|
Prof. Dr. Sinsi
|
Rüzgar Enerjisi Nasıl Ve Nerelerde Kullanılır
5 4 Dünya Teknolojisinde Ulaşılan Düzey
1990 yılında dünyada rüzgar santralı kurulu gücü 2160 MW iken, 1993 yılının başlarında 2500 MW’a, 1994 yılında 3738 MW’a 1995′de 4843 MW’a ve 1996 yılında 6097 MW’a (Nisan 1997 tarihli Wind Povver raporuna göre) yükselmiş bulunmaktadır Bu kurulu gücün %575′i Avrupa’da, %264’ü Kuzey Amerika’da (bunun %987’si ABD’de), %147’si Asya’da (%91’i Hindistan’da olmak üzere) bulunmaktadır Dünya kurulu gücündeki yıllık artış %206 düzeyindedir Avrupa kurulu kapasitesindeki yıllık artış ise %282 düzeyini bulmaktadır Avrupa’nın kurulu rüzgar gücü 1989 yılında yalnızca 320 MW idi Bu kurulu güç 1990′da 477 MW, 1991’de 643 MW, 1992’de 891 MW, 1993’de 1 123 MW, 1994’de 1723 MW, 1995’de 2518 ve 1996 yılında 3216 MW olmuştur Böylece yedi yılda 10 kat artış sağlanmıştır Avrupa’da kurulu rüzgar gücü açısından birinci sırayı Almanya almakta, ardından Danimarka, Hollanda, İngiltere, İspanya, İsveç, Yunanistan ve İtalya gelmektedir
21 yüzyılın eşiği 2000 yılı için kurulu kapasite hedefi ABD’de 2800 MW, Avrupa’da 6340 MW, Asya’da 3817 MW ve tüm dünyada 13803 MW’dır 2000 yılı Avrupa’sında en büyük kapasite 2000 MW ile Almanya’da olacak, onu 1000 MW ile Danimarka, 800’er MW ile İngiltere ve İspanya izleyecektir Yunanistan’ın programlanan 2000 yılı kapasitesi 200 MW’dır Hindistan 2000 yılında 2000 MW, Çin 2000 yılında 1000 MW ve İsrail 2000 yılında 2000 MW güç düzeylerini tasarlamaktadır ABD’nin beklentisi, önümüzdeki 10-12 yılda rüzgardan üreti-lecek elektriğin diğer tüm kaynaklardan daha ucuz olacağıdır Gelecek 10 yıl sonunda ABD, elektrik üretiminin %20’sini rüzgardan sağlamayı hedeflemiştir Avrupa Birliği 2010 yılında birincil enerjinin %115′unu ve elektriğin %235′unu yenilenebilir kaynaklardan sağlamayı hedefleyerek, elektrik üretiminde rüzgara %28′lik pay ayırmıştır (”Avrupa Birliği White Paper for a Community and Action Plan; COM (97) 599 final (26/11/97)”) Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliği, Avrupa’da kurulu kapasitenin 2005 yılında 12 bin MW olacağını, 2030 yılında 100 bin MW’a çıkacağını ve bunun denizüstü payının %25′den az olmayacağını tahmin etmektedir
541 Rüzgar Türbinlerinin Gelişiminde Ulaşılan Düzey
Ucuz petrol döneminde güncellik kazanamayan rüzgar enerjisi, 1974-1978 yapay petrol bunalımlarının ardından, artan uygulamalar ve teknolojik aşamalarla gündeme girmiştir Artık geçmişteki rüzgar jeneratörleri yerine, modern ve çağdaş rüzgar enerjisi çevrim sistemleri (WECS) üzerinde durulmaya başlanmıştır Az sayıda tüketiciyi besleyecek tekil makineler yerine, birden çok türbin içeren rüzgar çiftlikleri ile elektrik şebekelerinin beslenmesi amaç olmuştur Rüzgar türbinlerinin ve teknolojisinin geliştirilmesine, 980′li yıllarda Uluslararası Enerji Ajansı koordinatörlüğünde yürütülen Ar-Ge çalışmalarının büyük etkisi olmuştur
Günümüzün büyük güçlü rüzgar santrallan elektrik şebekesine bağlı ve birden fazla türbin içeren rüzgar çiftlikleri biçimindedir Rüzgar santralının ana yapı elemanı, aerojeneratör de denilen rüzgar türbinidir Bir rüzgar türbini, çevredeki engellerin rüzgarı kesemeyeceği yükseklikte bir kule, bunun üzerine yerleştirilmiş bir gövde (ya da tekne) ve rotordan oluşur Rotorlarının konumlarına (şaft eksenlerine) göre türbinler, yatay eksenli veya düşey eksenli olurlar Elektrik üretim amaçlı modern rüzgar türbinlerinin çoğunluğu yatay eksenlidir Yatay eksenli türbinler, rüzgarın kuleyi yalamadan rotora çarpması durumunda ileri ya da üst rüzgarlı (up-wind), önce kuleye dokunup sonra çarka gelmesi koşulunda geri ya da alt rüzgarlı (dovvnwind) türbin adını alırlar Açıklanan makinede rüzgar enerjisi, Betz teoremi uyarınca maksimum %593 teorik verimle mekanik enerjiye çevrilebilir
Yapılan sistem analizlerinde, rüzgar enerjisi gelişiminde 60-100 m çapındaki sistemler (1-3MW) optimum büyüklük olarak tesbit edilmiştir 1981′de ABD’de tesis edilen sistemler ortalama 50 kW’lık makinelerden sonra, makine başına ortalama olarak 1987′de 110 kW ve 1997 yılında ise 750 kW’a yükselmiştir Bu trend, büyük boyutlu türbinlere doğru kararlılıkla devam etmektedir Bugünlerde ticari ortama girmiş makinelerin 500-750 kW arasında olanları en düşük fiyattan elektrik enerjisi üretebilmektedir
Rotor bir göbek (hub) ile şafta bağlıdır Rüzgarın kinetik enerjisi rotor tarafından mekanik enerjiye çevrilir ve şaftın dönü hareketi gövde içerisindeki transmisyon sistemine, oradan jeneratöre aktarılır Transmisyon sistemi, jeneratör ve yardımcı üniteler gövde içerisinde yer alır Rüzgar türbinleri nisbeten düşük rüzgar hızlarında çalışırlar Dişli kutusu devir sayısını yükseltir Bu nedenle, senkron jeneratörde ihtiyaç duyulan devir sayısı dişli kutusu çıkış milinde temin edilir Dişli kutularının transmisyon oranı 1/20 ile 1/60 arasında olup, helisel dişli kutularının yanı sıra güneş-planet dişli sistemli transmisyon kutuları görülmektedir Dişli kutusu bulunmayan türbinler de yapılmış olup, bunlarda değişken hızlı direkt devitimli özel senkron jeneratörler vardır Türbinlerin tanıtılan üniteleri dışında; hidrolik devitimli mekanik ve aerodinamik frenleme düzenleri, yönlendirme için elektrik motorlu yay mekanizmaları, mikroişlemcili logic kontrol-kumanda ve bilgisayarlı monitör sistemleri bulunmaktadır Sistemlerin şebekeye bağlantısı soft starter ve konvertörle yapılmakta, şebeke bağlantı gerilimi 380-690 V, bağlantı frekansı 40-80 Hz olmaktadır
Elektrik üretiminde kullanılan yatay eksenli türbinler; yüksek hızlı, düşük ilk hareket momentli, az kanatlı propeller türbinler, difüzörlü türbinler ve tornado türbinler olarak üçe ayrılır Düşey eksenli türbinlerin ise Darrieus türbinleri, Darrieus-Savonius kombinasyonu türbinler ve Musgrove türbinler olmak üzere belli başlı üç tipi vardır Propeller rotorların verimleri %45 iken, Darrieus rotorlarda verim %32′ye düşmektedir Yaygın olan propeller türbinler, hız karakte-ristiğine göre değişken hızlı ve sabit hızlı olarak da ayrılırlar Değişken hızlı türbinler daha çok kullanılır “The World Directory of Renevvable Energy” içerisinde yer alan rüzgar türbini üreticisi 8 büyük firmadan alınan verilere göre, bugün için dünya piyasasında bulunan ve santral kurmak için kullanılabilecek rüzgar türbinlerinin güçleri 00 kW ile 650 kW arasında değişmektedir 250-750 kW arası türbinler yaygın biçimde bulunmaktadır
Tümü yatay eksenli propeller tip türbinler olup, rotor kanat sayıları bir ile üç arasında değişmektedir Yaklaşık %93′ü üç kanatlı, geriye kalan %7’si iki kanatlıdır Genellikle üst rüzgarlı (up-wind) tip türbinlerdir Rotor çaplan 8-65 m, rotor süpürme alanları 255-3320 m2, rotor dönü hızlan 28-60 rpm arasındadır Çalışmaya başlangıç rüzgar hızı 3-4 m/s kadar olup, nominal güçlerini -4 m/s rüzgar hızlarında üretmektedirler Çalışmanın durdurulması (frenleme) rüzgar hızı 20-28 m/s arasındadır Rotorlann zarar görebileceği rüzgar hızı 50 ve 70 m/s den büyüktür Rüzgar hızına göre rotor güç ayan için kanat açıları değişebilir aktif (stall) düzen kullanılmaktadır Kanatlar polyester ile kuvvetlendirilmiş fıberglass veya epoksi ile güçlendirilmiş fiber karbondan yapılmakta ve çelik omurga ile desteklenmektedir Rotor huba direkt bağlanmakta, şaftın 2-8o arasında bir eğimi olmaktadır Hub yüksekliği 30 ile 70 m kadardır Mekanik frenleri disk fren iken, aerodinamik frenleri aktif negatif kanat ayan olmaktadır Makinelerin teknolojisi itibari ile emre amadelikleri %98-99 civarındadır
Gürültü önlemek için türbin gövdeleri ses izolasyonludur Kafes veya boru biçiminde olmak üzere iki temel kule tipi vardır Boru biçiminde olan kuleler genelde daha hoş görünümlüdür Kuleler çelik kafes, çelik konik boru, çelik silindir, beton konik boru ya da silindir biçiminde yapılmaktadır Kafes kulelerin dışındaki konstrüksiyonlar iki ya da üç parçalıdır Kafes kule ucuzdur ancak görüntü kirliliği nedeni ile hemen hemen terk edilmiştir Rotor 3-26 ton, gövde 10-56 ton ve kule ağırlığı 12-88 ton arasında değişmektedir Türbinler için hesaplanan çalışma ömrü 20 yıl kadardır Bu ömrün 30 yıl olduğu savlanılmakla birlikte, konu test ve inceleme aşamasındadır Türbin gücü, rüzgar hızının, süpürme alanının ve güç faktörünün fonksiyonudur Rüzgar hızı yükseklikle arttığından, aynı çaplı bir rüzgar rotorunun daha yüksek kuleye yerleştirilmesi ile elde olunabilecek güç artmakta ise de, kule ağırlığının ve maliyetin artması bir sınır koymaktadır Türbinden bir yıl boyunca üretilebilecek enerji ise yıllık ortalama rüzgar hızına ve frekansına bağlıdır
Rüzgar enerjisi için bir diğer uygulama alanı küçük güçlerde olmak üzere otoprodüktör elektrik üretimi ve mekanik enerji ile su pompajıdır Küçük güçlü rüzgar jeneratörleri birkaç yüz W ile birkaç kW arasında güce sahiptirler Elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalıştırılan bu makinelerde akülü depolama sistemleri bulunur Bunlar küçük ve uzak yerler için güvenilir güç üretirler Bu sistemler diğer enerji çevrim sistemleri (fotovoltaik veya dizel jeneratörler) ile entegre biçimde kullanılabilmektedir Deniz fenerleri ve telekomünikasyon alanında tipik uygulama örnekleri vardır
1990 yılında dünya çapında bir milyonun üzerinde rüzgar su pompaj sisteminin işletilmekte olduğu tahmin edilmektedir Halen bir yılda tesis edilen rüzgar pompaj sistemleri tahminen 10 binin üzerindedir Rüzgar mekanik su pompajında, temelde klasik çok kanatlı çarklar kullanıl-maktadır Bu makineler düşük rüzgar hızında çalışabilen, yüksek ilk hareket momenti sağlayabilen ve su pompası ile bağlantılı olarak çalışan ünitelerdir Rüzgarla su pompajı konusunda geliştirilmiş bulunan mekanik sistemlerden elde edilen suyun maliyetleri, rüzgar hızına ve talep edilen pompaj yüksekliğine bağlı olarak değiştiğinden elde edilen suyun maliyeti m3 başına maliyet yerine mekanik eşdeğer enerji maliyeti olarak verilmektedir Bu değer 3 m/s rüzgar hızı için 3 $/kWh civarındadır, yapılabilecek iyileştirmeler ile bu rakamın 08 $/kWh’a düşürülebileceği tahmin edilmektedir
|