Rüzgâr Türbini Çalışma Prensibi
Rüzgâr türbinleri uzun zamandır insanlık tarihinde yeri olan enerji üretim cihazlarından birisi olmuştur. Bu makalemizde “Rüzgâr türbinler nasıl çalışır?” “Rüzgâr türbinleri ne işe yarar?” sorularının cevaplarını bulacaksınız.
Rüzgâr türbini nedir?
Kanatları aracılığıyla rüzgârın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çeviren büyük mekanik rüzgârgülleridir. Tip olarak uçak pervanelerine ve vantilatörlere benzetilebilir. Kanatları tabii ki bunlara göre çok çok uzundur.
Rüzgâr türbini çalışma prensibi
Rüzgâr türbininin nasıl çalıştığını şöyle özetleyebiliriz:
Öncelikle bir rüzgâra ihtiyacımız var. Sonrasında da bu rüzgârı yakalayabilecek ve dönebilecek bir pervaneye. Bu pervaneyi de mümkün olduğunca yüksek bir yere konumlandırmalıyız ki rüzgârı iyi yakalayabilsin. Rüzgâr pervaneyi döndürecek ve sonucunda bir dönme etkimiz (mekanik enerjimiz) olacak. Peki, dönme etkisi neden önemli? Cevabı çok basit elektrik üretebilmek için.
Elektrik enerjisi üretimine geçmeden önce bu kısımda hemen şunu hatırlatalım. Pervaneniz mutlaka 3 kanatlı olmalı. Bugüne kadar tek pervaneli ve iki pervaneli gibi çok çeşitli varyasyonlar denenmiş; ama sonunda bu evrimsel savaşı 3 pervaneli türbinler kazanmıştır.
Ayrıca pervaneden maksimum verim alınabilmesi için aşağıda gösterdiğimiz şekilde olmalı.
Bunu sebebi kanadın üst kısımda yüksek bir basınç, alt kısımda ise düşük bir basınç oluşturmaktır. Böylelikle kanadın düşük basınçlı kısma doğru dönmesi ve hızlanması sağlanabilir.
Rüzgâr türbini nasıl elektrik üretir?
Şimdi evinizde kullandığınız vantilatörleri gözünüzün önüne getirin. Vantilatörü fişe taktığınızda ve “on” düğmesine bastığınızda dönmeye başlar ve sizi serinletmek için rüzgâr sağlar. Rüzgâr türbinleri ise tam tersi çalışma prensibine sahiptir. Rüzgâr pervaneyi döndürür ve sonuçta elektrik üretilir. Bu kadar basit. Peki, bunu nasıl yapar?
Elektriğin üretilmesi için mutlaka bir dönme etkisine ihtiyaç vardır. Mıknatıslanma ancak böyle sağlanabilir. Bir güç bir pervaneyi döndürmelidir. Rüzgâr enerjisinde ise dönme etkisini yaratan ekipmanlar rüzgâr türbinleridir. Bu dönme etkisini bir generatör yani elektrik üreten bir makine ile irtibatlandırırsak elektrik üretmiş oluruz. Tabii ki anlatıldığı kadar basit değil. Gelin biraz daha detaylı inceleyelim. Bunu yapabilmemiz için türbinin parçalarını tanımalıyız.
Rüzgâr türbininin parçaları
- Bıçaklar (rotor): Rüzgârı yakalayan ve şaftın dönmesini sağlayan kısım
- Düşük hızlı şaft: Rotor ile birlikte döner ve bir dişli sistemi kullanarak yüksek hızlı şaftı döndürür
- Yüksek hızlı şaft: Düşük hızlı şaftın dönüşünü en yüksek hızda generatöre transfer eder.
- Anemometre: Rüzgârın hızını ölçer ve bu bilgiyi kontrolöre aktarır.
- Küçük rüzgârgülü: Rüzgârın yönünü ölçer ve bu bilgiyi sapma sürücüsüne aktarır.
- Kontrolör: Sadece istenen rüzgâr hızlarında ( 12…89 km/saat) çalışmak için türbini başlatır ve durdurur.
- Generatör: Yüksek hızlı şaftın dönüşünü ve elektromanyetik indüksiyonu kullanarak elektrik üretir.
- Sapma sürücüsü: Küçük rüzgârgülünden elde edilen verileri kullanarak türbini rüzgâra göre doğru yönlendirir
- Fren: Rüzgârın çok şiddetli esmesi durumunda rotoru durdurur.
Şimdi rüzgâr türbininin elektriği nasıl ürettiğine daha teknik olarak bakabiliriz:
Bir rüzgâr türbini, bir uçak kanadı veya helikopter rotoruna benzer şekilde çalışan rotor kanatlarının yarattığı aerodinamik kuvveti kullanarak rüzgârdaki enerjiyi elektriğe dönüştürür. Rüzgâr rotor boyunca akarken, rotorun bir tarafındaki hava basıncı düşer. Bıçağın iki tarafındaki hava basıncındaki fark, hem kaldırma hem de çekme oluşturur. Kaldırma kuvveti sürtünme kuvvetinden daha güçlüdür ve bu rotorun dönmesine neden olur. Rotor, doğrudan bir mil veya dönüşü hızlandıran seri dişliler üzerinden bir jeneratöre bağlanır. Jeneratör döner ve elektrik üretilir.
Elektriğin verimli olarak üretilebilmesi için rüzgârın da verimli olması gerekir. Rüzgârın verimi yukarıda anlattığımız gibi anemometre tarafından hızı ölçülerek, küçük rüzgârgülü tarafından yönü ölçülerek, sapma sürücüsü tarafından rüzgâra doğru çevrilerek, kontrolör tarafından başlatıp durdurularak ve fren mekanizması tarafından da tehlikeli durumlarda frenlenerek sağlanabilir.
Elektrik enerjisi üretildikten sonra bir trafo merkezine gönderilir ve yükseltilir. Sonrasında da iletim hatlarına sevk edilip kullanıcılar tarafından kullanılmak üzere yüksek gerilim hatlarıyla iletimine başlanır.
Elektrik üretimine değindikten sonra şimdi de türbin tiplerine ve türbinlerin teknik özelliklerine göz atalım.
Rüzgâr türbini tipleri
Modern rüzgâr türbinleri iki temel gruba ayrılır:
Yatay Eksenli Türbinler:
Yatay eksenli rüzgâr türbinlerinin (ortadaki resimde), üç kanadı vardır ve kulelerin tepesinde türbin döndüğü için kanatlar rüzgâra bakacak şekilde “yukarı doğru” çalıştırılırlar. Yere paralel yatay olarak monte edilirler. Rüzgârı verimli olarak alabilmeleri için kendilerini sürekli rüzgâra hizalamaları gerekir. Türbin bileşenlerini rüzgar hızı için optimum bir yüksekliğe kaldırmak için bir kule kullanırlar ve neredeyse tüm bileşenler 60-80 metre yükseklikte olduğu için çok az yer kaplar. En çok rastlanılan türbin çeşididir.
Dikey Eksenli Türbinler:
Dikey eksenli rüzgar türbinleri (soldaki ve sağdaki resimde), Fransız mucidinin ismini taşıyan patlıcan tarzı Darrieus modeli de dahil olmak üzere farklı çeşitlerde üretilir. Bu türbinler çok yönlüdür, yani çalışması için rüzgâra dönecek şekilde ayarlanması gerekmez. Şaftları yere dik, dikey bir eksende monte edilirler. Her zaman rüzgâra doğru hizalanırlar. Rüzgârın yönüne göre döndürülmelerine gerek yoktur. Verimleri çok düşük olduğu için ve yer kapladıklarından dolayı uygulamada çok nadir olarak kullanılırlar.
Rüzgâr türbinleri karada veya denizde (offshore=okyanuslar ve göller gibi büyük su kütlelerinde) inşa edilebilir. Offshore rüzgar türbinlerinin verimleri daha yüksektir.
Rüzgâr türbini özellikleri:
Rüzgâr türbinleri yerden ne kadar uzundur?
Endüstriyel rüzgâr türbinleri yerden minimum 60 metre (bıçaklar hesaba katılırsa 90 metre) ve yukarısında uzunluktadır. Kanat açıklığı ne kadar büyük olursa o kadar fazla elektrik üretebilmek mümkün olur. Bu nedenle kule uzunlukları günden güne artmaktadır.
Rüzgâr türbini ile ne kadar elektrik üretilir?
Bir rüzgâr türbininin çıkışı türbinin boyutuna ve rüzgârın rotor içindeki hızına bağlıdır. Ayrıca denizin ortasında kurulmuş rüzgâr santralleri daha fazla elektrik üretir. Aşağıdaki verdiğimiz değerleri ortalama olarak düşünebilirsiniz.
2.5-3 MW kapasiteye sahip ortalama bir kara rüzgâr türbini yılda 6 milyon kWh’den fazla enerji üretebilir. Bu elektrik ortalama olarak yılda 1,500 haneyi besleme kapasitesi demektir.
3.6 MW’lık bir offshore rüzgâr türbini ise 3300 civarı evi besleyebilir.
Rüzgâr türbini zararları
- Yüksek kurulum maliyeti
- Nispeten düşük verim (çok rüzgârlı günlerde çalışmaması gibi nedenlerle)
- Değişken rüzgâr nedeniyle her zaman üretim yapılmasının mümkün olmaması ve değişken üretim
- Upgrade yapılması durumunda iletim hatlarının ve şebeke maliyetlerinin ciddi oranda artması
- Büyük arazi kullanımı
- Bazı uygulamalarda türbinlerin oldukça sesli çalışması
Rüzgâr türbini faydaları
- Çok düşük karbondioksit salınımı (temiz enerji)
- Hava veya su kirliliği yaratmaz
- Madencilik veya sondajdan kaynaklanan çevresel etki yoktur.
- Yakıtı için para ödenmez. Kaynağı ücretsiz ve süreklidir.
- Dünya’nın hemen hemen her yerinde rüzgârlı havalarda çalışabilir.
- Elektrik ithalatında azalma ve petrol fiyatlarında düşme
- İşletme ve türbin bakımı için yeni iş olanakları
- Okyanusun ortasındaki adalar gibi uzak bölgelerin elektrik ihtiyacını karşılamak için idealdir.
- Yüksek bakım maliyeti gerektirmez
Rüzgâr türbini başka hangi amaçla kullanılır?
“Rüzgâr türbinleri ne işe yarar?” sorusunun ilk cevabı günümüzde tabii ki de elektrik enerjisi üretimidir. Aslında rüzgâr türbinleri ve rüzgârgülleri birbiri ile karıştırılmaktadır. Rüzgâr türbinleri kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye sonra da elektrik enerjisine çevirir. Rüzgârgüllerinde ise kinetik enerji mekanik enerjiye çevrilir ve bu mekanik enerji su pompalama, tahıl öğütme, drenaj pompalama, tütün, baharat, kakao ve boya gibi ürünlerin işlemesi gibi uygulamalarda kullanılır.
Bugün az da olsa küçük rüzgârgülleri bazı çiftliklerde su pompalama, sulama ve ev ihtiyaçları için kullanılabilmektedir.
Rüzgâr türbinlerinin (yel değirmenlerinin) tarihçesi
Her ne kadar Don Kişot yel değirmenlerine saldırsa da aslında o kadar da tehlikeli değiller ve insanoğlu tarafından çok eskiden beridir kullanılıyorlar.
Tarihsel olarak yel değirmenleri, tahılların öğütülmesi, kuyulardan su alınması ve benzeri diğer uygulamalar için kullanılmıştır. İlk kaydedilen pratik yel değirmenleri Afganistan’daki Sistan’da 7-8. yüzyıllarda mısırın öğütülmesinin yanı sıra su pompalamak için de kullanıldığı söyleniyor. Avrupa’da, 12. Yüzyıl civarında yel değirmenleri ortaya çıkmıştır. Deniz rüzgârının bol olduğu Danimarka’da, 1900’lü yılların başında yaklaşık 2500 yel değirmeni vardı. Almanlar U botlarının bataryalarını şarj etmek için 2. Dünya Savaşı’nda rüzgâr türbinlerini kullanmışlardır.
Elektrik üretimi için kullanılan ilk rüzgar türbini, 1887 Temmuz’unda İskoçya’nın Glasgow Üniversitesi’nden James Blyth tarafından İskoçya’da inşa edilmiştir.
Rüzgâr türbinlerinin geleceği
Çevre için artan endişeler, giderek artan rekabetçi fiyatlar ve petrole olan bağımlılığı azaltma yolunda rüzgâr gücünün güçlü bir geleceği var. Zaten türbinlerin büyüklüğü ve kapasitesi de günden güne büyüyor. Önümüzdeki yıllarda offshore santrallerin artırılması ve daha düşük rüzgâr hızlarında çalışabilecek karasal santrallerin geliştirilmesi amaçlanıyor. Tabii ki farklı kanat tasarımları ve kanatsız tasarımlar da projeler arasında yer alıyor.
Rüzgâr türbinleri hakkında çok sorulan diğer sorular?
Rüzgâr türbinleri hangi malzemeden yapılır?
Kuleler çoğunlukla boru biçimindedir ve genellikle açık gri renkte boyanmış çelik veya betondan yapılmıştır. Kanatlar cam elyafı, güçlendirilmiş polyester veya ahşap epoksi malzemeden imal edilmiştir. Açık gri renklidir çünkü çoğu aydınlatma koşulunda göze çarpmaz. Yansıyan ışığı azaltmak için yüzeyi mattır.
Rüzgâr türbini inşa etmek ne kadar sürer?
İnşaat süresi genellikle çok kısadır. 10 MW’lık bir rüzgâr santrali iki ayda kolayca inşa edilebilir. Altı ay içinde daha büyük bir 50 MW rüzgâr santrali inşa edilebilir.
Rüzgâr türbinleri ne kadar verimli?
Rüzgâr türbinleri saniyede 4 ila 5 metre rüzgâr hızlarında çalışmaya başlar ve yaklaşık 15 metre / saniyede maksimum güç çıkışına ulaşır. Çok yüksek rüzgâr hızlarında yani 25 metre / saniye civarında rüzgâr türbinleri kapanır. Modern bir rüzgâr türbini rüzgâr hızına bağlı olarak farklı çıktılar üretebilir ve genellikle zamanın % 70-85’inde elektrik üretir.
Bir yıl boyunca, teorik olarak maksimum verimin yaklaşık % 24’ünde çalışırlar (açık denizde % 41). Bu kapasite faktörü olarak bilinir. Konvansiyonel enerji santrallerinin kapasite faktörü ortalama % 50 -% 80’dir. Bakım veya arızada durma nedeniyle, hiçbir santral zamanın % 100’ünde enerji üretmez.
Rüzgâr türbininin bazen 2 bazen ise 3 kanadı var. Bunun sebebi nedir?
Modern ticari rüzgar türbinlerinin çoğunda, optimum miktarda güç ürettikleri için üç bıçak bulunur.
İki kanatlı makine, dişli kutusunun maliyetini düşüren daha yüksek çalışma hızlarına sahip, daha ucuz, daha hafif ve montajı daha kolaydır. Neredeyse üç kanatlı türbin kadar iyi performans gösterirler. Ancak daha gürültülü olabilirler ve görsel olarak çekici değillerdir. Döndüklerinde ‘sarsıntılı’ görünmektedirler.
Rüzgâr türbinlerinin kanatları bazen dönmüyor. Bunun sebebi nedir?
Türbinlerin bazen bakım için, bileşenlerin onarımı için veya kontrol edilmesi gereken bir arıza varsa durdurulması gerekir. Başka bir neden de çok az veya çok fazla rüzgâr olabilir. Eğer rüzgâr çok kuvvetli ise, türbinin kapatılması gerekir çünkü hasar görebilir.
Rüzgâr türbininin kanatları ne kadar hızlı döner?
Bıçaklar, sabit hızda dakikada 15-20 devir arasında herhangi bir miktarda dönmektedir.
Bir rüzgâr enerjisi tesisi için ne kadar alana ihtiyaç vardır?
Uygulamada, alan her megawatt başına ortalama 50 dönümlük bir alandır.
Rüzgâr türbini nasıl taşınır?
Bu tür büyük parçaların ve montajı için gereken vinçlerin taşınması, genellikle inşa edildikleri uzak alanlarda sık sık sorun yaratır. Yollar genişletilmeli, eğriler düzeltilmeli ve vahşi alanlarda tamamen yeni yollar oluşturulmalıdır.
Rüzgar türbini ile ilgili videolar
Şimdi de sizler için birkaç eğitici video paylaşalım:
1.videoda Rüzgâr türbininin nasıl çalıştığı anlatılmaktadır. Türkçe altyazı özelliğini açabilirsiniz.
2.videoda Nordex firması tarafından hazırlanmış 3 boyutlu rüzgâr türbini turunu göreceksiniz.
3.videoda ise rüzgâr türbini kazalarını göreceksiniz. Bu kazalar aslında şu sorunun da cevabını otomatikman veriyor. Rüzgâr türbini civarındaki alanlar tarım, hayvancılık gibi başka ihtiyaçlar için kullanılabilir mi? Cevap: Güvenliğiniz için kesinlikle hayır! Videoyu izlediğinizde göreceksiniz.
Kaynaklar:
https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work
https://www.explainthatstuff.com/windturbines.html
