Rüzgar Enerjisi Nedir? Nasıl Oluşur?

Bu yazımızda yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yeri ve potansiyeli olan rüzgar enerjisi kaynağını sizler için derledik.

Rüzgar Enerjisi

Rüzgar enerjisi, rüzgarın hareketi sonucu sahip olduğu kinetik enerjidir. Bu enerji mekanik ve elektrik enerjisine dönüştürülerek geçmişte ve günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır.  Rüzgarın hareket ettirdiği hava miktarının kütlesi ve hızı rüzgar enerjisinin temel parametreleridir. Ağırlığı yüksek hava kütlesi ne kadar hızlı eserse bünyesindeki rüzgar enerjisi o kadar fazla olur.

Rüzgar enerjisi, yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Çevreye herhangi bir zararlı atık yaymayan temiz bir enerjidir. Bu enerji eski tarihlerde mekanik olarak kullanılmıştır. Örneğin; su pompalama,tahıl öğütme, kerestecilik, yelkenli gemiler ve yel değirmenlerinde kullanılmıştır. Günümüzde ise rüzgar enerjisi daha çok elektrik üretiminde kullanılmaktadır. Fosil yakıtların günümüzde doğaya ciddi anlamda zarar verip küresel ısınmanın etkilerini arttırması ve bu kaynağın rezervlerinin tükenmeye başlamasıyla birlikte insanlar daha temiz ve tükenmeyen güneş,rüzgar,su,biyogaz, jeotermal gibi  yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretmeye başladılar.  Rüzgar enerjisi de günümüz enerji sistemleri arasında önemli bir yere sahiptir.

Rüzgar Enerjisi Tarihi

Rüzgar enerjisi çok eski zamanlardan beri kullanılmaktadır. Bu enerjinin en eski kullanılma yöntemi yel değirmeni ve yelkenli gemilerdir. Yel değirmenleri tahılların öğütülmesinde, yelkenli gemilerde ise rüzgarın kinetik enerji ile gemileri hareket ettirmek için kullanılmıştır. İnsanlık 5500 yıldır gemileri rüzgar enerjisiyle hareket ettirdiği bilinen bir gerçektir. Yel değirmenleri ise çok sonra kullanılmaya başlamıştır. Rüzgar enerjisi, tarihte ilk defa M.S. 1.yy’da Yunan mühendis Heron tarafından açıklanmıştır.

Günümüz dünyasında rüzgar enerjisi genellikle yel değirmenlerinde değil, elektrik üretiminde kullanılmaktadır. Rüzgar enerjisi ile elektrik üretimi için tarihteki bazı önemli olaylar şunlardır;

• İskoç bilim adamı James Blyth 1887 yılında rüzgar enerjisini kullanarak bir batarya şarj cihazı icat etmiş ve bunun da patentini 1891 yılında İngiltere’de almıştır.
• ABD’de 1887 ve 1888 yılları arasında Charles Francis Brush rüzgar enerjisi ile elektrik üretim makinesi kullanarak evinin ve laboratuvarının elektrik ihtiyacını 1900 yılına kadar karşılamıştır.
• 1890 yılına gelindiğinde ise Danimarkalı bir bilim adamı olan Poul la Cour rüzgarla elektrik üretmek için rüzgar türbinlerini inşaa etti ve türbinler ile daha sonraları hidrojen üretimi de yapıldı.

Poul la Cour’dan sonra rüzgar türbini üretimi ve geliştirilmesi günümüze kadar devam etti.

Dünya’da Rüzgar Enerjisi

Dünya’nın dört bir yanında rüzgar ile elektrik üretimi sağlanmaktadır. Rüzgar enerji santralleri günümüzde hala sürekli olarak kurulmaya devam edilen santrallerden bir tanesidir. 2017 yılı Dünya Rüzger Enerji Raporuna göre dünya üzerinde kurulu rüzgar enerji santral kapasitesi yaklaşık olarak 540 GW’dır. Sadece 2017 yılı içinse bu değer yaklaşık olarak 53 GW düzeyindedir. Her ne kadar 2015 yılından itibaren kurulu rüzgar santrali kapasitesi düşse de dünyanın toplam rüzgar kapasitesinin hala küçük bir kısmını kullanıyoruz.

Türkiye’de Rüzgar Enerjisi

Birçok yenilenebilir enerji kaynağında olduğu gibi rüzgar enerjisinde de Türkiye muazzam bir potansiyele sahiptir. Türkiye’nin tahmini rüzgar enerji potansiyeli 60 GW civarıdır. İlk olarak 1998 yılında kurulan rüzgar enerji santrali 8,7 MW gücündeydi. Ancak bundan sonraki yıllar da rüzgar enerjisi gerektiği ilgiyi göremedi. Ancak 2005 yılına gelindiğinde TBMM elektrik üretiminde yenilenebilir enerjinin katkısının arttırılması için bir yasayı kabul etmiştir.

Bu yasayla birlikte 2005 yılı ile 2009 yılları arasında rüzgar santrallerinde 500 MW’lık bir artış görülmüştür. 2010 yılına gelindiğinde ise yatırımcıları rüzgara daha fazla yöneltecek ve bu sayede rüzgar santralleri kurulumu için gerekli yatırımların önünü açabilecek YEK yasası meclisten geçmiştir. Türkiye’nin 2017 Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği (TUREB) raporuna göre 2017 yılı rüzgar enerji santrali kurulu gücü 766 MW’tır. 2023 yılı hedefi ise 20 GW düzeylerine ulaşmaktır.

Rüzgar Enerjisini Etkileyen Faktörler

1) Dünyanın Dönmesi

Dünya’nın dönüş hareketi neticesinde rüzgarlar kuzey yarım kürede sağa güney yarım kürede sola saparlar. Bu sapma hareketine neden olan etkiye Coriolis etkisi denir. Rüzgar enerjisi, rüzgar hızıyla doğru orantılıdır. Rüzgar hızı da sapma ile doğru orantılı olduğu için dünyanın dönüşü rüzgar hızını etkiler.

2) Sürtünme Etkisi

Yeryüzü sürtünmesi rüzgar hızını dolayısıyla rüzgar enerjisini azaltan bir faktördür. Engebeli araziler, dağlar, ormanlar, binalar ve diğer faktörler yüzünden rüzgar hızı sürtünmeye uğrayarak yavaşlar ve rüzgar azalır. Rüzgar, yer seviyesinden yaklaşık 1 km yükseklikte yeryüzü engellerinden neredeyse hiç etkilenmez. Rüzgar hızının ölçümleri Dünya Meteroloji Teşkilatı’nın belirlediği yerden 10 m yükseklikte yapılır.

Türbinler de ortalama olarak 60 m yüksekliğe sahiptirler. Bu yükseklikteki rüzgar hızını bulabilmek için aşağıdaki formül kullanılır.

Vh2: h2 yüksekliğindeki rüzgar hızı (m/s)
Vh1: h1 yüksekliğindeki rüzgar hızı (m/s)
h1: Rüzgar hızının ölçümünün yapıldığı yükseklik (m)
h2: Rüzgar hızının hesaplanacağı yükseklik (m)
a: Yeryüzü engebeliliğine bağlı katsayı

3) Merkezkaç Kuvveti

Girdap etkisi gösteren hava katmanlarında merkezkaç kuvvetinin etkisi daha çok görülür. Basınç eğrileri ne kadar eğimliyse ise mekezkaç kuvveti o derece fazla olur. Eğriler düzleştikçe merkezkaç kuvvetinin etkisi azalır.

4) Türbülans

Yeryüzünde bulunan engeller (orman,dağlar,binalar ve büyük kayalar gibi) rüzgarı etkileyerek anafor hava akışı oluşturur. Bu olaya da türbülans denir. Türbülans artarsa rüzgar türbinlerinin üreteceği enerji azalır. Bu yüzden rüzgar türbin kuleleri türbülanstan etkilenmemek belirli bir uzunlukta üretilirler.

5) Rüzgar Engelleri

Ormanlar, dağlar, binalar ve kaya parçaları gibi etkenler rüzgar hızını ve enerjisini azaltan rüzgar engelleridir. Rüzgar bu engellere çarptığında türbülans meydana gelir. Bu türbülansın meydana geldiği alan engelin yüksekliğinin 3 katına çıkabilir. Türbülans temas ettiği engelin bir tarafında belirgin halde bulunur. Tüm nedenler yüzünden rüzgar türbinlerinin kurulacağı alanda bu tarz engellerin bulunmaması gereklidir. Engellerin rüzgar üzerinde olan etkisi porozite terimiyle belirtilebilir. Porozite de rüzgarın engele temas ettiği yüzey alanlarının yüzde değeri olarak tanımlanabilir.

6) Wake Etkisi

Rüzgar türbinleri enerji üreten makineler olduğu için termodinamiğin birinci yasası gereği türbine giren rüzgar enerjisi , türbinden çıkan rüzgar enerjisinden fazla olacaktır. Rüzgar türbinleri arkasında aşağıya doğru esen bir rüzgar gölgesi oluşturur. Buna da wake etkisi denir.

7) Türbinlerin Yerleşim Etkisi (Park Effect)

Rüzgar santrallerinde türbin yerleşimi çok dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Çünkü rüzgar bir türbinde kullanıldığı zaman kinetik enerjisini türbine aktardığından enerji azalır. Bu yüzdendir ki türbinler arasında rotor çapının 5-9 katı arası boşluk bırakılması gerekmektedir.

Yukarıdaki şemada her sırada 5 türbin bulunan 3 grup türbin bulunan bir örnekleme vardır. Hakim rüzgar yönü de ok ile gösterildiği gibidir. Bu yünde türbin gruplar arası rotor çapının 7 katı mesafe ve aynı sırada bulunan türbinler arasında da 4 katı mesafe bırakılmıştır.

8) Tünel Etkisi

Dağ geçitlerinin, binaların birbirleri arasındaki dar boşluklarda ve vadilerde rüzgar hızının daha fazla olduğunu tecrübe etmişsinizdir. Rüzgar bu engeller arasında sıkıştırılır ve bu sayede hızı artar. Buna rüzgar tüneli etkisi denir. Rüzgar hızı normal arazide 6 m/s iken bu tünellerde 9 m/s’ye ye kadar yükselir.

9) Tepe Etkisi

Bilindiği üzere rüzgar enerjisi yükseklere çıkıldıkça artar. Tepeler bu yüzden rüzgar açısından verimlidir. Tepe noktalarındaki bu rüzgar etkisine de tepe etkisi denir.

10) Kanat Sayısının Etkisi

Geçmişten günümüze çok farklı sayıda kanata sahip türbinler kullanılmıştır. Türbinlerin 1 ile 40 kanat arası tasarımları mevcuttur. Yüksek kanat sayısına sahip türbinler yüksek moment gerektiren su pompalama gibi mekanik uygulamalarda kullanılırken 2 veya 3 kanatlı rüzgar türbinleri ise elektrik üretiminde kullanılır.

Rüzgar Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları

Avantajları

• Rüzgar enerjisi herhangi bir atığı olmayan temiz bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Her hangi bir sera gazı salmadığı için küresel ısınmayı arttırmaz.
• İşletme ve bakım maliyeti çok düşüktür.
• Çevre koşulları uygun olduğunda sürekli enerji üreten bir kaynaktır.
• Rüzgar türbinleri çok kompleks olmayan otomatik makinelerdir ve bakımları düzenli yapıldığında 20-30 yıl ömürleri vardır.
• Devreye alınması ve kullanılması yaklaşık olarak 3 ay sürer.

Dezavantajları

• Rüzgarla ile elektrik üretildiğinden rüzgarın azalması ve durması ile enerji kaybı meydana gelir.
• Bazen türbin maliyetleri yüksek miktarlara ulaşabilmektedir.
• Türbin kanatları uzun olduğu için ve döner bir yapıda olduğu için kuş ölümlerine sebep olabilmektedir.
• Rüzgar türbinleri çevreyi rahatsız edebilecek şekilde bir gürültü oluşturur.
• Rüzgar türbinleri hava akımının enerjisini kullandıkları için kuruldukları bölgenin iklim koşullarını etkileyebilir.

Rüzgar enerjisi ile elektrik üretim sistemleri günümüzde hala gelişmekte olan bir teknolojidir. Farklı türbin türlerinin icat edilmesi ve kullanılmasıyla maliyet azalıp verimlilik zamanla artacaktır.

Kaynaklar: TUREB , GWEC