Rüzgar Enerjisi Nedir Nasıl Çalışır

Rüzgar enerjisi: Rüzgarı oluşturan hava akımının sahip olduğu hareket(kinetik) enerjisidir. Rüzgardaki hareket enerjisini önce mekanik enerjiye dönüştürür. Daha sonra elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisinin doğaya bir zararı yoktur. Temiz ve sonsuz bir enerji kaynağıdır.

Rüzgar Enerjisi Nasıl Çalışır?

Güneşin doğmasıyla gece oluşan soğuk hava tabakasının yere yakın bölümleri, güneşin ışınlarıyla ısınmaya başlar. Fiziksel olarak ısınan hava genleşir ve yükselir. Böylece atmosferdeki soğuk hava tabakası yere doğru iner. Sıcak ve soğuk havanın yer değiştirmesi ile rüzgar oluşur.

Rüzgarın hareketiyle pervaneler bağlı oldukları şaftı döndürür. Bu da bir jeneratör ile hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürür.

Rüzgar Türbin Çeşitleri

Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre üçe ayrılır.

• Yatay eksenli rüzgar türbinleri
• Dikey eksenli rüzgar türbinleri
• Eğik eksenli rüzgar türbinleri

Rüzgar Enerjisinin Avantajları

• Sürekli bir enerji kaynağıdır.
• Enerji güvenliği sağlar.
• Temiz enerji kaynaklarıdır ve çevreye zararı yoktur.
• İklim değişikliği sorununa çözüm sağlar.
• Yakıt maliyetleri yoktur.
• Rüzgar türbinleri, patlama yapmaz ve radyasyon yaymazlar.
• RES’ lerin kurulduğu alanlarda tarım ve hayvancılık yapılabilir.
• Yer yüzünün neredeyse %95’inde rüzgar enerjisinden faydalanılabilir.

Dezavantajları

• Rüzgar türbinleri için büyük alanlar gereklidir.
• Rüzgar sürekli olmadığında enerji üretimi sabit değildir.
• Görsel açıdan kirlilik yaratmaktadır.
• Rüzgar türbinlerinin verimleri değişmekle beraber genelde düşüktür.
• İlk yatırım maliyetleri diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre daha yüksektir.
• Radyo ve TV alıcılarında parazitlenmeye neden olur. Bunun için şehre yakın yerlerde kurulması uygun değildir.
• Göçmen kuşlar için büyük tehdit içermektedir. Toplu kuş ölümlerine sebebiyet vermektedir.
• Rüzgar türbinleri yüksek desibelde ses oluşturmaktadır. Rahatsız edici bir gürültüye sahiptir.
• Rüzgâr enerjisi mutlaka şebekeye bağlı olarak çalışmalıdır. Ayrıca her bir türbine yükseltici trafo konma zorunluluğu vardır.
• Kapasite kullanım verimi de ancak % 30 kadardır.

Rüzgar Enerjisinin Kullanım Alanları

• Ev ve işletmeler.
• Park, bahçe ve cadde aydınlatmaları.
• Sinyalizasyon
• Sulama sistemleri
• Karavan, tekne ve mobil istasyonlar

Türkiye’de Rüzgar Enerjisi

Türkiye’nin bulunduğu coğrafi yöreye bağlı olarak Türkiye’nin toplam kurulu gücünün %0.06’sı rüzgar kaynaklıdır. rüzgar enerjisinin elektrik üretimindeki payı ülkemizde %1’ lik dilimin içerisinde yer alır. Rüzgar potansiyeli bakımından zengin olan bölgelerimiz Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz kıyılarıdır.

Elektrik İşleri Etüd idaresi tarafından hazırlanan “Türkiye Rüzgar Atlası” na göre;

Yerleşim alanları dışında 50m yükseklikteki rüzgar hızları;

• Marmara, Batı Karadeniz, Doğu Akdeniz kıyılarında 6.0 – 7.0 m/sn dir. İç kesimlerde ise 5.5 – 6.5 m/sn,
• Batı Akdeniz kıyılarında 5.0 –6.0 m/sn, iç kesimlerde 4.5 – 5.5 m/sn,
• Kuzey –Batı Egede ise kıyılarda 7.0-8.5 m/sn, iç kesimlerinde ise 6.5-7.0 m/sn civarındadır.

Türkiye’nin rüzgar enerjisi teknik potansiyeli 88000 MW dir. Ekonomik potansiyelinin ise 10000 MW civarında olduğu tahmin edilmektedir. Türkiye’ nin teknik potansiyeli 83 GW, üretim potansiyeli ise 166 TWh/yıl’ dır. Buna karşılık Türkiye’nin toplam kurulu rüzgar gücü 20.6 MW’ tır.

Rüzgâr Ölçüm Direği

Rüzgâr elektrik santralleri (RES) kurulmasının birinci aşaması rüzgâr ölçümüdür. Proje için ölçüm sensörleri ile standartlarda uygun ölçümler yapılır. Enerji üretiminin belirlenmesi, veri değerlendirmesi ve türbin seçimi belirleyicidir.

Rüzgâr hızı, yönü ve hava yoğunluğu ölçülür. Bunun yanında türbinin korozyona uğramaması için sıcaklık, nem ve basınç sensörleri de kullanılarak ölçümler yapılmalıdır.

Rüzgar ölçüm direğinde kullanılan algılayıcılar;

Rüzgâr Hızı

Rüzgârın hızı, havanın hareketini gösterir. Rüzgârlar hızlarına göre çarptıkları bir yüzeyde basınç oluştururlar. 1 m/s hızla esen rüzgârın çarptığı 1 metrekarelik yüzeye yaptığı basınç 0.076 kg’dır. Rüzgâr hızını ölçen aletler, anemograflar ve anemometrelerdir.

Anemograflar; mekanik, elektrikli ve elektronik cihazlardır. Anemometreler montajdan önce dünyaca kabul edilmiş enstitülerin rüzgâr tünelinde kalibre edilmesi gerekmektedir.

Anemometreler, kepçe anemometre, ultrasonik anemometer, propeller anemometre ve el anemometresidir.

Direğe monte edilecek anemometre ve yön sensörü sayısı direğin yüksekliğine ve arazinin yapısına göre tespit edilir. Bir tane anemometre direğin en tepesine, merkez eksenine yerleştirilir. En tepedeki bu anemometrenin yıldırım veya kuş çarpmaları nedeni ile zarar görme ihtimali çok yüksektir.

Bu nedenle tepedeki anemometrenin 1,5 metre aşağısına bir tane daha anemometre yerleştirilir. Diğer anemometreler ve yön sensörleri yan kollar ile ölçüm direğine montajı yapılır. Sensörlerin ölçümleri birbirlerini etkilememelidir. Bunun için iki sensörün en üst noktaları arasındaki mesafe en az 1,5 metre olacak şekilde ayarlanmalıdır.

Rüzgâr Yönü

Rüzgârın bulunan yere doğru geldiği yöne rüzgâr yönü denir. Rüzgâr, belirli bir yönden esebileceği gibi farklı yönlerde ve farklı yüzdelerde esebilir. Rüzgâr yön dağılımını görmek için yön sensörü ile rüzgârgülü denilen 8 veya 16 yöne göre çizim yapılır.

Sıcaklık

Termometre sıcaklık sensörü, ölçüm direğinin 2. veya 3. metresine montajı yapılır. Bu sensörler direk güneş radyasyonundan korunacak şekilde tasarlanmalıdır.

Nem

Bağıl nem, verilen bir sıcaklıkta havanın içerdiği nem miktarının, aynı sıcaklıkta içerebileceği maksimum nem miktarına oranına denir. Rüzgâr ölçüm amaçlı kullanılan nem sensörleri, tek veya bazen de sıcaklık sensörü ile birlikte kullanılabilmektedir.

Basınç

Meteorolojik olarak basınç elemanların en önemlilerinden biridir. Barometrik basınç bir yüzeydeki ve bu yüzeyden atmosferin tepesine kadar olan hava sütununun her birim alanı etkileyen kuvvettir. Ölçüm için barometre kullanılır.

Algılayıcıların montajında dikkat edilmesi gereken  en önemli konu algılayıcıların kalibrasyonudur. Eğer kalibrasyon yapılmazsa, algılayıcılar 1-1.5 yıllık kayba neden olurlar.

Rüzgar Türbini Hesapları

Bu türbinlere etki eden en önemli faktörler; rüzgar hızı ve rüzgar çarklarının çapına bağlı olarak süpürme alanıdır. Bunun sonucu olarak rüzgar gücü; rüzgar hızı arttıkça hızın küpüyle ve çarkın alanıyla doğru orantılı olarak artacaktır. Bu durumda maksimum enerjiyi sağlayan bağıntı aşağıdaki gibidir.

1-) Pmax = 8 / 27 . ρ.S.V³ο

Halbuki bu enerjinin ancak belirli bir kısmından rüzgar çarkı yararlanmaktadır. O da;

2-) T = 1 / 2.ρ.S.V³ο   

şeklinde tanımlanır. Bu (1) ve (2) denkleminden,

Pmax / T = 16 / 27 = 0,5926 Betz limiti elde edilir.

Rüzgar türbinlerinin performansı moment ve güç katsayıları ile belirlenir. O halde

Güç katsayısı;

Cp = P / 1 / 2.ρ.S.V³ο = 2P / π.ρ.R².V³ο

Moment katsayısı ;

Cm = M / 1 / 2.ρ.S.V³ο = 2P / π.ρ.R².V³ο

Rüzgar çarklarının performans katsayıları kanadın çevresel dönme hızının bir fonksiyonu olarak değişecektir. O halde, u ‘kanat uç hızı’ olarak tanımlanırsa kanat uç hız oranı aşağıdaki bağıntı ile verilmiştir.

λο = u / Vο = 2 . π . R . n / 60 . Vο

Kullanılan Semboller

• P : Güç [W]
• V0 : Rüzgar hızı [m/s]
• S : Çarkın süpürme alanı [m2]
• ρ : Havanın yoğunluğu [kg/m3]
• T : Toplam kinetik enerji [W]
• M : Döndürme momenti [N.m]
• R : Çark yarıçapı [m]
• Popt : Optimum güç (W)
• λ : Çark uç hız oranı
• 1 c : İç bükey kanadın direnç katsayısı
• e : Savonius çarkının kayma mesafesi (eksantrisite) (m)
• d : Savonius çarkının kanat çapı (m) dır.
• b : Kanat sayısı
• c : Kanat kiriş uzunluğu (m)
• n : Çarkın devir sayısı (d/d)
• u : Çarkın çevresel hızı(m/s)