Bulutların su buharı taşıması, soğuk hava dalgasında yoğunlaş yeryüzüne yağmur ya da kar olarak yağması, yüksek yerlerden dere-ırmak-nehir olarak denizlere akması, yeryüzündeki suların yeniden güneş enerjisi tarafından buharlaşırılarak yeniden bulut haline dönüştürülmesi döngüsü bir doğa olayı olup yüksek rakımlardan akan bu suyun bir enerjisi vardır ki bu bir yenilenebilir enerjidir. İnsanların çok eski tarihlerde farkına vardığı ve çeşitli amaçlarla kullandığı bu enerjiye Hidrolik enerji diyoruz.
Hidroelektrik Santralı
Barajda biriken su Yerçekimi Potansiyel Enerjisi içermektedir. Su, belli bir yükseklikten düşerken , enerjinin dönüşümü prensibine göre Yerçekimi Potansiyel Enerjisi si önce kinetik enerji (mekanik enerji) ye daha sonra da Türbin çarkına bağlı jeneratör motorunun dönmesi vasıtasıyla Potansiyel elektrik Enerjisi ne dönüşür. Fizik ten hatırlıyalım, 1 kg lık bir kütle, 1 m yükseklikten düştüğünde ; W (kg m2/sn2=N-m=joule)= m(kg)*g(m/sn2)*h(m)= 9.8 N-m lik iş yapılmış olur. Net düşüsü 100 m olan bir barajda 1 ton suyun yaptığı iş; W= 1000*9.8*100= 980 000 N-m=joule(j) dür.
Su düşüşü veya hidrolik düşü
Birbiri ile irtibatı bulunan iki su seviyesi arasındaki kot farkına denir. Bir Hidroelektrik Santralda düşü ise üst su seviyesi ile çıkış su seviyesi arasındaki yükseklik farkıdır. Cebri borular ve diğer yerlerdeki kayıplar göz önüne alınmazsa bu mesafeye net hidrolik düşü diyebiliriz.
Özgül Su Sarfiyatı
Yukarıdaki örneği devam ettirirsek;1 kWh=3 600 000 j olduğundan, 1 ton suyun yaptığı iş ; 980 000/3 600 000= 0.27 kWh olacaktır. Tersten okursak; 1 kWh enerji için, 3 600 000/980 000=3,67 m3 su harcamak gerekir. 1 kWh enerji için harcanan su miktarına Özgül Su Sarfiyatı denir. Net düşü ile ilgilidir. Baraj su seviyesi düştükçe Özgül Su Sarfiyatı yükselir. Yani aynı enerji için daha çok su harcanır.
Özgül Su Sarfiyatının hesabı
İş= m*g*h = Q*1000*9.8*h/3600000 (kWh) olduğuna göre; olur.
Hidroelektrik Santralın Gücü
Yukarıdaki örnekte anlatılan işi 1 sn içinde yaptıran 980 000 N-m/sn lik güç tür. 1 N-m/sn = 1 watt olduğundan, eşdeğeri 980 kW lık güçtür.Yapılan işin, yükseklik (net düşü) ve türbin çarkından geçen suyun kütlesi ile ,kütlenin de suyun debisi(Q m3/sn) ile doğru orantılı , ayrıca Güç=iş/zaman olduğu bilindiğine göre, sürtünme kayıplarınıda göz önünde tutarak formüle edersek;
olarak bulunur. Hidroelektrik santral çeşitleri
Hidroelektrik santrallar , kaynağına göre, ``rezervuarlı`` ve ``kanal tipi`` olarak tesis edilebilirler. Rezervuarlı santrallarda öncelikle bir baraj yapılacağından suyun kullanımı enerji gereksinimine göre ayarlanabileceğinden verimleri yüksektir. Kanal tipi santrallar, rezervuarlılara göre daha ucuza mal olmalarına karşın su biriktirme olanağı olmadığından gelen su debisine göre çalışmak zorundadırlar.
Hidroelektrik Santralların Ana Bölümleri
Bir hidroelektrik santral binlerce parçadan meydana gelir. Ana bölümleri şunlardır: 1- Su kaynağı yapısı : Rezervuarlı santrallarda baraj, kanal tipi santrallarda ise bir tünel ya da açık kanaldır.2- Su alma ağzı yapısı: Cebri boruya suyun giriş kısmıdır. Izgaralar, kapak ve kapak açma-kapama mekanizmalarından oluşur. Rezervuarlı santrallarda su girişi, yüzen cisimlerin borulara girmemesi için baraj gövdesinin orta kotlarında yapılırlar. 3- Cebri (basınçlı) borular: Su alma ağzı ile santral arasında , ölçüleri debi ve düşü ye göre hesaplanan kalın etli büyük çaplı çelik borulardır. Santralın jeolojik yapısına göre gömülü oldukları gibi, görünür olanlarıda vardır. Türbin çarkını çeviren suyun geçişine olanak sağlar.
4- Salyangoz (spiral) : Cebri boru sonuna monte edilen, salyangoz biçimindeki basınçlı su haznesi, suyun çarka çevresel olarak ve her bir noktadan eşit debide girmesini sağlar. Çevresel olarak sabit kanatçıkları suya yön verir, açılıp-kapanabilir kanatçıkları ise çarka verilen suyun debisini ayarlar. Çoğu santralda , cebri boru ile salyangoz birleşme noktasında kelebek ya da küresel tabir edilen, hidrolik basınç ile çalışan , cebri boru çapına uygun vanalar bulunur. Bazı santrallarda bu vana tesis edilmeyebilir. 5- Türbin : Türbin çarkı, türbin şaftı, türbin kapağı, hız regülatör sistemi, basınçlı yağ sistemi, türbin yatağı, soğutma sistemi, kumanda panosu ve yardımcı teçhizattan oluşur. Türbin şaftı, suyun kanatlarına çarparak döndürdüğü türbin çarkı ile generatör rotoru arasında akuple olup generatör rotorunun dönmesini sağlar. 6- Generatör: Generatör rotoru, statoru, yatağı, ikaz(uyartım), soğutma sistemi, koruma sistemi, kumanda ve işletim sistemi, doğru akım sistemi, kesici ve ayırıcılar ile yardımcı organlardan oluşur. Rotor, çok güçlü tesis edilmiş yatak üzerinde sabit hızla döner. Dönü sayısı, frekans ve kutup sayısı ile doğru orantılıdır. Enerji stator sargılarından alınır. 7- Transformatörler: Gerilimi yükseltme ya da alçaltma işlevini üstlenmişlerdir. Tek fazlı, üç fazlı olabilirler. Her üniteye bir transformatör olabileceği gibi birden fazla üniteye bir transformatörde olabilir. Ana gövde, soğutma sistemi, yangın sistemi, koruma sistemi bölümlerinden oluşur.> 8- Şalt alanı : Transformatörlerden çıkan yüksek gerilim enerjinin iletim hatlarına bağlantı noktasıdır. Kesiciler, ayırıcılar, topraklama sistemi, koruma sistemi, basınç sistemi, ölçü sistemi, iletim hatları üzerinden haberleşme sistemi kısımları vardır. 9- Diğer teçhizat: Ana teçhizatlardan ayrı olarak; ısıtma havalandırma sistemleri, aydınlatma sistemleri, doğru akım acil enerji, alternatif akım acil enerji (diesel generator) sistemleri, sızıntı toplama havuzları, besleme pompaları, drenaj boşaltma pompaları, haberleşme sistemleri, kompresör ve tanklar gibi basıçlı hava sistemleri, yangın koruma ve söndürme sistemleri, bakım, onarım ve küçük imalat atelyeleri, montaj demontaj sahaları, vinçler, krenler gibi taşıma, kaldırma sistemleri, arıtma sistemleri, ilk yardım bölümü, batardo kapakları,labaratuarlar vb bölümlerdir.
Hidrolik Santrallar su değirmeni çalıştırma ilkesine dayandığından Türbin Çarkına çarpan su türbin şaftını döndürerek Mekanik enerji üretir. Türbin şaftı direk veya bir dişli sistemi ile jeneratör Rotoruna bağlıdır. Jeneratör Rotoru üzerinde bulunan sargıların dışarıdan bir Doğru akım Güç Kaynağı ile uyartılması sonucu rotor çevresinde bir Manyetik alan doğar. Dönen rotorun etrafında oluşan manyetik alanın Stator sargılarının üzerinde İndüklenmesi ile stator sargılarında gerilim oluşarak elektrik enerjisi elde edilir.
Hidrolik Santralların Artıları, Eksileri
Bir barajın yapımı ve öncesinde; uzun süreli yağış, su, jeolojik çalışmalar yapılması, su altında kalan arazi için ödenen istimlak bedelleri, baraj yapım maliyetinin yüksek olması ilk yatırım maliyetinin çok fazla çıkmasına neden olur ki bu bir dezavantajdır. Başka bir dezavantajı ise ister istemez büyükçe bir ekili alanın hatta bazı yerleşim yerlerinin, kimi yerde antik bölgelerin su altında kalacak olmasıdır. Dezavantajlarına karşın; ilk yatırım yapıldıktan sonra, enerji üretiminin ana kaynağı su olduğundan üretim maliyeti çok ucuz olmaktadır. Yakıtlı santralar gibi hava ve çevre kirliliği yaratmazlar. Ayrıca barajların, elektrik üretiminin yanı sıra; 1 - Yerleşim yerlerinin suyunu karşılama, 2 - Sel ve taşkınları önleme, 3 - Tarım arazilerini sulama 4- Balıkçılık 5 - Ağaçlandırmaya katkı , erozyonu önleme 6 - Turizmi geliştirme 7 - Ulaşım 8- İklimde yumuşama gibi yararları bulunur. Artıları ve eksileri ile ve de uzun yıllar kullanılacakları değerlendirildiğinde tartışmasız olumlu yanları ağır basmaktadır. Ülkedeki her akar su potansiyelinin enerjiye dönüştürülmesi mutlaktır.Hidrolik Santrallar ile Termik Santralların karşılaştırılması
Hidrolik Santralların yıllık üretimleri, kaynağa gelen su miktarıyla doğru orantılı olduğundan ve bir yıl boyunca gelen su insanoğlunun elinde olmayıp tam kapasite çalıştırmaya yetmiyebileceğinden, genel olarak puant santralı olarak çalıştırılırlar. Devreye alınış ve çıkarışları çok kolay ve hızlı olduğundan su rejimine bağlı olarak günün, enerji gereksiniminin çok olduğu- ``ki buna puant saati denir`` - saatlerinde çalıştırılarak, enerjiye az gereksinim olduğu zamanlarda devre dışı bırakılırlar. Bir Hidrolik Santral ünitesi tam kapasite ile çalıştırılmayabilir. Örneğin 100 MW güçteki bir ünite bir saat tam kapasite çalıştığında 100 000 kWh enerji üretebilir. Tam kapasite çalışma esnasında türbin kanatlarının önündeki su giriş kapakçıkları tam açıktır ve saniyede geçen su miktarı en üst düzeydedir. Ancak, sistemden çekilen enerji, kullanıcıların devreye girme, çıkmalarına göre an be an değişir. Sisteme anlık olarak istenilen enerjinin verilmesini üretim ünitesindeki regülasyon sistemi sağlar. Regülasyon sistemi, türbin kanatlarının önündeki su giriş kapakçıklarına otomatik olarak hükmederek daha az su girişine paralel olarak daha az üretim yapar. Bu olaya sistemde frekans tutma denir. Tüm elektrikli alıcıların sağlıklı ve verimli çalışabilmesi için frekansın, alıcılarda imalat sırasında belirlenen frekans a - Türkiye ve Avrupa ülkelerinde 50 hz -uygun olması gerekir.Termik santral ların devreye alınış ve çıkarışları çok kolay ve hızlı değildirler buna karşın yakıtlarını istenilen miktarda elde etmek insanoğlunun elindedir. Devreye alınış ve çıkarışları sırasında çok verim kaybına uğrarlar. Kızgın buharın, enerji üretimine hazır hale gelmesi için kazanların uzun süre yakılması gerekir. Bütün bu nedenlerden ötürü Termik santral lar arıza, revizyon, bakım vs durumlar dışında 24 saat sürekli çalıştırılmak üzere plan ve dizayn edilmişlerdir.
Elektrik Enerjisinin kullanıma sunulması
Stator sargılarında elde edilen orta gerilim elektrik enerjisi dir. Orta gerilim enerjinin şehirlere taşınması için çok büyük kesitli iletkenler gerektiği, bunun da olanaksız olması nedeniyle oluşan gerilim Transformatörler vasıtasıyla Yüksekgerilim e çıkarılır ve ENH (Enerji nakil hatları) ile şehirlere taşınır. Yüksek gerilim enerji kullanıma sunulamıyacağına göre, bu kez de yerleşim yerlerindeki Transformatörler vasıtasıyla kademeli olarak Alçak gerilim e düşürülerek kullanıma sunulur.Elektrik enerjisi depo edilemez ama su depo ederek elektrik dolaylı olarak depo edilebilir.
