Rüzgar

Rüzgâr, güneş kaynaklı radyasyonun yer yüzeyini farklı ısıtmasından kaynaklanır. Yer yüzeyinin farklı ısınması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, bu farklı basınç da havanın hareketine neden olur. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık %2'si kadarı rüzgâr enerjisine dönüşür. Rüzgârın özellikleri, yerel coğrafi farklılıklar ve yeryüzünün homojen olmayan ısınmasına bağlı olarak, zamansal ve yöresel değişiklik gösterir. 

Rüzgar enerjisinin mekanik enerji biçimine dönüştürülmesi oldukça eski yıllara dayanır. Rüzgar türbininin şaft gücünden yararlanılarak su  pompalama, çeşitli  ürünleri  kesme, biçme, öğütme, sıkıştırma, yağ çıkarma gibi mekanik enerjiye gerek duyulan yerlerde kullanımı mümkündür. Son yıllarda teknolojisi ve kullanımı en hızlı artan uygulama biçimi ise rüzgar enerjisinin, gerek kırsal kesimde elektrik enerjisinin yerel üretimi-tüketimi amacıyla ve gerekse de bir enterkonnekte sistemi beslemek amacıyla elektrik enerjisinin üretiminde kullanılmasıdır. Büyük güçlü rüzgar enerji santralleri elektrik şebekesine bağlı ve birden fazla türbin içeren rüzgar tarlaları biçimindedir.

Günümüzde rüzgar türbinlerinin büyük bir çoğunluğu karasal alanlara kurulmaktadır. Ticari ortama girmiş rüzgar türbin güçlerinin MW seviyelerini geçmiş olması, denizlerin rüzgar potansiyelinin fazla olması ve kurma teknolojilerindeki son gelişmeler deniz üstü rüzgar santralleri (Off-Shore) uygulamalarını da yaygınlaştırmaktadır.

Rüzgar Enerjisi Nedir ? 

Rüzgar enerjisi; doğal, yenilenebilir, temiz ve sonsuz bir güç olup kaynağı güneştir. Güneşin dünyaya  gönderdiği enerjinin %1-2 gibi küçük bir miktarı rüzgar enerjisine dönüşmektedir Güneşin, yer yüzeyini ve atmosferi homojen ısıtmamasının bir sonucu olarak ortaya çıkan sıcaklık ve basınç farkından dolayı  hava akımı oluşur.  Bir hava kütlesi mevcut durumundan daha fazla ısınırsa atmosferin yukarısına doğru yükselir ve bu hava kütlesinin yükselmesiyle boşalan yere, aynı hacimdeki soğuk hava kütlesi yerleşir. Bu hava  kütlelerinin yer  değiştirmelerine   rüzgar  adı  verilmektedir.  Diğer bir ifadeyle rüzgar; birbirine komşu bulunan iki basınç bölgesi arasındaki basınç farklarından dolayı meydana gelen ve yüksek basınç merkezinden alçak basınç merkezine doğru hareket eden hava akımıdır. Rüzgarlar yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına akarken; dünyanın kendi ekseni etrafında dönmesi, yüzey sürtünmeleri, yerel ısı yayılımı, rüzgar önündeki farklı atmosferik olaylar ve arazinin topografik yapısı gibi nedenlerden dolayı şekillenir. Rüzgarın özellikleri, yerel coğrafi farklılıklar ve yeryüzünün homojen olmayan ısınmasına bağlı olarak, zamansal ve yöresel değişiklik gösterir. 

Rüzgar Türbin Teknolojisi

Rüzgar türbinleri, rüzgar enerji santrallerinin  ana  yapı elemanı olup hareket halindeki havanın kinetik enerjisini önce mekanik enerjiye ve sonrasında elektrik enerjisine dönüştüren makinelerdir. Rüzgar türbinleri dönüş eksenlerinin doğrultusuna göre yatay eksenli veya düşey eksenli olarak imal edilirler. Bu tiplerden en fazla kullanılanı yatay eksenli rüzgar türbinleridir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatları ise rüzgar yönüne dik vaziyette çalışırlar. Bu tip rüzgar türbinleri bir, iki, üç veya çok kanatlı yapılmaktadır. Yatay eksenli rüzgar türbinleri; rüzgarın kuleyi yalamadan rotora  çarpması  durumunda  ileri  yada önden  rüzgarlı (up-wind), önce kuleye dokunup sonra rotora gelmesi koşulunda geri yada arkadan rüzgarlı (down-wind) türbin adını alırlar. Düşey eksenli rüzgar türbinlerinin eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olup kanatları da düşey vaziyettedir. Düşey eksenli rüzgar türbinlerinde rüzgarın esme yönü değiştiği zaman yatay eksenli rüzgar türbinlerinde  olduğu  gibi herhangi bir  pozisyon  değiştirmesi olmaz. Elektrik üretim amaçlı şebeke bağlantılı modern rüzgar türbinleri çoğunlukla 3 kanatlı, yatay eksenli ve up-wind türü rüzgar türbinleridir.   

Bir rüzgar türbini, çevredeki engellerin rüzgar  hız profilini  değiştirmeyeceği  yükseklikteki bir kule üzerine yerleştirilmiş  gövde ve rotordan oluşur. Kanatlar ve göbek rotor olarak adlandırılır. Rotor, düşük devirli bir ana mile bağlıdır. Rüzgarın kinetik enerjisi rotor tarafından mekanik enerjiye çevrilir ve düşük devirli ana milin dönüş hareketi gövde içersindeki iletim sistemine (dişli kutusu veya doğrudan tahrikli jeneratör), oradan jeneratöre aktarılır. İletim sistemi, jeneratör ve yardımcı üniteler gövde içersinde yer alır. Rotor kanatları ise polyester ile kuvvetlendirilmiş fiberglass veya epoxy ile güçlendirilmiş fiber karbondan yapılmakta ve kompozit/çelik omurga ile desteklenmektedir. Üç kanatlı yeni nesil rüzgar türbinlerinin rotor kanat çapları 190 m ve kule yükseklikleri 150 m değerine ulaşmıştır. Bir rüzgar türbininde tanıtılan elemanlar dışında; frenleme düzenleri, kontrol-kumanda sistemleri, yönlendirme motoru ve mekanizması, anemometre ve rüzgar gülü gibi ölçüm cihazları bulunur.

Rüzgar Türbinleri ile İlgili Parametreler ve Güç İfadesi 

Atmosferde serbest olarak yer değiştiren hava, belli bir kütleye ve rüzgar formunda hareket halinde olması nedeniyle bir kinetik enerjiye sahiptir. Kinetik enerji ve momentumun korunumu ilkelerinden yola çıkarak atmosferde  serbest  olarak hareket  eden  rüzgarın  P_o  teorik gücünün; ρ  hava  yoğunluğu   ( kg/m³ ),  A  rüzgarın  ilerleme yönüne  dik kesit alanı ( m² )  ve V  rüzgar hızı ( m/s) olmak üzere matematiksel ifadesi aşağıdaki gibidir.

P_hava = 0,5 ρ V³ A                  [ W ]

Rüzgarın teorik gücü esas olarak rüzgar hızının küpüyle orantılıdır. Bu nedenle, rüzgar hızının fazla olduğu yerlere rüzgar enerji santralleri kurmak ekonomik olmakta ve bu tür rüzgar kaynak alanlarında daha çok enerji üretilebilmektedir. Po teorik rüzgar gücünün rüzgar türbini tarafından elektrik enerjisine dönüştürülebilen kısmı ise;

P  =   0,5 Cp r A V³  N_G N_D  N_C            [ W  ]

 şeklindedir.  Burada; C_p  güç faktörü, A  rotor dönüşü sırasında taranan alan  ( m² ), N_G  jeneratör verimi, N_D dişli kutusu  verimi  ve N_c ise kuplaj verimidir. C_p güç faktörü,  elde edilen şaft gücünün rüzgar türbinine gelen rüzgar gücüne oranı olarak  tanımlanır. Güç faktörü maksimum %59,3 olup bu değere Betz Limiti denilmektedir. Günümüz teknolojisi  kullanılarak  iyi tasarlanmış  ideal  bir rüzgar  türbini  için Cp değeri  % 40  civarındadır. C_P güç faktörü, kanatların dönüş hızı (U) ile kanatlara çarpan rüzgar hızı (V) oranının bir fonksiyonudur. Cp=f(U/V). Bu (U / V) oranı aynı zamanda “Tip-Speed Ratio – Kanat Ucu Çevresel Hız Oranı l” olarak bilinir. Bu ifadeden de anlaşılabilineceği gibi prensip olarak, eğer elde edilen gücün sürekli olarak maksimum seviyede olması isteniyorsa, rotor dönüş hızının, herhangi bir şekilde, anlık rüzgar hızlarına göre değiştirilerek kanat ucu çevresel hız oranının maksimum C_P değerini verebilecek bir optimumda tutulması gerekmektedir. Geliştirilmiş rüzgar türbinlerinde bu düzenleme otomatik olarak gerçekleştirilmektedir. 

Rüzgar türbinleri, elektrik enerjisi üretimine ancak belirli bir rüzgar hızında başlayabilmektedir. “Cut-in” adı verilen bu rüzgar hızının altında sistem tamamen durmaktadır. Sistemden elde edilen elektrik enerjisi rüzgar hızının artmasıyla birlikte artmaktadır. Her bir rüzgar türbini için belirlenmiş bir rüzgar hızında, sistemden elde edilen güç en büyük değere ulaşır. Bu en büyük güce “nominal güç” ve bu rüzgar hızına “nominal hız” adı verilmektedir. Rüzgar hızının, nominal hız değerini aşması halinde sistemden elde edilecek güç nominal güç kadar olacaktır. Sistemin hasar görmemesi için belirli bir rüzgar hızından sonra rüzgar türbinlerinin stop konumuna geçmesi otomatik olarak sağlanır. Bu maksimum hıza sistemin “Cut-out” hızı adı verilmektedir. Diğer bir ifadeyle , bir rüzgar türbini Cut-in ve Cut-out rüzgar hızları arasında enerji üretimini gerçekleştirir. Modern rüzgar türbinlerinin Cut-in hızları 2-3 m/s, nominal hızları 11-15 m/s ve Cut-out hızları ise 25-30 m/s arasındadır.

Rüzgar türbini teknolojilerindeki gelişmelere bağlı olarak; daha düşük rüzgar hızları ile atmosfer sıcaklıklarında ve zorlu iklim koşullarında verimli çalışabilecek türbinlerin kullanıma sunulması durumunda Türkiye’nin toplam rüzgar kapasitesinin 140.000-150.000 MW seviyelerine çıkabileceği öngörülmektedir.

REPA - Türkiye Rüzgar Enerjisi Potansiyeli

Türkiye rüzgar kaynaklarının karakteristiklerini ve dağılımını belirlemek amacıyla Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafından Türkiye Rüzgar Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA) hazırlanmıştır. Bu atlas yardımıyla elde edilen ve aşağıda yer alan detaylı rüzgar kaynağı haritaları kullanılarak Türkiye’de rüzgar enerjisi santralı kurulabilecek aday bölgeler hakkında bir fikir sahibi olunabilmektedir. Yatırım kararının alınabilmesi için belirlenen bölgede saha araştırmalarını içeren ön etütler yapılmalı, standartlara uygun, güvenilir ve yeterli süreli enerji amaçlı rüzgar ölçümleri mutlaka gerçekleştirilmeli ve ölçüm verilerinin analizleriyle desteklenecek şekilde bir yatırım kararı alınmalıdır.

Türkiye Yıllık Ortalama Rüzgar Hızı Dağılımı – 100 m.a.g.l.

Türkiye Rüzgar Güç Yoğunluğu Dağılımı – 100 m.a.g.l.

Türkiye Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlası verilerine göre; 

• Rakımı 0-3.000 metre arasında olan ve yer seviyesinden 100 metre yükseklikteki yıllık ortalama rüzgâr hızlarının 6,5 m/s değerinden fazla olduğu rüzgar santrali kurulabilir niteliklerdeki tüm karasal alanların her bir kilometrekare büyüklüğündeki kısmına 5,3 MW gücündeki rüzgar türbinlerinin kurulması halinde toplam 57.786 MW gücünde karasal rüzgar santrallerinin işletmeye alınabileceği değerlendirilmektedir.
• Deniz seviyesinden 100 metre yüksekliğindeki yıllık ortalama rüzgâr hızlarının 7,5 m/s den fazla ve deniz derinliğinin 0 - 200 metre arasındaki tüm deniz üstü sahaların 8,0 MW gücündeki rüzgar türbinleri ile değerlendirilmesi halinde toplam 20.788 MW kapasitesinde deniz üstü rüzgar santrallerinin kurulabileceği değerlendirilmektedir.

Güncelleme Tarihi: 26.12.2024