Endüstriyel Rüzgâr Türbinlerinin Bakımı
Özet: Rüzgâr enerjisi, yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Dünyada ve Türkiye’de enerji üretiminde önemli bir rol oynayan rüzgâr tesislerinin temel elemanları rüzgâr türbinleridir. Rüzgâr türbinlerinin doğru ve düzgün bir şekilde bakımı ve kontrolü, bu bağlamda gereklidir.
Anahtar kelimeler: Rüzgâr, rüzgâr enerjisi yenilenebilir enerji, rüzgar türbini, pervane, periyodik bakım, arıza bakımı
I. Giriş
Rüzgârlar, coğrafya biliminde, Yeryüzünün, Dünya’nın ve dönme eksikliğinin eğriliği, yüzeyin heterojen yapısı gibi sebeplerle düzgün olmayan bir biçimde ısınması ve soğuması sonucu oluşan ve yüksek basınç noktasından alçak basınç noktasına giden hava akımı olarak tanımlanır. Bu hava akımı, kütlesi ve hızına oranla bir enerjiyi içerisinde ihtiva eder. Yeryüzüne gelen güneş enerjisinin %2’sine dönüşen bu enerjiye rüzgâr enerjisi denir. [1]
Rüzgâr enerjisi, tarih boyunca, neredeyse 7 bin yıldır farklı alanlarda kullanılmaktadır. Kayıklardan rüzgâr destekli su pompalarına, değirmenlerden rüzgârgüllerine değişik amaçlarla yararlanılan rüzgâr enerjisinin jeneratörler tarafından depolanma fikrinin ortaya çıkışı ise önemli ölçüde yenidir, aradan 200 yıl bile geçmemiştir. Küçük rüzgâr türbinleri ile ortaya konulan çalışmalar, 1970’lerde yaşanan petrol krizinden dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi sebebiyle artmış, neredeyse bütün dünyada, bol rüzgâr alan yerlere rüzgâr enerji tesisleri inşa edilmiştir. [2]
II. Rüzgâr Enerjisinin İstatistiki Bağlamda Önemi
Dünyada 2019 yılında kurulu güç 622,408 MW, üretim 1,262,914 GWh olmuştur. Kurulu gücün %41’i, üretimin ise %35’i Asya’da bulunmaktadır. Rüzgâr enerjisi kurulu gücü ve üretiminde birinci olan ülke ise Çin Halk Cumhuriyeti’dir. 366,452 GWh elektrik üretimi, Dünya’daki toplam üretimin %29’unu, 210,478 MW kurulu güç ise Dünya’daki toplam kurulu gücün %34’ünü oluşturmaktadır. [3]
Türkiye Cumhuriyeti, kurulu güç bakımından dünyada on ikinci, üretimde ise onuncu sıradadır. [3] Türkiye’de rüzgâr enerjisinin kullanımı 1986 yılında, İzmir’in Çeşme ilçesinde bulunan Altın Yunus Tesisleri’nde kurulan 55kW’lık rüzgâr türbiniyle başlamıştır. [4] 34 yıl sonra, Türkiye’de 2020 yılının ilk yarısında rüzgâr santrallerinden üretilen elektrik, 11,506,233 kWh miktara erişmiş, bu miktar üretilen toplam elektriğin %8.52’sini oluşturmuştur. 2020 yılında Türkiye’nin rüzgâr enerjisi kurulu gücü 8,288 MW’tır. [5]
Türkiye’de rüzgâr enerjisi potansiyeli yüksek olan yerlerin önemli bir bölümü Ege ve Marmara Bölgesinde bulunmaktadır. [4] Ege Bölgesinde rüzgâr enerjisi kurulu gücün Türkiye’dekilere oranı %38.91 iken, Marmara Bölgesinde %33.92 olarak hesaplanmıştır. Rüzgâr enerjisi kurulu gücünde İzmir %19.64, Balıkesir %15.39, Manisa %9.54, Hatay %5.20, Çanakkale %5.17 paya sahiptir. [6]
III. Rüzgâr Türbinleri
Rüzgâr enerji tesislerinin temel elemanları rüzgâr türbinleridir. Rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce makineler yardımıyla mekanik enerjiye, daha sonra da elektrik enerjisine çevirir. Rüzgâr türbinleri
· Kule
· Jeneratör
· Hız dönüştürücüleri
· Elektrik-elektronik elemanlar
· Pervane elemanlarına (nacelle) sahiptir.
Türbinlerin çalışma prensibi kısaca, nacelle üzerinde bulunan rüzgâr ölçerin türbine uygun hızı tespit edip, kontrol ünitesinin sistemi harekete geçirmesi, birinci enerji dönüşümünün rotorda tamamlanıp rotor milinin devrinin jeneratöre aktarılması, ardından jeneratörde ikinci enerji dönüşümünün yapılıp akülere enerjinin depolanması ya da direkt verilmesiyle açıklanabilir [7] [8].
Rüzgârın teorik gücü aşağıdaki formülle bulunur. Burada p hava yoğunluğunu, V rüzgar hızını, A ise kanatların süpürdüğü alanı ifade etmektedir. Formül üzerinde düşünüldüğünde kanat çapının artmasının üretilen gücü arttırdığını, en baskın değişkenin ise rüzgar hızı olduğu görülmektedir.
Teorik gücün elektrik enerjisine dönüşebilen kısmının hesaplanması ise
formülüyle ilişkilidir. Bu formülde, Cp güç faktörü, A rotor dönüşü sırasında kanatların taradığı alanın büyüklüğü, NG türbin içindeki jeneratörün verimi, ND türbin içerisindeki dişli kutusunun verimi ve Nc ise kuplaj (çift) verimidir. Dolayısıyla sistemin her bir bileşeninin verimi doğrudan üretilen enerjiyi etkilemektedir. [7]
Rüzgâr türbinleri; eksen, devir, güç, rüzgâr etkisi, kanat sayısı, dişli özellikleri ve kurulum yerlerine göre sınıflandırılırlar. [8]
Türbinler ayrıca kanatlardan generatör rotoruna enerji aktarımını dişli kutusu kullanarak ya da direk sürümlü olarak sağlamaktadır. Dişli kutusu kullanılan türbin çeşitleri
1. Sabit hızlı — sincap kafesli indüksiyon jeneratörü
2. Değişken hızlı — çift beslemeli indüksiyon jeneratörü olarak iki türdür.
Direct Drive teknolojisini kullanan türbinler ise
1. Direkt sürümlü — elektriksel uyartımlı senkron jeneratör (EESG)
2. Direkt sürümlü — sürekli mıknatıslı senkron jeneratör (PMSG) olarak uyarma sisteminin çeşidine göre ikiye ayrılmaktadır.
Rüzgâr türbinleri, endüstriyel ve kişisel olarak ikiye ayrılır. Endüstriyel türbinlerin gücü 50 kW ile 2 MW arasında iken, kişisel rüzgar türbinleri 50 W ile 10kW güce sahiptir. Endüstriyel türbinlerin bakıma ihtiyacı vardır, kurulum maliyeti yüksektir, üretilen güç direkt şebekeye verildiğinden akü ihtiyacı yoktur; ancak kişisel türbinlerin kurulum maliyeti düşüktür, periyodik bakıma gerek yoktur ancak akü gereklidir çünkü üretilen enerji büyük bir oranda seralara, radyo kulelerine vb. tesislere verilir. [8]
Endüstriyel rüzgar türbinlerinin bakımı sadece türbinlerin aksaklıklarını gidererek tamamlanamaz. Gerekli ölçülerde türbin elemanları sigortalandırılmalıdır. Bu sayede ek masraflar ve sorunlar oluşmaz. Çevresindeki sorunlar giderilmedikçe türbindeki aksaklıkların teşhisi zorlaşabilir ya da bu sorunlar, türbinde oluşacak aksaklıklara davetiye çıkartabilir. Bundan dolayı, endüstriyel rüzgar türbinlerinin bakımı iki başlık altında incelenebilir: Tesis bakımı ve alan bakımı. [9]
IV. Tesis Bakımı
Türbin Periyodik Yağlama
Makine ömrünü etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Statik ve dinamik yüklerden dolayı çalışma temposu düşebilen dişli kutusu, kanat, jeneratör, ana yatak gibi elemanların uygun malzeme, doz ve zamanda yağlanması, rüzgar türbinlerinin sürekliliği için çok önemlidir. Eğer bu şartlarda uygulanması gereken yağlama ihmal edilirse, türbinin arızalanma sıklığı artar hatta arıza giderme süresi önemli ölçüde artarak enerji üretiminin geçici veya kalıcı olarak durmasına yol açar. [9]
Türbin Periyodik Sistem Testleri
Hidrolik sistem, rotor — kanat kontrol mekanizmaları ve elektriksel sistemlerin test edilmesidir. Bu testler yapılarak;
- Bağlantı elemanlarının kontrolü
- Isıtma-soğutma sistemlerinin kontrolü
- Basınç değerlerinin kontrolü
- Kapasitör (sığa) kontrolü
- Anemometre — wind vane (rüzgar fırıldağı) kontrolü tamamlanır. Arıza bakımlarında türbinden görsel olarak kontrol de yapılmaktadır. [9]
Türbin Periyodik Temizliği
Sistemde, iç ve dış faktörlerden dolayı toz, yağ gibi madde birikimlerinin olması normaldir. Sistemin içi ve dışı temiz tutulmalıdır. Rüzgar türbinleri temiz tutulduğunda arıza tespiti kolaylaşır. [9]
Türbin Arıza Bakımı
Rüzgar türbinlerinde bulunan elemanların, özellikle elektronik ekipmanların ne zaman arızalanacağı tam olarak bilinemez. Bu tür arıza durumlarında üretim aksamakta olduğundan üretim kayıpları minimuma indirilmelidir.
- Haberleşme sisteminin çalışıyor olması
- Arızalanabilecek materyallerin stokta bulunması
- Arızanın kaynağının tespitinin en kısa sürede yapılması için gerekecek bilgi birikimi ve dokümanların olması
- Arızayı giderebilmek için gerekli alet-edevatın bulunması gereklidir. [9]
Eğer arıza giderilemezse, ortalama bir rüzgar türbininde 600 kWh üretim kaybı yaşanır, bir saatte oluşacak nakdi kayıp ise yaklaşık 236 TL olur. (Ekim 2020 yılındaki aktif enerji birim fiyatı 0.3927 TL olarak belirlenmiştir.) [10]
Kestirimci Bakım
Arızalarının giderilmesi uzun süre alan jeneratör, dişlı kutusu, ana yatak, redüktör vb. elemanlar için, bu elemanlardan periyodik olarak alınan vibrasyon analiz değerlerinin incelenmesi için yapılır. Kestirimci bakım, trend analizi ile erken teşhis ile planlamaların daha erken ve daha kolay yapılmasını sağlar. [9]
Rüzgar türbini bakım faaliyetleri sırasında;
- Hava koşulları (Aşırı sıcak veya soğuk hava)
- Dar ve kapalı alanda çalışma (Havalandırma ve tahliye problemi)
- Hareket eden parçalar (Çalışır durumdaki dişlilere müdahale
- Elektrik çarpması (Kısa devre veya aşırı yüklenme)
- Yangın (Elektrik-mekanik aksamdan çıkan yangın)
- Buzlanma (Kış aylarında boyu 2 metreyi bulan buz sarkıtları)
- Ergonomik sorunlar (Bel ağrısı)
- Tahliye zorluğu (Kuleden çıkamama) gibi sorunların minimuma indirilmesi gerekir. [7]
Enerji Nakil Hatları
Şebekeye enerji ileten hatların düzenli bakım ve kontrollerinin yapılması, verimlilik ve güvenliği arttırır. Örneğin 30 km uzunluğundaki 6,3 kV’lik bir enerji iletim hattında kaçak geçirgenliğin etkisiyle meydana gelen kaçak akımların sonucunda 10 Watt kadar bir aktif güç kaybı olur. Her ne kadar kaçak akımlardan dolayı oluşan güç kaybı ihmal edilebilir düzeyde de olsa, uzun vadede bu enerji kaybı ihmal edilebilir olmayacaktır. [11]
Transformatörler
Enerji iletiminde gerilimin ayarlanmasını sağlayan transformatörlerin kesici bakımlarının, trafo yağı değişimi gibi operasyonların yapılması gerekir. [9] Trafo (transformatör) bakımı iki kısımda incelenebilir: Günlük bakım ve yıllık bakım.
Günlük bakım, trafo kontrolü ve gerilimsiz kısımların temizliği olarak nitelendirilebilir iken, yıllık bakımlar daha kapsamlıdır.
Transformatör tekerleğinin dönüşünü engelleyen faktörlerin ortadan kaldırılması, trafo göstergelerinin temizliği ve tahkiki, emniyet ucundaki diyaframın arızalı olup olmadığı, trafo giriş izolatörlerinin temizliği, bucholz ve gaz rölelerinin temizliği ve yağ muayenesi; yıllık bakımdaki faaliyetlerdendir. [12]
V. Alan Bakımı
Yollar
Rüzgar enerjisi tesisleri içerisindeki, türbinlere ulaşımı sağlayan yolların kontrolü ve onarımı yapılmalıdır. [9]
Yollar; denetim, arıza tespiti, onarım, teknik gezi gibi faaliyetler için açık ve güvenli tutulmalıdır. Yol bozuk veya engebeli olmamalı, buzlanmaya karşı önlem alınmalı Yollar, araçların rahatlıkla manevra yapabileceği genişlikte olmalı ve nakliyat sırasında 150–200 tona dayanacak yapıda olmalıdır. [7]
Ekipmanların nakliyesi sırasında rota üzerindeki tüneller ve köprülerin azami limitlerine dikkat edilmelidir. [7]
Aydınlatma
Güvenlik ve rehberlik açısından santralde bulunan yol aydınlatmaları, trafo aydınlatmaları düzenli kontrolden geçirilmeli ve aksaklıklar giderilmelidir. [9]
Drenaj Kanalları
Yağışlı havalarda oluşacak su yükünün tesisten uzaklaştırılması ve enerji hatlarına zararının önlenmesi için bu kanallar kontrolden geçirilmelidir. [9]
VI. Stok ve Ekipman Kontrolü
Endüstriyel rüzgar türbinlerinin bakımı için gerekli olan yedek parça stokları ve ekipman kontrolü de önemli konular arasındadır. Stok malzemelerinin cins ve miktarında değişiklik yapılırken,
- Stoktaki malzemelerin mümkün olan en kısa sürede tedariki
- Arıza veya periyodik bakımda değiştirilen malzemelerin seri numaraları ile beraber kaydı
- Arızalı malzemelerin seri numarası, arıza kodu, değiştirilme tarihi ve kullanılan malzemenin seri numarasının üretici/tedarikçi firmaya bildirilmesi
- Yerel tedarik imkanlarının araştırılması
- Bakımdan önce gerekli malzemelerin tedarik edilmesi gerekir.
Ekipmanların kullanıma hazır bir şekilde bulundurulması gerekir. Ölçü aletleri mutlaka zamanında kalibre edilmeli ve özenle korunmalıdır.
VII. Bakım ve Kontrolün Maliyeti
Rüzgar türbinlerinin bakım ve kontrollerinin maliyeti, örnek bir projeden hesaplanabilmektedir. İzmir’de kurulması planlanan, 55 adet 1 MW’lık türbinlere haiz YILDIZ rüzgar çiftliği, yıllık 216.8 GWh enerji üretecektir. [13]
Şekil 2’deki olası gider tablosunda toplam gider 123,128,232 € iken, bakıma ayrılan miktar 758,835 €, sigortaya ayrılan miktar 140,000 €’dur. Bakım maliyetinin toplam maliyete oranı %0.616296, sigortan maliyetinin oranı %0.11, bakım + sigortanın oranı ise %0.73’tür. Buradan hareketle, bakım ve kontrol masraflarının toplam masrafın %1’e ulaşmadığı, bakım ve kontrol masrafları yapılmadığı zaman aksayacak enerji üretiminden dolayı kazancın düşeceği de açıktır. Senaryoda elektrik ücretinin 0.07 €/kWh olduğu belirtilmiş ve bir türbinin bir yıl arızalı durumda kaldığı takdirde,
yaklaşık 15 milyon € zarar oluşacaktır. Oluşan zarar, harcanacak maksimum maliyetin 17 katı olacaktır. [13]
VIII. Sonuç
Rüzgar enerjisinden yararlanmada temel elemanlardan biri olan rüzgar türbinlerinin bakım, onarım ve kontrolü, belirli standartlar altında, gerekli ve yeterli ekipmanlar ve işinde uzman ekip ile gerçekleştirilmelidir. Bakım ve kontrol maliyetleri, kısa vadede yüksek görünse de uzun vadede olası sorunların çıkaracağı maliyetleri engelleyecektir.
Kaynakça
[1] M. K. KAYMAK, «RÜZGÂR ENERJİSİ,» 2005. [Çevrimiçi]. Available: https://web.itu.edu.tr/~kaymak/windpower.html. [Erişildi: 24 10 2020].
[2] U.S. Energy Information Administration, «Wind explained-History of wind power,» 24 3 2020. [Çevrimiçi]. Available: https://www.eia.gov/energyexplained/wind/history-of-wind-power.php#:~:text=People%20used%20wind%20energy%20to,eventually%20spread%20around%20the%20world.. [Erişildi: 24 10 2020].
[3] IRENA, «Renewable Energy Statistics,» The International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi, 2020.
[4] Z. İlkılıç, «Türkiye’de Rüzgar Enerjisi ve Rüzgar Enerji Sistemlerinin Gelişimi,» Yaşam Bilimleri Dergisi, cilt VI, no. 2, pp. 6–7, 2016.
[5] Temiz Enerji Haber Portalı, «Temiz Enerji Haber Portalı,» Temiz Enerji Haber Portalı, 28 Ağustos 2020. [Çevrimiçi]. Available: https://temizenerji.org/2020/08/28/turkiye-ruzgar-enerjisi-istatistik-raporu-yayimlandi-ruzgar-enerjisinde-kurulu-guc-8-bin-300-mwa-ulasti/. [Erişildi: 25 10 2020].
[6] Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği, «Türkiye Rüzgar Enerjisi İstatistik Raporu,» %1 içinde 7. Türkiye Rüzgar Enerjisi Kongresi, Ankara, 2018.
[7] T. Muratdağı, «RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN KURULUM VE BAKIM SÜREÇLERİNDEKİ RİSKLERİN TESPİTİ, DEĞERLENDİRİLMESİ VE ÇÖZÜM ÖNERİLERİNİN SUNULMASI,» T.C. Çalışma ve Sosyal Güvenlik Bakanlığı İş Sağlığı ve Güvenliği Genel Müdürlüğü, Ankara, 2015.
[8] İ. Ü. Ufuk Elibüyük, «Rüzgâr Türbinleri, Çeşitleri Ve Rüzgâr Enerjisi Depolama,» Süleyman Demirel Üniversitesi YEKARUM E-Dergi, cilt II, no. 3, pp. 1–7, 2014.
[9] L. İshak, «Rüzgar Enerji Santrali İşletme ve Bakımı,» %1 içinde Rüzgar Enerjisi Sempozyumu, İzmir, 2001.
[10] T.C. Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu, «Elektrik Faturalarına Esas Tarife Tabloları,» EPD, 30 Eylül 2020. [Çevrimiçi]. Available: https://www.epdk.gov.tr/Detay/DownloadDocument?id=bl5GnAG0I0E=. [Erişildi: 25 Ekim 2020].
[11] T.C. Milli Eğitim Bakanlığı, «Elektrik-Elektronik Teknolojisi Havai İletim Hatları,» T.C. Milli Eğitim Bakanlığı, Ankara, 2011.
[12] K. Toktaş, «Transformatörlerin Bakımı ve Bakım Mahiyetindeki Kontrolları,» Elektrik Mühendisliği Mecmuası, cilt X, no. 112, pp. 112–113, 1966.
[13] E. A. S. Ö. İ.Y. Önel, «Near future energy crisis in Turkey and new opportunities: Wind energy,» %1 içinde International Conference on Clean Electrical Power, Capri, 2009.
