Rüzgar hızı; yer yüzeyinin topo÷rafik yapısından oldukça fazla etkilendi÷inden dolayı devamlı olarak de÷iúkenlik gösterir. Rüzgar hızında meydana gelen de÷iúimin büyüklü÷ü tam olarak hava, yüzeyin topo÷rafik yapısı ve mevcut engellere ba÷lıdır. Atmosferin alt katmanlarında rüzgar hızları; yüzeyin pürüzlülü÷ü ve engellerden dolayı sürekli olarak sürtünmeye u÷rarlar. Rüzgar hızı azalır, yönü de÷iúir. Bunun sonucu olarak rüzgarın sahip oldu÷u enerji veya rüzgardan alınabilecek enerji miktarı, rüzgar hızı de÷iúimi ile önemli ölçüde farklılık göstermektedir. Çok engebeli ve pürüzlü araziler, binalar, a÷açlar v.b. gibi engellerin arkasında, rüzgar akıúı bozulur ve bozulmuú akıú alanları meydana gelir (ùekil 3.1). Bunun sonucu olarak benzer alanlarda düzenli olamayan türbülans olarak adlandırılan akıúlar oluúur. Türbülanslar engellerin arka tarafında daha belirgindir. Engel dalgaları ve türbülanslar rüzgar akıúını olumsuz etkileyerek rüzgar hızını azaltırlar [43].
Türbülans; bir rüzgar türbini için verimlili÷i olumsuz etkileyen parametrelerin baúında gelmektedir. Türbülans, rüzgar türbininde enerji üretim verimlili÷ini azaltır ve türbinde yıpranma ve hasarlara yol açar. Rüzgar türbinlerinin kuleleri, yer seviyesine yakın rüzgarlardan kaynaklanan türbülanstan sakınmak için yeterli yükseklikte inúa edilmesi gerekir. Düúük türbülans yo÷unlu÷u, rüzgar türbin ömürlerinin daha uzun olmasını sa÷lar [43]. Rüzgar hız verilerinin standart sapma de÷erinin (V), ölçülen ortalama hız de÷erine (vm) oranı; türbülans yo÷unlu÷u olarak ifade edilmektedir. Türbülans yo÷unlu÷u seviyesinin 0,25 de÷erinden az olması, orta yo÷unlukta bir türbülansın oldu÷unu ifade etmektedir [57, 58]. Türbülans yo÷unlu÷u I, aúa÷ıdaki eúitlik ile ifade edilir [59].
m
v
I V
(3.1)
Engeller, arka taraflarında bozulmuú akıú alanları oluúturdukları için kaçınılması gereken bir etkendir. Engellerden ne kadar yükse÷e çıkılırsa o kadar rüzgar gölgelenmesi ve türbülans az olur. Yatay olarak engelin rüzgar gölgelemesi, engel yüksekli÷inin 20–30 katına kadar uzanmaktadır. E÷er engel yüksekli÷i rüzgar türbin kanat göbe÷i yüksekli÷inin yarısından daha fazla ise, elde edilecek enerji üretim sonuçları daha belirsizdir ve engelin geometrisi sonuçları etkilemektedir. Engel etkisi açısından türbin ile engel arasındaki mesafe çok önemlidir. Genellikle engel etkisi, engelden uzaklaútıkça azalmaktadır. Düúük pürüzlü arazi üzerindeki engel etkisi, engelden 20 km ilerde bile ölçülebilmektedir. E÷er engel rüzgar türbinine baskın rüzgar yönünden 1000 m’den daha yakın ise, dikkate alınmalıdır. Engel türbine, yüksekli÷inin beú katından daha yakın ise ve yüksekli÷i kanat göbe÷i düzeyinin yarısından fazla ise, önemli oranda rüzgara ve dolayısıyla enerji üretim miktarına etkisi olacaktır. Bu durum, rüzgar türbini yerleúimlerinde önemli oranda dikkate alınması gerekmektedir. Engelin geniúli÷i, bulundu÷u kesim ve baskın rüzgar yönünden dolayı çok önemlidir. Engelin geçirgenli÷i, rüzgarın ilgili engelin içinden geçme kolaylı÷ı olarak tanımlanır. Bu geçirgenlik de÷eri; binalarda 0, a÷açlarda 0,5 ve kafes direklerde 0,7-0,8 de÷erleri arasındadır [53]. Rüzgar çiftliklerinde, türbinlerin yerleútirilmesi yapılırken; türbinlerin birbirine engel olmayacak, türbülans oluúturmayacak biçimde birbirinden uzak olması istenir. Bu nedenle, türbinler araziye yerleútirilirken kanat çapının 5 katı aralıklar ile yerleútirilir. Rüzgar
çiftliklerinde her bir türbin rüzgar hızını azaltır. Bu durum park etkisi olarak adlandırılır. Bununun için, türbinler hakim rüzgar yönüne göre yerleútirilmelidir. Genel olarak rüzgar çiftliklerinde türbinler arası uzaklık hakim rüzgar yönünde ise 5-9 rotor çapı, bu yöne dik ise 3-5 rotor çapı kadar bir uzaklı÷a konuúlandırılmalıdır. Var olan park etkisi sebebiyle rüzgar tarlalarında %5’lik bir enerji kaybı olur. Türbine gelen rüzgar, türbinden çıktıktan sonra arka kısımda uzun bir aralıkta türbülans oluúturur. Bu durum da ikinci sırada yerleútirilen türbinlerde kuyruk yeli etkisi yapar. Bu nedenle, ikinci sıradaki türbinler birinci sıralardakinden daha uza÷a, yaklaúık 3 rotor çapı kadar uza÷a kurulmalıdır (ùekil 3.2) [56].
ùekil 3.2. Park ve kuyruk yeli etkisi [56]
Rüzgar binaların arasından ve da÷lar arası dar geçitlerden geçerken hızı artar. Buna tünel etkisi denir. Bu biçimde bir tünele kurulan bir rüzgar türbini, çevre alanlardakinden daha yüksek rüzgar hızlarını yakalama úansına sahip olacaktır. øyi bir tünel etkisi sa÷lamak için, tünelin arazi içersine mükemmel olarak girmesi gerekmektedir. Tepeler çok sert ve düzgün olmayan bir durumda ise, o alanda rüzgar hızının yönü çok fazla de÷iúece÷inden türbülans oluúacaktır. Türbülansın çok oldu÷u yerlerde rüzgar hız avantajı tamamen olumsuz etkilenir. Sürekli yön de÷iútiren rüzgar
türbinlerde yırtılma, çatlama gibi zararlara sebep olabilir. Tepelerde rüzgar hızları, çevreye göre daha yüksektir. Rüzgar türbinleri rüzgar hızından daha iyi biçimde yararlanmak için yerleútirilecek en uygun mekanlar tepelerdir. Özellikle düz tepeler bunun için en uygun topografik alanlardır. Fakat çok sert ve düzgün olmayan pürüzlü tepelerde rüzgar hızının artması bir avantaj oluúturmasına ra÷men türbülansın meydana gelmesi bunu tümüyle ortadan kaldırır.
Rüzgar hız ve yön olmak üzere iki de÷iúken ile ölçülür. Hızdaki ani dalgalanma ve de÷iúiklikler “hamle” olarak adlandırılmaktadır. Rüzgar hızı ve yönü, anemometre ve yön sensörü ile ölçülebilmektedir. Bu amaç ile rüzgar ölçüm istasyonu kurularak rüzgar hızı ve yönü ile di÷er atmosferik özellikler ölçülmektedir. Ayrıca ölçüm cihazları kullanılmadan tahminsel rüzgar ölçümlerinde Beautfort ölçe÷i kullanılır (Tablo 3.2)[53]. Binalar, a÷açlar gibi rüzgar engelleri, rüzgarın hızını büyük ölçüde düúürür ve türbülans oluúmasına sebep olurlar. Meydana gelen çalkantılı alan engeli, kendi yüksekli÷inin 3 katına kadar geniúleyebilir. Sonuç olarak rüzgar türbinlerini konuúlandırırken büyük engellerden kaçınmak gerekir [43, 60].
3.3.1. Yüzey pürüzlülük faktörü
Yüzey pürüzlülü÷ü, rüzgar hız profili üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Bu nedenle rüzgar enerjisi çalıúmalarında yüzey pürüzlülü÷ü önemli bir parametredir. Bir alanın yüzey pürüzlülü÷ü; bu alan üzerindeki pürüzlülü÷e neden olan engellerin boyutları ve alan üzerindeki da÷ılımına ba÷lıdır. Kara alanlar için tipik pürüzlülü÷e neden olan engeller; bitki örtüsü, insan kaynaklı yapılaúma, binalar, a÷açlar, do÷al arazi yapıları gibi durumlardır. Yüzey pürüzlülük dereceleri dört sınıfta tanımlanmaktadır. Bu pürüzlülük derecelerinin özellikleri ùekil 3.3’de verilmiútir [43]. ùekil 3.3-a’da görülebilece÷i gibi; su yüzeyleri, deniz ve göller ile pürüzsüz kum yüzeyleri pürüzlülük derecesi 0 olan bölgeye girmektedir. Bu sınıftaki bölgeler çok küçük bir de÷ere sahip oldu÷u için bazen ihmal edilebilmektedir. Genellikle deniz üstü (off-shore) ve deniz kıyısına konuúlandırılmıú rüzgar türbinlerinde bu pürüzlülük derecesi kullanılır. ùekil 3.3-b’de pürüzlülük derecesi 1 olan böle verilmiú olup, bu derecedeki alanlarda, açık alanda birkaç rüzgar kırıcı engel bulunur. Düz alanlar, yumuúak engebeli alanlar, çok seyrek bina, basit úekiller,
seyrek a÷açlı çiftlik arazisi ve çalılıklar gibi alanlar bu sınıfa girmektedir. ùekil 3.3-c’de pürüzlülük derecesi 2 olan bölge verilmiú olup, bu bölge rüzgar kırıcılardan oluúmuú bir alandır. Bu sınıfta rüzgar kırıcılar arasında araziye açık görünüú veren geniú alanlar bulunabilir. Arazi, düz veya dalgalı olabilir, arazi üzerinde çok sayıda da a÷aç ve bina bulunabilir. ùekil 3.3-d’de pürüzlülük sınıfı 3 olan bölge verilmiútir. ùehir alanları, ormanlar ve ortalama birkaç yüz metre aralıklar ile çok sayıda rüzgar kırıcısı olan çiftlikler bu sınıfa girer [42, 43].
Avrupa rüzgar atlasında pürüzlülük uzunlu÷u z0, metre olarak alınarak pürüzlülük dereceleri tanımlanmıútır. Pürüzlülük uzunlu÷u z0, rüzgar hızının teorik olarak sıfır oldu÷u yerdeki yerden itibaren olan yüksekli÷i gösterir. Ayrıca günümüzde, çok büyük úehirler, çok yüksek binaları bir arada bulunduran bölgeler için de pürüzlülük sınıfı 4 olan yeni bir derecelendirme tanımlanmıútır. Buna göre yüzey pürüzlülük sınıflarına karúılık gelen yüzey pürüzlülük uzunlulukları Tablo 3.3’de verilmiútir [61].
a) 0 olan bölge b) 1 olan bölge c) 2 olan bölge d) 3 olan bölge ùekil 3.3. Pürüzlülük derecesi [63]
Tablo 3.3. Pürüzlülük sınıfları ve pürüzlülük uzunlu÷u [61]
Pürüzlülük Sınıfı Pürüzlülük Uzunlu÷u z0(m) Enerji Endeksi (%) Arazi Tanımı 0 0,0002 100 Su yüzeyi.
0,5 0,0024 73 Tamamıyla açık alan, düzgün bir yüzey, hava alanlarındaki beton yollar, çayır ekili alanlar, vb.
1 0,03 52 Açık tarım alanı, da÷ınık binalar, sadece yumuúak düzgün tepeler.
1,5 0,055 45 Birkaç binanın bulundu÷u tarım alanı, yaklaúık 1.250 m aralıklarla 8 m uzunluktaki çitlerin bulundu÷u alan.
2 0,10 39 Birkaç binanın bulundu÷u tarım alanı, 8 m uzunluktaki çitlerin yaklaúık 500 m aralıklarla bulundu÷u alan.
2,5 0,20 31 Çok sayıda ev, çalılık ve örtünün ve 8 m uzunluklu çitlerin 250 m aralıklarla bulundu÷u alan.
3 0,40 24 Köyler, küçük kasabalar, çok sayıda uzun çitlerin bulundu÷u tarım alanı, orman, çok pürüzlü ve düz olmayan alan.
3,5 0,80 18 Büyük úehirler.
Pürüzlülük uzunlu÷u z0, p A n b h z0 0,5 2 (3.2) eúitli÷i ile ifade edilebilir. Burada; h pürüzlülük elemanının yüksekli÷ini, b pürüzlülük elemanının geniúli÷ini, n eleman sayısını, Ap ise toplam pürüzlülük eleman alanını ifade etmektedir [61].
3.3.2. Rüzgar hızının yükseklikle de÷iúimi
Rüzgar hızı, yükseklik arttıkça arazi pürüzlülü÷üne ba÷lı olarak logaritmik úeklinde artmaktadır. Belirli bir yükseklikte ölçülmüú rüzgar hızları kullanılarak istenilen herhangi bir yükseklikteki rüzgar hızları; eúitlik 3.3’den hesaplanabilir [56, 64, 26, 65]. D ¸¸ ¹ · ¨¨ © § 2 1 2 1 h h v v (3.3) Bu eúitlikte, v1; h1 yüksekli÷inde ölçülen rüzgar hızını, v2; hesaplanması istenilen h2
yüksekli÷indeki rüzgar hızını ve Į ise pürüzlülük katsayısını ifade etmektedir. Eúitlikte kullanılan üstel terim Į pürüzlülük katsayısı; yüzey pürüzlülü÷üne ve incelenen iki nokta arasındaki yükseklik farkına ba÷lı olup, düúük bir hata yüzdesi ile eúitlik 3.4’den bulunabilir [56].
¸ ¹ · ¨ © § D 1 exp 25 , 15 0 z (3.4) Į pürüzlülük katsayısı, pürüzlülük uzunlu÷una ba÷lı olarak Tablo 3.4’den alınabilir.
Tablo 3.4. Pürüzlülük katsayısı seçimi [61]
Pürüzlülük Sınıfı Pürüzlülük Uzunlu÷u z0 (m) Pürüzlülük Katsayısı Į 0 0,00002 0,1 1 0,003 0,15 2 0,1 0,2 3 0,4 0,3