Rüzgarın hareketiyle ortaya çıkan kinetik enerjiye rüzgar enerjisi denir. Rüzgar enerjisi, mekanik ve sonunda da elektrik enerjisine çevrilerek kullanılmıştır ve günümüzde daha yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir. Temel parametreler, hareket eden havanın kütlesi ve hızıdır. Ağırlığı yüksek olan kütlenin hızı arttıkça enerji de artış gösterir
Rüzgar enerjisi, yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Çevreye herhangi bir zararlı atık yaymaz, temiz bir enerjidir. Tarih boyunca mekanik olarak kullanımı mevcuttur. Pompalama, değirmencilik, odunculuk, gemicilik tarihteki kullanım alanları olarak görülürken, günümüzde elektrik enerjisinin üretimi için kullanılmaktadır. Fosil yakıtların ekolojik zararlarının ortaya çıkması ve küresel ısınmayı artıran birincil faktör olarak ön plana çıkmalarının ardından yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim artmış ve özellikle Avrupa Birliği’nde bu yönde yasal düzenlemelere gidilmiştir.
Tarihine kısaca bakarsak;
James Blyth 1887’de rüzgar enerjisini kullanan bir batarya şarj cihazı icat etmiş ve patentini 1891 yılında İngiltere’de almıştır.
Charles Francis Brush 1887-1888’de ABD’de rüzgar enerjisi ile elektrik üreterek 1900 yılına kadar karşılamıştır.
1890’da Danimarkalı bilim insanı Poul la Cour, elektrik üretimi için rüzgar türbinlerini inşa etmiştir. Bu türbinlerle daha sonar hidrojen üretimi de yapılmıştır.
Dünya Rüzgar Enerjisi Kurumu’nun istatistiklerine göre dünyada kurulu rüzgar enerjisi kapasitesi, 2020 yılında 650 GW’dır. Toplam rüzgar enerjisi kapasitesinin halen çok küçük bir kısmını kullanmaktayız.
Rüzgar türbini nedir?
Rüzgar türbini, bir rotor hareketi aracılığıyla hava akımından ortaya çıkan kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Türbinler, yatay, dikey ve eğik eksenli olmak üzere üçe ayrılır.
Yatay eksenli rüzgar türbini
Yatay eksenli rüzgar türbinlerinin dönüş ekseni rüzgarın geliş yönüne paraleldir. Kanatlarıysa diktir. Kanat sayıları azaldıkça hız ve elektrik üretimi de artar. Verimleri %45 civarında gerçekleşmektedir. Bu tip türbinler genellikle 20-30 m yüksekliğe yerleştirilirler.
Rüzgar hızının rotor kanadı hızına oranına kanat uç hız oranı (λ) denir.
λ= 1–5 Çok kanatlı rotor,
λ= 6–8 Üç kanatlı rotor,
λ= 9–15 İki kanatlı rotor,
λ>15 Tek kanatlı rotor kullanılır
Türbin rotoru özel tasarım kanatlarıyla kinetik enerjinin yaklaşık %60’ını tutar ve mekanik enerjiye dönüştürür. Bu da pervane şaftında dönüş hareketi oluşturur. Düşük hızda ve yüksek torkta dönen bu şaftın hızı, redüktör aracılığıyla artırılır ve torku düşürülür. Jeneratörde elektrik üretimi bu şekilde sağlanır. Yüksek kutuplu jeneratör seçildiğinde redüktör ihtiyacı ortadan kalkar. Üretilen elektrik de türbin şebekeye bağlı bir transformatör ile hatta aktarılır. Transformatör kulenin yakınında ya da içinde bulunur.
Rüzgar türbini elemanları nelerdir?
Yatay eksenli rüzgar türbinleri, çevre şartlarının rüzgarı engellemesinin önüne geçmek için bir gövde içerisine yerleştirilen döner şaft, jeneratör, dişli kutusu ve kontrol sistemleri, kanat ve bunların bağlı olduğu göbek ve rotordan meydana gelir. Rüzgar türbini genel olarak 4 parçadan meydana gelir:
- Kule
- Nasel (Gövde)
- Rotor
- Kanat
Kule nedir?
Kule, elektrik üretimine doğrudan etki eden sistem bileşenidir. Rüzgar hızı ve enerjisi ile yükseklik arasındaki ilişki doğrusaldır. Kule boyunun yüksekliğiyle birlikte enerji miktarı da artar. Yükseklik, maliyeti de artırır ve saha koşullarına göre değişir.
Atmosferin 100. metresinden sonra Ekman katmanı başlar. Bu katman rüzgarın en hızlı ve kararlı olduğu katmandır, türbulans düşüktür ve optimum Weibull faktörlerini barındırır. Bu nitelikleriyle, rüzgardan elektrik üretimi için en uygun katmandır.
Nasel nedir?
Nasel yatay eksenli rüzgar türbininin gövdsini meydana getirir. Çeşitli sistem elemanlarının bulunduğu bu kısım sistemin beyni özelliğini taşır. Elektriğin üretildiği, regüle edildiği bu kısımda rüzgar türbininin tüm kontrolü de gerçekleştirilir. Nasel içerisindeki sistem elemanları şu şekildedir:
- Nasel
- Isı Değiştirici
- Generatör
- Kontrol Paneli
- Ana Çerçeve
- Ses İzolasyonu
- Hidrolik Fren
- Dişli Kutusu
- Ses İzolasyonu
- Yaw Sürücü
- Yaw Sürücü
- Pervane Şaftı
- Yağ Soğutucu
- Pitch Sürücü
- Pervane Hub
- Hub Burun
Rüzgar türbini redüktörü nedir?
Redüktör, pervane şaftının dönüş hızını elektriğin üretilmesi için optimum düzeye çeviren dişli çarklardan oluşmuş sistemdir. Redüktörle, pervane şaftının dönüş hızı dakikada 1000 ile 1500 rpm arasına yükseltilir.
Redüktör aracılığıyla düşük hızla, yüksek torkla dönen türbin pervane şaftının hızı yükseltilip torku düşürülür. Bu şekilde, elektrik üretiminin verimli bir şekilde gerçekleşmesi sağlanır.
Rüzgar türbinlerinde jeneratör nedir?
Rüzgar türbinlerinde elektrik üretimi sabit manyetik alan içerisinde hareketli iletken ilkesi kullanılarak gerçekleştirilir. Temel olarak 3 tür elektrik motoru kullanılır. Bunlar;
- Doğru akım motoru
- Senkron jeneratör
- Asenkron jeneratör
Yaw ve Pitch Kontrolü
Rüzgar yönü değişkenlik gösterir. Rüzgar türbinlerinde maksimum elektrik üretimi için kanatları ve tüm türbini döndüren mekanizmalar mevcuttur. Pitch kontrol ile rüzgar türbini kanatları eksenel dönme gerçekleştirir; rüzgarın geldiği yönü tayin eder ve tüm türbin, pitch mekanizmasıyla rüzgarın geldiği yöne döner.
Rüzgar türbini elektronik kontrol sistemi nedir?
Elektronik kontrol sistemi, rüzgar türbinlerinin beyni niteliğindedir; türbine ait birçok bilgiyi kayıt altına alır ve RES işletmecisine gönderir. Türbinlerde, kontrol ve performansın takibi amacıyla mikro işlemciler kullanılır.
Takip edilen parametreler;
- Sisteme giriş-çıkış rüzgar hızları
- Jeneratör çıktısının şebekeye aktarımı
- Rüzgar yönüne göre nasel hareketi
- Kanat açısı
- Türbinin acil durumlarda durdurulması
Rüzgar türbinlerinde fren sistemi nedir?
Rüzgar türbinlerinde fren sistemleri güvenlik açısından kritik önemdedirler. Jeneratörün aşırı ısınması, şebekeden kopma ve yüksek rüzgar şiddetleri gibi sorunları önlemek için kanat ucu ve mekanik fren sistemi bulunur.
Rotor ve kanatlar nedir?
Rotor, kanatlardan, gövdeye bağlı göbekten ve döner şafttan oluşur. Kanatlar rüzgarı yakalar ve gücü göbeğe iletir. Rotor bir göbek ile şafta bağlıdır. Kanatların dönmesiyle bir ucu göbeğe, diğer ucu da jeneratöre bağlı olan şaftı döner. Rotor dönüşü, rüzgar yönüne dik olarak kontrol edilir. Kanatta oluşan hava akışının bileşkesi ile rüzgar yönü ile rüzgar geçiş yönü arasında bir basınç farkı ortaya çıkar. Bu basınç farkı bileşke akıya dik gelen bir itme kuvveti doğurur. Bu itme de mekanik tork üreterek şaftı hareket ettirir.
Dikey eksenli rüzgar türbini nedir?
Bu türbin sistemlerinin dönüş ekseni rüzgar yönüne diktir. Rüzgarı her yönden alabilir ve buna göre dönüş hareketiyle elektrik üretir. Bu özelliğiyle diğer türbin sistemlerine göre bir üstünlüğü bulunur.
Düşey eksenli türbinler, daha az yüzölçümü kaplarlar, ancak daha az güç üretirler. Bu yüzden verim alınması için çok sayıda türbin birbirlerinin rüzgar sahalarını kapatmayacak şekilde bir araziye yerleştirilmelidir.
Dikey rüzgar türbinlerinin Savonius ve Darrieus tipi çeşitleri vardır.
Savonius tipi düşey eksenli rüzgar türbini nedir?
Savonius rüzgar türbini, 1925 yılında Sigurd J. Savonius tarafından geliştirilmiştir. İki yatay disk arasında kanat görevi yapan iki yarım silindir birbirlerine perçinlenmiştir. Belirli bir hızda gelen rüzgarla, silindirlerin çukur ve tümsek taraflarında pozitif ve negatif bir moment oluşur. Çukur tarafına rüzgar tarafından etkiyen itme kuvveti, tümsek kısmındakinden ne kadar fazla olursa türbin o kadar hızlı döner.
Darrieus tipi düşey eksenli rüzgar türbini nedir?
George J.M. Darrieus tarafından geliştirilen bu rüzgar türbini, kanatlarındaki düzgün aerodinamik yapı sayesinde yüksek bir performansa ulaşır. Kanatlar üzerindeki çekme gerilimi, hafif eğim sebebiyle çok düşüktür. Yüksek rüzgar hızlarında çalışabilir, fakat ilk hareket için tahrik motoru gerekir.
