Rüzgâr türbini

Rüzgâr türbini, rüzgârdaki kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Rüzgar türbinleri, aralıklı yenilenebilir enerjinin giderek daha önemli bir kaynağı haline gelmekte ve birçok ülkede enerji maliyetlerini düşürmek ve fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmak için kullanılmaktadır. Bir çalışma, 2009 yılı itibariyle rüzgarın fotovoltaik, hidro, jeotermal, kömür ve gaz enerji kaynaklarına kıyasla "en düşük göreceli sera gazı emisyonlarına, en az su tüketimi talebine ve en olumlu sosyal etkilere" sahip olduğunu öne sürmüştür.

Rüzgâr türbini genellikle kule, kanatlar, rotor, dişli kutusu, generatör (alternatör), elektrik-elektronik elemanlardan oluşur. Rüzgârın kinetik enerjisi rotorda dönme kinetik enerjisine çevrilir. Rotor milinin dönüş hareketi hızlandırılarak gövdedeki alternatöre aktarılır. Alternatörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.

Sürükleme kuvveti, cisim üzerinde akış yönünde oluşan bir kuvvettir. Örneğin düz bir plaka üzerinde oluşabilecek maksimum sürükleme kuvveti hava akışının cisim üzerine 90o dik geldiği durumda iken; minimum sürükleme kuvveti ise hava akışı cismin yüzeyine paralel iken oluşur.

Kaldırma kuvveti ise, akış yönüne dik olarak oluşan kuvvettir. Uçakların yerden havalanmasına da bu kuvvet sebep olduğu için kaldırma kuvveti denilir.

Sürükleme kuvvetine en iyi örnek olarak paraşüt verilebilir. Bu kuvvet sayesinde paraşütün hızı kesilmektedir. Sürükleme kuvvetinin etkilerini en aza indirebilmek için yapılmış özel cisimlere akış hatlı cisimler denir. Bunlara örnek olarak balık ve zeplin verilebilir.

Düz bir plaka üzerine etkiyen kaldırma kuvveti, hava akışı plaka yüzeyine 0o açı ile geldiğinde görülür. Havanın akış yönüne göre oluşan küçük açılarda akış şiddetinin artmasıyla alçak basınçlı bölgeler oluşur. Bu bölgelere akış altı da denir. Dolayısıyla, hava akış hızı ile basınç arasında bir ilişki meydana gelmiş olur. Yani hava akışı hızlandıkça basınç düşer, hava akışı yavaşladıkça basınç artar. Bu olaya Bernoulli etkisi denir. Kaldırma kuvveti de cismin üzerinde emme veya çekme oluşturur.

İskenderiyeli Heron'un (10 M.S. – 70 CE) rüzgar çarkı, tarihte bir makineye rüzgar gücü sağlanılan ilk kayıtlı örneklerdendir. Ancak, bilinen ilk pratik rüzgar enerjisi santralleri, 7. yüzyıldan itibaren Pers (şimdiki İran)'ın bir doğu eyaleti olan Sistan'da inşa edildi. Bu "Panemone yel değirmeni", dikdörtgen kanatlı uzun dikey tahrik milli ve dikey eksenli yel değirmenleriydi. Kamıştan hasır veya kumaş malzemeyle kaplı altı ila on iki yelkenden yapılmış bu yel değirmenleri tahıl öğütmek veya su çekmek için değirmencilikte ve şeker kamışı sanayiinde kullanıldı.

Rüzgar enerjisi ilk olarak Avrupa'da Orta Çağ sırasında ortaya çıktı. İngiltere'de kullanımlarına ilişkin ilk tarihsel kayıtlar 11. veya 12. yüzyıllara aittir. Alman haçlıların yel değirmeni yapma becerilerini 1190 civarında Suriye'ye götürdüğüne dair raporlar vardır. 14. yüzyılda Hollanda yel değirmenleri Ren delta alanındaki suyu boşaltmak için kullanılıyordu. Gelişmiş rüzgar türbinleri, Hırvat mucit Fausto Veranzio tarafından tanımlandı. Veranzio, Machinae Novae (1595) adlı kitabında kavisli veya V şeklinde kanatlı Dikey eksenli rüzgar türbinleri konusunu işledi.İlk elektrik üreten rüzgar türbini, İskoç akademisyen James Blyth tarafından Temmuz 1887'de Marykirk, İskoçya'daki tatil evini aydınlatmak için kurulan batarya şarjlı bir makineydi. Birkaç ay sonra Amerikalı mucit Charles F. Brush, yerel üniversite profesörlerine ve meslektaşları Jacob S. Gibbs ve Brinsley Coleberd'e danıştıktan sonra otomatik olarak çalışan ilk rüzgar türbinini inşa etmeyi başardı ve elektrik üretimi için proje planlarını başarılı bir şekilde hakem denetiminden geçirdi. Blyth'in türbini Birleşik Krallık'ta ekonomik görülmese de, rüzgar türbinleriyle elektrik üretimi, nüfusun geniş bir alana dağıldığı ülkelerde daha uygun maliyetli olmuştur.Danimarka'da 1900 yılına kadar pompa ve değirmen gibi mekanik yükler için yaklaşık 2500 yel değirmeni vardı ve tahmini olarak yaklaşık 30 megawatt (MW) birleşik azami güç üretiyordu. En büyük makineler, dört kanatlı 23 metre çapında pervanelere sahip 24 metrelik kuleler üzerindeydi. 1908 yılına gelindiğinde, Amerika Birleşik Devletleri'nde 5 kilowatt (kW) ile 25 kW arasında güç üreten 72 rüzgar enerjili elektrik jeneratörü faaliyet göstermekteydi. Birinci Dünya Savaşı sırasında Amerikalı yel değirmeni üreticileri, çoğu su pompalamak için olmak üzere her yıl 100.000 çiftlik yel değirmeni üretiyordu.

1941 sonbaharında, ilk megawatt sınıfı rüzgar türbini Vermont'taki bir elektrik şebekesine senkronize edildi. Smith-Putnam rüzgar türbini kritik bir arıza yaşamadan önce sadece 1.100 saat çalıştı. Ünite, savaş sırasında yaşanan malzeme sıkıntısı nedeniyle onarılamadı.

Bu çeşitli gelişmelere rağmen, fosil yakıt sistemlerindeki gelişmeler mikro boyuttan daha büyük rüzgar türbini sistemlerini neredeyse ortadan kaldırmıştır. Rüzgar enerjisi kullanımının rönesansı, kısmen çevre ve enerji tartışmalarının ve iki petrol krizinin bir sonucu olarak 1970'lerde başlamıştır. 1970'ler ve 1980'lerde çok sayıda farklı tasarım test edilmiş ve sonuçta yatay eksenli türbinler kabul görmüştür. Bazı ülkelerde (Almanya ve ABD gibi), başlangıçta iki kanatlı GROWIAN gibi iddialı büyük ölçekli endüstriyel projelere odaklanıldı; ancak bunların önemli teknik sorunları vardı ve başarısız oldukları kanıtlandı. Danimarka'daki nükleer karşıtı protestolar, mekanik ustalarını 22 kW'lık mikro türbinler geliştirmeye teşvik etti. Mal sahiplerinin dernek ve kooperatifler halinde örgütlenmesi, hükümet ve kamu hizmetlerinin lobi yapmasına yol açtı ve 1980'ler ve sonrasında daha büyük türbinler için teşvikler sağladı. Almanya'daki yerel aktivistler, İspanya'daki yeni türbin üreticileri ve 1990'ların başında Amerika Birleşik Devletleri'ndeki büyük yatırımcılar daha sonra bu ülkelerde sektörü canlandıran politikalar için lobi faaliyetlerinde bulunmuşlardır.

Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çok çeşitlilik gösterse de genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre "Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri" (YERT) ve "Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri” (DERT) olmak üzere iki sınıfa ayrılır. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, (Kısaca NREL) Rüzgar türbinlerinin 100 kW güce eşit veya daha küçük güçte olanlarını Küçük rüzgar türbini olarak sınıflandırır.

Bu tip türbinlerde dönme ekseni rüzgâr yönüne paraleldir. Kanatları ise rüzgâr yönüyle dik açı yaparlar. Ticari türbinler genellikle yatay eksenlidir. Rotor, rüzgârı en iyi alacak şekilde, döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir.

Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerin yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgârı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgâr gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgâra bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır.

Yatay eksenli türbinlere örnek olarak pervane tipi rüzgâr türbinleri verilebilir. Bu tip türbinlerin kanatları tek parça olabileceği gibi iki ve daha fazla parçadan da oluşabilir. Günümüzde en çok kullanılan tip üç kanatlı olanlardır. Bu türbinler elektrik üretmek için kullanılır. Geçmişte çok kanatlı türbinler tahıl öğütmek, su pompalamak ve ağaç kesmek için kullanılmıştır.

Türbin mili düşeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi gibi çeşitleri vardır. Daha çok deney amaçlı üretilmiştir. Ticari kullanımı çok azdır.

Darrieus tipi rüzgâr türbini, Fransız havacılık mühendisi Georges Jean Marie Darrieus tarafından 1931'de patentlenmiştir. Rüzgârın taşıdığı enerjiden elektrik üretmek için kullanılan bir "Dikey Eksenli Rüzgâr Türbini"dir (DERT).Türbin dikey bir şafta monte edilmiş birkaç adet kıvrımlı aerofoil kanattan oluşur.

Savonius rüzgâr türbinleri, Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri sınıfına girmektedir, rüzgâr enerjisini dönen bir şafta moment olarak aktarmak için kullanılır. İki ya da üç adet aerofoil, kepçeye benzer kesitin birleşimi şeklindedir. En yaygını iki adet kepçenin bulunduğu durumdur ve “S” şeklini andıran bir görüntüsü vardır.

Rüzgâr gücü mümkün rüzgâr enerjisinin bir ölçümüdür. Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının kübünün bir fonksiyonudur. Eğer rüzgâr hızı iki misline çıkarsa rüzgârdaki enerji sekiz faktörü ile artar (23). Bunun anlamı şudur; rüzgâr hızındaki küçük değişiklikler rüzgâr enerjisinde büyük değişikliklere neden olurlar.

Örneğin, 12.6 m/s hızındaki bir rüzgâr ile üretilebilecek enerji miktarı, 10 m/s hızındaki bir rüzgârdan üretilebilecek enerjinin 2 katıdır. (10 = 1000, 12.63 = 2000).

Yer seçimi veya ölçüm hataları ile yapılabilecek küçük rüzgâr hızı hataları bir rüzgâr türbini yatırımında büyük hatalara neden olabilmektedir. Bu nedenle, rüzgâr türbini satın almadan önce, doğru ve sürekli bir rüzgâr çalışması yapılmalıdır. Ekonomik olarak uygulanabilir olması için, bir rüzgâr türbini kurulacak yerde yıllık ortalama en az 5.4 m/s (12 mph) rüzgâr hızı olmalıdır.

Basitleştirilmiş güç eşitliği denklemi, rüzgâr turbinenden elde edilecek gücün amprik olarak hesaplanabilmesi için türetilmiştir. Bu denklemden anlaşılabileceği gibi, bir sistemden elde edilecek enerji, rüzgâr hızının kübü ile doğru orantılıdır. Ayrıca elde edilecek güç, rüzgâr türbin kanatlarının süpürdüğü alan dolayısıyla rotor yarıçapının karesi ile orantılıdır.