Ünite 3: Rüzgar Enerjisi

Enerji Kaynağı Olarak Rüzgar

Güneş ışığı dünyamıza ulaştığı sürece rüzgâr dünyamızda hep var olacaktır ve bu bakımdan da yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Yeryüzünün farklı yüzeylerinin güneş tarafından farklı ısıtılması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, dolayısı ile de havanın hareketine neden olmaktadır. Rüzgâr, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket eden havadır.

Rüzgar Enerjisinin Avantaj ve Dezavantajları

Avantajları:

• Rüzgar enerjisi, güç üretmek için herhangi bir kimyasal proses içermediği için su ve hava kirliliği yaratmaz. Sera gazı oluşmadığı için küresel ısınmaya katkısı yoktur. Yani temiz bir enerji kaynağıdır ve çevre dostudur.
• Rüzgâr atmosferde bol ve serbest olarak bulunur. Rüzgâr enerjisi yenilenebilir ve sürdürülebilir bir enerji kaynağıdır.
• Elektriğin kablolarla ulaşamadığı uzak veya küçük yerleşim yerleri için rüzgâr türbinleri yerel elektrik üretimi için 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.

Dezavantajları:

• Rüzgâr oluşumu bir doğa olayı olduğu için rüzgârın hızını ve yönünü önceden belirlemek zordur. Üretilecek enerji rüzgârın hızına bağlıdır. Rüzgâr hızı düşerse üretilen enerji miktarı da düşmektedir. 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. Büyük kapasiteli türbinler yakın çevredeki TV yayınlarını etkileyebilir.
• Büyük kapasiteli rüzgâr türbinleri göçmen kuşların uçuş yollarını olumsuz olarak etkileyebilir ve kuş ölümlerine neden olabilir.

Rüzgar Türleri

Enlem ve boylamlar arasında hava hareketlerinin yönünü Coriolis bükme kuvvetleri denir. Ekvatorda ısınan hava kuzey ve güney yarım küre üzerindeki atmosferin yüksek tabakalarına doğru hareket eder. 30° enlem kuşağında dünyanın kendi ekseni etrafında dönmesi ile kuzey ve güney yarım kürelerde Coriolis olarak bilinen büküm kuvvetleri yoğun bir şekilde oluşur. Bu kuvvetler havanın hareket yönünü, kuzey yarım kürede hareket yönünün sağına, güney yarım kürede ise soluna değiştirir. Coriolis kuvvetleri ile yönü değişen hava yüksek basınçtan dolayı tekrar alçalmaya başlar. Rüzgâr, ekvatordan yükselirken kuzey ve güneyden gelen yer seviyesi çekimindeki rüzgârlara kadar düşük basınçlı bir alan oluşur. Kutuplarda ise havanın soğumasından dolayı yüksek basınç meydana gelir ve bu basınç farkından dolayı da “küresel” rüzgârlar oluşur.

Rüzgar Hızı ve Yönüne Etki Eden Faktörler

Rüzgâr türbinlerinin kuruluş yerlerinin belirlenmesinde yerel rüzgârlar önem bir rol oynar. Bu rüzgârların hızı ve yönü bazı etkenler ile değişebilir.

Rüzgâr hızları yer yüzeyinde sürtünmeden etkilenmektedir. Sürtünmenin fazla olması rüzgârın hızını düşürmektedir. Türbin yeri seçilirken hava ile yüzey sürtünmesinin en az olduğu bölge dikkate alınmalıdır. Engebeli ve dağlık arazi sürtünmeyi artırabileceğinden yer seçiminden önce bölgenin topoğrafik yapısının bilinmesi gerekir. Rüzgâr enerjisi endüstrisinde, bölgedeki rüzgâr şartları pürüzlülük uzunluğu ve engelin kendisi arasındaki ilişki hesaplanarak belirlenmektedir. Rüzgârın teorik hızının sıfır olduğu yerden yükseklik pürüzlülük uzunluğu olarak bilinir. Deniz yüzeyi için engel sınıfı “0”, ağaçlık ve binaların olduğu bölgenin engel sınıfı “3-4”, beton havaalanı pisti için bu değer “0,5”dir. Çizelge 3.2’de arazi tiplerinin sınıflandırılması verilmiştir.

Rüzgar Hızının ve Yönünün Ölçülmesi

Rüzgâr ölçümlerinde üç tip ölçüm sistemi kullanılır:

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

Rüzgâr hızının ölçülemediği durumlarda rüzgârın hızı, tahmini olarak belirlenir. Tahminsel rüzgâr ölçümünde Beaufort (Bofor) ölçeği kullanılır.

Rüzgar Ölçüm Verilerinin Değerlendirilmesi

Rüzgâr ölçüm verilerinin yıl içindeki dağılımlarının bilinmesi çok önemlidir. Bu amaçla 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. (Rüzgar hızırüzgar oluşum sıklığı (frekansı) ve ölçüm hesaplamaları ve formülleri kitabın 54-55. sayfasındadır.)

Rüzgar Enerjisi Hesaplamaları

Rüzgâr enerjisinin mekanik enerjiye çevrilmesi rüzgâr hızına, rotor kanat alanına ve havanın yoğunluğuna bağlıdır. (Rüzgarın kinetik enerjisi ve formülleri kitabın 55-56-57. Sayfasındadır.)

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. (Konu ile ilgili grafik kitabın 58. sayfasındadır.)

Türbinlerde Güç Katsayısı

Türbinlerin performanslarını ölçmek için kullanılır. (Konu ile ilgili grafik ve hesaplamalar ve formüller, kitabın 58- 59.sayfasındadır.)

Rüzgar 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. Bütün türbinlerde, rüzgârın kinetik enerjisi türbin kanatlarını hareket ettirir, oluşan bu mekanik enerji jeneratörlerde elektrik enerjisine dönüşür, daha sonra elektrik enerjisi ya direkt olarak kullanılması için şebekelere gönderilir veya pillerde depolanır. İlk ticari rüzgâr türbini 1980’lerde kullanılmaya başlanmış ve bu tarihten sonra türbinler kapasite, verimlilik ve tasarım bakımından hızla gelişmiştir. Günümüzde rüzgâr türbinleri 3-4 m/s’den 25 m/s’ye kadar geniş aralıktaki rüzgâr hızları ile çalışabilmektedir.

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

Günümüz elektrik üretim amaçlı şebeke bağlantılı modern rüzgâr türbinleri çoğunlukla 3 kanatlıdır ve kanat çapları 30 m’ye kadar çıkabilir ve 30-50 m kule yüksekliğine sahiptirler. Rüzgâr türbinleri karaya (on-shore) kurulduğu gibi denizlerde (off-shore) de kurulabilmektedir. Rüzgâr türbinleri güçlerine, kanat sayılarına, rüzgârı alma durumuna göre sınıflandırılabilirler.

Eksenleri rüzgâr yönündeki kanatları düşey ve düşey bir şifre bağlanmış, rüzgâr her yönde alan ve rüzgâr yönü değiştiğinde herhangi bir pozisyon değişimine uğramayan türbin türü düşey eksenli rüzgâr türbinüdür (DERT).

Önden rüzgârlı (up-wind), arkadan rüzgârlı (down-wind) olarak ikiye ayrılan rüzgâr türbini yatay eksenli rüzgâr türbinidir (YERT).

Rüzgar 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.

Ayrıca türbinlerde, kanatların dönme oranını ve dönme hareketlerinin hızını ayarlayacak bir rotor kontrolü de bulunur. Bir rüzgâr türbininden elde edilecek enerji miktarı türbin rotor göbek (hub) yüksekliğindeki rüzgâr hızına bağlıdır. Rotor göbek yüksekliği arttıkça hız da artacağı için, rüzgârdan elde edilecek enerji de artmaktadır. Yeni nesil orta ve büyük ölçekli rüzgâr türbinlerinin rotor göbekleri (hub) yerden 60-100 m yüksekliktedir.

Rüzgârın kinetik enerjisi rotor tarafından mekanik enerjiye çevrilir ve düşük devirli ana milin dönüş hareketi gövde içerisindeki iletim sistemine (dişli kutusu vb.), oradan jeneratöre aktarılır. İletim sistemi, jeneratör ve yardımcı üniteler gövde içerisinde yer alır. Bir rüzgâr türbininde bu bileşenler dışında; frenleme düzenleri, kontrol-kumanda sistemleri, yönlendirme motoru ve mekanizması, anemometre ve rüzgârgülü gibi ölçüm cihazları bulunur.

Rüzgar Santralleri

Rüzgâr santralleri elektrik üretimi için kullanılan ve rüzgâr türbinleriyle aynı yerde bulunan rüzgâr türbinlerinden oluşur. Rüzgâr santrallerinde üretilen elektrik şebekeye verilmektedir. Rüzgâr çiftliği, rüzgâr tarlası ya da rüzgâr parkı olarak da adlandırılmaktadır. Rüzgâr santrali planlama aşamasında, rüzgâr atlasları ilk başvuru kaynaklarıdır.

Rüzgâr atlası, yer yüzeyinden 10 m yükseklikte, yer yüzeyinde ölçülmüş olan rüzgâr hızı ve yönüne yeterli süre ve sayıdaki meteoroloji istatistiklerinin, özel bilgisayar programları yardımıyla değerlendirilmesi sonucunda elde edilen, rüzgâr gücü ve kapsadığı alanlar hakkında bilgi veren rüzgâr istatistikleridir. Ancak, rüzgâr atlası yer seçiminde tek başına yeterli değildir. 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) Rüzgar Türbinleri

Su yüzeyinde pürüzlülüğün karalara göre daha az olması, denizlerdeki rüzgâr hızının da karasal rüzgâr hızlarından yaklaşık olarak %20 daha yüksek olması dolayısıyla deniz-üstü rüzgâr türbinlerine de talep artış göstermektedir. Günümüzde deniz-üstü rüzgâr türbinleri daha çok kıyıdan uzaklığı 10-15 km ve derinliği 10-15 m olan sığ sulara kurulmaktadır. Burada kurulan rüzgâr türbinlerinin kule yükseklikleri karadakilere göre daha kısadır. Bu tür türbinlerin 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 Megawatt’lar büyüklüğünde enerji üretebilmek mümkündür.

Dünyada ve Türkiye’de Rüzgar Enerjisi

Dünyada 2014 yılı sonunda 80 den fazla ülkede 370 GW toplam güce sahip rüzgâr enerji santrali bulunmaktadır. Bu santrallerden 24 tanesi 1000 MW’dan büyük, 11 tanesi ise 5000 MW kurulu güce sahiptir. 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 Çin, 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.

7 m/s’den büyük rüzgâr hızları göz önüne alınarak Türkiye rüzgâr enerjisi potansiyeli 48.000 MW olarak belirlenmiştir. 2013 yılı sonu yıllık rüzgâr enerjisi üretim miktarı 7.518 GWh, rüzgâr enerji santrallarının kurulu gücü ise 2.760 MW’dır.

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.