Atölye Çalışması 1 Dersi 4. Ünite Özet

Giriş

Rüzgâr enerjisi, güneş enerjisi gibi insanoğlunun varlığından beri kullanılagelen enerji kaynaklarındandır. Günümüzde rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi elde etme çalışmaları teknolojik imkanların gelişmesi ile birlikte giderek yaygınlaşmaktadır. Bu ünitede, rüzgâr enerjisinden elektrik elde etme çalışmasının bir modeli üzerinde denemeler yapılmaktadır.

Güvenlik Önlemleri

Bulunduğumuz her ortamda çok çeşitli tehlikelerle veya kazalarla karşı karşıya kalabilmekteyiz. Bu sebeple, bulunduğumuz ortamda tehlikelere karşı dikkatli, güvenlik önlemlerini alarak davranmalıyız.

Elektrik laboratuvarında çalışmaya başlamadan önce, laboratuvardaki görevliler, öğrencilere bir tehlike anında laboratuvardaki elektriği kesecek olan ana elektrik panosunun yerini ve elektrik enerjisinin nasıl kesileceğini öğretmelidirler. Öğrencilere, herhangi bir kaza anında itfaiyeye, sağlık görevlilerine ve okulda bulunan görevlilere nasıl haber verecekleri konusunda bilgi verilmelidir.

Teorik Bilgi

Enerji, bir cisim ya da sistemin iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Dünyada bilinen enerji çeşitleri kimyasal enerji, elektrik enerjisi, ısı enerjisi, ışık enerjisi ve nükleer enerji şeklinde adlandırıldığı gibi değişik şekillerde de bulunabilmektedir. Ayrıca g üneş enerjisi, ses enerjisi, dalga enerjisi, jeotermal enerji ve rüzgâr enerjisi de diğer enerji çeşitleri olarak sayılabilir.

Güneşten Dünya’ya gelen enerjinin %1-2’sinin rüzgâra dönüştüğü tahmin edilmektedir. Gelen enerjinin bir bölümü yeryüzünü ısıtır. Yeryüzünün her tarafının aynı miktarda ısınmaması rüzgârı meydana getirir.

Rüzgâr enerjisinden yararlanarak elektrik enerjisi üretilen sistemlere rüzgâr santralleri denir. Rüzgâr türbinleri rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Son nesil rüzgâr türbinlerinin 1.000-1.500 kW jeneratörü ve 50-60 metre pervane çapı bulunmaktadır. En basit anlamda bir rüzgâr türbini üç bölümden oluşur: pervane, şaft ve jeneratör. Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre;

• Düşey Eksenli Rüzgâr Türbinleri (S:85, Şekil 4.1) ve
• Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri (S:86, Şekil 4.2) olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar.

Rüzgâr gücü hesabı aşağıdaki ifade ile verilir:

P = 0,3 Av _r ³

Burada r havanın yoğunluğu, A pervanelerin süpürdüğü alan, v _r rüzgârın ortalama hızı olarak verilmektedir. Eşitlikte verilen parametrelerin birimleri ? (kg/m ³ ), A (m ² ) ve v _r (m/s) olarak SI birim sisteminde verilirse gücün (P) birimi watt olarak bulunur.

Üretilen Enerjinin Hesaplanması

Bir rüzgâr türbininin ürettiği enerjinin hesaplanması için rüzgârın hızına ve pervane çapına ihtiyaç vardır. Rüzgâr hızı 20 m/s ulaştığında sistemde mekanik parçalara aşırı yük binmesi sebebiyle sistem otomatik olarak durmaktadır. Türbinin fazla hızlanması halinde sistemi durduracak birçok kontrol sistemi bulunmaktadır. En genel sistem fren sistemi dir. Rüzgâr 20 m/s hıza ulaştığında fren sistemiyle pervanelerin dönmesi durdurulur. Diğer güvenlik elemanları ise kısaca şöyle açıklanabilir:

• Açı Kontrolü: Pervanelerin açısını değiştirerek daha yavaş bir dönme hareketi sağlar.
• Pasif Yavaşlatıcı: Rüzgâr çok hızlı estiğinde sistemin tepe taklak olmasını engelleyen sistemdir.
• Aktif Yavaşlatıcı: Üretilen gücün fazla olması durumunda pervane ve motor bloğunun açısını değiştiren sistemdir.

Rüzgâr Enerjisi Kaynakları ve Ekonomisi

Günümüzde kömür ve nükleer santraller, rüzgâr santrallerinden daha ucuza enerji üretebilmektedirler ancak buna rağmen rüzgâr enerjisinin kullanılması önerilmektedir. Bunun iki önemli nedeni vardır:

• İlki rüzgâr enerjisinin temiz ve yenilenebilir özelliklerde olmasıdır.
• İkincisi rüzgâr enerjisi her ülkede rüzgâr olduğu ölçüde vardır.

Bu nedenle ülke dışından enerji alımını azaltır, dolayısıyla enerjide başka ülkelere olan bağımlılığı azaltır.

Rüzgâr santrallerinin dezavantajları: Diğer enerji santralleri gibi her zaman yüksek verimle çalışamazlar. Çünkü rüzgâr hızı değişkenlik göstermektedir. Rüzgâr türbinleri şehirlere yakın bölgelerde oluşturulduklarında ses kirliliği sebebiyle insanlara, hayvanlara ve doğal yaşama rahatsızlık verebilmektedir. Rüzgâr var olduğundan beri güvenilir enerji kaynağı değildir. Rüzgâr hızı düştüğünde ya da kesildiğinde geri dönüşümü olmayan enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulmaktadır.

En basit anlamda bir rüzgâr türbini üç bölümden oluşur:

• Pervane: Rüzgâr estiğinde pervanenin kanatlarına çarparak onu döndürür. Bu sayede rüzgâr enerjisi mekanik enerjiye dönüşür.
• Şaft: Pervanelere bağlı şaftın dönmesiyle şafta bağlı bulunan jeneratör rotoru döner ve elektrik enerjisi elde edilmiş olur.
• Jeneratör: Elektromanyetik indüksiyon ile elektrik enerjisi üretilmiş olur.

Genellikle bir rüzgâr türbinini imal etmek ve çalıştırmak için gerekli olan enerjiyi geri kazanmak için, rüzgâr türbininin maksimum güç çalışması koşuluyla, sadece iki ya da üç yıl yeterli olacaktır. Günümüzde teknolojide ön sıralarda bulunan ülkelerin rüzgâr enerjisi ile elektrik enerjisi elde etmede de ön sıralarda oldukları görülmektedir. (S:89, Çizelge 4.2). Ülkemizde de farklı şehirlere rüzgâr enerji santrallerinin kurulması ile rüzgâr enerjisi üretim kapasitesi gün geçtikçe artmaktadır (S:89, Çizelge 4.3).

Rüzgâr Enerjisinin Avantajları

Rüzgâr enerjisi temiz ve yenilenebilir enerji kaynağıdır. Çevreyi kirletme, sera etkisi gibi olumsuz etkileri bulunmaz. Kaynağı rüzgâr olduğundan bitmesi söz konusu değildir. Rüzgâr tesislerinin kurulumu, işletilmesi ve bakımı diğer tesislere göre daha kolaydır. Enerji üretim maliyetleri düşüktür. Güvenilirliğin artması, bölgesel olması dolayısıyla kişiler kendi elektriğini üretebilmektedir. Her ülkede elektrik enerjisi üretilebilir. Santraller uzak bölgelere inşa edilip, üretilen enerjinin merkezi yerlere iletilmesi daha kolaydır.

Rüzgâr Enerjisinin Dezavantajları

Rüzgârın esintisin sürekli olmaması nedeniyle üretim aralıklarla olacağından enerji üretim değeri sabit değildir. Rüzgâr türbinleri pervaneleri nedeniyle büyük alanlara ihtiyaç duyulur. Gürültülü çalışır ve diğer kaynaklara nazaran üretimi oldukça düşüktür. Yatırım maliyetleri yüksektir. Kullanım ömrü dolan parçaların doğada geri dönüşümü mümkün değildir.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler

Deneyde kullanılacak araç ve gereçler şunlardır (S:90, Şekil 4.3):

1. Güç kaynağı 1 adet
2. Çelik raylar 2 adet
3. Ayaklar 2 adet
4. Rüzgâr kaynağı (fan) 1 adet
5. Kablolar
   • 50 cm kırmızı 2 adet
   • 50 cm mavi 2 adet
6. Rüzgâr türbini desteği 1 adet
7. Modüller
   • Köşe modül 4 adet
   • Düz modül 2 adet
   • Çift yuvalı modül 1 adet
   • Anahtar modül 1 adet
   • Kondansatör modül 1 adet
   • Çark modül 1 adet
   • Lamba modül 1 adet
8. Rüzgâr türbini 1 adet
9. Cetvel 50 cm’lik plastik 1 adet

Deneyde kullanılacak araç ve gereçlerden bazıları kısaca şöyle açıklanabilir:

• Güç Kaynağı: Rüzgâr kaynağı görevi yapacak fana enerji sağlar. Fanı dc (direct current) ile besleyerek değişik hızlarda çalışmasını sağlar (S:91, Şekil 4.4). Güç kaynağının başlıca bölümleri şunlardır:
  • Voltaj ayar düğmesi,
  • Akım ayar düğmesi,
  • AC çıkış voltajı,
  • DC çıkış voltajı.
• Çelik Raylar: Ayaklara tutturularak rüzgâr kaynağına ve rüzgâr türbinine destek olur (S:92, Şekil 4.5).
• Ayaklar: Çelik rayların tutunduğudur (S:92, Şekil 4.6).
• Rüzgâr Kaynağı (Fan): Rüzgâr türbinine rüzgâr sağlayacak cihazdır. Uygulanan voltaja bağlı olarak değişik hızlarda çalışarak türbine çeşitli güçlerde rüzgâr sağlamaktadır (S:92, Şekil 4.7).
• Bağlantı Kabloları: 50 cm’lik kırmızı (2 adet) ve mavi (2 adet) bağlantı kabloları güç kaynağından fana ve rüzgâr türbininden kurulacak elektrik devresine enerji taşıyacak iletim hatlarını temsil eder.
• Elektrik Devresini Oluşturan Modüller: Üzerinde iletim yolları belirtilmiş, içlerinde iletken teller bulunan plastik kutulardır. Modüller birbiriyle kolayca bağlanarak elektrik devresi oluşturulur (S:93, Şekil 4.8(a)-(d)). Modüller çeşitli şekillerde elektrik iletimini yönlendirebilecek şekilde oluşturulmuştur (S:93, Şekil 4.9):
  • Köşe modülü,
  • Düz modül,
  • Çift yuvalı modül,
  • Anahtar modülü,
  • Kondansatör modülü,
  • Çark modülü,
  • Lamba modülü.
    Elektrik yükünü (elektriksel potansiyel enerjiyi) depolayan cihazlara kondansatör denir. Kondansatör modülü elde edilen elektrik enerjisinin elektriksel potansiyel enerji olarak depolanmasını sağlar.
• Rüzgâr Türbini ve Pervaneler: Tek bir cihaz olarak üretilmiştir. Rüzgâr kaynağı tarafından oluşturulan rüzgâr pervanelere çarparak onları döndürür. Oluşan hareket enerjisi bir mil yardımıyla türbine iletilmekte ve türbinin dönme hareketiyle elektrik enerjisi oluşmaktadır (S:94, Şekil 4.10).

Deney Düzeneğinin Kurulması

Deney düzeneğinin kurulmasına fan ve rüzgâr türbinine destek olacak çelik rayların ayaklara bağlanmasıyla başlanmalıdır.

Çelik raylar ayakların yan tarafında bulunan yuvalara takılmalıdır (S:94, Şekil 4.11). Takma işlemini gerçekleştirirken ayakların üzerinde bulunan sarı dikdörtgen düğmelerin açık (üzerine basılmış) durumda olmasına dikkat edilmelidir. Raylar ayaklara sabitlenmelidir (S:95, Şekil 4.12). Bu işlem için sarı düğmelerin yukarıya kaldırılmış olmasına dikkat edilmelidir. Aynı işlemler çelik rayın diğer uçlarına boştaki ayağı takmak için tekrarlanmalıdır (S:95, Şekil 4.13).

Ayak üzerinde fanın bağlı bulunduğu çubuğun girebileceği yuva bulunmaktadır. Bu yuvaya fanın çubuğu takılmalıdır. Fan, sarı renkli vidanın çevrilmesi ile sabitlenmelidir (S:96, Şekil 4.14). Sonrasında, destek üzerinde bulunan yuvaya rüzgâr türbininin direği takılmalıdır (S:96, Şekil 4.15). Rüzgâr türbininin sağa ya da sola dönmesini önlemek için desteğin yan tarafında bulunan vida sıkıştırılmalıdır.

Rüzgâr türbini desteğe sabitlendikten sonra çelik raylar üzerine destek yerleştirilmelidir (S:97, Şekil 4.16). Rüzgâr türbini raylar üzerine yerleştirilirken türbinin pervanelerinin fan yüzeyinin tam karşısında olmasına dikkat edilmelidir.

Rüzgâr türbininin rüzgâr kaynağından gelen rüzgârdan yararlanabilmesi için fan ile rüzgâr türbini arasındaki mesafe bir cetvel yardımıyla yaklaşık 5-6 cm’ye ayarlanmalıdır (S:97, Şekil 4.17). Bu mesafe, fanın ön yüzünden rüzgâr türbininin pervanelerine olan uzaklıktır.

Rüzgâr türbininden elde edilecek elektrik enerjisinin aydınlatmada kullanılmasını temsil eden elektrik devresi kurulmalıdır (S:98, Şekil 4.18). Bu elektrik devresini kurmak için dört adet köşeli modül, bir lamba modül ve çift yuvalı modül birleştirilmelidir.

Rüzgâr türbininden elde edilen elektrik enerjisi bağlantı kabloları yardımıyla elektrik devresine taşınacaktır. 50 cm’lik kırmızı ve mavi bağlantı kabloları kullanılarak rüzgâr türbini ile elektrik devresi arasındaki bağlantı kurulmalıdır. Bağlantı kablolarının birer uçları rüzgâr türbini üzerinde bulunan aynı renkli yuvalara, kabloların diğer uçları elektrik devresi üzerindeki yuvalara takılmalıdır (S:98, Şekil 4.19).

Rüzgâr türbinine rüzgâr sağlayacak fan ile güç kaynağı arasındaki bağlantı kurulmalıdır (S:99, Şekil 4.20). Bu işlem için 50 cm’lik kırmızı ve mavi bağlantı kabloları kullanılmalıdır. Güç kaynağı üzerinde bulunan dc voltaj çıkış yuvalarına aynı renkli kablolar takılmalıdır.

Fana enerji vermeden önce güç kaynağının üzerindeki voltaj ve akım düğmeleri sıfırlanmalı ve güç kaynağının arkasında bulunan güç anahtarının kapalı olup olmadığı kontrol edilmeli, kapalı değilse kapatılmalıdır. Böylece deney için gerekli devre hazırlanmış oldu.

Deneyin Yapılışı

Deneye başlamadan önce güç kaynağı açma kapama anahtarının kapalı ve voltaj, akım düğmelerinin sıfırlanmış olduğu kontrol edilmelidir. Devrenin hazır olduğu yetkili öğretim elemanına bildirilmeli ve gereken izin alınmalıdır. Sonrasında, güç kaynağının fişi prize takılmalı ve güç kaynağı, açma kapama anahtarı kullanılarak açılmalıdır. Rüzgâr kaynağını çalıştırıp rüzgâr oluşumunu sağlamak için güç kaynağı üzerindeki voltaj düğmesi (S:99, Şekil 4.21(a)) ve akım düğmesi (S:99, Şekil 4.21(b)) döndürülerek rüzgâr kaynağına yeterli enerjinin gelmesi sağlanmalıdır. Bu işlem sırasında güç kaynağı üzerinde bulunan kırmızı aşırı akım ışığı yanabilir. Bu durumda fana uygulanan akımın bir miktar arttırılması gerekir aksi halde fana istenilen voltaj uygulansa bile, akım sınırlaması olduğundan fana gelen güç arttırılamayacaktır. Yeterli miktarda voltaj ve akım çıkışı sağlandığında fan çalışacak ve rüzgâr üretmeye başlayacaktır. Rüzgâr türbinine bağlı pervanenin döndüğüne dikkat edilmelidir. Güç kaynağı üzerindeki voltaj ve akım düğmeleri ayarlanarak fan çalıştırılmalı ve rüzgâr üretimi sağlanmalıdır.

Rüzgâr Enerjisinin Elektrik Enerjisine Dönüştürülmesi

Fanın rüzgâr üretmesiyle birlikte elektrik devresinde bulunan lamba yanmayabilir. Bunun anlamı devre kurulumunda bir hata yoksa rüzgâr kaynağı tarafından yeteri miktarda rüzgâr elde edilememiş demektir. Bu durumda güç kaynağı üzerindeki voltaj ve akım düğmeleri ayarlanarak rüzgâr kaynağından çıkan rüzgâr gücü arttırılabilir. Güç kaynağından fana yeterli güç miktarı sağlanarak elektrik devresindeki lambanın yanması sağlanmalıdır (S:100, Şekil 4.22). Böylece rüzgâr enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.

Rüzgâr Enerjisinin Mekanik Enerjiye Dönüştürülmesi

Rüzgâr enerjisinden mekanik enerji elde edilmesinde ise elektrik devresindeki lamba modülü yerine çark modülü takılacaktır. Bu işlem için güç kaynağının açma-kapatma anahtarından güç kaynağı kapatılıp fana giden enerji kesilmelidir. Elektrik devresindeki lamba modülü çıkartılarak bunun yerine çark modülünü takılmalıdır (S:100, Şekil 4.23). Güç kaynağı anahtardan açılıp fana enerji sağlanmalıdır. Rüzgâr türbininin pervanesi dönerken elektrik devresine takılan çark modülündeki motorun döndüğüne dikkat edilmelidir (S:101, Şekil 4.24).

Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Enerjisi Depolanması

Rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi depolanmasında, elektrik devresindeki çark modülü yerine kondansatör modülü takılmalıdır. Bu işlem için güç kaynağının açmakapatma anahtarından güç kaynağı kapatılıp fana giden enerji kesilmelidir. Elektrik devresindeki çark modülünü çıkartılarak yerine kondansatör modülü takılmalıdır (S:101, Şekil 4.25). Kondansatör uygulanan elektriksel potansiyelin polaritesine duyarlı olduğundan, kondansatör üzerindeki “+” ve “–” kutuplarına rüzgâr türbininin “+” ve “–” kutupları bağlanmalıdır. Güç kaynağı anahtardan açılıp fana enerji sağlanmalıdır.

Rüzgâr türbininin pervanesi dönerken elektrik devresine takılan kondansatör modülde elektrik yükü depolanacaktır (S:102, Şekil 4.26). Kondansatörde yeteri kadar yük depolanmasını sağlayabilmek için deneye 5-10 dakika devam edilmelidir.

Kondansatörde Depolanan Enerjinin Kullanılması

Yeterli bir süre kondansatörün elektrik yükü depolaması sağlandıktan sonra güç kaynağı kapatılmalı ve fişi prizden çekilmelidir. Rüzgâr türbininin bağlantı kabloları ve çift yuvalı modül devreden çıkarılmalıdır ve yeni bir devre kurulmalıdır (S:102, Şekil 4.27). Anahtar modülündeki anahtarın açık olmasına dikkat edilmelidir.

Anahtar modülü üzerindeki anahtar kapalı (devreden akım geçer) konuma getirilmeli (S:102, Şekil 4.28) ve ampulün ışık vermesi gözlenmelidir.

Sonrasında, anahtar modülü açık konuma getirilmeli ve devredeki lamba modülü çıkartılarak yerine çark modülü takılmalıdır (S:103, Şekil 4.29(a)). Anahtar modülü üzerindeki anahtar kapalı (devreden akım geçer) konuma getirilmelidir (S:103, Şekil 4.29(b)). Elektrik motorunun çalıştığı gözlemlenmelidir. Böylece kondansatörde depolanan enerji kullanılmış olur.