Rüzgar Türbini Tipleri: Özellikleri ile Karşılaştırması

Rüzgar türbini tipleri ve özellikleri uygulamadan uygulamaya farklılık gösterebilir. Rüzgar türbinleri dönme eksenlerine, devirlerine, güçlerine, kanat sayılarına, rüzgâr etkisine, dişli özelliklerine ve kurulum konumlarına göre sınıflandırılırlar.

Dönme eksenlerine göre rüzgar türbini tipleri

Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre üç gruba ayrılırlar: Bunlar; yatay eksenli rüzgar türbinleri, dikey eksenli rüzgar türbinleri, eğik eksenli rüzgar türbinleridir.

1. Yatay eksenli rüzgar türbinleri

Yatay eksenli rüzgar türbinleri dönme ekseni rüzgar yönüne paralel, kanatları rüzgar yönüne dik olan rüzgar türbinleridir. Bu tür rüzgar türbinleri, muhtemelen “rüzgar türbini” denilince aklınıza ilk gelenlerdir. Pervaneli uçak motorlarına benzer yapıdadır.

Halihazırda kullanılan rüzgar türbinlerinin tamamına yakını yatay eksenli türbinlerdir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri rüzgarı önden en iyi alacak şekilde döner bir tabla üzerine yerleştirilir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Türbinlerin verimi yaklaşık %45’dir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri genel olarak yerden minimum 20-30 m yüksekte ve çevredeki engellerden 10m yüksekte olacak şekilde yerleştirilmelidir. Rüzgar hızının, rotor kanadı uç hızına bölünmesi ile elde edilen orana kanat uç hız oranı (λ) denir. Eğer; λ= 1–5 Çok kanatlı rotor, λ= 6–8 üç kanatlı rotor, λ= 9–15 iki kanatlı rotor, λ>15 tek kanatlı rotor kullanılır.

2. Dikey eksenli rüzgar türbinleri

Dikey eksenli türbinler, dikey bir rotorun üstüne ve altına takılan kanatlara sahiptir. Ticari kullanımdan ziyade deneyler ya da bazı lokal kullanımlar için üretilmektedir. Yere yerleştirilebildikleri için kule ihtiyacı ve maliyeti ortadan kalkmaktadır.

Sistem istenilen rüzgar yönüne çevrilebildiği için dümen sistemine gerek kalmaz. Bu türbinlerin verimleri yatay eksenli rüzgar türbinlere göre çok daha düşüktür. Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için kule dikmek gerekmez, böylece kule masrafı olmaz. Darrieus ve Savonius olarak ikiye ayrılırlar.

a. Darrieus rüzgar türbinleri

Darrieus tipi düşey eksenli rüzgar türbininde, düşey şekilde yerleştirilmiş iki tane kanat vardır. Kanatlar, yaklaşık olarak türbin mili uzun eksenli olan bir elips oluşturacak biçimde yerleştirilmiştir. Adını 1931’de tasarımın patentini alan Fransız mühendis Georges Darrieus’tan almıştır ve dev bir yumurta çırpıcıya benzer.

Kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluşur. Yapısı gereği Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinde, devir başına iki kere en yüksek tork elde edilir.

b. Savonius rüzgar türbinleri

Savonius rüzgar türbinleri iki ya da üç adet kepçeye benzer kesitin birleşimi şeklindedir. En yaygını iki adet kepçenin bulunduğu durumdur ve “S” şeklini andıran bir görüntüsü vardır. Savonius türbininde akışkan içbükey kanat üzerinde türbülanslı bir yol izler ve burada dönel akışlar meydana gelir.

Bu dönel akışlar Savonius türbininin performansını düşürür, bu nedenle elektrik üretiminde pek fazla kullanılmazlar. Daha çok su pompalama amaçlı ve rüzgâr ölçümlerinde kullanılan anemometre olarak kullanılırlar. Bu tasarımla ilgili önemli olan nokta, rüzgar hangi yönden eserse essin dönmesidir. Bu tip rüzgar türbinleri ayrıca düşük hızlı rüzgarlarla çalışmakta çok iyidir, üretimi ve bakımı kolaydır ve türbülanslı rüzgarda iyi çalışırlar. Bu avantajlarına rağmen, bu tasarım oldukça verimsizdir. Bunun nedeni, olumlu ve olumsuz sürükleme kuvvetlerinin birbirinden çok farklı olmaması ve dolayısıyla dönüş hızının çok yüksek olmamasıdır.

3. Eğik eksenli rüzgar türbinleri

Dönme eksenleri düşeyle rüzgâr yönünde bir açı yapan rüzgâr türbinleri eğik eksenli olarak adlandırılır. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.

Kanat sayılarına göre rüzgar türbini tipleri

Kanat sayılarına göre rüzgâr türbinleri tek kanatlı, iki kanatlı, üç kanatlı ve çok kanatlı olmak üzere dört çeşide ayrılır.

1. Tek kanatlı rüzgar türbinleri

Tek kanatlı rüzgar türbinleri pervanelere etkiyen yüksek dönüş hızının düşürülmesi amacıyla üretilmiş türbin tipleridir. Diğer yandan, tek kanatlı rüzgâr türbini aerodinamik olarak dengesizdir ve bu durumda ek hareketler ile istenmeyen bazı yüklere sebep olur.

Bu durum mekanizmayı kontrol etmek için, göbek kısmına ek yapılar yapmayı gerektirir. Diğer dezavantajlarından birisi de yüksek aerodinamik gürültü seviyesidir. Üç hızı, üç hız oranı 120 m/s civarında olan üç kanatlı pervanelerle kıyaslandığında, 2 kat daha yüksektir. Dolayısı ile üç kanatlı rüzgâr türbinlerinden daha gürültülüdür.

2. Üç kanatlı rüzgar türbinleri

Sabit atalet momentine sahip ve modern rüzgâr türbinlerinde en çok kullanılan model üç kanatlı rüzgar türbinleridir.

Üç veya daha fazla kanada sahip olan tüm pervaneler bu avantaja sahiptir. Ayrıca, üç kanatlı pervane bu avantajından dolayı rüzgâr türbinleri üzerinde ek bir yük getirmemektedir.

3. Çok kanatlı rüzgar türbinleri

Çok kanatlı rüzgâr türbinleri (rüzgârgülleri), rüzgâr türbinlerinin gelişmemiş ilk örnekleridir. Yıllarca sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu işlemdeki moment gereksiniminin karşılanabilmesi amacıyla, çok kanatlı olarak üretilmiştir.

Çok kanatlı rüzgâr türbinleri düşük hızda çalışırlar. Türbin kanatlarının genişlikleri, pervane göbeğinden uçlara gidildikçe artış gösterir. Pervane mili, dişli kutusuna bağlanarak, jeneratör mili devir sayısı artırılır ve otomobillerde uygulama alanı bulan jeneratörler kullanılır. Rüzgârgülleri, rüzgârgülü pervane düzleminin rüzgâr hız vektörünü her zaman dik olarak alabilmesi için de rüzgârgülü yönlendiricisi taşımaktadırlar.

Rüzgarın geliş yönüne göre rüzgar türbini tipleri

Rüzgârın geliş yönüne göre rüzgâr türbinleri, rüzgârı önden alan ve rüzgârı arkadan alan türbinler olarak ikiye ayrılır.

1. Rüzgarı önden alan rüzgar türbinleri

Yatay eksenli türbinlerde rotor yüzü rüzgâra yönlenmiş ise önden rüzgârlı türbinler adını alırlar. Bu türbinlerin en önemli üstünlüğü kulenin yapacağı gölgeleme etkisine maruz kalmamasıdır. Yıllardır yaygın olarak bu makineler kullanılmıştır.

Öte yandan yine de kulenin önünde, az da olsa, bir rüzgâr gölgelemesi vardır. Yani rüzgâr kuleye eğilerek gelir. Kule yuvarlak ve düz olsa bile, kanatın kule hizasından her geçişinde türbinin ürettiği güç biraz azalır. İşte bu nedenle rüzgâr çekilmesinden dolayı kanatların çok sert yapılması ve kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca önden rüzgârlı makineler, rotoru rüzgâra karşı döndürmek için sapma mekanizması ile donatılmışlardır.

2. Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinleri

Arkadan rüzgârlı türbinlerin rotorları kule arkasındadır. Bunların önemli üstünlüğü sapma (yaw) mekanizmasına gerek olmayışıdır. Eğer makine yuvası (nacelle) ve rotor uygun tasarlanırsa makine yuvası rüzgârı pasif olarak izler.

Bu rüzgâr türbinlerinde bu özellik kesin bir üstünlük değildir. Rotor pasif olarak belirli bir periyotta her yöne dönebildiği için, bu tip türbinlerin üreteçlerinden inen kabloların dolanabilmesi söz konusudur. İşte “yaw” bu sorunu ortadan kaldırır. Daha önemli üstünlük kanatların esnek özelliğe sahip yapılmasıdır. Bu hem ağırlık hem de makinenin güç dinamiği açısından önemli bir üstünlük sağlar. Böylece kule yükü azalmış olur. Arkadan rüzgârlı türbinlerin temel üstünlüğü böylece önden rüzgârlı türbinlere göre daha hafif yapılması şeklinde ortaya çıkar. Ancak, kanat kule hizasından geçerken meydana gelen güç dalgalanması türbine, önden rüzgârlı makinelere göre daha çok zarar verebilir. Pratikte daha az tercih edilirler.

Maksimum güçlerine göre rüzgar türbini tipleri

Güçlerine göre rüzgar türbinleri dörde ayrılır.

1. Küçük güçlü rüzgar türbinleri

Üretebileceği maksimum gücü 30 kW’tan az olan türbinlerdir.

2. Orta güçlü rüzgar türbinleri

Üretebileceği maksimum gücü 30-100 kW arasında olan türbinlerdir.

3. Büyük güçlü rüzgar türbinleri

Üretebileceği maksimum gücü 100-1000 kW arasında olan türbinlerdir.

4. Çok büyük güçlü rüzgar türbinleri

Üretebileceği maksimum gücü 1 MW ve üstünde olan türbinlerdir.

Dişli özelliklerine göre rüzgâr türbinleri

Tipik rüzgâr enerjisi sistemi; bir rüzgâr türbini, bağlantı ekipmanı (dişli kutusu), jeneratör ve kontrol sistemi içermek durumundadır. Rüzgâr türbin üniteleri sürücü sistemleri bakımından; dişli kutusu kullanılan ve dişli kutusu kullanılmayan türbin jeneratör sistemleri olarak iki sınıfa ayrılabilir.

1. Dişli kutusu kullanılan rüzgâr türbinleri

Jeneratörleri az kutuplu, yüksek devirlidir. Bu yüzden pervanenin devir sayısıyla jeneratör devir sayısını uygunlaştırmak için 1/50, 1/70 gibi oranlarda dişli kullanılır. Bunlar:

• Sabit hızlı – sincap kafesli indüksiyon jeneratörü (SCIG)
• Değişken hızlı – çift beslemeli indüksiyon jeneratörü (DFIG)

2. Dişli kutusuz rüzgâr türbinleri

Jeneratörler çok kutuplu, düşük devirli olduğu için dişli sisteme gerek yoktur. Bunlar:

• Direkt sürümlü – elektriksel uyartımlı senkron jeneratör (EESG)
• Direkt sürümlü – sürekli mıknatıslı senkron jeneratör (PMSG)

Kurulum konumlarına göre rüzgâr türbinleri

Kurulduğu yer bakımından rüzgâr türbinleri; kara üstü(onshore) ve deniz üstü (offshore) olarak ikiye ayrılır. Kara üstü rüzgar türbinleri, karada, çiftliklerde, dağlarda veya ovalarda kurulur. Deniz üstü rüzgar türbinleri ise, deniz kıyısına yakın, deniz üzerinde kurulur ve genellikle daha büyük ve daha yüksek türbinlerdir. Deniz üstü rüzgar türbinleri, açık denizlerde veya kıyıya yakın sığ sular üzerinde kurulabilir. Her iki türbin türü de elektrik enerjisi üretmek için kullanılabilir.

Kaynak