Rüzgâr türbini

Rüzgârın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren sistem

Rüzgâr türbini, rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir.[1]

Kunda, Estonya'da bir rüzgâr türbini videosu

Rüzgâr türbini genellikle kule, kanatlar, rotor, dişli kutusu, generatör (alternatör), elektrik-elektronik elemanlardan oluşur. Rüzgârın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Rotor milinin dönüş hareketi hızlandırılarak gövdedeki alternatöre aktarılır. Alternatörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.[2]

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 90o dik geldiği durumda iken; minimum sürükleme kuvveti ise hava akışı cismin yüzeyine paralel iken oluşur.

Kaldırma kuvveti ise, akış yönüne dik olarak oluşan kuvvettir. Uçakların yerden havalanmasına da bu kuvvet sebep olduğu için kaldırma kuvveti denilir.

Sürükleme kuvvetine en iyi örnek olarak paraşüt verilebilir. Bu kuvvet sayesinde paraşütün hızı kesilmektedir. Sürükleme kuvvetinin etkilerini en aza indirebilmek için yapılmış özel cisimlere akış hatlı cisimler denir. Bunlara örnek olarak balık ve zeplin verilebilir.

Düz bir plaka üzerine etkiyen kaldırma kuvveti, hava akışı plaka yüzeyine 0o açı ile geldiğinde görülür. Havanın akış yönüne göre oluşan küçük açılarda akış şiddetinin artmasıyla alçak basınçlı bölgeler oluşur. Bu bölgelere akış altı da denir. Dolayısıyla, hava akış hızı ile basınç arasında bir ilişki meydana gelmiş olur. Yani hava akışı hızlandıkça basınç düşer, hava akışı yavaşladıkça basınç artar. Bu olaya Bernoulli etkisi denir. Kaldırma kuvveti de cismin üzerinde emme veya çekme oluşturur.

TarihçeDüzenle

 
1891'de fotoğraflanan James Blyth'in elektrik üreten rüzgar türbini
 
Sistan, İran'daki Nashtifan rüzgar türbinleri.

İskenderiyeli Heron (10 M.S. – 70 CE)'nin rüzgar çarkı, tarihte bir makineye rüzgar gücü sağlanılan ilk kayıtlı örneklerdendir.[3][4] Ancak, bilinen ilk pratik rüzgar enerjisi santralleri, 7. yüzyıldan itibaren Pers (şimdiki İran)'ın bir doğu eyaleti olan Sistan'da inşa edildi. Bu "Panemone yel değirmeni", dikdörtgen kanatlı uzun dikey tahrik milli ve dikey eksenli yel değirmenleriydi.[5] Kamıştan hasır veya kumaş malzemeyle kaplı altı ila on iki yelkenden yapılmış bu yel değirmenleri tahıl öğütmek veya su çekmek için değirmencilikte ve şeker kamışı sanayiinde kullanıldı.[6]

Rüzgar enerjisi ilk olarak Avrupa'da Orta Çağ sırasında ortaya çıktı. İngiltere'de kullanımlarına ilişkin ilk tarihsel kayıtlar 11. veya 12. yüzyıllara aittir. Alman haçlıların yel değirmeni yapma becerilerini 1190 civarında Suriye'ye götürdüğüne dair raporlar vardır.[7] 14. yüzyılda Hollanda yel değirmenleri Ren delta alanındaki suyu boşaltmak için kullanılıyordu. Gelişmiş rüzgar türbinleri, Hırvat mucit Fausto Veranzio tarafından tanımlandı. Veranzio, Machinae Novae (1595) adlı kitabında kavisli veya V şeklinde kanatlı Dikey eksenli rüzgar türbinleri konusunu işledi.

SınıflandırmaDüzenle

Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çok çeşitlilik gösterse de genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre "Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri" (YERT) ve "Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri” (DERT) olmak üzere iki sınıfa ayrılır. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, (Kısaca NREL) Rüzgar türbinlerinin 100 kW güce eşit veya daha küçük güçte olanlarını Küçük rüzgar türbini olarak sınıflandırır.[8]

Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (YERT)Düzenle

 
YERT-Modern rüzgâr türbini
 
Yerden 60m yukarıda 12 tonluk dişli kutusu ve disk fren takımının yerine montajı
 
Enercon E-101'in yeniden güç verme süreci sırasında rotor kanat montajı, (Hesse, Almanya)
 
Rüzgâr tarlası, (Teksas), (2004)

Bu tip türbinlerde dönme ekseni rüzgâr yönüne paraleldir. Kanatları ise rüzgâr yönüyle dik açı yaparlar. Ticari türbinler genellikle yatay eksenlidir. Rotor, rüzgârı en iyi alacak şekilde, döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir.

Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerin yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgârı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgâr gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgâra bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır.

Yatay eksenli türbinlere örnek olarak pervane tipi rüzgâr türbinleri verilebilir. Bu tip türbinlerin kanatları tek parça olabileceği gibi iki ve daha fazla parçadan da oluşabilir. Günümüzde en çok kullanılan tip üç kanatlı olanlardır. Bu türbinler elektrik üretmek için kullanılır. Geçmişte çok kanatlı türbinler tahıl öğütmek, su pompalamak ve ağaç kesmek için kullanılmıştır.

Düşey eksenli rüzgâr türbinleri (DERT)Düzenle

 
DERT-Eliptik Darrieus Rüzgâr Türbini

Türbin mili düşeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi gibi çeşitleri vardır. Daha çok deney amaçlı üretilmiştir. Ticari kullanımı çok azdır.

Bu türbinlerin üstünlükleri şöyle sıralanabilir:

  • Generatör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için, türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez, böylece kule masrafı olmaz.
  • Türbini rüzgâr yönüne çevirmeye, dolayısıyla dümen sistemine ihtiyaç yoktur.
  • Türbin mili hariç diğer parçaların bakım ve onarımı kolaydır.
  • Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır.

Darrieus tipiDüzenle

Darrieus tipi rüzgâr türbini, Fransız havacılık mühendisi Georges Jean Marie Darrieus tarafından 1931'de patentlenmiştir. Rüzgârın taşıdığı enerjiden elektrik üretmek için kullanılan bir "Dikey Eksenli Rüzgâr Türbini"dir (DERT).Türbin dikey bir şafta monte edilmiş birkaç adet kıvrımlı aerofoil kanattan oluşur.

 
DERT-Darrieus Giromill-(H) tipi rüzgâr türbini[9]

Savonius tipiDüzenle

Savonius rüzgâr türbinleri, Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri sınıfına girmektedir, rüzgâr enerjisini dönen bir şafta moment olarak aktarmak için kullanılır. İki ya da üç adet aerofoil, kepçeye benzer kesitin birleşimi şeklindedir. En yaygını iki adet kepçenin bulunduğu durumdur ve “S” şeklini andıran bir görüntüsü vardır.

Rüzgâr gücü hesabıDüzenle

Rüzgâr gücü mümkün rüzgâr enerjisinin bir ölçümüdür. Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının kübünün bir fonksiyonudur. Eğer rüzgâr hızı iki misline çıkarsa rüzgârdaki enerji sekiz faktörü ile artar (23). Bunun anlamı şudur; rüzgâr hızındaki küçük değişiklikler rüzgâr enerjisinde büyük değişikliklere neden olurlar.

Örneğin, 12.6 m/s hızındaki bir rüzgâr ile üretilebilecek enerji miktarı, 10 m/s hızındaki bir rüzgârdan üretilebilecek enerjinin 2 katıdır. (10 = 1000, 12.63 = 2000).

Yer seçimi veya ölçüm hataları ile yapılabilecek küçük rüzgâr hızı hataları bir rüzgâr türbini yatırımında büyük hatalara neden olabilmektedir. Bu nedenle, rüzgâr türbini satın almadan önce, doğru ve sürekli bir rüzgâr çalışması yapılmalıdır. Ekonomik olarak uygulanabilir olması için, bir rüzgâr türbini kurulacak yerde yıllık ortalama en az 5.4 m/s (12 mph) rüzgâr hızı olmalıdır.

Rüzgârdaki Mümkün Güç Miktarı

W = 0.5 r A v3 eşitliği ile verilir.

W: güç/enerji r: hava yoğunluğu A: kanat alanı v: rüzgâr hızı

Hava yoğunluğu yükseklikle, sıcaklıkla ve hava cepheleri ile değişir. Rüzgâr gücü hesaplamalarında, hava cephelerinin etkisi önemsenmeyecek kadar küçüktür, böylece hava yoğunluğu formülü şöyledir:

P = 1.325 P/T T: Fahrenheit + 459.69 olarak sıcaklık P: Yüksekliğe göre düzeltilmiş Mercury basıncı (inch)

Tipik ortalama hava sıcaklığı (59 °F) deniz seviyesine indirgenerek hava yoğunluğu için bir standart değer kullanılabilir. Bu durumda güç eşitliği basit olarak aşağıdaki hale gelir:

Basitleştirilmiş Güç Eşitliği

Metrik Birimler

W = 0.625 A v3 W: Güç (watt) V: Rüzgâr hızı (m/s) A: Rüzgâr türbini kanatları tarafından süpürülen alan (m2)

A = Π r2 r: Rotor yarıçapı (m)

Basitleştirilmiş güç eşitliği denklemi, rüzgâr turbinenden elde edilecek gücün amprik olarak hesaplanabilmesi için türetilmiştir. Bu denklemden anlaşılabileceği gibi, bir sistemden elde edilecek enerji, rüzgâr hızının kübü ile doğru orantılıdır. Ayrıca elde edilecek güç , rüzgâr türbin kanatlarının süpürdüğü alan dolayısıyla rotor yarıçapının karesi ile orantılıdır.[10]

Ayrıca bakınızDüzenle

KaynakçaDüzenle

  1. ^ "Arşivlenmiş kopya". 13 Eylül 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Eylül 2016. 
  2. ^ "Arşivlenmiş kopya". 27 Eylül 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Eylül 2016. 
  3. ^ Drachmann, A.G. (1961). "Heron's Windmill". Centaurus. 7: 145-151. 
  4. ^ Lohrmann, Dietrich (1995). "Von der östlichen zur westlichen Windmühle". Archiv für Kulturgeschichte (Almanca). Bohlau Verlag. 77 (1): 1-32. doi:10.7788/akg.1995.77.1.1. ISSN 0003-9233. 
  5. ^ Ahmad Y. al-Hassan; Donald R. Hill (1992). Islamic Technology: An Illustrated History. Cambridge University Press. s. 54. ISBN 978-0-521-42239-0. 
  6. ^ Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, May 1991, pp. 64–69. (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering 25 Aralık 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
  7. ^ Morthorst, Poul Erik; Redlinger, Robert Y.; Andersen, Per (2002). Wind energy in the 21st century: economics, policy, technology and the changing electricity industry. Houndmills, Basingstoke, Hampshire: Palgrave/UNEP. ISBN 978-0-333-79248-3. 
  8. ^ Small Wind 15 Kasım 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory website
  9. ^ Giromill-Darrieus Rüzgâr Türbinleri http://www.reuk.co.uk/Giromill-Darrieus-Wind-Turbines.htm 2 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  10. ^ Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. Berlin/ Heidelberg 2008, pp. 621. (Almanca). (İngilizce versiyonu: Erich Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics, Springer 2005)

Dış bağlantılarDüzenle