Rüzgar enerji sistemlerinde enerji verimliliğinin arttırılması ve simülasyonu
Increase and simulation of energy efficiency in wind energy systems
Yazar: RESUL ÜNAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SONER ÖZGÜNEL
Haliç Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Rüzgar dünyada oluşan sıcaklık değişimlerinin sonucunda atmosferde
meydana gelmektedir. Isınan havanın düşük basınç ile karşılaşarak yükselmesi, yüksek
basınçlı ve soğuk olan havanın ortama giriş yapmasına sebebiyet vermektedir. Bu yolla
ortamda bulunan hava basıncı eşitlenmeye çalışılırken hava akışı ortaya çıkmakta ve
rüzgar oluşmaktadır. Rüzgar türbinlerinin kullanılmasının sebebi de havada meydana
gelen bu hareket enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlamaktır. Bu
bağlamda rüzgar türbinlerinin rüzgar açısından elverişli alanlara kurulması önem arz
etmektedir. Rüzgarın yetersiz kaldığı alanlara rüzgar türbinleri kurulması halinde
türbin kanatları hareket oluşturamayacak ve elektrik enerjisi üretilemeyecektir. Bu
nedenle rüzgar türbinlerinin yerleştirildiği alanlar sistemin verimli çalışmasında
oldukça mühimdir.
Rüzgarın barındırdığı kinetik enerji miktarının elektrik enerjisine
dönüştürülme düzeyi kullanılmakta olan türbin sisteminin verimliliğini
göstermektedir. 1919 senesinde Albert Betz gerçekleştirdiği araştırmalar sonucunda
rüzgar türbininin ulaşabileceği maksimum verimliliğin %59,6 olabileceğini
göstermiştir. Fakat bu durum gerçek hayatta farklılık göstermektedir. Wind Watch
rüzgar türbininin ulaşabileceği maksimum verimin %50 olduğunu belirtmektedir.
Bununla birlikte Avustralya hükümeti tarafından yayımlanmış olan bir belgede de
rüzgar türbinlerinin ulaşabileceği maksimum verimlilik düzeyinin %50'den fazla
olamayacağı belirtilmiştir.
Rüzgar enerjisiyle alakalı diğer bir kavram da rüzgar kapasitesidir. Bu kavram
belli bir zaman diliminde üretilen gücün mekanizmanın kurulu gücüne oranı
sonucunda elde edilen değeri ifade etmektedir. Bu durumun mekanizmanın kurulmuş
olduğu alana ve çalışma zamanlarına göre farklılaştığını söylemek mümkündür.
Rüzgar kapasitesinin, rüzgar türbini mekanizmalarında önemli bir konumda
olmasından kaynaklı olarak rüzgar şartlarının olabildiğince uygun olması önem arz
etmektedir. Rüzgar türbinleri kurulurken bu şartların dikkate alınması gerekir aksi
durumda rüzgar enerjisi sistemlerinin verimiyle ilgili sorunlar ile karşı karşıya
kalınabilir.
Rüzgar türbinleri sistemlerindeki verimlilik üzerinde etkili olan üç etken daha
bulunmaktadır. Bunlar; türbinin boyutu, havanın yoğunluğu ve rüzgar hızıdır. Wind
Watch yaklaşık 13,5 m/sn'den az olan rüzgar hızının üretebileceği enerjinin oldukça
az olacağını belirtmektedir. Open Information Extraction rüzgar hızında gerçekleşecek
minimal artışlarda bile üretilen elektriksel gücün mühim düzeyde artacağını
belirtmektedir. Bu da üretilen enerjinin, rüzgar hızının küpü ile doğru orantılı olarak
artmasından kaynaklanmaktadır.
Tüm bunlarla birlikte hava yoğunluğundaki değişiklikler de sistemsel verimlilik
üzerinde etkili olmaktadır. Hava yoğunluğu deniz seviyesinde ve soğuk alanlarda
diğerlerine oranla daha yüksektir. Bu nedenle off-shore rüzgar türbini kullanımı da
günden güne artmaktadır.
Rüzgar türbinlerinin boyutu da sistemsel verimlilikte etkili olan bir diğer
unsurdur. Daha geniş ve uzun yapıdaki rüzgar türbinleri daha fazla rüzgarı besleme
imkanı sağlayacağından, yere olanlara oranla daha yüksek verim sunmaktadır. Fakat
rüzgar türbinlerine ait boyutların büyütülmesinin sonucu olarak ortaya maliyet artışı
çıkacağını göz ardı etmemek gerekmektedir. Bu nedenle türbinlere ait boyutlar
düzenlenirken mali şartların dikkate alınması gerekmektedir.

Anahtar Kelimeler: Rüzgar, Rüzgar Türbini, Enerji Verimliliği, Rüzgar Enerjisi

Abstract:
Wind occurs in the atmosphere as a result of temperature changes in the world.
The rising of the heated air encountering low pressure causes the high pressure and
cold air to enter the environment. In this way, while trying to equalize the air pressure
in the environment, air flow emerges and wind is formed. The reason for using wind
turbines is to convert this motion energy in the air into electrical energy. In this context,
it is important to install wind turbines in wind-friendly areas. If wind turbines are
installed in areas where the wind is insufficient, the turbine blades will not be able to
create movement and electrical energy will not be produced. For this reason, the areas
where the wind turbines are placed are very important for the efficient operation of the
system.
The level of conversion of the amount of kinetic energy of the wind into
electrical energy shows the efficiency of the turbine system in use. As a result of his
research in 1919, Albert Betz showed that the maximum efficiency that a wind turbine
can reach can be 59.6%. But this situation differs in real life. Wind Watch states that
the maximum efficiency that the wind turbine can achieve is 50%. However, in a
document published by the Australian government, it is stated that the maximum
efficiency level that wind turbines can achieve cannot be more than 50%.
Another concept related to wind energy is wind capacity. This concept expresses
the value obtained as a result of the ratio of the power produced in a certain time period
to the installed power of the mechanism. It is possible to say that this situation differs
according to the area where the mechanism is established and the working times. Since
the wind capacity is in an important position in the wind turbine mechanisms, it is
important that the wind conditions are as suitable as possible. These conditions must
be taken into account when installing wind turbines, otherwise problems with the
efficiency of wind energy systems may be encountered.
There are three other factors that affect the efficiency of wind turbine systems.
These; turbine size, air density and wind speed. Wind Watch states that less than about
13.5 m/sec wind speed will generate very little energy. Open Information Extraction
states that even with minimal increases in wind speed, the electrical power generated
will increase significantly. This is due to the fact that the energy produced increases in
direct proportion to the cube of the wind speed. In addition to all these, changes in air
density also have an impact on systemic efficiency.
Air density is higher at sea level and in cold areas compared to others. For this
reason, the use of off-shore wind turbines is increasing day by day. The size of the
wind turbines is another factor that affects the system efficiency. Wider and longer
wind turbines will provide more wind power supply, and thus offer higher efficiency
than ground ones. However, it should not be ignored that there will be an increase in
costs as a result of enlarging the dimensions of the wind turbines. For this reason, it is
necessary to take into account the financial conditions while arranging the dimensions
of the turbines.

Keywords: Wind, Wind Turbine, Energy Efficiency, Wind Energy