KÜÇÜK-ORTA ÖLÇEKLİ RÜZGAR TÜRBİNİ TASARIMI

Transkript

1 KÜÇÜK-ORTA ÖLÇEKLİ RÜZGAR TÜRBİNİ TASARIMI E.Orhun BAŞTEKELİ - Ersan KARAKAŞ 1

2 İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ... 4 ÖZET RÜZGAR ENERJİSİNE GİRİŞ Rüzgar Enerjisinin Tarihçesi Rüzgar Enerjisinin Özellikleri Dünyada ve Türkiye'de Rüzgar Enerjisinin Durumu Dünya'daki Durumu Türkiye'deki Durumu Türkiye Rüzgar Hızı ve Potansiyeli Dağılım Haritaları Türkiye'deki Rüzgar Santralleri Türkiye'deki Rüzgar Ölçümlerine İlişkin Tebliğ Rüzgar Türbini Çeşitleri Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri Kanat Sayısına Göre Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri Rüzgar Türbini Elemanları ARAZİ RÜZGAR POTANSİYELİ HESABI Tasarım Rüzgar Hızı Tespiti Rüzgar Verilerinin Hesabı Anemometre İle Rüzgar Hızı Ölçümü Pürüzlülük Uzunluğu Hesabı Engel Perdeleme Metodu Ölçülmüş Yükseklikteki Rüzgar Hızının İstenilen Yüksekliğe Uyarlanması Pürüzlülük Sayısının Hesabı Rüzgar Kuvveti Hesabı Türbinin Maruz Kalabileceği Maksimum Rüzgar Kuvvetini Tayini Çevresel Yapıların Ortalama Rüzgar Hızı Profiline Etkisi Dinamik Rüzgar Hızı Rüzgar Türbinlerinde Kanat Sayısı Ve Güç, Moment ve Kuvvet Katsayısıyla İlgili Ön Hesaplar RÜZGAR TÜRBİNİ MEKANİK SİSTEM TASARIM HESAPLARI Kanat Tipleri,Formu, Boyutlandırma Ve Kanat Mukavemet Hesapları Kanat Malzemesi Ve Kanat Üretim Yöntemleri Kanat Formu Ve Hesaplamalara Dair Genel Bilgiler Rüzgar Türbini Kanadının Katı Modellemesi Ve Optimizasyonu Kanat Tasarımı Ve Kanat Denklemleri Kanat Tasarımında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar Kanat Mukavemeti Ve Bağlayıcı Eleman Hesabı Kanat Mukavemet Hesabına Pratik Bir Yaklaşım Rüzgar Türbini Göbek(Hub) Tasarım Ve Hesapları Rüzgar Türbini Hub Sistemleri Haakkında Genel Bilgi Kanat-Flanş-Hub Bağlantıları İle İlgili Hesaplar

3 Mil-Flanş Bağlantısı Redüksiyon Hesabı Genel Redüksiyon Tipleri Ve Ön Hesaplamalar Kademeli Düz Dişli Kutusu Tasarım Örneği Dişli Çarkların Yataklanması Millerde Oluşan Toplam Sehimin Hesaplanması Redüksiyon Milinin Boyutlandırılması Redüksiyon Ve Kafa(Nacelle) Sistemlerinde Rulman Tipi Seçimi Ve Boyutlandırma Hesapları Kayış Kasnak Hesaplarında İzlenbilecek Yol Türbinlerde Uygun Fren İle Kavrama Tipleri Ve Seçimi Rotor Freni Yaw Ve Pitch Frenleri Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Fren Ve Kavrama Tipleri Fren Veya Kavrama Seçimi İçin Gerekli Hesaplamalar Türbin Sistemi Titreşim Hesapları Kule Titreşimi Rüzgar Akımının Kanat Üzerinde Oluşturabileceği Titreşim Kanatların Merkezkaç Kuvvetiyle Zemine Kuvvet İletiminin Olduğu Model Kafa İçindeki Rotor Milinin Eğilme Titreşimi Türbin Direğine Gelen Kuvvet Ve Moment Tespiti Ve Türbin Temeli Boyutlandırma Hesapları Türbin Direğinin Seçimi Türbine Etkiyen Rüzgar Hızının Modellenmesi Ve Mukavemet Hesapları Türbin Burkulma Hesabı Rüzgar Türbini Temelleri Hesap Yaklaşımı Sömel Hesaplarına İlişkin Temel Bilgiler Sömel Boyutlandırmasında Çözüm İçin Kullanılması Planlanan Hesap Tekniği Ana Doğrultuda Eksantrik Yüklü Dikdörtgen Sömeller Dairesel Sömellerde Taban Basıncı Hesabı RÜZGAR TÜRBİNİ ELEKTRİK SİSTEMİ Bilinmesi Gereken Önemli Terimleri Bağlantı Şemasına İlişkin Ön Bilgiler Elektrik Sistemi Cihazlarının Tanıtım Ve Hesapları Elektrik Motorları(Generatörler) Akü Grubu Eviriciler(İnvertör) Sigorta Çift Yönlü Sayaç Mekanik Yük Bağlantı Kabloları RÜZGAR TÜRBİNİNDE KONTROL MEKANİZMALARI Kaynakçalar

4 Önsöz Yaratan Rabbimin adıyla başlarım. Kimisine göre amatör, kimisine göre art niyet içerebilecek ancak bence samimi olan bu cümle ile başlamayı tercih etmekteyim.bu kitap 2 yıllık yogun bir emek, sabır, ve kararlılık ile yazılmıştır.ben de, kişisel olarak bizlere daha öğrenciyken bu kitabı yazmayı kısmet eden Yaradanımıza şükrü bir borç bilmekteyim.elbette diğer yazılan bilimsel içerikli kitaplar gibi bu kitabında eksikleri ve yanlışları olacaktır, ancak okurların eleştirileri ve samimi katkıları ile daha güzel bir çevreye ve ülkeye, insanığa faydalı bir teknolojiye ve güzel işlere,bu kitabın ön ayak olacagı kanaatindeyim. Okurların eleştirilerini orhun-bastekeli@yandex.com adresine göndermelerini rica ederim. Kitabın yazımı sırasında,kendisiyle her nekadar yollarımızı ayırdıysakda, Ersan Karakaş'a, maddi manevi destegini benden esirgemeyen aileme ve yakın ortağım Mithatcan Kayrak'a ve fotograf çekimleri sırasında fotografların bu kitapta kullanımını bizlerden esirgemeyen Manisa-Akhisar RES personeline ve İzmir-Alaçatı RES personeline bizzat teşekkür ederim. Not 1 : önsözde yazılan hiçbir cümle ve kelime hiçbir politik çıkar ve kaygı taşımamakta,hiçbirşey dolaylı yoldan da olsa ima edilmemektedir. Not 2 : Kapak resmi - Manisa/Akhisar (RES) Güzel işler yapmak isteyen herkese... E.Orhun Baştekeli 4

5 ÖZET Değerli Okuyucular; Bu kitap içerisinde küçük-orta ölçekli rüzgar türbinin nasıl tasarlanabileceği ve nelere dikkat edilmesi gerektiği anlatılmaya çalışılmıştır. Konu başlıkları itibari ile: Birinci bölümde, rüzgar enerjisinin önemi, İnsanların tarih boyunca rüzgar enerjisinden nasıl faydalandığı günümüzde nasıl faydanılabildiği, değişik rüzgar türbini tipleri tanıtımı ve ülkemizin sahip olduğu rüzgar enerjisi ile ilgili genel bilgilendirmeler yer almaktadır. İkinci bölümde, türbin kurulması planlanan herhangi bir bölgede rüzgar hızı ve dönemlik rüzgar enerjisi ölçüm yöntemleri cihazları ve rüzgar enerjisine ve kullanım amacına bağlı olarak rüzgar türbini tipi seçimi ilgili bilgiler yer almaktadır. Üçüncü bölümde, ölçüm sonucunda elde edilen verilere göre yatay eksenli türbin tasarımında bulunan makine elemanlarının hesapları; kanat profili, bağlantı elemanları, mil mukavemet hesapları, kullanılan fren ve kavrama tipleri ile ilgili bilgiler ve hesaplar özellikle devir arttırma amaçlı kullanılan redüksiyon sistemleri tanıtımı ve hesapları, türbin sisteminin tehlikeli devir sayısı yani titreşim hesapları ve en son olarak da uygun türbin direğine gelen rüzgar kuvveti ve temellendirme hesapları ele alınmıştır. Dördüncü bölümde, rüzgar türbinin evsel elektrik üretimi amacında kullanılması halinde gerekli olan elektriksel cihaz ve makinaların tanıtımı ve üçüncü bölüme nazaran daha yüzeysel olan hesaplamalar ele alınmıştır. Beşinci bölümde, rüzgar türbininde kullanılan kontrol sistemleri ile ilgili bilgilendirmeler yer alıp hesaplamalar mevcut değildir. 5

6 1-RÜZGAR ENERJİSİNE GİRİŞ 1.1- Rüzgar Enerjisinin Tarihçesi Rüzgar enerjisi ilk olarak, Asya Medeniyetlerinden Çin, Tibet, Afganistan ve İran da kullanıldığı bilinmektedir. Rüzgar türbinlerine ait ilk yazılı bilgiler Büyük İskender tarafından M.Ö yıllarında basit yapıdaki yatay eksenli rüzgar türbinleri hakkındadır. Düşey eksenli ilk rüzgar türbinleri, M.Ö yıllarında Farslılar tarafından dizayn edilip, buğday öğütme ve su pompalama amaçlı kullanılmıştır.[1] Rüzgar gücü kullanımı, Asya dan Avrupa ya 10.yüzyıl civarında geçmiştir. Bu geçişin ilk belirtileri olarak 11. ve 12.yüzyılda İngiltere de rüzgar değirmenlerinin kullanıldığı bilinmektedir. Mesela, 1190 lı yıllarda Alman haçlıları rüzgar değirmenlerini Suriye ye getirmiştir. Dolayısıyla Orta Çağ döneminde rüzgar enerjisinin Avrupa da kullanıldığını görmekteyiz. Endüstri Devrimi ile birlikte, 18.yüzyılda buhar makinelerinin ortaya çıkması sonucunda dünya, enerji ihtiyacı temini için termodinamik işlemlere dayanan makinelerden yararlanılmaya başlamıştır. Özellikle kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtların kullanımı ile beraber, bu makineler daha avantajlı bir duruma gelmiştir.istenildiği anda enerji üretimi olanağı sağlamasından dolayı, rüzgar enerjisinden daha popüler hale gelmişlerdir. Bu nedenle 19.yüzyılda ve 20.yüzyılın ortalarına doğru rüzgar enerjisinin önemi azalmıştır. Sadece Amerika, Rusya ve Avustralya gibi nüfusu geniş bir alana yayılmış olan ülkelerde rüzgar enerjisi çiftçiler tarafından su çekmek için kullanılmıştır.[1] 1981 yılında, Paul la Cour ve Danimarka Askov Folk High School bilim adamlarının oluşturduğu bir gurup rüzgardan elektrik enerjisi üreten ilk türbini yaptılar. Danimarka hükümetinin desteğiyle de test amaçlı bir rüzgar santrali kurdular yılına gelindiğinde Danimarka da rüzgardan elektrik enerjisi üretmek amacıyla kurulan 120 adet rüzgar türbini bulunmaktaydı. Güçleri kw arasında değişen bu rüzgar türbinlerinin toplu güçleri 3 MW civarındaydı.ikinci Dünya Savası yıllarında rüzgar enerjisinde büyük gelişmeler oldu. Danimarkalı bir şirket olan F.L Smith 2 ve 3 kanatlı rüzgar türbinleri inşa etmiştir. Bunların en büyüğü 1941 yılında Vermont da inşa edilen 1.25 MW Smith-Putnam makinesidir. Yatay eksenli, 2 kanatlı ve 175-feet rotor çapına sahiptir.[1] 6

7 Resim 2 - Smith-Putnam Rüzgar Türbini Resim 3 - Gedser Türbini Bu zamana kadar inşa edilen türbinler doğru akım üretiyordu yılından sonra doğru akım jeneratörlerinin yerini alternatif enerji üreten 35 kw asenkron makineler almaya başladı lı yılların başında, 200 kw gücünde Gedser türbini SEAS elektrik şirketi için Gedser de yapılmıştır. Bu türbin 3 kanatlı, elektromanyetik yönerge sistemini ve asenkron jeneratör kullanmaktaydı. Gedser türbininde ayrıca aerodinamik uç fren bulunmaktaydı. Bu sistem günümüzde kullanılan türbinlerde de bulunmaktadır.1960 lı yıllardan sonra rüzgar enerjisinden elektrik üretiminde ekonomik nedenlerden dolayı azalma meydana gelmiştir. Daha ucuz olan fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz vb.) kullanılarak yapılan termik santraller popüler olmaya başlamıştı dünya petrol krizi, alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarına gösterilen ilginin artmasına sebep olmuştur. Dünya enerji ihtiyacının önemli bir bölümünü karşılayan fosil yakıtların kısıtlı kullanım surelerinin olması, enerjinin elde edilmesi sırasında çevreye yapılan tahribat ve gelecek nesillerin de enerji ihtiyacı dikkate alındığında, yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi daha iyi anlaşılmaktadır.[1] Rüzgar Enerjisi; özellikle 1990 lı yıllardan itibaren önemli bir gelişme göstermiş, Amerika ve Avrupa da yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Yapılan araştırmalara göre; şu an 7

8 yürütülmekte olan politikaların devam etmesi durumunda dünya üzerindeki elektrik enerjisi üretimindeki payının hızla artacağı tahmin edilmektedir. 1.2-Rüzgar Enerjisinin Özellikleri Temiz ve ucuz yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yer tutan rüzgar enerjisi genel olarak aşağıdaki amaçlarla kullanılabilir: Düşük güç gerektiren yerlerde yani aydınlatmalarda, Yüksek kurulu güçlü santraller ile yüksek güç gerektiren yerlerde, Küçük işyerleri ve küçük işlemelerde, çiftlikler, evler ve büyük ölçekli sulamalarda. Rüzgar enerjisi kullanımının avantajları şunlardır; Sera gazı etkisi yaratmaz, Temiz bir enerji kaynağıdır, Güvenirliği ve ucuzluğu gittikçe artmaktadır, Rüzgar türbini kurulan bir arazi ikili kullanım imkanına sahiptir, Dışa bağımlı değildir, Rüzgar enerjisinin bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Bunlar ise; Gürültü kirliliği, Kuşların yaralanma ve ölümlerine sebep olması, TV görüntüleri ve iletişim sistemlerine etkisi. Çevresel üstünlükleri tanındıkça, bir çok ülkenin hükümetleri, destekli girişimler ile rüzgar enerjisinin gelişimini desteklemeye başlamışlardır.[2] Dünyada ve Türkiye'de rüzgar enerjisinin durumu Dünyadaki Durumu Rüzgar enerjisi, temiz enerji kaynaklarındandır ve yaşadığımız çevre üzerinde olumlu etkileri gözlemlenmektedir. Şöyle ki; Bir ev için, ortalama 2 kw lık bir rüzgar türbini, 228 ağacın yapacağı CO 2 temizleme işine eşdeğer iş yapar. Dünya elektriğinin % 10 unun rüzgar enerjisinden elde edilmesinin yıllık yatırım gereksinimleri 1999 da 3 milyar dolar olmuş ve 2020 yılında 78 milyar dolara ulaşacaktır. Bu değerler 1990 lı yıllarda ortalama yıl basına milyar dolar olan toplam küresel enerji yatırımlarının bir dilimidir. Tabi ki bu dilim rüzgar gücü elektrik sektörünün önemli bir kısmını oluşturduğunda göreceli olarak artacaktır.[3] 8

9 Amerika Birleşik Devletleri nde rüzgar çiftliklerinin toplam kurulu gücü 1700MW dolaylarındadır. Yıllık üretim miktarı ise 3 milyar kwh kadardır.[4] Rüzgar gücü ekonomisi ağırlığını koymaktadır. Rüzgar türbinlerinin inşaat ve işletme maliyetleri daha şimdiden önemli ölçüde azalmıştır. Danimarka da rüzgar enerjisi maliyetleri 1981 ile 1995 yılları arasında 2/3 oranında düşmüştür. Bu durum rüzgar enerjisini, büyük ölçekli hidrolik dahil olmak üzere, günümüzün tüm yeni üretim teknolojileri ile rekabet edebilir hale getirecektir.[5] Grubb ve Meyer tarafından yapılan ve IEA tarafından yayınlanmış çalışmada, 5 m/sn üzerinde rüzgar kapasitesine sahip bölgelerin, uygulamaya dönük ve toplumsal kısıtlar nedeni ile %4 ün kullanılacağı esasına dayalı çalışmada, dünya potansiyeli TWh/yıl olarak hesaplanmıştır.[6] Bu değerin dünyadaki dağılımı, Şekilde verilmektedir. Resim 4 Dünyanın teknik rüzgar potansiyel dağılımı Bu çalışmalarda, dikkate alınmayan 4-5 m/sn hızlı bölgelerde ayrıca ciddi bir potansiyeldir. Sadece Almanya da bu değerin 90 TWh / yıl olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, bu hesaplamalar sadece karasal bölgeler için yapılmıştır, dikkate alınmayan denizsel bölgelerinde ihmal edilemeyecek ciddi bir potansiyeli mevcuttur. Matthies ve Garrad ın AB için yaptığı çalışmada, bu değerin sadece Avrupa için 2500 TWh / yıl olacağı hesap edilmiştir.[8] 9

10 Resim 5 Dünya rüzgar enerjisi kurulu güç hedefi Dünyada rüzgar enerjisi konusunda asıl büyüme oranının, Kuzey Avrupa, ABD ve Japonya da denizsel kapasitelerde olacağı tahmin edilmektedir. Bu potansiyelin, özellikle ABD ve Japonya da oluşmakta olan elektrik enerjisi talebinin, iki katına yakın (% 180) potansiyel içerdiği hesap edilmektedir.[9] 2009 yılında çeşitli ülkelerin rüzgar türbini üretiminde yaptıkları yatırımları Tabloda megawatt cinsinden verilmektedir. 10

11 Resim 6 Ülkeler bazında rüzgar türbini yatırımları Avrupa ülkeleri için potansiyel ölçümleri Tabloda görüldüğü gibi ülkemiz ilk sırayı almaktadır. Resim 7- Avrupa ülkelerinde rüzgar enerjisi potansiyeli Türkiye deki Durumu Türkiye'deki rüzgar enerjisi kaynakları teorik olarak Türkiye'nin elektriğinin tamamını karşılayabilecek yeterliliktedir. Fakat rüzgar enerjisinin sisteme girişinin tutarlı bir biçiminde gerçekleşmesini kolaylaştırmak üzere gerekli altyapı tasarımlanmalıdır. Türkiye'nin teknik potansiyeli MW tır. Bu, Türkiye'nin bir an önce kullanması gereken önemli bir rüzgar enerjisi potansiyeli olduğunu göstermektedir.[10] 11

12 Türkiye de 1995 yılında yayınlanan enerji raporundaki istatistiksel veriler ile 2010 yılına dek geleceğe ilişkin üretim tahminlerinde rüzgar enerjisine yer verilmemiştir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı ve TEAŞ, kaynak olarak rüzgar enerjisini göz önüne almamaktadır. Bu görmezliğe karşın, Türkiye için rüzgar enerjisi yabancı sayılmaz.1960/61 döneminde rüzgar türbinleri ile ilgili bir araştırma için Tarım Bakanlığı kanalından Türkiye çapında yaptırılan bir anket çalışmasında, 718 tanesi su çıkartmada ve 41 tanesi elektrik üretiminde kullanılan 749 rüzgar kuvvet makinesi saptanmıştır.[11] Ancak ucuz petrol döneminde bu makinelerin varlıklarını sürdürmeleri ve sayılarının artması söz konusu olamamıştır.türkiye de rüzgar enerjisi üzerindeki bilimsel çalışmalar 1950 lerin sonlarında üniversitelerimizde başlatılmıştır. Bakanlık düzeyinde el atılması ise yapay petrol bunalımından sonra olmuştur. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı na bağlı EİE bünyesinde 1981 yılından bu yana rüzgar enerjisi çalışmaları yapılmaktadır yılında Rüzgar Enerjisi Şube Müdürlüğü diye ayrı bir birim de oluşturulmuştur. Bu çalışmalar Türkiye de rüzgar enerjisi potansiyelinin belirlenmesi, enerji amaçlı ve bilgisayar destekli gözlem istasyonları kurulması üzerine toplanmış, çeşitli rüzgar türbinleri üzerinde demontrasyon amaçlı uygulamalara girilmiştir sonrasında TUBİTAK Marmara Araştırma Merkezi (MAM) bünyesinde bazı çalışmalar yapılmıştır. MAM da eksikler ve hataları bulunan ilk rüzgar atlası çalışması başlatılmış, Gebze Özbek tepede çeşitli pompa çalıştırma ve elektrik üretim amaçlı rüzgar türbinleri kurularak denenmiştir. Ancak pompa çalıştırmak için seçilen makine büyük elektrik üretimi için seçilen makine küçüktür. Türkiye rüzgar enerjisi potansiyelinin belirlenmesi ve rüzgar atlası ile ısıl haritalarının oluşturulması için Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (DMİ) tarafından sürdürülen ve kullanılabilir ilk sonuçları alınmış bir çalışmada vardır. EİE nin girişimleri ilk 1992 yılında Bakanlar Kurulu kararına dayanarak, Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliği Türkiye Şubesi ( AREB TŞ ) kurulmuştur. Bugün Türkiye de gücü 1 kw üzerinde ve çalışır durumda olan elektrik üretim amaçlı çok sayıda rüzgar türbini vardır. Bunlardan biri 1985 yılında Danimarka dan alınan 55 kw güçlü Çeşme Altın Yunus Turistik Tesisleri rüzgar türbinidir. Son olarak dört özel sektör kuruluşu yap-işlet-devret modeli kapsamında rüzgar çiftliği kurmak için Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı na başvuruda bulunmuşlardır. WASP (Wind Atlas Analysis and Application Programme) 12

13 programına uygun olarak hazırlanan bir çalışmada 10 yıllık bir periyot için kesintisiz rüzgar datasının temini söz konusu olmuştur.[11] DMİ tarafından 1993 yılında başlatılan rüzgar atlası çalışmasında 43 meteoroloji istasyonunun verileri WASP bilgisayar programı ile değerlendirilmiştir. 10 metre ölçüm yüksekliğinde ortalama yıllık hızı olan yörelerimiz Afyon, Antalya, Isparta, Samsun, Sarıyer, Akhisar, Malatya, Anamur ve hızı m/s olan yörelerimiz Bergama, Bodrum, Çanakkale, Çorlu, Gökçeada, İnebolu, Sinop ve son olarak hızı 4 6 m/s olan yöreleriz ise Antakya, Bandırma ve Mardin olup, en yüksek hız 6.2 m/s ile Bozcaada da saptanmıştır.[11] Türkiye Rüzgar Hızı ve Potansiyeli Dağılım Haritaları Resim 8 Rüzgar hızı dağılım haritası 13

14 Resim 9 Rüzgar potansiyeli dağılım haritası Türkiye deki Rüzgar Santralleri Karasal (on-shore) rüzgar açısından zengin sayılabilecek bir konumda olan Türkiye'de özellikle Balıkesir, Çanakkale, İzmir, Manisa, Hatay illeri rüzgar potansiyeli acısından başı çekiyor. Rüzgar enerjisine dayalı üretim yapmak isteyen şirketlerin, teknik açıdan şu hususlara dikkat etmesi gerekiyor: -Seçilen bölgedeki rüzgar verilerinin uluslararası normlarda toplanmış olması, -Yatırıma karar verilen bölgede şebekeye bağlantının mümkün olduğunun veya şebeke genişlemesinin veya yenilemesinin TEİAŞ veya bölgedeki dağıtım şirketinden teyit edilmesi, -Seçilen bölgenin SİT alanı gibi izin, onay ve ruhsat gibi işlemler açısından problemsiz olduğunun tespit edilmesi.[12] Bu arada 2010 itibariyle Türkiye'de tamamlanmış toplam 44 rüzgar santrali bulunurken, toplan kapasitesi 644,45 MW olacak 17 tesisin yapımı ise devam ediyor. 14

15 Türkiye deki Rüzgar Ölçümlerine İlişkin Tebliğ Rüzgar enerji santralının projelendirilmesi ve ekonomisi temel olarak seçilen santral sahasından üretilebilecek enerji miktarına bağlı olmaktadır. Bu enerji miktarının tespiti için seçilen proje sahasına ait arazinin topoğrafı yapısı da göz önüne alınarak uygun nokta veya noktalara rüzgar gözlem istasyonu (RGİ) kurulmalıdır. RGİ lerindeki bir ölçüm direği üzerine yerleştirilmiş ölçüm aletleri ile standartlara uygun olarak yapılan rüzgar hızı, rüzgar yönü gibi ölçümler rüzgar enerji santralı projesinin daha sonraki aşamaları olan verilerin değerlendirilmesi, enerji üretim miktarının belirlenmesi ve rüzgar türbini seçiminde yol gösterici olacaktır.rgi lerinin yerlerinin belirlenmesi hayati öneme sahiptir. RGİ nin kurulacağı nokta veya noktalar her şeyden önce o alanı temsil edebilecek bir yer olmalıdır. WMO (Dunya Meteoroloji Örgütü) standartlarına göre temsil mesafesi arazinin topografik yapısına bağlı olarak 500 m ile 100 km arasında değişmektedir. Ayrıca seçim yapılan nokta, topografik açıdan son derece uygun olmakla birlikte, bu alanda engel yüksekliğinin 10 katı mesafeden daha yakında başka yüksek engeller bulunabilir. Bu şekilde seçilmiş yerler amaca uygun olmamaktadır. Tepe arkalarında yer seçimi tercih edilmemelidir. Bu durumda rüzgar hızı gerçek değerinden türbülanslar nedeniyle çok fazla uzaklaşabilir. Ayrıca RGİ nin kurulacağı noktadaki rüzgar akışları daima birbirine paralel (laminer) olmalı, bozulmuş rüzgar akışları ve türbülanslar bulunmamalıdır. Özellikle enerji amaçlı rüzgar hız ve yön ölçümlerinde hassasiyetin çok yüksek olması istenmektedir. Zira, ölçümlerde yapılabilecek küçük bir hata enerji üretimine önemli oranda hata ve belirsizlik olarak yansır. Bu yüzden yer seçimi mutlaka bu konularda son derece deneyimli uzman personel tarafından yapılmalıdır. RGİ deki ölçüm aletleri tamamen doğal atmosferik şartlarda çalıştığından kapalı yerlerde çalışan diğer aletlere göre ekonomik ömürleri daha kısadır. Paslanma, korozyon, çürüme, aşınma, buzlanma gibi etkenler yüzünden rüzgar aletlerinin ölçüm değerleri normalden hızla uzaklaşır. Bu yüzden rüzgar ölçüm aletleri ve kayıt sistemleri ile elektrik devreleri sık sık kontrol edilmeli, bakımları ve kalibrasyonları standartlarda ve aletlerin teknik el kitaplarında öngörülen zamanlarda mutlaka yapılmalıdır.[13] 15

16 1.4 - Rüzgar Türbinleri ve Sınıflandırılması Rüzgar türbinine bağlı elektrik üretici, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir. Rüzgar enerjisi dönüştürme sistemleri 50W ile 2-3 MW arasında mekanik veya elektrik gücü sağlayabilmektedir. Havanın özgül kütlesi az olduğundan, rüzgardan sağlanacak enerji rüzgar hızına bağlıdır. Rüzgar hızı yükseklikle, gücü ise hızının küpü ile orantılı biçimde artar. Rüzgarın sağlayacağı enerji, gücüne ve esme saati sayısına bağlıdır. Özgül rüzgar gücü, hava debisine dik birim yüzeye düşen güçtür. Topografik koşullara göre yerden 50 m yükseklikte özgül güç, hız 3.5 m/s den küçük iken 50W/m² den az olabileceği gibi hız 11.5 m/s den büyük iken 1800W/m² den çok olabilir. Ortalama rüzgar hızı yıldan yıla değişebilir. Rüzgar hızının değişkenliğinden dolayı, rüzgar enerjisi potansiyelinden elde edilecek enerji, yıllık ortalama hız değerinden hesaplanan enerjiden daha fazla olmaktadır. Bu yüzden belli bir bölgede rüzgar türbinleri ile üretilebilecek elektrik enerjisi üretim miktarının hesabında, yıllık ortalama rüzgar hızından çok, gözlemlenen dağılım veya Weibull dağılımı ile hesap edilmiş rüzgar hızı sıklık dağılımı kullanılmaktadır. Türbin tarafından üretilen enerjinin miktarı, rüzgar hızı dağılımına bağlıdır. Rüzgar hızları, frekans dağılımına bağlı olarak aynı ortalama rüzgar hızına sahip farklı yerlerde, iki kata varabilecek güç yoğunluluğu farklılıkları olabilir. Bu durum küp çarpanından kaynaklanmaktadır.[14] Rüzgar Türbini Çeşitleri Tarih boyunca çeşitli evrimler geçiren rüzgar makinelerinde kullanılan türbinler farklı tiplerdedir. Türbinler dönüş eksenlerinin doğrultusuna göre, yatay eksenli ve düşey eksenli türbinler olarak ikiye ayrılmalarına rağmen, şu anda kullanımda olan ve üretimde olan türbinlerin büyük çoğunluğunu yatay eksenli türbinler teşkil etmektedir. Dikey eksenli türbinler, rüzgarın esiş yönünden bağımsız çalışabilme avantajına rağmen henüz yüksek güçlerde üretilememektedir. 1) Yatay eksenli rüzgar türbinleri 2) Dikey eksenli rüzgar türbinleri Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri Bu tür türbinler, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel, kanatları ise rüzgar yönüne dik olarak çalışırlar. Bu tür türbinler bu konuma, rotor kule üzerinde döndürülerek getirilir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Rüzgar enerjisi 16

17 sistemlerinden en çok kullanılanıdır. Genellikle 3 kanatlıdırlar. Aslında kanat sayısı türbinin ne amaçla kullanılacağına bağlıdır. Elektrik üretmek için kullanılan sistemlerde 3 kanatlılar kullanılırken, su pompalama sistemlerinde yüksek bir moment sağlamak amacıyla çok kanatlı türbinler kullanılır. Resim 10 İzmir/Alaçatı RES Yatay eksenli türbinlerin çoğu rüzgarı önden alacak şekilde (upwind) tasarlanmıştır. Rüzgarı arkadan alan (downwind) türbinlerin ise, yaygın bir kullanım alanı yoktur. Rotor palleri, uçak kanadına benzer kesit profiline sahiptir. Pal malzemesi olarak cam elyafı ile desteklenen polyester ve epoksi, ince tabakalara ayrılmış ağaç, alüminyum veya çelik kullanılmaktadır. Hafif ancak güçlü kompozit malzemelerden yapılan paller, çalkantılı rüzgara dayanım gösterebilmekte ve daha az rotor aşınmasına neden olmaktadır. Artık çok az kullanılan çelik ise imalat kolaylığı, dayanıklılık ve düşük maliyet sebebiyle tercih edilebilmektedir. Ağaç tabakalarının ise mükemmel bir yorulma dirençleri vardır. Rotor göbeğinin esnek veya 17

18 hareketli yapılması sayesinde rotor verimi artar, yapısal yüklerle şaftın uğrayacağı zarar en aza indirgenmiş olur. Yatay eksenli türbinlerin verimi yaklaşık %45 dir. Bu türbinler genel olarak yerden m yüksekte ve çevredeki engellerden 10 m yüksekte olacak şekilde yerleştirilmelidir. Rüzgar hızının, rotor kanadı uç hızına bölünmesi ile elde edilen orana kanat uç hız oranı (λ) denir. Eğer λ = 1 ise, pervanenin dönüş hızının rüzgar hızına eşit olduğu görülür.[15] λ = 1 5 Çok kanatlı rotor, λ = 6 8 Üç kanatlı rotor, λ = 9 15 İki kanatlı rotor, λ > 15 Tek kanatlı rotor kullanılır Kanat Sayısına Göre Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri Rüzgar türbinlerinde kanat sayısı arttıkça, dönüş hızı azalır. Bu nedenle enerji üretiminde üçten fazla kanatlı sistemler kullanılmamaktadır. Kanat sayısının fazla olduğu sistemler çoğunlukla su pompalama amaçlı kullanılmaktadır. Resim 16 Değişik kanat sayılı rüzgar türbinleri Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri Tek kanatlı rüzgar türbinin yapılmasının sebebi, kanatlara etkiyen dönme hızının yüksek olması ve makine kütlesini ve rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Ek olarak rotor kanadı, kanat üzerindeki yapısal yükleri azaltacak mekanizma ve kanat mekanizma 18

19 hareketinin pürüzsüz olabilmesi için, tek menteşe ile sabitleştirilip, 2 karşı ağırlıkla dengelenmelidir. Diğer taraftan tek kanatlı rotorlarda, ilave yüklerden ortaya çıkan aerodinamik dengesizlik ve mekanizma hareketinin kontrol altında tutulması için bağlantı çok iyi yapılmalıdır. En önemli ticari dezavantajı, yüksek hızlarda kanat uç hızının sebep olduğu rotorun aerodinamik gürültü seviyesidir.[15] Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri Üç kanatlı türbinlere göre rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi bu türbin fikrini doğurmuştur. Birçok ülkede 10 ila 100 m rotor çaplı ölçülerde rüzgar türbinleri tasarlanıp Avrupa ve ABD de çalışmaya başlamıştır. Bu ticari rüzgar türbinlerinden sadece birkaç tanesi prototip durumundan, seri üretime geçebilmiştir. İki kanatlı rotorun balansı, bir kanatlı rotora göre daha düzgündür. Fakat maalesef iki kanatlı rotorun sebep olduğu dinamik hareketleri önlemek için ilave teknik güç, maliyetin daha fazla artışına sebep olmaktadır. Üç kanatlı rotorla karşılaştırıldığında en büyük avantajı; kanat uç hızlarının yüksek olmasıdır. Bu rüzgar türbinin gürültü seviyesinin yüksek olması ve düşük rüzgar hızlarında çalıştırılması dezavantajıdır.[15] Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri Üç kanatlı modern türbinler, dünyanın her tarafında kullanılmaktadır. Üç kanat kullanımının asıl sebebi, dönme momentinin daha düzgün olmasıdır. Bu türbinde, türbinin yapısı üzerinde depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momenti olmadığından, türbin içinde titreşimi önleyici pahalı parçalara gerek yoktur. Kanat uç hızı 70m/sn altında olduğundan gürültünün düşüklüğü, sarsıntısız döndükleri için göz estetiğini bozmamaları önemli bir avantaj olup halk tarafından kabulünü sağlamıştır. Küçük güçlü rüzgar türbinlerinde, üç kanatlı rotor kullanıldığında güç problemleri ortaya çıkar. Bu problemin çözümü için düşük devirde dönen rotorun devir sayısını 1/n oranında arttıran dişliler kullanılır ve türbin belli bir hız değerine ulaşıncaya kadar, jeneratör boşta çalıştırılır.[15] Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri Çok Kanatlı rüzgar türbinleri (rüzgar gülleri) türbinlerin gelişmemiş ilk örnekleridir. Yıllarca sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu işlemdeki moment gereksiniminin 19

20 karşılanabilmesi amacıyla çok kanatlı olarak üretilmiştir. Çok kanatlı rüzgar türbinleri düşük hızda çalışırlar. Türbin kanatlarının genişlikleri, pervane göbeğinden uçlara gidildikçe artım gösterir. Pervane mili, dişli kutusuna bağlanarak jeneratör mili devir sayısı artırılır ve otomobillerde uygulama alanı bulan jeneratörler kullanılır. Rüzgar gülleri, rüzgar gülü pervane düzleminin rüzgar hız vektörünü, her zaman dik olarak alabilmesi için de rüzgar gülü yönlendiricisi taşımaktadırlar.[15] Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir. Dikey eksenli rüzgar türbinleri rüzgarı her yönden alabilme üstünlüğüne sahiptir. Bu türbinler rüzgarı sürükler veya kaldırır. İlk harekete geçişleri güvenilir değildir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %35 dir. Türbinlerin üreteç ve vites kutusu toprak seviyesinde kurulabildiğinden kuleye gerek duymazlar. Bu yüzden düşük rüzgar hızlarında çalışmak zorunda kalırlar ve rüzgarı her yönden alabildiğinden, türbini rüzgar yönüne doğru çeviren mekanizmalara ihtiyaçları yoktur. Düşük rüzgar hızları ve az miktarda su pompalamak için tasarlanmışlardır. Kanat sayısının artması malzeme ağırlığını da beraberinde getirdiğinden, yüksek rüzgar hızlarında verimsiz çalışırlar. Bu türbinleri yer yüzeyine bağlayabilmek için çelik halatlara gereksinim duyulmaktadır. Savonius tipi, Darrieus tipi gibi çeşitleri vardır. Daha çok deney amaçlı üretilmiştir. Düşey eksenli türbinlerde, kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluşur. Aynı ilke Savonius rotorlarda daha özel bir şekilde kullanılır. Bu türbinlerin dönme eksenleri düşey ve rüzgara diktir. Kanat kirişleri dönme eksenine dik olacak şekilde yerleştirilmiştir. Yüksek verimleri nedeni ile Darious tipi türbinlere son yıllarda olan ilgi artmıştır. Düşey eksenli rüzgar türbinleri, yatay eksenli rüzgar türbinler kadar ticari yaygınlaşma kazanmamıştır. 3 MW deneysel güçlerde üretilenleri mevcut olmakla birlikte, 400 kw civarında ticari uygulamaları vardır. Performans ve güç faktör oranları yatay eksenli rüzgar türbinlerin biraz altındadır. Bu türbinlerin üstünlükleri şöyle sıralanabilir: a) Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için, türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez, böylece kule masrafı olmaz. b) Türbini rüzgar yönüne çevirmeye, dolayısıyla dümen sistemine ihtiyaç yoktur. c) Türbin mili hariç diğer parçaların bakım ve onarımı kolaydır. 20

21 d) Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır. Sakıncaları ise şöyledir: a) Yere yakın oldukları için alt noktalardaki rüzgar hızları düşüktür. b) Verimi düşüktür. c) Çalışmaya başlaması için bir motor tarafından ilk hareketin verilmesi gerekir, bu yüzden ilk hareket motoruna ihtiyacı vardır. d) Ayakta durabilmesi için tellerle yere sabitlenmesi gerekir, bu da pek pratik değildir. e) Türbin mili yataklarının değişmesi gerektiğinde, makinenin tamamının yere yatırılması gerekir.[15] Darrieus Tipi Rüzgar Türbini 1931 yılında Fransız mühendis George J.M. Darrieus tarafından icat edilmiştir ve 1980 lerde Amerika ve Kanada da Darrieus türbinlerinin kanat dizaynları üzerine geniş çalışmalar yapılmıştır. Kanatları geometrik formlu aerodinamik profile sahip olduğundan yüksek performanslıdır. Kanatlardaki hafif eğim sayesinde kanatlardaki çekme gerilimleri minimuma iner. Yüksek hızlarda çalışabilirler ve türbin; 2 veya 3 kanatlı olur. İlk hareket için Savonius rüzgar türbini ile birleşik yapılır veya bunun yerine bir tahrik motoru bağlanır.[16] Darrieus tipi düşey eksenli rüzgâr türbininde, düşey şekilde yerleştirilmiş iki tane kanat vardır. Kanatlar, yaklaşık olarak türbin mili uzun eksenli olan bir elips oluşturacak biçimde yerleştirilmiştir. 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. Rüzgârın tek yönden estiği düşünülürse; türbinin verdiği güç, sinüs şeklinde bir eğri oluşturur.[17] 21

22 Resim 17 Darrieus Tipi Rüzgar Türbini Savonius Tipi Rüzgar Türbini Düşey eksenli bir rüzgar çarkı olan, Savonius rüzgar çarkı 1925 yılında Finlandiya'lı bir mühendis olan Sigurd Savonius tarafından keşfedilmiştir. İki yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirine göre simetrik olarak kaydırılmış kanat adı verilen iki yarım silindirden oluşur. Savonius rüzgar çarkının çalışma prensibine göre; belirli bir hızla gelen rüzgarın etkisiyle, çarkı oluşturan silindirin iç kısmında pozitif ve dış kısmında ü negatif bir moment oluşmaktadır. İç kısımda oluşan pozitif moment, dış kısımda oluşan negatif momentten daha büyük olduğundan, dönme hareketi pozitif moment yönünde sağlanır[18] Resmi 17 Savonius tipi türbin[17] 22

23 1.5 - Rüzgar Türbini Elemanları Rüzgar türbinleri rüzgardaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Bir rüzgar türbini genel olarak; kule, elektrik jeneratörü, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrik-elektronik elemanlar ve rüzgar pervanesinden oluşur. Bir rüzgar türbini, çevredeki engellerin rüzgarı kesemeyeceği yükseklikte bir kule ve bunu üzerine yerleştirilmiş bir gövde ve rotordan oluşmaktadır. Kulenin yüksek olması, ayrıca yeryüzüne yakın rüzgar profilinin yüksek hızdaki kısmını kullanmaya da yarar. Rüzgarın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Rotor milinin devir hareketi hızlandırılarak, gövdedeki jeneratöre aktarılır. Jeneratörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya direkt olarak alıcılara ulaştırılarak kullanılır.[19] Resim 19 - Bir rüzgar türbininin elemanları[19] 23

24 2. ARAZİ RÜZGAR POTANSİYELİ HESABI 2.1-TASARIM RÜZGAR HIZI TESPİTİ Sistemin, sürekli çalışma şartları altında mukavemet değerlerini belirleyebilmek ve doğru malzemeyi seçebilmek için öncelikle sisteme gelen kuvvetlerin doğru tespit edilmesi gerekmektedir. Rüzgar türbini sistemlerinde kuvvet tespiti, rüzgar hızının ortalama olarak gerçeğe en yakın ölçümü ile mümkün olur. Ortalama olarak diyoruz; çünkü rüzgar, aslında anlık olarak yön ve sürat değiştiren ve düzenli bir rejimi olmayan bir akım türüdür. Dolayısıyla rüzgar enerji/güç sistemi kurulması planlanan yerde en azından bir senelik rüzgar hızı ve yönü ölçümü yapılmalı, bunun sonucunda elde edilen veriler birleştirilerek senelik ortalama rüzgar hızına bağlı olarak güç ve anlık şiddetli olarak esen rüzgarlara göre tasarım hesapları yapılmalıdır. Rüzgar türbini kurulumu için gerekli (Ekonomik olabilmesi açısından)fizibilite rüzgar hızı(vrüzgar) 6.5 m/s den büyük olmalıdır.bu verinin tespiti için öncelikle Devlet Meteoroloji İşlerinin(DMİ) hazırladığı ( m yükseklikler için) ülke genelinde bulunan ortalama rüzgar hızları haritasına bakılır. Bu haritadan istenen yüksekliğe bağlı olarak 6.5 m/s den büyük hızlara sahip yerler,fikir vermesi açısından önemlidir. Fakat ülke haritası üzerindeki veriler çok genel olduğu, en ufak bir topografik farklılığın rüzgar gücünde ciddi bir azalmaya(kübüyle) sebebiyet verebileceği düşünülrse, rüzgar türbininin dikilmesi planlanan yerde, o yere özgü olarak bir takım hesap ve ölçümlerin yapılması daha doğru olur. Buna göre, yerinde yapılması planlanan hesaplar; 1-Anemometre aracılığı ile (En az 30 m de) rüzgar ölçümü yapılması,[2] 2-Arazi üzerindeki Pürüzlülük uzunluğu (Arazi üzerinde bulunabilecek ve rüzgar akışını kesebilecek ağaç, taş toprak, yapı gibi fiziki etmenlerin rüzgar hızını ne ölçüde kestiğinin bir ölçüsü) hesabı, 24

25 3-Arazi üzerinde Engel Perdeleme Modelinin çıkarılması (Pürüzlülük uzunluğunun benzeri), 4-Anemometre aracılığıyla yapılan rüzgar ölçümünün türbinin dikilmesi planlanan yükseklikteki rüzgar hızına uyarlanması. 2.2 RÜZGAR VERİLERİNİN HESABI ANEMOMETRE İLE RÜZGAR HIZI ÖLÇÜMÜ Türbinin dikilmesi düşünülen yere, 20m ile 50m yükseklik arasına (Genelde 30m), anemometre yerleştirilir. Belirli zaman aralıklarıyla (Bu aralıkları biz belirliyoruz örn:10 sn aralıkla) arazide değişen rüzgar hızları gün boyu ya da belirli bir zaman dilimi için (örn:15 dk için) ölçülür.[1] Bu ölçümler sonucunda, rüzgarın hangi hızda, toplam ölçüm sayısı içinde kaç defa estiği (Frekansı) tespit edilir. Ve bu veriler Rüzgar hızı / Rüzgar frekansı tablosunda yerine yerleştirilir. Resim 20 - Örnek Rüzgar hızı /Rüzgar frekans tablosu 25

26 Bu grafikten yola çıkarak, Weibull dağılımı yöntemi aracılığıyla o yöreye ait ortalama rüzgar hızını tespit edebiliriz. Weibull Dağılımı olup k = boyutsuz şekil sabiti c = ölçek sabiti dir. Bu denkleme 2 parametreli Weibull dağılım fonksiyonu denir. f(v), olasılık yoğunluk fonksiyonu olup bize rüzgarın v hızında veya daha düşük bir hızda esme olasılığını verir. Rüzgar tahminlerinde kullanılan Weibull dağılımı, k=2 için pratikte faydalı sonuçlar vermekte olup k nın 2 olması durumu literatürde Rayleigh dağılımı olarak da bilinir.[2] Ayrıca daha hassas çözümler için Weibull şekil katsayılarının belirlenmesinde kullanılan metodlar; 1-Grafik metodu (GM) 2-En yüksek olabilirlik metodu (EYOM) 3-Basitleştirilmiş en yüksek olabilirlik metodu (BEYOM) 4-Moment metodu (MM) Moment metodu en yüksek hassasiyette sonuç verdiği için çözüm olarak incelenecektir. Moment Metodu c = Vort / Γ( 1+ (1/k) ) Vort = ortalama rüzgar hızı(m/s) Γ (x) = Gamma fonksiyonu ve; k = (σ /Vort)^( ) σ = rüzgar hızının standart sapmasıdır. Gamma fonksiyonu matematikte bilinen özel bir fonksiyon olup açılımı her türlü literatür ve kaynakta bulunabileceği için uzun olarak anlatılmaya gerek görülmemiştir[3] 26

27 PÜRÜZLÜLÜK UZUNLUĞU HESABI ( ) Genellikle hesaplamak yerine pürüzlülük uzunluğu tablolarından faydalanılır. Ancak ampirik olarak ; olup; H = pürüzlülük elemanının yüksekliği S = pürüzlülüğe neden olan cismin dikey kesit alanı Ah = pürüzlülüge neden olan elemanın yatay kesit alanıdır. Ah>>S olduğu durumlarda daha doğru sonuçları elde edilebilmekte olup Aşağıda değerlerinin ve pürüzlülük sınıflarının belirtildiği tablo verilmiştir. [4] 27

28 Resim 21 Örnek Pürüzlülük uzunluğu tablosu 28

29 ENGEL PERDELEME METODU Parametreler; 1-Hesaplama noktasının engelden olan uzaklığı (x) 2-Engelin yüksekliği (h) 3-Hesaplama noktasının yüksekliği (H) 4-Engelin uzunluğu (L) 5-Engelin geçirgenliği (p) Geçirgenlik genel kural olarak binalar için = 0 Ağaçlar için = 0.5 alınır. Arada kendi uzunluklarının üçte biri aralık olan bir engel olması halinde geçirgenlik 0.33 alınabilir. Resim 22- Engel Perdeleme Etkisiyle ilgili Tablo 29

30 Resim 23 - Engel Geçirgenlikleri Perdeleme etkisi ile rüzgar hızında oluşabilecek azalma hesabı; U' ve U = Sırasıyla, düzeltilmiş ortalama rüzgar hızı ve ort rüzgar hızı (haritadan) ise olur.[5] ÖLÇÜLMÜŞ YÜKSEKLİKTEKİ RÜZGAR HIZININ İSTENİLEN YÜKSEKLİĞE (TÜRBİN YÜKSEKLİĞİNE) UYARLANMASI U = İstediğimiz yükseklikteki (fizibilite için gerekli olan) rüzgar hızı (m/s) Uref = Ölçüm yaptığımız yükseklikteki ortalama rüzgar hızı (m/s) H = Türbini dikmek istediğimiz yükseklik (m) Href = Ölçüm yaptığımız referans yükseklik (m) = Pürüzlülük sayısı (Hesaplama gerektirip pürüzlülük uzunluğu ile karıştırımamalıdır.) olmak üzere; olarak hesaplanır.[6] 30

31 PÜRÜZLÜLÜK SAYISININ HESABI ( PÜRÜZLÜLÜK UZUNLUĞU CİNSİNDEN YAPILMASI) ya da şekillerinde hesaplanabilir.[7] Ortalama rüzgar hızını tespit ettikten sonra, rüzgar aracılığıyla bölgeden elde edebileceğimiz elektriksel yada mekanik teorik rüzgar gücü (Pteo); (Watt) olur. Rüzgar türbinleri genellikle, teorik gücün belirli bir kısmını kullanabilirler ki biz buna ''Kapasite Fakötü '' diyoruz. Ve literatürde Cp ile tarif ediyoruz. Matematiksel olarak Cp,%60 mertebesinde olsa da (Betz limiti) gerçek uygulamalarda %25-40 arasında alınıyor. Ve rüzgardan gerçekte elde edilebilecek gücün hesabı ise (Pger); = (Watt) olarak tarif edilir.[1] RÜZGAR KUVVETİ HESABI TÜRBİNİN MARUZ KALABİLECEĞİ MAKSİMUM RÜZGAR KUVVETİ TAYİNİ Yöre içinde son 50 yılda aşılmamış ya da en az 1 defa aşılma riski olan rüzgar hızı, temel rüzgar hızı seçilerek konstüksiyon hesaplarına başlanır. Bu hesaplar sırasında belediyelerce hazırlanmış olan yüksek yapılar yönetmeliğinden faydalanılabilir.[8] Bu yönetmeliğe bakarak yapımızın maruz kalabileceği rüzgar hızı ve yükünü hesaplamak istersek; olmak üzere 31

32 Yükseklikle değişen yüzey pürüzlülük katsayısı Topografya katsayısı (yaklaşık 1 alınabilir) Temel rüzgar hızı (m/s) ÇEVRESEL YAPILARIN ORTALAMA RÜZGAR HIZI PROFİLİNE ETKİSİ (Şehir merkezi ve benzeri, ortalama yüksekliği 15 m üzerinde binaların ortalama olarak %15 oranında kaplı alanlarda geçerli olmak üzere) Bu arazide rüzgar profilinin yapılar tarafından bloke edilmesi, zemin seviyesini sanal olarak yükseltmek biçimiyle göz önüne alınır. Yüksek yapının rüzgar hesabı normal koşullarda yapıya etkiyen rüzgar profili ve yüklerini düşey yönde hy kadar öteleyerek yapılır.[8] Ho = Ortalama bina yüksekliği (m) H = Yüksek yapı yüksekliği (türbin direği) (m) Hy = Küçük üçgen dik kenarı (m) olmak üzere; 32

33 Detaylı bilginin olmadığı durumlarda Ho = 15 m alınır. X 2Ho ise Hy = min[0.8ho, 0.6H] 2Ho < X < 6Ho ise Hy = min[(1,2ho - 0.2x), 0.6H] X 6Ho ise Hy = 0 olur DİNAMİK RÜZGAR HIZI σ(w) = Türbülanslı rüzgar hızının standart sapması olmak üzere; Binalara etkisi açısından türbülanslı rüzgar hızı (Wmax); alınır. Buradan dizayn için gerekli toplam rüzgar hızı olur.[8] 2.4- RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE KANAT SAYISI VE GÜÇ, MOMENT VE KUVVET KATSAYISIYLA İLGİLİ ÖN HESAPLAR Rüzgar türbinine gelen kuvvetler ve rüzgar hızı kadar türbin tipinin seçimi de önemlidir. Kullanılmak istenen türbin tipine göre türbinin sahip olduğu güç, moment ve kuvvet katsayısı da değişir. Tıpkı kapasite faktöründe olduğu gibi (güç katsayısı) moment ve kuvvet katsayıları da sırasıyla arazide esen rüzgar enerjisini türbinin değerlendirme oranına moment katsayısı (Cm), arazide esen rüzgarın, türbinin kaldırma kuvveti olarak kanatlarda değerlendirilme oranına kuvvet katsayısı (Cf) denir.[1] Ayrıca türbin kanadının çizgisel hızının, rüzgar hızına oranına ''uç hız oranı'' (tip speed ratio) denir ve literatürde sembolü (λ ) dır. Genel uygulamalarda; 4 kanatlı türbinlerde λ =4 33

34 3 kanatlı türbinlerde λ =5 2 kanatlı türbinlerde λ= 6 alınabilir.[1] Genel kabul, türbin tasarımında 2 ve 3 kanatlı türbinler devir sayısı fazla olduğu için elektrik üretiminde, 4 kanatlı ve daha fazla kanada sahip türbinler ise genellikle düşük devir yüksek tork gerektiren uygulamalarda (örneğin su pompalama ) kullanılır. Tasarım sırasında türbininizin tahmini devir sayısını kanat sayısına bağlı olarak buradan tespit edilebilir.[1] 3. RÜZGAR TÜRBİNİ MEKANİK SİSTEM TASARIM HESAPLARI 3.1- KANAT TİPLERİ,FORMU, BOYUTLANDIRMA VE KANAT MUKAVEMET HESAPLARI KANAT MALZEMESİ VE ÜRETİM YÖNTEMLERİ Tarihten günümüze rüzgar türbinlerinin pervaneleri; alüminyum, titanyum, çelik, elyaf ile güçlendirilmiş plastik (cam elyafı, karbon elyafı, vs.) ve ağaçtan imal edilmiştir. Modern rüzgar türbinlerinin kanatlarının hemen hemen tamamı ise, cam elyafı ile güçlendirilmiş polyester veya epoksi gibi, cam elyafıyla plastikten üretilirler. Çelikten üretilen kanatların eğilmeye dayanımı çok iyidir. Fakat yorulma dayanımları ve korozyon sorunu yaratmaktadır. Bu tip kanatlar genelde daha küçük rüzgar türbinlerinde kullanılırlar. Alüminyum kanatlar, çeliğe göre daha hafiftir, yorulma dayanımları daha iyidir ve korozyona daha dayanıklıdır. Alüminyum malzemenin zayıf noktaları; kabuk şeklindeki malzemenin burkulması, imalat tekniğinin zorluğu ve pahalı olmasıdır.[1] Ahşap çok uzun zamandan bu yana kullanılan bir malzemedir. Ucuz ve hafif olmasına karşın, neme karsı hassas olması ve işlem maliyetleri dezavantajıdır. Soğuk kalıp olarak adlandırılan bir teknikle bu problemin üstesinden gelinmiştir. Ahşap kaplama tahtaları bir vakum torbasında epoksi reçine ile haddelenerek, kanat kalıbı şeklinde preslenir. Bu biçimde elde edilen kanatlar, özellikle büyük rüzgar türbinlerinde dayanıklılık ve hafiflik bakımından diğerlerine göre oldukça büyük bir üstünlük sağlamaktadır. Bunlar üzerine çalışmalar devam etmektedir.[1] 34

35 KANAT FORMU VE HESAPLAMALARA DAİR GENEL BİLGİLER Resim 24 - Kanat Kesidi c=kanat kiriş uzunluğu (veter hattı) t=kanadın max. kalınlığı α=hücum açısı y=kamburluk olarak genel literatürde tarif edilir.[3] Kanada etkiyen kuvvetler: olup ve sırasıyla kaldırma ve sürükleme katsayısı olarak tarif edilir.[5] Kanat kiriş ekseni ile kanadın simetri ekseni çakışık ise bu tip kanatlara ''simetrik kanatlar'' denir.[5] Literatür ve pratikte değişik tip ve isimlerde kanatlar bulunmakta isede(risoe tipi,delft tipi,naca tipi..) bu kitapta NACA serisi kanatlar,literatüre hızlı erişim açısından incelenmiştir. 35

36 NACA kanat profilleri 4, 5, 6 hatta 7 haneli olarak tarif edilebilmektedirler. 4 haneli kanat profillerinde ilk iki basamak yüzdece kamburluğu kiriş uzunluğu cinsinden gösterir. ( ) olur.[4] Simetrik kanatlarda kamburluk 0 (Sıfır) olduğundan kanat profillerinin ilk iki basamağı 00 olarak başlar. Örn:0012 NACA kanat profili simetrik olmasıyla birlikte helikopterlerde en çok kullanılan kanat profilidir.[6] 5 basamaklı kanat profillerine örnek olarak NACA kanat profilini verebiliriz. Bu kanadın özelliği teorik hesaplamaların ve deneysel verilerin en çok örtüştüğü kanatlardan biri olmasıdır.[6] Kanat kalınlığı (Airfoil thickness) kanat kiriş uzunluğunun belirli bir yüzdesi olarak ifade ediliyor gibi..[4] Kanat ön ucuna verilen radyüs ise, kanat kalınlığının %2 si ile %8 i arasında değişir. NACA (Amerikan Havacılık Komitesi), II. Dünya Savaşı ndan sonra bugünkü adıyla NASA olmuşur. NASA nın kurulmasıyla birlikte uzay havacılık çalışmalarının artmasıyla ekstrem kanat profilleri üzerinde çalışılmış olup yeni ve kaldırma katsayısı yüksek, sürüklenme katsayısı düşük kanatların keşfi gerçekleşmiştir. Düşük hızlarda (Ses hızından düşük) kanat etrafından geçen akışın laminarlığının bozmamak amacıyla LS (Low Speed) serisi kanatlar keşfedilmiş olup aynı ebatlar ve aynı hucum açısında ve daha yüksek reynolds sayılarında normal NACA kanadına göre %30 daha fazla kaldırma katsayısına sahiptir.[6] Örnek vermek gerekirse ; 1)NACA 2412 (Havacılıkta en çok kullanılan kanat profillerinden) 2)NASA LS(1)-0417 (Düşük hız kanadı) derece için 1) Re=5,7* için =0.6 2) Re=6,3* için =1 dir. 36

37 RÜZGAR TÜRBİNİ KANADININ KATI MODELLENMESİ VE OPTİMİZASYONU R yarıçapında bir rüzgar türbini rotoru kanadının katı modelini oluşturmak için öncelikle profil boyunu her bir parametrik r uzunluğu için hesaplamak gerekir. Optimum kiriş uzunluğu = Kanat sayısı = Kaldırma kuvveti katsayısı = Dizayn uç hız oranı ise; Kanatların modellenmesi sırasında kanadın türbin hub ına bağlantı açısı da seçilir. Mikro ve küçük türbinlerde kanat bağlama açısı sabit alınabilirken orta ve büyük ölçekli türbinlerde kanat bağlama açısı parametrik r değerine göre değişir. α (opt-bağ.) = Optimum hücum açısı = Relatif hız vektörü ile profil kiriş uzunluğu arasındaki açı ise = Dizayn bağlama açısı r ye bağlı olan denklemlerle kanat şeklini elde edebilmek için R yarıçapındaki rotor uzunluğuna kadar her bir iteratif Δr uzunluğu, R değerini elde edinceye kadar denklemlerde n defa yerine konur ve sonuçta n adet kanat kiriş uzunluğu ve n adet kanat bağlama açısı, n adet kesit için bulunur.[7] 37

38 KANAT TASARIMI VE KANAT DENKLEMLERİ Kanat tasarımında 4 ve 5 haneli NACA profilleri baz alınırsa; Örnek 4 haneli NACA profili tasarımı 1. hanedeki 2 sayısı toplam kiriş uzunluğunun yüzdece değeri=c* hanedeki 4, maksimum kamber noktasının başlangıç noktasından kiriş uzunluğunun ondaca uzaklığı x=c* ve 4. hanelerdeki 15 ise kanadın sahip olduğu maksimum kalınlığın kiriş uzunluğu cinsinden yüzdece ifadesidir. t=c*0,15 olur. Ve 4 haneli simetrik olmayan(2415 gibi) bir NACA profili için ve denklemleri belirlenen iteratif x aralıkları için kullanılır. Bulunan ve noktaları önce bu denklemdeki açıyı bulmada, ardından kanadımızın kiriş ekseni üzerindeki üst ve alt noktaları (, yi bulmada) 38

39 kullanılır., değerleri kiriş ekseninin üstünde, ve değerleri kiriş ekseninin altında işaretlenir ve kanat kesidinin grafiği çıkartılır.[3,4] Örnek 5 haneli NACA kanadı tasarımı 1.hanedeki sayı 2, 0.15 ile çarpıldığında tasarlanan Kaldırma katsayısını (Cl) veriyor = 2*0.15 = ve 3. hanedeki sayılar 2 ile bölündüğünde maksimum kamber noktasının kanat ön ucundan olan uzaklığı kiriş uzunluğunun ondalığı olarak veriyor. 0.30/2 = 0.15*c = p olarak tarif edilir. 4. ve 5. hanedeki sayılar kanat kalınlığını,kanat kiriş uzunluğunun yüzdesi olarak tarif ediyor t = 0.12*c denklemi için; tablosunu kullanıp (örn için m= ve k1=15.957) kamber eksenindeki y noktalarını (yc) buluyoruz. Ardından yaptığımız iş ise 4 haneli NACA serisinde yaptığımız ile aynı, yc değerinden sonra yt ve theta değerlerini bulup 4 hanelilerin denklemlerinde yerine koyuyoruz. Xu,Yu ve Xl,Yl değerlerini buluyoruz. Kanat tasarımında, büyük ve gelişmiş rüzgar türbini sistemlerinde kanatların burulma açısı da işin içine girse de burada değinilmeyecektir. 39

40 KANAT TASARIMINDA DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN HUSUSLAR 1) Kanatlarda akış ayrılmasının aniden gerçekleştiği açı (Kaldırmaya vesile olan max. hucum açısı) çok önemlidir. Zira ani akış ayrılması yaşanırsa kaldırma düşer, sürükleme kuvveti artar ki bu da yatay eksenli türbinlerde güç kaybı demektir. 2)Kanat üzerine gelen rüzgar sürükleme kuvveti vesilesiyle kesme gerilmeseine maruz kalır. Sürükleme sabiti Cd, kanatlar için belirli hucum açılarında tablolarda kaldırma katsayılı Cl ile birlikte de veriliyor. Ancak bu sabitin verilmediği ya da daha hassas hesaplanmak istendiği durumlarda kanadın maruz kaldığı sürüklenme kuvvetini (Kesme kuvvetini) ve bu kesme gerilmesini tespit edebilmek için kanat sürtünme sabitini (Cf) iyi tespit etmek gereklidir. = Kesme gerilmesi = Belirli yükseklikteki hava basıncı için kanat üzerine gelen akış karakteristiğini (Reynolds sayısı üzerinden) iyi tespit etmek gereklidir. Re (c) kanadın kiriş uzunluğu boyunca akan rüzgarın etkin reynolds sayısı olmak üzere; Akış laminar kabul edilirse (Re < 5* ise) Cf=1,328/( ) olur Akış Türbülanslı ise; Cf=0,074 /(Re(c)²) kabul edilir. Akışın geçişli (Yani kanat kiriş uzunluğunun bir kısmında laminar devamında ise türbülanslı ise) olması halinde; 40