Rüzgâr türbinlerinde yıldırımdan korunma sistemleri ve örnek olay incelemesi
Lightning protection system in wind turbines and case study
Yazar: ŞEVVAL ŞENGÜL
Danışman: DOÇ. DR. HALİL İBRAHİM VARİYENLİ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Türbin = Turbine ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yıldırım = Lightning

Özet:
Rüzgâr enerjisinin küresel enerji dengesindeki payı artmaya devam ettikçe, rüzgâr türbinlerinin güvenilirlik gereksinimleri de önem kazanmaktadır. Bu nedenle, rüzgâr türbinlerinin yıldırımdan korunması, modern rüzgâr türbinlerinin konumu ve boyutu göz önüne alındığında önem arz eden bir konu haline gelmiştir. Uluslararası standartlarda rüzgâr türbindeki elemanlar risk durumuna göre bölgelere ayırmıştır. Türbin üreticisi olan firmalar, yıldırımdan korunma sistemlerinin ilgili IEC standartlarında belirtilen en yüksek koruma seviyelerine uygunluğunu esas alarak kurulum yapmaktadır. Rüzgâr türbinlerinde yıldırımdan korunma bölgeleri incelenmiştir. Bu çalışmada, işletmede bulunan bir rüzgâr türbininin yıldırım hasarı aldığında; operasyon süreci ve ekonomik analizi incelenmiştir. Sahadaki operasyon süreci detaylandırılarak yorumlanmıştır, yıldırımın kanat uç bölgesinden girdiği ardından içerde çatallanarak bir kısmı kanat üzerinden bir kısmı da kablo üzerinden ilerlediği görülmüştür. Hasar alan kanada ait elektronik yıldırım kartı raporunda %95,1 doğruluk oranıyla 46 +/- 4 (42 ila 50) kA şiddetinde akım geçmiş olduğunu göstermiştir. Türbinin, yıldırım darbesi aldığındaki SCADA'daki alarm kodları ve üretim değerleri analiz edilmiştir. Yeni kanat, hasarlı kanadın kesilme işlemi, diğer iki kanadın tamiratı ve işçilik için €505 628 bedel ortaya çıkmıştır. Hasarlı türbine ait yaklaşık enerji üretimi hesaplanarak kâr kaybı hesaplanmıştır. Enerji üretemediği için kâr kaybı ise €201 151 olarak hesaplanmıştır. Böylece, yıldırım hasarı alan bir rüzgar türbindeki toplam ekonomik kayıp €706 779 olarak hesaplanmıştır. Yıldırım hasarı sebebiyle rüzgar enerji santralinden üretilemeyen enerji 2250 MWh'tir. Bu enerji doğal gaz çevrim santralinden elde edilseydi 211 397 metreküp doğal gaz kullanılarak atmosfere 462 050 kilogram karbon salınacaktı. Termik santralden elde edilseydi 585 744 kilogram kömür (linyit) kullanılarak 1 716 230 kilogram karbon atmosfere salınacaktı. Enerjinin yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanarak çevrenin korunması için yıldırımdan korunma sistemlerine gereken önem verilmelidir. Yıldırım hasarlarını önlemek için mevcut sistemlerin geliştirilme çalışmaları devam etmektedir.

Abstract:
As the share of wind energy in the global energy balance continues to increase, the reliability requirements of wind turbines are essential. Therefore, lightning protection of wind turbines has become an important issue considering the location and size of modern wind turbines. In international standards, the equipments in the wind turbine is divided into zones according to the risk rate. Turbine manufacturers make installations based on the compliance of their lightning protection systems with the highest protection levels specified in the relevant IEC standards. Lightning protection zones in wind turbines were analyzed. In this study, a wind turbine in operation is damaged by lightning. The operation process and economic analysis are examined. The operation process in the field was interpreted in detail, it was observed that the lightning entered from the blade tip area, then gave off inside, moved partly over the blade and the cable. The electronic lightning card measures the peak current. The lightning card report of the damaged blade showed that a current of 46 +/- 4 (42 to 50) kA had flowed with an accuracy of 95.1%. The alarm logs and production values in SCADA when the turbine receives a lightning strike were analyzed. A price of €505 628 was incurred for the new blade, the cutting of the damaged blade, the repair of the other two blades and the labor. Profit loss is calculated by calculating the approximate energy production of the damaged turbine. Since it could not produce energy, the loss of profit was calculated as €201 151. Thus, the total economic loss in a wind turbine damaged by lightning was calculated as €706 779. The energy that cannot be produced from the wind power plant due to lightning damage is 2250 MWh. If this energy was obtained from the natural gas cycle power plant, 462 050 kilograms of carbon would be released into the atmosphere by using 211 397 cubic meters of natural gas. If it was obtained from a thermal power plant, 1 716 230 kilograms of carbon would be released into the atmosphere by using 585 744 kilograms of coal (lignite). Lightning protection systems should be given due importance in order to protect the environment by providing energy from renewable energy sources. In order to prevent lightning damage, the development of existing systems continues.