Yüksek Güçlü Rüzgar Türbinlerinin Yapıları
Transkript
Yüksek Güçlü Rüzgar Türbinlerinin Yapıları
Yüksek Güçlü Rüzgar Türbinlerinin Yapıları Güç Elektroniği ve Kontrol Sistemleri İstanbul ,2013 Ana Başlıklar • Rüzgar Enerjisi sistemleri • Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu • Ülkemizdeki Potansiyel, Kurulu Santraller (RES) • Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı • Milres Projesi • Riskler ve Karşılaşılan Kazalar • Taşıma ve Montaj • Rüzgar Türbinlerinde Güç Elektroniği • Referanslar Rüzgar Enerjisi sistemleri Rüzgar Enerjisi sistemleri Yenilenebilir enerji kaynakları içinde maliye geri dönüş ve uygulama kolaylığı bakımından en avantajlı olanı rüzgar enerjisi sistemleridir. Enerji Geri Dönüşü (EROI – Energy Return On Investment) ölçütüne göre diğer kaynaklardan daha avantajlıdır EWEA (European Wind Energy Association) 2020 yılında Avrupa’daki enerji ihtiyacının %20 sinin yenilenebilir kaynaklardan karşılanmasını öngörmektedir Rüzgar Enerjisi sistemleri Rüzgar Enerjisi sistemleri Darius tipi türbin Drag tipi türbin Elektrik üretim amaçlı olmayan rüzgar enerjisi sistemleri Günümüzde kullanılan 3 kanatlı RüzgarTürbini Rüzgar Enerjisi sistemleri Rüzgar Enerjisi sistemleri Rüzgarın hangi hızda eseceğine ilişkin Weibull Formülü Rüzgar Enerjisi sistemleri Rüzgar Enerjisi sistemleri Rüzgar Türbinleri için öngörülen güç hesabı Üretilen Güç Verim ve Kapasite Formülleri Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu 2009 itibariyle Avrupa’da kurulu rüzgar enerjisi santralleri Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Türkiye Rüzgar Enerjisi Sektörü EPDK ’ya yapılan toplam kapasite başvurusu Kesinleşmiş Toplam (kurulu, inşa halinde, sözleşme imza vs) 78 GW 2 GW Bakanlık Strateji Belgesi - 10 Yıl içinde planlanan kapasite 20 GW 20-30 Yıl içinde tahmini kurulu kapasite 40 GW Mali Boyut ( 1.5 Milyon USD/MW RES Piyasa Bedeli ile): Kesinleşmiş Toplam (2 GW için) 3 Milyar USD 10 Yıllık Toplam (20 GW için) 30 Milyar USD 20-30 Yıl Toplam (40 GW için) 60 Milyar USD Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Global Üreticilerin Pazar Payları Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Global Üreticilerin Pazar Payları ve genel Türbin Özellikleri MARKA PAZAR PAYI (%) MODEL BESLEME GÜÇ (kW) ÇAP (m) UÇ HIZI (m/s) GÜÇ İLETİMİ Vestas 22.8 V90 Dişli Kutulu 3000 90 87 Asenkron GE Energy 16.6 2.5XL Dişli Kutulu 2500 100 86 PMG Gamesa 15.4 G90 Dişli Kutulu 2000 90 90 DFIG Enercon 14 E82 Direkt 2000 82 84 Senkron Suzlon 10.5 S88 Dişli Kutulu 2100 88 71 Asenkron Siemens 7.1 3.6 SWT Dişli Kutulu 3600 107 73 Asenkron Acciona 4.4 AW-119/3000 Dişli Kutulu 3000 116 74.7 DFIG Goldwind 4.2 REpower750 Dişli Kutulu 750 48 58 Endüksiyon Nordex 3.4 N100 Dişli Kutulu 2500 99.8 78 DFIG Sinovel 3.4 1500 (Windtec) Dişli Kutulu 1500 70 Asenkron Ülkemizdeki Potansiyel, Kurulu Santraller (RES) Ülkemizdeki Potansiyel, Kurulu Santraller (RES) Ülkemizdeki Potansiyel, Kurulu Santraller (RES) Ülkemizdeki Potansiyel, Kurulu Santraller (RES) İlk Kurulan Türbinler 1 . 1998 yılında Demirer Holding tarafından Çeşme’de yapılmıştır. 1.5 MW’lık kurulu gücü ve % 35’lik kapasite faktörü ile yılda 4.5 milyon kWh 2. Alaçatı’da ARES santrali, 12 adet 600 kW’lık toplam 7.2 MW kurulu güç Yılda yaklaşık 22 milyon kWh elektrik üretilmektedir. 3. Çanakkale Bozcaada’da (2000)17 adet 600 kW’lık toplam 10.2 MW kurulu güc Yılda yaklaşık 35.5 milyon kWh elektrik üretilmektedir. 2008 yılı sonu itibariyle 433.35 MW rüzgâr santrali şebekeye bağlanmış, 402 MW rüzgâr santrali de inşa halindedir. EPDK’dan lisans almış olan 667 MW’lık rüzgâr santrali projesinin de türbin tedarik sözleşmeleri imzalanmıştır EPDK’ya 71,028 MW’lık lisans başvurusu yapılmıştır (Türkiyenin 2010 itibariyle toplam kurulu gücü 45,000 MW ) Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Bir Rüzgar Türbini şu ana bölümden oluşmaktadır Kanatlar Temel ve kule inşaatı Nacelle – Beşik – Makine kutusu Hub Generatör Dişli kutusu Güç elektroniği Yaw ve Pitch (Gövde ve Kanat Açısı) kontrolü Rüzgar ve çevre şartları ölçüm sistemleri Şebeke bağlantısı ve şalt alanı İzleme ve yönetim sistemi - SCADA Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Jeneratör Soğutma Ana Yataklar Hub Fren Rüzgar Hız ve Yön Ölçümü Kanat Kanat Yönlendirme Dişli Kutusu Jeneratör Nasel Yatağı Yunuslama Sistemi Kule Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Kanatlar Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Temel ve kule inşaatı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Nacelle – Beşik – Makine kutusu Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Hub Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Generatör Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Dişli Kutusu Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Güç Elektroniği Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Güç Elektroniği MV Switchgear Main Transformer Power Distribution Panel Distortion Filter Line Fuse Tower Cables Frequency Converter Common Mode Line Inductor Inductor Line Brake Converter Chopper DC Generator Capacitor Converter Line Brake Converter Chopper DC Generator Capacitor Converter Line Brake Converter Chopper DC Generator Capacitor Converter Generator Inductor Generator Fuse Generator Inductor Generator Fuse Generator Inductor Generator Fuse Generator Inductor Generator Fuse Uptower Motor Operated Thread 1 MV SWGR LOTO for Tower TVSS Line Fuse Motor Operated Common Mode Line Inductor Inductor Thread 2 3000:5 3000:1 PMG DC Bus Charge CKT Line Fuse Common Mode Line Inductor Inductor Auxiliary Load Distribution 3000:1 T Thread 3 Line Fuse Common Mode Line Inductor Inductor Line Brake Converter Chopper DC Generator Capacitor Converter Thread 4 PEN Power Breaker: UV Release, Close, Charge Main Status, Trip Status, Ready to Close UPS (Power) Switchgear Trip Trip Status Power CT's Protective Relay CAN Bus Turbine Main Control Panel Trip Coil (UPS) UPS Generator Breakers Contro l Power DC Bus Charge, Distortion Filter, Over Temp UV Release (UPS), Close, Open Converter Master Control Tachometer (Encoder) Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Yaw ve Pitch (Gövde ve Kanat Açısı) kontrolü Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Yaw ve Pitch (Gövde ve Kanat Açısı) kontrolü Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar ve çevre şartları ölçüm sistemleri Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Şebeke bağlantısı ve şalt alanı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı Rüzgar Türbinlerinin Genel Yapısı İzleme ve yönetim sistemi - SCADA Milres Projesi Milres Projesi • Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı Tarafından 2008 yılı sonlarında YENSAN proje grubu oluşturuldu. • Üniversiteler ve Sanayi Firmalarının Katılımıyla 2009 da 2 adet 500KW ve 1 adet 2,5MW rüzgar türbini tasarımı ve üretimi ile ilgili olarak KAMAG – 1007 proje başvurusunda bulunuldu. • Şubat 2010 da proje revize edildi. • Proje ortakları : Sabancı Üniversitesi TAI – TUSAŞ İstanbul Ulaşım AŞ. Tübitak MAM Enerji Enstitüsü İTÜ Milres Projesi Milres Projesi Proje Kapsamında ilk 2 yıl içinde 2 adet 500KW rüzgar türbini üretilecek • Bir türbin Çelik Kule üzerinde PMSG ile • İkinci türbin Beton Gerilmeli Kule üzerinde DFIG ile 500KW türbinlerin bitirilmesi ve devreye alınmasından sonra bir değerlendirme toplantısı yapılacaktır. Burada gerekmesi durumunda seçilen teknolojide bir değişiklik ve projede bir revizyona gidilecektir. Daha sonra da 2,5MW lık bir adet türbinin tasarım ve imalatı gerçekleştirilecek ve proje 4 yıl içinde tamamlanacaktır. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tüm lisans ve üretim hakları Tübitak’ın olacak bu projeyle Türkiye’de ihale ile türbinlerin yerli üretimini sağlayacaktır. Milres Projesi Milres Projesi • Proje süresi 4 yıl • 134 araştırmacı görev yapacaktır • Proje Süresinde 24 Y.Lisans ve Doktora öğrencisi bursiyer görev alacaktır • Projenin Bütçesi 53Milyon TL dir. • Proje sonunda üretilecek prototiplerin değeri 6Milyon TL • Türbin Üretimi emek yoğun bir sektördür. Almanya’da ortalama megawatt başına 12 kişi istihdam edilmektedir • Yerli yan sanayi ve sektörde yetişmiş insan kaynağı ihtiyacı karşılacaktır Milres Projesi Milres Projesi • Üretilecek 2,5MW rüzgar türbininin hedeflenen teknik özellikleri •Nominal Güç >2500KW •Devreye Girme (Cut -in) 3m/s •Devreden Çıkma(Cut-Out) 22m/s •Nominal Güce ulaşma 12m/s •Generator Teknolojisi 8 kutuplu sabit mıknatıslı Senkron Generatör •Gen. Gerilimi/Frekansı 690V / 110Hz •Generator Devir Aralığı 500 – 1850 rpm (Nom:1650 , Max:2200 rpm) •Generator Soğutma Isı Eşanjörü kullanılarak hava soğutmalı •Güç Elektroniği Soğutma Sıvı Soğutmalı •Dişli Kutusu Çevirme Oranı 1: 110 (100-120 arasında) •Kanat Uzunluğu 48 - 50 m •Her bir Kanadın Ağırlığı 2 Ton •Kule Yüksekliği 85m •Nacelle Ağırlığı 35 •Sensörler Rüzgar Hızı, Rüzgar Yönü, Sıcaklık, Basınç, Yağmur Milres Projesi Milres Projesi • Proje sonunda üretilmesi planlanan türbinin boyutları 2.5 MW’lık NORDEX N90 ile AIRBUS A380 KIYASLAMASI N90: Temel hariç 374t / Toplam 1.160t A380: Uzunluk 79,8m / boş 290t / max. 560t Milres Projesi Milres Projesi Prototip Test Sahası HEAŞ, Hamitabat, Lüleburgaz 41 29 13 N 27 19 09 E 137 m Dominant Rüzgar Yönü 110 m 90 m 140 m Milres Projesi Riskler ve Karşılaşılan Kazalar Gamesa G87 2.0 MW kanadı koparak 200 metre fırlamış Suzlon S88 Lake Wilson, 2006 Milres Projesi Riskler ve Karşılaşılan Kazalar Goldenstedt, Almanya, 2002. 70 metre türbin aşırı rüzgardan devrilme Uelzen, Lower Saxony, Germany Sunderland Echo 2007 Solano County Community 2008 Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Taşıma ve Montaj Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Rüzgar Türbinlerinde Güç Elektroniği Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Rüzgar Türbinlerinde Güç Elektroniği Güç Elektroniği Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Rüzgar Türbinlerinde Güç Elektroniği Güç Elektroniği test düzeneği Sabit Akılı DA Motoru Sabit Mıknatıslı Senkron Generator E DA Sürücü Seri End. Çift yönlü DA-DA çevirici Akü grubu Doğrultucu Güç Trafosu Evirici Lokal YÜK DİJİTAL KONTROLÖR Enerji Hattına Ekonomik Boyut ve Pazarın Durumu Rüzgar Türbinlerinde Kontrol Nacelle ve Kanat açısı kontrolü Değişik sabit kanat açıları ve sabit rotor iken rotor hızında gücünün değişimi Rotor güç katsayısının yaw açısıyla azalma eğrisi Referanslar Referanslar • http://www.www.eoearth.org - Energy return on investment (EROI) for wind energy •http://www.ewea.org/ •http://repa.eie.gov.tr/ •http://www.windaction.org/ •http://www.nordex-online.com/en/ •Power Electronics for Wind Turbines, Dejan Schreiber •Basic Operation Principles and Electrical Conversion Systems of Wind Turbines , Henk Polinder, Sjoerd W.H. de Haan •Conceptual survey of Generators and Power Electronics for Wind Turbines, L. H. Hansen, L. Helle, F. Blaabjerg, E. Ritchie •Power Electronics for Modern Wind Turbines, Frede Blaabjerg , Zhe Chen Proje Süreci Proje Sürecinde Yapılan Çalışmalar Proje Süreci Proje Kapsamında Yapılan Çalışmalar Genel Bilgiler: Proje Başlangıç Tarihi : 01.07.2011 Toplam Bütçe : 11.323.858TL Projedeki Araştırmacı Sayısı : 85 personel + 23 Bursiyer Proje Hedefi : • 1. Aşama 500KW rüzgar türbini tasarımı ve prototip türbin üretimi • 2. Aşama 2.5MW türbin tasarımı ve üretimi Müşteri Kurum :Enerji veTabii Kaynaklar Bakanlığı Destek : Tübitak KAMAG tarafından %100 destekleniyor. Proje Ortakları: Sabancı Üniversitesi, TAI , İstanbul Ulaşım, Tübitak MAM Enerji Ensitüsü, İTÜ Proje Süreci Mekanik Tasarım Hub Tasarımı Yaw Dişlisi Tasarımı Proje Süreci Mekanik Tasarım 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ana Şaft Rulman ve yatağı Demontaj askısı Sıkma bileziği Hızlı dönen şaft Kaplin Hub Tasarımı Yaw Dişlisi Tasarımı Proje Süreci Mekanik Tasarım Şafta gelen yükler Fren Diski Tasarımı Proje Süreci Kanat Tasarımı Kanat genel bilgileri Proje Süreci Kanat Tasarımı Kanat Uzunluğu Kanat Kökü Çapı 21,5 m 2,0 m 0,4 m 1215 mm Saplama Ekseni Çapı 1145 mm Saplama Ölçüsü / Sayısı M24 x 36 Toplam Kanat Yüzey Alanı 65,6 m² Tarama Alanı Kanat ağırlığı 1590 m² 20° 1950 kg Kanat boya kodu RAL 7035 Azami Veter Uzunluğu Asgari Veter Uzunluğu Toplam Kanat Burulma Açısı Yıldırım Koruma İletkeni Kanat Yapısı Referanslar Kanat Tasarımı 16 rpm 22 rpm 30 rpm 650 kW 11.5 m/s Proje Süreci Kanat Tasarımı Proje Süreci Güç Elektroniği Güç Katı Tasarımı Proje Süreci Güç Elektroniği Isıl Analizler Proje Süreci Güç Elektroniği – Güç Katı Tasarımı Proje Süreci Güç Elektroniği – Test Düzeneği 380V AC Şebeke 50 Hz 750V DC Bara Moment Referansı 380/690 V 100KW Transformatör 110kW SIEMENS SIMOVERT DC-AC İNVERTER Gerilim ve Akım Ölçümü Şebeke Tarafı Çevirici Anahtarlama İşaretleri DC Gerilim ve akım Ölçümü Hız Ölçer M M 75 KW Asenkron Motor Moment Ölçer M M HIL Kontrolör Anahtarlama İşaretleri Rotor Tarafı Çevirici 50 KW DFIG Moment Ölçümü Hız Ölçümü Senkronizasyon Gerilim Ölçümü Senkronizasyon Kontaktör Kapama İşareti Gerilim ve Akım Ölçümü Proje Süreci Güç Elektroniği – Konvertör Kontrol Algoritmaları Şebeke tarafı çevirici için kontrol şeması Rotor tarafı çevirici için kontrol şeması Proje Süreci Güç Elektroniği – Konvertör Kontrol Algoritmaları Scope23 Discrete, Ts = 1e-005 s. Scope9 Group 1 Signal 1 [Idq_gc] Idq_gc [W_grid] W_grid Tm 1 Signal Builder2 a B Scope4 Iq_ref Gain3 C C B A Vdc Unit Delay1 a B b C c Scope13 Choke PLL [Wm_rotor] Scope11 <Electromagnetic torque Te (N*m)> <Rotor angle thetam (rad)> A Scope12 [Thetam_rotor] <Rotor flux phir_q (V s)> <Rotor flux phir_d (V s)> <Rotor voltage Vr_q (V)> AC-DC-AC Converter Average Model [Vabc_B1] <Rotor voltage Vr_d (V)> [Vdqs] abc Demux dq0 <Stator flux phis_q (V s)> Grid-side [W_grid] Out3 Gain1 <Stator current is_c (A)> Scope14 [Pulses_grid_conv] PWM Generator Theta_grid_mod B [Theta_grid_mod] A [Theta_grid_mod] In1 Out2 -K- <Stator current is_b (A)> Asynchronous Machine SI Units Pulses [Vabc_grid_conv] C [VDC] Signal(s) z B1 C Uctrl_grid_conv Vdqs [Vabc_B1] [Iabc_stator] <Rotor speed (wm)> c [Vdqs] m B b Three-Phase Source 1 Scope1 <Stator current is_a (A)> A [sin_cos] Out1 <Rotor current ir_b (A)> <Rotor current ir_c (A)> [Vabc_B1] Vabc A 0 [Iabc_rotor] <Rotor current ir_a (A)> Wound-Rotor Induction Generator Scope16 [sin_cos] <Stator flux phis_d (V s)> sin_cos abc_to_dq0 [Iabc_grid_conv] [Iabc_stator] Vabc [Pulses_grid_conv] [sin_cos] g g + Scope5 Idqr aB A b B A Vabc B a [W_slip] W_slip c C b 1 [Wm_rotor] Signal(s) z Wm_rotor Pulses Q_ref 0 + v - sin PWM Generator1 [sin_cosFO] -pi/2 [VdqsFO] cC B_grid_conv2 [Theta_grid_mod] A a B b C c [sin_cos] Demux sin_cos abc_to_dq0 Vnom_r/Vnom Z=0% Scope10 # pairs of [Theta_grid_mod] poles [VDC] [Thetam_rotor] Voltage Measurement cos [Idq_gc] abc dq0 B Universal Bridge1 [Pulses_rotor_conv] Unit Delay Uctrl_grid_conv - C Universal Bridge2 Scope3 [Vrotor] A [Iabc_grid_conv] - C B_grid_conv r_angle_transform sin_cos abc_to_dq0 [flux_s] + C1 [r_angle_transform] Demux dq0 A Iabc [Idqr] [Idqs] abc [Pulses_rotor_conv] [r_angle_transform] 4 mod 2*pi Vdqs -pi/2 [IdqsFO] Scope8 Idqs Scope15 [Iabc_rotor] [flux_s] rotor-side 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power [Vabc_B1] Iabc_B1 [Vabc_B1] -T- [Wm_rotor] 4 dq0 sin [W_slip] -K- [VdqsFO] Demux [r_angle_transform] Demux sin_cos cos RPM1 abc_to_dq0 # pairs of poles1 abc_to_dq1 [VrotF] Scope6 dq0 [sin_cosFO] Demux [Wm_rotor] Scope2 sin_cos s+2000 -K- Transfer Fcn2 RPM abc_to_dq0 1 Vabc PQ Iabc 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power3 [Vrotor] 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power2 Iabcrot Scope24 2000 s+2000 s+2000 [VgridcF] Vabc PQ Iabc Transfer Fcn3 2000 s+2000 Transfer Fcn5 -T- Scope22 Demux Transfer 2000Fcn1 Scope20 Vabc PQ Iabc 2000 [IdqsFO] abc Scope17 [VrotF] -T- sin_cos [Iabc_stator] Scope18 [VgridcF] abc [sin_cosFO] dq0 Vabc PQ Iabc 3-phase Instantaneous Active & Reactive Power1 [Vabc_B1] [Idqr] abc Scope7 [W_grid] flux Demux 2000 s+2000 Transfer 2000Fcn4 s+2000 Scope21 Transfer Fcn6 Matlab ortamında hazırlanmış simülasyon şeması Scope19 Proje Süreci Güç Elektroniği – Elektronik Kartlar Besleme Kartı IGBT Sürücü Kartı Yüksek Gerilim Ölçme Kartı İzole Besleme Kartı Proje Süreci Montaj Alanı İSKİ-Terkos Pompa İstasyonu Saha Yerleşim Planı MİLRES Teşekkürler… 01.03.2013