Rüzgâr türbini, rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Bir rüzgâr türbini genel olarak kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrik-elektronik elemanlar ve pervaneden oluşur. Rüzgâr türbinleri, yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan rüzgâr enerjisinden yararlanarak çevre dostu ve sürdürülebilir bir elektrik üretimi sağlar.
Bu makalede, rüzgâr türbini nedir, nasıl çalışır, türleri nelerdir, enerji nasıl depolanıyor, rüzgâr türbinlerinin avantajları ve dezavantajları nelerdir hep birlikte öğrenelim:
Rüzgâr Türbini Nasıl Çalışır?
Rüzgâr türbinlerinin nasıl çalıştığını anlamak için iki önemli aerodinamik kuvvet iyi bilinmelidir. Bunlar sürükleme ve kaldırma kuvvetleridir. Sürükleme kuvveti, cisim üzerinde akış yönünde oluşan bir kuvvettir. Örneğin düz bir plaka üzerinde oluşabilecek maksimum sürükleme kuvveti hava akışının cisim üzerine 90° dik geldiği durumda iken; minimum sürükleme kuvveti ise hava akışı cismin yüzeyine paralel iken oluşur. Kaldırma kuvveti ise, akış yönüne dik olarak oluşan kuvvettir.
Rüzgâr türbinlerinin kanatları, hava akışına göre eğimli bir şekilde tasarlanmıştır. Bu sayede kanatların üst yüzeyindeki hava akışı daha hızlı, alt yüzeyindeki hava akışı daha yavaş olur. Bu durumda kanatların üst yüzeyindeki basınç düşerken, alt yüzeyindeki basınç artar. Bu basınç farkı nedeniyle kanatlar üzerinde bir kaldırma kuvveti oluşur. Kaldırma kuvveti, kanatları döndüren ana etkendir.
Rüzgâr türbinlerinin kanatları aynı zamanda sürükleme kuvvetine de maruz kalır. Sürükleme kuvveti, kanatların dönmesini zorlaştıran bir etkidir. Kanatların aerodinamik verimliliğini artırmak için sürükleme kuvvetinin mümkün olduğunca azaltılması gerekir.
Rüzgâr türbinlerinin kanatlarının döndürdüğü rotor milinin ucunda bir dişli kutusu bulunur. Dişli kutusu, rotor milinin dönme hızını artırarak jeneratöre aktarır. Jeneratör ise mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Elektrik enerjisi, elektrik-elektronik elemanlar yardımıyla uygun gerilim ve frekansta alıcılara ulaştırılır veya akülerde depolanır.
Rüzgâr türbinlerinin çalışması için belirli bir rüzgâr hızı gerekir. Bu hız, türbinin başlama hızı olarak adlandırılır. Başlama hızı, türbinin kanatlarının dönmeye başladığı minimum rüzgâr hızıdır. Başlama hızı genellikle 3-5 m/s arasındadır. Rüzgâr hızı arttıkça türbinin ürettiği elektrik enerjisi de artar. Ancak belirli bir rüzgâr hızından sonra türbinin ürettiği elektrik enerjisi sabit kalır. Bu hız, türbinin nominal hızı olarak adlandırılır. Nominal hız, türbinin maksimum güç ürettiği rüzgâr hızıdır. Nominal hız genellikle 12-15 m/s arasındadır. Rüzgâr hızı nominal hızdan daha fazla olduğunda türbinin güç üretimi azaltılır veya durdurulur. Bu durum, türbinin aşırı yüklenmesini ve zarar görmesini önlemek içindir. Bu hız, türbinin kesme hızı olarak adlandırılır. Kesme hızı, türbinin güvenli çalışma sınırının üzerindeki rüzgâr hızıdır. Kesme hızı genellikle 25-30 m/s arasındadır.
Rüzgâr türbinlerinin verimliliği, rüzgârdan elde edilen mekanik enerjinin ne kadarının elektrik enerjisine dönüştürüldüğünü gösterir. Rüzgâr türbinlerinin verimliliği %30 ile %50 arasında değişir. Rüzgâr türbinlerinin verimliliğini etkileyen faktörler arasında kanatların aerodinamik tasarımı, dişli kutusu ve jeneratörün kayıpları, elektrik-elektronik elemanların kayıpları ve rüzgârın yönü ve şiddeti sayılabilir.
Rüzgâr Türbini Çeşitleri Nelerdir?
Rüzgâr türbinleri, rotor eksenlerinin yönüne göre iki ana gruba ayrılır: Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (YERT) ve düşey eksenli rüzgâr türbinleri (DERT). Bu iki grup arasındaki temel fark, rotor ekseninin rüzgâra paralel veya dik olmasıdır. Her iki grup da kendi içinde farklı tiplere sahiptir. Şimdi bu tipleri daha yakından inceleyelim.
Yatay Eksenli Rüzgâr Türbini (YERT)
Yatay eksenli rüzgâr türbini (YERT), rotor ekseninin rüzgâra paralel olduğu rüzgâr türbini tipidir. Bu tip rüzgâr türbinleri günümüzde en yaygın olarak kullanılan rüzgâr türbinleridir. YERT’lerin avantajları arasında yüksek verimlilik, yüksek güç üretimi, yüksek rüzgâr hızlarına dayanıklılık ve kolay bakım sayılabilir. YERT’lerin dezavantajları arasında ise yüksek kurulum maliyeti, yüksek kule gereksinimi, rüzgâr yönünü takip etme zorunluluğu ve düşük rüzgârlarda çalışamama sayılabilir.
YERT’lerin kanat sayısı genellikle üçtür. Kanat sayısı arttıkça verimlilik azalırken, gürültü artar. Kanat sayısı azaldıkça ise verimlilik artarken, dengesizlik ve titreşim sorunları ortaya çıkar. Üç kanatlı YERT’ler hem verimlilik hem de dengelilik açısından en uygun seçenektir.
YERT’lerin kanatlarının şekli ve malzemesi de önemlidir. Kanatların şekli aerodinamik olarak tasarlanmalı ve sürükleme kuvvetini azaltmalıdır. Kanatların malzemesi ise hafif, dayanıklı ve esnek olmalıdır. Genellikle kompozit malzemeler kullanılır.
YERT’lerin diğer bir önemli bileşeni de dişli kutusudur. Dişli kutusu, rotor milinin dönme hızını artırarak jeneratöre aktarır. Dişli kutusu sayesinde jeneratör daha küçük ve daha ucuz olabilir. Ancak dişli kutusu da kayıp, gürültü ve bakım gerektiren bir parçadır. Bu nedenle bazı YERT’lerde dişli kutusu yerine doğrudan tahrik sistemi kullanılır. Doğrudan tahrik sisteminde jeneratör rotor miline doğrudan bağlanır ve dişli kutusuna gerek kalmaz.
YERT’lerin son olarak rüzgâr yönünü takip etmesi gerekir. Rüzgâr yönü değiştikçe kanatlar da rüzgâra göre ayarlanmalıdır. Bu işlem için iki yöntem kullanılır: Aktif yönlendirme ve pasif yönlendirme. Aktif yönlendirme yönteminde elektrik motoru veya hidrolik sistem ile kule üzerindeki bir sensör yardımıyla kanatlar döndürülür. Pasif yönlendirme yönteminde ise kanatlar kuleye sabitlenmez ve rüzgârın basınç farkından dolayı kendiliğinden döner.
Düşey Eksenli Rüzgâr Türbini (DERT)
Düşey eksenli rüzgâr türbini (DERT), rotor ekseninin rüzgâra dik olduğu rüzgâr türbini tipidir. Bu tip rüzgâr türbinleri günümüzde daha az yaygın olarak kullanılan rüzgâr türbinleridir. DERT’lerin avantajları arasında düşük kurulum maliyeti, düşük kule gereksinimi, rüzgâr yönünü takip etme zorunluluğunun olmaması ve düşük rüzgârlarda çalışabilme sayılabilir. DERT’lerin dezavantajları arasında ise düşük verimlilik, düşük güç üretimi, yüksek rüzgâr hızlarına dayanıksızlık ve bakımın zor olması sayılabilir.
DERT’lerin kanat sayısı genellikle iki veya üçtür. Kanat sayısı arttıkça verimlilik artar ancak dengesizlik ve titreşim sorunları da artar. Kanat sayısı azaldıkça ise verimlilik azalır ancak dengelilik ve titreşim sorunları da azalır.
DERT’lerin kanatlarının şekli ve malzemesi de önemlidir. Kanatların şekli aerodinamik olarak tasarlanmalı ve kaldırma kuvvetini artırmalıdır. Kanatların malzemesi ise hafif, dayanıklı ve esnek olmalıdır. Genellikle kompozit malzemeler kullanılır.
DERT’lerin diğer bir önemli bileşeni de jeneratördür. Jeneratör, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. DERT’lerde genellikle doğrudan tahrik sistemi kullanılır. Doğrudan tahrik sisteminde jeneratör rotor miline doğrudan bağlanır ve dişli kutusuna gerek kalmaz.
DERT’lerin son olarak rüzgâr yönünü takip etmesine gerek yoktur. Rüzgâr yönü değiştikçe kanatlar da her yöne dönebilir. Bu nedenle DERT’ler daha esnek bir çalışma sağlar.
DERT’lerin iki temel tipi vardır: Darrieus tipi ve Savonius tipi. Şimdi bu tipleri daha yakından inceleyelim.
Darrieus Tipi
Darrieus tipi, Fransız mühendis Georges Darrieus tarafından 1931 yılında geliştirilen bir DERT tipidir. Bu tip rüzgâr türbinleri, rotor eksenine dik olarak yerleştirilmiş eğri kanatlardan oluşur. Kanatların şekli genellikle bir yumurta kesiti veya bir S harfi gibidir. Bu şekilde kanatlar üzerinde kaldırma kuvveti oluşur ve rotor döner.
Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinin avantajları arasında yüksek verimlilik, yüksek güç üretimi, rüzgâr yönüne bağımlı olmaması ve düşük kule gereksinimi sayılabilir. Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinin dezavantajları arasında ise başlama hızının yüksek olması, dengesizlik ve titreşim sorunları, bakımın zor olması ve estetik açıdan hoş görünmemesi sayılabilir.
Darrieus tipi rüzgâr türbinleri genellikle başka bir rüzgâr türbini veya bir motor ile çalıştırılmadan önce başlatılması gerekir. Bu nedenle Darrieus tipi rüzgâr türbinleri genellikle Savonius tipi gibi bir başka DERT ile birlikte kullanılır.
Savonius Tipi
Savonius tipi, Finlandiyalı mühendis Sigurd Savonius tarafından 1922 yılında geliştirilen bir DERT tipidir. Bu tip rüzgâr türbinleri, rotor eksenine paralel olarak yerleştirilmiş eğri kanatlardan oluşur. Kanatların şekli genellikle bir varilin ortadan kesilmesi ile elde edilen yarım daireler gibidir. Bu şekilde kanatlar üzerinde sürükleme kuvveti oluşur ve rotor döner.
Savonius tipi rüzgâr türbinlerinin avantajları arasında düşük başlama hızı, rüzgâr yönüne bağımlı olmaması, bakımın kolay olması ve estetik açıdan hoş görünmesi sayılabilir. Savonius tipi rüzgâr türbinlerinin dezavantajları arasında ise düşük verimlilik, düşük güç üretimi, yüksek rüzgâr hızlarına dayanıksızlık ve yüksek kule gereksinimi sayılabilir.
Savonius tipi rüzgâr türbinleri genellikle düşük hızlı ve düşük güçlü uygulamalar için kullanılır. Örneğin su pompalama, havalandırma veya Darrieus tipi gibi bir başka DERT’in başlatılması için kullanılabilir.
Rüzgâr Enerjisi Depolama Yöntemleri
Rüzgâr enerjisi, yenilenebilir ve çevre dostu bir enerji kaynağı olmasına rağmen bazı dezavantajlara da sahiptir. Bunlardan biri de rüzgârın sürekliliğinin ve şiddetinin değişken olmasıdır. Rüzgârın değişkenliği, rüzgâr türbinlerinin güç üretimini de etkiler. Bu nedenle rüzgâr enerjisinin depolanması, elektrik şebekesinin dengeli ve güvenli çalışması için önemlidir.
Rüzgâr enerjisinin depolanması, rüzgâr türbinlerinin ürettiği elektrik enerjisinin başka bir enerji türüne dönüştürülerek saklanması anlamına gelir. Bu sayede rüzgârın yetersiz veya fazla olduğu zamanlarda depolanan enerji kullanılabilir. Rüzgâr enerjisinin depolanması hem rüzgâr türbinlerinin verimliliğini artırır hem de elektrik şebekesinin kararlılığını sağlar.
Geliştirilen bazı yöntemlerle rüzgâr enerjisi depolanabilir. Günümüzde kullanılan rüzgâr enerjisi depolama sistemleri şu şekildedir:
Su rezervuarları: Suyun yaklaşık yarım kilometre altına yerleştirilen hava torbaları, gün boyunca toplanan rüzgâr enerjisini, verimin düştüğü zamanlarda kullanılması için depolar. Rüzgâr türbinlerinin ürettiği elektrik enerjisi ile hava torbalarına basınçlı hava pompalanır. Basınçlı hava suyun altında depolanır. Gerektiğinde basınçlı hava geri alınarak bir türbin vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürülür.
Hidrojen üretimi: Rüzgâr türbinlerinin ürettiği elektrik enerjisi ile suyun elektrolizi yapılır. Elektroliz sonucunda hidrojen ve oksijen gazları elde edilir. Hidrojen gazı depolanır. Gerektiğinde hidrojen gazı bir yakıt pili vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürülür.
Sıkıştırılmış hava: Rüzgâr türbinlerinin ürettiği elektrik enerjisi ile hava sıkıştırılır. Sıkıştırılmış hava yeraltındaki boşluklarda veya tanklarda depolanır. Gerektiğinde sıkıştırılmış hava geri alınarak bir türbin vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürülür.
Aküler: Rüzgâr türbinlerinin ürettiği elektrik enerjisi ile aküler şarj edilir. Akülerde kimyasal enerji olarak depolanan elektrik enerjisi gerektiğinde geri alınabilir. Aküler hem küçük hem de büyük ölçekli uygulamalarda kullanılabilir.
Uçan jeneratörler: Uçan jeneratörler, yüksek irtifalardaki güçlü ve sürekli rüzgârlardan yararlanmak için tasarlanmış rüzgâr türbinleridir. Uçan jeneratörler, bir helikopter gibi havada asılı duran ve rüzgârın döndürdüğü pervanelerle elektrik enerjisi üreten sistemlerdir. Uçan jeneratörlerin ürettiği elektrik enerjisi yerdeki bir depolama sistemi ile saklanır. Uçan jeneratörler hem yüksek verimlilik hem de düşük kurulum maliyeti sağlar.
Rüzgâr Türbinlerinin Avantaj ve Dezavantajları
Rüzgâr türbinleri, rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Rüzgâr enerjisi, yenilenebilir ve çevre dostu bir enerji kaynağıdır. Ancak rüzgâr türbinleri de bazı avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Şimdi bu avantaj ve dezavantajları sıralayalım.
Rüzgâr türbinlerinin avantajları şunlardır :
Rüzgâr enerjisi yenilenebilir ve sınırsız bir enerji kaynağıdır. Fosil yakıtlara bağımlılığı azaltır ve enerji güvenliğini artırır.
Rüzgâr enerjisi çevre dostu bir enerji kaynağıdır. Rüzgâr enerjisi sera gazı emisyonlarını, hava kirliliğini ve küresel ısınmayı azaltır.
Rüzgâr türbinleri düşük işletme ve bakım maliyetlerine sahiptir, yakıt gerektirmez ve uzun ömürlüdür.
Rüzgâr türbinleri yerel ekonomiye katkı sağlar. Yerel istihdam yaratır, kırsal kalkınmayı destekler ve elektrik şebekesine erişimi olmayan bölgelere elektrik sağlar.
Rüzgâr türbinlerinin dezavantajları şunlardır :
Rüzgâr enerjisi değişken ve tahmin edilmesi zor bir enerji kaynağıdır. Rüzgârın sürekliliği ve şiddeti değişken olduğu için rüzgâr türbinlerinin güç üretimi de değişken olur. Bu nedenle rüzgâr enerjisinin depolanması veya başka enerji kaynakları ile tamamlanması gerekir.
Rüzgâr türbinleri yüksek kurulum maliyetlerine sahiptir. Rüzgâr türbinleri büyük ve ağır ekipmanlardır. Bu nedenle nakliye, montaj ve kurulum aşamaları maliyetli ve zahmetlidir.
Rüzgâr türbinleri gürültü, görsel kirlilik ve biyolojik çeşitlilik üzerinde olumsuz etkilere sahip olabilir. Rüzgâr türbinleri çalışırken gürültü üretir ve manzarayı bozabilir. Ayrıca kuşlar ve yarasalar için çarpışma tehlikesi oluşturabilir.
Bu makalemizden memnun kaldıysanız bunu da okuyabilirsiniz: Bu Pervanesiz Rüzgar Türbinleri Rüzgar Enerjisinin Geleceği Olabilir
Yorumlar 2