RÜZGÂR TÜRBİNLERİNİN GELECEĞİ: DIRECT DRIVE TEKNOLOJİSİ
Öncelikle merhabalar, bu yazımda rüzgâr türbinlerinde direct drive teknolojisinden bahsedeceğim. Konu içerisinde geçen anahtar kelimeleri açıklayıp ayrı bir bölüm olarak da eklemek istedim. Keyifli okumalar.
DIRECT DRIVE TEKNOLOJİSİ NEDİR?
Doğrudan sürüş teknolojisi kayış-kasnak sistemleri olmayan mekanizmaları barındıran, bu sebeple titreşimi az olan bir mekanizmadır.
Üreticiler, doğrudan sürüşlü türbinler tasarlamaya motive eden şanzıman arızalarını ve şanzıman kayıplarını ortadan kaldırmak için şanzımansız rüzgâr türbinleri geliştirdiler. 1991 yılında tanıtılan bu rüzgâr türbinler, değişken hızlı doğrudan tahrikli rüzgâr türbinleri olarak da adlandırılır. Doğrudan tahrikli rüzgar türbinlerinde senkron jeneratör, direkt rotordaki mıknatıslar tarafından uyarılır.
ÇİFT BESLEMELİ ASENKRON GENERATÖR(ÇBAG) NEDİR?
Rotoru sargılı asenkron generatörlerin rotor sargı uçlarına direnç yerine bir konvertör bağlanması ile elde edilen rüzgâr generatörlerine ÇBAG (Doubly Fed Asynchronous Generator) denilmektedir. Bu tip generatörlere çift beslemeli (doubly fed) diye söylenmesinin nedeni, stator gerilimini şebekeden alırken rotora uyartım gerilimi güç çeviricisi ile yapıldığı içindir. Çift beslemeli asenkron generatör stator sargıları direkt olarak sabit frekanslı üç fazlı şebekeye bağlı bir rotoru sargılı asenkron generatör ile rotor sargılarına monte edilmiş iki yönlü IGBT eviriciden meydana gelmiştir
ÇBAG‟de rotor tarafı eviricisi ve şebeke tarafı eviricisi olmak üzere iki çevirici bulunur. Genellikle, rotor tarafındaki evirici kontrol sistemi, elektromanyetik momenti kontrol eder ve generatörün manyetizasyonunun sürdürebilmesi için reaktif güç sağlar. Şebeke tarafındaki evirici ise, DA barasını kontrol eder. Eğer generatör senkron hızın altında çalışırsa, şebekeden rotora bilezikler aracılığıyla elektriksel güç verilir. Böylelikle generatörün senkron hızı geçmesi sağlanır. Zaten bir asenkron makinenin generatör olarak çalışabilmesi için rotor hızının senkron hızın üstüne çıkması gerekmektedir. Senkron hıza ± %30 yakın aralıklı olacak şekilde, rotor hız ayarı sağlanır. Eğer senkron hızın üstünde ise bu sefer şebekeye elektrik enerjisi verir.
Avantajları;
- Sürekli değişen rüzgâr hızı uygulamalarına imkan sağlar. Rüzgârdan alınan enerji daha fazladır.
- Eviriciler sayesinde ayrıca reaktif güç kontrolüne ihtiyacı yoktur. Sadece rotorun kayma gücünü kontrol etmeye yarayan çevirici sistemine sahip olduğu için, toplam sistem gücünün yaklaşık %25‟i oranında bir evirici kullanılmaktadır. Bu da evirici maliyetini azaltır.
- “Off-shore” olarak isimlendirilen açık deniz rüzgâr santrali uygulamaları gibi büyük güç sistemleri için uygundur.
En büyük dezavantajı ise bilezik tertibatının düzenli bakıma olan ihtiyacıdır. Ayrıca diğer sistemlerden biraz daha pahalıdır.[7]
PEKİ SENKRON JENERATÖR NEDİR?
Rotor hızı ile hava aralığı manyetik alanın aynı hızda döndüğü makinelerdir. Asenkron jeneratörlerle birebir aynı olan stator yapısı, üç fazlı alternatif akım sargılarından oluşur. Farklı olarak ise; uyarma asenkron jeneratörlerde kayma oranına göre oluşurken, senkron jeneratörlerde rotorda bulunan alan sargıları ya da kalıcı mıknatıslarla sağlanır.
Senkron jeneratörler uyarma şekillerine göre iki sınıfta incelenir:
- ASSG(Alan Sargılı Senkron Jeneratörler)
- SMSG(Sürekli Mıknatıslı Senkron Jeneratörler)
Değişken hız — sabit frekans uygulamalarında, sistem maliyetini arttıran bir faktör ise çıkışında kullanılan güç elektroniği dönüştürücüsünün jeneratör anma gücünde olmasıdır. Bu sebeple dişli kutulu değişken hız — sabit frekans uygulamalarında çift beslemeli asenkron jeneratörler daha çok tercih edilir.
Doğrudan tahrikli rüzgâr türbinlerinde jeneratör hızı, rotor hızına eşittir. Bunun sebebi (aşağıdaki fotoğraftan da görüldüğü üzere) rotorun doğrudan jeneratöre bağlı olmasıdır ve böylece bu sistem dişsiz olarak kullanılmaktadır.[4] [3]
Avantajları:
- Uyarma alanı yaratmak amacıyla rotor sargıları yerine kalıcı mıknatıslar bulunmaktadır. Bu sayede rotor bakır kayıpları azalmaktadır. Ayrıca güç aktarımının doğrudan sağlanmasıyla da daha verimli bir sistem ortaya çıkmaktadır.
- Transmisyon sistemi olmayışından ötürü gürültü azalmıştır.
- Yine aynı şekilde sade bir güç aktarım sistemi, arızaların azalmasına ve türbin ömrünün artmasına yardımcı olmaktadır.
- Düşük devirde dahi yüksek tork sağlayabilmektedirler.
- Daha hızlı ve hassas konumlandırma yapılabilmektedir.
Dezavantajları:
- Sistemin mıknatıslı bir elektrik jeneratörüne ihtiyacı vardır. Kalıcı mıknatıslı jeneratörlerin maliyeti içerdikleri nadir mıknatıslar dolayısıyla diğer jeneratörlere göre fazladır.
- Daha basit fakat özel bir tahrik mekanizmasına ihtiyacı vardır.
- Uyartım alanı denetlenemediğinden şebekeye doğrudan bağlantısı yapılamamaktadır ve üretilen enerjinin büyük güç elektroniği düzenekleriyle doğrultulup şebekeye uygun olarak evirilmesi gerekir. Melez uyartımlı sistemler ile bu sorun giderilmeye çalışılmaktadır.[1]
İKİ GENERATÖR SİSTEMİNİN (ÇİFT BESLEMELİ ASENKRON GENERATÖR VE DIRECT DRIVE TEKNOLOJİ SİSTEMLİ GENERATÖRÜNÜN) ANA BOYUTLARI, PARAMETRELERİ, AĞIRLIĞI, MALİYETİ VE YILLIK ENERJİSİ
Sol tarafta görmüş olduğunuz grafikte Delf Üniversitesinden bir ekibin hazırlamış olduğu kapsamlı bir karşılaştırma yer almaktadır.
Tablonun en sol sütununda çift beslemeli ve üç kademeli senkron generatör bulunmaktadır. 2. ve 3. sütunda ise direct drive teknolojisi kullanan uyartım sargılı ve kalıcı mıknatıslı senkron generatörler bulunmaktadır. Tablodan şu notlar çıkarılabilir;
- Direct drive generatörlerin stator çapları çok daha geniştir
- Kutup çifti sayıları arasında çok büyük fark bulunmaktadır
- Çift beslemeli sistemde transmisyon önemli bir masrafken direct drive teknolojisinde böyle bir masraf bulunmamaktadır.
- Buna karşın çift beslemeli sistemde güç elektroniği ünitesi yaklaşık dörtte bir gücünde olduğundan masrafı da direct drive’a göre 1/3 kadar olmaktadır. Bu konuda daha ucuz bir çözümdür
- Toplam enerji kayıpları bakımından kalıcı mıknatıslı SG en verimli çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır ve üretilen enerji de buna bağlı olarak fazladır.
- Yıllık enerji üretiminin masrafa oranına (kWh/€) bakıldığında direct drive ve çift beslemeli sistem hala rekabet içindedir. [8]
DOĞRUDAN SÜRÜŞ TİPLİ RÜZGÂR TÜRBİNİ TASARIMI
7–10 MW`a kadar doğrudan tahrikli rüzgâr türbinlerinin yüksek tork gereksinimi fazla olduğundan daha büyük ve daha ağır jeneratörlere ihtiyaç duyulur. Doğrudan tahrikli jeneratör ile aynı avantajları sağlayan tek veya iki kademeli bir dişli kutusu, çok daha hafif ve çok daha küçük olduğundan bu durum için daha iyi bir seçimdir.
Rüzgar Türbinlerinde yaygın olarak kullanılan yuvarlak rotorlu generatörler silindirik bir şekle sahiptirler (rotor çapı küçük, rotor uzunluğu büyük). Kalıcı mıknatıslı senkron generatörler ise çıkık kutuplu yapıya benzer şekilde (makine çapı büyük, uzunluğu küçük) “halka” konfigürasyonuna sahiptir. Bu sayede rotor doğrudan tahrik için daha iyi bir uyum sağlar ve türbin rotorunda daha geniş bir gövde görülmesine neden olur. Bununla birlikte, kalıcı mıknatıslar sayesinde yüksek tork elde edilmektedir.
Rüzgâr tutarsızlığı nedeniyle türbinlerin genellikle kısmi yüklerde çalışır. Ancak PM jeneratörünün (Sabit mıknatıslı senkron jeneratör) verimliliği bu koşullarda bile mükemmeldir çünkü neredeyse normal değerlere kadar çalışmaya devam eder.[2] [6]
Bazı uzmanlar, doğrudan sürüş teknolojisinin eninde sonunda baskın teknoloji haline geleceğini iddia ediyor. Bu iddiayı ortaya koyarken üç argüman sunuyorlar:
1. Doğrudan tahrikli rüzgâr türbinleri daha hafif olması nedeniyle avantajlıdır.
2. Doğrudan sürüş, daha fazla iyileştirme potansiyeline sahiptir. Uzmanlar, dişli kutusu rüzgâr türbininin neredeyse maksimum verimlilik noktasında olduğunu, doğrudan tahrikli türbinlerin ise iyileştirme için daha fazla olasılığa sahip olduğunu savunuyor.
3. Doğrudan tahrik, gelecekteki daha yüksek güç oranlı rüzgâr türbinleri için daha verimlidir çünkü dişli kutulu rüzgâr türbinleri, daha fazla dişli kutusu kaybına yol açan ekstra vites kademeleri gerektirir.[6]
Rüzgâr türbinlerinde Direct Drive teknolojisiyle ilgili izlemek isteyebileceğiniz, bilgilendirici kısa bir video bırakıyorum. İyi seyirler!
Kaynakça:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Direct-drive_mechanism
[4] https://polen.itu.edu.tr/bitstream/11527/1295/1/11812.pdf
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine_design#Gearless_wind_turbine
[7] https://polen.itu.edu.tr/bitstream/11527/1295/1/11812.pdf
