Fen Projesi – HIDROELEKTRIK SANTRALLERDE ILETIM BORULARININ VE TÜRBİNİN ÖZELLIKLERININ ELEKTRIK ENERJISINE ETKISI

Santral Adı                  Şehir                    İlçe                 Kuruluş                     Tipi                         Kurulu Güç (MW)

Atatürk                Şanlı Urfa         Bozova            1992                  Baraj                       2405

Karakaya            Diyarbakır          Çüngüş           1987                  Baraj                       1800

Keban                  Elazığ               Keban            1974                  Baraj                       1330

Altınkaya             Samsun             Bafra             1987                   Baraj                      702,55

Berke                 Osmaniye           Düziçi             2002                  Baraj                        510

Hasan Uğurlu       Samsun          Çarşamba         1979                   Baraj                        500

Sır                      K. Maraş           Merkez            1991                  Baraj                       283,5

Gökçekaya           Eskişehir            Alpu              1973                  Baraj                       278,4

Batman               Diyarbakır          Silvan             2003                  Baraj                       1198

Karamış              Gaziantep           Nizip              1999                   Baraj                       189

Özlüce                 Elazığ             Karakoçan         1999                   Baraj                       170

Çatalan                Adana              Merkez            1997                  Baraj                      168,9

Hsan Polatkan       Ankara            Nallıhan            1956                  Baraj                       160

Hidroelektrik santrali bölümleri:

Su tutma yapısı:Rezervuarı bulunan santrallarda baraj, kanal tipi olan santrallerde tünel ya da açık kanal, nehir tipi olan santrallerde ise regülatör şeklinde olabilmektedir.

Su alma yapısı:Suyun iletim hattına bağlandığı yapıdır. Izgaralar, kapak ve kapak açma-kapama mekanizmalarından oluşmaktadır. Rezervuarlı santrallarda suyun girişi, yüzen cisimlerin borulara girmemesi için baraj gövdesinin orta kotlarında yapılmaktadırlar.

İletim kanalı:.Hidroelektrik santralin, debideki suyu iletmesinde kullanılmaktadır. Trapez, duvarlı, kapalı duvarlı, tünel veya doğrudan cebri borularla iletilebilmektedir. Kanal sonu yükleme odasına bağlanmaktadır.

Basınçlı (cebirli) borular: İletim hattı ile santral arasında, ölçüleri debiye göre hesaplanan kalın etli büyük çaplı çelik ya da cam elyaf takviyeli plastik borulardır. Santralın jeolojik yapısına göre gömülü oldukları gibi, görünür olanlarıda vardır. Türbin çarkını çeviren suyun geçişine olanak sağlamaktadır. İletim hattı bulunan hidroelektrik santrallerde genellikle iletim hattı ile cebri boru arasında regülatörün yaptığı su dengelemesi gibi görev alan yükleme havuzu yapısı bulunmaktadır. İletim hattından gelen ve burada bulunan su iletim hattında oluşabilecek su seviyesi düşüklüğü durumunda cebri boruda basınç eksikliği oluşmasını engellemek amacıyla dengeleme işlevini yerine getirmektedir.

Salyangoz: Salyangoz biçimindeki basınçlı su haznesi cebri boruların sonuna eklenerek, suyun çarka çevresel olarak ve her bir noktadan eşit debide girmesini sağlamaktadır.

Türbin:Hidroelektrik santrallerinde kullanılan türbinler su ile etkileşimlerine göre ikiye ayrılır. Bunlar tepki (reaksiyon) türbinleri ve itici güç (impulse) türbinleridir. Tepki türbinlerinde(örnek: Francis, Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo, Water Wheel) enerji türbin çarkının dönmesi ile suyun çark çıkışında ivmelenmesi sonucu oluşan tepki kuvvetiyle sağlanmaktadır. İtici güç türbinlerinde(örnek: Pelton, Turgo, Michell-Banki) ise türbin çarkı üzerinde çukur çanak şeklindeki kanatlara su fıskiyesinin (su jeti) çarparak su hızının değişmesi sonucu türbinin dönmesi enerji sağlamaktadır.

Jeneratör:  Elektrik enerjisinin üretilmesini sağlamaktadır.

Transformatörler:Gerilimi yükseltme ya da alçaltma işlevini yerine getirmektedirler.

Şalt alanı:Transformatörlerden çıkan yüksek gerilim enerjisinin iletim hatlarına bağlantı noktasıdır.

 Tüm bu bilgiler ışığında, deneyimizde, barajlarda iletim borularındaki basıncın, iletim boru sayısının ve iletim borusu ile türbin arasındaki uzaklığın elektrik enerjisi üretimine etkisini deneylerle öğrenmek ve var ise olumlu etkilerin hayatta kullanılmasını sağlamak amaçlanmaktadır.

Kullanılan Yöntem:  

Okulumuzdaki teknik işler uzmanı Turgut Bayır?ın yardımı ile Hidroelektrik Santrallerin çalışma mekanizmasına uygun bir deney düzeneği hazırlanmıştır. Hazırlanan bu düzenekte akan suyun basıncının sabit kalması ve giden suyun tekrar kullanılması amacıyla karavanların banyolarında da kullanılan su motoru kullanılmıştır. Su motoru, pleksi glastan hazırlanan havuzun içinde biriken suyu  sabit sürat ve basınçla tekrar iletim borularına aktarmaktadır. İletim borularından gelen su, türbinlere çarpıp dönmesini sağlamış, bunun sonucunda da türbinlere bağlı olan led lambanın yanmasını sağlamıştır. Düzenekte iki adet türbin bulunmaktadır. Yukarıda olan yani iletim borusuna yakın olan türbin 1 nolu türbin, aşağıda olan yani iletim borusuna uzak olan türbin ise 2 nolu türbin, türbindeki kanat sayısını incelemek amacıyla hazırlanan türbin ise 3 nolu türbin olarak adlandırılmıştır. Birinci deneyimiz olan, aynı su kaynağından çıkan iletim hattının(borusunun) tek boru halinde ya da ikiye ayrılarak  türbinlere ulaştığında üretilen enerjinin etkisini gözlemlemek amacıyla önce iletim borusunun iki vanası açık tutularak tek borudan gelen suyun ikiye ayrılması sağlanıp, 1 nolu türbine bağlı olan lambanın yanma şiddeti gözlemlenmiş ve voltaj sensörü ile 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla üretilen elektriğin grafiği çıkarılmıştır. Sonrasında  iletim borusunun vanalarından sadece biri açık tutularak su geçişi sağlanmış, yine 1 nolu türbine bağlı olan lambanın yanma şiddeti ve dönüşen elektriğin voltajı 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla voltaj sensörü ile ölçülmüştür. Bu işlem 10 kere tekrarlanmıştır. Sonrasında bu iki ölçüm arasında kıyaslama yapılmıştır.

Gözlenmesi amaçlanan ikinci durum olan iletim borusu ile türbin arasındaki uzaklığın elektrik enerjisi üretimine etkisini gözlemek için ise, iletim borusunun yüksekliği birinci deneydekiyle aynı tutulup, daha aşağıda bulunan 2 nolu türbine tek vana açık olacak şekilde su verilmiştir. İki vananın açık halinin denenmemesinin sebebi, 1nolu türbine uygulanan ilk deneyde tek vananın açıkken, yani iletim borusu dallanmamışken, elektrik enerjisi üretimine daha olumlu sonuç vermesidir. Bu işlemin ardından,  2 nolu türbine bağlı olan lambanın yanma şiddeti gözlemlenmiş ve bu lambaya tutturulan voltaj sensörü ile 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla, üretilen enerji voltaj cinsinden bulunmuştur. Bu işlem de 10 kere tekrarlanmıştır.

Böylelikle, iletim borusuna yakın olan türbine tek boru(vanalardan birisi kapatılarak), iletim borusuna yakın olan türbine ikiye ayrılan boru(vanaların ikisi açık tutularak), iletim borusuna uzak olan türbine tek boru(vanalardan birisi kapatılarak)?dan gelen suların elektrik enerjisine dönüşümleri voltaj sensörleri ile hesaplanıp, önce 1 nolu türbinde tek vananın ve iki vananın açık olması durumuna bağlı üretilen enerji kendi içlerinde kıyaslanarak gelen suyun tek ya da iki kanalla oluşunun etkisi, sonra da 1 ve 2 nolu  türbinlerden tek vana açıkken su gelişine bağlı üretilen enerjiler birbirleri ile kıyaslanarak iletim borusuna olan uzaklığın elektrik enerjisine etkisi gözlemlenmiştir.

Gözlenmesi amaçlanan üçüncü durum olan basıncın etkisinde ise sadece iletim borusuna yakın olan 1 nolu türbin kullanılmıştır. Burada tek parça halinde gelen iletim borusunun ikiye ayrılmasıyla, iki ayrı uca takılan vanalardan sadece birisi açık tutulmuştur. Sistemin çalıştırılmasıyla beraber, önce vananın tamamen açık olduğu durumunda, 1 nolu türbine bağlı olan lambanın yanma şiddeti gözlemlenip voltaj sensörü ile üretilen enerji 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla ölçülmüştür. Ardından aynı işlem vananın yarıya ayarlanmasıyla tekrarlanmıştır. Sonrasında vananın tamamen açık ve yarı açık olduğu durumlarda üretilen elektrik enerjileri kıyaslanmıştır. Bu deney de 10 kere tekrarlanmıştır.

Yapılan bu 3 deneyin ayrı ayrı , en az 10 kez daha tekrarlanmasına karar verilmiştir.

Türbinlerin kanat sayısının elektrik enerjisi üretimine etkisini incelemek amacıyla, dairesel olan 3 nolu  türbinin 8,4 ve 2 kanatlı olacak şekilde ayarlanmıştır. İletim borusu, iletim borusunun türbine uzaklığı, suyun basıncı gibi diğer tüm şartlar ise eşit tutulmuştur. Burada önce 3 nolu türbine 8 kanat eşit aralıklarla (her kanadın arası 45 derecelik eşit açılarla olacak şekilde ayarlanmıştır) takılıp, ucuna voltaj sensörü bağlanıp 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla ölçüm alacak şekilde ayarlanıp, üretilen elektriğin gerilimi Volt cinsinden ölçülmüştür. Ardından yine 3 nolu türbindeki 8 kanadın dördü çıkarılıp, kalan dört kanadın arası eşit aralıklarla(her kanadın arası 90 derecelik eşit açılarla olacak şekilde) olacak şekilde ayarlanıp, ucuna voltaj sensörü bağlanıp 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla ölçüm alacak şekilde ayarlanıp, üretilen elektriğin gerilimi Volt cinsinden ölçülmüştür. Son olarak türbine, aralarında 180 derece olacak şekilde 2 kanat takılıp, ucuna voltaj sensörü bağlanıp 3 dakika boyunca 3er saniye aralıklarla ölçüm alacak şekilde ayarlanıp, üretilen elektriğin gerilimi Volt cinsinden ölçülmüştür. Yapılan bu deney de 10 kez tekrarlanmıştır.

Proje Bütçesi:

İletim borusu: 10TL

Vanalar: 20TL

Pleksi glas: 150TL

Diğer malzemeler, okulumuzdaki teknik atölyeden sağlanmıştır.

Proje Takvimi:

15 Ekim , 12Kasım 2012: Literatür taraması

2 Kasım 2012: AK ENERJİde Selim Güven ve Burak Arslan ile görüşme

12 Kasım ?, 28 Kasım 2012: Düzeneğin hazırlanması

03 Aralık 2012 , 5 Ocak 2013: Deneylerin yapılışı

7 Ocak 2013 , 18 Ocak 2013: Sonuçların değerlendirilmesi

Sonuç ve Sonuçların değerlendirilmesi:

İletim borusunun sayısının, yani borunun ikiye ayrılması ya da tek halde olması sonucunda türbinlere ulaşarak, türbinlerden üretilen enerjiye etkisinin kıyaslanması için, ilk olarak voltaj sensörleri ile tek borulu ve çift borulu durumlarda ölçülen elektrik gerilimlerinin incelenip,  birbirleri ile karşılaştırılması sağlanmıştır. Tek iletim borusunun 1 nolu türbine ulaşması sonucu üretilen elektrik , -1,878V ile -1,776V aralığında olmuştur ve değerlerin dağılımı genel olarak -1,80V ile -1,85V arasındadır. İletim borusunun ikiye ayrılarak 1 nolu türbine ulaşması sonucunda ise 0,121V ile -1,819V aralığında olmuştur ve değerlerin dağılımında -1,80V dolaylarında yığılma olmasına rağmen, -1,5V ile 0,12V arasındaki ölçümlerin fazla olması da dikkat çekmiştir. Değerlerin negatif yönde çıkması, sensörün uçlarının lambaya ters bağlanmasından dolayı olduğuna karar verilmiştir. Bu bilgiler ışığında iletim borusunun ikiye ayrılmasının elektrik üretimini daha az artırdığı düşünülmektedir. Dolayısıyla iletim borularının tek kanaldan, doğrudan türbinlere ulaşmasının daha çok elektrik üreteceği sonucuna varılmıştır.

İletim borusu ile türbin arasındaki uzaklığın elektrik enerjisi üretimine etkisini incelemek amacıyla yapılan ikinci deneyde, birinci deneyden de elde edilen sonuçlar da dikkate alınarak(1 nolu türbinlerin değerleri birinci deneyden alınmıştır.) , tek iletim borusunun 1 nolu türbine ulaşması sonucu üretilen elektrik , -1,878V ile -1,776V aralığında olmuştur ve değerlerin dağılımı genel olarak -1,80V ile -1,85V arasındadır. Tek boru ile 2 numaralı türbine suyun ulaşması sonucu üretilen elektrik -1,795V ile -1,917V aralığında olmuştur ve değerlerin dağılımı genel olarak -1,85V ile -1,90V arasındadır. Daha sağlıklı sonuç verilmesi için ölçülen tüm değerlerin ortalamaları alınmıştır. 3 dakikada 3er saniye aralıklarla sensörün almış olduğu 60 ölçüm, excel yardımı ile toplanıp ortalamaları hesaplanmıştır. Hesapların sonucuna göre, 1 nolu türbine tek vanadan gelen suya bağlı üretilen elektrik enerjisinin voltaj değerlerinin toplamı -112,084 iken, ortalamaları -1,868dir. 2 nolu türbine tek vana açıkken gelen suya bağlı üretilen elektrik enerjisinin voltaj değerlerinin toplamı ise -113,947 iken, ortalamaları -1,899dur. Bu bilgiler ışığında, ortalamaların birbirine çok yakın olması, iletim borularının türbine olan uzaklıklarının elektrik üretiminde çok fazla etkili olmadığı gibi görünse de, yine de, iletim borusunun türbine olan düşey uzaklığı, potansiyel farkı artıracağından dolayı, 2 nolu türbinde iletim borularına olan uzaklığın yani suyun yüksekliğinin fazla olması sonucu potansiyel enerjisi daha fazla olmuştur. Potansiyel enerjinin daha fazla olmasıyla türbinlerde daha çok kinetik enerjiye dönüşecek, bu kinetik enerjiden de daha çok elektrik enerjisine dönüşecektir. Bu sebeple 2 nolu türbinde, az da olsa elektrik enerjisi daha çok üretilmiştir. Burada maket üzerinde deneme yapıldığı için yükseklik farklarının çok olmaması göz önünde bulundurulmuştur. Dolayısı ile, yapılan deneyin sonuçları göz önünde bulundurularak, iletim borusu türbine ne kadar uzak ise, üretilen elektrik daha fazla olacaktır sonucuna varılmıştır.

Bu iki sonuç beraber düşünülecek olursa, iletim borusu türbine ne kadar uzak olursa ve ne kadar az dallanırsa(özellikle tek boru halinde türbine ulaşması önerilir) üretilen elektrik enerjisi o kadar fazla olacaktır.

Barajlarda iletim borularındaki basıncın elektrik enerjisi üretimine etkisini incelemek amacıyla yapılan üçüncü deneyde  ise 1nolu türbine gelen iletim borusunun tek vanasının tam açık olma durumunda üretilen elektrik  -1,878V ile -1,776V aralığında olmuştur ve değerlerin dağılımı genel olarak -1,80V ile -1,85V arasındadır ve 180 saniye boyunca ölçülen 60 değerin ortalamaları -1,868V?dir.  1 nolu türbine tek borunun yarı açık olma durumunda üretilen elektrik ise  0,033V ile -1,844V arasındadır ve değerlerin dağılımının 0V dolaylarında diğerlerine oranla daha çok olduğu görülmüştür. Aynı zamanda bu durumun sebebinin, borudan gelen suyun basıncının azalmasıyla türbinin dönme hızını etkileyip dönüşen elektrik enerjisinin de azalmasına sebep olduğu düşünülmektedir. Vananın yarı açık tutulup basıncın azaltılması durumunda ortalama olarak -1,124V elektrik üretilmiştir. Değerin negatif çıkmasının sebebi, voltaj sensörünün lambalara ters bağlanmış olmasındandır. Bu ortalama değerin vananın tam açıkken üretilen (-1,868)  elektrikten düşük çıkması yani -1,124V olması, üretilen elektriğin daha az olduğunu göstermektedir. Bu ölçümler ışığında, iletim borusundan gelen suyun basıncının azalması, suyun çarptığı türbinde üretilen elektrik enerjisinin azalmasına sebep olduğu sonucuna varılmıştır.

İletim hattındaki  suyun azalan basıncının elektrik enerjisi üretimini azaltması, tıpkı bypass ameliyatlarının sebebi olan, kalp kasımıza gelen  kanın koroner arter denilen atardamarlarında iç duvarda darlıkların meydana gelmesi gibidir. Çünkü bu durumda da, kan yeteri kadar kalbe gelemeyerek besleyemez ve kalp krizi gibi sonuçlara neden olur. Yani bypass ameliyatlarında kullanılan malzemelerin de basıncı etkileyen faktörlerinde bu deney göz önünde bulundurulabilir.

Barajlardaki türbinlerin kanat sayısının elektrik enerjisi üretimine etkisini incelemek amacıyla yapılan deneyde,  8 kanatlı türbinde üretilen elektrik gerilimi ortalama 3,765V?dir. 4 kanatlı türbinde üretilen elektriğin gerilimi ortalama 2,691V iken, 2 kanatlı türbin hiç dönmemiştir. Bunun sonucunda, türbinlerin kanat sayısının azalmasının, yani türbinlerin kanatlarının aralarındaki açının artmasının, üretilen elektrik gerilimini azalttığı sonucuna varılmıştır.

Çalışmada, türbinlerdeki kanat genişliğine de bakılmasına karar verilmiştir.

NOT: Resimlerde,

Kırmızı çizgili grafik, iki borunun aynı anda açıkken suyun 1 nolu türbine ulaşması sonucu voltaj cinsinden üretilen elektriğin grafiğidir.

Yeşil çizgili grafik, tek boru açıkken suyun 1 nolu türbine ulaşması sonucu voltaj cinsinden üretilen elektriğin grafiğidir.

Mavi çizgili grafik, tek boru açıkken suyun 2 nolu türbine ulaşması sonucu voltaj cinsinden üretilen elektriğin grafiğidir.

Mor çizgili grafik, 8 kanatlı türbindeki elektrik gerilimi üretim grafiğidir.

Siyah çizgili grafik, 4 kanatlı türbindeki elektrik gerilimi üretim grafiğidir.

Kaynakça:

makina.karaelmas.edu.tr/akademik_kadro/…/1ogr2grup.ppt

www.bilecik.edu.tr/fenedebiyat-ftp/…/HES%20SUNUM.pptx

www.belgeler.com/blg/2xe2/hidroelektrik-santrali

tr.scribd.com/doc/95563419/Ahmet-YILDIZ-269053

w3.gazi.edu.tr/~enyilmaz/trdeenerji.pdf

www.ansiklopedika.org/Hidroelektrik_santral

Teşekkür:

Tasarladığımız deney düzeneğimizi kurmamıza yardımcı olan Eyüboğlu Eğitim Kurumları Teknik İşler Uzmanı Turgut Bayıra, AK ENERJİ Enerji Şirketinde çalışan M.Selim Güven ile Burak Arslana ve projemizde hep yanımızda olan ve bizi destekleyen danışman öğretmenimiz Burcu Gülere teşekkür ederiz.