Rüzgâr gücü

Tarihçe

İnsanlar yelkenlileri hareket ettirmek ve gemileri yürütmek için en az 5500 yıldan beri rüzgârın gücünden faydalanıyor. Yeldeğirmenleri, sulama işlemi ve tahıl ezmek için 7. yüzyıldan beri Afganistan, İran ve Pakistan’da kullanılıyor.
1887 Temmuz ayında  İskoç Akademisyen Profesör James Blyth rüzgar gücü ile elektrik üreten ilk değirmeni inşa etti ve 1891’de İngiltere’de patent aldı. 1887-88’de Amerika Birleşik Devletleri’nde, Charles Francis Brush, James Blyth'in değirmeninden daha büyük ve üzerinde daha fazla mühendislik yapılmış değirmen kullanarak elektrik üretti. 1900 yılına kadar evinde ve laboratuvarının elektriğini sağladı. 1890’larda Danimarkalı bilim adamı ve mucit Poul la Cour'un rüzgar türbinleri üzerine rüzgar tünelinde yapmış olduğu deney ve araştırmalar sayesinde günümüz türbinlerine giden yolda ciddi bir bilgi birikimi oluştu.
1970'lere gelindiğinde fosil yakıt dışında enerji kaynakları arayışının artması ve çevre aktivistlerinin baskıyla Danimarka'da ilk modern rüzgar türbinleri üretilmeye başlandı. Bu ilk rüzgar türbinleri 20-30 kW gücündeydiler. 2015 itibarıyla 7 MW'lık  rüzgar türbinleri prototip olarak geliştirilmektedir, ilk uygulamalar Avrupa'nın çeşitli yerlerinde yapılmaya başlanmıştır. Bugün rüzgar türbinleri, ev bahçelerinden, parklara, akü depolamalı mini sistemlerden; fabrikalara elektrik sağlayıp ürettiği fazla elektriği şebekeye veren orta ölçekli sistemlere, şehirlere elektrik sağlayan santrallere kadar her ölçekte uygulanmaktadır.

Rüzgâr enerjisi

Rüzgar enerjisi hareket halindeki havanın kinetik enerjisidir. Hayali bir A alanına t zamanında ilerleyen toplam rüzgar enerjisi:
E = A . v . t  . ρ  . ½ v²,
sırası ile v rüzgar hızı, ve ρ havanın yoğunluğudur.
Bu formül iki ana kısımdan oluşur: A alanına doğru ilerleyen havanın hacmi (A . v . t) ve ilerleyen havanın birim hacim başına kinetik enerjisi (ρ . ½ v²).
Toplam rüzgar gücü ise:
P = E / t = A . ρ . ½ v³
Rüzgar gücü, rüzgar hızının üçüncü kuvveti ile orantılıdır. Bir başka deyişle, rüzgar hızındaki bir birimlik artış ile rüzgar gücü kübik olarak artar.

Teorik rüzgar enerjisi eldesi

Hayali bir A alanına t zamanında ilerleyen toplam rüzgar enerjisi, ancak bir rüzgar türbininin ilerleyen rüzgarın hızını sıfıra düşürmesi ile tamamen ele geçirilebilir. Gerçekte ise bu mümkün değildir çünkü türbine ulaşan havanın türbinden belli bir hız ile ayrılması gerekir. Rüzgar hızı girdisi ve çıktısı arasında bir ilişki kurulur. Bunlardan biri akım borusu kavramıdır. Bu yönteme göre herhangi bir rüzgar türbininden maksimum elde edilebilir rüzgar enerjisi, toplam teorik rüzgar enerjisinin %59'una eşittir. (Bakınız; Betz Yasası)

Uygulamada rüzgar enerjisi eldesi

Diğer kayıplar, örneğin rotor kanadının sürtünme kaybı, (eğer mevcutsa) dişli kutusu, jeneratör ve konvertör kayıpları vd. elde edilen enerjiyi azaltır.
Rüzgardan ticari olarak elde edilebilecek enerji insanlığın diğer bütün kaynaklardan şu anda elde ettiğinden büyük ölçüde daha fazladır. Güneşten gelen enerjinin dünya tarafından emilen %1 atmosferde kinetik enerjiye dönüşür. Eğer bu enerjinin yer yüzüne eşit olarak dağıldığını varsayarsak karalarda rüzgardan elde edilebilecek enerji 3.4x10¹⁴ W (Watt) olarak hesaplanır ki bu dünyada şu anda kullanılan ticari enerjinin 22 katına denk gelmektedir.
Global olarak kara ve okyanus kıyılarında 100 m yüksekliğinde yaklaşık olarak 1700 TW (terrawatt) rüzgar enerjisi mevcuttur. Günümüz şartlarında ticari olarak değerlendirildiğinde bunun 72 ila 170 TW'ı pratiklik ve  maliyet göz önüne alındığında kullanılabilir.

Rüzgâr hızının dağılımı

Farklı rüzgâr kuvvetleri ve belli bir yerdeki ortalama değer bir rüzgâr türbininin yalnızca orada üretilebilir enerjisinin miktarını göstermez. Belli bir alandaki rüzgâr hızının frekansını belirlemek için, olası bir dağılım fonksiyonu gözlenen veriye göre uyarlanır. Farklı alanlarda farklı rüzgâr hız dağılımı vardır. Weibull modeli birçok yerdeki saatlik rüzgâr hızlarının gerçek dağılımını yaklaşık olarak yansıdır. Weibull faktörü yaklaşık olarak 2’dir ve bu yüzden Rayleigh dağılımı daha az bir doğruluk olarak kullanılabilir, fakat daha basit modeldir.

Elektrik üretimi

Bir rüzgâr tarlasındaki türbinler orta gerilimle güç toplama sistemi ve iletişim ağına  bağlıdır (daha çok 34.5 kV). Alt istasyondaki, bu orta gerilim elektriksel akımı yüksek gerilim elektrik iletim hattı sistemine bağlanması için bir transformatör yardımı ile arttırılır.

Şebeke yönetimi

Rüzgâr gücü için sıklıkla kullanılan indüksiyon jeneratörler, ikazlama için reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden, güç faktörü düzeltme için sağlam kondansatör bankalarını içeren rüzgâr güç düzeltme sistemlerinde şalt sahasına ihtiyaç vardır. Rüzgâr türbin jeneratörlerinin farklı türleri, şebekeye iletim esnasında farklı davranır. Bu yüzden, yeni bir rüzgâr tarlasının dinamik elektromekanik karakteristiğinin kapsamlı modellemesi, iletim sistemi operatörlerinin, oluşabilecek sistem hatalarını tamir edebilmesi ve dengeli davranış göstermesi sağlaması için, gereklidir. Özellikle indiksiyon jeneratörler, buhar ve hidrolik türbin senkron jeneratörlerin aksine, hata esnasında sistem gerilimini desteklemezler. Çift beslemeli elektrik makineleri rüzgâr türbinleri ve türbin jeneratörü ile toplayıcı sistem arasındaki katı hal dönüştürücüleri- şebeke bağlantısı için daha çok tercih edilen özelliklere sahiptir. İletim sistemi operatörleri, sisteme bağlantıyı sağlayan gereçleri belirlemek için şebeke koduna sahip bir rüzgâr tarla geliştiricisi ile bağlantı kurmalıdır. Bu gereçler, güç faktörü, sabit frekans ve sistem hataları esnasındaki rüzgâr türbinlerinin dinamik davranışlarını içerir.

Kapasite faktörü

Her bir rüzgar türbini için belirlenmiş bir rüzgar hızında, sistemden elde edilen güç en büyük değere ulaşır. Bu en büyük güce “nominal güç” ve bu rüzgar hızına “nominal hız” adı verilmektedir. Rüzgar hızının, nominal hız değerini aşması halinde sistemden elde edilecek güç nominal güç kadar olacaktır. Rüzgâr hızı değişken olduğu için rüzgâr türbini hiçbir zaman nominal gücü ile bir yıldaki toplam saatin çarpımı kadar üretim yapamaz. Santralin ortalama gücünün nominal gücüne oranı  kapasite faktörü (KF) olarak adlandırılır. KF bir santralin ne kadar verimli kullanıldığını gösteren bir parametredir. Tipik olarak kapasite faktörü %20 ile 40 arasındadır. Örneğin; kapasite faktörü %35 olan 1 MW’lık bir türbin, yılda 8760 MWh (megawatt.saat) (1*24*365) üretmez. Sadece 1*0,35*24*365= 3066 MWh üretir.
Yakıt santrallerinin aksine kapasite faktörü rüzgârın doğal özelliğiyle sınırlıdır.

Etki

Rüzgâr enerji “etki”si, rüzgâr tarafından üretilen enerjinin, jeneratörün kullanılabilir toplam kapasitesi ile karşılaştırılmasıdır. Genellikle rüzgâr etkisinin “maksimum” seviyede olduğu kabul edilir. Belirli şebekedeki sınır var olan üretim santrallerine, mekanizmaların fiyatına, arz-talep yönetimine, verime ve diğer faktörlere bağlıdır. Bağlı bir elektrik şebekesi, donanım başarısızlıkları için zaten ters besleme ve iletim verimini içerir. Bu ters verim, rüzgâr santrallerinde üretilen gücü düzene koymaya da yardımcı olabilir. Çalışmalar tüketilen toplam elektrik enerjisinin %20'sinin en az zorlukla birleştirilebileceğini gösterdi. Bu çalışmalar coğrafik olarak çeşitli yerlerdeki rüzgâr tarlalarında, kullanılabilir enerjinin bir kısmında,  arz-talep yönetiminde, büyük şebeke alanlarında yapıldı. Bunlardan başka birkaç tekniksel sınırlama da vardır. Fakat ekonomik dengesizlikler daha da önem arz ediyor.
Şu anda, birkaç şebeke sistemindeki rüzgâr enerjisinin etkisi %5'in üzerindedir: Danimarka (%19'un üzerinde), İspanya ve Portekiz (%11'in üzerinde), Almanya ve İrlanda Cumhuriyeti %6'nın üzerinde). 8 Kasım 2009'un sabah saatlerinde, İspanya'daki elektrik arzında, ülkenin elektriğinin yarıdan fazlası rüzgâr enerjisinden sağlandı. Bu durum şebekede hiçbir sorun teşkil etmedi.
Danimarka şebekesi, Avrupa şebekesiyle büyük oranda bağlantılıdır. Rüzgâr gücünün yarıdan fazlasını Norveç'e göndererek şebeke yönetimi problemlerini çözmüş oldular. Elektrik gönderimi ve rüzgâr gücü arasındaki ilişki çok sıkıdır.

Öngörülebilirlik

Rüzgâr gücünden üretilen elektrik, birkaç farklı zaman aralığında, saatlik, günlük ve mevsimlik olarak yüksek oranda değişebilir.  Rüzgâr santrali yatırımı yapılmadan önce bölgede ölçün direkleri vasıtasıyla en az 1 senelik ölçümler yapılır ve bölgenin ortalama rüzgâr hızı elde edilir, yatırım bu ortalama hıza göre yapılır. Analiz programları ile mikro analizler yapılarak bölgedeki rüzgâr açısından en verimli noktalar seçilir, bu sayede kesintiler en aza indirilir.  
RES'ler de diğer elektrik santralleri gibi belli bir talep ve tarife ile şebekeye elektrik satarlar. Diğer santrallerin aksine RES'lerde enerji üretimi rüzgârın anlık durumuna bağlı olduğundan rüzgâr tahminleri ciddi önem arz etmektedir. 
Türkiye'de Lisanlı ve Lisanssız sektör olarak ikiye ayrılmıştır. Lisanslı sektör 1 MW (megawatt) üzeri santralleri kapsar ve burada tarifelendirme yapılmaktadır ancak 1 MW altında elektrik üreten santraller doğrudan şebekeye verilebilir. Bu sebeple lisanslı RES'lerde öngörülebilirlik anlık olarak önem kazanmaktadır.

Türbin yerleşimi

Rüzgâr türbin yerlerinin iyi tespit edilmesi rüzgâr gücünün ekonomik kullanılması açısından kritik önem taşır. Rüzgârın kendi kullanılabilirliği bir tarafa, iletim hatlarının kullanılabilirliği, üretilen enerjinin değeri, bulunduğu yerin bedeli, yapıma ve işleme çevrenin vereceği tepkiler gibi diğer faktörlerde göz önüne alınmalıdır. Denizdeki yerleşimler, yapıları daha büyük inşa ederek, daha fazla yıllık yük faktörlerinin getirisiyle maliyeti dengeleyebilir. Rüzgâr tarla tasarımcıları, belirli bir rüzgâr tarlası tasarımında, bu tür sorunların tesirlerini tespit etmek için özel rüzgâr enerji yazılımı kullanır.
Rüzgâr güç yoğunluğu (WPD), belirli bir yerdeki rüzgârın etkin güçünün hesabıdır. Rüzgâr güç yoğunluğunun dağılımını gösteren bir harita, rüzgâr türbinleri uygun olarak yerleştirmek için başvurulacak ilk adımdır. Bir yerde ne kadar büyük WPD varsa, sınıflandırma o derece büyük olur. Rüzgâr gücünün 3'ten ( 50 m'lik rakımda 300–400W/m² ) 7'ye (50 m'lik rakımda 800–2000 W/m²) kadar olan sınıflandırmalarda genellikle rüzgâr güç arttırımı için uygunluk göz önünde bulundurulur...

Güç analizi

Daha düşük hızlarda maksimum gücü ulaşan türbinlerin boyutlarındaki artıştan dolayı üretilen enerji öngörülen kurulu güç kapasitesinden daha fazla artıyor. Yukarıdaki tabloya göre enerji, 2006 ve 2008 arasında iki kattan daha fazla artmasına rağmen aynı periyottaki kurulu kapasite %63 büyüdü.

Galeri

.