Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması

Rüzgar türbinleri tarih boyunca çeúitli de÷iúimler geçirerek bugünkü modern rüzgar türbinleri haline gelmiútir. ùimdiye kadar de÷iúik nitelikte ve tipte geliútirilen rüzgar türbinlerinden bazıları günümüzde önemsenecek boyutta ticari hale gelmiútir. Rüzgar türbinleri; dönme eksenlerine göre, pervane çapı ve kurulu güçlerine göre, pervane veya kanat sayısına göre sınıflandırılırlar. Kullanımdaki RT’ler boyut ve tip olarak

çok çeúitlilik gösterse de genelde türbinler, dönme eksenine göre adlandırılırlar [31, 73].

RT’ler dönme eksenine göre; yatay eksenli ve düúey eksenli olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Yatay eksenli rüzgar türbinlerinde (YERT); dönme ekseni rüzgar yönüne paralel, kanatlar rüzgar yönüne diktir. Bu türbinlerde; rotor kanatlarının sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu nedenle bu türbinler, dönme hızlarına göre; yavaú hızlarda çalıúan YERT (çok kanatlı) ve yüksek hızlarda çalıúan YERT (kanat sayısı 1 ile 4 arasındadır) olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Yavaú hızlarda çalıúan RT’lerde; kanat sayısı fazladır ve genellikle su pompalama iúlerinde kullanılırlar. Yüksek hızlarda çalıúan rüzgar türbinlerinde ise kanat sayısı 1 ile 4 adet arasındadır. En çok kullanılan tip, üç kanatlı olanlarıdır. Bu tip türbinler günümüzde elektrik üretimi için kullanılırlar. YERT’lerde rotor, rüzgarı en iyi alacak úekilde, döner bir tabla üzerine yerleútirilmiútir. Bu rürbinlerin verimi yaklaúık % 45’dir. YERT’ler genel olarak, en az yerden 20-30 m yükseklikte bir kule üzerinde olacak úekilde yerleútirilirler (ùekil 3.13) [31, 73].

Rotor kanadı uç hızının, rüzgar hızına bölünmesi ile elde edilen orana, kanat uç hız oranı denir ve Ȝ sembolü ile ifade edilir. YERT’lerin kanat sayıları bu orana göre sınıflandırılır (Tablo 3.6). Bir rüzgar türbininin kanat uç hız oranı O,

v u

O (3.8) eúitli÷i ile ifade edilir [74, 75]. Burada u, rotor kanadı uç hızını ifade etmektedir. Rüzgar türbin rotorunun açısal hızı Ȧ, türbin devri nT, rotor çapı D ve rotor yarı çapı

R olması durumunda, eúitlik 3.8’i daha genel halde, v Dn v R _T 60 S Z O (3.9) úeklinde ifade edilebilir.

Tablo 3.6. Kanat uç hız oranına göre kanat sayısı de÷iúimi [73]

Kanat uç hız oranı (Ȝ) Rotor kanat sayısı

Ȝ=1-5 çok kanatlı

Ȝ=6-8 üç kanatlı

Ȝ=9-15 iki kanatlı

Ȝ>15 Tek kanatlı

ùekil 3.13. Üç kanatlı yatay eksenli rüzgar türbini

Tek kanatlı rüzgar türbinlerinin yapılmasının sebebi; kanat sayısına göre dönme hızının yüksek olması ve bu sayede makina kütlesi ile rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Tek kanatlı rüzgar türbinlerinin kanat uç hız, üç kanatlı türbinlere göre iki kat daha yüksektir ve daha fazla gürültü içermektedir. Önceleri tek kanatlı RT’lerin, daha ekonomik bir çözüm olabilece÷i düúünülmüútür. Fakat sanılanın aksin; tek kanatlı RT’ler ticari bir çözüm halini alamamıútır. Yüksek rotasyonel hıza ek olarak yüksek gürültü ile çalıúmaktadır. Ayrıca, kanadı dengelemek için karúı

tarafa da bir a÷ırlık konulması gerekmektedir. Bu gibi sebeplerden dolayı tek kanatlı RT’ler istenilen geliúmeyi gösterememiútir [56, 73].

Üç kanatlı RT’lere göre, rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi, çift kanatlı türbin fikrini do÷urmuútur. øki kanatlı RT’ler de tek kanatlı RT’ler gibi yüksek rotasyonel hızla ve yüksek gürültü ile çalıúması gibi nedenlerden dolayı istenilen ilerlemeyi sa÷layamamıútır [56, 73].

Üç kanatlı RT’ler; günümüzde dünyanın her tarafında yaygın olarak en çok kullanılan türbinlerdir. Elektrik üretim amaçlı kullanılırlar ve bu nedenle ticari amaçlı kullanılan türbinlerdir. Üç kanatlı kullanımın asıl sebebi, dönme momentinin daha düzgün olmasıdır. Bu türbinde; türbini yapısı üzerinde depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momentinin olmaması nedeniyle, hub içerisinde titreúimi önleyici pahalı parçalara gerek yoktur. Kanat uç hızı 70 m/s’nin altında oldu÷undan, gürültünün düúüklü÷ü, sarsıntısız döndükleri için göz esteti÷ini bozmamaları önemli bir avantaj olup, daha çok kullanımı tercih edilmiútir. Küçük güçlü RT’lerde, üç kanatlı rotor kullanıldı÷ında güç problemi ortaya çıkar. Bu problemin çözümü için, düúük devirde dönen rotorun devir sayısını artıran diúliler kullanılır ve “cut in”olarak adlandırılan hız de÷erine ulaúıncaya kadar jeneratör boúta çalıúır [73].

Çok kanatlı rüzgar türbinleri, RT’lerin geliúmemiú ilk örnekleridir. Yıllarca sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu iúlemdeki moment gereksiniminin karúılanabilmesi amacıyla, çok kanatlı olarak üretilmiútir. Bu türbinler düúük hızda çalıúırlar. Türbin kanatlarının geniúlikleri, pervane göbe÷inden uçlara gidildikçe artım gösterir. Üzerinde; rüzgargülü pervane düzleminin, rüzgar hız vektörünü her zaman dik olarak alabilmesi için, rüzgargülü yönlendiricisi taúımaktadır [58]. Günümüzde 12 ile 24 adet arasında de÷iúen kanatlar, rotorun ya tüm yüzeyini, yada önemli bir bölümünü kaplar. Bu tip rüzgar türbinlerinin çapı, 5 ile 8 m arasında de÷iúir. Genellikle hızları 3-7 m/s arsında de÷iúen rüzgarlarda kullanılır. Elektrik üretimi için verimleri düúüktür. Bu tipteki türbinler, daha çok su pompalama iúi için idealdirler (ùekil 3.14) [31].

ùekil 3.14. Su pompalamak için kullanılan çok kanatlı bir rüzgar türbini [31]

YERT’ler di÷er bir açıdan; rüzgarı önden alan ve rüzgarı arkadan alan türbinler olarak iki gruba ayrılırlar (ùekil 3.15). Yatay eksenli rüzgar türbinlerinin ço÷u, rüzgarı önden alacak úekilde tasarlanırlar.

Rüzgarı önden alan YERT’ler; yıllardır yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tip türbinlerde, rotor yüzü rüzgara dönüktür. En önemli üstünlü÷ü; kulenin arkasında olacak rüzgar gölgeleme etkisine çok az maruz kalmasıdır. En büyük dezavantajları; rotorun sürekli olarak rüzgara bakması için dümen sistemine (yav mekanizması) gerek duymalarıdır. Rüzgarı arkadan alan YERT’ler ise; rotorları kule arkasındadır ve rüzgarı arkadan alırlar. Bunların en önemli üstünlü÷ü, rüzgara dönmek için dümen mekanizmasına gerek duymayıúlarıdır. E÷er rotor ve gövde uygun úekilde tasarlanmıú ise; gövde rüzgarı pasiv olarak izler. Daha hafiftirler. Di÷er önemli bir üstünlükleri, kanatların esnek özelli÷e sahip olmasıdır. Bu hem a÷ırlık hem de makinanın güç dinami÷i açısından önemli bir üstünlüktür. Böylece bu türbinlerin avantajları; önden rüzgar alan YERT’lere göre daha hafif yapılması sonucu kule yükünün azalmasıdır. Ancak; kanat kuleden geçerken, meydana gelen güç dalgalanması, türbine önden rüzgarlı YERT’lerden daha çok zarar verir [73].

Düúey eksenli rüzgar türbinlerinde (DERT); türbin mili düúeydir ve rüzgarın geliú yönüne diktir. Bu türbinin kanatları da düúeydedir. DERT rüzgarı her yönden kabul edebilme üstünlü÷üne sahiptir. Bu türbinler, rüzgarı sürükler veya kaldırır. ølk harekete geçiúleri güvenilir de÷ildir. Bu türbinlerin verimi düúüktür ve yaklaúık %35’dir. Bu türbin tipi yer seviyesinde kuruldu÷u için alt noktalardaki rüzgar hızları düúüktür. Bu nedenle daha çok düúük rüzgar hızlarında çalıúırlar. Yüksek rüzgar hızlarında verimsiz çalıúırlar. DERT’lerin çalıúmaya baúlaması için, bir motor tarafından ilk hareketin verilmesi gerekir. Bu yüzden ilk hareket motoruna ihtiyaç vardır. Bu türbinleri yer yüzeyine ba÷layabilmek için çelik halatlara gereksinim duyulmaktadır. Bu türbinlerde; jeneratör ve diúli kutusu toprak seviyesinde kurulabildi÷inden, kuleye gerek duyulmaz ve kule masrafı olmaz. Türbini rüzgar yönüne çevirmeye, dolaysıyla dümen sistemine ihtiyaç yoktur. Ayrıca elde edilen güç yer seviyesinde çalıútı÷ından, nakledilmesi daha kolaydır. Belirtilen olumsuzlukları nedeniyle bu türbin tipleri; az miktarda su pompalamak için daha çok deney amaçlı kullanılırlar. Bu nedenle elektrik enerjisi üretim amaçlı kullanılmazlar. DERT’lerin ticari amaçlı kullanımları çok azdır. DERT’ler; Savonius tipi ve Darrieus tipi gibi çeúitleri vardır [31, 73].

Savonius rüzgar türbinleri, 1925 yılında Finlandiyalı mühendis Sigurd J. Savonius tarafından kaúfedilmiú iki yatay disk arasına yerleútirilmiú ve merkezleri birbirine göre simetrik olarak kaydırılmıú “kanat” adı verilen iki yarım silindirden oluúmaktadır. “s” úeklini andıran bir görüntüsü vardır. Belirli bir hızla gelen rüzgarın etkisiyle çarkı oluúturan silindirin iç kısmında pozitif ve dıú kısmında negatif bir moment olmaktadır. Pozitif moment, negatif momentten daha büyük oldu÷undan, dönme hareketi, pozitif moment yönünde sa÷lanır [77]. Di÷er DERT’lere göre; düúük rüzgar hızlarında iyi baúlangıç karakteristiklerine sahip olması, yapımının kolay ve ucuz olması, rüzgarın yönünden ba÷ımsız olması ve kendi kendine ilk harekete baúlaması gibi bir çok üstünlüklere sahip olan bu türbinler, aerodinamik performansı düúük oldu÷u için havalandırma ve su pompalama gibi alanlarda kullanılmaktadır. Bu türbinlerde akıúkan, içbükey kanat üzerinde türbülanslı bir yol izler ve burada dönel akıúlar meydana gelir. Bu dönel akıúlar Savonius türbininin performansını düúürür, bu nedenle elektrik üretiminde pek fazla kullanılmazlar. Daha çok su pompalama amaçlı ve rüzgar ölçümlerinde anemometre olarak kullanılırlar (ùekil 3.16) [73].

ùekil 3.16. Savonius tipi düúey eksenli rüzgar türbini

Darrieus tipi düúey eksenli rüzgar türbinleri; 1931 yılında Fransız mühendis George J.M. Darrieus tarafından icat edilmiútir. Bu türbinlerde; düúey úekilde yerleútirilmiú iki tane kanat bulunur. Kanatlar, yaklaúık olarak türbin mili uzun eksenli olan bir

elips oluúturacak biçimde yerleútirilmiúlerdir. Kanatların içbükey ve dıúbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluúur. Rüzgarın tek yönden esti÷i düúünülürse; türbinin verdi÷i güç, sinüs úeklinde bir e÷ri oluúturur. Yapısı gere÷i bu türbinlerde, devir baúına iki kere en yüksek tork elde edilir (ùekil 3.17) [31, 73].

ùekil 3.17. Darrieus tipi düúey eksenli rüzgar türbini [76]

Rüzgar türbinleri; pervane çapı ve kurulu gücü dikkate alınarak da sınıflandırılabilir. Bu úekilde bir sınıflandırmada; küçük, orta ve büyük ölçekli rüzgar türbinleri olarak adlandırılırlar (Tablo 3.7) [56].

Tablo 3.7. Pervane çapı ve kurulu güce RT sınıflandırılması [56]

Ölçek Pervane Çapı Kurulu güç

Küçük < 12 m < 40 kW

Orta 12 - 45 m 40 kW - 999 kW