenmemek için en az 25-30 m olması gerekir.

27


Küçük rüzgar türbinlerinin direk yüksekliği, kanat çaplarından daha

yüksektir. Orta ve büyük güçlü türbinlerin direk yüksekliği ise rotor

çapıyla neredeyse eşittir.

28


Direk rotoru ve kuleyi taşımanın yanı sıra generatör iletim kablolarını

veya transformatör için gereken güç konvertörlerini de barındırır. Bazı

durumlarda, transformatör kulede yer alır ve kablolar aracılığıyla direk

içerisinden şalt sahasına bağlanır.

Multi MW türbinlerde kulenin boyutunu ve ağırlığını azaltmak için direk

tabanında yer alır. Bunun yanı sıra, direğin içerisinde bakım onarım

işlemlerinde kullanılmak üzere kuleye çıkan merdivenler bulunur.

Rüzgar türbininin maruz kalacağı mekanik rezonansın önlenmesi için

direğin dinamik tasarımına özel bir önem gösterilmektedir.

29


Türbin kaidesi de önemli bir bölümdür. Karada kurulan türbinlerde

kullanılan kaide tipleri hasır levha, çoklu kazık ya da tek kazıklı

kaideleri içerir.

Offshore türbinlerde ise özellikle deniz derinliği ve farklı kum tiplerine

göre özel kaide tipleri geliştirilmiştir.

Bu kaidelerin ağır koşullara karşı koyması gerektiği için yıllar içerisinde

çok çeşitli offshore türbin kaideleri geliştirilmiştir. Ağırlık (gravity) ve tek

kazıklı kaideler sığ sularda yaygın olarak kullanılır. Tripod, üçlü kazık

ve kaplama kaideler ise oldukça derin ve kıyıdan uzak sularda

kullanılır. 30


31

Yüzen (demirlemiş) kaideler gibi yeni teknolojiler çok daha derin

sularda kullanılmak üzere hala geliştirmektedir.

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Anemometre

Eğim, durdurma ve döndürme kontrol sistemlerinin uygun şekilde

çalışabilmesi için rüzgar hızının ve yönünün tespit edilmesi gerekir.

Eğim ve durdurma kontrolü, optimum çalışma için kanada geliş açısını

ve rüzgar hızını kullanır.

Döndürme kontrolü ise türbini rüzgara karşı döndermek için rüzgar

yönüne ihtiyaç duyar. Bunun yanı sıra, değişken hızlı rüzgar

türbinlerinde generatör hızını ayarlamak için de rüzgar hızının bilinmesi

gerekmektedir.

Birçok büyük türbin anemometre adı verilen rüzgar sensörleri içerir. 32

3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Anemometre

33

Documents

3. Bölüm Rüzgar Türbinleri Kontrol · 3.2. Rüzgar Türbininin Bölümleri Bir rüzgar türbini, kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için gereken çeşitli parçalar