Rüzgâr Türbinlerinde Tork ve Kanat Eğim Açısı Kontrolü

Yıl 2021, Cilt: 11 Sayı: 1, 12 - 26, 30.06.2021

Şehmus Fidan , Hasan Çimen

Öz

Geleneksel fosil yakıtlı enerji üretim santralleri çevre ve insan üzerinde büyük tahribatlara yol açmaktadır. Bu noktada yenilenebilir enerji kaynaklarının çevre üzerinde oluşacak tahribatları engellemede önemli bir rolü bulunmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları içinde popüler olan rüzgar türbinleri ve güneş panelleri ise ülkemizde artık birçok yerde bulunmakla birlikte halen yatırımlar sürmektedir. Belirtilen yenilenebilir enerji kaynakları içinde rüzgar türbinlerinin kullanımı artık vazgeçilmez bir noktaya gelmiştir. Özellikle devletler açısından geleceğe dönük enerji stratejileri içinde önemli bir noktada bulunan rüzgar türbinlerine yapılacak yatırımlar oldukça kritik görülmektedir. Bu çalışmada, asenkron generatörlü bir rüzgar türbininin kanat açısını ayarlayacak bir mekanizma önerilmiş ve tork kontrolü yapılmıştır. Değişken kanat açılı rüzgar türbinleri için, tasarım sonrasında elde edilen aerodinamik gücün değiştirilebilir tek parametresi performans katsayısıdır. Performans katsayısı, kanatların dikey eksende kendi etrafında çevrilmesiyle ayarlanmaktadır. Kanat açısı ayarlanarak, çeşitli rüzgar hızlarında optimum enerji elde edilebilir ve çıkış güç değişimleri azaltılabilir. Böylece çıkış gücü salınımları ve ayrıca yüksek hızlardaki mekaniksel yüklenmelerde azaltılabilmektedir. Kanat eğim açısını değiştirmek için hidrolik veya elektrik motorlu kanat hareket mekanizmaları kullanılmakla birlikte bu çalışmada sistem birinci dereceden bir transfer fonksiyonu olarak değerlendirilmiştir. Matlab/Simulink yazılımının kullanıldığı bu çalışmada kanatları kendi ekseninde çevirebilmek için iki farklı hareket mekanizması modeli kullanılmıştır. Yapılan benzetim sonucunda 3 hız seviyeli kanat eğim mekanizmasının, kanatların aktif kalma zamanını azalttığı ayrıca standart kanat eğim mekanizmasına göre anahtarlama sayısının düştüğü belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Rüzgar Türbini, Asenkron Generatör, Aerodinamik Tork Kontrolü, Kanat Açısı Kontrolü, Kanat Hareket Mekanizması

Kaynakça

• Ackermann, T. (2012). Wind Power in Power Systems, 2nd Edition. John Wiley & Sons, West Sussex, England
• Akdağ, O, Yeroğlu, C. (2019). Offshore / Onshore Rüzgâr Santralinin Modellenmesi ve Şebekeye Bağlantısı. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi , (16) , 505-520 . DOI: 10.31590/ejosat.505340
• Aydın, İ. (2013). “Balıkesir’de Rüzgâr Enerjisi”, Eastern Geographical Review, cilt 18, sayı 29, s. 29-50. 2. Barambones, Oscar et al. (2019). “Variable Speed Wind Turbine Control Scheme Using a Robust Wind Torque Estimation.” Renewable Energy 133: 354–66.
• Bashetty, S., Guillamon, J. I., Mutnuri, S. S., & Ozcelik, S. (2020). Design of a robust adaptive controller for the pitch and torque control of wind turbines. Energies, 13(5), 1195.
• Beinke, T., Quandt, M., Ait Alla, A., Freitag, M., & Rieger, T. (2017). Information system for the coordination of offshore wind energy maintenance operations under consideration of dynamic influences. International Journal of e‐Navigation and Maritime Economy, 8, 48-59.
• Corradini, M. L., G. Ippoliti, and G. Orlando. (2017). “An Observer-Based Blade-Pitch Controller of Wind Turbines in High Wind Speeds.” Control Engineering Practice 58: 186–92.
• Çolak, İ., Demirtaş, M. (2008). “Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Üretiminin Türkiye’deki Gelişimi,” Türk Bilim Araştırma Vakfı (TÜBAV) Bilim Dergisi, cilt 1, sayı 2, s. 55-62.
• Dışkaya, S. K. (2017). Türkiye’nin enerji güvenliğinde yenilenebilir enerji etkisinin politik ekonomi perspektifi. Marmara Üniversitesi Siyasal Bilimler Dergisi, 5(2), 129-150.
• Ding, M., & Zhu, Q. (2016). Equivalent modeling of PMSG-based wind power plants considering LVRT capabilities: electromechanical transients in power systems. SpringerPlus, 5(1), 2337.
• Durak, M. (2008). Rüzgar Enerjisi: Teori ve Uygulama, TÜREB, Ankara
• Gültekin, U. (2019). Türkiye'de Rüzgâr Enerjisi Yatırımlarının Gelişimi. Electronic Turkish Studies, 14(4).
• Hosseini, Ehsan, and Ghazanfar Shahgholian. (2017). “Output Power Levelling for Dfig Wind Turbine System Using Intelligent Pitch Angle Control.” Automatika 58(4): 363–74. https://doi.org/10.1080/00051144.2018.1455017.
• İlkılıç, C. (2009). Türkiye’de Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli ve Kullanımı, Mühendis ve Makine Dergisi, cilt 50, sayı 593, s. 26-32. Jiao, X., Meng, W., Yang, Q., Fu, L., & Chen, Q. (2019). Adaptive Continuous Neural Pitch Angle Control for Variable‐Speed Wind Turbines. Asian Journal of Control,21(4), 1966-1979.
• Kaplan, Y. (2016). Rayleigh ve Weibull dağılımları kullanılarak Osmaniye bölgesinde rüzgar enerjisinin değerlendirilmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 20(1).
• Kaya, H. (2020). Birleşik Krallık Açık Deniz Rüzgâr Enerjisi Politikalarının Değerlendirilmesi ve Türkiye İçin Politika Önerileri . Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi , 2 (2) , 138-157.
• Keyhani, A. (2016). Design of smart power grid renewable energy systems. John Wiley & Sons.
• Koç, E., Şenel, M. C. (2013). “Dünya’da ve Türkiye’de Enerji Durumu-Genel Değerlendirme,” Mühendis ve Makine Dergisi, cilt 54, sayı 639, s. 32-44.
• Köroğlu, M. Ö., & Ülgen, K. (2018) Denizüstü Rüzgâr Enerji Santralleri: Çanakkale Örneği Offshore Wind Energy Plant: A Case study of Çanakkale. Güç Sistemleri Konferansı, 15-16 Kasım 2018, Ankara
• Kulka, A. (2004). Pitch and Torque Control of Variable Speed Wind Turbines. Electric Power Engineering, Chalmers University Of Technology, Goteborg, Sweden.
• Letcher, T. M. (2017). Wind energy engineering: a handbook for onshore and offshore wind turbines. Academic Press.
• Lin, Zhongwei et al. (2018). “Coordinated Pitch & Torque Control of Large-Scale Wind Turbine Based on Pareto Efficiency Analysis.” Energy 147: 812–25.
• Mehmet, D. A. Ş., Balpetek, N., Akpınar, E. K., & Akpınar, S. (2019). Türkiye’de bulunan farklı illerin rüzgâr enerjisi potansiyelinin incelenmesi ve sonuçların destek vektör makinesi regresyon ile tahminsel modelinin oluşturulması. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(4), 2203-2214.
• Oh, Ki Yong, Joon Young Park, Jun Shin Lee, and Jae Kyung Lee. (2015). “Implementation of a Torque and a Collective Pitch Controller in a Wind Turbine Simulator to Characterize the Dynamics at Three Control Regions.” Renewable Energy 79(1): 150–60.
• Ong, C. M. (1998). Dynamic Simulation of Electric Machinary – Using Matlab / Simulink. Prentice Hall Ptr, Upple Saddle River, New Jersey
• Öksel, C., Ali, K. O. Ç., Yıldız, K. O. Ç., & YAĞLI, H. (2016). Antakya körfezi deniz üstü rüzgâr enerjisi potansiyel araştırılması. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 4(1), 18-29.
• Öztürk, H. H. 2008. Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Kullanımı. Teknik Yayınevi, Ankara.
• Sahoo, S., Subudhi, B., & Panda, G. (2016). Pitch angle control for variable speed wind turbine using fuzzy logic. In 2016 International Conference on Information Technology (ICIT)(pp. 28-32). IEEE.
• Shahmaleki, Pourya. 2018. “Enhancing Wind Turbine’s Performance Using Fuzzy Pitch and Torque Controllers.” In World Automation Congress Proceedings, IEEE Computer Society, 170–75.
• Skvarenina, T. L. (Ed.). (2018). The power electronics handbook. CRC press.
• Song, D., Yang, J., Dong, M., & Joo, Y. H. (2017). Model predictive control with finite control set for variable-speed wind turbines. Energy,126, 564-572.
• Song, Z., Liu, J., Hu, Y., Cheng, Y., & Tan, F. (2019). Real-time performance analyses and optimal gain-scheduling control of offshore wind turbine under ice creep loads. IEEE Access, 7, 181706-181720.
• Şahin, M. E. (2019) Açık Deniz Rüzgâr Sistemleri Üzerine Bir İnceleme ve Danimarka Modeli. Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1(1), 54-67.
• Şentürk, A, Oğuz, E. (2020). Karasal ve Deniz Üstü Rüzgâr Çiftliklerinin Ekonomik ve Çevresel Etkilerinin İncelenmesi. Gemi ve Deniz Teknolojisi, Gmo Journal Of Shıp And Marine Technology, 5-32.
• Yerebakan, M. 2001. Rüzgar Enerjisi. İstanbul Ticaret Odası, Yayın No:2001–33.
• Yılmaz, E. (2016). Türkiye Üzerinde 21. Yüzyılda Rüzgar Hızı ve Rüzgar Enerjisi Potansiyelinin İncelenmesi ve Wasp Modeli İle Seçili Bölge İçin Sonuçların Değerlendirilmesi, http://hdl.handle.net/11527/15240
• Yin, M., Yang, Z., Xu, Y., Liu, J., Zhou, L., & Zou, Y. (2018). Aerodynamic optimization for variable-speed wind turbines based on wind energy capture efficiency. Applied Energy, 221, 508-521.
• Zemamou, M., Aggour, M., & Toumi, A. (2017). Review of savonius wind turbine design and performance. Energy Procedia, 141, 383-388.