Rüzgar Enerjisi Nedir? Bir Rüzgar Türbini Nasıl Enerji Üretir?

Bazen havayı bir akışkan olarak hayal etmek zordur. Ancak hava, parçacıklarının sıvı yerine gaz biçiminde olması dışında, diğerleri gibi bir akışkandır. Ve hava, rüzgarla hızlı bir şekilde hareket ettiğinde, bu parçacıklar da hızla hareket eder. Hareket, tıpkı hareketli sudaki enerjinin bir hidroelektrik barajdaki türbin tarafından yakalanabilmesi gibi, rüzgar içerisinde yakalanabilecek kinetik enerji olduğu anlamına gelir. Rüzgar türbinindeki türbin kanatları, rüzgarda kinetik enerjiyi yakalamak üzere tasarlanmıştır.

Gerisi, bir hidroelektrik düzeneği ile neredeyse aynıdır: Türbin kanatları, rüzgar enerjisini yakalayıp hareket etmeye başladığında, rotorun göbeğinden bir jeneratöre giden bir şaft döndürülür. Jeneratör, bu dönme enerjisini elektriğe çevirir. Özünde, rüzgardan elektrik üretmek, enerjiyi bir ortamdan diğerine aktarmakla ilgilidir.

Rüzgar Enerjisinin Rotası

Rüzgar enerjisi, Güneş ile başlar. Güneş, belirli bir toprak alanını ısıttığında, bu toprak kütlesinin etrafındaki hava, bu ısının bir kısmını emer. Belirli bir sıcaklıkta, bu daha sıcak hava çok hızlı yükselmeye başlar, çünkü belirli bir hacimdeki sıcak hava, eşit hacimdeki soğuk havadan daha hafiftir. Daha hızlı hareket eden (daha sıcak) hava parçacıkları, daha yavaş hareket eden parçacıklara göre daha fazla basınç uygular, bu nedenle belirli bir yükseklikte normal hava basıncını korumak için daha az sayıda parça gerekir. Bu hafif sıcak hava aniden yükseldiğinde, sıcak havanın geride bıraktığı boşluğu doldurmak için daha soğuk hava hızla içeri girer. Boşluğu doldurmak için içeri giren hava, rüzgarı oluşturur. Rüzgarların oluşumuyla ilgili daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz.

İşte bu rüzgarın yoluna pervane kanadı gibi bir nesne yerleştirirseniz, rüzgar onu itecek ve kendi hareket enerjisinin bir kısmını kanada aktaracaktır. Rüzgar türbini, rüzgardan enerji elde etme şeklidir. Aynı şey, yelkenli teknede de olur. Hava rüzgar şeklinde hareket ederken, yoluna çıkan "yelken" isimli bariyeri de iter ve teknenin hareket etmesine neden olur. Rüzgar, kendi hareket enerjisini yelkenli tekneye aktarır.

Rüzgar Enerjisinin Tarihçesi

M.Ö. 3000 gibi erken bir tarihte, Mısır'da insanlar rüzgar enerjisini ilk kez yelkenli tekneler şeklinde kullandılar. Yelkenler, bir tekneyi suya çekmek için rüzgardaki enerjiyi yakaladı. Tahıl öğütmek için kullanılan en eski yel değirmenleri, M.Ö. 2000'de eski Babil'de veya M.Ö. 200'de antik İran'da ortaya çıktı; ancak tam olarak nerede ortaya çıktığı, kime sorduğunuza bağlı olarak değişir. Bu ilk cihazlar, rüzgarla dönen dönen bir şafta tutturulmuş, dibinde bir değirmen taşı olan, dikey olarak monte edilmiş bir veya daha fazla ahşap kirişten oluşuyordu.

Tahıl öğütmek için rüzgar enerjisinin kullanılması kavramı Orta Doğu'da hızla yayıldı ve Avrupa'da ilk yel değirmeni ortaya çıkmadan çok önce yaygın olarak kullanılıyordu. M.S. 11. yüzyıldan başlayarak, Avrupalı Haçlılar konsepti yanlarında getirdiler ve çoğumuzun aşina olduğu Hollanda tipi yel değirmeni doğdu.

Rüzgar enerjisi teknolojisinin ve uygulamalarının modern gelişimi, tahmini 600.000 yel değirmeninin kırsal alanlara elektrik ve su pompalama hizmetleri sağladığı 1930'larda oldukça ilerleme kaydetmişti. Geniş ölçekli elektrik dağıtımı, çiftliklere ve taşra kasabalarına yayıldıktan sonra, ABD'de rüzgar enerjisi kullanımı azalmaya başladı, ancak 1970'lerin başındaki ABD petrol kıtlığından sonra tekrar toparlandı.

Son 30 yılda araştırma ve geliştirme, federal hükümetin ilgisi ve vergi teşvikleriyle dalgalandı. 1980'lerin ortalarında rüzgar türbinlerinin tipik maksimum güç oranı 150 kW idi. 2006 yılında, ticari, şebeke ölçekli türbinler genellikle 1 MW'ın üzerinde derecelendirilmiştir ve 4 MW'a kadar kapasitesi mevcuttur.

Rüzgar Türbininin Parçaları

En basit rüzgar enerjisi türbini, üç önemli bölümden oluşur:

• Rotor Kanatları: Kanatlar temelde sistemin yelkenleridir; en basit haliyle, rüzgara karşı bariyer görevi görürler (daha modern kanat tasarımları bariyer yönteminin ötesine geçer). Rüzgar kanatları hareket etmeye zorladığında, enerjisinin bir kısmını rotora aktarır.
• Şaft: Rüzgar türbini şaftı, rotorun merkezine bağlıdır. Rotor döndüğünde şaft da döner. Bu şekilde rotor, mekanik, dönme enerjisini diğer ucunda bir elektrik jeneratörüne giren mile aktarır.
• Jeneratör: Bir jeneratör oldukça basit bir cihazdır. Elektrik voltajı üretmek için elektromanyetik indüksiyonun özelliklerini kullanır. Gerilim, esasen elektriksel basınçtır (Elektriği veya elektrik akımını bir noktadan diğerine hareket ettiren kuvvet). Dolayısıyla, voltaj üretmek fiilen akım üretmektedir. Basit bir jeneratör, mıknatıslardan ve bir iletkenden oluşur. İletken, tipik olarak sarmal bir teldir. Jeneratörün içinde şaft, tel bobinini çevreleyen kalıcı mıknatıslar grubuna bağlanır. Elektromanyetik indüksiyonda, mıknatıslarla çevrili bir iletkeniniz varsa ve bu parçalardan biri diğerine göre dönüyorsa, iletkende voltajı indükler. Rotor, şaftı döndürdüğünde, şaft, mıknatıslar takımını döndürerek tel bobininde voltaj oluşturur. Bu voltaj, elektrik akımını (tipik olarak alternatif akım, veya AC gücü) dağıtım için güç hatlarından dışarı çıkar.

Elbette her bir parçanın birçok alt birimi daha bulunmaktadır; ancak burada her birinin detayına girecek olursak, bu yazının fazlasıyla teknik bir dokümana evrimleşmesi kaçınılmaz olacaktır. Bunun yerine, aşağıdaki şemayı inceleyerek alt birimleri de tanıyabilirsiniz.

Wind Power Engineering

Artık basitleştirilmiş bir sisteme baktığınıza göre, bugün rüzgar santrallerinde ve kırsal arka bahçelerde gördüğünüz modern teknolojiye geçeceğiz. Biraz daha karmaşık, ancak temel prensipler aynı.

Modern Rüzgar Enerjisi Teknolojisi

Modern rüzgar türbinlerinden söz ederken, aslında iki ana tasarımdan söz etmekteyiz: yatay eksen ve dikey eksen.

Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri

Dikey eksenli rüzgar türbinleri (İng: "Vertical Axis Wind Turbine" ya da kısaca "VAWT") oldukça nadirdir. Şu anda ticari üretimde olan tek tür, yumurta çırpıcıya benzeyen Darrieus türbinidir.

Bir VAWT'de, şaft yere dik dikey bir eksene monte edilir. VAWT'ler, yatay eksen muadillerinin aksine her zaman rüzgarla aynı hizadadır, bu nedenle rüzgar yönü değiştiğinde herhangi bir ayarlama gerekmez; ancak bir VAWT kendi başına hareket etmeye başlayamaz, başlamak için elektrik sisteminden bir desteğe ihtiyacı vardır. Bir kule yerine, tipik olarak destek için gergi telleri kullanır, bu nedenle rotor yüksekliği daha düşüktür. Daha düşük yükseklik, zemin paraziti nedeniyle daha yavaş rüzgar anlamına gelir, bu nedenle VAWT'ler genellikle HAWT'lerden daha az verimlidir.

HowStuffWorks

VAWT'ler küçük ölçekli türbinler için ve kırsal alanlarda su pompalamak için kullanılabilir, ancak ticari olarak üretilen, kamu hizmeti ölçekli rüzgar türbinlerinin tümü yatay eksenli rüzgar türbinleridir (HAWT'ler).

Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri

Adından da anlaşılacağı gibi HAWT, şaftı yere paralel olarak yatay olarak monte edilir. HAWT'lerin bir sapma ayarlama mekanizması kullanarak kendilerini sürekli olarak rüzgarla hizalamaları gerekir. Rota sistemi tipik olarak , tüm rotoru küçük artışlarla sola veya sağa hareket ettiren elektrik motorları ve dişli kutularından oluşur. Türbinin elektronik kontrolü, bir rüzgar pervanesi cihazının (mekanik veya elektronik) konumunu okur ve mevcut en fazla rüzgar enerjisini yakalamak için rotorun konumunu ayarlar.

HAWT'ler, türbin bileşenlerini rüzgar hızı için optimum bir yüksekliğe kaldırmak için bir kule kullanır (ve böylece kanatlar ile zemin arasında yeterince açıklık oluşur) ve bileşenlerin neredeyse tamamı 80 metre kadar olduğundan havada çok az yer kaplar.

HowStuffWorks

Büyük HAWT bileşenleri:

• Rotor Kanatları: Rüzgarın enerjisini yakalar ve onu şaftın dönme enerjisine dönüştürür.
• Şaft: Dönme enerjisini jeneratöre aktarır.
• Nasel: Rotor göbeği ile jeneratör arasındaki şaftın hızını artırır.
• Jeneratör: Elektromanyetizma kullanarak elektrik üretmek için şaftın dönme enerjisini kullanır.
• Elektrik Kontrol Ünitesi: Sistemi izler, arıza durumunda türbini kapatır ve sapmayı kontrol eder.
• Sapma Kontrolörü: Rüzgar yönüne göre rotoru hareket ettirir.
• Frenler: Aşırı güç yüklenmesi veya sistem arızası durumunda şaftın dönüşünü durdurur.
• Kule: Rotor ve naseli destekler ve kurulumun tümünü, bıçaklar ile zemin arasında güvenli bir mesafe oluşabilmesi için daha yükseğe kaldırır.
• Elektrikli Ekipman: Elektriği jeneratörden kuleye taşır ve türbinin birçok güvenlik unsurunu kontrol eder.

Türbin Aerodinamiği

Kanatları harekete geçirmek için çoğunlukla rüzgarın gücüne dayanan eski moda Hollanda yel değirmeni tasarımından farklı olarak, modern türbinler rüzgar enerjisini en etkili şekilde yakalamak için daha sofistike aerodinamik prensipler kullanır. Rüzgar türbini rotorlarında çalışan iki ana aerodinamik kuvvet, rüzgar akışının yönüne dik olarak hareket eden kaldırma ve rüzgarın akış yönüne paralel hareket eden sürüklemedir.

Culture Trip

Türbin kanatları, uçak kanatları gibi tasarlanmıştır. Bir kanat profilinde, kanadın bir yüzeyi biraz yuvarlanırken diğeri nispeten düzdür. Kaldırma işleminin basitleştirilmiş bir açıklamasında, rüzgar, bıçağın yuvarlak, rüzgar yönündeki yüzü üzerinden geçtiğinde, bıçağın düz, rüzgar üstü yüzü üzerinde hareket eden rüzgarı karşılamak için zamanında bıçağın sonuna ulaşmak için rüzgarın estiği yöne bakacak şekilde daha hızlı hareket etmelidir (gerçi uçak aerodinamiğinin bu açıklaması oldukça tartışmalıdır). Daha hızlı hareket eden hava, atmosferde yükselme eğiliminde olduğundan, rüzgar yönüne doğru eğimli yüzey, hemen üzerinde düşük basınçlı bir cep ile son bulur. Düşük basınç alanı, "kaldırma" olarak bilinen bir etki olan rüzgar yönü yönünde bıçağı emer. Bıçağın rüzgarın ters tarafında, rüzgar daha yavaş hareket eder ve bıçağı yavaşlatmaya çalışan daha yüksek bir basınç alanı yaratır.

Clark County Today

Bir uçak kanadının tasarımında olduğu gibi, verimli bir türbin kanadı tasarlarken yüksek bir kaldırma-sürükleme oranı gereklidir. Türbin kanatları, ideal kaldırma-sürükleme kuvveti oranından her zaman yararlanan bir açı sunabilmeleri için bükülmüştür.

Aerodinamik, etkili bir rüzgar türbini oluşturmada rol oynayan tek bileşen değildir. Türbin kanatları ne kadar uzunsa (ve dolayısıyla rotor çapı ne kadar büyükse), bir türbin, rüzgardan o kadar fazla enerji alabilir ve elektrik üretim kapasitesi o kadar büyük olur. Genel olarak, rotor çapının iki katına çıkarılması, enerji çıkışında dört kat artış sağlar. Bununla birlikte, bazı durumlarda, daha düşük rüzgar hızı alanında, daha küçük çaplı bir rotor, daha büyük bir rotordan daha fazla enerji üretebilir, çünkü daha küçük bir kurulumla, daha küçük jeneratörü döndürmek için daha az rüzgar gücü gerekir, bu nedenle türbin neredeyse her zaman tam kapasite ile çalışabilir.

Kule yüksekliği üretim kapasitesinde de önemli bir faktördür. Türbin ne kadar yüksek olursa, rüzgar hızları yükseklik arttıkça artar. Zemin sürtünmesi ve yer seviyesindeki nesneler rüzgarın akışını kesintiye uğratır. Bilim insanları, her yüksekliğin iki katına çıkmasıyla rüzgar hızında %12'lik bir artış tahmin ediyor.

Güç Hesaplaması

Bir türbinin rüzgardan gerçekten üretebileceği güç miktarını hesaplamak için, türbin sahasındaki rüzgar hızını ve türbin güç oranını bilmeniz gerekir. Çoğu büyük türbin, maksimum gücünü saniyede 15 metre (33 mph) civarında rüzgar hızlarında üretir. Sabit rüzgar hızları dikkate alındığında, bir türbinin ne kadar enerji üretebileceğini belirleyen, rotorun çapıdır. Bir rotor çapı arttıkça kulenin yüksekliğinin de arttığını ve bu da daha hızlı rüzgarlara daha fazla erişim anlamına geldiğini unutmayın.

Danimarka Rüzgar Endüstrisi Derneği & Amerikan Rüzgar Enerjisi Derneği

33 mph'de (53 km/sa) çoğu büyük türbin nominal güç kapasitesini üretir ve 45 mph (saniyede 20 metre) hızda çoğu büyük türbin kapanır. Rüzgar hızları yapıyı tehdit ederse türbini kapatabilen bir dizi güvenlik sistemi vardır; bazı türbinlerde temelde küçük bir kaide üzerinde duran bir zincire bağlı metal bir bilyeden oluşan oldukça basit bir titreşim sensörü de vardır. Türbin belirli bir eşiğin üzerinde titreşmeye başlarsa, top kaideden düşer, zinciri çeker ve bir kapanmayı tetikler.

Muhtemelen bir türbinde en yaygın olarak etkinleştirilen güvenlik sistemi, eşik üstü rüzgar hızları tarafından tetiklenen "frenleme" sistemidir. Bu kurulumlar, rüzgar hızları çok yükseldiğinde esasen frene çarpan ve ardından rüzgar saatte 72 kilometrenin altına düştüğünde "frenleri serbest bırakan" bir güç kontrol sistemi kullanır. Modern büyük türbin tasarımları birkaç farklı tipte fren sistemi kullanır:

• Pitch Kontrolü: Türbinin elektronik kontrolörü, türbinin güç çıkışını izler. 45 mph'nin üzerindeki rüzgar hızlarında, güç çıkışı çok yüksek olacaktır, bu noktada kontrolör kanatlara rüzgarla hizalanmamaları için kanatların eğimini değiştirmelerini söyler. Bu, bıçakların dönüşünü yavaşlatır. Pitch kontrollü sistemler, kanatların (rotor üzerindeki) montaj açısının ayarlanabilir olmasını gerektirir.
• Pasif Durma Kontrolü: Kanatlar rotora sabit bir açıyla monte edilir, ancak kanatların bükülmelerinin rüzgar çok hızlı hale geldiğinde frenleri uygulayacağı şekilde tasarlanmıştır. Kanatlar, belirli bir hızın üzerindeki rüzgarlar, kanadın rüzgarın ters tarafında türbülansa neden olacak ve durmaya neden olacak şekilde açılıdır. Basitçe ifade edersek, aerodinamik perdövites, kanadın yaklaşan rüzgara bakan açısı o kadar dik hale geldiğinde meydana gelir ki, kanatların hızını düşürerek kaldırma kuvvetini ortadan kaldırmaya başlar.
• Aktif Durak Kontrolü: Bu tür bir güç kontrol sistemindeki kanatlar, aralık kontrollü bir sistemdeki kanatlar gibi eğilebilirdir. Aktif bir perdövites sistemi, güç çıkışını bir pitch kontrollü sistemin yaptığı gibi okur, ancak kanatları rüzgarla hizasından çıkarmak yerine, onları perdövites üretmek için fırlatır.

Küresel olarak, en az 50.000 rüzgar türbini yılda toplam 50 milyar kilowatt saat (kWh) üretiyor. Bir sonraki bölümde, rüzgar kaynaklarının mevcudiyetini ve rüzgar türbinlerinin gerçekte ne kadar elektrik üretebileceğini inceleyeceğiz.

Rüzgar Enerjisi Kaynakları

Elektrik üretim kapasitesi 1 megawatt (MW, 1 milyon watt) rüzgar enerjisi bir yılda 2,4 milyon ila 3 milyon kilowatt saat (kWh) elektrik üretebilir. Küresel ölçekte rüzgar türbinleri şu anda yaklaşık sekiz büyük nükleer enerji santrali kadar elektrik üretiyor. Bu sadece şebeke ölçeğindeki türbinleri değil, aynı zamanda bireysel evler veya işletmeler için elektrik üreten küçük türbinleri de içerir (bazen fotovoltaik güneş enerjisi ile birlikte kullanılır). Küçük, 10 kW kapasiteli bir türbin yılda 16.000 kWh üretebilir ve tipik bir ABD hanesi yılda yaklaşık 10.000 kWh tüketir.

Tipik bir büyük rüzgar türbini, ideal koşullar altında yılda 1,8 MW veya 5,2 milyon kWh elektrik üretebilir (bu da yaklaşık 600 haneye güç sağlar). Yine de nükleer ve kömür santralleri rüzgar türbinlerinden daha ucuza elektrik üretebilir. Öyleyse neden rüzgar enerjisi kullanalım? Elektrik üretmek için rüzgarı kullanmanın en büyük iki nedeni en bariz olanlardır: Rüzgar enerjisi temiz ve yenilenebilir. Kömürün yaptığı gibi atmosfere karbon dioksit ve nitrojen oksitler gibi zararlı gazlar salmaz ve yakın zamanda rüzgarın bitmesi tehlikesiyle karşı karşıya değiliz. Ayrıca, herhangi bir ülke bunu yurt dışından destek almadan kendi ülkesinde üretebileceği için rüzgar enerjisiyle ilişkili bağımsızlık da vardır. Ek olarak; bir rüzgar türbini, merkezi elektrik şebekesinin hizmet vermediği uzak bölgelere elektrik getirebilir.

Ancak dezavantajları da var. Rüzgar hızları dalgalandığı için rüzgar türbinleri diğer birçok elektrik santrali gibi her zaman %100 güçte çalışamaz. Rüzgar türbinleri, bir rüzgar santralinin yakınında yaşıyorsanız gürültülü olabilir, kuşlar ve yarasalar için tehlikeli olabilirler (bunu destekleyen ve çürüten çalışmalar bulmak mümkün). Zorlu çöl alanlarında, türbin kurmak için zemini kazarsanız, arazi erozyonu riski vardır. Ayrıca, rüzgar nispeten güvenilmez bir enerji kaynağı olduğu için, rüzgar enerjisi santrallerinin operatörleri, rüzgar hızlarının azaldığı zamanlar için sistemi az miktarda güvenilir, yenilenemez enerji ile yedeklemek zorundadır. Bazıları temiz enerji üretimini desteklemek için kirli enerji kullanımının faydaları ortadan kaldırdığını iddia ediyor, ancak rüzgar endüstrisi bir rüzgar sisteminde sabit bir elektrik arzını sürdürmek için gerekli olan kirli enerji miktarının yenmek için çok az olduğunu iddia ediyor.

Enerji konusunda genel prensip, enerji kaynaklarının çeşitliliğini olabildiğince arttırmak ve bu sırada daha temiz enerji kaynaklarının gelişmesine fon ayırmaktır. Bir ülke (ve genel olarak insanlık), hiçbir zaman tek bir enerji kaynağına bağlı kalmamalıdır ve her zaman temiz enerji kaynaklarına daha fazla kaynak ayırmalıdır. Bu nedenle rüzgar türbinleri, araştırmaların devam etmesi gereken çok önemli bir enerji üretim sahasıdır; ancak tek başına insanlığın tüm ihtiyaçlarını karşılama ihtimali düşüktür - ki bu kaynaktan böyle bir şeyi beklemenin bilimsel bir temeli de bulunmamaktadır.