Rüzgâr gücü

Rüzgar gücü, elektrik üretmek için rüzgar türbinleri, mekaniksel güç için yel değirmeni, su veya kuyu pompalama için rüzgar pompaları veya gemileri yürütmek için yelkenler kullanarak rüzgarın kullanışlı formundaki rüzgar enerjisinin sonucudur.
2022 itibarıyla dünya çapındaki rüzgar enerji santrallerinin (RES) elektrik üretimi 2000 TWs'a (terawattsaat) ulaşmıştır. Bu da dünyada kullanılan elektriğin %7si anlamına gelmektedir.
Tarihçe
İnsanlar yelkenlileri hareket ettirmek ve gemileri yürütmek için en az 5500 yıldan beri rüzgarın gücünden faydalanıyor. Yeldeğirmenleri, sulama işlemi ve tahıl ezmek için 7. yüzyıldan beri Afganistan, İran ve Pakistanda kullanılıyor.
1887 Temmuz ayında İskoç Akademisyen Profesör James Blyth rüzgar gücü ile elektrik üreten ilk değirmeni inşa etti ve 1891de İngilterede patent aldı. 1887-88de Amerika Birleşik Devletlerinde, 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. 1890larda Danimarkalı bilim insanı 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. 2015 itibarıyla, Danimarka elektriğinin %40'ını rüzgardan elde etti ve dünya etrafındaki en az 83 diğer ülke elektrik şebekesini rüzgar enerjisi ile destekledi.
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.
Rüzgar enerjisi
Rüzgar enerjisi hareket halindeki havanın kinetik enerjisidir. Hayali bir A alanına t zamanında ilerleyen toplam rüzgar enerjisi:
E = A. v. t. ρ. 1⁄2 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. 1⁄2 v2).
Toplam rüzgar gücü ise:
P = E / t = A. ρ. 1⁄2 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 yeryüzüne 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.
Rüzgar hızının dağılımı
Farklı rüzgar kuvvetleri ve belli bir yerdeki ortalama değer bir rüzgar türbininin yalnızca orada üretilebilir enerjisinin miktarını göstermez. Belli bir alandaki rüzgar hızının frekansını belirlemek için, olası bir dağılım fonksiyonu gözlenen veriye göre uyarlanır. Farklı alanlarda farklı rüzgar hız dağılımı vardır. Weibull modeli birçok yerdeki saatlik rüzgar hızlarının gerçek dağılımını yaklaşık olarak yansıdır. Weibull faktörü yaklaşık olarak 2dir ve bu yüzden Rayleigh dağılımı daha az bir doğruluk olarak kullanılabilir, fakat daha basit modeldir.
Rüzgar Tarlaları
Rüzgar Türbini
Rüzgar türbinleri, rüzgardaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Bir rüzgar türbini genel olarak kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrik-elektronik elemanlar ve pervaneden oluşur. Rüzgarın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Pervane milinin devir hareketi hızlandırılarak gövdedeki jeneratöre aktarılır. Jeneratörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.
Kullanımdaki rüzgar türbinleri boyut ve tip olarak çeşitlilik gösterse de, genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri (YERT), "Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri (DERT) ve "Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri" (EERT) olmak üzere üç sınıfa ayrılırlar.
Elektrik üretimi
Bir rüzgar 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
Rüzgar gücü için sıklıkla kullanılan indüksiyon jeneratörler, ikazlama için reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden, güç faktörü düzeltme için sağlam kondansatör bankalarını içeren rüzgar güç düzeltme sistemlerinde şalt sahasına ihtiyaç vardır. Rüzgar türbin jeneratörlerinin farklı türleri, şebekeye iletim esnasında farklı davranır. Bu yüzden, yeni bir rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar tarla geliştiricisi ile bağlantı kurmalıdır. Bu gereçler, güç faktörü, sabit frekans ve sistem hataları esnasındaki rüzgar 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. Rüzgar hızı değişken olduğu için rüzgar 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 MWlık 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 rüzgarın doğal özelliğiyle sınırlıdır.
Etki
Rüzgar enerji etkisi, rüzgar tarafından üretilen enerjinin, jeneratörün kullanılabilir toplam kapasitesi ile karşılaştırılmasıdır. Genellikle rüzgar 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, rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar 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 rüzgar enerjisinden sağlandı. Bu durum şebekede hiçbir sorun teşkil etmedi.
Danimarka şebekesi, Avrupa şebekesiyle büyük oranda bağlantılıdır. Rüzgar gücünün yarıdan fazlasını Norveç'e göndererek şebeke yönetimi problemlerini çözmüş oldular. Elektrik gönderimi ve rüzgar gücü arasındaki ilişki çok sıkıdır.
Öngörülebilirlik
Rüzgar gücünden üretilen elektrik, birkaç farklı zaman aralığında, saatlik, günlük ve mevsimlik olarak yüksek oranda değişebilir. Rüzgar santrali yatırımı yapılmadan önce bölgede ölçün direkleri vasıtasıyla en az 1 senelik ölçümler yapılır ve bölgenin ortalama rüzgar hızı elde edilir, yatırım bu ortalama hıza göre yapılır. Analiz programları ile mikro analizler yapılarak bölgedeki rüzgar 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 rüzgarın anlık durumuna bağlı olduğundan rüzgar 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
Rüzgar türbin yerlerinin iyi tespit edilmesi rüzgar gücünün ekonomik kullanılması açısından kritik önem taşır. Rüzgarın 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. Rüzgar tarla tasarımcıları, belirli bir rüzgar tarlası tasarımında, bu tür sorunların tesirlerini tespit etmek için özel rüzgar enerji yazılımı kullanır.
Rüzgar güç yoğunluğu (WPD), belirli bir yerdeki rüzgarın etkin güçünün hesabıdır. Rüzgar güç yoğunluğunun dağılımını gösteren bir harita, rüzgar türbinleri uygun olarak yerleştirmek için başvurulacak ilk adımdır. Bir yerde ne kadar büyük WPD varsa, sınıflandırma o derece büyük olur. Rüzgar gücünün 3'ten (50 m'lik rakımda 300400W/m2) 7'ye (50 m'lik rakımda 8002000 W/m2) kadar olan sınıflandırmalarda genellikle rüzgar güç arttırımı için uygunluk göz önünde bulundurulur...
Rüzgar gücü kullanımı
Dünyadaki durum
Rüzgar gücü, dünyada kullanımı en çok artan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri haline gelmiştir. Günümüzde dünyadaki kullanım oranının çok düşük olmasına karşılık, 2020 yılında dünya elektrik talebinin %12'sinin rüzgar enerjisinden karşılanması için çalışmalar yapılmaktadır.
Dünya Enerji Konseyi tarafından yayınlanmış çalışmaya göre; 5.1 m/s üzeri rüzgar hızlarına sahip bölgelerin uygulamaya dönük ve toplumsal kısıtlar nedeni ile %4'nün kullanılacağı kabul edilerek, dünya rüzgar enerjisi teknik potansiyeli 53,000 TWh/yıl olarak hesaplanmıştır. Dünya'da 2012 yılı sonu yıllık rüzgar enerjisi üretimi 557 TWh/yıl olup enerji üretimi içerisindeki payı %2.6'dır.
2015 itibarıyla %36,25'lik bölümü Avrupa'da olan 369,553 MW'lık toplam kurulu güç kapasitesi vardır. Bu güç, binlerce rüzgar türbininden üretiliyor. Dünyada rüzgar üretim kapasitesi 2000 ile 2006 yılları arasında dört kattan daha fazla arttı. Kurulu rüzgar gücünün %57.34'ü Kuzey Amerika ve Avrupa'dadır. En büyük üretici olan beş ülkenin 2004'te %71'lik, 2006'da %62'lik ve 2008'de %73'lük payları vardır. Bu ülkeler; Birleşik Devletler, Almanya, İspanya, Çin ve Hindistan'dır.
Birleşik Devletler şebekesine, güç kapasitesini 2007'de %45 arttırarak 16.8 GW'lık enerjiyi şebekesine ekleyerek, Almanya'nın 2008'deki kurulu gücünü geride bıraktı. Böylece diğer ülkelerden daha fazla rüzgar enerjisini şebekesine eklemiş oldu. Kaliforniya, modern rüzgar güç endüstrisinde patlama gösterenlerden birisidir. Kurulu güçte birçok yıl Birleşik Devletlere önderlik yaptı. Ta ki 2006'nın sonunda Teksas liderliği eline alıncaya kadar. 2008 sonunda 7,116 MW'lık kurulu gücü vardır. Bu da eğer ülkeden ayrı olarak düşünürsek dünyada altıncı sıraydı. Birleşik Devletler rüzgar güç üretiminde Şubat 2006'dan Şubat 2007'ye kadar %31,8 büyüdü. Ortalama bir MW'lık rüzgar gücü, yaklaşık 250 Amerikan hanesinin elektrik tüketimine eşittir. Amerika Rüzgar Enerji Birliği kayıtlarına göre 2008'de rüzgardan elde edilen elektrik %1'lik haneyi (4.5 milyon haneye eşdeğerdir) kaplıyorken, 1999'da sadece %0.1'lik haneyi kaplıyordu.
Çin 2020'deki yenilenebilir enerji kaynaklarındaki üretim hedefini 30.000 MW olarak açıkladı. Fakat 2009 sonu itibarıyla 22,500 MW'a ulaştı. 2020'de öngörülen değer 253,000 MW'ı aşacak gibi. Çin yenilenebilir enerji kanunu Kasım 2004'te kabul edildi. Ardından Dünya Rüzgar Enerji Konferansı Çin tarafından düzenlendi ve Dünya Rüzgar Enerji Birliğine katıldı. 2008'de rüzgar gücü hükumetin planladığından ve diğer büyük ülkelerden daha hızlı büyüdü. 2005'ten itibaren her yıl iki kattan daha fazla artış gösterdi. 2010 itibarıyla öngörülen kurulu kapasite 114,763 MW'a yakındır.
Hindistan, 2009 yılında 10,925 MW'lık toplam rüzgar güç kapasitesiyle dünyanın beşinci büyük ülkesiydi. Bu da, Hindistan'da üretilen toplam elektriğin %3'üne denk geliyor. Kasım 2006'da Yeni Delhi'deki Dünya Rüzgar gücü Konferansı, Hindistan rüzgar güç endüstrisine ek ivme kazandırdı. Tamil Nadu şehrinin Muppandal köyü yakınlarında birkaç rüzgar türbin tarlası vardır ve burası Hindistan'daki büyük rüzgar enerji merkezlerinden biridir.
Meksika, tüketilen fosil yakıtlarının azaltmaya yönelik olarak son zamanlarda La Venta II rüzgar güç projesini başlattı. 88 MW'lık proje Meksika'nın ilk rüzgar üretim girişimidir ve Oaxaca şehrinin elektrik ihtiyacının %13'ünü karşılayacak. 2012'de proje 3,500 MW'a çıkacak. Sempra Enerji, Baja Kaliforniya'da en az 1000 MW'lık bir projeyi 5.5 milyar dolarlık maliyetle gerçekleştireceğini duyurdu.
Büyüyen diğer pazar Brezilya, 143 GW'lık potansiyele sahip rüzgar gücü bulunuyor.
Güney Africa, Olifants Nehri açıklarının kuzeyindeki Koekenaap kasabasının yakınında Batı Cape şehrindeki Vredental'ın doğusunda Batı Sahilinde bir istasyon kurdu. Toplam çıkış gücü 100 MW'tır. Bu kapasiteyi ikiye katlamak için görüşmeler yapılıyor.
Fransa, 2010 itibarıyla 12,500 MW kurulu güce sahip olmayı hedefliyordu 2015 yılı itibarıyla bu rakam 9,285 MW'ta kalmıştır.
Kanada rüzgar kapasitesini 2000 ile 2006 arasında hızlı bir şeklide arttırarak 137 MW'dan 1451 MW'a çıkarttı. Bu da yıllık %38'lik bir büyümeye denk geliyor. Özellikle en hızlı büyüme 2006'da görülerek 2005 sonundaki 684 MW'lık üretimi ikiye katladı. Bu büyüme, yükleme hedefleri ekonomik teşvik ve politik destekle beraber beslendi. Örneğin, Ontario eyaleti rüzgar gücü için vergi indirimine gitti...
Türkiye'deki Durum

Türkiye'de yer seviyesinden 50 metre yükseklikte ve 7.5 m/s üzeri rüzgar hızlarına sahip alanlarda kilometrekare başına 5 MW gücünde rüzgar santralı kurulabileceği kabul edilmiştir. Bu kabuller ışığında, orta-ölçekli sayısal hava tahmin modeli ve mikro-ölçekli rüzgar akış modeli kullanılarak üretilen rüzgar kaynak bilgilerinin verildiği Rüzgar Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA) hazırlanmıştır. Türkiye ekonomik rüzgar enerjisi potansiyeli 44,000 MW olarak belirlenmiştir. Rüzgar sınıflarına göre dağılımında Türkiye'nin rüzgar enerjisinden elde edebileceği enerjinin potansiyeli yaklaşık 88,000 MW'tır. Bu potansiyele karşılık gelen toplam alan Türkiye yüz ölçümünün %1.30'una denk gelmektedir. 2014 yılında rüzgar ile elektrik üretimi, Türkiye toplam tüketiminin %3.27 sini karşılamıştır ve 8367 GWh rüzgardan elektrik üretmiştir. 2015 yılı ilk 11 ayında tüketim karşılama oranı %4.37 seviyesindedir. 2015 Temmuz itibarıyla işletmede olan rüzgar enerji santralarının kurulu gücü ise 4,192.8 MW'dır.
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
.