Kon -fErenzbericht

A. c>zdamarH.-G. GroehnK.Olgen

~ e Forschungszentrum Jullch '!J.~[[~.~ J~~®~©'1F0~@5yr.~posium tiber die Nutzung derern.:!uerbaren Energiequellen50,...,e und Wind auf Fischereischiff,nunci in Aquakulturbetrieben. /ii!

YENiLIS ~EBiLiR ~NERJi KAYNAKLARIND~~ GONE$ ve i:i ;iROZGA~IN DENIZ ve KOLTOR BALlK(:IL~~JNDA . '.. i

KUL~I\IIM OLANAKLARI ve TEKNOLOJ'~' SEMPOZYUMU ;'>. J

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mwelttlVironment

Schriften des Forschungszentrums JulichReihe UmweltiEnvironment Band 18

Forschungszentrum JOlich GmbH

Symposium uber die Nutzung dererneuerbaren EnerqiequellenSonne und Wind aufFischereischiffenund in Aquakulturbetrieben

YENiLENEBiLiR ENERJi KAYNAKLARINDAN GONESveROZGARIN DENiz ve KOLTOR BALlK<;ILI~I.NDAKULLANIM OLANAKLARI veTEKNOLOJISI SEMPOZYUMU

Symposium und Podiumsdiskussion/Sympozyum ve panelEge Oniversitesi, izmir, Turkiye, 28. - 30. Mai 1998

UnterstUtzt von/Destekleyen Kuruluslar .Goethe Institut in Izmir/Goethe EnstitUsO Izmir SubesiEge Universitat IzmirlEge OniversitesiForschungszentrum JOlichlJOlich Arastrrrna Merkezi

Konferenzbericht

herausgegeben von

Aydogan bzdamar, Hans-Gunter Groehn, Koray Olgen

Schriften des Forschungszentrums JulichReihe Umwelt/Environment

ISSN 1433-5530 ISBN 3-89336-247-9

Band 18

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Symposium i.iber die Nutzung der Erneuerbaren Energiequellen Sonne und Wind aufFischereischiffen und in Aquakulturbetrieben <1998, Izmir>:Symposium Ober die Nutzung der Erneuerbaren Energiequellen Sonne und Wind aufFischereischiffen und in Aquakulturbetrieben : 28-30 Mai 1998, ort: Ege Oniversitesi,IzmirlTOrkiye I Forschungszentrum JOlich GmbH, Institut fOr Werkstoffe und Verfahren derEnergietechnik. Hrsg.: Aydogan bzdamar .... - JOlich : Forschungszentrum. Zentralbibliothek,1999(Schriften des Forschungszentrums JOlich. Reihe UmweltlEnvironment ; Band 1B)ISBN3-89336-247-9

Herausgeberund Vertrieb:

Druck:

Copyright:

Forschungszentrum JOlich GmbHZENTRALBIBLIOTHEKD-52425 JOlichTelefon (02461) 61-5368· Telefax (02461) 61-61 03e-mail: zb-publikation@fz-juelich.deInternet: http://www.fz-juelich.de/zb

Grafische Betriebe, Forschungszentrum JOlich GmbH

Forschungszentrum JOlich 1999

Schriften des Forschungszentrums JOlichReihe UmweltlEnvironment Band 18

ISSN 1433-5530

ISBN 3-89336-247-9

Aile Rechtevorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie oderin einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oderunter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfaltigt oder verbreitet werden.

SYMPOSIUM tiBER DIE NUTZUNG DER ERNEUERBARENENERGIEQUELLEN SONNE UND WIND AUF FISCHEREISCHIFFEN

UN» IN AQUAKULTURBETRIEBEN

YENiLENEBiLiR ENERJi KAYNAKLARINDAN GUNES ve RUZGARINDENiz ve KULliiR BALIKOLIGINDA KULLANIM OLANAKLARI ve

TEKNOLOJisi SEMPOZYUMU

PODIUMSDISKUSSION ZUR NUTZUNG VON SOLAR- UNDWINDENERGIE AUF FISCHEREISCHIFFEN UND IN

AQUAKULTURANLAGEN

GUNES ve RUZGAR ENERJiSiNDEN BALIKCI GEMiLERiNDE veAKUAKULliiR TEsisLERiNDE YARARLANILMASI PANELi

28-30 Mai /Mayls 1998Ege Universitesi - izMiR / TURKiYE

EditorenlEditiirlerAydogan OZDAMAR I Hans-Gunter GROEHNI Koray ULGENaozdamar@bomova.ege.edu.tr I h.-g.groehn@fz-jiielich.de I uIgen@bomova.ege.edu.tr

HerausgeberlYaymlayanForschungszentrum Julich GmbH

WISSENSCHAFTSAUSSCHUSS / BiLiM KURULU

Prof. Dr. Metin COLAK

Prof. Dr. NecdetOZBALTA

Prof. Dr. HikmetH0l>SUCUProf. Dr. Ali GUNOOR

Prof. Dr. BerndKOHLHAMMERDr. Hans-GiinterGROEHNDr. Wennemar A. BROCKEDipl.-Ing. Peter SCHENZLE

Dipl.-Ing. KlausLANGE

D~. Dr. MuhammedELTEZ

D~. Dr. Adnan TOKACD~. Dr. Osman OZDENYrd. D~. Dr. Hasan YILDIZ

Ege Universitesi MiihendislikFakiiltesive Giine~ Enerjisi EnstitiistiEge Universitesi GunesEnerjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesiEge Universitesi Su UriinIeriFak.Ege Universitesi Giin~ EnerjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesiFachhochschule Aalen AlmanyaForschungszentrum Jiilich AlmanyaForschungszentrum JiilichAImanyaHamburgische Schifibau­Versuchsanstallt HSVAAImanyaBundesforschungsanstalt fiirFischereiHamburgAlmanyaEge Universitesi GunesEnerjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesiEge Universitesi Su UriinIeriFak.Ege Universitesi Su UriinIeriFak.Ege Universitesi MiihendislikFak.

ORGANISATIONSAUSSCHUSS / DUZENLEME KURULU

Dr. Gundolf SCHUTZEProf. Dr. Metin COLAK

Prof. Dr. NecdetOZBALTA

Prof. Dr. HikmetHOl>SUCUProf. Dr. Ali GUNOOR

Yrd. D~. Dr. AydoganOZOAMAR

GoetheInstitut IzmirEge Universitesi MiihendislikFakiiltesive Giin~ EneIjisi EnstitiistiEge Universitesi Giine~ EnerjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesiEge Universitesi Su Urunleri Fak.Ege Universitesi Ganes EnerjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesiEge Universitesi GunesEneIjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesi

SYMPOSIUMS SEKRETARIAT / SEMPOZYUM SEKRETERLiGi

Yrd. D~. Dr. AydoganOZOAMAR

Yiik. Miih. KomyULGEN

Ege Universitesi Ganes EneIjisiEnstitiisiive MiihendislikFakiiltesiEge Universitesi GnnesEnerjisiEnstitiisii

INHALTSVERZEICHNIS / iCiNDEKiLERSeitel

SayfaNo

VOR~ORT VONSOZ VIEROFFNUNGSANSPRACHEN I AC;ILI~ KONU~MASI VII

Modeme Entwicklungen und Erfabrungen mit Wind-Zusatzantriebenauf Schiffen, Peter SCHENZLE 1

Untersuchungen tiber die Nutzung von Windenergie unter denBetriebsbedingungen der deutschen Kutterfischerei beiBerucksichtigung des Windenergiepotentials in den Fanggebietender Nordsee, Klaus LANGE 19

Ege Bahkci Teknelerinde Rnzgar Enerjisi Kullammmm Ekonomikve Cevresel Yararlan, Hikmet HO~SUCU;F. Ozan DUZBASTILAR 41

PHOEBUS Jiilich - eine Anlage zur ganzjahrig autarken solarenStromversorgung, H. BARTHELS; w, A. BROCKE;H.-G. GROEHN; G. HEUTS; H. MAl, J. MERGEL 51

Eine Untersuchung tiber Aerodynamik von Windpropellem undEnergiegewinnung, Aydogan OZDAMAR; K. Turgut GURsEL 65

Entwicklung von Verfahren zurRegelung und Betriebsfiihrungvon autonomen regenerativen Energieversorgungsanlagen,~.A. BROCKE, H. BARTHELS 81

Rnzgar Guln Imalati ve Elektrik. Enerjisi Eldesi,G6ksel KAVAS; Hasan TiRyAKi 89

Modellbildung und Simulationsmethodik fUr regenerativeEnergiesysteme, W.A. BROCKE; H. BARTHELS 105

Gtmes Pili Enerji Sistemleri ve EiE'nin UyguIamalan,Aysun OZDEMiR 113

Tiirkiye'de Riizgar Enerjisi Kullammmm Onnndeki EngeIler,Ergun OZAKAT 125

Mimari ve Gunes Enerjisi-Aktifve PasifKullamm Olanaklan,Tfirkan GOKSAL 133

III

INHALTSVERZEICHNIS I iC;iNDEKiLERSeitel

SayfaNo

Denizustu Riizgar Santralleri, M.Ozcan ULTANIR; Serpil KOCAK 147

Ruzgar Enerjisi, Cavit UNvER 153

Ruzgar Enerjisi Uygulamalanve Ruzgar EnerjisiEtudu, Ferdi TURKSOY 159

Alternativen zu mechanischen Kompressoren fur die VerdichtungvonWasserstoff H.BARTBELS; K. BONHOFF; H. G. GROEHN;J. MERGEL 171

Energetische Betrachtung von regenerativenHybridsystemen zur autonomenelektrischen und thennischen Versorgung,H. BARTHELS; K. BONHOFF;W. A. BROCKE; H.-G. GROEHN; J. MERGEL;Ch. MEURER 179

Moglichkeiten der Leistungsoptimierung bei Photovoltaikanlagen,Bernd KOHLHAMMER 185

Su Urunleri IsletmelerindeRuzgar EnerjisindenYararlanmaOlanaklan,Adnan TOKAC; Osman OZDEN 193

Ruzgar ve GimesEnerjisinin Deniz ve Kultur BahkcihgindaKullamlmasiAcismdanBazi Hukuki Problemler, Demet OZDAMAR 199

Merkmale kleiner autonomer Solar-Wasserstoff-Systeme mit vereinfachterSystemtechnik, W. A. BROCKE, H. BARTHELS 213

Beschreibung einesMikrochipfur ein MPPT Systemzur optimalenLeistungsausbeute von Solarmodulen, Andreas HERB 221

Entwicklung von Verfahrenzur Regelung und BetriebsfuhrungvonAutonomen RegenerativenEnergieversorgungsanlagen,W.A. BROCKE, H. BARTHELS 237

PODWMSDISKUSSION 245

IV

VORWORT

Das Symposium mit dem Titel "Nutzung der emeuerbaren EnergiequellenSonne und Wind auf Fischereischiffen und in Aquakulturbetrieben" und diePodiumsdiskussion zur "Nutzung von Solar- und Windenergie aufFischereischiffenund in Aquakulturanlagen" wurden vom 28. bis 30. Mai 1998 im Konferenzsaal derFakultat fur Ingenieurwissenschaften der Universitat Ege in Izmir veranstaltet.Organisatoren waren das Sonnenenergieinstitut der Universitat Ege, Fakultat furFischerei der Universitat Ege und die Fakultat fur Ingenieurwissenschaften derUniversitat Ege.

Im AnschluB an die Veranstaltungen wurde am 30. Mai 1998 eineExkursion zu Fischereibetrieben in der Umgebung von Izmir durchgefuhrt, urn dieProbleme der Fischereibetriebe vor Ort kennenzulemen.

An dem Symposium haben 7 Wissenschaftler aus Deutschland mit 11Beitragen teilgenommen. Die Halfte von insgesamt 8 Teilnehmem derPodiumsdiskussion waren aus Deutschland. Auf3erdem haben zwei deutscheWissenschaftler ohne Vortrage an den Veranstaltungen teilgenommen. ln diesemSymposiumsbericht werden 22 von insgesamt 24 vorgetragenen Arbeitenveroffentlicht,

Das Goethe Institut Izmir hat die Druckkosten fur dasSymposiumsprogramm, die Ausgaben fur Werbebroschiiren, fur denExkursionstransport sowie gemeinsam mit dem Deutschen AkademischenAustauschdient (DAAD) die Reisekosten fur die Wissenschaftler aus Deutschlandiibemommen. Die Universitat Ege hat den Konferenzsaal der Fakiiltiit furIngenieurwissenschaften zur Verfugung gestellt und die Ubemachtungsausgabenvon 9 deutschen und 6 tiirkischen Wissenschaftlem getragen. Die iibrigen Kostenwurden von den Veranstaltem der das Symposium begleitenden Ausstellungfinanziert.

Die Veroffentlichung der Symposiumsbeitrage wurde vomForschungszentrum Jiilich GmbH finanziert. Die Vortrage des Symposiums undder Podiumsdiskussion wurden simultan von Prof Dr.-Ing. Metin <;OLAK undAssist. Prof Dr.-Ing. Aydogan OWAMAR ins Deutsche bzw. Tiirkischeiibersetzt.

Folgenden Personen mochten wir an dieser Stelle unseren Dankaussprechen: Herro Prof Dr. Hikmet HO$SUCU, Herro Prof Dr. Metin <;OLAK,Herro Prof Dr. Necdet OZBALTA, Herro Prof Dr. Ali GUNGOR, Herro ProfDr.-lng. H. BARTHELS, Frau Prof Dr. Fazilet VARDAR SUKAN, HerroManfred UNGER (Generalkonsul von Deutschland in izmir), Herro Dr. GundolfSCHUTZE (Institutsleiter, Goethe-Institut Izmir) und Frau Giinsel siNANGiL.

Wir hoffen, daf3 das Symposium und die Podiumsdiskussion einen gutenBeitrag zur Zusammenarbeit und Umweltschonung geleistet haben.

Assist. Prof Dr.-Ing. Aydogan OWAMARDipl.-Ing. Koray ULGEN

Editoren

v

ONSOZ

"Yenilenebilir Enerji Kaynaklanndan Ganes ve Riizgann Deniz ve KiiltiirBahkcihgmda Kullamm Olanaklan" adh Sempozyum ve "Bahkci Gemileri veAkuakiiltiir Tesislerinde Gunes ve Ruzgar Enerjisinden Yararlarulmasi" adh Panel;Ege Universitesi Gunes Enerjisi Enstitusu, Ege Universitesi Su Urunleri Fakiiltesive Ege Universitesi Miihendislik Fakiiltesi'nin koordinatorlugunde 28-29 Mayis1998 tarihlerinde, Ege Universitesi Muhendislik Fakiiltesi Konferans Salonu'ndagerceklestirilmistir,

Sempozyumdan sonra da 30 Mayis 1998 tarihinde, sorunlann yerindeincelenebilmesi amaciylaIzmir iIi suurlan icinde bulunan bahk ciftliklerinebir teknikgezi duzenlenmistir,

Sempozyuma Almanya'dan 7 biIim adami 11 bildiri ile kanhrken, toplamolarak 24 bildiri sunulmustur. Panelde de toplam 8 kanhmcmm yansiAlmanya'dandtr. Aynca Sempozyuma Almanya'dan iki izleyici bildirisiz kanlmrsnr.Sempozyumda sunulan bildirilerin yazih hale getirilerek daha fazla kisininyararlanmasim amaelayan bu eserde, Sempozyumda sunulan 24 bildirinin 22 tanesiyer alacaktrr.

Sempozyum brosurunun basuru, Sempozyum reklam panolan giderleri,teknik gezi yol giderleri ve Almanya kanhmcilanrnn yol giderleri (DeutscherAkademischer Austauschdient -DAAD- ile birlikte); Goethe Enstitusu Izmir Subesitarafindan karsilanmisnr. Ege Universitesi de, Sempozyum icin Konferans salonunutahsis etmis, 9 Alman ve 6 Turk kanhmcmin konaklama giderlerini ustlenmistir,Sempozyumun diger giderleri de sergi kiralayan sirketler tarafindan karsilanrmsnr.

Bu eserin basimi ise, Julich Arasttrma Merkezi (Forschungszentrum Jiilich)tarafindan gereeklestirilmistir,

Sempozyum ve Paneldeki konusmalar, simultane olarak Prof. Dr. MetinCOLAK ve Yrd. Doc, Dr. Aydogan OZDAMAR tarafindan AlmancadanTurkceye, Turkceden Almancaya tercume edilmistir..

Sempozyum hazirhklan ve sempozyum suresince buyuk destek veyardimlanm gordugumuz, hocalannnz Sayin Prof. Dr. Hikmet HO~SUCU'ya, saymProf. Dr. Metin c;OLAK'a, Saym Prof. Dr. Necdet OZBALTA'ya, Sayin Prof. Dr.Ali GUNOOR'e, Saym Prof. Dr.-Ing. H. BARTHELS'e, Saym Prof. Dr. FaziletVARDAR SUKAN'a, Almanya Federal Cumhuriyeti Izmir Baskonsolosu SaymManfred UNGER'e, Goethe Enstitusu Izmir Subesi Muduru Sayin Dr. GundolfSCHUTZE'ye, Sempozyum Diizenleme ve Bilim Kurullanna ve Ege UniversitesiGunes Enerjisi Enstitusu OgretimElemanlanna tesekkurlerimizi sunuyoruz.

Sempozyum ve Panelin daha temiz ve yasaruhr bir diinya idealine katktdabulunmasiumidi i1e tum okuyuculara saygtlarumzla.

Yrd. Do~. Dr. Aydogan OZDAMARYuk. Moo. Koray ULGEN

Editorler

VI

EROFFNUNGSANSPRACHEN/ACILI~ KONU~MALARI

Saym Valim, Saym Belediye Baskamm, Saym Rektdr, Saym Dekanlar,Ogretim Uyeleri ve Meslektaslarnn, Saygldeger Konuklar ve BasmMensuplarumz,

Ulkemizde ilk kez Izmir'de Ege Universitesi Kampusu'nde, E.D. GunesEnerjisi Enstitusu, E.D. SU Urunleri Fak:iiltesi ve E.D. Miihendislik Fak:iiltesiisbirligi ile duzenlenmis bulunan "Yenilenebilir Enerji Kaynaklarmdan Giine~

ve Riizgann Deniz ve Kiiltiir Bahk~dlglOda KuUamm Olanaklan veTeknolojisi" Sempozyumuna hosgeldiniz. Sizleri saygiyla selamlanm.

Kongre duzenleme kurulu icinde yer alan ve E.D. SU Urunleri Fak:iiltesimensubu bir akademisyen olarak sizlere aytl1§ konusmasi yapmaktan gurur ve serefduyuyorum. Bizler doga ve insamn bir butun icinde olduguna inanmis, dogalkaynaklar, cevre ve tanmsal uretim cabalanru seven ve destekleyen insanlar olarak,cagmuz teknolojisinde en onemli unsur olan yenilenebilir enerji kaynaklan vekullarum bicimlerini goz ardi edemiyecek bir durumda bulunuyoruz.

En azmdan kryilannuzda faaliyet gosteren lO.OOO'in uzerinde tekneyidusunursek bunlann, aydmlatma, navigasyon cihazlan, sintine pompaj v.b. gerecleriicin kiyida limanda banmrken enerji kullanmak zorunda olduklan gorulmektedir.Elektrik hatlannm ulasmadigi bakir kiyilarda yer alan su iirtinleri yetistirmetesislerinde de bu tur enerjiye gereksinim duyulmaktadir, Denizden su unmleri eldeetmek amaciylasurdurulen bahkcihk ve ve yetistiricilik faaliyetleri yamnda- Ozellikledogal kaynaklann korunmast,

Su urtmlerinin en cok ihtiyac duydugu cevre ve cevre kosullanm korumak,- Altematif yenilenebilir enerji kaynaklanndan yararlanma yontemlerini aramak,

fikir uretmek, tartismalara katilmak, bilimsel ve pratik olarak olumlu modelleriortaya cikartmak biiyiik yararlar saglayacaknr.

Dunyarmz yeni bir asnn baslangicma yaklasirken niifusa bagh olarak artanbeslenme ile cevre ve ekonomik sorunlann giderilmesi dogal kaynaklar veteknolojinin akilci olarak kullantlmasma baghdir. <;iinkii gecmis donemlerde hersektorde cabalar verim artismayonelik planlanrrken, gunumazde ilk sirada cevre vecanh kaynaklann korunmasma yonelik planlanmaktadrr. Gelecek icin bu gereklidir.

Ozellikle cevre korumaya katkisr olabilecek ve gurultu kirliligini ortadankaldirabilecek enerji kullamm olanaklan onemli rahatlama ve sektorel banssaglayacaktir. Yenilenebilir ve hicbir artik birakmayan enerji kaynaklanmnkullamrm bu konuda en iyi atihm olacaktir. Son yillarda su urunleri sektorunundogayi ve cevreyi kirlettigi gibi bilincsizce sarfedilen yanhs beyan ve fikirlerinbuyuk bir kismmm bu atihm ile kendiliginden yok olmasi beklenir.

Duzenlenen Sempozyumda soz sahibi yurtici ve yurtdisi konusmacilarabasanlar diler, Sempozyumun ulkemize, sektorlerimize ve bilime katkilarsaglamasim umit eder, en derin saygilanmi sunanm.

Prof. Dr. Hikmet HO:)SUCUEge Universitesi Su UrunleriFak:iiltesi

Avlama Teknolojisi Anabilim Dah Baskam

VII

Saym Goethe Enstitiisii Miidiirii, Saym Rektoriim, Saym Dekan,Saym Giinq Enerjisi Enstitiisii Miidiirii ve Universitemiz Diger OgretimUyeleri, Saym Kanhmedar, Saym Konuklar, Degerli Basm Mensuplan veSevgiIi Ogrenciler,

28-29 Mayis 1998 tarihlerinde Universitemizde diizenlenen YENlLENEBiLiRENERJi KAYNAKLARINDAN GUNE~ ve RUZGARIN DENiz veKULTUR BALIK(:ILIGINDA KULLANIM OLANAKLARI veTEKNOLOJisi adh sempozyumahos geldiniz.

Geleneksel deniz bahkcihgmm yarusira, iilkemizin onemli bir sektoru halinegelmekte olan kultur bahkcihgirun enerjiye olan gereksinmesi, gelisen teknolojilerile birlikte siirekli artmaktadtr. Aslmda enerji gereksinmesi artan yegane iskolu suurunleri sektoru degildir.

Ulkemizingenel enerji durumuna bakngirmzda, bashca kullammi ulasnrma,sanayi ve tanm sektorlerinde olan petrolun yaklasik tamamuun ithal edildigini, fosilkaynak olarak sadece, elektrik enerjisi iiretiminde onemli bir yakit olan, ancak cokonemli cevre etkileri de bulunan linyitin yurt i~i kaynaklardan saglanabildiginihernengorebiliriz,

Cevre yonunden daha temiz bir baska yakrt olan dogal gaz ise yine yurtdismdan temin edilmektedir. Elektrik enerjisi iiretimirnizin yansma yakin birkismimnhalen baraj santrallerinde iiretilmekte olmasmaragmen, her yil artan talepile birlikte hidrolikkarsilama orarn azalmaktadtr. Bu nedenler, ulkemizi yeni enerjikaynaklan aramaya zorlamakta ve dolayisryla iilkemizin dogal yapisi ve cografikkonumu itibanyla ganes enerjisi, riizgar enerjisi, jeotermal enerji gibi altematifkaynaklar gundeme gelmektedir.

Bu sernpozyum ve panelde, yenilenebilir enerji kaynaklan olan gunes vernzgann kullanmuve sorunlan genel olarak irdelenecektir. Ozel olarak da; elektriksebeke baglantisr olmayan bahk yetistirme ciftliklerinin ve kirni zaman kiyi alanlanve kapali limanlarda calisan bahkcr gemilerinin enerji gereksinmelerinin belli birkismmm, cevre dostu olan gunes ve ruzgar enerjisinden saglanmasi konusutarusilacaknr,

Goethe Enstitusu izmir Subesi'nin, izmir Federal AlmanyaBaskonsoloslugu'nun, Ege Universitesi Miihendislik ve Su Urunleri Fakiilteleri'nin,Ege Universitesi Gunes Enerjisi Enstitusu'nun, Ege Universitesi Bilim TeknolojiUygulama ve Arastirma Merkezi'nin destek ve katkilanyla gerceklestirilen buSempozyuma konusmaci olarak kanlan 7'si yabanci, 19 bilim adami bu konularlailgili calrsmalanm sunacaklardtr. iki gun snrecek olan bu cahsma, konununtartisilacagibir panel ile sonuclanacaknr,

Sempozyuma katkida bulunan kuruluslara ve ozverili cahsmalan ile buetkinligin gerceklesmesini saglayan Sempozyum Sekreterligi'ne Duzenleme Kuruluadina tesekkurlerimisunar, tum kanhmcilaraverimli cahsmalar dilerim.

Prof. Dr. Metin <;OLAKE. U. MiihendislikFakiiltesiDekarn

VIII

Herr Dekan, meine sehr geehrten Damen und Herren,

Es ist mir eine besondere Freude, dal3 das Goethe-Institut Izmir Ihnen beimZustandekommen dieses Symposiums ein wenig Hilfe leisten konnte, indem wir dievon Ihnen gewiinschten deutschen Experten einladen konnten.

Das Ziel unserer Beteiligung an diesem Symposium ist, Ihre Bestrebungenzu unterstutzen, neue und umsetzbare Ideen zur Nutzung der emeuerbarenEnergien Wind und Sonne auf Fischereischiffen und Aquakulturanlagen aus derSicht von Wirtschaftlichkeit und Umweltschonung und unter Beriicksichtigung derdeutschen Erfahrungen zu diskutieren.

Wir wiinschen Ihrer Veranstaltung viel Erfolg und eine angenehmeArbeitsathmosphare.

Dr. Gundolf SCHUTZEInstitutsleiterGoethe-Institut Izmir

IX

MODERNE ENTWICKLUNGEN UND ERFAHRUNGEN MIT WIND­ZUSATZANTRIEBEN AUF SCHIFFEN

DipI.-Ing. Peter SCHENZLEHamburgische Sciffbau-Versuchsanstalt

AbstractGlobal and local wind systems are a form of solar energy, already converted intomechanical form and especially available on the wide and undisturbed areas of theoceans, howeverat low average energy density and varying in wide bandwidths withtime andspace.

Since sea transportation at moderate speeds, on the other hand, is the most energy­efficient mode of mass transportation at all, wind was utilized for at least 5 000 or10 000 years as the major energy source for ship propulsion, until it was abandonedalmost 100 years ago in favor of coal and oil. This happened, in fact, just before thescientific and technical bases for the efficient use of the wind were enormouslydeveloped in aerodynamics, structural and mechanical engineering, especially foraeronautics.

Today, becoming aware of the consequences of excessive fossil fuel combustion, wecan no longerregardwindpropulsion as a mere nostalgic art of weekendpleasure, buthaveto undertake a serious assessment of the chancesof today's state of technology, todevelop appropriate solutions of wind propulsion for different sectors of coastal andoceantransport.

The spectrum of technical proposals for wind propulsion systems is rather broad andconfusing, reaching from updated traditional techniques to novel systems like solidwings, rotors and wind turbines. TIrus it is worth while to identify the critical para­meters and quantify the performance elements for variousmodes of application. Thesemodes couldbe: windas main- or auxiliary propulsion, for vessels running as cargo- orpassenger vessels, as fishing or service vessel, on coastal- or transocean routes, in light­or strongwindareas, in developing or industrial economies ...

Although within the narrowboundaries of our present economic system the short termcriteriaofindustrial economics ofinvestment and running cost are exclusively decisive,real evaluations of comparative usefulness ofdifferent concepts haveto accountfor thelong term ecological criteria of saving resources and avoiding pollution of oceans andatmosphere, which must become significant with growing concern and consequentpolitical changein the economic boundaries.

When a number of promising concepts has been selected and designed, we must enterinto the tedious procedure of building and evaluating prototypes on a test bed underrealistic conditions. The trialprogramme would reach from initial trouble shootingviasystematic performance measurements to long term reliability demonstration. Suitabletest beds should be vessels of appropriate size and seaworthiness, eitherpurpose-builtor serving as research, fishing, cruising or pleasurecraft.

1

VorbemerkungDer Lebensstil der Industriegesellschaften in Nordeuropa und Nordamerika ist heutegekennzeichnet durch den zunehmenden Einsatz energieintensiver Technik. Dieserasante Entwicklung wird gesteuertdurch die kurzfristigen Kriterien von Gewinn undProduktivitat und fiihrt dazu, daJ3 irnmer mehrZeitund menschliche Arbeitskraft durchEnergie und Maschinen ersetztwird. Die scheinbar begrenzten Nebenwirkungen diesereinseitigen Entwicklung aufNatur und Gesellschaft erweisen sich irnmer deutlicher alslangfristiges Hauptproblem, das nur durch ein angemessenes Zusammenwirken vonZeit und Energie und durch ein Gleichgewicht von Okologie und Okonomieuberwunden werdenkann.

Dazuwerdenwir nichtweniger Technik undweniger Wirtschaft brauchen, sondern wirmussen Technik und Wlrtschaft so weiterentwickeln, daJ3 sie nicht ankurzfiistigerHochleistung und Profit orientiert sind, sondern an nachhaltiger Entwicklung furMensch und Umwelt. Wrrsinddochnichtwirklich amEinsatzvon irnmermehrEnergieundimmer hohererGeschwindigkeit in unserem Lebeninteressiert, sondernamNutzenfur unsereLebensqualitat, und besonders wenn wir ihnmit weniger Energieund mehrZeit erreichen konnen,

Man konnte auch sagen: "Wrr brauchen eine Synthese von europaischer Effizienz undasiatischer Gelassenheit", und ich verstehe dieses Symposium als ein Signal, daJ3 dasturkische Yolk hier einewichtige Mittlerrolle spielen kann, aus seiner alten TraditionderEinheit von Arbeitsqualitat undLebensqualitat,

Transportleistung und EnergiebedarfTransport ist ein Bestandteil aIler Wtrtschafts- und Lebensbereiche, von Produktionund Dienstleistung. Er ist als horizontale Verschiebung von Giitem ein Beispiel einesNutzeffekts, der eigentlich ohneEnergieaufwand erzielt werdenkonnte, wenn da nichtirnmer ein mehr oder weniger groBer Reibungsverlust im Spiel ware. Wenn man dieReibungs- oder Widerstandskraft: F auf das Fahrzeuggewicht W bezieht, erhaltmaneindimensionsloses Maf3 fur die relative Reibung oder den relativen Energiebedarf E proTransporteinheit W*S iiber eine Strecke S, der die relative Antriebsleistung P proEinheit der Transportleistung W*V:

a== FIW - E/(W*S)=P/(W*V)

Mit diesem MaB, dem effektiven Reibungs- oder Gleitwinkel a, kann man aIleTransportarten, an Land, in der Luft und auf dem Wasser hinsichtlich desEnergiebedarfs vergleichen und nach v.Karman und Gabrielli in einem iibersichtlichenDiagramm darstellen (Abb.l). In dieser Darstellung wird deutlich, daJ3 der relativeEnergiebedarf pro Transporteinheit je nach Transportart um GroBenordnungenvariieren kann und allgemein mit der GroBe des Fahrzeugs abnimmt, wahrend er mitder Geschwindigkeit starkansteigt.

2

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Spezifischer Energiebedarf unterschiedlicher Transportarten

3

So liegt der effektive Widerstand beimLufttransport in der Grolienordnung von 1/10des Fahrzeuggewichts, beim Landtransport zwischen 1/10 und 1/100 und beimWassertransport zwischen 1/100 und 1/1000. Den geringsten Energiebedarf proTransporteinheit zeigengroBe, langsame Verdrangungsschiffe, wahrend kleine Schnell­boote den Energiebedarfder weit schnelleren FIugzeuge sogariibertreffen konnen]1].

Bei jewells angemessenen Geschwindigkeiten sind Schiffe die energiegiinstigstenTransport-systerne iiberhaupt. Darnit sind sie aber auch besonders geeignet, diesengeringen Bedarf zu einern hohen Antell durch die emeuerbaren Energiequellen Wmdund Sonnezu decken.

WindverhiltnisseDie globalen und lokalen Wmdsysteme sind derjenige Antell der eingestrahlten Sonnen­energie, der in der Atmosphare schondieUmwandlung uber thennische in mechanischeStromungsenergie erfahren hat. Die besten Voraussetzungen fur die Ausnutzung derWmdenergie bestehen fiber den weiten ungestorten Flachen der Weltrneere, und dienach Starke und Richtung bestandigsten Verhaltnisse sind in dem globalen tropischenGiirteI der Passatwinde beiderseits des Aquators und in den regionalen Monsunwindenim SudenAsienszu finden.

In unseren 'gemaJ3igten Breiten', z.B. iiber dem Nordatlantik, an der Grenzezwischenwarrnen und kalten Luftmassen, ist das Wetter haufig durch den Durchzug vonTiefdruckwirbeln bestirnmt, was zu einer extremen Variationsbreite undeingeschrankten Vorhersagbarkeit derWindstarke und -Richtung fuhrt.Andererseits istbier starker Wind haufig mit Wolken verbunden, wahrend sonniges Wetter meistschwachwindig ist. Durch diese negative Korrelation von Wind undSonneneinstrahlung bietet eine kombinierte Nutzung beiderEnergiequellen die Chanceeinergleichrnal3igeren Verfugbarkeit der Surnrne.

Einen Eindruck von der Variationsbreite der Energiedichte vennitteln die foIgendenZahlenfur den FIuBankinetischer EnergiedurcheineortsfesteBezugsflache:

WindstarkeWmdgeschwindigkeitEnergiet1uB-Dichte

350.1

5-6111.0

102510

Btl:mlskW/m2

Dabei ist zu beachten, daJ3 auf den meisten Schiffahrtsrouten nur die Ieichten undmittleren Wmde haufig auftreten und Windstarken hoher als 8 meist seltener als 1%sind. Zudem sind extreme Windstarken schonaus Festigkeits- und Sicherheitsgriindenkaurnnutzbar.

AuJ3er den grofiraumigen globalen und regionalen Wmdsystemen sind auch lokaleKiistenwinde interessant, die aus den taglichen Temperaturschwankungen zwischenLand und Meer entstehen und wegenihrerRegeImaBigkeit gunstigzu nutzensind. Dasgilt allerdings nicht fur extreme und gefahrliche lokale Erscheinungen wie dieWirbelsturme an subtropischen Ostkiisten in Amerika und Asien.

4

Globale Windsysteme im Juli

Lokale KClstenwinde

5

Einalannierendes Zeichender letztenJahrzehnte sindzunehmende Storungen der sonstsehrregelmaJ3igen tropischen Windund Meeresstromungen (el nifio') und die Zunaluneextremer Wetterphanomene, die darauf hinweisen, daB die Erhohung der Energie inMeer und Atmosphiire durch den Treibhauseffekt schon heute die Stabilitat unsererOkosphare gefahrdet,

Wind Dod SeetransportDer geringeEnergiebeda.rfzumVortrieb relativ langsamer und groBer Schiffeeinerseitsund die, trotz geringerEnergiedichte, relativ gute Verfugbarkeit des Windes tiber denMeerenund an den Ktistenandererseits, waren die Grundlage fur 5- oder vielleicht 10tausend Jahre Seefahrt unter fast ausschlieBlichem Vortrieb durch Ktisten undSeewinde. Erst vor knapp 100 Jahren wurde der Wind als Vortriebsenergie in derkommerziellen Schiffahrt praktisch vollstandig durch Kohle und 01 abgelost undbliebnur im Sportund Freizeitsektor erhalten. .

Das geschah ausgerechnet kurz bevor die wissenschaftlichen und technischenGrundlagen fur die effektive Nutzung des Windes tiberhaupt erst entstanden, auf denGebieten Aero-Hydrodynamik, Strukturtechnik und Maschinenbau, Informations- undRegelungstechnik, insbesondere im DienstederLuftfahrt.

Heute, da die ernsten Konsequenzen exzessiver Verbrennung fossiler Rohstoffe nichtmehrzu leugnensind, fallt es schwer, den Wmdvortrieb nur noch als ein nostalgischesFreizeitvergniigen zu betrachten, man konnte vielmehr den emsthaftenVersuch unter­nehmen, die Chancen einzuschatzen, die der heutige Stand der Technik. bietet, urnzeitgemaJ3e Losungenfur den Wmdvortrieb fur unterscbiedliche Sektoren des Kiisten­und Seetransports zu entwickeln.

Obwohl innerhalb der engen Grenzen unseres heutigen okonomischen Systems diekurzfiistigen Kriterien von Investitions- und Betriebskosten alleine entscheidend sind,muf der Kosten-Nutzen-Vergleich unterscbiedlicher Konzepte auch die langfiistigenokologischen Kriterien der Einsparung von Resourcen und der Erhaltung der Ozeaneund der Atmosphare mit einbeziehen. Diese miissen spatestens dann entscheidendwerden, wenn mit wachsender Besorgnis die konsequente politischer Anpassung derokonomischen Randbedingungen erfolgt.

Tecboiscbe Moglicbkeiteo desWindvortriebsDie Eigner von Fracht oder Fischereiscbiffen wollen nicht segeln, sondern auf normalbetriebenen Motorscbiffen Brennstoftkosten sparen. Wie auch immer die dafiirzusatzlich installierte Vorrichtung aussehen mag, sie darf nur so viel kosten, daB siesichin 2-3 JahrenbezahIt macht. Sie darf dem Lade- und Fangbetrieb, der Sicht vomRuderhaus und der Durchfahrt unter Brucken nicht im Wege stehen, und sie darf aufkeinen Fall einen Mann mehr an Bord erfordern, wenn von den eingespartenBrennstoftkosten noch etwasiibrigbleiben solI.

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So hart diese einschrankenden Bedingungen klingen, so verwirrend erscheint dastechnische Angebot fur die Aufgabe einesWmdvortriebs fur groBe Schiffe. Seitwir 1UlS

bewuBter urn das empfindliche Gleichgewicht unserer natiirlichen Umwelt Sorgenrnachen und vorubergehend angereizt durch die Olpreis-Erhohungen in denSiebzigerjahren, hat in der technischen Szene des' Wmd- Vortriebs ein wilderGarungsprozess-eingesetztDieserhatviele-sehillemd-exotische Ideen, Vorsehlage undErfindungen hervorgebracht, die aber noch kein Gleichgewicht gefunden haben mitkonkret definierten Anforderungen, solider Gnmdlagenarbeit, technischer Entwicklungund praktischer Erfahrung.

Das ist ganz natiirlich und auchnotwendig beieinem "neuen" technischen Gebiet, dennnach80 JahrenPausekannweder die handwerkliche Technik der GroBsegler von 1910Pate stehen, noch die hochentwickelte Technik der Regatta-Yachten von heute, dazusinddietechnischen Moglichkeiten undbetrieblichen Anforderungen zu verschieden.

So werdenunsweiterentwickelte Abartentraditioneller Tuchsegel-Riggs angeboten mitaerodynamisch giinstiger gestalteten Segelflachen und Masten, mit mechanisierterBedienung, mitfreistehenden, drehbaren Mastenoder schlieBlich mit starrenprofiliertenFlugel-Flachen. Diese stufenweise Entwicklung kann man machen auf der Basis desSchratsegel-Prinzips mit festgelegter Anstromkante (Vorliek:, Profilnase) undwechselnder Wolbung oder aufder Basis des Rahsegels mit festgelegter Wolbung undwechselnder Anstromkante, So ist zum Beispiel das japanische Hilfssegel ein starres,rechteckiges, gewolbtes Rahsegel mit gerundeten Profilnasen an beidenSeiten.

Willman den 'Auftrieb' (bier 'Quertrieb' rechtwinklig zur Anstromung) und damit beiseitlichem Wmd den 'Vortrieb' einer gegebenen Flache noch weiter steigern, so muBman den Beginn der Ablosung der Grenzschicht (als Vorbote zum dramatischerenStromungsabrifi) auf der Leeseite der 'Profilnase' (z.B. Mast) bis zu hoherenAnstellwinkeln hinauszogern. Das geschieht durch gunstige Formgebung, geschlitzteVorflugel (Vorsegel) und hintere Schlitz-Klappen, die jeweils von der Druckseite(Luvseite) des vorderen Elements frische energiereichere Stromung auf dieempfindliche Saugseite (Leeseite) des hinteren Elements leiten, wie bei Start undLandungmodemerFlugzeuge.

Man kann die Grenzschicht auch aktiv beeinflussen, etwa durch Absaugen der miidegewordenen Stromung auf der Leeseite, wie beim 'Turbosail' von Cousteau-Pechineyoder durchtangentiales Ausblasen von Luft.UndschlieBlich kannmandieDrehungderStromung, die jeder Auftriebserzeugung zugrunde liegt, auch direkt verstarken odererzeugen, indem man einenwalzenformigen Rotor in der Fliigelnase so dreht, daB erdieStromung von Luv nachLee mitreiBt.

Odermandreht einen zylindrischen Rotor alleine etwa dreioder viermal so schnell wieder Wmd, dann kann man erstaunlich hohe Auftriebswerte bei allerdings aucherheblichem Stromungswiderstand erreichen, wie es Anton Flettner schon in denzwanziger JahrenaufseinenRotorschiffen "Buckau" und "Barbara" gezeigt hat.

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Mogliche Entwicklungen konventioneller Windvortriebssysteme

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Unkonventionelle Vorschlage

9

AuBerhalb dieser Familie der 'Anftriebskorper' gibt es noch den Vorschlag des'Windmuhlen-Schiffes', bei dem eine modeme Windturbine mit horizontaler odervertikaler AchseEnergie aus dem Wind gewinnt, die dannmechanisch oder elektrischauf den Schiffspropeller ubertragen wird. Mit diesem System kann man sogar direktgegenden Wind 'segeln', wenn die Wirkungsgrade der Turbine, der Ubertragung unddes Propellers hoch genug sind, urn nicht nur den Schi1fswiderstand zu iiberwinden,sondern auch den erheblichen Turbinenwiderstand, der direkt durch dieEnergiegewinnung entsteht. Der erforderliche Propellerschub kannso bei Fahrt gegendenWmd dreimal so hochseinwiebeidirektem Motorantrieb.[2]

Etwasspielerisch mutenschlieBlich die Versuche an, Schiffe mitDrachen zu schleppen,aberbeinaherem Zusehen entdeckt mandurchaus emsthafte Argumente. So spart manden Mast und damit auch das krangende Moment, wenn man das Segel sich seIbertragenIaBt,und mankann es in hohereLuftschichten mit starkeren, stetigeren Wmdenaufsteigen lassen.

Bewertung der Wind-VortriebsleistungDer Phantasie scheinen kaum Grenzen gesetzt. - Wonachist hiereineWahl zu treffen?Fur die Eignung der verschiedenen Systeme als Wmd-Hi1fsantrieb spielt neben denKosten insbesondere die Vortriebsleistung eine entscheidende Rolle. Dafur sind dieaerodynamischen Eigenschaften verantwortlich, und die werden sehr pragnant durchdie KennIinie des Auftriebsbeiwerts CL oder hier des Quertriebsbeiwerts Cc iiber demWiderstandsbeiwert CD dargestellt:

KENNLlNIEN EINERQUERTRIEBSFLACHE

SCHEINBARER WINDCti >~-.Q-i~ WIDERSTAND

In dieser Darstellung fallt der relative oder 'scheinbare' Wind immer von links ein,entsprechend zeigt der Stromungs-'Widerstand' nach rechts und der 'Auftrieb' oder'Quertrieb' ist nachobenaufgetragen.

10

Willman nun direktgegenden Wind fahren «0) nach links), so kann der Wind direktkeinen Vortrieb erzeugen, sondem durch den immer vorhandenen Str6mungs­Widerstand Coo nur die Fahrt behindem. Wenn manaber mit seitlichem 'Scheinwind'«I)nach oben) segelt, so kann der maximale Auftrieb Cel zum Vortrieb genutztwerden. Der damitverbundene Widerstand CDt erzeugt dann Krangung und Abdriftund mull durch hydrodynamische Querkriifte am driftenden Rumpf kompensiertwerden. Und schlieBlich wirkt vor dem Wind «2) nach rechts) nur der maximaleWiderstand CO2 alsVortrieb.[3]

Ahnlich konntemandieVortriebskraft auchauf allen Zwischenkursen zum scheinbarenWind von (0) uber (1) nach (2) aus der aerodynamischen Kennlinie derSegel, Flugeloder Rotorenberechnen und rniteinander vergleichen. Die Sachehat nur einen Haken,der scheinbare Wind, der das 'Segel' anstromt und dieKraft erzeugt entspricht nur beiFahrt null dem wahren Wind, den die Natur anbietet und fur den beim SeewetteramtStatistiken zu haben sind. Je hoher die Schiffsgeschwindigkeit ist (je mehr 'Fahrtwind'ins Spiel kommt) urn so starker und haufiger werden die Scheinwinde aus demvorlichen Sektor, auch wenn alle Kurse zum wahren Wind gleich haufig gefahrenwerden.

~J/. .

WAHRER WIND U <, / "UA SCHEINBARER WIND

Rela~veroder 'Sohalnbarer Wind': ~ ,t, I. 3. _SCHIFFSGESCHWINDIGKEIT V

v/u = 0 V/u = 0.5 V/u = 1.0 V/u = 1.5

DieseKonzentration der scheinbaren Winde auf 'am-Wind-Zustande' ist merklich abermaBig an einem segelnden Schiff; wo die Schiffsgeschwindigkeit auf allen Kursenkleiner als dieWmdgeschwindigkeit ist. Sie wird aberbesonders stark bei einem wind­unterstiitzten Motorschiff das seine Geschwindigkeit unter Maschine standig relativhoch hiilt verglichen mit dem angetroffenen Wind (V1U~1). Ein Motorschiffmit einerGeschwindigkeit gleich oder hoher als die mittlere Wmdgeschwindigkeit auf.seiner

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Route 'segelt' fast standig hoch-am-Wind wie einRenn-Katamaran oder eine Eisyacht,dieja auch schneller seinkonnenalsder Wind.

Entsprechend komrnen also als 'Hilfs-Segel' fur Motorschiffe nur aerodynamisch hoch­wertige Riggs infrage mit einem hohen Verhaltnis von Auftrieb zu Widerstand a=Cci/Coi oder einem kleinen 'Gleitwinkel'. Es genugt nicht, etwas Wasche an Deckaufzuhangen urn damitBrennstoffzu sparen- paradoxerweise sind die Anforderungenan einHilfs-Segel hoheralsan dasRigg eines echtenSegelschiffes.

Wenn man das konsequent mit Wmdstatistiken durchrechnet, so zeigt sich, daB manden rechten Tell der Kennlinie vernachlassigenen kann, da die Vortriebserzeugungiiberwiegend 'amWind' mitQuertrieb stattfindet.[4] AlsErgebnis einerDurchrechnung,fur aIle Windstarken und ihreHaufigkeiten nacheinerRayleigh-Vertellung und fur alleKurse zum Wind mit gleicher Haufigkeit, kann man eine mittlere Vortriebskraft Fvberechnen. Dieser Mittelwert ist, abhangig von der mittleren Wmdgeschwindigkeit Uauf der Route des Schiffes, der Schiffsgeschwindigkeit Vs und den Widerstands- undAuftriebsbeiwerten Coo,CDl und CCl, die sich aus der Kennlinie des Riggs ergeben,iiberraschend gut durchfolgende einfache Formel anzunahern :

Fv=1/2fi UZ AsI(O.85+O.13*(VslUi)*CCl-(O.77*Cno+1.l3*CDl)*VslUl

Der hauptsachliche erste Tellder Fonnel fur diedurchschnittliche Vortriebskraft ist diepositive Wirkung der maximalen Auftriebskraft CCl mit dem zusatzlichen EinfluB derSchiffsgeschwindigkeit Vs auf die Starke der Anstrornung durch den relativen oder'scheinbaren' Wind. Der negative zweite Tell der Fonnel ist die Wtrkung derWiderstande auf denVortrieb, diemit zunehmender Schiffsgeschwindigkeit relativzumWind dadurch spiirbar werden, daB der 'Scheinwind' immervorlicher einfallt.

Damit ist klar, daf bei relativ kleiner Schiffsgeschwindigkeit nur der Auftrieb dendurchschnittlichen Vortrieb liefert, wahrend die Widerstande des Riggs kleine aberertragliche Nachteile liefern. Bei Schiffsgeschwindigkeiten in der gleichenGrofenordnung wie die durchschnittliche Wmdgeschwindigkeit werden diesenegativen Auswirkungen der Widerstande so groB, daB nur noch Systeme infragekommen, die ihrenAuftrieb bei kleinen oder ertraglichen Widerstanden erzeugen. Dasbedeutet vor allem, daB Hilfssegelflachen fur Motorschiffe eine groBe vertikaleStreckungaufweisen mussen (Vorlieklange ist dann starker gefragt als Flache), damitbesonders der auftriebsbedingte Widerstand Cm nicht zu groB wird. Wenn aber dieSegelhohe durch Sichtund Durchfahrtshohe begrenztist, und wenn man auf der BasisgleicherSegelhohe verschiedene Systeme vergleicht, so ergebensich einige interessanteAspekte:

Dreieckige Segel sind in diesem Fall ungiinstiger, denn ihre effektive Hohe ist kleinerals die tatsachliche. Rechteckige (Gaffel- oder Sprit-) Segel sindgiinstiger und konnenbesondersdann sogar mit festen Flugeln konkurrieren, wenn sie den Mast-EinfluB aufWiderstand Coo und Stromungsabriss CCl dadurch verringern, daB der Mast auf dieLuvseitegedrehtodergar in eindoppeltes Segeltuch eingebettet werdenkann.

12

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0.5 2.0 1.5 1.6 2-3 2-3 2-3 6-9 !FRraFF (2-3) (2-3)

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Aerodynamische Parameter typischer Segelrigg-Grundformen

15 Ys[kts]o

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2O+---.....,---+---+----+----{

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4O-t----+-:::::::-=±----+.....;::::::::.-+----::~

Durchschnittliche Vortriebskraft Fv bei einer durchschnittlichenWindgeschwindigkeit von ij = 15 Knoten

13

Feste Profilflugel (WmgsaiIs) sindnur dann besser als solche'Tuch-Fliigel' (Sailwings),wennsiedurchaufwendige geschIitzte Klappen aufjedemBug hohe Auftriebswerte beikIeinem Widerstand erzeugenkonnen,

Die relativ hohen Auftriebswerte von Zylindem mit Absaugung, Ausblasung oderRotationsind dann absolut gesehen nichtmehr so hoch, wenn sie zur BegrenzungderWiderstande schlank sein mussenund nicht hoher gebaut werden diirfen. Daneben istgroliereHohe auch schwererund teurerund:fuhrt zu grollerenkrangenden Momenten.

~oglicheAnwendungen

Der technischen Palette der Wmdvortriebssysteme steht die Vielfalt der Einsatz­moglichkeiten in den Sparten der Handelsschiffahrt, bei Fischerei-, Forschungs- undDienstfahrzeugen oder im Tourismus gegeniiber. Die Auswahl des geeigneten Systemsistjeweils nach der Betriebsweise desFahrzeugs zu treffen:

+ aIs windunterstiitztes Motorschiffoder motorunterstiitztes Windschiff+ alsFracht-, Fahrgast-, Forschungs- oder Fischereifahrzeug,...+aufKiisten-, Insel-oder Ozean-Routen,+ inZonen leichteroder starker, stetiger oder variabler Wmde,+ in der Wtrtschaft einerEntwicklungs- oder Industriegesellschaft.

Es kann also nicht ein optimales Wmdvortriebssystem geben, es gilt vielmehr, diejeweiIs passendeWahl fur einenAnwendungsfall unter den gegebenen Bedingungen zutreffen. Dabei sind neben den Vortriebseigenschaften auch aIle anderen relevantenAspekte wie Investitions- und Betriebskosten, Handhabung und Zuverlassigkeit zuberucksichtigen - Kriterien, die oft erst in der praktischen Erprobung quantifiziertwerdenkonnen, Dieser Schritt in diePraxis ist seit den Siebzigerjahren nur fur wenigeder vorgeschlagenen Systemegelungen:

1. Das wichtigste Beispiel fur ein Wmd-HiIfsvortriebssystem sind die halbstarrenfaltbaren Rahsegel, die in Japanvor 10Jahrenvon JAMDAentwickelt und aufmehr als10 Motorschiffen installiert wurden. Hier wurde besondererWert auf die automatischeFembedienung gelegt, mit windabhangigem Ausfalten, Nachfuhren und Einfalten alsSturmsicherung.

Trotz der mat3igen Vortriebseigenschaften aufgrund der Hohenbegrenzung derFlachen, wurden die Erwartungen an die Brennstofferspamis ubertroffen, wasmoglicherweise auf die ruhigereLage des Schiffes unter Segeln im Seegang zuruck­zufiihren ist[S]. Dieser Aspekt diirfte neben der Energieeinsparung besonders beiFahrgast-, Forschungs- und Fischereifahrzeugen eine wichtige Rolle spielen, imHinblick auf das WohIbefinden oder die Arbeitsmoglichkeiten anBord.

2. Ein Beispiel fur ein Wmd-Hauptvotriebssystem ist das entsprechend den heutigentechnischen Moglichkeiten weiterentwickelte mechanisierte Schonerrigg fur kIeinereund mittlere Schiffsgrofien, das in deutsch-indonesischer Zusammenarbeit imINDOSAIL-Projekt entwickelt wurde[6].

14

Das System hat,verglichen mit traditionellen mehnnastigen Rahseglem oder Schonern,einebis zu zweifach hohereVortriebsleistung pro Quadratmeter Segelflache und ist sokonzipiert, daB es, je nach GraBe oder Anforderungen, iiberHandwinden, motorischeFembedienung oderauchautomatisch gefahren werden kann.

Ein 9001 tragendes Prototyp-Frachtschiff hat im indonesischen Inselverkehr einenregeJmal3igen Frachtdienst aufgenommen und liefert durch eine automatische Bord­MeBanlage Daten iiberFahrtleistung, Wind undEnergieverbrauch fur Hilfsantrieb undBordnetz.

'USUKI PIONEER' JAPAN

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INDOSAIL PROTOTYPE. TEST VESSEL

•• _ _ ••• 0 •• _00 _ ••••

__ '0 _ •• _ ••••••••••••••••••••

'WINDSTAR' FINLAND FRANCE USA

10 30 40

Realisierte Windvortriebsanlagen

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Die Fahrtleistung unter den miterfaBten Windverhaltnissen entspricht den Prognosenund zeigt auch im direkten Vergleich die Uberlegenheit des effektiven Segelriggsgegenuber herkommlichen GroBseglern.[7] Ein erhebliches noch ungenutztesLeistungspotential liegt besonders in der Erhohung der Ladefahigkeit, verbesserterAusbildung der Besatzung und in der wetterabhangigen Routenplanung. Das Systemwurde auch erfolgreich auf zwei privat betriebenen, weltweit fahrenden Schiffeninstalliert.3. Nachdem erneuten Absinken des Olpreises in den Achtzigerjahren und dem damitgeschwundenen wirtschaftlichen Anreiz zur Brennstoffersparnis sinddie Moglichkeitenderpraktischen Erprobung neuerWmdvortriebs-Konzepte erheblich eingeschriinkt.

In dieser Situation gibtes Chancen zur Realisierung besonders auf einem Feld, wo nichtdieEinsparung vonEnergie im Vordergrund steht, sondern dieAnimation derKunden:Das Kreuzfahrtgeschaft. So wurden in den letzten Jahren einige windunterstiitzteKreuzfahrtschiffe gebaut, bei denen immerhin einige interessante Losungen derMechanisierung und Fernbedienung realisiert wurden, urn das Erlebnis der Seereiseunter Segeln moglichst kurzfiistig und Mung bieten zu konnen, wahrend die RouteunterMaschine nachFahrplan abgefahren wird.

Eineandere Nische zurRealisierung und Erprobung vonWmd-Hilfsvortrieben konntenkleine und mittlere Fischerei- undForschungsfahrzeuge sein, die durchdie Wmdunter­stiitzung ihre Einsatzdauer und ihren Aktionsradius ausdehnen und durch dieBewegungsdampfung unter Segeln die Arbeitsmoglichkeiten an Bord verbessernkonnten.

Realisierung von Windschiffs-ProjektenDer gegenwartige Stand in der Entwicklung von Wmdvortriebssysternen fur dieScbiffahrt ist besonders dadurch bestimmt, daB die Folgen der Verbrennung fossilerEnergietrager sich nicht auf ihreKostenauswirken und damit keinkurzfristiger Anreizgegeben ist, ihren schrittweisen Ersatz durch die Nutzung solarer Energie, bierbesonders in derFormdesWmdes, voranzutreiben.

Obwohl alsodiekurzfiistige Markteinfiihrung solcher Anlagen nicht bevorsteht, scheintes doch absehbar, daB die schon existierenden und die noch drohenden Schadenunseres Lebensraumes zu einergIobalen politischen Wende zwingen werden, die dazufiihren muB, daB das 'Notwendige' wirtschaftlich 'machbar' wird. WIT konnen die Fristbis zu diesem ungewissen Punkt passiv abwartend verstreichen lassen und damitvielleicht die Chance zurWende verspielen. WIT konnen dieFristaber auchnutzen, urneinerseits durch Aufklarung und Information die politische Wende einzuleiten undandererseits durch technische Entwicklung interessante Konzepte der Einsatzreifenaher zu bringen

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Der Zeitbedarffur soIehe Entwicklungen von der lcreativen Idee bis zur Einsatz- oderSerienreife wird dabei hautigunterschatzt. Einige typische Entwicklungsschritte sind:

+ Definition der Aufgabenstellung,+ Suchenachlcreativen Ideen,+ Konlcretisierung der Idee,+ Bau eines Funktionsmodells undLabortests,+ Konstruktion undBau einesvollwertigen Prototyps,+ Feld-Erprobung desPrototyps,+ Entwicklung der Serienversion undProduktionsvorbereitung,+ Produktion undVennarktung,+ Wartung, Instandhaltung undWeiterentwicklung,

und es racht sich meist, wenn einzelne Schritte iibersprungen werden. Besonderswichtig sind hier die Phasen der Erprobung von Prototypen mit Funktionstests,Belastungs- und Leistungsmessungen und praxisnahen Langzeiterprobungen derLeistung und Zuverlassigkeit und schlieBlich die Konsequenzen von Anderungen,Verbesserungen und Verein:fachungen - kurz: dieEntwicklung zur Einsatzreife.

Fiir diesenSchrittvon der oft fruchtlosen Diskussion iiber Papier-Projekte in diePraxisder Erprobung werden geeignete Testplattformen gebraucht. Hier bieten sich eineReihe von Schiffstypen mit vieIfiiltigen Einsatzprofilen an, wie etwa kleinereForschungs- und Fischereifahrzeuge oder Charter- und Kreuzfahrtyachten. Hierkonnten unterschiedliche Wmd-Hilfs- oder Hauptvortriebs-Einrichtungen .alsPrototypen installiert und fur eine gewisse Zeit im praktischen Schiffsbetrieb und imZusammenspiel mitderHaupt-oderHilfsmaschine erprobtwerden.

Wahrend wir uns heute schonaus Sicherheitsgriinden ein Wmdschiff nicht ohneHilfs­motor vorstellen konnen, hat der indonesische Forschungsminister Habibie 1980 bei derlnitiierung des INDOSAIL-Projekts als langfristiges Ziel das 'SOLAR-SCHIFF'genannt, das aus solarer Strahlungs- und Wmdenergie gemeinsarn mit geeignetenSpeichereinrichtungen dengesamten Energiebedarfdes Schiffes deckenkannund damitvollig unabhangig vonfossilen Brennstoffen sein wird.

Dieses langfiistige Ziel ist sicher nur dann iiberhaupt zu erreichen, wenn wir schonfriihzeitig den jeweiligen Stand der Technik nutzen, urn die erforderlichen Elementedieser neuen Schiffsbetriebstechnik zu entwickeln.[8] Dazu gehoren die Nutzung vonWmd-und Sonnenenergie, einkonsequentes Energiemanagement, Kurz- und Langzeit­Speicher, wahrscheinlich Wasserstoff und sicher eine wetter- und aufgabenabhangigeZeit-und Routenplanung.

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Literatur

[1] Isensee, J. et aI, Energy Efficiency andAirPollution,A comparison ofships andothervehicles', FAST'97, Sydney 1997

[2] Schenzle, P., 'Sailing to Wmdward - Propulsion byTurbine andPropeller',Schiffstechnik 34, May 1987

[3] Schenzle, P., 'Wind as an Aidfor Ship Propulsion',8th WEGEMr Summer School, Gothenburg, Aug. 1983

[4] Schenzle, P., 'Wind Assistance forMotor Ships, Comparative Performance ofAlternative Systems', Internat. Conf. on Wind Propulsion, JAMDA,Tokyo 1984

[5] Sudo, M. et aI, 'Operation Performance ofa Sail-Equipped Small Tanker',NipponKokanTechnical ReportNo. 33,1981

[6] Schenzle, P., 'INDOSAIL' Applications ofthe Utility Sailing Rig'Schiffund Hafen46, July1994

[7]-- 'INDOSAIL Project,LongTermTrials of thePrototype CargoSailer',Exec.Summ. Phase 5,.BPPT Jakarta, HSVAHamburg, PEGAhrensbg., 1996

[8] Schenzle, P, A Muis, 'Underway to the SolarShip',Internat. Maritime Conference Indonesia, Jakarta1997

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Untersuchungen iiber die Nutzung von Windenergie unter denBetriebsbedingungen der deutchen Kutterfischerei bei Beriicksichtigung des

WindenergiepotentiaIs in den Fanggebieten der Nordsee

Dipk-Ing Klaus LANGEBundesforschungsanstalt fur FischereiInstitut fur Fischereitechnik, Hamburg

·1. Die Windverhiltnisse der NordseeUrn den Betrag der Leistung abschatzen zu konnen, den eine Hilfs- oderZusatzbesegelung zum Vortrieb eines Fischereifahrzeuges leisten kann, ist eszunachst erforderlich, die Windverhiiltnisse im vorgesehenen Fahrtgebiet zubetrachten.

Der Wind weht nicht gleichmii.J3ig, d.h. die Windgeschwindigkeit U ist tiber einenweiten Bereich zwischen Windstille (U=O mls) und Sturmstarke (U > 20 mls)verteilt. Diese Verteilung wird La. in der Weise erfaBt, daB auf moglichst vielenPositionen im Untersuchungsgebiet die Windgeschwindigkeit auf Feuerschiffen,Bohrinseln, GroBbojen etc. kontinuierlich gemessen und die MeBdaten ingeeigneter Weise weiterverarbeitet werden.

Als Beispiel fur die Windverhiiltnisse der Nordsee sollen hier die Messungen aufdem Feuerschiff "TW Ems" in den Jahren 1971-1976 dienen, Das inzwischeneingezogene Schiff war auf der Position 54°10'N, 6°21'E stationiert. Diefortlaufende Messung wurde in Perioden von je 10 min Dauer unterteilt, fur dieder Mittelwert der Windgeschwindigkeit bestimmt und registriert wurde. DasAnemometer befand sich auf der "TW Ems" in einer Hohe von 18 m tiber derWasseroberflache. Zur Umrechnung der MeBwerte auf die Standardhohe von 10m kann nach Hellmann /1/ mit guter Genauigkeit das Potenzgesetz derGeschwindigkeitsverteilung der Hohe nach verwendet werden:

= mittlere Windgeschwindigkeit in der Hohe h2. Hier: h2 = 10mmittlere Windgeschwindigkeit in der Hohe hI. Hier. hI = 18 mBerechnungshoheMeBhoheExponent der Potenzformel

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Nach einem Vorschlag der Meteorologischen Arbeitsgemeinschaft derAnliegerstaaten der Nordsee kann fur den Exponenten

a= 1/7= 0,14

angesetzt werden. Der Geltungsbereich der Fonnel reicht bis in eine Hohe von ca.100 m tiber der Meeresoberflache,

Abb. 1 zeigt die Verteilung der Haufigkeit der mittleren Windgeschwindigkeitenin 10 min - Intervallen in 10 m Hohe auf der Position des Feuerschiffes "TWEms" im Zeitraum Dezember 1961 bis Dezember 1976 nach 12/. Aus dieser ergibtsich als charakteristische Kenngrofle fur den Wind die langjahrige mittiereWindgeschwindigkeit D10 in 10m Hohe tiber den gesamten Zeitraum ohneBerucksichtigung jahreszeitlicher Schwankungen zu

U IO =LPu10

*UIO =7,74ml s

Wird das Diagramm nach Abb1 fur jeden Monat getrennt aufgestellt, so ergibtsich tiber das Jahr verteilt eine Schwankung von 0 10 im Bereich von 6,1 mls imJuni bis 10,4 mls im Dezember (Abb.2), d.h. daB in den Sommermonaten wenigerWindenergie zur Verfugung steht als in den Wintermonaten. Abb.3 zeigt dielangjahrigen mittleren Windgeschwindigkeiten 0 10 fur die verschiedenenTeilgebiete der Nordsee. Diese konnen als Grundlage dienen fur die Abschatzungder Windenergie, die fur den Vortrieb von Fischereifahrzeugen in diesemSeegebiet nutzbar gemacht werden kann.

2. Die Betriebsbedingungen der deutschen Fischereiflotte in der NordseeDie uberwiegende Anzahl der deutschen Fischereifahrzeuge in der Nordseearbeitet mit dem Schleppnetz. Bei den weiteren Betrachtungen soil deshalbunterschieden werden zwischen den beiden Betriebszustanden:

• Schleppen mit dem Netz aufdem FangplatzGeschwindigkeit: 3 - 4 kn.

• Freifahrt aufdem Weg zum und vom Fangplatz, bzw. bei Fangplatzwechsel. Geschwindigkeit: 9 - 12 kn.

Beim Schleppen mit dem Grundschleppnetz muB auch bei gutenFangplatzkentnissen des Schiffsfuhrers immer damit gerechnet werden, daf dasNetz festkommt und nur nach langwierigen Manovern mit Hauptmaschine undKurrleinenwinde wieder freigeschleppt werden kann. Es ist ausgeschlossen, daBbei derartigen Manovem von der Besatzung auch noch eine Zusatz- oderHilfsbesegelung bedient werden kann, d.h. es kann die realistische Annahme

20

getroffen werden, daB ein Einsatz von Segeln nur in der Freifahrt in Betrachtkommt. Aus diesen Grunden konzentrierten sich die Untersuchungen des Institutsfur Fangtechnik und der Hamburgischen Schifibau-Versuchsanstalt auf denFahrtzustand Freifahrt.

Der Anteil der Freifahrt an der Betriebszeit der deutschen Fischereifahrzeuge inder Nordsee wurde mit Hilfe der Seefischereistatistik fur die Jahre 1980 - 1982ermittelt. Unterteilt nach den wichtigsten Teilgebieten der Nordsee (Abb. 4)ergibt sich ein mittlerer Anteil von 35% Freifahrt an der Zeit auf See. (Abb. 5).

3. Der Standard - Fischkutter KFK ( Kriegsfischkutter )Auf Veranlassung des Deutschen Seefischerei - Vereins wurde 1936 mit derStandardisierung der deutschen Kutterllotte begonnen mit dem Ziel, dieBaukosten von Fischkuttem durch Serienfertigung zu senken. In Zusammenarbeitmit dem Germanischen Lloyd wurden die Bauvorschriften fur 7 Kuttertypen(Reichsfischkutter A - G) festgelegt 13/. Das vorgesehene Bauprogramm muBtejedoch wegen des Kriegsausbruchs im September 1939 zuruckgestellt werden./4/.Von dem Reichsfischkutter G , dessen Bauvorbereitungen am weitestenfortgeschritten waren, wurden von der Kriegsmarine unter der BezeichnungKriegsfischkutter (KFK) bis 1945 ca. 600 Schiffe gebaut und im Minenraum- undVorpostendienst eingesetzt Nach Sprengel lSI wurden uber 200 dieser Fahrzeugenach Kriegsende entsprechend ihrer ursprtinglichen Zweckbestimmung zuFischkuttem ruckgebaut und in der deutschen Seefischerei eingesetzt.

Die KFK hatten folgende Hauptabmessungen:

Lange uber alles 24,00 mLange zw.d.Loten 20,47 mBreite auf Spanten : 6,25 mSeitenhohe 3,00 mKonstruktionstiefgang .. 2,11 mGrobter Tiefgang achtem 2,85 mDeplacement 119 m3

Segelflache 92 m2

Modellversuche in der Schifibautechnischen Versuchsanstalt Wien ergaben eineAntriebsleistung von 104 PS bei einer Freifahrtgeschwindigkeit von 9 kn./6/.Damit konnte gegenuber einem Fischkutter in traditioneller Bauweise eineLeistungsersparnis von 43 % erzielt werden (Abb.6). Versuche mitGroBausfiihrungen des KFK, die das Oberkommando derKriegsmarine imstromlosen Wasser der Kaiserfahrt bei Swinemiinde durchfuhren lieB, bestatigtenvollkommen die hervorragenden Modellversuchsergebnisse 171. Abb.7 zeigt denGeneralplan des Reichsfischkutters Gin der ursprunglichen Form als Spitzgatter.Abweichend von diesem Entwurf wurde die iiberwiegnde Anzahl der KFK miteinem Spiegelheck gebaut, wodurch sich achtem eine grofsere Decksflache zurbesseren Handhabung des Minenraumgeschirrs ergab.

21

4. Segelversoche mit einem KFKFOr die Segelversuche stand ein ehemaliger, inzwischen zu einer Yachtumgebauter KFK zur Verfiigung. Die Umbauten betrafen im wesentlichen dieInneneinrichtung sowie die Segelflache, die auf 180 m2 erhoht worden war. Formund Wasserverdrangung des Schiffskorperswaren unverandert. Abb. 8 zeigt denSegelriB des Versuchskutters.

Die Versuche fanden 1980 und 1982 in der westlichen Ostsee statt. Gemessenwurde die Schiffsgeschwindigkeit ( Vs ) die Geschwindigkeit des scheinbarenWindes ( U, ) und der Kurswinkel des scheinbaren Windes ( 8 ). Aus diesenMe13werten lassen sich nach Abb.9 Geschwindigkeit ( U ) und Kurswinkel ( X)des wahren Windes berechnen:

U sin X = U, sin 8

U cos X = Ua cos 8 - Vs

tg X = Ua sin 8 / ( U, cos 8 - Vs )

Die Umrechnung ergab fur die Summe aller Me13werte einen Bereich fur X von50° - 160°, der in Abschnitte von je 10° unterteilt wurde. AIle Me13werteinnerhalb eines Abschnitts wurden zusammengefal3t und dieSchiffsgeschwindigkeiten Vs tiber den zugehorigen wahrenWindgeschwindigkeiten U aufgetragen. Letztere sind in diesem Fall fur eine Hohevon 22 m angegeben ( = U22 ), entsprechend der Position des Anemometers aufder Spitze des Gro13mastes des Versuchskutters in einer Hohe von 22 m tiber derWasseroberflache. FOr die in den Diagrammen eingetragenen Me13punkte wurdeeine Regressionsrechnung durchgefuhrt, fur die ein Polynom 2. Grades angesetztwurde:

V =A+B*U +C*U2s 22 22

Mit der Randbedingung Vs = 0 fur U = 0 ergibt sich daraus der endgultige Ansatzzu.

V =B*U +C*U2s 22 22

Wobei sich die Konstanten B und C aus der Regressionsrechnung ergeben.Abb.l0, 11 und 12 zeigen die Regressionskurven Vs = f ( U22) fur die jeweils 10°breiten Bereiche des wahren Kurswinkels X.

Die Zusammenfassung der Diagramme nach Abb.l0 - 12 in einem DiagrammVs= f(X) mit U22 als Parameter ergibt das Diagramm nach Abb.13. Abweichungenzwischen den Messungen 1980 (0) und 1982 (0) zeigen sich fur X > 130° beiU22=25 kn.

22

Die MeBpunkte fur den Bereich 50° < X < 60° wurden nicht in dieKurvenverlaufe mit einbezogen. Sie stutzen sich auf nur 2 Messungen (s. Abb.10) und sind daher mit zu groBen Unsicherheiten behaftet.

Mit Hilfe der Modellversuchsergebnisse (Abb.6) kann fur dieseGeschwindigkeiten die zugehorige Leistung Ns an der Propellerwelle bestimmtwerden. Die entsprechenden Kurven fur 4 Windgeschwindigkeiten (U 22 = 101m,15 kn, 20 kn, 25 kn) sind in Abb.14 aufgetragen.Unter der Annahme, daB alle Kurswinkel gleich haufig auftreten, laBt sich fur jedeWindgeschwindigkeit eine mittlere Leistung der Segelflache N, angeben, die furden gesamten Kurswinkelbereich ( 0° < X < 180° ) reprasentativ ist. Sie betragtz.B. N, = 63.7 WPS fur eine Windgeschwindigkeit U22 = 25 kn entsprechendeiner Standard - Windgeschwindigkeit von UlO = 19.7 kn = 10.13 rn/s.

Kombiniert mit den Winddaten fur die Position des Feuerschiffes "TW Ems" nachAbb.l, ergeben diese Leistungen der Segelflache des Versuchskutters eineHaufigkeitsverteilung der Segelleistung fur diesen Standort. (Abb.15) Hierbeiwird die Annahrne getroffen, daB bei Windgeschwindigkeiten UlO > 13 rn/s dieSegel gereffi: werden, so daB eine mittlere Segelleistung von N, = 83 WPS nichtuberschritten wird.

Aus dieser Haufigkeitsverteilung der Segelleistung ergibt sich analog zurlangjahrigen mittleren Windgeschwindigkeit UlO eine langjahrige mittlereSegelleistung, die mit diesem Versuchskutter im Freifahrtzustand erreicht werdenkann. Sie betragt N, = 29.3 WPS.

Unter der Annahme, daB diese mittlere Segelleistung in erster Naherung dermittleren Windgeschwindigkeit UlO proportional ist, kann die Segelleistung mitHilfe von Abb.3 auf die ubrigen Teilgebiete der Nordsee umgerechnet werden.Hierbei ist zu beachten, daB - wie oben begrundet - diese Leistung nur wahrendder Dampftage nutzbringend eingesetzt werden kann, deren Anteil an dergesamten Einsatzzeit auf See in der deutschen Kutterfischerei in der Nordseeetwa 35% ausmacht.

Bezuglich des gleichzeitigen Einsatzes von Motor- und Segelantrieb sei zumAbschluB auf die entsprechende Literatur verwiesen /8/.

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Literatur

/1/ Hellmann, G.

/2/ Duensing, G.

Zollner, R.

/3/ Romberg, F.

/4/ Timmermann, G.

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/6/ Bruhl,

/7/ Foerster, E.

Feststellungen.

/8/ Lange, K.

Schenzle, P.

Uber die Bewegung der Luft in den unterstenSchichten der Atmosphere.

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Der Reichsfischkutter G.Schiffund Hafen 1949, Heft 7.

Form- und Antriebsgestaltung des 22 m Motor­Fischkutters. Werft*Reederei*Hafen 15. November1941.

Der Reichsfischkutter "G" (KFK).Technisch-geschichtliche und aktuelle

Die Fischwoche 1947. Nr. 9/10.

Some Aspects of Sail Power Application in theGerman Sea Fishery.Proceedings of the International Conference on sail­assisted commercial Fishing Vessels. May 15 - 18,1983. Tarpon Springs, Florida. Florida Sea GrantCollege. Report Number 58.University ofFlorida.Gainsville 1983.

24

1 2 , 6 B 10 12 " 16 'is 20 U,0 [ml-!, « , , « , I , , , I I , I , J , « , I

2 , 6 8 10 72 " 16 78 20 22 2' 26 28 30 32 J' 36 J8 '0 U,0 [kn]7 , 2 I 3 ,I 5 I 6 I - 7 I 6 I U,0 [Bfa

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Abb. 1: Hiiufigkeltsverteilung der Wlndgeschwindigkeit In der Nordsee auf der Position 54° 10' N;

06° 21' E (Feuerschiff "TW EMS" 1971 .76)

25

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Abb. 2: Jahreszeitliche Anderung der mittleren Windgeschwindlgkeit in 10m Hohetiber der Wasseroberflache (Q;J auf Feuerschiff "TW EMS"

26

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Abb. 3: MittlereWindgeschwindigkeit U.IOfilr die verschiedenen Teil­gebieteder Nordsee

27

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Abb. 4: Die Fanggrunde der Nordsee

28

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IVaJ Ostlcant~ JVbs Deutsche Bu~ht

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Abb. 5: Fangtage und Dampftage deutscher Fischkutter fUr die ver­

schiedenen Fanggrunde der Nordsee

29

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Abb. 6: Ergebnisse von Modellversuchen mit einem traditionellen

Fischkutter und einem KFK

30

Abb. 7: Reictiskutter "G" (KFK) Generalplan

31

Abb. 8: Versuchskutter KFK "Freddy"

32

Abb. 9: Geschwindigkeitsdiagramm zur Berechnung

von Starke und Richtung des wahren Windes

33

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Abb. 10: Schiffsgeschwindigkeit V$ in Abhangigkeit von der wahren

Windgeschwindigkeit fur den Kurswinkelbereich 500- 800

34

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10 U22 [kn] 30

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1

010

Abb. 11: Schiffsgeschwindigkeit V",in Abhiingigkeit von der wahren

Windgeschwindigkeit fUr den Kurswinkelbereich 800 -1200

35

Vs [kn]

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Abb. 12: Schiffsgeschwindigkeit Vs in Abhangigkeit von der wahren

Windgeschwindigkeit fiir den Kurswinkelbereich 1200• 1600

36

Vs [kn]

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15 kn

10 kn

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Abb. 13: Geschwindigkeit Vs des Versuchskutters in Abhangigkeit von Kurswinkel X und Geschwindigkeit

des wahren Windes·Ul 1.

1601'lJ1201006020

6O-t----11-----+--t---:lht---t__-~--t__-_t_--t_

l00-t---+--t----+---+-+--+_--+--~--+_-_t_

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Ns [WPS]

"O~---r---r-----r--.,...---,---.----.----.---..,..-

Abb. 14: Korrespondierende Wellenleistung Ns der Besegelung des Versuchskutters

in Abhangigkeit von Kurswinkel 'X. und Geschwindigkeit des wahren Windes Un

38

'0 15 30 35 '0Abb. 15: Haufigkeitsverteilung der Segelleistung fur die Position von Feuerschiff "lW EMS"

EGE BALIKCI TEKNELERiNDE RUZGAR ENERJisi KULLANIMINlNEKONOMiK ve E;EVRE-sEL YARARLARI

Prof. Dr. Hikmet HO~SUCU Y. Miih. F.Ozan DUZBASTILAREge Universitesi Su Urunleri Fakiiltesi, Avlama ve lsleme Teknolojisi Bolumu,

Avlama Teknolojisi Anabilim Dah, 35100, Bornova, Izmir, Tiirkiye.

Abstract: Economical and Environmental Advantages of Using Wind Energy inFishing Vessels ofAegean

According to statistics of 1995, number of small, medium and large scale fishingvessels used fishing operations is 9710 in Turkey. Modernisation of these vessels thatuse purse seine, trawl and other fishing gears and have an advantage to economy ofour country is very important. Deck equipment should be mechanised and reached lasttechnology to increase production. To drive all systems are in fishing vessels are usedpetroleum and its products. The limited amount of petroleum energy and problems ofusing this energy caused to search new and alternative energy sources. Especially,wind and solar energy have started to be applied intensively. It may possible to pumpliquid and to enlighten by using wind energy in aquaculture areas and while staying inthe port to produce electricity energy without using generator in fishing vessels.Improving ofthis application will be good for environmental and noise pollution.

Ozet : Avcihk faaliyetlerinde kullamlan kucuk, orta ve buyuk olcekli toplam kayrthbahkci teknesi sayisi 1995 istatistiklerine gore 9710 adettir. Girgir, trol ve diger buyukav takimlan ile avcihk yapan ve iilkemiz ekonomisine biiyiik katkisi olan bu teknelerinmodernizasyonu cok onemlidir, Guverte ustu ekipmanlannm mekanize hale getirilmesive ~agmnz teknolojisine uyarak verim artrsmm saglanmasi gerekmektedir. Bahkciteknelerinde turn bu sistemlerin cahstmlmasr icin kullamlan enerji kaynagi petrol vetiirevleridir. Petrol enerjisinin smirh olmasi ve yarattigi cevresel sorunlar yeni vealternatif enerji kaynaklannm arastmlmasmi saglamrsnr. Ozellikle ruzgar ve gunesenerjileri yogun olarak uygulamaya girmeye baslamistrr. Ruzgar enerjisinin su urunlerisektorunde; yetistiricilik isletmelerinde su pompalama ve aydmlatma amach kullammive bahkci teknelerinde de limanda banmrken jenerator cahsnrmadan elektrik iiretmekmiimkiin olabilmektedir. Bu uygulamamn yaygmlasmasi cevre ve gurultu kirliligiacismdan yararh olacaknr.

41

l.Giri~

insanlar deniz ve icsulardan besin ihtiyaclanni karsilamak icin cesitli av araclan ileavcihkyapmislardir. Daha iyi avlanabilmek icinsal, sandal vb. basit deniz araclan insanenerjisiyle hareket ettirilmistir. Bu bazen bir sopa, bazen de bir cift kiirek aracrhgiylayapilrmstir. Deniz araclan ile ulasimda ve avcilikta daha fazla mesafeler katedebilmekicin ise yelkenli teknelerle riizgar enerjisinden yararlamlnusnr, Son olarak gUyliimotorlann bulunmasiyla petrol ve iiriinlerinden elde edilen yalatlarla kimyasal enetji vedolayisiyla mekanik enerji gemilerin tahrikinde kullamlmistrr (Brandt, 1955; Kara,1992; Duzbastilar ve Hossucu, 1997).

Balikcihk faaliyetlerinin gunnmuz teknolojisine adaptasyonu, denizlerden avcihkyoluyla ve surekli gelisen yetistiricilikle elde edilenuretim oraru stoklara baglr kalarakarns gostermektedir. Ozellikle avcihkta kullandan mekanizasyon sistemleri veelektronik cihazlarla donanlan gelismis bahkci gemileri operasyonlan daha hizh veverimli hale getirip, i~gUcii ve maliyetini azaltmaktadir, Av takimlannm denize anlmasi,toplanmasi ve istiflenmesi icin mekanize edilmis guverte iistii ekipmanIarkullamlmaktadrr. Bunlar ; ag vineleri, ag toplama makinalan, ag tamburlan, krenler,bahk pompalan vb. sistemlerdir. Bunun yamnda orta ve buyuk olcekli bahkciteknelerinde bahk bulucu, haberlesme ve navigasyon cihazlan yer almakta, av veduzenli seyir icinde buyuk onem tasimaktadir (Sekil 1).

Balikci gemilerinde guverte iistii mekanizasyon sistemleri genellikle ana makinadankuvvet alarak, mekanik, hidrolik veya elektro-hidrolik olarak tahrik edilirler. Bunedenle hem geminin ilerlemesi, hem de vine, pompalar, aydmlatma vb. icin gerekliolan gUy ana makinadan temin edilmektedir. Motorlann calrstmlmasi petrol veturevleri ile miimkiin olmaktadrr. Yogun ve primer enerji olarak da adlandmlan budogal kaynagm kullanmu ve stoklan snurh durumdadir. Hava, kara ve deniz ulasimmmyam sira diger alanlarda da yogun olarak kullandan petrol kaynaklan tam olarak depoedilebildigi, ekonomik ve ticari oneminden oturu en cok kullandan enerji turuolmustur, Bunun yamnda simrh bir kaynak olan bu enerji temiz olmayan enerjilersmifina girerek dogaya yapngi kirletici etki goze carpmaktadir. Petrolun cikanlmasi,islenmesi, nakliyesi ve kullanmu asamalannm hepsi de ekosistem icin buyuk bir tehditolusturmaktadir (Brandt, 1955; Yavuzcan, 1994; Duzbastilar, 1996; Duzbastilar veHossucu, 1997).

42

.'.Ii-Om8.0m

Sekil 1. Biiyiik olcekli bir trol-girgir bahkci gemisindeki mekanizasyon sistemleri(Ben-Yarni, 1994).

2. Altematif Enerji KaynaklarrPetrol enerjisine altematif olabilecek farkh enerjilerin kullamm imkan1an iizerinefirmalar, ar-ge birimleri, iiniversite ve enstituler cesitli cahsmalar yapmislardir. Bucahsmalar dogaya zaran olmayan, en az petrol enerjisi kadar verimli, tekrar kullammamusait ve eknomik acidan tatmin edici olma kriterlerinin 1§181 altmda yurutulmustur.Enerji tiiketiminin dunya nufusunun artisi ile paralel olmasi ve enerjilerin birbirinedonusturulebilme ozelligi ruzgar, hidrolik, biomass, jeotermal ve gunes enerjisi gibiyenilenebilir enerjilerin kullarummi gerekli kilmisnr. Temiz enerjiler olarak daadlandmlan altematif enerjiler, losmen depo edilebilme veya depo edilememeozelliklerinden dolayi, ancak bir takim diizenler sayesinde diger enerji tiirlerinecevrilerek ya da direkt olarak kullarulmrsnr. Ne yazik ki gerekli diizenlerden almanverim ve ekonomik acidan tatmin edici sonuclann cok uzun vadelere dayanmasiuygulamada bazt aksakhk ve yetersizliklere neden olmaktadir. Bunun yanmda bu tipenerjiler, ismma, isitma, aydmlatma, kurutma, mekanik gUy gibi ihtiyaclara da onemliolcude cevap vermektedir (Yavuzcan, 1994; Duzbastilar, 1996).

43

Riizgar enerjisi ilk olarak M.O. 5000'Ii ytllarda Nil nehrinde kayiklan hareket ettinnekamaciyla kullarulrruslardir. Aym tarihIerde Cin'de basit yel degirmenleri supompalamak icin kullamlmrslardir (Anonim,-----).

640 yihnda ilk defa Turkler tarafindan yeldegirmenlerinde ruzgar enerjisikullamlmayabaslarmsnr, Daha sonra Hach seferleriyle Avrupa'ya gecmis ve Fransa, Ingiltere vediger iilkelerde 1l00'lii yillardan sonra kullamImaya baslarmsnr. Hollanda'da 1772­1789 yillan arasmda yeldegirmeni teknolojisi gelismeye baslamis, fakat buharhmakinalar yeldegirmenlerinin, yelkenli teknelerin ve ruzgar tiirbinlerinin oneminiazaltmrstir (Anonim, -----).

Ruzgar enerjisinden yararlanma cahsmalan Amerika'da da 1880-1940 yillan arasmdadevam etmis, ancak dizel ve benzinIi motorlann kesfi ve elektrifikasyonun gelisimi buaItematif enerjinin kullammmi ikinci plana itmistir (Anonim,-----).

Ruzgar enerjisi 1973-1974 yillan arasmdaki enerji krizinden sonra tekrar gozde birenerji kaynagi olmaya baslamistir(Anonim,-----).

Ruzgar enerjisinden yogun olarak yararlanan iilkeler arasmda ruzgar potansiyeline .sahip olan AB.D., Danimarka, Hollanda, Almanya, Hindistan ve Cin gelmektedir.Ulkemizde ruzgar enerjisinin kullamrm yeni olmasma karsm uygulamaIan artmayabaslarmsnr. Ozellikle Marmara, Guneydogu Anadolu ve Ege Bolgeleri ortaIama ruzgargucu yogunlugu ve ortalama ruzgar luziacismdan omenli bir potansiyele sahiptir. EgeBolgesi'nde 1970-1980 yillan arasinda yapilan olcumler sonucunda 23,47 W/m2'Iikortalama ruzgar gucu yogunlugu ve 2,65 m/s'lik ruzgar h1Z1 ile iilke genelinde ii~iincii

sirada yer aldigi belirtilmektedir (Anonim,-----). Ozellikle bahkci teknelerinin surekliolarak faaIiyet gosterdigi Ege Denizi aniden patlayan ve yine birden bire durulankuvvetli ruzgarlann olustugu bolgedir (Tiirkmen, 1985).

3. Riizgar Enerjisi ve OlusumuDegisik oranlardaki cesitli gazlann kansimmdan meydana gelen atmosferdeki mevcuthava katmanlan birbirierinden farkh sekilde rsimrlar. Bir hava kutlesi mevcutdurumundan daha fazla isimrsa, atmosferin yukansma dogru yiikselir ve bu havakutlesinin yiikselmesiyle bosalan yere, aym hacimdeki soguk hava kutlesi yerlesir, Buhava kiitlelerinin yer degistirmelerine ruzgar adi verilmektedir. Diger bir deyisle,birbirine komsu bulunan iki basmc bolgesi arasmdaki basmc farkIarmdan dolayimeydana gelen ve yiiksek basmc merkezinden alcak basmc merkezine dogru hareketeden hava akmuna denir (Turkmen, 1985).

Ruzgar enerjisi atmosferde bol ve serbest olarak bulunabilen ve yogunlugu az birenerjidir, Riizgar kinetik enerjisi nedeniyIe dogal bir potansiyele sahiptir. Bunun

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enerjiye cevrilebilen kisrm ruzgar enerjisi teknik potansiyeli olarak ifade edilir.Diinya'mn ruzgar enerjisi potansiyeIinin tahmini zor olmasma karsm mevcut ruzgarpotansiyeIinin sadece 1I10'inin kullamlmasi haIinde bile dunya e1ektrik enerjisinintamammm karsilanabilecegi belirtilmektedir. Ozellikle iilkemizde % 2,5'Iik nufusarnsma parale1 olarak % 14,5'lik enerji uretimi artist vardir, 1989 verilerine gore 776kWh/ki~i'Iik bir elektrik tiiketimi soz konusudur (Fono-AOK., ----)

Ruzgar lnz ve yon olmak uzere iki parametre ile ifade edilir. Ruzgar h1Z1 kmIh veyamls birimleriyle hesaplamr. Ruzgar h1Z1 yukseklige bagh olarak degisir. Hizmm kiibiienerjisi ile dogru orantih olan ruzgann olcumleri basit olarak anemometre ileyapilmaktadrr. Karsihkh yanm kiire seklindeki kapakciklann ruzgar ile donmesi vecihaz milinin devri olculerek ruzgar hizmm hesaplanmasi mumkundur. Ruzgarolcumleri rasat saatlerinde ve beIirIi kosullar altmda yapilmaktadir (Tiirkmen, 1985;Yavuzcan, 1994; Anonim, ----).

4. Riizgar TiirbinleriRuzgar tiirbinleri hareket haIindeki havamn enerjisini mekanik enerjiye cevirerekdonusturen makinalardrr. Bu nedenle riizgardanelektrik uretimi ruzgar enerjisiuygu1amalarmm temel yontemlerinden biridir (Anonim, 1993). Ruzgar enerjisindenmekanik ve e1ektrik donusum olmak uzere iki sekilde yarar1amlmaktadrr. Ruzgarenerjisi mekanik enerjiye cevrilerek su pompalanmasmda yatay ve dusey eksenlisistemlerle kullamlnusnr (Sekil 2). Ozellikle kirsal kesimlerde elektrik uretimindesebeke baglannh AC uygu1amalan, sebeke baglannsi olmayan ACIDC uygulamalan,uzak DC sistem uygulamalan yapilmaktadir. Riizgar-elektrik sistemlerinde donusumduzenleri dogru akim, altematif akim (degisken frekans, degisken veya sabit gerilim­sabit frekans, degisken veya sabit geriIim) seklindedir (Yagcioglu, 1987; Anonim,1993; Anonim, 1994b; Anonim,-----).

Ruzgar-e1ektrik sistemlerinin teme1 bilesenleri ; ruzgar turbini, disli kutusu, kavrama,elektrik jeneratoru (sabit-miknatish, senkron, induksiyon jeneratorler) ve kontrolmekanizmasidir, Hareketli havadan mekanik enerji seklinde e1de edilen enerji, uygunbir kavrama duzeni ve disli kutusu iceren mekanik aktanci ile elektrik jeneratoruneiletilir. Jeneratorden elektrik ~lkt~l, uygulamaya gore bir yuke ya da guc sebekesinebaglamr (Anonim, 1993).

Ruzgar-elektrik sistemlerinde riizgardan almabilen gucten elektriksel gii~ cikismakadar olan tum donusumun verimi % 25-35 arahgmdadir. Ornegin 3 m'Iik bir pervanecapina sahip turbinle, yaklasik 30-35 km!h'Iik ruzgar hizmda 1kW elektrik gucu eldeetmek icin 7-8 m2'Iik supurme alam gerekmektedir (Yagcioglu, 1987; Anonim, 1993).

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Bu sistemler tanmsal amach sulamalar, tanmsal iiriinlerin kurutulmasi veyasogutulmasi, ismcilann cahsnnlmasi, su antma, havalandirma vb. alan1ardakullamlmaktadir, Aynca role ve meteoroloji istasyonlan, demiryolu sinyalizasyonu,deniz-havaulasimsistemlerinde de bu sistemler kullamlmaktadrr (Anonim,-----).

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~ekil2. Ruzgar tiirbini iIe cahsan pompave montaji (l-pervane yatagi, 2-pervane, 3­mil, 4-bagIamabilezigi, 5-milayagi, e-baglamatell, 7-cektirme kiIidi, 8-pompa, 9-su

borusu, IO-filtrell kIape)(Ho§sucu, 1993)

Elektrik enerjisinin cikismdan yararlanma sekilleri ise ; akii grubunda depolama, digeryontemlerle depolama ve konvansiyonel sebeke sistemine baglantr oImak iizereadlandinhrlar. Enerji depolamak icin yaygm olarak kullanilan akumulatorler genelliklekursun plakah, asitlioIanakulerdir, Sarjmazar azar oldugu durumIar icin uygundurIar.ElektrikseI yoo§m verimi % 80-90, enerji de % 70-80 civanndadrr. Asm §alj, desarjveya uzun siire bos kalma olayi akumulatorlerin omrunu kisaltabilir (Anonim, 1994a).Bunun yanmda dogru akimi, alternatif akima ceviren konvertosorler sayesinde 1000W'a kadar yOO§ gucu saglanarak bazi cihaziann cahstmlmasi miimkiin olabiIir. Bu

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sistem akumulator ile kombine edilip enerji eldesinde kullamlabilir (Dutar, 1992Akbay, ----).

Ruzgar tiirbinleri cevreye birtaknn olumlu veya olumsuz etkiler yapabilmektedirler.Bunlar; goruntu ve estetik yonuyle, gurultu, yer kaybi, elektromagnetik etki, cevrekirliginin onlenmesi vb. olabilir. Aynca ruzgar enerjisi teknolojisi cok yeni birteknolojidir. Turbin yapumnda kullamlan tum parcalann gelistirilmesi ile iletimkayiplan da azaltilabilir. Ozellikle daha iyi malzeme, esnek parcalar, dogal koruma,daha basit kontrol mekanizmalan ruzgar tiirbin agirhgnu ve maliyetini azaltarak, dahayeni teknoloji ile hizmet verebilecektir.

5. Bahkei Teknelerinde Riizgar Enerjisi KuUamlabilirligiTiirkiye toplam su urunleri iiretimi 649 200 tondur. Bu iiretimin % 97'si deniz veicsulardan avcihk yoluyla yapilmaktadir (Hossucu, 1991 ; DiE, 1997). Ege Bolgesi'nintoplam su urunleri iiretimindeki pay! % 9'luk bir oranIa 51 995 tondur. Ege BolgesiEdirne, Canakkale (Merkez, Ayvactk, Bozcaada, Ecebat, Ezine, Gokceada), Izmir,Bahkesir (Ayvaltk, Burhaniye, Edremit, Gomec), Aydm ve Mugla'dan olusmaktadir,EiB idaresince ulkemiz genelinde yapilan ruzgar potansiyeli degerlendirmecahsmalannda enerji eldesi icin verimli olabilecek bolgeler tespit edilmistir (Tablo 1).Bolgede 2329 adet bahkci teknesi faaliyet gostermektedir, Bu teknelerin 97 adedimotorsuz, geri kalam ise, 666 adet (1-9 BG), 530 adet (10-19 BG), 460 adet (20-49BG), 274 adet (50-99 BG), 302 adet (100+ BG) olmak uzere farkh arahklarda motor

-giiylerinesamptir-(DiE, 1997).

Tablo 1. Ruzgar potansiyeli acismdanverimli bazi bolgeler (Anonim, ----)

Istasvon Ruzgar gucu yoP;unlugu (W/m2) Ortalama ruzgar hizi (m/s)

Bandirma 152,6 5,1Antakva 108,9 4,5Kumkov 82 4,1Mardin 81,4 4,1Sinop 77,9 4,1Gokceada 74,5 4Corlu 72,3 4

·Canakkale 71 3,9

Ege Bolgesi'nde yer alan bahkci teknelerinden 40 adedi trol, 83 adedi girgir, 24 adeditasiyici tekne ve geri kalanlarda 2182 adet olmak uzere diger tekne gruplanmolusturmaktadir. Bu teknelerden 1111 adedinde tayfa ekstra i§giicii olarak

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kullamlmamaktadir, Geri kalan bahkci teknelerindeise 1155adedinde 1-4, 31 adedinde5-9,31 adedinde 10-19, 1 adedinde ise 20-29 kisilik bir tayfa istihdarm bulunmaktadir.Bu da bahkci teknesi sahipve ortaklanna ek bir maliyetgetinnektedir. Ozellikle sadecemotorlu araclann akaryakit ve yag giderlerigenel toplamm (kira giderleri, giyim, arac,ag ve benzeri tamir ve balam giderleri, diger giderler) % 32,5'ini olusturmaktadir. Bupay petrol ve tiirevlerine harcanan paramn onemli bir oranda oldugunu gostermektedir(DiE, 1997).

Bahkci teknelerinde seyir halindeyken teknenin ilerlemesi ve manevrasi guverte ustuekipmanlann tahriki, makine dairesindeki duzenlerin isletimi ve kaptan koskundekicihazlarm cahstmlmasr ana makina ile murnkun olmaktadir, Bazi kosullarda yardimcimakina ile teknenin elektrik ve diger ihtiyaclan karsilanabilir. Bahkci teknelerioperasyondan dondukten soma ise bahkci liman ve bannaklannda yeme-icme, sutemini, elektrik temini, ahs-veris, tamir-bakim vb. islemler yapilmaktadir. Ozellikleelektrik temini sehir cereyambaglannsi ve dagituruolan limanlarda uzatma kablolan ileyapilmaktadir. Bu duzenin olmadigi durumlarda ise akumnlatorden sirurh bir surefaydalanmakya da jeneratoru (yardimci makina) cahstirarak elektrik enerjisiniuretmekmumkundur, ilk basta olumlu gorunen bu olaym cevresel ve ekonomik olarakdezavantajlan vardir, Bunlar; cevre kirliligi, gurultu, yakit-yag masrafi, bakim masrafivb.'dir. Jeneratorun calisnnlmasmdan kaynaklanan yakit-yag kacaklan zamanlasintinede birikip limamn ya da denizin kirlenmesine neden olabilir. Aynca jeneratoruncahstmlmast cevreye rahatsizhk vermektedir. Elektrik uretimi icin kullarulanjeneratorun yakit-yag masrafi ve diger masraflan da ekonomik acidan verimliolmayabilir. Bu nedenle bahkci teknelerine kucuk capta aydmlatma ve elektrik teminiicin pilot ruzgar tiirbinlerinin kurulmasi tum bu olumsuz faktorleri ortadan kaldrrabilir.Yat turizminde rastlanan bu tip kOyiik uygulamalar, limanda bannrrken, alargadaykenya da seyir halindeyken akumulatorun ~aIj edilmesi ya da enerjinin bir duzenleyicisistem ile direkt olarak kullanmu yer almaktadir. Bu kosullar altmda buzdolabi,aydinlatma, §aIj etme, T.V., radyo-telsiz-telefon vb. cihaz ve aletlerin cahstmlmasimtimkiinolabilir.

Bahkci teknelerinde elektrik ihtiyaci olan belli bash sistemler vardir, Bunlar ; temiz suiletim pompalan, pis su iletim pompalan, yangm pompalan, hidrofor, merkezihavalandirma, sogutucu, :finn vb., navigasyon cihazlan, bahk bulucu cihazlar, telsiz­telefon, merkezi aydmlatma sistemleri ve diger gostergelerdir (Tablo 2).

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Tablo 2. Bir bahkciteknesinde bulunabilecek elektrik isletimli cihazlar

Cihaz-ekipman Kapasite-menzil Gilc tiiketimi Volta.iElektrikli vine 1500-11600 kg 5,72-75 kW 220V - monofazeEcho-sounder 3400-17000 m 100W 220V AC +/- %10(kavdedici Unite) (maksimum) . SO/60HzRadar 24-32 nm 13SW 10,8-42 VDC(tum uniteler dahil) (maksimum)Loran C (navigator) Diinyadaki tum 13W 10-45 VDC(tum uniteler dahil) istasyonlarGPS-Magellan Diinyadaki tum 45W 110 V AC/220 V AC(turn uniteler dahil) istasyonlar) 240 V AC/12 V DCTelsiz-telefon Uluslararasi Sf 25+1 W 12-24 V

UKWkanalMoto-pomp (santrifui) 3,3 m3/h 0,68-2,04 kW 220 V-monofazeDalgic pompa 3 m3/h 3,7-5,2 kW 220 V-monofazeAydmlatma Ort.Liimen 120/ 15-500 W 220-240 V

3400 (duy E27-E40)

Su anda ulkemizde bahkcihk faaliyetlerini surduren bahkci teknelerinde ruzgarenerjisinden yararlanrna diizenleri mevcut degildir, Bunun yanmda buyuk olcekliteknelerin guverte iistii alanlan kii¢k ruzgar turbini modelleri icin uygun olabilir.

Alternatif enerji kaynaklanndan olan ruzgar enerjisinin bahkcihk sektorunde gereklidiizenlerin eksikliginden uygulama zorluklan vardir, Bunlann giderilmesi ve ozellikleekonomik sartlann mantiga uygun olmasi ruzgar enerjisinin bahkcihkta dolayh ya dadirekt kullamnunm buyuk yararlar saglayabilecegi vurgulanmaktadir. Aynca, balikciteknelerinin yamsira kiyilanmizda surekli ruzgar alan liman ve bahkci bannaklannmbelirli noktalanna ruzgar turbinleri kunnak mumkun olabilir.

Ruzgar potansiyeli acismdan verimli bir bolge olan Ege Bolgesi'nde yaygmlasrnayabaslayan ruzgar enerjisi uretim tesislerinin, ulkemiz ekonomisine buyuk katkisi olanbahkcihk sektorune de yayilmasi gerekmektedir. Elektrik uretimi ve mekanik gii~

ihtiyaci olarak donustnrulebilecek bir ruzgar potansiyeli bir cok elektrik ve mekanikisletimli sistemin altematifi olarak uygulamaya adapte edilebilecek sistemlerin, isletmeve ekonomik verimliligi, uygun sart ve kosullann saglanabilmesi, mevcut enerjikaynaklannm kullammmm azaltilabilmesi icin iyi bir gelisme olacaktrr. Ruzgarenerjisinden yararlanma imkanlannm buyuk alanlarda oldugu gibi kii~k alanlarda dakullanmu icin gerekli konstriiksiyon ve hesaplamalann yapilmasi, bahkcihkfaaliyetlerine ve teknolojisine yeni bir ivme kazandiracaktir.

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Literatiirler

Akbay, S.,---. Endiistriyel Elektronik, Teknik: ve Endustri Meslek Liseleri DersKitabi, EgitimcilerMatbaasi, Donertasi 945 Sok. No. 35/A, Basmane,Izmir, 256 s.Anonim, 1993. Ruzgar ElektrikDonusum Sistemleri, Ankara, 20 s.Anonim, 1994a. Ruzgar Giiciiyle Elektrik Uretimi SistemTasanmt, Ankara, 12 sAnonim, 1994b. Su Pompalama Isleminde Ruzgar Enerjisi Mekanik DonusumSistemleri, Ankara, 34 s.Anonim, -.Ruzgar Enerjisi, Ankara, 30 s.Ben-Yami, M. 1994. Purse SeiningManual,FishingNews Books, Oxford, 406 p.Brandt, A. V., 1955. "Vessels and gear" in Fishing Boats of the World, Fishing NewsBooks, Farnham, Surrey,England, 579 p.DiE, 1997. Su Urunleri istatistikleri 1995, T.C. Basbakanhk Devlet istatistikEnstitusu, Devlet istatistik Enstitusu Matbaasi, Ankara, 32 s.Diizbastdar, F. 0., 1996. Bahkcihk Mekanizasyonu Ders Notlan (Yayimlanmarms),E.D. SU Urunleri Fakultesi Avlamave IslemeTeknolojisi Bolumu, Avlama TeknolojisiAnabilim Dab, Bornova, Izmir, 350 s.Diizbastdar, F. 0., Hossucu, H., 1997. Girgir Teknelerinde Mekanik Sistemler,Akdeniz BahkcihkKongresi,B.D. SU Urunleri Faknltesi, 35100, Bornova, Izmir, 119­126 s.Fono AOK, --. Elektrik, Il. Sunf, Kitap 4, Gundogdu Cad. 49 Merter 34016,istanbul, 127 s.Hossucu, H., 1991. Bahkcihk(Av Araelan ve Avlanma Yontemleri), E.D. SU UrunleriYiiksekokuluYaymNo: 22, E.D. Basirnevi, Bornova, Izmir, 253 s.Hossucu, H., 1993. Mekanizasyon, E.D. SU Urunleri Fakultesi Yaymlan : 44, E.D.Basimevi, Bornova, Izmir, 182 s.Kara, O. F., 1992. Bahkci Gemileri Dizayn ve Donammlan, E.D. SU UrunleriFaktiltesiYaymlanNo: 43, E.D. Basimevi, Bornova, Izmir, 122 s.Tiirkmen, B., 1985. Denizciler Icin Meteoroloji Rehberi, Hur Efe Matbaasi, Izmir,116 s.YagclOglu, A., 1987. Tanmsal Elektrifikasyon, B.D. Ziraat Faktiltesi Yaymlan No :488, E.D. Ziraat Fakultesi Ofset Basimevi, Bornova, izmir, 158 s.Yavuzcan, G., 1994. Enerji Teknolojisi, 3. Baski, Ankara Universitesi Ziraat FakultesiYaymlanNo: 1324, Ders Kitabi : 383, Ankara, 117 s.

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PHOEBUS Jiilich - eine Anlage zur ganzjihrig autarken solarenStromversorgung

H. BARTHELS, W. A. BROCKE*, H.-G. GROEHN, G. HEUTS, H. MAl,J.MERGEL

Institut fur Energieverfahrenstechnik, *Zentralinstitut fur ElektronikForschungszentrum Jiilich (FZJ), D-52425 Julich

EinleitungDie Errichtung und der Betrieb der Anlage PHOEBUS Jiilich stellt einen erstenSchritt zur solarelektrischen Versorgung eines grofseren Gebaudes(Zentralbibliothek des FZJ) dar. Die netzfreie Jahresversorgung wird erzielt mitvier unterschiedlich ausgerichteten Photovoltaik-Generatoren in Kombination miteinem Energiespeichersystem, bestehend aus einem Elektrolyseur, derProduktgasspeicherung fur Wasserstoffund Sauerstoffund einer Brennstoffzelle.

Die gesamte Energieumwandlungskette der hier vorgestellten Anlage lauft volligfrei von schadhaften Emissionen abo Das Reaktionsprodukt der "kaltenVerbrennung" von Wasserstoff in der Brennstoffzelle ist Wasser, das wiederum inder Elektrolyse mit dem zu speichemden Strom in seine Bestandteile Wasserstoffund Sauerstoff zerlegt wird. Mit der Errichtung der Demonstrationsanlage imForschungszentrum Jiilich werden die wesentlichen Systemschritte einersolarelektrischen Inselversorgung untersucht und mit diesem Vorhaben soll einzukunftsorientierter Weg zur Erreichung einer dezentralen, autonomenEnergieversorgung in einer praxisnahen Grofrenordnung beschritten werden.

Nach der Planungsphase im Jahre 1992, begannen die Installationsarbeiten imFriihjahr 1993 und wurden im August 1994 weitgehendst abgeschlossen.AnschlieJ3end begann die eigentliche Testphase mit der Erprobung derKomponenten in Einzelpriifungen und im Verbund mit der Betriebsfiihrung(Leitsystem) der Gesamtanlage.

Die Erlaubnis zum Betrieb des Langzeitspeichers mit den zugehorigenSicherheitseinrichtungenerfolgte im Juli 1995. Von diesem Zeitpunkt an wurde dieAnlage bestimmungsgemiiJ3 betrieben.

Das Ergebnis aller Aktivitaten ist ein zunachst funktionstuchtiges Gesamtsystem,das nun in eine breitere Erprobungs- und Optimierungsphase geht, urn dieerkannten Schwachstellen durch gezielte MaJ3nahmen zu beheben, denNutzungsgrad und die Betriebszuverlassigkeit der Anlage und ihrer Komponentenzu verbessem..

Gefordert wird dieses Vorhaben von der Arbeitsgemeinschaft Solar des LandesNRW.

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ProjektzieleIm Vordergrund steht der Nachweis der Machbarkeit der netzfreien elektrischenVersorgung unter realen solar- und verbrauchsspezifischen Bedingungen imRahmen einer Demonstrationsanlage in automatischer Betriebsweise.

Neben der Gewinnung von Know-how :fur Planung, Errichtung und Betriebderartiger Anlagen ist der Test und die Weiterentwicklung der saisonalenLangzeitspeicherung solarelektrischer Energie mit dem System Elektrolyse­Wasserstoff-Brennstoffzelle eine zentrale Aufgabe mit der Zielrichtung, eine hoheBetriebszuverlassigkeit, eine Vereinfachung und Kostenreduzierung der

. Systemkomponenten und eine groBe Energieumwandlungseffizienz zu erreichen,alternative Systeme aufzuzeigen bzw. zu entwickeln und den Nachweis der prak­tischen Handhabbarkeit dieser Wasserstoffiechnologie zu fiihren.

Die Entwicklung von Verfahren zur Anlagenregelung mit einem rechnergestiitztenEnergiemanagement, die Optimierung von Regelungsstrukturen und dieQualifizierung der Leistungselektronik gehoren mit zu den vordringlichenAufgaben.

Einen hohen Stellenwert hat die Entwicklung und meBtechnische Validierung vonkomponentenorientierten Simulationstechniken zur Beschreibung der Energieflusseund des Anlagenverhaltens mit Sensitivitatsanalysen, sowie die Entwicklung vonallgemeingiiltigen Auslegungsverfahren fur Systemvarianten von regenerativenEnergieversorgungsanlagen.

Der Betrieb der PHOEBUS-Anlage, die Entwicklung und der Test vonAnlagekomponenten waren schwerpunktmiiBig ausgerichtet auf die Ziele:- Storungsfreie solarelektrische Versorgung der Zentralbibliothek (ZB)

Auswertung der Messungen und Vergleich mit gesteckten Zielen der SimulationFortlaufende Entwicklung und Test des Energiemanagements zur automatischenBetriebsfuhrung der AnlageErlangung der Betriebserlaubnis zur Produktion und Druckspeicherung desElektrolyse-Wasserstoffs und -Sauerstoffs, Erstellung und Realisierung desSicherheitskonzeptesMaBnahmen zur Effizienzsteigerung der Anlage und der einzelnenKomponentenWeiterentwicklung der MeB-, Simulations- und RegelungstechnikEinbindung der alkalischen Brennstoffzelle in den AnlagenbetriebEntwicklung einer PEM-Brennstoffzelle fur den Speicherpfad der AnlageEntwicklung von effizienten Wasserstoff-Verdichtungsverfahren (Hochdruck­Elektrolyse und solarthermischer Verdichter aufMetallhydridbasis)

Nach nunmehr zweijahrigem Betrieb der Anlage liegen eine Reihe vonUntersuchungen, Erfahrungen und meBtechnischenAuswertungen vor.

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Der AnlagenbetriebDie Auswertung der Messungen von 240 AnlagenrneJ3stellen tiber einen langerenstorungsfreien Zeitraum brachte wichtige Erkenntnisse tiber die Effizienz undBetriebsweise der Anlage und ihrer Komponenten (Abb. 1), insbesondere tiber diedynamischen Vorgange der Energiewandlung und Energieverteilung, die hoheAnspruche an die Betriebsfuhrung (Steuerung u. Regelung) der Anlage stellen.

Die Verbraucherlaststruktur in der Zentralbibliothek (ZB) entspricht der einesBurogebaudes mit einer NennanschluBleistung alier Verbraucher von 38 kW, dieaber in der Spitze nurmit maximal 15 kW genutzt wird.

Die installierte Nennleistung alier PV-Felder liegt bei 43 kW. Die Module wurdenauf vier Generatorfelder mit unterschiedlicher Modulneigung (900 in der Fassade,40 0 auf dem Dach) und azimuthaler Ausrichtung (SO und SW) so verteilt, daBannahernd eine symmetrische Einstrahlung im Tagesgang erzielt wird.

Aile Anlagenkomponenten sind tiber Gleichstromsteller (DC/DC-Steller) mit derGleichstromschiene verbunden, die die Aufgabe der Energiesammlung und ­verteilung mit Hilfe des Energiemanagements (EM) vornimmt. Die Verbindungzwischen den System-Komponenten Generatorfelder, Elektrolyseur,Brennstoffzelle, und dem Verbraucher wird also tiber eine Leistungselektronikhergestellt, die fur die notwendige Spannungstransformation sorgt und die dieeinzelnen, vom EM vorgegebenen Leistungsflusse regelt bzw. im Wechselrichterden Gleichstrom in Wechselstrom umforrnt.

Die Blei-Schwefelsaure-Batterie ist direkt mit der Schiene gekoppelt und pragt ihrdie Spannung auf, die, je nach Ladezustand, zwischen 200 und 260 V liegt. Nebenden Aufgaben der Lastpufferung und der Spannungskonstanthaltung ubernimmt dieBatterie auch mit einer Kapazitat von 300 kWh die Kurzzeitspeicherung mit einerDreitageautonomie fur die Anlage.

Der 26 kW Elektrolyseur, ausgerustet mit hocheffizienten FZJ-Zellen(Nullabstandsgeometrie, NiO-Diaphragmen, aktivierte Elektroden), arbeitet seittiber drei Jahren, auch unter den schwankenden solarspezifischen Bedingungen,ohne Probleme. Es wurde bei einer mittleren Jahresleistung von 9 kW und bei einermittleren Elektrolyttemperatur von 60° C ein Wirkungsgrad von 88 % erreicht /I/.Durch Spiilungen beim An- und Abfahren sind weitere Verluste von 3,7 % und furden Schutzstrorn im Standby-Betrieb von ca. 3 % anzusetzen. Die Energiesummender Hz/02-Produktion fur 1996 sind der Abb. 2 zu entnehmen.

In einer nachgeschalteten Gasautbereitungsanlage werden die Produktgase vonKOH-Bestandteilen befreit und der Os-Gehalt im Wasserstoffvon 4 • 102 ppm aufWerte < 1 ppm gesenkt.

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Die alkalische BrennstoffzeUe vom Typ Siemens BZA 4-2 konnte erfolgreich inden AnIagenbetrieb eingebunden werden und erreichte ihre elektrischeNennleistung von 6,5 kW mit einem Wirkungsgrad von 50 % (bezogen auf Ho),der bei Teillast auf 57 % ansteigt. Leistung und Lastwechselverhalten entsprechenden Erwartungen einer hohen Fahrdynamik.

Die Abb. 3 zeigt die Jahresverteilung der gelieferten elektrischen Energiesummender Brennstoffzelle. Die Abb.4 zeigt die Fahrweise und die gemesseneCharakteristik der Brennstoffzelle im automatischen Betrieb der Anlage vom22.11.96 und in Abb. 5 der aus diesen MeBdaten resultierendeWirkungsgradverIauf, der stark von der Elektrolyt-Temperatur beeinfluBtwird.

Nach den gemachten Erfahrungen erweist sich die alkalischeBrennstoffzellenanlage wegen ihres komplexen Aufbaus und ihres fllussigenElektrolyten (KOB) allerdings als sehr empfindlichfur den automatischen Betrieb.Vor allem ist die Moglichkeit der irreversiblen Schadigung der Nickelanode durchSauerstoffeinbruch ein Gefahrdungspotential. Der standige Austrag von geringenElektrolytmengen in die gasfiihrenden Leitungen bereitet Leckageprobleme anVentilen. Die beiden Elektrolyt-Pumpen, die eigenversorgt werden, verursachtenbisher die meisten Ausfalle,

Erst nach der Erteilung (01.07.95) der Betriebserlaubnis :fi.ir denLangzeitspeicherpfad konnten erstmalig die Elektrolyse-Produktgase H2 und O2 indie Druckgasbehalter gefullt werden.

Wobei die Niederdruck-Speicher (max. 7 bar) direkt vom Elektrolyseur gespeistwerden, wahrend die Ftillung der Hochdruckbehalter (max. 120 bar) tiberpneumatisch angetriebene Kolbenverdichter erfolgt.

Das EnergiemanagementFur die optimale automatische Betriebsfiihrung ist das Energiemanagement (EM)zustandig, Es steht an der Spitze der regelungstechnischen Hierarchie der Anlageund wurde fur die anlagenspezifischenErfordernisse entwickelt und im praktischenBetrieb erprobt.

Zu den Regelungsaufgaben gehort das Fuhren der Anlage nach vorgegebenenOptimierungskriterien, wie hochstmogliche Energieeffizienz in den Wandlern,Versorgungssicherheit, schonende Batterieladung mit Vermeidung vonlebensdauermindemden Ladungszustiinden und Minimierung der Schaltzyklen derelektrochemischen Energiewandler.

Als Regelgrofle wird der Energieinhalt der Batterie (max. 300 kWh) mitpraxiserprobten einstellbaren Schwellenwerten (adoptive Ftinfpunkt-Regelung mitSchalthysteresen) definiert, wobei der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle mit

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den zugehorigen Gleichstromstellem uber ihre schienenseitigen Leistungen zurSteuerung der Batterieladung herangezogen werden.

Die Optimierung der Einstellparameter der Regelungen erfolgte mit den Mittelnder Computersimulation /2/ unter Vorgabe der energetischen Optimierungszieleund der Berucksichtigung der Charakteristik der einzelnen Wandlem.

Mit dem fur derartige Anlagen entwickelten Simulationsprogramm SIMNON kannder Ablauf eines Jahresszenarios der Energieflusse in beliebig kleinen Zeitscbrittendurchgefuhrt werden. Es werden die realen Tageslastgange der Einstrahlung unddes Verbrauchers, die gemessenen lastabhangigen Kennlinien der einzelnenKomponenten mit ihren An- und Abfahrprozeduren und die regeldynamischenVorgange in Zusammenhang mit der Batterieladung bzw. Betriebsfuhrung derAnlage berucksichtigt.

Mit den MeBdaten der Anlage und den daraus abgeleiteten Kennlinien dereinzelnen Komponenten lassen sich mit der Eingangsgrofie des Jahresganges derGlobalstrahlungen auf die vier Photovoltaikfelder und mit der Laststruktur desVerbrauchers die Energieflusse auf dem Kurz- bzw. Langzeitspeicherpfad und demVerbraucherpfad simulatorisch als Sollwertvorgaben fur die Einhaltung derAutonomie bestimmen und mit den MeBergebnissenvergleichen.

In der Systemkonfiguration der Abb. 1 sind die geniessenen Jahresenergiesummenauf den einzelnen Pfaden und die gemessenen mittleren Jahreswirkungsgrade dereinzelnen Komponenten fur das Jahr 1996 eingetragen.

Urn die autonomen Rahmenbedingungen zu erfiillen, kann mit der eingestrahltenSolarenergie von 273 MWh/a der Verbraucher eine Lieferung von 15,7 MWhIa anelektrischer Energie erwarten. Gleichzeitig war dafur die Produktion undSpeicherung einer Wasserstoffinenge von 2175 Nm3/a erforderlich, d.h. es rnussendabei 10 MWhIa an elektrischer Energie in den Langzeitspeicher flieBen. Da diesnur 36 % der gesamten solarelektrischen Energie von 27,5 MWhIa sind, wirdselbst bei einem relativ niedrigen Wirkungsgrad von 3,62/10 = 0,36 des Langzeit­speichers ein Gesamtwirkungsgrad der Anlage von 57 % erreicht.

Zusammenfassend kann man aus den bisher durchgefuhrten Messungen undRechnungen entnehmen, daB die simulatorischen Vorgaben in der Anlageanniihemd erreicht werden, wenn die Vorgabe der Jahresenergiesumme desVerbrauchers mit 15,7 Mwh in etwa eingehalten wird. Diese Vorgabe wurdeerstmalig fur das Jahr 1996 durch ein entsprechend eingestelltes Lastprofil in derZB erreicht.

Das Simulationsprogramm ist auch fur andere Anlagenkonfigurationen undStandorte anwendbar und berechnet auch den ublicherweise vorliegenden Fall einergegebenen Verbrauchsstruktur mit einem dafur auszulegenden PV-Generator.

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Fur die Vorausberechnung und analytische Behandlung der Energiekonversion inden PV-Generatoren der PHOEBUS-Anlage wurden Simulationsprogrammeentwickelt. Die solarelektrische Energiekonversion wird darin mit einer aufFeldmessungen basierenden UII-Kennlinie nach dem Zwei-Dioden-Modellbeschrieben und die Solarzellentemperatur auf der Grundlage vonWarmetransportgleichungen bestimmt. Modellparameter fur die Vorausberechnungder Einstrahlung sind die Sonnenscheindauer und die atmospharische Trubung /3/.Die meteorologischen EinfluBgroBen stehen als gemessene Stundenwerte dermeteorologischen Station der KFA tiber einen Zeitraum von 30 Jahren zurVerfugung. Sie erlauben somit, von aktuellen MeBergebnissen an der PHOEBUS­Anlage auf langfristig zu erwartende Energieertrage und -verteilungen imJahresverlaufzu schlieBen.

Die Entwicklung einer PEM-BrennstoffzelleDa die alkalische Brennstoffzelle neben der Produktgasverdichtung zur Zeit nochdie Schwachstelle im Energiespeicher ist, wurde bereits seit 1994 in Kooperationmit der Firma A. F. Sammer, USA mit der Entwicklung einer PEM-Brennstoffzelleim Hinblick aufden speicherspezifischen Einsatz begonnen. Ziel ist der Einsatz vonbetriebszuverlassigen 2,5 bis 5 kW-Modulen.

Im Rahmen dieser Kooperation wurden zwei 2,5 kW Einheiten gebaut und imJulicher Teststand seit einem Jahr erprobt (Abb. 6). Dabei wurde dasWassermanagement, d.h. die optimale Befeuchtung der Membran-Elektroden­Einheit (MEE) und die Auskopplung des Produktwassers durch eine verbesserteGasfuhrung entscheidend verbessert. Die fur die elektrochemische Zellreaktionerforderliche Gasbefeuchtung erfolgt zellintern. Die Auskopplung der Reaktions­warme erfolgt tiber 10 separate Kiihlzellen in dem 26-Zellenblock bei einer max.Zellentemperatur von 70 oe. Bei Nennleistung (2,5 kW) betragt die Stromdichte500 mA/cm2 und die mittlere Zellspannung 0,65 V, was einem Wirkungsgrad von0,44 (bezogen aufH.,) entspricht.

Die Peripheriekomponenten der Brennstoffzelle (Kiihlkreislauf mit Wiirmetauscherund Umwalzpumpe, Gasversorgung, MeB-, Uberwachungs- und RegeleinrichtungSPS) wurden im FZJ entwickelt und getestet (Abb. 6).

Der fur die Einbindung der Brennstoffzelle in den automatischen PHOEBUS·Betrieb notwendige Stromsteller wurde von der Uni Hagen (lost. furEnergietechnik) in neuester Halbleitertechnik mit verbessertem Wirkungsgradentwickelt und erlaubt den Betrieb von jeweils zwei PEM-Modulen a2,5 kW inSerie (5 kW) oder einzeln geschaltet.Die Entwicklungsarbeiten an den 2,5 kW­Modulen wurden begleitet durch Messungen an Einzelzellen und Vierzellenblockenmit Elektrodenflachen von 125 und 300 cm2

, urn insbesondere Fragen desZelldesigns (Gasfuhrung, Entwasserung, Kaskadenschaltung, Abdichtung,Warmedehnung) der Materialwahl (Gasverteiler, Separatorplatte, Zellrahmen), der

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Gasspiilung und Gasrtickfuhrung und der U-I-Charakteristik im Langzeittest(Degradation) zu beantworten.

Es wurde weiter ein Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden­Einheiten (MEE) entwickelt, die im Langzeittest (5000 h) stabile Zellspannungenund gute mechanische Stabilitat sowohl bei reinem Sauerstoff- als auch beiLuftbetrieb aufweisen. Die chemische Zusammensetzung und dieVerfahrensschritte wurden hierbei optimiert und die Katalysatorbelegung derElektroden bis auf 0,5 mg Pt/cnr' reduziert. Das Herstellungsverfahren wurde fureine Kleinserienfertigung optimiert und Qualitatskontrollen entwickelt. Gleichzeitigwurde auch mit den FZJ-MEEs ein 2,5 kW-Block fur den HfLuftbetriebentwickelt und erfolgreich getestet.

Die Entwicklung von efTlZienten Wasserstoff-VerdichtungsverfahrenZur Verdichtung der beiden Elektrolyse-Produktgase Wasserstoff und Sauerstoffwerden auf dem Speicherpfad pneumatisch angetriebene Kolbenverdichter(Maximator) eingesetzt, die die Gase yom Niederdruck-Behalter (p s; 7 bar) in dieHochdruckbehalter (Pmax = 120 bar fur H2, pmax = 70 bar fur O2) fordern.

Der H2-Verdichter wies bereits nach 50 Betriebsstunden grofiere Leckagen durchVerschleiB der Kolbendichtungen in der lID-Stufe auf, so daB eine Reparatur mitlangerem Ausfall der H2-Speicherung erforderlich war. Auch hat sich nach erstenMessungen der Verdichtungseffizienz bestatigt, daf der elektrischeEnergieaufwand fur die H2- und Os-Verdichtung insgesamt 30 % der Speicherpfad­Eingangsenergie betragt. Die simulatorische Energiebilanz (siehe Abb. 1) wurdevorlaufig ohne Berucksichtigung der beiden Maximator-Kompressorendurchgefuhrt,da sie aus dem Hausluftnetz versorgt werden.

Da die mechanischen H2/0 2-Verdichter den Wirkungsgrad des Speicherpfads sehrnachteilig beeinflussen, wurde schon fruh nach effizienteren altemativen Losungenzur Verdichtung der Produktgase gesucht /41. Diese werden in zwei Projektenverfolgt:- In Zusammenarbeit mit der Zentralabteilung Technologie (ZAT) des FZJ wurde

auf der Basis des hocheffizienten FZJ-Elektrolyseurs mit der Entwicklung einesHochdruckelektrolyseurs fur 120 bar nach dem Containerprinzip begonnen. Eswird eine 5 kW Elektrolyseanlage, bestehend aus einem bipolaren 15Zellenblock mit einer Elektrodenflache von 500 crrr', gebaut.

- Der Elektrolyse-Wasserstoff wird in einem solarthermischen Metallhydrid­Kompressor 2-stufig zyklisch verdichtet, indem er bei einer niedrigenTemperatur (15 C) in Metallhydrid-Reaktoren (Legierungen auf der Basis vonTiMn2) eingelagert und unter Verwendung solarthermischer Energie hoherTemperatur (ca. 90°C) bei hohem Druck (120 bar) desorbiert wird.

Somit ergibt sich demnachst die Moglichkeit, neben der bereits eingesetztenmechanischen Verdichtung, zwei weitere aber effizientere Techniken im

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praktischen Versuchsbetrieb zu erproben und entsprechende Erfahrungen zusammeln.

AusblickNach den bisher gemachten Betriebserfahrungen diirften mehrere Jahre erforderlichsein, urn die Anlage betriebsmiiBig zu optimieren und ihr Verhalten meBtechnisch zuanalysieren. Dabeiist zu erwarten, daB sich eineReihe von zusatzlichen Anforderungenan wichtige Komponenten wie Elektrolyseur, Brennstoffzelle, H:z/~-Speicher,

Verdichter und elektrische Leistungsaufbereitung ergeben werden, die in die weitereEntwicklung dieser Aggregate einflieBen werden.

Die eingeleitete Entwicklung von PEM-BrennstoflZellen in Modultechnik istvielversprechend und bietet die Moglichkeit, auch Anwendungspotentiale im Rahmender Wasserstofftechnologie in dezentralen stationiiren Bereichen zu erschlieBen, wosich moglicherweise auch ein Markt finden laBt, urn nicht zuletzt auch denokologischen Anforderungen gerecht zu werden.

Mit der im FZJ vorhandenen Expertise und durch interdisziplinare Zusammenarbeitsowohl im Bereich der elektrochemischen Grundlagenforschung als auch im Bereichder Verfahrens-, Werkstoff-, Konstruktions- und Fertigungstechnik sind alleVeraussetzungen fur einen erfolgreichen AbschluB der BrennstoflZellen-Entwicklungbis zum Komplett-Aggregat gegeben. Dieses wird in der PHOEBUS-Anlage einenersten anwendungsorientierten Einsatz als Komponente der Energiespeichertechnikerfahren.

Die optimale GroBe derartiger Anlagen wird aber noch von vie1en anderen Faktorenbestimmt (Kosten, Laststruktur, Speicherkonzept, Anlagenkonfiguration, Regelung,Standort etc.) und kann letztendlich nur mit praxiserprobten Mitteln derSimulationstechnik behande1t werden.

Bier sindim Laufeder ersten Projektphase eineReihe von Simulationsprogrammen zurBeschreibung der Energieflusse und Energiewandlungen erstellt und auch mit erstenMessungen verifiziert worden. Eine vertiefteund detailierte Betraehtungsweise, stetsverbunden mit Messungen, gemachten Erfahrungen und eventuellenSystemanderungen, steht abernoch aus. Urn das gesteckte Ziel einer allesumfassendenSimulationstechnik zu erreichen, mussen die bestehenden Programm-ModulezusammengefaI3t urn auch auf allgemeine, iiber den Rahmen der PHOEBUS-Anlagehinausgehende Fragestellungen, wie

die optimale Konfiguration der PV-Felder in Verbindung mit der Laststruktur(Verbraucher-Typen) und derMinimierung der Speichergrolle (Downsizing),die optimalen elektrischen Spannungsniveaus in den einzelnen Systemkomponentenzur Minimierung der Verluste undReduzierung desUmfangs und der Kostenin derStromstellertechnik(z. B. Verzicht aufPV-Steller),

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- die Konzepte der Speichervarianten (Hybrid-System Wind-und PV-Generator mitVerwendung der Energieuberschusse, Backup-Losungen fur den Kurzzeitspeicher,Verdichtungs- und Speicherungsart derProduktgase H:z/~),

- die energiewirtschaftliche Einordnung undKostenanalyseeineAntwortgeben zu konnen.

Die Frage nach der optimalen GroBe von dezentral ausgerichteten Anlagen wird nichtzuletzt durch das Speicherkonzept selbst bestimmt. Bier bieten sich mehrereMoglichkeiten an, von der klassischen Druckgas- bis zur Metallhydridspeichenmgverbunden mit der Fragestellung nach der Art und der Effizienz derProduktgasverdichtung, die mechanisch, thermisch oder direkt durch Hochdrucke­lektrolyse erfolgen k:ann, oder ob der elektrolytische Sauerstoff fur die PEM­Brennstoffz:elle besser durch den Luftsauerstoff ersetzt werden kann. Neben dereingesetzten mechanischen Verdichtung werden die beiden Konzepte derHochdruckelektrolyse (120 bar) ohne anschlieBende Verdichtung und diesolarthennische Verdichtung (120 bar) weiter entwickelt und solltenauch im Hinblickauf die allgemeine Wasserstoffiechnologie wichtige Beitragesein.

Gezeigthat sichferner, daB der Wasserstoff-Speicherpfad mit seinenelektrischen undelektrochemischen Energiewandlem und Speichem - auch losgelost von derPhotovoltaik'" wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der Wasserstoffi:echnologie und dendamitverbundenen Sicherheitsaspekten liefert und keineswegs nur mit konventionellenTechniken zu bewliltigen ist.Bier mussen weitere Erfahrungen gesammelt werden.

Auch das Hybrid-Konzept Wind-Photovcltaik-Generator ist vielversprechend undwird weiter verfolgt, urn belastbare standortabhangige Aussagen uber die ErstellungsoIeher Anlagen unter autonomen Bedingungen zu erzielen. Viel flexibler lassen sichhybride Anlagen durch eine entsprechende Aufteilung der Leistungsgrolle der beidenGeneratoren zusatzlich zur Umwandlung der elektrischen Uberschusse in Elektrolyse­Wasserstoff z. B. fur Heizzwecke oder Prozeflwarme einsetzen (Kraft-Warme­Kopplung).

Ist schon die optimale Auslegung der Einzelkomponenten hinsichtlich Energieeffizienz,Lebensdauer und Kosten eine Aufgabe, die bisher noch nicht zufiiedenstellend gelostist, so folgt aus dem Betrieb eines Energieversorgungssystems mit schwankendemEnergieangebot und verbraucherbedingten Nachfrageanderungen zusatzlich dieNotwendigkeit, das Gesamtsystem zu optimieren und zu vereinfachen. DennEnergieeffizienz und BetriebszuverIassigkeit sind hohe Anspruche an denAnlagenbetrieb. Sie erfordem eine optimierte Betriebsfiihrung, die sich auf eine gutdurchdachte Regelungsstruktur mit einem flexiblen Energiemanagement stutzen muB.

Urn bei photovoltaischen Versorgungsanlagen eine breite Anwendung zu erreichen,mussendie Kostenwesentlich gesenkt und die Betriebszuveriassigkeit erhoht werden.Neben den Photovoltaik-Modulen und deren Gebaudeintegration werden dieGesamtkosten derartiger Anlagen annahemd zur Hiilfte durch die Systemtechnik

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verursacht. Hinzu kommt, daB die systemtechnischen Komponenten denAnlagennutzungsgrad im wesentIichen bestimmen und derzeit die Hauptursache furbetriebliche Ausflille sind. Die Ergebnisse grundsatzlicher systemtechnischerUntersuchungen zur Energiewandlung und -aufbereitungsind daher geeignet, Wege furdie Neugestaltung oder Verbesserung der Geratetechnikzu setzen.

Dies betriffi: im besonderen die elektrische Leistungsaufbereitung (Stromsteller­Technik) der Anlage, die nach Behebung von vielen Schwachstellen zwar ihreFunktionalitat jetzt erreicht hat, aber was die Wandlungsverluste anbetrifR weiterverbessert werden sollte. Neben den genannten Hauptkomponenten ist aber noch eineVielzahI von zusatzlichen peripheren Systemen erforderlich, urn die Anlage wirklichbetreiben zu konnen, Diese Systeme haben einen erheblichen Antei1 an der technischenProblembewaItigungund nicht zuIetzt auch an den Kosten.

Das zur Verfugung stehende, iiber die erste Projektphase gewachsene Know-how istdurch die ReaIisierung der PHOEBUS-Anlage breit gefachert und sollteweiterfuhrendbei der Konzeption und quaIifizierten Abwicklungneuer Arbeiten und Projekte genutztwerden.

Das Anwendungspotential von autonomen photovoltaischen Versorgungssystemen istderzeit in der BRD vergleichsweise gering, aber fur den sich ausbildendenPhotovoltaikmarkt von nicht unerheblicher Bedeutung. Derartige Anlagen konnen,ahnlich wie Photovoltaik-Fassaden, akzeptanzfordernde und markterschIieBendeAufgaben ubemehmen. Mit standardisierten systemtechnischen Losungen undRegelungsstrukturen lassen sich die Anlagenkosten weiter verringem Dies wird dieExportchancen von Anlagen und Komponenten in Landem mit geringerNetzversorgung erhohen, wo sich Photovoltaik-AnlagennaturgemaI3 leichter etablierenwerden.

Wenn also langfristig groBere Versorgungsbeitrage aus erneuerbarenEnergiequellen zu erbringen sind, mussen Konzepte der Energiespeicherungsowohl im Kurzzeit- wie im Langzeitbereich als wichtige Elemente einerregenerativen Energieversorgung erstellt werden und entsprechende MaBnahmenim Forschungsbereich schon heute eingeleitet werden.

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Literatur

1 l]dergcl,H.BarthclsAuslegung, Bau und Inbetriebnahme eines 26 kW-Wasserelektrolyseursfortgeschrittener Technik fur den Solarbetrieb9. Intern. Sonnenforum, Stuttgart 28.06.-01.07.94, Tagungsbericht, Band2,S.1699-1706

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3 P. RitzenhoffErstellung eines Modells zur Simulation der Solarstrahlung aufbeliebigorientierte Flachen und deren Trennung in Diffus- und DirektstrahlungJiil2600,M:iirz 1992, ISSN 0366-0885

4 K. BonhoffVergleichende Betrachtung der ProzeBgasverdichtung und -expansion sowiedie Speichermoglichkeiten im Energiespeichersystem der Photovoltaik­Wasserstoff-Brennstoffzellen Anlage der KFA JiilichDiplomarbeit, KFA-IEV, Okt. 1994

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Photovoltaik ( 312 rna

sw- 11,4kWFassade

277MWh1a soIarl

so­Fassade

. 12,2 kWp

Verbraucher 0,55

netzunabhiingi.!le VersorgungderKFA -ZB

15,7

230VAC

15 kVA

102

I- !: Pb-Akkumulator i...L300 kWh 220 V \T I:

!,II

0,93

Leit­Reehner

EnergiemanagementLeistungsflulloptimierung, regeltechnlsche Koonfination,

SystemiibelWaChung

6,8

0,52

ND-Speicher7-bar

28,5

260 -400 V

:,..-__-_-_-_.-r-------IIP---~~~IIIIIIIIIII~.p. ....III!G~leli!tichStrom~schiene I

II

Jahresenergiesumme in MWhIa mltUerer Jahreswirkungsgrad

Sytemtechnische KonfigurationPHOEBUS JOlich

Abb.: 1

62

60

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Belriebseharaklerislik der alkalischen Brennsloflzelle

04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00

PN=6,5 kW Zellenzahl: 60

IN=135 A Zellflilehe 340 em'UN=48 V

...-J Slaek-Spannung U

Strom I

Eleklrolyl-Temperalur T

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~ 20gti O.

02:00 03:00

\IPHOEBUS Julieh IAbb.4

Jahresenorglosummo E IL- a7S0 kWh

HJ·enofglesumme H 11-7708kWhmillie,. Loisiung:8,97 kWElnschallhaullgkell: 159Betriebslauizell: 1034h

Wnsserslofl: 2175 Nm3

InilllelerJllhreswlrkungsgrad: 0.86

Energiesummen der Elektrolyse 1996I PHOEBUS Julieh IAbb.2

2000

1500

:c~ 1000

-'wW

500

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul

Energiesllmmen der Brennslolfzelle 1996

04:0003:5003:4003:3003:20

Wirkungsgradeder alkalischen Brennslolfzelle

miltlere Leislung 5 kW

Regelbereieh der Eleklrolyl-Temperalur

V 90'C •.. .. • ••• •• ••• •••• • ••• • •••• ••• •.. ••sa-c ~]I"'" _....-...

•••...r- Anfahrzeil ca. 20 min

I rTageszeil am 22.11.96

00.53:c'5 0.52CIl

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0.45 .03:00 03:10

I PHOEBUS Julieh IAbb.5

0.55

0.54Jahresenergiesumme: 4840 kWhEinschallhaufigkeit: 124Belriebszeil BZ1:227h BZ2: 810hmiltlererJahreswirkungsgrad 51% (H.>

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IPHOEBUS JUlieh IAbb.3\

0'\W 1200

1000

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UJ 400

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0

Abb. 6: Entwicklnng und Ban eines 2,5 kW PEM-BrennstofTzeUenaggregatsInstitut fur Energieverfahrenstechnik (lEV), Forschungszentrum Jiilich Gmbfl, D­

52425 Jiilich

Im Rahmen des 10 kW PEM-Brennstoffzellenprojekts (phase II) fur diePhotovoltaikIWasserstoft7Brennstoffzellen-Demonstrationsanlage (pHOEBUSJiilich) wurde in Zusammenarbeit mit AF Sammer Corp. (Ringwood NJ, USA) ein2.5 kW PEM-Brennstoffzellenstack entwickelt und gebaut. Dieser PEM­Brennstoffzellenstack (pEM = Proton-Exchange Membrane) soll zusammen miteinem weiteren 2,5 kW Stack (phase ill) die alkalische Brennstoffzelle, die z.Zt. imSpeicherpfad von PHOEBUS Jiilich zum Einsatz kommt, ersetzen.

AieBse!lllma dlls 5kW PEM'8rellnsttIffLllllen-Prtltstand

strom• Wo__druck

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2;5kW PEM-8rennstoffzellenstack

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EINE UNTERSUCHUNG tiBER AERODYNAMIK VONWINDPROPELLERN UN» ENERGIEERZEUGUNG

Yrd. D~ Dr. Miih. Aydogan OZDAMAREge Universitesi

Gunes EneIjisi EnstitiiSii ve Miihendislik FakiiltesiMakina Miihendisligi Boliimii

Yrd. D~ Dr. Miih. K. Turgut GiJRsELCelal Bayar Universitesi

Miihendislik FakiilteSiMakina Miihendisligi BOliimii

Abstract: In this research, aerodynamics of a propeller in a wind power plant is analysed and theparameters which effect the wind plant power are determined. Besides, NACA M-6 usedcommenly in wind power plant was choosen as propeller airfoil, and this airfoil is analysed forwind speed Vr= 2,5-8,5 mis, propeller radius rd=IO, 20, 30, 40 m, angle of attack a=5°, 10°, 15°,20° and tip speedratio A.=2, 4, 7, 9, 12, 15, 17, 20, 22. The nummer ofblades in this propeller isassumed to be z=3 while the blade width is calculated from the equation b= 0,05 rd. Thus, therotor power C, is calculated as a function of wind plant power P and tip speed ratio A.. Based onthe wind speed measurements made by Ege University Solar Energy Institute between June 1994and May 1995, the amount of energy which can be obtained by wind power plants annually isdetermined. Finally, an avarage life time of a wind power plant is assumed to be 20 years and theunit cost for the observed plants is calculated. As a result, it is figured out that 1 kWh electricalenergy which is bought from city electricity power company f9r 14 000 TL ( 0,1 DM) can begenerated by a wind turbine in Ege University Solar Energy Institute in lzmirfor approximately60 000 1L (0,44 DM). While the wind blowing time interval is constant, if wind speed isdoubled, this speed is observed in many areas in Turkey, it is determined that the cost of 1 kWhelectrical energy could be reduced to 7 700 1L (0,054 DM).

Key Words: Mechanics, Energy, Wind, Energy Cost

Abstract: In dieser Untersuchung wird die Aerodynamik des Propellers einer Windkraftanlagebehandelt und die Leistung der Anlage beeinflussende Parameter ermittelt. Hierbei wird dasProfilblattprofil NACA M-6 ausgewiihlt, das bei den Windkraftanlagen Moog eingesetzt wirdDieses Profil wird mit den unten stehenden Parametem innerhalb ihrer angegebenen Intervallesystematisch untersucht:-Windgeschwindigkeit: Vr= 2,5-8,5 [m/s]-Propellerradius: r.=10, 20, 30, 40 [m]-Angriffswinkel: a=So, 10°, 15°, 20°-Schnella~:A.=2,4, 7,9,12,15,17,20,22.

Es wird angenommen, daB der ausgewiihlte Propeller fiber drei Blatter (z=3) verfiigt und dieBreite des Propellers b= 0,05 r, betragt, Daraus wird der Leistungskoeffizient in Abhangigkeitvon der Leistung der Windkraftanlage P und der Schnellaufzahl A. berechnet. Nachfolgend wurdeder jahrliche Energiebetrag ermittelt, den die systematisch behandelten Windkraftanlagen zuliefern haben. Hierbei wurden die in den berechnungen eingesetzten Windgeschwindigkeitenbeim Sonnenenergieinstitut der Universitat Ege innerhalb eines Jahres (zwischen Juni 1994 undMai 1995) gemessen.Darfiberhinaus wurden unter der Annahme, daB die Lebensdauer einer Anlage etwa 20 Jahrebetragt, fUr alle untersuchten Falle die Einheitskosten der zu erzeugenden Energie ermittelt.Durch diese Berechnungen stellt sich heraus, daB die Kosten der zu erzeugenden Energie durchdie beim SonnenenergieinstitutIBomova-izmir installierte Windkraftanlage ca. 0,44 DM/kWhbetragt, wiihrend sich die Kosten der aus dem Stadtnetz abgespeisten Stromenergie auf etwa0,103 DMlkWh belauft. Weiterhin erweist es sich, daB im FaIle der Verdopplung der beim

65

Sonnenenergieinstitut gemessenen Windgeschwindigkeiten (unter der Voraussetzung derkonstanten Winddauer) die Energiekosten nur 0,054 DMlkWh betragt. Zuletzt mull hinzugefiigtwerden, da6 derartig hohe Windgeschwindigkeiten in bestimmten Gebieten der Tiirkeivorkommen.

Schliisselworter: Mechanik, Energie, Wind, Energiekosten.

1. EINLEITUNGDie jahrliche durchschnittliche Sonnenenergiedichte in der Tiirkei ist fur eineStunde mit 0,149 kWh/m2 angegeben [1]. Im allgemeinen wird angenommen, daBca. % 2 der Sonnenenergie in die Windenergie umgewandelt wird. Dariiber hinauskann nach dem Kriterium von Betz hochstens % 59 dieser Energie in diemechanische Energie umgesetzt werden. AuBerdem kann der Windstrom nur ca. %2 der gesamten Landesflache der Tiirkei wirtschaftlich erzeugt werden [2]. Da dieLandesflache der Tiirkei 780 576 krn2 betragt, ergibt sich im das technischeWindenergiepotantial der Tiirkei zu:

ETiirl<ei= 0,149 [kWh/(m2h)] 7,8 1011 [m2] 8760 [h/Jahr] 0,59 0,02 0,02

= 240 Mrd. kWh/Jahr

Es wird beispielsbeiweise behauptet, daB sich das technische WindenergiepotentialDeutschlands 450 milyar kWh/Jahr belauft. Falls der Stromenergiebedarf derTiirkei, der in 1998 ca.115,1 Mrd. kWh betragt, mit dem jahrlichen technischenWindenergiepotential verglichen wird, stellt sich erst die Bedeutung derAusnutzung der Windenergie heraus. Obwohl der oben angegebene Wert einetheoritische GroBe darstellt, sollte das Ziel sein, derartig grolle Energiekapazitatnoch mehr auszuschopfen.

Jedoch kann durch die Umwandlung der Windenergie in eine andere Energie, dieweit verbreitet zu verbrauchen ist, erst dieses Ziel erreicht werden. Heutzutageerfolgt die Umsetzung der Windenergie in die Stromenergie durch modemeWmdkraftanlagen.

2. PROPELLERAERODYNAMIKDie Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in der erstenStufe in die mechanische Energie urn. Diese Energieumsetzung kann durch dieAnalyse der Propelleraerodynamik besser erortert werden. Dazu sollen die Krafte,die sich auf das Propellerblatt auswirken, und die Leistung, die haupsachlich durchden Propeller erzueugt wird, behandelt werden.

Der Propeller dreht sich mit der Umfanggeschwindigkeit Vt infolge derWindwirkung auf das Propellerblatt, wobei der Wind mit mit der konstantenGeschwindigkeit Vw auf den Propeller fallt, Die Geschwindigkeitskomponenten,die Windgeschwindigkeit Vw und die Umfangsgeschwindigkeit Vt , ergeben dieresultierende Geschwindigkeit V, die auf das Element des Propellerblattes einwirkt.

66

Die Abbildung 1 zeigt die Geschwindigkeiten und die Krafte, die auf ein von derNabe "r" entfernt Iiegendes Propellerblattelement mit der Dicke von dr und mit derBreite von b einwirken.

Die in dieser Untersuchung angewendeten bzw. Hergeleiteten Grofien sind wiefolgt angegeben:

dL: Auftriebskraft, die auf die Profilsgrundlinie des Elements und dabei zurnresultierendenGeschwindigkeitsvektor V senkrecht einwirkt.dO: Widerstandskraft, die sichauf die ProfilgrundIinie des Elementsund dabei zumresultierenden Geschwindigkeitsvektor V parallel auswirkt.dF: Resultierende KraftdFn: Komponente der resultierenden Kraft dF, die parallel zur Propellerwellenachseist.dFt : Komponente der resultierenden Kraft dF, die in die Drehrichtungwirkt.4>: Anstellwinkel (Winkel zwischen dem resultierenden Geschwindigkeitsvektor Vund dem Windgeschwindigkeitsvektor Vw)

cx.: Angriffswinkel (Winkel zwischen der ProfilgrundIinie und dem resultierendenGeschwindigkeitsvektor V)13: Blattanbindungswinkel (Winkel zwischen der GrundIinie und derPropellerwellenachse)

Bei der Errnittlung der leistungwird die Schnellaufzahl

als der wichtigste Parameter eingesetzt.Mit Hilfe dieser Schnellaufzahl wird dieresultierende Geschwindigkeit V bestirnrnt:

(1)

Die Auftriebskraftund die Widerstandskraft, welche auf das Propellerblattelernenteinwirken, werden wie folgt definiert:

1 2dL=CL "2 p b V dr,

1 2dD= CD "2 pb V dr.

67

(2)

Drehridhtung

I

Abbildung 1: Auf das Propellerblattelement einwirkende Geschwindigkeiten undKrafte

Das Verhaltnis zwischen der Auftriebskraft und der Widerstandskraft ergibt sichzu:

dL CLg=-=-dD CD·

Die auf das Propellerblatt einwirkende, resultierende Kraft wird bestimmt zu:

Die Tangentialkraft elF!, die das Propellerblattelement in Drehung setzt, wird durchAbb.1 ennittelt zu:

elFt = df cosy

Die Arbeit, die durch die oben definierte Kraft innerhalb einer Zeiteinheitdurchgefiihrt wird, m.a.W. die Leistung ergibt sich mit Hilfe der folgendenGleichung:

68

ar-v, dFu = dL ~I + 1, v. cosy .e-

Die Gleichung kann durch die Ausdriicke (1) und (2) umgeformt werden zu:

(3)

. rTIn der oberen Gleichung kann der Ausdruck VI+~ als 1 angenommen werden,

da sogar bei den relativ schlecht entworfenen Profilen der Term ~ im Vergleiche

zu 1 vemachlassigbar klein ist. Wenn die Beziehung, die aus der Abb.I erhaltenwird:

1tan(90-4»=­

A.oder

arctan (~) = 90-4>

in die Gleichung (3) eingesetzt wird, stellt sich folgende Gleichung heraus:

dP= CL ±P b [Vw.JA? +Ir A. Vw cos (ISO-arctan s - arctan ~) dr .

Wird diese Gleichung mit Hilfe der Beziehung

11 e+i

arctan e + arctan - = arctan --A. s

I-­A.

umgeformt, kann die durch das Propellerblattelement zu liefemde Leistung wiefolgt ermittelt werden:

11 [2 e+-

dP= CL "2 P b Vw.JA? +1] A. v; cos (ISO-arctan~) drI--

A.oder

69

11 2 e+i

dP= CL "2 P b [Vw .JA} + 1] A, v; cos (-arctan--e) dr.I-­

A,Nachfolgend ist der Cos-Term

1 se+- --1A, A,

cos (-arctan --) - ~s 1 2 11-- s ---+-+1

A, e2 Ae A,2

urnzufonnenund dieAusdriicke

dabei im Vergleich zu 1 zu vernachlassigen.

Es kann angenommen werden, daB das behandelte Blattelement bei jedemPropellerblatt im Mittel dieselbe Leistungliefert. Wenn ein Propellertiber z Blatterverfugt, wird die gesamte lieferbare Propellerleistung nach Abkiirzungen wie folgtbestimmtwerden:

Wird der oben stehende Ausdruckintegriert, ergibt sich die folgende Gleichung:

(4)

Hierbeibedeuten:ra: Radiusdes Propellers (m)ri : Radiusder Propellemabe (m).AuBerdem variierthierin dieSchnellaufzahl abhangig von der Entfemung desBlattelementsvon der Propellerwellenachse aus, und dieseAbhangigkeit wird als

rA,(r) =A,Spitze ­

r.

ausgedruckt. In diesem Ausdruckbedeutet die Schnellaufzahl A,Spitze das Verhaltnisder Umfangsgeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit. Bei der Annahme der

70

Blattbreite von b=rj wird mit Hilfe der Gleichung (4) die Leistung (in Watt), die derPropeller einer Windkraftanlage mit z Blattern zu liefern hat, wie folgt ennittelt:

Jedoch rnuB diese Leistung aufgrund- der Reibungsverluste bei den Propellerblattern,- der an den Propellerblattspitzen entstehenden Wirbelverluste,- der aerodynamischen UnregelmaBigkeiten urn prom, die durch die Berechnungkaurn zu erfassen sind,- der Konstruktionsfehlerurn einen bestimmten Faktor reduziert werden:

ASpitz•

"lv.,lust = 1-U - 0,15 .

Somit wird die durch die Windkraftanlage zu liefernde Leistung an derPropellerwelle ennittelt zu:

Pp = T/v.rlust P . (6)

Die Leistung, tiber die der durch die ganze Flache des drehenden Propellersstromende Wind verfugt, kann wie folgt bestimmt werden:

(7)

Wird die Gleichung (6) durch die (7) dividiert, stellt sich der dimensionsloseLeistungskoeffizient heraus zu:

r,C =­

p pw

Die Ergebnisse von Berechnungen in bezug auf die Energieerzeugung, wobei derLeistungskoeffizient eingesetzt wird, sind in Abb.2 in Abhangigkeit von derSchnelliaufzahl angegeben.

3. ENERGffiERZEUGUNGUrn in dieser Untersuchung zu liefernde Leistung unterschiedlicherWindkraftanlagen zu bestimmen, sind Leistungskoeffiziente fur die Angriffswinkela=So, 100, 150, 200 und in einern sehr groBen Intervall der Schnellaufzahl mit Hilfeder Gleichungen (5) und (7) berechnet worden. Die betreffenden Ergebnisse sind inAbb.2 und in Tab.1 angegeben. Wird Abb.2 betrachtet, verdeutlicht sich, daB sich

71

der maximale Leistungskoeffizient um 0.=10° ergibt. Die Tabelle 2 zeigt fur vierAngriffswinkel berechnetemaximale Leistungskoeffizienten und ihre zugeordnetenSchnellaufzahlen.

Leistungskoeffizient - Schneflaufzahtverlauf

0;5

C 0,45.~O,4

!EO;35G)

~0;3

~ 0,25c-.a 0,2-i!0,15..JCi. 0,1o O,OS

°o 5 10 15 20

~10Grad

-llC-15 Grad

25

verhaettnis ~erUmfangsgechwindigkeitzu~ndgeschvrind~eft

Abbildung 2: Leistungskoeffiziente

A- Ia CL s 2 4 7 9 12 15 17 20 22

5 0,423 21,15 0,035 0,083 0,182 0,247 0,324 0,358 0,352 0,30 0,24

10 0,796 17,69 0,064 0,148 0,304 0,395 0,471 0,452 0,386 0,224 0,097

15 1,132 13,32 0,086 0,187 0,303 0,387 0,348 0,188 0,051 - -20 1,392 9,04 0,096 0,18 0,229 0,171 0,006 - - - -

TabeUe1: Leistungskoeffiziente

a. 5 10 15 20

Cp 0,36 0,475 0,39 0,23

A- 16 13 9 7

TabeUe2: Maximale Koeffizientenwerte

In dieser Studie ist im Jahr die durch eine Windkraftanlage zu erzeugende Energiemit Hilfeder foIgenden Gleichung berechnetworden:

E=llverl. Cp ~1t ~a2 -1/) ~(dtYi3)Hierunter bedeuten:

72

Vi : mittlere Windgeschwindigkeit (Vr= 2,5 + 8,5 mls)Ati : mittlere Winddauerzeit11vcrl. : mechnanische und elektrisch-elektronische Verluste

Der Koeffizient 11vcrl. enthalt darin folgende Verluste:- Reibungsverluste bei allen Wellenlagem (11Wl. = 0,996),- Verluste beim Zahnradgetriebe (11Zg. = 0,972),- Verluste beim Generator (11Gen. = 0,972),- Unterschiedliche elektrisch-elektronische Verluste (11elektr. = 0,94).

Die Ergebnisse sind in Tab.8 und 9 dargestellt. Hierbei sind die in Tab.?angegebenen, mittleren Windgeschwindigkeiten und die Winddauer, welche beimSonnenenergieinstitut in 1995-1996 innerhalb eines Jahres gemessen wurden, alsGrundlage angewendet worden. Da aus technischen grunden die Windkraftanlagenmeistens bei den Windgeschwindigkeiten Vw= °+ 1,5 (m/s) und Vw> 8,5 (mls)abgeschaltet werden, sind diese Geschwindigkeiten hierin ebenfalls nichtberucksichtigt wurden.

Da bei der oben angegebenen Gleichung neben den zuvor genannten, mechanischenund elektrisch-elektronischen Verluste die oben erwahnten aerodynamischenVerluste mit berucksichtigt worden sind, ergeben sich in der Berechnung Werte,die eine Windkraftanlage tatsachlich als Energiebetrag zu liefem hat.

4. ENERGIEKOSTENBisher ist nur eine Seite dieser Thematik, namlich Energieerzeugung, behandeltworden. Wahrend das Umsetzungsverhaltnis daher die Hohe des verbrauchbarenAnteils einer Energie Art von groBer Bedeutung ist, weist die wirtschaftlicheErzeugung dieser Energie noch grofiere entscheidende Wichtigkeit auf Daherhangt die Verbreitung der Ausnutzung der Windenergie m.a.W. der weitereEinsatz der Windkraftanlagen vorerst und meistens als entscheidenderHauptparameter von den Kosten des Stroms ab, der durch die Windenergieproduziert wird. Deswegen ist es notwendig, daB die Insvestitions- undBetriebskosten dieser Anlagen ausfuhrlich behandelt werden.

Die Abwerkpreise der in den letzten Jahren produzierten Anlagen sind in [3] inAbhangigkeit von Propellerradius angegeben. Mit Hilfe dieser beispielartigenPreise kann daher in Abhangigkeit von Propellerradius eine Beziehung fur dieAbwerkpreise der Anlagen wie folgt entwickelt werden:

F= 3350 - 35 s, [DMlkW].

Die im Katalog angegebenen Leistungen der Anlagen, die bei der Bestimmung derAbwerkpreise der Anlagen verwendet werden, sind in Tab.3 dargestellt.

73

r.[m] 10 20 30 40

Pmill.[kW] 45 180 400 750

F[OM/kW] 3000 2650 2300 1950

Tabelle 3: Katalogleistungen und Abwerkpreise von Windkraftanlagen

Bei den Kostenberechnungen sind folgende Annahmen getroffen werden:Die Montagekosten einer Anlage betragt etwa 35 % ihres Abwerkpreises. Diesebeiden Kosten, der Abwerkpreis und die Montagekosten der Anlagen, werdenInvestitionskosten genannt [3J.1. Die Instandhaltungs-Reparaturkosten, die Versicherungsausgaben und die

Kapitalkosten belaufen sich insgesamt auf ca. 12,69 % der Investitionskosten[3].

2. Die Anlage wird etwa 20 Jahre betrieben.

Zum Ende des Betriebs ergeben sich in Abhangigkeit vom Propellerradius folgendeKosten, die in TabA dargestellt werden

Investitionskosten Betriebskosten Gesamtkosten[OM] [OM] [OM]

r.[m]10 182.250 462.550,5 644.800,5

20 643.950 1.634.345,1 2.278.295,1

30 1.242.000 3.152.196 4.394.196

40 1.974.375 5.010.963,8 6.985.388,8

Tabelle 4: Darstellung der Investitions-und Betriebskosten innerhalb von 20 Jahren

Die Energieeinheitskosten berechnen sich durch das Verhaltnis der gesamtenKosten zum produzierten gesamten Energiebetrag; d.h. die Beziehung

p= Gesamtkosten / Erzeugte Gesamtenergie

ergibt die Energieeinheitskosten. Die Berechnungen sind fur zwei durchschnittlicheWindgeschwindigkeiten durchgefuhrt worden, und die erhaltenen Ergebnisse sindin Tab.5 und 6 ebenfalls in Abb.3 und 4 angegeben.

I~ 2 4 7 9 12 15 17 20 22

10 4,728 2,045 0,996 0,766 0,643 0,670 0,784 1,351 3,118

20 4,173 1,806 0,879 0,677 0,568 0,592 0,693 1,193 2,752

30 3,58 1,549 0,754 0,58 0,487 0,507 0,594 1,023 2,363

40 3,20 1,384 0,674 0,519 0,435 0,454 0,531 0,915 2,122

TabeUe 5: Energieeinheitskosten fur Vmitt .= 3,22 mls [DM/kWhJ

74

~2 4 7 9 12 15 17 20 22

10 0.586 0,254 0.124 0.095 0,080 0,083 0,097 0,168 0,387

20 0,518 0,224 0,109 0,084 0.070 0,074 0.086 0.148 0,342

30 0.444 0.192 0,094 0,072 0.061 0.063 0,074 0,127 0.293

40 0,397 0,172 0.084 0,065 0.054 0,057 0,066 0.114 0,262

TabeUe 6: Energieeinheitskosten fur Vmitt.= 6,44 m/s [DMlkWh]

5

EnergiekostenV.... =3.22m1s

-D-1=2lhl

-A-r=20m

-X-r=3Om

-o-r=40m

SChneilaufzahl

22201816141210860+-----+---+----+----.------+--___�_--_---+---<

2

Abbildung 3: Energieeinheitskosten fur Vmitt.= 3,22 m/s [DMlkWh]

75

0.6

Energiekostenv_= 6,44 mIs

-D-r=10m

-6-r-20m

-X-r=30m

-o-r=40m

Sclmellauf2ah1

22201816141210864

O+------.---~-__+_-__+--__+_-__+--_+_-_t_--+__-___i

2

Abbildung 4: Energieeinheitskosten fur Vmitt.= 6,44m1s (DMlkWh]

5. SCHLUSSFOLGERUNGENDie Tabellen 5 und 6 ebenfalls die Abbildungen 3 und 4 stellen die Beziehungzwischen der Schnellaufzahl A und den Energieeinheitskosten p dar.Dementsprechend kann bei A=9+17 die Windenergie mit minimal anfallendenGesamtkosten ausgenutzt werden. AuBerhalb dieses Intervalls erhohen sichdagegen die Einheitskosten erheblich. Bei A=2+9 und A= 17 +22 variiren inAbhangigkeit vom Propellerradius r. die Energieeinheitskosten zwischenp=0,519+4,728 DMlkWh. Also die minimalenEnergiekosten betragen p=0,44-0,79DMlkWh bei A= 9 +17 und sie reduzieren sich aufp = 0,44 DMlkWh bei A=12undr.=40 m.

Deswegen bestunde zuerst die Moglichkeit zur folgenden Uberlegung: Je groflerder Propellerradius wird, desto niedriger fallen die Energiekosten aus. Im Limitfallgehen sie gegen Null, wahrend der Propellerradius gegen Unendlich geht. In derPraktik erschwert sich aber die Fertigung dieser Anlagen aufgrund derkostenanfalligen und sehr komplizierten Propellerkonstruktion erheblich. Damitverbunden erhohen sich die Investitionskosten, wenn beim Propellerradius etwa dieGrenze von r.=50 m iiberschritten wird. Daher wachsen die Energieeinheitskostendeutlich an.

Bei den durchgefiihrten Berechnungen sind die jahrlichen, durchschnittlichenWindgeschwindigkeiten und Winddauer angewendet worden, welche innerhalbeines Jahres beim Sonnenenergieinstitut der Universitat Egelizmir gemessen

76

wurden. Nach den erwahnten Berechnungen konnen die folgendenSchluBfolgerungen gezogen werden:

• Falls eine Windkraftanlage im Gebiet Izmir installiert wird, betragen dieminimalen Kosten des von dieser Anlage erzeugten Stroms etwa p = 0,44DMlkWh. Daher liegen die Kosten des unter diesen Bedingungen erzeugtenStroms hoher als die des Stroms aus dem Stadtnetz, solange dieSubventionsmoglichkeiten :fur die Windenergie bzw. die Anlagen derWindenergie nicht bestehen.

• Dagegen reduzieren sich die Energieeinheitskosten erheblich, falls sich die beiden Berechnungen verwendeten Windgeschwindigkeiten (Vmitt = 3,22 mls ~Vmitt = 6,44 mls) verdoppeln, die beim Sonnenenergieinstitut in einem Jahrgemessen wurden. Nach AbbA und 6 variieren bei 1..=9 +17 die Energiekostenzwischen p = 0,054+0,097 DMlkWh in Abhangigkeit vom Propellerradius ra.Die minimalen Energiekosten p= 0,054 DMlkWh werden bei 1..=12 und ra= 40m erreicht. Diese Ergebnisse bedeuten eine Verringerung der Energiekostenetwa auf Einachtel der zuvorigen Kosten. AuBerdem fallen bei 1..= 2 +9 und1..=17 + 22 die Energiekosten fur unterschiedliche Propellerradien zwischen p =0,065+0,586 DMlkWh an. Der arithmetische Mittelwert derWindgeschwindigkeiten., die hierbei als Grundlage verwendet worden sind,betragt Vmitt = 6,44 mls. Derartig durchschnittlich hohe Windgeschwindigkeitenwerden beispielsweise in bestimmten Gebieten der Tiirkei (Didim, Gokceada,Kocadao) gemessen. Daher bedeuten diese Ergebnisse, daB in durchschnittlichrelativ hohe Windgeschwindigkeiten hervorkommenden Orten der Turkei derStrom mit relativ niedrigen Kosten aus der Windenergie erzeugt werden kann.Das liegt daran, daB die Energiekosten bei den hohen Windgeschwindigkeiten(z.B. wie oben bei Vmitt = 6,44 mls) ca. 55 % der Kosten der aus dem Stadtnetzabgespeisten Stromenergie betragen.

• AuBerdem muB hinzugefugt werden., je mehr die Windkraftanlagen produziertwerden., desto niedriger fallen ihre Fertigungskosten aus. Damit verbundenreduzieren sich die Investitions Kosten., was ebenfalls zu einer Verringerung derEnergieeinheitskosten fuhrt.

• Es kann durchaus erwartet werden., daB sich die Kosten der aus denFossilbrennstoffen gewonnenen Energie in Zukunft erhohen, da dieFossilbrennstoffbestande beschleinigens ausgeschopft werden. Daher stellt derinsbesondere relativ starke, stationare Wind eine alternative Energiequelle miteinem gleich anzuwendenden hohen Potential dar.

• Dariiber hinaus muB darauf hingewiesen werden., daB wahrend der Erzeugungder Stromenergie durch den Wind eine Umweltverschmutzung keinerlei

77

verursacht wird. AuBerdem entsteht dabei keine Abfallprodukte. Deswegenkann die Windenergie betonend alsUmweltfreundlich betrachtetwerden.

QUELLENVERZEICHNIS

[1] DEMiRCi, B.; YILDIRIM E.: "Elektrik Enerjisi Uretiminde Ozel SektorunYeri", Tiirkiye4. EnerjiKongresi, s.255-265, Izmir, 1986.

[2] "Turkiye Rnzgar Enerjisi Dooal Potansiyeli", EiB Elektrik Isleri Etud idaresiGenel Mudurlugu, Yaym No:85-1, Ankara, Arahk 1984.

[3] HAU, Erich: "Windkraftanlagen", SpringerVerlag, Berlin, 1996.

[4] HENNCHEN, Norbert: "Strom aus der Luft", ISBN 3-88793-020-7, IDEA,Puchheim, 1982.

5

3

1_

--[]- 1..=2-6-1..=4--0-1..=7--0-1..:9--0-1..=12... ·m···1..=15·-+-·1..=17

~I..~----...-0-1..=22 --[J

EneJgiekosten

4.

-----4.5 --- _

----__ v.... =3,22m's-0. __

-'---------------lJ. _3.5 DIWkWt

25

PropeIlenadius (1T!l10

2r-- _1.5±__

1!lli _ :._ : :.:~~..:.~05 - : :.

O------------;------------i>-------------<

Abbildung 5: Energieeinheitskosten beiVmitt = 3,22 mls in Abhangigkeit vomPropellerradius

78

0.6

DMIkWh0.4_

0.5

--_ --0- ..=2--- - - -__ _ --tr-- .."4--- ----0.__ V_ =6,44m1S ---<>--..=7--_ ---<>--..=9-----____ ~"~2-----n.__ _.-s.....=15

--- ··+··..=17

--..=20 ------·D-0-- ..=22

0.3

"'"

......i--------~,,·--- ~x

C-----X

0.21-------- ----...

0+---------+----------+------------<10 20 30 Propellerradius 1m) 40

Abbildung 6: Energieeinheitskosten bei Vmitt. = 6,44 m/s in Abhangigkeit vomPropellerradius

At 1474 1459 1301 1348 1422 975 475 197 76 20 13 2

Vw 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5

2Vw 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Tabelle 7: In Izmir gemessene Windgeschwindigkeiten Vw [m/s] und WinddauerAt [h]

~2 4 7 9 12 15 17 20 22

10 6,82 15,77 32,39 42,10 50,18 48,16 41,13 23,87 10,34

20 27,3 63,1 129,6 168,3 200,8 192,7 164,5 95,5. 41,4

30 61,4 141,9 291,5 378,8 451,7 433,4 370,2 214,8 93,0

40 109,1 252,3 518,3 673,4 802,9 770,5 658,0 381,9 165,4

Tabelle 8: NachTab.7 innerhalb eines Jahreserzeugte Gesamtenergie [kWh/Jahr]bei Vw

~2 4 7 9 12 15 17 20 22

10 55,0 127,2 261,4 339,6 404,9 388,6 331,9 192,6 83,4

20 220,1 509,0 1046,0 1358,4 1619,7 1554,4 1327,4 nO,3 333,6

30 495,2 1145,2 2352,2 3056,3 3644,3 3497,3 2986,6 1733,2 750,5

40 880,4 2026,0 4181,6 5433,3 6478,7 6217,4 5309,5 3081,2 1334,3

Tabelle 9: Nach Tab.7 innerhalb eines Jahreserzeugte Gesamtenergie [kWh/Jahr]bei 2Vw

79

Entwicklung von Verfahren zur Regelung und Betriebsfiihrungvon autonomen regenerativen Energieversorgungsanlagen

W.A. BROCKE, H. BARTHELSForschungszentrum Julich, Deutschland

1. EinleitungDie Jiilicher dezentrale Photovoltaik-Wasserstoff-BrennstoffzellenanlagePHOEBUS [1] ist ein Beispiel fur eine autonome Solaranlage ist mit zweiEnergiespeichern. Bei den Speichern handelt es sich urn eine Bleibatterie alsKurzzeitspeicher und einen Saisonalspeicher bestehend aus Elektrolyseur,Gastanks, Verdichtern und Brennstoffzelle. Eine iibergeordnete Betriebsfuhrung,Energiernanagernent genannt, regelt die Energiefliisse der Anlage und damit dieBelastungen der beiden Energiespeicher.

Es hat sich bei PHOEBUS als sehr zweckmiiJ3ig erwiesen, den Kern desEnergiernanagernents als Ladungsregler fur die Bleibatterie auszufiihren. Wegender deutlich unterschiedlichen energetischen Wirkungsgrade und denunterschiedlichen VerschleiBverhalten der Energiespeicher ist eine Optimierung desEnergiernanagernents erforderlich. Zwei sich widersprechende Optimierungszielesind z.B. ein guter Betriebswirkungsgrad oder die Schonung vonAnlagenkornponenten z.B. der Batterie.

Ein zuverlassiger Betrieb und ein effizienter Urngang mit der ihr zugefuhrtensolaren Energie sind die wichtigsten Anspriiche an autonorne regenerativeEnergieversorgungsanlagen. Urn diesen gerecht zu werden, ist nicht nur einesorgfaltige Auslegung aller Anlagenkornponenten erforderlich, sondern auch einedurchdachte, rechnergestiitzte Betriebsfuhrung in Form einer iibergeordnetenRegelung, die man gerneinhin mit "Energiemanagernent" bezeichnet. DieseRegelung ist als Software auf einern Personalcomputer flexibel genug, urn jederzeitgeandert werden zu konnen. Dabei geht es z.B. urn die Anfangsoptimierung oderurn experimentell bedingte oder durch Komponentenalterung notwendiggewordene Anderungen oder auch urn neue betriebliche Anforderungen.

Derartige AnpassungsmaBnahmen fur die Regelung konnen aus Zeitgriinden nichtmit der aktiven Anlage direkt erfolgen, sondern mussen zeitraffend aufsimulatorischern Wege durchgefuhrt werden. Mit der Simulation eroffnet sich auchdie Moglichkeit, die Regelung nach vorgegebenen Kriterien zu optimieren,nachdem geeignete Komponentenmodelle entwickelt worden sind. Die Vor- undNachteile unterschiedlich ausgelegter Regelungen konnen durch Simulationenquantitativ vorhergesagt werden.

81

2. Anlagenstruktur und unterlagerte RegelungenDamit die Anlage durch das Energiemanagement regelungstechnisch gutbeherrschbar ist, sind eine Reihe von Merkmalen der Anlagen- undRegelungsstruktur verwirklicht worden, welche der Stabilisierung . deranlageninternen Energieflusse dienen und damit auch das Energiemanagement 00­

terstiitzen. Das Energiemanagement benutzt zwei Leistungsgrofien als Stellgrofien,tiber die es in den Gaspfad der Anlage eingreift, namlich die Eingangsleistung desTiefsetzstellers des Elektrolyseurs und die Ausgangsleistung des Hochsetzstellersder Brennstoffzelle.

Die von dem unstetig arbeitenden Energiemanagement durchgefuhrten Regelungenwerden durch unterlagerte, den Stellern zugeordnete Stromregelungen fur dieStellgrofien unterstutzt. Diese Regelungen (Fa. SMA) halten die Stellgrofien auchdann stabil, wenn das Energiemanagement z.B. zwecks Umprogrammierung desRegelrechners fur eine begrenzte Zeit ausfallen muB. Die direkt an dieStromschiene gekoppelte Bleibatterie besorgt durch we Pufferfunktionautomatisch den Leistungsausgleich an der Schiene. Die Batterie legt auch dasSchienenpotential in relativ engen Grenzen auf 200 bis 260 V je nach Ladezustandund Polarisation fest und hiIft damit zusatzlich, die Energieflusse in der Anlage zustabilisieren.

Die solarelektrische Leistung wird durch MPP-Regeloogen (maximum powerpoint, Fa. SMA) in den PV-Stellern maximiert. Das Energiemanagement greift hiernur begrenzend ein. Die PV-Leistung ist also eine unabhangige Grofie imRegelungssystem. Die Eingangsleistung des Lastwechselrichters ist auch eineunabhangige GroBe, aufdie das Energiemanagement nicht einwirken darf.

3. Steuerungs- und Regelungsaufgaben des EnergiemanagementsDas Energiemanagement iibernimmt die Aktivierung und Deaktivierung derAnlagenkomponenten. Damit wird erreicht, daB die Komponenten nur dannaktiviert sind, wenn es der Betrieb der Anlage erfordert. Die Aktivierung einerKomponente bedeutet namlich den Beginn der Aufuahme von Ruheenergie uberden Haupteingang sowie von Hilfsenergie tiber den Versorgungseingang der Kom­ponente mit jeweils negativen Auswirkungen auf die Energieeffizienz der Anlage.

Die Regelung der Batterieladung ist die Haupttatigkeit des Energiemanagement.Das Energiemanagement berechnet den Ladezustand der Batterie und verstellt dieEingangsleistung des Tiefsetzstellers oder die Ausgangsleistung desHochsetzstellers so, daB der Ladezustand stets innerhalb vorgegebener Grenzenverbleibt. Dabei sind mehrere Steuervarianten mit besonders bevorzugtenLeistungsbereichen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle auswahlbar,

Eine weitere Energiemanagement-Funktion ist die Begrenzung der Solarleistung.Sie vermeidet im Storfall die Uberladung der Batterie und kann zur Unterdriickungder hochsten.selten auftretenden PV-Leistungsspitzen herangezogen werden.

82

Die Struktur der Anlage mit Energiemanagement, LadungsregeIkreis,Istwertintegration, Gasungskorrektur und unterlagerten Regelungen zeigt Bild 1.

4. Nichtlineare RegelungsstrukturEntsprechend den diversen Anforderungen an die Regelung ergibt sich schrittweisedie Regelungsstruktur [2], siehe Bild 2:

• Ein Funfpunktregler fur die Ladungsregelung und den Schutz der Batterie,ausgeriistet mit einer groBen inaktiven Zone zu den Zwecken eines minimalenEinsatzes und langer Betriebspausen des wenig effektiven Gasspeichersystemssowie geringer Gasungsverluste und der Verroeidung von Tiefentladungen derBatterie.

• Hystereseschleifen d.h. logisch zweideutige Ladungsbereiche zur Minimierungder Anzahl der verlustbehafteten Schaltprozesse von Elektrolyseur undBrennstoffzelle.

• Zeitadaptive Schaltschwellen des Fiinfpunktreglers z.B. zur saisonalenAnpassung.

• Vom Fiinfpunktregler zu aktivierende Steuervarianten z.B. zur Schnelladungoder zur Batterieschonung.

• Zusatzliche pradiktive Regelung z.B. mit Beriicksichtigung vonKurzzeitvorhersagen der zu erwartenden Insolation.

Der Funfpunktregler ist eine Erweiterung des bekannten Dreipunktreglers. Imnorroalen Betrieb wird der Elektrolyseur durch .die bewegliche operativeSchaltschwelle Elop des Fiinfpunktreglers gesteuert und die Brennstoffzelle durchdie bewegliche operative Schaltschwelle FCop. Elop ist so eingestellt, daBverlustreiches Gasen der Batterie verhindert wird. FCop ist so eingestellt, daflange Tiefentladungen verhindert werden. Falls die operativen SchaltschwellenELop und FCop versagen, treten die Schutzschaltschwellen Elprt und FCprt inAktion. Diese dienen z.B. bei unbeaufsichtigem Betrieb dem zusatzlichen Schutzder Batterie und konnen auch festverdrahtet eingerichtet werden.

5. Optimierung der PHOEBUS-Regelungen mittels SimulationDie Wirksamkeit der einzelnen Regelungen und deren Parametergrenzen wurdenmit den Mitteln der Simulation .der PHOEBUS-Anlage untersucht. DieOptimierung der Regelungen erfolgt durch Auswertung von simuliertenGanzjahres-Energieszenarien.

Je groller die inaktive Zone des Fiinfpunktreglers, desto grofser ist zunachst auchdie Energieeffizienz der Anlage, weil das verlustbehaftete Gasspeichersystemseltener zum Einsatz kommt. Allerdings setzen Gasung, Tiefentladung undjahreszeitliche Adaption der Ausdehnung der inaktiven Zone Grenzen.

83

• Obere Begrenzung der inaktivenZone ELopon= 80-90 %• Untere Begrenzung der inaktiven Zone FCopon= 20 % (Sommer), 40 %

(Winter)

Die Hystereseweiten werden unter Beachtung der Schaltfrequenzen undBetriebstemperaturen von Elektrolyseur und BrennstoffzelIe sowie desEnergiedurchsatzes der Batterie optimiert. Groflere Weiten verringem dieSchaltfrequenzen und erhohen die Temperaturen und den Batteriedurchsatz.

• Hystereseweite von FCop= 2.5%• Hystereseweite von ELop= 5.0%• Hystereseweite FCprt, ELprt= 10%

Es folgen die Ergebnisse der Implementierung zweier unterschiedlicher Programmezur Steurung von Elektrolyseur und BrennstoffzelIe. Mit dem Programm (1)arbeiten Elektrolyseur und BrennstoffzelIe zur Minimierung ihrer jahrlichenBetriebsstunden stets bei ihren Nennleistungen. Das Programm (2) minimiert denBatteriestrom. Es veranlaBt dazu den Elektrolyseur zur Ubemahme der aktuelIenEnergieiiberschiisse und die BrennstoffzelIe zur Deckung der aktuelIenEnergiemangel.

STEUERPROGRAMM NR. (1) (2)

• Energieeffizienz(netzgestiizt) 56.41 % 58.65 %• Energieeffizienz(autonom) 41.26 % 42.80%

• Batterie-Eingangsenergie 15.08 MWh 11.11 MWh

• Elektrolyseur-Betriebsstunden 319 h 1127h• BrennstroffzelIen-Betriebsstunden 563 h 1017 h• Mittlere Elelctrolyseurtemperatur 69°C 61°C• Mittlere BrennstoffzelIentemperatur 89°C 89 °C

Netzgestiitzt bedeutet, daB aIle Hilfsenergien als dem Netz entnommen simuliertwerden. Welches der beiden Steuerprogramme vorzuziehen ist, hangt von weiterenUberlegungen ab, die z.B. die zu jeweils zu erwartenden Lebensdauem derAnlagenkomponentenberiicksichtigen.

Im FaIle eines bereits optimierten Energiemanagements bringt eine pradiktiveRegelung mit Verwertung von Wettervorhersagen nur geringfiigigeVerbesserungen.

84

6. ZusammenfassungAm Beispiel PHOEBUS Julich wird gezeigt, daB man das Energiemanagement,also die iibergeordnete Regelung einer autonomen, regenerativenEnergieversorgungsanlage, die mit zwei Energiespeichern ausgeriistet ist,erfolgreich aus regelungstechnischer Sicht entwickeln und optimieren kann. Dazuwird das Energiemanagement als Ladungsregler der Batterie aufgefaBt. Esverwendet die Leistungen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle als Stellgrolsenund benotigt keine Kenntnisse tiber die abhangigen Energiefliisse innerhalb derEnergieversorgungsanlage. Die Hauptelemente des Energiemanagements sind:

• Ein zeitadaptiver Funfpunktregler als Laderegler mit einstellbarenSchalthysteresen.

• Eine gasungskorrigierende MeBeinrichtung fur den Istwert des Batterie­Ladungszustands.

• Wahlbare Steuervarianten fur die ladungskorrigierenden Stellgroflen.• Deaktivierung der AnIagenkomponenten bei Nichtinanspruchnahme.

Die Parameter dieser nichtlinearen Regelungen werden an die unterschiedlichenBetriebsvorgaben fur die Energieversorgungsanlage optimiert. Die Optimierungerfolgt mit den Mitteln der Computersimulation auf der Basis von validierbarenModellen der AnIagenkomponenten.

7. Referenz

[1] Barthels, H. et al.: Phoebus-Juelich: An autonomous energy supply systemcomprising photovoltaics, electrolytic hydrogen, fuel cell.Int. 1. Hydrogen Energy, Vol 23, No.4, pp. 295-301, 1998

[2] Brocke, W.A; Ritzenhoff, P.; Barthels, H.:Systematic Design ofthe PHOEBUS JULICH Energy Management System.Proc. of the lIth World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, 23-28June 1996; Vol. 2, 1191-1096

85

Energy management system

Do w n-co nve rte rinput I?ower

set value

Safar minus loadpowers

U p-co nve rte routput power

set value

Local controls ofelectrolyser

&down-converter

Local controls offuel cell

&up-converter

Actu a lstate

o:fcha rg e

ISOC

Down-converterinput power (-)

Battery power

-1-I Battery I II

Term ina'. voltage,tern perature Battery~urrent•

Gassing currentGassino State of charge

ca Icu latio n current measurement

Bild 1: Energiemanagement mit Ladungsregelkreis

Das Herz des rechnergestiitztenEnergiemanagements ist die Regelungdes Batterieladungszustands. Stellgrofsen sind die LeistungenvonElektrolyse und Brennstoffzelle. Der Istwert des Ladungszustands wird miteiner Korrektur fur den Gasungsstromberechnet.

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Ele elro Iyze rpower

Fueleellpower

ELprtFCprt

-~

Five-step- Controlcontroller schem esand logic

ELopselection

FCop

i iTim e-adaption I

Pre dictive 'co ntro Is

iControl signals ELpre, FCpre

...

t Five-step controller: threshold levels and logic variables

I FCpr~ ,FC,op ,EL,op ~Lprl

f~~:I:~=~:::~~==~K=n=:::~~.~~~~:::::~~::~::~~=n==~K:~~~::~~:::::::~~

I ,~ .,"~~"u":-J~~"-;;r."OC-Ambiguous ranges of state of charge (SOC)

Bild 2: Nichtlineare Ladungsregelungen

Die inaktive Zone des Fiinfpunktreglers rninimiert die Betriebsdauerdes verlustbehafteten Gasspeichersystems.Hystereseschleifen minimieren Schaltprozesse.WahlbareLeistungssteuerprograrnme schonen die Komponenten.

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RUZGAR GULU iMALAn ve ELEKTRiK ENERJisi ELDESi

GOksel KAVASMak. Miih.

Hasan TiRYAKiRuzgar Gnlu Imalatcrsi

OZET

Bu cahsmada; Ege bolgesinde su pompaji amaciyla yaygm olarak kullamlan, halkdilinde ruzgar giilii olarak tammlanan riizgar tiirbinleri incelenecek ve riizgargiillerinin kullamlmasi ile elektrik elde edilmesi konusu islenecektir.

Bu amacla, oncelikle ruzgann i~ yapabilme yetenegi ve etki eden faktorleranlatilacak, daha sonra bu ruzgar enerjisinden yararlanmamizi saglayan ruzgartiirbinlerinin yapisi ve imalatma deyinilecektir. Son olarak da bir ruzgar giiliisecilerek Ege Universitesi Gunes Enerjisi Enstitusu' nde yapilan 1994-1995 yihruzgar hiz olcumleri kullamlarak, bir yilda elde edilecek elektrik enerjisi miktansaptanacaknr.

l.G~

Yillardir tum dunya ulkelerinin uzerinde cahsmalar yaptigi ve onemli bulduklankonu enerjidir. Enerjinin insan yasami icin ne derece onem ta~ldtgJ, tarnsilmaz birgercektir. Aslmda Tiirkiye ruzgar ve gunes gibi bitmek tiikenmek bilmeyen dogalenerji kaynaklanna sahiptir. Rnzgar ve gunes enerjili sistemler, en basta devletin suan elektrik goturmesinin mumkun olmadigi yerlerdeki yerlesim bolgeleri icin veyaelektrik kesintisinin cok oldugu yorelere tavsiye edilir, Sistemin cevreyikirletmeyen, dengeyi bozmayan ve ilk yatinm maliyeti sonrasmda kendini amorteeden bir sistem olmasi, aynca elde edilen enerji miktan bu sistemin tutulmasmisaglayacak ve sistem en kisa zamanda yaygmlasacaktir, Bugun sanayide hicbirdegeri olmayan ruzgargiillerinin tanm islerindeki degeri kucumsenmemelidir.

2. RUZGAR

Ruzgar enerjisinin kaynagi gunestir, Gunesin yer yuzeyini ve atmosferi farkhderecede isrtmasmdan "ruzgar" adi verilen hava akinu olusur, Diinya yiizeyineulasan gunes enerjisinin 33.10 18 kcal/yil degerihava hareketlerine harcanmaktadir,Ruzgar enerjisinin ozellikleri genel olarak sunlardir;

• Atmosferde bol ve serbest halde bulunur.• Yenilenebilir ve temiz bir enerji kaynagidir.• Enerjisi hizmm kiipii ile orannhdir,• Yogunlugu dusuktur.• Enerjisinin depolanmasi, baska bir enerjiye cevrilmesi mumkundur,• Cevre kirliligi yaratmaz.

89

Riizgar, dunyanm yuzeyine gore bagd hava hareketlidir. Havarun dunya yuzeyiiizerinde hareket edebilrnesi icin ona bazi kuvvetlerin etki etmesi gereklidir.Ruzgan doguran ve ruzgann hizina etki eden atmosfer icindeki belli bashkuvvetleri asagidaki gibidir.

• basmc gradyan kuvveti• saptmci kuvvet• rnerkezkac kuvveti• surtunme kuvveti

RED(Riizgar Enerjisi Donusum) sistemleri donusturme tekniginin basit, isletim vebakimmm kolay olmasi nedeniyle, diger enerji kaynaklan arasmda ayn bir avantajasahiptir. Ruzgar enerjisinin mekanik ve elektrik enerjisi kullanmak uzere iki sekildeyararlamhr,

Ruzgar enerjisi, dogrudan veya dolayh sekilde tarih boyunca cesitli alanlardakullamlrms gunumuzde sanayilesmenin temelini olusturan enerji, gittikce artantalebi karsilayabilmesi icin, ruzgar enerjisinden daha fazla oranda yararlamlmasmigetirmektedir. Ruzgar enerjisi mekanik enerjiye cevrilerek, ozellikle su pompajmdayaygm olarak kullam.hr. Su pompajunda hem yatay hem de dusey eksenlisistemlerden yararlam.hr. Bununla birlikte, yatay eksenli sitemler daha cok tercihedilmektedir. Sekil de bu tiirbinlere bir ornek verilmistir,

Ruzgar TurbiniYonlendirici

Su Deposu

Su Borulori

Sekil I: Cok Kanatb Riizgar Su Pompaj Sistemi

Ruzgar enerjisi mekanik olarak, ev kullammi, ciftliklerde hayvanlann su ihtiyacmmsaglanmasi, drenaj ve kucuk olcekli arazi sulama gibi alanlarda kullamlmaktadir,Yatay eksenli ruzgar turbinleri, yuksek htzh ve dii~iik hizh sistemlere aynhr. Busmiflandirmada kanat sayisi ve kanadm aerodinamik yapisi onemli rol oynar.Ornegin dusuk hizh tiirbinlerde kanat sayisi 8-24 arasmda degisir, Yuksek hizhtiirbinlerde ise kanat sayisi daha azdir,

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Cok kanath ruzgar-su pompaj sistemlerinde, turbin safti piston miline dogrudanveya bir disli kutusu yardmuyla baghdir. Disli kutusu ile devri dii~iiriilmii~

sistemlerde daha derinden su cekilebilir, Dusuk hizh sistemlerde ilk hareket 2-2,5mls ruzgar luzmda olusur, Yiiksek hizh sistemlerde ise bu deger 3,5-4 mis' yeulasmaktadir. Bu nedenle, ortalama ruzgar hizmm dusuk oldugu yerlerde, cokkanath sistemlerin kullamlmasi daha uygun olacaktrr.

Gunumuzde, ruzgar enerjisi hem kirsal alanda elektrik enerjisinin yerel iiretim vetiiketiminde, hem de elektrik sebekesinin beslenmesinde kullamhr. Ruzgarenerjisinin elektriksel uygulamasim ucgrupta toplamak miimkiindiir.

• Sebeke baglannh AC uygulamalan• Sebeke baglantisi olmayan AC/DC uygulamalan• Uzak DC sistem uygulamalan

Sebeke baglannli AC uygulamalarmda iiretilen giiciin tamanu veya artan kisrmsebekeye verilir. Ruzgar enerji sisteminin urettigi elektrigin faz ve frekansi ilesebeke degerlerin uyum icinde olmasi gerekir.

Sebeke baglannsiz AC/DC uygulamalannda, sebekeye hie enerji venneden bir veyabirkac yiik beslenir. Tanmsal amach su pompalama, urunlerin kurutulmasi veyasogutulmasi, rsiticilann isletimi, su antma, sogutma ve havalandirma islemleriornek olarak verilebilir.

SEBEKESAYACLARI

SEBEKEDAGIDITIM

TRANSFORMERI~~HAVALl

KESICI cDKREDS ~ CD

~-------+------,KREDS

ASIRIAKIM

KORUMA

MUSTER] YUKDAGITlMPANOSU

Sekil 2: Kii~iik Riizgar Enerji Donii~iimSistemleri(KREDS) i~in SebekeBagIantl ~emasl

Role ve meteoroloji istasyonlan, demir yolu sinyalizasyonu, deniz-hava ulasimsistemleri ve uzak pompa istasyonlan uzak DC uygulamalarma en iyi ornekleridir,Dizel veya gaz jeneratoru kullanan uzakDC 1;tk1~h sistemlerin yerine RED sistemikullarnlmasi, yakit giderlerinde tasarruf saglar. Aynca, surekli bakim-onanmgerektirmeden isletimi miimkiindiir. Bu sistemler uzak yerlesim yerlerinde lSI veyal§OC kaynagi olarak da kullanllabilir.

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3. RUZGARIN is YAPABiLME YETENEGiHareket halinde bulunan her cismin bir kinetik enerjisi vardir. V hizi ile hareketeden m hava kutlesininkinetik enerjisi;

dir.Hava kutlesi In, hava yogunlugufp) ve hareket eden birim hava kutlesininhacmi(Vh)' den olusmakta oldugundan;

olur. Hareket etmekte olan hava kiitlesi, ruzgar giiliiniin A surtunme alanh carkmadikey yonde carpngi zaman, carpan hava kiitlesinin icinde bulunankinetik enerjininbir kismi frenlenir ve frenlenen enerji riizgar giiliiniin cahstmlmasmda kullarnlir.Riizgar carkina carpan havarundebisi(A.V) A ile V' run carpmundanolustugundan,giicii, yani birimzaman da yapabilecegi i~ ise,

Po=(1/2) p (A V) v2

olur. Ruzgar carkmmonundeki ruzgar hizr Vile, ruzgar carkmdaki ortalama rtizgarhizi VI ile ve ruzgar carkmm arkasmdakiruzgar hizi da V2 ile gosterilsin. Bunlaragore ruzgann carkta birim zamanda yapacagibasmc;

S=m (V-V2)=p A VI (V-V2)

ile; ruzgann, ruzgar carkinda birim zamandayapacagi i~ ise,

ile hesaplanabilir. S=m (V-V2 ) esitligiformulde yerine yazihrsa,

m VI (V-V2)= (1/2) m (V2-Vl)

m VI (V-V2)= (1/2) m (V+V2)(V-V2)

buradan;

V1=(1/2) ( V+V2)

bulunur. Buradan anlasildigi gibi ruzgar hizi, carkm onundekive arkasmdaki riizgarluzlanrun toplammm yansma esit olmaktadtr. Yukanda riizgar carkma carpanhavamn birimzamanda yapabilecegii~ icin, yani riizgar gucu icin,

P o=(1/2) P A V3

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.J"

bulunmustu. Riizgann carka dusen gucu, baska bir deyimle, riizgar carkimn teorikgiieii ise, asagidakiesitliklerden bulunabilir.

P ve Podegerleribirbirineoranlamrsa, asagidakiesitlikelde edilir;

Bunun sonueunda max. tiizgar cark giieii olarak;

P = 16·~·y3·Amax 27 2

Bu ifadeye pratik olarak ulasmak imkansizdir, yiinkii olusan kayiplar bizim busitemlerden max. verim almanuzi engellemektedir. Cesitli kanat profillerine goredegisen bu kisma;

P =~.~·VJ·Amax 27 2

P =c ·~·VJ·Amax p 2

Cp, Riizgar Tiirbinlerinin GUy Faktoru' diir.

A.: YiiksekDevirlilik Sayisi

Kanat Ucu Cevresel H1Z1A.=--------

RuzgarH1Z1 Oram

4. RUZGAR GULUNUN YAPISI ve iMALATI

Elektrik iiretimindekullamlaeak riizgar gulu sistemi 3 ana kisimdan olusmaktadir.Bunlar;

1. Pervane2. Alternator veya dinamo3. Akumulator

diir. Aynea bu elemanlannm birbirleriyle baglannlanm saglayan ara elemanlarbulunmaktadtr. (kayis, kasnak, kablolarvs.)

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Sekil 3: Riizgar Giiliinden Elektrik Eldesi

PERVANE:Pervane sistemin en onemli elemarudir. Pervane secimini yaparken cok dikkatetmek gerekir. Bulundugumuz yorenin iklim sartlan, kurulacak sistemden beklenenenerji ve ekonomikligi, pervane secimini etkileyen faktorlerdir, Ornegin, bulunulanyore oldukca ruzgar alan bir bolgeyse ve ruzgann siddeti yiiksekse daha dayamkhbir malzeme kullanmak gerekir. Bu malzeme secimi sistemden beklenen enerjimiktanna gore de degismektedir, Fazla eneIjiye ihtiyaci varsa kanat biiyiikliiguartacak, tabi ki bu da maliyeti arnracaktir.

ALTERNATOR:Alternator gerilim iiretir. A1I$I1dl~ uzere alternator denilen bu gerilim uretecleri,akii tarafindan uyartilan kuctik guclu senkron jeneratorlerdir, Alternator cikismda100-220V arasmda bir altematif gerilim elde edilir. Bu gerilim bir trafo uzerinden12V'luk gerilime dusurulur. Sonra 6 diodlu bir redresor yardmuyla dogru akrmhaline cevrilir. Gerilimi kararli tutmak uzere cesitli tiirde ve yapida gerilimregulatorleri genellikle elektronik devreli olmaktadir. Giiniimiizde alternatorlerdinamolara gore daha cok tercih edilmektedir. Uretim kapasitesi dinamolara oranIadaha yiiksektir. Ozellikle dusuk devirlerdeki yiiksek verimi dolayisiyla tercih edilenbir uretectir,

AKfiMULATOR:Akumulator bilindigi gibi bir sulu pildir. Bittiginde doldurulabilmesi bizim icinbiiyiik bir avantajdrr. Akii sayesinde alternator veya dinamodan elde ettigimizelektrik enerjisini depolamamiz ve daha sonra buradan diizenli bir sekildekullanmarmz soz konusu olmaktadrr.

Bir akumulatorun plakalan tamamen asit cozeltisi icinde olmahdir, Akumulatordecozelti diizeyi dustukce saf su ilave edilmelidir. Doldurulma sirasmda yogunluguartan cozeltinin bosalma sirasmda su olusmasi nedeniyle yogunlugu 1.15 g/cm3

, ekadar dusmektedir, Yogunlugu bu degerden a§~ dusurmemek gerekir.Akumulatorun iki kutbu birbirine dokundurulmamah ve akumulatorden siddetli

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akunlar almmamahdir, Yanhs kullamhrsakursun plakalar egilir ve bozulur. Iste bunedenle sistemimizi kurarken ihtiyacirmz olan enerji miktanm belirlemeli ve bunagore kay tane akumulator kullanacagmnzr tespit etmeliyiz. Akumulator tam §aIjedilirken icine konulacak asit saf olmah, tortu birakmamahdir. Akumulator daimakuru ve temiz tutulmahdir arasira kapak ve kutup baslan temizlenmelidir. Dogrukullarulmasi durumunda akumulatorun omru uzun oIacak bu da bize kuracagnmzsistemde daha uzun sure sorunsuz verim almanuzi saglayacaktir. Sistem oldukcabasit uygulamasi kolay ve ilk maliyeti haricinde cok fazla bir yiik getirmeden uzunsure kullamlabilecek bir enerji kaynagidir, Bir ruzgar gulu yapmu §U sekildegerceklesmektedir.

4.1 PERVANE YAPIMIPervane dedigimiz kisimkanatlar, kanatlann oturma yerlerini olusturan gobek iy vedis cember lamalan, bu cember lamalanm tutan aynca pervane kismmm iskeletiniolusturan gobek lamalan, pervanenin dondurdugu miluzerinde oturmasiru saglayangobek borusu ve gobek lamalanm gobek borusuna sabitleyen gobek saclanndanolusmaktadir, Asagidapervane ve kisimlan gorulmektedir. .

GOBEK DISLAMASI

OGOBEK IeLAMASI

PERVANE

PERVANEISKELETI

KANAT

~ekil 4: Pervane ve Ktsrmlari

Pervane yapimmda 12 kanath olanlar daha cok tercih edilmekle birlikte 16 kanatholarak da yapilmaktadir, Yalmz burada suna dikkat edilmesi gereklidir ki 0 dakanat adedi arttikca gUy artmakta, devir dusmektedir. ilk once pervane kismmiolusturan parcalar tek tek hazirlanmakta, belirlenmis olculerinde kesilmekte,ktvrtlmakta ve birlestirmeye ham hale getirilmektedir. Kanatlar asagidakiolculerinde 12 adet kesilir.

95

KANAT

or-,

.5PERVANEI K TI

~ekil 5: Kanat ve OI~ii1eri

Pervanenin iskeletiniolu turan obek lamalan;

~ekil 6: Pervane Iskeieti

Gobek dis lamr=al=an~;~~ ,

Sekil 7: GObek DI~ Lamasi

Gobek i~ lamFal;:.:.an~;~~ --,

N

GOBEK rcAMA I

~ekil 8:GObek i~ Lamasi

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Gobek borusu;

GOBEKR

Sekil 9: GObek Borusu

Gobek saci;

KALlNLlK 2

SekillO: GObek Levhasi

Birlestirme isleminde once drs ve iy gobek lamalan uzerinde kanatlannkaynatilacagi noktalar(kanat arahklan) belirlenir. Sekil verilmis kanatlar sira lieonce dis gobek lamasma gecirilir ve kaynak edilir. Soma dis gobek lamasi cemberhalinde deliklerinden crvatalar gecirilerek crvatalarur. i y gobek lamasnkanatlannoturacagi cember) da cember haline getirilerek civatalamr ve dis cemberin icineoturtularak, dis cember uzerine yerlestirdigimiz kanatlann tabanlan bu gobek iccemberlerinin uzerine kaynanhr. Bukulmus ve deligi delinmis gobeklamalan(pervanenin iskeleti) sirayla gobek dl~ cemberinin uzerine oturtularak onacivatalamyor, Gobek lamasmm uzerine gobek iy dikmesi kaynak edilerek, gobek iycemberine civatalarla baglamyor. Daha soma gobek saclanna gobek borusununcapmda bir delik acarak bu iki saci gobek borusunun iki ucuna kaynatmz. Soma buparcayi ozel bir aparata gecirerek daha once hazirladigmuz kanat kisrmm bugobege dort gobek lamasmm uclanndan kaynatmz.

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4.2 ARA SiSTEMiN HAZIRLANISI<1>25' lik demirden 550 ve 750mm' lik iki adet mil kesilir. 600*500' 10k, kahnhgiIOmm olan ince bir levha ara sistemin tabarum olusturacaknr, Sistem sekildeoldugu gibi sematize edilebilir.

BOSCH14 V45 A

ALTERNATOR

PERVANE

KAYIS

YATAK

KASNAK

Sekilll: Ara Sistem Semas;

Semadan da gortildOgu gibi sistem 4 kasnak, 4 yatak ve iki tane kayiskullamlmaktadrr. l.mil(55cm uzunlugunda) sekildeki gibi iki noktadan yataklanmisve l.kasnak(350mm capmda) mile gecirilmistir, Milin uc kismma pervaneyerlestirilmis ve bu pervanenin cikmamasr icin milin ucuna dis acilarak somunbaglanmisnr.2.milin iki ucuna kasnaklar baghdir ve bu ikisinin arasi iki adet rulmanlayataklanmtstir. l.mildeki 350mm' lik kasnaktan V kayisla 2.mil, 60mm capmdakikasnakla tahrik edilir. 2.milin diger ucundaki kasnak 300nim capmdadir ve bukasnak alternatorun miline baglr olan 60mm capmdaki kasnagi tahrik eder. Boylecealternator tahrik edilmis olur. Alternator yaklasik 1000 devir/dakika donmesihalinde enerji iiretmeye baslamaktadir. Pervane 100 devir/dakika da donersearadaki sitemin cevrim oranmdan;

i l=D:z/DI=300/60=5, h=DJD3=350/60=5.833, i= il*h=29.167,

I1G= I1G*i=IOO*29.167=2917devir/dakika, verimi 0.85 ahrsak cyoo§ devri; I1G=2500devir/dakika olur.Alternatorden e1de ettigimiz eneIjiyi 2 adet 200Ah'likakumulatorde depolanz.

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5. TURKiYE'DEKi RUZGAR POTANSiYELi ve ENERJi ANALizi

Turkiye'de bazi yorelerde yapilan ruzgar oleum sonuclanna gore veBornova/iZMiR'de yapilan olcumlerde elde edilen verllere gore bir ruzgartiirbininden saglanan enerjinin ekonomikligi, Turkiye'nin bu enerjiden yararlanmaverimini inceleyelim.

Tablo 1: EiE Riizgar GOzlem istasyonlannm Ayhk Ortalama Hizlari

isT.ADI YIL 0 Is M N M H T A E E K A

1994 7.8 7.4 7.6 6.4 4.5 5.4 8.2 6.1 6.1 7.2 7.4 6.5

GOk~eada 1995 9.3 7.5 7.7 5.7 6.9 4.6 7.4 6.6 5.3 8.4 6.7 8.3

1996 8.6 8.6 8.1 4.5 5.5 6.0 7.3 6.4 5.2 6.2 6.9 8.2

1997 7.4 7.7 7.7 6.1 -- -- - --- - 7.8 5.9

1993 6.5 6.5 5.2

1994 5.1 5.5 7.6 5.8 5.3 8.0 10.1 8.8 6.6 5.0 7.7 5.2

Akhisar 1995 6.3 6.7 6.9 4.9 6.9 4.4 10.4 8.1 5.4 8.1 5.0 6.6

1996 - 6.3 8.5 5.8 4.5 8.6 9.5 8.6 4.3 5.4 4.6 6.8

1997 5.4 6.6 8.4 5.3 - - -1993 3.7 4.3 5.4 4.5 4.3 3.4 6.8 5.1

1994 4.8 5.0 5.4 4.5 4.5 5.5 4.7 5.3 3.6 3.9 6.3 5.6

Didim 1995 6.1 5.1 5.6 4.0 3.8 3.4 5.7 4.5 4.1 4.3 5.3 5.7

1996 4.9 5.0 6.0 5.1 3.6 5.1 4.8 4.5 3.9 3.8 4.4 5.3

1997 5.1 5.6 5.5 5.1 3.5 3.9 4.8

1994 9.5 7.3 6.7 11.1 8.5

Kocadag 1995 10.1 9.4 9.8 6.4 8.5 4.9 10.7 8.0 6.4 9.2 8.3 11.1

1996 9.1 10.0 9.8 7.2 .6.2 9.4 9.9 8.5 6.4 7.3 8.3 10.1

1997 9.2 8.8 10.3 7.8 6.3 6.5 7.5 8.6 9.6 9.6 6.4 10.0

1994 6.8 7.0 5.3 4.6 6.7 5.9

Da~a 1995 5.1 5.8 5.6 5.4 5.2 5.1 7.5 8.3 6.2 5.9 5.0 4.9

1996 5.6 - -- 5.5 5.1 6.7 8.0 -- - - -- 4.4

1997 5.1 6.4 6.2 6.3 4.8 7.0 6.5

1994 10.6 6.9 4.5 5.9 5.5

Belen 1995 4.5 4.9 5.5 5.7 6.1 9.4 10.4 11.3 9.0 5.1 4.7 4.4

1996 6.1 5.6 4.4 5.6 7.3 8.1 11.5 10.4 7.6 5.4 5.2 4.5

1997 5.6 3.4 4.1 4.1 - - 10.7 11.8 7.0 4.4 5.0

Yahkavak 1996 7.1 6.6 5.5 5.2 5.3 6.95

1997 6.02 7.69 6.78 7.84 5.7 5.8 6.6

Sake 1996 3.8 6.4 6.7 6.5 3.0 3.6 3.2 3.5

1997 4.2 4.4 4.5 3.4 3.7 5.1 5.2

Sinop 1996 5.7 4.4 4.9 5.3 3.8 4.6 4.4 5.5 4.4

1997 5.7 4.8 4.6 5.3 4.4 4.5 4.9 4.2 4.5 3.9 4.2

Ei!ridir 1997 6.0 7.3 4.4 3.7

99

y ilhk ortalamalar dikkate almdigindaelde edilenveriler asagrdadir:

Tablo 2: Y.Ulk OrtaIama

YILLIK VERiLERE GOREisTASYON ADI YIL ORTALAMA (m/s) YAKLASIK ORTALAMA (m/s)

1994 6.72GOk~eada 1995 7.03 6.911

1996 6.791997 7.101993 6.071994 6.73

Akhisar 1995 6.64 6.4971996 6.631997 6.431993 4.691994 4.93

Didim 1995 4.80 4.7801996- 4.701997 4.791994 8.62

Kocadag 1995 8.57 8.5221996 8.521997 8.38

Datea 1994 6.051995 5.83 5.9521996 5.881997 6.041994 6.68

Belen 1995 6.75 6.6181996 6.811997 6.23

Yahkavak 1996 6.11 6.3711997 6.63

Siike 1996 4.59 4.4731997 4.36

Sinop 1996 4.78 4.7071997 4.64

Eiridir 1997 5.35 5.35

Bu verileri sonucunda anlasildrgi iizere,iilkernizde iyi duzeyde ruzgar alanbolgelerimiz mevcuttur.

SimdiEge Universitesi Gunes Enerjisi Enstitusu'nde 1994-1995 ytllannda yapilmisruzgar oleum sonuclanna goreftablo 2) 0 yorede kurulabilecek bir ruzgarturbininden elde edilecek enerji iizerine bir inceleme yapahm. Bu arasnrmadakullamlacak sistemin fiyat listesi bir firmadan ahnmisnr.

100

Ruzgar guhi:12 kanath,Do=2 In, Cp=O.3 (elektrik uretimi icin kullamlan cok kanath ruzgar gulu)Hava : p=1.29 olarak alahm.

Tablo 3: Bornova'da Kundabilecek Bir Riizgar Tiirbininden Elde EdilecekEnerji

Riizgar Htzl Esme Siiresi Gii~ P-=1/2.p.Cp.O.78.Do2.y 3 Enerji E=P. At

Yvelrmls] (saat)[b] (watt)(W] (Joule)[Whl

0.5 1474 0 01.5 1459 0 02.5 1301 0 03.5 1348 25.88 34892.304.5 1422 55.01 78229.895.5 975 100.444 97932.826.5 473 165.797 78421.797.5 197 254.694 50174.798.5 76 370.760 28177.739.5 20 517.614 10352.2910.5 13 698.881 9085.5U.5 2 918.183 1836.4

Yukandaki tabloda ruzgann hizi, bu 1uzda estigi sureler verilmis ve aynca buhtzdaki bir ruzgarda tiirbinin uretecegi alarna gore elde edilen guc ve elde edilenelektrik enerjisi miktan verilmistir, Burada dikkat edilecegigibi 3.5 mls den dusukhtzlarda tiirbinden akim elde edilememektedir. Bu luzlardaki ruzgarlar bize faydasaglayamamaktadir, 3.5 mls ve ustundeki luzlarda elde edilen yilhk enerji toplann389103.51 ws, yani 389.104 kWh' dir.

Fiyatlar:turbin 800 DMregulator: 203 OMakii : 315 OMyukandaki fiyatlara KDV dahil degildir.tesis baknn masraflan: 500 OMsistemin kullamm suresi: 10Yllher 3 yilda bir kez aka degistirilmektedir. Bu nedenle,10/3-1=3.33-1=2.33 ~ 2 akii degistirilir.tesis maliyeti=tOrbin+regiilator+akii

= 800+ 203+315=1318 OM

KDV dahil1515.7 OM olmaktadtr,

101

Toplam giderler=tesis maliyeti+baIam masraflan= 1515.7+500+2*315= 2645.7 DM

Birim kWh basma dusen maliyet:

ToplamGiderler

YI1hkEneIjiEldesi . Sistemomru

olarak bulunur.

=2645.7/ (389.104*10)=0.761 DMlkWh bulunur.1 DM = 142 000 TL olduguna gore,birim kWh eneIjiye dusen maliyet 0.680*142 000 =96560 TL

Evlerde kullandigmuz elektrigin fiyan 15 344* 1.15=17 645 TL olarak bulunur.Bu yoredeki ortalama riizgar hizmr bulacak olursak;

bulunur. Tablo 3'den de goruldugu gibi Turkiye'deki bazi bolgelerde riizgardandaha iyi diizeyde yararlanabiliriz. Bomova' daki riizgar hiz degerlerinin Tiirkiye'Din bircok yerindeki riizgar hiz degerlerinden dusuk oldugu actknr, Buradanhareketle incelenen riizgar giilii ile, ortalama riizgar h1Z1 6.44 mls alarak aymsekilde hesaplama yaparsak (Tiirkiye' Din bir cok yerinde bu ortalama hiza sahipyorelerimiz mevcuttur) IkWh elektrik enerjisi maliyeti 20 732 TL olmaktadir,

6. SONU(;Ruzgar enerjisinin cevreyi kirletmemesi, tiikenmeyen bir kaynak olmasi, .enerjisinindepolanabilir olmasi ve bu enerjiyi diger enerji tiirlerine(yani mekanik ve elektrikenerjisi) donusturecek riizgar giiliiniin imalatmrn basit olmasi bizi bu kaynagikullanmaya tesvik etmektedir. Elektrigin ulasmadigi ve belli bir plan cercevesindeuzunca bir siire ulasamayacagi yorelerde, ozellikle tanm sektorunde kullarulmasrtavsiye edi1ir. Bu cahsmada standart olarak Ege Bolgesi'nde iiretilmekte olan 12kanath bir riizgar giilii incelenmis ve Bomova' daki riizgar sartlannda IkWhelektrik enerjisinin 96 560 TL' ye mal oldugu gosterilmistir, Bomova' daki riizgarhiz degerlerinin Tiirkiye' Din bircok yerindeki riizgar hiz degerlerinden dii~iik

oldugu aciknr. Buradan hareketle incelenen riizgar giilii ile, ortalama riizgar luzi6.44 mls alarak hesaplama yaparsak(Tiirkiye' Din bir cok yerinde bu ortalama hizasahip yorelerimiz mevcuttur.) IkWh elektrik enerjisi maliyetinin 20732 1L olacagigorulmustur. Bu fiyat dikkat edilecegi iizere evlerimizde kullandigirmz elektrigeodedigimiz fiyata yakmdtr. Bu nedenle Ege Bolgesi'nde daha cok su pompajmdakullamlan ruzgar giillerinin, uygun yer secimi kosulu altmda, elektrik enerjisinde dekullamlabilecegi anlasilmaktadir.

102

KAYNAKLAR

[1] HAU, Erich: "Windkraftanlagen", ISBN 3-540-57430-1, Springer Verlag,Berlin, 1996.

[2] Elektrik IsleriEtudldaresi: "Ruzgar EneIjisi",Ankara, 1992.

[3] YAVUZCAN, Go: "Tanmda Dogal Enerji Kaynaklan", 20 Baski, AnkaraUniversitesi Ziraat Falco Yaymlan: 876, Ankara, 1983.

[4] niNC;:ER, Ho: "Tanmsal Kuvvet Makinalan", Ankara Universitesi ZiraatFakiiltesi Yaymlan: 751, Ankara, 1981.

103

Modellbildung und Simulationsmethodik fflr regenerativeEnergiesysteme

W.A. BROCKE, H. BARTHELSForschungszentrum JOlich, Deutschland

1. EinleitungDie fur die Julicher dezentrale Photovoltaik-Wasserstoff-BrennstoffzellenanlagePHOEBUS eingesetzten Verfahren der Modellbildung und rechnergestiitztenSimulation konnen auch bei anderen regenerativen Energiesystemen eingesetztwerden. Mit diesen Verfahren lassen sich mehrere Problembereiche behandeln.Zum einen eignen sie sich fur die simulatorische Struktur- und Parameterauslegungder Energieversorgungssysteme. Zum anderen werden sie fur den Entwurf desEnergiemanagernents und zur Untersuchung der unterlagerten Regelungeneingesetzt. Wegen der nichtlinearen Eigenschaften von Energiesystemen findet dieSimulation bevorzugt im Zeitbereich statt. Fiir die regelungstechnische Simulationbenotigt man von den Anlagenkomponenten Modelle, die den vorgegebenen Simu­lationszwecken entsprechen.

2. Allgemeine ModeUeigenschaftenDie Modellbildung erfolgt nach den in der Regelungstechnik bewahrtenGrundsatzen. Dernnach setzen sich die Modelle aus ruckwirkungsfreien Blackenzusarnmen, die durch Signalpfade verbunden werden. An die Signalpfadeangebrachte Pfeile geben die Richtungen der Signalfliissean, wobei zu beachten ist,daB die Richtungen der Signalfliisse nicht immer mit den Richtungen der Ener­gieflusse iibereinstimmen.

Fur jede Kornponente der Energieversorgungsanlage enthalt das Anlagenmodell jeeinen validierbaren Modellblock, siehe Bild 1. Zur Erleichterung der Validierungbeschrankt sich das Anlagenmodell rneist auf Leistungs, - Ladungs- undEnergiegrofsen und vermeidet auBer bei Batterie, Brennstoffzelle und PV-Feldkomplexere Modellstrukturen. Die Verkniipfung von Ein- und Ausgang einerKomponente geschieht mittels statischer Leistungsiibertragungsfunktionen,teilweise mittels inverser Ubertragungsfunktionen, wenn es die Richtung desregelungstechnischen Signalflusses so vorlangt. Diese sind z.B. polynomischeNaherungen von Messungen an den realen Komponenten. Von den schnellen,unterlagerten Leistungsregelungen werden lediglich ausgeregelte Zustande in Formvon ProportionalgIiedern dargestellt. Die Modelle von Elektrolyseur undBrennstoffzelle enthalten dynarnische Untermodelle fur die Betriebstemperaturen.

105

3. Simulationsprogramme fiir Windows 95/NTDie Programme sollen in der Lage sein, sowohl zeitlich kontinuierlich (Differential­gleichungen) als auch zeitlich diskret (Differenzengleichungen) zu simulieren. Siesollen nichtprozedural sein und hierarchisches Modellieren ermoglichen. Furregenerative Energiesysteme eignen sich sowohl die grafischen Blockdiagramm­Simulatoren als auch die alIgemeinen Simulationssprachen [1].

Ein beliebter Blockdiagramm-Simulator ist SIMULINK, eine Erweiterung vonMATLAB [2], einem interaktiven Programm :fur Matrixmanipulationen undnumerische Berechnungen. SIMULINK bietet eine intuitive grafischeBenutzeroberflache. Kostenlose Konkurrenzprodukte sind SCll.-AB [3] und baldauch OCTAVE [4]. SCll.-AB hat den Blockdiagramm-Simulator SCICOS als Auf­satz. MATLAB, SCll.-AB und OCTAVE konnen komplexe Zahlen verarbeiten undeignen sich daher auch gut fur die Simulation von linearen oder linearisiertenSystemen im Frequenzbereich. Dazu bieten MATLAB und SCll.-AB umfangreicheEntwurfs-Toolboxen. Blockdiagramm-Simulatoren eignen sich nicht besonders gutfur die Modellierung von elektrischen Schaltungen und Netzwerken.

Zu den alIgemeinen Simulationssprachen gehort SIMNON [5], das bei PHOEBUSerfolgreich eingesetzt wird. SIMNON ist ziemlich klein und leicht bedienbar. DieModellierung erfolg per Text.

SIMNON ist nichtprozedural strukturiert gemiill den Festlegungen derSimulationssprachen fur kontinuierliche Systeme. Es gestattet den nichtgrafischenblockweisen Autbau umfangreicher Regelungssyteme. Es verfugt iiber eineumfangreiche Kommandosprache zur Steuerung der Simulationsablaufe,

4. Die KomponentenmodeUe der PHOEBUS-AnlageDie Infonnationen uber die Komponenten, wie sie zur Modellbildung benotigtwerden, beruhen teilweise auf Angaben der Hersteller und zunehmend auch aufMessungen an und Erfahrungen mit PHOEBUS. Viele Modelle sindbetriebsbegleitend validierbar.

Elektrolyseur:(Wirkungsgradkurve siehe Bild 3 unten)Steuerung und Begrenzung der elektrischen Eingangsleistung, temperaturab­hangige, nichtlineare Leistungsubertragungsfunktion, thermisches Teilmodell 1.Ordnung mit Temperaturbegrenzung, Schutzleistung, Hilfsleistung.

TiefsetzsteUer:(Wirkungsgradkurve siehe Bild 3 oben)

Steuerung der Ausgangsleistung, lineare Leistungsiibertragungsfunktion,Ruheeingangsleistung, Hilfsleistung.

106

BrennstotTzelle:Steuerung und Begrenzung (Strom, temperaturabhangiger Innenwiderstand) derelektrischen Ausgangsleistung, temperaturabhangige, nichtlineare Leistungs­iibertragungsfunktion, thermisches Teilmodell 1. Ordnung, Temperaturbegrenzung,Ruheeingangsleistung.

Hochsetzsteller:Steuerung der Eingangsleistung, lineare Leistungsubertragungsfunktion,Ruheeingangsleistung, Hilfsleistung.

Bleibatterie:(ill-Kennlinien sieheBild 2)Gesteuerter Eingangsstrom, Ladungszustand, strom- und ladezustandsabhangigeKlemmenspannung, temperatur- und spannungsabhangiger Gasungsstrom,Hilfsleistung.

Gasspeicher:Gesteuerte Ein- und Ausgangsleistungen, Pufferbehalter, Hochdrucktank, interngeregelter pufferdruck, Kompressorantriebsleistung, Hilfsleistung.

PV-Steller:Gesteuerte Eingangsleistung, nichtlineare Leistungsubertragungsfunktion,Hilfsleistung.

Inverter:Gesteuerte Ausgangsleistung, nichtlineare Leistungsubertragungsfunktion,Ruheleistung.

Solarelektrische Leistung:An PHOEBUS gemessene Zeitreihen mit den Stundenwerten der MPP-geregeltenLeistungssumme alIer4 PV-Felder.

Nutzlast der Zentralbibliothek:An PHOEBUS gemessene Zeitreihen mit den Stundenwerten der Ausgangsleistungdes Inverters. Lastabgleich auf ausgeglichene energetische Jahresbilanz desGasvorrates.

5. Simulierte JahreszenarienZur Untersuchung der ganzjahrigen Energieflusse einer regenerativen Anlagewerden Jahresszenarien simuliert. Dazu stattet man das Anlagenmodell mit denZeitreihen der solarelektrischen Leistungen und der Verbraucherleistungen aus. EinBeispiel fur das grafische Ergebnis eines Jahresszenarios zeigt Bild 4. DasAbtastinterval des Energiemanagements liegt bei 6 Minuten. Das Szenario gibt diewichtigsten Variablen des Anlagenmodells wie Ladungszustand der Batterie,

107

Wasserstoffvorrat, Energien von Tief- und Hochsetzsteller, PV-Energie undEnergieentnahrne durch den Wechselrichter wieder.

Die Auswertung der mit den simulerten Jahresszenarien ermittelten Resultate fuhrtauf eine Reihe von aufschluBreichen Kenngrelien zur Beurteilung desenergetischen Verhaltens der Anlage und seiner Komponenten.WichtigeKenngrofien sind Energieflusse, Energieeffizienzen, Betriebsstunden,Aktivierungen, Hilfsenergien und energetische Wirkungsgrade.

6. ZusammenfassungEine zeitraffenden Simulationsmethodik dient der Optimierung derAnlagenparameter und dem Entwurf des Energiemanagements. Als Simulations­und Entwurfswerkzeug dient SIMNON [5], ein vielseitiges Windows-Programmzur Simulation von Regelungssystemen. Die Dauer der rechnergestiitztenSimulation eines Jahresszenarios in Zeitschritten von 6 Minuten betragt auf einemPC mit einem 200 MHz-Pentiumprozessor ca. 3 Minuten.

Die Modelle der durchweg nichtlinearen und teilweise zeitvariantenAnIagenkomponenten sind entsprechend dem vorgegebenen Simulationszweckentworfen worden. Durch Wahl von bevorzugt abgeleiteten Dimensionen (yV, Wh,Ah) fur die Modellgroflen ergeben sich moglichst einfache Modellstrukturen, diedie Validierbarkeiten der Modelle unterstiitzen.

Mit simulierten Jahresszenarien werden die Auswirkungen unterschiedlichoptimierter Regelungen auf das Betriebsverhalten der Gesamtanlage und ihrerKomponenten vorhergesagt. So konnen z.B. friihzeitig Aussagen uber den zuerwartenden Jahresnutzungsgrad eines regenerativen Energiesystems gemachtwerden.

Die Simulationen geben auch Auskunft uber die zweckmaBige Wahl derEingriffsfrequenz des rechnergestiitzten Energiemanagements. DessenAbtastintervalle durfen ohne wesentliche Nachteile fur den Betrieb der Anlage aufviele Minuten ausgedehnt werden.

7. Referenzen

[I] Otter, M.; Cellier, F.E.: Software for Modeling and Simulating ControlSystems. In The Control Handbook, Hrsg. von Levine, W.S., Springer ­Verlag 1997,415-428.

[2] MATLAB/SIMULINK http://www.mathworks.com[3] SCILAB/SCICOS http://www-rocq.inria.fr/scilab[4] OCTAVB http://www.che.wisc.edu/octave/octave.html[5] SIMNON http://www.sspa.se/document/simnon/simnon.html

108

Pba

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~Psetel, Psetfc, SEL, SFC, SSL, Paux

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Bild 1: Signalflu8diagramm der PHOEBUS-Anlage

109

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-150

Bild 2: Statisches Teilmodell der Bleibatterie. Klemmenspannung Uba alsFunktion des Klemmenstromes Iba. Parameterist der Ladungszustand (SOC).

110

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0,8

0,7

0,6

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Temperatu e 30-80 degC

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Bild 3 oben: Leistungswirkungsgrad 11do des Tiefsetzstellers alsFunktionder Ausgangsleistung PoutdJkW.

Bild 3 unten: Temperaturabhangiger Leistungswirkungsgrad 11.1 desElektrolyseurs als Funktionder Eingangsleistung Pin.l.

111

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SOCVh2 [m']Windo [kWh]Woutup [kWh]Wpv [kWh]w., [kWh]

Bild4: Grafische Darstellung von Variablen einessimuliertenJahresszenarios.

Ladungszustand der BatterieInhaltdes WasserstoffspeichersEingangsenergie des TiefsetzstellersAusgangsenergie des Hochsetzstellers

- Elektrische Energiesumme der PV-FelderAusgangsenergie des Wechselrichters

112

GUNE~ piLi ENERJi SiSTEMLERi VE EiE'NiN UYGULAMALARI

Aysun oZDEMiRElektrik Isleri Etut Idaresi Genel Mtidtirltigu

1. ctatsFotovoltaik etki bilim dunyasmda ilk kez 1839'da kesfedilmis, ancak bu etkidenyararlanarak l~lgl elektrige donusturen aygitlar yapilmasi buyuk olcude 20.yuzyilda gerceklesmistir. Enerji amaciyla ilk kez 1950'lerden sonra uzaydauydulann gUl; gereksinimini karsilamakta kullarnlan fotovoltaik moduller (gunespili modulleri), 1970'lerden sonra da yeryuzeyinde ozellikle elektrik sebekesininolmadigr yerlerde, genellikle kucuk gucte enerji taleplerini karsilamadakullamlmaya baslanmistrr. 0 tarihten bu yana, ganes pili modullerinde verimartmis, Watt basina maliyet azalmis, enerjinin neden oldugu cevresel kirliligin dedikkate almmasiyla gunes pilleri kendine ozgu ve giderek genisleyen bir kullarumalam olusturmustur,

2. GUNE~ piLi ENERJi SiSTEMLERiNiN UYGULAMALARIGunes pillerinin kullamm alanlan, yeryuzeyinde kullamlmaya baslandigi1970'lerden bu yana degisik yonelimler gostermistir. Fotovoltaik sistemleroncelikle; yerlesim yerlerinden uzakta yer alan haberlesme istasyonlan, denizcilikuygulamalan ve katodik koruma gibi sistemlerde kullanilmistir. 1980'lerdemegawattlar gucunde santrallar kurma girisimleri olmussa da bunlar, aymdonemde azalan petrol fiyatlan nedeniyle bir sonuca ulasamamis, bunun yerine,sebekeden uzak yasayan, kirsal kullarucilara yonelik bir pazar olusmustur.1990'lardan bu yana ise sebekeye bagh sistemlerde artma gorulmektedir. Bugelisim icinde gunes pili uygulamalan ~u sekilde gruplandinlabilmektedir:

Profesyonel Uygulamalar (Endustriyel-Askeri): Haberlesme istasyonlan,sinyalizasyon-uyan aydmlatmasi, kopruler, binalar ve born hatlanmn katodikkorunmasi, asr ve ilac saklama amach sogutucu ve donduruculann cahstmlmasi,mera citlerinin elektriklendirilmesi, orman gozetleme kuleleri, tasmabilir askericihazlann cahstmlmasi, trafik sinyalizasyonu, otoyol acil yardrm sistemlerinincalistmlmasi, havacihkta sinyal amach istklandrrma, meteoroloji istasyonlan,deniz fenerleri, deniz suyundan tuz antma, acik denizdeki acil yardim hizmetleri,petrol ve dogalgaz platformlan uzerindeki cihazlann calrstmlmasi. Bu sistemleringucleri genellikle bir kac yuz wattan bir kac kilowatt'a kadar degisir, guvenilircahsma onemlidir,

Ktrsal Kullarnm: Belirli bir cihazi cahsnrmaktan cok, insanlann gunlukyasamdaki enerji talebini karsilamakuzere kullamltrlar. Su pompalama, su antma,TV-radyo cahsnrma, aydmlatma, sogutma, koy elektriklendirmesi, kamping, dagevleri , milli park tesislerinde kullamm gibi.

113

Sebekeye Bagh Sistemler: Santrallan desteklemek icin kurulan buyuk olceklisistemler ve evlerde sebekeyle paralel cahsan kucuk guclu sistemler seklindedir.Birinci tiptekilerin sebekede gerilim dusmelerini onleme, pik yukleri karsilamagibi bir takim yararlan olacaknr. Evlerin canlanna yerlestirilen sebekeye baghsistemler cevreye duyarhligm da etkisiyle Avrupa ve Japonya'da yaygmdir.

Tiiketiciye yonelik urunler ve ozel uygulamalar: Bahce aydinlatma setleri,tasmabilir radyo, giivenlik sistemleri, uydularda kullamm, hesap makineleri,saatler, arabalarda kullanim, bina kaplama.

Diinyada kurulu gunes pili modiilii giicii 1994 yilmda 400 MW idi ve bu miktar0,5 TWh enerjiye karsihk gelmekteydi. Tahminlere gore onumuzdeki on-yirmi yilicinde uygulamalar agirhkh olarak sebeke baglannh sistemlere kayacaktrr. ABEnerji Genel Mudurlugu'nun projeksiyonlanna gore 2010 yilmda gunes pilipazanmn %30'u merkezi olarak sebekeye bagh sistemlerden, %20'si evlerdesebekeye bagh sistemlerden ve geri kalan %50'si de bagimsiz sistemlerdenolusacaknr. (1)

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p.J Pazaln Gerl§ini~: ''lM1fdt'icePIfoSk£i GrJIJh';~ inPV, JtJy1fXJ4.

Sekil I, Kullamm Alanlanna Gore Gunes Pili Pazan

114

3. SiSTEM OOZENLEMELERiGunes pili modiilleri; invertorler, akiiler, akii sar] duzenleyicileri, ve benzeri digerelemanlarla birlikte kullamlarak bir enerji talebini karsilamakta kullamhrlar.Cahstmlacak yiikiin ozelligine gore sistemlerde depolama yapihp yapilmamasma,DC ya da AC yiik kullanilmasma bagh olarak sistemler duzenlenir, Bu acidangunes pili sistemleri oncelikle sebekeye bagh olup olmamasma gore ikiyeaynlabilir:

• Sebekeye Bagh SistemlerMerkezi olarak sebekeye bagh sistemlerKucuk olcekli ev sistemleri (dagmik sistemler)

• Bagimsiz Sistemler: Bu sistemler de kendi aralannda guc talebinin DC yada ac olmasma ya da sistemde enerji depolamasi yapihp yapilmamasma bagholarak;

Aku bulunan / Aku bulunmayan sistemlerDC-AC sistemler

olarak gruplanabilir. Sebekeden bagimsiz bir sistemin genel blok semasi Sekil-Zve sebekeye bagh sistem semasi ise Sekil-J'de gorulmektedir.

Gune§ PiliModulleri

I :

!Denetim Biriml j: ACI I

I I - YOklerLJ '---------D~AC :~r'------'

AkumUlator(::n,hll

Sekil 2. Bagimsiz Gunes Pili Sistemi Genel Semasi

Bagimsiz sistemlerin cok buyuk cogunlugunda akumulator kullanarak enerjidepolamr, bu akumulatorun sar] olmasmi bir §arj denetleyici duzenler, yiik ac iseinvertor kullamlarak 220 V-50 Hz elektrik elde edilir, yiik DC ise dogrudan

115

baglanti yapihr, ancak araya yine de bir gerilim diizenleyici, ya da konvertorkonulmasi gerekebilir.

Akumulator kullamlmayan uygulamalar yalmzca talep ile ganes enerjisinin eszamanh oldugu; su pompaji, vantilator gibi uygulamalardir, Bu acidan gunes piliile su pompaj sistemleri diizenleme bakirmndan en esnek sistemlerdir, Bunlar hemDCIAC, hem akiilii/akiisiiz kurulabilirler.

4. SiSTEM BiLE~ENLERi

4.1 Gune!} Pili ModulleriTicari gunes pili modiillerinde performans verilerini gosteren etiketler ve buetiketlerde pilin acik devre gerilimi, kisa devre akirm, en yiiksek guc noktasindaakim, gerilim ve gucu gibi bilgiler bulunur. Bu degerler, genellikle pilin standarttest kosullanndaki, bazen nominal cahsma kosullanndaki bilgileridir. (STC:tsmim: 1000 W/m2 Pit Sicakligi: 25°C AirMass: 1.5 NOC: Ismim: 800 W/m2 ,Pil sicakhgi: NOCT dir ki; 800 W/m2, 20°C ortam srcakhgi, modiil acik devre,ruzgar hizi 1 m/sn iken pil stcakhgmi gosterir, )

Sistem olustururken modiiller, once istenen cahsma gerilimine ulasacak sekildeseri baglamr, daha sonra istenen akima paralel baglantilarla ulasthr, Once seribaglanti yapmamn yararlan; Gunes pili dizisinin kolayhkla biiyiitiilebilmesi,modiillerin tek tek daha kolay degistirilmesi, daha az kablo kullamlmasiseklindedir. Gunes pili modiilleri seri baglandigmda gerilim, modiillerin gerilimtoplamma esit olur, akim degismez,

Seri baglanan modiiller esdeger degil ise, gerilim yine gerilimler toplamma esitolur; akim, en dusuk akimli modiiliin akim seviyesine dogru azahr, ama birazdaha yiiksektir. Gunes pili modiilleri paralel baglandigmda gerilim sabit kahr,modiiller esdeger ise akrm iki katma cikar, Esdeger olmayan modiiller paralelbaglandigmda aktmlar toplamr, acik devre gerilimi ise baglanan modiillerin acikdevre gerilimlerinin ortalamalanna esit olur.

4.2 AkUlerGunes pillerinin isrk yokken ytkt~l olmadigi icin, yogu uygulamada sistemde akiikullamlarak enerji depolamak gerekir. Aka, hem depolama ortami olarak gorevyapacak, hem de gunes pilleri ile yiik arasmda uyumu saglayacaknr.

Gimes pili enerji sistemlerinde en cok kullamlan akiiler kursun asit ve nikelkadmiyum akiilerdir. Bunlardan kursun asit akiiler dusuk fiyatlan ve kolaybulunabilmeleri nedeniyle en yaygm kullarulanlardir, ancak ortam sicakhgmmonemli oldugu bazi uygulamalarda nikel kadmiyum akiiler gerekli olabilmektedir.

116

-Gijne~ PiliDizileri

-BaglanbKutulan

-Korumadiyotlan

-sigortalar-a~m

gerilimdenkoruma

mirna

Tesisatlranahtarlamalan

aSI izleyici

---I,--,,,--,I,--,I

LJ U LJI I I II II I

II I

:::~ I II I I

~----------------r----------------~IIIIIIII

~ Dtizenteme Biri

I ~ I ~ asm gerilirnden koru~ toprak hatasisezici

I ~ Il- maksirnurn gur;: nokt~ invertor~ korumadevreleri

I MPPT I t~bek-e -bagJantlslII

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-Bina i\tIII -5aya\tlaII -Yalrtm1II

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Sayar;: I ~----------------II

ISekil3. Sebekeye Bagh Gunes Pili Sistemi Semasi

Kaynak: ETSU Report: "PV Cladding in Buildings"

Kursun asit bir akii hucresi, sulfurik asit ve saf darmtilmis sudan olusan elektrolitebannlmis arn ve eksi plakalardan (elektrotlardan) olusur. Tarn sarjh dururndaelektrolitteki su miktan en az, asit miktan en fazla durumdadir, Kursun asitakiiden akim cekildiginde, artr plaka elektrolitteki sulfurik asitle kimyasaltepkimeye girerek kursunsulfata donusur, Bu tepkime plakalar arasmda dis devreuzerinden elektron akmasma neden olur.

AkO hucrelerinin kapasiteleri arnper saat cinsinden verilir. Bu, tarn sarjh birakiiden, belirli bir desarj oram ve elektrolit sicakhgr altmda, belirli bir gerilimekadar cekilebilen elektrik rniktandir. Ureticiler genellikle CIO kapasitesiniverirler. Bu kapasite, aku hucresinden belirli bir no sabit akmu ile kesmegerilimine dusene kadar cekilen miktardir Gunes pili sistemlerinde desarj suresidaha uzun oldugu icin CIOO'u kullanmak daha pratik olacaktir.

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Enerji depolamasi yapmak icin en cok kul1amlan aku turu olan kursun asitakulerin, otomobiI, elektrikli araclar, telefon sistemleri ve diger kesintisiz guckullammlan icin cesitli sekilleri gelistirilmistir. Bunlarda, plakalann, ozellikle arnplakamn kalmligi, malzemesi ve yapisr degistirilir, Ozel bir kullamm amacmagore tasanmlanrrns olan bir akii, baska uygulamalarda basanh calisamayacaknr,

B~lat1CI Tipte Akiiler(starter-"SLI"): Yuksek desarj akmu veren bu akiilerotomobillerde kullanihrlar, cok kisa surede cok fazla akim vererek hareketbaslanrlar, Arti ve eksi plakalan cok incedir. Bu tur akiiIer sarj-desari cevrimomru kisa oldugundan gunes pili sistemleri icin uygun degildir. Ancak derindesarj yapilmayacak uygulamalarda dusunulebilirler.

Cekici Tip Akiiler (Traksiyoner): Bunlar fork lift gibi yiik araclannda kullamhr,bu nedenle a~agl yukan her 24 saatte derin desarj olur ve yeniden ~aIj edilirler. Butur akiiIerin cevrim omurlerinin uzun olmasi onem tasir, Plakalar genis ve kalmdirve arn plaka ekstra tabakaIarla kuvvetlendirilmistir, Bunun nedeni, sarj desarjcevriminden yalmzca art! ucun etkilenmesidir.

Sabit akiiler ( Stasyoner): Bu tur akuler, siirekli gii~ kaynagmm gerektigidurumlarda, elektrik sebekesinde kesinti oldugu zaman acil gii~ saglamakamaciyla kullanrhrlar, Haberlesme istasyonlan, denizcilikte acil yardimisrklandrrmasr gibi kesintisiz gi.i~ uygulamalannda kullamhr, bu uygulamalardafazla derin desarj yapilmaz. Guvenilir olmalan beklendigi icin kahn ve agirplakalar seklinde imal edilirler, ancak arti plaka kuvvetlendirilmez. Ozelliklecevrim yapmak icin tasanmlanmamakia birlikte bazilan traksiyoner tip akiilerinyansi kadar cevrim omru verirler.Kapah tip sabit asit akiiler: Bunlar, baslatici ve sabit aku turlerine uygulanan birgelismedir, akuler kapahdir,

Kursun asit akiilerde, kapasite desarj akrmma gore ve sicakhga gore degisir,akiiniin cevrim omru, i~ kayiplan ve bakim gereksinimi gunes pili sistemiacismdan onemlidir, Bir gunes pili sistemine akii secilirken, sistemin yeri,uzakligi, bakim verilip verilemeyecegi, iklim ve yuk talebi gibi ozellikler gozonune ahnarak en uygun cozunum secilmesi gereklidir. Bunun yamnda akumm,sistem icinde asm sarj ve desarja maruz kalmayacak sekilde isletilmesi cokonemlidir,

4.3 Sar] DenetimBirimIeriGanes pili dizisi ile yiik arasinda gerilim diizeniemesi yapmak icin kullamhrlar,akiilerin asin sarj ya da desarj olmasmi engellerler. Bu cihazlar aku asm sarjoldugunda gunes piIlerinden gelen akimi keserler ya da akii icin zararli desarjdiizeyine inildiginde yiikii keserler. Pratikte bir akii, kapasitesinin % 20-30'unaindiginde desarji kesilmelidir. Eger hemen yeniden sar] yapilmazsa plakalardakikursunsulfat kristalleri biiyiir. Bu kristaller daha sonra yaptlan sarjlarla yokedilemez, sonucta akii kapasitesi azahr, i~ direnc artar ve akii yeniden sarj edilsebile eski kapasitesine ulasamaz,

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Asm sarjr onleme seri ya da paralel diizenleme olmak uzere iki yolla yapilabilir.Seri diizenleyicilerde ganes piliyle baglannyi bir role keser, devamh guctiiketirler. Paralel diizenleyicilerde ise aku tam doldugunda gunes pilinden gelenasm akim topraga verilir. Yuk gelen enerjinin tamamim aldigmda diizenleyiciningU~ tiiketimi olmaz. Asm desarji onlemek icin ise akii gerilimi oncedenayarlannns olan smir degere dii~tiigunde diizenleyici yiikle baglannyi keserekyukun akim cekmesini engeller.

Akiiniin desarj olmasi durumunda yukun baglantismm kesilmesi noktasi,genellikle 11,4 V olarak ayarlamr. Ancak, aka gerilimi, akunun §arj durumunutam olarak belirtmeyebilir. ~iinkii akuden akim cekildiginde ve sicakhkyukseldiginde aka gerilimi dusecektir, Bazi aka sar] diizenleme cihazlannda;cekilen akimm etkisi ile akugeriliminde meydana gelen dusmeleri de dikkate alanozellik bulunmaktadir. Buna gore, akiiden yiiksek miktarda akim cekildigindeyuk, daha dusuk gerilimlerde kesilmektedir. Benzeri sekilde, akiiniin cahsmasicakhgmdaki degisim fazla oldugu zaman sicakhk icin telafi mekanizmasikullarulmasida yararh kabul edilir.

Denetim devresinde baglantiyi kesmek rem cogunlukla role kullamhr. Yiik;rolenin, normaldekapah ucuna baglandigmda, baglantmm kesilmesi icin bobineenerji gelmesi gerekir. Bu durumda, yiik baglannsi kesik oldugu halde, roleenerjituketmeye devam eder. Diger secenekte ise yiike rolenin normalde acik(NO) ucu baglamr, Yuk y~l§tlW. siirece role de enerji cekecektir. Bu yontem akiiacismdan daha guvenlidir, ~iink:ii, rolede sorun oldugunda yak enerjicekemeyerek aku korunmus olacaknr,

4.4 InvertdrlerInvertorler, gunes pillerinin urettigi dogru akim elektrigi, altematif akimacevirmekte kullamhr. Cevirme islemi, invertorun siirekli anahtarlama yapmasiylagerceklestirilir. Elde edilen dalgamn sinus bicimli dalgaya yakm olmasi gerekir.Ganes pili enerji sistemlerde kullamlan invertorler iki ana tiirde incelenebilir;sebekeye bagh sistem ve bagimsiz sistem invertorleri.

Sebekeye bagh sistemlerde, gunes pili modiillerinden gelen giris gucunun, yiiksekverimle ve harmonik bozulma ve gUy faktoru acismdan yiiksek nitelikle acelektrige cevrilmesi gerekir. Bu sistemlerde, gunes pillerinden gelen gUy, anhkolarak ac guce cevrilir, Bu durum, invertor giris gucunun degisken gunes ismmuile dogrudan bagmtih olmasma neden olur. Bagimsiz sistemlerde ise, gunespillerinin urettigi elektrik enerjisi aku grubuna depo edilir. Bu durumda invertorunytkt~ gucundeki degisim, ac yiik talebi tarafindan belirlenir.

invertor seciminde onemli olan nokta, yiiklerin aym anda cekecegi baslangicakrmmi karsilayabilecek kapasitede olmasidir. iIke olarak invertorun gucu,cahstmlacak yiiklerin toplam gucunden fazla olmahdir. Ancak uygulamadainvertor gucunun aym anda calisacak yiiklerin gucune gore secilmesi verimacismdan daha uygun olacaktir.

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Genel olarak gunes pillerinin yilhk ortalama gUy ytla.~l, tepe gucunun az birkrsmma esit oldugundan invertorun, cogu zaman kisrni yiik: kosullannda calrsmasigerekir. Bu nedenle nominal gucteki degeri gosteren invertor verimi, invertorunniteligini yeterince belirtmez. Invertorun enerji verimini gosteren en onemli degeric tiiketim kayrplandir. invertor verim egrilerine bakildrgmda da krsmi yiiktecalismarun verim iizerindeki etkisi acikca gorulur.

Sebekeye bagh sistemlerde, invertorun sebekeye verdigi akirnm kalitesi enbelirleyici unsurdur, toplam harmonik bozulmarnn dusuk olmasi gereklidir.Elektrik hatlanna bagh gunes pili sistemlerinde, elektrik sirketlerini en cokkaygilandrran konulardan biri de "adalanma"drr. Adalanma, hattm elektriksebekesi taraftndan kapatilmasr durumunda da invertorun cahsmaya devametmesine denir. Bu durum elektrik sirketinin bakim personeli icin tehlikeolusturabilir, Bu yiizden, elektrik sebekesi kesildiginde invertorun de cahsmayikesmesi gereklidir.

Ganes pili modiiliiniin en yiiksek gucte yall~tl~ nokta ismrma ve sicakhga baglIolarak degisir, Ganes pillerinin surekli en yiiksek gii~ noktasmda cahsmasmisaglamak icin En Yiiksek Gii~ Noktasmi Izlerne (MPPT) MPPT cihazlankullamhr. Uygulamada :MPPT'lerin enerji verimine katkismm cok fazla olmadigi,sabit gerilimde izlemeye kiyasla yalmzca %3 mertebesinde kazanc sagladlgl, budevrelerin hazirlanmasi icin gereken ek calismalar da dii~iiniiliirse bu aygitlannsamldigi kadar yaran olmadrgi sonucuna vanlrmstir. (3)

4.5 Diger Sistem Bile§>enleriGunes pili enerji sistemlerinde gunes pilleri dismdaki sistem bilesenlerine 'SistemDestek Elemanlan' denir. (Balance of System - BOS) Bunlardan sar]diizenleyiciler, akiiler ve invertorler yukanda aciklanmrsn, diger e1emanlararasinda diyotlar, kablolama, baglann kesme elemanlan, sigortalar, asm akimdankoruma elemanlan, topraklama elemanlan, montaj parcalan yer ahr,

Bloklama Diyotu: Bunlar, seri bagh modiiUerde, modiil dizisine seri olarakbaglanir. Kullamlmasmdan amac gunes pillerine dogru olan yone akimgecmemesini saglamaknr. Giindiizleri gunes pilleri iiretim yaparken bloklamadiyotu akrmi gecirir, geceleri ise ters yonde akima engel olarak sistemde varsaakiilerin bosalmamasimsaglar,

Bypass Diyodu: Moduller seri balandigmda, golgelenme nedeniyle ya da modiilyapismdaki baska bir sorun nedeniyle seri icinde acik devre olusur, By-passdiyodu bu acik devreye paralel olarak cahsip, akimm kesintiye ugramasrm onler,

iletken Boyutlannm Secilmesi: DC iletkenler, standart test kosullan altmdakikisa devre akrmmin en az 1.5 kanm tasryacak seklide secilmelidir. AC iletkenler,invertorun maksimum akirmnm en az 1,25 kanm tasiyabilecek sekildesecilmelidir, iletkenlerin boyutu biiyiiyiince direncleri artarak guc kaybma nedenolduklanndan secimleri onemlidir.

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Topraklama: Topraklama ile elektrik sistemi dusuk empedansh bir iletkeniizerinden yere baglanan bir yol olusturulmus olur. insanlara ve nesnelere zararvermemek icin uygulanan koruma onlemidir. insanlara sok elektrik carpmasmaengel olur, asm aktm elemanlarmm sorunlu durumlarda cahsmasma yardimctolur.

Sistem icindeki bilesenleri elektriksel olarak yahtacak, birbirinden baglantiyiayrracak elemanlar kullamlmasi da giivenlik acismdan gereklidir.

5. EiE iOARESiNiN GONE~ pili CALI~MAlARIElektrik Isleri Etut Idaresi Genel Mudurlugu (EiB), 1935 yihnda, ulkemizinyeralti ve yerustu enerji kaynaklannm arastmlmasi goreviyle kurulmus olup 1982yilmdan bu yana, enerji tasarrufu, riizgar enerjisi ve gunes enerjisi konulannda dacahsmalar yiiriitmektedir.

Gunes enerjisi konusunda agirhkh olarak duzlemsel gunes kollektorleri, ganesenerjisi olcumleri ve fotovoltaik sistemler (gunes pili sistemleri) konulanndacahsmalar yurutulmektedir.

EiE, gunes pilleri konusunda daha 90k sebekeden bagimsiz kucuk gucte sistemleruzerinde calrsmtsnr. 1984 yilmda Turkiye Atom Enerjisi Kurumu ile birlikteyaptlan bir projede iilkemizde ilk kez 2 Watt gucunde MIS tipi gunespili moduluimal edilmis, daha soma sistem bazmda cahsmalara gecilmistir. Bu cahsmalardanbazilan asagida ozetlenmektedir,

Gune§ Pili i§letim Sistemi (Gune§ Evi)Bu proje; gunes pili sistemIerinin isletilmeleri konusunda bilgi birikimi saglamakve karsilasilacak problemleri belirlemek amaciyla geroceklestirilmistir. Projekapsammda 1985 yilmda yaklasik 1.2 kWp gucunde bir gunes pili sistemiprojelendirilerek kurulmustur. Projede; meteorolojik kosullann sistem verimineetkisi arastmlmis ve sistemin optimum cahsma kosullan belirlenmistir, Busistemin giicii daha soma 1.6 kWp'e cikanlrmstir. Bu haliyle sistem; 40 adet 40W'hk gunes pili modulu; aku sarj kontrol birimi; 130 Ah/48 V'lik kuru aku ve 3kVA gucunde invertorden olusmustur, Sistem, su anda Didim Gunes ve RuzgarEnerjisi Arastirma Merkezi'nde isletilrnektedir.

Gune§ Pili Aydmlalma BirimleriBu proje kapsammda gelistirilen 5 adet gunes pili aydmlatma birimi; 48 W'hk 2adet gunes pili modulu, 65 Ah-12 V kuru aku ve 18 Whk SOX-E alcak basmchsodyum buharlt lamba (1 birimde), 20 W'hk PLC lamba (4 birimde), invertor veregulator birimlerinden olusmustur, Aydmlatma birimleri; AOC Ataturk Evionunde (2 adet), EiB Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Parki'nda (1 adet) ve DidimGunes ve Riizgar Arastirma Merkezi'nde (2 adet) bulunmaktadir.Gune§ Enerjisinin Ku~uk Ol~ekliZirai Sulamada Kullanrlmas,Gunes pillerinin kOyUk olcekli zirai sulamada kullamlmasimn arastinlmasiamaciyla yurtdismdan getirilen bir ganes pili su pompaj sistemi Ataturk Orman

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Ciftligi'ne tesis edilerek incelenmistir, Sistem; 14 adet gunes pili modulu (toplam616 Wp), dalgic pompa ve invertorden olusmaktadir. Sistem bir yil boyuncaincelenmis, pil yiizeyine gelen gimes enerjisi ve pompalanan suyun debisiolculerek performans belirlenmistir, Bu sistem halen EiE Didim Ganes vel RuzgarEnerjisi Arastirma Merkezi'nde cahsmaktadir,

Gune~ Pili Su Pompaj SistemiEiE idaresi arasnrma parkmda kurulan bu su pompaj sistemi 5m yuksekligedakikada 60 It su verebilmektedir. 12 adet 48 W'hk polikristal gunes pilimodulleri ile 12 adet 15 W'hk amorfsilisyum gunes pili modiillerinin olusturdugu756 W gucundeki bu sistemde, 24/220 V'luk 1 kVA gucunde invertor, 110 Ah/24V akii ve regulator bulunmaktadir. Su pompasmm gucu 550 W'tir.

Mobil PVSistemiMobil PV; gunes pillerinin urettigi DC elektrigi 220 VAC elektrige ceviren birganes pili sistemidir. Sistem demonstrasyon amaciyla kullanilacagmdan dolayi;gunes pili modiilleri, invertor ve akiiler bir romork uzerine monte edilmistir.Mobil PV; 12 adet polikristal gunes pili modulu (toplam gii~ 576 W), 1 kVAgucunde 48 VDC / nO VAC invertor, §aIj regulatoru, 65 AhI 48 V kuru akiigrubundan olusmaktadir.

PVTrafik jkaz SistemiKarayollannda kullanilabilecegi dusunulen bir PV trafik ikaz sisteminindemonstrasyonu 1995 YIh icerisinde yapilrmsnr. Sistem, 48 W'hk 1 adetpolikristal gunes pili sarj regulatoru, 12 V-65 Ah'lik kuru aku ve lambadanolusmaktadir.

$ebekeye Bagll Fotovoltaik SistemGunes pilleri sebekeden bagrmsiz sistemler olarak kullanilabilecegi gibi mevcutelektrik sebekesine bagh olarak da kullamlabilirler. Enerji maliyetinin pahaliolmasi nedeniyle gunes pilleri genellikle dunyada sebekeden uzak yerlerdekikucuk guclerdeki enerji talebinin karsilanmasmda kullarulmisnr. Son yillarda iseozellikle gelismis iilkelerde sebeke baglannh gunes pilleri uygulamalanyaygmlasmaktadir. Ulkemizde elektrifikasyon orammn yiiksek oldugu goz onunealmdigmda onumuzdeki yillarda gunes pillerinin sebeke baglanttli sistemlerseklinde kullarulmasi muhtemel gorulerek konuyla ilgili bilgi birikimi saglanmasiamaclanmrstir. Bu kapsamda 1998 YIh icinde EiE Didim Gunes ve RuzgarEnerjisi Arasnrma Merkezi'ne 3,8 kW gucunde sebeke baglannh gunes pilisistemi kurulmus durumdadir. Sistemde 72 adet 53 watt gucunde polikristal gunespili modulu ve 3,5 kVA gucunde invertor kullamlmaktadir.

Gune~ Enerjisi Potansiyeli Olfum r;a1I~ma1an

Gunes enerjisi konusunda gelistirilen sistemlerin, Ulkemiz genelindeuygulanabilecegi yerlerin ve elde edilebilecek enetjinin tesbiti icin baslatilanpotansiyel belirleme cahsmalan kapsaminda Devlet Meteoroloji Isleri GenelMiidiirliigunde mevcut bulunan gunes .enerjisi ile ilgili tarihsel kayitlar

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degerlendirilmis ve sonuclan iki ayn rapor halinde basilarak yayrmlanrrusnr. Bucahsmalara gore iilkemizin ortalama yilhk toplam guneslenme suresinin 2640 saat(gunluk 7.2 saat) ve ortalama yrlhk toplam isirum siddetinin 1311 kWh/m2

(gunluk 3.6 kWh/m 2 ) oldugu tesbit edilmistir.

Enerji uretimi amacma yonelik olarak yurutulen fizibilite cahsmalan sirasmda,Ulkemizde gunes enerjisi konusunda mevcut meteorolojik verilerin yeterliolmadigi tesbit edilmistir. Bu amacla idaremiz, Devlet Meteoroloji Isleri GenelMiidiirliigu ile isbirligi icersinde bir proje baslatrmsnr. Bu proje kapsammda halenAnkara, Izmir, Adana, Aydin ve Isparta'da oleum almmaktadir, Antalya'da iseoleum tamamlanmisnr.

KAYNAKLAR:1. IEA/OECD, Enhancing the Market Deployment of Energy Technology, Paris

1997.2. Charles F. Gay, C. Eberspacher, "Worldwide Photovoltaic Market Market

Growth 1985-2000", Progress in Photovoltaics Vol:2 No:3 July 1994, s.249.3. J.Schmid, H.Schmid, "Inverters for Photovoltaic Systems", Photovoltaic

Demonstration Projects,CEC Luksemburg 1991, s.122.4. Sean Me Carthy, Martin Hill, "Battery Selection and Maintenance for PV

Systems", Photovoltaic Demonstration Projects, CEC Luksemburg 1991,s.114.

5. S. Pietruccioli, "Lipari Island PV Desalination Plant", ", PhotovoltaicDemonstration Projects,CEC Luksemburg 1991, s.169.

6. Florida Solar Energy Center, Photovoltaic System Design Manual, 1987.7. Simon Roberts, Solar Electricity, Prentice Hall, UK 1991.8. A. Chaurey, S. Deambi, "Battery Storage for Photovoltaic Systems: An

Overview", Renewable Energy Vol:2 No:3, UK 1992, s.227.

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TihudYE'DE RUZGAR ENERJisi KULLANIMININ oNiiNDEKiENGELLER

Ergiin OZAKATSanayici

Ozet: Bu bildiride; bugiine kadar enerji iizerine yurutulen politikalann tumununTiirkiye'yi enerji stratejisi yoksunlugu icinde birakmakla kalmayip, ileride petrolsahibi baska iilkelerin boyunduruguna kadar goturecegi tum ciplakhg; ile dilegetirilmektedir. Bu sonuca ulasirken yaptlan hesaplar, gelecek 25 yih icereceksekilde ve Cumhuriyetimizin 100. ytlma gore yaptlan tahminIere dayandmlnustrr,Aynca, bu sorunlarla karsilasmamak icin almmasigereken onlemler irdelenmistir.

1. GiRiSTiirkiye'de de ruzgardan elektrik iiretimi baslanustir. Fakat bugune kadar yeterlidegildir, daha da gelistirilmelidir,

Cesme Yanmadasmda montaji baslarms olan riizgar turbinleri, 500 ve 600 kWgucundeki ruzgar tiirbinleri grubundandrr. Bunlardan 3 adedi, otoproduktoranlasmasi ile cahsmakta, diger 12 adeti ise Temmuz 1998'de Yap-Islet-Devret(BOT) uygulamasi ile cahsmaya gececektir, Herbir MW kurulu guc, hesap kolayhgibaktmmdan ytlda 3.000.000 kWh enerji iiretim kapasiteli olup, 1.200.00 Dolaramalolmaktadir, Yerli uretim ile bu rakam zamanla ucuzlayacaktrr.

Temeller icin ilk kurulan modellerde, 130 m3 beton, 10 ton demir kullamlmaktadir.40 m boyunda 24 mm'lik St 37 demir galvaniz kuleler, 2 parca olup, agrrltg. 30tondur. Pervane kanatlan 3 adettir ve herbiri 1 ton polyesterden imal edilmistirBirinci gruptaki turbinlerin caplan 40 m, ikinci gruptaki turbinlerin caplan ise 43m'dir. Pervane gobegi, icinde jenerator ve bazi modellerde disli kutusu olabileceksekildedir. Elektronik kontrol sistemi, yak ileri teknoloji kullanan Tiirkiye'degereken yerlerde lisans da aIarak iiretilebilecek sekildedir.

Genel gidisat egilimi, tiirbinlerin 25 ytIhk bir zaman icinde 3 MW ve yukansidegerine dogru biiyOmesi yonundedir. Uzun vadeli hesabi kolaylastirmak icinburada 1,5 MW'ltkuniteler ele ahnacaktir. Bunlann kuleleri, 65 m yuksekliginde 50ton kiitIeIi, kanatlan 63 m capmda, temel ise 200 m3 beton ve 20 ton demir ahnarakhesap yapilmaktadir.

Tiirkiye'nin 2023 ytlma kadar riizgardan elektrik iiretmek icin kule monteedebilecek bolca saytlabilecek 75.000 MW'hk yeri ve yilda 200.000.000.000 kWhiiretim kapasitesi bulunan biiyOk bir potansiyeli olup, bu heniiz yak kimsetarafindan bilinmemektedir [1] . Teorik hesaplamalara gore 2023 yilmda Tiirkiyeyilda 600 milyar kWh elektrik kullanacagma gore, bunun 1I3'liik kisrru hammaddeodemesi olmayan riizgardan karsilanabilmektedir.

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2023 Ytlma Kadar Riizgar TurbiniAdedi Tiirbin Uretim ve MontajKurulacak Guc Adedi75.000MW 50.000 Ortalama 2.000 adet/Ytl

Tablo 1. 2023 YihnaKadar Riizgar Turbinlerinin Durumu

Bu rakamlara gore turbin iiretmek ve monte etmek icin ne kadar demir, beton ve nekadar i~ gucu gerektigi Tablo 2 ve 3'de verilmistir,

YillikTurbin Adedi2.000

Tablo 2: Harcanacak Demir Miktan ve i~~ilik

Yilhk Tiirbin Adedi2.000 2.000 x 200= 400.000

insan Giicii50.000

Tablo 3: Harcanacak Beton Miktan ve istihdam Edilecek insan Sayisi

Kabaca gorulmektedir ki, ruzgar enerjisinin kuIlarumma yonelinmesi durumunda

1. i~ imkaruyaranlacaknr,2. Uretilen elektrik enerjisi, ithalat azalmasmayol acacaktir,3. Herseyden daha onemlisi, riizgardan elektrik elde etme cahsmalan 2023 yihnda

cevrecilikyonunden onur duyuIacakbir ortamda yasanacaknr,

Ulkemizin bu anlatilan giizellikIeri yasayabilmesi icin sadece birkac karar almmasigerekmektedir.

2. ENERJi STRATEJisiTurkiye icin enerji stratejisi irdelenirken asagidaki ana bashklar irdelenecektir:1. Turkiye enerji stratejisindedevam edegelen yanlislarve cozumleri,2. Enetjiye Anayasa engeli ve degiskikligin kacmrlmazhgi,3. Hammadde kullanmayan, istihdam yaratan, ihracat ozelligi olan, Tiirkiye'nin

cevreye uyumluyenilenebilir riizgar enerjisinin potansiyeIi,4. Terorizmin dunyadaki gidisati ve komsu iiIkelerle iliskilerimiz acisindan niikIeer

santral yapimma bir sure ara veriImesinde yarar vardrr. Eger atom santraliyapimmakarar verilmisve geri donulmesi imkansiz ise, santral kurulacak yerinsecimi bugiinkii sartlarda yanhstir. NiikIeer santraIin kurulusu icin dogru yer,guney smtrlanrmzayakm bir yerdir. Bunun yanmda, niikIeer santraIIerin heniizcozulememis ciddi sorunlan vardrr. Ornegin, radyoaktif arttkIar ve santrallerinomru sonunda kapanlmasi gibi. Omrunu doldurmus bir nukleer santraIinguvenli bir bicimde kapanlmasi, bugiinkii para iIe 2-3.000.000.000 $'amalolmaktadir.Bu nedenIe, bundan 10 ytl once Banda niikIeer santralleri oven

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ve sozciiliigunii yapanlar, bugun bu santralleri kapital imha yatinmlan olarakadlandirmaktadirlar [2].

~a8ida bu ana bashklar, aynntili olarak irdelenecektir:

1. Burada; Tiirkiye'nin enerji stratejisindeki yillardtr siiregelen yanlishklanna bir sonvennek icin oneriler sunulacak ve ozellikle riizgar enerjisinin son zaman1ardarantabl olabileceginin anlasilmasi gibi onemli hususlar dile getirilecektir.

Tiirkiye'nin bugiinkii kurulu elektrik giiciiniin 22.000 MW'dan 2.023 yilma dogru150.000 MW civanna kadar artacagi beklenmelidir. 1 kWltk bir kurulu giiy icinlazun gelen yatmm miktan ortalamasmm, hesap kolayligi bakunmdan 1.000 $civannda oldugu kabul edilirse, onumnzdeki 25 ytl icinde 130· milyar $, yani yilhkortalama 5 milyar $ yatmm yapilmasi gerekecektir. Boyle korkunc denebilecekmiktarlarda bir para ihtiyaci ile karsi karaya oldugumuzun inantlmaz boyutuonumuzdedir. Her ne kadar bu rakam 1.000 $/kW ortalamasmm yiiksek smmndanhesap edilmis ise de ihtiyac artis luzmm daha fazla olabilecegi varsaymu ile sonuc 0

kadar fazla degismeyecektir. Aynca hidrolik santrallerin % 40, termik santrallerin% 65 ve riizgar tiirbinlerinin % 40 civannda kapasite faktoru ile cahsmakta olduguhesaba ahmrsa, hassas hesap yapmanm zorlugu ortadadir, kaldi ki buna gerek deyoktur.

Bilimsel yeterliliginin tam olmamasma ragmen, bu dii§iinceleri bu yone cevirmek vediinya hedefleri ile uyumlu bir cahsma baslatmak icin bu rakamlar yeterli olarakkabul edilmelidir.

Bu dev yatmmm sadece devletin kendi imkanlan ile yaptlabilmesini ongormekfakirlikle miicadele icinde olan iilkemizde, liikstiir. Ustune iistliik iiretim vedagitumn aynlmasi da bu yanhshklar zincirine eklenmis yeni bir halkadir. Yonetimiki bash olmakta, dagmmda yatmmlar aksamakta, kayiplar artmakta ve sonkullaruciya bugiin kWh'l 10 sent civannda mal olan elektrik enerjisi fiyan daha hizhartacak sonuclara dogru hizla gitmektedir.

2. BOT soo§tklt8i gidennek icin icat edilmis gecici bir yoziimdiir. Ozel elektrikenerjisi iiretimine hukuken karsi cikmakta israrla siirdiiriilen devletin enerjipolitikastm icinden ytktlamaz hale getirenlerin bu tutuma bir son vermeleri zamamcoktan gelmistir, Bugiinkii durum, iilkeyi elektriksiz birakacaknr, Bu kadar biiyiikyatmm eksiklikleri sadece finnalara otoproduktor olabilme imkam vermeklegiderilemez. Bu konudaki anayasa engeli derhal ortadan kaldmlmahdir,Anayasa'nm 168. Maddesi geregi; (tabii servetler ve kaynaklar) enerji iiretimi,devletin hiikiim ve tasarmfu altmdadtr. Ancak gecici bir sure He devlet bunudevredebilir. 4 Arahk 1984 tarihinde 3096 sayih BOT Yasasi ciknusnr. 8 Haziran1994 tarihindeki, 3996 sayili yeni BOT Yasasi ise daha ozel enerji yatmmlan icinytkanlnn§trr. Burada devir hakkt 99 ytldan 49 ytla indirilmistir. 1 yil 20 gun sonra,28 Haziran 1995 tarihinde Anayasa Mahkemesi 3996 Sayih Yasanm 5.

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Maddesindeki "imtiyaz degildir" kelimesini iptal ederek, BOT'un bir imtiyazsozlesmesi olduguna karar vermistir. 4047 sayih Yasa da bunu teyit etmistir, AncakAnayasa Mahkemesi, BOT'u iptal etmemis, yalmzca imtiyaz hukukuna gireceginekarar vermistir, <;iinkii Anayasa'nm 47. Maddesi kamu hizmeti niteligi tasiyan ozeltesebbuslerin, kamu yarannm zorunlu oldugu hallerde devletlestirilebilecegini ifadeederek, do1ayh bir sekilde ozel sektorun kamu hizmeti yapacagim kabul etmistir.

ilk imtiyaz yasasi, 1910 yilmda cikrmstn. 1938 yilmda da degisiklikler yapilrmstir.imtiyaz yasasmm girmesi nedeniy1e; bu sozlesmeler idere mahkemelerininyasalarma tabi olmuslardir, ihtilaflar Turk Idari Mahkeme1erincedegerlendirilrnislerdir ve butun imtiyaz sozlesmeleri Darustay'm ondegerlendirilmesine tabi olmuslardir (Anayasa m.155). ihtilaflarm TUrkMahkemeleri'nde gorusulmesi, yabanci yatmmcilan kacirmakta ve ucuz finanskaynaklannm kullarulamamast sonucunda elektrigin maliyeti artmakta, ayncayabanci sermayenin gelmesi engellenmektedir. Butun BOT'larm damstay onaymdangecmesi buyuk zaman kaybma, enerji yatmmlannm gecikmesine ve yatmmcilardabikkinhk yaratmasma yol acmaktadir, Bunun drsmda, Maliye Bakanhgi da ImtiyazYasasi'mn yiiriirlOge girmesi sonucu sabit varhklarm dolayisi ile amortismangiderlerinin ve yatmm indirimi tesviginin yeniden degerlendirilmesini iptal etmistir,Bugunlerde %80 olan enflasyon karsrsmda .20 yilhk bir yatmmda amortismangiderlerinin %88 gider yaztlmayarak, bunun bugunku sartlarda %44 oranmdavergilenmesine yol acarak, yatmmlann geri odeme suresini uzatmakta veya bufarkm enerji tarifelerine yansnnasma, bu da enerji fiyatlannm artmasma yolacmaktadir, Bu konuda gee kalmmamah, derhal hareket edilmeli ve ge1ecek muhtacduruma dusurulmemelidir.

Mulkiyetin luzla uluslararasi bir gorunum kazandigi degisen dunyada modemhukukun da buna parale1 degistigini dinamik oldugunu gormekteyiz, AvrupaBirligi'nde uluslararasi bir kanuna dogru gidilmektedir, milli kanunlarla musterekbir hedefe gitmek zordur.

2023'10 yillarda tahminen 600 milyar kWh/yll elektrik enerjisi ihtiyacmm azami 125milyar kWhlYl1'hk kismi hidrolik santrallerinden uretilebilecektir. Ruzgarenerjisinden de bugiinden iyi bir politika sayesinde, tahminen 200 milyarkWhlYl1'hk bir uretim saglanacaknr, Hanunadde parasi odemeyen, sadece bu ik:ienerji tipi ile iilkemiz 2023 yilmda toplam enerji ihtiyacinm yansmi yenilenebilir,karbondioksit cikarmayan ve harnmadde odemesi olmayan bir sekilde karsilayabilir.Bu ik:i kaynaktan baska komurden elektrik elde etme i§i de ileri teknoloji yatmmlansayesinde etrafi kirletmeyen 100 milyar kWhlYd uretim kapasitesine ~tkarl1abilir.

Bunlara ileve olarak gunes fotovoltaik ve jeotermal de hesaba ahmrsa top1amelektrik ihtiyacuun 2/3'liik krsnu karsilanebilir. Bugunden uzun vadeli biryonlendirme ile 2023 yilmda, Cumhuriyetin 100. Yihnda, Ataturk'un bizlerle gururduyacagi bir yere ulasabiliriz.

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Aksi halde bugunku yanhshklann devanu halinde enerji son kullaruci fiyatmm2020'li ytllarda 0,14 $ veya daha fazla olacagi varsayum ile yilhk 84 milyar $elektrik enerjisi cirosu icinde gucumuzun cok ustunde petrol satanlara parayetistirmek icin mahcup durumlarda yasamaya dogru itilecegiz.

Bugunku strateji yoksunlugu ve yanhs politikalar, yani petrol, gaz ve nukleer enerjisatmak icin lobi yapanlara inanmakla gelecegimizi ipotek altma almanm zaranhenuz tam olarak gornlmemektedir. Her yil gittikce artan ve sonunda yilda 40-50milyar dolarhk hammadde odemelerini yapmannz mumkun degildir, BUgOnkullandigmuz 7 milyar dolarhk enerjinin % 40 civan eneIjiyi hicbir hammaddegideri olmadan hidrolik santraller tarafindan karsilanmaktadir, Onun icinekonomimiz zayif da olsa pek fazla bir yuk altmda kalmamaktadtr.

Anayasa'nm bilinen engel maddesi derhal kaldtnlmah, enerji uretimi herkese a~tk

olmalt, devlet monopolunden kurtanlmalt, devlete yakismayan pazarltk usulleriyerini aeik secik onceden ilan edilen krstaslan esas alan sistemlere gecilmelidir,Hangi sebep veya hangi yonetim tarzr olursa olsun bugun devam edip giden bumanttkla yannm yapmak isteyenleri devletin cesitli kaptlarmda ytllarcasurundurmek bizi felakete goturmektedir,

Kamuoyunun dikkatine getirmeye ~alt~ttw.m bu :fikirleri bir kenara atarak eskiyolda devam etmek, nasil dusunursek dusunelim, sonucta vatana karsi bir buyuksu~ islemek mantigi ile sonuelanacaknr,

3. Petrollobisine ragmen temiz ve yenilenebilir eneIjiye (riizgar, gunes, jeotermalgibi) onem veren bilhassa Avrupa ve A.B.D. ileri teknoloji urunu olan ruzgarturbinleri iizerinde cahsmakta ve her yil daha rantabl olanlanm imal etmek icin parave emek sarfederek ugrasmaktadir, Bir yandan petrol ve nukleerden parakazamrken bir yandan da bizim uyudugumuz bu yeni teknoloji alanlannda sessizsedasiz ileri teknolojik urunler yaratarak ilerlemektedir.

Sadece Cesme yanmadasmm Seferihisar-Karaburun-Cesme-Alacan arasi ruzgarenerjisi potansiyeli 1.000-1.500 MW'drr. Sadece bu turbinlerin iiretimi orta boydabir nukleer santralin uretimini esittir, Bununparasal degeri ise, tum iilkeye ktyaslasadece bu kii~k yorede (100.000 hektar) hergun iizerimizden 1 milyon dolar ucupgiden bir rakama esittir, Bu yorenin altmda jeotermal, ustunde 330 gun gimes olupbunu cok az degerlendirmekteyiz. Ege Teknoloji Vakfi, bu yonde ciddi cahsmalaraonderlik yapmaktadrr. Bu yorede diinyanm ilk Uluslararasi Cevre ileri TeknolojiBolgesi cahsmalan yaptlmaktadtr. Bu bolgede zamanla hie fosil yakitikullantlmayacak; enerji, riizgar, gunes, hidrojen ve jeotermalden elde edilecektir.Bu eahsma baslanlnus ve tum ulkede numune olacak ilk ticari degerdeki ruzgardanelektrik uretme i~i 1998'de devreye girecektir. Ancak Anayasa engeli ortadankalkmadan, stratejik cahsmalar bosa gidecektir. Demirer Holding'in bir fabrikasmmotoproduktor ruzgar enerjisi uretim santrali olarak Subat aymda 3 adet 500 kWhktoplam 1.500 kWltk, yilda 5.000.000 kWh civannda enerji uretebilecek bir santrali

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devreye girmistir, Bir digeri ise Yap-i~let-Devret (BOT), Bakan miisaadesini 3yilhk zorlu ugraslar ve Saym Cumhurbaskanmnz Siileyman Demirel'in yardunlan,Saym Bakan M. Cumhur ERSUMER'in ise basladiktan sonra israrh takibisonucunda, ancak Arahk 1997'de alabilmis ve 1998 yazmda 12 adet 600 kW,toplam 7,2 MW'hk olan bir ruzgar enerjisi ~iftligi faaliyete gececektir. Almanyabasta olmak iizere gelismis iilkelerde devlet, pazarbklarla vakit israf edip kendinikii~iiltmemekte, ruzgar enerjisini kac paradan alacagim onceden paketler halindeilan edip yatmmcilarla hie masaya oturmamakta, yatmmci sadece eneIjiyi uretecegiyerlerdeki lokal izinleri almaktadir, Bizdeki Anayasa ve imtiyaz kisitlamalan islericikmaza sokmakta zaman ve para israfim arttirmakta, sadece artan yoksullugundevamma yardimcr olmaktadir. Boylece biiyiik bir is alam sabote edilmektedir.

Halbuki iilkemizde ruzgar tiirbinlerini onceleri satm alarak, sonralan da imalati vegelistirilmesi iizerinde cahsarak ~agda~ teknoloji kullanarak ve iireterek i~ vekazanc imkanlan yaratabiliriz. Vakfumz bu yonde iilkede bir uyams uyandirmak veyeni bir strateji yaratmak icin ugrasmaktadir, Bu tiirbinlerin yurt icinde zamanlaiiretimine yonlenmelde milyarlarca dolarhk yeni uretim i~ alanlan yaratilabilecektir,Tiirkiye'de akilh politikalar takip ederek 20 yilhk bir siirede 80 milyar dolara yakmturbin uretimi icin i~ alam acilacaknr. Aynca ihracan da buna eklersek yilhk 4-5milyar dolarhk bir calrsma alam yaratilacaknr.

Bir yandan temiz ve tiikenmeyen yeni bir enerji iiretimi baslarken zamanla 70 mboyunda kule iizerinde 70 m capmda dey pervaneleri ile tanesi 1,5-3 MWkapasitesi olan biiyiik tiirbinlerin ve elektronik kontrollerinin imalatmm da tiimiiyurt icinde yapilabilir hale gelecek ve cok yeni i~ alam yaranlacaktir.

4. Teknoloji ilerledikce terorizm de sekil degistirecektir. Bilginin genis alanlara veherkese yayilmasi ile bilgisayarlardan patlayicilara kadar her bilgi bu konuda kotuolarak da kullanI1abilir hale gelmektedir. iki adet 2,5 kg'hk plutonyom arasma birdinamit yerlestirmek ve iyi bir muhafazaya koymak, kii~iik bir atom bombastyaratabilir. Komsulanrmz ile aranuzda olup bitenleri gormezlikten gelip, niikleersantral icin en turistik yerimizi secmemiz mi lazimdi? Bundan da ote her seydenonce sorulacak soru ham madde odemesi olmayan 6 ayda devreye girebilen ruzgartiirbinlerine nicin oncelik verilmiyor? 1000 MW gii~lii niikleer santral bir adettir vebelki birkac yiiz kisiye i~ yaranr, 1000 MW gucunde ruzgar tiirbini bugunkuteknolojide 600 ile 1000 adet arasmdadir. Riizgar tiirbinleri, ulkenin bir cok yerindei~ alam acar ve parca parca iiretilip zamanla iilke disma ihrac da edilebilir. 6 aydadusunceden uretime gecmek miimkiindiir. Niikleer santral icin bu sure en azmdan 4yildir, Enerji stratejimiz yanhs veya hie olmadrgi icin iilkemiz, petrol ve digeruluslararasi politik ve ekonomik lobiciler icin cirit attiklan meydana donmustur,Diinyada yoksullar ile varsillar kutuplasmaktadir, Yoksullann yanmda bir de aclargurubu olusmaktadir. Bizde achk yok sayilmaktadir fakat yoksulluktan kurtulmakicin acele etmemiz gerekmektedir. Enerji iiretiminde ozel girisimcinin onundekizorluklan, i~ yapmaya engel mevzuatlan ortadan kaldirarak bugiinkii ~agdI~l

duruma bir son vermek gerekmektedir.

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3. SONU«;Ktsaca goriiIdiigu gibi riizgardan eIektrik eIde etmek icin ulusal bir politika

olusturma yonunde, 1000 MW'bk kapasitenin uretici olmak isteyen finnalartarafindan kullamlmasuu tesvik edici karar1ar aImah ve onlan acik olarak ilanetmeIiyiz. Ruzgar tiirbini teknoIojisi ilerlediginden gittikce daha rantabI olmaktadtr.Bu miktar yatmm tamamlandtktan sonra yeni bir paket 0 giinkii yeni sartlarlahazirlarur ve iIan edilir. Tiirkiye'de ilan edilen fiyatlarla enerji yatmmi yapihpyapilamayacagi bu paketi okuyanlar tarafindan degerlendirilir, Unutmamak gerekirki, bu tiirbinleri yerli yapmuna tesvik etmekle yurdun her kosesinde 50.000 kisiyedirekt-indirekt i§olanagi yaranlacaknr.

Biiyiik Tiirkiye Cumhuriyeti'nin enerji ile ilgili bir devIet politikasi acik secik ilanedilmelidir. Anayasa'mn ozel girisimebu yoIu kapatmis olmasi dolayisiyla yamndandolasmak icin tatbik edilen bugiinkii yontemler btrakilmah, gercegi gormeliyiz. Bizebu yakisir, boo bu yiiceItir ve enerji darbogazmdan boo bu cikanr, ProbIemintemeIdencozumu icin caba gosterilecegine, akmnya karst gitmek, kapah ~ar§l usuIiipazarhklarla giinleri gecirmek bizi bugunku enerji darbogazma dogru gittikcesikrstmnaktadir,

Ozetle riizgardan elektrik iiretimi ile ilgili aImacak birkac karar biitiin engelleriasabilir.

Anayasa'mn ozel sektore riizgar elektrigi uretme yoIunu acmasi icin gereken oybirligi derhal temin edilmeklebaslamakuzere;

1. belirli kalitede olmak kaydiyla iiretilen butun elektrigin almmasi garantisiveriImelidir.

2. kii¢k kullamcrya sanlan fiyatm %85-90 arasmda bir fiyat ile riizgardan iiretilenelektrigin satm almmasi. iIk: bes yil satm aIman fiyat, sanlan fiyatm ayrusi oIursagecikmis oldugumuz mesafeyi luzla kapatabiIirve one gecmisoIuruz.

3. daha iyisi, baslangictaki 4 yil 13 centJk:Wh , sonraki 8 yil 2,5 centJk:Wh,ortalamasi 6 centJk:Wh. oIan "stepped price" denilenkademelibir sistem ile satinahnmasi. Bir fondan para verip geri aImak. Hibe veya tesvik degil. Firmaguvenilirligi veya bir garantisi on kosulu ile bir fondan para ahmr ve ucuzkademedeki dusuk fiyat ile geri iade ediIebiIir bir sistem getirmek, yatinmlancok luzlandmr. 10 ytl soma bu destek kademeli oIarak azaIttlabilir. BugiinkiiuyguIama 10 yil 9 centJk:Wh, 10 yil 4 centJk:Wh. olmak iizere ortaIama 6,5centJk:Wh.'drr. Bu durumun kredi aIabilme acismdan uygun bir durum oldugusoylenemez. Hatta ilk deneyimimizden anladigmnza gore, cok zorlayicidenebilir. Kredi veren bankaIar, geri odemeyi hIz1I geri istediklerinden ilkytlIarda 9 cent/kWh'dan yukan bir odeme isleri hizlandiracaknr, Aynca 12 veya14 yilhk bir amorti etme siiresi, bugiinkii 20 yilhk sistemden daha akillicaolacaktir. Hizla artan teknolojiden hizla yararlanmahyiz. 20 ytlhk omur hesabikohnelesmeyi tesvik etmekte, girisimciligi yavaslatmaktadir.

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4. kademeli olarak riizgar tiirbinlerinin parcalanni yerli uretecek firmalara AR-GEtesvigini biraz daha comert tutmak gerekmektedir. Almanya, Ingiltere veDanimarka'da 20.000 civannda insan, riizgar tiirbinleri ile ilgili islerde direk veindirekt calismaktadir. Bu rakam gittikce artmaktadtr.

Ulkemiz; ruzgar elektrigi eldesi ile ilgili bu cahsmada aynnnh olarak belirtilenengelleri a~t1~ taktirde, enerji sorununun cozumu yonunde onemli bir adim atrmsolacaktir,

KAYNAKLAR

[I] http://www.unimedya.neUr/egetek[2] "Neue Zuricher Zeitung", Ocak 1998.

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MiMARi veGUNE~ ENERJisi - Aktif ve Pasif KuUamm Olanaklarr

Yrd.Do~.Dr. Tiirkao GOKSALAnadolu Universitesi - Miih.Mim. Fakultesi, Mimarhk Bolumu

OZETYenilenebilir enerji kaynaklanmn basmda gunes enerjisi gelmektedir. Teorik olarakgunesin yeryiiziine ulasan enerjisi, gunumuz diinya gereksiniminin 10.000 katirukarsilayabilecek gucte olup, gunes isirum siddeti 1.367 W/m2

, dir. Ancak atmosfertarafindan tutulmasi ve yansima sonucu bu deger ortalama 1.060 W/m 2 olarakkabul edilir. Ekolojik dengenin bozulmasi gibi giderek biiyiiyen cevre sorunlarmakarsm temiz, atiksiz ve tiikenmez bir kaynak olan gunes enerjisinden, teknikolanaklar cercevesinde mimari uygulamalarda lSI ve elektrik enerjisi kazammmmgeregi ve yayginlasnnlmasi kacimlmazdir, Mimaride gunes enerjisinin pasifve aktifkullammi soz konusudur. Basit teknolojiler gerektiren pasif kullarnm, tasanmdaalman mimari ve yapisal onlemlerle lSI enerjisi kazammi olup, giineye yonlendirilengunes penceresi, gunes duvan ya da kI~ bahceleri diizenlenmesi ile gerceklesir,Aktif kullammda ise toplayicilar aracihgi ile lSI enerjisi, gunes hiicreleri uygulamasiile elektrik enerjisi elde edilir. Gunes hiicrelerinden olusan gunes modiillerinin,mimaride yapmrn elemanlan seklinde yapi kabuguna entegre edilmeleri, cok amachbir kullarnma olanak verir. Mimaride bina cepheleri ve can yiizeyleri PV-Modullericin onemli bir potansiyel olusturmaktadir, Giderek onem kazanan cevre sorunlanbaglammda, mimaride ganes enerjisinden pasif ve aktif yararlanma olanaklan veuygulama alanlannm ~e~itliligine dikkat cekmek ve bu cahsmanm amaciniolusturmaktadir.

GUNE~ ve MiMARiDE ENERJi KAZANIMIGanes mimarisine onculuk eden uygulamalar 1940'!t yillarda baslamis olupgiiniimiize degin gosterdigi gelismelerle, cevre duyarlt tasanm ve planlamabaglammda onemle iizerinde durulmasr gereken bir konudur. Cevresel ve ekolojikdengelerin korunmasi konusunda Amerikah AI Gore, "Dengenin Yollan" adhkitabmda su konulara dikkat cekmektedir, /11 Bunlar

• Diinya nufus artis htzmm kontrol altina ahnmasi,• Ekolojik dengeleri bozmayacak teknoloji gelisiminin hizlandmlmasi,• Ekonomik gelismelerin cevreye duyarh olarak gerceklestirilmesi yonundeonlemlerahnmasi,• Tum diinya insanlannm kapsayacak sekilde cevre bilincinin gelistirilmesiyonunde ortak egitim programlanmn diizenlenmesi seklinde ana bashklar altmdatoplanmaktadir.

Uzun vadede cevreye zarar vermeksizin kullamm potansiyeli olusturan yenilenebilirenerji kaynagiyalruz 'gunes' ve onun 'turevleri'dir, 121 Ganes enerjisinin dolayh vedogrudan kullantmlarma;

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• gunes mimarisi ile pasifkullamm,• gunes toplayicilan aracilrgi ile tennik kullamm (aktiflrullamm),• gunes hucreleri aracihgi ile elektrik enerjisi uretimi (aktifkullanun),• riizgardan elektrik enerjisi elde edilmesi gibiuygulamalar ornek verilebilir.

Ancak bu cahsma kapsammda gunes enerjisinin, tasanmda almanyapisal onlemlerlepasif kullamm ve fotovoltaik hucreleri uygulanmasi ile aktif kullamm olanaklanincelenecektir.

'Enerji korunumlu yapi', cevre bilincli tasanm kapsammda 'ekolojik insaa'nin ilkkosuludur. Enerji gereksinimlerinin azaltl1masmda planlama, insa teknikleri vebinamnisletilmesi onemli rol oynar. /3/

• Kompakt yapi tarn,• yapikabugunda lSI korunumu onlemleri ahnmasi ve• lSI koprulerinin engellenmesi

enerji gereksinimi dusuk bina insaasmm temel ilkeleridir. Aynca tradisyoneI yapitarzi, enerji korunumlu planlamada dikkate almmasi gereken bir konudur.

Giderek artan cevre kirliligi, bozulan ekolojik denge ve gelisen teknolojilerparalelinde bina tasanm kriterlerinin giderek degi.~tigi. gozlenmektedir. Gecmistebina tasanmmda onceligi olan islevsellik; saglamhk ve estetik acilardangereksinimlere yamt verme gibi ozelliklere karsm, gunumuzde istetilmesi ucuz,enerji tuketimi dO~Ok olma gibi nitelikler ron plana cikmaktadir. Islevsel vestrukturel gereklerin yarusira enerji kayiplannm en aza indirgenmesi ve gunesenerjisinden pasif ve aktif yararlanma olanaklannm tasanm asamasmda dikkatealmmasmm ciddiyetigun gectikce anlasilmaktadir, GOne~ mimarisi, iklimeuygun vebiyoklimatik mimarinin temelini olusturmaktadir. Bu konzept, konforlu mekanyaratmada iklimin olumlu faktorlerini mimaride kullanmayi gerektirir. Planlanan birbinanm sonrada gunes evine donusturulmesi pek olumlu sonuc vermeyebilir.Mevcut binalara buyuk cam yOzeylerin veya kt~ bahcesinin ilave edilmesi gibicozumler, giine§ mimarisi'ni olumsuz etkilemekte, hatta yanhs bilgilenmelere nedenolabilmektedir. Aym sekilde elektrik enerjisi i~in kullarulan fotovoltaik modullerin,bina insaasmda sonra catilara monte edilmesi de estetik acidan olumsuzgoruntulereneden olmaktadtr.

GUNE~ ENERJiSiNiN PAsiF ve AKTiF KULLANIMIGunes enerjisindenyararlanmanm pasif ve aktif oIarak simflandmlmasi ile farkh ikikullammdan soz edilir. Ancak bu iki kullamm turn arasinda bazi kaynaklara gorekesin bir cizgi cekmek o1anakh degildir. Kaynaklarda her iki kavram icin sayisiztamm gelistirilmis oldugu dikkat cekmektedir, Gene1 anlamda islevsellik acismdanpasif ve aktif kullantmlart. yabancl enedinin taStnmaSI ve lsmm dagilimma ili§kinkriterleri kapsadtgim soylemek olanakhdir. Ancak yaygm bir kant olarak gunesmimarisi ve gunesten yararlanma dendiginde, binalara gunes toplayrcilan aracrligi

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ile SICak su eldesi anlasilmaktadir. Diger acidan ise binalarda gunes enerjininyuzyihn ortalarmda kullamlmaya baslanmasi ile oncelikle gunes makinalan aklagelmekteydi. Bu da binalarda kullamlan teknik tesisata bir tesisin daha ilaveedilmesi seklinde algilamyordu. Ancak tasanm asamasmda alman planlama veyapisal onlemlerle bunun teknik bir makine ilavesi olmadigmm alb cizilmistir. /4/Bu tammdan da anlasilacagi uzere, pasif kullammda sistem binaya entegre edilmisve yapi elemanlan bu sistemin komponentleri durumundadir, Pasij kullammdatasartmda alinacak onlemler oncelikii olup, olabildigince az tesisat kullantmi SOZ

konusudur.

Pasif-Aktif Cizelgesi ve Sistemin Ogeleri:Pasifve aktif'kullarum arasmda kesinbir aynm bazi durumlarda oldukca guctur. Bunedenle pasif ve aktif kullamrm, pasiften aktife dogru siralamak dogru bir kararolacaktir, Sekil l'de gunes enerjisi kullarnm prensiplerinin Pasif-Aktif Cizelgesindesiralanmasi gorulmektedir,

Pasifgunes enerjisi kullanumnda bir sistemden maksimumdiizeyde yararlanabilmekicin hemen kullamlmayan enerjinin depolanmasi yonunde onlemler ahnmasigerekmektedir. Gereksinim durumunda depolanan enerjinin geri verilmesi ilegunluk enerji gereksinimi en aza indirgenecektir. Bu durumda bir sisteminiiy temelogesine gereksinim oldugu ortaya cikmaktadir; toplaytctlar, depolaytctlar vedagutctlar.

Toplaytctlar, gunes enerjisini toplamakta ve onu isiya donusturmektedir, Saydambir malzemeden olusan toplayici, kisa dalga boylu gunes ismlanm gecirmekte,absorbe edici yuzeyden gelen uzun dalga boylu ismlan ise tutarak, sera etkisiyaratmakta, boylece gunes enerjisi lSI enerjisine donusmektedir. Ancak diger ogelerolmaksizm, sadece cam yiizeylerpasif icinyeterlidegildir,Depolamanzn amaci ise gunes enerjisi olmadigi durumlarda isidan yararlanmayiolanakh kilmaktir. Temel ogeler dl~ duvarlarve dosemelerdir. Ozellikle d1~ duvarlartasima yoluylakaybolanISlyI minimumda tutarak, iyi bir lSI depolayicisi olarak islevgorebilirler.Dagtttctlartn islevi ise toplayicilar aracihgi ile toplanan enerjiyi depolamaelemanlarmanak1etmektir. Bu iiy elemanpasifve aktif sistemlerintemel ogeleridir.

Gunes enerjisinden yararlanmayi maksimum duzeye cikarabilmek icin kontrolsistemleri ile onlemlerin ahnmasi gerekmektedir. Bu onlemler hareketli lSI yalmmive havalandirma menfezleri diizenlenerek Islnmkontrollii dagihrm ilegerceklestirilebilir.

Pasif KuUammm Temel Ilkeleri;Iyi yalmlrrus bir mekanda tasmim yoluyla lSI kaybi oldukca azdir. Mekanlardakiacikhklar lSI kaybmi artirmaktadir, yiinkii cam yiizeylerin k-degeri masif duvarlaranazaran daha yiiksektir. Ancak yasama makanlarmda aydmlatma, havalandrrma,gorsel iliski saglama gibi cesitli islevleri yerine getiren pencerelere gereksinim

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vardir, Eger bu acikhklar, yon ve biiyiikliik acismdan dogru diizenlenirse,kaybedilen enerjiden daha fazla enerji kazarummi olanakh kilabilirler, Acikhklarmbiiyiikiiiguniin saptanmasmda toplanan ve depolanan enerji miktan dikkateahnmaktadir. Gereksinimden fazla enerji toplanmasi soz konusu ise, pencereboyutunda smirlamaya gidilmesi gerekir. C;iinkii mekanlarm asm ismmasi,

[1] Gooey penceresi

[2] K1§B~si

u..l/.l

-c [3] Gnnes DuvanJ GOOe§ <;anSIC.

[4] Trombe Duvan

[5] Camh ek Bina

[1-5] UygulamalannmMekanik donammla desteklemesi

[1-5] Uygulamalannm ek lSI

depolayici onlemlerie desteklenmesi

[1-7]. Uygulamalannda lSI dagIlmunmotomatik olarak kontrol edilmesi

u, Su I Hava Toplayicilan Uygulamasi}-

Yiiksek verimli Toplayiciias'Fotovoltaik Modiil Kullammi 10

Sekil l: Pasif / Aktif Skalasi /4/

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havalandirmayi gerektirecektir; dolayisiyla cam yiizeylerin buyumesi lSI kaybmmartmasma neden olabilir. Kisacasigunes mimarisinden beklentiler, enerji kazamnumolanakh kilarak enerjiden tasarruf saglamak ve binanm enerji gereksiniminiminimize etmektir.

Gunes enerjisinden pasifyararlanmak,

• Gunes Pencereleri,• Gunes Duvarlan,• Kis Bahceleri duzenlenerekgerceklestirilebilir,

Giine~ PencereleriGunes penceresi pasif kullammm en basit ogesidir. Pencerenin iyi yahtilrms birmekanda ve guneye yonlendirilmis olmasi kosuldur. Eger bir gunes penceresi, lSI

kaybma karsm etkin kullarnm ile pozitif bir enerji bilancosu ortaya cikarabiliyor isegunes enerjisi kazamm sistemi olarak adlandmhr, Gunumuzde yalmm degeri surekliartan cam turleri ile bu iliski gittikce iyilestirilmektedir. Saydam yuzeyden icerigiren gunes ismlan, mekanm masif duvarlan tarafindan absorbe edilmekte ve lSI

enerjisine donusturulmektedir, Masif elemanlann enerji fazlasmi depolamasiyla,mekan icindeki asm lSI farkhhgr ortadan kalkmaktadrr. Mekan isismm azalmasidurumunda, lSI masif elemanlardan konveksiyon ve radyasyon yolu ile geriverilmektedir.

Bu sistemin en onemli yaran basit ve kolay uygulanabilir olmasidir. Bir binayukanda aciklandigi gibi her daimi camh acikhklara gereksinim duymaktadrr.Boylece bu sistem ek bir harcama gerektirmeden uygulanmaktadir, Sistemin etkinolarak uygulanmasi konusuna tasanm asamasmda karar verilmesi gerekmektedir.Kism gunes ismlan belli saatlerde ve kisa sureli olarak etkili olmaktadir. Bu nedenleyeterli lSI depolayicilar ile bu ismm depolanmasi soz konusudur. Burada mekanismmm asm artmasi sonucu konfor smmnm asilmasi, dolayisiyla havalandirmagereksinimi ortaya cikabilir, Bu nedenle havalandirma gereksiniminin minimumduzeyde tutulmasi onem kazamr. En verimli depolama, gunes ismlanrun direktolarak ulasngi yiizeylerde gerceklestirilir, bu acidan mekanlarda tefrisin oneminedikkat cekmek gerekir. (:iinkii tefris elemanlan (tablo ve mobilyalar) depolamayuzeyini azaltmaktadir. Aynca tasanmda dikkat ediImesi gereken bir diger noktaise acik planlama ile gunes tsismm tum mekanlara ulasabilmesidir, Soguk iklimlibolgelerde, hareketli lSI yahtmu gerecleri ve yahtim degeri yiiksek cam kullanimmmgerekliligi kacmilmazdrr.

Bir gunes penceresinin pasif enerji kazamm sistemi olarak nitelendirilebilmesi icinbelirtilen islevleri yerine getirmek durumundadrr. Bunlar,

• lSI kayiplanni engellemesi (dusuk k-degeri; yahtimh cam veya hareketli lSI

yahnmi),• gunes rsmlanndanenerji eldesini optimize etmesi,

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• gunes koruyucu onlemleri icermesi ve SICak havalarda asm ismmayiengellemesidir.

Pencere biiyiikliikleri, pasif kullarum acismdan gunes ismrm etkisine ve binamn lSIgereksinimine bagh olarak degismektedir. Ismim siddeti artikca, cam yuzeyinbuyuklugu kuculecektir. Pencerenin form ve pozisyonu gunes ismlanrun depolayiciyiizeylere ulasmasmi saglar, Yatay duzenlenmis pencereler, gunes ismlanmn dahagenis alana yayilmasuu olanakh kilar. Dusey konumlanmis pencereler de iseismlann mekan derinligince etkimesi soz konusudur. Bu nedenle form ve pozisyonacismdan pencerelerin dusey konumda, guney cephede tum yI1 boyunca I§Ikalabilecek sekilde diizenlenmesi gerekmektedir. Kism gunesin yataya en yakmkonumda olmasi, ismlann dusey pencerelerden mekanm en derin koselerine kadargirmesine olanak verir. Yaz aylarmda ise gunesin yatayla yaptigr aC;I giderek buyur,Bu durumda da ahnan onlemlerle gunesin etkisinin en aza indirgenmesi olanakhdir.

Giine~ DuvarIanGunes pencerelerinde yansuna, parlama, asm lSI farkhhklan olusmasi gibi sorunlanolabilmektedir. Bu tur sorunlar depolayicr olarak islev goren doseme ve duvarelemanlan yerine, gunes ismlanm direkt olarak alan, saydam yiizeyin arkasmdamasif duvar diizenlenmesi ile olusturulan gunes duvarlan aracihgiyla c;oziilebilir.Gunes duvarlarmda w§ duvar yuzeyine ulasan gunes rsmlan absorbe edilir ve lSIenerjisine donnsur. lSI enerjisi duvar konstruksiyonuna baglr olarak belli bir suresonra konveksiyon ve isimm aracihgi ile ic; mekana iletiIir.

Trombe Duvarl Uygulamasl:Gunes duvar sistemi miihendis Felix Trombe tarafindan gelistirilmistir, bu nedenlede Trombe Duvart adiyla amlmaktadir. Trombe duvarmda cam ve masifkonstruksiyon arasmdaki hava boslugu isirun artmasim engeller ve icten disaolabilecek lSI kayiplanm onler, Boylece sistemin etkinligi artar. Gunes duvandogrudan gunes enerjisi kazarurm sistemi olup iic; ayn islevi kapsamaktadir, gunesismlanmntoplanmasi, lSI enerjisinin depolanmasi ve dagitum. Duvarda diizenlenenmenfezler aracilrgiyla depolanan ismm konveksiyon yoluyla daha kisa suredemekana aktanlmasi olanaklrdir.

Transparan lSI Yalztlmlz GiinesDuvarlarl:Transparan lSI yalmm gerecleri oldukca dusuk k-degerleri yamsira 0.5 - 0.75arasmda degisebilen enetji gecirgenlik degerine sahiptir. /5/ Transparan lSI yahtimiuygulamaIarmda, yahnm degerinin yiiksek olmasi sonucu lSI kayiplan minimizeedilmekte, boylece sistemin etkinligi (verimliligi) artmaktadir. Oldukca yeni olan buyahtun gereci, kapiler, petek, gozenekli ya da homojen dokulu olarakiiretilmektedir. Giiniimiiz uygulamalarmda, yahnmgerecinin dl§ atmosfer etkilerinekarsi, saydam tabaka ile korunmasi gerekmektedir. Bu tabaka pleksiglas ya dademir oram dusuk cam olabilmektedir. Uygulamalarda saydam dl§ ortu bir cerceveicerisinde duvara tespit edilmektedir. Yaz aylarmda ise duvarm asm isinmasinakarst gunes koruyucu onlemler almarak golgelemenin saglanmasi kacuulmazdir.

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Oldukca yeni olan bu uygulamamn, kullarum alammn genislemesi ile teknikdetaylandrrmalann gelisecegi ve maliyetin asagrya cekilecegi beklenmektedir. Sekil2'de transparan lSI yahtimli bir duvar kurulusu gorulmektedir, Gunes duvanndaabsorbe edilen lSI birkac saat gecikme ile duvar ic yiizeyine iletilir. Bu olgutoplanan gunes enerjisinin zaman acisindan gereksinimler dogrultusunda dagihmmiolanakh kilar. Ganes ismlannm depolayici yiizeye direkt olarak ulasmasi, gunespenceresi uygulamasmdaki tefris elemanlan sorununu ortadan kaldmr,

Ganes duvan uygulamalannda, gunes tarafindan isitilan duvar dis yuzeyinin onundeduzenlenen cam enerji kaybim azaltarak, gunes duvannm enerjik acidanverimliligini artmr. Gunes duvarlan uygulamasi oncelikle sabit ve yiiksek gunesisnummm soz konusu oldugu iklim bolgeleri icin uygundur. Eger soguk iklimkusagmda uygulama soz konusu ise, geceleri hareketli lSI yalmmi diizenlenerek lSI

kayiplanrun azalnlmasi yonunde onlem almmasi gerekmektedir. Bu nedenle sogukiklimli bolgelerde transparan lSI yahtim gerecleri iyi bir cozum olaraknitelendirilebilir. Transparan lSI yalmm gerecleri kullammi ozellikle Avrupaiilkelerinde gerek yeni binalarda gerekse eski binalann tadilatmda giderekyayginlasmaktadir, Enerji tasarrufu saglamak icin a~1kltgJ. olmayan duvarlar gunesduvarlarma donusturulmektedir. Yazm asm ismmayr onlemek amaciyla gunesduvarlarmda gunes koruyucularm diizenlenmesi gerekir. Golgeleme olayi busistemde saglanmasi gereken onemli bir kosuldur.

Bir gunes duvannm etkinligi su faktorlere baghdir: /6/

• global isimm degeri,• direkt gunes rsunmmm oram,• duvar yuzeyinin absorbsiyon gucu,• duvar kahnhgi ve duvar malzemesinin yogunlugu (lSI yahtim kapasitesi),• hareketli ve saydam lSI yalitimmalzemelerinin lSI depolama kapasiteleri.

Sekil Z: Transparan YahtnnhGunes Duvan Uygulamasi

Sekil 3: Opak ve transparan lSI

Yahtimi Karsilasurmasi 17/

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Duvar kalmligi, depolanan ismm belli bir siire gecikme ile iy mekanlaraaktanlmasmda onemli rol oynar (gecikme genelde 5-9 saattir). Havalandtnnamenfezleri sistemin etkinligini % 20-30 oranmda artmr. Bir trombe duvanndagerekli menfez biiyiikliigu duvar yiizeyinin % 3'u oramndadir. /8/

Bilindigi gibi gunes duvartnmiy ve dt~ gorunusleri oldukca farkhdir. Dis gorunumuitibariyIe camh bir yiizeyden farkh olmayip icten konvansiyonel birduvargorunumundedir. Verimli bir lSI dagihmmm gerceklesebilmesi ve lSI akismmengellenmemesi icin, duvar iy yuzeyinin tefris elemanlarmdan anndmlmasigerekmektedir. Mimari estetik acisindan ise dt§ gorunumde buyuklugebagh olarak,bina formu ve diger cam yiizeylerdikkate almarakistenilenetki yarattlabilir.

KI~ BaheeleriKis bahceleri icinde yasanabilen SICak hava kollektorleri seklinde tammlanabilen,ismlmayan, guneye yonlendirilmis, camm yogun olarak kullaruldigi mekanlardir. Kisbahcesi ve onunla iliskili mekan arasinda duzenlenen duvar genelde masif olup, lSIkoruyucu ve depolayici islevini gormektedir, Boylece krs bahcesindeki asm lSIfarkhhklan azalnlrms, konforu yiiksek, dengeli bir mikro-klima saglanrms ve dahauzun sure kullantlabilenbir mekan yaranlrmsolur. Duvarda acikhk diizenlenmesi ilekt§ bahcesinin ISISI direkt olarak bagh oldugu mekana verilebilir. Bu acikhklannbiiyiik: ya da duvarlarm saydam bir malzemeden olmasi durumunda, gunesismlanrundirekt olarak iy mekanlara ahnmasi olanakhdir. Ancak boyle durumlardada asm isi farkhhgi ve yansimagibi sorunlar ortaya cikabilir. Kis bahcelerimekansalve enerjik aoilaradan bagimsiz mekanlar olup, kendileri ile iliskili mekan iklimlerinikontrol etmektedirler. Sisteminen onemliyararIarmdan biri, ilave tesisat olmaksizmenerji kazamrmm artrrmasidir, Boylece maliyet artmaksizin mekanlarm konforuartmlmakta ve lSI farklihgi azaltilmaktadir. Krs bahcelerindealmangunes koruyucuonlemlerve hareketh lSI yahtimgereci duzenlenmesi konstruktif sorunlar getirebilir.Egimli cam yuzeylerde, egim .acismm > 200 olmasr gerekir, boylece yogusmasuyunun damlamasi engellenir ve can yuzeyinde biriken kann a§agt kaymasisaglamr, Asm ismmaya karst, havalandmlmasi icin duvarm alt ve iist krsimlarmdahavalandrrma menfezlerinindiizenlenmesi gerekir.

Enerjik acidan kts bahcelerinin farkh islevleri soyle siralanabilir:

1. Kis bahceleri mekanlardan tasima yoluyla lSI kaybmi engelleyerek tamponbolgeleri olustururlar. Mekanlardan kacan 151 aracihgr ile kI§ bahcelerinin ISISIdengelenir. Aynca binamnduvarlannm riizgardan korunmus olmasikonveksiyonyoIuyla 151 kaybim en aza indirger. Tampon bolge ozelligi yone bagli olmayip,her yon icin gecerlidir,

2. Pasif gunes sistemi olarak, kt§ bahceleri sera etkisi yaratir ve dogru planlama ileenerji kazarurmnm artmlmasim olanakh ktlarlar. Enerji kazamrm icin kI§bahcelerinin giineye yonlendirilmesi gerekmektedir. Dogu ve batiyayonlendirilmis kI§ bahceleri, kism olumsuz enerji bilancosu olusturmamn

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yamsira, ozellikle yaz aylannda sabah ve aksam gunesinden korunmak icinonlem almmasim gerektirirler.

3. Kis bahcesinde kazamlan lSI fazlasi aktif ve pasif olarak, entegre edildigi digermekanlaraaktanlarak, lSI tesisatmadestek olabilirler.

4. iIave lSI kazammi, mekanlann hava degisikliginin kt~ bahceleri aracihgi ileyapilmasi sonucu saglanabilir, cunku kis bahcesinin havasi mekandan kacan lSI

ile ismmaktadir. Bu uygulamanm etkinligi, lSI depolama kapasitesi, ismmmekanlara dogru dagilmu, iliskili mekanlarda duzenlenen lSI tesisati ve onunkullanmu ile artmlabilir.

y asanabilen gunes kollektorleri olarak arnlan kt~ bahceleri, enerji kazanmu dismdakullarum acismdan farkh olanaklar sunmaktadir. Ancak bu kullammlarda iklimseletkenler on plana cikmaktadrr. Konstruksiyon ve kullamm amacma bagh olarakkullarnm suresi 200-300 gun arasmda degisebilmektedir. Bunun dismda kisbahceleri, cevre ile direkt baglanti saglamasi, aydmhk olmasi ve diger mekanlaranazaran daha serin olmasi (14-16 "C) gibi ozellikleri nedeniyle konfor sunarak,yasamkalitesini artirmaktadir.

++

Sekil4: Kis Bahcelerinin Enerjik Fonksiyonlan1. Tampon Bolge, 2. Gunes Kollektorleri, 3. Gunes Kollektoru (aktif), 4. Hava

Sirkiilasyonu ile lSI Kazanmu

Kis bahceleri ruzgarhk, yasama amach kullamm, sera, oyun alam, atelye/hobimekam, garaj, depo gibi cesitli kullammlara olanak verirler. Kis bahcelerindeyahnmh cam kullanmu, maliyeti artirmakla birlikte mekanlann kullamm suresiniartmr. Ancak sera olarak kullarurm konusunda ise su noktaya dikkat cekmekgerekir. Bitkiler icin mekanlann ismlmasi gerekebilir, bu durumda sistemincahsmasi olumsuz etkilenebilir. Bunun dismda golgelemeye neden olarak, masifduvarlann gerekli lSI depolanmasmi ya da dogal aydmlatmayi engelleyebilirler. Bir

141

diger onemli nokta ise buharlasma sonueu olusan yogusmanm yapi hasarIannaneden olma tehlikesidir. Ozellikle kent· merkezIerinde krs bahcelerinin ses yahtirmislevi goz ardi ediImemeIidir. Enerjik acidan bir kis bahcesi diger pasif sistemIerIekiyaslarursa, konstruksiyon maIiyetine karst cok fazIa enerji kazanci sagladigisoylenemez. Aneak farkh kullamm oIanakIan sunmasi avantaj oIarakdegerlendirilebilir, Bir kt~ bahcesinden optimum diizeyde lSI kazanci saglanabilmesiicin buyuklugununyarusira kullarum amaclanninda dikkate ahnmasigerekir. Bunundismda kis bahcesine birden fazIa mekamn acilmasi olanakhdir. Bu duruma yoziimoIarak iki veya daha fazIa kat yuksekliginde kis bahcesi ya da kt~ bahcesi etrafindakonumlanan mekanlar dii~iiniilebiIir.

Kis bahcesi isismdan maksimum diizeyde yararIanabiImek icin, cam yiizeyin en az1I6'smm acilabilir olmasi ve bu acikhklann % 50'sinin duvann alt bolumunde, %50'sinin ise iist bolumde diizenlenmesi gerekmektedir. Kis bahcesinin binayaentegrasyonu farkh varyasyonlarda oIabiIir, bina yiizeyine bitisik, kismen entegreedilmis, Ioea, ruzgarlik, atrium gibi.

FOTOVOLTAiK MODULLElUN KURULU~LARIve OZELLiKLERiGunes enerjisini eIektrik enerjisine ceviren Fotovoltaik HiicreIer, malzeme veislenislerine bagh oIarak. cesitli tiirIerde iiretilmektedir. HiiereIerin temeImalzemesini silisyum olusturur, En yaygm oIarak kullanJ1am monokristalhiiereIerdir. KahnhkIan200-400 Om oIan hiicreIer, degisikboyutIardave fonnIarda(kare, dikdortgen, dairesel form) oIabiImektedir. Bir diger hiiere tiirii isemultikristal yapili hiiereIerdir. Multikristal hiierelerin iiretimleri monokristalhiiereIere karsm daha kolay ve ucuzdur, ancak verimliIik yiizdeleri de buna paraleloIarak daha dusuktur (% 13-14). Her iki hiiere turu icin de .yan iIetken tabakanmkalmhgmm artmlmasi ile verimliligin artacagi savunulmaktadrr. Amorj hiierelerdeverimliIik % 5-9 oranmdadtr. Aneak maliyetin dusuk olmasi nedeniyle, dusukverimliligine karsm ekonomikolacagi gom~ii hakimdir.

Bu hiierelerin uretiminde temel rnalzemenin silisyum olmasina karsm, buna rakipolusturan Germanium (Ge), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) ve Cadmium-Tellurid(CaTe) den de soz ediIebiIir. Aneak heniiz arastirma asamasmda olan bumalzemelerle, minimum malzeme ve enerji kullammi He verimi yiiksek kolay hiiereuretimi amaclanmaktadir.

Fotovoltaik hucreler "Fotovoltaik Modiilleri" olusturmaktadir, Modiillerdehucreler elektrik akmnmn saglanabilmesi icin birbirlerine paraleI, seri ya da karmaoIarak bagh olup, modiillerin her iki yiizeyi eamla kaph ve bir metal cerceve iIecercevelenmektedir. Boylece hiicreler dt~ atmosfer etkilerine karst korunmaktadir.Bunun dismda hiicrelerin iklimsel etkenlere karst da korunmasi gerekmektedir.Modiillerin Yonlendirilmeleri cok onemlidir, maksimum verim ahnabilmesi icingiineye yonlenmek gerekli olup, egim acisi ise buIunuIan enleme bagh oIarak 30 ­40° arasmda degismektedir. /9/ Aneak mevcut can uzerine montaj soz konusu iseegimle ilgili oIarak bazi sorunIar olabilmektedir. Teras can ya da bos alan

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diizenlemelerinde egimin istenildigi gibi ayarlanmasi olanakhdir. Ancak buradamodiillerin golgelenmemesine dikkat etmek gerekir. Maksimum verim icinmodiilleryatay ve/veyadusey eksende hareket edebilecek sekilde diizenlenebilirler.Sonucunda bu tur uygulamalar maliyeti artirmaktadir.

Sekile: Fotovoltaik-Hucrenin Yapisi /81

Sistemin bir diger ogesi olan Donusturuculer elektronik elemanlar olup, dogruakmu, alternatif akimadonustururler, Piyasadacok cesitli turleri mevcuttur. Hemenher turunde % 80-95arasmdaverim almabilmektedir. (Tablo 1)

Fotovoltaik modullerle kurulan tesislerin kapasiteleri 2-20 kW arasmda degismekleberaber, bos alanlara kurulan tesislerde kapasitenin 100 kW'tan 1 MW'acikanlmasr olanakhdir, Belirtilen kapasitelerde enerji uretimi icin monokristal,multikristalya da amorf hiicreler kullamlabilmektedir. Piyasaya sunulan hucrelerinverimlilik oranlan % 14, 12 ila 6 oranmda degismektedir. Buyuk tesislerden % 92­94 arasmda verim almmaktadrr. PV-Modiillerin verimli kullamm surelerinin 20-30yil arasmda olabilecegi hesaplanmaktadir,

Tablo 1: PiyasadabulunanPV-TesislerinVerimlilik Oranlan 1101

PV-Can Tesisleri PV-SantralModill Kapasitesi 2-20kW 2-20kW 2-20kW IMW IMW IMWHiicreTiirti Mono Multii Amorf Mono Multii AmorfModill Verimliligi %14 %12 0/06 %14 %12 0/06Donii$tiirticii Verimliligi %92 %92 %92 %94 %94 %94Sistemin KulIamm Verimliligi %10-11 %9-10 %4-5 %10-11 %9-10 %4-5Teknik Uvzulanabilirlilik %95 %95 %95 %95 %95 %95

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HOcreIerin uretiminde, verimliliklerinin artmlmasi konuIannda surekli ilerleme veiyilestirilmeler kaydedilmektedir. Amac ucuz, dayamkh ve verimliligi yuksek hucreOretmektir.

1985

Madill maliyeti 6$/W ModOI maliyeti 3.6$ /W

D Modiil Oretimi

~ Silisyum

• GOne~ EnerjisiTeknolojisi

Sekil 5: Fotovoltaik Modul Uretiminde MaliyetDagilunr K-ar~I1a~1 /11/

FOTOVOLTAiK MODULLElUN MiMARiDE KULLANIMOLANAKLARIFotovoltaik ModOllerin ilk uygulamalarda oldugu gibi canlara monte edilmeleri yada bos alanlarda santral seklinde kurulmalan olanakhdir. Cephelerde saydamolmayan ve gunumuze degin lSI kaybedilen bolgeler olarak kabul edilenbolumlerinde, gunumuz teknolojik olanaklan ile gunes enerjisinden elektrik enerjisiOretilebilmektedir. PV-ModOller, mimaride cephe elemam, catt tstkltkiart, if bahcecattlan, can kiremitleri, sacak, gimes koruyucu ve golgeleme elemanlart seklindedOzenlenmektedirier. PV-Moduller konutiar, idari ve buro binalan, ahs-verismerkezleri, endiistri binalan, dini yaptlargibi her turlu bina tipinde, istasyon peronsacaklan ve otoyollarda ses kesici elemanlar seklinde uygulama alarubulmaktadrriar. Fotovoitaik Modiillerin bina kabuguna entegre edilmeleri, bir cepheelemamndan beklenen performansi da yerine getirecekleri icin bir avantaj olarakdegerlendirilmektedir. Boylece elemanlar hem cephe elemani, duzenlendigi konumve islevine gore rsikhk, golgeleme elemarn, can sacagi gibi islevlerin yanisira

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elektrik uretimi ve elektromanyetik dalgalan engelleme gibi islevleri de yerinegetirirler. Yapi fizigi acismdan havalandirmah kuruluslar, gerek duvar gerek cancozumlerinde en iyi sonucu verirler.

SONUCCografi konumu itibariyle ulkemiz, bina tasanmlarmda gunes enerjisinden gerekpasif gerekse aktif yontemlerle yararlanma olanaklan dikkate ahnmakdurumundadir. Binalarm isitilmasmda tuketilen enerji oram, toplam tuketimin %40'hk bir bolumunu kapsamaktadrr. Tasanmda ahnan onlemlerle (gunes duvan vekis bahceleri) enerji kazarurmrun artmlmasi ve enerji kaybmi en aza indirgeyecekduvar ve can kuruluslan ile bu oramn asagi cekilmesi olanakhdir. Aynca gelisenteknoloji paralelinde fotovoltaik modullerin yapiya entegre edilmeleri ile cok amachkullammlan soz konudur. PV-Modtiller hem enerji uretmekte, hem de konumunagore yapisal bir oge olarak (markiz, parapet elemam, can kiremiti, l§l~ kontrolu)islev gormektedirler,

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DENizuSTU RUZGAR SANTRALLERi

Prof. Dr. Mustafa Ozcan ULTANIRAnkara Universitesi Enerji Cahsma GrubuB~

Serpil KOC;AKTEA~-APKDairesi

OzetAltematif yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklan arasmda hizh bir atihm ruzgarenerjisinde gorulmektedir. Diinyada kurulu ruzgar gucu 1997 sonunda 7500 MW'1asnusnr. Icinde bulundugumuz donemde ruzgar santrallan karalardan deniz1eretasmaya baslamisnr. Rnzgar enerjisi baknnmdan deniz alanlan karasaal alanlaragore daha buyuk zenginlik gostermektedir.

Bugun ruzgar santrallarmda kullamlan turbinler, yeni teknoloji urunu WECS'lerotoproduktor iinitelerden cok enterkonnekte sistemi beslemek icin kurulmakta, tekunite yerine ruzgar ~iftligi olarak tammlanan cok sayida iinitelerleyerlestirilmektedir. Gelismis teknoloji ile ruzgar turbin ve ciftlikleri karasalalanlardan ote deniz ustunde kolayca kurulmaktadir, Denizustu (off-shore)WECS'lerin onemi giderek artmaktadir, Kara tipi ruzgar santrallannm birim kuruluguc maliyetleri ortalama 1250 $/kW iken, deniziistii ruzgar tiirbinleri kara tipitiirbinlere gore 1.5-2.5 kat pahahya mal olmaktadir,

Denizustu ruzgar enerjisi ile ilgili ilk cahsmalar 1970'li yillann sonuna dogruDanimaarka, Hollanda, Isvec, Ingiltere ve ABD'de baslamrstir. 1980'li yillannbaslannda bu cahsmalar Uluslararasi Enerji Ajansi (lEA) biinyesindeyurutulmustur. ilk denizustu proje, 1990 yihnda Isvec'de kiyidan 0.25 km aeikta220 kW'hk tek bir Wmword tiirbini yerlestirilerek gerceklestirilen Nogersundtesisidir. ilkdenizustu ruzgar ~iftligi ise Danimarka Lolland adasi yanmda kurulmusVindeby Ruzgar C;iftligi olup, 11*450 kW'hk makine iceren 5 MW'hk bu ciftlik,1991 yihnmm ortalarmda isletmeye actlnusnr, .

Avrupa'da 1995-1997 yillannda 12 MW'hk deniz ruzgar ciftlikleri kurulduktansonra, simdi kisa donemde bu kurulu giiciin 180 MW'a cikanlmasr planlanmrsnr.Avrupa Birligi'nin yeni ve yenilenebilir kaynaklarm gelistirilmesine yonelik olarakuyguladigr programlar sonucu, 2005 yihnda Avrupa'da kurulu ruzgar giicii 12000MW'a ulasacaknr. Bu ruzgar santrallerinin %5-10'luk bolumu deniz iistiinekurulacaktir. Avrupa Ruzgar Enerjisi Birligi, Avrupa'da kurulu gucun 2030 yihnda100 000 MW'a cikacagim ve bunun denizustu payimn %25'den az olmayacagmitahmin etmektedir.

Ruzgar potansiyeli ile ilgili on cahsmalara gore, ulkemize ait deniz alanlarmdakipotansiyelin 40 000 MW diizeylerine ulasilmasi beklenebilir. Tiirkiye'de ruzgarenerjisnce zengin yorelerin basmda Marmara'nm yarusira Ege kiyilan, Karadeniz(ozellikle Sinop) kiyilan, Akdeniz (ozellikle iskenderun kiyilan) gelmektedir.

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Karadeniz'de deniz gibi suyundan hidrojen uretmek amaciyla Rus ve Bulgar ortakcahsmasr olan denizustu riizgar santralleri projesi vardir. Avrupa toplulugu icinhazirlanrms riizgaratlasmdan, Ege Denizi'nin 10 rn yukseklikteki ruzgar hizmm 7-8m/s arasmda oldugu ve bunun Turkiye kiyilarma kadar gecerliligini korudugugorulmektedir.

Turkiye'de kara tipi ruzgar santrali kurmak icin ozel sektor tarafindan yapilmis 26girisim oIup,bu santral tekliflerinintoplam gucu ilk etapta 679.25 MW'drr. Ancak,denizustu riizgar santrali kurulmasi icin yapilan teklif yoktur. Teknoloji kazammiacismdan onemli oldugundan, devIet destegi ile ozel sektorun denizustu riizgarsantrallerine yatmmyapmasiozendirilmelidir.

Riizgar enerjisi Teknolojisinde Anhm:Altematif yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklan arasmda hizh bie atihm riizgarenerjisinde gorulmektedir, 1990 yilmda diinyada kurulu ruzgar gucu 2 160 MWiken, 1997 sonunda 7 500 MW'I asmisnr. Icinde bulundugumuz donem, riizgarsantralerinin karalardan denizlere basladigi bir donemdir,

Son 25 yd icerisinde yenidenyaratilan ruzgar enerjisi endiistrisi iIegecmisteelektrikuretiminde kullamlan riizgar turbinleri ya da bir diger deyisle riizgar jeneratorleri(aerojeneratorler) yeni bir teknoloji urunu WECS (Rnzgar enerjisi CevrimSistemi)olarak gelistirilmistir. WECS'Ier otoproduktor iiniteleriden cok enterkonnektesisternibeslemek icin kurulmaktadir, Gucleri 100 kW iIe 2000 kW arasmda oIup,encok kullamlan makinalar 600 kW gucludur, Elektrik a~ baglannh riizgarsantralleri tek bir turbinden olusabilecegi gibi riizgar yiftli@ (veya tarlasi) olarak:tarumlanan yan yana cok sayida riizgar turbininden olusabilir, Artik riizgarturbinleri ve ruzgar ciftlikleri karasal alanlardan ote deniziistinde de kurulabilmek­tedir. Deniziistii (off-shore)WECS'Ierin onemigiderek artmaktadir.

Deniziistii Riizgar SantralIerinin Gelisfmi ve Yapr OzeUikleri:Riizgar enerjisi bakmundan deniz alanlan karasal alanlara gore daha buyukzenginlik gostermektedir, Avrupa Birligi kapsaminda bir cahsma ile kiyidanuzakhga ve su derinligine bagh olarak denizustu ruzgar turbini kurulrna olasihgmagore potansiyelbelirleme cahsmasi yapilmisnr, Bu hesaplamada 100 m rotor caphturbinleri kullamlacagi varsayilrmstir. Kiyidan 10krn acikhkta ve lOrn su derinligiolan alanlardaki potansiyel 750 TWhIy1I ikwn, kiyidan uzakligi 30km ve su derinligi40 m olan alanlar gozonune ahndigmda 3500 TWh/yd kadardir.. Oysa, AvrupaBirliginin eIektrik tuketimi 1727 TWh/yd kadardir. Dikkate deger bu potansiyel1990-1995 yillan arasmda saptanmisnr. 1994 ythnda Akdeniz ve diger AvrupaDenizIerinde Denizustu Ruzgar Enerjisi (OWEMES) Avruga Sernineri Rorna'dayapilmis oIup, UNESCO tarafindan da desteklenen ikinci serniner 1997 yihndaSardinia'da gerceklestirilmistir.

Denizustu riizgar enerjisi iIe ilgili ilk cahsmalar 1970'li yillann sonuna dogruDanimarka, -Hollanda, .lsvec, ingiltere ve ABD'de baslarrusnr, 1980'li yillann

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basmda bu cahsmalar Uluslararasi Enerji Ajansi (lEA) biinyesinde OWECSprograrm kapsammda yurutulmustur, ilk denizustu proje, 1980 yihnda Isvec'de0.25 km acikhkta 220 kW'hk tek bir Windword tiirbini yerlestirilerekgerceklestirilen Nogersund tesisidir.

ilk denizustu ruzgar ~iftligi ise Danimarka LolIand adasi yanmda kurulmus VindebyRuzgar ~iftligi olup, 11*450 kW'hk makine iceren 5 MW'hk bu ciftlik 1991 yilminortaIarmda isletmeye almnusnr, Vindeby pilot denizustu ruzgar ciftligi DanimarkaEnerji Bakanligi'nin 100 MW'hk programmm bir parcasidir. 45 MW'bk bolumuVindeby'i insa eden ELKRAFT firmasma verilmistir. Vindeby ciftliginde kulIarulantiirbinler diinya piyasasmda sanlan Danimarka malt Bonus marka tiirbinlerdir.Herbir turbin guclendirilmis beton duba tipi temel iizerine yerlestirilmistir. DubatemelIer Onsevig limanmda kuru dok aIanmda yapildiktan soma yerlerineyuzdurulerek goturulmuslerdir, Konik bicimindeki temelIerin caplan ustte 5 m, altta14 m'dir. Denizdeki konumuna gore yiikseklikleri 5.5 m ile 8.2 m arasmdadegismektedir, En buyuk temelIer 550 ton olup, iclerine 500 tonluk cakil ve kumyerlestirildigi icin toplam .kutle 1050 tona ulasnusnr, DubaIar deniz tabanmabaghdir. Denizustu yerlesimde deniz yiizeyinden yukandaki kanadm ucuna olanyiikseklik 55 m olmustur.

Vindeby ruzgar ciftliginin tiirbinleri kiyi seridinden 1.5 km uzakhkta iki sira olarakdizilmistir. iki sira arasmda yine 1.5 km aciklik vardir. Bir baska deyisle, turbinlerkiyi seridinden 1.5-3 km uzakhktadir. Siralardanbirindebes ve digerinde altr turbinyer almaktadrr. Danimarka Enerji Bakanhgi'nm verilerine gore ~ligin yapimmaliyeti yaklasik 83 milyon DKK (14.5 milyon $) diizeyindedir(2930 $/kW).Yatinmm yuksekliginde turbinin oturacagi temel acismdan gereken deniz i~i betonyapl etkili olmustur, -

Bonus 450 tiirbinlerinin rotor capi 35 m olup, supurme aIarn 962 m2'dir. Ozguluretim gucu 470 W/m2'dir. Rotor ii~ kanathdir, Kanatlar polyester ileguclendirilmis fiberglass malzemeden yapilmisnr. Rnzgann rotora gelisi ondenolup, ileri ruzgarh (upwind) tipi tiirbindir. Rotor gobeginin taban platformundanyuksekligi 37.5 m'dir. Kule tek parcah celik borudan yapilmrsnr ve tekneye cikmakicin icten merdivenlidir. Kule ve diger donammlar nemli kosullara karst koruyucubir sistemle boyanmrsnr,

TUrbin 5 rn/s ruzgar luzmda yararh gii~ iiretmeye baslamakta, 14-18 rn/s arasmda. gucu 450 kW'a ulasmaktadir, Turbinin frenlendigi kritik ruzgar hizi 28 rn/s'dir.Kanat ucu hizi 67 rn/s'dir. Kanat acilan sabit konumludur. Rotorun hizi sabit vedakikadaki donu sayrsi 35 rpm'dir. Turbinin hidrolik aktiviteli hava frenleri vemekanik freni vardir. Tiirbin jeneratoru 450 kW'bk asenkron jenerator olup, devirsayrsi 1500 rpm, frekansi 50 Hz ve ~oo~ gerilimi 690 volt'dur. Rotor ile jeneratorarasmdaki disli kutusu 3(2+1) kademeli 733 MWh/yll diizeyindedir. Turbinlerdeiiretilen elektrik denizalti kablosu ile sebekeye aktanlmaktadir. Vindeby Ruzgar

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c;iftliginin yilhk uretimi 10.6 milyon kWh olup, 3000 konutun gereksiniminikarsilamaya yeterli oldugu belirtilmektedir.

Avrupa'da Deniziistii Riizgar SantraIlerinin Gelecegi:Avrupa'da 1995-1997 yillannda 12 MW'lIk deniz ruzgar kurulduktan sonra, simdikrsa donemde bu kurulu gucun 180 MW' a cikanlmasr planlanmistrr. ingiltere'dedenizustu ruzgar santralleri uzerinde ele ahnmis iki onemli projesi oldugubilinrnektedir. Ingilizler denizustu tesisler icin oncelikle orta guclu rnakinalariizerinde durduklanm belirtrnekle birlikte, 50 rn'den 120 rn'ye dek rotor capi olantiirbinlerdizaynetmislerdir. Ingiltere'nin dogu kryisinda Inner Dowsing alamnda ve5 krn acikhkta uygun site yeri belirlenmistir. Burada kuracaklan c;iftlige ait pilottesis ile ilgili bir dernonstrasyon projesine 3.5-4 milyon sterlin (5.4-6.1 milyon $)butce aynlmisnr. IngilizlertiC; ayakli kafes biciminde kule ile denizyiizeyinden 45 rnyiikseklikte 60 rn rotor caph ve 1.4 MW guclu bir turbin projesini gerceklestirmeyecahsmaktadirlar. Toplam 9 turbin ile nominal gucu 12.6 MW olan bir denizusturuzgar C;iftligi kurmayi hedeflemislerdir. Yukandan bu yana tarutila gelinen Isvec,Danimarka ve Ingiltere'nin dismda denizustu ruzgar tesisleri konusunda Hol1andave Italya'nm da detayh cahsmalan ve projeleri oldugu bilinrnektedir.

Avrupa Birligi'nin yeni ve yenilenebilir kaynaklarm gelistirilmesine yonelik olarakuyguladigi Thennie ve Joule prograrnlannm sonucu olarak, 2005 yihnda Avrupa'dakurulu ruzgar gucu 12 000 MW'a ulasacaktir. Bu ruzgar santrallerinin bir bolumudeniz ustunde kurulacaktrr. Ornegin Danimarka 2010 yihnda kurulu kapasitesini%10'u denizde olmak uzere 2000 MW'a cikarmayi hedeflemistir, Avrupa Ruzgarenerjisi Birligi, kurulu ruzgar gucunun 2030 yihnda Avrupa'da 100· 000 MW'acikacagim ve bunun icinde denizustu paymm %25'den az olmayacagmi tehrninetrnektedir.

Ruzgar turbinlerinin unite gucleri artmhrken, son bes yd icerisinde :fiyatlan dadii~iiIiilmii~tiir. Karada kurulan WECS'lerin 1995 yih fiyatlan Avrupa'da 1400$!kW'a kadar crkabilmekteyse de, ABD'de 750$!kW duzeyine dek dti~en

tipleri vardir. Diinya turbin pazan 2000 MW/yd duzeyine ulasdigmda, birim kuruluguc rnalyetinin 750 $!kW'm altma dusmesi beklendiginden rekabet daha artacaknr,Ancak, deniziistii ruzgar tiirbinleri kara tipi tiirbinlere gore 1.5-2.5 kat pahahyakurulabilmektedir.

Deniziistii Riizgar Santrallerinin Tiirkiye i~in Onemi:Ruzgar potansiyeli ile ilgili 9n cahsmalara gore, Tiirkiye'nin kisa donemde ruzgarkurulu giiciinii 4 000 MW duzeyine cikarmaya uygun potansiyeli oldugubilinrnektedir. Bu potansiyelin uzun donemde 20 000 MW'a nrmanmasr olasidir.Ulkernize ait deniz alanlarmdaki potansiyelin ise 40 000 MW diizeylerine ulasmasibeklenebilir.

Denizustu Rnzgar Santralleri, bir iC; deniz olan Marmara dismdakiyilan 8210 krn'yibulan Tiirkiyew acisindan cok onemlidir. Tiirkiye'de ruzgar enerjisince zengin

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yorelerin basmda Mannara'run yanisira Ege kiyilan, Karadeniz (ozellikle Sinop)kryilan, Akdeniz (ozellikle iskenderun ) kiyilan gelmektedir. Karadeniz'de denizgibi suyundan hidrojen uretiminde kullamlmak uzere Rus ve Bulgasr ortak projesiolan riizgar santralleri iizerinde duruldugu bilinmektedir. Avrupa toplulugu icinhazirlannus ruzgar atlasmdan Ege Denizi'nin 10 m yiikseklikteki ruzgar hizmm 7-8mls arasmda oldugu ve bunun Tiirkiye kiyilanna kadar gecerliligini korudugugorulmektedir, Ege Denizi'nde karasulanmiz ile iilkemize ait ada, adacik, kayaWdarve Anadolu'nun aynlmaz parcasi olan lata sahanhgimiz uzerinde gelecektedeniziistii ruzgar santralleri kurulmasi olanakhdir.

Tiirkiye'de kara tipi riizgar santrali kurmak icin ozel sektor tarafindan yapilmis 26girisim vardir ve kuru1mak istenen ruzgar ciftliklerinin gucleri 1.62 MW ile 186MW arasmda degismektedir, Bu santral tekliflerinin toplam giicii ilk etapta 679.25MW olup, kisa donemde 765.82 MW'a cikanlmasr, orta donemde 677.5 MW dahaguc eklenmesi onerilmistir, Boylece 26 proje teklifi. ile toplam 1356.75 MW riizgarkurulu giicii olusturulabilecektir.

Ancak, deniziistii ruzgar santrali kurulmasi icin yapilan teklifyoktur. Oysa, Ege'ninbazi Slg sahillerinde bu tur santrallerin karadakine gore 1.5 kati yatmmla kurulmasiolanakhdir, Bu santrallerden yapilabilecek daha fazla iiretimle, santralin karadakinegore kendisini daha kisa surede amorti etmesi altematifi de dusunmelidir. Bunulabareber, teknoloji kazanmu acismdan onemli oldugu icin devlet destegi lie ve paketprojeler kapsammda ozel sektorun deniziistii ruzgar santrallerine yatmm yapmasiozendirilmelidir.

KAYNAKLAR1. Anonymous, 1991. "Vindeby Offshore Wind-Farm Near Completion",

Windirections, Vol.ll. Nos. 1-2, EWEA, London.2. Garrad, A., 1994. "Offshore Wind Energy", European Renewable energy,

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Directory ofRenewable Energy", James & James, London.5. Ultanrr, M.b., 1996. "Yel Degirmenlerinden Giiniimiize Ruzgar Enerjisi", Bilim

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5, Uzman Yaymcihk, istanbul.7. Ultamr, M.b., 1997. "Riizgar ve Ganes Santrallerindeki Gelismeler ve

Tiirkiye'de Bu Santralllerin Kurulmasi Olanaklan", Tiirkiye 7.EneIji KongresiBildirileri, Cilt III, Diinya Enerji Konseyi Turk Mi1li Komitesi, Ankara.

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SEBEKEDEN BAGIMSIZ RUZGAR SiSTEMLERi ve EiE RUZGARENERJisi (:ALISMALARI

Cavit UNvEREiEANKARA

Riizgar EnerjisiHizla gelisen teknoloji, artan oranlarda enerji tiiketimini de beraberindegetinnektedir. Enerji tiiketimindekibu arnsr karsilamak icin biiyiik oranlarda fosilyakitlar kullamlmaktadir, Asit yagmuru, sera etkisi gibi global cevresel problemleriizerindeki ciddi endiseler, yenilenebilir kaynaklarm yararlanm artnrmaktadir.Gunumuzde, temiz, cevreyle uyumlu ve elektrik iiretiminde ekonomik olarakuygulanabilen yenilenebilir enerji kaynaklarmdan ruzgar enerjisinin kularunugiderek yaygmlasmakta ve bu konuda teknolojik olgunluga erisildigi vekonvansiyonelenerji kaynaklan ile rekabet edebildigi kabul edilmektedir.

1997 sonu diinya kurulu ruzgar gucu 7669 MW ve bu gucun ~ogu ABD veAvrupa'dadir (Tablo-I). Ruzgardan uretilen elektrigin birim maliyeti de iilkeleregore degismektedir. ABD'de bu maliyet genelde 5 centlkWh'm altmadusurulmusken.Avrupa'da 0,05-0.065 ECUlkWh (6.4-8.3 centlkWh) diizeylerin­dedir. Almanya'da 5.6 CentlkWh (7.5 pfg/kWh), Ingiltere'de 6.2 centlkWh~rleri verilmek.tedir.

Ruzgar enerjisinin daha genis uygulanmasmdaki kisitlar; gorsel, estetik, gurultu,kus olumleri, telekominikasyongirisimigibi etkileri icerir.

Goriintii ve Estetik EtkiRuzgar tarlalanmn en cok tartisilan cevresel etkisi tiirbinlerin gorsel ve onIancevreleyen manzara uzerine etkisidir. Makinalarm uyumlu yerlesimi bu nedenIebiiyiikonem tasir.Ruzgar tiirbinlerinin gorsel etkisi ozellikledogal giizellik, kulturel acidan degerli veyogun nufuslu alanlarveya ulkeler icin planlamayasaklarma neden olabilmektedir.

GOlge Titresfml/ParslnGorsel etkisinin ozel bir durumudur. Gunesin dogusu ve batisr esnasmda, ruzgartiirbinlerinin donrnekte olan kanatlan golge oynamasma, golge titresimine nedenolabilir. Aym sekilde cilah kanatlara gelen gunes l§lg. da civara yansiyarak panltietkisi yaratabilir. Bu datiirbin civarmdayasayan insanlan rahatsiz edebilir.

GiiriiltiiRuzgar tiirbinlerinden yayilan giiriiltii iki kaynaktan iiretilir ve her biri insankulagmi farkh bir sekilde etkiler. Birincisi aerodinamik ya da genis bant gurultusu,makinamnkanatlan iizerinden hava gecerken olusur, ikincisi tonal veyatek frekansgurultusudur ve disli kutusu ve generator gibi donen mekanik ve elektrikselelemanlartarafindan olusturulur.

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Arazi KullannmRuzgar tarlalan iki yonlu arazi kullanumna uygundur. Ruzgar enerjisi dagnuknr vegenis bir alana yayilrms tiirbinlerin urettigi enerjinin toplarmdir. Bununla birlikte birruzgar tarlasmm kapladigi arazinin % 90'1 tanmsal amaclar icin kullamlabilir. Dahaotesi ruzgar tarlasmm giris yollan geregi gibi planlanmissa ciftciler tarafindandezavantaj yerine avantaj olarak gorulur

Enerji Kullannm ve EmisyonIarGlobal anlamda bir ruzgar tiirbininin iiretim ve tesisinin oldugu kadar tiirbinini insaetmek icin kulamlan celik, beton vb. malzemeleri iiretmek icin de eneIjiye ihtiyacvardir, Bu enerji yatmmi tiirbinin omru esnasmda geri odenmelidir: Enerji analizleriruzgar tiirbinlerinin enerji geri odeme siirelerinin birkac aydan birkac yila kadardegi~tiginigostermektedir.

Komar yerine ruzgar enerjisinden 1 kWhk giic; iiretimi 1 kg' hk CO2 emisyonunuengeller. Boylece 30 tiirbinlik bir ruzgar tarlasi omru boyunca yaklasik 30000 tonCO2 emisyonunu telafi eder. CO2 kiiresel yayihmi bu on yihn sonuna kadar 160­170 milyon ton duzeyinde tutulacaktrr.

Riizgar Enerjisi ve KuslarRuzgar tiirbinlerinin isletimi kuslara zarar verebilir. Bu zarar kule veya kanatlarlacarpisma sonucu kuslann olmesi veya tiirbinler cevresindeki kus dinlenme veyabeslenme yerlerinin bozulmasiolarak iki sekildedir.

Danimarka'da Ornis Consult tarafindan verilen bir raporda orta ve kucuk olcekliruzgar giic; santrallannm gozlenmesine dayamlarak kuslann ruzgar tiirbinlerindenciddi olarak etkilenmedikleri sonucuna vanlnusnr. Kuslar ruzgar tiirbinlerine veonlarm etrafinda ucmaya ahsiyorgorunmektedir.

Donen Yaptlann OIu~turduguEIektromagnetik Giri~im

Biiyiik cikintih bir yapr ozellikle onemli miktarda metal iceriyorsa radyo, tvyaymlan, iletisim linkleri gibi elektromagnetik sinyallere girisim nedenidir. Ruzgarenerji donusum sistemlerinin donen kanatlan radyo, televizyon, uydu servisleri,radarlar gibi elektromagnetik iletisim cihazlanmn kulammrnda girisime nedenolabilir.

Em RUZGAR C:;AL~MALARIEiB Idaresi Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgma bagh olarak 1935 yilmdakurulmus bir kamu iktisadi tesebbusudur, Gorevleri iilkenin su kaynaklan ve enerjipotansiyelinin belirlenmesi ve uygun yerlere tesis edilecek baraj ve hidrolik santralprojelerinin hazirlanmasi amaci ile harita etiidlerinin yapilmasi, bu tesislerinmiihendislik hizmetleri, istiksaf master plan, fizibilite ve kesin proje cahsmalanruyiiriitmektir. Bu cahsmalann yamsira 1981 yihndan beri Enerji Kaynaklan Etiiddairesi Baskanhgi biinyesinde enerji tasarrufu (Sanayi, konutlar ve ulasimsektorleri) ve yenilenebilir enerji kaynaklan (ruzgar ve gunes enerjisi) konularmda

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cahsmalanm yiiriitmektedir.Riizgar Enerji alanmdaki cahsmalar asagidaki projeleraltmda yiiriitiilmektedir.

I. Riizgar Enerjisi Potansiyeli BelirlemeTiirkiye'de genel amach ruzgar olcumleri diger olcumlerle birlikte DMi GenelMudurlugu tarafindan uzun yillardir yapilmaktadir. Ulke genelinde yeni veyenilenebilir enerji kaynaklarma dayalt plan ve programlarm yaptlabilmesi, bukaynaklarm herbirinin potansiyellerinin belirlenmesiyle mumkundur.Bu amacla, ilkadun olarak, DMi Genel Mudurlugune ait istasyonlarm 1970-1980 ytllanarasmdaki kayitlan degerlendirilerek iilke genelinde dogal ruzgar enerji dagihmmi,ayhk ruzgar olcumlerini baz alarak tesbit edilmistir. Sonuclar "Tiirkiye RiizgarEnerjisi Dogal Potansiyeli" cahsmasi olarak yaymlanrmsnr.

Bu cahsmasonucunda :i) Marmara Denizi kiyilan ve iy kisimlanii) Ege denizi ve guneybati Akdeniz kiyilaniii) Dogu Akdeniz kiyilanIV) Orta Anadoluda tuz golu giineyiv)Giineydogu Anadolu olmak iizere ruzgar bakmundan zengin alti bolgebelirlenmistir,

Cahsmamn ikinci asamasi ise birinci asamada belirlenmis olan ve ruzgar enerjisiyonunden umit gorulen yerlerde enerji amach ruzgar olcumlerine dayanmaktadrr.Bu sayede bu bolgelerin enerji amach ruzgar potansiyelleri dolayisiyla da ruzgarenerjisi donusum sistemleri kurmaya aday yerler belirlenecektir. Boylece ruzgarenerjisinden enerji kaynagi olarak yararlanma saglanacak ve artan enerji sorunucozumune katki yapilabilecektir.

Bu amacla 1990 yihndan baslamak iizere iilkenin degisik yerlerine ruzgar enerjisigozlem istasyonlan kurulup veri toplanmaya baslamisur. Bu istasyonlarda dii§iikguclu mikroislemci kontrollii veri toplama sistemleri kullarulmaktadir, Olyiimler 10metre standart yiikseklikte almmaktadrr. Toplanan veriler data chip'de saatlikolarak depolanmakta ve yazihm programi kullamlarak islenmektedir. Elde edilenayhk ruzgar istatistik raporlan; ozet hiz istatistikleri, ortalama ruzgar hizlan,grafikleri, frekans dagihm tablosu, ruzgar yonleri, ort. tiirbiilans yogunlugu, ruzgargiicii vs. icerir.

Bazi istasyonlannuzm ayhk ortalama ruzgar luzlan (Tablo-2) de gorulmektedir, Buistasyonlardan Bandrrma, Nurdagi, Senkoy olyllm siirelerinin tamamlanmasi,Karaburun, Goktepe isletme kosullannm elverissizligi, Zengen ise ruzgar luzlannmoldukca dusuk olmasi nedeniyle kapatilmis ve daha elverisli (Sinop, Bodrum,Yahkavak, Soke) yerlere kurularak veri toplanmaya baslarmsnr,

EiE'nin ruzgar olcumleri yaptigi yerlerde 3096 sayih kanunun 4. maddesine goreyap-islet-devret modeli kapsammda ruzgar tarlalan kurmak icin yapilan basvurularbu konudaki umit verici gelismelerdir,

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EiB AREB-TS ile Tiirkiye'de riizgar enerjisi kullamnnru ozendirmek ve sistemtasanrm icin metodoloji olusturmak amaciyla Turkiye'nin bat! bolgesindebelirlenecek bir yerde Ruzgar Enerjisi Fizibilite Projesine baslamrsnr, Bu amaclaAreb-Tx ile bir ortak girisim antlasmasi yapilrmsnr. Toplam 300.000 ECUtutannda olan sozkonusu projenin 170.000 ECU'luk bolumu Avrupa YatmmBankasi METAP Programmdan desteklenmek uzere basvuru yapilrmsnr. Projeninaln ana bashkta yurutulmektedir, BunIar:

1. Proje Hazirhk Cahsmalan2. Ruzgar Kaynak degerlendirmesi3. Ruzgar Tarla Tasarmn4. Ekonomik AnalizS. CevreEtki Degerlendirme Cahsmalan6. Sonuclann Degerlendirilmesi ve Yaynm.

2. Riizgar Enerjisinden Elektrik UretimiRuzgar Elektrik Donusum sistemlerini izIemek ve ti.lkemizde uygulanabilmesiamaciyla 1983 yilmda idaremizce baslanlan ve ODTD ile i§birligi yapilaraksurdurulen bu sistem 1.1 kW gucunde olup EiB Yenilenebilir Enerji Parkmdakurulmustur, Sistemin turbin dismda kalan kisimlan tamamen yerli olanaklarlaprojelendirilerekimal edilmistir.

3. Riizgar Enerjisi ile Mekanik Su PempajiBu proje ile;i) Mevcut teknoloji ile ilgilibilgibirikiminin saglanmasiii)Bu sistemlerinbakim, onanm ve isletmekonulannda deneyimkazamlmasiiii) Yurt icinde ima1at ve kullamm olanakIannm arastmlmasi amaclanmaktadir,

Bu proje kapsammda;a) Alti kanath, emme yuksekligi 7 m, basma yuksekligi Sm. 7m/s de 14.4 m3/gtin

kapasiteli bir emme basma tulumbadan olusan sistem yurt dismdan ithal edilmistir(Sistem 3 mis' de cahsmayabaslar). Bu sistem kopyalanarak EiB olanaklan ile biradet daha uretilmistir.

b) Aynca du§uk lnzIarda cahsmaya baslayan, kuyruk valfiile yon bulan ve yiiksekriizgar lnzIannda sistemikorumak icin frenleme yapabilen 16 kanath bir mekanik supompaj sistemiEiB olanaklan ile projelendirilip prototipi imal edilmistir.

AYDIN- Yenihisar Gunes-Ruzgar Enerjisi Arastrrma Merkezi EiB'nin AydmYenihisar'da kurmaya basladigi "Ganes ve Ruzgar Enerjisi Arastirma Merkezi"bunyesinderuzgar enerjisigozlem ol~um cahsmalanyurutulmektedir.

Aynca Merkez'de kurulan mekanik su pompaj sistemleri ile ilgili isletme calrsmalansurdurulmektedir.

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~EBEKEDEN BAGIMSIZ RUZGAR GUC SiSTEMLERiRuzgar enerjisi diger enerji kaynaklaruun bulunmadigi, iletim olanagmm olmadtgiyada maliyetinin cok yiiksek oldugu yerlerde alternatif enerji olarakkullarulmaktadir. Bu sistemlerin uygu1ama alanlan smirsizdtr. Su pompalama,Katodik korumada, Deniz fenerlerinde, Yatlarda, Ciftliklerde, Yangm gozetlemekule1erinde, Te1ekominikasyon gibi alan1arda kullamlmaktadir, Yaygm olarakkullarurm mekanikse1 su pompalamadir. Kucuk boyutlardaki sistemler gene1 olarakbatarya sarjmda, biiyiikolan1ar ise gene1 amachenerji gereksinimindekullamhrlar,

Uygu1amaya karar vermedenonce belirlenmesi gerekenler;

• Yill top1am enerjigereksiminin belir1enmesi• Giinliiktalep dagihmmm (maksimum, minimum talebin zaman ve suresi)• Kullamlacakenerjiseklinin belir1enmesi mekanik, lSI, e1ektrik vb.• Enerji talebinin, riizgar enerjisinden karsilamp karsilanamayacagi• Fazla iiretimin varsa ne sekilde depolanacagi bunun icin gerekli sistemlerin

belir1enmesi• Sistemin desteklenmesi icin var olan enerji kaynaklanmn arastmlmasi

gerekliligi, varhgi, kapasitesi.

Uygulama yerinde riizgar tiirbininin performansmi ve davranisim direkt olaraketkileyen degerlerin bilinmesi icin veri toplayan microislemcili cihazlarla en az biryI1 siire ile veri toplanmasi ve degerlendirilmesi, en yakm meteoroloji istasyonu ilekorelasyon yapilmasi gerekmektedir. Bu cihazlar1a asagidaki degerler belir1enebi1ir;

• Yill ortalama riizgar hizi• Frekans dagihmi• Giinliikruzgar dagihnu• Yon dagihmi• Yiikseklikledegisim (wind shear)• Tiirbiilansyogunlugu

TABLO - 1 DUNYA RUZGAR GUCU (MW )

ALMANYA 2079AMERiKA 1680DANiMARKA 1123HiNDiSTAN 933iSPANYA 454HOLLANDA 325iNGiLTERE 324eiN 169DiGERLERi 582

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TABLO-2 EiE RUZGAR GOZLEM iSTASYONLARI AYLIK ORTALAMAHIZLARI

ist ad) YII 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 121995 9.3 7.5 7.7 5.7 6.9 4.6 7.4 6.6 5.3 8.4 6.7 8.3

GOk~eada 1996 8.6 8.6 8.1 4.5 5.5 6.0 7.3 6.4 5.2 6.2 6.9 8.21997 7.4 7.7 7.7 6.1 7.8 5.91995 6.3 6.7 6.9 4.9 6.9 4.4 10.4 8.1 5.4 8.1 5.0 6.6

~sar 1996 6.3 8.5 5.8 4.5 8.6 9.5 8.6 4.3 5.4 4.6 6.81997 5.4 6.6 8.4 5.31995 6.1 5.1 5.6 4.0 3.8 3.4 5.7 4.5 4.1 4.3 5.3 5.7

Didim 1996 4.9 5.0 6.0 5.1 3.6 5.1 4.8 4.5 3.9 3.8 4.4 5.31997 5.1 5.6 5.5 5.1 3.5 3.9 4.81995 10.1 9.4 9.8 6.4 8.5 4.9 10.7 8.0 6.4 9.2 8.3 11.1

Kocadag 1996 9.1 10.0 9.8 7.2 6.2 9.4 9.9 8.5 6.4 7.3 8.3 10.11997 9.2 8.8 10.3 7.8 6.8 6.5 7.51995 5.1 5.8 5.6 5.4 5.2 5.1 7.5 8.3 6.2 5.9 5.0 4.9

Datea 1996 5.6 5.5 5.1 6.7 8 4.41997 5.1 6.4 6.2 6.3 4.8 6.5 7.01995 4.5 4.9 5.5 5.7 6.1 9.4 10.4 11.3 9.0 5.1 4.7 4.4

Belen 1996 6.1 5.6 4.4 5.6 7.3 8.1 11.5 10.4 7.6 5.4 5.2 4.51997 5.6 3.4 4.1 4.1 10.7 11.8 7 4.4 5.0

Yabkavak 1996 7.1 6.6 5.5 5.2 5.3 6.951997 6.02 7.69 6.78 7.84 5.7 5.8 6.6

Siike 1996 3.8 6.4 6.7 6.5 3.0 3.6 3.2 3.51997 4.2 4.4 4.5 3.4 3.7 5.1 5.2

Sinop 1996 5.7 4.4 4.9 5.3 3.8 4.6 4.4 5.5 4.41997 5.7 4.8 4.6 5.3 4.4 4.5 4.9 4.2 4.5 3.9 4.2

KaynakJar1. lEE Proceedings-A Vo1.l40 No.1,January 19932. Renewable Energy Resources: Opportunities and Constraints 1990-2020, July

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158

RUZGAR ENERJisi UYGULAMALARI ve RUZGARENERJisi ETUDU

Dr.Ferdi1iJRi(SOYTUBiTAK-MAMES<;AE PK.21 Gebze41470KOCAELi

OZETGerek ekonomik, gerekse sosyal nedenlerle ruzgar enerjisi ve diger benzeriyenilenebilir enerji kaynaklanna olan ilgi her gecen giin artmaktadrr. HavakiitleIerinin hareketi oIarak tammlanan ruzgar, hareketi dolayisiyle bir kinetikenerjiye sahiptir. Bu, enerji uygun donusturuculer kuIIamIarak, mekanik enerji veyaeIektrik enerjisi oIarak kullarnma sunuIabiIir. Mekanik enerjiye yonelik uyguIamalarson derece ekonomiktir. EIektrik enerjisi uyguIamalannm ekonomikligi isetamamen ruzgar tiirbinlerinin kurulduklan bolgenin ruzgar enerjisi potansiyelinebagh oIarak, giiniimiizde mevcut diger tum yenilenebilir ve konvansiyoneI enerjikaynakIanyIa yansabilir diizeydedir. Riizgar, yerseI ve zamansal oIarak cok hizhdegisen bir parametre oldugu icin biiyiik kapasiteli yatmmIann kapsamh fizibilitecahsmalarma dayah oIarak yapilmasi gerekmektedir. Bu tur riizgar enerjisi etiidleriyapihrken ruzgar siddeti ve yonii iizerinde etkili oIabilecek tum parametreIerin(topografya, perdeIeyici engeIIer, yeryiizeyi puruzlulugu v.b.) gozonundebulundurulmasi gerekmektedir.

ctatsRuzgann olusumu, gunesin yeryiizeyini esit miktarIarda isitmamasmm birsonucudur. Yiiksek ruzgar enerjisi potansiyeli oIan yerler siirti.inme veperdeIenmenin az oldugu kryi seritleri ve tepe iizerleridir. Ancak, kullamlabilirriizgar kaynagina sahip konumlar bircok bolgede buIunabiImektedir. Bir enerjikaynagi oIarak ruzgar enerjisi, gunes enerjisine nazaran daha zor tahminedilebilmektedir. Riizgar enerjisi, topografya, yiizey yaprsi ve perdeIeyici engellergibi faktorlerden etkilenmektedir, bu yiizden gunes enerjisine nazaran, yerseI oIarakdaha fazIa degismektedir, y ani, komsunuz ve siz tamamen esit ganes enerjisikaynagma sahipken, ruzgar enerjisi potansiyelleriniz cogu zaman esitolmamaktadrr. Sizin hakim ruzgar yonunde oImarnz veya tepenin iizerinde olusunuzriizgar enerjisi potansiyeIinizi artiracaknr. GeneIIikIe ruzgar siddeti kis ayIanndadaha yiiksek, yazin ise daha dusuk olmaktadrr. Bu durum gunes enerjisinin tamtersidir. Ruzgar ve gunes enerjisi sistemlerinin birIikte kullamlrnalan (hibridsistemIer) bu yiizden daha verimIi olmaktadrr. Boylece, biitiin bir yila dagilan, dahaistikrarh enerji eIde edilebilmektedir.

Bugunku tuketim oranlan baz almarak yapilan son beIirIemeIere gore petrolun 40,dogalgazm 60 ve komurun ise 240 yilhk omrunun kaldigi cesitli kaynaklarca ifadeediImektedir. Sonne oIarak, fosiI yakitlann 2050 yihna kadar tukenecegisoylenebilir, EndiistriyeI topIumIarda, niikIeer enerji kullammmm bircok cevreseltehIikeye yoI ayt1~, buna bagh saghk ve giivenIik probIemIerinin son derece arttigive potansiyeI oIarak tehIikeIi boyutIara uIa~tl~ gorulmektedir, Tiirkiye gibi gelisen

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bircok ulkedeki Inz1I nnfus arnsi ve endustrilesme enerji kaynaklanna olan talebidaha da artnracaknr. Hidrolik enrji yarusira, riizgar, gunes ve biyokiitle gibiyenilenebilir enerji kaynaklan bu enerji talebini karsilayabilir; daha dogrusukarsilamakzorundadir,

Riizgar Enerjisi Uygulama AlanlanEn basit sekildehava kiitlelerinin hareketi olarak tammlanan riizgann sahip oldugukinetik enerji riizgar turbinleri vasitastyla mekanik enerjiye veya elektrik enerjisinedonusturulebilir. Riizgar enerjisi cevrim sistemlerinin giiniimiizdeki kullammalanlan ve uygulamalan asagidakigibi ozetlenebilir, Tiirksoy(1994):

A- KUfUk Ruzgar TurbinlenFotovoltaik ganes pilleri (PV) bircok yonuyle cekicibir teknolojidir, aneak fiyat bucekici yonlerden biri degildir, 200-300 Watt'm iizerinde enerji ihtiyaci olanlar icinkucuk riizgar tiirbinleri gunes pillerine nazaran daha ekonomik bir altematiftir. 50Watt'hk bir gereksinimde 8 US$/Watt'We fiyati ile ruzgar turbinleri, 6US$/Watt'bk gunes pillerinden daha pahahdir. Aneak ruzgar enerjisi bakurundankurulacak gii~ ile yatmrn icin gerekli birim maliyet ters orannh olmaktadir, 300Watt'hk bir sistem icin gunes pillerinin maliyeti 6 US$/Watt diizeyinde kahrken,ruzgar turbinlerinin maliyeti 2.5 US$/Watt duzeyine dusmektedir, Bu deger 1,500Watt'hk bir riizgar tiirbini icin 2 US$/Watt ve 10 kW icin 1.5 US$/Watt diizeyinedusrnektedir.

.........::.....

[j~~II

160

Tipik bir evde tiiketilen ayhk elektrik: enerjisi 800-2,000 kWh arasmdadir. 4-10kW'hk bir ruzgar tiirbini veya PV sistemi bu ihtiyaci karsilayacak duzeydedir. Bubuyuklukteki bir sistem icin ruzgar tiirbinleri daha ekonomiktir. Gunumuzdeuretilen kucuk ruzgar turbinleri 5 yil veya daha fazla bir sure herhangi bir bakimgerektinneksizin cahsabilecek durumdadir,

1-Elektrik eneIjisi elde etmek i!;in: Elektrik sebekesinden uzak bolgelerde ruzgarenerjisinden elektrik elde etmek amaciyla faydalamlabilir. Bu tur sistemlerderuzgardan elde edilen elektrik akulerde depolamr. Eger kullamlan cihazlar dogruaktmla cahsiyorsa akuler direkt olarak yuke baglamr. Altematif akim kullanancihazlar olmasi durumunda ise aku He yiik arasma bir inverter konarak istenenvoltaja gore altematif akima donusum saglamr, Her iki durumda akOlerin asmyiiklenmesini onlemek icin bir kontrol sistemi gereklidir, (Sek. 1).

2-Yaktt tasarrufu sagIamakkin: Elektrigin dizel v.b. yakttla calisan bir jeneratordensaglandigi bir yerde bu sisteme tiizgar jeneratoru eklenerek, dizel sistemin cahsmasuresi ktsalttlabilirve yakrt tasarrufu saglamr.

3-Su pompalama: Elektrik enerjisi dismda bir enerji sistemi kullanarak, supompalamanm tasarlandigr herhangi bir bolgede, imalati da son derece kolay olanruzgar enerjisiyle su pompalayan mekanik sistemlerin kullanrlmasi son dereceekonomiktir. Bunun dismda elektrik ureten ruzgar turbinleri ve enduksiyonmotorlannm kullaruldigi sistemler de secilebilir, Bu tur sistemler de son dereceekonomik ve verimlibir sekilde kullantlmaktadtr.

4-0@tme: Cok eskilerden beri tahtl ve benzeri ogutmek amaciylayeldegirmenlerikullamlmaktadir, Elektrik enerjisinin bulunmadigi yerlerde bu sistemlerdenyararlamlabilir.

5-Enterkonnekte elektrik sebekesini beslemek kin: Ruzgar turbinlerinin digerelektrik santrallan gibi enterkonnekte elektrik sebekesine baglanarak, elektrik:uretiminekatkida bulunmasi saglanabilir.

B- Buyuk Ruzgar TkrbinleriYukanda siralanankucuk olcekli uygulamalarm yarusira genellikle 100 kW He 1500kW arasmdaki buyuk ruzgar turbinlerinin kullanildigi ve diger konvansiyonelsantraller gibi tamamen enterkonnekte sebekeye bagh olarak cahsmak uzeretasarlanrms uygulamalar da yapilmaktadir. Bu amac icin saytlan binleri bulan ruzgarturbinlerinin birarada toplandigi ruzgar ciftlikleriolusturulmaktadir.

Ruzgar ciftliklerininkurulus maliyetleri 1000-1500 $/kW olup, 20 yillik bir omuresahip olan ruzgar turbinlerinden elde edilen elektrigin maliyeti 3 centlkWh ile 8cent/kWh arasmda degismektedir. ilkyatmm maliyetibiraz yiiksek gibi gorunmeklebirlikte, kapsamlt bir fizibilite cahsmasi yaptlarak kurulacak bir ruzgar ~iftliginden

elde edilecek elektrigin maliyeti diger bircok konvansiyonel enerji santralinden daha

161

dusuk olacaktir. Ekonomik kazancm yamsira maliyetini ekonomik olarak ifadeetmenin cok zor oldugu cevresel kazarumlar da ruzgar enerjisinin cekiciliginiartirmaktadtr.

Riizgar Enerjisi Etiidii (Tiirksoy, 1995)Ruzgar enerjisi ekonomisi, ruzgar ciftliginin uretecegi enerjiye baghdir. Bu nedenleyuksek ruzgar enerjisine sahip konumlarm cok iyi belirlenmesi gerekir. Bu amacdogrultusunda, ruzgar verisiyle birlikte sayisallasnnlrms topografya verisi, bolgeninpuruzluluk yapisi ve perdeleyici engeller kullamlarak, bolgenin ruzgar atlasrhazirlamr ve yuksek ruzgar enerjisi potansiyeline sahip olan konumlar belirlenir. Bukonumlar, elektrik ve insaat altyaprbalammdan bir on degerlendirmeye tabi tutulur;uygun olmayanlar elenir. Secilen konumda en az 1 yil sureyle ruzgar hizi olcumleriyapihr, Bu olcumler kullarularak, ruzgar ~iftligi alammn uzun donem ruzgar verisielde edilmek uzere sayisal modelleme yapihr. Boylece ilgilenilen konumda ruzgarsiddetinin uzun donern ortalamasi, ortlama giinliik degisimi, ayhk ve yilhk degisimi,ruzgar gulu ve turbulans yogunlugu rejimi belirlenir.

Piyasada cesitli model ve biiyiikliikte ruzgar turbini bulunmaktadir, Yatmmci amacida gozonunde bulundurularak, fiyat, teknik ozellikler, verim, garanti ve hazirdabulunma gibi kriterlere gore en uygun ruzgar turbini secilir, Ruzgar ciftliginin netenerji iiretiminin belirlenebilmesi amaciyla bolgenin ruzgar atlasi, ruzgar turbiniverileri ve ruzgar tiirbinlerinin konumlarma iliskin veri birlikte kullamlarak, aymzamanda ruzgar ~iftligi bolgesindeki akrsdegisimleri ve iz bolgesi etkileri dedikkate almarak, turbinlerin tek tek ve birarada uretecekleri yilhk enerji miktarlanhesaplanrr. Buna gore ruzgar yiftliginin kapasite faktoru hesaplanarak, ruzgarciftliginin verimi belirlenir.

Elektrik altyapi ruzgar ciftliginin yatinm maliyeti, enerji urenmi ve yatinmmkarhhgi iizerinde onemli etkilere neden olabilmektedir. Bu nedenle hat vetransformatorlerin optimizasyonunun yapilmasi gerekir. Bu amacla elektriksistemlerinin detaylanyla birlikte ruzgar verisi ve turbinlerin performans detaylankullamlarak, yannm maliyeti ve enerji kayiplan hesaplanrr. Yatmm-kazanc testiyleen uygun durum belirlenir.

Ruzgar yiftliginin uzun-donem enerji uretiminin tahmininin ve turbin sayisi ile turbinkapasitesinin karsilasurtlmasi icin proje rnaliyetinin belirlenmesi gereklidir. Riizgarcitliginin proje omru boyunca her yil icin enerji uretimi ve bu enerjinin sansmdanelde edilecek gelir, bakim ve onanm masraflan, arazi kirasi ve diger giderlerhesaplanrr. Deger kaybi ve yilhk vergiler odendikten soma, yilhk nakit akrsihesaplanrr. Net bugunku degerler ve projenin geri odeme oram belirlenir.

Riizgar potansiyeli incelemelerinden elde edilen sonuclar, ruzgar turbinikarakteristikleri, bolgenin topografik ozellikleri ve diger tekno-ekonomikgostergelerle birlikte prosedur etkilesimli olarak uygulanarak, enerji uretimini ve

162

dolayrsiyla karhhgr en yuksek diizeye cikarmak icin ruzgar ~iftligi plam optimizeedilir.

Ruzgar ciftliginin cevresel etki degerlendirme raporu hazirlamr. Burada bolgeninprojeden saglayacagi sosyal, ekonomik ve cevresel kazammlar irdelenir. Projenincevresel etkilerinin kabul edilebilir diizeyde kahp, kalmayacagmi gosteren asagidakidegerlendirmeler yapihr:

• Gorsel etki degerlendirmesi• Dogal yasama potansiyel etki• Arkeolojik ve tarihi ozellikler• Tanm ve arazi kullammmm etkileri• Giiriiltii etkisi• Elektromanyetik parazit• Otoyollar ve ruzgar ~iftligi bolgesindeki erisme yollan• Ozel kosullar• Sonucve karar

Tiirkiye'de Riizgar EnerjisiRuzgar lnzmm yersel ve zamansal olarak buyuk degisimler gosterdigini yukandabelirtmistik.y ersel degisim tamamen yeryOzeyi yapisma (puruzluluk, topografya veruzgan perdeleyici engellerin bulunup bulunmamasma) baghdir. Bu yiizdenherhangi bir noktada yaptlan ruzgar hizi olcumleri sadece 0 noktayi temsiletmektedir.

Bu baglamda Tiirkiye'de Devlet Meteoroloji Isleri tarafindan yaptlan ol~er

sadece sozkonusu meteoroloji istasyonundaki ruzgar hizi icin bilgi vermektedir.Mevcut Meteoroloji istasyonlan da genellikle -baslangicta sehir dismakurulmalarma ragmen- yerlesim alam icerisinde kaldtklan icin buralarda olculenruzgar siddeti degerleri, istasyon civarmda bulunan perdeleyici engellerin (bina,duvar, aga~ dizisi v.b.) etkisiyle dusuktur, Oysa sehrin birkac kilometre dismdaacikbir arazide ruzgar siddeti degerleri istasyonda olculenin 2 katmdan fazlaolabilmektedir.

Buna bir ornek olmasi acisindan ayru. il (veya ilce) suurlan icerisinde DMi veEiEi'nin-yapt~ ban olcumlerinbir karstlasnrmasi Tablo l'de sunulmustur,

Tablo 1. DMI ve EIEI ruzgar siddeti olcumlerinin karsilasnnlmasi (mls

Akhisar Bandirma BodrumDMi 2.3 4.7 3.1EiEi 6.8 5.1 6.5

Buradan da goriildiigu gibi arada onemli farkWtklar olabilmektedir. Riizgar siddetiacismdan bakildigi zaman cok kii~iik degisimler olarak kabul edilebilecek durumlar

163

enerji bakimmdan biiyiik degisimlere neden olmaktadir, Bunun nedeni (1) numaraliesitlikte g6riildiigii gibi ruzgar gucunun, riizgar siddetinin kiipiiyle orannliolmasmdandir. Ruzgar gucu

(1)

esitligiyle verilmektedir. Burada P : riizgar gucu (Watt), P : hava yogunlugu(kg/nr'), A : pervanenin taradigr alan (rrr'), v : ruzgar siddeti (m1s)'dir.

Giivyogunlugu E ise birim alana etkiyen giicii (W/m 2) gostermek iizere,

(2)

e~itIigiyle veri1mektedir. Bandirma verileri kullamlarak, birim alan icin hesaplamalaryaprhrsa (P=1.225 kgtm3

) ,

bulunur. Goruldugu gibi ruzgar siddetindeki % 8.5'Iik bir artis, riizgar gucuyogunlugunda % 27.75' Iik bir arnsa yol acmaktadir,Anlasilacagr iizere, mevcut meteorolojik ruzgar verisi Tiirkiye'nin riizgarpotansiyeli hakkmda saghkh bilgi vermekten uzaktrr. Ancak, Turkiye'nin riizgarenerjisi potansiyeli hakkmda bir fikir vermesi bakimmdan meteorolojik verikullanI1arak, hesaplanan y3 (saatlik riizgar siddeti degerlerinin kiiplerinin yilhkortalamasi) degerleri Sekil 2'de sunulmustur, (Turksoy, 1997).

v 3degerleri yiiksek olan istasyonlar Bozcaada (682.35 m3/s3

) , Iskenderun(288.76 m3ts\ Antakya (269.34 m3/s3

) , Bandirma (245.31 m3ts3) , Canakkale

(211.78 m%\ Gokceada (163.32 m3/s\ Sinop ( (153.66 m3/s3) , ~i1e (150.28

m%3), Corlu (141.09 m%3), Giresun (111.26 m3/s3)'duro Bunlardan ozellikle

Bozcaada, Iskenderun, Antakya, Bandirma ve Canakkale'nin sahip olduklan riizgarenerjisi potansiyeli bakimmdan yannm yapmak iizere incelenmeye deger bolgelerolduklan soylenebilir,

164

Tablo 2. EiEiTarafindan yaptlan Tiizgarsiddeti olcumleri".

(*) Oleum siiresi tamamlanmrsnr,

istasvon 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12NurdagJ. 1995 3.0 4.4 5.0 6:3 - 11.4 13.7 13.7 10.7 4.8 3.3 3.2

1996 4.5 5.0 4.0 5.6 (*)

Belen 1995 4.5 4.9 5.5 5.7 6.1 9.4 10.4 11.3 9.0 5.1 4.7 4.41996 6.1 5.6 4.4 5.6 7.3 8.1 11.5 10.4 7.6 5.4 5.2 4.5

Akhisar 1995 6.3 6.7 6.9 4.9 6.9 4.4 10.4 8.1 5.4 8.1 5.0 6.61996 - 6.3 8.5 5.8 4.5 8.6 9.5 8.6 4.3 5.4 4.6 6.8

Didim 1995 6.1 5.1 5.6 4.0 3.8 3.4 5.7 4.5 4.1 4.3 5.3 5.71996 4.9 5.0 6.0 5.1 3.6 5.1 4.8 4.5 3.9 3.8 4.4 5.3

Kocadag 1995 10.1 9.4 9.8 6.4 8.5 4.9 10.7 8.0 6.4 9.2 8.3 11.11996 9.1 10 9.8 7.2 6.2 9.4 9.9 8.5 6.4 7.3 8.3 10.1

Datea 1995 5.1 5.8 5.6 5.4 5.2 5.1 7.5 8.3 6.2 5.9 5.0 4.91996 5.6 - - 5.5 5.1 6.7 8.0

Bandirma 1995 - - - - - - 6.9 5.4 4.1 6.4 3.8 5.71996 5.5 5.6 6.9 (*)

Karabiga 1995 8.4 6.0 7.0 5.1 6.2 4.8 7.1 6.7 5.7 8.7 5.6 8.91996 8.1 7.5 8.7 (*)

Gokceada 1995 9.3 7.5 7.7 5.7 6.9 4.6 7.4 6.6 6.3 8.4 6.7 8.31996 8.6 8.6 8.1 4.5 5.5 6.0 7.3 6.4 5.2 6.2 6.9 8.2

Soke 1996 3.8 6.4 6.7 6.5 3.0 3.6 3.2 3.51997 4.2 4.4 4.5 3.4

Sinop 1996 5.7 4.4 4.9 5.3 3.8 4.6 4.4 4.5 4.41997 5.7 4.8 4.6 5.3

Yabkavak 1996 7.1 6.6 5.5 5.2 5.3 7.01997 6.0 7.7 6.8 7.8

..

Tablo 2'de EiEi tarafindan riizgar enerjisi potansiyeli inceleme amaciyla yapilanriizgar olcumlerinin ayhk ortalamalan verilmistir, Buradan da gorulecegi gibiriizgar enerjisi potansiyeli arastirmak amaci ile secilen bu konumlarda gozlenenriizgar siddeti degerleri meteoroloji istasyonlarmda gozlenen degerlerin iizerindeolmaktadir.

.. AREB-T~ yaymlanndan ahnnnsnr,

165

Sekil z. Turkiye'de ye~itli meteoroloji istasyonlan iein hesaplanan y3 degerleri (m%3).

DMi ve EiEi'nin yapmis olduklan bu oleum cahsmalannm yarusira, 1986-1994yillan arasmda TOBiTAK Marmara Arastirma Merkezi'nde Tiirkiye'nin ruzgaratlasi hazirlanmasi dogrultusunda cahsmalar yurutulmustur, Bu cahsmalarsonucunda 20 civarmda bolgenin ruzgar atlasi hazrrlanrrusnr. Ruzgar atlasi,incelenen bolgenin ruzgar verisi, sayisallastmlrms topografya, puruzluluk veperdeleyici engel verileri kullamlarak hazrrlamr. Ruzgar Atlasi olarak tamrnlanancikn haritalar toplulugu degil; 4 farkh puruzluluk simfina 12 sektore ve 5yukseklige ait Weibull Parametrelerini gosteren tablolar toplulugudur, Bu tablolarkullamlarak incelenen bolge iizerinde herhangi bir noktadaki ruzgar siddeti, enerjiyogunlugu, gUc;: egrisiverilen bir ruzgar turbinin yilhk elektrik enerjisi uretimi, v.b.hesaplanabilmektedir.

TOBiTAK-MAM'nde ~u anda yurutulen cahsmalarda, herhangi bir kurulustarafindan yatmm yapilmasi dusunulen bolge iizerinde fizibilite raporu hazrrlamayaesas bilgileri olusturacak arasnrma, olc;:iim ve incelemeler yapilmaktadir. Bucahsmalarsu sekilde ozetlenebilir:

• Secilecek bolgenin Riizgar Atlasi'nm hazirlanmasr.• Bolgenin enerjiyogunlugu dagihmiharitasmin hazirlanmasi• Ruzgar Ciftligi kurulmayaelverisli bolgelerin belirlenmesi.• Seeilenbolgede 1 yil sureyleriizgar verilerinin olyiilmesi,• Bolgenin uzun donem riizgar verisinin eldesi• Ruzgar yiftligi alamrun enerji iiretim potansiyelinin belirlenmesi• Mikro-konuslandirma tasanmmm yapilmasi ve uygun ruzgar turbinlerinin

belirlenmesi• Rnzgar turbinlerinin uretimlerinin hesaplanmasi• Verim1ilik analizinin yapilmasi• Ruzgar ciftliginin gorsel ve isitsel etkisi ile elektromanyetik parazit acismdan

incelenmesi

Vasal Cereeve (Ozturk, 1997)Tiirkiye'de halihazrrda ruzgar enerjisiyle ilgili ozel bir yasal yapi mevcut degildir,Ancak arahk 1984'de yaymlanan 3096 sayili yasa ve bununla ilgiliAgustos 1985'teyaymlanan 85/9799 numarah yonetmelik (diizenleme Nisan 1996) cercevesindeozel sirketler elektrik enerjisi uretim, iletim ve dagitmu projelerinigerceklestirebilmektedirler.

85/9799 numarah yonetmelik, ETKB'nin 3096 sayih yasarun 4. maddesine goreyannrnci sirketlere verdigi santral kurma ve belli bir sure icin isletme izinlerinindetaylanm vermektedir. Boylece v.t.n modeline gore gerceklestirilecekprojelerinyasal temelleri olusturulmustur. Bu, hidro, termik, jeoterma!, ruzgar ve gunesenerjisi projelerini de kapsamaktadrr. Bu yonetmelik, aym zamanda otoproduktorveya otoproduktor gruplanrun kendi enerji ihtiyaclanm karsilamak ve fazlauretimlerini TEA~ veya TEDA~'a satmak iizere santra! kurmalarma da izin

167

vermektedir. Bu durumda, ozel sektor tarafindan gerceklestirilecek ruzgar enerjisi-pr.ojeleri YJ.D. veya otoproduktor seklinde oIabiImektedir.

Y.i.D. Modelinde yuksek yannm maliyeti ve gelisrnis teknoloji gerektiren bellibashyatmm ve servislerin gerceklestirilebilmesi icin Haziran 1994'te 3996 sayih yasacikanlrmsnr. Bu yasa enerji projelerini de kapsadigmdan ortaya enerji proje1erindeuygulanabilecek iki yasa cikmisnr. Bu ikilemi ortadan kaldirmak icin Kasun 1994'te4047 sayih yasayla enerji projeleri 3996 sayih yasa kapsammdan cikartilmrs, ancak3096 sayih yasaya gore yapilacak projelerin enerji bakanhgmm izniyle 3996 sayiliyasamn belli kosullanndan yararlanmasr saglanmisnr.

3996 ve 4047 sayih yasalarm enerji projelerine saglad@. avantajlar bazi giimriik vebenzer giderlerin muafiyeti, servis ahmlannda maliye garantisi, ve YJ.D.projelerinin taviz kategorisindan ctkanlmasrdir. Ancak Mart 1996'da anayasamaltkemesi tavizlerle ilgili kosulu iptal etmistir. Bu, Y.t.D. catisr altmda yapilacakprojelerin taviz olarak kabul edildigini ve devlet kurumlarmca anayasayauygunluklan bakimmdan inceleneceklerini gostermektedir, Anayasa Mahkemesi'ninkararma gore gerekleri yerine getirilmis, gorusmeleri yapilrmsve bakanhk ile sirketarasmda hazirlannus sozlesme irnzalanmadan once incelenmek mere devletkurumlarma gonderilecektir,

Mevcut YatmmlarTiirkiye'deki ilk riizgar tiirbini Cesme Altmyunus'ta kurulan 55 kW'hk VESTASmarka ruzgar tiirbiniydi. Bunun haricinde Haziran 1997'ye kadar Tiirkiye'de cesitlibolgelerde ve farkli biiyiikliiklerde riizgar santrah kurmak mere I 1 adet basvuruyapilmrstir. Bunlarm 10 tanesi Yap Islet Devret modeli'ne gore, 1 tanesi deOtoproduktor modeline gore yapilmisnr, (Ozturk 1997). Ancak yapilan bubasvurular icin hazrrlanan fizibilite raporlannm ~ogu yetersiz bulundugundanETKB tarafindan revize edilmeleri istenmistir,

Yapilan cahsrnalar sonucunda, otoproduktor modeline gore hazrrlanan proje, Izmir-Cesme'de kurulan 1.5 MW'hk ruzgar ciftligiyle hayata gecirilmistir. Bununyamsira 7.2 MW gucunde bir ruzgar santralinin projesi de ETKB tarafindan kabuledilmis oIup, projenin 1998 yilmda gerceklestirilecegi tahmin edilmektedir. Digeryatmmcilar da fizibilite raporlanm hazirlama calrsmalanna devam etmektedirler.

168

KaynaklarF. Tiirksoy (1994), RiizgarEnerjisi; DunyadakiYeri ve Tiirkiye ir;tn Onemi, Tiirkiye6. Enerji Kongresi, Teknik Oturum Tebligleri-I, ss 433-444, 17-22 Ekim 1994, Izmir.

F.Tiirksoy, i.E.Tiire (1995), Riizgar 9iftligi Tasartmt Icin Gerekli ParametrelerinIncelenmesi, Turkiye 1. Ulusal Rtizgar Enerjisi Sempozyumu ve Sergisi, 31 Mayis - 2Haziran 1995, Istanbul. (KAYNAK.ElektrikDergis~ sayi 86, (95-3) Mayis-Haziran, ss.

97-102).

F.Tiirksoy (1997), Saatlik ve Ayllk Riizgar Verisiyle Riizgar Enerjisi Modellemesi,iTO Fen BiIimIeriEnstitiisii, Doktora Tezi, 1997.

N. Ozturk (1997), Realization oj Wind Energy Projects In Turkey, Sangenne WindEnergy'Workshop, ·19-20 Haziran 199-7.

169

Alternativen zu mechanischen Kompressoren mr die Verdichtungvon Wasserstoff

H.BARTHELS, K. BONHOFF, H. G. GROEHN, J. MERGELInstitut fur Energieverfahrenstechnik, Forschungszentrum Julich Gmblf,

Deutschland

Der Betrieb der autonomen Stromversorgungsanlage PHOEBUS hat als eineSchwachstelle im Langzeitspeicherpfad die Verdichtung der SpeichergaseWasserstoff und Sauerstoff zutage gefordert /1/. Mit den eingesetztenVerdichtem, die PreBluft als Antrieb verwenden, entstehen ca. 30 % derEnergieverluste des Systems bei der Gasverdichtung, Abb. 1.

GesaJn.mirkungsgrad:

l'\.,.. =15552/2m)= 0,54

~: 13248kWhfa

L~ i~... ~kWbln~=Ji 2S92Ok%ln

9389kWl>"~l 3S44kWWn23()) k~'bIa I

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1l3kWWa S!clI<r! I ~ fBkWWa . I • 34SkWWa

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ll2ll. kWIVa~I~~r'~ :H<dUm<~]. >LIMmdr- . 207J k\\hl.4,7%~ ~'. 'l"'iD:r' >tire 15,6%

I . ~. _

4602k%l"

Abb. 1 Energieverluste an den einzelnen Komponenten von PHOEBUS

Auch mit Membrankompressoren mit einem mittleren Jahreswirkungsgrad von 84% anstelle der druclduftgetriebenen Kompressoren lieBen sich diese Verlustenicht entscheidend mindern. Zudem sind Membrankompressoren sehr teuer. Eswurde deshalb friihzeitig nach Alternativen fur die Verdichtung der Speichergasegesucht. Zwei Moglichkeiten wurden verfolgt:

1. Thermische Kompression von WasserstoffDie thermische Verdichtung nutzt die Fahigkeit einiger Metalle, WasserstoffunterBildung von Metallhydrid anzulagern. Diese Reaktion ist exotherm, der ReaktionmuB die Reaktionsenthjalpie MIT entzogen werden. Die Bildung des Hydridskann anhand des folgend skizzierten Konzenrations-Druck-Isothennendiagrammsveranschaulicht werden, Abb. 2.

171

WasserstoffgesattigtesMetall +Hydrid

A

Metall

---- .....".- ............... ....

,; ....

B

WasserstoffKonzentration

c

HyOOd\ und\ Wasserstoff\\\

Hydrid

Abb. 2:Konzentrations -Druck - Isothermen der Metal1 - Wasserstoffreaktion

Zunachst dissoziiert der molekulare Wasserstoff an der Oberflache des Metallsoder der Legierung in atomaren Wasserstoff Die Wasserstoffatome werden vondem Metall absorbiert. Die Loslichkeit des Wasserstoffs ist nach dem Sieverts­Gesetz proportional zu der Wurzel des Druckes (Abschnitt A in Abb. 2).Aus derGibbsschen Phasenregel K-P+2=F ergeben sich fur diesen Abschnitt zweiFreiheitsgrade F, da 2 Komponenten K (Wasserstoff und Metall) und 2 Phasen P(fest und gasformig) vorliegen. Wahlt man T=const., so bestimmt der Druck desSystems eindeutig die Wasserstoflkonzentration im Metall. Sobald das Metal1wasserstoffgesattigt ist, kann sich Hydrid bilden. Es Iiegen jetzt zwei feste Phasenvor (Metall und Hydrid) und das System hat demnach nur noch einenFreiheitsgrad. Fur isotherme Vorgange bedeutet dies, daf der Druck wahrend derHydridbildung konstant b1eiben muB (Abschnitt B in Abb. 2). Der zu einerbestimmten Temperatur gehorige Druck ist der sogenannte P1ateaudruck.Nachdem das gesamte Metal1 mit dem Wasserstoff reagiert hat, liegt wieder nureine feste Phase vor (Hydrid) und der Druck steigt fur T=const. wieder an

172

(Abschnitt C in Abb. 2). Die experimentell zu bestimmenden Isothennen aus Abb.2 charakterisieren die Eigenschaften des gebildeten Hydrids. Ublicherweisewerden die Metallhydride als segenannte van'tHoff-Isochoren dargestellt.

Unter Zufuhr von Warme liil3t sich die in Abb. 2 dargestellte Reaktion in derumgekehrten Richtung durchfiihren, d. h., das Hydrid zerfallt in WasserstoffundMetall. Die zugefuhrte Temperatur bestimmt den Druck, bei dem die Desorptionstattfindet. Bei geeigneter Wahl der Metallegierung liil3t sich eine Kompressiondes Wasserstoffs auf 120 bar bei einer Temperatur von etwa 100°C realisieren.Das bedeutet, fur die Kompression kann solar erzeugte Warme genutzt werden.Die experimentell ennittelte notwendige Energie fur die thermische Verdichtungist zwar groller als die fur eine mechanische Verdichtung erforderliche, durch dieNutzung von Solarenergie erhalt man aufzubringende Energie jedoch 'kostenlos'.Im Rahmen einer Dissertation 121 wurde eine zweistufige thermischeKompression fur die in PHOEBUS erzeugte Wasserstoffmenge ausgelegt,aufgebaut und erfolgreich getestet, Abb. 3. FOr die in PHOEBUS anfallendeWasserstoffmenge von 6 m3/h werden ca. 5 kg Metallhydrid benotigt.

Abb. 3: Prinzipskizze der solarthermischen Wasserstoflkompression

2. Hochdruck WasserelektrolyseDie thermische Wasserstoflkompression besitzt den Nachteil, daB der Sauerstoffweiterhin mit einem mechanischen arbeitenden Kompressor verdichtet werdenmuB. Dies liil3t sich dadurch umgehen, daB fur den ElektrolyseprozeB dasSpeicherdruck-Niveau gewahlt wird. Dies vermeidet jeden zusatzlichenapparativen Aufwand. Die Druckabhangigkeit der theoretischenZersetzungsspannung fur die Elektrolyse folgt direkt aus der Nernstgleichung

Eo = - ( MIO - T .1S0) I 2 F - R T I 2 F ( In ( Pm) +1/2 In ( P02»

173

Der DruckeinfluB auf die Zellenspannung entspricht damit dem bei isothermerVerdichtung zu leistenden Arbeitsaufwand

Dieser Verlust der Druckelektrolyse wird jedoch dadurch reduziert, daB dieelektrische Leitfahigkeit des Elektrolyten mit zunehmendem Druck steigt. Dieshat seine Ursache darin, daB die Blasengrofle der an den Elektroden entstehendenProduktgase abnimmt. Daraus resultiert, daB der Wirkungsgrad der Elektrolysenur geringfugig druckabhangig ist, also keine zusatzliche Energie fur dieVerdichtung der Gase erforderlich ist. Abb. 4 zeigt die mit dem ProgrammSIMWELLY prognostizierten Wirkungsgrade einer alkalischen Elektrolyse bei 1bar im Vergleich zum Betrieb bei einem Druck von 120 bar. EineBeeintrachtigung des Betriebs eines alkalischen Elektrolyseurs konnte sich beiTeillast aus der Loslichkeit der Produktgase im Elektrolyten ergeben. DieLoslichkeit ist druckproportional. Abb. 5 zeigt den berechneten Anteil vonWasserstoff im Sauerstoff aufgrund der Gasloslichkeit fur eine vorgegebeneUmlaufmenge des Elektrolyten. Wahrend der Fremdgasanteil beim Betrieb imAuslegungspunkt bei 0.4 Ncm2 mit 0.5 % Wasserstoff im Sauerstoff toleriertwerden kann, wurde ein Betrieb bei 0.1 Ncm2 mit einem Fremdgasanteil von 2 %nicht moglich sein. Abhilfe ist dadurch vorgesehen,daB die KOH-Umlaufmengebei Teillast reduziert wird.

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---tr- Gesamtwirk.,:P=120bar"85 ...-.-~SllOmausbeule, i>=tilar

-D-energ. Wirk., P=11m~samtwilk:.,-P=1.bar

0,50,40,30,20,1

80 +---.,----r---.~-+--_r__--+----,---i___--r--_j_-__,

ostromdichte I Acm·2

Abb. 4: DruckeinfluB auf die Wirkungsgrade der Elektrolyse, Simulation mitSIMWELLY bei 80°C

174

2,5

_________________1 ~---------- :?=1201>art=80°C:KOHcthrlauf: 60 IJhL-elstl:ffi9: 5 kW

i ~ i._- - -.---- - -i-'-'- ---- - __0_0 ---- ------1-- --·----1---------_.- w.~._ -- ----.-- - - -

1

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2;0 ------------------------

....o.51;0Z

0,5---------------------+----------------+------------------+-----------;!

0,60,50,2 0,3 0,4

Stromdichte I A cm 02

0,1

0,0 +-~~~f___,_~~-+~~~_j_~~~_;___,~~__.__;'---r-~~__,

0,0

Abb. 5: Fremdgasanteil im Produktgas durch Loslichkeit im Elektrolyten

Im Forschungszentrum ist ein alkali scher Hochdruck - Elektrolyseur im Autbau.Die Reaktionsgleichungen fur die Elektrodenprozesse lauten:

Anode: 4 H20 + 4 e-~ 2 H2 + 4 OHKathode: 4 OH ~ 02 +2 H20+4e-

Brutto:

Folgend sind ein Schnitt durch den Druckbehalter des Elektrolyseurs, Abb. 6 unddie Anordnung des Komponenten des Hochdruck-Elektrolyseurs , Abb. 7, gezeigt.Die Inbetriebnahme des Hochdruck-Elektrolyseurs ist fur Juni 98 geplant. Beierfolgreichem Test ist eine Einbindung des Hochdruck-Elektrolyseurs in dieAnlage PHOEBUS-2 /3/ vorgesehen.

175

LeistungDruckTemperaturElektrolytAnzahl der ZellenZellennache

5kW120 bar80 ·C30% KOH15, bipolar500 em'

BlockspannungStromSlromdichteElektroden

AnodenKathoden

Diaphragmen

26V200 A4kA1m 2

Ni/ColFeNi/C-PtNiO

Alkalische Hochdruck - Wasserelektrolyse

Abb. 6: Schnitt durch den Druckbehalter des Hochdruck - Elektrolyseurs

176

Abb. 7: Anordnung der Komponenten des Hochdruck-Elektrolyseurs

Alternative Verfahren zur WasserstoffspeicherungNeben der Speicherung des Wasserstoffs in Druckgasflaschen waren eineSpeicherung in Metallhydridspeichern oder in flussiger Phase machbareAlternativen. Der Nachteil einer Speicherung verflussigten Wasserstoffs ergibtsich aus dengroBen Energieverlusten infolge Verdampfung von ca. 0.3 % des gespeichertenWasserstoffs je Tag. Auch bei sehr aufwendiger Isolierung mit Verlusten von 0.02% / Tag sind die Speicherverluste grofser als bei der Druckgasspeicherung mitguten mechanischen Verdichtern. Dariiber hinaus ist ein groBer, sehr teurerapparativer Aufwand erforderlich. Der energetische Aufwand fur dieVerflussigung betragt ca 10 kWh/m3

.

Die Speicherung von Wasserstoff in Metallhydridspeichern analog zum ProzeB,wie er eingangs fur die thermische Verdichtung beschrieben wurde, hat alswesentlichen Nachteil die hohen Kosten fur das Metallhydrid. Fur die

177

Speicherung der fur PHOEBUS erforderlichen Menge von 20000 ml bzw. 1800kg Wasserstoff wiirden bei einer Speicherkapazitat von 60 kg H2 je m3

Metallhydrid Kosten von ca. 1.2 Mio DM entstehen. Sauerstoff miiBte zudemweiterhin mechanisch verdichtet werden.

Literatur:

/1/ H. Barthels et al.PHOEBUS rutrcn, An Autonomous Energy Supply System ComprisingPhotovoltaics, Electrolytic Hydrogen, Fuel CellHydrogen Energy Progress XI, Proceedings of the l lth World HydrogenEnergy Conference, Stuttgart, Germany, 23-28. June 1996, Vol. 2, 1005­1015

/2/ K. BohnhoffAuslegung und Bau eines Wasserstoffverdichters auf der Basis vonMetallhydriden.Dissertation, 1998, Forschungszentrum Julich

/3/ H. Barthels, K. Bonhoff W. A. Brocke, H.-G. Groehn, 1. Mergel, Ch.Meurer

Energetische Betrachtung von regenerativen Hybridsystemen zurautonomen elektrischen und thermischen Versorgung.Wind- und Sonnenenergie aufFischereischiffen und in AquakulturanlagenSymposium 28. - 31.5.98, Izmir

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Energetische Betrachtung von regenerativen Hybridsystemen zurautonomen elektrlschen und thermischen Versorgung

H. BARTHELS, K. BONHOFF W. A. BROCKE*, H.-G. GROEHN, J.MERGEL, Ch. MEURER

Institut fur Energieverfahrenstenik, *ZentraIinstitut fur ElektronikForschungszentrum Julich GmbH, Deutschland

EinleitungEine Aufgabe des Projektes PHOEBUS ist die Weiterentwicklung derSystemtechnik mit Blick auf eine groflere energetische Effizienz als auch auf eineReduzierung sowohl des Anlagenaufwandes wie der Kosten. Zwei Konzeptewurden erarbeitet. Das erste System beinhaltet die Errichtung einer neuen Anlagenach dem PHOEBUS - Konzept in einem Mallstab, der zur Versorgung einesEinfamilienhaushaltes geeignet ist und folgend auch als 'PHOEBUS-2' bezeichnetwird. Das zweite Konzept sieht vor, die bestehende PHOEBUS - Anlage urn eineWindkraftanlage zu erweitem und eine Kraft - Warme - Kopplung vorzusehen,'PHOEBUS-3'.

Modirlzierung der PHOEBUS-Anlage durch Vereinfachung undReduzierung der Systemtechnik - PHOEBUS-2.Die elektrische Leistungsaufbereitung mit den Stromstellern zurSpannungsanpassung in den verschiedenen Ebenen (pV-Steller, Elektrolyseur­Steller, Brennstoffzellen-Steller, /1!) stellt einen erheblichen technischen undfinanziellen Aufwand dar und hat einen Anteil von ca. 29 % amGesamtenergieverlust der Anlage. Als Antwort auf die Frage, welche MaBnahmenam PHOEBUS-Konzept zu ergreifen sind, urn einen stabilen und effizienterenBetrieb bei direkter Kopplung der PV-Generatoren, des Elektrolyseurs, derBrennstoffzelle und der Batterie auf die Sarnmelschiene zu erreichen, wurde dasKonzept einer Kleinanlage erstellt.

Dieses Konzept sieht vor, die Nenn-Spannungsniveaus in den einzelnenKomponenten unter der Bedingung stets stabiler Betriebspunkte im Falle derDirekt-Kopplung der Energiewandler zu bestimmen und die energetische Ausbeutemit den Ganglinien der Einzelereignisse jeder Komponente als Jahresszenario unterBeriicksichtigung der stochastischen Einstrahlungs- und Lastbedingungen zuberechnen.

In dieses Konzept sollen auch die gemachten Erfahrungen und Entwicklungen hin­sichtlich der Wasserstoffiechnologie einflieBen und Beriicksichtigung finden. Einederartige Anlage, hier zur autonomen elektrischen Versorgung einesEinfamilienhauses gedacht, mit einer PV-Leistung von 3,7 kW und einerverfiigbaren Jahresenergie von 2500 kWh ist als Konzept in Abb. 1 dargestellt.

179

Ziel ist, die Direktkopplung des PV-Generators mit den SpeicherkomponentenBatterie, Elektrolyseur und Brennstoffzelle unter Wegfall .der Stromsteller zudemonstrieren, urn belastbare Aussagen uber die Funktionalitat einer derartigenKonfiguration unter dynamischen Bedingungen eines Jahresszenarios derEinstrahlung zu erhalten. Neben dem Wegfall der Stromsteller konnten dieSpeicherverluste urn etwa weitere 30 % gesenkt werden, wenn die derzeitverlustreiche mechanische Verdichtung durch alternative Verdichtungs- bzw.Speicherungsverfahren ersetzt wurde.

FUr diese verlustreduzierende MaBnahme konnen folgende Komponenten auf demLangzeitspeicherpfad eingesetzt und erprobt werden:

-der neu entwickelte Hochdruckelektrolyseur (5 kW, 100 bar) mit direkterEinspeisung der Produktgase in handelsubliche Druckgasflaschen fur H2 und O2

-die neu entwickelte thermische Metallhydrid-Verdichtung (MHV) fur Wasserstoffin Verbindung mit einem Niederdruck-Elektrolyseur (ND-EL) /3/

-die Speicherung des Wasserstoffs in einem Niederdruck-Metallhydridspeicher

Dabei ist anzumerken, daB im Falle des Einsatzes der Metallhydrid-Komponenten(Verdichter und Speicher) der Elektrolyse-Sauerstoff fur den Betrieb derBrennstoffzelle entweder weiter konventionell verdichtet werden muB oder beiVerzicht auf O2, die Brennstoffzelle unter Einbu13e an Effizienz (ca. 10 %) mit Luftbetrieben werden muB.

Insgesamt bedarf es noch filr die exakte Bestimmung der Spannungslagen und-anderungen, der Verteilung der Energieflusse und der Stabilitatskriterien(Regelungsstruktur) in den einzelnen Komponenten einer eingehendensimulatorischen Untersuchung mit hoher zeitlicher Auflosung (Sekunden-Bereich!).

Die Erweiterung der PHOEBUS - Anlage mit zusitzlichen Komponenten zurKraft - Winne - Kopplung, 'PHOEBUS-3'Der Reiz der Kraft-Warme-Kopplung (KWK) liegt in der Moglichkeit derErzeugung von Elektrizitat und Warme, die im ProzeB des Energiewandlers a1s"Abwarme" anfallt und zur besseren Nutzung des Brennstoffs fur thermischeZwecke verwendet werden sollte. Wie bereits eingangs erwahnt ist dieser Vorgangder meist gleichzeitigen in einem bestimmten Verhaltnis anfallenden elektrischenund thermischen Energie mit Zielkonflikten verbunden, da gerade bei dezentralenAnlagen dieses Verhaltnis groBen Schwankungen unterworfen ist und daher dieIdealnutzung nicht annahernd erreicht wird. Ein Ausweg ist die zwischenzeitlicheSpeicherung der nicht direkt nutzbaren elektrischen oder thermischen Energie.Zurn Teil wird dies auch bei der uberschussigen Elektrizitat durch Einspeisung insoffentliche Netz genutzt. Aber auch bier ist mit wachsendem Konflikt zu rechnen,da die Einspeisung und ihre Vergiitung auf zunehmende Ablehnung seitens derEnergieversorger stoBt.

180

Eine alternative Moglichkeit bietet auch bier das PHOEBUS-Konzept mit demLangzeitspeicher-System aus Elektrolyse und Brennstoffzelle. Durch dieErweiterung der Anlage mit zusatzlichen Kornponenten, z.B. mit einerWarmepumpe, laBt sich eine Kraft-Warme-Kopplung erzielen, wobei nur dieUberschusse der regenerativen elektrischen Energie zur Auskopplung alsWiirmeenergie verwendet werden, Abb. 2.

Der groBe Vorteil gegeniiber der konventionellen KWK liegt darin, daB eine voll­standige zeitliche Entkopplung von Elektrizitatserzeugung und Elektrizitats- undWiirmebedarf iiber den Wasserstofl7Sauerstoff-Speicher mit Elektrolyseur undBrennstoffzelle erreicht werden kann.

Eine derart flexible Bedarfsanpassung von regenerativer Energie an denElektrizitats- und Warmebedarf laBt sich vorteilhaft durch den hybriden Betriebvon Photovoltaik- und Windgenerator erreichen, da beide in ihrer Jahresganglinieder Stromerzeugung ein inverses Verhalten zeigen, d.h. der Hybridbetrieb beiderGeneratoren fuhrt zu einer VergleichmaBigung der resultierenden Jahresganglinieder Stromproduktion und damit im allgemeinen zu einer besseren Anpassung an dieGanglinie des Elektrizitatsbedarfs /2/, Abb. 3.

Im Falle der PHOEBUS-Anlage liegt der Elektrizitats-Bedarf im Wmterhalbjahrum 30 % hoher als im Sommer. Die PV-Energieernte ist dagegen imSommerhalbjahr doppelt so hoch wie im Winter. Eine durch einen Windgeneratorerweiterte PV-Anlage reduziert also bei gleichbleibendem Bedarf den sonsterforderlichen Speicherumfang erheblich, was die Riickverstromung iiber dieBrennstoffzelle anbetriffi:. Die Uberschufienergie sowohl des PV- als auch desWindgenerators vergroflert sich betrachtlich und kann iiber die Umwandlungmittels Elektrolyse als Wasserstoff zu Prozefiwarme oder Heizwarme, jetzt zeitlichentkoppelt, genutzt werden.

Auch laBt sich eine derartige Hybridanlage sehr flexibel durch einebedarfsorientierte Aufteilung der Nenn-Leistungsgrofie des PV- undWindgenerators an den Verbrauch anpassen, z.B. muB neben der Deckung desElektrizitatsbedarfs die Heizenergie im Winter durch eine hohere Leistung desWindgenerators mit seinen Uberschussen gedeckt werden. Dagegen muB der PV­Generator die Uberschusse iiberwiegend aufbringen, wenn diese zurRaumklimatisierung im Sommer verwendet werden.

Die Abb.4 zeigt das Konzept eines autonomen Versorgungssystems furElektrizitat und Heizenergie mit einem eingekoppelten WarmepumpenkreislaufPer Energiebedarf wird gedeckt durch eine Hybridanlage, bestehend aus Wind­und PV-Generator. Die im Winterhalbjahr zu erbringende Heizenergie fur eineFuBbodenheizung erfolgt iiber einen elektromotorisch angetriebenen Kompressordes Warmepumpenkreises, der im Verdampfer Umgebungswarme und auch dieAbwarme der Brennstoffzelle einkoppelt.

181

In einer ersten uberschlaglichen Rechnung, mit der PHOEBUS-Anlage alsReferenz-System (43 kWp), erzielt man mit einer eingebundenen Windanlage von30 kW Nennleistung einen JahresiiberschuB im langjiihrigenMittel von 34 MWh/afOr den Standort KFA

Unter der Annahme einer realen Leistungszahl von 4 (Verhaltnis Heizenergielelek­trische Antriebsenergie des Kompressor), einem Temperaturhub von 35 K bei einerminimalen Verdampfer-Temperatur von 0 °C im Warmepumpenkreislauf und einerHeizlast (FuBboden) von 150 kWh/m2a ergibt sich eine beheizbare Bodenflachevon 700 m2

.

Mit einer verfugbaren elektrischen Energie von 16 MWh auf der Verbraucherseiteware bei einer derartigen Systemkonfiguration die elektrische und thermischeGanzjahresversorgung von 6 Einfamilienhausem sichergestellt.

Die Einkopplung eines Warmepumpen-Systems zur Deckung der Heizwarmeerweist sich in einer derart konfigurierten Anlage als besonders vorteilhaft, da deriiberwiegende Tell der Uberschufienergie direkt als elektrische Antriebsenergie desWarmepumpen-Kompressors dient und man mit der heute erreichbarenLeistungszahl von 4 die thermische Leistung also urn das Vierfache derelektrischen erhohen kann. Es ist hervorzuheben, daB der Betrieb dieser Anlagevollig emissions- und schadstofffrei ablauft.

Literatur

I.H. Barthels et al. PHOEBUS JULICH, An Autonomous Energy Supply SystemComprising Photovoltaics, Electrolytic Hydrogen, Fuel Cell Hydrogen EnergyProgress XI, Proceedings ofthe 11th World Hydrogen Energy Conference,Stuttgart, Germany, 23-28. June 1996, Vol. 2, 1005-1015

2.H. Barthels, W.A Brocke, A Schaper Der Hybridbetrieb von Photovoltaik- undWind-Generator zur autonomen elektrischen Versorgung am Beispiel derPHOEBUS-Anlage Jiilich. Forschungszentrum Jiilich (Thema in Arbeit)

182

Gesamtwirkungsgrad: 0,65

Phorovoltaik­gcneratoren

38,9MWh

SlId.oo

q

,.FIich.: 4;hn>-.J1~M91

Bstterie12Zellen'lOOOA!t

24\"'r'r'O,88~

2,OS MWh

Wcchselriohter2kW

fl"'0,86

2,46 MWh... (Vetbraucner)

2,87 MWh

':;Xldl"n1,7k:W'lao,$

O,98MWh

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, 1,81 MWh

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0, l:::H: Ih.~...__..... ~ __._(••_)._•• _ 0,99 MWbl-l

~ -4- '..-:::::'*""-\" ...I.:'It~:-Met.HYd.:-:spelcner:····-··..·_·········L-L...-------..:..---~.........

Abb.: 1 Systemk.onfiguration PHOEBUS-2

Abb.: 2 Energiet1uJ3 in PHOEBUS-3

183

Mittlere m o n a t lic h e En e r g ie e i n t r a g e d u r chPhotovoltaik- und WindkraftanJage 1986-1995

PV: 140 m' SUd 50· NeigungW KA; En e reo n E I 2 (30 k W ) Nab en h .:; h e 50 m

Jah r c se n e r g ic je w e ils 17 MWhStan dort Ju Jich

..l:l 4500~=- 4000

Wind kr.a ft a n la g ePho t ovo Ita ik

Jan Feb MfirzApriI Mal Ju ni JuH Aug Sep O\i:t Nov Dez

Abb.: 3 ErtrageausPV und Wind im Jahresverlauffur den StandortJulich

SOLAREEfNSTRAHLUNG WIND UMGEBUNGSwARME

It

Photo­vOltalk

PV

Tiefsetz­steller

I i

/

/

//VERSRAUCHERi

Wllrme- .....""""' t.HEIZUNGUNDpumpe. l · .

WP Wechsel . WARMWASSERrichter 1

i STROM

Batterie

Abb.4: Systemkonfiguration PHOEBUS-3

184

Moglichkeiten der Leistungsoptimierung bei Photovoltaikanlagen

Prof. Dr. Bernd KOHLHAMMERFachhochschule Aalen Deutschland

Die Stromerzeugung in Photovoltaikanlagen ist nach wie vor mit hohen Kostenverbunden. Dies gilt sogar fur sonnenreiche Lander, aber besonders furMitteleuropa mit seinem sehr viel schlechteren Strahlungsangebot. Aus diesemGrunde ist eine Optimierung solcher Anlagen Voraussetzung fiir einenwirtschaftlichen Betrieb. Dies gilt sowohl fur netzferne wie netzgekoppelteAnlagen.

Fiir die Optimierung von Photovoltaikanlagen gibt es folgende Moglichkeiten:

1.) Optimierung der Modulea) Optimierung bezuglich des Wirkungsgradesb) Optimierung beziiglich der Herstellungskosten

2.) Optimierung durch elektrische Betriebsbedingungena) Optimierung durch MPP-Trackingb) Optimierung durch gunstige Kombination der Module (z. B.

Parallelschaltung, Reihenschaltung u.s.w.)

3.) Optimierung der auBeren Betriebsbedingungena) Optimierung durch Nachfuhrungb) Optimierung durch Kiihlung der Module

4.) Minimierung des Wartungsaufwandes

In unserem Institut an der Fachhochschule Aalen befassen wir uns mit demDesign von anwendungsspezifischen Integrierten Schaltkreisen (ASICs). Bei derUntersuchung von Einsatzfeldern fur ASICs sind wir auf PhotovoltaikanlagengestoBen. Dafur sprechen folgende Eigenschaften von ASICs:

• Geringe Leistungsverluste (bei der heute iiblichen CMOS-Technologietreten im Ruhezustand keine Verluste auf, sondem nur beiSchaltvorgangen)

• Geringer Raumbedarf

• Geringe Kosten bei groBen Stiickzahlen

• GroBe Zuverlassigkeit

• Sehr groBe Komplexitat

Diese Eigenschaften haben uns veranlaBt, das Projekt "ASIC-Solar" mitfinanzieller Unterstiitzung der Stadtwerke Aalen zu starten. Dabei war er unser

185

Ziel, die Vorteile von ASICs fur die Anwendung bei Photovoltaikanlagenauszunutzen.

Mit dem in unserem Institut entworfenen ASIC konnten WIr folgendeForderungen abdecken:

• Optimierung durch elektrische Betriebsbedingungen• Optimierung durch Nachfuhrung• Minimierung des Wartungsaufwandes

Dabei waren folgende Randbedingungen vorgegeben:

• Moglichst geringer Leistungsverbrauch, d. h. Einsatz von CMOS­Technologie

• Moglichst geringe Kosten bei der PV-Gesamtanlage

Mit einem speziell fur diese Anwendung entworfenen ASIC sind dieRandbedingungen erfiillbar. Im folgenden sol1en die grundsatzlichenUberlegungen zum Entwurf der Schaltung erlautert werden. In einem weiterenVortrag wird tiber Einzelheiten berichtet,

Der ASIC solI rnoglichst viele Betriebsfalle von Photovoltaikanlagen abdecken, z.B.

Laderegler fur Batterien

Ansteuerung von Motoren• Gleichstrommotor• Asynchronmotor

autarkes Wechselstromnetz

Gleichstromnetz• Camping, Caravaning• Gartenhaus

Technisch fonnuliert heiBt dies:

• FOr beliebige Belastungen solI jedes Modul die maximale Leistung abgeben(MPP-Tracking).

• Der ASIC solI die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom regeln, damitbei Serienschaltung oder Parallelschaltung die Module optimal arbeiten.

• Die Abschattungen einzelner Module oder defekte Module sol1en die Funktionder intakten Module im Gesamtsystem nicht beeintrachtigen,

• Der ASIC solI die Moglichkeit bieten, gegebenfalls die Nachfuhrung derModule zu steuem.

• Fur die Minimierung des Wartungsaufwandes solI die Moglichkeit bestehen,defekte Module durch den ASIC anzeigen zu lassen.

186

Aus diesen Forderungen erarbeiten wir fur den Entwurf des ASICs folgendesKonzept:

• Bei jedem einzelnen Modul soll getrennt MPP-Tracking vorgesehen werden.

• Durch eine geeignete DC-DC-Wandlung und Regelung soll dieGesamtschaltung optimal an verschiedene Verbraucher angepaBt werden.

• Parallelschaltung oder Serienschaltung sollte ohne Leistungsverluste moglichsein.

• Die Nachfiihrung entsprechend dem Sonnenstand soll bei jedem einzelnenModul Moglich sein.

• Defekte Module sollen leicht erkennbar sein.

Das typische Strom-Spannungs-Kennlinienfeld fur Solarmodule mit derEinstrahlung als Parameter ist in Bild 1 dargestellt:

Strahlleistung wachsen

Us

Bild 1 Ausgangskennlinienfeld mit der Strahlungsleistung als Parameter(Temperatur konstant)

In Bild 2 ist das Kennlinienfeld mit der Temperatur als Parameter dargestellt. Manerkennt die starke Temperaturabhangigkeit der Leerlaufspannung. Diese fiihrt zueiner Minderung der Leistungsabgabe bei Temperaturerhohung von

. %- (0,4 bIS 0,5) K .

187

Is

Temperatur wachsend

-+-----------------'I--+--\-"'""'"""'~Us

Bild 2 Ausgangskennlinienfeld mit der Temperatur als Parameter

Die Verschiebung des MPP-Punktes mit der Einstrahlung als Parameter ist in Bild3 erkennbar.

P

Us

Bild 3 Ausgangsleistung inAbhingigkeit von der Ausgangsspannungmit der Strahlungsleistung alsParameter

188

In Bild 4 ist eine Ausgangskennlinie Is(Us) eines Solarmodule dargestellt. Dabeiwird deutlich, daB die vom Solarmodul abgegebene Leistung von der Lastabhangt. Die maximale Leistung Pmax wird im Arbeitspunkt (IMP;UMP) abgegeben,wenn R=Ropt ist. Diesen Arbeitspunkt nennt man MPP-Punkt. Man ist bestrebt,durch schaltungstechnische MaBnahmen das Modul immer im MPP-Punkt zuhalten. Bekanntlich nennt man dieses Prinzip ,,MPP_Tracking".

IsPmax= Imp* U mp

-

Dmp,

Us

Bild 4 Optimaler Arbeitspunkt

In Bild 5 ist die prinzipielle Wirkungsweise des ASICs in einem Blockschaltbilddargestellt.

Bild 5 Prinzip des MPP-Tracking

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Der MOSFET-Schalter wird vom ASIC so angesteuert, daB der Gleichwert Is,odes Modulstromes so eingestellt wird, daB der Arbeitspunkt im MPP-Punkt liegt.

Der Vorteil der Tatsache, daB jedes Solarmodul getrennt mit MPP-Trackingoptimiert wird, solI an einem einfachen Beispiel gezeigt werden. Als Beispielwurde ein 24 V Netz mit und ohne MPP-Tracking untersucht, wenn zweiModulen parallelgeschaltet werden.

Der Leistungsgewinn bei dieser Parallelschaltung wird in den Bildern 6a und 6babgeschatzt Dabei wird angenommen, daB Solarmodule SMlOO von der FirrnaSiemens verwendet wird.

4,0 A

AbgegebeneLeistung:p= 151,2 W

2,3 A

Bild 6 a) Parallelschaltung mit MPP-Tracking

3.5A

24V Abgegebene Leist-ung:P=98,4 W

.24 V t

4,1 A

~"'C• ..-2:_':_A ... ...._-o-_

Bild 6 b) Parallelschaltung ohne MPP-Tracking

190

Bild 7 zeigt die verschiedenen Arbeitspunkte den Unterschied der Arbeitspunktebei den Schaltungen in Bild 6 a) und Bild 6 b). Dabei wurde angenommen, daBModul l anders ausgerichtet ist als Modul 2. Deshalb wurde die Temperatur vonModul 1 als hoher angenommen als bei Modul 2. Damit haben die Moduleunterschiedliche Kennlinien entsprechen den Bildern 1 und Bild 2.

~P-

Punkt:I

Modul 1

m -_:=-2::_-_:::_-:-:;::~:V~----------. _._._._._._._._._._._._._._._._.~._._._._._.~._._._.

~ i

i24 V Us

Bild 7 Parallelschaltung mit und ohne MPP-Tracking

In Bild 8 ist als Beispiel die Parallelschaltung von n Modulen dargestellt. Dabeimuf der Spannungsregler aile Ausgangsspannungen auf den Wert Uaus regeln.

........................

:::MPp.~; 1- --1----Hpc,P¢;:···.·":·'··

..• • •~ • a• • •• • •

• • ••••::,.MjlpiJH ...laoooolI~--I--~~-...,(10}0W·::::'DCDC' ...

Bild 8 Parallelschaltung von n Modulen mit MPP-Tracking

191

:i\iilfPT~Y.ft~~·:'·'j..00004I.......- ..~P¢.~w~t;ii~,

.. :U,,,':''',',,,·· .

• • •• • •• • •• ••• • •• • •

• ••• ••• ••• ••• •

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:¥:PkTJ.s<y~iJi#E}I-.....J.

• Us,n :: d)C.DC2w~iif'_____c -et-.....t","u;,,, 1- ..;..;;.::::_..

Bild 9 Serienschaltung von n Modulenmit MPP-Tracking

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su URUNLERi i~LETMELERiNDERUZGAR ENERJisiNDENYARARLANMA OLANAKLARI

Do~. Dr. Adnan TOKAC Do~. Dr. Osman OZDENEge Universitesi Su Urunleri Faknltesi

AbstractRenewable or sustainable energy systems provides energy services to peoplewithout depleting resources. Wind energy, as a partial solution to environmentalproblems, has received high praise from energy and environmental experts. It isknown that "Alone among the alternative energy technologies, wind power offersutilities pollution-free electricity that is nearly cost competitive with today'sconventional sources." This paper gives a short information about wind energy, analternative energy source, and its use in fisheries and aquacultture industry.

OzetYenilenebilir veya surdurulebilir enerji sistemleri kaynaklara zarar vermeksizininsanogluna enerji olanagi sunmaktadtr. Cevresel sorunlar icin losmi bir cozumolarak, ruzgar enerjisi kullanmunm yaygmlastmlmasmm gerekliligi enerji ve cevreuzmanlan tarafindan belirtilmektedir. Alternatif enerji teknolojileri arasmda sadeceruzgar enerjisi, herhangi bir kirlilige yolacmaksizm ve hemen hemen bugunku klasikkaynaklardan elde edilen enerji bedeli ile rekabet edebilir nitelikte ve snursizelektrik olanagi sunmaktadtr. Bu makalede yenilenebilir enerji kaynaklanndan biriolan ruzgar enerjisi haklonda losaca bilgi verilmekte ve bahkcihk ile akuakiiltiirendustrisinde kullamm olanaklan anlatilmaktadir,

G~Alternatif enerji kaynaklarmdan biri olan ruzgar enerjisinin, cevresel problemlerbakimmdan losmi bir cozum oldugu gibi, aym zamanda enerji ve cevre uzmanlantarafindan mutlaka yararlamlmasi gereken bir enerji kaynagi olarakdegerlendirilmekte ve cesitli sektorlerdeki enerji ihtiyacmm ruzgar enerjisi kullanmuile karsilanmasi fikrine oldukca SICak yaklasrlmaktadir, ABD' deki Elektrik EnerjisiArastirma Enstitusu tarafindan ruzgar enerjisi alternatif enerji teknolojileri arasmdaherhangi bir kirlenmeye yolacmaksizm ve sabit ilk yatmm girdisinden sonra simrstzelektrik uretimi olanagi saglayan ve maliyet itibari ile bugunku gelenekselkaynaklardan uretilen elektrik bedeli ile rekabet edebilir duzeyde oldugu ifadeedilmektedir.

Ruzgar tiirbinlerinin yaygm bir kullarum alam ise halihazrrda mevcut elektriksebekesine bagh ev, site, ciftlik ve isyerlerinde olmaktadir. Bu gibi yerlerde zamanzaman ruzgar enerjisinin devreye sokulmasi ile elektrik gereksinimlerinin birkismmmm bu yolla karsilanarak enerji giderlerinin dusurulmesi amaclanmaktadir.Bir ruzgar tiirbini ortalama olarak zaman diliminin sadece % 25 - 30' u kadar bir

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surede elektrik iiretebilmektedir. Bu nedenle bu tur enerjiden yararlamna ruzgannmevsimsel olarak cok yogun oldugu yer ve zamanlarda veya elektrik sebekesinebaglanmamn cok pahah oldugu yerlerde daha cok onem kazanabiIir.

Insanoglu cok eski ytlIardan beri ruzgara karst yogun bir ilgi gostermistir, M.O.5000 yihndan daha eski ytlIarda, Misirhlann Nil Nehrinde teknelerini bir cesityelkenler ile ruzgardan yararlanarak kullandiklan biIinmektedir. Daha sonrahububat danelerini ogutmek amach ilk tiirbin yapildi. Bu duzenekler gemilerin yancarklanna benzemekteydi ve MS 200 yillanmn baslanna kadar iran' da kullaruldi.

Yirminci yuzyihn baslanna kadar Avrupa, ABD, Afiika ve diger bazi iilkelerdekucuk yeldegirmenleri su pompajlannda ve elektrik gucu uretiminde yaygm olarakkullamldi. Daha sonraki yillarda ise bu binlerce kucuk elektrik jeneratorlerine ilaveolarak Kuzey Amerika ve Avrupada cok biiyiik sistemler insa edildi. Bu gelismelerozellikle tanmsal faaliyetlerin kapasitesinin artmasma neden oldu ve ruzgardegirmenlerinin kapasitesi 150-200 MW' a kadar artti (Oster ve Andersen, 1990).

Ruzgar enerjisi kullammmm cevresel yararlanndan biriside arazi kullamrm iIeiIgilidir.Tek bir ruzgar tiirbini fazIa alana gereksinim gostermezken, ruzgarciftlikleri gibi buyuk olcekli uygulamalar dikkate deger sekilde onemli bir miktardaaraziye gereksinim gostermektedir.Bununla beraber, ruzgar ciftliklerinin bir avantajiruzgar tiirbinlerinin arazinin sadece % 5' Iik bir kismmi isgal etmesi ve geri kalanekipmanin.yerden yiiksekte bulunmasi nedeni ile buyuk bir alanm tarun, mera veyadiger amaclar icin kullannm mumkun olmaktadrr.

Kiiyiik ruzgar tiirbini sistemleri geneIlikIe elektrik sebekesinden uzak mahaller icincok pahah olmayan gUy kaynaklandrr. Bu sistem icin tiirbinler cok basit olupelverissiz kosullardaki mahallerde bile bakim yapilmaksizm cok uzun yillarkuIIanl1abiImektedir. Genel kullamm alanIan, iletisim cihazIannm cahsunlmasi,kirsal alandaki ev ve konaklama yerlerinin aydmlanlmasi ve su pompalannmcalistinlmasi seklinde oImaktadrr.

Ruzgar tiirbini sistemleri elektrik gucunu merkezilestiren kaynaklar olarak cok umitvericidir. Ornegin, Giiney Kaliforniya da, binlerce turbin ruzgar eiftlikleri olarakbilinen ruzgar gucu arazilerine yerlestirilmistir.

Ruzgar gucu sistemleri geneIlikIe dizel jeneratorler ve solar sistemler gibi ilaveuretim sistemleri ile ortaklasa kurulmaktadir. Bu "hibrit" sistemler gUygereksiniminin karsilanmasuu daha guvenli hale getirmekte ve uygulamada birrahathk saglamaktadir, Ruzgar tiirbininden elde edilen enerji, uygulamadakiyiikIeme arttigi zaman yetersiz kaldigmda alternatif kaynak olarak devreyegirmektedir.

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RUZGAR ENERJiSiNiN su iJRUNLERi i~LETMELERiNDE

KULLANIM OLANAKLARISu iirtinleri isletmelerini islevsel acidan bahkci tekneleri ve akuakiilkiir isletmeleriolarak iki ana gruba ayirmak miimkiindiir. Bahkci teknelerinde riizgar enerjisikullanmn ozellikle limanda bagh iken jenerator cahstirmadan teknenin aydtnlanmave diger elektrik enerjisi gereksinimlerini ruzgar enerjisi ile iiretilen elektrik ilekarsilamak miimkiin olabilmektedir. Bu uygulamamn yayginlasmasi cevre vegurultu kirliliginin onlenmesi bakimmdan son derece yararh olabilecektir. Temizenerjiler olarak da adlandmlan altematif enerjiler, ismma, isitma, aydtnlatma,kurutma ve mekanik giiy gibi ihtiyaclann karsilanmasmda biiyiik olcudekullamlabilmektedirler (Yavuzcan, 1994). Akuakiiltiir isletmeleri ise yapisalozelliklerinden dolayi genellikle kurulus yerlerinin elektrik enerjisinden yoksunalan1arda yogunluk kazandigi gorulmektedir. Yerlesim alan1armdan uzak kiy;alan1armda konuslanan kafes bahk¢tgt isletmeleri, yine genellikle elektrikenerjisinin bulunmadigi bircok laguneralanlardafaaliyet gosteren su iiriinleriiiretimkooperatifleri, genellikle deniz seviyesinden oldukca yiiksek, daglarda faaliyetgosteren alabahk isletmelerinde ruzgar enerjisi kullanmn cok biiyiik onemkazanmaktadtr. Bu yerlerde genellikle yerlesim yerlerinden uzakta bulunmalannedeni ile elektrik sebekesine baglanmak cok pahahya malolmaktadtr. Aynca soziiedilen bu sahalarm cogunda yilm biiyiik bir bolumu oldukca kuvvetli riizgarlarmevcuttur. Aynca bu tiir isletmelerde entansif iiretim yapilageldiginden hem enerjigiderlerinden tasarruf yapmak ve hemde takviye enerji bakimmdan alternatif birenerji kaynagi olarak riizgar enerjisinin kullanimi biiyiik onem kazanmaktadtr.Ruzgar enerjisi cahsmalannmbuyuk bir kismi ruzgar enerjisinin elektrik enerjisinedonusumunu saglayan ruzgar motorlan (Windmills) iizerinde yogunlasmaktadir(Tavman ve Yolcu, 1997). Ruzgar motorlannm temel eleman1an ruzgar tiirbini,disli kutusu, kavrama, elektrik jeneratoru ve kumanda mekanizmasmdan ibaretdir.Ruzgarlr havadan mekanik enerji seklinde ahnan enerji, uygun bir kavrama duzenive disli kutusu icerenmekanik aktanci ile elektrikjeneratorune iletilir. Jeneratordenelektrik ytkt~l , uygulamaya gore yiike verilir veya gOy sebekesine baglamr(Anonim, 1993). Riizgar-elektrik sistemlerinde riizgardan almabilen guctenelektriksel gOy ytkt~ma kadar olan tum donusumun verimi % 25-35 arahgmdadrr.Ornegin 3 m' 1ik bir pervane capma sahip tiirbinle, yaklasik 30-35 km!h' 1ik ruzgarhizmda 1 lew elektrik giicii elde etmek icin 7-8 m2 1ik bir supurme alarngerekmektedir (YagCIO@U, 1987).

Su iirtinleri isletmelerinin elektrik maliyetini etkileyen faktorler olarak,

• Giiy gereksinimi• Odemecesiti(sanayi, mesken, tanm)• Isletmelerin surekliligi (kisa,orta, uzun)• Akimkalitesive ozellikleri• Guvenlikve maliyeti dusurucu sistemlerinin dikkate almmasi gerekmektedir.

195

Aynca bircok iilkede·kullamm miktanna gore farkh fiyatlandmna sistemi yaygmolarak kullamlmalctadtr. Buna gore kullamm miktan artnkca birim elektrik bedelideartmaktadir. Ornegin bazi iilkelerde;

• 36kw• 36-250 kw• 250kw

>

<

mavi-Asan-Bye~il-C

seklinde elektrik tiiketim miktanna gore kademeli fiyatlandmna sistemikullamlmaktadtr. Su iitiinleri isletmelerinin en onemli gider kaleinlerinden biri olanenerji giderlerinin, riizgar enerjisinden yararlanarak desteklenmesi ile elektriksebekesinden tiiketilen enerji miktan dusurulecek ve daha dusuk bedel iizerindenelektrik odemesi yaptlmasansi elde edilebilecektir.

AKUAKULTUR i~LETMELERiNDE ENERJi KULLANIMIAkuakiiltiirisletmelerinde enerji kullanumm belirleyen bashca faktorleri;

• Saha Ozellikleri (iiretim tipi, su kaynaklan ve topografik karakterler)• Su (fiziksel, kimyasalve biyolojikozellikler)• EnerjiBilancosu• Isitma (jeotermal, desarj sulan, C elektrik, fuel oil, gaz vb.) gibi dort ana

unitede

degerlendirmekmiimkiindiir. Yukanda ifade edilen ana birimler icinde yer alan vesu iiriinleri isletmelerinin enerji kullammi gerektiren bashca faaliyetlerini alt birimlerolarak asagrdaki gibi bashklar halindeozetlemek miimkiindiir,

• Su alum• Ana pompalamasistemi• Antma ve desarj sistemi• Havalandirmave oksijenlendirme sistemi• Yemlemesistemleri• Ozel filtrasyonve uretime ozgu prosesler• Elektrojen grubu• Isitma ve kapah devre sistemleri• Kontrol ve regulasyon sistemleri• Giivenlik sistemleri

Akuakiiltiirisletmelerinde kullamlan enerjiden tasarrufyapmak isletmenindogrudankarhhgma etki ettiginden cok onem tasimaktadir. Bir su iiriinleri isletmesinin enerjitiiketimindeyaptlabilecek potansiyeIiyilestirmeler baslica;

196

• Sabit harcamalann minimize edilmesi• Giindiiz ve gece olmak uzere enerji tiiketiminin iki ayn zaman diIimine

gore ayarlanmasi• Ruzgar ve gunes enerjisi gibi altematif enerji kaynaklanndan

yararlamlmasi• Enerjinin bosa harcanmamasi, korunmasi ve• Enerjinin geriye kazanmu konulannda yapilabilir.

FARKLI ENERJi KAYNAKLARININ ~LETME FAALiYETLERiNDEKULLANIMINA iLi~KiNBiR ORNEKBir su urunleri isletmesinde farkh isler icin kullantlabilecek altematif enerjilereiliskin bir ornek asagidaverilmektedir.

TOPLAM TiiKETiM ANALiziBirim .Ana pompajAntma pompajlAeratdrlerBesleme - YemlemeJsitma

Toplam enerji Ihtiyae;

Enerji Gii~ SiireRuzgar 2*20 kw 12 saat/giin AltematifElektrik 2*5 kw 24 saar/gun Sigorta yokGanes 6*2 kw 24 saar/gun GuvenliElektrik 1*3 kw 5 saat/gunGaz 50 kw <=+12

Ruzgar 40 kwElektrik 10 kwGanes 12 kw

ANA POMPALAMA SiSTEMiElemanPompaKumanda MerkeziElektrik TesisanGiivenlik ve KontrolEnerjiSiireGii~

Adet3211

Rnzgar

2 saar/gun20*2

YII1998199819981998

Gii~

20kw20kw20kw20kw

SONU(:Gerek balikci tekneleri ve gerekse akuakiiltiir isletmeleri olsun tum su urunleriisletmelerinde ruzgar enerjisi gibi altematif enerji kaynaklanmn kullamlmasiolanaklannm yaranlmasi bu isletmelere bircok yonden yararlar saglayacaknr.

197

LiTERATim1. Oster, F., Andersen, H.M., 1990. Wind Energy Researches and Technological

Development in Denmark.2. Tavrnan, ~., Yolcu, P., 1997. Ruzgar Enerjisi ve Gtdalann lslenmesinde

Kullarumi. E.U. Miihendislik Fakiiltesi Dergisi Cilt:15 Sayi:1-23. Yagcioglu, A., 1987. Tanmsal Elektrifikasyon. E.O. Ziraat Fakiiltesi Yaymlan

No: 488, bomova, Izmir. 158 s.4. Yavuzcan, G., 1994. Enerji Teknolojisi. Ankara Universitesi Ziraaat Fakiiltesi

Yaymlan No: 1324, Ders Kitabi: 383, Ankara, 117 s.

198

RUZGARveGtiNE~ENERJisiNiNDENiz veKfiLTUR BALIKCILIGINDA KULLANILMASI ACISINDAN

BAZlHUKUKiPROBLEMLER

Yrd. Do~. Dr. Demet 6ZDAMARDokuz EylulUniversitesi Hukuk Fakiiltesi Adalet Yuksek Okulu

ctatsGunumuzde, diinyadaki en onemli problemlerden birisi enerji, digeri de cevrekirliligidir, Fosil kaynakh yalatlar (komar, petrol ve dogal gaz) ve nukleer yalatlannkullamlmasi, hem cevre kirliligi, hem de maliyet acismdan pahahya mal olmaktadir,

Bu tur enerjiler yanmda, gunes, ruzgar, biomass (bitki ortusune dayah yalatlar ­odun, saman, yosun vs.) ve biogaz (hayvan ve bitki artiklanna dayah enerji) gibiyenilenebilir enerji kaynaklan, temiz enerji olarak nitelendirilmektedir. Yeni veyenilenebilir enerji kaynaklanndan, ozellikle gunes ve ruzgar enerjisinden, uzundonemde elektrik enerjisi uretimi acismdan, Turkiye'deki potansiyel oldukcafazladir',

Rnzgar ve gunes enerjisinden yararlanmak uzere elektrik santralleri kurarken,cevrenin, gurultu, hayvan olumleri (ozellikle kuslann), dogal ve tarihi guzelliklerinbozulmasma karsi, hem ulusal, hem de uluslararasi alanda korunmasi kamu yarangeregidir' .

Bu incelemede ilk olarak, konuyu duzenleyen hukuki kaynaklar (ulusal, uluslararasive uluslariistii mevzuat yonunden) ele almacaktrr.

Daha sonra, izlenecek yasal prosediir (izin, rapor vs... gibi), hem bahk isletmeleri,hem de ruzgar ve gunes enerjisi yonunden aciklanacaknr,

1 TEZCAN, Giiner, "Cevre ve Enerji", (Cevre ve Enerji Kongresi, Bildiriler Kitabi.S-? Haziran1997), tmmob makine miihendisleri odasi, Yaym No:192, 5.205; TORKEL, H.Fikret ,"C;evreHukukunun Enerji 8ektorii Boyutunda Irdelenmesi", (Cevre ve Enerji Kongresi, Bildiriler Kitabi,5-7 Haziran 1997), tmmob, makine miihendisleri odasi, Yaym No:192, 5.237.2 BOYACI, E.Kamil, "Ma.hkeme Kararlannda Cevre Sorunlan", Yargnay Dergisi, C.16, Ocak­Nisan 1990, 8.1-2, 5.162; AKINCI, Ziya,"MilletIerarast Ticaret ve Cevre Hukuku", YargitayDergisi, Temmuz 1994, C.20, 8.3, 5.217 vd; HAMAMCI, Can, "Cevre ve Hukuk", FehmiYavuz'a Armagan, Ankara 1983, 5.246.

199

Son olarak da, Cevre Hukuku acismdan "kirleten"in (yani; riizgar ve gunesenerjisinin, deniz ve kultur bahkcrhgmda kullamlmasi sonucu cevreye bir zararverilirse, bundan dogan) sorumluluguna kisaca deginilecektir.

&1. DENiz ve KiiLliiR BALIK<;ILIGINDA, RUZGAR ve GUNESENERJiSiNDEN ELEKTRiK iJRETiMi ve <;EVRE HUKUKUA<;ISINDAN iLGiLi MEVZUAT

1- GENEL OLARAKGiris Bolumn'nde de belirtildigi gibi, ele alman konu, hem elektrik iiretimi, hem decevre yonunden iki ana boyutludur. Bu nedenle once, elektrik uretimi, sonra dacevre yonunden konunun belli bash hukuki problemleri ele ahnacaknr.

fl- ELEKTRiK iiRETiMi A<;ISINDAN iLGiLi MEVZUATKural olarak, kisilerin su, elektrik, havagazi gibi ihtiyaclannm karsilanmasi onemlikarnu hizmetlerindendir'. Karnu hizrnetleri de, karnu kurumlan, yani devlettarafindan yerine getirilir",

Ancak, bu kurala bir cok istisna getirilmis ve cesitli kanunlarla, karnu kurumlandismda, baska gercek ve tiizel kisilere de, bazi karnu hizrnetlerini yerine getinneolanagi saglannustir,

Dogrudan dogruya, elektrik iiretimi konusunda da, en onemli yasaldiizenlemelerden birisi, "Turkiye Elektrik Kururnu (Artik TEA~ ve TEDA~iDismdaki Kuruluslann Elektrik Uretimi, iletirni, Dagitmu ve Ticareti ileGorevlendirilmesi Hakktnda 3096 Sayih Kanun'", digeri de "B8.Zl Yatmrn veHizrnetlerin Yap-Islet-Devret Modell Cercevesinde Yaptinlmasi Hakktnda 3996Sayih Kanun'tdur'. .

3 Anayasa Mahkemesi, 26.3.1974, E.1973/32, K.1974/11, bkz. RG. 21.6.1974, 8.14922. Ayncaaynntl1J. biIgi icin bkz: KlJ1LU, Me1tem, ldare Sozlesmelerinde Ihale Snreci, Izmir 1997, s.34;55vd.4 Aynca, Anayasa'wn 168.m.sindeki hiikme gore: "Tabii servetler ve kaynakIar Dev1etin hiikiimve tasarrufu altmdadir, Bunlann aranmasi ve isletilmesi hakIaDev1ete aittir. Devlet bu hakIambelli bir siire icin, gercek ve tuzel kisilere devredebilir. Hangi tabii servet ve kaynagln arama veisletmesinin, Dev1etin gereek ve tiize1kisilerle ortak olarak veya dogrudan gercek ve tiize1 kisilereliy1e yapilmasi, kanunun acik iznine baghdir...".5 TEK.'in; TEDA~ ve TEAl;! seklinde, iki ayn iktisadi devlet te§ekkiilfi seklinde teskilatlanmasimduzenleyen 12.8.1993 t. ve 93/4789 Sayih Bakanlar Kurulu karan i~in bkz: RG. 8.6.1996,8.22660, s.3 yd.6 RG. 19.12.1984,8.18610, s.3 vd.7 RG. 13.6.1994, 8.21959, s.1. Aynca bkz: "Bazi Yatmm ve Hizmetlerin Yap-lslet-DevretModeli Cercevesinde Yapnnlmasi Hakkmda 3996 Sayih Kanunun Uygulama Usul ve EsaslarmaIliskin Bakanlar Kurulu Karan", RG. 1.10.1994, 8.22068, s.7 yd.

200

Aynea konunun, santraller acismdan imar Kanunu ve BKm.58 ile ilgili yonuvardir".

Ruzgar ve gunes enerjisi tesis1eri (santralleri) yapi eseri sayihr, Bu nedenle, BKm.58 de uygu1ama alarn bulur",

ill- DENiz ve KULTUR BALIK(;ILIGI (SU irn:UNLERi) A(;ISINDANiLGiLi MEVZUAT10

A) Ulusal Mevznat1- 1380 Saytlt Su Urunleri Kanunu.2- 2872 Saytlt CevreK(~K) ve Cevre Etki Degerlendirmesi Yonetmeligi(~ED)3- Ktyt K4- Su UrunleriTOzOgu5- Su Kirliligi Kontrolu Yonetmeligi6- Su Kirliligi Kontrolu Yonetmeligi Suda Tehlikeli ve Zararh Madde1er Tebligi7- Su Kirliligi Kontrolu Yonetmeligi Idari Usuller Tebligi8- Su Kirliligi YonetmeligiNumune Almave AnalizMetodlan Tebligi9- Su Kirliligi Kontrolu Yonetmeligi Teknik Usuller Tebligi .10-Denizlerde ve i~ Su1arda Tieari AmacliSu Urunleri Avcihgmi DOzenleyen 1997­1998 Av DonemineAit 31/1 No'1u Sirkulerll-Denizlerde ve i~ Sularda Amator (Sportif) Amach Su Urunleri AvcihguuDOzenleyen 1997-1998Av Donemine Ait 31/2 No'1u SirkOler

B) Uluslararasi Mevznat1- Akdeniz'inKir1enmeye Karst Korunmasi Sozlesmesive Eki Protokolleri2- Karadeniz'in Kir1enmeye Karst Korunmasi Sozlesmesive Eki3- Birlesmis MilletlerDeniz Hukuku Sozlesmesi-1982 Tiirkiyeimzalamamisnr.Bunlarm yanmda; uluslarustu mevzuata" ornek olarak, Avrupa Birligi Mevzuattsaytlabilir.

8 Bundan baska, Alman Hukuku'nda, rnzgar enerjisi santrallerinin imar Hukuku, ZararhGazlara Karst Korunma iIe iIgili Hukuk, Amtlann ve Tabiatm Korunmasi Hukuku, Kara veHava Trafigi Hukuku ile ilgisi ve bunlarla ilgili smirlamalar aynntIh olarak ele alinmistrr, Bkz:OGiERMANN, E.Maria Rechtsfragen der Errichtung von WindkraftanIagen, Heymann 1992,(Studien zum offentlichen Wirtschaftsrecht, fragen der Errichtung von WindkraftanIagen,

Heymann 1992, Bd24), (Zugl.Univ.Miinster, Diss. 1991), s.55 vd .9 KOC, Nevzat, Bina ve Yap! Eseri Maliklerinin Hukuki Sorumlulugu (BK.m.58), Ankara 1990,s.62 yd.10 AynntIh bilgi icin bkz: KUBiLAY, Huriye, "Turkiye'de Su UriinIeri Uretimi, Yetistirilmesi,lsleme ve Dagitmnnm Hukuki Yanii Uzerine Bir inceleme", (Akdeniz Bahkeihk Kongresi, 9-11Nisan), E.U. SUUriinleri Fakiiltesi Yayun, (E.U.BasImevi) izmir 1997, s.417 vd11 "Uluslariistii hukukta; bir toplnluga dahil ftye devletler, egemenlik haklanmn bir kismmikendilerinin olusturdugu uluslariistii kummlara devrederler ve bu kurumlann yonetiminekanlmayi kabul ederler.Uluslariistii hukuktan gereek ve tiizel kisiler de yararlanabilir ve haklanmn ihlal edilmesidurumunda uluslariistii bir mahkemede dava acabilirler, Omegin; Avrupa Birligi MevzuatI biruluslariistii hukuk mevzuandir," KUBiLAY, s. 420 vd,

201

IV) <;EVRE HUKUKU A<;ISINDAN iLGiLi MEVZUAT

A) U1usal Mevzuat1- 1982 tarihli Anayasa rn.56l2

2- 2872 sy. CK.3- CED4- MK. (656 -Komsuluk Hakki ve 661 -Gaynmenkul Malikinin Sorumlulugu)5- BK. M.58 (Bina ve YapiEseri Maliklerinin HukukiSorumlulugu)6- imar K. mAO yd.bkz.7- Belediyeler K. (ozellikle m.l5)8- Urnumi Hifzisihha K. rnA9- it idaresi m.9 ve 1110- Polis Vazife ve Selahiyet K. m.3 ve 25

B) Uluslararasi Mevzuat"

l-ikiIi uluslararasi AnlasmalarCevrenin korunmasi icin, Almanya", Macaristan" ve Azerbaycan Devletleri ile16

ikili anlasmalar imzalanrmsnr.

2- (Cok tarafh) uluslararasi sozle~melerTurkiye'nin tarafoldugu bu sozlesmelerin bashcalan:

a) "Denizlerin Gemiler Tarafindan Kirletilmesinin Onlenmesine Ait UluslararasrSozlesme" (Marpol-73 Sozlesmesi) (1973 yihndaimzalanmisnrj'".

b) "Akdeniz'in Kirlenmeye Karst Korunmasma Ait Sozle~me"18(T(irkiye, 1980yilmdabu sozlesmeyetarafolmustur).

c) "Karadeniz'in Kirlenmeye Karst Korunmasma Ait Sozlesme?".d) "Tehlikeli Atiklann Smirlarotesi Tasmimmm ve Bertarafinm Kontrolune

IliskinBasel Sozle~rnesi"20.

e) (1985 tarihli) "Ozon Tabakasmm Korunmasma Dair Viyana Sozlesmesi?".

12 Krs: GEMALMAZ, M. Semih, "Cevre Komma Sorunu, Cevre Hakki- Cevre Yasasi veD~diirdUkl.eri ", Yarguay Dergisi, C.14, Temmuz 1988, S.3, s.324 vd..13 AKINCI, s.235-236.14RG. 13.1.1993 t. ve S.21464.ISRG. 3.7.1993 t. ve S.21626.16RG. 21.10.1993 t. ve S.21735.17 Bu sozlesme ve bunu degi~n Protokol'iin -MarpoI,78- metni icin bkz:RG. 24.6.1990,S.20558)18 RG. 12.6.1981, S.17368.19RG. 14.12.1993, S.21788.2°RG. 30.12.1993, S.21834.21 RG. 8.9.1990, S.20629.

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&2. DENiz ve KiiLTUR BALIKCILIGINDA, RUZGAR ve Gii'NE~ENERJiSiNDEN ELEKTRiK fiRETiMi iLE iLGiLi KONULARDAizLENECEK YASAL PROSEDUR

1- ELEKTlUK fiRETiMi AC;;ISINDANizLENECEK YASAL PROSEDUR

A) ElektrikUretimi iIe·iIgili Ozel YasalDiizenleme

1- Genel Olarak4.12.1984 tarihli "Tiirkiye Elektrik Kurumu" Dismdaki Kuruluslann ElektrikUretimi, iIetimi, Dagitimi ve Ticareti iIe Gorevlendirilmesi Hakkmda 3096 SayihKanun"un23 1. m.sine gore, bu kanun ile TEK (artik TEA~ ve TEDA~) dismdakiozel hukuk hiikiimlerine tabi sennaye sirketleri statusune'" sahip yerli ve yabancisirketlere elektrik, uretim, iletim, daginm ve ticareti izni (gorevi)verilebilmektedir".

Bu gorevin verilmesi icin, duruma gore su iki prosediirden birisi izlenir:

Birinci durumda; Devlet Planlama Teskilan'nm gorii~iinii alan, Enerji ve TabiiKaynaklar Bakanhgl, Bakanlar Kurulu'na "onceden yonetmelikte belirlenengorev bolgelerinde, elektrikle ilgili hizmet icin kurulmus olan sennaye sirketlerince,elektrik uretim, iletim, dagmm tesislerinin kurulmasi, isletilmesi ve ticaretininyapnnlmasi icin" bir teklifte bulunur ve Bakanlar Kurulu da bunu kabul edebilir.Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgi, Bakanlar Kurulu Karan ile belirlenen cerceveicerisinde, ilgili giirevli ~irketle sozlesmeyapar (3096 Sy.K.m.3).

22 Daha soma, -RG. 15.9.1993, S.21699, s.35 vd.-, 12.8.1993 1. ve 93/4789 Sayih BakanIarKurolu Karan ile, Tiirkiye Elektrik Kurnmu'nun -yani TEK'in- elektrik iiretim ve iletimihizmetleri yapmak mere, Tiirkiye Elektrik Uretim, iIetim Anonim Sirketi -TEA~- ve TiirkiyeElektrik Dagmm Anonim Sirketi -TEDA~- unvanh iki ayn iktisadi devlet te§ekkiilii seklindeteskilatlanmasi dnzenlenmistir. Boylece, TEK; TEA~ ve TEDA~ seklinde ikiye aynlmrsnr.Aynca bkz: "Elektrik EneIjisi Tesislerinin Kurulmasi ve Isletilmesi Hakkmda Bakanlar KuroluKaran", RG. 8.6.1996, 8.22660, s.3 vel.23 RG.l9.12.1998, S.1861O, s.3 yd.24 Adi, kollektif ve adi komandit ortak1Iklar (sirketler), ki~i ortakWdan; anonim, limited vepayh komanditler, sermaye ortakWdan saytlabilir. Ancak, limited'ier dahi bazi bakunlardanki~i ortakligi niteligi daha a~ basan ortakhk olarak kabul edilmektedir(pOROYITEIGNALP/CAMOGLU, 4.B. iSTANBUL 1988, s.25). 3996 Sayih Yap-Islet-DevretModeli Hakkmda Kanun, m.3/b'ye gore; sermaye ~irketi; Tiirkiye Cumhuriyeti KanunIannagore kurulmus veya kurulacak olan ve gerektiginde kamu kurum ve kuruluslarmm da (kamuiktisadi tesebbnsleri dahil) ortak oldugu ve bu Kanunun 4 fincii maddesinde belirtilen BakanlarKurolu Karannda ongorulen sartlan tasiyan anonim ~irketi ifade eder (3996 Sy.K.m.3;RG.13.6.1994, S.21959, s.1 vd). Bu iki kanun parelel yonde olduguna gore; 3096 Sy.K.undakastedilen sermaye sirketlerinin de, anonim sirketler oldugu saylenebilir.25 Krs: EGELi, Giilin, "Tiirkiye'nin EneIji PolitikasJ, Elektrik EneIjisi Mevzuau veUygulamalan", (Cevre EneIji Kongresi, Antalya Sempozyumu, 14-15 Nisan 1997- Antalya,Tiirkiye'nin EneIji Politikalan Paneli, 18 Haziran 1996- Ankara), tmmob, makine miihendisleriodasi, YaymNo:191,s.181 yd.

203

ikinci durumda ise; Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgl, Devlet PlanlamaTeskilati'nm, olumlu gorii§tinii almak suretiyle sadece elektrik iiretmek amaci iIekurulacak sennaye sirketlerine, elektrik uretimi yapacak tesisi kunna ve tesisiisletme musaadesi verebiIir (3096 Sy.K.rnAII).

Sonuc olarak; bir sermaye sirketi, sadece elektrik uretmek amacr iIe kurulmussa,Bakanlar Kurulu Kararma gerek olmadan, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgi'mnizni yeterli olacak:, buna karsm eger elektrikle iIgiIi diger (iiretim, iIetim, dagmm vebunlarm ticareti ile ilgiIi) hizmetleri vennek uzere kurulmus ise, 0 zaman BakanlarKurulu Kararma gerek olacaktir.

Bakanlar Kurulu kararma gerek olmamakla birlikte; Bakanhk, DPT'mn gorii~iinii

aldiktan ve uretim sirketinin kurulusuna dair belgenin ibrazmdan soma, uretimtesisi kurma ve isletme izni verecek ve karst taraf iIe "uretim tesisi kurma veisletme sozlesmesi" akdedecektir (Isletme Izni Yon.rn.6i6

Sonuc olarak bizi (sernpozyum acismdan) iIgiIendiren ilk asamada (sadece billisletmelerinde elektrik uretimi icin), Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgi'nm izniyeterli olacak ve Bakanlar Kurulu Karan'na gerek olmayacaktrr (3096 Sy.h K.rn.3

.. - 27ve mAlI; aynca Isletme Izni Yon.m.c, g bend, rn.6).

Aynca Yonetmelikte; Bakanhgm her zaman bu sirketleri denetleyebilecegi, gerekliyaptmm ve sozlesmenin feshi konulanmn, akdedilen sozlesmede yer alacagihususu da duzenlenmis bulunmaktadir(Isletme Izni Yon.rn.7i8

2- Otoprodiiktorler

a) Genel OlarakBurada ornegin, Ege Universitesi, Yonetmeligin 3. rn.si anlammdaotoproduktor'dur. Yani, otoprodoktor; kendi faaliyet alanlanmn, enerji ihtiyacuukarsilamak uzere, bu Yonetmeligin 4. rn.sinin (g) bendinde belirtilen sartlan tasiyaniiretim tesisi kurup elektrik ureten tuzel kisileri ifade etmektedirf'.Yine,"Otoproduktor Grubu" da, yukandaki aym sartlarr" tasiyan tuzel kisiler grubunuifade eder.

26 RG. 17.4.1996, 8.22614, s.22 .27 Bu Yonetmelik iein bkz: RG.17.4.1996, 8.22614, s.20 vd. Yine, "isletme bakkmm devri"bashgim tasiyan 5/I. m.ye gore, gorev bolgelerinde kamu kurum ve kuruluslannca, (Kamuiktisadi tesebbusleri dahil) yapilmis veya yapIlacak.uretim, iletim ve dagmmtesislerinin isletmehaklannm gorevli (elektrik ile ilgili hizmetleri yapan) sirketlere verilmesine BakanlarKurulu'nca kararverilebilir.28 RG.4.9.1985, 8.18858, s.15.29 Tiirkiye Elektrik Kununu Dismdaki Kuruluslara ...-B~ de~, bkz.-Elektrik EneIjisiUretim Tesisi Kurma ve lsletme izni Verilmesi Esaslanm Belirleyen Yonetmelik m.3, RG.4.9.1985, 8.18858, s.12 yd. ve bunu degistiren Yonetmelik m2, RG. 17.4.1996, 8.22614, s.20yd.30 RG. 17.4.1996, 8.22614, m.2.

204

Buna gore; gercek kisiler" kendi ihtiyaelan icin elektrik iiretemeyecek, ancak: birtiizel kisi (om. Enstitu, Universite)- ya da tuzel kisi grubu elektrik uretebilecektir.

Bu duzenleme yerinde degildir, (:iinkii, gercek bir kisi, (bu yasal diizenlemekarsismda) kendi evine elektrik uretimi amaci ile bir gunes paneli dahikurduramayacak: yahut da bu sekilde elektrik enerjisi iiretemeyecektir. Tabii, bununkontrolii, bir zamanlar canak antende .oldugu gibi- miimkiin gozukmemektedir.Ceza Hukuku acismdan da "kanunsuz sue ve ceza olmaz" ilkesi geregi, cezaimiieyyidesi de tartisilabilir.

b) Otcpreduktdrter De DgiliDigerHiikiimlerOtoproduktor veya otoproduktor grubu sirketi, uretim tesisi kurup isletme iznialmak icin Bakanhga basvuracaktir, Vine; Otoproduktor veya otoproduktor grubusirketlerin urettigi ihtiyac fazlasi enerjiyi TE~, TED~ veya Gorevli sirketleresanp, satmamasma bakilmaksizm enterkonnekte sisteme baglannsi bulunmasihalinde sirket, "otoproduktor statusunde uretim tesisi kurulmasi, isletilmesi veenerji fazlasmm TEA~, TEDA~ ve bagh ortakWdan veya gorevli sirketlere satismaizin verilmesine iliskin sozlesme'tyi Bakanltk ile irnzalar (Isletme Izni Yon.m-t, gbendi)32

"Otoproduktor ve/veya otoproduktor grubu sirketler sahip olduklan ulusal elektriksisternine bagh kimya, petrol, metalurji, tekstil, maden, elektro-mekanik ve bunungibi sanayi tesisleri, besbin konutu asan uydu kent yerlesim birimleri ile aym il veyaaym gorev bolgesi icinde bulunan hastaneler, elektrik ihtiyaclanmn tamammi veyabir bolumunu kendi elektrik uretim tesislerinde guvenilir bicimde ve ekonomikolarak uretebilir." (Isl.lzni Yon.s.m.g bendi, 4. pr.)33 .Bu elektrik uretim tesisleri,yeni ve yenilenebilir enerji kaynakh tesis mahiyetinde olabilir (Aym m., Pr.S). 34

"Otoproduktor ve/veya otoproduktor grubu olarak elektrik enerjisi elde edilmekamaciyla kurulan tesisin ank IS1S1 en gee 12 ay icerisinde degerlendirilir. Aksi haldetesis faaliyetten men edilir." (Aym m.pr.6)35

Otoproduktor ve/veya otoproduktor grubu sirketler faaliyet gosterdikleri bolgeicerisinde TEA~, TEDA~, bagh ortaklar veya gorevli sirketler ile Enerji SansAnlasmasi irnzalayabilirler (Aym m.pr.7. Pr.)36 ."Otoprodiiktor grubu sirketler

31 Gereek kisiler; 1996 tarihli Yonetmelik degisikligine dek, otoproduktor olabilmekte idiler.Bkz: ''Tiirkiye E1ektrik Kununu Dismdaki Kuruluslara E1ektrik Enerjisi Uretim Tesisi Kurma velsletme lzni Verilmesi EsaslarmI Belirleyen Yonetmelik" m.3: "otoproduktor: kendi faaliyetkonusunun e1ektrik ihtiyaclamu karsilamak icin iiretim tesisi kurup elektrik iireten gercek vetiize1 kisileri ifade eder." RG. 4.9.1985, 8.18858, 5.13. Sadece, tiizel kisilerin otoprodnktorolacagnu duzenleyen, Yonetmelik degi~ikligi i~in bkz: RG.17.4.1996, 8.22614, 5.21.32 lsletme lzniYonetmeligi ve Degi~iklikleri ile, RG. 17.4.1996,8.22614,5.20 yd.33 RG. 2.8.1997, 8.23068, 5.29.34RG. 17.10.1997,8.23143,5.18.3S RG. 2.8.1997, 8.23068, 5.29.36RG. 17.10.1997,8.23143,5.18.

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urettikleri eneIjiyi ancak faaliyet gosterdikleri gorev belgesi" icindeki ortaklannaverebilirler. Baska gorev bolgesine enerji nakledemezler. Ancak; otoproduktorgrubu olusturan sirketlerin aym holding biinyesinde olmalan halinde bu sartaranmaz. Bu Yonetmeligin yayunmdan once faaliyet gosteren otoproduktor grubusirketlerin haklan sakhdir." (AymYonetmeligi 4. maddesine eklenen (j) bendi).

c) Uretim Tesisi Kurup Isletme hni Verilmesine ili~kin Esasla.-J8

aa- hin Verme EsaslanUretim tesisi kurup isletme izni asagida bashcalan belirtilen esaslar gozonuneahnarak verilir :a) Uretim tesisi Devletin genel enerji ve ekonomi politikasma uygun olacaknr,b) Uretim tesisi kurma ve isletme sozlesmesi 99 yila kadar sureli olabilir.c) Uretim sirketi; yannm progranum, Bakanhgin onayladigi sekilde

gerceklestirmeyi taahhiid eder.d) Uretim sirketi, tesisi yenilemek zorundadtr.e) Uretim tesislerinin yilhk iiretimlerini Bakanhk planlar. Uretim planlamasmm

revizyonu Bakanhk adma TEK tarafindan yapihr,f) Otoproduktorlere, tesisin bulundugu bolgeye bagh olarak Tiirkiye Elektrik

Kurumu veya gorevli sirketin gorii~ii almmak suretiyle Bakanlik tarafindanuretim tesisi kurma ve isletme izni verilebilir.

bb- Basvuru ve Basvurunun Degerlendirilmesi4/12/1984 tarihli ve 3096 sayth Kanunun 4 uncu maddesine gore Bakanhgayapilacak basvurularda gozonunde bulundurulacak hususlarm bashcalan sunlardir:

a) ilk: basvuruda bulunmasi gereken bilgiler:

1- Uretim tesisinin plam.2- Yatmmm tahmini gerceklesme tarihi.3- Tesisin ne gibi arac, gerec ve teskilatla gerceklestirilecegi.4- Isletme siiresi.

Birden fazla iiretim tesisi icin bilgiler her bir tesis icin ayn ayn verilecek, ayn birerbasvuru gibi degerlendirecektir.

37 Tiirkiye Elektrik Kurumu Dismdakilerin GOrevlendirilecekleri Bolgeler Hakkmda Yiinetmelik:RG. 4.9.1985, 8.18858, s.31.Yiinetmelikte belirtilen gorev biilgelerine, gunun ihtiyaclan dikkatealmarak 4/12/1984 tarihli ve 3096 saylli Kanuna gere verilmis haklar sakli kalmak sam ileEneIji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgr'mn teklifi iizerine Bakanlar Kurulunca yeni gorev biilgeleri

eklenebilir. Aynca; "Tiirkiye Elektrik Uretim iIetim Anonim ~irketi ve Tiirkiye Elektrik DaginmiIetim Anonim Sirketi Dismdaki Kuruluslara Elektrik Enerjisi Uretimi, iIetimi, Daginnu veTicareti Konusunda Gorev verilmesi Esaslan Hakkmda Yiinetmelik"de (RG. 23.2.1987, 8.19381,s.4 vd.; Degisik 17.4.1994, 8.22614, s.24), ilgili sirketlerin gorev esaslan (4.m.), mnracaat vedegerlendirilmesi (5.m.de) duzenlenmistir,38 lsletme iznive Yiinetmeligi, m.4 - RG.4.9.1985, 8.18858, s.15.

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b) Bakanhk on rapor konusunda ilgili kuruluslann goruslerini altr. Bakanhk gorii§uolumlu oldugu takdirde, basvuru sahibi fizibilite raporunu Bakanhkca ongorulensure icerisinde hazrrlayarak bes nusha halindeBakanhga sunar.

Bakanhk, aynca teklif edilen tesisin bulundugu yere baglr olarak sonuc hakkmdaTEK'e veya ilgiligorevli sirkete bilgiverir.

c) Aym tesis icin daha soma basvuru olmasi halinde, basvuru sahibine fizibiliteraporunu son teslim tarihinin ilk basvuru sahibine bildiri1en tarih oldugu, hangifinnalann daha once basvurdugu bildirilir, bir baska tesis icin de basvurabileceklerihatirlanhr.

d) Birden fazla basvurunun bulundugu durumlarda, cesitli faktorler (projeekonomisi, tecrube vs...) firmanm secilmesinde dikkate ahrur.

e) Kamu kuruluslan yatmm programlannda yer alan tesislerle ilgili olarak almacakteklifler icin ilgili kamu kurulusu ve Devlet Planlama Teskilati'nm gorii§u almarakBakanhk: gorusu belirlenir.

Gorusim olumlu olmasi halinde basvuru sahibine, ilgili kamu kurulusuyla isbirligiyaparak soz konusu tesisle ilgi1i, gerceklesmis ve gerceklestirilecek yatmmi ortayakoyan ve basvuru sahibinin sorumluluguna birakilani§iicine alan, zamanlama plam,finansman durumu, organizasyon vb. konularda bilgi veren raporu hazrrlayarakBakanhk: tarafindan belirlenecekSUre icerisindeBakanhga gondermesi istenir.

Birden fazla basvuru OImaSI halinde daha onceki maddelerde belirtilen hiikiimleruygulanrr.

f) Aymyer icin birden fazla fizibilite raporunun almdigi durumlarda, bakanhkveilgili kurulus temsilcilerince yapilacak ondegerlendirme sonucuen uygun teklifinsecilmesi amaciyla Bakanhk Mustesannm baskanhgmda bir "Teklif DegerlendirmeKurulu" olusturulur.

g) Bakanhk, ele ahnmasnu uygun gordugu uretim tesislerini Resmi Gazete ileKamu oyuna duyurarak bu tesisler icin basvuruda bulunulmasim sagIayabilir.

h) Uretim tesislerine ait fIzibilite raporlan EK:l vd.mda verilen esaslara goreduzenlenir,

3- Elektrik Enerjisi FonuBu kanunun (3096 Sy. K.) uygulanmasi ile ilgili arastirma, gelistirme, etud, proje,denetim faaliyetleriyle, kurulacak tesislere finansman yonunden destek ve elektrikenerjisi fiyatlarmdaistikrar saglamak amaci ile Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhgi

207

nezdinde tiizel kisilige haiz, Elektrik Enerjisi Fonu adi ile bir fon kurulmustur (3096Sy. Knu degistiren ve ek m.ler getiren, 3613 Sy. K m.3, Ek m.l1I)39

Buna gore, (ornegin, Ege Universitesi) Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanhginezdindeki, Elektrik Enerjisi Fonu'na finansman icin basvurulabilecektir,

4- Uretim Yetkisi Siiresinin Sonundaki DurumBakanlar Kurulu; iiretim yetkisi suresi sonunda, uretim sirketlerine ait tummalvarhgmi, bedelsiz olarak bir kamu kurulusuna veya yeniden aym uretimsirketine yeni sartlarla verebilir (lsl.Izni Yon,m.lO)40 veya gereken halde bu iiretimtesislerini kamulastirabilir (i~l.izni Yon.m.ll).

B)"Yap-i§let-Devret " De Dgili Vasal Diizenleme A~lslDdan Elektrik UretimiKonusu

J-Genel OlarakYap-Islet-Devret Modell; ileri teknoloji ve yuksek maddi kaynak ihtiyaci duyulanprojelerin gerceklestirilmesinde kullamlmak uzere gelistirilen ozel bir finansman .modell olup, yatinm bedelinin (elde edilecek kar dahil) sermaye sirketine" veyayabanci sirkete,42 sirketin isletme suresi icerisinde urettigi mal veya hizmetin idareveya hizmetten yararlananlarca satmahnmasi suretiyle odenmesini ifade eder.

"Bazi Yatmm ve Hizmetlerin Yap-lslet-Devret Modell Cercevesinde YaptmlmasiHakkmda 3996 Sayih Kanun'un" amaci, kamu kurum ve kuruluslannca (kamuiktisadi tesekkulleri dahil) ifa edilen, ileri teknoloji ve yuksek maddi kaynakgerektiren bazi yatmm ve hizmetlerin, yap-islet-devret modell eereevesindeyaptmlmasmi saglamaknr (Y.i.D.H.Km.l).

Bu Kanun, diger bazi yatmmIar (kopru, baraj vs...) yanmda, cevre kirliliginionleyici ve benzeri yannm ve hizmetlerin yapnnlmasi, isletilmesi ve devredilmesikonularmda, yap-islet-devret modell cercevesinde sermaye sirketlerinin veyayabanci sirketlerin gorevlendirilmesine iliskin usul ve esaslan kapsamaktadrr(YiDHK.Degi§ik m.2/I).44

Birinci fikrada ongorulen yatmm ve hizmetlerin bu Kanuna gore sermaye sirketleriveya yabanci sirketler ell ile gerceklestirilmesi bu yannm ve hizmetlerin, ilgili kamu

39 RG.15.3.1990, S.20462, 5.1vd.40 RGA.9.1985, S.18858.41 Sermaye ~irketi; Tiirkiye Cumhuriyeti Kanunlanna gore kurulmus veya kurulacak olan vegerektiginde kamu kurum ve kuruluslannm da (kamu iktisadi tesebbusleri dahil) ortak oldugu vebu Kanunun 4 fincii maddesinde belirtilen Bakanlar Kurulu Karannda ongoriilen sartlan tasiyananonim ~irketi ifade eder (3996 Sy.K.m.3; RG.13.6.1994, S.21959, s.lvd).42 Yabanci ~irket: 6224 sayth Yabanci Sermayeyi Tesvik Kanunu hiikiimleri uyanncaTiirkiye'de faaliyette bulunmasma izin verilen kurulusu ifade eder (3996 Sy.K.m.3).43 RG. 13.6.1994, S.21959, 5.1.44 Degisik m.2/I, RG.3.12.l994, S.22130, 5.1.

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kurum ve kuruluslan (kamu iktisadi tesebbusleri dahil) tarafindan gorulmesineiliskinkanunlann istisnasmi teskil eder.

2- Izlenecek ProsediirBu Kanunda ongorulen yatmm ve hizmetleri yap-islet-devret modeline goreyapnrmak isteyen Idare (kamu kurum ve kuruluslan), Yiiksek PlanlamaKuruluna muracaat eder ve bu Kurulun izninden sonra sennaye sirketi veyayabanci §irketle sozlesme imzalayabi1ir (YiDHK.m.3 ve rnA). Yuksek PlanlamaKuruIunca belirlenen idare ile sennaye sirketi veya yabanci sirket arasmda imtiyazteskil etrneyecek niteIik:te bir sozlesme yapihr, Bu sozlesme ozel hukukhiikiimIerine tabidir (YiDHK.m.5). Yine; sorumIuluk ve tazminat konulan dasozlesmede diizenlenir (YiDHK.rn.6). Sozlesmelerin suresi ise, 49 yddan fazlaoIamaz (YiDHK.rn.7).

Bu K.na gore sennaye sirketi veya yabanci sirket tarafindan yapilan yatmm vehizmetler, sozlesmenin sona ennesi ile, bedeIsiz oIarak kendiliginden idareye gecer(YiDHK.m.9).

"...Proje ile iIgili kopru krediler saglamaya veya garanti venneye Hazinemustesarhgmm bagh olduguBakan yetkiIidir." (YiDHK.m.ll).

Aynca onemli bir husus da; 4.12.1984 tarihli ve 3096 S.h, 28.5.1988 tarih1i ve3465 S.h Kanunlarm hiikiimIerinin sakh olmasidir. Ancak, ilgili idarenin istegihalinde 3096 ve 3465 sayih Kanunlara tabi islerde 5,1l,12 ve 14.rn.(yani idare ilesennaye sirketi sozlesme imzalayacak, cesitli kredi ve garantilerden sirketyararlanacaktrr) hiikiimIerinden yararlamhr (YiDHK.m.l3ts. Buna gore; her nekadar, Yap-Islet-Devret Modell icin, 49 yilhk bir sure ongorulmusse de, elektrikiiretimi soz konusu oldugunda, (3096 Sayih Kanun hiikiimIeri sakh oldugundan,3096 Sy. Kanun ile iIgili lsletme Izni Yonetmeligi rnA geregi) Y.i.D.Modelindekisozlesmedekisure, 99 yila cikmasikammcamumkungozukmektedir.

Bu Kanunun yururlugegirmesinden once yap-islet-devret modeline gore baslatilrmsprojeler ve isler, tabi oIdukIanusul ve esaslara gora sonuclandmhr, Ancak, birincifikrada beIirtilen proje ve islere de bu Kanun hiikiimIerinin uygulanmasma, gorevlisirketin talebi ve iIgili idareninmuracaati iizerineYiiksek Planlama KuruIuncakararverilebi1ir (YIDHK.m.3/ degisik gecici rn.I)46,47. izIenecek prosediir, idare ilegorevll §irketarasmdaki sozlesmevs. mA yd.'mda duzenlenmistir.

45 RG.l3.6.l994, 8.219,59,s.3; Aynca bkz: RG. 3.12.1994, 8.22130, s.l (Bazi Yatmm veHizmetlerin Yap-lslet-Devret Modell Cercevesinde Yapnnlmasi Hakkmda Kanunda DegisiklikYapIlmasma Dair Kanun).~G. 3.12.1994, 8.22130, s.l(fEK Dismdaki Kuruluslann Elektrik Uretimi, Iletimi,

Dagitnnr ve Ticareti De GOrevlendirilmesi Hakkmda Kanun).47"Bazt Yatmm ve Hizmetlerin Yap-lslet-Devret Modell Cercevesinde Yaptmlmasi Hakkmda3996 8.h Kanunun Uygulama Usul ve Esaslarma ili~ Karar" (Bakanlar Kurulu Karan, RG.1.10.1994, 8.22068, s.7 vd)'da aynntl ve aciklamalar dfizenle~.(m.3 k bendi: Finanskurum1annca saglanan ana kredidir). ro.3, 1 bendine gore: " Koprii kredi (subordinated Loon):Uygulama sozlesmesi cercevesinde belirtilen kosullarda gerektiginde, gorevli sirket hatasi

209

II- Cevre Hukuku A~lsIDdan, Elektrik Uretimi Konusunda izlenecekProsediirCevreHukuku acismdan, bashca yasal diizenleme, 2872 Sayi ve 1983 tarihli CevreKanunu" ve Cevre Etki Degerlendirmesi Yonetmeligi'dir".

Cevre Kanunu m.10 uyannca; gerceklestirmeyi planladtklan faaliyetleri sonucucevre sorunlanna yol acabilecek kurum, kurulus ve isletmeler bir "Cevresel EtkiDegerlendirme Raporu" hazrrlarlar. Boylece; C;K.m.10 ve "Cevre EtkiDegerlendirmesi Yonetmeligi" m.2 vd.na gore, ilgili isletme veya kurulus; CevreBakanhgi'ndan "Cevre Etki Degerlendirme (<;:ED) Olumlu Belgesi" almakzorundadir. Aynnnh bilgi, C;ED yonetmeliginde duzenlenmistir,

Bundan baska; ilgili isletmelere, isletme, antma tesis ve sistemlerini kurmadikca,isletme izni verilmez (C;K.m.ll). Cevreyi kirleten gemilere verilecek para cezalanve diger cezalar da ozel olarak C;K.m.22 vd.mda duzenlenmistir,

<;K.m.17 vd.mda, "Cevre Kirliligi Onleme Fonu" ile ilgili hukumlerduzenlenmistir, Buna gore; cevre kirliliginin onlenmesi ve cevrenin iyilestirilmesiicin gerekli harcamalann %45'ine kadan, en cok yirmi yil vadeli kredilerle <;:K0Fonu'ndan desteklenir (<;K.m.17). <;KO Fonu, Basbakanhk Cevre Mustesarhgiaracihgi ile kullamhr (<;K.m.19).

Cevre Bakanhgi'ndan baska, Saghk Bakanhgi'ndan da; yer secimi, tesis, denemeizni gibi diger bazi izinler de almacaktrr (Umumi Hifzisihha Yasasi 1930 ve .Gaynsihhi Muesseseler Yonetmeligi 1938 - Bunlann basvuru makami, mahallin enbuyukamiri olmaktadrr).

&3. Deniz ve Kiiltiir Babk~lbglDda, Riizgar ve Giine~ Enerjisinden ElektrikUretimi Sirasmda CevreyiKirietenierm Serumlulugu

1- Genel OlarakRiizgar ve gunes enerjisinin, deniz ve kultur bahkcihgmda kullarulmasi sonucu;cevre kirlenmesi olusursa, bundan dolayi, cevreyi "kirletenin" ozel hukuka vekamu hukukuna gore sorumlulugu soz konusu olabilecektir'",

disindaki durumlar nedeniyle, projenin beklenmeyen finansman ihtiyaclanm karsilamakamacxyla, idare adma, fonlar veya diger uluslararasi finanskuruluslannca temin edilen ve kismenveya tamamen Hazine garantisine haiz kisa ve orta vadeli tali krediyi" ifade eder.48 RG.11.8.983, S.18132.49 ERTA~, ~eref, Cevre Hukuku (Cevre Kanunu, <;EDYonetmeligi, Dilekce Ornekleri ),D.E.D.H.FaIc.Doner Sermaye Isletmesi Yaymlan, No:78, Izmir1997, s.153 vd.so KI1: KANTAR, H. Elvend, "Cevre Hukukunda Sorumluluk Kavrann", iBD, 1984, S.I-3 , s.21vd; StRMEN, Lale, "Tasmmaz Millkiyetinin Kullamlmasmda Cevre Etkileri YaratanMiidahalelerden Dolayi Malikin Sorumlulugu", AOHFD, 1988, C.XV, S.I-4, s.22 vd.

210

11-Ozel Hukuka Gore Sorumluluk

A) Medeni Kanun'a GOre (Tasmmaz Maliki ise) Sorumluluk"Kirleten", tasmmaz maliki ise; ona karst i\.1K.m.656 (haksiz fiil-kusur­sorumlulugu) uyannca, dava acilrp; cevreninkirlenmesinin durdurulmasi-onlenmesi,eski ha1in iadesi, maddive manevi tazminat davalan acilabilir".

B) Borelar Kanunu'na GOre (Tasmmaz Maliki degilse) SorumlulukEger "kirleten", tasinmaz maliki degilse, onakarst, BKm.55 (istihdam edeninsorumlulugu), m.56 (hayvan yonetenin), m.58 (bina ve diger yapi eseri malikininsorumlulugu) uyannca, kusursuz olarak sorumIu tutulabilir.

-Cj-Cevre Kananu'naGdre (OzelHukukA~lslDdan,m.28) Sorumluluk

C;K.m.28'e gore, "kirleten"in sorumlulugu, agirlastmlnus bir kusursuzsorumIuluktur.52 Burada, bir tasmmaz sahibi olmak gerekmedigi icin,C;Km.28'dekisorumlulugun siijesi MK.m.656'dakindencok daha genistir,

Zarar goren, haklann (sorumIuIukIann) yansmasi ilkesi geregi, kendisi icin enuygun olankanunhiikmiine dayanabilecektir."

ID- Kamu Hukukuna GOreC;Km.3/e uyannca; kirlenmenin onlenmesi, simrlanmasi vs. iein kamu tiizelkisilerince yapilan harcamalann, kirletence karsilanmasi esasnr. Ancak; kirletenIer,gerekli her tiirlii tedbiri aldiklanm ispat etmek kaydiyla sorumIuIuktankurtulabilirler. Bu bore, kamu yaranna hizmetettiginden kamu hukuku nite1ikIidir.

Bundan baska kisilerin, cevreyi kirletenlere karst "sikayet hakki" (C;Km.30) ilediger kamusal miieyyideler (ornegin, idari cezalarve idari davalar)" mevcuttur."

51 YAVUZ, Cevdet,TUrk Hukukunda Cevre Kirletenlerin Hukuki Sorumlulugu", HukukArasnrmalan Dergisi, C.5, S.I-3, Ocak-Araltk 1990, s.44 vd.52 ERTA$, s.111 vd.; DEUTSCH, Erwin (Cev.Ertas), "Sorumluluk Hukukunun Temel Ilkeleri",D.E.D.H.F. Prof. Muhittin Alam Armagam, lzmir 1983, s.254 vd; TANDOGAN, Haluk, "2872SayJh Cevre Kanununa GOre Cevrenin Kirletilmesinden Dogan Sorumluluk", Yargitay Dergisi,Ocak-Nisan 1986, S.I-2, C.12, s.33 vd; ULUSAN, ilban, "Cevre Kirlenmesinden DoganSorumlulukta Fedakarhgm Denklestirilmesi iIkesi", Yargnay Dergisi, Ocak-Nisan 1986, C.12,8.1-2, s.75 vd.53 <;ORTOGLU, i.Sahir, "Cevrenin Kirletilmesinden Dogan Sorumlulukla TasmmazMiilkiyetinin Askm Kullanilmasmdan Dogan Sorumlulugun .Ka1lJ1~1" Yargitay Der.,C.I2, Ocak-Nisan 1986, 8.1-2, s.97 vd.54 ERTA$, s.135 vd; ULU80Y, Ali D., "Cevre Kirlenmesinin Olusmasmdan Sonraki AsamadaMedeni Hukuk, Ceza Hukuku ve Idare Hukuku Cozumlerine Genel Bir Bakis", AOHFD.1993,C.43, 8.1-4, s.129 vd.55 Aynca, i~ Hukuk yargi yollannm tiiketilmesi halinde, Avrupa insan Haklan Komisyonu'nabasvurulabilir, Bkz. ERTA$, s.148 vd.

211

SONUCSonuc olarak; deniz ve kiiltiir bahkcihgmda, ruzgar ve gunes enerjisinden elektrikiiretimi konusunda dogrudan dogruya uygulanacak en onemli iki yasal duzenleme,3096 ve 3996 say:th kanunlardir, Bunun yamnda, su urunleri ve cevre hukuku ileilgili yasal diizenlemeler de uygulama alarn bulacaktrr.

izIenecek yasal prosedur; elektrik iiretimi faaliyetinin, sadece kendi faaliyet alarnicin olup olmadigma gore, ye~itli fonnalitelere baglanmisnr.

Cevre Hukuku acismdan, elektrik iiretimi faaliyetleri sonucu cevreye bir zarargelirse, bundan dogan sorumluluk, oncelikle <;K.m.3 ve 28'e gore olacaktir. Bununyanmda, diger yasal hiikiimlere de (om. MK.m.656, BK.m.55 vs.) onceliklebasvurulabilecektir.

212

Merkmale kleiner autonomer Solar-Wasserstoff-Systeme mitvereinfachter Systemtechnik

W.A. BROCKE, H. BARTHELSForschungszentrum Jiilich, Deutschland

1. EinleitungZur Demonstration der verstarkten Nutzung regional vorhandener regenerativerEnergietrager wird in Wed (Nordrhein-Westfalen) das Projekt EnergieparkKonWed 2010 [1] umgesetzt. KonWerl 2010 ist auch dezentralesDemonstrationsprojekt fur die Weltausste11ung EXPO 2000 in Hannover. Fur dasProjekt ist ein sogenanntes Kompetenzzentrum vorgesehen, das ganzjahrigsolarelektrisch versorgt werden so11. Dieses Vorhaben ist der AnlaB,Untersuchungen uber eine verkleinerte PHOEBUS-Anlage mit vereinfachterSystemtechnik ohne Gleichstromsteller durchzufuhren [2]. Da einHochdruckelektrolyseur eingesetzt werden so11, entfallen auch die Verdichter furWasserstoffund Sauerstoff.

Fur den Schritt zu einem stellerlosen System gibt es mehrere Griinde. Bekanntlichverschlechtert die direkte Kopplung von Batterie und PV-Feldem keineswegsimmer die Jahresemte einer Anlage, und vermutlich konnen Elektrolyseur undBrennstoffze11e schadlos mit gepulsten Stromen betrieben werden, so daBgliittende Gleichstromsteller entbehrlich werden. Dieser Beitrag beschiiftigt sich mitden Konsequenzen des Fortfalls der Gleichstromste11er und geht auf die folgendenPunkte ein:

• Anpassung der direktgekoppelter Komponenten und die Stabilitat derelektrischen Arbeitspunkte.

• Regelung der elektrischen Strome zwischen den direktgekoppeltenKomponenten.

• Auswahl und Steuerung geeigneter elektronischer Leistungsschalter.

2. Strukturmerkmale der direktgekoppelten SolaranlageDie Komponenten des Wasserstoffsystems fur Wed sind nach Bild 1 das PV-Feld,die Batterie, der Hochdruck-Elektrolyseur ohne Verdichter, die Brennstoffzelle, dieGasspeicher fur H2 und O2, die 3 Leistungschalter und der Wechselrichter.Letzteren kann man sich auch ersetzt denken durch mehrerer lastangepaBte,preiswerte kleinere Inverter oder Gleichstromsteller, so daB jeder Wandler den fursich optimalen Arbeitsbereich einnehmen kann.

Welche der Anlagenkompenenten zu einem bestimmten Zeitpunkt uber die Gleich­stromschiene miteinander gekoppelt sind, bestimmt jeweils das

213

Energiemanagementdurch Betatigung der Leistungsschalter. Der Schalter des PV­Feldes bleibt auBer in Gefahrensituationen stets geschlossen. Bei geoffnetenSchaltem von Elektrolyseur und Brennstoffzelle ist der Batteriestrom gleich derDifferenz von PV-Strom und Laststrom. Dabei sind die Richtungen derEnergieflusse eindeutig vorgegeben, wenn das PV-Feld mit nicht zu knappbemessener Stringspannung als hochohmige Stromquelle und der Inverter alshochohmige Stromsenke betrleben wird. Diese Teilkonfiguration bleibt solangebestehen, bis eine definierte Ladungsgrenze der Batterie erreicht ist.

Bei zu hohem Ladegrad der Batterie schaltet das Energiemanagement den Hoch­druckelektrolyseur hinzu. Dabei entsteht aus Batterie, Schalter und Elektrolyseurein niederohmigerStromkreis, siehe Bild 2, dessen Strome durch den gemeinsamennicht steuerbaren Arbeitspunkt seiner nichtlinearen und zeitvariantenSchaltkreiskomponentenfestgelegt und sind.

Bei zu niedrigem Ladegrad der Batterie schaltet das Energiemanagement dieBrennstoffzelle hinzu. Auch dabei entsteht aus Batterie, Schalter und Brennstoff­zelle ein niederohmiger Stromlcreis, siehe Bild 2, dessen Arbeitspunkt nichtsteuerbar ist.

Die Struktur des stellerlosen Systems ist also gekennzeichnet durch die direkteKopplung von Komponenten, die Spannungsquellen oder Spannungssenken mitkIeinen Innenwiderstiinden darstellen, d.h. kIeine Anderungen derParameterkomponenten bewirken u.U. groBe Anderungen der gemeinsamenArbeitspunkte der Komponenten.

Aus der Tatsache, daB die Strome auBer durch Betatigung der Leistungsschalternicht steuerbar sind, erwachst der Hauptnachteil der direkten Kopplung. Dienichtlinearen und durch Alterung zeitvariablen UI-Kennlinien von Elektrolyseurund Brennstoffzellemussen so an die ebenfalls nichtlineare und durch Ladung undAlterung zeitvariable Ul-Kennlinie der Batterie angepaBt werden, daB dieBetriebsstrome ihre zulassigen Grenzwerte nicht moglichst uberschreiten.

3. Simulierte Anpassung der kritischen KomponentenDie Ermittlung der optimalen Kennlinienparameter, d.h. der Anzahl der Zellen derdrei elektrochemischen Komponenten, erfoIgt wie auch der Entwurf der Regelungmit den Mitteln der Modellbildung und der rechnergestiitzten Simulation. Wegenihres Einflusses auf die elektrischen Arbeitspunkte werden altersbedingteVeranderungen der elektrochemischen Komponenten abgeschatzt und beruck­sichtigt. Spannungen, Strome, Flusse, Leistungen, Ladungen, Energien sowieregelungstechnische Grofen gehoren zu den simulierten Systemvariablen. DieUberlagerung der simulierten Modellkennlinien von Batterie, Elektrolyseur undBrennstoffzellezeigt BiId 3.

214

Die gemeinsamen Arbeitspunkte von Batterie und Brennstoffzelle, fUr die wegenihrer schnellen thermischen Reaktion die Nenntemperatur angenommen wurde,sind eine Funktion des Ladungszustands SOC der Batterie. Die gemeinsamenArbeitspunkte von Batterie und Elektrolyseur sind eine Funktion desLadungszustands SOC der Batterie und der Arbeitstemperatur des Elektrolyseurs.

Die Bereiche der moglichen Arbeitspunkte von Batterie und Brennstoffzelle bzw.von Batterie und Elektrolyseur unterliegen zusatzlich dem .EinfluB derunabhangigen Systemgrofien PV-Strom und Inverterstrom, die die Kenn1iniengegeneinander verscbieben.

Es hat sich gezeigt, daB sich die Zellenzahlen und damit die Kenn1inien durch dieAnpassungssirnulationen so bestimmen lassen, daB die direktgekoppelte Anlage mitbrauchbaren Arbeitspunkten betrieben werden kann. Diese Aussage gilt auch furgealterte elektrochemische Komponenten und wurde unter Berucksichtigung vonLaststromen und solarer Einstrahlung ermittelt. Soweit Erfahrungen mit denAnpassungssimulationen bisher vorliegen, kann es je nach Wahl der Zellenzahlenzu Uberschreitungen von unteren oder oberen Stromgrenzen kommen. Hier muBdas Energiemanagement eingreifen und langer andauemde Uberschreitungen durchzeitweises Offnen der Leistungsschalter verhindem.

4. Elektronische Leistungsschalter a1s StellgliederMechanische Leistungsschalter, die die Gleistromsteller von Elektrolyseur undBrennstoffzelle ersetzen, gestatten lediglich eine Zweipunktsteuerung der Stromemit niedriger Schalthaufigkeit. Es gibt jedoch Betriebssituationen, die dieEinhaltung von vorgegebenen Leistungsmittelwerten erfordem. Daher sei bier aufdie Moglichkeit der periodischen Stromtaktung durch elektronische Leistungs­schalter hingewiesen, die die mechanischen Schalter ersetzen.

Seit einiger Zeit stehen intelligente Hochstrom-Leistungs-MOSFETs zurVerfugung. Diese sogenannten Smart Power Switches sind komplett ausgestattetmit integrierten Schutz- und Ansteuerschaltungen und fUr den Masseneinsatz inAutomobilen vorgesehen. Ein geeigneter Halbleiterschalter ist der SIEMENSHigh-current PROFET BTS 555P [4]. Sein DurchlaBwiderstand liegt bei 3,6 mnbei 25°C, und sein Nennstrom betragt 108 A (ISO). Der einzelne Lei­stungshalbleiter BTS 555P wird in Bild 2 wie ublich durch die Parallelschaltung ei­nes FET- und eines Diodensymbols dargestellt.

Wegen des positiven Temperaturkoeffizienten ihrer Durchlaflwiderstande konnendiese Halbleiterschalter bedenkenlos parallelgeschaltet werden, wie Bild 2 amBeispiel des PV-Schalters und des Elektrolyse-Schalters zeigt. AlsBrennstoffzellen-Schalter sind zwei Halbleiterschalter BTS 555P in Reihe ges­chaltet, wobei das untere Exemplar die eigentliche Schaltaufgabe ubemimmt.Dessen parasitare Diode kann unerwunschte Stromfliisse von der Batterie in dieBrennstoffzelle ermoglichen. Dieses verhindert als RiickfluBsperre der obere der

215

beiden Halbleiterschalter, der im DurchlaBfalI wie eine ideale Diode ohne Schwell­spannung arbeitet.

Die Nachteile des im Gegensatz zu den Gleichstromstellern unstetigen Schalter­betriebs werden durch Taktung der Schalter mit Frequenzen bis zu 1 kHz,Pulsweitensteuerung der Strome und Mittelwertregelung der Leistungenausgeglichen.

5. ZusammenfassungSoweit es die rechnergestiitzten Simulation ergeben, ist die direkte Kopplungsowohl des Hochdruckelektrolyseurs als auch der Brennstoffzelle mit der Batteriebei optimal gewahlten Zellenzahlen alIer Komponenten moglich, Die gemeinsamennicht direkt steuerbaren Arbeitpunkte sind durchaus beherrschbar. Allerdings kannes vorkommnen, daB die Betriebsstrome von kaltem Elektrolyseur und kalterBrennstoffzelle ihre unteren Grenzwerte uberschreiten. Das Energiemanagementkann jedoch immer dafur sorgen, daB dies nur kurzzeitig geschieht.

Die Stringspannung des direkt gekoppelten PV-Feldes sollte nicht zu knappbemessen werden. Denn die Klemmenspannung einer Batterie laBt sich nicht exaktim voraus modellieren.

Die direkt gekoppelten Solar-Wasserstoff-Systeme werden tiber neuartige, intelli­gente, billige, sich selbst schiitzende Hochleistungshalbleiterschalter gesteuert. Diezyklische Taktung der Schalter ermoglicht die quasistetige Regelung der mittlerenLeistungen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle. Sanftes Anfahren derKomponenten ist damit moglich.

Als ubergeordnete Regelung des Systems kann ein Energiernanagement ahnlichdem von PHOEBUS [5] dienen.

6. Referenzen

[1] Internet http://www.werl.de/lkonwerl/kon.html[2] Grothe, A: Konzept des Wasserstoffsystems in Werl. Schriftstuck vom

15.10.1997[3] Brocke, W.A: Optimierung und Regelung des Wasserstoffsystems fur

Werl. Interner Bericht FZJ-ZEL-ID-500797,ZentralIabor fur Elektronik,Forschungszentrum Julich.

[4] Xu, Ch.: 4 ron Smart Power Highside Switch with Current Sense.17th Automotive Electronic Conf., 3rd to 4th June 1997, Munich.

[5] Brocke, W.A et al.: Systematic Design ofthe PHOEBUS mUCHEnergy Management System. Proc. 11th World Hydrogen EnergyConference, Vol. 2, 23.-28. 6. 1996, Stuttgart, Germany, pp. 1185-1190.

216

Batterie Weehselrichter

Photovoltaik­generator

elektroniseherLeistungs- (

schalter._~.....--_..._--_....-......-

Gleichstromsehieneelektron.Leistungs­schalter

Brennstoff­zelle

Gasspeicher

elektronischerLeistungs­

schalter

Elektrolyseur

Photovoltaik...Energiespeicher-SystemBild 1

217

..:.. ..:..

Bild 2: Elektrisches Modell des Wasserstoffsystems Wed

W.A. Brocke, ZEL-FZJ

218

I

3230282624

Ifc@T=80G ad

22

50+---t-----+-----f7f+nt-f------r~=::::f----t----___j

100+--f-=----+------t--Hffl+-+---+---;'-!----___j

-50 +---+--~____\:___H1'.f+f'W-.:>.,,_~I__---+_----t----___j

-100 +---+----++t1!d-Ht--T-~f___'o,,.--....>.,...-----"+_----t----_i

BUd 3: Uberlagerte Komponentenkennlinien vonBatterie,Elektrolyseur und Brennstoffzelle

219

Beschreibung elnes Mikrochip fUr einMPPT System zur opnmatenLeistungsausbeute von Solarmodulen

f "'"' Referent: AndreasHerbrt 29. Mai 1998. ryJ !;:~1j.

AAL£NFachhochscholeAaten

Abb.1)

Warum' einenspezieUenASIC(Mikrochip) fUr :die.Realisierung ?

- Hohe Integrationsdichte von komplexen• digitalenSchaltungselementen• analogen Scaaltungselementen, z.B. Verstarkerschaltungen

- Minimaler Eigenverbrauch• ~CMOS-Technologie

- Verschiedene Systemtakte auf einem ASICermoglichen voneinander unabhangigeRegelsysteme

• MPP-rracking• DC-DCWandler(Umformer )

_.,~

I i:~ (~AAUN Oipl..lng.A.Herb

Abb.2)

221

2

·SOlarmodul

MPPT-System

Verbraucher

Maximale Leistung

f!.!h;~l wird entnommenAALEN Dipl.-Ing. A.Herb

Maximale Leistungumgeformt abgegeben

3

Abb.3)

Das MPPT-System setzt sich aus zwei Hauptblocken zusammen, dem MPP­

Tracking und einem Gleichstromumformer (DC-DC Wandler).

Das MPPT-System bewirkt eine Leistungsanpassung an das Solarmodul. Durch

diese Leistungsanpassung wird die maximal zur Verfugung stehende Leistung

dem Solarmodul entnommen.

Der Gleichstromumformer wandelt die Leistung in die fur den Verbraucher

benotigte Eingangsspannung und Eingangsstrom urn.

Durch das Bindeglied (MPPT-System) wird folglich eine optimale Anpassung ans

Solarmodul und den Verbraucher erreicht.

222

Wandler.~ +

Verbraucller

4

Abb.4)

Durch einen MPP-Tracker (Anpasswandler) der den Arbeitspunkt stets in dem

Punkt maximaler Leistung halt, laBt sich die von der Solarzelle erzeugte Energie

optimal entnehmen.

Das Verfahren und die Grundlagen wurden bereits von ProfDr.Kohlhammer in

einem vorangegangenen Vortrag erlautert.

Mit Hilfe eines MOSFET- Schalters, der dUTCh den Chip-Solar stets so

angesteuert wird, daBder arithmetische Mittelwert seines Eingangsstromes IE mittel

dem MPP-STROM IMMP entspricht. Dabei stellt sich dann automatisch die MPP­

Spannung UMMP des Solargenerators ein.

223

Unsetzung desNPP-Tracking im ASIC

Strom

Spanmmg

5

Abb.5)

Die Umsetzung des MPP Trackings im ASIC erfolgt in folgenden Schritten:

1. Messung von Strom und Spannung des Solarmoduls.

Der Strom wird indirekt iiber einen Shunt-Widerstand ermittelt.

Die Spannung iiber einen einfachen Spannungsteiler.

2. Mit einer Multiplikation wird die Leistung des Solannoduls ermittelt.

3. Erfassen des Leistungsmaximum.

4. Die Auswertung und Verarbeitung erfolgt tiber verschiedene

Logiksteuerungen die je nach Anwendung selektiert werden.

5. Die Ansteuerschaltung setzt sich im wesentlichen aus einer MOSFET­

Treibereinheit zusammen.

224

Strom

'Spmnung

......

~~ Parallels

t53 Fingabe

fJJ!up.-1ng. A Herb

Spannung8Bit Strom8Bit

6

Abb.6)

Diese Folie zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild des Prototypen.

Die parallelen Eingabe- und Ausgabeports werden nur fur Testzwecke bei der

Inbetriebnahme des Prototypen benotigt. Uber einen Analog-Digital-Wandler

erfolgt eine Digitalisierung der Strom- und Spannungswerte. Diese Werte werden

tiber Multiplexer der digitalenMultiplikation zugefuhrt. Nach einer Multiplikation

werden die Werte der berechneten Leistung zwischengespeichert. Durch das

Vergleichen von Alter-Wert und Neuer-Wert der Leistung tiber (von) einen

Komparator kann eine Aussage tiber Leistungsanstieg oder Leistungsabnahme

gemacht werden.

Die Variablen Grolier, Kleiner oder Gleich werden an die Auswertung ubergeben.

225

Vergleicherurer·bt Oilergi gIi ,

kleiner, gleich :

Auswertung VerarbeitLmgASICSOLAR

IvlOSSchalter

7

Abb.7)

Die iibergebenen Variablen werden fiber verschiedene Logikschaltungen

ausgewertet, verarbeitet und dementsprechend wird der MOSFET- Schalter

angesteuert.

Uber eine Anderungsdetektorlogik wird eine visuelle Anzeige ausgegeben durch

die man den momentanen inneren Zustand der MPP-Steuerung erkennenkann.

226

Referenz­spanmmg

Istwert-

Prinzip der getaktetenSpannungsregelung

ASICSOlAR

:rv1OSFEf­SchaIter

8

Abb.8)

In Abb. 3) wurde der zweite Hauptblock der fur die Anpassung an den

Verbraucher

( DC-DC Wandler) schon erwahnt.

Das Prinzip der getakteten Spannungsregelung:

Durch Erfassen von Referenzspannung und Istwertspannung und dem

Vergleichen, Auswerten wird entschieden wie die Pulsweitenmodulation PWM

angesteuert wird.

Diese wiederum steuert mit Hilfe einer MOSFET-Treibereinheit einen MOSFET­

Schalter.

227

Getaktete Spannungswandler

FJuss-W8lKI1erVorteile:FEr Orain:Source U DS=U~ einfache:otossel..Keinel'ro­-bleme mitmagnetischer Kopplung. Geringe8e1as1unglles-Ausgangskondeflsators. Ein Verllmtnis von T....: T= I ist~. ~

01

Bild6FhJss-Wand/er

fJJ! IJp.-11lB A Herb

Nachteile:Keine IsoDerung zwisdJen Ein-undAusgang. DabelfllUSSEngang oder Ausgang von derMasse isoIiert ausgetiihrtsail.

ab1=U qtrse I

o TIT

b~f _ _ dJt _ _~ Or:::::::

TIT t

a) SpannungsyerlatlamTransislo!b)S1rom in derUrossalclSltonwedaul ill161gangskondensatorell StromverlaulmAusgangskondensator

9

Abb.9)

Eine getaktete Spannungsregelung wird erreicht, indem der Durchgangstransistor

in kurzen Abstanden ein- und ausgeschalten wird. Vorteile sind ein hoher

Wirkungsgrad mit verbesserter Zuverlassigkeit und eine geringere

Verlustleistung.

Fiir die Ansteuerungstechnik wird wie bereits erwahnt ein pulsweitenmoduliertes

Signal PWM benotigt, das mit Arbeitsfrequenzen von iiber 20kHz betrieben wird.

Schmale Spannungsimpulse werden im FaIle von hoher Eingangsspannung und

kleiner Last erzeugt, und breite Spannungsimpulse entstehen bei tiefer

Eingangsspannung und hoher Last.

Die Schaltfrequenz wird konstant gehalten.

228

Getaktete Spannungswandler

Hod1setzsteIlerVorteile: NachtMe:-Einfaclle llrosseU<eine ProI*lme mitmagnetisdler Kopp- Drain-Source-Spannung ungefitlr «>s = Uo> U. Littlere'llI19. 01 Belastung des-Ausgangskondensalors. Ke1ne glavanische

Dr j;lj Trennung.

fIt" [ - nl a~l ri =;; C)G~

U£1 (L'i1 COT uo,;;~ ~~t \ ,

U ~~ .\~~, T I

Bild7Hochsetzstelfer a)SpannUIIgsv8f1au1am Transislll'

b)Strom in·der OrosselCl StrorrwedaLI in!Eingal;lgskondegsalOrd)SlromverIaufimAusgangskondensalor

10

Abb.l0)

Auch fur den Hochsetzsteller wird eine PWM benotigt wie fur aile weiteren

getakteten Spannungswandler. Deshalb lag es nahe auch eme

Pulsweitenmodulation PWM auf dern Chip zu realisieren.

229

Puls-Weiten-lVWulationASICS<LAR

Abb.11)

Die Pulsweitenmodulation PWM wurde ebenfalls digital auf dem ASIC gelost.

Sie ist dadurch Zuverlassiger und weniger Storungsanfallig, Die Realisierung

erfolgte tiber einen Zahler der die Steuerung der speziellen Schieberegister

ubernimmt.

230

Vorteile duroh dasmxfUlinterJiet1etv1PPT System:

- Lastunabhangigkeit• FntkoppllmgvomVerbraucher

- Oberwachungvonjedem Solanrodul• defektes lvb:tul wird eOOmnt

• steuert Leistungsverbrauch

- !v:bdulunabhangigkeit• :MxJulebeeinflussen sichnichtgegenseitig

(keine Abschattungprobleme)

• -beliebige1vtxhilesindeinset2bar(GroBen -tmdHerstellenmabhangig)

.-Nahezntmbegreozte arcllltektonische... .An\\en~ undGesta1tungsmOglchkeiten.

f 'i::':<"""J!! DpAng. A Herb

Abb.12)

231

12

4,OA

~ 24V AbgegdJeneI.eistung:

P=151,2W

13

6,3A.2,3A·

3.5A

r

f~24V AbgegdJeDeI.8stung:

P=98,4W

1,6A 4,1A ..L..L ..Lr,:" .1 - T T T~24V r ~24V

..:. Verbraucher

Abb.13)

Der Vorteil, daBjedes Solarmodul getrennt mit MPP-Tracking optimiert wird, solI

an einem einfachen Beispiel gezeigt werden. Als Beispiel wurde ein 24 V Netz

mit und ohne MPP-Tracking untersucht, wenn zwei Module parallelgeschaltet

werden.

Der Leistungsgewinn bei dieser Parallelschaltung wird in den Bildem 13a) und

l3b) abgeschatzt Dabei wird angenommen, daB Solarmodule SMIOO von der

Firma Siemens verwendet werden.

232

Beispiel: Parallelschaltung von zvveiModulen mit und ohne MPP-Tracking

14

MPP-Punkt:

24V

Modul 21 24V;l'§21-------------------; .·_·_·_· ..·..·.. ·.. ·_· .. ·_·_·_·_· .. ·.. ·.. ·_·_·_·_·_·_·-1-· .. ·_· .. ''''-''''-i-'-'-''''-' ...._.

~ ~;,,,

fjii":~;~N Dipl.-Ing. A Herb

Is Modul~ 124V;tl A I MPP-Punkt:

..._._._._. . .__.... . +_. . . /' 33 V;2,95 A

Abb. 14) Modul l hohere Einstrahlung als Modul2

Bild 14) zeigt die verschiedenen Arbeitspunkte, den Unterschied der

Arbeitspunkte bei den Schaltungen in Bild 13a) und Bild 13b). Dabei wurde

angenommen, daB Modul 1 anders ausgerichtet ist als Modul 2. Deshalb wurde

die Temperatur von Modul 1 als hoher angenommen als bei Modul 2. Damit

haben die Module unterschiedliche Kennlinien entsprechen den Bildem 14a) und

Bild 14b).

An diesem Beispiel wird der Leistungsgewinn deutlich, welchen das MPPT­

System erzielt. Dieser beruht aufzwei verschiedenen Effekten:

1) Einstellung des Modularbeitspunktes in dessen Leistungsmaximum

2) Die Anpassung der Modulausgangsspannung im MPPPunkt an die Spannung,

welche der Verbraucher benotigt.

Aufgrund dieser Tatsachen konnen Module jederzeit parallelgeschaltet werden,

ohne im FaIle unterschiedlicher Einstrahlungen LeistungseinbuBen zu erhalten.

233

Weg der SonneIS

Abb.15)

Durch architektonische Begebenheiten oder andere Umwelteinflusse, z.B:

Schatten von Nachbargebaude oder Abspanndrahte, kommt es immer zu

Teilabschattungen von Solaranlagen.

Durch den Verlauf der Sonnenbewegung liegen Fassadenteile, die mit

Solarmodulen verkleidet sind, im Schatten. Bei einer herkommlichen

Verschaltung der Solarmodule wird das schwachste Glied, in diesem Fall das

meist abgeschattete Solarmodul, den Arbeitspunkt des Gesamtsystem bestimmen.

Der Gesamtwirkungsgrad wurde so weit unter dem rnoglichen

Gesamtwirkungsgrad der mit einem MPPT-System erreicht wird liegen.

Da jedes Modul durch das MPPT-System rdr sich arbeitet, ergeben sich

nahezu unbegrenzte architektonische Anwendungs- und

Gestaltungsmbglichkeften, Ideal rdr Architekten, Fassaden- und

Anlagenbauer.

234

Ausblick

• Weitere Tests an einem speziellenVo rfuhrun g sm odell

• E'inb au desPrototypenindieDemonstrationsanlage der StadtwerkeAalen

• W eiterentwicklurrgzueinern marktfah igenProdukt

Abb.16)

Weitere InformationenIm Internet:

HOMEPAGEhttp://www.eda.fh-aalen.de/Projekte/SOLAR/

fJj)! Dipl.-Ing. A. Herb

Abb.17)

235

16

17

Entwicklung von Verfahren zur Regelung und Betriebsfiihrungvon autonomen regenerativen Energieversorgungsanlagen

W.A. BROCKE, H. BARTHELSForschungszentrum Jiilich, Deutschland

1. EioleituogDie Jiilicher dezentrale Photovoltaik-Wasserstoff-BrennstoffzellenanlagePHOEBUS [1] ist ein Beispiel :fur eine autonome Solaranlage ist mit zweiEnergiespeichern. Bei den Speichern handelt es sich urn eine Bleibatterie alsKurzzeitspeicher und einen Saisonalspeicher bestehend aus Elektrolyseur,Gastanks, Verdichtern und Brennstoffzelle. Eine iibergeordnete Betriebsfuhrung,Energiemanagement genannt, regelt die Energiefliisse der Anlage und damit dieBelastungen der beiden Energiespeicher.

Es hat sich bei PHOEBUS als sehr zweckmal3ig erwiesen, den Kern desEnergiemanagements als Ladungsregler fur die Bleibatterie auszufiihren. Wegender deutlich unterschiedlichen energetischen Wirkungsgrade und denunterschiedlichen VerschleiBverhaltender Energiespeicher ist eine Optimierung desEnergiemanagements erforderlich. Zwei sich widersprechende Optimierungszielesind z.B. ein guter Betriebswirkungsgrad oder die Schonung vonAnIagenkomponenten z.B. der Batterie.

Ein zuverlassiger Betrieb und ein effizienter Umgang mit der ihr zugefiihrtensolaren Energie sind die wichtigsten Anspruche an autonome regenerativeEnergieversorgungsanlagen. Urn diesen gerecht zu werden, ist nicht nur einesorgfaltige Auslegung aller Anlagenkomponenten erforderlich, sondern auch einedurchdachte, rechnergestiitzte Betriebsfuhrung in Form einer iibergeordnetenRegelung, die man gemeinhin mit "Energiemanagement" bezeichnet. DieseRegelung ist als Software auf einem Personalcomputer flexibel genug, urn jederzeitgeandert werden zu konnen. Dabei geht es z.B. urn die Anfangsoptimierung oderurn experimentell bedingte oder durch Komponentenalterung notwendiggewordene Anderungen oder auch urn neue betriebliche Anforderungen.

Derartige AnpassungsmaBnahmen:furdie Regelung konnen aus Zeitgriinden nichtmit der aktiven Anlage direkt erfolgen, sondern mussen zeitraffend aufsimulatorischem Wege durchgefiihrt werden. Mit der Simulation eroffnet sich auchdie Moglichkeit, die Regelung nach vorgegebenen Kriterien zu optimieren,nachdem geeignete Komponentenmodelle entwickelt worden sind. Die Vor- undNachteile unterschiedlich ausgelegter Regelungen konnen durch Simulationenquantitativ vorhergesagt werden.

2. Aolagenstruktur uod unterlagerte RegeluogeoDamit die Anlage durch das Energiemanagement regelungstechnisch gutbeherrschbar ist, sind eine Reihe von Merkmalen der Anlagen- und

237

Regelungsstruktur verwirklicht worden, welche der Stabilisierung deranlageninternen Energieflusse dienen und darnit auch das Energiemanagement 00­

terstiitzen. Das Energiemanagement benutzt zwei Leistungsgroflen als Stellgroflen,iiber die es in den Gaspfad der Anlage eingreift, niimlich die Eingangsleistung desTiefsetzstellers des Elektrolyseurs und die Ausgangsleistung des Hochsetzstellersder Brennsto:tfzelle.

Die von dem unstetig arbeitenden Energiemanagement durchgefiihrten Regelungenwerden durch unterlagerte, den Stellem zugeordnete Stromregelungen fur dieStellgroflen unterstiitzt. Diese Regelungen (Fa. SMA) halten die Stellgrofien auchdann stabil, wenn das Energiemanagement z.B. zwecks Umprogrammierung desRegelrechners fur eine begrenzte Zeit ausfallen muB. Die direkt an dieStromscbiene gekoppelte Bleibatterie besorgt durch ihre Pufferfunktionautomatisch den Leistungsausgleich an der Scbiene. Die Batterie legt auch dasScbienenpotential in relativ engen Grenzen auf 200 bis 260 V je nach Ladezustandund Polarisation fest und hilft damit zusatzlich, die Energieflusse in der Anlage zustabilisieren.

Die solarelektrische Leistung wird durch MPP-Regeloogen (maximum powerpoint, Fa. SMA) in den PV-Stellern maximiert. Das Energiemanagement greift biernur begrenzend ein. Die PV-Leistung ist also eine unabhangige GroBe imRegelungssystem. Die Eingangsleistung des Lastwechselrichters ist auch eineunabhangige GroBe, auf die das Energiemanagement nicht einwirken dart:

3. Steuerungs- und Regelungsaufgaben des EnergiemanagementsDas Energiemanagement ubemimmt die Aktivierung und Deaktivierung derAnlagenkomponenten. Damit wird erreicht, daB die Komponenten nur dannaktiviert sind, wenn es der Betrieb der Anlage erfordert. Die Aktivierung einerKomponente bedeutet niimlich den Beginn der Aufuahme von Ruheenergie tiberden Haupteingang sowie von Hilfsenergie tiber den Versorgungseingang der Kom­ponente mit jeweils negativen Auswirkungen auf die Energieeffizienz der Anlage.

Die Regelung der Batterieladung ist die Haupttatigkeit des Energiemanagement.Das Energiemanagement berechnet den Ladezustand der Batterie und verstellt dieEingangsleistung des Tiefsetzstellers oder die Ausgangsleistung desHochsetzstellers so, daB der Ladezustand stets innerhalb vorgegebener Grenzenverbleibt. Dabei sind mehrere Steuervarianten mit besonders bevorzugtenLeistungsbereichen von Elektrolyseur und Brennsto:tfzelleauswahlbar.

Eine weitere Energiemanagement-Funktion ist die Begrenzung der Solarleistung.Sie vermeidet im Storfall die Uberladung der Batterie und kann zurUnterdriickung der hochsten, selten auftretenden PV-Leistungsspitzenherangezogen werden.

238

Die Struktur der Anlage mit Energiemanagement, Ladungsregelkreis,Istwertintegration, Gasungskorrektur und unterlagerten Regelungen zeigt Bild 1.

4. Nichtlineare RegelungsstrukturEntsprechend den diversen Anfordenmgen an die Regelung ergibt sich schrittweisedie Regelungsstruktur [2], siehe Bild 2:

• Ein Fiinfpunktregler fur die Ladungsregelung und den Schutz der Batterie,ausgeriistet mit einer groBen inaktiven Zone zu den Zwecken eines minimalenEinsatzes und langer Betriebspausen des wenig effektiven Gasspeichersystemssowie geringer Gasungsverluste und der Vermeidung von Tiefentladungen derBatterie.

• Hystereseschleifen d.h. logisch zweideutige Ladungsbereiche zur Minimienmgder Anzahl der verlustbehafteten Schaltprozesse von Elektrolyseur undBrennstoffzelle.

• Zeitadaptive Schaltschwellen des Fiinfpunktreglers z.B. zur saisonalenAnpassung.

• Vom Funfpunktregler zu aktivierende Steuervarianten z.B. zur Schnelladungoder zur Batterieschonung.

• Zusatzliche pradiktive Regelung z.B. mit Beriicksichtigung vonKurzzeitvorhersagen der zu erwartenden Insolation.

Der Fiinfpunktregler ist eine Erweitenmg des bekannten Dreipunktreglers. Imnormalen Betrieb wird der Elektrolyseur durch die bewegliche operativeSchaltschwelle Elop des Fiinfpunktreglers gesteuert und die Brennstoffzelle durchdie bewegliche operative Schaltschwelle FCop. Elop ist so eingestellt, daBverlustreiches Gasen der Batterie verhindert wird. FCop ist so eingestellt, daBlange Tiefentladungen verhindert werden. Falls die operativen SchaltschwellenELop und FCop versagen, treten die Schutzschaltschwellen Elprt und FCprt inAktion. Diese dienen z.B. bei unbeaufsichtigem Betrieb dem zusatzlichen Schutzder Batterie und konnen auch festverdrahtet eingerichtet werden.

5. Optimierung der PHOEBUS-Regelungen mittels SimulationDie Wirksamkeit der einzelnen Regelungen und deren Parametergrenzen wurdenmit den Mitteln der Simulation der PHOEBUS-Anlage untersucht. DieOptimierung der Regelungen erfolgt durch Auswertung von simuliertenGanzjahres-Energieszenarien.

Je groBer die inaktive Zone des Fiinfpunktreglers, desto groBer ist zunachst auchdie Energieeffizienz der Anlage, weil das verlustbehaftete Gasspeichersystemseltener zum Einsatz kommt. Allerdings setzen Gasung, Tiefentladung undjahreszeitliche Adaption der Ausdehnung der inaktiven Zone Grenzen.

• Obere Begrenzung der inaktiven Zone ELopon= 80-90 %

239

• Untere Begrenzung der inaktiven Zone FCopon= 20 % (Sommer), 40 %(Winter)

Die Hystereseweiten werden unter Beachtung der Schaltfrequenzen undBetriebstemperaturen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle sowie desEnergiedurchsatzes der Batterie optimiert. GraBere Weiten verringem dieSchaltfrequenzen und erhohendie Temperaturen und den Batteriedurchsatz.

• Hystereseweite von FCop= 2.5%• Hystereseweite von ELop= 5.0%• Hystereseweite FCprt, ELprt= 10%

Es folgen die Ergebnisse der Implementierung zweier unterschiedlicher Programmezur Steurung von Elektrolyseur und Brennstoffzelle. Mit dem Programm (1)arbeiten Elektrolyseur und Brennstoffzelle zur Minimierung ihrer jahrlichenBetriebsstunden stets bei ihren Nennleistungen. Das Programm (2) minimiert denBatteriestrom. Es veranlaBt dazu den Elektrolyseur zur Ubemahme der aktuellenEnergieuberschusse und die Brennstoffzelle zur Deckung der aktuellenEnergiemangel,

STEUERPROGRAMM NR. (1) (2)

• Energieeffizienz (netzgestuzt) 56.41 % 58.65 %• Energieeffizienz (autonom) 41.26 % 42.80 %

• Batterie-Eingangsenergie 15.08MWh 11.11 MWh

• Elektrolyseur-Betriebsstunden 319 h 1127 h

• Brennstroffzellen-Betrlebsstunden 563 h 1017h

• Mittlere Elektrolyseurtemperatur 69°C 6JOC

• Mittlere Brennstoffzellentemperatur 89°C 89°C

Netzgestiitzt bedeutet, daB aIle Hilfsenergien als dem Netz entnommen simuliertwerden. Welches der beiden Steuerprogramme vorzuziehen ist, hangt von weiterenUberlegungen ab, die z.B. die zu jeweils zu erwartenden Lebensdauem derAnlagenkomponenten berucksichtigen.

Im FaIle eines bereits optimierten Energiemanagements bringt eine pradiktiveRegelung mit Verwertung von Wettervorhersagen nur geringfiigigeVerbesserungen.

6. ZusammenfassungAm Beispiel PHOEBUS Julich wird gezeigt, daB man das Energiemanagement,also die ubergeordnete Regelung einer autonomen, regenerativen

240

Energieversorgungsanlage, die mit zwei Energiespeichern ausgeriistet ist,erfolgreich aus regelungstechnischer Sicht entwickeln und optimieren kann. Dazuwird das Energiemanagement als Ladungsregler der Batterie aufgefaBt. Esverwendet die Leistungen von Elektrolyseur und Brennstoffzelle als Stellgrofienund benotigt keine Kenntnisse tiber die abhangigen Energieflusse innerhalb derEnergieversorgungsanlage. Die Hauptelemente des Energiemanagements sind:

• Ein zeitadaptiver Funfpunktregler als Laderegler mit einstellbarenSchalthysteresen.

• Eine gasungskorrigierende MeBeinrichtung fur den Istwert des Batterie­Ladungszustands.

• Wahlbare Steuervarianten fur die ladungskorrigierenden Stellgroflen.• Deaktivierung der Anlagenkomponenten bei Nichtinanspruchnahme.

Die Parameter dieser nichtlinearen Regelungen werden an die unterschiedlichenBetriebsvorgaben fur die Energieversorgungsanlage optimiert. Die Optimierungerfolgt mit den Mitteln der Computersimulation auf der Basis von validierbarenModellen der Anlagenkomponenten.

7. Referenz

[1] Barthels, H. et al.: Phoebus-Juelich: An autonomous energy supply systemcomprising photovoltaics, electrolytic hydrogen, fuel cell.Int. J. Hydrogen Energy, Vol 23, No.4, pp. 295-301, 1998

[2] Brocke, W.A; Ritzenhoff P.; Barthels, H.:Systematic Design of the PHOEBUS mLlCH Energy ManagementSystem.Proc. of the 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart,23-28 June 1996; Vol. 2, 1191-1096

241

Energy m anagem ent system

Dow n-co nve rte rinput power

set value

Solar minus loadpowers

up-converteroutput power

set v"alue

Local controls ofelectrolyser

&down-co nverte r

Local controls offuel cell

&up-converter

Actualstate

o:fcharge

ISOC

Battery power

-1--

Down-converter Up-converterinput power (-) cutputpower (+)

I Battery I IITerm ina l voltage,

tern perature BatterYiurrent

'tGassing current

Gassing State of chargecalculation current measurement

Bild 1: Energiemanagement mitLadungsregelkreis

Das Herz des rechnergestiitzten Energiemanagements ist dieRegelungdesBatterieladungszustands. Stellgroflen sind dieLeistungen vonElektrolyse und Brennstoffzelle. Der Istwert des Ladungszustands wird miteinerKorrektur fur den Gasungsstrom berechnet.

242

Fuelcellpower

Ele ctro Iyze rpower

ELprtFCprt ~

Five-step- Controlcontroller schem esand logic

ELoDselectio n

FCop

i tTim e-adaption

Predictive controls

iControl signals ELpre, FCpre..

t Five-step controller: threshold levels and logic variables

I FCprt FCop ELop ELprt

f:::!:~~~::":~~:~~-=tt=-tr~=~~~===-.1t"-=tt===:=::~I 0~ ol~~"u,e:-Y_~__J'"~OC-

Am biguous ranges of state of ch arq e (SOC)

Bild 2: Nichtlineare Ladungsregelungen

Die inaktive Zone des Fiinfpunktreglers minimiert die Betriebsdauerdes verlustbehafteten Gasspeichersystems.Hystereseschleifen minimieren Schaltprozesse.Wahlbare Leistungssteuerprogramrne schonen dieKomponenten.

243

PODIUMSDISKUSSION ZUR NUTZUNG VON SOLAR- UNDWINDENERGIE AUF FISCHEREISCHIFFEN UND IN

AQUAKULTURANLAGENIGUNES ve RUZGAR ENERJisiNDEN BALIKCI

GEMiLERiNDE ve AKUAKULTUR TESisLERiNDEYARARLANILMASI PANELi

Vorsitzender des PaneJslPaneJ Baskam

Prof. Dr. Metin <;OLAKEge Universitesi Muhendislik FakiiItesi Dekam

PanelistenIKatdanJar

Prof. Dr. Hikmet HOSSUCUEge Universitesi Su Urunleri Fakiiltesi

Prof. Dr. Bernd KOHLHAMMERFachhochschule Aalen

Prof. Dr. Sabri SENERCanakkale18 Mart Universitesi

Su UrunleriFakiiItesi Dekam

Do~. Dr. Muhammed ELTEZEge Universitesi GunesEnerjisi Enstitusu ve

Miihendislik Fakiiltesi

Dr.-log. W. A. BROCKEForschungszentrum Julich

DipJ.-log. P. SCHENZLEHamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt HSVA

Dipl.-Ing. Klaus LANGEBundesforschungsanstalt fur Fischerei Hamburg

Mehmet Fuat <;ELEBiBagci Su Urunlerive EnerjiUretimi Sirketi

245

Schriften des Forschungszentrums JOlich. Reihe UmweltiEnvironment:

1. Energiemodelle in der Bundesrepublik Deutschland. Stand derEntwicklungIKARUS-Workshop vom 24. bis 25. Januar 1996herausgegeben von S. Molt, U. Fahl (1997), 292 SeitenISBN 3-89336-205-3

2. Ausbau erneuerbarer Energiequellen in der StromwirtschaftEin Beitrag zum KlimaschutzWorkshop am 19. Februar 1997, veranstaltet von der Forschungszentrum JOlichGmbH und der Deutschen Physikalischen Gesellschaftherausgegeben von J.-Fr. Hake, K. Schultze (1997), 138 SeitenISBN 3-89336-206-1

3. Modellinstrumente fUr CO2-Minderungsstrategien

IKARUS-Workshop vom 14. bis 15. April 1997herausgegeben von J.-Fr. Hake, P. Markewitz (1997), 284 SeitenISBN 3-89336-207-X

4. IKARUS-Datenbank - Ein Informationssystem zur technischen,wirtschaftlichen und umweltrelevanten Bewertung von EnergietechnikenIKARUS. Instrumente fur Klimagas-ReduktionsstrategienAbschluBbericht Teilprojekt 2 .Datenbank"H.-J. Laue, K.-H. Weber, J. W. Tepel (1997), 90 SeitenISBN 3-89336-214-2

5. Politikszenarien fur den KlimaschutzUntersuchungen im Auftrag des UmweltbundesamtesBand 1. Szenarien und MaBnahmen zur Minderung von CO2-Emissionen inDeutschland bis zum Jahre 2005herausgegeben von G. Stein, B. Strobel (1997),410 SeitenISBN 3-89336-215-0

6. Politikszenarien fUr den KlimaschutzUntersuchungen im Auftrag des UmweltbundesamtesBand 2. EmissionsminderungsmaBnahmen fUr Treibhausgase,ausgenommen energiebedingtes C02herausgegeben von G. Stein, B. Strobel (1997), 110 SeitenISBN 3-89336-216-9

7. Modelle fur die Analyse energiebedingter KlimagasreduktionsstrategienIKARUS. Instrumente fur Klimagas-ReduktionsstrategienAbschluBbericht Teilprojekt 1 "Mode lie"P. Markewitz, R. Heckler, Ch. Holzapfel, W. Kuckshinrichs, D. Martinsen,M. Walbeck, J.-Fr. Hake (1998), VI, 276 SeitenISBN 3-89336-220-7

8. Politikszenarien fur den KlimaschutzUntersuchungen im Auftrag des UmweltbundesamtesBand 3. Methodik-Leitfaden fur die Wirkungsabschatzung von MaBnahmenzur Emissionsminderungherausgegeben von G. Stein, B. Strobel (1998), VIII, 95 SeitenISBN 3-89336-222-3

9. Horizonte 20006. Wolfgang-Ostwald-Kolloquium der Kolloid-Gesellschaft3. Nachwuchstage der Kolloid- und GrenzflachenforschungKurzfassungen der Vortraqe und Posterzusammengestellt von F.-H. Haegel, H. Lewandowski, B. Krahl-Urban (1998),150 SeitenISBN 3-89336-223-1

10. Windenergieanlagen - Nutzung, Akzeptanz und Entsorgungvon M. Kleemann, F. van Erp, R. Kehrbaum (1998), 59 SeitenISBN 3-89336-224-X

11. Policy Scenarios for Climate ProtectionStudy on Behalf of the Federal Environmental AgencyVolume 4. Methodological Guideline for Assessing the Impact of Measuresfor Emission Mitigationedited by G. Stein, B. Strobel (1998), 103 pagesISBN 3-89336-232-0

12. Der Landschaftswasserhaushalt im FluBeinzugsgebiet der ElbeVerfahren, Datengrundlagen und BilanzgroBenAnalyse von Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwassermilieu imFluBeinzugsgebiet der Elbe (Deutscher Teil). AbschluBbericht Teil1.von R. Kunkel, F. Wendland (1998), 110 SeitenISBN 3-89336-233-9

13. Das Nitratabbauvermogen im Grundwasser des ElbeeinzugsgebietesAnalyse von Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwassermilieu imFluBeinzugsgebiet der Elbe (Deutscher Teil). AbschluBbericht Teil 2.von F. Wendland, R. Kunkel (1999), 166 SeitenISBN 3-89336-236-3

14. Treibhausgasminderung in Deutschland zwischen nationalen Zielen undinternationalen VerpflichtungenIKARUS-Workshop am 27.05.1998, Wissenschaftszentrum Bonn-BadGodesberg. Proceedingsherausgegeben von E. Uige, P. Schaumann, U. Fahl (1999), ii, VI, 146 SeitenISBN 3-89336-237-1

15. Satellitenbildauswertung mit klinstlichen Neuronalen Netzen zurUmweltliberwachungVergleichende Bewertung konventioneller und Neuronaler Netzwerkalgorithmenund Entwicklung eines integrierten Verfahrensvon D. Klaus, M. J. Canty, A. Poth, M. VoB, I. Niemeyer und G. Stein (1999),VI, 160 SeitenISBN 3-89336-242-8

16. Volatile Organic Compounds in the TroposphereProceedings of the Workshop on Volatile Organic Compounds in theTroposphere held in JGlich (Germany) from 27 - 31 October 1997edited by R. Koppmann, D. H. Ehhalt (1999), 208 pagesISBN 3-89336-243-6

17. CO2-Reduktion und Beschaftigungseffekte im Wohnungssektor durch dasCO2-Minderungsprogramm der KfWEine modellgestlitzte Wirkungsanalysevon M. Kleemann, W. Kuckshinrichs, R. Heckler (1999),29 SeitenISBN 3-89336-244-4

18. Symposium liber die Nutzung der erneuerbaren Energiequellen Sonne undWind auf Fischereischiffen und in AquakulturbetriebenSymposium und Podiumsdiskussion, Izmir, TGrkiye, 28.-30.05.1998.Konferenzberichtherausgegeben von A. Ozdamar, H.-G. Groehn, K. Olgen (1999), IX, 245 SeitenISBN 3-89336-247-9

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