Hidroelektrik santrali

Hidroelektrik santrali, barajda biriken su yer çekimi potansiyel enerjisi içermektedir. Su, belli bir yükseklikten düşerken, enerjinin dönüşümü prensibine göre Yerçekimi Potansiyel Enerjisi önce kinetik enerjiye daha sonra da türbin çarkına bağlı jeneratör motorunun dönmesi vasıtasıyla potansiyel elektrik enerjisine dönüşür. Buna da yenilenebilir enerji sınıfına giren hidroelektrik enerji santrali denir. Fizikten bilindiği gibi 1 kg'lık bir kütle, 1 m yükseklikten düştüğünde:

W (kg m²/sn²=N-m=joule)= m(kg)*g (m/sn²)*h (m)= 9.8 N-m'lik iş yapılmış olur.

Net düşüşü 100 m olan bir barajda 1 ton suyun yaptığı iş

W = 1000*9.8*100 = 980.000 N-m = 980 000 joule(j) dür.

Su düşüşü veya hidrolik düşüş

Birbiri ile irtibatı bulunan iki su seviyesi arasındaki farka kot farkı denir. Bir hidroelektrik santralda düşüş ise üst su seviyesi ile çıkış su seviyesi arasındaki yükseklik farkıdır. Cebrî borular ve diğer yerlerdeki kayıplar göz önüne alınmazsa bu mesafeye net hidrolik düşü denilebilir.

Yukarıdaki örnek devam ettirilirse 1 kWh= 3.600.000 j olduğundan, 1 ton suyun yaptığı iş;
980 000/3 600 000= 0.27 kWh olacaktır.

Tersten okunduğunda

1 kWh enerji için, 3.600.000/980.000=3,67 m³ su harcamak gerekir.

1 kWh enerji için harcanan su miktarına özgül su sarfiyatı denir. Net düşü (yükseklik) ile ilgilidir. Baraj su seviyesi düştükçe özgül su sarfiyatı yükselir. Yani aynı enerji için daha çok su harcanır.

Özgül Su Sarfiyatının hesabı

İş= m*g*h = Q*1000*9.8*h/3600000 (kWh) olduğuna göre;

$ozgsusar={\frac {Q(m^{3})}{is}}={\frac {3600}{g(m/sn^{2})\times h(m)}}(m^{3}/kWh)$
$ozgsusar={\frac {Q(m^{3})}{is}}={\frac {3600}{9.8\times h(m)}}(m^{3}/kWh)$ olur.

Hidroelektrik santralinin gücü

Yukarıdaki örnekte anlatılan işi 1 saniye içinde yaptıran 980 000 N-m/sn'lik güç tür. 1 N-m/sn = 1 watt olduğundan, eşdeğeri 980 kW'lık güçtür.

Yapılan işin, yükseklik (net düşü) ve türbin çarkından geçen suyun kütlesi ile, suyun debisi (Q m³/sn) ile doğru orantılıdır. Ayrıca üretilen güç;

$P={h(m)\times m(kg/sn)\times g(m/sn^{2})\times \eta }=W$

$P={h(m)\times {Q(m^{3}/sn)\times 1000(kg/m^{3})}\times g(m/sn^{2})\times \eta }=W$

$P={\frac {h(m)\times {Q(m^{3}/sn)\times 1000(kg/m^{3})}\times g(m/sn^{2})\times \eta }{10^{3}}}=kW$

$P={\frac {h(m)\times {Q(m^{3}/sn)\times 1000(kg/m^{3})}\times 9.81(m/sn^{2})\times \eta }{10^{6}}}=MW$

olarak bulunur.

Yıllık üretilen elektrik miktarı; $={P(W)x8760(h)}=(Watthour)$ olarak bulunur.

Hidroelektrik santral çeşitleri

Hidroelektrik santrallar, kaynağına göre, rezervuarlı ve kanal tipi olarak tesis edilebilirler.

Rezervuarlı santrallarda elektrik tüketimi yaklaşık ne kadar ise suyun ne kadar kullanılacağı belirlenir ve buna göre baraj yapılır.
Kanal tipi santrallar, suyu biriktirme olnağı olmadığı için suyun debisine göre elektrik üretir. Rezervuralı santrallere göre ucuzdur.

Hidroelektrik santrallerinin ana bölümleri

Bir hidroelektrik santral binlerce parçadan meydana gelir. Ana bölümleri şunlardır:

1. Su tutma yapısı

Rezervuarlı santrallarda baraj, kanal tipi santrallerde tünel ya da açık kanal, nehir tipi santrallerde ise regülatör şeklinde olabilir.

2. Su alma yapısı

İletim hattına suyu ileten yapıdır. Izgaralar, kapak ve kapak açma-kapama mekanizmalarından oluşur. Rezervuarlı santrallerde su girişi, yüzen cisimlerin borulara girmemesi için baraj gövdesinin orta kotlarında yapılırlar.

3. İletim kanalı

Hidroelektrik tesisinin işletmede öngörülen debideki suyu iletmesinde kullanılır. Trapez, duvarlı, kapalı duvarlı, tünel veya doğrudan cebri borularla iletilebillir. Kanal sonu yükleme odasına bağlanır. Kanal boyunca sanat yapıları mevcuttur.

4. Cebri (basınçlı) borular

İletim hattı ile santral arasında, ölçüleri debi ve düşüye göre hesaplanan kalın etli büyük çaplı çelik ya da CTP -açılımı cam elyaf takviyeli plastikdir- borulardır. Santralin jeolojik yapısına göre gömülü oldukları gibi, görünür olanlarıda vardır. Türbin çarkını çeviren suyun geçişine olanak sağlar. İletim hattı bulunan Hidroelektrik santallerinde genellikle iletim hattı ile cebri boru arasında regülatörün yaptığı su dengelemesi gibi görev alan Yükleme Havuzu yapısı bulunur. İletim hattından gelen ve burada bulunan su iletim hattında oluşabilecek su seviyesi düşüklüğü durumunda cebri boruda basınç eksikliği oluşmasını engellemek amacıyla dengeleme işlevini yerine getirir.

Montajı yapılmakta olan bir salyangozun betona gömülmeden önceki hali

5. Salyangoz

Cebri boru sonuna monte edilen, salyangoz biçimindeki basınçlı su haznesidir. Suyun çarka çevresel olarak ve her bir noktadan eşit debide girmesini sağlar. Çevresel olarak sabit kanatçıkları suya yön verir, açılıp-kapanabilir kanatçıkları ise çarka verilen suyun debisini ayarlar. Çoğu santralde, cebri boru ile salyangoz birleşme noktasında veya kelebek ya da küresel şeklinde tabir edilen, hidrolik basınç ile çalışan, cebri boru çapına uygun vanalar bulunur. Bazı santrallerde bu vana kullanılmayabilir.

6. Türbin

Türbin çarkı, türbin şaftı, türbin kapağı, hız regülatör sistemi, basınçlı yağ sistemi, türbin yatağı, soğutma sistemi, kumanda panosu ve yardımcı teçhizattan oluşur. Türbin şaftı, suyun kanatlarına çarparak döndürdüğü türbin çarkı ile jeneratör rotoru arasında bağlantı olup jeneratör rotorunun dönmesini sağlar. Hidroelektrik santrallerinde 3 çeşit türbin kullanılır. Hidroelektrik santrallerinde kullanılan türbinler sırasıyla Kaplan, Francis ve Pelton türbinleridir.

7. Jeneratör

Jeneratör rotoru, statoru, yatağı, ikazı(uyartım), soğutma sistemi, koruma sistemi, kumanda ve işletim sistemi, doğru akım sistemi, kesici ve ayırıcılar gibi yardımcı organlardan oluşur. Rotor, çok güçlü tesis edilmiş yatak üzerinde sabit hızla döner. Dönüş sayısı, frekans ve kutup sayısı ile doğru orantılıdır. Devir sayısı, frekans ve kutup sayısı arasındaki bağlantı aşağıdaki gibidir:

d/d=f*60/(kutup sayısı)*2 Enerji stator sargılarından alınır.

8. Transformatörler

Gerilimi yükseltme ya da alçaltma işlevini üstlenmişlerdir. Tek fazlı veya üç fazlı olabilirler. Her üniteye bir transformatör olabileceği gibi birden fazla üniteye bir transformatör de olabilir. Ana gövde, soğutma sistemi, yangın sistemi, koruma sistemi bölümlerinden oluşur.

Emme borusu, salyangoz, türbin çarkı, kapağı ve şaftının birlikte kesit görüntüsü

9. Şalt alanı

Transformatörlerden çıkan yüksek gerilim enerjinin iletim hatlarına bağlantı noktasıdır. Kesiciler, ayırıcılar, topraklama sistemi, koruma sistemi, basınç sistemi, ölçü sistemi, iletim hatları üzerinden haberleşme sistemi kısımları vardır.

10. Diğer teçhizat

Ana teçhizatlardan ayrı olarak; ısıtma havalandırma sistemleri, aydınlatma sistemleri, doğru akım acil enerji, alternatif akım acil enerji (dizel jeneratör) sistemleri, sızıntı toplama havuzları, besleme pompaları, drenaj boşaltma pompaları, haberleşme sistemleri, kompresör ve tanklar gibi basıçlı hava sistemleri, yangın koruma ve söndürme sistemleri, bakım onarım ve küçük imalat atölyeleri, montaj demontaj sahaları, vinçler, kreynler gibi taşıma kaldırma sistemleri, arıtma sistemleri, ilk yardım bölümü, batardo kapakları,laboratuvarlar vb. bölümleridir.

Hidroelektrik santraller su değirmeni çalıştırma ilkesine dayandığından türbin Çarkına çarpan su türbin şaftını döndürerek mekanik enerji üretir. Türbin şaftı direk veya bir dişli sistemi ile jeneratör rotoruna bağlıdır. Jeneratör rotoru üzerinde bulunan sargıların dışarıdan bir doğru akım güç kaynağı ile uyartılması sonucu rotor çevresinde bir manyetik alan doğar. Dönen rotorun etrafında oluşan manyetik alanın stator sargılarının üzerinde indüklenmesi ile stator sargılarında gerilim oluşarak elektrik enerjisi elde edilir.

Hidrolik santrallerinin artıları, eksileri

Bir barajın yapımı ve öncesinde; uzun süreli yağış, su, jeolojik çalışmalar yapılması, su altında kalan arazi için ödenen istimlâk bedelleri, baraj yapım maliyetinin yüksek olması ilk yatırım maliyetinin çok fazla çıkmasına neden olur ki bu bir dezavantajdır. Ayrıca vahşi hayata ve doğal kaynaklara zararları, bölgesel kültürler ve tarihi yerlerin yok edilmesi (zeugma, fırtına vadisi vs.), su kalitesine etki sorunu dezavantajlardan bazılarıdır. Su kaynağı bakımından zengin fakat yüksek debili akarsu bakımından fakir olan Türkiye'de maliyeti düşük ve çevreye zararı daha az olan Kanal Tipi Santralleri kurmak zordur. Küçük bir kasabaya yetecek kadar enerji üreten bir tesis için bile pek çok ağaç kesip yol açmak zorunda kalınması doğaya geri dönüşü olmayan zararlar vermektedir.

Dezavantajlarına karşın; ilk yatırım yapıldıktan sonra, enerji üretiminin ana kaynağı su olduğundan üretim maliyeti çok ucuz olmaktadır. Yakıtlı santralleri gibi hava kirliliği yaratmazlar. Türbinler hakkında daha detaylı bilgi için teklif hazırlama mühendislerine başvurulabilir.

Ayrıca barajların, elektrik üretiminin yanı sıra;

Yerleşim yerlerinin suyunu karşılama
Sel ve taşkınları önleme
Tarım arazilerini sulama
Balıkçılık
Ağaçlandırmaya katkı, erozyonu önleme
Turizmi geliştirme
Ulaşım
İklimde yumuşama

gibi yararları da bulunur.

Hidrolik santralleri ile termik santrallerin karşılaştırılması

Hidrolik Santralların yıllık üretimleri, kaynağa gelen su miktarıyla doğru orantılı olduğundan ve bir yıl boyunca gelen su insanoğlunun elinde olmayıp tam kapasite çalıştırmaya yetmeyebileceğinden, genel olarak puant santralı olarak çalıştırılırlar. Devreye alınış ve çıkarışları çok kolay ve hızlı olduğundan su rejimine bağlı olarak günün, enerji gereksiniminin çok olduğu- ki buna puant saati denir - saatlerinde çalıştırılarak, enerjiye az gereksinim olduğu zamanlarda devre dışı bırakılırlar. Bir Hidrolik Santral ünitesi tam kapasite ile çalıştırılmayabilir. Örneğin 100 MW güçteki bir ünite bir saat tam kapasite çalıştığında 100 000 kWh enerji üretebilir. Tam kapasite çalışma türbin kanatlarının önündeki su giriş kapakçıkları tam açıktır ve saniyede geçen su miktarı en üst düzeydedir. Ancak, sistemden çekilen enerji, kullanıcıların devreye girme, çıkmalarına göre an be an değişir. Sisteme anlık olarak istenilen enerjinin verilmesini üretim ünitesindeki regülasyon sistemi sağlar. Regülasyon sistemi, türbin kanatlarının önündeki su giriş kapakçıklarına otomatik olarak hükmederek daha az su girişine paralel olarak daha az üretim yapar. Bu olaya sistemde frekans tutma denir. Tüm elektrikli alıcıların sağlıklı ve verimli çalışabilmesi için frekansın, alıcılarda imalat sırasında belirlenen frekansa - Türkiye ve Avrupa ülkelerinde 50 Hz -uygun olması gerekir.

Termik santrallerin devreye alınış ve çıkarışları çok kolay ve hızlı değildirler. Buna karşın yakıtlarını istenilen miktarda elde etmek insanoğlunun elindedir. Devreye alınış ve çıkarışları sırasında çok verim kaybına uğrarlar. Kızgın buharın, enerji üretimine hazır hale gelmesi için kazanların uzun süre yakılması gerekir. Bütün bu nedenlerden ötürü [termik santraller arıza, revizyon, bakım vs. durumlar dışında 24 saat sürekli çalıştırılmak üzere plan ve dizayn edilmişlerdir.

Stator sargılarında elde edilen orta gerilim elektrik enerjisidir. Orta gerilim enerjinin şehirlere taşınması için çok büyük kesitli iletkenler gerektiği, bunun da olanaksız olması nedeniyle oluşan gerilim Transformatörler vasıtasıyla Yüksek gerilime çıkarılır ve elektrik iletim hatları ile şehirlere taşınır. Yüksek gerilim enerji kullanıma sunulamıyacağına göre, bu kez de yerleşim yerlerindeki Transformatörler vasıtasıyla kademeli olarak Alçak gerilime düşürülerek kullanıma sunulur.

Elektrik enerjisi depo edilemez ama su depo ederek elektrik dolaylı olarak depo edilebilir.