YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ

YENİLENEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ Giriş: 1.1. İş, Enerji ve Güç: İş, Enerji ve Güç: uygulanan kuvvet nedeniyle bir cisme aldırılan yola veya konum değişikliğine iş denir.enerji ise bir cismin iş yapabilme yeteneği olarak adlandırılır. Bu tanımlar çerçevesinde güç, birim zamanda yapılan iş, harcanan veya üretilen enerji ( enerji dönüşümü) olarak adlandırılır. Eğer zaman aralığında yapılan iş (veya harcanan enerji) miktarı ise ilgili periyot aralığındaki ortalama güç: Buradan ani güç ile elde edilir. = Gücün zamanı boyunca sabit olması durumunda NOT: Güç-İş yerine Güç-Enerji ilişkisi verilirken yerine kullanmak daha uygun olacaktır. 1.2. Enerji Dönüşümü ve Enerjinin Farklı Formları Enerji, genelde kullanımı esnasında bir formdan başka bir forma dönüşür. Bu dönüşüm enerji dönüşümü olarak adlandırılırken, enerji dönüşümünü sağlayan birçok teknoloji geliştirilmiştir. Aşağıdaki tabloda enerji dönüşüm formları ve enerji dönüşüm teknolojilerine ilişkin verimler özetlenmiştir. 1

Enerji Dönüşüm Formları Enerji Dönüşüm Teknolojileri Verimleri Mekanik Enerji-Elektrik Enerjisi Elektrik Generatörü %95-%98 Kimyasal Enerji-Elektrik Enerjisi Akü (Batarya) 90% Yakıt Hücresi 60% Işık (Güneş) Enerjisi-Elektrik Enerjisi Fotovoltaik Güneş Hücresi %15-%20 Isıl (Termal) Enerji- Elektrik Enerjisi Termokupl %5-%7 Mekanik Enerji-Mekanik Enerji Dişli Kutusu %75-%85 Kinetik Enerji-Mekanik Enerji Su Türbini 95% Rüzgâr Türbini %30-%45 Elektrik Enerjisi-Mekanik Enerji Elektrik Motoru %65-%95 Kimyasal Enerji-Termal Enerji Gaz Fırını/Gaz Ocağı 85% Buhar Kazanı 87% Dizel Motor 38% Gaz Türbini %35-%38 İçten Yanmalı Motor vb. 25% Elektrik Enerjisi-Isı Enerjisi Rezistans Tabanlı Elektrikli Isıtıcılar Ark Fırını İndüksiyon Fırını Elektrik Enerjisi-Işık Enerjisi Akkor Flemanlı Lamba Etkinlik Faktörü Kullanılır Gaz Deşarjı Prensibi ile Çalışan Lamba Etkinlik Faktörü Kullanılır LED Etkinlik Faktörü Kullanılır Işık (Güneş) Enerjisi-Isı Enerjisi Güneş Kolektörleri %42-%45 2

1.3. Enerji Kaynakları ve Sınıflandırılması Enerji kaynaklarını birçok açıdan sınıflandırmak mümkün iken, en çok tercih edilen sınıflandırma yenilenebilinir ve yenilenebilir olmayan enerji kaynaklarını baz alan sınıflandırmadır. Buna göre enerji kaynaklarının sınıflandırması aşağıdaki diyagramda özetlenmiştir. ENERJİ KAYNAKLARI FOSİL YAKITLAR 1. KÖMÜR 2. PETROL 3. DOĞAL GAZ YENİLENEBİLİR OLMAYAN ENERJİ KAYNAKLARI MADENSEL YAKITLAR 1. NÜKLEER ENERJİ (Uranyum-Toryum) YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI 1. RÜZGAR 2. GÜNEŞ 3. JEOTERMAL 4. HİDROLİK/GELGİT/DALGA 5. BİOKÜTLE/BİOYAKIT 6. HİDROJEN 1.4. Elektrik Enerjisinin Geleneksel ve Yenilenebilir Enerji Tabanlı Üretimi Hidroelektrik Güç Üretimi: Hidroelektrik kaynaklar elektrik üretiminde önde gelen başlıca kaynaklar arasında yer alır. Hidroelektrik enerji üretiminin temel prensi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Burada su, yüksek bir rezervden hidrolik türbininin kanatlarına etki ederek doğrudan elektrik generatörünün milini çevirir. Hidroelektrik santralların çoğunluğu büyük ölçekli santrallar olup genellikle 30 MW ın üzerinde bir güç üretim kapasitesine sahiptir. 30 MW ile 100 kw aralığındaki hidroelektrik santrallar küçük ölçekli santrallar olup, 100 kw ın altındaki daha çok nehir tipi üretimler ise mikro-hidroelektrik üretim sınıfına girmektedir. 3

Baraj Gölü (Rezerv) Su Bendi Düşü Yüksekliği, h Cebri Boru Elektrik Üretimi Santral Binası (Turbo-Generatör) Şekil 1. Hidroelektrik enerji üretiminin prensip şeması Nehir Yatağı Yukarıdaki şekli dikkate alarak h yüksekliğinde bulunan m kütleli bir suyun yerçekimi dolayısı ile barındırdığı potansiyel enerji; m, kütle F = mg h [Watt-saniye] NOT: h= düşü yüksekliği [m] 4

g= yerçekimi ivmesi[m/s 2 ] Burada potansiyel enerjinin zamana göre türevi alınırsa, su kütlesinde depolanmış potansiyel güç elde edilir. Su akışının sabit olduğu kabul edilirse; Birim zamanda akan kütle olarak alınırsa, yazılabilir. Burada; Q= su debisi [m 3 /s] =su yoğunluğu [kg/m 3 ] Bu durumda suyun potansiyel gücü; [W] olarak elde edilir. h yüksekliğindeki suyun cebri borular (basınçlı boru) vasıtası ile aşağı düşmesi sonucu, potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür. Bu düşü esnasında cebri borularda oluşan kaybında dikkate alınması ile; eşitliği yazılabilir. Düşü esnasındaki boru kayıpları ihmal edilirse; eşitliğinden elde edilir. Burada suyun düşü esnasında oluşabileceği en yüksek hız değerini göstermektedir. 5

Sistemde cebri boru, türbin ve generatör dolayısı ile oluşan kayıplar, genel olarak bir verimi ile ifade edilirse; bu durumda elektrik enerjisine dönüşen potansiyel su gücü; ile ifade edilir. ÖRNEK: Keban baraj gölünün düşü yüksekliği 210 m olup, 1300 MW lık bir kurulu güce sahiptir. Baraja ait cebri boru, türbin ve generatör sisteminin toplam veriminin %78 olduğunu kabul ederek santralın tam kapasitede çalışması için gerekli olan debi miktarını bulunuz. ÇÖZÜM: Biriktirmeli hidroelektrik santraller(pumpstorage) genellikle yük talebinin yüksek olduğu zaman dilimlerinde enerji ihtiyacına katkı sağlamak amacı ile kullanılırlar. Bu santraller gece elektrik tarifesinin ucuz olduğu zaman dilimlerinde suyu aşağıdan baraj göletine pompalar vasıtası ile basarlar, gündüz tarifenin yüksek olduğu tepe zaman dilimlerinde ise üretilen elektriği satarlar. Bu tür hidroelektrik santrallerde genel sistem veriminin yanında ilave olarak pompa sisteminin verimi de hesaba katılır ( ).Bu durumda biriktirmeli hidroelektrik santralin genel verimi, olarak elde edilir. ÖRNEK: Düşü yüksekliği 210 metre olan biriktirmeli tip bir hidroelektrik santralin cebri boru, türbin, generatör ve pompa sistemine ilişkin birleşik verimi %62,4 tür. Bir adet türbin kanatlarına çarpan suyun debisi olduğuna göre çıkış gücünü hesaplayınız. Kayıpların ihmal cebri borudaki kayıpların ihmal edilmesi durumunda suyun düşü esnasında ulaşacağı en yüksek hızı hesaplayınız. 6

ÇÖZÜM: Gelgit Güç Üretimi (Tidal Power Generation): Gelgit (med cezir) enerjisi, Ay çekim kuvvetinin okyanuslar üzerindeki etkisi ile oluşur. Ay, Dünya nın yörüngesinde dönerken yerkürenin bir tarafı Ay'a daha yakındır. Bu durumda Ay'a yakın yerdeki sular Ay tarafından kendine doğru çekilirler. Gelgit olayı okyanusları daha çok etkiler. Bu nedenleay çekim kuvveti, okyanus sularının kabarmasına neden olur. Bu kabarma birkaç metreden 16 metreye kadar olabilir. Ay Yerküreden daha uzak noktada iken çekim kuvveti azalır, yaklaştıkça ise çekim kuvveti artar. Böylece Dünya nın Ay'a bakan yüzeyinde sular yükselirken, diğer yerlerde alçalır. Bu yükselme ve alçalma birbirini devamlı izler. Yerküredeki okyanus sularının ardı ardına alçalma ve yükselmesi olayı bir gün içerisinde belirli saatlerde tekrarlanır ki bu olay Gelgit olayı veya med cezir olayı olarak adlandırılır. Gelgit olayı dolayısı ile açığa çıkan enerjiden elektrik enerjisi üreten iki ana generatör çeşidi vardır. Bunlardan birinci guruptaki teknoloji, gelgit esnasındaki akıntıları, su değirmeni sistemine benzeyen bir generatör yapısı ile elektrik enerjisine çevirirken, diğer guruptaki teknoloji, klasik hidroelektrik baraj sistemindeki gibi bir kanal içerisinden suyun geçirilmesi ile türbin-generatör sisteminin tahrik edilmesine dayanır. Gelgit enerjisinden yararlanabilmek için büyük su havzalarına ihtiyaç vardır. Bu havzalar, nehirlere veya nehir ağızlarına kısmen veya tamamen set çekilerek oluşturulur. Oluşturulan bu baraj bentlerinde klasik hidroelektrik santrallerde olduğu gibi santral binası, bent kapağı ve kanallar yapılır. Gelgit sularının baraj bendi içerisinde hem içe hem de dışa doğru akışı,elektrik enerjisi üretimi için uygundur. Öncelikle suyun, gelgitin yüksek seviyesinden ırmağın yukarısına (ırmak doğal akıntısının tersi) doğru akması sağlanır. Bu durum suların tekrar çekilmesine kadar davam eder. Daha sonra bu durum nehir tarafından deniz yönüne doğru tersine çevrilir ve periyot bu şekilde devam eder. Su seviyesinin havza kapasitesini aşması durumunda baraj kapakları açılarak suyun boşalması sağlanır. 7

AÇIK DENİZ GELGİT BARAJ HAVZASI Şekil 2.Gelgit Güç Üretiminin prensip şeması 8

Gelgit enerjisi ile elde edilen enerji miktarını hesaplayabilmek için aşağıdaki gelgit seviye farkını ( ) dikkate alalım. Havzada tutulan suyun taban alanı A [m 2 ] ise, bu durumda havzadaki suyun toplam hacmi, Suyun hacmini olarak alınırsa, havzada tutulan suyun kütlesi, olduğundan, olarak hesaplanır. Hareketi kontrol edilen suyun yerçekimi dolayısı ile oluşturduğu kuvvet, 9

olarak hesaplanır. Burada yerçekimi ivmesi olup, h yüksekliğinde bulunan m kütleli bir suyun yerçekimi dolayısı ile barındırdığı potansiyel enerji dır. Ancak biz burada havzadaki toplam suyu dikkate aldığımızdan dolayı, h yüksekliğindeki suyun ortalama dikey yer değiştirmesi olacaktır. Bu nedenle havzadaki suyun potansiyel enerjisi; Görüleceği üzere burada en önemli dizayn kriteri düşü yüksekliği olan [m] yüksekliğidir. Gelgit olayı günde iki defa tekrarlanır. Bu tekrarlama ayın hareketlerine bağlı olduğu için hesaplamalarda ay günü dikkate alınır. Bir ay günü, herhangi bir meridyenin iki kez Ay ın karşısından geçtiği süre olup, bu süre yaklaşık 24 saat 50 dakikadır. Yani yaklaşık bir ay günü 24,8 saattir. Bu durumda gelgit enerjisinden alınacak maksimum teorik güç, olarakhesaplanır. Çeşitli kayıplardan dolayı sistemden alınabilecek gerçek güç, maksimum teorik gücün ancak %20-%30 u aralığında gerçekleşir. Kayıpları dikkate alan sistem verimi yukarıdaki formüle dahil edilirse, olur. ÖRNEK: Ortalama düşey yer değiştirme yüksekliği olan bir gelgit enerji üretim sisteminin havza taban alanı olarak verilmektedir.gelgit enerji üretim sisteme ilişkin genel ortalama verim %27 olduğuna göre 1 yılda üretilebilecek elektriksel enerji miktarını olarak hesaplayınız. Barajın ekonomik olarak uygulanabileceği duvar uzunluğu maksimum kaç metre olmalıdır[not: Ekonomik uygulanabilirlik için olmalıdır.] 10

ÇÖZÜM: Dalga Enerjisi: Güneş enerjisi rüzgâr enerjisini, rüzgâr enerjisi de dalga enerjisini oluşturur. Denizlerdeki yüzey dalga karakteristiği sinüzoidal yapıdadır. Aşağıdaki şekilde görüldüğü üzere, su tanecikleri yüzey su dalgası boyunca dairesel bir yörünge izlerler. Bir su dalgasının taşımış olduğu güç miktarını hesaplayabilmek için aşağıda verilen ideal sinüs dalgasını göz önünde bulunduralım. Şekil. Yüzey suyu dalgasının genel karakteristiği 11

Yukarıda karakterize edilen dalganın yayılım hızı olarak verilir. Burada metre cinsinden dalga boyu olup, ise cinsinden dalganın frekansıdır. Buna göre dalganın açısal frekansı, olarak verilir. Burada yüzey dalgasının açısal frekansı, su tanecilerinin izlemiş olduğu dairesel yörüngenin açısal frekansına eşittir. Dairesel hareket eden su taneciklerinin lineer hızı dir. Dalga teorisine göre su yüzeyi dalgasının dalga boyu yerçekimi ivmesi ve açısal hızın bir fonksiyonu olarak ifade edilmektedir. olduğundan, Buradan dalga boyu ve yerçekimi ivmesi cinsinden su dalgasının yayılma hızı, yerine yazılırsa; eşitliğinden hareketle olarak yazılır. Bu değer yukarıdaki denklem içerisinde, [m/s] olarak elde edilir. Birim mesafe başına düşen bir dalganın tepe genişliğine ait toplam enerji miktarı olarak verilir. ve olduğundan,. enerji ifadesinde yerine yazılırsa; elde edilir. Bu değer 12

Buradan birim tepe genişliğinin taşımış olduğu maksimum teorik güç, yukarıdaki ifadenin zamana bölünmesi ile olarak elde edilir. Pratikte yüzey dalgaları için verilen yukarıdaki güç değerinin yaklaşık %30 luk bir kısmı elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Dolayısı ile verilen teorik güç ifadesine verimin dahil edilmesi ile; Elde edilir. Burada verimi, pratikte %30 civarında gerçekleşir. Yukarıdaki ifade bir yüzey dalgasından elde edilebilecek gücü göstermektedir. Yüzey dalgasından enerji elde edilebileceği gibi derin deniz dalgalarından da enerji dönüşümü sağlamak mümkündür. Literatürde derin deniz dalgalarından elde edilebilecek teorik güç miktarı pratik bir yaklaşım ile olarak verilir. Burada; Derin su dalgası için verilen teorik güç ifadesine verimin dahil edilmesi ile; Burada verimi, pratikte %15-%20 civarında gerçekleşir. 13

ÖRNEK: Maksimum teorik gücü olan bir yüzey dalgasının periyodu olarak ölçülmüştür. Dalgaya ilişkin; a) Açısal hızı, b) Frekansı, c) Dalga boyunu, d) Dalga yayılım hızını, e) Dalga yüksekliğini f) Eğer verilen dalga bir derin su dalgası olsa idi, bu durumda dalgadan elde edilebilecek güç miktarı kaç olur? ÇÖZÜM: 14

RÜZGÂR ENERJİSİ VE RÜZGÂR ENERJİ SANTRALLERİ (RES) Rüzgar enerjisi son yıllarda dünyanın en hızlı büyüyen enerji kaynağı olup, özellikle geçmiş 10 yılda rüzgar enerjisi kullanım kapasitesi oldukça hızlı büyümüştür. 2007 yılı sonu itibari ile Dünyadaki toplam rüzgar enerjisi kullanımı 94.1 GW değerine ulaşmıştır. Bu rakam 1994 yılında 3.5GW, 2004 yılında ise 47GW idi. Dünya da rüzgar enerjisi kurulu gücündeki büyüme yaklaşık yıllık olarak %30- %35 civarındadır. Ancak rüzgar enerjisinin payı ancak %1 ler seviyesindedir. Almanya ve Danimarka rüzgar enerjisi kullanımında Dünya da en önde gelen ülkelerdir. 2007 verilerine göre, Danimarka yaklaşık enerjisinin %20 sini rüzgardan karşılarken, bu oran Portekiz ve İspanyada %9, Almanya da ise %7 seviyelerindedir. Ancak toplam rüzgar enerjisi kurulu gücü bakımından Almanya Dünya lideridir. Türkiye de rüzgâr enerjisi yatırımları 1998 yılından itibaren, daha çok küçük ölçeli yap-işlet-devret modeli ile uygulamalar artmaya başlamıştır. Türkiye de halen faaliyette olan Rüzgâr Santralleri Tablo 1. de verilmiş olup, ilgili verilere göre Türkiye deki toplam kurulu güç 13 santral ile 249.15 MW tır. Bu haliyle ülkemizde rüzgâr enerjisinin payı %1 seviyesinin altındadır. Tablo 1. 2008 yılı itibari ile Türkiye de faaliyette olan Rüzgâr Santralleri YERİ ŞİRKET ÜRETİME GEÇİŞ GÜÇ(MW) İMALATÇI TÜRBİN SAYISI İzmir - Çeşme Alize A.Ş 1998 1.5 Enercon 3 İzmir - Çeşme Güçbirliği A.Ş. 1998 7.2 Vestas 12 Çanakkale - Bozcaada Bores A.Ş. 2000 10.2 Enercon 17 İstanbul - Hadımköy Sünjüt A.Ş. 2003 1.2 Enercon 2 Balıkesir - Bandırma Bares A.Ş. I/2006 30 GE 20 İstanbul - Silivri Ertürk A.Ş. II/2006 0.85 Vestas 1 İzmir - Çeşme Mare A.Ş. I/2007 39.2 Enercon 49 Manisa - Akhisar Deniz A.Ş. I/2007 10.8 Vestas 6 Çanakkale - İntepe Anemon A.Ş. I/2007 30.4 Enercon 38 Çanakkale - Gelibolu Doğal A.Ş. II/2007 14.9 Enercon 18 Hatay - Samandağ Deniz A.Ş. I/2008 30 Vestas 15 Manisa - Sayalar Doğal A.Ş. I/2008 30.6 Enercon 38 İzmir - Aliağa İnnores A.Ş. I/2008 42.5 Nordex 17 Rüzgâr enerjisi kullanımındaki paralelliğe bağlı olarak, Rüzgar enerjisi teknolojisi de son 20 yıl içerisinde hızla gelişmiştir ve halen rüzgar enerjisi teknolojisi ile ilgili bütün hususlar araştırma konusu olup gelişmeye devam etmektedir. 15

RÜZGÂR ENERJİSİ DÖNÜŞÜMÜ Bir rüzgâr enerji dönüşüm sisteminin temel safhaları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Türbin rotoru aerodinamik olarak dizayn edilmiş kanatları vasıtası ile rüzgar dalga enerjisinin bir kısmını yakalayarak mekanik enerjiye çevirir. Düşük hızlı bu mekanik enerji dişli kutusu yardımı ile yüksek generatör hızı seviyesine çıkarılır. Eğer generatör yüksek kutup sayısına sahip ise dişli kutusuna ihtiyaç duyulmayabilir. Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji ise generatör aracılığı ile elektrik enerjine dönüştürülür. Daha sonra transformatör ve iletim hatları aracılığı ile yerel elektrik şebekesine elektrik sayacı ve kesici üzerinden bağlanır. Tercih edilen rüzgâr enerji sistemi topolojisine bağlı olarak transformatörden önce güç elektroniği üniteleri ile elektrik enerjisi farklı formlarda regüle edilir. Şekil 0: Rüzgâr enerjisi dönüşüm aşamaları RÜZGÂR TÜRBİNLERİNİN YAPISI VE ÇEŞİTLERİ Rüzgâr türbinleri mekaniksel olarak elektrik generatörüne bağlı iki veya daha fazla kanatları olan rotorları vasıtasıyla rüzgâr kinetik enerjisini yakalar. Bu türbin yüksek bir kule üzerine monte edilerek, yakalayacağı kinetik enerjisi artırılmaya çalışılır. Arzu edilen güç üretim kapasitesini elde etmek için bir bölgeye birçok rüzgâr türbini kurulur. Bu tür yapılara rüzgâr çiftliği denir. Türbin dizaynında genel olarak iki farklı tasarım kullanılır: - Yatay eksenli rüzgâr türbini - Düşey eksenli rüzgâr türbini 16

Şekil 1: Rüzgâr türbin konfigürasyonları Yatay eksenli rüzgâr türbinleri hem rüzgâr yönünde (downwind) hem de rüzgâra karşı (upwind) yönde çalışabilmektedir. Düşey eksenli türbinler ise rüzgârı her yönde kabul ederler. Rotor haricindeki tüm bileşenler her iki rüzgâr türbini dizaynında da aynıdır. Dikey eksenli makinanın şekli bir yumurta çırpıcısını andırır. Özel yapısal avantajlarından dolayı geçmişte kullanılmakta idi. Günümüzde modern türbinlerin çoğu yatay eksen dizaynındadır. Şekil 2. Yatay ve düşey eksenli rüzgâr türbinleri 17

Rotor haricindeki tüm bileşenler her iki rüzgâr türbini dizaynında da aynıdır. Aşağıda yatay eksenli rüzgâr türbinin ayrıntılı yapısı verilmiştir. Fren Şekil 3. Yatay eksenli bir rüzgâr türbinin ayrıntılı yapısı Bir Rüzgâr Enerji Santralinin Temel Bileşenleri: - Kule - 2 veya 3 kanatlı rüzgâr türbini - Rüzgâr yönüne göre kanatların/türbinin yönünü ayarlayan mekanizma - Mekanik dişli ünitesi - Elektrik generatörü - Hız sensörleri ve hız kontrol ünitesi - Güç-elektronik ünitesi ve kontrolü - Enerji depolama sistemleri(özellikle şebekeden bağımsız çalışma için) - Yerel elektrik şebekesine bağlantı için transformatör, iletim hattı ve kesici RÜZGÂR HIZI VE GÜÇ ARASINDAKİ İLİŞKİ 18

v hızı ile hareket eden m kütleli havanın kinetik enerjisi SI birim sistemine göre: m v 1 2 W KE =. mv. 2 [ joule] Bu şekilde hareket halinde olan hava akışındaki güç, birim zamanda akan Kinetik Enerji akışı olacağından. (Not:, Eğer güç zaman içerisinde sabit ise; W = PT. Enerji= Güç Zaman) ise 1 2 P= ( Birim zamandaakankütle). v 2 olarak yazılır ise; Buradan; A alanı boyunca v hızı ile hareket eden hava kütlesinin gücü; m& v 19

Yoğunluk ile hacmin çarpımı kütleyi ereceğinden,, Akışkan bir kütle için nin zamana göre türevi alınır ise, kısaca, m& eşitliğini güç ifadesinde yerine yazarsak; 1 2 1 3 m& = ρ. Av. PA = ( ρ. Av. ). v PA = ρ. A. v (*) 2 2 Denklem genel olarak A alanı boyunca oluşan rüzgâr gücü açısından yazılır ise; Burada; P w: Rüzgâr(hava) akışındaki mekaniksel güç[watt] ρ : Hava yoğunluğu[kg/m 3 ] Not : 1 atm basıncında (deniz seviyesi) ve 15 C sıcaklıkta, ρ =1,225kg/m 3 A : Rotor kanatlarının süpürdüğü alan(rüzgârın geçtiği bölgenin kesit alanı)[m 2 ] 20

Not : 1m/s = 2,237 mph(mile per hour = mil/saat) = 3,6 km/saat ρ.a.v = Birim zamanda akan havanın kütlesi[kg/s] A. v= Hacimsel akış oranı(birim zamanda akan m 3 miktarı)[ m 3 /s] (*) güç ifadesinin rüzgâr hızına bağlı olarak değişimi hızın kübü ile orantılı olarak aşağıdaki gibi değişir: P w [W/m 2 ] 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 4 8 12 16 20 v[m/s] Şekil 4. Rüzgâr hızı güç ilişkisi Burada verilen güç, birim m 2 başına karşılık gelen güç olup, bu büyüklük bir bölgenin spesifik (özel) gücü olarak veya güç yoğunluğu olarak adlandırılır. Dolayısıyla bir bölgenin spesifik (özel) gücü P 1 = W = ρ 3 olup birimi: [watt/ m 2 ] dir.( A 2. v 3 P w α v ) 21

Not: İki bölgenin rüzgâr potansiyeli, spesifik rüzgâr güçleri cinsinden karşılaştırılır ve dönen kanatların süpürdüğü alan açısından w/ m 2 olarak verilir. Bu güç rüzgâr hızının küpü ile orantılı olarak değiştiğinden, örneğin rüzgâr hızının iki katına çıkması gücün 8 kat artması anlamına gelir. Yani rüzgâr türbininin 1 saatte 20mph rüzgâr hızında yakaladığı enerji, 10mph hızında 8 saatte elde edilebilir. Hız 5mph e düşerse aynı enerjiyi yakalayabilmek için türbini 64 saat çalıştırmak gerekir(yaklaşık 2,5 gün). Üstelik daha ileride görüleceği üzere rüzgâr türbinleri düşük hızlarda hareket ettirilemezler. P w 1 = ρ. Av. 2 3 güç ifadesi aynı zamanda türbin rotorunun süpürdüğü alan ile doğru orantılıdır [ P w α A]. Yatay eksenli türbin için rotor süpürme alanı; A= π D 4 2 ( D: Rotorçapı) Görüldüğü üzere A alanı yatay eksenli türbinlerde kanat çapının karesi ile orantılıdır. Dolayısıyla rüzgâr gücü D 2 ile orantılıdır [ P w α A]. Yani kanat çapı iki katına çıkarıldığı takdirde, rüzgâr gücü 4 katına çıkar. Bu basit inceleme daha büyük rüzgâr türbinleri ile çalışma konusunda ekonomik skala hakkında bize genel karşılaştırma imkanı verir. Bir rüzgâr türbininin maliyeti yaklaşık kanat çapı ile orantılı olarak artar, hâlbuki güç kanat çapının karesi ile orantılıdır. Sonuç olarak daha büyük rüzgâr türbinleri daha ekonomiktir. Düşey eksenli rüzgâr türbininin(rotorun) süpürdüğü alan tam dairesel olmamasından dolayı daha 2 karmaşık bir yapı arz eder. Bu alan yaklaşık olarak; A = D. H ile verilebilir. 3 2 A = DH. 3 22

Şekil 5. Düşey eksenli rüzgâr türbininin yaklaşık alan hesabı Burada; D: Rotor kanatlarının maksimum genişliği H: Rotor kanatlarının dikey maksimum yüksekliği Rüzgâr türbinlerindeki en önemli noktalardan birisi farklı rüzgâr hızlarındaki yakalanacak enerji miktarıdır. Rüzgâr ve güç arasındaki non-lineer ilişkiden dolayı, (*) rüzgâr ortalama güç formülünü elde edilebilecek toplam enerji tahmininde kullanamayız. Örnek: 0 C de ve 1 atm basıncında aşağıdaki rüzgâr durumları için 1m 2 lik alanda yakalanabilecek enerji miktarlarını karşılaştırınız. a) 8m/s rüzgâr hızında 200 saatlik işletme süresinde elde edilebilecek enerjiyi bulunuz. b)100 saat boyunca 4 m/s rüzgâr hızı ve 100 saat boyunca 12 m/s rüzgâr hızı, (Yani 200 saatlik işletme periyodunda ortalama 8m/s rüzgâr hızında) elde edilebilecek enerjiyi bulunuz. Çözüm: Görüldüğü üzere bir işletme periyodu boyunca ortalama rüzgâr hızı kullanımı oldukça büyük hatalar oluşturabilmektedir. Her iki durumda da ortalama hız aynı olmasına rağmen (b) şıkkındaki sonuç (a) ya göre %75 oranla daha fazladır. 23