YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ DERS 2: RÜZGAR ENERJİLİ GÜÇ SİSTEMLERİ İstanbul Arel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Müh. Lisansüstü Programı YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ DERS 2: RÜZGAR ENERJİLİ GÜÇ SİSTEMLERİ Dersin Öğretim Üyesi: Yrd. Doç. Dr. Yavuz ATEŞ yates@yildiz.edu.tr

Sunum Planı: Rüzgar Enerjisi Rüzgar Türbinleri Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri Rüzgar Hızı ve Güç Tahmini Rüzgar Enerjili Güç Sistemlerinin Ekonomik ve Çevresel Değerlendirmesi

1. Rüzgar Enerjisi Rüzgâr enerjisi, yeryüzündeki birçok enerji kaynağında olduğu gibi, güneş enerjisi kaynaklıdır. Güneş tarafından yayılan güneş ışınımı uzay boyunca yol alarak dünyaya çarpmakta ve karalar ve okyanuslar arasında ısıl farklar yaratmaktadır. Bu ısıl farklılıklardan dolayı bölgeler arasında basınç farklılıkları meydana gelmektedir. Bu husus nedeni ile hava yüksek basınçlı bölgelerden düşük basınçlı bölgelere doğru hareket etmekte ve bu hava akımı rüzgâr adını almaktadır. Dünya üzerine gelen güneş enerjisinin yaklaşık %2’si rüzgar enerjisine dönüşmektedir. Bu enerjiden insanoğlu çok eski dönemlerden beri faydalanmaktadır. AB için 108600 çalışan Yatırım alanlarında tarım ve hayvancılık faaliyetleri yapılabilir.

1. Rüzgar Enerjisi Rüzgar enerjisinin kullanımı hakkında bilinen en eski uygulama, M. Ö. 500’de Mısır’da kullanılan yelkenli tarzı gemilerdir. Ancak aktif olarak ilk rüzgar değirmeninin M.Ö. 200’de Mezopotamya’nın antik kenti Babil’de kurulduğu tahmin edilmektedir. M. S. 10. yy’a kadar Doğu İran ve Afganistan’da yaklaşık 5 m kanat uzunluğuna sahip ve 10 m kule yüksekliğine sahip rüzgar değirmenleri ile tahıl öğütüldüğü bilinmektedir. Batıda rüzgar enerjisinin kullanımına dair ilk kaynaklar ise 12. yy’a aittir. Günümüzde rüzgar enerjisi hala birçok amaçla kullanılmakta, ancak günümüzdeki en önemli uygulamalar rüzgardan elektrik enerjisi üretimi üzerine yoğunlaşmaktadır. AB için 108600 çalışan Yatırım alanlarında tarım ve hayvancılık faaliyetleri yapılabilir.

1. Rüzgar Enerjisi Tarımsal su pompalaması Tahıl öğütme Elektrik üretimi için tek bir rüzgar türbini Rüzgar çiftliği

1. Rüzgar Enerjisi Neden Rüzgar Enerjisi? Ucuz bir enerji kaynağıdır. Temiz bir enerji kaynağıdır, emisyonu yoktur. Yerel bir enerji kaynağıdır, dışa bağımlı değildir. Yatırım alanının yalnızca % 1’ini kullanır. Atıl alanlar kullanılabilir. Yüksek istihdam yaratır. AB için 108600 çalışan Yatırım alanlarında tarım ve hayvancılık faaliyetleri yapılabilir.

1. Rüzgar Enerjisi Toplam Kurulu Güç (MW) Türkiye’deki Kurulu Güç (MW)

1. Rüzgar Enerjisi Toplam Kurulu Güç : 76.152 MW (2009 Sonu) Avrupa’daki Durum Toplam Kurulu Güç : 76.152 MW (2009 Sonu)

1. Rüzgar Enerjisi Türkiye’deki Durum Toplam Potansiyel: 88000 MW

1. Rüzgar Enerjisi Planlama Süreci

2. Rüzgar Türbinleri Havanın kütlesi olduğundan ötürü, rüzgâr formunda hareket eden havanın bir kinetik enerjisi vardır. Bu eşitlikten görüldüğü üzere rüzgar hızının iki katına çıkması, bu hava kütlesinden elde edilecek enerji miktarını dört katına çıkartmaktadır. Bir rüzgâr türbini bu mevcut kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektedir.

Standart hava yoğunluğu = 1,2256 kg/m3 2. Rüzgar Türbinleri Rüzgardaki gücü etkileyen faktörler: Rüzgar hızı (v) Süpürme alanı (A) Hava yoğunluğu (ρ) Standart hava yoğunluğu = 1,2256 kg/m3 Sıcaklık Rakım V2 = (H2/H1)α.V1 α: Sürtünme katsayısı Su yüzeyi: 0,10 Orman alanları: 0,25 Şehirler: 0,40

2. Rüzgar Türbinleri Mekanik Güç Betz Kanunu Betz Verimi:

2. Rüzgar Türbinleri Çıkış Gücü Toplam Verim: %35 - %45 Verimler: ~%45 ~%95 %90 - %98 ~%98 ~%94 Toplam Verim: %35 - %45

2. Rüzgar Türbinleri Türbin Tipleri Kanat sayılarına göre Tek kanatlı İki kanatlı Üç kanatlı Çok kanatlı Eksenlerine göre Düşey eksenli (Darrieus ve Savonius) Yatay eksenli

2. Rüzgar Türbinleri Türbin Tipleri (dvm.) Yatay eksenli rüzgar türbinlerinin şematik gösterimi. Düşey eksenli rüzgar türbinlerinin şematik gösterimi.

2. Rüzgar Türbinleri Türbin Elemanları

2. Rüzgar Türbinleri Türbin Elemanları (dvm.) Kule Rotor kanatları Boru tipi Kafes tipi Rotor kanatları Generatör DC generatör Senkron generatör Asenkron generatör

2. Rüzgar Türbinleri Türbin Elemanları (dvm.) Sapma mekanizması Anemometre Frenleme düzeni Dişli kutusu

Rotor hızı kontrol bölgeleri 2. Rüzgar Türbinleri 2.3. Türbin Hız ve Güç Kontrolü Pasif kontrol Aktif kontrol Aktif stall kontrol Rotor hızı kontrol bölgeleri

2. Rüzgar Türbinleri 2.4. Rüzgar Çiftlikleri Optimum Dizayn

2. Rüzgar Türbinleri 2.5. Deniz Üstü Rüzgar Çiftlikleri Deniz alanlarında rüzgar potansiyeli daha yüksektir ve daha az engel mevcuttur! Burada sorun üretilen gücü verimli bir şekilde kullanım alanına iletmektir.

3. Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri 3.1. Başlıca Faktörler 1. Türbin teknolojisi 2. Ortak bağlantı noktası

3. Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri 3.1. Başlıca Faktörler (dvm.) 3. Rüzgar çiftliği dizaynı 4. Rüzgar akışı karakteristikleri

3. Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri 3.2. Güç Kalitesi karakteristikleri 1. Yavaş gerilim değişimleri 2. Gerilim çökmesi Yük akış analizi sonucu Arıza üstü çalışma özelliği

3. Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri 3.2. Güç Kalitesi karakteristikleri (dvm.) 3. Hızlı gerilim değişimleri (Fliker) Kule salınımı Gerilim dalgalanmalarının flikermetre cevabı Güç spektrumu “Wake” etkisi

3. Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri 3.2. Güç Kalitesi karakteristikleri (dvm.) 5. Harmonikler 4. Reaktif güç Reaktif güç sınırlandırma eğrisi Bir rüzgar türbini çıkış akımının harmonik spektrumu

3. Rüzgar Türbinlerinin Güç Kalitesi Üzerine Etkileri 3.2. Güç Kalitesi karakteristikleri (dvm.) 6. Frekans Aktif gücün frekans kontrollü regülasyonu Tam güç sınırlaması Delta üretim sınırlaması Denge regülasyonu Güç eğim sınırlaması Sistem koruması

4. Rüzgar Hızı ve Gücü Tahmini 4.1. Giriş Güç eğrisi Yön tahmini Hız tahmini

6. Rüzgar Hızı ve Gücü Tahmini 4.2. Rüzgar Tahminlerinin Kullanım Alanları Türbinlerin işletim kontrolü Enerji ticareti Güç sisteminin planlaması Rüzgar çiftliklerinin, klasik güç santrallerinin ve iletim hatlarının bakım ve onarım planlaması

5. Rüzgar Enerjili Güç Sistemlerinin Ekonomik ve Çevresel Değerlendirmesi Enerji türüne göre elektrik enerjisi üretiminin maliyeti kıyaslaması Enerji kaynağı Asgari maliyet (cent/kWh) Azami maliyet Büyük hidroelektrik 3,0 13,0 Küçük hidroelektrik 4,0 14,0 Biyokütle 4,2 7,9 Doğalgaz 4,3 5,4 Kömür 4,5 7,0 Rüzgar 4,7 7,2 Jeotermal 7,8 Nükleer 5,3 9,3 Güneş (Termal) 6,0 Dalga 6,7 17,2 Güneş (Elektrik) 28,7 31,0

5. Rüzgar Enerjili Güç Sistemlerinin Ekonomik ve Çevresel Değerlendirmesi 25 rüzgar türbinli örnek bir rüzgar çiftliği 1.5 km2‘lik bir arazide kurulabilmektedir. Fakat türbin kuleleri gerçekte bu alanın sadece %1’ini kaplamaktadır! Bu sayede geri kalan arazi tarımsal vb. faaliyetler için kullanılabilir ve böylece arazi maliyetleri azaltılabilir.

5. Rüzgar Enerjili Güç Sistemlerinin Ekonomik ve Çevresel Değerlendirmesi Rüzgar enerjili güç sistemleri işletim sırasında (tank-to-wheel) herhangi bir emisyon oluşturmazlar. Ancak yatırım esnasındaki taşıma ve işletim süresindeki bakım işlemleri emisyona neden olacak enerji tüketimi gerektirmektedir (well-to-wheel).

5. Rüzgar Enerjili Güç Sistemlerinin Ekonomik ve Çevresel Değerlendirmesi Enerji kaynaklarının çevresel etkilerinin kıyaslanması Enerji kaynağı İklim değişikliğine ve emisyonlara katkı Su kirliliğine katkı Atık Görsel etki Ses Doğal hayata etki Fosil yakıtlar + - Güneş Rüzgar Jeotermal Hidrojen Dalga Biyokütle

5. Rüzgar Enerjili Güç Sistemlerinin Ekonomik ve Çevresel Değerlendirmesi Rüzgar enerjili sistemle ile alakalı başlıca çevresel kaygılar rüzgar çiftliği kurulumunun görsel ve işitsel olarak olumsuzlukları ve doğal hayat üzerindeki etkileri üzerine yoğunlaşmaktadır. Dönen rüzgar türbini kanatlarının güneş ışığını kesmesi “gölge kırpışması (fliker)” de denilen görsel konforsuzluğa neden olmaktadır. Ayrıca rüzgar türbinlerinin çıkışında üretilen gücün sürekli değişiminden kaynaklanan gerilim kırpışması da aydınlatma elemanlarından elde edilen ışığın kırpışmasına ve bu nedenle insan sağlığı üzerinde olumsuz etkilere yol açmaktadır. Hem kurulum esnasında hem de çalışma sırasında rüzgar türbinleri işitsel açıdan da problem oluşturmaktadır. Göçmen kuşların göç yollarının değişmesi ve kuş ölümlerine neden olması da rüzgar enerjili sistemlerin olumsuz etkileri olarak sayılabilir. Bunun yanı sıra 2-3 km’lik bir alandaki televizyon ve radyo frekanslarında da elektromanyetik girişim sebebi ile problemler görülebilmektedir. Fakat bu problemler uygun bir yerleşim, çevresel bilgilendirme ve daha yüksek teknolojiye sahip ürünlerin kullanılmasıyla çözüme kavuşturulabilmektedir. Rüzgar çiftlikleri bu tür etkileri ortadan kaldırmak amacı ile doğal hayatın hüküm sürdüğü bölgelerden ve evsel alanlardan uzak alanlarda kurulmaktadır.

Teşekkürler…