Bu yazımızda sizlere özellikle birincil kaynaklı enerji üretim santrallerinde ve yenilenebilir kaynakları enerji santrallerinde de ortak olarak bulunan enerji üretim santrallerinin başlıca kısımlarından bahsedeceğiz.

Enerji üretim santrallerinin devre olarak çizimini yukarıdaki şekilde düşünebiliriz. Şimdi bu numaralandırılan devre elemanlarının ne işe yaradığını ve enerji üretim santrallerinde ne gibi görevlerinin olduğunu inceleyelim.

1. Generatör: Santralde elektrik enerjisinin üretildiği kısımdır. Mekanik enerji bu kısımda döner manyetik alan oluşturarak elektrik enerjisine dönüştürülür.
2. Mekanik enerji üreten kısım: Generatörün elektrik enerjisi üretebilmesi için gereken mekanik enerjiyi üreten kısımdır. Mekanik enerjiyi üreten bu kısım su veya buhar türbini olabileceği gibi atom reaktörü veya dizel motorlardan birisi de olabilir.
3. Uyartım makinesi: Elektrik enerjisi üretiminde generatöre doğru akım vererek döner manyetik alanın oluşmasını sağlar.
4. Kesici: Özel yapılı bir şalterdir. Şebeke ile generatör arasındaki bağlantıyı sağlar. Generatöre veya enerji üretimine ve iletimine ciddi zarar oluşabilecek durumlarda devreden çıkar ve bu kısımların zarar görmesini engeller. Hem enerji üretiminde hem de enerji iletiminde farklı özellikte ve yapıda bulunan kesiciler enerji üretim santralleri için oldukça önemli bir devre elemanıdır.
5. Ölçü aletleri: Santral ve şebeke ile ilgili fazlardan çekilen akımlar, gerilimler, güçler, sıcaklıklar, basınçlar, baca gazının özellikleri, güç katsayısı gibi santralin sürekliliği için öneme sahip parametrelerin ölçülmesi amacıyla kullanılırlar.
6. Koruma aletleri: Santralde ve şebekede meydana gelebilecek arızalara karşı santral ve şebekeyi korur.
7. Senkronizasyon Sistemi: Santralin şebekeye bir arızaya yol açmadan sıhhatli bir şekilde bağlanması için kullanılan yardımcı bir düzenektir.
8. Bara Düzeneği: Baralar üretilen elektrik enerjisinin toplandığı ve dağıtıldığı sistem elemanıdır. Santralde üretilen elektrik enerjisi dağıtım için baralara gelir, gerekli yerlere buradan dağıtılır.
9. Şalt Sahası: Generatörde üretilen enerjinin uzaklara nakledilebilmesi için gerilim şalt sahasında yükseltilerek hatta verilir. Gerilimin yükseltilip akımın düşürülmesi ile yüksek kapasitedeki enerjiler çok uzaklara azımsanacak bir kayıp ve masraf olarak daha düşük bütçeli ince kablolarla taşınabilmektedir.

   Tarih boyunca insanın suya olan gereksinimi, onu suyun biriktirilmesine zorlamış, bu nedenle önceleri günlük ihtiyaçlarını giderecek su kapları yapan insan, daha sonraları özellikle su kaynaklarının kıt olduğu yörelerde su biriktirme yapıları yapmak zorunda kalmıştır. Sözcük olarak baraj Fransızca kökenli olup sözlüklerde su bendi, büget, engel olarak açıklanmaktadır. Barajlar, tarımsal sulama, evsel, endüstriyel kullanım ve elektrik üretimi gibi ihtiyaçlar için kullanılırlar.

HES’lerin yıllık üretimleri, kaynağa gelen su miktarıyla doğru orantılı olduğundan enerji gereksiniminin çok olduğu saatlerde çalıştırılarak, enerjiye az gereksinim olduğu zamanlarda devre dışı bırakılırlar. Tam kapasite çalışmada, türbin kanatlarının önündeki su giriş kapakçıkları tamamen açıktır ve geçen su miktarı en üst düzeydedir. Ancak, sistemden çekilen enerji, kullanıcıların devreye girme ve çıkmalarına göre değişir. Sisteme anlık olarak istenilen enerjinin verilmesini, üretim ünitesindeki türbin kanatlarının önündeki su giriş kapakçıklarını otomatik olarak ayarlayan regülasyon sistemi sağlar. Bu olaya sistemde frekans tutma denir.

Su Döngüsü Nasıl Gerçekleşir?

   Konuya giriş yapmadan önce su hareketinin devamının sağlanmasına bakmak lazım. Su çevriminin başlama noktası yoktur fakat atmosferden başlayacak olursak atmosferde bulunan su buharı yoğunlaşır yağış olarak yeryüzüne düşer. Daha sonra bu suyun bir kısmı vadilerdeki nehirlere karışır ve buradan da okyanuslara doğru hareket eder. Büyük çoğunluğu da toprağa sızar ve yerçekiminin de etkisiyle yüzey akışı olarak akar. Kuraklık dönemlerinde yeraltı suları yeryüzüne doğru hareket edebilir ve burada buharlaşarak tekrardan atmosfere dönerler.

Sonuç olarak, yağmur veya kar olarak dünyamıza gelen su, buharlaşmanın etkisiyle hidrolojik döngü sürekli olarak devam eder ve doğa bu şekilde suyun yenilenebilir bir kaynak olmasını sağlar.

Elektrik Enerjisi Üretimi

   Hidroelektrik santralinde elektrik enerjisi üretebilmek için suya kazandırılan potansiyel enerji yer çekiminin etkisiyle hareket ederek kinetik enerji kazanır. Akan su türbin kanatlarını döndürmeye başladığında türbin jeneratörün rotorlarını döndürmeye başlar ve elektrik enerjisi elde edilir. Burada su enerji üretimi için kullanıldığından dolayı kısaca hidroelektrik enerjisi veya hidroenerji olarak adlandırılır. Bu yöntemle elektrik enerjisi üretmek en verimli yöntemlerden biridir. Günümüzde hidroelektrik santrallerinin verimi %90-95 civarındadır.

Hidroelektrik Santrallerinin Genel Yapısı?

   Bazı santraller akarsular, dereler ve kanallar üzerine kurulur, ancak güvenilir bir su temini için barajlara ihtiyaç vardır. Kabaca bir HES’in ana bölümleri; baraj seti arkasındaki rezervuar suyu, su giriş kapıları (intake), tüneller, valf ve savaklar, cebri borular, süzgeçler, hidrolik türbinler, generatörler, türbinden geçtikten sonra suyun dışarı aktığı kısımlar, transformatörler ve su akışını ve elektrik enerjisi dağıtımını denetleyen yardımcı donanımlardır. Baraj kısmı ise gövde, dolgu ve savak, derivasyon, dipsavak bölümlerinden oluşur.

• Gövde

   Hidroelektrik santraller baraj gövdesine ve yapısına göre 3 gruba ayrılır. Dolgu barajlar (kaya, toprak, önyüzü betonarme kaplı kaya dolgu barajlar), beton barajlar (beton ağırlıklı, payandalı, beton kemerli, silindirle sıkıştırılmış beton yapıdadır), karma tip barajlar (hem dolgu hem de beton gövdeli yapıdadır).

• Dipsavak

   Baraj bitene kadar suyun aktarılmasını sağlar. Baraj bitince de su dağıtımı için görev yapar. Barajın yaslanacağı dağlardan birinin altına tünel olarak ve ya gövdenin altına açıkta yapılabilir. Projenin en başında yapılması gereken uygulamalardan birisidir. Sağlamlığı çok önemlidir. Aşağıdaki kısımlardan oluşur;

Kondüvi: Hat boyunca döşenen sağlam metal borudur.
Giriş Yapısı: Suyu toplayıp boruya yönlendiren sistemdir. Proje bitince körlenir. Zemine inşa edilir.
Çıkış Yapısı: Suyun güvenle atılmasını sağlayan sistemdir.
Su Alma Yapısı: Suyun belli bir yüksekliğine yapılır. Proje bitene kadar aktif değildir. Proje sonunda giriş yapısı körlenince çalışmaya başlar. Suyu belli bir yükseklikte kalmasını sağlayan yapının amacı barajda ki suyu tamamen kurutmamaktır.

• Derivasyon

Derivasyon, baraj inşaat alanının kuru tutulabilmesi için akarsu güzergahının geçici olarak değiştirilmesidir. Genellikle batardolar ve derivasyon tünelinden ibaret yapılardır. Batardolar baraj gövdesinin küçültülmüşü gibidir. Derivasyon tüneli, suyu dağın içinde ileten çoğunlukla dairesel bazen de atnalı kesitinde yapıdır.

• Su Alma Kısmı (intake)

   Elektrik üretim aşamasında kullanılacak suyun alınacağı yapılardır. Bu kısımda su kanalları, borular,  kuvvet tünelleri ve kapaklar bulunur. Ayrıca, suyun içindeki taş, kum ve çakıl gibi cebri borulara ve türbinlere zarar verebilecek parçaların da tutulduğu kısımdır.

• Cebri Borular

   Suyu türbinlere ileten büyük borular ya da tünellerdir. Cebri boruların en önemli özelliği su kanallarından alınan suyun basıncı arttırmaktır. Hidroelektrik santrallerinin maliyetinin en büyük kısımlarını cebri borular oluşturur.

• Valf, Vana ve Savaklar

  Cebri borularda herhangi bir arıza, yırtılma, kayma olması durumunda bakım aşamasında su girişini önlemek için giriş kısmına emniyet vanası ve çıkış kısmına da türbin vanası konulur. Hidrolik santrallerde sürgülü vana, küresel vana, konik vana, kelebek vana ve basınç düşürücü vana bulunur. Emniyet vanaları kelebek vanadır. Türbin durdurulması durumunda sulama ve başka amaçlar için sürgülü vve konik vanalar kullanılır. Yüksek düşülerde ise basınç düşürücü vanalar kullanılır.

• Süzgeçler

   Su alma kısımlarına konulan süzgeçler kum, çakıl, taş, ot, odun gibi cisimleri tutarak türbin kanatlarının zarar görmesini engel olurlar. Kışın donmasını engellemek amacıyla sıcak su dolaştırılır.

• Jeneratörler

   Jeneratörler suyun oluşturduğu mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinalardır. Kabaca stator ve rotor olmak üzere iki ana parçadan oluşur. Hidroelektrik santrallerinde ktürbinin hareketi le dönmeye başlayan rotorun uyartım sargılarından geçen doğru akım, sabit manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan, stator üzerinde döner manyetik alan etkisi meydana getirir. Stator sargıların da aralarında 120 derecelik faz farkı olan 3 fazlı gerilim indüklenir ve trafo merkezine iletilir.

• Transformatörler

  Jeneratörler ile üretilen alternatif gerilimi uzak mesafelere iletmek üzere, gerilimi yükseltmek için kullanılırlar. Bu sayede iletim hatlarında olan kayıplar en düşük seviyelerde tutulmaya çalışılır.

• Dağıtım Odaları

   Hidroelektrik santraller de üretimin sürekliliği ve işletmenin güvenliği için yardımcı üniteler kullanılmaktadır. Bu üniteleri ve üretimi kontrol edebilmek için santrallerde kontrol odaları yapılır. Bu kontrol odalarında, uyartım sistemleri, regülatörler, kumanda ve güvenlik sistemleri ile haberleşme ve PLC sistemleri kullanılır.

Yapısal olarak bir HES ’in blok diyagramı aşağıda gösterilmiştir.

Hidrolik Santrallerde Kullanılan Türbin Çeşitleri?                          

   Hidroelektrik santrallerin bulunduğu konuma, yüksekliğe ve suyun akış hızına göre bu türbinler değişkenlik göstermektedir. Ayrıca hidroelektrik sistemlerde suyun akış doğrultusuna, suyun etki şekline ve türbin milinin durumuna göre de kullanılan türbinler değişkenlik göstermektedir. Genel olarak hidroelektrik santrallerde kullanılan iki çeşit türbin bulunmaktadır;

Aksiyon (etki tipi) türbinler

Eş basınçlı türbinler de denebilir. Bu türbinlere akışkan atmosfer basıncında girip atmosfer basıncında çıkar.

• Pelton Türbinleri

   150m düşünün üzerindeki hidroelektrik santrallerde kullanılması uygundur. Bu tip türbinler düşey ve yatay olarak konumlandırılabilir.

• Turgo Türbinleri

Pelton türbinlerine benzer fakat daha düşük maliyet ve daha yüksek devir sayısı nedeniyle pelton türbininden ayrılır.

• Banki Türbinleri

   Yapısı diğerlerine göre daha basittir. En büyük özelliği ise su dönel çarklara 2 kez girip çıkar. Yatay ve dikey olarak konumlandırılabilirler.

Reaksiyon tipi türbinler

   Basıncın ve hareketli suyun etkisiyle elde edilen güçle çalışırlar. Hareket halindeki su türbinin kanatlarına çarparak mekanik enerjiyi arttırır. Etki tipi türbinlere kıyasla daha hızlı dönerler.

• Françis Türbinleri

   Günümüzde ise dünyada ve ülkemizde hidroelektrik santrallerde kullanılan en yaygın türbin tipidir. 600 m düşüye kadar çalışırlar. Pelton türbininden ayrılan en önemli özelliği daha küçük boyutlarda imal edilebilir ve daha yüksek devir sayılarına ulaşır.

• Kaplan Türbinleri

   80 m yüksekliğin altında daha verimli çalışırlar. Nehir türbinleri olarakta ifade edilirler. Yüksek debilerde ve düşük yüksekliklerde çalışırlar.

Türbin çeşitlerine başka bir yazımda daha detaylı olarak bahsedeceğim.

Hidroelektrik Santrallerinin Avantajları

• Verimleri yüksektir (%90+),
• Yapısı basit ve sağlamdır,
• Kırsal bölgelerdeki artan yakıt bulma ve taşıma problemlerine çözüm sağlar,
• Ulaşımı güç olan ve ulusal sistemden beslenemeyen kırsal bölgelerde enerji ihtiyacını karşılar,
• İşletme maliyeti azdır (yaklaşık 0,2 cent/kwh),
• İşletme sürecinde karbon salınımı yapmaz,
• Küçük hidroelektrik santrallerde üretilen enerji bölgede kullanıldığı için uzun iletim hatlarına ihtiyaç duyulmaz,
• Bakımı ucuz ve hizmet süreleri ise uzundur,
• Ilımanlaştırıcı etkisinden dolayısı yakın çevresinde mikro klima iklim etkisi yaratır,
• Su sporları etkinliklerine zemin hazırlar ve çevre tesisleri ile turizme katkı sağlar,
• Sel ve su taşkınlarını önleyerek can ve mal kayıplarını engeller,

Hidroelektrik Santrallerinin Dezavantajları

• İlk yatırım maliyeti yüksektir,
• Kurulumu uzun yıllar alır,
• Enerji üretimi yağış miktarına bağlıdır,
• Su tutumu nedeniyle nehrin ekosisteminin değiştirmesine neden olur,
• Balık göçlerine engel olur ve neslinin tükenmesine yol açar,
• Baraj alanlarında kalan yöre halkının yeniden iskânı gerekir,
• Vadide dere boyu kara yollarının baraj gövdesi yüksekliğini aşması için yeni yolların yapımı gerekir ve yollar bir miktar uzar,
• Su altında kalan tarım alanları, orman sahaları, tarihi ve kültürel yerler yok olabilir,

Türkiye’de Kurulu Güç?

   2018 Haziran ayı sonu itibarıyla, işletmede bulunan 27.912 MWe’lik kurulu güce sahip 636 adet HES Türkiye toplam kurulu gücünün %32’sine karşılık gelmektedir.

Hidroelektrik Santrallerinin Sınıflandırılması?

Hidroelektrik santrallerini kurulu güçlerine göre 4 grupta sınıflandırabilmek mümkündür;

Büyük Ölçekli Hidroelektrik Santralleri

   Bu sistemlerinin kurulu gücü 10 MW’ın üzerindedir. Örnek olarak bir konut için gereken elektriksel güç 5kW olarak kabul edilirse 2.000 evin gereksinim duyduğu elektrik ihtiyacı karşılanabilir. Bir evde ortalama 5 kişinin yaşadığı kabul edilirse, söz konusu güç 10.000 nüfuslu bir kasabanın elektrik ihtiyacını karşılayacaktır. Büyük ölçekli hidroelektrik santralleri kömür ve doğalgaza dayalı termik santraller gibi konvansiyonel güç santralleri sınıfında değerlendirilir. Üretilen elektrik enerjisi diğer santrallerden üretilen elektrik enerjisiyle birlikte ulusal enerji şebekesine verilebilmektedir.

Orta Ölçekli Hidroelektrik Santralleri

   Bu santrallerinin gücü 1 MW – 10 MW arasındadır. Orta ölçekli santrallerden elde edilen enerji hem nakil hatları ile ulusal enerji şebekesine bağlanabilmekte hem de yerel olarak bir yerleşim bölgesinin veya büyük bir işletmenin enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılabilmektedir. En düşük kapasite ile değerlendirildiğinde 1 MW’lık bir güç 1000 nüfuslu 200 evin enerji ihtiyacını karşılayacaktır. Orta ölçekli santraller, ülkemizde yer alan hidroelektrik santrallerin çoğunluğunu oluşturmaktadır.

Küçük Ölçekli Hidroelektrik Santralleri

   Bu santrallerinin güçleri 0,1MW ile 1MW arasındadır. Bu santrallerin ulusal enerji şebekesine katkıları düşüktür. Ağırlıklı olarak balık çiftlikleri ve benzer şekilde akarsu kenarlarındaki küçük yerleşim bölgelerinin elektrik ihtiyacını karşılamak üzere kurulmaktadırlar. 0,1MW’lık bir güçle toplam 100 nüfuslu 20 evin enerji ihtiyacı karşılanabilmektedir.

Mikro Ölçekli Hidroelektrik Santralleri

   Mikro ölçekli santraller küçük ölçekte (maksimum 0,1 MW ) olup ulusal enerji hattına elektrik enerjisi sağlamazlar. Bu santraller genellikle ana yerleşim bölgelerinden uzak, ulusal enerji şebekesinin ulaşmadığı bölgelerde kullanılmaktadır. Güçleri, ufak bir yerleşim biriminin, üretim tesisinin temel ihtiyaçlarını karşılayacak kapasitededir. Mikro ölçekli hidroelektrik sistemler, zorlu kış aylarında enerji nakil hatlarına gelen zararlardan etkilenmemesi, düşük debiye sahip akarsulardan faydalana bilinmesi ve dönem sonunda demonte edilebilmesi nedeniyle yalnızca yaz aylarında enerjiye ihtiyaç duyulan, merkezi sistem kurulumunun maliyetli ve zor olduğu yüksek yayla ve mezraların enerji ihtiyaçlarını karşılamak için oldukça uygundur.

Dünyanın En Yüksek Barajları?