Rüzgar Türbini Çalışma Prensibi: Türbin Çeşitlerine Göre

Rüzgar enerjisi, atmosferdeki rüzgarların itme etkisini kullanarak elektrik enerjisi üretmek için kullanılan bir kaynaktır. Rüzgar türbinleri, yüksek konumlandırılmış bir pervane sayesinde rüzgarı yakalar ve döner enerjiyi (mekanik enerji) üretir. Bu makalede, rüzgar türbini çalışma prensibi konusunu inceleyeceğiz.

Rüzgar Türbini Çalışma Prensibi

Rüzgar türbini atmosferde dolaşan rüzgarların itme etkisini kullanarak, bu enerjiyi kullanabileceğimiz elektrik enerjisine döndürme mantığıyla çalışır.

Türbinin çalışabilmesi için öncelikle bir rüzgara ihtiyacımız var. Sonrasında da bu rüzgârı yakalayabilecek ve dönebilecek büyük bir pervaneye. Bu pervaneyi de mümkün olduğunca yüksek bir yere konumlandırmalıyız ki rüzgarı iyi yakalayabilsin. Rüzgar 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.

Elektriğin üretilmesi için mutlaka bir dönme etkisine ihtiyaç vardır. Mıknatıslanma ancak böyle sağlanabilir. Bir güç bir pervaneyi döndürmelidir. Rüzgar enerjisinde ise dönme etkisini yaratan ekipmanlar rüzgar türbinleridir. Bu dönme etkisini bir generatör yani elektrik üreten bir makine ile irtibatlandırırsak elektrik üretmiş oluruz.

Şimdi evinizde kullandığınız vantilatörleri gözünüzün önüne getirin. Vantilatörü fişe taktığınızda ve “on” düğmesine bastığınızda dönmeye başlar ve sizi serinletmek için rüzgar sağlar. Rüzgar türbinleri ise tam tersi çalışma prensibine sahiptir. Rüzgar pervaneyi döndürür ve sonuçta elektrik üretilir.

Tabii ki bu durum anlatıldığı kadar basit değil. Gelin biraz daha detaylı inceleyelim. Bunu yapabilmemiz için türbinin parçalarını tanımalıyız.

A-Bıçaklar (rotor)

Rüzgarı yakalayan ve şaftın dönmesini sağlayan kısımdır.

B-Düşük hızlı şaft

Rotor ile birlikte döner ve bir dişli sistemi kullanarak yüksek hızlı şaftı döndürür.

C-Yüksek hızlı şaft

Düşük hızlı şaftın dönüşünü en yüksek hızda generatöre transfer eder.

D-Anemometre

Rüzgarın hızını ölçer ve bu bilgiyi kontrolöre aktarır.

E-Küçük rüzgargülü

Rüzgarın yönünü ölçer ve bu bilgiyi sapma sürücüsüne aktarır.

F-Kontrolör

Sadece istenen rüzgar hızlarında ( 12…89 km/saat) çalışmak için türbini başlatır ve durdurur.

G-Generatör

Yüksek hızlı şaftın dönüşünü ve elektromanyetik indüksiyonu kullanarak elektrik üretir.

H-Sapma sürücüsü

Küçük rüzgargülünden elde edilen verileri kullanarak türbini rüzgara göre doğru yönlendirir.

I-Fren

Rüzgarın çok şiddetli esmesi durumunda rotoru durdurur.

Şimdi rüzgar türbininin elektriği nasıl ürettiğine daha teknik olarak bakabiliriz:

Bir rüzgar türbini, bir uçak kanadı veya helikopter rotoruna benzer şekilde çalışan rotor kanatlarının yarattığı aerodinamik kuvveti kullanarak rüzgardaki enerjiyi elektriğe dönüştürür. Rüzgar 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 rüzgarın da verimli olması gerekir. Rüzgarın verimi yukarıda anlattığımız gibi anemometre tarafından hızı ölçülerek, küçük rüzgargülü tarafından yönü ölçülerek, sapma sürücüsü tarafından rüzgara 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.

Modern rüzgar türbinleri iki temel şekilde rüzgarı yakalar:

Yatay Eksenli Türbinler

Yatay eksenli rüzgar türbinlerinin, üç kanadı vardır ve kulelerin tepesinde türbin döndüğü için kanatlar rüzgara bakacak şekilde “yukarı doğru” çalıştırılırlar. Yere paralel yatay olarak monte edilirler. Rüzgarı verimli olarak alabilmeleri için kendilerini sürekli rüzgara 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, Fransız mucidinin ismini taşıyan patlıcan tarzı Darrieus modeli de dahil olmak üzere farklı çeşitlerde üretilir. Bu türbinler çok yönlüdür, yani çalışması için rüzgara dönecek şekilde ayarlanması gerekmez. Şaftları yere dik, dikey bir eksende monte edilirler.

Her zaman rüzgara doğru hizalanırlar. Rüzgarın yönüne göre döndürülmelerine gerek yoktur. Verimleri çok düşük olduğu için ve yer kapladıklarından dolayı uygulamada çok nadir olarak kullanılırlar.

Rüzgar türbinleri karada veya denizde (offshore=okyanuslar ve göller gibi büyük su kütlelerinde) inşa edilebilir. Offshore rüzgar türbinlerinin verimleri daha yüksektir.

Rüzgar türbini çalışma prensibi hakkında çok sorulan sorular

Rüzgar türbinleri yerden ne kadar uzundur?

Endüstriyel rüzgar 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.

Rüzgar türbini ile ne kadar elektrik üretilir?

2.5-3 MW kapasiteye sahip ortalama bir kara rüzgar 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 rüzgar türbini ise 3300 civarı evi besleyebilir.

Bir rüzgar türbininin çıkışı türbinin boyutuna ve rüzgarın rotor içindeki hızına bağlıdır. Ayrıca denizin ortasında kurulmuş rüzgar santralleri daha fazla elektrik üretir. Verdiğimiz değerleri ortalama olarak düşünebilirsiniz.

Rüzgar türbinleri hangi malzemeden yapılır?

Rüzgar türbinlerinin kuleleri çoğunlukla boru biçimindedir ve genellikle açık gri renkte boyanmış çelik veya betondan yapılır. Kanatlar cam elyafı, güçlendirilmiş polyester veya ahşap epoksi malzemeden imal edilir.

Açık gri renklidir çünkü çoğu aydınlatma koşulunda göze çarpmaz. Yansıyan ışığı azaltmak için yüzeyi mattır.

Rüzgar türbini inşa etmek ne kadar sürer?

Rüzgar türbininin inşaat süresi genellikle çok kısadır. 10 MW’lık bir rüzgar santrali iki ayda kolayca inşa edilebilir. Altı ay içinde daha büyük bir 50 MW rüzgar santrali inşa edilebilir.

Rüzgar türbinleri ne kadar verimli?

Rüzgar türbinleri saniyede 4 ila 5 metre rüzgar hızlarında çalışmaya başlar ve yaklaşık 15 metre / saniyede maksimum güç çıkışına ulaşır. Çok yüksek rüzgar hızlarında yani 25 metre / saniye civarında rüzgar türbinleri kapanır. Modern bir rüzgar türbini rüzgar 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.

Rüzgar 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.

Rüzgar türbinlerinin kanatları bazen dönmüyor. Bunun sebebi nedir?

Rüzgar türbinleri bakım için, bileşenlerin onarımı için veya kontrol edilmesi gereken bir arıza varsa durdurulması gerekir. Dönmemesindeki başka bir neden de çok az veya çok fazla rüzgar olabilir. Eğer rüzgar çok kuvvetli ise, türbinin kapatılması gerekir, çünkü hasar görebilir.

Rüzgar türbininin kanatları ne kadar hızlı döner?

Rüzgar türbinlerinin kanatları sabit hızda dakikada 15-20 devir arasında  dönmektedir.

Bir rüzgar enerjisi tesisi için ne kadar alana ihtiyaç vardır?

Bir rüzgar tesisi için her megawatt başına ortalama 50 dönümlük bir arazi gerekmektedir.

Rüzgar türbini nasıl taşınır?

Rüzgar türbinleri çok büyük tırlar ile taşınır. Bu tür büyük parçaların ve montajı için gereken vinçlerin taşınması, genellikle uzak bölgelere inşa edildiklerinden dolayı sık sık sorun yaratır. Türbinlerin taşınması için yolların genişletilmesi veya tamamen yeni yolların oluşturulması gerekebilir.

Şimdi de sizler için birkaç eğitici video paylaşalım:

1.videoda rüzgar türbini çalışma prensibi anlatılmaktadır. Türkçe altyazı özelliğini açabilirsiniz.

2.videoda Nordex firması tarafından hazırlanmış 3 boyutlu rüzgar türbini turunu göreceksiniz.