Rüzgar Türbini Nedir? Çeşitleri Nelerdir?

Rüzgar, yüzyıllardır kullanılan ve asla tükenmeyip sürekli kendisini yenileyebilen bir enerji kaynağıdır. Bu kaynak eski çağlarda gemileri hareket ettirmede, tahıl öğütme ve su pompalama gibi işlemlerde kullanılırdı. Günümüzde ise artık bu enerji kaynağıyla elektrik üretebilmekteyiz bunu da rüzgar türbini teknolojilerine borçluyuz. Bu yazımızda ise rüzgar enerjisinden elektrik üretiminde yaygın olarak kullanılan türbinlere değindik.

Rüzgar Türbini Nedir ? Çeşitleri Nelerdir?

Rüzgar türbini, hareketli bir rotoru bulunan yakaladığı hava akımının kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir sistemdir.Rüzgar türbini, belirli çeşitlere ayrılmış olsalar da genel prensibi rüzgarın bünyesindeki kinetik enerjiyi, mekanik enerjiye dönüştüren kanat ve rotor sistemiyle elektrik üretilmesine dayanır.Rüzgar türbinleri, rotorlarının dönüş eksenlerine göre genel olarak yatay, dikey ve eğik eksenli olmak üzere üçe ayrılır.

Yatay Eksenli Rüzgar Türbini

Bu tip türbinlerin dönüş ekseni rüzgarların geliş yönüne göre paralel ve kanatları da diktir. Rotor kanatlarının sayısı azaldıkça daha hızlı dönmekte ve daha fazla elektrik üretmektedir. Bu tarz türbinlerin verimi yaklaşık olarak %45’dir.  Yatay eksenli türbinler genellikle yerden 20 m ya da 30 m yüksekliğe yerleştirilirler.  Rüzgar hızının rotor kanadı hızına oranına kanat uç hız oranı (λ) denir. Yani;

• λ= 1–5 Çok kanatlı rotor,
• λ= 6–8 Üç kanatlı rotor,
• λ= 9–15 İki kanatlı rotor,
• λ>15 Tek kanatlı rotor kullanılır

Rüzgar türbinin rotoru özel olarak tasarlanmış kanatlarıyla rüzgarın kinetik enerjisinin yaklaşık %60’nı tutar ve mekanik enerjiye dönüştürür. Bu da rotorda yani türbin göbeğine bağlı olan pervane şaftında bir dönüş hareketi meydana getirir. Düşük hızda ve yüksek torkta dönen bu şaft dişli kutusu vasıtasıyla hızı yükseltilip torku düşürülür ve böylelikle jeneratörde elektrik üretimi sağlanmış olur. Yüksek kutuplu jeneratör seçilirse dişli kutusuna gereksinim duyulmaz. Üretilen elektrik de türbin kulesinin yanında veya içerisinde bulunan şebekeye bağlı bir transformatör ile elektrik hattına aktarılır.

Rüzgar Türbini Elemanları

Yatay eksenli rüzgar türbinleri, rüzgarı engelleyen çevre engellerinden kurtulmak için bir kule üzerine yerleştirilen ve dönen bir şaft, jeneratör,dişli kutusu ve kontrol sistemleri gibi elemanların bulunduğu gövde, kanat ve bunların bağlı olduğu göbek (hub) ve rotordan oluşmaktadır.  Genel olarak baktığımız zaman rüzgar türbini 4 temel parçadan oluşmaktadır. Bunlar;

• Kule
• Nasel (Gövde)
• Rotor
• Kanat

Kule

Kule, rüzgar enerjisi ile elektrik üretimine doğrudan etki eden bir sistem bileşenidir. Bilindiği üzere rüzgar hızı ve enerjisi yükseklikle doğru orantılıdır. Bu yüzden kule boyu ne kadar yüksek olursa üretilen enerji miktarı da o kadar fazla olur. Tabi ki de yüksek kule demek daha fazla maliyet demektir ve saha koşullarına göre de değişiklik göstermektedir.

Atmosferin ilk 100 metresine Prandtl tabakası adı verilir bu katmandan sonra da Ekman katmanı bulunur. Bu katman rüzgarın en hızlı ve kararlı olduğu katmandır ve düşük türbülans ve Weibull faktörelerine sahiptir. Kısacası bu katman rüzgar enerjisi ile elektrik üretiminde en uygun katmandır.

Nasel (Gövde)

Nasel yatay eksenli rüzgar türbininin gövde kısmını oluşturmaktadır.  İçerisinde çeşitli sistem elemanlarını barındıran bu kısım sistemin beyni niteliğindedir. Elektriğin üretildiği, düzenlendiği bu kısım aynı zamanda rüzgar türbini için tüm kontrolünün yapıldığı yerdir. Nasel bünyesinde yer alan sistem elemanları şu şekildedir;

1. Nasel
2. Isı Değiştirici
3. Generatör
4. Kontrol Paneli
5. Ana Çerçeve
6. Ses İzolasyonu
7. Hidrolik Fren
8. Dişli Kutusu
9. Ses İzolasyonu
10. Yaw Sürücü
11. Yaw Sürücü
12. Pervane Şaftı
13. Yağ Soğutucu
14. Pitch Sürücü
15. Pervane Hub
16. Hub Burun

Dişli Kutusu

Dişli kutusu, pervane şaftının dönüş hızını elektrik üretimi için uygun seviyeye getiren dişli çarklardan oluşmuş bir sistemdir. Bu bileşen ile yavaş dönen pervane şaftının dönüş hızı dakikada 1000 ile 1500 rpm arasına yükseltilir.

Dişli kutusu ile düşük hızla dönen, yüksek tork ile dönen türbin pervane şaftının hızı yükseltilip torku düşürülerek jeneratörün verimli elektrik üretebileceği koşullar sağlanmış olur.

Elektrik makineleri teknolojisinin ilerlemesiyle yüksek kutuplu motorlarda yüksek devir, düşük tork gereksinimi ortadan kalkmış dolayısıyla rüzgar türbinlerinde dişli kutusuna olan ihtiyaç da azalmıştır. Yeni nesil dişli kutusu olamadan elektrik üretimi yapan rüzgar türbinlerini de görmekteyiz.

Jeneratör

Rüzgar türbinlerinde elektrik üretimi sabit manyetik alan içerisinde hareketli iletken prensibiyle elektrik üretimi sağlayan jeneratörler vasıtasıyla yapılır.  Genellikle 3 tür elektrik motoru kullanılır. Bunlar;

• Doğru akım motoru
• Senkron jeneratör
• Asenkron jeneratör

Yaw ve Pitch Kontrol

Rüzgar her zaman tek bir yönden esmez sene içerisinde çok farklı yönlerden esebilir. Rüzgar türbinlerinde de maksimum elektrik üretimi için kanatları ve tüm türbini rüzgar yönüne döndüren mekanizmalar bulunur. Pitch kontrol ile rüzgar türbini kanatları eksenel olarak dönerek rüzgarın geldiği yönü tayin eder daha sonra da tüm türbin pitch mekanizmasıyla rüzgarın geldiği yöne döner.

Rüzgar Türbini Elektronik Kontrol Sistemi

Rüzgar türbinlerinin beyni niteliğinde olan elektronik kontrol sistemiyle türbinine ait birçok bilgiyi kayıt altına alım RES (Rüzgar Enerji Santrali) işletmecisine gönderir.  Rüzgar türbinlerinin tamamında kontrol ve performansı takip etme amacıyla mikroişlemci kullanılmaktadır. RES’lerdeki her bir rüzgar türbini bağımsız olarak takip edilebilir.

Genellikle takip edilen parametreler;

• Sisteme giriş-çıkış rüzgar hızları
• Jeneratör çıkışının şebekeye nakli
• Rüzgar yönüne göre nasel hareketi
• Kanat açısının düzenlenmesi
• Türbinin acil durumlarda durdurulması

Kayıt altına alınan parametreler;

• Türbin durumu
• Rüzgar hız ve yön verisi
• Jeneratör çıkışı
• Rüzgar hızına karşılık gelen üretimin gerçekleşip gerçekleşmediği

Fren Sistemi

Rüzgar türbinlerinde fren sistemleri güvenlik açısından çok kritik rol oynar. Mesela jeneratörün yüksek derecede ısınması, şebekeden kopma ve yüksek şiddetteki rüzgar hızları gibi sorunları önlemek için rüzgar türbinlerinde kanat ucu ve mekanik fren sistemi bulunur.

Rotor ve Kanatlar

Rotor, kanatlardan, gövdeye bağlı olan bir göbekten ve döner şafttan oluşur. Kanatlar rüzgarı yakalar ve gücü göbeğe aktarır. Rotor bir göbek ile şafta bağlıdır ve göbek de türbinin düşük hız şaftına bağlıdır. Kanatların dönüşüyle bir ucu göbeğe bağlı, diğer ucu da jeneratöre bağlı olan şaftı döndürür. Rotor dönüşü rüzgar yönüne dik  olarak kontrol edilir.  Kanatta oluşan hava akısının bileşkesi rüzgar yönü ile rüzgar geçiş yönü arasında bir basınç farkı oluşturur. Bu basınç farkı bileşke akıya dik gelen bir itme kuvveti meydana getirir ve bu itme mekanik bir tork üreterek şaftın hareket etmesini sağlar.

Dikey Eksenli Rüzgar Türbini (DERT)

Bu türbin sistemlerinin dönüş ekseni rüzgar yönüne diktir. DERT rüzgarı her yönden alabilir ve buna göre dönüş hareketiyle elektrik üretir. Bu özelliğiyle diğer türbin sistemlerine göre bir üstünlüğü bulunur. Rüzgarı sürükleyerek kaldıran bu türbinlerin verini ise yaklaşık olarak %35’dir. Herhangi bir kuleye ihtiyaç duymadan çalışan bu türbinler toprak seviyesinde kurulur ve bu yüzden de düşük rüzgar hızlarında çalışmak zorundadırlar (Bilindiği üzere rüzgar hızı yerden yükseldikçe artmaktadır). Rotor çapı 5 m  olan bir türbinden hemen hemen 0.5 kW’lık bir güç elde edilir.

Düşey eksenli türbinler, yatay eksenlilere göre daha az alan kaplarlar ama buna göre de daha az güç üretirler. Bu yüzden bu tip türbinler verimli bir şekilde kullanılmak isteniyorsa yüzlerce hatta belki de binlerce türbini birbirlerinin  rüzgar sahalarını kapatmayacak şekilde bir araziye yerleştirilmelidir.

Bu rüzgar türbinlerinin Savonius, Darrieus ve Giromill tipi çeşitleri vardır.

Savonius Tipi Düşey Eksenli Rüzgar Türbini

1925 yılında Finlandiya’lı bir mühendis olan Sigurd J. Savonius tarafından icat edilen Savonius rüzgar türbini, iki yatay disk arasında kanat görevi yapan iki yarım silindirin birbirlerine perçinlenmesiyle oluşturulmuştur. Rüzgarın belirli bir hızda gelmesiyle silindirlerin çukur ve tümsek taraflarından pozitif ve negatif bir moment oluşur. Yani çukur tarafına rüzgar tarafından etkiyen itme kuvveti, tümsek kısmındakinden ne kadar fazla olursa türbin o kadar hızlı döner.

Bu türbinlerin, aerodinamik performansı çok düşük olduğu için kullanım alanı da kısıtlıdır. Havalandırma ve su pompalama gibi alanlarda kullanılan bu türbinlerin son yıllarda aerodinamik performanslarının iyileştirilmesi için bir çok çalışma yapılmıştır.

Darrieus Tipi Düşey Eksenli Rüzgar Türbini

Fransız bir mühendis olan George J.M. Darrieus tarafından icat edilen bu rüzgar türbini kanatları düzgün bir aerodinamik yapıya sahip olduğundan dolayı yüksek bir performansa sahiptir. Kanatlar üzerindeki çekme gerilimi hafif bir eğime sahip olduğundan çok düşüktür. Yüksek rüzgar hızlarında çalışabilir fakat ilk hareket için bir tahrik motoru gereklidir.

Rüzgar türbini teknolojisi günden güne gelişmekte ve çok farklı sistemler denenmektedir. Farklı tür de türbinlerde mevcuttur. Bu yazıda en çok kullanılan türbin sistemlerini sizler için derledik. Rüzgar türbini verimlerinin arttırılması ve zorlu koşullara dayanık türbinlerin geliştirilmesiyle bu enerji kaynağından maksimum elektriği üretebiliriz. Kim bilir belki de bir gün fırtınalara hükmedip şidderli rüzgar hızlarından elektrik üretmenin bir yolunu bulabilir.