Rüzgâr Enerjisi ve Rüzgâr Enerji Santralleri

Rüzgâr Enerjisi ve Rüzgâr Enerji Santralleri Kadir GELİŞ Öğretim Görevlisi Meslek Yüksekokulu Makine ve Metal Bölümü

Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com Enerji Kavramı

Enerji Nedir? Çevremizde enerji kelimesini birçok yerde duyarız. - Enerji içeceği - Enerji krizi - Enerji darboğazı - Enerji tasarrufu - Enerji faturası - Enerji sertifikası vs. Enerji iş yapabilme kapasitesi olarak tarif edilebilir. Enerjiyi göremeyiz, koklayamayız veya direkt olarak ölçemeyiz. Sadece etkilerini gözleyebiliriz. 020

Enerji Kaynakları Yenilenebilir (Renewable) Enerjiler; Kaynakları sonsuz, tükenmez. Yenilenemez (Nonrenewable) Enerjiler; Sonlu rezerve sahip kaynakları var, tükenir. 021

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Güneş enerjisi Rüzgâr enerjisi Jeotermal enerji Hidroelektrik enerji Biyoenerji o Katı (odun) o Sıvı (etanol, biyodizel) o Gaz (biyogaz) Dalga Gel-git Okyanus termal enerji Katı atık (çöp) 023

Neden Rüzgâr Enerjisi? Tükenmeyen bir enerjidir. Yenilenebilir enerji kaynağıdır. Kullanıldıkça yeri dolar. Temiz enerjidir. Atmosferi kirletmez. Çevre dostudur. CO ve türevlerinin emisyonu yoktur. Dışa bağımlılığı yoktur. Enerji krizlerini önleyebilir. Başka enerjilere dönüştürme teknikleri kolaydır. Kolay elde edilir. 024

Neden Rüzgâr Enerjisi? Kaynak : Enerji Verimliliği ve Türkiye nin Enerji Geleceği Prof. Dr. Yunus Ali ÇENGEL, Erzurum 025

Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com Ülkemizde Rüzgâr Enerjisi

Ülkemizin Rüzgâr Potansiyeli Türkiye nin rüzgâr enerjisi teknik potansiyeli tüm Avrupa ülkelerinden daha yüksektir. Ülke Yüzölçümü [km 2 ] >3m/s Rüzgârın Estiği Alan [m 2 ] Rüzgâr Santralı Kurulması Uygun Alan [m 2 ] Rüzgâr Teknik Potansiyeli (TWh/Yıl) Türkiye 780.000 418.000 9960 166 İngiltere 244.000 171.000 6840 114 İspanya 505.000 200.000 5160 86 Fransa 547.000 216.000 5080 85 Norveç 324.000 217.000 4560 76 İtalya 301.000 194.000 4160 69 Yunanistan 132.000 73.000 2640 44 İrlanda 70.000 67.000 2680 44 İsveç 450.000 119.000 2440 41 İzlanda 103.000 103.000 2080 34 Danimarka 43.000 43.000 1720 29 Almanya 357.000 39.000 1400 24 Kaynak : Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yrd.Doç.Dr.İsmet AKOVA Nobel Yayın Dağıtım ISBN : 978-605 395 090-5 036

Ülkemizin Rüzgâr Atlası [30 m] Kaynak : EİE Resmi Web Sayfası 037

Yenilenebilir Enerjiyle İlgili Kanun 041

Ülkemizde Rüzgâr Enerjisi Kullanımı Türkiye de rüzgâr enerjisi yatırımları 1998 yılından itibaren, daha çok küçük ölçeli yap-işlet-devret modeli ile uygulamalar artmaya başlamıştır. Rüzgâr Santrallerinin Türkiye deki toplam kurulu gücü 13 santral ile 249.15 MW tır. Bu haliyle ülkemizde rüzgâr enerjisinin payı %1 seviyesinin altındadır. 2008 yılı itibari ile Türkiye de faaliyette olan Rüzgâr Santralleri 042

Ülkemizde Rüzgâr Enerjisi Kullanımı 043

1998 - Çeşme, Alize A.Ş., 3 x 500 kw = 1,5 MW 044

1998 - Çeşme, Güçbirliği A.Ş., 12 x 600 kw = 7,2 MW 045

2000 - Bozcaada, Bores A.Ş., 17 x 600 kw = 10,2 MW 046

2003 - İstanbul, Sunjüt A.Ş., 2 x 600 kw = 1,2 MW 047

2006 - Bandırma, Bares A.Ş., 20 x 1500 kw = 30 MW 048

2006 - İstanbul, Ertürk A.Ş.,1 x 850 kw = 0,85 MW 049

2007 - Çeşme, Mare A.Ş., 49 x 800 kw = 39,2 MW 050

2007 - Manisa, Deniz A.Ş., 6 x 1800 kw = 10,8 MW 051

2007 - Çanakkale, Anemon A.Ş., 38 x 800 kw = 30,4 MW 052

2007 - Çanakkale, Doğal A.Ş., 14,9 MW 053

2007 Hatay, Deniz A.Ş., 15 x 2000 kw = 30 MW 054

15 000 türbin ile dünyanın en büyük rüzgâr çiftliği Altamont Pass, CA (ABD) Rüzgâr çiftliği 055

Rüzgâr Enerjisinin Oluşumu Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com

Rüzgâr nasıl oluşur? Güneş ışınları, yeryüzünde farklı sıcaklık, basınç ve nem oluşturur. Bu oluşumdan dolayı Rüzgâr Enerjisi meydana gelir. Güneş dünyaya saatte 10 18 W enerji gönderir ve bu enerjinin ~% 1-2 si Rüzgâr Enerjisi ne dönüşür. Yani Güneş Enerjisi nin dolaylı bir ürünüdür. Rüzgarın oluşumunu sağlayan 2 temel etken vardır; Dünyanın kendi etrafında dönüşü Dünya yüzeyindeki sıcaklık farklılıkları

Dünya nın Kendi Etrafında Dönüşü Dünya yüzeyine yaklaştıkça hava miktarı ve dolayısıyla hava basıncı artar. Yüzeye yakın hava kütlesi dünyanın dönüş hızına ayak uydurabilir. Eğer troposferde sabit duruyor olsaydık, dünyanın dönüşünü rüzgâr olarak hissedecektik! 058

Dünya Yüzeyindeki Sıcaklık Farkları Ekvatora düşen güneş ışınımı daha yoğun, dolayısıyla sıcaklık kutuplara göre daha yüksek! Isınan hava yükselir ve yerini soğuk hava doldurur. Böylece bir hava sirkülasyonu meydana gelir.

Dünya Yüzeyindeki Sıcaklık Farkları Denizler karadan daha geç ısınır ve soğur.

Rüzgâr Enerjisinin Tarihi Gelişimi Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com

Tarihsel Gelişim MÖ 3000 MÖ 200 18. yy 1890 20. yy 1970 Yelkenli gemiler kullanılmaya başlandı. İran da ilk yel değirmeni yapıldı. İngiliz J.Semeaton rüzgâr hızı ve enerji arasında bir bağıntı buldu. Danimarka da rüzgâr enerjisiyle elektrik üreten ilk tesis kuruldu. Danimarka da 10 000 kadar yel değirmeni kuruldu. ABD de de su pompalamak için 1000 adet yel değirmeni kuruldu. Rüzgâr enerjisi hakkında ciddi çalışmalara başlandı. Bilginin ışığında Eski Teknolojiden Yeni Teknolojilere 062

Teknolojik Gelişim 063

Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com Rüzgâr Türbini Çeşitleri

Rüzgâr Türbini Çeşitleri RÜZGÂR TÜRBİNLERİ 065

Düşey Eksenli Rüzgâr Türbinleri Düşey ekseni yere dik olacak şekilde ayarlanır. Daima rüzgârın geleceği yöne göre ayarlanır. Güç toprak seviyesinde elde edilir. Türbin yardımcı tellerle ekseninden sabitlenmiştir. Verimi düşüktür. Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez. İlk hareket olarak elektrik motoruna ihtiyaç duymaktadır. 066

Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri Dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel, kanatlar ise rüzgâra dik yöndedir. Ticari türbinlerin çoğu yatay eksenlidir. Rotor rüzgârı en iyi alacak şekilde döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir. Rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanır. Elektrik üretmek için kullanılır. 067

Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com Rüzgâr Enerjisi Dönüşümü

Elektrik Enerjisi Dönüşümü 069

Rüzgâr Enerjisi Dönüşüm Aşamaları Mekanik Güç Elektriksel Güç Türbin rotoru: Aerodinamik olarak dizayn edilmiş kanatları vasıtası ile rüzgar dalga enerjisinin bir kısmını yakalayarak mekanik enerjiye çevirir. Dişli kutusu : Düşük hızlı mekanik enerjiyi yüksek hıza çıkarılır. Generatör : Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji ise generatör aracılığı ile elektrik enerjine dönüştürülür. Güç Dönüştürücü: Rüzgâr enerji sistemi topolojisine bağlı olarak güç elektroniği üniteleri ile elektrik enerjisi farklı formlarda regüle edilebilir. Transformatör ve iletim hatları : Yerel elektrik şebekesine elektrik sayacı ve kesici üzerinden bağlanır. 070

Bir Rüzgâr Türbinin Ayrıntılı Yapısı Bir Rüzgâr Enerji Santralinin Temel Bileşenleri: 1. Kule 2. 2 veya 3 kanatlı rüzgâr türbini 3. Rüzgâr yönüne göre kanatların/türbinin yönünü ayarlayan mekanizma 4. Mekanik dişli ünitesi 5. Elektrik generatörü 6. Hız sensörleri ve hız kontrol ünitesi 7. Güç-elektronik ünitesi ve kontrolü 8. Enerji depolama 9. Yerel elektrik şebekesine bağlantı için transformatör, iletim hattı ve kesici Yatay eksenli bir rüzgâr türbinin ayrıntılı yapısı

Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com Rüzgâr Güç İlişkisi

Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki SI birim sistemine göre ν hızı ile hareket eden m kütleli havanın kinetik enerjisi; Bu şekilde hareket eden hava akımının gücü, kinetik enerjisinin birim zamandaki değişimine eşit olacaktır. 073

Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki Buradan; A alanı boyunca ν hızı ile hareket eden hava kütlesinin gücü; 074

Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki Burada verilen güç, birim m 2 başına karşılık gelen güç olup, bu büyüklük bir bölgenin spesifik gücü olarak veya güç yoğunluğu olarak adlandırılır. Dolayısıyla bir bölgenin spesifik gücü; olup birimi [watt/m 2 ] dir. 075

Rüzgâr Hızı ve Güç Arasındaki İlişki Yukarıdaki eşitlik gereğince rüzgârın gücü; hızın küpüyle (P Rüzgâr α ν 3 ), türbin rotorunun süpürdüğü alan(p Rüzgâr α A) ve havanın yoğunluğu (P Rüzgâr α ρ) ile orantılıdır.

Rüzgâr Gücüne Etki Eden Parametreler P Rüzgâr α ν 3 Rüzgâr hızının iki katına çıkması gücün 8 kat artması anlamına gelir. Yani rüzgâr türbininin 1 saatte 20 m/h rüzgâr hızında yakaladığı enerji, 10 m/h hızında 8 saatte elde edilebilir. P Rüzgâr α A Yatay eksenli türbin için rotor süpürme alanı; Görüldüğü üzere A alanı yatay eksenli türbinlerde kanat çapının karesi ile orantılıdır.

Rüzgâr Gücüne Etki Eden Parametreler Dolayısıyla rüzgâr gücü D 2 ile orantılıdır [P Rüzgâr 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.

Rüzgâr Gücüne Etki Eden Parametreler Kule Yüksekliğinin Etkisi; Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının küpü ile doğru orantılı olduğundan, rüzgâr hızındaki ufak bir artış bile ekonomik açıdan oldukça önemlidir. Türbini yüksek hızlı rüzgârlara maruz bırakmanın bir yolu da, türbinleri daha uzun kulelere monte etmektir. Yer seviyesinin ilk birkaç yüz metre yüksekliklerinde, rüzgâr hızı yeryüzü ile olan sürtünme ve etkileşiminden dolayı oldukça fazla etkilenir. Pürüzsüz yüzeyler örneğin; durgun deniz yüzeyi rüzgâra karşı oldukça düşük bir direnç gösterir. Rüzgâr hızındaki değişim oranı yüksekliğin artmasıyla birlikte daha düşük seviyelerde kalacaktır.

Rüzgârdan Elde Edilen Güç Kanatları kesen rüzgârın tamamı rotorda mekanik güce dönüşmez. Rüzgârın kinetik enerjisinden elde edilen mekanik güç ifadesi için rotor verimi hesaplanmalıdır. Rotor kanatları tarafından yakalanan gerçek güç miktarı, rüzgâr kanalı girişi ile rüzgâr kanalı çıkışı hava akışları arasındaki kinetik enerjilerin farkıdır.

Rüzgârdan Elde Edilen Güç

Rüzgârdan Elde Edilen Güç Dönen kanatlar boyunca hareket eden havanın kütle akış oranı ortalama hız ile hava yoğunluğunun çarpımından elde edilebilir.

10 m Uygulama 1 atm basınç ve 21 0 C sıcaklığındaki rüzgâr 12 m/s hız ile 10 m çapındaki iki kanatlı rüzgâr türbinine girmektedir. (1) Rüzgârın gücünü hesaplayınız. (2) Mekanik enerjiye dönüşebilecek maksimum rüzgâr gücünü hesaplayınız. ν=12 m/s Deniz seviyesi 21 0 C

Çözüm (1)

Çözüm (2)

Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com Rüzgâr Çiftlikleri

Rüzgâr Çiftlikleri Tek türbinin yeterli olduğu uygulamalar dışında arazi şartları dikkate alınarak ilgili bölgelerde birden fazla rüzgâr türbini (genelde mümkün olan fazla sayıda) aynı rüzgâr bölgesine kurulur. Bu tür bölgelere rüzgâr çiftliği, rüzgâr tarlası veya rüzgâr parkı gibi isimler verilir. Peki, bir bölgeye kaç adet türbin kurabiliriz. Öncelikle şunu belirtmeliyim ki türbinlerin birbirine çok yakın kurulması gölgeleme etkisi yapar. Yani rüzgârı karşıdan ilk olarak alan türbinler arkadakilerin verimini düşürür. Çünkü rüzgârın bir miktar enerjisi alınınca hızı yavaşlar. Eğer türbinler arasında uygun mesafeler seçilirse rüzgâr hızı kendisini yeniden toparlar.

Rüzgâr Çiftlikleri 102

Rüzgâr Türbinleri İçin Generatör Sistemleri Abdussamet SUBAŞI samet_subasi@yahoo.com

Rüzgâr Türbinleri İçin Generatörler Rüzgâr türbinlerinde, DC generatörler (Akü şarjı yapan küçük rüzgâr türbinlerinde ), Senkron generatörler (Şebekeye paralel çalışan rüzgâr türbinlerinde), Asenkron generatörler (Şebekeye paralel çalışan rüzgâr türbinlerinde) kullanılmaktadır. 104

DC Generatörler Düşük güçlerde tercih edilir. Genellikle sabit mıknatıslı DC generatörler kullanılmaktadır. Ancak sabit mıknatısların maliyeti yüksektir. Mıknatıs malzemesinin manyetikliği bozulabilmektedir. Dişli sistemi bazı uygulamalarda kullanılmış bazı uygulamalarda ise kullanılmamıştır. 105

Senkron Generatörler Senkron makine belirli bir sabit frekansı üreten ve sabit hızda çalışan bir elektrik makinesidir. Bu sebepten dolayı rüzgâr santrallerinde değişken hızda işletime çok uygun değildir. Ayrıca makinenin DC uyarıma ihtiyacı olduğundan bilezikler üzerinde kayan karbon fırçalara ihtiyacı vardır. Bu durum senkron makinenin rüzgâr türbinlerinde kullanımda bir sınırlama oluşturur. 106

Asenkron Generatörler Günümüzde rüzgâr santrallerinde kullanılan elektrik generatörü genel olarak asenkron makinelerdir. Şebekeden gelecek reaktif güce ihtiyaç duyar. Asenkron makinenin generatör olarak çalışabilmesi için senkron hızdan daha yüksek bir hızda döndürülmesi gerekir. 107

Sonuç Olarak..:: Rüzgâr tüm hızıyla esmeye devam ediyor ::.. 119

Kaynaklar Rüzgar ve Güneş Enerjili Güç Sistemleri Dersi Ders Notları Doç.Dr. Muğdeşem TANRIÖVEN, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul Alternative Energy Systems AND Applications B.K. HODGE, ISBN : 978-0-470-14250-9 Enerji Verimliliği ve Türkiye nin Enerji Geleceği Erzurum, Seminer Notları Prof. Dr. Yunus Ali ÇENGEL, University of Nevada, Reno Yeni Enerji Kaynakları Dersi Ders Notları Dr. Mutlu BOZTEPE, Ege Üniversitesi, İzmir Elektrik Etüt İşleri İdaresi Genel Müdürlüğü Resmi Web Sayfası www.eie.gov.tr (12.05.2009) Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yrd.Doç.Dr.İsmet AKOVA, ISBN : 978-605 395 090-5 120

Sorular & Katkılar