GİRİŞ

Bu nedenle dünyanın bir çok ülkesi 1992 yılında Rio'da gerçekleşen Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Konvansiyonu Çerçeve Anlaşması'nda sera gazı emisyonlarının 2000 yılında 1990 yılı seviyelerine çekilmesi kararı alınmıştır. 1997 Aralık'ında Kyoto Konferansı'nda, dünyadaki sera gazı emisyonlarının 2008-2012 yılları arasında 1990 yılı seviyesinin % 5.2 altına çekilmesi ön görülürken bu oran Avrupa ülkelerinde % 8 olarak belirlendi. Bu anlaşmalara uymak ve ülkemizde hızla artan enerji ihtiyacına cevap verebilmek için çeşitli yollar aramaya konulmuştur. İlk olarak geleneksel yakıtlardaki spekülasyonlardan etkilenmeyen, işletme esnasında dışa bağımlı olmayan, kurulum süresi diğer santrallere kıyasla daha kısa olan, rüzgar santralleri kurulum sürecine girilmiş oldu. Ancak yatırım maliyetlerinin fazla olması, çevresel ve mevsimsel etkilere direkt bağlı olması sebebiyle bir çok yatırımcıyı tereddüte düşüren bir yatırım aracı olmuştur. Buna rağmen potansiyelleri göz önüne alındığında artan ihtiyaca cevap verilebilecek bir kaynak olması dolayısıyla her zaman ilgi odağı olmuştur. Aşağıdaki tabloda Türkiye'de ölçülen rüzgar kapasitelerinin ve 2009 sonu itibariyle kurulu gücün gösterildiği bir tablo verilmiştir.

2009 Sonu İtibariyle Kurulu Güç

Özel sektör tarafından yürütülmekte olan çok sayıda rüzgar santrali projesi, gerek inşaat gerekse lisans başvurusu aşamalarında devam etmektedir. 2009 sonu itibariyle Türkiye'de rüzgar santrallerinin kurulu gücü 802,8 MW değerine ulaşmış bulunmaktadır.

2010 Sonu İtibari İle Türkiyenin Kurulu Gücü

Türkiyenin 2020 yılı enerji perspektifi

Türkiye enerji sektörünün mevcut karamsar durumunun 2020 yılı perspektifinde de süreceği şu anki tabloya bakılarak görülebilmektedir. Ülkemizin 2020 yılında enerji tahminlerini karamsarlığa düşüren en önemli etken henüz gelişme sürecinde olan sanayimizin olması dolayısıyla hiç bir Avrupa ülkesinde görülmeyen yıllık % 8 oranında artan enerji ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Enerji bakanlığının bu denli karamsarlığa düşmesinin nedeni her yıl % 8 olan bu artışın geçici değil uzun süreli bir karakteristiğe sahip olmasında kaynaklanmaktadır.

Aşağıdaki tabloda verilen verilere bakılarak yukarıda bahsedilen % 8'lik talep artışı sonucu bazı hesaplamalar verilmiş ve ne kadarlık bir yatırıma ihtiyaç duyulduğu gözler önüne serilmiştir.

 

Ülkemiz İçin Öngörülen Enerji Değerleri

Söz konusu ihtiyacın karşılanabilmesi için üretim sektörünün kurulu güç hesabıyla her yıl 4.7 milyar USD, üretilecek elektrik enerjisi hesabıyla he yıl 3.1 milyar USD yatırıma ihtiyaç duyulmuştur. Devlet Planlama Teşkilatı Müsteşarlığı (DTP) tarafından öngörülen düşük ve yüksek elektrik talep artışı tahminlerine göre bir tablo elde edilmiş ve bu tablo aşağıda gösterilmiştir.

DPT'nin Düşük Senaryosuna Göre Türkiyenin Enerji İhtiyacı

DPT'nin Yüksek Senaryosuna Göre Türkiye'nin Enerji İhtiyacı

Tablolarda düşük senaryoya göre önümüzdeki 9 yıl içinde kurulu kapasiteye ek olarak asgari 190 milyar kWh elektrik ihtiyacını karşılayabilecek yeni yatırımlar gerekmektedir. Türkiye yılda ortalama olarak 21 milyar kWh yıllık üretim yapması gerekmektedir. Bu ise % 80 kapasite faktörü ile her yıl ortalama 3.000 MW kurulu güç tesisinin kurulmasını öngörmektedir. Enerji darboğazının oluşmaması için üretim yatırımlarının yılda yaklaşık 4 milyar USD olması gerekmektedir.

Güç Kalitesi ve Şebeke Etkileşimi

Enerji Piyasası Denetleme Kurulu (EPDK), rüzgar santrallerinin diğer santrallerden farklı bir karakteristiğe sahip olmasından dolayı şebekeye olan bağlantısında uyması gereken standartları ayrıca belirtmiştir. Rüzgar santrallerinin arıza sonrasında sisteme vermesi gereken katkı, aktif-reaktif güç kontrolü, frekans aralığı gbi kriterler Elektrik Piyasası Şebeke Yönetmeliği EK-18'de detaylı olarak verilmiştir. EPDK, rüzgar santrallerinin kurulu güçlerini sınırlandırmıştır. Rüzgar santrali kurulu gücü, bağlanacağı noktanın kısa devre gücünün %5'ini geçemez. Ancak bu değer bağlantı noktalarının karakteristiğine göre değişebilmektedir. Ayrıca şebekenin kalitesini bozmamak adına rüzgar santrallerinin kurulu gücü kadar sürekli sistemlerden (hidroelektrik santrali, doğalgaz santrali) çalışan yedek miktarı olması gerekmektedir.

Rüzgar Türbini Güç Kalitesi

Şebekeye bağlanan rüzgar santrallerinin şebekenin gücü ve gerilim kalitesi üzerinde bazı etkileri görülmektedir. Özellikle şebekenin zayıf olduğu bağlantı noktalarında rüzgar santrallerinden elde edilen enerji daha baskın olacağından ve halen kurulu santrallerle elde edilen enerji kalitesine ulaşmamış rüzgar türbinlerinden dolayı kalite standartlarında problemler oluşmaktadır. Güç kalitesi konusunda dört demel unsur vardır:

IEC 61400-21 standarlarında bir rüzgar türbininin enerji kalitesi kriterleri için hesaplama yolları ve ölçüm parametreleri belirlenmiştir.

Ani Gerilim Değişimleri

Ani gerilim değişimleri, çeşitli devreye alma ve devreden çıkarma işlemleri esnasında görülen normal şebeke sinüsoidal dalga şeklinden farklı kısa zamanlı bozulmalardır. Bu durum rüzgar santrallerinde sabit hızlı asenkron generatörlü türbinin devreye girmesi esnasında oluşabilir. Genellikle sabit hızlı pasif kontrollü türbinlerde bu soruna rastlanır. Çünkü bu türbinlerde devreye girme esnasında pitch açısıyla ayarlanabilen rüzgar hızı kontrolü uygulanmamaktadır. Ancak pitch (kanat açı kontrolü) kontrollü sistemlerde bu durumdan söz etmek çok olası değildir. Generatörün kalkış anında rotor hızı kontrol edilebildiği için bu durum ortadan kalkar. Sabit hızlı türbinlerde bu etkiyi azaltmak mümkünse yok etmek için yumuşak geçiş özellikli güç elektroniği devreleri kullanılmaktadır.

Kırpışma (Fliker)

Şebekenin sinüsoidal dalgasının belli kesimlerinde ve periyodik olarak oluşan ani küçük değişimler fliker olarak adlandırılır. Ark ve kaynak makinaları indüksiyon ısıtma fırınları ge büyük güçlü sık devreye girip çıkan elektrik makinaları bu duruma neden olabilmektedir. Rüzgar santrallerinde ise bu duruma neden olan olay rüzgar hızındaki değişimdir. Büyük güçlü rüzgar türbinleri yaklaşık olarak 80 metre kanat çapına sahiptirler ve ortalama olarak 100 metre direk boyuna sahiptirler. Dolayısıyla havanın yoğunluğu da dikkate alındığında rüzgar hızının 80 metre mesafede değiştiği görülmektedir. Türbin kanatlarının en üst noktası ile en alt noktası arasında oluşan rüzgar hızındaki farklılıktan dolayı gerilim değerinde belli periyotta düşmeler ve yükselmeler görülmektedir. Bu durum generatör tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir durumdur. Aynı zamanda bu problem iki farklı hızdaki rüzgar türbinlerinin arasındaki geçiş esnasında görülmektedir. Bu durum ise uygun bir enerji kontrol programı (SCADA) vasıtasıyla çözülebilmektedir. Fliker ile ilgili standartlar IEC 1000-3-7'de belirtilmiştir. Fliker etkisi elektriksel olarak çalışan sisteme ciddi zararlar vermemesinden dolayı büyük bir sorun olarak görülmez. Ancak yapılan bir araştırmada fliker etkisi olan bir şebekeden beslenen evlerde aydınlatmada oluşan gözle görülemeyen titreşimler sonucu baş ağrısı nedeniyle doktara başvuranların sayısı oldukça artmıştır. Bu durum ise biz mühendislerin düşünmesi ve göz önüne alması gereken, elektrikle çalışan makinaları değil, insan sağlığını etkileyen bir durum olarak karşımıza çıkmıştır.

Harmonikler

Harmonik, temel sinüs dalga şeklindeki bozulmalar olarak ifade edilebilir. Temel frekansın tek katları frekansları olarak karşımıza çıkar (3,5,7,9,11,...). harmoniğin sebepleri ark kaynakları, fleorasan lambalar gibi cihazlar olabileceği gibi asıl olarak güç elektroniği elemanlarıdır. Rüzgar santrallerinin enerji kalitesine yaptığı en büyük olumsuz etki harmoniklerdir. Rüzgar santrallerinde güç elektroniği dönüştürücüleri elde edilen AC gerilimin önce DC gerilime ardından bir inverter yardımıyla tekrar AC gerilime dönüştürülmesi esasına dayanır. Bu dönüştürme işlemi için PWM (Pulse Width Modulation) yöntemi kullanılmaktadır. Bu dönüştürücüler gelişen teknolojiyle beraber çok düşük seviyelerde harmonik üretmekte olup (Yüksek mertebeden harmonik) bu oran izin verilen değerler ile sınırlı kalmaktadır. Çeşitli filtreleme yöntemleriyle bu etki azaltılabilir. AC gerilim önce DC gerilime çevirilerek LC filtreden geçirilir. Daha sonra DC-AC çevirmenin sonucunda tekrar LC filtreden geçirilerek harmonik etkisi azaltılmış olur. Bu konu ile ilgili IEC 1000-3-6'da orta ve yüksek gerilim şebekeleri için harmonik ölçüm değerleri ve kriterleri belirtilmiştir.

Gerilim Dengesizliği

Gerilim dengesizliği, 3 fazlı sistemlerde her bir fazdan farklı güç değerlerinin çekilmesi, tek fazlı sistemlerde pozitif ile negatif alternanasdan çekilen gücün farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Bu durum dağıtım sistemlerinde her fazı yaklaşık olarak eşit güç çekilebilecek yerlere dağıtılarak önlenir. Asenkron generatörün yapısı gereği devreye girdiği zaman salınımlar ortaya çıkmaz. Bu problemin olduğu şebekelere bağlanan asenkron generatörlü rüzgar türbinleri dengesizliği azaltacak şekilde çalışabilir.

Reaktif Güç ve Gerilim Kontrolü

Bir rüzgar türbininde reaktif güç ve gerilim kontrolü kullanılan generatör tipine bağlıdır. Sabit hızlı rüzgar türbinlerinde sincap kafesli asenkron generatör reaktif güç tüketir ve bu durumun kontrolünü sağlamak için STATCOM gibi ek bir devreye ihtiyaç vardır. Çift beslemelei asenkron generatör reaktif güç kontrolü yapabilme özelliğine sahiptir.

FC-TCR İçeren Kompanzatörün Gerilim-Reaktif Güç Bağıntısı

Yukarıdaki grafikten de anlaşılacağı gibi reaktif güç kompanzasyonunun gerilim-güç ilişkisi ayarlanabildiğinden çok önemli bir yeri vardır. Bu nedenle bünyesinde çok sayıda rüzgar türbini barındıran ve çok geniş bir alanda kurulan rüzgar santralinde gerilim değerlerini değiştirebilmektedir. Bir rüzgar santralinin performansı kurulacağı yerin rüzgar verimine ve bu rüzgar verilerine uygulanacak en uygun geneartör tipinin seçilmesiyle belirlenir.

SONUÇ

Güünümüzde çevresel koşullardan ve enerji ihtiyaç artışlarından dolayı yönelinmekte olan alternatif enerji kaynakalrının başını rüzgar enerjisi çekmektedir. Rüzgar enerjisinin basit yapısı, diğer santrallere göre daha kısa sürede kurulması, rejimin düzenli olduğu bölgerlerde sürekli enerji kaynağı olması ve en önemlisi alternatif enerji kaynakları arasında devlet bazında yasa düzenlemesi yapılan tek alternatif enerji kaynağı olmasından dolayı özel sektör tarafından bu pazara büyük bir iştahla bakılmaktadır. Ancak yatırım maliyetlerinin yüksek oluşu ve günümüzde enerji alım bedelinin 10 Eurocent/kW oluşundan dolayı rüzgar santralleri gücüne ve kurulum sahasına göre değişmekle beraber yaklaşık olarak 6-10 yıl süresi sonunda kendilerini amorti edebilmektedirler. Ancak konjenktür gösteriyor ki 2004 yılı itibariyle 18 MW düzeyinde olan rüzgâr enerjisi kurulu gücü, 2009 yılı sonu itibariyle 802,8 MW düzeyine ulaşmıştır ve enerjiye duyulan ihtiyaç en az bu hızla devam edeceği için çok daha yüksek yatırımların yapılacağının haberi verilmiş oldu. Rüzgar santrallerinde oluşan enerji kalitesi problemlerini giderebilmek adına yapılan çalışmalar sonucunada doğruluk oranı yüksek rüzgar veri tahminleri doğrultusunda yapılan generatör seçimleri, kontrol donanım ve yazılımları iyi seçilmiş sistemler bahsedilen tüm kalite problemlerinin etkisini azaltan en önemli etkenlerdir. 

Yazar: Gökhan TELLİ

Elektrik Mühendisi