Mini hidroelektrik santraller için güneş pilleri ile uyartılan senkron generatör tasarımı
Design of synchronous generator excited by photovoltaic cells for mini hydro-electrical power plants
Yazar: NEVZAT ONAT
Danışman: PROF.DR. İRFAN GÜNEY
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
ÖZETMİNİ HİDROELEKTRİK SANTRALLER İÇİN GÜNEŞ PİLLERİ İLEUYARTILAN SENKRON GENERATÖR TASARIMINEVZAT ONATGünümüzde sürekli olarak artan elektrik enerjisi talebi, tüm dünyayı gittikçetükenmekte olan fosil yakıtlara alternatif enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir.Yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan bu kaynaklar içinde en fazlatüketileni su gücüdür. Bu nedenle büyük güçlü hidroelektrik santrallerin yanı sıra küçükölçekli santraller kurularak dünyada mevcut su potansiyelinin elektrik enerjisinedönüştürülmesinde maksimum fayda sağlamak önemlidir. Büyük güçlü santraller çokciddi bir yatırım maliyetine sahiptirler. Bunu yanı sıra, yapımları uzun yıllar almakta veoluşturdukları büyük baraj göllerinin, iklim, çevre ve tarihi doku üzerinde olumsuzetkileri olabilmektedir. Bütün bunlar özellikle yüzölçümü ve su kaynakları kısıtlıülkeleri küçük hidroelektrik santraller kurmaya zorunlu kılmaktadır.Bu çalışmada yukarıda belirtilen sebeplerle kullanım alanı gittikçe genişleyenenerji verimi yüksek ve asenkron generatörlü sistemlere göre daha esnek çalışmakoşullarına sahip bir mini hidroelektrik santral simülasyonu gerçekleştirilmiştir.Santralde elektrik üretici olarak senkron generatör kullanılmaktadır. Senkrongeneratörler enerji dönüşümü yapabilmek için bir uyartım gücüne ihtiyaç duyarlar. Bugüç sistemin toplam verimini düşürmektedir. Tezde kullanılan generatörün uyartımgücü ise fotovoltaik pillerden elde edilmiştir. Böylece sistemin uyartım kayıpları sıfıraindirilerek toplam enerji verimi arttırılmış olmaktadır.Birinci bölümde çalışmanın amacı özetlendikten sonra, Türkiye'de ve dünyadahidroelektrik potansiyeli üzerinde durulmuştur. Çalışmanın konusu içerisinde yer alanmini hidroelektrik santraller, bileşenleri ve yapım aşamaları tezin ikinci bölümündeayrıntılı olarak ele alınmıştır.Simülasyonu yapılan hidroelektrik santralde enerji dönüşümü yapan makinesenkron generatör olduğundan, üçüncü bölümde senkron makinelerin yapıları, uyartımsistemleri, kararlılık sorunları ve bu konuda yapılan çalışmalar hakkında bilgilerverilmiştir.Dördüncü bölümde bu çalışmanın ana elemanlarından biri olan fotovoltaiksistemler ve özellikle tek başına çalışan (stand-alone) tasarımlar hakkında ayrıntılıbilgiler verilmiştir. Bu bölümde fotovoltaik sistemlerdeki maliyet faktörleri üzerinde dedurularak, 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 beslemeelemanları, bataryalar, şarj regülatörü, inverter gibi elemanlara ait teknik bilgilerverilmiştir. Özellikle senkron generatörün fiziki yapısı, karakteristik değerleri veçalışma parametreleri üzerinde durulmuştur. Generatör çalışma durumunda makineperformansını etkileyen geçici ve alt geçici reaktanslar, direnç, regülasyon gibibüyüklükler deneysel olarak elde edilmiştir.Altıncı bölüm deneysel uygulamaların sonuçlarının alındığı kısımdır. Bubölümde, güneş pili uyartımlı senkron generatörün (GPUSG) çeşitli yük durumlarındakidavranışları incelenerek, özellikle enerji kalitesini belirleyen gerilim ve frekansdeğerlerinin ne ölçüde sabit tutulabildiği deneysel olarak saptanmıştır. Bunun yanı sıraGPUSG çeşitli karakteristiklerde ani yük darbelerine ve kısa devre durumlarına maruzbırakılarak gerilim ve frekans cevapları grafiksel olarak elde edilmiştir. Bu bölümdeGPUSG sisteminin uyartım kısmını boyutlandıran ve maliyet analizini yapan birbilgisayar programı da geliştirilmiştir.Son bölümde ise yapılan deneyler ve alınan veriler ışığında GPUSG'ün küçükhidroelektrik santrallerde uygulanabilme olanakları ortaya konmuştur. Sistemin çeşitliyüklere ve darbelere verdiği cevaplar yorumlanmıştır. Ayrıca maliyet faktörleriaçısından sistemin ne gibi fayda ve sakıncalar getirdiği üzerinde durularak tezdeönerilen sistemin uygulanabilirliği ortaya konulmuştur.

Abstract:
ABSTRACTDESIGN OF SYNCHRONOUS GENERATOR EXCITED BY PHOTOVOLTAICCELLS FOR MINI HYDRO-ELECTRICAL POWER PLANTSNEVZAT ONATToday, continuously increasing electrical energy demand is directed the world toinvestigate of alternative energy sources instead of fossil fuels. The most consupted oneof these that called renewable energy sources is hydro-electrical power. Therefore, it isimportant to maximum benefit from this potential. Large hydro-electrical power plantshave very serious investment cost. In addition, construction of these plants keeps onlong years and their dams may be negative effects on climate, environment, andhistorical works of art. All of these reasons are forced to build small hydro-electricalpower plants particularly minor (small) countries.In this study, a mini hydro-electrical power plant simulation is realized that havemore flexible operation conditions. A synchronous generator is used for electricalenergy production in this plant. Synchronous generators are need excitation power tomake energy conversion. Excitation power is decreased total energy efficiency ofsystem. In this thesis, excitation power that needed by synchronous generator issupplied from photovoltaic cells. Thus, excitation losses of system are eliminated andtotal energy efficiency is increased.In first section, after summarized the aim of study, hydro-electrical potential isexplained 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 simulatedpower plant, the third section has provided information about structure, excitationsystems and stability problems of these machines.In fourth section, one of major component of this study that is photovoltaicsystems (particularly stand-alone PV systems) is examined in details. This section hasalso provided information about cost considerations in photovoltaic systems andexplained procedures of batteries, modules and other device selection.In fifth section, technical information are given about devices used inexperiments such as synchronous generator, direct current motor, photovoltaic cell,voltage and frequency control units, feedback components, charge regulator andinverter. Particularly, physical structure, characteristic values, curves, and operationparameters of synchronous generator are analyzed. These values are effects machineperformance in generator operating situation, such as transient and sub-transientreactance, effective resistance, voltage regulation, ?V? curves, etc. are determinedexperimentally.The sixth section is the part that experimental measurement results are taken.Behaviors of Photovoltaic Cell Excited Synchronous Generator (PCESG) are analyzedunder several load conditions and especially stability of voltage and frequency isdetermined experimentally because stabilities of these values are fixed the quality ofelectrical energy. In addition, PCESG is also operated under sudden load impact andshort circuit faults. In these operating conditions, voltage and frequency outputs aredetermined graphically.A computer program is also improved that calculated of excitation current andlife cycle cost excitation part of PCESG in this section.In the last section, depending on experimental results, feasibility possibilities ofPCESG in small hydro-electrical power plants is put forward. Outputs of the system forseveral loads and short circuit conditions are interpreted. Furthermore, viewpoint of costconsiderations system advantages and disadvantages are analyzed and provedpracticability of suggested system in thesis.