Üretim Santralleri Verim Karşılaştırma

Elektrik üretim santrallerinin verimliliği, kullanılan teknolojiye, yakıt türüne ve işletme koşullarına bağlı olarak farklılıklar gösterir. Verimlilik, santralin tükettiği enerji miktarını (yakıtın enerji içeriği) elektrik enerjisine ne kadar verimli dönüştürebildiğini gösterir. 

Fosil Yakıtlı Termik Santraller

Fosil yakıtlı santraller, buhar türbinlerini çalıştırmak için kömür, doğalgaz veya petrol, motorin gibi yakıtları yakar.

Doğalgaz Santralleri: 

Bu santraller, fosil yakıtlı santraller içinde en yüksek verimliliğe sahiptir. 

Basit Çevrim: 

Verimlilikleri %35-%40 civarındadır. 

Kombine Çevrim: 

Bir gaz türbininden çıkan atık ısının buhar türbinini çalıştırmak için kullanıldığı bu sistemler, verimi önemli ölçüde artırır. Bu santrallerin verimliliği %60'ın üzerine çıkabilir.  Gaz türbini ve buhar türbini birleştirilerek yüksek verim sağlanır

Kömürlü Santraller

Kömürün enerji yoğunluğu daha düşük olduğu için verimlilikleri genellikle doğalgaz santrallerine göre daha düşüktür.  Enerjinin çoğu ısı olarak kaybolur.

Eski Teknolojiler: Eski santrallerin verimliliği %30-%35 civarındadır.

Yeni Nesil (Süperkritik ve Ultra-Süperkritik): Yüksek basınç ve sıcaklık teknolojisi sayesinde verimlilikleri %45'e kadar ulaşabilir.

Sıvı Yakıt Santralleri

Genellikle diğer fosil yakıtlı santrallere göre daha düşük verimliliğe sahiptir ve yaygın olarak tercih edilmez. Verimlilikleri genellikle %30-%35 aralığındadır.

Nükleer Santraller

Nükleer santraller, nükleer reaksiyonlarla ısıtılan suyun buharını kullanarak elektrik üretir. Verimlilikleri, suyun kaynama sıcaklığını artırmak için kullanılan basınçlı reaktörler sayesinde artırılmıştır. 

Verimlilik Aralığı: Nükleer santrallerin verimliliği %33-%37 civarındadır. Bu, fosil yakıtlı santrallere benzer bir aralıktadır, ancak kullanılan yakıtın enerji yoğunluğu çok daha yüksektir. 

Yenilenebilir Enerji Santralleri

Yenilenebilir enerji kaynakları, verim hesaplaması fosil yakıtlı santrallerden farklı olan kendine özgü özelliklere sahiptir.

Hidroelektrik Santraller

Suyun potansiyel enerjisini kinetik enerjiye dönüştürerek elektrik üretirler.

Verimlilik: Hidroelektrik santraller, %90'ı aşan verimlilikle en verimli elektrik üretim santralleridir. Su, türbinleri döndürmek için doğrudan kullanıldığı için enerji kaybı çok azdır.

Güneş Enerjisi (Fotovoltaik - PV): 

Güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirir.

Verimlilik: Ticari PV panellerinin verimliliği %15-%25 arasında değişir. Bu verim, laboratuvar ortamında daha yüksek olabilir ancak ticari kullanım için bu aralık geçerlidir. 

Fotovoltaik Paneller (PV)

Verimlilik: %15–25 (laboratuvar şartlarında %40’a kadar yüksek verimli paneller mevcut)

Yoğunlaştırılmış Güneş Termal Santralleri (CSP)

Verimlilik: %20–35

Rüzgar Enerjisi: 

Rüzgarın kinetik enerjisini türbinler aracılığıyla elektriğe çevirir.

Verimlilik: Rüzgar türbinlerinin verimliliği %35-%45 civarındadır. Bu, rüzgar hızına ve türbinin tasarımına göre değişebilir. Teorik olarak maksimum verim ( Betz Limiti) %59,3'tür.

Jeotermal Santraller: 

Yerin altındaki buhar veya sıcak suyu kullanarak buhar türbinlerini çalıştırır.

Verimlilik: Verimlilikleri kaynağın sıcaklığına bağlıdır ve genellikle %10-%20 aralığındadır

Santral Türü	Yakıt Kaynağı	Verimlilik Aralığı
Hidroelektrik	Su	%90+
Doğalgaz (Kombine Çevrim)	Doğalgaz	%60+
Rüzgar	Rüzgar	%35 - %45
Kömür (Yeni Nesil)	Kömür	%45'e kadar
Nükleer	Uranyum	%33 - %37
Güneş (PV)	Güneş Işığı	%15 - %22
Jeotermal	Jeotermal Buhar/Su	%10 - %20
Biyokütle	Organik Atık	%20 - %30

Hidroelektrik santraller en yüksek verimliliğe sahipken, kombine çevrim doğalgaz santralleri fosil yakıtlı santraller içinde en verimli olanıdır. 

Yenilenebilir enerji kaynakları arasında rüzgar ve güneş enerjisinin verimleri artmaya devam ederken, jeotermal santraller kaynağın doğası gereği daha düşük verimlilikle çalışır. 

Ancak, verimlilikle birlikte yakıt maliyeti, çevresel etki ve yatırım maliyeti de santral seçiminde önemli faktörlerdir

Reaktif Gücün Faydaları

Genelde kurtulunması gereken bir kavram olarak ifade edilen reaktif güç ve buna bağlı reaktif enerjide en iyi analoji bira köpüğünden ziyade bence el arabası örneğidir. El arabasını kollarından tutup kaldırmak reaktif gücü ve ittirerek hareket ettirmek aktif gücü temsil eder. Reaktif güç olmadan yani el arabasını kaldırmadan ittirmek çok kolay değildir. Şebekede reaktif güç bulunmalıdır.

Reaktif güç indüktif reaktif  kapasitif reaktif güç olarak ayrılır. Manyetik veya elektrik alan olarak enerji depolama yani reaktif güç tüketme indüktif reaktif  ve depolanan enerjiyi salarak reaktif güç verme ya da reaktif güç üretme kapasitif reaktif olarak adlandırılır. Trafolar ve motorlar, endüktif yüklerdir ve manyetik alan oluşturmak için enerjiye ihtiyaç duyulduğundan indüktif reaktif güç çekerler.

Reaktif güç :

\[Q = {V_{rms}}{I_{rms}}\sin \varphi \]

Akım

\[i(t) = {I_{\max }}cos(\omega t)  \]

olsun.

Bir indüktör ya da bobinde gerilim:

\[{v_L}(t) = L\frac{{di(t)}}{{dt}} =  - L\omega {I_{\max }}\sin (\omega t)\]

Bobinde depolanan manyetik enerji:

\[ {W_L}(t) = \frac{1}{2}Li{(t)^2} = \frac{1}{2}LI_{\max }^2{\cos ^2}(\omega t) \]

Kosinüs ifadesi ile birlikte bu enerji sinusoidal ve periyodik olarak değişir. Depolanan manyetik enerjinin maksimum değeri :

\[{W_{L,{\rm{max}}}} = \frac{1}{2}LI_{\max }^2\]

İndüktif Reaktans

\[{X_L} = \omega L = 2\pi fL\]

Anlık güç:

\[{p_L}(t) = {v_L}(t) \cdot i(t) =  - L\omega {I_{\max }}\sin (\omega t) \cdot {I_{\max }}\cos (\omega t) =  - \frac{1}{2}L\omega I_{\max }^2\sin (2\omega t)\]

Ortalama reaktif güç:

\[{Q_L} = {\left( {\frac{{{I_{\max }}}}{{\sqrt 2 }}} \right)^2} \cdot \omega L = \frac{{I_{\max }^2\omega L}}{2} = I_{{\rm{rms}}}^2 \cdot {X_L}\]

\[\sin \varphi  = 1\]

\[{Q_L} = {V_{{\rm{rms}}}}{I_{{\rm{rms}}}}\]

Bobin gerilimi

\[{V_{{\rm{rms}}}} = {I_{{\rm{rms}}}} \cdot {X_L}\]

\[{Q_L} = I_{{\rm{rms}}}^2 \cdot {X_L}\]

Bobin ya da indüktörün reaktif gücü frekans bileşeni nedeniyle enerji depolama hızıyla orantılı olur ve pozitif işaretli olduğundan reaktif enerji çeker

Kapasitör ya da kondansatör, elektrik alanda enerji depolar ve bu enerji, gerilimin zamana bağlı değişimiyle ilişkilidir.

\[v(t) = {V_{\max }}\cos (\omega t)\]

Kapasitör akımı:

\[{i_C}(t) = C\frac{{dv(t)}}{{dt}} =  - C\omega {V_{\max }}\sin (\omega t)\]

Kapasitörde zamana bağlı  enerji

\[{W_C}(t) = \frac{1}{2}Cv{(t)^2} = \frac{1}{2}CV_{\max }^2{\cos ^2}(\omega t)\]

Maksimum enerj

\[{W_{C,{\rm{max}}}} = \frac{1}{2}CV_{\max }^2\]

Kapasitif reaktans:

\[{X_C} = \frac{1}{{\omega C}} = \frac{1}{{2\pi fC}}\]

Zamana bağlı anlık güç

\[{p_C}(t) = v(t) \cdot {i_C}(t) = {V_{max}}\cos (\omega t) \cdot ( - C\omega {V_{\max }}\sin (\omega t)) =  - \frac{1}{2}C\omega V_{\max }^2\sin (2\omega t)\]

 \[- \frac{1}{2}C\omega V_m^2\sin (2\omega t) =  - \frac{1}{{2{X_C}}}V_{\max }^2\sin (2\omega t)\]

\[{Q_C} =  - \frac{{V_{{\rm{rms}}}^2}}{{{X_C}}}\]

Negatif işaret nedeniyle kapasitif reaktif verir.

Asenkron motor stator ve rotor arasında dönen manyetik alan oluşturmak için reaktif güç çeker. Stator sargıları, manyetik akı üretmek için endüktif bir empedansa sahiptir, bu da akımın gerilimden geri kalmasına (faz farkı) neden olur. Stator sargılarından geçen akım döner bir manyetik alan oluşturur ve rotoru döndürerek mekanik enerji üretir.

Manyetik alanın oluşması için stator endüktansı reaktif güç tüketir.

\[{Q_L} = I_{{\rm{rms}}}^2 \cdot {X_L}\]

Trafolar, çekirdekte manyetik akı oluşturmak için magnetizasyon akımı çeker, bu da reaktif güç tüketimi oluşturur. Sargı endüktansından dolayı indüktiftir. Magnetizasyon akımı reaktif güç oluşturur.

\[{Q_m} = \frac{{{V_{primer}}^2}}{{{X_m}}} = \frac{{{V_{primer}}^2}}{{\omega {L_m}}}\]

Reaktif enerji olmadan transformatör manyetik akı oluşturamaz ve sekonder gerilim oluşmadığıdan gerilimi istenen seviyeye getiremez.

Şebekede de gerilim regülasyonu veya akım sınırlaması için indüktör ya da reaktör kullanılarak doğrudan reaktif güç çekilir ve gerilim düşürülür, Şebekelerde, özellikle uzun iletim hatlarında veya hafif yük koşullarında, hatların kapasitif etkisi (kapasitans) nedeniyle gerilim yükselmeleri meydana gelebilir (Ferranti etkisi). Şönt reaktörler, bu fazla kapasitif reaktif gücü absorbe ederek gerilimi düşürür. Seri reaktörler, kısa devre akımlarını sınırlandırır bununla birlikte reaktif güç çeken seri reaktöre hat empedansını artırır güç akışını kontrol eder.

\[{Z_{{\rm{toplam}}}} = R + j{X_L}\]

\[P = \frac{{{V_1}{V_2}\sin (\delta )}}{{\mid Z\mid }}\]

Reaktans artışı aktif gücü azaltır yüklenmeyi önler.

Reaktif güç, şebekedeki gerilim düşüşlerini önleyerek sistemin gerilim kararlılığını artırır. Örneğin, kapasitör bankaları veya senkron kompanzatörler uzun iletim hatlarında oluşan indüktif gerilim seviyesini sabit tutmak için kullanılır. Şebekede gerilim düşümü ( V azalması) enerji kayıplarına basitçe MWh=VI.h ve akımı etkileyerek ekipman arızalarına yol açabilir.Güneş panelleri veya rüzgar türbinlerinde, invertörler reaktif güç sağlayarak şebeke gerilimini destekleyebilir.

Tip 1: Sabit Hızlı, Asenkron Jeneratörlü rüzgar türbini rotor manyetizması için reaktif güç çeker. Tip 2 (WRIG) de harici dirençler reaktif güç ihtiyacını bir miktar azaltır ancak reaktif güç çeker.Tip 3 (DFIG) de güç elektroniği sayesinde reaktif güç üretimi veya tüketimi kontrol edilebilir. Yüksek yük veya düşük gerilim koşullarında reaktif güç çekebilir.Tip 4 (PMSG/WRSG) ise güç elektroniği ile reaktif güç verebilir.

https://electricterms.blogspot.com/2021/06/reaktif-guc-ve-gerilim-iliskisi.html

Batarya Parametreleri

 

Spesifik Enerji Yoğunluğu

Bataryanın Wh cinsinden enerji depolama kapasitesinin bataryanın kütlesine bölümü kütlesel enerji yoğunluğu veya spesifik enerji olarak ele alınabilir. Amper-saat/Gram birimi olarak teorik kapasite elektrokimyasal reaksiyona katılan aktif malzemenin eşdeğer ağırlığına dayalıdır.  Teorik kapasite ile gerilimin çarpımı teorik spesifik enerji yoğunluğunu Wh/kg cinsinden verir. 

Lityum iyon bataryada teorik spesifik enerji 410 Wh/kg’dan büyüktür. Ancak uygulamada 150 Wh/kg değerine düşer.  Karşılaştırma yapılmak istenirse kurşun asit akünün teorik spesifik enerjisi 166 Wh/kg iken uygulamada 35 Wh/kg’a düşer. Benzer şekilde nikel metal hidrit bataryada 250 Wh/kg olan teorik spesifik enerji 75 Wh/kg’a uygulamada düşmektedir. Bu durumda lityum batarya yüksek enerji yoğunluğuna uygun hale gelmektedir.

C-Rate

Bataryanın kapasitesine (Capacity - C) göre bataryanın şarj veya deşarj hızını gösterir. Şarj veya deşarj akımının toplam kapasiteye ( amper-saat) bölümüdür. Birimi 1/h  yani 1/saat’tir. 

 C-rate = Şarj veya Deşarj Akımı (A) / Toplam Kapasite (Ah)

Örnek olarak 10 Amper-saat (10Ah) batarya kapasitesi söz konusu olduğunda; 

1C değeri bataryanın 10 A  (10 (Ah) x 1 (1/h) )  akım çekmesi/vermesi ile 1 saatte tam şarj veya tam deşarj olacağını ifade eder.  

0.5C değeri 5/10 değerini gösterdiğinden  saate çevrildiğinde 1/0,5 = 10/5=2 saatte bataryanın tam şarj veya deşarj olacağını ifade eder. Burada ise çekilen/verilen akım değeri 0,5 x 10 =5 Aolacaktır. 

2C değeri ise benzer şekilde 1/2 saati yani 30 dk’da bataryanın 2 x 10 = 20A’de tam şarj veya deşarj olacağını belirtir. 

Benzer şekilde 5C değeri de  1/5 saat değerine karşılık gelen 12 dakikalık  ve 50A akımda bir şarj veya deşarj durumudur.

Enerji depolama üniteleri, güneş enerjisi depolama gibi uygulamalarda 0.1C-0.5C gibi sürekli ve uzun süreli bir şarj ve deşarj gereklidir. Elektrikli araç, drone gibi yüksek güç gerektiren uygulamalarda yüksek hızlı 2C-10C gibi C-Rate kullanılır.

Yüksek hızlı şarj-deşarjda ısı arttığından batarya verimi ve ömrü olumsuz etkilenebilir. Batarya Yönetim Sistemi (BMS), aşırı şarj/deşarj ve ısınmayı önlemek için C-rate değerini kontrol eder.

Santrallerin Reaktif Güç Desteği Sağlaması

Alçak gerilim veya orta gerilim hattında kompanzasyon ile reaktif güç verilerek hat sonu gerilim düşümü azaltılmaktadır. Kondansatör gücü kompanze edilmek istenen sistemin güç faktörüne göre ayarlanır.

Q değeri artarsa hat sonunda gerilim değeri azalır (VReceived-VR)  bir başka ifade ile hatta gerilim düşümü artar.  Kondansatör ya da kompanzasyon sistemleri ile AG veya OG hatta yer alan Q reaktif güç değeri azaltılarak XL hat reaktansı ile çarpım değer Q.XL azaltılır.

Senkron jeneratör içeren termik, hidroelektrik veya nükleer santraller de reaktif güç desteği sağlayarak güç sistemlerinin örneğin iletim şebekesinin gerilim regülasyonu, kararlılığına katkı sağlar. Bu durum elektrik piyasasında yan hizmetlerden biridir.

$$$$

Senkron jeneratör manyetik alanı uyarma akımı ile kontrol edilerek reaktif güç sağlar. Jeneratörün terminal gerilimi (V) ya da statorundan elde edilen gerilim ve elektromotor kuvveti (E_f) arasındaki ilişki reaktif gücü belirler

Silindirik rotor için  (Termik);

Ef: uyartım emk

$E_f=k\cdot I_f$AVR ile kontrol edilir

If: Uyarma akımı

Xs: Senkron jeneratör senkron reaktansı

δ : açısı (radyan)

V: Senkron jeneratör terminal gerilimi

Ef artırıldığında aşırı uyartım oluşur,  Q pozitif olur ve jeneratör reaktif güç üreterek bu reaktif gücü kondansatör gibi şebekeye verir ve iletim hattında gerilim düşümü azalır ve gerilim değeri şebekede yükselir.

 

Ef​>V olduğunda yani emk değeri terminal geriliminden fazla olduğunda Q>0 olur ve jeneratör reaktif güç üretir. Bu, şebekeye kapasitif reaktif güç sağlamakla eşdeğerdir. Kondansatör de benzer şekilde QC ile reaktif güç sağlar.

Jeneratörde Ef uyartım gerilimi ayarlanır ve Q  kontrol edilir. Kondansatörde ise (kapasitans değişmedikçe) sabit QC sağlanır.

Jeneratörler reaktif güç sınırı  jeneratör reaktif  güç eğrileri ile sınırlıdır; kondansatörler ise termal limitlere tabidir.

Ef azaltılıp senkron jeneratör düşük uyartımda çalıştığında, Q negatif olur ve jeneratör reaktif gücü absorbe eder ve şebekede gerilimi düşürür. Jeneratörün şebekeden reaktif güç çekmesiyle, yani endüktif bir yük gibi davranmasıyla şebeke gerilimi düşer. Düşük uyartımda jeneratörün terminal gerilimi şebeke gerilimine göre daha düşüktür ( yükseltici trafo bağlantısı vardır) . Bu durumda jeneratör bir reaktör veya endüktif motor gibi davranır ve manyetik alanını sürdürmek için şebekeden reaktif güç çeker.

Şebekedeki kapasitif yükler kondansatör bankaları, uzun hatların kapasitansı gerilimi artırır bu nedenle absorbe edilmesi gerekir.

Jeneratörler, ani yük değişimlerine hızlı yanıt verebilir; kondansatörler statik destek sağlar ancak STATCOM gibi cihazlar dinamik davranabilir.

Şebeke kararlılığı ve yenilenebilir enerji entegrasyonunda senkron jeneratörlerin reaktif güç desteği önemli rol oynamaktadır.

Relationship of Relative Permeability, Initial Magnetic Susceptibility and Magnetic Field Strength

Ever wondered what makes some materials, like iron, so great at concentrating magnetic fields, while others, like plastic, just don't care? It all comes down to three key terms: relative permeability (${\mu }_r$), initial magnetic susceptibility (${\chi }_i$), and magnetic field strength ($H$).

Relative Permeability (μr​) and Initial Magnetic Susceptibility (χi​)

Imagine you're at a party. The magnetic field strength ($H$) is like the host trying to get everyone to dance. The host has a certain amount of energy and is trying to influence the atmosphere.

The material you put in this field (like an iron bar) is made up of tiny magnetic "party guests." These guests' reaction to the host's influence is what we measure.

Relative Permeability (${\mu }_r$): This tells you how good the material is at "helping" the host's influence. A material with a high μr​ is like a group of guests who are super enthusiastic about dancing and get everyone else on the floor. It's a measure of how easily a material can become a magnetic field conductor. For a vacuum, ${\mu }_r=1$, because there are no guests to help.

Relative permeability is a dimensionless quantity that measures how much a material can support the formation of a magnetic field within itself. 

It is the ratio of the material's permeability ($\mu$) to the permeability of free space (${\mu }_0$). For a vacuum, ${\mu }_r$ is exactly 1.

${\mu }_r=1+{\chi }_i$

The two quantities are not independent; they are just different ways of expressing the same material property.

Initial Magnetic Susceptibility (${\chi }_i$): This is another way of looking at the same thing. Susceptibility measures how much the guests themselves respond and get into the dancing mood. It's the material's internal reaction to the host's influence. The higher the ${\chi }_i$, the more magnetized the material becomes. For a vacuum, ${\chi }_i=0$, as there's no material to magnetize.

It is a dimensionless quantity that measures how easily a material becomes magnetized in response to an applied magnetic field. It is a measure of the material's magnetization ($M$) in relation to the magnetizing force ($H$). For a vacuum, ${\chi }_i$ is 0.

Magnetic Field Strength (H) and Magnetization (M)

Now, let's look at how different materials respond to the host "magnetic field strength (H)"

For Diamagnetic and Paramagnetic Materials:

Think of these as party guests who are either shy (diamagnetic, χi​ is slightly negative) or a little bit interested (paramagnetic, χi​ is slightly positive).

Their response is directly proportional to the host's influence. If the host doubles their effort (H), the guests' enthusiasm (M) doubles as well. The equation is a simple straight line: 

$M={\chi }_{i}H$

The magnetizing force ($H$), also called magnetic field strength, is a measure of the external magnetic field created by currents. It is a vector field and has units of amperes per meter (A/m). When this external field is applied to a material, the material becomes magnetized, creating its own internal magnetic field. This internal response is measured by the magnetization ($M$), also in A/m.

${}_i$