• Sonuç bulunamadı

1.2 Rüzgâr Enerjisi

1.2.2 Rüzgâr Türbinleri

Rüzgâr enerjisinden faydalanan rüzgâr türbinleri (veya değirmenleri) en az 3000 yıldır kullanılmaktadır. Eski dönemlerde kullanım alanı genelde hububat taşlamak ve su pompalamaktı. Bunun yanında eski Mısır’da rüzgâr enerjisinin yelkenli gemilerde kullanımı bundan da eskilere dayanır. Daha modern anlamda, 13. yüzyıldan başlayarak yatay eksenli rüzgâr türbinlerinin kırsal alanlarda kullanımı giderek yaygınlaşmıştır. Rüzgâr türbinlerinin kullanımı fosil yakıtlarla çalışan makinelerin kullanımın artmasından sonra azalmaya başlarken kırsal kesimlere ulusal elektrik altyapısının ulaşmasıyla tamamen bitme noktasına gelmiştir.

Rüzgâr türbinlerinin elektrik enerjisi üretmede kullanımı 1891’de ABD’deki Brush kentinde kurulan 12kW gücünde doğru akım üreten ve Danimarka’da La Cour tarafından planlanan rüzgâr türbini ile başlar. 20. yüzyılın çoğunda elektrik altyapısı ulaşmamış kırsal kesimlerdeki pilleri şarj etmekte kullanılanların dışında rüzgâr türbinlerinin yaygın bir kullanımı olmamıştır. Bu konudaki önemli bir istisna ise 1941’de ABD’de kurulan 53m rotor çapında ve 1250kW gücündeki Smith-Putham rüzgâr türbinidir. Bu türbin, yaklaşık 40 yıl boyunca büyüklüğü konusundaki liderliği elinde tutmayı başarmıştır. 1970’lerde petrol fiyatlarının ani yükselişiyle birlikte rüzgâr türbinlerine olan ilgide artış olmuştur.

Rüzgâr türbinleri eksenlerine göre yatay ve dikey olmak üzere ikiye ayrılırlar. Günümüzde en yaygın kullanılan sistemler yatay eksenli türbinlerdir. 70ler’den sonra rüzgâr türbinlerinin optimizasyonu hakkında çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Rüzgâr tarlaları kurulurken az sayıda fakat daha büyük kapasitede mi yoksa küçük ve çok sayıda türbin mi sorusuna cevap aranmıştır. Her iki uygulamanın da çeşitli avantajları ve dezavantajlarının olduğu görülmüştür. Fakat ekonomik açıdan büyük türbin uygulamaları başarılı olmakta ve her geçen gün daha büyük türbinler üretilmektedir. Örneğin; rotor çapının 30m’den 60m’ye çıkması türbin gücünü 4 kat arttırmaktadır. Aynı zamanda türbinlerin yatay ve dikey şekilde olması da ayrı bir tartışma konusu olmuştur. Kanat sayıları da bir dönem tartışılmıştır. İki kanatlı türbin üreticileri tilt (darbe) etkisi nedeniyle rotor miline aşırı yük etki etmesinden dolayı tasarımda zorlanmışlardır. İki kanatlı türbinlerin üç kanatlılar kadar enerji üretmeleri için daha hızlı dönmeleri gerekmektedir. Bu da gürültü ve dayanım problemlerine neden olmaktadır. Çeşitli uygulamaların sonunda neredeyse tüm türbin teknolojisi üreten firmalar Danimarka Tipi olarak kabul edilen üç kanatlı dikey tip ile ilgili çalışma yapmaktadırlar.

sınıflandırılırlar. Offshore türbinler ile üretilen enerji, kurulumundaki ve bakımındaki fazla maliyetler nedeniyle karasal türbinler ile üretilen enerjiden 2007 yılı itibarı ile yaklaşık 1,5 kat daha pahalıya mal olmaktadır [2]. Yine de, offshore rüzgâr tarlaları etkisi altında kaldıkları rüzgârın kalitesi nedeniyle karadakilere oranla daha kararlı ve fazla elektrik enerjisi üretirler. Ayrıca, deniz üstünde gürültü bir sorun olmayışından ötürü türbinler karadakilere oranla daha yüksek hızlarda çalıştırılabilirler. Bu ise, türbin tasarımına ve kontrolüne bir kolaylık getirmektedir. Bu sebeple su derinliğinin ve trafiğinin izin verdiği ölçüde rüzgâr potansiyeli yüksek alanlarda çok sayıda yeni rüzgâr tarlaları kurulmaktadırlar.

Modern rüzgâr türbinleri gücünü rüzgâr gücünü rotor bıçaklarına veya kanatlara etki eden dönme kuvvetinden yani torktan almaktadır. Kanatlara gelen rüzgâr helikopter pervanesinde olduğu gibi kaldırma etkisi sağlayarak kanatların bağlı olduğu şaftın dönmesine yol açmaktadır (Şekil 1.20).

Rüzgar Kaldırma Kuvveti

KANAT KESİTİ

Şekil 1.20 Türbin kanatçığındaki rüzgâr akım profili ve kaldırma kuvveti, [5].

Rotora transfer edilen enerji havanın yoğunluğuna, rotor alanına ve rüzgârın hızına bağlıdır. Deniz seviyesindeki standart hava basıncı altında 15°C de hava 1.225 kg/m3 olmasına rağmen sıcaklığın artması ile birlikte nispeten azalmaktadır. Ayrıca nemin artması hava yoğunluğunu az da olsa azaltır. Ayni türbin, yoğunluğu yüksek olan havadan yoğunluğu az olana göre daha fazla enerji alır.

Rotor alanı bir türbinin ne kadar rüzgâr enerjisi toplayabileceğini gösterir. Rotor alanı çapın karesi ile orantılı olduğundan rotor çapı iki katına çıkarken kapasite dört katına çıkmaktadır. Şekil 1.21, kullanımdaki türbinlerin büyüklük ve güçleri hakkında fikir vermektedir.

Şekil 1.21 Rüzgâr türbinleri büyüklüklerinin karşılaştırılması.

Bir rüzgâr tarlasındaki rüzgâr türbinleri de birbirleriyle rüzgâr akışını bozacak şekilde etkileşim içindedirler. Etkileşimi en aza indirmek için en uygun olarak, örneğin 1,5MW gücündeki bir türbinin tek başına yaklaşık 160.000m2’lik bir alana yerleştirilmesi gerekmektedir. Aynı türbinin yere montajı için ise yaklaşık 6000m2’lik bir alana gereksinim duyulur [5]. Temeli için ise yaklaşık 10m x 10m’lik kare şeklindeki alana ihtiyaç duyulur. Rüzgâr türbinlerinin yerleştirilebileceği alanlar genelde verimli tarım alanlarıdır. Tarım alanı olarak kullanılan yerlerde bir rüzgâr türbinin kurulması için yukarıda belirtildiği gibi 100m2 alan ayrılması gerekmektedir. Çiftçilere yapılacak kira ödemeleri onların gelirlerine bir katkı sağlarken, toprağın tarımsal olarak kullanılmasına da olumsuz bir etkide bulunmayacaktır. Türbin başına alınacak ortalama 2000 USD kira 100m2 büyüklüğündeki bir tarlada en yüksek nitelikli bitkiler yetiştirilse bile asla kazanılamaz.

Rüzgâr türbinleri rüzgârı sektirip saptırdığından dolayı rüzgârın tüm enerjisini almak mümkün değildir (Şekil 1.22). İdeal bir rüzgâr türbini rüzgârın hızını 2/3 oranında düşürmektedir. Bu durum rüzgârın kinetik enerjisinin ancak 16/27 yani %59’unun rüzgâr türbini ile mekanik enerjiye dönüştürülebileceğini anlatan Bet’z kanunu ile de açıklanmaktadır.

3,5 MW

1,5 MW

1 MW 650 kW

Şekil 1.22 Türbine giriş ve çıkıştaki akış profili [2]. Rüzgâr enerjisi formülü ise;

2 3 2 1 r P= ρν π (1.2)

olarak yazılabilir. Bu denklemde

P = Rüzgârın gücü [W],

ρ(rho) = (sıcaklıkla ve nemle değişken) Havanın yoğunluğu = 1.225kg/m3,

v = rüzgâr hızı [m/s] r = rotor yarıçapı [m]’dir.

Türbinden elde edilebilecek güç ise teorik gücün verim ile çarpımından bulunur;

2 3 2 1 r PT ρν π (1.3)

Burada ηT türbinin toplam verimini simgeler.

Şekil 1.23’de yer alan grafikler, 600 kW’lık bir türbinin rüzgâr hızına göre olan güç eğrisini, rüzgârın enerjisini ve rüzgâr enerjisinin elektrik enerjisine çevirmekteki güç katsayısını yani verimliliğini göstermektedir. Verimlilik, elde edilen elektik enerjisinin rüzgârın taşıdığı enerjiye bölünmesinden elde edilmiştir.

Türbin, yaklaşık 2,3m/s rüzgâr hızında (cut-in speed) güç üretmeye başlamakta ve 15m/s hıza kadar fren yapmadan üretime devam etmektedir. 15m/s ile 25m/s (cut-out speed) arası fren mekanizması çalışarak üretim sabit güç çıkışıyla devam etmektedir. 15m/s’nin üstündeki rüzgâr hızları türbinin kullanamayacağı hızlardır. Yaklaşık 55m/s hız bu türbinin dayanabileceği en büyük rüzgâr hızıdır. Anma gücü olan 2,5MW’a yaklaşık 15m/s rüzgâr hızında çıkar [12]. Şekil 1.23’de de görüldüğü gibi frenleme hızının üzerindeki hızlardan itibaren türbin verimi azalmaktadır. Bunun nedeni, türbine giren rüzgârın enerjisinde artan rüzgâr hızıyla birlikte artış olmasına rağmen türbinin bu enerjiyi artık kullanamayacak durumda olmasıdır.

Türbinden elde edilen enerji Rüzgâr enerjisi Verimlilik

Şekil 1.23 Rüzgâr enerjisi türbinler ve verimlilik, [2].

1.2.3 Rüzgâr Kaynaklı Elektrik Enerjisi Üretim Sistemlerinin Kalitesi ve İstikrarı