Rüzgâr türbini

Rüzgar türbini, rüzgardaki 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.
Rüzgar türbini genellikle kule, kanatlar, rotor, dişli kutusu, generatör (alternatör), elektrik-elektronik elemanlardan oluşur. Rüzgarın 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.
Rüzgar türbinlerinin nasıl çalıştığını anlamak için iki önemli aerodinamik kuvvet iyi bilinmelidir. Bunlar sürükleme ve kaldırma kuvvetleridir.
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.
Tarihçe
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.
1930'lara gelindiğinde, elektrik için rüzgar jeneratörleri, çoğunlukla dağıtım sistemlerinin henüz kurulmadığı Amerika Birleşik Devletleri'nde çiftliklerde yaygındı.
Modern yatay eksenli rüzgar jeneratörlerinin öncüsü 1931 yılında SSCB'nin Yalta kentinde hizmete girmiştir.
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.
Sınıflandırma
Kullanımdaki rüzgar türbinleri boyut ve tip olarak çok çeşitlilik gösterse de genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre "Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri" (YERT) ve "Dikey Eksenli Rüzgar 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.
Yatay eksenli rüzgar türbinleri (YERT)
Bu tip türbinlerde dönme ekseni rüzgar yönüne paraleldir. Kanatları ise rüzgar yönüyle dik açı yaparlar. Ticari türbinler genellikle yatay eksenlidir. Rotor, rüzgarı en iyi alacak şekilde, döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir.
Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgarı önden alacak şekilde tasarlanır. Rüzgarı arkadan alan türbinlerin yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgarı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgar gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgara bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır.
Yatay eksenli türbinlere örnek olarak pervane tipi rüzgar 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.
Düşey eksenli rüzgar türbinleri (DERT)
Türbin mili düşeydir ve rüzgarın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi gibi çeşitleri vardır. Daha çok deney amaçlı üretilmiştir. Ticari kullanımı çok azdır.
Bu türbinlerin üstünlükleri şöyle sıralanabilir:
Generatör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için, türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez, böylece kule masrafı olmaz.
Türbini rüzgar yönüne çevirmeye, dolayısıyla dümen sistemine ihtiyaç yoktur.
Türbin mili hariç diğer parçaların bakım ve onarımı kolaydır.
Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır.
Darrieus tipi
Darrieus tipi rüzgar türbini, Fransız havacılık mühendisi Georges Jean Marie Darrieus tarafından 1931'de patentlenmiştir. Rüzgarın taşıdığı enerjiden elektrik üretmek için kullanılan bir "Dikey Eksenli Rüzgar Türbini"dir (DERT). Türbin dikey bir şafta monte edilmiş birkaç adet kıvrımlı aerofoil kanattan oluşur.
Savonius tipi
Savonius rüzgar türbinleri, Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri sınıfına girmektedir, rüzgar 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.
Rüzgar gücü hesabı
Rüzgar gücü mümkün rüzgar enerjisinin bir ölçümüdür. Rüzgar gücü, rüzgar hızının kübünün bir fonksiyonudur. Eğer rüzgar hızı iki misline çıkarsa rüzgardaki enerji sekiz faktörü ile artar (23). Bunun anlamı şudur; rüzgar hızındaki küçük değişiklikler rüzgar enerjisinde büyük değişikliklere neden olurlar.
Örneğin, 12.6 m/s hızındaki bir rüzgar ile üretilebilecek enerji miktarı, 10 m/s hızındaki bir rüzgardan üretilebilecek enerjinin 2 katıdır. (10 = 1000, 12.63 = 2000).
Yer seçimi veya ölçüm hataları ile yapılabilecek küçük rüzgar hızı hataları bir rüzgar türbini yatırımında büyük hatalara neden olabilmektedir. Bu nedenle, rüzgar türbini satın almadan önce, doğru ve sürekli bir rüzgar çalışması yapılmalıdır. Ekonomik olarak uygulanabilir olması için, bir rüzgar türbini kurulacak yerde yıllık ortalama en az 5.4 m/s (12 mph) rüzgar hızı olmalıdır.
Rüzgardaki Mümkün Güç Miktarı
W = 0.5 r A v3 eşitliği ile verilir.
W: güç/enerji
r: hava yoğunluğu
A: kanat alanı
v: rüzgar hızı
Hava yoğunluğu yükseklikle, sıcaklıkla ve hava cepheleri ile değişir. Rüzgar gücü hesaplamalarında, hava cephelerinin etkisi önemsenmeyecek kadar küçüktür, böylece hava yoğunluğu formülü şöyledir:
P = 1.325 P/T
T: Fahrenheit + 459.69 olarak sıcaklık
P: Yüksekliğe göre düzeltilmiş Mercury basıncı (inch)
Tipik ortalama hava sıcaklığı (59 F) deniz seviyesine indirgenerek hava yoğunluğu için bir standart değer kullanılabilir. Bu durumda güç eşitliği basit olarak aşağıdaki hale gelir:
Basitleştirilmiş Güç Eşitliği
Metrik Birimler
W = 0.625 A v3
W: Güç (watt)
V: Rüzgar hızı (m/s)
A: Rüzgar türbini kanatları tarafından süpürülen alan (m2)
A = Π r2
r: Rotor yarıçapı (m)
Basitleştirilmiş güç eşitliği denklemi, rüzgar turbinenden elde edilecek gücün amprik olarak hesaplanabilmesi için türetilmiştir. Bu denklemden anlaşılabileceği gibi, bir sistemden elde edilecek enerji, rüzgar hızının kübü ile doğru orantılıdır. Ayrıca elde edilecek güç, rüzgar türbin kanatlarının süpürdüğü alan dolayısıyla rotor yarıçapının karesi ile orantılıdır.