Mini hidroelektrik santraller için güneş pilleri ile uyartılan senkron generatör tasarımı

Abstract

Günümüzde sürekli olarak artan elektrik enerjisi talebi, tüm dünyayı gittikçe tükenmekte olan fosil yakıtlara alternatif enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan bu kaynaklar içinde en fazla tüketileni su gücüdür. Bu nedenle büyük güçlü hidroelektrik santrallerin yanı sıra küçük ölçekli santraller kurularak dünyada mevcut su potansiyelinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde maksimum fayda sağlamak önemlidir. Büyük güçlü santraller çok ciddi bir yatırım maliyetine sahiptirler. Bunu yanı sıra, yapımları uzun yıllar almakta ve oluşturdukları büyük baraj göllerinin, iklim, çevre ve tarihi doku üzerinde olumsuz etkileri olabilmektedir. Bütün bunlar özellikle yüzölçümü ve su kaynakları kısıtlı ülkeleri küçük hidroelektrik santraller kurmaya zorunlu kılmaktadır. Bu çalışmada yukarıda belirtilen sebeplerle kullanım alanı gittikçe genişleyen enerji verimi yüksek ve asenkron generatörlü sistemlere göre daha esnek çalışma koşullarına sahip bir mini hidroelektrik santral simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Santralde elektrik üretici olarak senkron generatör kullanılmaktadır. Senkron generatörler enerji dönüşümü yapabilmek için bir uyartım gücüne ihtiyaç duyarlar. Bu güç sistemin toplam verimini düşürmektedir. Tezde kullanılan generatörün uyartım gücü ise fotovoltaik pillerden elde edilmiştir. Böylece sistemin uyartım kayıpları sıfıra indirilerek toplam enerji verimi arttırılmış olmaktadır. Birinci bölümde çalışmanın amacı özetlendikten sonra, Türkiye'de ve dünyada hidroelektrik potansiyeli üzerinde durulmuştur. Çalışmanın konusu içerisinde yer alan mini hidroelektrik santraller, bileşenleri ve yapım aşamaları tezin ikinci bölümünde ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Simülasyonu yapılan hidroelektrik santralde enerji dönüşümü yapan makine senkron generatör olduğundan, üçüncü bölümde senkron makinelerin yapıları, uyartım sistemleri, kararlılık sorunları ve bu konuda yapılan çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde bu çalışmanın ana elemanlarından biri olan fotovoltaik sistemler ve özellikle tek başına çalışan (stand-alone) tasarımlar hakkında ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Bu bölümde fotovoltaik sistemlerdeki maliyet faktörleri üzerinde de durularak, sistemdeki bileşenlerin belirlenmesi için izlenecek yöntemler açıklanmıştır. Beşinci bölümde deneysel uygulamalarda kullanılacak olan senkron generatör, doğru akım motoru, fotovoltaik piller, gerilim ve frekans kontrol üniteleri, geri besleme elemanları, bataryalar, şarj regülatörü, inverter gibi elemanlara ait teknik bilgiler verilmiştir. Özellikle senkron generatörün fiziki yapısı, karakteristik değerleri ve çalışma parametreleri üzerinde durulmuştur. Generatör çalışma durumunda makine performansını etkileyen geçici ve alt geçici reaktanslar, direnç, regülasyon gibi büyüklükler deneysel olarak elde edilmiştir. Altıncı bölüm deneysel uygulamaların sonuçlarının alındığı kısımdır. Bu bölümde, güneş pili uyartımlı senkron generatörün (GPUSG) çeşitli yük durumlarındaki davranışları incelenerek, özellikle enerji kalitesini belirleyen gerilim ve frekans değerlerinin ne ölçüde sabit tutulabildiği deneysel olarak saptanmıştır. Bunun yanı sıra GPUSG çeşitli karakteristiklerde ani yük darbelerine ve kısa devre durumlarına maruz bırakılarak gerilim ve frekans cevapları grafiksel olarak elde edilmiştir. Bu bölümde GPUSG sisteminin uyartım kısmını boyutlandıran ve maliyet analizini yapan bir bilgisayar geliştirilmiştir. Son bölümde ise yapılan deneyler ve alınan veriler ışığında GPUSG'ün küçük hidroelektrik santrallerde uygulanabilme olanakları ortaya konmuştur. Sistemin çeşitli yüklere ve darbelere verdiği cevaplar yorumlanmıştır. Ayrıca maliyet faktörleri açısından sistemin ne gibi fayda ve sakıncalar getirdiği üzerinde durularak tezde önerilen sistemin uygulanabilirliği ortaya konulmuştur. Today, continuously increasing electrical energy demand is directed the world to investigate of alternative energy sources instead of fossil fuels. The most consupted one of these that called renewable energy sources is hydro-electrical power. Therefore, it is important to maximum benefit from this potential. Large hydro-electrical power plants have very serious investment cost. In addition, construction of these plants keeps on long years and their dams may be negative effects on climate, environment, and historical works of art. All of these reasons are forced to build small hydro-electrical power plants particularly minor (small) countries. In this study, a mini hydro-electrical power plant simulation is realized that have more flexible operation conditions. A synchronous generator is used for electrical energy production in this plant. Synchronous generators are need excitation power to make energy conversion. Excitation power is decreased total energy efficiency of system. In this thesis, excitation power that needed by synchronous generator is supplied from photovoltaic cells. Thus, excitation losses of system are eliminated and total energy efficiency is increased. In first section, after summarized the aim of study, hydro-electrical potential is explained in Turkey and also the world. Small hydro-electrical power plants, components, and construction stages are described in second section. Because of energy conversion machine is a synchronous generator in simulated power plant, the third section has provided information about structure, excitation systems and stability problems of these machines. In fourth section, one of major component of this study that is photovoltaic systems (particularly stand-alone PV systems) is examined in details. This section has also provided information about cost considerations in photovoltaic systems and explained procedures of batteries, modules and other device selection. In fifth section, technical information are given about devices used in experiments such as synchronous generator, direct current motor, photovoltaic cell, voltage and frequency control units, feedback components, charge regulator and inverter. Particularly, physical structure, characteristic values, curves, and operation parameters of synchronous generator are analyzed. These values are effects machine performance in generator operating situation, such as transient and sub-transient reactance, effective resistance, voltage regulation, V curves, etc. are determined experimentally. The sixth section is the part that experimental measurement results are taken. Behaviors of Photovoltaic Cell Excited Synchronous Generator (PCESG) are analyzed under several load conditions and especially stability of voltage and frequency is determined experimentally because stabilities of these values are fixed the quality of electrical energy. In addition, PCESG is also operated under sudden load impact and short circuit faults. In these operating conditions, voltage and frequency outputs are determined graphically. A computer program is also improved that calculated of excitation current and life cycle cost excitation part of PCESG in this section. In the last section, depending on experimental results, feasibility possibilities of PCESG in small hydro-electrical power plants is put forward. Outputs of the system for several loads and short circuit conditions are interpreted. Furthermore, viewpoint of cost considerations system advantages and disadvantages are analyzed and proved practicability of suggested system in thesis.