Rüzgar Türbini Kutup Sayısı Rüzgar Türbin alternatörleri

[atakale]

Çoğumuz rüzgar türbinlerini görmüşüzdür, peki bu türbinlerin sorunsuz çalışmasını sağlayan unsurları biliyor muydunuz?
- DC Alternatör
- AC Senkron Rüzgar Alternatörü
-AC Asenkron Rüzgar Türbin alternatörü
-Switched Reluctance Wind Turbine Generator
Temel olarak iki tür rüzgar türbini vardır: sabit hızlı türbin ve değişken rüzgar türbini.
Bu iki tür rüzgar türbininden en yaygın kullanılanı, endüksiyon jeneratörünün doğrudan şebekeye bağlı olduğu sabit hızlı türbindir. Ancak, bu sistemin kusurları vardır çünkü genellikle şebeke voltajını kontrol edemez.
Sabit hızlı rüzgar türbininin kusurlarından kaçınmak için değişken hızlı rüzgar türbinleri kullanılır. Bu türbinler, türbinin dinamik davranışına istikrar sağlar ve düşük rüzgar hızlarında gürültüyü azaltır.
Ancak değişken hızlı bir rüzgar türbinini çalıştırmak için bir elektronik dönüştürücüye ihtiyaç vardır ve rüzgar türbini jeneratörünün rolü burada devreye girer.
Bir rüzgar türbinini senkron jeneratör ve asenkron jeneratör gibi herhangi bir üç fazlı jeneratörle donatmak daha tutarlı bir çalışma sağlar.
Bu yazıda, esas olarak farklı rüzgar türbini jeneratör tipleri ve bunların işlevleri hakkında konuşacağız.

DC Jeneratörü
Bir DC rüzgar jeneratörü sisteminde bir rüzgar türbini, bir DC jeneratörü, bir yalıtımlı kapı bipolar transistör (IGBT) invertörü, bir transformatör, bir kontrolör ve bir güç şebekesi bulunur.
Şönt sarımlı DC jeneratörlerde, alan akımı çalışma hızıyla artarken, rüzgar türbini tahrik torku arasındaki denge rüzgar türbininin gerçek hızını belirler.
Elektrik, üretilen AC gücünü DC çıkışına dönüştürmek için kullanılan bağlayan fırçalar aracılığıyla çıkarılır.
Bu jeneratörler düzenli bakım gerektirir ve komütatör ve fırçalar kullandıkları için nispeten maliyetlidir.
DC WTG'lerin kullanımı, düşük güç talebi durumları dışında rüzgar türbini uygulamalarında alışılmadık bir durumdur.
AC Senkron Jeneratör
AC senkron rüzgar türbini jeneratörleri, kalıcı mıknatıslardan veya elektromıknatıslardan sabit veya DC uyarımlar alabilir.
Bu nedenle her ikisine de "kalıcı mıknatıslı senkron jeneratörler (PMSG'ler)" ve "elektrikle uyarılan senkron jeneratörler (EESG'ler)" denir."
Rüzgar türbini rotoru çalıştırdığında, trafo ve güç dönüştürücüler aracılığıyla şebekeye bağlanan stator sargılarında üç fazlı güç üretilir.
Sabit hızlı senkron jeneratörlerde, rotor hızının tam olarak senkron hızda olması gerekir. Aksi takdirde, senkronizasyon kaybolur.
Sabit hızlı senkron jeneratörler kullanıldığında, kule gölgeleme etkileri nedeniyle rüzgar hızında rastgele dalgalanmalar ve periyodik bozulmalar meydana gelir.
Ayrıca, senkron rüzgar türbinleri düşük bir sönümleme etkisine sahip olma eğilimindedir, bu nedenle tahrik treni geçişlerinin elektriksel olarak emilmesine izin vermezler.
Senkron WTG'ler güç şebekesine entegre edildiğinde, frekanslarını şebekeyle senkronize etmek hassas bir işlem gerektirir.
Ayrıca, bu jeneratörler endüksiyon jeneratörlerine kıyasla daha karmaşık, maliyetli ve arızaya daha yatkındır.
Son on yıllarda, PM jeneratörleri yüksek güç yoğunlukları ve düşük kütleleri nedeniyle rüzgar türbini uygulamalarında giderek daha fazla kullanılmaktadır.
PM jeneratörlerinin yapısı nispeten basittir. Sağlam PM'ler sabit bir manyetik alan oluşturmak için rotora monte edilir ve üretilen elektrik, komütatör, kayar halkalar veya fırçalar kullanılarak statordan toplanır.
Bazen PM'ler maliyeti düşürmek için silindirik döküm alüminyum rotora entegre edilir. PM jeneratörlerinin temel çalışma prensibi, PM jeneratörlerinin asenkron olarak çalıştırılabilmesi dışında senkron jeneratörlere benzerdir.
PMSG'lerin bazı avantajları, komütatör, kayar halkalar ve fırçaların ortadan kaldırılmasıdır, böylece makineler sağlam, güvenilir ve basittir.
Gerçek rüzgar hızlarının değişkenliği nedeniyle PMSG'ler sabit frekansta elektrik üretemez. Bunun için jeneratörler güç dönüştürücüler tarafından AC-DC-AC'yi doğrultarak elektrik şebekesine bağlanmalıdır.
Bu, değişken frekans ve büyüklük içeren üretilen AC gücünün önce sabit DC'ye doğrultulması ve ardından tekrar AC gücüne dönüştürülmesi anlamına gelir. Ayrıca, bu kalıcı mıknatıslı makineler doğrudan tahrik uygulamaları için de yararlı olabilir, çünkü bu durumda rüzgar türbinlerinin çoğunda arızalara neden olan sorunlu dişli kutularından kurtulabilirler.
Senkron jeneratörlerin potansiyel varyantlarından biri yüksek sıcaklıklı süperiletken jeneratördür.
Süperiletken jeneratörler stator arka demiri, stator bakır sargısı, HTS alan bobinleri, rotor çekirdeği, rotor destek yapısı, rotor soğutma sistemi ve diğerleri gibi bileşenlere sahiptir.
Süperiletken bobinler, orta düzeyde direnç ve iletken kayıplarına sahip geleneksel bakır tellerden yaklaşık 10 kat daha fazla akım taşıyabilir.
Ayrıca, süperiletkenler kullanmak tüm saha devresi güç kayıplarını durdurabilir. Dahası, akım yoğunluğundaki artış yüksek manyetik alanlara izin verir ve bu da rüzgar türbini jeneratörleri için kütle ve boyutta önemli bir azalmayla sonuçlanacaktır.
Bu nedenle, süperiletken jeneratörler yüksek kapasite ve ağırlık azaltmalarında daha fazla potansiyele sahip olabilir ve 10 MW veya daha fazla güçteki rüzgar türbinleri için daha uygun olabilir.
2005 yılında Siemens, dünyanın ilk süperiletken rüzgar türbini jeneratörünü piyasaya sürdü ve bu jeneratör 4 MW senkron jeneratördü.
Daha yüksek kapasiteyle birlikte, senkron jeneratörler özellikle uzun ömürlü, düşük bakım gerektiren rüzgar türbini sistemleri için çeşitli teknik zorluklar ortaya çıkarabilir.
Örneğin, bu zorluklardan biri, teknik bir aksaklıktan sonra sistemin soğutulması ve işletimin geri yüklenmesidir.
AC Asenkron Rüzgar Türbin alternatörleri
Geleneksel güç üretim yöntemi senkron jeneratörler kullanırken, modern rüzgar enerjisi sistemleri, rüzgar türbini uygulamalarında yaygın olarak endüksiyon makinelerini kullanır.
Endüksiyon jeneratörleri iki türe ayrılır: sincap kafesli rotorlara sahip sabit hızlı endüksiyon jeneratörleri (FSIG'ler) ve sarılı rotorlara sahip çift beslemeli endüksiyon jeneratörleri (DFIG'ler).
Genel olarak, endüksiyon jeneratörleri basit, güvenilir, ucuz ve iyi tasarlanmıştır.
Bu jeneratörler yüksek derecede sönümlemeye sahiptir ve rotor hız dalgalanmalarını ve tahrik treni geçişlerini emebilir.
Sabit hızlı endüksiyon jeneratörlerinde, stator bir transformatör aracılığıyla şebekeye bağlanır ve rotor bir dişli kutusu aracılığıyla rüzgar türbinine bağlanır.
1998'e kadar, çoğu rüzgar türbini üreticisi 1,5 MW ve daha düşük sabit hızlı endüksiyon jeneratörleri üretti.
Bu jeneratörler normalde 50 Hz şebeke için dakikada 1500 devirde (rpm) ve üç kademeli bir dişli kutusuyla çalıştırılıyordu.
Sincap kafesli endüksiyon jeneratörleri (SCIG'ler), senkron makineleri kontrol ederken olduğu gibi değişken hızlı rüzgar türbinlerinde kullanılabilir.
Ancak bu gibi durumlarda çıkış voltajı kontrol edilemez ve reaktif gücün harici olarak sağlanması gerekir.
Bu, sabit hızlı endüksiyon jeneratörlerinin yalnızca dar bir aralıkta ayrı hızlarda çalışırken kısıtlamalara sahip olduğu anlamına gelir.
Bu jeneratörlerin diğer dezavantajları makine boyutu, düşük verimlilik, gürültü ve güvenilirliktir.
Günümüzde, kurulu rüzgar türbinlerinin %85'inden fazlası DFIG'leri kullanıyor ve ticari rüzgar türbini ürünü için en büyük kapasite 5MW'a doğru artırılmış bir kapasiteye sahip.
Artırılmış kapasite, yüksek enerji verimi, azaltılmış mekanik stresler, güç dalgalanmaları ve reaktif gücün kontrol edilebilirliği gibi çeşitli avantajlar sunar.
Endüksiyon jeneratörleri de voltaj dengesizliğine eğilimlidir. Ek olarak, sönümleme etkisi rotorda güç kayıplarına neden olabilir. Terminal voltajı üzerinde doğrudan bir kontrol veya sürekli arıza akımları yoktur.
Bu durumlarda, rotor tarafı dönüştürücüyü (RSC) kontrol ederek DFIG'nin hızını ve torkunu düzenlemek mümkündür.
Alt senkron çalışmada, rotor tarafı dönüştürücü bir invertör ve şebeke tarafı dönüştürücü (GSC) bir doğrultucu olarak çalışır.
Öte yandan, süper senkron çalışmada, RSC bir doğrultucu ve GSC bir invertör olarak çalışır.

Anahtarlı Relüktans Rüzgar Türbini Jeneratörü
Anahtarlı relüktans rüzgar türbini jeneratörleri güçlü rotor ve stator gibi özelliklere sahiptir. Rotorun dönüşleriyle stator ve rotoru birbirine bağlayan manyetik devrenin relüktansı değişir. Daha sonra armatürdeki (stator) sargıda akımlar oluşturur.

Relüktans rotoru lamine çelik saclardan yapılmıştır ve herhangi bir elektrik alan sargısı veya kalıcı mıknatıs içermez.

Bu nedenle relüktans jeneratörü basittir, üretimi ve montajı kolaydır. Bu jeneratörlerin bir diğer belirgin özelliği de yüksek güvenilirlikleridir. Bunun nedeni, zorlu veya yüksek sıcaklıklı ortamlarda çalışabilmeleridir.

Relüktans torkunun elektrik torkunun sadece bir kısmı olması nedeniyle, anahtarlı bir relüktans jeneratörünün rotoru genellikle belirli bir tork oranı için elektriksel uyarımlarla diğerlerinden daha büyüktür.

İsteksizlik jeneratörleri doğrudan tahrik özellikleriyle birleştirildiğinde, makineler oldukça büyük ve ağır olur ve bu da onları rüzgar enerjisi uygulamalarında daha az kullanışlı hale getirir.

İlgili makale: Dünyanın En Büyük 10 Açık Deniz Rüzgar Çiftliği