Rüzgar Türbin Generatörleri

09 Mart 2010

Generatör rüzgar enerjisi dönüşüm sisteminin en önemli bileşenlerinden birisidir. Geleneksel enerji seçeneklerinde kullanılan generatörlerden farklı olarak bir rüzgar türbininin generatörü rüzgar hızındaki değişimlere bağlı olarak dalgalanan güç seviyeleri altında çalışmak zorundadır. Bu makinelerde farklı tipte generatörler kullanılmaktadır. Küçük rüzgar türbinlerinde birkaç watt’tan kilowatt seviyelerine kadar değişen kapasitelerde DC generatörler kullanılmaktadır. Daha büyük sistemlerde tek yada üç fazlı AC generatörler kullanılır. Yüksek ölçekli rüzgar üretim tesisleri genelde şebekeye entegre oldukları için bu tip sistemlerde üç fazlı AC generatör kullanılması uygundur. Bu generatörler endüksiyon (asenkron) ya senkron generatörler olabilirler.

Endüksiyon Generatör

Rüzgar türbinlerinin bir çoğu endüksiyon generatörleriyle donatılmıştır. Yapı olarak basit ve dayanıklıdırlar ve değişken çalışma koşulları altında yüksek verim sunarlar. Endüksiyon makineleri bağıl daha az maliyetlidir ve gereksinim duydukları bakım ve alaka en düşük seviyededir. Aşırı hız kapasitesi gibi özellikleri bu generatörleri rüzgar türbini uygulamaları için uygun kılmaktadır. Bu generatörlerin rotor hızları senkronize olmazsa asenkron generatör olarak da adlandırılırlar. İlk önce motor olarak düşünelim daha sonra generatör seçeneğini inceleyelim.

 Şekil 1 Bir endüksiyon motorunun kesitsel görünümü

Bir endüksiyon motorunun kesitsel görünümü Şekil 1'de gösterilmektedir. Stator slotların içerisine yerleştirilmiş sarılı bobinlerden oluşur. Stator sargıları güç kaynağına bağlıdır. Hız ihtiyacına bağlı olarak belirli kutup sayılarında sarılırlar.

Motor hızı kutup sayısındaki artışla düşer. Makinenin rotoru üzerinde rotor iletkenlerinin yerleştirildiği slotlar bulunan silindirik bir ince tabakalı lamine çekirdeğe sahiptir. Alüminyum ya da bakır çubuk şeklindeki iletkenler slotlara tek tek yerleştirilirler. Çubuklar kalın alüminyum uç bileziklere elektriksel olarak bağlanmışlardır, böylece daimi olarak kısa devre halindedirler. Bu yapı bir sincap kafesi andırdığı için, genellikle sincap kafes rotorlar olarak adlandırılırlar. Sargı rotorlu endüksiyon makineleri de mevcuttur.

Stator sargıları üç fazlı kaynakla beslendiklerinde sabit hızla (senkron hız) bir manyetik akı ortaya çıkar. Akı hava boşluğundan geçerek artık sabit durumdaki rotora ulaşır ve iletkenlerini keser. Döner akıyla sabit iletkenler arasındaki bağıl hız nedeniyle rotorda kuvvetli bir elektro manyetik güç indüklenir. İndüklenen bu elektro manyetik kuvvetin büyüklüğü akıyla rotor arasındaki bağıl hızla doğru orantılıdır. Bu yüzden uç bileziklerle kısa devre edildiklerinden dolayı rotor çubuklarında oldukça kuvvetli bir akım indüklenir. Bu akım Lenz kanununa göre onu doğuran sebebe yani akıyla rotor arasındaki bağıl hıza karşı duracaktır. Bundan dolayı bağıl hızı azaltmak için, rotor akıyla aynı yönde dönmeye başlar.

Rotor bağıl hızı azaltmak için döner akıya karşı dursa da sürtünme kayıpları nedeniyle aynı hıza erişmekte asla başarılı olamayacaktır (başarılı olsaydı her ikisi arasında asla bir bağıl hız olmayacaktı be böylece her hangi bir elektromanyetik kuvvet ya da akım endüklenmeyecekti). Bu yüzden rotor her zaman senkron hızdan biraz daha düşük bir hızda döner. Senkron hızla (Ns) rotor hızı (NR) arasındaki farka motorun kayması denir. Kayma (S) şu şekilde hesaplanır:

 Denklem1

Yukarıdaki denklemde f frekans, P de kutup sayısını temsil eder. 50 Hz akımlı bir şebekeye bağlı 4 kutuplu bir endüksiyon makinesinin senkron hızı 1500 tur/dak.’dır. % 1 kaymayla rotorun hızı 1485 tur/dak.’dır. Yukarıdaki açıklamadan da anlaşılacağı üzere motor hızı kutup sayısının değiştirilmesiyle idare edilebilir. Yukarıdaki örnekte 6 kutuplu bir motor kullansaydık, senkron hız 1000 tur/dak.’ya düşerdi.

Şimdi de bir endüksiyon makinesinin generatör olarak çalışmasını ele alalım. Makinenin tipik tork hız eğrisi Şekil 2'de gösterilmiştir. Kesikli olarak gösterilen doğru bağlı yükteki tork talebinin değişimini gösterir. Başlangıçta (N=0) yükün torku motor tarafından üretilen torktan daha düşüktür, böylece motor ivmelenmeye başlar. Hızdaki yükselmeyle beraber, motor torku en yüksek seviyesi TM’ye yükselir. Bu değerin ötesinde de aniden düşer.

Motorun ve yükün tork – hız eğrileri P noktasında kesişmektedir. Bu nokta bu yük için kararlı hal durumudur ve sistem burada çalışma eğilimindedir. NR P noktasındaki hızdır ve senkron hız NS’den daha düşük seviyededir. NS ve NR arasındaki hız kaymaya eşittir. Bu aşamada makine motor olarak çalışır.

Bu makineyi bir şebekeye bağlı bir rüzgar türbiniyle beraber çalıştırılırsa, başlangıçta şebekeden bir motor olarak akım çeker. Hız arttıkça rüzgar türbinin dönmesi sistemin NS senkron limitini geçmesine neden olur. Böylece rotor döner manyetik alandan daha hızlı hareket eder. NS’ten daha yüksek hızlarda şekilde de görüldüğü gibi tork negatiftir. Böylece akım ters yönde sistemden şebekeye akar. Bu durumda makine örneğimizdeki rüzgar türbini gibi bir dışsal ana kuvvet tarafından sürülürse generatör olarak çalışır.

Generatör fazında çalışma hızı senkron hızı geçerse kayma negatiftir. Genelde kayma %1 - %3 aralığındadır. Böylece 1500 r/dak. senkron hıza sahip 50 Hz frekanslı bir dört kutuplu bir makine generatör fazındayken %1 kaymayla 1515 tur/dak. hızla döner. Generatörün hızı rüzgar türbinine uygulanan torka bağlıdır. Torktaki dalgalanmalarla generatörün hızı hafifçe ayarlanır. Rüzgar gibi dalgalanan kaynaklara bağlı bir generatör için bu oldukça önemli bir özelliktir. Bu özellik aktarım bileşenlerine etki eden kuvvetin en düşük seviyeye indirilmesini sağlar.

Bir endüksiyon makinesinin çalışmaya başlamadan önce dışarıdan uyarılması gerekir. Şebekeye bağlı sistemler için gerekli akım şebekeden çekilebildiği için bu durum bir kısıtlama getirmez. Ama otonom sistemlerde generatöre gerekli tahrik akımının sağlanması için kondansatör ya da akü gibi harici donanıma ihtiyaç duyulur.

Sakin dönemlerde rüzgar türbini boştadır ve generatörü besleyen harici bir kaynak yoktur. Bu durumda sistem şebekeden akım çeker ve çok büyük bir pervaneyi besleyen bir motor gibi davranır. Böyle istenmeyen bir çalışma modunun önüne geçebilmek için rüzgarsız dönemlerde generatör şebekeden ayrılır. Kalkış hızından daha düşük rüzgar hızlarında tahrik akımı çekmek ve yukarıda anlatıldığı gibi bir generatör olarak çalışmak için sistem kademeli olarak şebekeye bağlanır. Bu işlem tristör denilen özel elektronik kontaklarla başarılır. Tristörler türbinin kademeli olarak yüklenmesini sağlarlar. Böylece iletim hattı arızası ve ani aşırı akım dalgalanmalarından kaynaklanan şebeke kaynaklı hasar olasılıkları önlenmiş olur. Sistem kesilir kesilmez tristörler by-pass anahtarlarıyla devre dışı bırakılırlar. Bundan sonra akımın yönü tristörler üzerinde güç kaybı olmaksızın doğrudan generatörden şebekeye doğrudur.

Senkron Generatör

Bir önceki bölümde de gördüğümüz gibi endüksiyon generatöründe rotor hızı senkron hızdan daha düşüktür. Buna karşılık senkron generatörde rotor ve manyetik alan aynı hızda döner. Bir senkron generatörün ara kesitsel görünümü en basit haliyle Şekil 3’de gösterilmektedir. Endüksiyon generatörüne benzer bir şekilde bir rotor ve üç fazlı bir statordan oluşur. Stator ve rotor aynı sayıda kutba sahiptir. Şekilde gösterilen generatörün iki kutbu vardır. Şekilde gösterildiği gibi statorun etrafında slotlara yerleştirilmiş sargı bobinler bulunur. Stator sargıları 120 derecelik aralıklarla dairesel olarak konumlanmışlardır.

Bu tip generatörlerde kullanılan rotorlar daimi mıknatıs ya da elektro mıknatıs olabilir. Daimi mıknatıslar pahalıdırlar ve güçlü manyetik alanlar altında çalışırlarsa manyetik özelliklerini kaybederler. Bu yüzden rüzgar türbinlerinde bulunan senkron generatörlerin bir çoğu elektro mıknatıs kullanırlar. Bu elektro mıknatıslar rotor alan sargılarına iletilen doğru akımla manyetize olurlar. Fırça tipli ya da fırçasız uyarıcılar rotoru manyetize etmek için kullanılabilirler. Mıknatıslama akımı şebekeden de çekilebilir. Şebekeden alınan akım alternatif olduğu için mıknatıslamada kullanılmadan önce DC’ye çevrilir. Bu uyarım rotorda kuvvetli bir kuzey – güney manyetik karakteristiğinin doğmasını sağlar.

Rüzgar türbini rotoru döndürdükçe, stator sargısıyla bağlantılı manyetik alan rotor hızıyla doğru orantılı olarak zamana bağlı sinüsodal bir şekilde değişir. Akı değişimi sargılarda sinusoidal bir voltaj indükler. Sargılar 120 derece aralıkla yerleştirildikleri için şebekeyi besleyen dengeli bir üç fazlı kaynak görevi görürler.

Denklem 2’den de görüldüğü gibi, senkron generatörlerin hızı şebeke frekansına ve kutupların sayısına bağlıdır. Örneğin 50 Hz frekanslı bir şebekede yukarıda değinilen 2 kutuplu generatörün hız;

Altı kutuplu bir generatör 100 tur/dak. hızla dönerken 24 kutup için hız 250 tur/dak.’ya düşer. Rüzgar türbinlerinde genellikle altı kutuplu generatörler kullanılır.

Rüzgar enerjisi üretimi için, gerekli dişli takımını boyutları ve sayısını azalttığı için düşük hızlı generatörler seçmek daha uygundur. Bir rüzgar türbinin ortalama hızını 40 tur/dak. alırsak 150 kutuplu bir generatör tasarlayarak dişli kutusunu aradan kaldırabilir miyiz? Teorik olarak mümkün gibi gözükmekte, fakat kutusundan kurtulmak pratik olarak şimdiye kadar mümkün olmadı. Yeni kutuplar eklendikçe generatör daha hantal ve maliyetli olmaktadır.