Evsel Elektrik ihtiyacının Karsılanması için Rüzgar Türbini Tasarımı; Bu çalışmada Rüzgar enerjisinin, Türkiye’deki potansiyel kullanım alanları incelenmis ve ne tipte ve büyüklükte türbin kullanılabilecegi belirlenmistir. Daha sonra böyle bir türbinin aerodinamik tasarımı saptanıp, beklenen performansı hesaplanmıs ve buna baglı olarak da üretilecek enerjinin maliyetinin ne düzeyde olabilecegi öngörülmeye çalısılmıstır.
Weibull dagılımı yardımıyla mevcut rüzgar verileri kullanılarak potansiyeli yüksek bölgeler tespit edildi.Türbin güçlerindeki degisime göre maliyet ve rotor süpürme alanlarında degisimin ne oldugu incelendi ve diger bazı faktörlerde göz önüne alınarak türbin gücü olarak 600 kW seçildi. Tasarlanacak türbinin aktif stall kontrollü ve iki hızlı olmasına karar verildi. Tasarımı yapılacak türbinin rotorundan elde edilmesi gereken gücü belirleyecek olan jeneratör ve aktarma sistemi verimleri belirlenip aerodinamik tasarıma geçildi.
Aerodinamik tasarımda önce rotorun genel yapısı üzerinde duruldu ve rüzgar yönünde, üç palalı bir türbinde karar kılındı. Türbinin tasarım uç hız oranı 6 olarak belirlendi. Profil olarak Delft University tarafından gelistirilen DU profilleri kullanıldı. Bu özelliklere sahip ideal pala tasarlandıktan sonra geometride düzeltme yapıldı. Tasarımı yapılan türbinin güç egrisi ve güç kontrolü için gerekli pala döndürme açıları belirlendi. Türbin geometrisi aynı kalmak kaydıyla nominal hıza ulastıgında uç hız oranı 6 degil 5 olacak sekilde çalısırsa elde edilecek yeni rotor çapı ve güç ergisi belirlendi. Yeni çalısma biçimiyle rotorun çapı 37,5 metreden 44,8 metreye, Bandırma’da pürüzlülük sınıfı 1 olan bölgedeki kapasite faktörü de %25’9 dan %31,8’e yükseldi. Türbinin devir sayısında yapılan bu degisiklik ile enerji üretiminde %23 gibi önemli bir artıs saglanabilecegi görüldü.
Türbinin performansı ve çesitli bölgelerde üretmesi beklenen yıllık enerji miktarları hesaplandıktan sonra, bu yörelerde üretilecek enerjinin birim maliyetinin ne düzeyde olabilecegini bulmak için, EWEA tarafından verilen degerler 5 adet 600 kW’lık türbinden olusacak 3MW’lık bir rüzgar çiftligi üzerinde kullanıldı. Elde edilen sonuçlara göre potansiyel olarak ele alınan yörelerde elektrik enerjisi üretiminin birim maliyetinin 2,8-5,1 cent/kWh arasında degisecegi görüldü.
EVSEL ELEKTRİK İHTİYACININ
KARSILANMASI İÇİN RÜZGAR TÜRBİNİ TASARIMI
GÖKHAN EMNİYETLİ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
1. GiRiS 1
1.1. Rüzgar Enerjisinin Diger Enerji Üretim Metotları ile Kıyaslaması 1
1.2. Türkiye Elektrik Enerjisi Üretim ve Tüketimine Genel Bakıs 3
1.3. Dünyada ve Türkiye’de Rüzgar Enerjisi Potansiyeli ve Kullanımı 4
2. KULLANILAN RÜZGAR VERiLERi VE ELDE ETME
YÖNTEMLERi 9
2.1. Rüzgar Verilerinin istatistiksel Analizi 9
2.2. Pürüzlülük Sınıfları ve Rüzgar Hızı Pofilleri 11
2.2.1. Pürüzlülük katsayısı için pürüzlülük uzunlugu cinsinden bagıntı 13
2.2.2. Pürüzlülük katsayısı için pürüzlülük uzunlugu ve hız cinsinden bagıntı 13
2.2.3. Pürüzlülük katsayısı için hız ve yükseklik cinsinden bagıntı 14
3. TÜRKiYE’NiN RÜZGAR ENERJiSi POTANSiYELi YÜKSEK
OLAN BÖLGELER 15
4. RÜZGAR TÜRBiNLERiNiN SINIFLANDIRILMASI 22
4.1. Düsey Eksenli Ve Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri 22
4.1.1. Düsey eksenli rüzgar türbinleri 22
4.1.2. Yatay eksenli rüzgar türbinleri 24
4.1.2.1. Yavas hızlarda çalısan rüzgar türbinleri 24
4.1.2.2. Yüksek hızlarda çalısan rüzgar türbinleri 25
4.1.2.3. Önden rüzgarlı türbinler 26
4.1.2.4. Arkadan rüzgarlı türbinler 27
4.2. Güç Kontrolü Sistemi 27
4.2.1. Stall kontrollü türbinler 28
4.2.2. Pitch kontrollü türbinler 29
4.2.3. Aktif stall kontrollü türbinler 31
4.3. Rotor Hızı 32
4.3.1. Sabit hızlı türbinler 32
4.3.2. Degisken hızlı türbinler 33
4.4. Kullanım Yeri 34
4.4.1. Sebeke baglantılı rüzgar türbinleri 34
4.4.2. Sebeke baglantısız rüzgar türbinleri 36
5. TÜRBiN BOYUTU 38
6. RÜZGAR TÜRBiNi TEKNOLOJiSi 40
6.1. Rüzgar Türbini Elemanları 40
6.1.1. Disli kutusu 41
6.1.2. Rotor 41
6.1.3. Anemometre 42
6.1.4. Otomatik yöneltme düzeni 43
6.1.5. Frenleme düzeni 44
6.1.6. Yaw mekanizması 44
6.1.7. Elektronik kontrolcü 46
6.1.8. Jeneratör 46
6.1.9. Sogutma sistemi 46
6.1.10. Platform ve kule 47
viii
SAYFA NO
6.2. Rüzgar Türbinlerinin Çevre Etkileri 47
6.3. Rüzgar Santrallerinde Park Etkisi, Kuyrukyeli Etkisi 49
6.4. Rüzgar Türbinlerinin Bakımı 50
6.5. Rüzgar Türbini Güvenligi 50
7. JENERATÖR VE AKTARMA SiSTEMLERi 52
7.1. Jeneratör 52
7.1.1. Senkron jeneratörler (Alternatörler) 54
7.1.2. Asenkron jeneratörler (indüksiyon jeneratörleri) 54
7.2. Aktarma Sistemi 56
8. TÜRBiNiN AERODiNAMiK TASARIMI 58
8.1. Tasarım Ön Kabullerinin Belirlenmesi 59
8.1.1. Pala sayısı 59
8.1.2. Uç hız oranı 60
8.1.3. Dizayn hızı 61
8.1.4. Profiller 62
8.2. Boyotsuzlastırma 65
8.3. Tasarım Hedefleri ve Kabuller 66
8.4. Tasarımda izlenen Adımlar 67
8.4.1. ideal türbinin tasarımı 67
8.4.2. Geometrinin düzeltilmesi 68
8.4.3. T&
uuml;rbin performansının belirlenmesi 70
8.4.4. Aerodinamik katsayıların hesabı 72
9. ELDE EDiLEN PALA GEOMETRiLERi VE TÜRBiN
PERFORMANSI 73
9.1. Optimum Palaya En Yakın Dagılıma Sahip Pala 73
9.2. Burulma Açısı Azaltılmıs Pala 75
9.3. Devir Sayısı Düsürülmüs Türbin 82
ix
SAYFA NO
10. MALiYET 86
10.1. Kurulus Maliyeti 86
10.1.1. Türbin maliyeti 86
10.1.2. Tesis maliyeti 87
10.2. isletme Maliyeti 87
10.3. Yaklasık Maliyet Hesabı 88
10.4. Geri Ödeme Süresi 91
11. SONUÇLAR VE TARTISMA 95
KAYNAKLAR 98
ÖZGEÇMiS 101
EKLER 102
İlgili tezin tamamını aşağıdaki uyarıları kabul etmek koşuluyla inceleyebilirsiniz.
5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunu’na göre bir eserin telif hakkı eser sahibine aittir.
Eser sahibi, bu tezin arşivlenmesi, tamamen veya kısmen çoğaltılması, ödünç verilmesi, dağıtımı ve yayınlanması için Yükseköğretim Kurulu Tez Merkezine, münhasır olmayan izin vermiştir.
Yazarın bu tezle ilgili her türlü fikri mülkiyet hakkı saklıdır.
Tezin sayısal kopyası ‘pdf’ dosyası olarak bilgisayarınıza indirilerek kaydedilebilir, ancak kopyalanıp basılamaz.
Yüksek Lisans Tezi
Evsel Elektrik htiyacının Karsılanması
çin Rüzgar Türbini Tasarımı
Trakya Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Çorlu Mühendislik Fakültesi
Makina Müh
endisligi Ana Bilim Dalı
Rüzgar enerjisinin, Türkiye’deki potansiyel kullanım alanları incelenmis ve ne
tipte ve büyüklükte türbin kullanılabilecegi belirlenmistir. Daha sonra böyle bir türbinin
aerodinamik tasarımı saptanıp, beklenen performansı hesaplanmıs ve buna baglı olarak
da üretilecek enerjinin maliyetinin ne düzeyde olabilecegi öngörülmeye çalısılmıstır.
Weibull dagılımı yardımıyla mevcut rüzgar verileri kullanılarak potansiyeli
yüksek bölgeler tespit edildi.
Türbin güçlerindeki degisime göre maliyet ve rotor süpürme alanlarında
degisimin ne oldugu incelendi ve diger bazı faktörlerde göz önüne alınarak türbin gücü
olarak 600 kW seçildi. Tasarlanacak türbinin aktif stall kontrollü ve iki hızlı olmasına
karar verildi. Tasarımı yapılacak türbinin rotorundan elde edilmesi gereken gücü
belirleyecek olan jeneratör ve aktarma sistemi verimleri belirlenip aerodinamik tasarıma
geçildi.
Aerodinamik tasarımda önce rotorun genel yapısı üzerinde duruldu ve rüzgar
yönünde, üç palalı bir türbinde karar kılındı. Türbinin tasarım uç hız oranı 6 olarak
belirlendi. Profil olarak Delft University tarafından gelistirilen DU profilleri kullanıldı.
Bu özelliklere sahip ideal pala tasarlandıktan sonra geometride düzeltme yapıldı.
Tasarımı yapılan türbinin güç egrisi ve güç kontrolü için gerekli pala döndürme açıları
belirlendi. Türbin geometrisi aynı kalmak kaydıyla nominal hıza ulastıgında uç hız
oranı 6 degil 5 olacak sekilde çalısırsa elde edilecek yeni rotor çapı ve güç egrisi
belirlendi. Yeni çalısma biçimiyle rotorun çapı 37,5 metreden 44,8 metreye,
Bandırma’da pürüzlülük sınıfı 1 olan bölgedeki kapasite faktörü de %25’9 dan %31,8’e
yükseldi. Türbinin devir sayısında yapılan bu degisiklik ile enerji üretiminde %23 gibi
önemli bir artıs saglanabilecegi görüldü.
Türbinin performansı ve çesitli bölgelerde üretmesi beklenen yıllık enerji
miktarları hesaplandıktan sonra, bu yörelerde üretilecek enerjinin birim maliyetinin ne
düzeyde olabilecegini bulmak için, EWEA tarafından verilen degerler 5 adet 600
kW’lık türbinden olusacak 3MW’lık bir rüzgar çiftligi üzerinde kullanıldı. Elde edilen
sonuçlara göre potansiyel olarak ele alınan yörelerde elektrik enerjisi üretiminin birim
maliyetinin 2,8-5,1 cent/kWh arasında degisecegi görüldü.
2007, 134 Sayfa.
Anahtar Kelimeler : Enerji, rüzgar türbini, profil, uç hız oranı, güç katsayısı.
1.GRS
Rüzgar enerjisi dünyanın en büyük sorunlarından biri olan çevre kirliligine yanıt
olabilecek alternatif enerji üretimi metotları arasında potansiyeli en yüksek olanlardan
birisidir. Bu sebeple de kullanımı dünya çapında hızla yaygınlasmaktadır. Rüzgar
enerjisi ayrıca endüstrinin yarattıgı is imkanları ile ekonomik fayda da saglar.
1.1. Rüzgar Enerjisinin Diger Enerji Üretim Metotları ile Kıyaslaması
Enerji üretimi için seçilecek metoda karar verilmesinde etkili olan dört önemli
faktörden söz edilebilir [Dündar, 2003].
1) Kaynagın Elde Edilebilirligi
2) Çevreye Etkisi
3) Yatırım ve Üretim Maliyetleri
4) Kaynagın Ömrü
Rüzgar enerjisini çevresel etkiler konusunda diger enerji üretimi metotları ile
Çizelge 1.1.’deki gibi kıyaslayacak olursak, rüzgar enerjisinin tek çevresel etkisi gürültü
olmakla birlikte, rüzgar enerjisinden faydalanmak açısından tercih edilen arazilerin
genel olarak yerlesim yerlerinden ve ormanlar gibi dogal yasamın oldugu yerlerden
uzakta olması bu sorunu hafifletmektedir.
Diger üç kriter (1,3,4) açısından kıyaslama ise Çizelge 1.2.’de sunulmaktadır.
Rüzgar enerjisi, maliyet açısından hidrolik ve dogalgaza karsı dezavantajlı durumda
olsa da, pek çok ülkede devlet tesviki uygulaması ile desteklenmektedir. Ayrıca uzun
vadeli düsünüldügünde rüzgar enerjisi alanında yapılacak yatırımlar ve arastırmalar,
enerji kaynagı üzerinde bir ömür sınırı olmadıgından her zaman için geçerliliklerini
koruyacaklardır.