Rüzgar Türbini: Rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye ve mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemlere rüzgar türbini denir. Bir rüzgar türbini başlıca şu parçalardan meydana gelir.Şekil:1(a)

1- Rotor: Rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye çevirir.
2. Dişli Çark: Rotor'un dönme hızını arttırır.
3. Generatör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.
4. Fren: Türbini yavaşlatır ve durdurur.
5. Yönlendirici: Rüzgar doğrultusuna göre türbini yönlendirir.
6. Transformatör: Generatör voltajını şebeke voltajına yükseltir
7. Kule: Türbini taşır.

Şekil:1(a) Rüzgar türbini

Belirli bir rüzgar türbini için en önemli teknik bilgiyi türbinin güç eğrisi verir. Bu güç eğrisi generatörün elektriksel çıkışı ile rüzgar hızı arasındaki ilişkiyi gösterir.

Şekil:1 (b) Rüzgar türbini güç eğrisi

Rüzgar türbinleri; rotor, güç şaftı ve rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çeviren bir alternatörden (generatör) oluşur. Rüzgar rotordan geçerken, aerodinamik bir taşıma kuvveti oluşur ve rotoru döndürür. Bu dönel hareket generatörü hareket ettirir ve elektrik üretir. Ayrıca türbinlerde, dönme oranını ayarlayacak ve kanatların hareketini durduracak bir rotor kontrolü bulunur. Rüzgar hızı yükseklikle arttığı için rüzgar türbinleri kule tepelerine yerleştirilir. Bir rüzgar türbininin görünüşü (nasel'in (gövde) iç yapısı) ve rüzgar enerjisiden üretilen elektriğin dağıtımı Şekil:2a ve 2b'de gösterilmiştir.

	1- Kanatlar 2-Rotor 3-Açı düzenleyici 4- Fren 5- Düşük hızlı mil 6- Dişli Kutusu 7- Generatör 8- Hız ve yön düzenleyici 9- Anomometre 10- Rüzgar yön sensörü 11- Nasel 12- Yüksek hız mili 13- Yönlendirme mekanizması 14- Yönlendirme motoru 15- Kule
Şekil:2 (a) Nasel'in iç yapısı

Şekil:2 (b) Rüzgar enerjisinden üretilen enerjinin dağıtımı

Rüzgar türbinlerinin ömrü, türbin kalitesine ve yerel iklim özelliklerine göre değişmekle beraber ortalama 20-25 yıldır. Rotor yüksekliğindeki türbülans yoğunluğu ve bunun sonucu ortaya çıkan mekanik yorulma, türbin ömrünü birinci dereceden etkileyen faktördür. Rüzgar enerjisi teknolojisinin kapasite faktörü (C F ) %25-40 arasında değişmektedir. Kapasite faktörü; yıllık üretilen net enerji miktarının, bir yıl tam kapasiteyle çalışması durumunda üretilebileceği enerji miktarına oranı şeklinde tanımlanmaktadır.

Rotora iki veya üç kanat bağlıdır. Üç kanatlı rotor sürekli (degisikliği az, stabil) üretim sağlar ve sessiz çalışır, ancak fiyatı yüksektir.  Eskiden rotorlar metalden imal edilirken, yenileri hafif kompozit malzemelerden üretilmektedir.  500 kW ile 3 MW arasındaki türbinler için rotor capı (D) 40- 80 m olmaktadır.  Rotor genellikle kulenin önünde yer alır ve türbin önünde rüzgar doğrultusuna göre ayarlanabilmesi için elektrikli yönlendirici bulunur. Rotorun kulenin arkasında kalması halinde kulenin yarattığı türbülans turbin verimini düşürmektedir. 

Kuleler genellikle çelikten imal edilirler.   Çelik kafes, çelik konik boru, çelik silindir, beton konik boru ya da silindir biçiminde yapılmaktadır. Kule yükseklikleri fazla olabildiğinden kafes kulelerin dışındaki konstrüksiyonlar iki yada üç parçalı olabilmektedir. Kafes kuleler görüntü kirliliği ve bakım zorluğu nedeniyle hemen hemen terk edilmiştir. Maliyeti fazla olmakla beraber günümüzde yaygın olarak açık gri renge boyanmış silindirik konik kesitli kuleler kullanılmaktadır. Son yıllarda çelik borudan kuleler kullanılmaktadır.  Büyük türbin kuleleri betondan da yapılabilmektedir.

Jeneratörün sabit hızlı olması halinde rotor hızının kontrolü gerekmektedir.  Aksi halde aşırı rüzgar hızlarında rotor kontrolsüz hızlanır ve kazaya sebep olur.  Rotor kontrolü iki şekilde yapılmaktadır: Birinci method; rotor kanatlarının uygun dizaynı ile rüzgar hızının belirli bir değerin üstüne çıkması durumunda (örnegin 25 m/s) türbin hızı sabit kalır (stall control).  Diğer method ise kanatların rüzgar doğrultusu ile açısının bir hidrolik sistemle değiştirilmesi (pitch control). Çok yüksek hızlarda kanatlar rüzgara en az direnç gösterecek şekilde çevrilerek türbin hızı ayarlanabilir. Açısı değiştirilebilen rotor kanatlarının diğer faydası düşük rüzgar hızlarında da yüksek verimin elde edilebilmesi.  Teknolojide diğer bir gelişme değişken hızlı jeneratörler. Böylece yüksek rüzgar hızında da enerjiyi verimli üretmek mümkün olabilmektedir. Ancak bu jeneratorler sabit hızlılara göre daha pahallı ve elektriğin şebekeye bağlanabilmesi için çıkış frekansının elektronik olarak 50 Hz'e sabitlenmesi gerekmektedir.

Türbin hızını jeneratörün dizayn hızına çıkartmak için rotor ile jenerator arasında dişli çark kullanılır. Ancak bu hem maliyeti hem de bakım masraflarını artırır. Son yıllarda dişli çarka gerek olmadan rotor şaftının doğrudan özel dizayn edilmiş bir jeneratöre bağlanması mümkündür. Bu durumda jeneratör fiyatı biraz yüksek ancak dişli çarkın ortadan kalkması ve bakım masraflarının azalması bunu fazlasıyla karşılıyor. 

Yer yüzeyine yakın rüzgarlar, fiziki engeller, ağaçlar ve bitki örtüleri tarafından etkilenmektedir. Rüzgar hızı ve dolayısıyla bir rüzgar türbininin üreteceği enerji miktarı yükseklik arttıkça arazi pürüzlülüğüne, arazinin topografik yapısına ve atmosferik şartlara bağlı olarak üssel şekilde artmaktadır (Şekil:3). Bu nedenle modern rüzgar türbinlerinin rotorları (hub yüksekliği) yerden 30- 120 m yükseklikte bir kule üzerine kurulur. Gürültü kirliliğini önlemek için kule gövdesi ses izolasyonludur.

Şekil: 3 Rüzgar hızının yükseklikle artışı

RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN SINIFLANDIRILMASI

Rüzgar türbinleri kanat sayılarına göre;

- Tek kanatlı,

- Çift kanatlı,

- Üç kanatlı türbinler olarak sınıflandırılabilirler.

Rüzgarı alma durumuna göre;

-Rüzgarı önden alan türbinler (up-wind)

-Rüzgarı arkadan alan türbinler (down-wind) olarak da sınıflandırılabilmektedir (Şekil:4).

- Güçlerine göre de sınıflandırma yapılabilir.

Rüzgar türbinlerini kanat sayılarına göre sınıflandırmak: Günümüzde modern rüzgar türbinleri upwind olarak yapılmakta olup 2 veya 3 kanatlıdırlar. Bu kanatlar genellikle kompozit malzemeden örneğin fiberglas'dan yapılırlar.

Şekil-4 Yatay eksenli rüzgar türbini

Eksenlerine göre sınıflandırmak:

1-Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri

Düşey eksenli türbinlerin kanatları bir düşey şafta bağlanmıstır. Bu türbinler G.J.M. Darrieus isimli bir Fransız mühendisi tarafından 1931'de icat edildiğinden Darrieus türbini olarak da isimlendirilir. Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir.

Yatay eksenli türbinlere göre üstünlükleri şunlardır: Şekil:5 (a)

1. Rüzgar doğrultusundan etkilenmez. Bu türbinlerin rüzgarı her yönden alma üstünlüğü vardır. Dolayısıyla yönlendiriciye ihtiyaç yoktur.

2. Bütün elektromekanik ( makine aksamı, hız yükselticisi ve generatör) aksam yerde olduğu için yatırım ve bakım masrafları daha azdır.

Buna karşılık düşey eksenli türbinlerinin başlıca iki dezavantajı vardır:

1. Türbin kanatları dizaynı dolayısıyla verimleri düşüktür. Kanatların güç üretebilmeleri için rüzgardan daha hızlı dönmeleri gerektiğinden, ilk harekete geçmeleri zor olmaktadır.

2. Kanatların yere yakınlığı sonucu düşük rüzgar hızına maruz kalırlar, bu ise enerji üretimini azaltır.

Verim düşüklüğü dolayısıyla düşey eksenli rüzgar türbinleri fazla uygulama alanı bulamamıştır. Uygulamada, Kanada ve Kaliforniya'daki birkaç ünite ile sınırlı kalmıstır. "H" türbini denen ve bir kulenin tepesinde düşey şaft üzerine yerleştirilen türbin araştırma konusu olmasına rağmen ekonomik açıdan fizibil olamamıştır.

Şekil:5(a) Darrieus türbini

2-Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri

Ticari amaçlı türbinlerin hemen tamamı bu gruba girmektedir. Rotor, dişli çark, jeneratör ve fren bir kule üzerinde yatay şafta bağlanmışlardır. Büyük türbinlerde (1 MW'dan büyük) transformatör de kulenin tepesinde türbin gövdesinde yer alır. Küçüklerde, transformatör şebeke bağlantı sistemleri ile birlikte yerde bulunur. Bu tür türbinler de, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel, kanatları ise rüzgar yönüne dik olarak çalışırlar. Şekil:5(b)

Şekil:5(b)

3- Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri

Dönme eksenleri düşeyle rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgar türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.

Güçlerine göre de sınıflandırma yapılabilir.

Tablo 1. Güçlerine göre rüzgar türbinleri

RÜZGARDAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETEN RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN MALİYETİ

Şekil:6

-İşletme ve bakım Maliyeti: Toplam maliyetin %1.2 c€/kWh,

- Birim yatırım maliyeti: 900 €/kW- 1200 €/kW,

- Birim enerji maliyeti: 6-8 c€/kWh.(*)

(*): Bu veriler Avrupa ülkeleri için geçerlidir.

Kaynak: Wind Energy The Facts An Analysis of Wind Energy in the EU-25

Ülkemiz için rüzgar türbinlerinin kW başına kurulu güç maliyeti 900€/kW-1350€/kW'dır. (Fiyatların yüksek olmasının nedeni; kredi faizlerinin yüksek olması, yurtdışından yabancı uzman getirtilmesi, gümrük vergisi, nakliye ve montaj vb).Türbin teknolojisindeki gelişmeler rüzgar türbin maliyetlerini gün geçtikçe düşürmektedir.

A. Büyük Güçlü Rüzgar Türbinlerinde Maliyet Dağılımı (Tablo:2)

( 600kW- 1.5 MW)

Kaynak: Wind Energy The Facts An Analysis of Wind Energy in the EU-25

Yukarıdaki tabloda verilen toplam tesis maliyetine ülkemiz için; nakliye sigortası, gümrük vergisi, firma karı, arazi yapısının getirdiği ekstra maliyetler fiyatlara eklenecektir.

B. Küçük Güçlü Rüzgar Rürbinlerinde Maliyet Dağılımı (Tablo:3)

10 kW'lık Bir Rüzgar Türbininin Maliyet Dağılımı

Kaynak: Bergey.com

Rüzgar Türbin Üreticileri

Rüzgar türbin (RT) endüstrisinde Avrupalı firmalar başı çekmektedir. Dünyadaki ilk 10 üreticisinin 9'u Avrupa kökenli firmalardır. 2002 yılında dünyada satılan RT'lerin %90'dan fazlası Avrupa'dan alınmıştır. BTM Consult firmasının 2003 yılında yaptığı çalışma sonucuna göre MW sınıfındaki ilk 10 RT üreticisinin verileri görülmektedir. (Tablo:4 ve Şekil:7)

Tablo:4 Rüzgar türbin üreticileri

Tablo incelendiğinde Danimarka ve Almanya firmalarının pazarın %80'nini kontrol ettiği görülmektedir.

Şekil:7 Rüzgar türbin üreticileri (%) dağılımı

Büyük Güçlü Rüzgar Türbin Modelleri

Grafik:1 Büyük güçlü rüzgar türbin modelleri ve güçleri (kW)

RÜZGAR TÜRBİN AERODİNAMİĞİ 

Çok modern türbünlerde kanatlar ve hub'dan oluşan rotor ve nacelle, türbün kulesinin rüzgar alan tarafına yerleştirilir. Bu özellikle yapılır, çünkü kulenin arkasına geçen hava akımı oldukça düzensiz (türbülanslı) olur. Rotorun dönmesini sağlayan rüzgardır. Modern rüzgar türbünleri uçak ve helikopter teknolojisinden yararlanarak geliştirilmiştir. Çünkü rüzgar türbünleri gerçekte rüzgar hız ve rüzgar yönünün değiştiği çok farklı bir ortamda çalışır. Rüzgar türbinlerinde kanatlara iki kuvvet etki etmektedir.Bunlar kanadın dönmesini sağlayan kuvvetlerdir (Şekil:8).

1- Kaldırma (Lift) Kuvveti
Bir uçağın kanadı üzerindeki hava molekülleri, üst yüzeyi boyunca daha alttaki yüzeye göre daha hızla hareket eder. Bu, daha üst yüzeydeki basıncın daha az olması demektir. Bu durum, kaldırmayı meydana getirir, yani, uçağın uçmasını mümkün kılan yukarıya doğru çekme kuvvetidir. Kaldırma rüzgarın yönüne diktir.

2- Sürtünme (Drag) Kuvveti

Kaldırma kuvvetine dik ve yönü kanat uçlarına doğru olan kuvvettir.

Şekil:8 Rüzgar türbinindeki kaldırma ve sürtünme kuvvetleri

RÜZGAR ENERJİ PARKI (ÇİFTLİĞİ)

Elektrik üretmek amacıyla kurulan birden fazla rüzgar santralları topluluğuna “ Rüzgar Santral Parkı” yada “Rüzgar Santral Çiftliği” denir. Rüzgar enerjisi bakımından denizler, karasal alanlara göre daha büyük zenginlik göstermektedir. Karalarda ise rüzgar parklarının kurulacağı yerlerin seçimi çok önemlidir. Rüzgar parklarının kurulması düşünülen yerler için ortalama ve saatlik rüzgar hızları meteoroloji istasyonlarından temin edilmelidir. Rüzgar santrallarının planlanması aşamasında rüzgar atlasları ilk başvuru kaynakları olmalıdır.

Rüzgar parkı yeri seçimi konusunda doğanın kendisi bir yol göstericidir. Eger park alanı içinde ağaç ve çaylar var ise, bunlar baskın rüzgar yönü hakkında önemli ip uçları vermektedirler. Meteorolojik verilere bağlı olarak 30 yılın üzerinde hesaplanan bir rüzgar gülü verileri, en i y i rehberliği sağlayan degişkenlerden bir tanesidir. Fakat bu veriler nadiren rüzgar parklarında toplanabilir. Parklarda rüzgar potansiyelini belirlemek için herhangi bir ölçüm sistemi kurulmadan önce, meteorolojik ve topoğrafik olarak rüzgar potansiyelinin yüksek olabileceği yerlerde, aşağıdaki ölçütler dikkate alındığında daha başarılı sonuçlar elde edilebilmektedir.

Topografya, rüzgarın yönü, hızı ve dağılımında önemli bir rol oynar. Dağ silsilesi, tepe ve kayalıklar rüzgar profilini büyük ölçüde etkiler.

Dağ silsileleri, eğer denize paralel, hakim rüzgar yönü­ne dik, orta eğimli (10 0 -22 0 ) ve özellikle çıplak ise, enerji üretimine uygun yerlerdir. Zirvede rüzgar hızı, eğim ve dağ grubunun büyüklüğüne bağlı olarak artar. Bu nedenle, tepenin üst-ön kısmı tesis için uygundur. Fakat, tepenin üst-arka kıs­mı türbülans nedeniyle göz önüne alınmaz.

Şekil:9 Topoğrafya etkisi

Rüzgar Enerji Santralları İçin Yer Seçimi

• Şiddetli basınç gradyanlı, düşük eğimli, sürekli rüzgar vadileri,

• Şiddetli jeostrofik rüzgar alanlarındaki tepeler ve zirveler,

• Şiddetli jeostrofik rüzgar veya termal gradyan alanlarına maruz kalmış kıyı şeritleri.

Yapılan çalışmalar sonucu belirlenen parklarda elde edilen sonuçlarla birlikte, rüzgar karakteristikleri ve enerji üretimi çözümlemelerinin yapılması gerekmektedir. Bunun için, belirlenen araziyi temsil edecek nokta veya noktalarda ölçüm yapılması gereklidir. Yapılacak ölçümler, teknik açıdan en az bir yıl sürmelidir. Bunun yanında, rüzgar santralı kurmaya aday olabilecek yerlerde göz önüne alınması gereken aşağıdaki noktalar, rüzgar enerjisi santrallarının olabilirliği ve uygulanabilirliği açısından çok önemlidir.

• Ulaşım kolaylığı,

• Ulusal şebekeye bağlanma kolaylığı,

• Arazinin yol ve diğer çalışmalar için işlenme kolaylığı,

• Arazinin eğimi,

• Arazinin büyüklügü,

• Arazinin kullanılış şekli,

• Arazinin bitki örtüsü,

• Arazinin yerleşim birimlerine olan yakınlığı,

• Arazinin askeri,sivil radar ve buna benzer tesislere olan yakınlığı,

• Arazinin hava alanına olan yakınlığı,,

• Arazinin mülkiyeti, (arazinin mülkiyet durumu nedir? Arazi sit, doğal koruma, milli park,

hayvanları koruma alanı gibi inşaat yapılması mümkün olmayan veya belli izinler sonucu rüzgar santralı kurulabilir sahalardan mıdır?)

• Arazinin turizm bölgeleri ile olabilecek etkileşimi.

Rüzgar değerlendirmelerinde ve rüzgar santrallerinin yerleşiminde özet olarak;

• Topografya,

• Hava,

• Altyapı,

• Arazi kullanımı,

• Uzun dönemli kayıtlar,

• Kısa dönemli kayıtlar,

• Çevresel degişkenler

dikkate alınmalıdır.

Rüzgar santrallerinde rüzgar kaynağı değerlendirmelerinde; 

• Elde edilmiş veya kullanılabilecek yakın tarihsel rüzgar verileri ve duyarlılığı,,

• Verilerin elde edildiği yerin ve kurulacak rüzgar parkının çevre engel koşulları,

• Orografik ve topografik yapı,

• Arazi pürüzlüğü son derece önemli rol almaktadır.

Rüzgardan ne kadar elektrik üretileceği, tümüyle santralın kurulacağı yere bağlıdır. Ortalama kapasite faktörü dünyada olduğu gibi Türkiye'de de %30 -35 dolayındadır. C F , kuramsal olarak 0-100 arası değerler alabilir. Ancak bu değerler, pratikte %20-70 arasında değişmektedir. En çok gerçekleşen C F degeri, %25-40 arasındaki değerlerdir. Bir yer için kurulması düşünülen türbinin C F 'sine bakılır. 5 MW'lık bir rüzgar santralı yaklaşık 1 km 2 ‘lik alana kurulabilir. Ancak bu alanın yaklaşık olarak %1-1.5 ‘lık kısmı türbinlerin oturacağı alandır. Geri kalan alanın tamamı tarımsal, hayvancılık ve diğer etkinlikler için kullanılmaya açıktır.

C F = Türbinin yıllık net enerji üretim miktarı/ Türbin tarafından nominal güçte yılda üretilecek teorik enerji miktarı

Bir Rüzgâr Enerji Santralının Temel Bileşenleri:

- Kule

- 2 veya 3 kanatlı rüzgar türbini

- Rüzgar yönüne göre kanatların/türbinin yönünü ayarlayan

mekanizma

- Mekanik dişli ünitesi

- Elektrik generatörü

- Hız sensörleri ve hız kontrol ünitesi

- Güç-elektronik ünitesi ve kontrolü

- Enerji depolama sistemleri(özellikle şebekeden bağımsız çalışma için)

- Yerel elektrik şebekesine bağlantı için transformatör, iletim hattı

ve kesici'dir.

RÜZGAR ENERJİ SANTRALININ KURULMASI

1- Rüzgar Gözlem İstasyonun Kurulması (RGİ): Büyüklüğü ve topoğrafyasına bağlı olarak belirlenecek noktalara rüzgar gözlem istasyonu (RGİ) kurulabilir. Bu arada kullanılması düşünülen ölçüm cihazlarının hassasiyetini ve kalibrasyon durumlarını gözden geçirmek uygun olacaktır. Seçilen sahada yıllık rüzgar hız ortalaması 6 m/s ve üzerinde olması gerekmektedir 

2- Çevrenin Değerlendirilmesi: Bir rüzgar tarlasının montaj ve işletimi sırasında doğal çevredeki bitki örtüsü (flora) ve canlılar (fauna) üzerinde ne tür bir etki oluşabileceğinin dikkate alınması gerekir. Önemli kuş göç yolları üzerine rüzgar enerji santralı tesis edilmemelidir. 60 metre çapında 2 MW gücünde bir rüzgar türbini nedeniyle kuşlar gece ve gündüz için uçuş yollarını santral sahasından 100- 200 m . olacak şekilde değiştirmektedir.

3- Rüzgar Hakim Yönü Bilinen Sahaların Değerlendirilmesi: Bir araziye rüzgar türbinleri yerleştirilmek suretiyle rüzgar tarlasına dönüştürmek için rüzgar türbin sistemleri arasında rüzgar hakim yönüne, topoğrafyaya ve kanat çapına bağlı olarak minimum bir ayrım mesafesi bırakılması gerekmektedir. Rüzgar, komşu rüzgar türbinlerinden birinin yönünden esecek olursa hızı düşecek ve konu olan rüzgar türbin sisteminin güç üretimi de düşecektir. Enerji santralı kurarken hakim rüzgar yönü dikkate alınır. Rüzgar türbinleri rüzgar yönüne dik bir yüzey üzerinde yerleştirilebilir. Örneğin; türbinler arsı mesafe 3-8 rotor çapı arasında olursa rüzgar sistemlerinin birbirlerine etkisi büyük bir ölçüde azaltılmış olacaktır. Rüzgarın hakim yönü yoksa veya belirsiz ise bu mesafe bütün yönlerde bırakılmalıdır.

4- Rüzgar Santrallarında Park Etkisinin (Kuyrukyeli Etkisi -Wake Effect) İncelenmesi:

Şekil:10 Rüzgar türbininde kuyruk yeli etkisi

Parka kurulu her bir türbin, rüzgarı ve içerisindeki enerjiyi aldıktan sonra arkasındaki türbine göndereceği rüzgarı ve rüzgar enerjisini azaltmaktadır. Bu nedenle ideal olarak türbinleri olabildiğince baskın rüzgar yönüne göre yerleştirmek gerekir. Ancak baskın enerji yönünün bu yerleşimde daha önemli olduğu unutulmamalıdır. Böyle bir yerleşimde şebekeye bağlanma uzaklığı ve kullanılan arazi büyüklüğü de çok önemlidir. Baskın enerji yönünün belirgin olduğu siteler, türbinlerini birbirine daha yakın kurulmasını sağlayarak, hem arazi kullanım oranını düşürür, hem de şebekeye bağlanma ve park yolu masraflarını azaltmaktadır. Ancak ikinci sıradaki türbinlerin yerleşimlerinde “Kuyrukyeli Etkisi ” etkili olacağından, türbinleri birinci sıra türbinlerden daha uzağa kurmak gereklidir. Bir rüzgar türbini rüzgardaki enerjiden elektrik ürettiği için, türbinden ayrılan rüzgar enerjisi türbine gelen rüzgar enerjisinden daha düşük olmaktadır. Bir rüzgar türbini rüzgar altı yönünde daima bir rüzgar gölgelemesi yaratır. Türbin, arkasında uzun bir aralıkta oldukça fazla bir türbulansa neden olur. Rüzgar santrallarında türbinler birbirlerinden en az 3 rotor uzaklığında kurulurlar. Bunun nedeni türbinlerin akıntı yönünde yaratacağı çok fazla türbulanstan kaçınmaktır. Genel olarak bir rüzgar parkında türbinlerin sıralar arası mesafesi 7 rotor çapı (7*D) ve birbirlerinden uzaklığı 3 rotor çapı (3*D) uzaklığı kadar kurulabilirler.

Şekil: 11 Rüzgar türbinlerinin araziye yerleşimi

KÜÇÜK RÜZGAR TÜRBİNLERİ VE KULLANIM ALANLARI

Küçük rüzgar türbinleri yenilenebilir enerji sistemleri (güneş, jeotermal, biyodizel) içinde en uygun maliyetli olan sistemlerdir ve çevre kirliliğine yol açmazlar. Çiftlik evlerinde su pompalamayı da içeren uygulamalarda kullanılırlar. Küçük bir rüzgar türbin Şekli:6'da verilmiştir.

Bu sistemlerin kullanılmasıyla;

- Elektrik giderlerinde %50-%90 arasında bir tasarruf,

- İletim hatlarından oluşabilecek kayıplarda azalma,

- Kaynak çeşitliliği gibi avantajlar sağlanır.

Şekil:12 Küçük rüzgar türbini

Şekil:13 Ağaç ve bina yüksekliğinin rüzgar hızına olan etkisi

Sistemin Kurulması

Genel olarak küçük bir rüzgar türbini bir kule üzerine kurulur, kanatları yerden en az 9 m yükseklikte ve kuleler engellerden 90 m uzakta olmalıdır. Küçük rüzgar türbinlerinin çatı üstlerine kurulması önerilmez. Tüm türbinler titreşimi bina yapısına iletirler. Bu titreşim binada yapısal problemlere ve gürültüye neden olur. Ayrıca, türbinde aşırı türbülans meydana gelir ve bu da türbin ömrünü kısaltır.

Sistemin Bakımı

Doğru kurulum ve bakım ile küçük ölçekli bir rüzgar türbinin ömrü 20 yıl veya daha uzun olabilir. Rüzgar diğer enerji kaynaklarından farklı olarak depolanamadığı için kaynağın var olduğu zamanlarda türbinlerin hazır olması ve üretim yapması gerekmektedir. Türbinlerin hazır olması emreamadelik (availability) kavramını ortaya çıkarmaktadır. Emreamadelik; rüzgarın var olduğu süreler içinde türbinin enerji üretebilir durumda olmasını ifade etmektedir. Bununla birlikte bazı yıllık bakımların yapılması gereklidir.

- Elektrisel ve mekanik bağlantıların kontrol ve bakımı eksiksiz ve zamanında yapılmalı,

- Sistemin düzgün gerilimi için lente telleri kontrol edilmeli,

- Korozyona karşı önlem alınmalı,

- Uçları yıpranmış türbin kanatları değiştirilmeli,

- Gerekli ise 10 yıl sonra yataklar veya türbin kanatları

değiştirilmelidir.

Küçük Ölçekli Rüzgar Türbini İçin Yer Seçiminde Dikkat Edilecek Hususlar

- Sistem kurulmadan önce aşağıdaki işlemlerin yapılması gerekmektedir.

- Rüzgarı iyi olan bir alanın bulunması (evlere ve çiftliklere kurulacak küçük ölçekli rüzgar türbinin ekonomik olabilmesi için yıllık ortalama rüzgar hızı 4-4,5 m/s olmalı),

- Rüzgar türbin boyutunun belirlenmesi ( bunun için yıllık enerji ihtiyacı belirlenerek rüzgar türbini seçilmeli),

- Şebeke bağlantılı veya şebeke bağlantısız olup olmayacağına karar verilmeli,

- Kurulacak alan en az bir dönümlük olmalı,

- Seçilen bölgede rüzgar türbinin daha önce bir uygulamasının olup olmadığı,

- Kurulacak olan rüzgar türbini yerleşim yerinden 250- 300 m uzakta olmalıdır.

Birçok insan, sistemini kendisi kurmak ister. Rüzgar türbini kurulmadan önce aşağıdaki soruların cevaplandırılması gerekmektedir:

- Rüzgar türbin temelini yapabilir miyim?

- Türbin kulesini güvenli bir şekilde kurabilir miyim?

- Doğru akımla alternatif akım arasındaki farkı biliyor muyum?

- Sistemin elektrik tertibatını güvenliği ile ilgili yeterli elektrik bilgisine sahip miyim?

- Bataryaları güvenli bir şekilde kurup kullanabilir miyim?

Yukarıdaki soruların herhangi birine hayır cevabı verilir ise bir türbin üreticisine başvurulması gerekmektedir.

Küçük Ölçekli Bir Rüzgar Türbininde Yıllık Enerji Üretiminin Hesaplanması

Bir rüzgar türbininden elde edilen elektrik enerjisinin (kWh/yıl) hesaplanması için, seçilen türbinin ihtiyacınızı karşılayacak yeterli elektrik enerjisini üretip üretemeyeceğini belirlemek en iyi yoldur.

Rüzgar türbin üreticileri hesaplamada şu faktörleri kullanmaktadırlar;

- Belirli bir rüzgar türbin güç eğrisi,

- Şeçilen bölgede yıllık ortalama rüzgar hızı,

- Türbin kulesi yüksekliği,

- Rüzgarın frekans dağılımı (bir yıl boyunca her bir rüzgar hızının saatlik esme miktarı),

- Seçilen alanın rakımı hesaplamaya katılacaktır.

Aşağıdaki formülü kullanarak belirli bir rüzgar türbinin üretebileceği teorik güç hesaplanabilir:

P= 1/2q A V3 ?

Burada;

P = Rüzgar türbini tarafından üretilen teorik güç.........watt

A = ?D 2 /4 (rotor süpürme alanı) ...................................m 2

D = Rotor çapı...............................................................metre

V = Rüzgar hızı............................................................ m/s

? = Rüzgar türbin verimliliği (ideal şartlarda bu değer %59 alınır ve Betz Limiti olarak adlandırılır.)

Bir yıllık üretilen enerji miktarı (kWh) ise;

Üretilen Enerji = P* t formülünden hesaplanır. Burada t (zaman) 8760 saat olarak alınır.

Bir rüzgar türbininden elde edilecek enerji miktarı; türbin kule yüksekliğindeki rüzgar hızına bağlı olmaktadır. Türbin kule yüksekliğinin artırılması sonucu rüzgar hızının artacağı gerçeği dikkate alındığında kule yüksekliğinin ve rotorun tarama alanının artırılması, mevcut rüzgar gücünden maksimum düzeyde yararlanılmasını sağlayacaktır.

Rüzgar enerjisi sistemleri, elektrik enerjisi üretimine ancak belirli bir rüzgar hızında (Cut-in) başlayabilmektedir. Rüzgar hızının artmasıyla birlikte sistemden elde edilen elektrik enerjisi de artmaktadır. Her sistem için belirlenmiş bir rüzgar hızında, sistemden elde edilen güce “ nominal güç ” ve bu rüzgar hızına da “ nominal hız ” adı verilmektedir. Rüzgar hızının, her sistem için belirlenmiş olan nominal hız değerini aşması halinde sistemden elde edilecek güç nominal güç kadar olacaktır. Sistemin hasar görmemesi için belirli bir rüzgar hızından sonra sistemin durma konumuna geçmesi otomatik olarak sağlanır. Bu hıza sistemin “ Cut-out ” hızı adı verilmektedir. Diğer bir ifadeyle, bir rüzgar türbini Cut-in ve Cut-out rüzgar hızları arasında enerji üretimini gerçekleştirir.

Rüzgar Türbini Seçimi

Ev tipi uygulamalarda kullanılan rüzgar türbinlerinin çoğunun nominal güçleri 1-20 kW, rotor çapları 4- 8 m arasında değişmekte ve yaklaşık 10- 36 m yüksekliğinde olan bir kule üzerine monte edilmektedirler. Şebeke bağlantısı olmayan bağımsız küçük rüzgar türbinleri için gerekli minimum yıllık ortalama rüzgar hızı 4 m/s, şebeke bağlantılı küçük sistemler için ise 4.5 m/s dir.

Kullanım yerleri;

-Evlerin elektrik ihtiyacının karşılanması,

-Su pompalama,

-Diğer uygulamalar (akülerin şarjında ve yelkenli gemilerde tipik olarak 20 watt-500 wattlık micro türbinler kullanılır).

Ülkemiz, küçük güçlü rüzgar enerjisi sistem elemanlarının (rotor, kanatlar, generatör, akü, invertör, kontrol üniteleri, elektromekanik techizat, kule vs.) imalatı konusunda yeterli endüstriyel kapasiteye sahiptir.

Rüzgar Ölçümleri

Şekil:14 El anemometresi

Rüzgar türbini kurulacak arazide el anemometresi veya otomatik ölçüm aletleri ile rüzgar hızı ve yönü ölçülebilir. Rüzgar ölçümlerinde anemometre ve yön sensörleri kullanılmaktadır. El anemometresi; seyyar olarak ölçülmesi istenen rüzgar hızını ve yönünü direkt olarak ölçme işinde kullanılır.

Rüzgar hızı ve yönünün yanı sıra diğer bazı meteorolojik parametrelerin de ölçülmesi gerekmektedir. Hesaplamalarda kullanılan hava yoğunluğu ve türbinin korozyona uğraması gibi durumlar için de sıcaklık, nem, basınç sensörleri de kullanılarak ölçümler yapılmalıdır.

İkinci olarak türbinin kurulacağı yerde engel veya bitki örtüsü etkisi incelenmelidir. Çünkü bitki örtüsü ve diğer coğrafik faktörler nedeniyle kısa mesafelerde rüzgar gücünde büyük değişiklikler meydana gelebilir.

Küçük Rüzgar Türbin Sisteminin Parçaları

Bir ev tipi rüzgar türbini genellikle aşağıdaki elemanlardan oluşmaktadır.

- Rüzgar türbini; kanatlar, rotor, generatör, bir yönlendirmeden (kuyruk) meydana gelir.

- Kule

- Sistemin tamamlayıcı elemanları örneğin; kontrol ünitesi, invertör ve aküler.

Şekil:15 Küçük rüzgar türbini

Rüzgar Türbininin Çalışması

Küçük rüzgar türbin sistemleri şebeke bağlantılı (grid-connected) veya bağımsız (tek başına-stand-alone) olarak çalışırlar.

1-Şebekeye Bağlı Sistemler: Bir rüzgar santralı oluşturmak üzere birbirine yakın kurulan bir veya birden fazla türbinden oluşan sistemlerdir. Bu sistemler için Enerji Piyasası Düzenleme Kurumundan (EPDK) lisans alınması gerekmektedir. Ayrıntılı bilgi www.epdk.org.tr adresinden alınabilir.

Rüzgardan elektrik enerjisi üretimi ile ilgili tüm mevzuat, www.epdk.gov.tr , www.teiaş.gov.tr ve www.tedaş.gov.tr adreslerinden temin edilebilir.

2- Yalnız Başına (Stand Alone) Sistemler: Bu uygulamada şebekeye hiç enerji vermeden bir veya bir kaç yük beslenir. Tarımsal amaçlı su pompalama, ürünlerin kurutulması veya soğutulması, ısıtıcıların işletimi, su arıtma, havalandırma işlemleri ve küçük çapta konutların elektrik ihtiyacının karşılanması için kullanılır.

3-Küçük “Hibrit” Güneş ve Rüzgar Elektrik Sistemleri

Bu uygulamlarda küçük rüzgar elektrik sistemleri diğer enerji üreten sistemlerle de birlikte (küçük güneş elektrik sistemleri ve hibrid güç sistemleri) kullanılabilir. Hibrid rüzgar enerji sistemleri evler, çiftlikler ve iletim hattından uzak bölgelere uygulanabilir.

Şekil:18 Bir hibrit sistemi (rüzgar ve güneş enerjisi)

Sıkça Sorulan Sorular:

1-Bir ev için kullanılabilecek türbinin gücü ne olmalıdır?

Bir ev için kullanılabilecek rüzgar türbin gücü yıllık tüketilen elektrik miktarına bağlı olarak 1-20 kW arasında değişmektedir.

2-Bir rüzgar türbini seçiminde nelere dikkat edilir?

Kurulacak alandaki yıllık ortlama rüzgar hızına, türbinin güç eğrisine ve evin yıllık kWh olarak enerji ihtiyacına uygun bir rüzgar türbininin seçilmesi. Kurulum, işletim ve bakım maliyelerinin en az olması gibi faktörler de dikkate alınır.

3- Bir rüzgar türbinin maliyeti ne kadardır?

Küçük bir rüzgar türbinin kW başına ilk yatırım maliyeti 2000$ ve 8000$ arasında değişmekterdir. Bu tür sistemlerin yıllık işletme maliyetleri ise ilk yatırım maliyetinin %0.01-0.05 (*) olarak alınmaktadır.

4- Küçük ölçekli bir rüzgar türbinin gürültü seviyesi ne kadardır?

250 m uzaklıktaki bir rüzgar türbinin gürültü seviyesi 45 dB(A)'dır. Küçük rüzgar türbinlerinin gürültü seviyesi ise klimaların gürültü seviyesinden daha azdır. Aşağıdaki tabloda çeşitli aletlerin çıkardığı gürültü seviyeleri ile rüzgar türbinin gürültü seviyesi verilmektedir.

Tablo:5 Gürültü seviyeleri

Kaynak: (*) AWEA Small Wind Turbine Global Market Study 2008