GİRİŞ Yere düşen bir yumurtanın kırılıp parçalandığını defalarca görmüşüzdür. Bu tersinir olmayan bir olaydır. Çünkü olayın tersinin kendiliğinden oluştuğunu, yani kırık bir yumurtanın kendiliğinden derlenip toparlanarak eski haline döndüğünü asla göremeyiz. Bu ikincisi tersinir bir olaydır ve aslında fizik yasaları bu olaya engel değildir. Fakat gerçekleşme olasılığı o kadar küçüktür ki, hiç kimsenin buna tanık olamayacağını iddia edebiliriz. Kırık bir yumurta, atomlarına ya da moleküllerine varıncaya kadar parçalanmış dahi olsa dış etkenler aracılığıyla eski haline getirilebilir. Bu tersinir işlem için gerekli malzeme kırık dökükler de zaten var olduğuna göre söz konusu dış etkenler tek bir kaleme; yani enerjiye indirgenebilir. Nitekim dünyadaki milyonlarca tavuk bu tersinir işlemi her gün gerçekleştiriyor ve bünyesinde barındırdığı atomlarla molekülleri yumurtalığında bir araya getirip sağlam birer yumurtaya dönüştürüyor. Bunu yaparken kullandığı etken besin maddelerinden sağladığı enerjidir. Yumurtayı oluşturan atom ve moleküller kırılma olayından önce derli toplu ve düzenli, kırılmadan sonraysa dağınık ve karmakarışık bir haldedir yani kırılma sonunda düzensizlik artmıştır. Çok sayıda parçadan oluşan sistemlerin düzensizliğinin bir ölçüsü vardır buna entropi denir. Yumurtanın kırılması gibi tersinir olmayan olaylara maruz kalan kapalı sistemlerde entropi artarken yumurta oluşumu gibi tersinir olaylara maruz kalan sistemlerde entropi azalır ya da aynı kalır. Kısacası yumurtlamaya hazırlanan bir tavuk, tersi kendiliğinden gelişebilecek olan zor ve tersinir bir olayı başarmakta, bünyesi dışından sağladığı enerji sayesinde bünyesindeki düzensizliği azaltıp düzeni artırmaktadır. Aslında bütün canlı süreçleri böyledir ve canlı organizmalar dışarıdan sağladıkları enerjiyi kullanarak bünyesindeki düzensizlikten düzen yaratırlar. Bir köprün inşa süreci de böyle tersinir bir olaydır: gözlemlediğimiz kadarıyla kendiliğinden gerçekleşmez ama tersi hemen hemen gerçekleşebilir. Bu açıdan canlı süreçlere benzer. Bir hava alanı, otoyol, gökdelen inşaatı ya da bilgisayar, televizyon, uydu yapımı da öyledir. Aslında düşünce ürünleri de dâhil olmak üzere refah ve uygarlığın sembolü olan tüm yapıtların oluşumu canlı süreçlere benzer: dışarıdan enerji kullanarak düzensizlikten düzen yaratılır. Bu açıdan bakıldığında toplumsal yaşam ne kadar çok sayıda tersinir olay başarıyorsa o denli canlıdır ve ne kadar canlıysa o kadar çok enerji tüketiyordur. Toplum bu sayede bir bakıma bünyesindeki düzensizliği yani entropiyi azaltıyordur. Nitekim dünyadaki çeşitli coğrafyalara bakıldığında enerjinin fazla ve verimli tüketildiği yerlerde düzenin, aklın egemenliğindeki bir yaşam tarzının var olduğu görülür. Bu bir rastlantı değildir ve bir toplumun refah yaratıp uygar bir çizgi yakalayabilmesi için, gereksinim duyduğu kadar enerjiyi rahatlıkla temin edebilmesi gerekir. Enerji, genelde hayat, özelde insan hayatı için son derece önemli, stratejik bir girdidir. Bu sebeple üzerinde düşünülmesi, politika ve strateji geliştirilmesi gereken bir konudur. Bu bağlamda dünyada enerji konusundaki hassasiyet başlıca iki sebebe bağlanabilir. Birincisi; teknolojik gelişmelerin ve modern yaşamın enerjiye olan gereksinimindeki devam eden artış, ikincisi ise dünyanın 1970 li yıllarda yaşamış olduğu enerji krizini bir daha yaşamama isteğidir. Günümüzün başlıca enerji kaynaklarından olan fosil yakıtların rezerv durumları incelendiğinde, kömür 235 240 yıl, petrol 45 55 yıl, doğal gaz 65 70 yıl sonra tükeneceği tahmin edilmektedir. Yeni enerji kaynakları; yenilenebilir olanlar ve nükleer enerjidir. Nükleer enerjinin ise dünyada ve ülkemizde kullanımı konusunda tam bir güven olmaması ve geçmişte yaşanan nükleer kazalar, yenilenebilir olan enerji kaynaklarını ön plana çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları dendiğinde ilk düşünülenler: güneş, rüzgâr, dalga enerjisidir. Bu çalışmada rüzgar enerjisi, rüzgar enerjisinin Türkiye de ve dünyada kullanımı, rüzgar türbinleri tasarımı ve bileşenleri, çevresel etkileri vs. incelenmiştir. 1
BÖLÜM 1 1.1. RÜZGÂR ENERJİSİNE GENEL BAKIŞ 1.1.1 Tanımı, Tarihçesi ve Uygulama Alanları Güneş enerjisinin karaları, denizleri ve atmosferi özdeş ısıtmamasından oluşan sıcaklık ve buna bağlı basınç farkları rüzgarı oluşturur. Rüzgar enerjisi ise; rüzgarı oluşturan hava akımının sahip olduğu hareket enerjisidir. Bu enerjinin belli bir bölümü yararlı olan enerjiye (elektrik, pompalama, vs.) dönüştürülebilir. Havanın özgül kütlesi az olduğundan, rüzgardan sağlanacak enerjinin miktarı, yine rüzgarın hızına bağlıdır. Rüzgarın hızı yükseklikle, gücü ise, hızın küpü ile orantılı olarak artar. Sağlayacağı enerji; gücüne ve estiği süreye bağlıdır. Özgül rüzgar gücü, hava debisine dik olarak, birim yüzeye düşen güçtür. Topoğrafik koşullara bağlı olarak, rüzgarın yerden 50 metre yükseklikteki özgül gücü, rüzgarın hızı 3,5 m/s den küçük iken 50 W/m2 den az, 11,5 m/s den büyük iken 1800 W/m2 den çok olabilir. Dünya yüzeyinin %27 sinde yıllık ortalama rüzgar hızının, yerden 10 m yükseklikte 5,1 m/s den büyük olduğu saptanmıştır. Bu alan rüzgar enerjisi bakımından zengin olan bölgelerin toplamıdır. Milattan önceki yıllarda kullanılmaya başlanılan rüzgar enerjisi, denizlerde yelkenli gemilere, karalarda ise, yel değirmenlerine ve rüzgar millerine ana güç kaynağı olmuştur. Özellikle buğday, mısır öğütme ve su pompalama gibi gereksinmeler uzun yıllar bu yolla çözülmüştür.rüzgar enerjisinden elektrik üreten ilk türbin ise 1891 de modern aerodinamiğin önemli mühendisi olan Paul la Cour tarafından Danimarka da inşa edilmiştir. Rüzgar enerjisi kullanımı, M.Ö. 2800 lü yıllarda Orta Doğu da başlamıştır. M.Ö. 17. yüzyılda Babil Kralı Hammurabi döneminde Mezopotamya da sulama amacıyla kullanılan rüzgar enerjisinin, aynı dönemde Çin de de kullanıldığı belirtilmektedir. Yel değirmenleri ilk olarak İskenderiye yakınlarında kurulmuştur. Türklerin ve İranlıların ilk yel değirmenlerini M.S. 7. yüzyılda kullanmaya başlamalarına karşın, Avrupalılar yel değirmenlerini ilk olarak haçlı seferleri sırasında görmüşlerdir. Fransa ve İngiltere de yel değirmenlerinin kullanılmaya başlaması ise, 12. yüzyılda olmuştur. Şekil 1.1 Pers Uygarlığında kullanılan dikey eksen tipli yel bir değirmeni ( www.newton.mec.edu ). 2
Resim 1.1 Resim 1.2 Balıkesir in Samlı ilçesinden yel değirmeni Muğla nın Bodrum İlçesinden bir yel değirmeni ( www.safatur.com ). ( www.samli.com.tr ). Resim 1.3 Resim 1.4 ( www.vestas.com ) ( www.vestas.com ) Avrupa, haçlı seferlerinde kazandığı bu teknoloji ile, Roma İmparatorluğu nun kaçırdığı bir serveti yakalamıştır. Roma İmparatorluğu gücünün zirvesinde iken, para basmak için gereken altın ve gümüşü Avrupa dışındaki eyaletlerinden sağlamaktaydı. Bu eyaletleri kaybettikten sonra, Avrupa daki fakir madenlerin işletilmesi denenmiş, fakat bu madenlerin yüzeysel kapasiteleri hızla tükenip, derinlere inildikten sonra galerilerden su çıktığından, madenler terk edilmişti. Altın ve gümüş bulunamayınca paralara bakır katılmaya başlandı. Giderek artan parasal ve ekonomik bunalımla birlikte, o dönemin yüksek hızlı enflasyonu Roma İmparatorluğu nun sonunu getirmişti. Avrupa nın Orta Çağ karanlığından sıyrılmasında önemli etmenlerinden birinin, Romalıların terk ettikleri madenlerin yeniden işletmeye açılması olduğu söylenir. Avrupalılar bunu yel değirmenleri yardımıyla, galeri diplerindeki suları dışarı pompalayarak, yani rüzgar enerjisini kullanarak başarmışlardır. 3
Resim 1.5 Bir modern rüzgar enerjisi su pompalama sistemi ( www.newton.mec.edu ). Tarımsal ürünleri öğütmek, su pompalamak, hızar çalıştırmak gibi amaçlarla geliştirilen yel değirmenleri; Avrupa da Endüstri Devrimi ne kadar hızla yayılmışlardır. 18. yüzyılın sonunda yalnızca Hollanda da 10.000 yel değirmeni bulunuyordu. Buhar makinesinin yapılması ve odun, kömür gibi yakıtlardan kesintisiz enerji üretimine başlanması ile, rüzgar enerjisi önemini yitirmeye başlamıştır. Bununla beraber, rüzgar türbini denilen ve elektrik üretiminde kullanılan ilk makineler, 1890 ların başlarında Danimarka da yapılmıştır. Aynı dönemde, bu makinelerin geliştirilmesi için Almanya da önemli çalışmalar yapıldığı bilinmektedir. Rüzgar kuvvet makineleri yerlerini yakıtlı kuvvet makinelerine bırakırken, rüzgar enerjisinin kullanımının sürmesi için yeni bir teknoloji de başlamıştır. Ancak, 19. yüzyılda geliştirilen ilk rüzgar türbinlerinin verimi düşüktü. Şekil 1.2 Muhtemelen tipinin ilk örneği olan ve Belidor tarafından tasarlanan 4
pervane tipi rüzgar türbini (Yalçın, C., 1998, s.18). 1918 yılında Danimarka da başlatılan bir çalışma ile, 120 kırsal merkezde elektrik üretimini 20-30 kw lık rüzgar türbinlerinin kullanımı sağlanmıştı. Rusya da 1931 yılında 100 kw lık rüzgar türbini yapılmıştı. 1941 yılında ABD de Vermont yakınlarında Granpa s Knop da kurulan Putnam rüzgar türbini, 1250 kw gücü ile dönemin en büyük rüzgar kuvvet makinesi olmuştur. İki kanatlı rotorun çapı 53 m idi. Putnam türbini, modern rüzgar makinelerinin ilkidir (Resim 1.6). Toplam ağırlığı 250 ton olan bu rüzgar santraline, bir milyon dolar yatırım yapılmıştı. Ancak titreşim ve malzeme yorgunluğundan dolayı, 26 Mart 1945 sabahı olan bir kazada kanatlarından biri kopmuş, yaklaşık 8 tonluk kanat 230 m uzağa fırlamıştır. Resim 1.6 Smith- Putnam rüzgar türbini ( www.newton.mec.edu ). İkinci Dünya Savaşı nın ardından 1945 de İngiltere de başlatılan deneysel çalışmalar sonucunda, Enfeld da 10 kw gücündeki Andreu makinesi kurulmuştur. Bu rüzgar türbininin rotoru üç kanatlı olup, çapı 15 metreydi. 1947 yılında Danimarka da başlatılan ve modern yaklaşımlar içeren elektrik üretim amaçlı bir başka çalışmanın son ürünü ise, 1959 yılında işletmeye sokulan 200 kw lık Gedser türbini olmuştu. Bu makinenin 24 metre çaplı rotoru üç kanatlı idi. Aynı dönemde Fransa da yapılan makinelerden Noeget Le Roi deki rüzgar türbini 300 kw gücündedir. Bu yıllardaki ilgi artışının sebepleri şu şekilde sıralanabilir; Hızla artan elektrik enerjisi talebi karşısında, ekonomik olarak geliştirilebilen hidroelektrik kaynakların yakıt tedarikinin yetersiz kalması, Hidroelektrik santrallerinin ve buhar türbinlerinin oluşturulmasında, hem ilk yatırım sırasında, hem de enerjinin iletilmesi esnasında hızla artan yüksek maliyetler, Savaş sonrasındaki zor ekonomik ve politik koşullar nedeniyle, ülkelerin enerji üretiminde ithal yakıtlar yerine kendi öz kaynaklarına yönelmesi, 5
Kömür ve petrol türevli kaynakların yakıt olarak kullanımının yüksek hızla artması ve dolayısıyla rezervlerin azalmaya başlaması, Savaş sırasındaki araştırma geliştirme çalışmalarının sonucunda uçak konstrüksiyonlarında uygulanan aerodinamik bilgi birikiminin büyük bir oranda artması ve bu bilginin büyük rüzgar türbinlerinin konstrüksiyonu yolunda kullanılabilirliği, Yaygın enerji ağına farklı kaynaklardan enerji ve güç bağlanabilmesinin avantajlarının değerlendirilmesi, Rüzgar türbinleri ile ilgili denemelerin yapılması ve bu tip uygulamaların ekonomik bir tesis olarak başarılı olmamasına karşın, rüzgar enerjisinden faydalanarak elektrik üreten büyük tesislerin pratik olarak iyi bir performansla çalışabileceğinin kanıtlanması 1961 yılında Roma da Birleşmiş Milletler tarafından düzenlenen Enerjinin Yeni Kaynakları Konferansı nda ele alınan üç kaynaktan biri rüzgar enerjisi idi. Böylece, çok eskiden buyana tanınan rüzgar enerjisi, teknolojik gelişmelerle ele alınıyor yeni ve yenilenebilir kaynaklar arasına sokuluyordu. Ucuz petrol döneminde güncellik kazanmayan rüzgar enerjisi, 1974 1978 yılları arasındaki yapay petrol bunalımları ardından gündeme daha çok girmiştir. Rüzgar enerjisinin gelişimine, 1980 li yıllarda Uluslararası Enerji Ajansı eşgüdümünde yürütülen araştırma geliştirme çalışmalarının büyük etkisi olmuştur. Küçük rüzgar türbinlerin gelişmesine paralel olarak, 1976 1980 yılları arasında piyasanın talebi üzerine birkaç ülke büyük rüzgar türbinleri için yatırım yapmıştır. Almanya ve dünyada, büyük rüzgar türbinlerin geliştirilmesi için milyon marklar harcanmış, fakat teknik problemlerle karşılaşılıp olumsuz düşünceler ortaya çıkınca, destek azalmıştır. İkinci büyük rüzgar türbinlerinin üretimi maliyet ve performans bakımından başarılı olmasına rağmen tüketiciler tarafından ilgi görmemiştir. Böylece büyük rüzgar türbinlerinin geliştirilmesi mümkün olmamıştır. 1989 yılından itibaren Almanya da rüzgar türbin teknolojisi hızla gelişmiştir. Rotor çapı 25m, çıkış gücü 150-250kW olan türbinler imal edilmiş ve bunu rotor çapı 30-35m, çıkış gücü 300kW dan büyük türbinler izlemiştir. Bu türbinler 2 3 yıl piyasaya egemen olmuştur. 1992 Ağustos ayında ilk Tacke- Windtechnik in yaptığı 500kW lık türbin çalışmaya başlamıştır. Bunu ENERCON un E40 ve diğer Avrupalı üreticilerin ürettiği türbinler takip etmiştir. 500kW lık rüzgar türbinlerinin gelişmesi için 37m kanat çapında rotor imalatına başlanmıştır. Bunu 46m çapında ve 600kW gücünde ve özellikle iç bölgelerde, düşük rüzgarlı alanlarda kullanılmak üzere dizayn edilmiş rüzgar türbinleri izlemiştir. Tacke-Windtechnik in yaptığı 500kW lık rüzgar türbinlerinden dört yıl sonra 1996 yılı sonlarına doğru ENERCON 66m çaplı 1,5 MW gücünde türbin üretmeye başlamıştır. Bu ilerlemeyi; 66m çaplı ve 1,65 MW gücündeki türbinler izlemiştir. Artık günümüzde karadaki uygulamalar için 70m, 80m hatta 100m rotor çaplı ve 3 MW gücünde türbin görmek mümkündür. Resim 1.7 ( www.dewind.de ) 6
Rüzgar enerjisi bakımından deniz alanları karalara göre daha büyük zenginlik gösterdiği için denizlerde de deniz üstü (Offshore ) rüzgar santralleri kurulmasına başlanmıştır. Birinci etapta kıyıdan uzaklığı 10km yi ve derinliği 10m yi geçmeyen alanlar hedeflenmiştir. İlk deniz üstü rüzgar çiftliği 5 MW güçle Danimarka da Lolland adası yakınlarında kurulan Vindeby rüzgar çiftliğidir. Diğer ülkeler (İngiltere, İsveç) ile birlikte Avrupa da şu anda 12MW lı offshore santrali çalışır durumdadır. 2030 yılında ise Avrupa da rüzgar enerjisi kurulu gücünün %25 ini Offshore rüzgar çiftliklerinin oluşturacağı beklenmektedir. Resim 1.8 ( www.vestas.com ) Resim 1.9 Offshore rüzgar çiftlikleri ( www.vestas.com ) 7
1.1.2 Avantajları Rüzgar santrallerinin avantajları; hammaddelerinin atmosferdeki hava olması, kurulumları diğer enerji santrallerine göre daha hızlı oluşu, temiz ve sürdürülebilir enerji kaynağı olmaları, enerjide dışa bağımlılığı azaltmaları, fosil yakıt tüketimini azaltmaları neticesinde sera etkisinin azaltımına katkıları, her geçen gün güvenirliliğinin artması ile maliyetlerinin ucuzlaması, bunun yanında rüzgar türbinlerinin kurulduğu arazinin tarım alanı olarak kullanılabilmesi gibi sıralanabilir. Rüzgar enerjisinin diğer enerji türlerine göre en önemli avantajı soğutma suyuna ihtiyaç duymamasıdır. Bu durum rüzgar enerjisini en zararsız enerji kaynağı haline getirmektedir. Rüzgar tamamen atmosferde güneş etkileşimi ile meydana gelen yatay hava hareketleri olduğundan, rüzgar kaynaklı enerji üretim sisteminin hammaddesi yani tahrik gücü bedavadır. Ancak bu hammadde tamamen meteorolojik şartlara bağlı olduğundan yılın her gününde ve ayında aynı miktarda bulunmaz, değişkenliği oldukça fazladır. Kurulması diğer enerji santrallerine göre daha hızlıdır. Diğer tüm enerji üretim birimlerinin planlanması, projelendirilerek inşasının tamamlanması uzun zamanları ve büyü mali yatırımları gerektirir. Hatta inşaat tamamlandıktan sonra bile hammadde için kaynak noktaları ile sürekli ulaşım ve taşınım sağlanmalıdır. Türbinlerinin yatırımına karar verdikten sonra mali bütçenin de hazır olması ile birlikte üç ay gibi kısa bir zamanda inşası tamamlanarak üretime başlanabilir. Diğer taraftan rüzgar türbinlerinin ömrü 30 40 olarak garanti edildiğinden yatırım maliyeti uzun vadede azdır, yaklaşık 2 3 senede kendini amorti edebilmektedir. Enerjide dışa bağımlılığı da azaltan bu rüzgar santralleri teknolojisinin gelişmesi sayesinde de her gün daha da ucuzlamaktadır. Rüzgar enerjisi kullanımını artması ve yaygınlaşması ile çevre kirliliğine sebep olan fosil yakıt kullanımının azalması ve bu sebeple sera gazı artışının da azalması ve ozon tabakasındaki iyileşmeler ile iklim değişikliği hususunda normale dönüşün sağlanabileceği düşünülmektedir. 1.1.3 Dezavantajları Büyük ölçekli arazinin gerekliliği, gürültü, görsel ve estetik etkiler, doğal hayat ve habitata etki, elektromanyetik alan etkisi, gölge ve titreşimler, kesikli bir enerji kaynağı olmaları ve verimlerinin idealde % 59, pratikte ise %40 lar gibi düşük mertebelerde olması rüzgar türbinlerinin dezavantajlı yönleridir. 1.1.4 Rüzgar Türbinlerinde Verim ( Betz Limiti ) Rüzgar türbinleri ile ilgili ilk teori 1926 yılında Göttingen Institute de Dr. Albert BETZ tarafından ortaya atılmıştır. Bu teoremde, Betz rüzgar rotorunun ideal olduğunu varsayılır. Diğer bir ifade ile rotor, havaya karşı sürüklenme direnci göstermeyen sonsuz sayıda kanattan oluşmaktadır. Bu şekilde, rüzgar rotorunun mükemmel bir enerji dönüştürücüsü olduğu varsayılmıştır. Bu teoriye göre; rüzgar önünde, rüzgarın akış yönüne dik herhangi bir A alanı içinden birim zamanda taşınan enerji, P ise ; P = (1/2).m.V 1 2 ( 1.1 ) olur. Burada m kütlesel debi olup ; m = ρ.v 1.. A ( 1.2 ) 8
ile bulunur. Burada ρ, havanın yoğunluğudur. Bu ifadeyi denklem 1 de yerine yazarsak, güç; P = (1/2). ρ.a. V 1 3 ( 1.3 ) olarak bulunmaktadır. Güç, hızın küpü ile orantılıdır. Rotorun önünde oluşan güç, kanatlar üzerinde F kuvvetlerini oluşturmaktadır. Kanatlar üzerinde oluşan F kuvvetleri Newton un dinamiğin ikinci kanundan yararlanılarak bulunabilir. Buna göre F ; F = m.( V 1 V 2 ) ( 1.4 ) olup rotor üzerindeki hız V d iken birim zamanda yapılan iş P r ; P r = F. V d. = m.( V 1 V 2 ). V d ( 1.5 ) olur.buradaki m,rotorlu durumdaki kütlesel debi olup m, m = F. V d. A ( 1.6 ) ile ifade edilmektedir..diğer yandan iş-enerji ilkesine göre birim zamanda kinetik enerji değişimi,rotor üzerinde birim zamanda yapılan işe eşit alınabilmektedir. Buradan ; m.( V 1 V 2 ). V d =(1/2).m.( V 1 2 V 2 2 ) yada ; V d = ( V 1 + V 2 ) / 2 ( 1.7 ) bulunmaktadır. Yani rotor üzerindeki rüzgar hızı, rotora gelen ve uzaklaşan rüzgar hızlarının ortalamasıdır. Bu nedenle 5-6-7 no lu denklemlerden ; P r = ( ρ.a ) / 4. ( V 1 2 V 2 2 ). ( V 1 + V 2 ) ( 1.8 ) olmaktadır.bu güç fonksiyonunun maksimum değeri uygulamada çok önemlidir.çünkü buradan sistemin maksimum verimini tahmin etmek mümkündür.bu amaçla denklem 8 de V 2 ye göre türev alınırsa ; dp r/dv 2 = ( ρ.a ) / 4. (V 12-2V 1 V 2 3V 2 2 )= 0 ( 1.9 ) Denklem 9 da parantez içi V 2 bulunur. V 2 = V 1 / 3 ye göre ikinci dereceden bir denklem olup, bunun 2. kökü ( 1.10 ) bulunur.bu kökü denklem 8 de yerine koyarsak maksimum rotor gücü, P r max ; P r max = ( 8 / 27 ). ρ.a. V 1 3 ( 1.11 ) olarak çıkmaktadır. Sistemin güç faktörü veya verimi C p : 9
C p = P r / ρ ( 1.12 ) olup, bunun maksimum değeri, C p max denklem 3 ve 11 den,, C p max = P r max / ρ = 16 / 27 = % 59,3 ( 1.13 ) bulunmaktadır. 16/27 oranına Betz limiti denmektedir. İdeal şartlar altında teorik olarak güç katsayısı C p = 16 / 27 = 0,593 yada diğer anlamda rüzgar türbininde, teorik olarak esen havada bulunan kinetik enerjinin %59,3 ünü mekanik enerjiye dönüştürebiliriz. Gerçek şartlar altında güç katsayısına bütün aerodinamik, sürtünme vs. kayıpları [1] dahil edildiğinde C p = 0,5 den daha yukarıya çıkamaz. 1.2. DÜNYADA VE TÜRKİYEDE RÜZGÂR ENERJİSİ KULLANIMI 1.2.1 Dünyada Rüzgâr Enerjisi Kullanımı Rüzgar enerjisi sektörü her geçen yıl rekor büyüme hızları yakalayarak gelişmesine devam etmektedir. Dünyada son 15 yılda ortalama % 25 büyüme hızı göstermiştir. Son iki yıllık büyüme hızları ise sırasıyla % 41 ve % 32 seviyelerine ulaşmıştır. Sadece 2006 yılında 13 milyar Avro yu aşan yatırım gerçekleştirilmiştir. Rüzgar sanayisinin olduğu ülkelerde iki yüz binden fazla insan bu sektörde istihdam edilmektedir. 1995 yılında küresel rüzgar enerjisi kurulu gücü 4 bin 800 megavat iken 2006 yılının sonuna gelindiğinde bu rakam 14 kattan daha fazla artarak 74 bin 223 megavata ulaşmıştır. Avrupa, rüzgar enerjisi kurulu gücünde %65 oranla en yüksek kapasiteye sahip olmakla beraber, Kuzey Amerika ve Asya ülkeleri de kurulu güçlerini hızla arttırmaktadırlar Bir çok ülkede rüzgar gücüne dayalı olarak üretilen elektriğin oranı şimdiden geleneksel yakıtlarla üretilmekte olan elektrik oranlarıyla başa baş gelmeye başlamıştır. Danimarka da ülke elektriğinin şu anda % 20 si rüzgar enerjisinden temin edilmektedir. İspanya da rüzgar enerjisinin katkısı % 8 mertebesine ulaşmıştır ve 2010 yılına kadar bu oranın % 15 e çıkarılacağı planlanmaktadır. Rüzgar enerjisi gelişiminde yeni bir cephe de deniz üstü potansiyelleri değerlendirme konusunda açılmıştır. Rüzgar karakteristiklerinin karalardan daha kararlı, karalara kıyasla enerji üretim miktarlarının yaklaşık yüzde 30 fazla ve gelişen teknolojinin bu potansiyeli değerlendirmeye ekonomik olarak imkan tanıması deniz üstü rüzgar enerjisi uygulamalarını özellikle son birkaç yılda ilgi çekici hale getirmiştir.. Tablo 1.1- Küresel kamülatif rüzgar enerjisi kurulu güc kapasitesi 10
[1], Kayıplar bölüm 3 te inclenmiştir. Tablo 1.2- Dünya kurulu gücünün ülkelere göre dağılımı 1.2.2 Türkiye de Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli ve Kullanımı Ülkemizin rüzgarla elektrik enerjisi üretmeye başlaması büyük ölçüde 1990 lı yılların ortalarında olmuştur. Kasım 2007 itibariye ülkemizde 146,25 megavat işletmede olup 2007 yılı sonunda 60,40 megavat, 2008 yılında 500 megavat ve 2009 yılında 130 megavat devreye alınarak toplamda 837 megavat kurulu güce erişilecektir. Tablo 3 de verilen değerler ülkemizdeki son durumu; Aralık 2007, 2008 ve 2009 da devreye girecek olan rüzgar enerjisi santralleri için rüzgar türbin üreticisi ile satış anlaşması imzalamış projeleri göstermektedir. 11
Tablo 1.3 - İşletmede olan ve devreye alınacak rüzgar santralleri ( EPDK, TÜREB,2007 ) Şu an işletmede ve 2009 yılı ilk yarısına kadar devreye girecek olan rüzgar enerjisi santrallerinin ülkemiz coğrafyasında dağılımına bakıldığında genellikle Ege, Marmara ve Akdeniz bölgelerinde yoğunlaştıkları görülmektedir. Bu dağılıma bakıldığında rüzgar enerjisi santrallerinin genellikle nüfus yoğun bölgelerde olduğu görülmektedir. Aynı zamanda bu bölgelerde enerji tüketiminin de fazla olduğu düşünülürse bir avantaj olarak kabul edilebilir. Yani enerjiyi uzak noktalardan bu alanlara iletirken yaşanan problemlere çözüm anlamında katkı sağlaması düşünülebilir. Ayrıca santrallerin farklı rüzgar rejimlerinde bulunması rüzgarın değişken yapısından kaynaklanan problemleri gidermede fayda sağlayabilir. Tamamlanan ve inşa halinde bulunan santrallerin yanı sıra EPDK ya lisans için başvuran, lisans alan ve başvuruları uygun bulunan birçok proje bulunmaktadır. 12
Şekil 1.3 - Türkiye deki rüzgar santrallerinin coğrafik olarak dağılımı (EPDK, TÜREB,2007) Yıllık ortalama değerler esas alındığında, Türkiye nin en iyi rüzgar kaynağı alanları kıyı şeritleri, yüksek bayırlar ve dağların tepesinde ya da açık alanların yakınında bulunmaktadır. Açık alan yakınlarındaki en şiddetli yıllık ortalama rüzgar hızları Türkiye nin batı kıyıları boyunca, Marmara Denizi çevresinde ve Antakya yakınında küçük bir bölgede meydana gelmektedir. Orta şiddetteki rüzgar hızına sahip geniş bölgeler ve rüzgar gücü yoğunluğu Türkiye nin orta kesimleri boyunca mevcuttur. Mevsimlik ortalama değerlere göre ise Türkiye çapında rüzgar kaynağı karmaşık topografyaya bağlıdır. Birçok yerde, özellikle sahil boyunca ve doğudaki dağlarda kışları daha güçlü rüzgar hızları görülmektedir. Türkiye nin orta kesimleri boyunca çoğu yerde rüzgar hızı değerleri mevsimden mevsime nispeten sabittir. Aylık ortalama değerlere göre ise Türkiye nin batı sahil bölgesi yanında Marmara Denizi ni çevreleyen bölgede kış mevsimi süresince en şiddetli rüzgar hızına sahiptir. Elektrik İşleri Etüd İdaresi ( EİE ) tarafından yapılan çalışmalar sonucu hazırlanan Türkiye Rüzgar Enerjisi Potansiyel Atlası ( REPA ) ile denizlerimizde, kıyılarımızda ve yüksek rakımlı bölgelerimizde daha önce ölçülemeyen yüksek yoğunluklu potansiyeller görünür hale gelmiştir. REPA, Türkiye rüzgar kaynak bilgilerinin 3-boyutlu bir şekilde görülmesine imkan tanımakta, zaman, yer ve yükseklikle rüzgar kaynak bilgilerinin değişimi göstermektedir. 13
Tablo 1.4 - Türkiye 50m yükseklikteki ortalama rüzgar ölçüm değerleri Tablo 1.5 - Türkiye deniz kıyısından 50m derinde,50m yükseklikte alınan ortalama rüzgar ölçüm değerleri Şekil 1.4 - REPA; Yerden 50 m yükseklikteki rüzgar hızları ( EİE, 2006 ) BÖLÜM 2 2.1 RÜZGÂR TÜRBİNLERİNİN SINIFLANDIRILMASI 2.1.1 RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN TİPLERİ 14
Net olarak bir rüzgar türbini için küçük ve büyük güç bölgeleri tanımlanmamış olsa da mevcut ticari sistemlere bakılarak bir sınıflandırma yapılabilir.buna göre 100 W'tan - 20 Kw'a kadar olan türbinler küçük güçlü sistemler,50 kw 3 MW arası sistemler de büyük güçlü sistemler olarak değerlendirilebilir. Küçük güçlü rüzgar türbinlerinde yaygın olarak yatay eksenli türbin sistemleri kullanılmakla beraber, kendine özgü avantajarı nedeni ile düşey eksenli küçük güçlü türbinlerde kullanılmaktadır. Bu alanda faaliyet gösteren firmaların çoğu ABD kökenlidir. SWWP,Bergey gibi firmalar uluslararası küçük güçlü rüzgar türbini ticaretinde önemli bir pay sahibidir. Rüzgar türbinleri dönme eksenine göre üç gruba ayrılırlar: * Yatay eksenli rüzgar türbinleri * Dikey eksenli rüzgar türbinleri * Eğik eksenli rüzgar türbinleri a ) Yatay eksenli b ) Yatay eksenli c ) Dikey eksenli - Savanius tipi d ) Dikey eksenli - Darrieus tipi Resim 2.1 Yatay ( a-b ) ve dikey eksenli ( c-d ) küçük güçlü rüzgar türbinleri 2.1.1.1 Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri (YERT) Bu türbinlerde; dönme ekseni rüzgar yönüne paralel, kanatlar rüzgar yönüne diktir ve kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %45 dir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri genel olarak yerden minimum 20-30m 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, 15
λ= 6 8 Üç kanatlı rotor, λ= 9 15 İki kanatlı rotor, λ>15 Tek kanatlı rotor kullanılır. Yatay eksenli rüzgar türbinleri, farklı sayıda rotor kanadına sahip olan ve rüzgarı önden alan veya rüzgarı arkadan alan sistemler olarak da çeşitlilik gösterirler. Rüzgarı Önden Alan Makineler: Yıllardır yaygın olarak kullanılan bu makinelerde rotor yüzü rüzgara dönüktür. En önemli üstünlüğü kulenin arkasında olacak rüzgar gölgeleme etkisine çok az maruz kalmasıdır, yani rüzgar kuleye eğilerek varır. Kule yuvarlak ve düz olsa bile kanadın kuleden her geçişinde türbinin ürettiği güç biraz azalır. Bu nedenle rüzgar çekilmesinden dolayı kanatların sert yapılması gerekir ve kanatların kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekir. Ayrıca, önden rüzgarlı makineler, rotoru rüzgara karşı döndürmek için Yaw mekanizmasına gerek duyarlar. Rüzgarı Arkadan Alan Makineler: Bu makinelerin rotorları kule arkasına konur. Bunların önemli üstünlüğü rüzgara dönmek için Yaw [1] mekanizmasına gerek duymayışlarıdır. Eğer nacelle ve rotor uygun tasarlanırsa, nacelle [2] rüzgarı pasif olarak izler. Daha önemli bir üstünlük kanatların esnek özelliğe sahip olmasıdır. Bu, hem ağırlık hem de makinenin güç dinamiği açısından önemli bir üstünlüktür. Böylece bu makinelerin avantajları; önden rüzgarlı makinelere göre daha hafif yapılması sonucu kule yükünün azalmasıdır. Ancak, kanat kuleden geçerken meydana gelen güç dalgalanması, türbine önden rüzgarlı makinelerden daha çok zarar verir. a-) Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Tek kanatlı rüzgar türbinlerinin yapılmasının sebebi, kanat sayısına göre dönme hızının yüksek olması ve bu sayede makine kütlesini ve rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Ek olarak rotor kanadı, kanat üzerindeki yapısal yükleri azaltacak mekanizma ve kanat mekanizma hareketinin pürüzsüz olabilmesi için, tek menteşe ile sabitleştirilip, 2 karşı ağırlıkla dengelenmelidir. Diğer taraftan tek kanatlı rotorlarda, ilave yüklerden ortaya çıkan aerodinamik balanssızlık ve mekanizma hareketinin kontrol altında tutulması için hub [3] çok iyi yapılmalıdır. MBB firması tarafından tasarlanan, her birinin tesis gücü 630kW olan ve rotor çapı 56m üç tip rüzgar türbini Almanya nın Wilhelmshaven yakınında çalışmaktadır. En önemli ticari dezavantajı, 120m/sn civarındaki kanat uç hızının sebep olduğu rotorun aerodinamik gürültü seviyesidir. Bir kanatlı rüzgar türbinin kanat uç hızı, üç kanatlı rüzgar türbini ile karşılaştırıldığında, iki kat daha yüksektir ve daha fazla gürültü içermektedirler. Almanya halkı, gürültü ve görsel rahatsızlık nedeniyle bu rüzgar türbinlerin piyasada kullanılmasına şans tanımamıştır. [1],[2][3] ; Yaw, nacelle, hub gibi türbin mekanizma ve parçaları bölüm 3 de ele alınmıştır. b-) Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Üç kanatlı türbinlere göre rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi bu türbin fikrini doğurmuştur. Birçok ülkede 10m ila 100m rotor çaplı ölçülerde türbinler tasarlanıp, Avrupa ve ABD de çalışmaya başlamıştır. Bu ticari türbinlerden 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. Hub ın titreşimi azaltmak için rotora kadran sistemi ilave edilmiştir. Bu kadran, rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına dik 16
yerleştirilir. Üç kanatlı rotorla karşılaştırıldığında en büyük avantajı; kanat uç hızlarının yüksek olmasıdır. Bu rüzgar türbinlerinin gürültü seviyesinin yüksek olması ve düşük rüzgar hızlarında (3m/sn) çalıştırılması dezavantajıdır. Günümüzde iki kanatlı rotor, şimdi birkaç ünitedir ve en az bir an için artan piyasaya dikkat edecek olursak iki kanatlı rotora hiçbir eğilim bulunmamaktadır. c-) Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Şekil 2.1 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 momentini olmadığından, hub 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 Cut in olarak adlandırılan hız değerine ulaşıncaya kadar, jeneratör boşta çalıştırılır. Resim 2.1 Üç kanatlı türbinler ( Manisa Sayalar, WindBlatt, Şubat 2007 sayısı) d-) Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Çok kanatlı rüzgar türbinleri (rüzgargülleri), rüzgar türbinlerinin gelişmemiş ilk örnekleridir. Yıllarca sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu işlemdeki moment gereksiniminin 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 17
artırılır ve otomobillerde uygulama alanı bulan jeneratörler kullanılır. Rüzgargülleri, rüzgargülü pervane düzleminin rüzgar hız vektörünü her zaman dik olarak alabilmesi için de, rüzgargülü yönlendiricisi taşımaktadırlar. 2.1.1.2 Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri (DERT) Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir. dikey eksenli rüzgar türbinleri rüzgarı her yönden kabul edebilme 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 Yaw mekanizmasına ihtiyaçları yoktur. Düşük rüzgar hızları ve az miktarda su pompalamak için tasarlanmışlardır. Kanat sayısının artması malzeme ağırlığını da beraberinde getirdiğinden, yüksek rüzgar hızlarında verimsiz çalışır. Rotor çapı 5m olan türbinden yaklaşık 0,5kW güç elde edilir. Bu türbinleri yer yüzeyine bağlayabilmek için çelik halatlara gereksinim duyulmaktadır. a-) Savonius Rüzgar Türbinleri: Savonius rüzgar türbinleri, 1925 yılında Finlandiyalı mühendis Sigurd J. Savonius tarafından keşfedilmiştir. İki yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirine göre simetrik olarak kaydırılmış, kanat adı verilen iki yarım silindirden oluşmaktadır. Belirli bir hızla gelen rüzgarın etkisiyle, çarkı oluşturan silindirin iç kısmında pozitif ve dış kısmında negatif bir momentin olmaktadır. Pozitif moment, negatif momentten daha büyük olduğundan, dönme hareketi pozitif moment yönünde sağlanır. Diğer dikey eksenli rüzgar türbinlerine göre; düşük rüzgar hızlarında iyi başlangıç karakteristiklerine sahip olması, yapımının kolay ve ucuz olması, rüzgarın yönünden bağımsız olması ve kendi kendine ilk harekete başlaması gibi birçok üstünlüklere sahip olan Savonius rüzgar türbinlerinin, aerodinamik performansı düşük olduğu için ilk uygulama alanları; havalandırma, su pompalama gibi kısıtlı alanlar olmuştur. Savonius rüzgar türbinlerinin birçok üstünlüğü bulunmasına rağmen, aerodinamik performanslarının düşüklüğü nedeniyle kullanılmamaktadır. Son yıllarda yapılan Savonius rüzgar türbinleri çalışmaları, aerodinamik performansın geliştirmesi yönünde olmuştur. Aldoss ve Najjar, bu çarkın performansı üzerine; sallanan kanatlı çark kullanarak deneysel bir çalışma yapmışlardır. Çalışmalarında Savonius rüzgar türbinlerinin performansını, hem rüzgarın gerisinde hem de rüzgara doğru, çark kanatlarının bir optimum açı ile geriye doğru salınmasına müsaade ederek geliştirmişlerdir. Reupke ve Probert, Savonius rüzgar türbinlerinin çalışma etkinliğini arttırmak için, türbin kanatlarının kavisli kısımlarının yerine bir sıra menteşelenmiş kanatçıklar yerleştirmiştir. Kanatçıklar rüzgara doğru ilerlerken, rüzgar basıncının etkisinde otomatik olarak açılmış ve daha az akış direnci elde edilmiştir. Kanatçıkların ilk konuma gelirken, tekrar otomatik olarak kapandığını tespit edip, çok düşük uç hız oranlarında, düzeltilmiş parçalı kanatlı çarklardan, klasik Savonius türbinlerine oranla daha yüksek momentler elde edildiğini belirlemişlerdir. 18
Resim 2.2 Üç katlı Savonius rüzgar türbinin( www.gyte.edu.tr ) b-) Darrieus Rüzgar Türbinleri: 1931 yılında Fransız mühendis George J.M. Darrieus tarafından icat edilmiştir. 1970 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 çalışabilir ve türbin; 2 veya 3 kanatlı olur. İlk hareket için Savonius rüzgar türbini veya bir tahrik motoru gerekmektedir. c-)h-darrieus Rüzgar Türbinleri: Dikey eksenli en önemli rüzgar türbinlerinden biridir. Darrirus rüzgar türbinlerinin geliştirilmesiyle meydana gelen daha karmaşık tipte bir türbinidir.darrirus türbinlerinden iki önemli farkla ayrılır. Bunlar: *Aerodinamik profili düzdür, *Kanatlara pitch [4] kontrol uygulanır. 2.1.1.3 Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri ( Wagner Rüzgar Türbinleri ) Dönme eksenleri düşeyle, rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgar türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır. 2.1.2 RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN BİRBİRLERİ İLE KARŞILAŞTIRILMASI Rüzgar çiftlikleri kurulumunda; rüzgar şartları, kurulacak alan ve ciddi kayıplardan kaçınmak için rüzgar türbinlerin özellikleri bilinmelidir. Rüzgar türbinleri incelendiği üzere kanat çeşitleri, rüzgarı alış şekilleri ve kullanım alanlarına göre birkaç çeşitte imal edilebilmektedir. Aşağıda tablo 2.1, tablo 2.2 ve tablo 2.3 de rüzgar türbinlerinin birbirleri ile çeşitli özellikleri ve tipleri dikkate alınarak kıyaslanması verilmiştir. Bu tablolarda; türbinin kullanış amacı, bölgedeki rüzgar ve maddi imkanlara göre nasıl bir türbin seçimi gerektiği veya kurulmak istenen türbinin özellikleri görülmektedir. [4], pitch kontrol bölüm 3 te ele alınmıştır. 19
Tablo 2.1 Büyüklüklerine göre türbinlerin karşılaştırılması Tablo 2.2 Rüzgar alış yönüne göre türbinlerin karşılaştırılması Tablo 2.3 Kanat çeşitlerine göre türbin çeşitlerinin karşılaştırılması. Yerel yüzey yapısı, bitki örtüsü ve yüksek bina gibi engeller rüzgar hızını etkileyen faktörlerin başında gelmektedir. Türbinler düz tepelerde, en yüksek noktaya; vadi, kanyon ve geçitlerde ise hakim rüzgarı alabilecek ve tüketiciden uzak olmayacak şekilde yerleştirilmelidir. Kanat yerleşiminde, asgari kanatın yerden 3m yüksekte olması ve kullanım yerinden 40m uzakta olması avantajdır. Rüzgar çiftliklerinde yapılan düzenlemelerde her bir türbin, rüzgarı en iyi alacak şekilde ve birbirlerinin arkasına, gölgeleme etkisi en az olacak şekilde yerleştirilmesine dikkat edilmelidir. Sonuçta ticari olarak en çok kullanılan türbin çeşitleri YERT lerdir. Bu türde: kanat çapları 100m ve kule yükseklikleri 105m olan türbinler bulunmaktadır. Belirli bir uygulamada kullanılan rüzgar türbinleri o uygulamanın gerektirdiği özelliklere sahip olmalıdır. Çok hızlı dönen bir kanat, çok yavaş dönen fakat çok kanatlı bir pervane ile aynı düzeyde enerji toplamaktadır. Böylece az kanat yapılması malzeme tasarrufu sağlayıp maliyeti ve kule ağırlığını düşürmektedir. Ana amaç verimin yüksek, maliyetin düşük olmasıdır. Küçük bir arazide rüzgar türbinlerinin sayısının artışı ile toplam enerji miktarında artma olmasına rağmen, rüzgar çiftliğinin veriminde azalma görülür. Bu nedenle arazi özelliklerine, rüzgar hızına ve kullanım amacına uygun türbinler seçilmelidir. 20
2.2 RÜZGAR KAYNAK ALANLARININ BELİRLENMESİ VE YER SEÇİMİ Bir bölgenin rüzgar potansiyelinin sistemli olarak değerlendirilebilmesi için en azından bir yıl, belli zaman aralıklarında rüzgar hızı ölçümlerinin alınması ve bunların kaydedilmesi gerekmektedir. Bu işlem türbin kurulması planlanan noktada, türbinin hub yüksekliğine yerleştirilen rüzgar hızı ölçer ( anemometre ) ile yapılmaktadır. Rüzgar türbinleri çevredeki engellerin rüzgârı kesemeyeceği yükseklikte bir kule üzerine yerleştirilirler. Zira rüzgâr hızı hem yükseklikle artmakta, hem de daha az değişken olmaktadır. Daha çok elektrik üretmek için türbinlerin rüzgâr hızının sabit olduğu alanlarda kurulması uygundur. Ölçüm işlemleri sırasında ölçüm aralıklarının rüzgar enerjisi yoğunluğu hesaplarına etkisi göz önünde bulundurulmalıdır. Resim 2.3 Rüzgar hızı ölçer Anemometre ( www.enercon.de ) Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından yayımlanan rüzgar enerjisi potansiyelinin değerlendirilmesi hakkındaki yönetmeliğinin ikinci kısım madde 5-1 inde belirtildiği gibi güç yoğunluğu en az 250 W/m 2 olan santral kurmaya elverişli alanlar rüzgar kaynak alanı olarak belirlenmiştir ve başvuruların teknik değerlendirmesi sırasında santral alanında güç yoğunluğu 300 W/m 2 nin altında olan başvurular EİE tarafından değerlendirmeye alınmamaktadır. Kaynak alanların belirlenmesi sırasında EİE tarafından internet üzerinden yayımlanan rüzgar kaynak alanlarının pafta adı, UTM [5] koordinatları, topoğrafik özellikleri, rüzgar özellikleri, güç yoğunluğu, referans kurulu gücü [6] ve bu güçte üretilebilecek yıllık elektrik enerjisi miktarı [7], mülkiyet, kullanım ve ulaşım durumu, alanın yakın çevresi ile ilgili bilgilerden yararlanılmaktadır. [5] ; altı derecelik dilim esasına göre verilen koordinat, [6],[7] ; referans rüzgar türbini teknik özellikleri ve bu güçte üretilebilecek yıllık elektrik enerjisi miktarının hesaplama yöntemi, rüzgar enerjisi potansiyelinin değerlendirilmesi hakkındaki yönetmeliğin sırasıyla ek-1 ve ek-2 sinde mevcuttur. 21
BÖLÜM 3 3.1 RÜZGAR TÜRBİN BİLEŞENLERİ Rüzgar türbinlerinin bileşenleri ; kanatları, hubu, aerodinamik kontrol ara yüzünü içeren rotor, dişli kutusu, generatör mekanik frenleme, şaft, rüzgar geliş yönüne göre rotoru kontrol eden ve sapmaları kontrol altında tutan,motor, frenleyici ve metal plakalardan oluşan yaw mekanizması,nacelle, pitch kontrol gibi kısımları içeren drive train ve kuleden oluşur.. Aşağıda rüzgarı önden alan yatay eksenli türbinler için bu kısımlar ayrı ayrı incelenmiştir. 3.1.1 ROTOR Rotor türbin bileşenleri arasında benzersiz olan bir yapıdadır. Diğer birçok makine türünde sürücü, frenleme gibi bileşenler olmasına rağmen sadece rüzgar türbinlerinde rüzgarın yan tahrik edici kuvvetin geliş açısına bağlı olarak yön değiştiren ve önemli miktarda güç eldesi amaçlayan rotor yapıları tasarlanmaktadır. Rotor; kanatlar, aerodinamik control arayüzü ve kanatlar ile düşük hız şaftı arası bağlantı noktası olan hub dan oluşur. 3.1.1.1 Kanatlar ( Blades ) Kanatlar, rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye çeviren ve böylece generatörün enerji üretimi için gerekli olan torkun üretimini sağlayan, rotorun ene temel bileşenidir.kanat yapılarıyla ilgili olan önemli iki nokta ; kanatların aerodinamik yapısı ve yapıda kullanılan malzemelerdir. Kanat aerodinamiğine etkiyen birinci faktörler; Üretilmek istenilen gücün ve bölgedeki rüzgar hızının seviyesi, Sağlamlık Kanat sayısı Rotorda uygulanacak olan hız kontrolü ( stall veya pitch kontrol ),i Rüzgarı önden ya da arkadan alacak olan yapılardan hangisinin seçileceği, Devrilme hızı oranı. Şekil 3.1 Aerodinamik yapıya göre kanat yapıları 22
Şekil 3.2 Uca doğru sivrilen yapıda ( Linear Taper ) kanat kesiti. ( GASCH, 1996 ) Kanatların yapımında ise 1940 yapımı 1250kW2lık smith-putnam ve 1950 yapımı 200 kw lık Gedser türbinlerinde olduğu gibi 1960 lere kadar yapılan türbinlerin brçoğunda malzeme olarak çelik evsaflı bileşenler kullanılmaktaydı. 1970 lerden sonra ise polyester reçine içine yerleştirilmiş fiberglas, ahşap-epoksi karışımı bileşenlerinden ve alüminyumdan oluşan komposit malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Kanadın gövdesinde köpüksü malzeme kullanılmaktadır. Şekil 3.3 Kanat aksiyel kesiti ( Peery and Weingart, 1980 ) Resim 3.1 Fiberglas malzemenin kanat içyüzeyine yerleştirilişi 23
3.1.1.2 Aerodinamik Kontrol Arayüzü ( Aerodinamik Control Surface ) Rotor aerodinamiğinin değiştirilmesi için hareket ettirilebilen ve mevcut farklı tipleriyle kanatlara dahil olan kısım olup kullanılan kontrol yöntem çeşidine bağlı olarak farklı yapılara sahip olabilirler. Şekil 3.2 Eğik eksenli aerodinamik frenleyici 3.1.1.3 Hub Türbinde kanatlar ile ana şaftı ve dış boyunduruk kısmından sabitlenerek nacelleyi birleştiren bileşendir.türbinin sağlıklı çalışabilmesi için hubun kanatlardan aktarılan tüm kuvvet bileşenlerine karşı dayanıklı olması gereklidir.genel olarak çelik, kaynak ve döküm malzemelerden imal edilirler. Şekil 3.4 Hub şaft bağlantısı Modern türbinlerde kullanılan, bağlantı şekillerine göre üç farklı tip hub imal edilmektedir. i ) Rigit hub ii ) Hinged hub iii ) Teetering hub 24
Şekil 3.5 Farklı hub seçenekleri a ) b ) c ) Resim 3.3 a ) Üç kanatlı türbin için hazırlanmış teetering hub b ) Kanat bağlantıları c ) Root mekanizması 25
3.1.2 DRIVE TRAIN Main şaft, coupling, dişli kutusu ( gearbox ), fren mekanizması ( break ),generatör ve kule üzerindeki kafa kısmı olan nacelleyi kapsayan ; elektrik enerjisinin üretildiği ana kısımdır.drive train bileşenleri şekil 3.4 de görülmektedir. Şekil 3.6 Drive train ve bileşenleri 3.1.2.1 The Main Shaft ( Ana Şaft ) Düşük hız şaftı veya rotor şaftı olarak da adlandırılan ana şaft rotordan alınan torku drive train e aktaran ve aynı zamanda rotor ağırlığını da taşıyan kısımdır.çelik özlü malzemeden imal edilir. Hava kabarcığı, çatlak gibi mukavemeti azaltacak etkilere karşı rontgen çekilerek kullanım öncesi kontrolü yapılır. 26
3.1.2.2 The Couplings ( Ara bağlantı Elemanı ) Ana şaft ile generatöre giden çıkış şaftını bağlayan arayüz elemanıdır.ana şaft ile dişli kutusu arasına bağlantı yapan coupling 1 ve dişli kutusu ile çıkış şaftı ve generatöre bağlantı yapan coupling 2 olmak üzere iki ayrı yerde kullanılır. 3.1.2.3 The Gearbox ( Dişli Kutusu ) Ana şafttan alınan, ortalama 50 d/dk olan dönel hareket hızını 50 Hz için 1500 d/dk ya, 60 Hz için 1800 d/dk ya çıkartan çark sistemidir.paralel şaft dişli kutusu ve planetary ( gezgin ) dişli kutusu olmak üzere iki temel tipi vardır. Resm 3.4 Paralel şaft dişli kutusu Dişli kutusu dizaynında ve seçiminde dikkate alınması gereken hususlar ; * Hangi tip dişli kutusunun kullanılacağı * Ana şafttan ayrı (separated gearbox) veya anaşaft ile bütünleştirilmiş (integrated gearbox) yapılardan hangisinin tercih edileceği * Çevirme oranına göre dişli sayısı * Ağırlığı ve fiyatı * Süreksizliğe karşı vereceği cevap * Ses * Verimliliği ve yağlama durumu Şekil 3.7 27
3.1.2.4 The Generator ( Generatör ) Generatör, rotordan gelen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinedir.şebeke veya sabit yük bağlantısında kesintisiz, düzgün bir sinüzoidal gerilim elde edebilmek için generatör rotorunun sabit yada sabite yakın hızda en önemli koşuldur.rüzgar türbinlerinde senkron,asenkron ve fırçasız DC makineler generatör çalıştırılmada en çok kullanılan makinelerdir.. Senkron Generatör :. Rotor sargılarına verilen DC uyarma ile oluşan DC manyetik alan, uygulanan tahrikle endüvi sargılarında AC gerilim endüklenmesini sağlar.direkt şebeke bağlantılı yapıların yanı sıra çoğunlukla sabit mıknatıslı permanent magnets kullanılan makinelerde güç elektroniği elemanlarıyla hazırlanan konverter-akü-inverter grupları kullanılarak besleme sağlanır.senkron makinelerde uyarma akımının gerekliliği ve büyük güçlerde doğrultucu kullanımındaki zorluklar nedeniyle asenkron generatör kullanımı yaygınlık kazanmıştır. Asenkron Generatör : Asenkron makinelerde rotor hızı senkron hızın üzerine çıkarıldığında s kayması negatif değer alır ve makine generatör olarak çalışır.( s<0 ; n>n s ). Rotorda endüklenen emk kaymanın negatif olmasından dolayı negatif işaret değeri alır.bu sebeple bu gerilimin ürettiği akımın yönü şebekeye doğrudur.makine mıknatıslanma için gereken reaktif gücü şebekeden çekerken şebekeye aktif güç verir. Şekil 3.8 Farklı frekanslarda kayma değerine göre makinenin çalışma şekli Asenkron generatörün şebekeye paralel bağlanması için gereken koşullar, frekans eşitliği ve her iki tarafta faz sıralarının aynı olmasıdır. Birinci koşul generatörün kutup sayısına göre senkron hızı ve negatif kayma sınırını belirker. İkinci koşul ise ise döner alan yönünü belirler. Bu koşula göre döner alan yönlerinin aynı olması gerekir, çünkü makine şebeke tarafından yönlendirilir ve tahriğin tersi yönüne doğru çalışır ve bu durumda hasar verici durumlar ortaya çıkar. Eğer asenkron generatörün şebekeye paralel bağlanmadan tek başına bir yük grubunu beslemek durumunda olduğu otoprodüktör santrallerde, çalışma koşulları tamamen değişir. Şebeke olmadığı için mıknatıslanma akımını çekecek kaynak yoktur ancak, mutlaka temin edilmelidir. Bu nedenle asenkron makineye endüktif güç verebilecek kaynak bulmak gerekir. Bu kaynak ise bie kondansatör grubudur. Bu grup makinenin hemen yanına yerleştirilir ve asenkron makineye gereken reaktif mıknatıslanma akımını verir. Ancak kondansatör grubundan akım elde edebilmek için, Ohm yasasına göre gerilime gerek vardır.şebekeden uzak, elektrik enerjisinin olmadığı yerlerde bu akımın elde edilmesi makinenin içinde kalıcı 28
mıknatıslıktan oluşan gerilimin va4rlıına bağlıdır.kalıcı mıknatıslık ve kalıcı gerilim, makinede kullanılan malzemenin ferromanyetik yapısından kaynaklanır. Stator sargısı ile stator ve rotordan oluşan manyetik devrenin B-H karakteristiği, eksenlerde yapılan değişiklikle, aynı zamanda ölçek farkı ile gerilim düşümleri ihmal edilirse V 1 =f(i m ) eğrisini verir ve buna mıknatıslanma karakteristiği denir. Bu durumda önemli olan kullanılacak olan kapasitenin değerinin belirlenmesidir. Makinenin kendin uyarabilmesi için sargılardan akacak akımın I m kadar olması gerekir ve bu da kondansatör akımına eşit olması gerekir. C = I m / V r.ώs (3.1) Şekil 3.9 Asenkron makine Rüzgar türbin uygulamalarında özellikle1-1.5 MW üzeri güçlerde asenkron generatör tercih edilmekte olup güçlerine göre yükseltici transformatöre iletilmek üzere çıkış gerilimi 1000 V a kadar olan generatörler kullanılmaktadır. [8] DC Generatör : DC generatörler özellikle ilk rüzgar türbin uygulamalarında akü şarj ve inverter blokları kullanılarak tercih edilmiştir. Günümüzde fırça ve kolektör sisteminden kaynaklanan komutasyon sorunları nedeniyle sadece fırçasız DC generatörler, daha çok küçük güçlü uygulamalarda ve dikey eksenli uygulamalarda tercih edilmektedir. Rüzgar türbin uygulamalarında permanent magnets uygulamalarına da sıkı sık rastlanmaktadır. Özellikle 10 Kw ya kadar olan güçlerde kullanılan bu generatörlerin sağladığı manyetik alan sayesinde alan oluşturmak için ekstra akıma ihtiyaç kalmamaktadır. Örneğin manyetiklerin direkt olarak dökümden yapılan alüminyum rotorla bağdaştırıldığı uygulamalarda kayma halkalarına veya fırçalara ihtiyacın olmaması gibi avantajlar söz konusudur. Çoğunlukla direkt olarak AC şebekeye bağlanmak yerine değişken gerilim üretimi söz konusu olduğundan yine AC DC AC dönümüyle bağlantı söz konusudur. 29
3.1.2.5 The Break ( Frenleme Mekanizması ) Rüzgar türbinlerinin hemen hepsi mekanik bir fren mekanizmasına sahiptir.frenleme sistemi disk ve kavrama ile yapılan iki ayrı yapıda olabilir.önemli olan frenlemenin devreye giriş süresinin kısa olması ve enerji absorbsiyon kapasitesinin yüksek olması yani rotorden gelen mekanik enerjiye karşı ataleti koruyabilmesidir.mekanik frenlemeye ek olarak elektronik temelli dinamik frenleme de kullanılmaktadır. 3.1.2.6 The Electronic Controllor ( Elektronik Kontrolör ) Elektronik kontrolör, rüzgâr türbininin şartlarını sürekli olarak takip eden ve yaw mekanizmasını kontrol eden bir bilgisayar bulundurur. Herhangi bir arıza (dişli kutusu veya jeneratörün aşırı ısınması gibi) durumunda türbini otomatik olarak durdurur ve türbin operatörü bilgisayarına modem hattı ile çağrı mesajı gönderir. 3.1.2.7 Anemometer and Wind Vane ( Anemometre ve Rüzgâr Vanası ) Rüzgârın hızını ve yönünü ölçmek için kullanılırlar. Rüzgâr hızı 4 m/s ye ( cutin) eriştiğinde türbini harekete geçirmek için rüzgâr türbininin elektronik kontrolcüsü tarafından anemometrenin gönderdiği elektronik sinyaller kullanılır. Eğer rüzgâr hızı 25 m/s i ( cut-out ) aşarsa bilgisayar, türbini ve çevresindekileri korumak için rüzgâr türbinini otomatik olarak durdurur. Rüzgâr vanasından gelen sinyaller, rüzgâr türbini elektronik kontrolörü tarafından alınarak, yaw mekanizması yardımıyla rüzgâra karşı türbini döndürmek için kullanılır. [9] 3.1.2.8 Yaw Sistemi Yaw mekanizması, rüzgâr vanasını kullanarak rüzgâr yönünü belirleyen elektronik kontrolcü tarafından işletilir. Rüzgâr yönü değiştiği zaman, normal olarak o anda yaw sadece bir kaç derece kadar olacaktır. Rüzgâra karşı nacelle ile rotoru döndürmek için elektrik motorlarını kullanır. Şekil 3.10 Tipik bir yaw mekanizması ve fren sistemi 30