Yenilenebilir Enerji

Rüzgar Enerji Santrali (RES) Kurulumu

0
Rüzgar enerji santrali
Rüzgar enerji santrali

Rüzgar enerjisinden ve rüzgar türbinleriyle elektrik üretim yöntemlerinden önceki yazılarda  bahsetmiştim. Aslında tüm bu yazılar birbirleriyle bağlantılı o yüzden önce bu yazıları okumanızı tavsiye ederim. Ondan sonra rüzgar enerji santrali tasarımını daha iyi anlayabilirsiniz. Aşağıdaki başlık bağlantılarına tıklayarak bu yazılara ulaşabilirsiniz.

Rüzgar enerji santrali birden çok rüzgar türbinlerinin bir araya gelerek birbirlerinin rüzgar alanlarını bozmayacak şekilde dizilmeleriyle oluşur. Rüzgar enerji santrali tasarlanırken santralin kullanım amacı çok önemlidir. Yerel bir santral ile şebekeye bağlı bir santralin dizayn edilmesinde aynı koşullar göz önüne alınmaz. Üretilen elektriğin kullanım amacı farklı olduğundan dolayı değerlendirilmesi gereken kriterler farklıdır.

Rüzgar Enerji Santrali Arazi Belirleme

Şebekeye bağlı rüzgar enerji santrali için en önemli ölçü üretilecek enerji miktarıdır. Elde edilecek enerjinin rüzgâr hızının küpüyle orantılı olduğu daha önceki yazılarda belirtilmişti. Bu nedenle rüzgar hızlarının yüksek olduğu alanlara kurulan santralde daha fazla enerji üretilecektir. Bu nedenle uygun alanların belirlenmesi gerekir. Bu alanların belirlenmesi amacıyla rüzgâr datası elde etmeye yönelik enerji amaçlı rüzgar ölçümleri yapılmalıdır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar çok olumlu olsa bile seçilen alan çevre, elektrik bağlantıları ve topografı bakımdan rüzgâr enerjisi santrali kurmak için elverişli olmayabilir.

Seçilen sahada rüzgar enerji santrali kurmak fiziksel, çevresel, teknik ve yasal açılardan mümkün olmayabilir. Bu nedenle şu kıstaslar dikkate alınmalıdır:

 Sahaya ulaşım kolaylığı
 Enerji nakil hatlarının ve trafo merkezlerinin güç kapasitesi
 Üretilecek enerjinin nakli için trafo merkezlerine olan uzaklık
 Sahanın yol ve diğer çalışmalar için islenme kolaylığı
 Arazinin eğimi
 Sahanın alansal olarak yeterliliği
 Sahada arazi kullanım sekli ve mülkiyeti
 Sahanın bitki örtüsü
 Sahanın hakim rüzgar yönüne göre durumu
 Sahanın yerleşim birimlerine olan uzaklığı
 Sahanın imar durumu

 Sahanın askeri ve sivil radar ve benzer tesislere olan yakınlığı
 Sahanın sit, milli park, orman arazisi veya diğer kapsamda olup olmadığı
 Sahanın doğal yasam etkinlikleri ve ekolojik açısından önemi
 Sahanın jeolojik yapısı
 Yeraltı su kaynaklarının analizi
 Yakın civarda yasayanların rüzgar santrallerine bakış açısı
 Sahanın buzlanma, yağmur, yıldırım ve atmosferik kararlılık durumları
 GSM kapsama alanının tespiti
 Yasal yükümlülükler
 Yerel elektrik dağıtım şirketi ile yapılacak görüşmelerin sonuçları

Seçilen Şehrin Rüzgar Kapasitesinin İncelenmesi

Rüzgar enerji santrali kurulacak il EİE (Elektrik İşleri Etüdü)’den alınan bilgilere göre Aydın seçilmiştir. Buna göre Aydın için rüzgar kapasitesi aşağıda gösterilmiştir.

Rüzgar Hızı İncelemesi

Aydın şehri için 50 metre yükseklikteki rüzgar hızı dağılımı

Aydın şehri için 50 metre yükseklikteki rüzgar hızı dağılımı

Uygun ve ekonomik bir rüzgar enerji santrali yatırımı için 7 m/s veya üstü bir rüzgar hızı gerekmektedir.

Aydın ili için aşağıdaki tabloda ortalama rüzgar güç ve hız değerleri belirtilmiştir.

50 m’de Rüzgar Gücü (W/m2)50 m’de Rüzgar Hızı (m/s)Toplam Alan (km2)Toplam Kurulu Güç (MW)
300-4006,8-7,5458,462.292,32
400-5007,5-8,146,29231,44
500-6008,1-8,600
600-8008,6-9,500
> 800> 9,500
  504,752.523,76

 

Kapasite Faktörü İncelemesi

Aydın ili için 50 metredeki kapasite faktörü

Aydın ili için 50 metredeki rüzgar enerji santrali kapasite faktörü

Kapasite faktörü, bir santralin belli bir süre içerisinde ürettiği gücün, maksimum kapasitede üretebileceği güce oranıdır. Yani 8000 kW kurulu güce sahip bir rüzgar enerji santrali düşünün, bu santral 1 ayda 2000 MWh bir güç üretmiş olsun. Eğer bu santral tam kapasiteyle yani 24 saat boyunca elektrik üretebilseydi; 24 saat x 8000 kW x 30 gün =5760 MWh güç üretecekti. Tabi bu değer sadece teoriktir. Aylık kapasite faktörü de 2000/5760 = 0.34 yani %34 olarak elde edilir. Kapasite faktörü ne kadar yüksek olursa santralden elde edilecek gelir de o kadar yüksek olur. 

Yukarıdaki fotoğrafta Aydın ilinde 50 metre yükseklikteki kapasite faktörü dağılımını görmektesiniz. Burada kırmızı ve buna yakın renklerin kapasite faktörü daha yüksektir yani buralara kurulabilecek bir rüzgar enerji santrali ile diğer alanlara göre daha fazla güç ve gelir elde edilir.

Aydın Şehri için Hakim Rüzgar Yönü ve Frekansının İncelenmesi

Hakim rüzgar yönü ve rüzgar frekansı terimleri de rüzgar enerji santrali için Aydın ilinde belirleyeceğimiz bölge için çok önemlidir.

Hakim Rüzgar Yönü

EİE’den (Elektrik İşleri Etüdü) alınan bilgilere göre aydın ilinin hakim rüzgar yönü aşağıdaki fotoğraftaki gibidir. 

Hakim rüzgar yönü, rüzgarın en çok ve sık estiği yön olarak tanımlanabilir. Meterolojide ve denizcilikte bu terim oldukça sık kullanılır. 

Aydın ili için Hakim Rüzgar Yönü

Aydın ili için Hakim Rüzgar Yönü

Yukarıdaki görsele baktığımız zaman hakim rüzgarın batıdan geldiğini görmekteyiz. Bu yön rüzgarın en çok ve sık geldiği yöndür.

Rüzgar Frekansı

Rüzgar frekansı, rüzgar enerji santrali tasarımında çok önemlidir. Bu terim rüzgarın belli bir süredeki esme sıklığı olarak tanımlanabilir. Farklı rüzgar hız değerlerinde rüzgar frekansları farklı olabilir. Her ne kadar bu iki parametrenin doğru orantılı olduğu düşünülse de yüksek rüzgar hızlarında bu orantı değişebilir.

Aşağıdaki tabloda görüldüğü üzere rüzgar frekansının en fazla olduğu yön batı yönüdür.

YönFrekans
/N6300
/NNE8500
/NE4800
/NNW9900
/NW10100
/WNW37300
/W33500
/WSW20050
/SW2800
/SSW1300
/S400
/SSE2500
/SE7200
/ESE47500
/E60000
/ENE35200

 

Rüzgar Enerji Santrali için Uygun Bölgenin Seçilmesi

Aydın için Rüzgar Enerjisi Santrali Kurulabilir Alanlar

Aydın için Rüzgar Enerji Santrali Kurulabilir Alanlar

Haritadaki gri ve siyah renkli alanlar o bölgelere rüzgar enerji santrali kurulamayacağını gösterir. Bunun nedenleri de o bölgelerdeki şehirleşme,tarımsal faaliyetler arazi sorunları ve ölü rüzgar bölgesi gibi olumsuz etkenlerdir.

Aydın ili için Rüzgar Enerjisi Santrali Kurulabilir En Uygun Bölge

Aydın ili için Rüzgar Enerji Santrali Kurulabilecek En Uygun Bölge

Aydın şehrinde yaptığımız tüm rüzgar kapasite incelemeleri sonucunda rüzgar enerji santrali için en uygun bölge Dilek Yarım Adası Büyük Menderes Deltası Milli Parkının burun kısmıdır. Bu alan teorik olarak belirlenmesine karşın, kurulum yapılacak arazi değerlendirilmesi ve rüzgar ölçüm sistemlerinin kurulup rüzgar hız ve frekans değerlerinin tespit edilmesi gerekir.

Rüzgar Enerji Üretim Hesaplaması

Rüzgar Hızı Frekans İlişkisi

Rüzgar enerji santrali kurulmadan önce belirlenen araziye kurulan rüzgar ölçüm sistemlerinin ölçtüğü değerlere göre bölgenin rüzgar hızı ve frekansı arasındaki ilişkiyi gösteren tablo aşağıdaki gibidir. 

HızFrekansHızFrekansHızFrekansHızFrekans
0,1702,162354,1360426,145369
0,22852,261534,2386156,247253
0,34912,363694,3393506,349158
0,47962,466354,4378256,451258
0,515002,567524,5396546,553698
0,618002,669584,6410966,654869
0,718502,769054,7428006,756258
0,819362,875634,8431476,857632
0,919752,978624,9436916,958631
13200315050544235759994
1,138003,1173255,1410237,258632
1,246003,2182005,2386317,555143
1,348003,3164505,3352148,332456
1,449253,4171255,4362418,512365
1,551503,5202005,537896Genel Toplam757650
1,656393,6213505,631202
1,752633,7269875,739112  
1,848263,8296345,838963  
1,956393,9285005,937826  
26389432500642369  

Rüzgar Türbin Sistemi Seçimi

Seçilen bölgedeki rüzgar verilerine göre rüzgar enerji santrali türbin sistemi RETScreen 4 adlı program ile Enercon firmasının Enercon-48-50M türbini seçilmiştir. Seçilen alanda 10 adet türbin kullanılması düşünülmektedir.

Rüzgar Türbin Seçimi (RET Screen Programıyla) 

    Rüzgar hızıGüç eğrisi verileriEnerji eğrisi verileri
    m/skWMWh
Rüzgar türbini   00,0 
Türbin başına güç kapasitesikW800,0 10,0 
İmalatçıEnercon20,0 
ModelENERCON – 48 – 50M35,0193,3
Türbin sayısı 10 425,0524,1
Güç kapasitesikW8.000,0 560,01.030,3
Bağlantı noktası yüksekliğiM50,0 6110,01.644,9
Türbin başına rotor çapıM48 7180,02.282,5
Türbin başına taranan alan1.810 8275,02.884,1
Enerji eğrisi verileri Standart 9400,03.421,2
Şekil faktörü 2,0 10555,03.884,2
    11671,04.271,2
    12750,04.583,0
    13790,04.821,3
    14810,04.989,4
    15810,05.092,9
    16810,0 
    17810,0 
    18810,0 
    19810,0 
    20810,0 
    21810,0 
    22810,0 
    23810,0 
    24810,0 
    25810,0 

Rüzgar enerji santrali için seçilen rüzgar türbin sisteminin özellikleri aşağıdaki tablodaki gibidir.

ENERCON E-48 / 800 kW Rüzgar Türbin Sistemi Özellikleri

Anma Gücü800 kW
Rotor Uzunluğu48 m
Göbek Boyutu50m/55m/60m/76m
Rüzgar BölgesiWZ III
Rüzgar SınıfıIEC/NVN IIA
Türbin ÇeşidiDişlisiz, değişken hızlı, tek bıçak ayarlı
Rotor TipiAktif Pitch Kontrol İle Rüzgara Karşı Rotor
Kanat Dönme YönüSaat yönü
Kanat Sayısı3
Kanat Süpürme Alanı1,810 m2
Kanat MateryaliGRP (epoksi reçinesi): Yıldırıma Karşı koruma entegresi
Rotor Dönme HızıDeğişken, 16-31 rpm
Pitch KontrolENERCON tek pitch sistem, acil durum tahsisiyle rotor kanadı başına bir tane bağımsız pitch sistem
Jeneratör Ana YatakKonik Makaralı Rulman Çifti
JeneratörENERCON direct-drive dairesel jeneratör
Şebeke BeslemesiENERCON inverter
Frenleme SistemiRotor freni,rotor kilidi acil durum güç tedariğiyle 3 adet bağımsız pitch kontrol sistem
Yaw ControlAktif dişlilerin ayarıyla, yüke bağlı sönümleme
Cut-out Rüzgar Hızı28-34 m/s aralığı fırtına koruması
Uzaktan İzlemeENERCON SCADA

Seçilen Rüzgar Türbin Sistemindeki Naselin İç Görünümü

Rüzgar Enerji Santrali Seçilen Rüzgar Türbin Sistemindeki Naselin İç Görünümü

Rüzgar Hızına Göre Seçilen Türbinde Üretilen Güç

Rüzgar Hızına Göre Seçilen Türbinde Üretilen Güç

Seçilen Rüzgar Türbininin Matematiksel Modellemesi

50 Metredeki Rüzgar Hızının Matematiksel Olarak Belirlenmesi

Önceki bölümlerde de anlatıldığı gibi bir bölgeye rüzgar enerji santrali kurulmadan önce rüzgar ölçüm direği dikilerek rüzgar hız değerleri ölçülür. Seçilen bölgede ise rüzgar hızı 10 metre için yaklaşık olarak 4,46 m/s bulunmuştur. Verimli bir sistem için 50 metrelik bir türbin yüksekliği istendiği için 50’m deki hız Hellman bağıntısıyla buluyoruz.

Vx=Vr.(Hx/Hr)u

Vr=Referans yükseklikte ölçülen rüzgar hızı

Hr=Referans yükseklik

Hx=Hız hesaplanacak yükseklik

Vx=İstenen yükseklikteki rüzgar hızı

u= Hellman Katsayısı

Bu denkleme göre Hr yani referans yüksekliğimiz 10 metre, bu yükseklikteki rüzgar hızımız yani Vr de 4.46 m/s’dir.  

Aşağıdaki tabloda rüzgar enerji santrali kurulacak yerinin arazi özelliklerine göre Hellman katsayıları belirlenmiştir. Arazi ağaçlık olduğu için bu değer 0,28 olarak belirlenmiştir.

Ölçüm Yeriµ
Açık deniz, kıyı şeridi0,14
Açık alan, tarlalar0,18
Ağaçlık alan, yerleşim alanı0,28
Yüksek binalı yerleşim alanı0,4

Yukarıdaki tüm bilgilere göre;

Vx=4,46m/s.(50m/10m)0,28 

50 metre yükseklikteki rüzgar hızı Vx=7 m/s’dir.

Maksimum Güç

Rüzgardan üretilen enerji türbin kayıpları ihmal edilirse maksimum değerde aşağıdaki gibi hesaplanabilir.

PT=1/2xCPxρxAx(Vr)3

PT = Üretilebilecek maksimum güç (W)

ρ = Hava yoğunluğu (kg/m3) = 1225 kg/m3

Cp = Betz katsayısı (0,5926)

A = Rotor süpürme alanı (m2)

Rotor süpürme alanı rüzgar türbin kanatlarının dairesel dönüşünde taradığı alandır. Bu daire alan formülü ile yani pi sayısının yarı çapın karesi ile çarpılması ile elde edilir. Seçtiğimiz rotorun çapı 48 metre olduğuna göre burada r’yi 24 pi sayısını da 3 olarak alıyoruz ve aşağıdaki formülde yerine koyuyuoruz.

A=π.r2

A=3.242

A=1810 m2

Vr = Ortalama rüzgar hızı (m/s) önceki hesaplamada bulduğumuz 50 metredeki değeri yani 7 m/s hızını burada kullanacağız.

PT=1/2×0,5926x1225x1810(7)3  

PT=225,35 kW

Bulunan bu değer normal şartlarda kayıpsız üretilebilecek maksimum güçtür. Rüzgar enerji santrali için seçilen türbin olan ENERCON E-48/800kW ‘in hıza göre güç değerlerinde 7 m/s hızda 180 kW güç elde edildiği belirtilmiştir. Bu değerdeki düşüm türbin kanatlarında oluşan girdap ve sürtünme kayıplarıdır. Yani sistemimizin kanatlarda oluşan kayıplarıyla birlikte oluşan gerçek güç 180 kW, teorik gücü ise 225,35 kW’tır.

Gerçek Güç

Rüzgar türbinlerinde gerçek güç, kayıplardan dolayı ortaya çıkan gerçek verimle maksimum gücün çarpımıdır. İdeal türbinlerde genel verim %30-40 arasındadır bizim kullanacağımız türbinin verimi ise yaklaşık olarak %38 civarındadır. Bu değerler ile rüzgar enerji santrali ile üretilebilecek gerçek gücü bulabiliriz. Gerçek güç aşağıdaki formülle bulunur.

PG=PT

PG= Gerçek Güç,

PT= Maksimum (Teorik) Güç,

η= Gerçek Verim

PG=225,35×0.38

PG=85,63 kW

 

Rüzgar Enerji Santrali Kapasite Faktörü Belirlenmesi

Rüzgar Enerji Santrali Kapasite Tablosu

Rüzgar hızıGüç eğrisi verileriEnerji eğrisi verileriFrekans Esme SayısıÜretilen Enerji eğrisi verileri
M/skWMWhfr (h)Pt*fr=kWh
00 00
10 32000
20 63890
35193,31505075250
425524,132500812500
5601.030,30442352654100
61101.644,90423694660590
71802.282,505999410798920
82752.884,10348629587050
94003.421,2000
105553.884,2000
116714.271,2000
127504.583,0000
137904.821,3000
148104.989,4000
158105.092,9000
16810 00
17810 00
18810 00
19810 00
20810 00
21810 00
22810 00
23810 00
24810 00
25 – 30810 00
  Genel Toplam23859928588410

 

Oluşturduğumuz enerji kapasite tablosundaki bilgilere göre ve aşağıdaki formüle göre rüzgar enerji santrali için kapasite faktörü belirlenir.

KF=ET/(PN.8760)

KF=Kapasite Faktörü

ET=Rüzgar enerji santrali ile bir yıl boyunca üretilebilecek güç miktarı

Enerji kapasite tablosuna göre 28588410 kWh/yıl olarak belirlenmiştir.

PN= Rüzgar enerji santrali toplam kurulu gücü

800 kW gücünde 10 tane türbin planlanmıştır. Bu da toplamda 8000 kW bir kurulu güç yapar.

Sabit katsayı olarak verilen değer de 1 yılın saat cinsinden değeridir. 365 gün x 24 saat = 8760 saat/yıl

KF=28588410/(8000.8760)  KF=0.4  

KF=%40

%40 kapasite oranına sahip bir rüzgar enerji santrali de yatırımcı açısından oldukça verimlidir.

Sonuç

Rüzgar enerji santrali dizaynının çok iyi bir şekilde ve doğru metotlarla yapılması gerekmektedir. Ülkemizin ve dünyamızın rüzgar enerji santrali olmaması için tasarımlar ve hesaplamalar en ince ayrıntısına kadar yapılmalıdır.

Bu yazı ile sizlere rüzgar enerji santrali tasarımı adlı tezimin en önemli bölümlerini aktarmaya çalıştım. Eksik veya hatalı gördüğünüz yerleri yorum olarak belirtirseniz sevinirim.

 

Emre LEBLEBİCİOĞLU
Emre, 1993 yılın ekim ayında Adana'nın Seyhan ilçesinde doğdu. İlk,orta ve lise öğrenimini burada tamamladı. 2011 yılında Karabük Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği bölümünü kazandı. 2012 yılında ise yine aynı üniversite de Mekatronik Mühendisliğinde çift anadala başladı. 2014 yılının ilk döneminde erasmus programı kapsamında Bükreş Politeknik Üniversitesi'nde eğitim aldı. 2015 yılında haziran ayında Enerji Sistemleri Mühendisliğinden, ağustos ayı sonunda ise Mekatronik Mühendisliğinden mezun olmuştur. Mezuniyetten sonra ise 1.5 yıl solar enerji sektöründe faaliyet göstermiştir. Askerlik vazifesini de yedek subay olarak tamamlamıştır. Şuan da ise Marmara Üniversitesi İngilizce Makine Mühendisliği bölümünde tezli yüksek lisans yapmaktadır.

Python Programlama Dili Nedir ?

Önceki Yazı

X-ışını Spektroskopisi Nedir ve Nerelerde Kullanılır?

Sonraki Yazı

Bunları da beğenebilirsiniz

Yorum

Cevap Yaz

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Bu konuda daha fazla Yenilenebilir Enerji