RÜZGARLA GELEN BEREKET ...
KÜTÜPHANE
Denetim Teknolojisi

YELKAPANLARIN DENETİM TEKNOLOJİSİNDEKİ TEMEL İLKELER

Yelkapanlar herhangi bir işletmeci personele ihtiyaç göstermeden kendi kendilerine çalışabilen sistemlerdir. Değişen atmosfer şartlarına paralel olarak sistem, rüzgardan en fazla enerjiyi çekebilmek ve gerektiğinde kendisini atmosferin tahrip edici etkisinden koruyabilmek için bir takım denetim mekanizmalarıyla donatılır. Bir başka deyişle, yelkapanlar iki genel nedenle denetlenirler. Birincisi, sistemin rüzgardaki enerjiden optimum düzeyde faydalanabilmesi için sistemin çalışma şartlarını düzenlemek. İkincisi ise aşırı rüzgar hızlarında sistemin hasara uğramaması için gereken güvenlik şartlarını sağlamak.

Yelkapanlarda kullanılan denetleme mekanizmaları mekanik, elektronik veya aerodinamik ilkelere dayanan farklı teknikleri kapsar. Denetlenen özelliği dikkate alarak bir tasnif yapılırsa yelkapanlarda yön ve hız olmak üzere iki temel denetim parametresinden bahsetmek mümkündür.

YÖN DENETİMİ
Başa Dön

Yatay eksenli rüzgar pervaneleri, pervane dönme ekseninin rüzgar yönüne paralel olduğu düşünülerek tasarlanırlar. Bu durumda sistemden en iyi verimi almak için pervane dönme düzleminin rüzgar yönüne dik olması gerekir. Fakat rüzgar yönü zamanla değiştiğinden sistemin rüzgar yönünü takip ederek pervanesini uygun yöne çevirebilmesi için bir yöneltme mekanizması kullanması gerekir.

Düşey eksenli pervaneler için yön problemi yoktur. Her yönden gelen rüzgarı konumlarında bir değişiklik yapmadan değerlendirebilirler. Bu yüzden herhangi bir yön kontrol sistemi kullanmazlar.

Uygulamada dört farklı yöneltme mekanizmasından söz edilebilir.

•  Kuyruk plakası
•  Yardımcı pervane
•  Arkadan rüzgarlı tertip
•  Elektronik kontrollu dişli mekanizması

Kuyruk plakası pervane çapı 6 metrenin altındaki küçük yelkapanlarda sıkça tercih edilen bir tekniktir. Pratik ve ucuz bir sistem olduğundan tasarımcılar tarafından tercih edilmektedir.

Şekil.1 Kuyruk plakası ile çalışan yön bulma sistemi

HIZ DENETİMİ
Başa Dön

Yelkapan pervanesinin dönme hızını denetleme gereği temelde üç farklı nedene dayanır:

•  Sistemin verimli çalışmasını sağlamak (maksimum verim bölgesi)
•  Sistemin üreteceği gücü sınırlayabilmek (maksimum güç bölgesi)
•  Çok yüksek rüzgar hızlarında sistemin tahrip olmasını engellemek üzere sistemi durdurmak (emniyetsiz bölge)

Hız denetim yaklaşımlarını daha iyi anlayabilmek için bir yelkapanın güç eğrisindeki bölgeleri incelemek faydalı olacaktır.

HIZ DENETİM BÖLGELERİ
Başa Dön

Şekil.2 Hız denetim bölgeleri

Yetersiz Rüzgar Bölgesi

Yelkapanlar belli bir VA rüzgar hızının altında çalışamazlar. Bu VA hızına kadar olan bölge “ yetersiz rüzgar bölgesi” olarak adlandırılır. Bu bölgede sistem çalışmadığı için hız denetimine de gerek yoktur.

Maksimum Verim Bölgesi

Bu bölgede, sistemin maksimum verimle çalışması halinde, rüzgardaki enerjinin yelkapan tarafından yakalanabilecek miktarı yelkapanın güç sınırının altındadır. Bu yüzden bu bölgedeki kontrolun amacı aerodinamik verimin mümkün olan en yüksek değerde olmasını sağlamaktır. Bu durumda güç eğrisinin A-B noktaları arasındaki bölgesini “maksimum verim bölgesi” olarak adlandırmak mümkündür. Bu bölgede ideal kontrol, aerodinamik verimin sürekli olarak maksimum değerde tutulabildiği durumdur. Fakat sabit hızla çalıştırılan yelkapan pervanelerinde bu mümkün olmamakta, maksimum aerodinamik verim sadece tek bir rüzgar hızında elde edilebilmekte ve diğer rüzgar hızlarında belli bir verim kaybı kaçınılmaz olmaktadır. Aerodinamik verimin sürekli olarak maksimumda tutulabildiği durum ancak değişken hızlı denetim yaklaşımıyla elde edilebilmektedir.

Maksimum Güç Bölgesi

Yelkapanlar tasarlanırken sistemin üretebileceği belli bir “güç sınırı” ve çalışabileceği belli bir “ hız sınırı ”göz önüne alınır. Pervane boyutları, generator ve tüm sistem buna bağlı olarak tasarlanır. Bu yüzden artan rüzgar hızıyla birlikte yelkapanın güç üretimi bu sınıra yaklaştığında artık sistemin verimli çalışması değil, bu sınırın üzerinde güç üretmemesi istenir. Bu durumda güç eğrisinin B-C noktaları arasında kalan bu bölgesi “maksimum güç bölgesi” olarak adlandırılır. Bu bölgede rüzgardaki enerji yelkapanın kapasitesinin üzerinde ve gereğinden fazla miktardadır. Sistem aerodinamik olarak maksimum verim noktasının altında çalışmasına rağmen maksimum kapasitede güç üretimi yapar. Başka bir deyişle bu bölgede rüzgar hızı artarken pervanenin aerodinamik verimi azalmak durumundadır. Ancak bu şekilde güç sınırında üretim yapılabilir. Bu bölgedeki hız denetiminin amacı, maksimum kapasitede sabit güç üretimi sağlamaktır.

Emniyetsiz Bölge

Genellikle yelkapanların üretim yapabileceği bölgeyi belli bir rüzgar hızıyla sınırlandırmak gerekir. Rüzgar hızının yıllık frekans dağılımına bakıldığında yüksek rüzgar hızlarıyla yıl boyunca çok az karşılaşıldığı görülmektedir. Bu az karşılaşılan yüksek hızlardaki rüzgarlar karşısında sistemin yeterince dayanıklı yapılması, bu hızlarda sistemden yıl boyunca elde edilebilecek toplam enerji göz önüne alındığında oldukça pahalı olmaktadır. Bu yüzden yelkapanların çalışma alanı belli bir rüzgar hızıyla sınırlandırılır. Şekil…de yer alan güç eğrisinde C noktasına karşılık gelen bu rüzgar hızının üzerindeki hızları kapsayan “emniyetsiz bölge” de sistemden enerji üretmesi beklenmez. Böylece yüksek rüzgar hızlarında oluşabilecek aşırı yüklere engel olunarak sistemin hasara uğraması önlenir.

MAKSİMUM VERİM BÖLGESİNDE DEĞİŞKEN HIZLI DENETİM
Başa Dön

İlk üretilen yelkapanlarda kullanılan elektrik generatorlarının yapısı sabit hızda çalışmayı gerektirdiği için yelkapan pervaneleri de sabit hızda çalışmak üzere tasarlanmaya başlamıştı. Hız kontrol yaklaşımı da elektrik generatoru için gereken sabit hız temelinde şekillendi. Sabit hız kontrolunu sağlamak üzere değişik mekanik ve aerodinamik fren sistemleri, döner palalı kontrol teknikleri vb. teknikler geliştirildi.

Güç elektroniğindeki gelişmelerle birlikte bu alanda yapılan araştırmalar, elektrik generatorlarının geniş bir değişken hız aralığında az bir elektriksel verim kaybıyla nasıl çalıştırılabileceğini ortaya çıkardı. Böylece rüzgarın değişken doğasına daha uyumlu davranabilen yelkapan tasarımları ortaya çıkmaya başladı. Bu yeni yelkapan tasarımları değişken hız kontrol tekniğine dayanmaktaydı.

Sabit hızlı yelkapanlar sadece tek bir rüzgar hızında maksimum aerodinamik verimle çalışırlarken değişken hızlı yelkapanlar optimum verim bölgesindeki her rüzgar hızında maksimum aerodinamik verimle çalışabilme imkanına sahip oldu. Bu aynı zamanda yelkapanların güç üretiminde de belli bir artışı beraberinde getirdi.

 

Değişken Hızlı Denetim Yaklaşımına Temel Teşkil Eden Aerodinamik Prensipler

Öncelikle yelkapan pervanesinde, pervane hızının güç üretimi üzerindeki etkisini incelemek gerekir. Belli bir rüzgar hızında pervanenin rüzgardan çekebileceği gücün pervanenin dönme hızına bağlı değişimini gösteren grafik şekil.3'deki gibidir.

Şekil.3 Yelkapan pervanesinde gücün hıza bağlı değişimi

Buradaki herbir eğri farklı rüzgar hızlarına aittir. Görüldüğü gibi rüzgar hızı sabit iken maksimum güç, sadece belli bir açısal hızda elde edilebilmektedir. Rüzgar hızı arttıkça maksimum güç noktasına tekabül eden açısal hız da artmaktadır. Söz konusu P-Ω grafiğinde her rüzgar hızı için maksimum güç noktalarını birleştiren bir Pm eğrisini çizmek mümkündür. Bu durumda pervaneden en iyi aerodinamik verimi alabilmek için pervanenin Pm eğrisini takip edecek şekilde çalıştırılması gerekir.

Şekil.3'de herbir rüzgar hızı için çizilen eğrileri tekbir eğri ile ifade edebilmek için güç (P) ve açısal hız (Ω) parametrelerini boyutsuzlaştırıp, güç yerine ‘güç katsayısı' (CP ), açısal hız yerine de ‘uç hız oranı' ( ) parametrelerini kullanmak gerekir. Böylece P-Ω eğrileri basitleştirilerek tek bir CP - eğrisine dönüştürülebilir.

Uç hız oranı

şeklinde ve güç katsayısı da

olarak tanımlanmaktadır.

Şekil.4 Yelkapan pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı değişimi

Bu grafikteki maksimum CP noktası, şekil…daki tüm maksimum güç noktalarını birleştiren Pm eğrisini temsil etmektedir. Bu durumda maksimum verim bölgesinde hız kontrolu için uygulanacak temel kural “pervanenin, maksimum CP noktasına karşılık gelen m uç hız oranını koruyacak şekilde işletilmesi” olarak özetlenebilir. m değeri ise tamamen pervanenin aerodinamik tasarımına bağlıdır. Bir fikir verebilmek amacıyla, aerodinamik kaldırma prensibiyle çalışan modern yelkapanlarda bu değerin genellikle 6-8 arasında değiştiğini söylemek mümkündür. Ama bu sınırların dışına çıkan tasarımlar da mümkündür

MAKSİMUM GÜÇ BÖLGESİNDE HIZ DENETİM TEKNİKLERİ
Başa Dön

Yelkapanın rüzgardan elde edebileceği güç miktarını belli bir sınırda tutabilmek için yelkapan pervanesi gittikçe daha düşük bir aerodinamik verimle çalıştırılır. Artan rüzgar hızına bağlı olarak pervanenin aerodinamik verimini ayarlamak üzere “stol kontrol tekniği” ve “döner palalı kontrol tekniği” olarak adlandırılan iki ayrı teknik kullanılmaktadır.

Stol Kontrol Tekniği
Başa Dön

Bu teknik sabit palalı yelkapan pervanelerini yüksek rüzgar hızlarında güç üretimini sınırlamak üzere kontrol etmek için kullanılır.

Önce kontrol tekniğine temel teşkil eden aerodinamik yaklaşım üzerinde durmak gerekir. Rüzgar hızı değişmezken optimum hızla çalışan pervanenin yavaşlatılması uç hız oranını azaltırken pala elemanları etrafındaki hücum açılarını arttırmakta bu da pala elemanlarında etkili olan kaldırma kuvvetinde stol adı verilen bir düşüşe sebep olmaktadır. Kısacası, uç hız oranı azalırken pala elemanının hücum açısı büyüdüğünden maksimum CP noktasının sol tarafında stol durumu söz konusu olur. Neticede bu durum pervanenin aerodinamik veriminde CP- eğrisinin sol tarafında gözlenebilen bir düşüşe neden olmaktadır.

Bu etki yelkapan pervanesinin frenlenmesi ile oluşturulmakta ve böylece yüksek rüzgar hızlarında, rüzgar hızı arttıkça pervanenin aerodinamik verimi azaltılarak, yelkapan pervanesinin belli bir sınır değerde (generatorun maksimum kapasitesinde) güç üretmesi sağlanmaktadır. Yüksek rüzgar hızlarını içeren maksimum güç bölgesinde bu yaklaşıma dayanarak kontrol edilen yelkapan pervanelerine “stol kontrollu yelkapan pervanesi” denmektedir. Bu pervanelerdeki palalar kendi eksenleri etrafında dönmezler; sabit palalardır.

Stol kontrol tekniğini kullanırken pervanenin atalet etkisi, dikkat edilmesi gereken en önemli etki olarak karşımıza çıkar. Bu yüzden elektronik olarak kontrol edilebilen etkili ve iyi bir frenleme sistemi kullanmak gerekir.

Döner Palalı Kontrol Tekniği
Başa Dön

Maksimum güç bölgesinde kullanılan bir diğer kontrol tekniği ise döner palalı kontroldur. Bu tekniğin stol kontrol tekniğine göre en büyük avantajı pervanenin atalet etkisinden kaynaklanan yüklerin en aza indirilebilmesidir. Bunun sebebi ise değişen rüzgar hızı karşısında pervane hızını değiştirme gereğinin stol kontrola göre oldukça az olmasıdır.

Döner palalı kontrol tekniğini kullanan pervanelerde herbir pala kendi ekseni etrafında dönebilme kabiliyetine sahiptir. Bu sayede elektronik kontrol sistemi palaların açısını rüzgar hızına göre ayarla-yarak hem pervanenin hızlanmasını hem de generatora sınır değerin üzerinde güç aktarımını engelleyebilir.


ENA Mühendislik Danışmanlık Enerji Makina ve Yelkapan Sanayi Ticaret Limited Şirketi
Telefon:(232) 765 90 97 Faks:(232) 765 90 97 e-posta: ena@ena.com.tr
© ena 2008