Rüzgar Türbin Yapısı

Rüzgar türbinleri, bir rotor, bir güç şaftı ve rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çevirecek bir alternatörden oluşur. Rüzgar rotordan geçerken, aerodinamik bir taşıma kuvveti oluşur ve rotoru döndürür. Bu dönel hareket jeneratörü hareket ettirir ve elektrik üretir. Türbinlerde ayrıca, dönme oranını ayarlayacak ve kanatların hareketini durduracak bir rotor kontrolü bulunur. Rüzgar şiddeti yükseklikle arttığı için rüzgar türbinleri kule tepelerine yerleştirilir. Bir rüzgar türbininin görünüşü ve nacelle’in iç yapısı buradan görebilirsiniz..

Rüzgar Türbinleri 5 ana bölümden oluşur.

 -Rotor Kanatları

 -İletim Sistemi

 -Fren Sistemi

 -Kule

 -Generatör

Rotor Kanatları

  Aerodinamik Kuvvetler

Rüzgar türbinlerin çalışma prensiplerini anlamak için iki önemli aerodinamik kuvvetin iyi bilinmesi gerekir.Bunlar sürüklenme ve kaldırma kuvvetleridir. Sürüklenme kuvveti cismin akış yönünde meydana gelen bir kuvvettir. Örneğin ,düz bir plaka üzerinde meydana gelecek maksimum sürüklenme kuvveti hava akışının cismin üzerine 90^o dik geldiği durumda iken; minimum sürüklenme  kuvveti de  hava akışı cismin yüzeyine paralelken meydana gelir. Kaldırma kuvveti ise, akış yönüne dik olarak meydana gelen kuvvettir. Uçakların yerden havalanmasında  bu kuvvet sebep olduğu için kaldırma kuvveti olarak adlandırılmıştır.

Düz bir plaka üzerine etkiyen kaldırma kuvveti, hava akışı plaka yüzeyine 0^o açı ile geldiğinde görülür. Havanın akış yönüne göre meydana gelen küçük açılarda akış şiddetinin artmasından dolayı düşük basınçlı  bölgeler  meydana gelir. Bu bölgelere akış altı  da denir. Dolayısı ile, hava akış hızı ile basınç arasında bir ilişki meydana gelmiş olur. Yani hava akışı hızlandıkça basınç düşer, hava akışı yavaşladıkça basınç artar. Bu olaya Bernoulli etkisi denir. Kaldırma kuvveti de cisim üzerinde emme veya çekme meydana getirir.

Kanat Profili

Cismin referans hattı ile hava akışı arasında yaptığı açı hücum açısı olarak adlandırılır ve α ile gösterilir. Kanat profilinin referans hattına veter hattı da denir. Hafif bombeli yüzeyler, verilen bir hücum açısı için daha yüksek bir kaldırma kuvveti meydana getirirler. Dolayısı ile aerofoil (kanat profili) denen bu tip şekiller bu durum için uygundur. Kanat profili üst düzeyde daha hızlı bir akış oluşturur. Yüksek hava akışı hızı, kanat profilinin üst kısmında basıncı düşürerek alçak basınç bölgesi meydana getirecektir. Bu nedenle emme etkisi oluşarak kanat havalanacaktır. İki temel kanat profili vardır:simetrik ve asimetrik.

Asimetrik kanat profillerinde, profilin alt yüzeyi hava akış yönüne en yakın noktadan maksimum kaldırmayı yaparken ; simetrik kanat profillerinde her iki yüzeyde de yaklaşık eşit bir kaldırma görülür. Aşağıdaki şekilde kanat profili üzerindeki kuvvetler gösterilmiştir.

(L; lift, D; drag, M; moment, c;Kanat uzunluğu R; Bileşke kuvvet)

 Şekil  Kanat Profili üzerine etkiyen kuvvetler [7]

 “Kanat profillerinde sürükleme ve kaldırma kuvvetlerinin özellikleri, rüzgar tünellerinde yapılan testlerle belirlenmektedir. Bu testlerde farklı hücum açılarında sürüklenme katsayısı (C_D) ve kaldırma katsayısı (C_L) hesaplanır. Bu katsayılar birimsiz büyüklüklerdir. Bu katsayılar yardımıyla türbin için uygu kanat yapısı belirlenir.

C_D sürüklenme katsayısı;

C_D=D/0.5ρV²A                                                                                                            

D : sürüklenme kuvveti (N)

ρ  :hava yoğunluğu  (kg/m³)

V : hava hızı (m/s)

A : kanat alanı (m²)

şeklinde ifade edilir.  

C_L kaldırma katsayısı ise ; 

 C_L=L/0.5ρV²A                            

olarak gösterilir. Denklemdeki L indisi  kaldırma kuvvetini ifade eder

Her iki katsayı da rüzgar tünellerinde farklı hücum açıları ve rüzgar hızlarında hesaplanmaktadır. Her bir hücum açısı için hesaplanan  C_D ve C_L katsayılarının oranları (C_D/ C_L) alınır. Bu oranların en büyük  olduğu değerdeki hücum açısı değeri, rüzgar türbinlerinden en iyi verim alınabilecek değerdir.

 Aşağıdaki şekilde kaldırma ve sürükleme kuvvetlerinin kanatlara etkisi görülebilir. Rüzgar akışı,  pervane kanadına çarptığında, kanat profilinin üst kısmından daha hızlı, alt kısmından daha yavaş geçecektir.

Sekil -Sürükleme ve Kaldırma kuvvetlerinin kanat üzerindeki etkisi

Kanat Sayısına Göre Rüzgar Türbinleri

Rüzgar türbinlerinde kanat sayısı arttıkça, dönüş hızı azalır. Bu nedenle enerji üretiminde üçten fazla kanatlı sistemler kullanılmamaktadır. Kanat sayısının fazla olduğu sistemler çoğunlukla su pompalama amaçlı kullanılmaktadır.

Tek Kanatlı Rüzgar Türbini

Tek kanatlı rüzgar türbinlerinin kullanımının temel amacı, pervanelere etkiyen yüksek rotasyonel hızının düşürülmesidir. Diğer yandan, tek kanatlı rüzgar türbini aerodinamik olarak  dengesizdir. Bu durumda ek hareketler ile istenmeyen bazı yüklere sebep olur. Bu mekanizmayı kontrol etmek için göbek kısmına ek yapılar yapmayı gerektirir. Ayrıca yüksek hızı ve gürültü seviyesi de diğer dezavantajlarıdır

İki Kanatlı Rüzgar Türbini

İki - kanatlı türbin maliyet ve ağırlık bakımından avantajlıdır. Fakat, aynı enerji çıktısını sağlamak için yüksek dönme hızına sahip olmalıdır. Bu da daha gürültülü çalışmasına neden olur.  

Çift kanatlı türbinlerde, kanatların kuleyi geçerken kuvvet farkı nedeniyle oluşan momenti dengelemek için rotor düzlemine açı verilebilir. Bu durum tasarımı daha da karmaşık hale getirmektedir. Ayrıca rotor düzleminin açısı değişiyorsa kanatların kuleye çarpmasını  engelleyecek önlem alınması gerekir. Bu nedenle iki – kanatlı yerine üç kanatlı türbinler tercih edilmektedir.  

Üç Kanatlı Rüzgar Türbini

Bu tip rüzgar türbinlerinin 2-kanatlı yapıya göre daha düzgün bir çıkış gücüne sahiptir. Bunun nedeni ise, pervanenin tüm hızlarda sabit atalet momenti sağlamış olmasıdır. Bu avantajından dolayı, rüzgar türbinleri üzerine ek bir yük meydana gelmemektedir.

 Kanat Yapımında Kullanılan Malzemeler

Rotor kanatlarını yapımında cam lifli güçlendirilmiş plastik (GRP),  karbon lifli güçlendirilmiş plastik (CFRP),  ahşap alüminyum veya çelikten yapılabilmektedir.Küçük rüzgar türbinler için, çapı 5 metreden az, kullanılacak malzeme seçiminde, ağırlık, sertlik veya kant karakteristiklerinin yerine daha çok üretim verimliliği ön plana çıkmaktadır. Fakat büyük ölçekli türbinler söz konusu olunca kanat profiline uygun  malzeme seçimi oldukça önemlidir. Büyük rüzgar türbinlerinin çoğunda GRP kullanılmaktadır. Bu malzeme hafifliği, yüksek dayanıklılık sağlamasının yanında , diğer malzemelere göre ucuzdur. CFRP yapımı kanatlar prototiplerde başarı sağlamış ve sınırlı bir üretimi vardır. Bu malzeme GRP  den daha yüksek dayanıma ve hafifliğe sağlaması bir avantaj olmasına rağmen , çok pahalı  olması ekonomik açıdan kullanımını sınırlamıştır.

Ahşap çok uzun zamandan buyana kullanılan bir malzemedir.Ucu ve hafif olmasına karşın, neme karşı hassas olması ve işlem maliyetleri  dezavantajıdır. “Soğuk kalıp” olarak adlandırılan bir teknikle bu problemin üstesinden gelinmiştir. Ahşap kaplama tahtaları bir vakum torbasında epoksi reçine ile haddelenerek, kanat kalıbı şeklinde preslenir.Bu biçimde elde edilen kanatlar, özellikle, büyük rüzgar türbinlerinde   dayanıklılık ve hafiflik bakımından diğerlerine göre oldukça büyük bir üstünlük sağlamaktadır. Bunlar üzerine çalışmalar devam etmektedir.

Çelik ve alüminyum bileşimleri ağırlık ve metal yorgunluğu gibi problemler nedeniyle sadece küçük güçlü türbinlerde kullanılmaktadır.

İletim Sistemi

Rotor kanatları tarafından üretilen mekaniksel güç nasel (nacelle) içerisinde  bulunan bir iletim sistemi vasıtasıyla  generatöre aktarılır. Bu sistem vites kutusu, debriyaj, şaft  bölümlerini içerir. Vites kutu rotor hızını 20 rpm ‘den 50 rpm’e ve birçok generatör tipinde kalkış için gerekli olan 1000-1500 rpm’e çıkartmada kullanılmaktadır. İletim sistemi rotor çıkış gücündeki dalgalanmalar  nedeniyle oluşan yüksek seviyedeki dinamik yükler için tasarlanmalıdır.

Şekil 3.9   Rüzgar türbin dişli kutusu 

 Fren Sistemi

Denklem (2.19)’dan da görüleceği gibi

W= C_p*1/2 ρ A ₁V₀³                                                                              (2.19)

 rüzgardan elde edilecek güç rüzgar hızını küpü ile orantı olup, özellikle yüksek hızlarda çok büyük güç elde edilir. Buradan da anlaşılacağı üzere rüzgar türbinlerinin güvenli bir şekilde çalışması için etkili bir fren sistemi gereklidir. Rüzgar türbinlerinde bağımsız iki sistem vardır; pitch-stall kontrol ve mekanik fren sistemidir. Her biri de hız limitinin aşıldığı durumlarda, şebeke bağlantısının kopması ve diğer acil durumlarda türbinleri güvenli konuma getirme özelliğine sahiptir.Pitch ve stall kontrolüne ilerleyen konularda ayrıntılı bir şekilde işlenecektir. Mekanik frenler ise rotoru tamamen durdurmak için ana iletim şaftına yerleştirilmiştir.                                          

Kule

Kule, rüzgar türbinlerinde nacelle ve rotoru taşır. Kuleler genellikle tüp şeklinde çelik,  kafes yapılı  veya betonarme olarak inşa edilir. Halat destekli direk tipi kuleler genellikle küçük türbin uygulamalarında kullanılır.

Tüp şeklindeki kule şekli en çok tercih edilen kule şeklidir.  Genellikle 20 – 30 metre yükseklikte üretilir. Kafes yapılı kuleler çelik profillerin kaynaklanarak birleştirilmesi ile oluşturulur.  En temel avantajları maliyetlerinin düşük olmasıdır. Benzer boyutlarda bir tüp kulenin hemen hemen yarısı kadar malzeme ve yapım maliyeti vardır. Birçok küçük türbin halat destekli direk tipi kule kullanılarak inşa edilir. En büyük avantajı ağırlığının çok az ve maliyetlerinin çok düşük olmasıdır.  Dezavantajları ise araziye kurulum zorluğu ve tarım alanlarının kullanımını engellemesidir.Aşağıdaki şekillerde kule tiplerinin örneklerini görebilirsiniz.

      Boru Tipli Kule                          Kafes Yapılı Kule                         Halat Destekli Kule

Generatörler

Rüzgar türbini generatörleri mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirirler. Rüzgar türbini generatörleri diğer tip generatörlere göre biraz daha farklıdır. Bunun sebeplerinden biri, generatörün salınımlı güç üreten rüzgar türbini rotoruyla birlikte çalışmasıdır.1 00 kW veya 150 kW üstündeki büyük rüzgar türbinlerinde üretilen gerilim üç fazlı alternatif olup, genellikle 690 V değerindedir. Daha sonra Rüzgar türbinin yanına veya kulenin içine monte edilmiş transformatöre yollanır. Şebekeye bağlı olan bu transformatör yardımıyla gerilim 10kW veya 30kW arasında bir değere yükseltilir. Bu üreticiler 50 Hz ve 60 Hz  olarak üretilebilmektedir. Rüzgar türbinlerinde üç tip generatör kullanılmaktadır:

• Doğru Akım Generatörleri

• Senkron Generatörler

•   Asenkron Generatörler

 Küçük güçlü sistemlerde eskiden daha fazla kullanılan doğru akım generatörleri yerine  senkron ve asenkron generatörler kullanılmaktadır. 

Senkron Generatörler

Dünya da üretilen elektrik enerjisinin büyük çoğunluğu senkron generatörler yardımıyla üretilirler. Bu tip makineler sabit frekansa bağlı olarak sabit hızda çalışırlar. Bu sebepten dolayı rüzgar türbinlerinde değişken hızlı sistemler için uygun değildir. Buna  yanında, senkron makineler rotor alanını uyarabilmek için doğru akıma gereksinim duyarlar. Bu da karbon fırçalarına ihtiyacı olması anlamına gelmektedir.

Doğru akım ve fırça gereksinimi relüktans motorunun kullanımı ile  ortadan kaldırılabilir. Böylelikle bir yandan güvenilirlik arttırılırken,  maliyette azaltılmış olur.

Senkron generatörün doğru akım generatörüne göre avantajı veriminin yüksek olması ve bir doğru akım generatörüne oranla daha düşük dönme hızı da elektrik verebilme özelliğine  sahip olmasıdır. Bunun yanında senkron generatörler daha yüksek hızlarda elektrik üretirler. Alternatif akım generatörlerinde maksimum dönme hızı ile elektrik üretimi için gerekli minimum hız arasındaki oran yüksektir. Böylece bir senkron generatörü süren bir rüzgar türbini  daha geniş rüzgar hızı aralığında çalışabilirler.

Asenkron generatörlere oranla senkron generatörlerin kendi mıknatıslanma avantajı olmasına rağmen kontrol sistem bağlantıları daha karmaşıktır. Bir kontrol sisteminde takometre, voltmetre, fazmetre, şebeke ile bağlantıyı sağlayan otomatik cihaz ve rüzgar kesildiğinde veya şebeke gerilimi sıfıra düştüğünde bağlantının kesilmesini sağlayan ters güç rölesi bulunur. Senkron generatörün şebekeye bağlantısı hassas bir düzenleme gerektirir. Bu işlemin sık sık yapılması gerektiği için sorunlar ortaya çıkar.Generatör şebekeye tam senkron hızda ,senkron generatörün ve şebekenin eşit gerilim değerinde, faz açısında, güç faktöründe ve aynı fazda olduğu anda bağlanır. Bu tür sorunları gidermek için büyük damperler kullanılır. Damperler senkron generatöre  asenkron motorlardaki  gibi yol verilmesini sağlayan sincap kafes şeklinde bobinlerdir ve şebekeye bağlantı yapıldığında oluşabilecek salınımların azaltılmasını sağlarlar. Diğer bir çözüm ise rüzgar türbini ve senkron generatör  arasına generatörü şebekeye  sürekli bağlanmasını sağlayan serbest bir kuplaj yapılmasıdır. Fakat bu çözüm ekonomik değildir. Bu nedenle en iyi tercih asenkron generatörler dir.

 Asenkron Generatörler

Rüzgar türbinlerinin çoğunluğunda alternatif akım üretebilmek için üç fazlı  asenkron generatörler kullanılır. Asenkron generatörlerin yapısı senkron generatörlerinden farklıdır. Rüzgar türbinlerinde kullanılan asenkron generatörler sincap kafesli asenkron generatörler dir. Rotor her iki taraftan kısa devre bilezikleri ile kısa devre edilen  alüminyum veya bakır barlardan oluşur. Rotor devresi yapımsal olarak kapalıdır ve dışarıdan herhangi bir elektriksel  müdahale yapılamaz. Asenkron generatör şebekeye senkron hızdan çok az farklı bir hız ile uyum gerektirmeksizin bağlanabilir.

Bağlantı sonucunda oluşan aşırı yüklenme çok kısa sürelidir. Bağlantı kontrol sistemi, şebekeye bağlantıyı kontrol eden  takometre kontağından  ve rüzgar hızı düştüğü zaman bağlantının kesilmesini sağlayan bir ters akım rölesinden oluşur.

Rüzgar hızının cut-in (türbinin çalışmaya başlama hızı) hızından daha yüksek olduğu durumlarda,  asenkron generatör  kendi nominal dönme hızına ulaştığında elektrik generatörü olarak davranır. Tam tersi durumda ise, bir otomatik ayırma cihazı generatörü şebekeden ayırır.

Asenkron generatörün bazı avantajları şunlardır:

• tesisi ucuzdur

• dönen kontaklar olmamasından dolayı başlatma kolaydır

• şebekeye bağlanması kolaydır

• şebekeye bağlandığı zaman salınımlar oluşturmaz.