Küçük rüzgâr türbini

Küçük rüzgar türbini, rüzgar çiftlikleri'ndeki gibi büyük güçlü ticari rüzgar türbinlerinin aksine mikro elektrik üretimi için kullanılan rüzgar türbinidir.
Kanada Rüzgar Enerjisi Birliği (CanWEA) "Küçük rüzgar türbini" ni 1 (kW) -300 ( kW) arası güç aralığındaki türbin olarak tanımlar. Bu küçük türbinler tekne, karavan veya minyatür soğutma ünitesine 50 Watt güç verebilecek kadar az güçlü de olabilir. Küçük rüzgar türbinleri genellikle 0.5 (kW)ile 10 (kW) arası güçlerdedir.
IEC 61400 Standardı ise küçük rüzgar türbinlerini rotor süpürme alanı 200 m2den az ve 1000 Va. c.'nin veya 1500 Vd. c. altında voltaj üreten rüzgar türbinleri olarak tanımlar.
Küçük ünitelerin genellikle doğrudan tahrik jeneratörleri, doğru akım çıkışları, ömür boyu yeterli rulmanları ve türbini rüzgara doğru yönlendiren kuyruk kanatçıkları vardır. Daha büyük ve daha pahalı türbinlerin genellikle türbini rüzgara doğru aktif olarak çeviren dişlili güç aktarma organları ve alternatif akım çıkışları vardır. Bazı büyük rüzgar türbinlerinde de doğrudan tahrikli jeneratörleri kullanılır.
Tasarım
Kanatlar
Küçük ölçekli türbin kanatları genellikle çapındadır ve optimum rüzgar hızlarında 0.5-10 kW elektrik üretir.
Küçük rüzgar türbinlerinin çoğu geleneksel yatay eksenli rüzgar türbinleridir(HAWT). Bazı durumlarda, dikey eksenli rüzgar türbinlerinin (VAWT) basitlikleri nedeniyle bakım ve yerleştirmede işletme avantajları vardır ancak VAWT'ler HAWT'lerden daha az güvenilir ve rüzgarı elektriğe dönüştürmede daha az verimlidir. kanat uçlarının hızı ile rüzgarın hızı arasındaki orana uç hız oranı denir. Bu oran, optimal verimlilik noktasında tutulmalıdır. Yüksek kaldırma-sürükleme oranı genellikle verimliliği de artırır.
Kanat Malzemeleri
Karbon elyaf takviyeli polimerler, nanokompozitler, ve E-cam-polyester gibi bir dizi sentetik malzeme de kullanılır.
Doğal liflerin büyük kanatlarda istenmeyen kalite farkları, çok nem emicilikleri ve az ısıl kararlılıkları olsa da kırsal alan elektriklendirmesinde kullanılan az stresli küçük türbinlerde ve küçük ölçekli yenilenebilir sistemlerde yine de kullanılırlar.
Ahşap kanatlarda kullanılabilir. Ahşabın tipi bulunabilirlik, maliyet, büyüme süresi, ortalama yoğunluk, yüksek sertlik ve kırılma mukavemetine göre seçilmelidir.
Genellikle nemi azaltmak için kaplamalar kullanılır ve astarlı beyaz emayenin (ing:white enamel with primer) özellikle etkili olduğu bulunmuştur.
Sitka ladini pervanelerde kullanılır. Douglas Köknarı türbin kanatlarında kullanılmaktadır.
Nepalde Sal, Saur, Sisau, Uttish, Tuni, Adi ceviz, çam ve lakuri ağacı dahil olmak üzere kaplamalı ahşaptan yapılmış küçük kanatlı türbinler kullanılmaktadır.
Ahşabın ötesinde bambu esaslı kompozitler, bambu malzemeleri çevre dostu yapan az yoğunlukları ve karbon tutma kabiliyeti nedeniyle, hem büyük hem de küçük rüzgar türbinlerinde kullanılabilir. Ayrıca ahşaba göre bambu daha fazla kırılma tokluğuna, daha yüksek mukavemete, daha az işleme maliyetine ve hızlı büyüme oranına sahiptir. Malzeme konusunda devam eden gelişmeler, reçineleri ve hibrit bambu karbon elyaf malzemeleri ve reçinelerin kullanıldığı bambu laminatları kapsar.
Kenevir, keten, ahşap ve bambu, küçük türbinlerin kanatlarının yapımı için aday malzemelerdir.
Küçük rüzgar türbinlerinin çoğu geleneksel yatay eksenli rüzgar türbinlerdir, ancak dikey eksenli rüzgar türbinler de küçük rüzgar türbin pazarında paylarını artırmaktadır. WePower, Urban Green Energy, Helix Wind ve Windspire Energy gibi dikey eksenli rüzgar türbin üreticileri, önceki yıllarda satışlarını arttırdıklarını bildirmişlerdir.
Kurulum
Türbinin Yerleştirilmesi
Küçük rüzgar türbinleri, elektrik üretmeye başlaması için kesme hızı denilen minimum rüzgar hızı gerektirir. Bazı küçük rüzgar türbinleri daha düşük rüzgar hızlarında çalışacak şekilde tasarlanabilmesine rağmen kesim hızı genellikle, civarındadır.
Türbinler genellikle bulundukları seviyeyi yakındaki engellerin üzerine çıkarmak için bir kuleye yerleştirilir. Temel kurallardan biri, türbinlerin 150 m içinde her şeyden en az 9 m daha yüksekte olmasıdır.
Rüzgara karşı büyük engellerinden uzak yerler rüzgar türbinleri için daha iyi yerlerdir. Sınır tabaka rüzgar tünelinde yapılan ölçümler, yakındaki engellerle ilişkili önemli zararlı etkilerin, rüzgar yönünde engelin yüksekliğinin 80 katına kadar uzayabileceğini göstermiştir. Ancak bu aşırı bir durumdur. Küçük bir türbini koymak için başka bir yaklaşım, yakın engellerin yerel rüzgar koşullarını nasıl etkileyeceğini tahmin etmek için bir barınak modeli kullanmaktır. Bu tür modeller geneldir ve herhangi bir yere uygulanabilir. Genellikle gerçek rüzgar ölçümlerine dayanarak geliştirilirler ve olası bir türbin konumundaki ortalama rüzgar hızı ve türbülans seviyeleri gibi akış özelliklerini yakındaki herhangi bir engelin boyutunu, şeklini ve mesafesini dikkate alarak tahmin edebilirler.
Çatıya küçük rüzgar türbini yerleştirilebilir. Kurulum sorunları, çatı mukavemeti, titreşimi ve çatı çıkıntısının neden olduğu türbülanstır. Küçük çatı türbinleri türbülanstan muzdariptir ve kasaba ve şehirlerde nadiren büyük güç üretir.
Bazı üniteler, küçük rüzgar hareketlerine hassasiyete izin verecek, kentsel ortamdaki tipik ani rüzgarlara hızlı tepki izin verecek, 16 kg gibi hafif ve genellikle televizyon anteni gibi kolay montajda edilebilecek şekilde tasarlanır. Bunlardan birkaçının sesinin 1 metre uzaklıkta duyulmadığından sertifikalandırıldığı ifade edilmektedir.
Kablolama
Küçük rüzgar türbinleri için genellikle üç fazlı alternatif akım jeneratörleri kullanılır. Bazı modellerde tek fazlı jeneratör veya doğru akım çıkışı kullanılmasına rağmen eğilim indüksiyon tipi jeneratör kullanmaktır.
Üç fazlı AC kablosunu kayma bileziğinin içinden geçirip alıcı uca kadar getirdikten sonra, özellikle solar hybrid güç sistemlerinde aküyü doldurmak için AC'yi doğrultulmuş DC'ye dönüştürmede üç fazlı doğrultucu kullanılır. Doğrultucu, bimetal termik anahtarla etkinleştirilen bilgisayar fanı ekleme seçeneği ile soğutma için ısı emici'ye bağlanmalıdır.
Doğrultucunun DC ucu daha sonra akülere bağlanır. Bu bağlantı, güç kayıplarını önlemek için mümkün olduğunca kısa olmalıdır, genellikle akım izleme için arada şöntlü bir dijital wattmetre olmalıdır. Aküler daha sonra şebeke bağlantısı ve son kullanım için gücü sabit frekansta AC'ye dönüştüren bir invertöre bağlanır.
Dinamik fren, türbinin hasarlanmasını önlemek için aşırı rüzgarda direnç yükü aracılığıyla fazla enerjiyi boşaltarak rotor hızını düzenler. Dinamik fren direncine genellikle saptırma yükü veya boşaltma yükü denir. Dinamik frenleme, akülerin gerilimi belirli bir voltajın üzerine çıktığında etkinleştirilen ve boşaltma yükünü bir solenoid veya DC/DC katı hal rölesi (SSR röle) aracılığıyla açan denetleyiciyle yapılır. Parazitik salınımlardan kaçınmak için denetleyici, gecikme işlevi ekleyerek veya saptırma fonksiyonunu destekleyen iyi tasarlanmış bir PWM şarj denetleyicisi kullanarak uygun şekilde ayarlanmalıdır.
Güneş paneli kablosu gibi UV radyasyona ve sıcaklık dalgalanmalarına dayanıklı kablo, kablolamanın elementlere maruz kaldığı durumlarda kullanılmalıdır. Tüm sistemdeki kablo kesitleri, içinden geçen akım miktarına uygun olmalıdır. Telin uzunluğu ile doğrusal olarak artan direnci, toplam voltaj düşüşünün %2-5'inden fazla bir voltaj düşüşü yapmamalıdır.
Pazarlar
Japonya
Temmuz 2012'de, Japonyanın rüzgar ve güneş enerjisi üretimini artırmayı vadeden Japonya Sanayi Bakanı Yukio Edano tarafından onaylanan yeni bir tarife garantisi yürürlüğe girdi. Ülke, Mart 2011'de Fukuşima radyasyon krizine bir tepki olarak yenilenebilir enerji yatırımını artırmayı hedeflemektedir. Tarife garantisi, güneş panelleri ve küçük rüzgar türbinleri için geçerlidir ve hükümet tarafından belirlenen oranlarda yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektriği devlet tesislerinin geri almasını gerektirmektedir.
Küçük ölçekli rüzgar enerjisi (20 kW kapasiteden daha düşük türbinler) en az 57,75 JPY (kwh başına yaklaşık 0,74 USD) sübvanse edilecektir.
İngiltere
İngiltere'nin kırsal veya banliyö bölgelerindeki mülkler, yerel şebeke gücünü desteklemek için invertörlü bir rüzgar türbini seçebilir. İngiltere'nin Mikrojenerasyon Sertifikasyon Programı (MCS), nitelikli küçük rüzgar türbinlerinin sahiplerine besleme tarifeleri sunmaktadır.
Amerika Birleşik Devletleri
Amerikan Rüzgar Enerjisi Birliği (AWEA)'ya göre 2008 yılında ABDde küçük rüzgar türbinleri toplam enerji üretimine 17.3 MW elektrik üretim kapasitesi ekledi. Gücü 100 kW veya daha az kapasiteli rüzgar türbinleri olarak tanımlanan küçük rüzgar türbinlerinin iç pazardaki bu büyümesi, %78'lik artışa eşittir. AWEA'nın 2009 Mayıs ayı sonlarında yayınlanan "2009 Küçük Rüzgar Küresel Pazar Araştırması"na göre sanayi, üretim tesisi genişlemelerini finanse etmek için yeterli özel yatırımı çekebildiğinden, bu artış kısmen daha fazla üretim hacmine gitti. Ayrıca konut satışlarında artış, artan elektrik fiyatları ve rüzgar teknolojileri konusunda daha fazla kamuoyu bilinci de bu artışın diğer nedenleridir.
2019'da ABD'nin küçük rüzgar türbinlerine olan talebinin çoğu, uzak yerlerde enerji üretimi ve büyük ölçekli rüzgar enerjisi tesislerinde saha değerlendirmesi amaçlıydı.
ABD küçük rüzgar endüstrisi, küresel pazar payının yaklaşık yarısını kontrol ettiği için küresel pazardan da faydalanmaktadır. ABD'li üreticiler, Dünya çapında küçük rüzgar türbini tesislerine harcanan 156 milyon doların 77 milyon dolarını kazandı. 2008 yılında Dünyada toplam 38.7 MW küçük rüzgar enerjisi kapasiteli türbin kuruldu.
Amerika Birleşik Devletleri'nde, 19 eyalette ev sahipleri için satın alma fiyatını yüzde 50'ye kadar, watt başına 3 dolara indirebilecek teşvikler ve indirimler olmasına rağmen, 210 kW çıkışlı konut tipi rüzgar türbinlerinin genellikle 12,000$ ile 55,000$ arasında (watt başına 6$) kurulum maliyeti vardır.
ABD'li üretici Southwest Windpower, bir türbinin kendisini 5 ila 12 yıl içinde enerji tasarrufuyla amorti edeceğini tahmin etmektedir.
Özellikle Amerika Birleşik Devletleri'nde piyasadaki baskın modeller yatay eksenli rüzgar türbinleridir.
IEA Rüzgar Görevi 27 tarafından IEC TC88 MT2 ile işbirliği ile, müşterilerin küçük rüzgar türbini satın alımında bilinçli karar verebilmeleri için tüketici etiketleme yöntemi geliştirildi. 2011 yılında IEA Wind, bu etiketi uygulamak için gereken testleri ve yöntemleri açıklayan Önerilen Uygulamayı yayınladı.
Hırvatistan
Hırvatistan, elektrik şebekesine erişimi olmayan çok sayıda adası ve akdeniz iklimi nedenleriyle küçük rüzgar türbinleri için ideal pazardır. Az güneşli ancak çok rüzgarlı kış aylarında küçük rüzgar türbinleri, izole yenilenebilir enerji alanlarına (GSM, istasyonlara, marinalara vb.) harika bir katkıdır. Bu şekilde güneş ve rüzgar enerjisi yıl boyunca buralara enerji verirler.
Almanya
Almanya'da her zaman küçük rüzgar türbinleri için tarife, büyük türbinlerle aynıdır. Almanya'da küçük rüzgar türbin sektörünün yavaş gelişmesinin ana nedeni budur. Buna karşılık, Almanya'da küçük fotovoltaik sistemler kilovat saat başına 50 Euro-Cent'in üzerinde yüksek bir tarife ücretinden yararlandı.
Ağustos 2014'te, rüzgar türbinleri için besleme tarifelerini de etkileyen Alman yenilenebilir enerji yasası düzeltildi. 20 yıllığına 50 kilovatın altındaki küçük rüzgar türbini işletilmesi tarifesi 8.5 Euro-Cent'dir.
Almanya'da düşük tarife garantisi ve yüksek elektrik fiyatları nedeniyle, küçük rüzgar türbininin ekonomik çalışması, türbin tarafından üretilen elektriğin yüksek öz tüketim oranına bağlıdır. Özel hanehalkları elektrik için kilowatt saat başına ortalama 28 sent öder (% 19 KDV dahil).
Alman yenilenebilir enerji yasası 2014'ün bir parçası olarak, ağustos 2014'te kendi kendine tüketilen elektrik ücretini belirledi. Yönetmelik, 10 kilowatt'ın altındaki küçük enerji santralleri için geçerli değildir. 1,87 Euro-Cent ücret düşüktür.
Kendi Kendine Yap (DIY) tarzı Türbin Yapımı
Bazı hobiciler hazır satılan hobi setlerinden veya sıfırdan rüzgar türbinleri yapmaktadır. Bu DIY (ingilizce: Do It Yourselfin baş harfleriyle yapılan kısaltmadır ve kendi kendine yap demektir) rüzgar türbinleri genellikle gücü 1 kWa eşit veya daha az güçlü türbinlerdir. Bu küçük rüzgar türbinleri genellikle yukarı eğik veya sabit gergili kulelidir.
Kendin yap veya DIY-rüzgar türbini yapımı OtherPower ve Home Power gibi dergiler tarafından popüler hale getirildi.
Practical Action gibi kuruluşlar gelişmekte olan ülkelerdeki topluluklar tarafından kolayca inşa edilebilen DIY rüzgar türbinleri tasarladı ve bunun nasıl yapılacağına dair somut belgeler sağlamaktadır.
Yerel küçük rüzgar türbinleri
DIY küçük rüzgar türbin tasarımları 1970'lerin başına kadar uzanmaktadır ve 1970'lerin sonlarında Amerika Birleşik Devletleri ve Avrupa'da toprağa dönüş hareketi ile daha da geliştirildi.
2000 yılında Practical Action, İskoçya'da uzak, şebekeden bağımsız kırsal Scoraig toplumunda rüzgardan elektrik kullanımında 20 yıldan fazla deneyimli küçük rüzgar enerjisinde çok tanınan uzman Hugh Piggott, Hugh Piggott, ile gelişmekte olan ülkelerde 200W küçük rüzgar türbinin yerel üretimi için tasarım kılavuzu hazırlamak için sözleşme imzaladı. Sonraki yıllarda Hugh Piggott, DIY meraklılarının küçük rüzgar türbinlerini nasıl inşa edeceklerini öğrendikleri Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'nde uygulamalı yapım atölyeleri düzenlerken tasarım kılavuzunu geliştirmeye devam etti. Yavaş yavaş çoğunlukla yerel malzemeler kullanarak, basit tezgah üstü aletlerle ve tekniklerle yerel üretilebilen bir tasarım geliştirdi.
Piggott 2008'de rotor çapları 1.2 m ila 4.2 m arasında değişen (nominal güçleri sırasıyla 200 W ila 3 kW arasında) altı küçük rüzgar türbininin adım adım nasıl yapılacağını anlatan "Rüzgar Türbini Tarif Kitabı: Eksenel Akılı Rüzgar Türbini Planları" kitabını yayınladı. Bu rüzgar türbinlerinin üretiminde kullanılan tüm malzemeler uzman bayilerden sipariş edilmesi gereken mıknatıslar dışında çoğusu orta büyüklükte bir kasabanın yerel piyasasında bulunabilir.