MODULER BAĞIMSIZ ENERJİ ÜRETİM SİSTEMİ

MODULAR BAĞIMSIZ ENERJİ ÜRETİM SİSTEMİ

Mehmet İY İLİKÇİ Elek. Y ük. Mühendisi (FH)

ÖZET

Büyük ve küçük kent merkezlerinden uzak, çok tenha, orta ve yüksek gerilimli enerji nakil hatlarıyla bağlantısı bulunmayan yörelerin enerji ihtiyacını karşılamak için, rüzgâr enerjisi üretim tesisleriyle, Diesel Elektrojen birle şimine olan gereksinme ve ilginin, son senelerde arttığı dikkatle izlenmektedir. Diesel Elektrojen birimleriyle üre tilen enerji sistemine rüzgâr santrallarının da ilave edil mesiyle, daha ekonomik ve bağımsız bir enerji üretim sistemi oluşturulur. Aşağıda tenha yörelerde tesis edilen rüzgâr santralların donatım, ayar ve kumandası konu sunda gereksinmelerin neler olduğu örneklerle anlatıl maya çalışılacaktır.

1. Rüzgâr Enerji Üretim Ünitelerin Devreye Sokulma İmkanları

Tenha ve mevcut enerji dağıtım ve iletim merkezleriyle (Trafo istasyonları v.s.) bağlantısı bulunmayan yörelerin enerji ihtiyacının Diesel Elektrojen birimlerine, rüzgâr santrallarının eklenerek giderMmesi yönünde yapılan atılım ve gelişmelerin son senelerde bir artış gösterdiği il giyle izlenmektedir. Diesel Elektrojen grubu ile merkezi olmayan bir enerji üretim sistemin parasal yönden pek ekonomik olmadığı bir gerçektir. Daha ekonomik ve ba ğımsız bir enerji üretim sisteminin tesisinde, rüzgar ener jisinden faydalanmak yoluyla enerji üretim maliyetinin asgari düzeye indirilmesi mümkündür.

Uzun senelerin verdiği tecrübe ve geliştirmelerin ürünü olarak, merkezi olmayan enerji üretim sistemlerin yapım ve işletim esaslarına dayanılarak, yeni ayar ve kumanda • sistemlerinin de geliştirilmesi kaçınılmaz hale gelmiştir. Rüzgâr Diesel Yedek akümülatör birleşimi olarak geliş tirilen bu sistemle, rüzgâr hızının çok şiddetli olduğu za manlarda, Diesel gerecinin tamamen devre dışı edilebil

mişidir. Bunun haricinde yedek akümülatör birimi, rüzgâr hızının düşük olduğu zamanlarda Diesel Elektro jen biriminin sık sık açıp kapama (star/stop) işleminin azalmasını sağlar.

Aşağıda, bağımsız bir şebekeyi besleyen rüzgâr enerji santralları için gerekli olan elektrik kumanda ve ayarlama cihazlarının yerleşimi üzerinde durulacaktır.

2. Bağımsız İşletmede Rüzgâr Santralları

Büyük bir enerji ihtiyacını karşılayabilmek için, birden fazla enerji çeviricileri paralel işletme zorunluğu ol duğunda, bunun mümkün olduğu sürece rüzgâr enerji üretim sistemleriyle giderilmesine çalışılmalıdır. Rotor ka natlarının, ayaHanabilen açıda kaydırılmasıyla güç ve de vir sayısı ayarlanabilir. Bir yörede tesis edilmiş sistemin düzeltilmesinden başka, diğer faydalı yönü, ikinci kade mede rüzgâr hızının değiştirilmesiyle çıkış gücünün kısa sürede daha iyi dengeienebilmesidir.

Bağımsız bir yörede kurulmuş iki rüzgâr enerji sisteminin bağlanış ve işletilmesine dair örnek proje, Small Stand Alone Wind Farm for VVater Pumping olup, Ürdün Royal Scientific Society tarafından sipariş edilerek 1987 yılında Kopverd adalarında GTZ şirketi tarafından kurul muştur. Rüzgâr santralları parkı şeklinde nitelendirilen bu sistem için, her biri iki veya üç rüzgâr enerji çevirici Aerom MAN Teknoloji GmbH tipi seçilmiştir.

Rüzgâr enerji üretim sisteminde paralel bir işletme için standart asenkron generatörleri tercih edilir. Çeviricilerin anma gücü 20 30 kW arasındadır. Gerilim ayarlanması, 40 KVA'lik dönel faz kaydırıcı ile yapılır. Faz kaydırıcısı küçük bir DC motoru tarafından, rüzgârın sakin olduğu zamanlarda anma devir sayısına çıkartılır. Bu suretle rüzgâr tesisleri ve enerji çeviricileri için gerekli şebeke

şartları, yerine getirilmiş olur. Birimlerden bir adedinin he men devreye girmesi durumunda, DC motoru devre dışı yapılarak mekanik ayırım gerçekleşir (Şekil 1). Rüzgâr enerji çeviricinin çalışması sırasında, şarj ve deşarj gereçleri tarafından doldurulan küçük bir akümülatör DC motorunu besler. Gereksiz bir şekilde sık sık devreye sokma işlemi ve akümülatör kapasitesinin aşarı artması nı önlemek için, birimin yalnızca rüzgâr hızının yeterli ol duğu anlarda bir defa devreye sokma işlemi yapılmalıdır.

Dönel faz kaydırıcısının yükünü almak için, ilave olarak bir kompanzasyon düzengeci öngörülmüştür. Pompa ların devreye sokulması ve faz kaydırıcısının çalıştırıl ması için gerekli kumanda, tüketici durumundaki cihaz ve gereçlerden verilir. Mantıken, açıp kapama ölçütleri,, mikroişlemci ile donanmış tesisin yakınında her an alıcı ların isteklerine uyum sağlayacak şekilde değiştirilebilir.

î£s'*

Iflew> toy + h

••r/ I

Şekil 1. Bağımsız işletmedeki bir rüzgâr santralın blok şeması ömek olarak su pompalarının beslemesi.

3. Rüzgâr Photovoltaik ve Akümülatör Birleşimi Yukarıda anlatılan rüzgâr santralına güneş enerjisi (so lar) generatörü ve yedek akümülatör birimi ilave etmek suretiyle, rüzgâr hızının düşük olduğu anlarda önemli hallerde alıcıların enerji ihtiyacı karşılanır. Amman ile Akaba arasında bulunan Jur El Daraweesh/ Ürdün, köyünün enerji ihtiyacını karşılamak için yukarıda adı geçen santrallardan biri planlanmış ve 1987 yılında montajı bitirilerek işletmeye girmiştir. Bu sistem, her biri nin anma gücü 20 kW olan iki Aeroman rüzgâr enerji çeviricisi, anma gücü 15 kW (maksimum) olan Photo Voltaik ve enerji hacmi tahminen 250 kVVh'lık bir yedek akümülatör biriminden oluşmaktadır. Bu birim, bir redre sör üzerinden alternatif akım baralarıyla bağlanmıştır (Şekil 2). Aeroman tipindeki rüzgâr enerji çeviricileri, standart yapım türündeki asenkron generatörle teçhizatlandırıl mıştır. Rüzgâr enerjisi sistemleri, köydeki diğer alıcı ci haz ve gereçler gibi doğrudan üç fazlı baralara bağlan mışlardır. Bu suretle, rüzgâr santrahnca üretilen enerjinin (güç olarak) ilk önce akım doğrultacı, akümülatör sistemi ve redresör üzerinden önlenerek, verimin önemli dere cede düzeltilmesi sağlanır.

Şekil 2. Jurf El Daraweesh Köyü, rüzgâr Photovoltaik Akü kombinasyonu ile enerji temini sistemi blok şeması.

Tasarlanan rüzgâr enerji tesislerinin alternatif akım şebekesinin herhangi bir noktası ile bağlantısı her an yapılabilir. Bu işlem için özel kumanda iletkenlerine ge rek yoktur. Üniteler, akım doğrultacı ve dönel faz kaydırıcı'dan oluşan devreye, rüzgâr hızının yeterli ol duğu anda, kendiliğinden girerler. Gücü 15 kW, anma gerilimi 220 V olan birimlerden bir tanesi Photovoltaik Generatör olarak çalışır. Birimin gücü devreye giren akım doğrultacı üzerinden bağımsız şebekeyi besler. Bir "Maximum Power Point" zirve gücü ayarlaması ile opti mal bir enerji üretimi garantilenir.

Anma gerilimi 220 V olan kurşunlu bir akümülatörün ka pasitesi 1500 Ah'dir. Kapsamlı bir akümülatör kontrolü ve bakımı; akımları gerilimleri ve sonuçta dinamik şarj ve deşarj durumunun sabit kalmasını içerir. Ancak bu tür bir kontrol ve bakımla optimal işletme şartları yerine getirile rek akümülatörlerin tamamen deşarj olmaları veya aşırı yüklenmeleri önlenir. Devrede bulunan akım doğrultacı sağlam ve ekonomiktir. Alternatif akım şebeke frekan sını ayarlayarak akü gücünü düşürür ya da rüzgâr enerji çeviricilerinden veya Photovoltaik generatöründen çeki len fazla güçle akümülatörü doldurur (şarj işlemi).

Gerilim ayarı, bir küçük yardımcı DC motor tarafından harekete geçirilen faz kaydırıcısı ile gerçekleşir. Faz kaydırıcısının devreye girmesinden sonra, DC motor devre dışı edilerek mekanik bağlantısı kesilir.

Bu taslağın faydalı yönü, alternatif akım şebekesinde herhangi bir hatanın oluşumunda, koruyucu öğelerin (sigorta elemanları v.s.) dönel faz kaydırıcısı tarafından harekete geçirilerek korumanın sağlanmasıdır. Bunun, akım doğrultaçlarında akım sınırlaması söz konusu ol duğundan ve uzun süre anma akımında hatayı etkileye ceğinden, statik akım doğrultaçlarıyla gerçekleştirilmesi mümkün değildir. Bu durumda insan ve tesis için bir teh likenin varlığı söz konusudur. Sistemin diğer bir avantajı, yolalma akımı yüksek olan alıcıların (pompa ve benzeri olan diğer gereçler gibi) gerilim düşümü ve frekans deği

sikliği olmaksızın, problemsiz bir şekilde devreye girme lerini sağlamasıdır. Devreye bağlanabilin bir kompanzas yon birimiyle faz kaydırıcının reaktif gücü (Şekil 2) dü şürülür. Kompanzasyon kademeleri emici devre olarak belirlendiklerinden, akım doğrultacının sebep olduğu tepe salmımlann aynı anda titreşime olan etkisi % 51en az olacak şekilde seçilmelidir. Ayar ve kontrol gereksin meleri için devreye, tüm birimlerin optimal ve emniyetli şekilde çalışmalarını üstlenen bir mikro işlemci sistem monte edilmiştir. Bu sistem aşağıda belirtilen hususların kontrol edilip edilmediğine dair bilgileri toplar.

— Akümülatörlerin ayar ve kumandası, — Dönel faz kaydırıcısının devreye girmesi, — Şebeke frekansının ayarı, — Güç ayarı, — Kompanzasyon biriminin devreye sokulması veya devre dışı edilmesi, — Photovoltaik Generatörü için ayar ve kumandanın kontrolü.

4. Rüzgar Diesel Akümülatör Sistemleri

Rüzgâr hızının çok düşük olduğu zamanlarda, yörenin enerji gereksinmesi, Diesel elektrojen ve yardımcı akümülatör birimleriyle geçici süre için garanti edilir. Akümülatör birimlerinin uzun dönemde bir enerji kaynağı şeklinde düşünülmesi pek ekonomik değildir. Akü birim lerinin ancak kısa süreler için bir enerji üretim sistemi ol duğu aşağıdaki örnekten anlaşılacaktır.

Bir veya birden fazla Diesel Elektrojen birimleri ta rafından beslenen zayıf bir şebekenin, birden fazla rüzgâr santralları ile paralel çalışması santralların ayar kumanda ve kontrol işlemleri konusunda çok sayıda özel istekleri ve sorunları da beraberinde getirir. Bu istekler sabit bir şebekenin işletilmesinde fazla olmamalıdır. Bu rada anlatılan tesis sistemi, Diesel motorun çalışmaması durumunda hava şartlarının elverişli olması (rüzgâr hızının yeterliliği) ve tüketici gücün düşük olması ha linde, yörenin enerji ihtiyacını karşılayacak kapasitede dir.

Diesel motor elektrik olarak kumanda edilen kavrama ile diğer bir üst kavrama düzengeci üzerinden motor gene ratör grubuna irtibatlandırılmıştır. Diesel motor devre dışı edildiğinde, senkron generatör, dönel faz kaydırıcısı ola rak çalışır ve hem gerilim ayarlama hem de reaktif güç üretme görevini yapar (Şekil 3). Rüzgâr hız değişikliği veya şebekede bağlı bulunan alıcılarda teşekkül eden güç salınımlarından dolayı, Die sel motoru lüzumsuz bir şekilde çalıştırmadan, sadece yedek akümülatör birimini devreye sokmak.daha avan tajlıdır.

Bu sistemin kapasitesi düşük ve anma gücü (aşağı yuk arı 30 dakika için) öngörülmüş olup, yöre şartları ve alıcıların isteklerine bağlıdır. Akünün şarj işlemi veya bağımsız bir şebekeyi beslemek için, tekrar mekanik ola rak tahrik edilen veya şebeke gerilimiyle çalışan akım doğrultacı kullanılır. Bundan başka bir akümüiatör birimi nin devreye tesis edilmesiyle, Diesel motorun çalışması nı en uygun güç kademesinde, örneğin zirve yüklenme lerinde, imkan sağlanabilmesidir. Motorun anma gücü

Şekil 3. ' Statik akım doğrultaçlı M odular bağımsız enerji üretim sistemin basit bir blok şeması.

nün üzerinde yüklenmesi ise, sadece kısa süre için ka bildir. Bu durumda bağımsız şebekenin gücü, zirve yüküne göre değil, daha küçük bir yüke göre belirlenir. Fazla yüklenme durumunda, yedek akümülatör birimle rince dengeleme sağlanır.

Çalışır durumda olan senkrongeneratör tarafından gerilim ayarlanırken, frekansın ayarlanması türünde ise, dört esaslı işletme tarzı vardır. Bunlar:

— Rüzgâr hızının düşük oiduğu ve alıcıların çektiği gü cün fazla olduğu zamanlarda, rüzgâr enerji çevirici leri ile, Diesel Elektrojen ve yedek akü birimlerinin paralel işletilmesi,

— Rüzgâr hızının yeterli olmadığı zamanlarda Diesel Elektrojen ve akü birimlerinin paralel işletilmesi,

— Rüzgâr hızının yeterli olduğu zamanlarda, çevirici lerin ve yedek akü birimlerinin paralel işletilmesi,

— Rüzgâr eneri santral ve alıcıların çektiği gücün düşük olduğu zamanlarda yedek akü birimlerinin yalnız işletilmeleridir.

Sistemi oluşturan değişik enerji üretim üniteleri arasın daki güç, frekans güç statik, kuralı esas alınarak pay laştırılır. Mikro işlemci ile kumanda edilen işletme tarzı, tesisin verdiği geçici güç, akümülatör biriminin şarj duru mu, yüklenme şartları ve alıcılar tarafından çekilmesi beklenen güce bağlı en ekonomik ve emniyetli olanıdır.

Eylül 1987 yılmda Kassel Yüksek Teknik Okulu, Elektro teknik Bilim dalı Prof. Dr. Ing. W. Kleinkauf ve SMA fir ması, bağımsız bir enerji üretim taslak projesi üzerinde, bir dizi teorik ve deneyimli araştırmalar yapmışlardır. Die sel motorların "dinamik yüklenmelerin etkisi" üzerine yapılan bu araştırmalar, rüzgâr enerji çeviricilerinin, Die sel Elektrojen birimiyle paralel işletilmeleri sırasında yakıt ihtiyacının ihmal edilebileceğini göstermiştir. Diesel motorların ara sıra devre dışı bırakılmaları motorun ısınma anındaki yakıt gereksinmesi oldukça azdır.

Bilgisayarda uygulanan deneyim programı, statik akım doğrultacı birimi, müşterek model üzerindeki değişimlerin araştırılabilme olanağını vermiştir. Kassel Yüksek Teknik

a) «ı

AM

•ssO

2S

C) 30 ffl/i t"

"• ıo .—

0» J» 2» 3» «» 5» t*

i İV\\^ \

«^ v

s

y"

•—«. S**

60 kVV 60

1/ / / 20

kW 1 25

"YIİ / ı/

i'\ 1

kW

r

İ0

V ' V »* H» 12» 13» U» 15» »» 17» 16» 19» 20» 21» 22» 23» 24»

Şekil 4. Cape Clear / Rüzgâr Diesel Akümülatör santralının yük değişim eğrileri. 10 dak. ortalama değer 30.8.1987 tarihinde tespit edilmiştir.

a) Py = alıcı gücü, PD = Diesel motor gücü

b) PB = akümülatör gücü, CB = Akünün kapasitesi

c) PWWBBAA = Rüzgâr santrah I + D verdiği güç w = rüzgâr hızı

Okul Laboratuvarında, Rüzgâr Diesel Yedek akümülatör sistemiyle, frekans gerilim ayarı konusunda yapılan de neyimlerle önemli sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmalarda statik akım doğrultacının sebep olduğu üst salınımların bir bölümünü ve senkron generatörde reaktif güçlerin se bep oldukları kayıpların en aza indirilmesinde gerekli önlemlerin alınabileceği de denenmiştir. Son iki sene içerisinde 20 kVV'lik küçük bir bağımsız sistemle yapılan deneyimler, bir işletme şeklinin nasıl düzeltilebileceğini kanıtlamıştır.

5. Cape Clear Projesi

Bağımsız bir modular enerji sistemin güç ve ekonomik yönden verimliliği, İrlanda'nın Cape Clear adasında kuru lan pilot bir birimde yapılan deneyimlerle belirlenmiştir. Bir pilot proje olarak gerçekleştirilen bu tesis, Ortak Pa zar Ülkeleri tarafından finanse edilmiştir. Adı geçen proje ve benzerleri Federa! Almanya Araştırma ve Teknoloji Bakanlığımca teşvik edilmektedir. Yukarıda anılan proje nin tatbik edildiği Cape Clear adası 300 nüfuslu olup İrlanda'nın güneybatı kesiminde bulunmaktadır. Adadaki rüzgâr durumu mükemmel olup yıllık ortalama hızı 7,8 m/ s'dir. Adada kurulan enerji üretim sistemi, beherinin an ma (nominal) gücü 30 kvVIık iki adet Aeroman tipi rüzgâr çeviricisinden. 72 kVV'lik. MAN marka Diesel Elektrojen ve 100 kVVh'lık bir yedek akümülatör biriminden oluşmak tadır. Adanın enerji ihtiyacı, yeni tesis kurulmadan önce, herbirinin anma gücü 100 kW olan iki adet Diesel Elekt rojen birimi tarafından 164 kW üretilerek 10 kV'luk enerji iletim hatlarıyla dağıtımı yapılıyordu. Adanın yıllık enerji

tüketimi 280.000 kvVh'dir. Günlük yük eğrisinin sabahın erken saatlerinde asgari 25 kW, akşam saatlerinde ise 80 120 kW arasında olduğu görülmektedir (Şekil 4), Her iki rüzgâr santralı, adanın 162 m yüksekliğindeki tepe üzerinde kurulmuştur. Zira tepede üretilen enerji ka pasitesi deniz seviyesinde üretilene göre daha yüksek tir. Diesel Elektrojen birimi ile rüzgâr enerjisi santralı arasındaki mesafe 3 km'dir. Diesel Generatörü ve redresörlü akümülatör birimi, adanın liman sahasındaki mevcut Diesel motorun yakınında tesis edilmiştir. Bir sene içerisinde yapılacak ölçme ve değerlendirme lerle, kurulan enerji üretim sisteminin, ekonomik gerek sinmesinin, işletme birimleri ve türünün, gelecek için op timal olup olmadığının yönleri belirlenmeye çalışılacaktır.

Y ARARLANILAN KAY NAKLAR (1) Kleinkauf, W.; Leonhard, W. et. al.: Final Report of BMFT Project "Operational behaviour of wind energy converters". Gesamthochschule/Kassel TU/Braunschweig, 1984.

(2) Caselitz, P.; Hackenberg, G.; Kleinkauf, W.; Scort time behaviour with wind energy cenverters. Eur. Wind Energy conf. (EWEC), Hamburg 1984.

(3) Cramer, G.; Grebe, R.; Hanna, B.; Sachau, J.; Ad vanced autonomous electrical power supply for the smal lirish island of Cape Clear. EWEC, Rom 1986.

(4) Cramer, G.; Enerjieversorgung, etz Bd, 108 (1987). Heft 22.