Evlerimizde, iş yerlerimizde kullandığımız elektrik enerjisi elektrik santrallerinde üretilir. Elektrik enerjisi dediğimizde akla ilk gelen kavramlar, gerilim ve akım kavramlarıdır. Santrallerde üretilen elektrik gerilimi, enerji kayıplarını azaltmak için transformatörler (trafolar) yardımıyla yükseltilir, ardından dağıtım merkezlerinde evlerin ve iş yerlerinin kullandığı değerlere düşürülür.
Santrallerde kullanılan en temel makineler bir kuvvetle (su, buhar, rüzgâr vd.) döndürülen türbinler ve onların döndürdüğü alternatörlerdir. Alternatörler, temel olarak stator ve rotor denen parçalardan oluşur. Alternatörün rotorundaki sargılardan elektrik akımı geçirilerek bir manyetik alan (bir elektromıknatısta olduğu gibi) elde edilir.
Rotor, bir türbin vasıtası ile döndürüldüğünde, rotorun manyetik etkisi altındaki stator sargılarından elektrik enerjisi elde edilir. Küçük güçlü alternatörlerde stator elektromıknatıs olarak çalışır ve elektrik gerilimi rotor sargılarından elde edilir.
Bir alternatörün çalışmasını anlamak bakımından manyetizma ile elektrik enerjisi elde etmeyi anlamak faydalı olabilir. Bu amaçla kullanılan iki yöntem mevcuttur. Elektrik enerjisi, çoğunlukla bir manyetik alanın etkisindeki iletken hareket ettirilerek elde edilir. Manyetik alanın hareketi ile de elektrik enerjisi (gerilimi) elde edilmektedir.
Akım, alan etkisindeki iletkenin bir ucundan bileziğe geçecek ve oradan, bileziğe sürtünen fırçaya geçecektir. Fırçadan çıkan akım alıcıyı dolaştıktan sonra diğer fırçaya gelecek, oradan diğer bileziğe ve bilezikten de iletkenin diğer ucuna dönerek devreyi tamamlayacaktır. Devredeki lambanın ışık şiddeti, mıknatısın gücüne, telin (mıknatısın etkisindeki) uzunluğuna ve telin dönüş hızına göre az ya da çok olacaktır. Kol bırakıldığında ise telin dönüşü de duracak ve telden akım geçmeyeceği için lamba sönecektir.
Büyük güçlü alternatörlerde elektromıknatıs, dönen kısım yani rotordur. Elektrik enerjisi duran kısımdaki (stator) sargılardan elde edilir. Santrallerde kullanılan alternatörler kalın ve çok telli, stator ve rotorlara sahiptirler. Güçleriyle orantılı olarak çok daha büyük döndürme kuvvetlerine ihtiyaç duyulur ve karşılığında da çok daha fazla enerji üretimi (dönüşümü) gerçekleştirirler.
Santral kurulumunda kurulum, bakım, enerji maliyetleri, temizlik ve sürdürülebilirlik gibi kriterler büyük önem arz eder. Santraller birkaç tipin dışında geleneksel olarak alternatör rotorunu döndüren türbinlerin ne ile döndürüldüğüne göre sınıflandırılırlar.
Termik Kaynaklar
Termik kelimesi ısı ya da ısı ile ilgili (ısıl-ısısal) anlamında kullanılmaktadır. Bu nedenle termik santral ifadesi öncelikle, ısı prensibi ile işleyen santral anlamını çağrıştırmalıdır.
Kömür, petrol ve ürünleri, doğal gaz gibi fosil kaynaklı yakıtların yakılarak tanklarda ısıtılan su, yüksek basınçlı buhar haline getirilir. Elde edilen yüksek basınçlı buhar, borularla taşınarak buhar türbininin döndürülmesi sağlanır.
Termik santrallerin ilk kurulum masrafları, en çok kullanılan hidrolik santrallere göre daha azdır, ancak yakıt masrafları nedeniyle zaman ilerledikçe pahalı olmaya başlarlar. Ayrıca kullanılan yakıtlar nedeniyle çevreye zarar verirler. Alınan önlemler sonucu bu zararlar nispeten asgari seviyede tutulabilir. Yakıta endeksli santral olmaları nedeniyle üretilecek enerji miktarının kontrol edilebilir olması, bu santrallerin en önemli avantajıdır. Buna karşın uzun vadede kullandıkları yakıtların tükenme riski söz konusudur. Ayrıca devreye sokulmaları zaman alır ve masraflıdır.
Hidrolik Kaynaklar
Hidroelektrik santrallerin gerisinde suyun depolandığı barajlar mevcuttur. Barajlarda tutulan su, borular yardımıyla türbine ulaştırılır ve yüksek bir basınçla türbine vuran su kütlesi türbini döndürür. Türbin dönerken türbine bağlı alternatör mili de döneceğinden alternatör elektrik enerjisi üretir.
Hidroelektrik santraller uygun yerlere kurulmaları şartıyla kurulumdan sonra çevreye çoğunlukla zarar vermez. Kurulum masrafları bakımından termik santrallere göre daha pahalıdırlar. Bakım masrafları bakımından termik santrallere göre çok daha avantajlıdırlar, çünkü bakıma daha az ihtiyaç gösterirler. Bu nedenle uzun vadede daha ucuz enerji temin ederler.
Hidroelektrik santrallerin, termik santrallere göre en önemli avantajı çok hızlı bir şekilde devreye sokulabilmeleridir. Ayrıca barajda biriken su başka amaçlarla da kullanılabilmektedir. En önemli dezavantajı, barajda biriken su miktarının (iklim nedeniyle) kontrol edilememesidir.
Nükleer Kaynaklar
Nükleer kaynaklar, uranyum, plütonyum gibi elementlerin tepkimeye sokularak ısı üretilmesi prensibine göre çalışırlar. Elde edilen ısı, termik santrallerdeki gibi suyun ısıtılması ve yüksek basınçlı buhar elde edilmesinde kullanılır. Elde edilen bu buhar, buhar türbinin dolayısıyla da alternatörün döndürülmesinde kullanılır. Alternatör mili dönünce de elektrik enerjisi elde edilir.
Nükleer santraller ilerleyen zamanlarda radyoaktif atıkların muhafazası da dikkate alındığında hem güvenlik hem de verimlilik bakımından diğer santrallerden daha avantajlı değildir. Nükleer santraller çok iyi planlanmazlarsa radyoaktif sızıntılar gerçekleşebilir ve bu sızıntıların ulaştığı bölgelerde canlılar üzerinde çeşitli hastalıklara, kalıcı hasarlara neden olabilir.
Nükleer santrallerin olumsuz özelliklerine rağmen yapılmak istenmesinin en önemli nedeni, ilerleyen zamanlarda bazı yakıtların tükenme riskidir. Bu nedenle nükleer santraller daha çok geleceğe dönük bir yatırım olarak değerlendirilebilir.
Diğer Kaynaklar
Yukarıda anlatılan kaynaklar hem eskiden beri kullanılan hem de enerji miktarı bakımından yüksek enerji potansiyeline sahip kaynaklardır. Bu kaynakların dışında farklı alternatif enerji kaynakları da mevcuttur.
• Rüzgâr Enerjisi
Rüzgâr ile elektrik enerjisi elde edilen sistemlere rüzgârgülü de denmektedir. Bu sistemle elde edilen enerji miktarı sınırlı olmasına karşın çok sayıda rüzgârgülü kullanılarak yüksek miktarlarda enerji temini mümkün olabilmektedir. Rüzgâr enerjisi sistemleri uygun yerlere kurulması kaydıyla temiz enerji temin ederler. Verimleri ise %25-30 civarındadır.
Rüzgârgüllerinde, rüzgâr kanatları ve kanatlar da şaftı döndürür ve güç aktarım kutusunda dönüş hızı artırılarak ikinci şafta aktarılır. Yüksek hızlı bu şaft, alternatörün rotorunu döndürerek alternatör statorunda elektrik enerjisi elde edilmesini sağlar. Şayet rüzgâr çok şiddetli ise fren sistemi devreye girer ve alternatörün sabit bir hızda dönmesi sağlanır.
• Güneş Enerjisi
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için yaygın olarak kullanılan iki yöntem mevcuttur.
1. Güneş ışığını belli merkezlerde odaklayıp bazı sıvıların buhara dönüştürülerek bir alternatörün döndürülmesi yoluyla
2. Bazı yarı iletkenler (foto piller) vasıtasıyla
Foto pil teknolojisi henüz güneş ışınlarını odaklama sistemleri kadar verimli hale getirilememiştir. Yüksek güçlü enerji üretiminde yaygın kullanılmasa da yarı iletken teknolojisinin gelişimine paralel olarak geleceği de parlak görülmektedir.
Güneş panelleri hücre olarak da adlandırılan çok sayıdaki foto pilin seri-paralel bağlanması ile elde edilir ve nispeten yüksek güçlü sistemlerin oluşturulmasında kullanılırlar. Güneş panelleri ile elde edilen enerjinin tüketim enerjisi olarak kullanılması ya da şehir şebekesine verilebilmesi için dönüştürücüler ile şebekeye uygun hale getirilmesi gerekmektedir.
Güneş enerjisi ile elde edilen elektrik enerjisi, nispeten pahalı olsa da temiz enerji temini ve sistemin bakımının kolay ve masraflarının oldukça düşük olması nedeniyle bir birçok durumda tercih sebebi olmaktadır.
• Jeotermal Enerji
Yer kürenin derinliklerindeki magma ya da bazı kayaçlarda gerçekleşen radyoaktif tepkimeler sonucu sıcaklıklar oluşur. Jeotermal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için derinlerdeki bu sıcaklığın borularla taşınan su ile yüzeye çıkarılması gerekmektedir.
Bazı kaynaklarda sıcak su kendiliğinden yüzeye çıkarken diğer bazı kaynaklarda sıcak katmana gönderilen suyun ısındıktan sonra yüzeye alınması şeklinde gerçekleşir. Sondaj çalışmalarının zorluğu, su taşıyan boruların kimyasal etkilerle sık sık aşınması gibi etkenler bu santrallerin olumsuz özellikleridir. Yer altından alınan sıcak su, buhar kazanında buhar haline getirilerek buhar türbininin dönmesi sağlanır. Türbin alternatörü döndürerek jeotermal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi gerçekleşmiş olur.
• Gel Git Enerjisi
Bilindiği gibi ayın konumuna bağlı olarak denizlerde yükselme ve alçalma gözlemlenir. Bu olaya bağlı olarak deniz suyunun değişik zamanlardaki seviye farkından kaynaklanan potansiyel enerjiye gel git enerjisi denir. Gel git enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülebilmesi için su tutan bir baraja, iki yönde dönebilen özel türbinlere ve bu türbinlerle döndürülen alternatörlere ihtiyaç duyulur. Gel git enerjisinden faydalanırken baraj hem dolarken ve hem de boşalırken elektrik enerjisi elde edilebilse de türbinler verimlilik açısından genellikle barajın boşalması esnasında devreye sokulur.
