Rüzgar Enerjisi

Çevreye duyarlılık ve enerji gereksinimi günümüz insanını artık çok daha yakından ilgilendiren bir konu haline gelmiştir. İnsanın konfor gereksinimi artarken buna bağlı olarak enerji kullanımı da artmaktadır. Artan enerji talebi, çevreye daha az zarar veren kaynaklara yönelerek ve mühendislik açısından daha az enerji tüketen ürünlerin üretilmesiyle karşılanmak durumundadır. Oldukça ekonomik ve teknolojik açıdan da gelişmiş yenilenebilir enerji kaynağı olan Rüzgar Enerjisi, bu alanda öne çıkan alternatiflerden biri…

 

Rüzgar Enerji Santrali (RES) Nedir?

Rüzgar enerjisi binlerce yıl öncesinden insanlar tarafından tahıl öğütmek, su pompalamak ve teknelerde yelken gücü elde etmek için kullanılmıştır. Yel değirmenlerinden hareketle geliştirilen yeni enerji dönüştürücüleri artık rüzgar enerji santralleri olarak elektrik üreticileri arasındaki yerlerini almışlardır. Türkiye’de ilk rüzgar enerji santrali 1998 yılında İzmir’de Alaçatı’ya 7 km uzaklıkta olan Germiyan köyünde kurulmuştur.Alize Germiyan Rüzgar Enerji Santrali, toplam kurulu gücü 1,5 MW olan 3 adet 500 kW’lık rüzgar türbiniyle yıllık ortalama toplam 4 milyon kWh elektrik enerjisi üretmektedir.

 

Rüzgar enerji santrallerinin başarı öyküleri bir rüzgar enerji santraline bakıldığında kabaca dönen kısımlardan oluşan kompozit döneç (Rüzgar enerji santraline bakıldığında döner görünen kısım) palaları ile aerodinamikte, mekanik/elektrik mühendisliğinde, kontrol teknolojisi ve elektronikteki gelişmelerle başlamıştır. Bunlar artık tekil enerji kaynağı olmaktan çıkmış, büyük miktarda elektriği üretip bunu doğrudan şebekeye vermeye başlamışlardır. Genellikle bunlar yatay eksenli, üç döneç palalı, rüzgar doğrultusuna yönlenen, içinde döneç göbeği, dişliler ve jeneratörü barındıran naselden (göbeğin arkasında zarf içerisinde bulunan kısım) oluşan sistemler topluluğudur.

 

Rüzgar Enerjisi, rüzgar olarak hareket eden hava kütlesinin kinetik enerjisidir ve döneç süpürme alanından geçen hava kütlesi ile orantılıdır. Rüzgarın gücü ise bu enerjinin birim zamandaki değeridir. Rüzgar hızı arttığında rüzgar gücü de bunun küpü ile doğru orantılı olarak artar. Yoğunlukla doğru orantılı olan bu güç, su ile karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. Yani rüzgar enerji santralinin döneçinden aynı hızda su geçirilseydi yaklaşık 800 katı güç elde edilebilirdi. Yatay eksenli bir rüzgar enerji santralinde palaların süpürdüğü alandan geçen rüzgar gücünün enerji santrali tarafından alınan kısmı, pala süpürme alanı ile hesaplanırken, pala uzunluğu iki katına çıkarıldığında güç dört katı artar. Rüzgar hızı iki katına çıktığında ise güç sekiz katı artar.

 

Günümüz rüzgar enerji santralleri rüzgar gücünün %50’sine yakınını mekanik enerjiye dönüştürerek kuramsal %59’luk Betz sınırına yaklaşır. (Betz, klasik momentum kuramı ile bazı varsayımlar yaparak ve rüzgar hızının türbin rotorunu geçtikten sonra rüzgarın hızını üçte bire düşürülebildiğinde enerjinin en fazla %59’unun yakalanabileceğini gösterir.) Bu rüzgar enerji santrallerinde aerodinamik verim, rüzgar yönündeki sürükleme kuvveti ile birlikte rüzgar yönüne dik oluşturulan taşıma kuvvetinden de yararlanıldığından artar. Eski rüzgar enerji santrallerinde ise yalnızca rüzgarın hızını azaltarak aerodinamik sürükleme kuvvetinden yararlanıldığından bunların performansı en fazla %12 civarındadır.

 

Rüzgar enerji santralleri çeşitli kriterlere göre sınıflandırılabilirler. Bunlardan en bariz olanı döneçin dönme ekseninin yatay mı düşey mi olduğuna göre yapılan sınıflandırmadır. Diğer bir sınıflandırma ise döneçin kulenin rüzgar yönüne bakan tarafında veya kule arkasında olmasına göre, veya kara ve kıyı ötesi vb. göz önüne alınarak yapılır.

 

Döneçten elde edilen gücün, buradan geçen rüzgar gücüne oranı olan güç katsayısı, pala ucu hızının rüzgarın hızına oranı olarak tanımlanan uç hız oranının optimize edilmesi ile güç katsayısı iyileştirilebilir. Bu oran ve pala sayısı rüzgara verilen yanıtı belirler. Uç hız oranı düşükse döneçte çok pala vardır ve yüksek tork (döndürme momenti) vererek düşük hızda döner. Uç hız oranı yüksek ise pala sayısı az, az torkla fakat daha hızlı dönen bir döneç vardır.

 

Rüzgar enerji santralleri, palaları sabit hatveli (palanın uzunlama ekseni boyunca döndürülemediği), asenkron jeneratör kavramı, hatve verilebilir, senkron jeneratörlü kavram, hatve verilebilir, çiftli beslemeli asenkron jeneratörlü kavram olmak üzere 3 farklı yolla şebekeye elektrik verir.

• Sabit hatveli, asenkron jeneratör kavramı, 1990 ortalarına kadar pazarda yaygın olan ve kuvvetli rüzgarlarda pala üzerindeki akımın türbülanslı hale geldiği, verimi düşük, şebekenin frekansı nedeni ile sabit devirde dönen asenkron jeneratörlerdi. Asenkron jeneratör senkron jeneratörün gereksinim duyacağı senkronizasyona gerek duymaz. Sistem basit ve sağlıklıdır.
• Senkron jeneratörle hatve verilebilir kavram, 1990’nın on yıllık döneminde geliştirilen döneç palalarını boylamasına eksen boyunca açısını değiştirebilen hatve kavramıdır. Rüzgar hızına bağlı olarak rüzgar enerji santralleri çeşitli hızlarda çalışır. Rüzgar hızı çok arttığında güç üretimini sınırlamak için palalar, rüzgardan hatve verilerek (yaklaşık 12 m/s’nin üzerine çıktığında) kaçırılır. Senkron jeneratörlü, hatveli kavramda türbin hızı değişmesi sırasında frekanstaki oynamaları gidermek için frekans konvertörü görev yapar.
• Çiftli beslemeli asenkron jeneratörde tüm üretilen elektrik için gerekli olmamakla birlikte anma gücünün yaklaşık %40 gibi bir kısmı için frekans konvertörüne gereksinim duyulur. Bu da konvertörün küçülmesini sağlar.

 

Rüzgar Enerji Santrali Teknolojisi

Hava görünebilir bir kütle olsaydı, çıplak gözle bakıldığında iyi bir rüzgar enerji santralinin, rüzgarla uyumlu şekilde dönebilen bir sistem olduğunu görebilirdik. Modern rüzgar enerji santralleri, birçok disiplinin kuramsal esaslarının kullanıldığı, bu disiplinler arası ürünlerin iyi bir mühendislikle bir araya getirildiği karmaşık teknik sistemlerdir. Rüzgar enerji santrali değişen rüzgar yükleri altında dönen birçok kütleye sahiptir.

• Döneç palaları, bunların dinamik davranışı ve tüm sistem üzerine etkileri aerodinamik: yapı mühendisliği
• Yataklar, miller, dişli kutuları, fren, kavramalar ve kule: makine mühendisliği
• Jeneratör, frekans konvertörü, elektrik hatları ve şebekeye bağlantı: elektrik mühendisliği
• Sistem kontrolü, gözleme, duyargalar: elektronik, kontrol mühendisliği ve bilgisayar bilimleri
• Kule temeli ve servis yollarının inşası: inşaat mühendisliği
• Enerji eldesi ve tahminler: meteorolojinin konusuna girer

 

Rüzgar Enerji Santralleri İle İlgili Bazı Parametreler

2 MW’lık rüzgar enerji santrali denildiğinde bu, jeneratörün vereceği maksimum çıkış değeridir veya anma gücüdür. Rüzgar enerji santrali (RES) belirli bir rüzgar hızında (genellikle 11 ve 15 m/s’de) veya anma rüzgar hızında bu güce çıkar. Rüzgar genellikle değişken hızda estiğinden rüzgar enerji santralleri de her zaman anma gücünde çalışmayacaktır. Rüzgar enerji santrali 2,5 – 4 m/s hızda güç üretmeye başlayıp, 25 – 33 m/s hızlarda emniyet açısından durdurulur. Üretilen güç kuramsal olarak belirtilenin daima altındadır. Kapasite katsayısı rüzgar enerji santralinin yıllık güç üretiminin, santralin anma gücünde 8760 saat çalışması halinde elde edilecek kilowatt-saat güce oranıdır. Sahil kesimlerinde %35’lerde, karasal iç bölgelerde %18 civarındadır. Rüzgar gücü şebekeye her zaman bir yerlerden girebilir. Büyük bir alanda %10’lara kadar varacak sabit bir değerle girebilirler. Rüzgar enerji santrallerini aşırı yüklememek için rüzgar hızı anma hızını geçtiğinde gücün bir kısmı kullanılmayacaktır. Güç kontrolü hız arttığında pala üzerinde türbülans oluşarak pasif veya aktif tutunma kaybı ile pala aerodinamik verimi düşürülür ya da hatve kontrolü ile, elektronik veya hidrolik güçle pala açıları değiştirilerek yüksek rüzgar hızlarında da anma gücünde çalışma sağlanır.

 

Küçük Ölçekli Rüzgar Enerji Santrali Sistemleri

Bunlar genellikle kırsal kesimde şebekeye bağlanmadan veya şebekeye paralel olarak elektrik üretir, su pompalar veya su ısıtır. Kendi başına duran ayrık uygulamalarda bir nevi depolamaya gereksinim vardır. Ayrık evlerde daimi elektrik gereksinimi varsa bunun bataryada depolanması gerekir. Bataryalar enerjiyi, fazla olduğu rüzgarlı zamanlarda depolayıp sakin havalarda gereksinimi karşılayacak şekilde verir. Bataryalı sistemlerde doğrudan doğru akım kullanılabilir veya doğru akım alternatif
akıma dönüştürülerek değişken (AC) akım sağlanır. Ayrık sistemlerde şebekeye bağlanmak için uzun hatlara gerek olmayacağından ve rüzgara ödeme yapılmayacağından genelde benzin veya dizel jeneratörlere göre daha ucuzdur. Çoğu zaman güneş fotovoltaiklerine de avantaj sağlar. Günümüzdeki birçok ayrık uygulamada rüzgar ve fotovoltaik birbirini tamamlayacak şekilde kullanılır.

 

Şebekeye paralel elektrik üretiminde rüzgar enerji santrali ya doğrudan şebeke trafosuna ya da kullanıcı panosu uçlarına bağlanır. Rüzgar enerji santrali şebekeden alınan elektriği azaltacaktır. Eğer müşterinin kullandığı enerjiden fazla güç üretiliyorsa bu şebekeye akacaktır. Bu sırada elektrik dağıtım şirketi kabul ederse sayaç ters yönde çalışabilir.

 

Rüzgar Enerjisi Teknolojisinde Gelişmeler

Rüzgar enerjisi teknolojisi oldukça gelişmiş bir teknolojidir; fakat maliyetler açısından daha büyük, daha yüksek ve daha ağır sistemlere geçilmesi ile birlikte teknolojide yeni bazı gelişmelerin yaşanması kaçınılmazdır. En önemli gelişme kule tepesinde bulunacak kütlelerin ağırlıklarının azaltılması çalışmalarıdır. Diğer çalışmalar ise kule üzerinde yer alan jeneratör gurubunun ağırlığını azaltmaya yönelik araştırma ve geliştirme çalışmaları, süper iletkenlerin kullanılması yönündeki çalışmalar, yeni dişli kutuları tasarımı çalışmaları olarak özetlenebilir. Ayrıca büyük palaların nakliyesinde yaşanan zorluklar iki parçalı, yerinde birleştirilen pala çözümleri ile aşılmaya çalışılmaktadır.

 

Kule çap ve yüksekliklerin artmasının getirdiği nakliye zorlukları ise kule alt kısmı için takviyeli beton ve üst kısmı çelik olarak yapılan karma kulelerle aşılmak istenmektedir. Kara ve kıyı ötesi rüzgar enerji santrallerin de değişmekle birlikte rüzgar enerjisine yapılan yatırımın %6-9’u nakliye, vinç ve kuruluma gitmektedir. Bu miktarın %20’lere kadar çıkması da muhtemeldir. Yüksek olan bu rakamları azaltmak için tedbirler alınmaktadır. Gerektiğinde pala ve diğer parçaların imal edileceği fabrikaları deniz ve demiryolu ulaşımına yakın yerlere taşınmaları veya yeni fabrika kurmaları söz konusu olmaktadır.

 

Kıyı ötelerinde rüzgar potansiyelini kullanmak için su derinliği, kıyıya uzaklık ve şebekeye bağlanma maliyetleri karadakilere göre farklılık arz eder; örneğin rüzgar enerji santrali maliyeti düşerken temel maliyeti artar; fakat denizlerin üstündeki rüzgar kaynağından Avrupa’da önümüzdeki dönem daha fazla yararlanılma yoluna gidilmesi söz konusudur. Yüzer platformlara rüzgar enerji santrallerinin yerleştirilmesi gibi düşünceler geliştirilme aşamasındadır. 2025 yılında 20 MW’lık türbin yapımı hedefi de vardır.

 

Sonuç olarak diyebiliriz ki, enerji elde etmek kadar bunu verimli tüketmek de çevre şartları ve ekonomi açısından büyük önem taşıyor. Günümüz mühendisliğinde insan yaşamını kolaylaştıran ve gereksinimlerine cevap veren her bir yapıtta, artık bunun çalıştırılması sırasında çevreye verilecek rahatsızlık ve ortaya çıkarılan yapıtın kullanım süresi sonunda nasıl yok edileceğinin de tasarlanma işlemi sırasında göz önünde bulundurulmasına daha üst sıralarda öncelik verilmelidir. Enerji elde edilirken de yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelinmesi, kullanım sırasındaki olumsuz çevre etkilerini önemli ölçüde azaltacaktır. Dünyamızda enerji talebi nüfus ve refah artışı ile artacağından bu gereksinimin mümkün olduğunca büyük bir kısmını yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılamak gerekir. Bu enerji kaynaklarından biri olan rüzgar enerji santrali teknolojisi belirli bir olgunluğa ulaşmış ve ekonomik olabilecek durumdadır. Yeni tür güç sistemlerinin, örneğin yakıt gözeleri gibi, geliştirilmesi ile güç sistemi olmayıp bir enerji sistemi olan rüzgardan, gelecekte daha fazla yararlanılması mümkün olacaktır. Bir ülke yenilenebilir enerji kaynaklarından daha fazla kendi ve diğer ülke taleplerini karşılamak istiyorsa, yerli olarak bu teknolojileri geliştirmek için sanayilerine çeşitli doğrudan veya dolaylı teşvik sağlamalıdır.

 

Kaynaklar
[1] WWEA, World Wind Energy Report
[2] WWEA, Wind Turbine Technology