27 Aralık 2009

Normal bir rüzgar türbinin güç eğrisi Şekil 1'de gösterilmiştir. Türbin kalkış hızı 3.5 m/s’yi yukarı doğru geçince güç üretmeye başlar. Üretilen güç 250 kW çıkış gücüne ulaşılan 15 m/s nominal hızı yakalayıncaya kadar artar. Nominal hızla kesme hızı (25 m/s) arasında rüzgar hızındaki artışa bakılmaksızın nominal güç olan 250 kW üretilir. Kesme limitinin üzerindeki hızlarda güvenlik nedenlerinden dolayı türbinin güç üretmesine izin verilmez 

 

 Şekil 1 Tipik bir rüzgar türbini güç eğrisi

Rüzgar türbini tarafından üretilen güç nominal ve kesme rüzgar hızları arasındaki nominal seviyesine regüle edilir. Eğer regüle edilmeseydi, şekilde noktalı çizgiyle gösterildiği gibi rüzgar hızıyla beraber üretilen güç de artardı. Yukarıdaki örnekte, 20 m/s’de üretilen güç sistemin nominal gücünün iki katına denk gelir. Fakat, bu yüksek hızda bile güçten tam kapasiteyle faydalanmaya çalışılırsa türbinin yüksek güç seviyelerini ele alacak şekilde tasarlanması gerekir. Bunun anlamı da sistemin daha güçlü bir aktarım mekanizması ve daha büyük bir generatöre gereksinim duymasıdır. Diğer yandan rüzgar rejimlerinin bir çoğunda böylesine şiddetli rüzgarlara rastlama olasılığı oldukça düşüktür. O yüzden çok kısa bir zaman aralığı boyunca faydalanabilecek bir ekstra kuvvetten kazanç sağlamak için yüksek bir tasarım yapmak pek mantıklı değildir.

Rüzgar türbini pervanesinin hızı rüzgar şiddetiyle artar. Yukarıdaki örnekte rüzgar şiddeti 15 m/s’den 20 m/s’ye artarken pervanenin hızı 34 tur/dak.’dan 54 tur/dak.’ya yükselir. Rüzgar şiddetindeki ilave bir artışla pervane daha da hızlanır ve en sonunda kontrolden çıkma durumuna girer. Hızdaki bu artışın çok kısa bir zaman aralığında meydana geldiği ve sert bir ivmeye sebep olduğu dikkatlerden kaçmamalıdır. Bu yüzden nominal rüzgar hızından daha yüksek seviyelerde rüzgar türbininde üretilen gücün sabit bir seviyede regüle edilmesi konusu yaşamsal bir öneme sahiptir. Gücü regüle etmek için kullanılan yaygın metotlar; adım kontrolü (pitch control), kesme kontrolü (stall control), aktif kesme kontrolü ve yalpa (yaw) kontrolüdür.

 

 

Şekil 2 Adım kontrol çalışma prensibi

Rüzgar türbininin kanatları en yüksek aerodinamik performansı belirli bir saldırma açısında gösterir. Bir kanadın saldırma açısı rüzgar sürati ve pervane hızıyla değişir. Adım kontrolünün ilkeleri Şekil 1'de resmedilmiştir. Burada VR nominal rüzgar hızı, VT nominal rüzgar hızında kanatların hızı ve α da saldırma açısıdır. Adım kontrollü rüzgar türbininde elektronik algılayıcılar sistem tarafından üretilen güçteki değişimleri sürekli bir şekilde izlerler. Çıkış gücü bir saniyede defalarca kontrol edilir. Adım kontrol mekanizması kanat adımını çıkış gücündeki değişimlere göre, istenilen açıya getirmek için aşağıdaki gibi harekete geçer.

 

 

 

Şekil 3 Kanat adımının pervane performansı üzerindeki etkisi

Rüzgar türbinleri kesme hızı ve nominal hız arasında kanat adımını optimum saldırma açısına ayarlayarak en yüksek verimi elde edecek şekilde tasarlanmışlardır. Rüzgar hızı nominal hız V_R’yi aşarsa denetim mekanizması kanat adımını ayarlayarak saldırma açısının şekildeki gibi değişmesini sağlar. Şekil 3’den görülebildiği gibi saldırma açısının optimum seviyesini kaybetmesi, pervane veriminin azalmasına yol açar. Böylece V_R’den daha yüksek rüzgar hızlarında kanatların aerodinamik verimliliğini bozarak fazlalık pervane gücünden kurtulunur. Hız nominal değerine veya altına düştüğü zaman rüzgar türbini kanatları optimum pozisyonuna geri dönerler.

 

 

Şekil 4 Kilit kontrol sisteminin çalışma prensibi

Adım kontrollü bir rüzgar türbininde, rüzgar hızındaki değişimlerle beraber kanatlar adım kontrol mekanizması tarafından boylamsal eksenleri etrafında döndürülürler. Adım kontrol mekanizmaları hidrolik ve mekanik cihazlar grubu tarafından hareket ettirilirler. Pervanenin aniden ivmelenmesini ve ya yavaşlamasını önlemek için adım kontrol sistemleri rüzgar hızındaki değişimlere hızlı bir şekilde tepki göstermelidir. Aynı şekilde en yüksek performans için adımlama tam olarak hedeflenen kademede yapılmalıdır. Bu yüzden, adım kontrol sisteminin hassasiyeti yüksek olmalıdır.

Yüksek rüzgar hızlarında gücü regüle etmenin diğer bir yolu da kesme denetimidir. Kesme regüleli türbinlerin temel prensibi Şekil 4’de gösterilmiştir. Bu türbinlerde kanat profilleri rüzgar hızları nominal limiti geçtiğinde saldırma açısının şekilde görüldüğü gibi artmasına olanak sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır. Saldırma açısındaki bu artışla kanadın üst tarafındaki hava akımı kanada yapışmayı bırakacaktır. Onun yerine, hava akımı düzensiz bir burgaç seklinde dönerek türbülansa yol açar. Bu durum kanatlardaki kaldırma kuvvetini öldürerek, sonuçta kanadın kitlenmesini sağlar. Bu şekilde yüksek rüzgar hızlarında üretilen fazlalık kuvvet regüle edilmiş olur.

Adım kontrollü türbinlerde kanatlar adımlama yoluyla optimum saldırma açısına ayarlandıkları için ortalama rüzgarlarda güç daha yüksek verimlilikle yakalanır. Fakat kanattaki hareketli bileşenlerin açılarını kendilerinin ayarlamak zorunda kalması rüzgar enerjisi sisteminin bir dezavantajıdır. Benzer şekilde denetim biriminin rüzgar hızı dalgalanmalarına yüksek hassasiyet göstermek zorunda oluşu sistemi yüksek maliyetli kılar.

Diğer yandan, kesme kontrollü kanatlar her hangi bir denetim sistemi ya da adımlama mekanizmasına gereksinim duymazlar. Ama kanatların boyuna eksenleri boyunca aerodinamiksel olarak burkulması gerekir. Bu tip kanatların tasarımı ve üretimi incelik ve bilgi birikimi gerektirir. Kesme kaynaklı titreşimler gibi olası problemlerin önceden önlenmesi için sistemin yapısal dinamikleri tasarım aşamasından önce dikkatlice analiz edilmelidir. Tipik bir kesme kontrollü türbinin güç eğrisi Şekil 5de görülebilir. Nominalden yüksek hızlarda gücün düşmesi nedeniyle bu türbinlerin yüksek rüzgar hızlarındaki performansları fazla etkileyici değildir. Bu kısıtlamalara rağmen bir çok rüzgar çiftliğinde hala kesme kontrollü türbinler kullanılmaktadır.

 

 Şekil 5 Kilit kontrollü bir rüzgar türbinin güç eğrisi 

Bazı modern rüzgar türbinleri güç regülasyonu için hem adım hem de kesme kontrollü seçeneklerin avantajlarından faydalanmaktadır. Buna aktif kesme kontrollü güç regülasyonu denir. Bu metotta düşük rüzgar hızlarında en iyi performanslarına ulaşmak için kanatlar adımlanır. Fakat rüzgar nominal hızı geçer geçmez saldırma açısının arttırılması ve böylece kanatların kesme bölgesine itilmesi için kanatlar ters yönde döndürülür. Aktif kesme daha etkili bir güç kontrolü sağlar ve böylece yüksek rüzgar hızlarında nominal kapasitesine yakın bir noktada çalıştırılır.

Güç kontrolünün diğer bir yolu da yüksek hızlarda pervanenin yönünü rüzgarın yönünden kısmen farklı bir tarafa çevirmektir. Buna toplama ya da sapma kontrolü denir. Pervanenin dönme ekseni güç regülasyonu için rüzgarı karşıdan alacak bir açıya ayarlanır. Rüzgar hızının türbinin kesme limitini geçmesi durumunda pervanenin pozisyonu rüzgar vektörüne hemen hemen diktir. Böylece güç üretimi durdurulur. Pervane kısmen saptırılınca dairesel gerilimlere maruz kalır. Bu sebepten dolayı sapma kontrolü sadece küçük rüzgar türbinlerinde uygulanır.