Ünite 8: Rüzgâr Enerjisi

Giriş

İnsanoğlunun rüzgârın gücünden yararlanmaya başlaması çok eski dönemlere dayanır. 3000 yıldır yel değirmenleri suyun taşınmasında veya tahılın öğütülmesi işleminde kullanılmıştır. Günümüzde ise rüzgâr türbinleri kullanılarak elektrik enerjisi üretilmektedir.

Rüzgârdan elektrik üretimi yaklaşık yüzyıl önce, yani 19. yüzyılın sonlarında gerçekleştirilmiş olmasına rağmen, bu tekniğin gelişimi 1973 petrol krizinden sonra başlamıştır. Son yirmi yıldır da dünyada rüzgâr enerjisi ve dönüşüm sistemlerinin yaygınlaşması sonucunda bu alanda yeni bir endüstri, dolayısı ile de yeni bir pazar oluşmuştur.

Enerji Kaynağı Olarak Rüzgâr

Rüzgâr, güneş ışığının dünyanın farklı yüzeylerini farklı ısıtması ile gerçekleşen bir hava hareketidir. Yeryüzünün farklı yüzeylerinin güneş tarafından farklı ısıtılması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, dolayısı ile de havanın hareketine neden olmaktadır. Yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket eden hava, “rüzgâr” olarak isimlendirilmektedir. Rüzgârdan elde edilen mekanik güç veya elektrik üretimi prosesi “rüzgâr enerjisi” veya “rüzgâr gücü” olarak tanımlanmaktadır. Rüzgâr türbinleri rüzgârdaki kinetik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürür. Günümüzde rüzgâr enerjisi daha çok elektrik üretiminde kullanılmaktadır.

Rüzgâr Enerjisinin Avantaj ve Dezavantajları

Rüzgâr enerjisinin avantajları:

• Rüzgâr enerjisi, güç üretmek için herhangi bir kimyasal proses içermediği için su ve hava kirliliği yaratmaz.
• Yani temiz bir enerji kaynağıdır ve çevre dostudur.
• Rüzgâr enerjisi yenilenebilir ve sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır.
• Elektriğin kablolarla ulaşamadığı uzak veya küçük yerleşim yerleri için rüzgâr türbinleri bir alternatif oluşturmaktadır.
• Rüzgâr türbinlerinin yer aldığı bölgelerde tarım ve hayvancılık olumsuz olarak etkilenmez.
• Rüzgâr enerjisinin maliyeti diğer güç santralleriyle rekabet edebilecek düzeydedir.
• Rüzgârın elverişli olduğu her yere rüzgâr türbinleri kurulabilir.

Rüzgâr Enerjisinin Dezavantajları:

• Üretilecek enerji rüzgârın hızına bağlıdır. Yani rüzgâr enerjisi kesintisiz bir enerji kaynağı değildir.
• Rüzgâr türbinlerinin gürültülü çalışmaları, yakın çevrelerinde yaşayan insanlar için rahatsız edici olabilir.
• Rüzgâr türbinleri görüntü kirliliği oluşturabilir.
• Rüzgâr türbinleri çevredeki elektromanyetik dalgayı etkileyebilir.
• Üretilecek enerji rüzgârın hızına bağlıdır. Yani rüzgâr enerjisi kesintisiz bir enerji kaynağı değildir.
• Rüzgâr türbinlerinin gürültülü çalışmaları, yakın çevrelerinde yaşayan insanlar için rahatsız edici olabilir.
• Rüzgâr türbinleri görüntü kirliliği oluşturabilir.
• Rüzgâr türbinleri çevredeki elektromanyetik dalgayı etkileyebilir.

Rüzgâr Türleri

Enlem ve boylamlar arasında hava hareketlerinin yönünü Coriolis bükme kuvvetleri denir. Coriolis bükme kuvvetleri, enlem ve boylamlar arasında hava hareketlerinin yönünü belirler.

Corriolis kuvvetten dolayı hakim rüzgâr yönleri;

• Enlem: 90-60° Kuzey, Yön: Kuzey-Doğu
• Enlem: 60-30° Kuzey, Yön: Güney-Batı
• Enlem: 30-0° Kuzey, Yön: Kuzey-Doğu
• Enlem: 0-30° Güney, Yön: Güney-Batı
• Enlem: 30-60° Güney, Yön: Kuzey-Batı
• Enlem: 60-90° Güney, Yön: Güney-Doğu

Rüzgâr enerjisinin kaynağı “yüzey rüzgârları”dır. Belirli bir bölgedeki hakim rüzgârları belirlemede “yerel rüzgârlar (dağ, vadi rüzgârları)” önemlidir. Bunlardan en önemlileri açık deniz (off-shore) ve kıyı (on-shore) rüzgârları gibi açık su rüzgârları ile dağ ve vadi rüzgârlarıdır. Dağ rüzgârları, vadi rüzgârlarından daha kuvvetlidir ve güneş ışığının en yoğun olduğu yaz aylarında artmaktadır. Yerel rüzgârlar jeostrofik rüzgârlara katkıda bulunurlar.

Rüzgâr Hızı ve Yönüne Etki Eden Faktörler

Rüzgâr enerjisi endüstrisinde, bölgedeki rüzgâr şartları pürüzlülük uzunluğu ve engelin kendisi arasındaki ilişki hesaplanarak belirlenmektedir. Yeryüzünün pek çok yerinde rüzgâr geceye oranla gündüz daha fazladır. Rüzgârın hızı ve yönü bölgede gerçekleşen fırtına ve doludan etkilenmektedir Binalar ve ağaçlar gibi rüzgâr engelleri, Rüzgârın hızını düşürür ve türbülans oluşmasına sebep olurlar. Türbinden çıkan rüzgâr, türbülanslı rüzgârdır, rüzgâr kuyruğu şeklinde türbinden ayrılır ve yakındaki türbinlerin verimini düşürebilir. Bu etkiye iz etkisi denir. Yüksek dağların arasındaki vadilerde veya yüksek binaların arasında rüzgâr hızı artar. Bu etki tünel etkisi olarak bilinir.

Rüzgâr Hızının ve Yönünün Ölçülmesi

Rüzgâr ölçümlerinde üç tip ölçüm sistemi kullanılır:

1. Meteoroloji hava istasyonları tarafından kullanılan standart ölçüm sistemleri,
2. Rüzgâr çeşidini ve kaynağını ölçen cihazlar,
3. Türbinlerin çalışma performanslarını değerlendirmek üzere, fırtına ve türbülans durumunda yüksek örnekleme hızlarına sahip özel tasarım cihazları.

Rüzgâr hızını ve yönünü belirlemek amacıyla yapılan ölçümlerde, meteoroloji hava istasyonlarında rüzgâr hızı 10 m yükseklikte ölçülmektedir. Enerji amaçlı rüzgâr ölçümlerinde ise rüzgâr hızı ve rüzgâr yönü 30 m yükseklikte ölçülür. Rüzgâr hızının ölçülemediği durumlarda rüzgârın hızı, tahmini olarak belirlenir. Tahminsel rüzgâr ölçümünde Beaufort (Bofor) ölçeği kullanılır.

Rüzgâr Ölçüm Verilerinin Değerlendirilmesi

Rüzgâr ölçüm verilerinin yıl içindeki dağılımlarının verilerin istatistiki analizleri yapılır. Bu analizlerde, uzun dönemli rüzgâr ölçüm verileri farklı bölge ve yükseklikteki rüzgâr özelliklerini belirlemek için rüzgâr hızı dağılımı fonksiyonları kullanılır. Bu fonksiyonlardan en önemlileri Weibull dağılımı ve Rayleigh dağılımıdır.

Rüzgâr Enerjisi Hesaplamaları

Rüzgâr türbininin kurulacağı yerin belirlenmesi, türbinlerin kapasitesinin ve verimliliğinin hesaplanması, üretilecek enerji miktarının bilinmesi, üretilecek rüzgâr enerjisinden yılda ne kadar sure yararlanılabileceğinin hesaplanması için öncelikle rüzgârın hızına bağlı kinetik enerjisi ve rüzgârın gücünün bilinmesi gerekmektedir.

Rüzgârın sahip olduğu kinetik enerjinin türbinin rotor kanatları üzerinden mekanik enerjiye dönüşümü, rüzgârın rotora giriş hızına, rotor kanatlarının süpürdüğü alana ve havanın yoğunluğuna bağlıdır. Rüzgârın sahip olduğu enerji hava ile rotor kanatları arasındaki sürtünme ihmal edilerek hesaplanmaktadır.

Türbin Güç Eğrileri

Hangi rüzgâr hızında ne kadar güç üretileceği türbinin güç eğrisi yardımıyla belirlenir. Başka bir ifade ile güç eğrileri farklı rüzgâr hızlarında elektriksel güç çıkışının nasıl değişeceğini gösteren grafiklerdir. Güç eğrileri, rüzgâr türbini yanına dikilmiş bir direk üzerindeki rüzgâr ölçüm cihazından elde edilen alan ölçümlerden oluşturulmaktadır.

Türbinlerde Güç Katsayısı

Türbinin ne kadar verimlilikle rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine dönüştürdüğünü gösteren güç katsayısının rüzgâr hızı ile değişimini gösterir. Türbinlerin performanslarını ölçmek için kullanılır.

Rüzgâr Türbinleri

Rüzgârın kinetik enerjisini mekanik enerjiye ve mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemlere rüzgâr türbini denir. Çok farklı boyutlarda ve modellerde bulunan rüzgâr türbinlerinin çalışma prensipleri temelde benzerdir. İlk ticari rüzgâr türbini 1980’lerde kullanılmaya başlanmış ve bu tarihten sonra türbinler kapasite, verimlilik ve tasarım bakımından hızla gelişmiştir.

Modern türbinler değişen rüzgâr hızlarında üretilen enerjiyi şebekeye, rüzgâr jeneratörü ve kanat özellikleri yardımıyla sabit olarak verirler. Bütün türbinler bilgisayar sistemi ile denetlenmektedirler.

Türbin sistemleri ürettikleri güçlere göre dört ana gurupta sınıflandırılabilir;

1. Mikro: 0,05-2,0 (kW)
2. Küçük: 0,05-2,0 (kW)
3. Orta: 0,05-2,0 (kW)
4. Büyük: 0,05-2,0 (kW)

Rüzgâr türbinleri dönüş eksenlerinin doğrultusuna göre düşey eksenli, yatay eksenli veya eğik eksenli olarak sınıflandırılır. Düşey eksenli rüzgâr türbinlerinin (DERT) eksenleri rüzgâr yönüne diktir, kanatları da düşey vaziyettedir. Düşey eksenli rüzgâr türbinleri rüzgârı her yönden alırlar.

Dönme eksenleri düşeyle rüzgâr yönünde bir açı yapan rüzgâr türbinleri eğik eksenli türbinler olarak bilinir. Bu tip türbinlerin geniş bir uygulama alanı yoktur.

Yatay eksenli rüzgâr türbinlerinin kanatları rüzgâr yönüne diktir ve dönme eksenleri rüzgâr yönüne paraleldir. Bu tip rüzgâr türbinleri bir, iki, üç veya çok kanatlı yapılmaktadır.Önden rüzgârlı (up-wind), arkadan rüzgârlı (down-wind) olarak ikiye ayrılan rüzgâr türbini yatay eksenli rüzgâr türbinidir.

Rüzgâr Türbini Bileşenleri

Rüzgâr türbinleri temel olarak bir kule üzerine yerleştirilmiş rotor (kanatlar ve göbek), güç şaftı ve rüzgârın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çeviren bir jeneratörden (üreteç) oluşur.

Kule: Yuvarlak veya kafes şeklinde, çelik veya betondan yapılmış, tepesine türbin gövdesinin yerleştirilmesini sağlayan direklerdir.

Makine yeri (Nacelle): Kule üzerinde bulunan, rotor, dişli kutusu, şaftlar, jeneratör, kontrolör ve frenleme düzeninin yer aldığı bolumdur.

Rotor: Kanatlar ve dişli kutusunun bulunduğu yerdir.

Kanatlar: Türbinlerin çoğu iki veya üç kanatlıdır. Kanatlara çarpan rüzgâr, kanatları kaldırarak döndürmektedir. Kanatlar polyester ile kuvvetlendirilmiş fiberglass veya epoxy ile güçlendirilmiş fiber karbondan yapılmakta ve çelik omurga ile desteklenmektedir.

Jeneratör: Elektik üreten makinalardır.

Yüksek hızlı şaft: Jeneratörü çalıştıran şafttır.

Düşük hızlı şaft: Kanatların dişli kutusuna bağlayan şafttır.

Dişli kutusu: İçinde düşük ve yüksek hız şaftları bulundurur.

Pitch: Kanatların donuşunu kontrol eden döndürme mekanizmasıdır.

Rüzgâr yön ölçer: Değişimlere göre, kuyruk (yaw) motoru ile haberleşmeyi sağlayan, türbini rüzgâr yönüne taşıyan cihazdır.

Kuyruk (Yaw): Rüzgârın hız değişimine göre rotor kafasını, rüzgâra dik tutacak tarzda ayarlayan cihazdır.

Anemometer: Rüzgâr hızını ölçen ve elektronik kontrol sistemine ileten ölçüm cihazıdır.

Frenler: Acil durumlarda, mekanik, elektriksel veya hidrolik olarak uygulanan bir disk ile rotorun hareketi durdurulmaktadır.

Kontrolör Sistemi: Türbinlerde minimum rüzgâr hızında (cut-in) rotorun dönme hareketini başlatan, dönme hareketini yöneten ve maksimum rüzgâr hızında (cut-out) ise bu hareketi durduran sistemdir.

Rüzgâr Santralleri

Rüzgâr santralleri elektrik üretimi için kullanılan ve rüzgâr türbinleriyle aynı yerde bulunan rüzgâr türbinlerinden oluşur. Rüzgâr santrallerinde üretilen elektrik şebekeye verilmektedir. Rüzgâr çiftliği, rüzgar tarlası ya da rüzgâr parkı olarak da adlandırılmaktadır.

Bir rüzgâr santrali kurulmadan önce;

• Arazinin tofoğrafyası
• Rüzgâr ortalama hızı
• Kısa ve uzun dönemli rüzgâr ölçüm kayıtları
• İletim şebekesine yakınlık
• Altyapı
• Yatırım maliyetleri
• Çevresel değişkenler

dikkate alınmalıdır.

Deniz-Üstü (Off-Shore) Rüzgâr Türbinleri

Günümüzde deniz-üstü rüzgâr türbinleri daha çok kıyıdan uzaklığı 10-15 km ve derinliği 10-15 m olan sığ sulara kurulmaktadır. Kule yükseklikleri karadakilere göre daha kısadır, şebekeye bağlantısı deniz altı kabloları ile yapılmaktadır. Deniz-üstü türbinlerin kurulum ve işletim maliyetleri karasal türbinlere göre çok daha fazladır. Ancak denizdeki rüzgârların karasal rüzgârlara göre çok daha fazla enerjiye sahip olmaları sonucu karasal türbin kapasitelerinin çok üstünde Mega-watt’lar büyüklüğünde enerji üretebilmek mümkündür. Rüzgâr çiftliği, rüzgâr tarlası ya da rüzgâr parkı olarak da adlandırılmaktadır.

Dünyada ve Türkiye’de Rüzgâr Enerjisi

Dünyada 2014 yılı sonunda 80’den fazla ülkede 370 GW toplam güce sahip rüzgâr enerji santrali bulunmaktadır. 114 GW’lık kurulu gücü ile dünyadaki en büyük pazara sahip olan ülke Çin’dir. 2014 yılı itibarıyla dünya üzerinde rüzgâr enerjisinden en fazla elektrik üreten ülkeler sıralandığında ilk on sırada Cin, Hindistan, ABD ve Kanada ile beraber Batı Avrupa ülkelerinin olduğu görülmektedir. Bu 10 ülkenin ürettiği enerji miktarı, dünyada bu alanda üretilen enerjinin % 84’ünü oluşturmaktadır. Brezilya, Meksika ve Güney Afrika ise dünyada en hızlı büyüyen rüzgâr enerjisi pazarlarını oluşturmuştur.

Türkiye’de yer seviyesinden 50 m yükseklikte ve 7,5 m/s’den büyük rüzgâr hızları göz önüne alındığında rüzgar enerjisi potansiyeli 48.000 MW olarak belirlenmiştir.

Ülkemizdeki rüzgâr enerji potansiyelinin belirlenmesi için orta-ölçekli sayısal hava tahmin modeli ve mikro-ölçekli rüzgâr akış modeli kullanılarak üretilen rüzgâr kaynak bilgilerinin verildiği Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA) hazırlanmıştır. Türkiye genelinde 50 m ve üzerinde yıllık, aylık veya günlük rüzgâr hız ortalamaları, rüzgâr güç yoğunlukları, rüzgâr sınıfları, sıcaklık ve basınç değerleri bu atlasta verilmektedir (kitabın 181. sayfasındaki şekil 8.12'de gösterildiği gibi). REPA tarafından hazırlanan Türkiye’deki 50 m yükseklikteki ortalama rüzgâr hızları atlasına göre, kıyı şehirleri başta olmak üzere, dağların tepeleri veya açık alanlar en verimli rüzgâr bölgeleridir. Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz bölgelerinin yüksek potansiyele sahiptir.