e
sv

Rüzgar Türbini Nedir? Nasıl Çalışır?

121 okunma — 16 Aralık 2022 16:20
avatar

Eray Kösebalaban

  • e

    Mutlu

  • e

    Eğlenmiş

  • e

    Şaşırmış

  • e

    Kızgın

  • e

    Üzgün

Rüzgâr türbini ile elektrik üretimi, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım alanlarından biridir. Rüzgâr gücü kullanılarak sürdürülebilir enerji üretimi yapılabilir. Rüzgâr türbini, temelde rüzgârın itme gücü ile elde edilen mekanik enerjiyi (kinetik enerji), üreteçlere (jeneratör) yönlendirip elektrik enerjisine çevirir. Dünyada en çok tercih edilen yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan rüzgâr enerjisi, atmosfere sera gazı salmadan elektrik enerjisi üretilmesine imkân sağlar. Bu modern ve elektromekanik yel değirmenleri, rüzgârın kinetik enerjisini, elektrik enerjisine dönüştürmenin en kolay yollarından biridir.

Rüzgâr enerjisi, hava kütlelerinin ısı farkları sonucunda atmosferdeki hareketleri ile oluşur. Isınan hava kütleleri atmosferde yükselir. Boşalan yer, soğuk hava kütlesi ile dolar. Isı farkından doğan hareketler sürekli bir döngüye neden olur. Güneş enerjisinin %1-2 aralığındaki kısmı, atmosferde rüzgâr enerjisine dönüşür. Güneşin hava kütlelerini ısıtması, rüzgârın sürekliliğini sağlar. Rüzgâr enerjisinin üretimi için hammaddeye ihtiyaç yoktur. Çevreye herhangi bir zararı olmadığı için karbon nötr olarak nitelendirilir.

Rüzgar Türbini Yapısı

Rüzgar Türbininin İç Yapısı
  • Makine Yeri (Nacelle):

Makina yeri, Rüzgar türbininin dişli kutusu ve elektrik üreteci dahil kilit parçalarını içerir. Servis personeli, makina yerine türbin kulesinden girebilir. Makina yeri solunda, Rüzgar türbini pervanesi yani pervane kanatları ve göbek bulunur.

  • Pervane Kanatları (Blades):

Pervane kanatları, rüzgarı yakalar ve rüzgarın gücünü pervane göbeğine aktarır. Modern bir 600 kW Rüzgar türbininde her pervane kanadının uzunluğu 20 metre kadardır ve bir uçak kanadı gibi tasarlanır.

  • Göbek (Hub):

Pervane göbeği, Rüzgar türbininin düşük hız miline bağlıdır.

  • Düşük Hız Mili (Low Speed Shaft): 

Rüzgar türbininin düşük hız mili, pervane göbeğini dişli kutusuna bağlar. Modern bir 600 kW Rüzgar türbininde dişli nispeten yavaş, dakikada 19 – 30 devir hızı ile döner. Bu mil aerodinamik frenlerin çalışması için hidrolik sisteme ait borular içerir.

  • Dişli Kutusu (Gearbox):

Dişli kutusunda, solda düşük hız mili bulunur. Sağdaki yüksek hız milinin, düşük hız milinden 50 kat hızlı dönmesini sağlar.

  • Mekanik Frenli Yüksek Hız Mili (High Speed Shaft with its mechanical brake):

Mekanik frenli yüksek hız mili, dakikada yaklaşık 1500 devir hız ile döner ve elektrik üretecini çalıştırır. Bir acil durum mekanik freni vardır. Mekanik fren, aerodinamik frenlerin çalışmaması durumunda veya türbin bakımdayken kullanılır.

  • Elektrik Üreteci (Electrical Generator):

Elektrik üreteci, genelde bir senkron üreteç veya asenkron üreteçtir. Modern bir Rüzgar türbinininde azami elektrik gücü genelde 500 – 1500 kW arasındadır.

  • Kontrol Ünitesi (Controller):

kontrol ünitesi, Rüzgar türbininin durumunu sürekli izleyen ve eğim mekanizmasını kontrol eden bir bilgisayar içerir. Bir arıza halinde (örneğin, dişli kutusu veya üretecin fazla ısınması) Rüzgar türbinini otomatik olarak durdurur ve telefon modem hattı vasıtasıyla türbin operatörünü bilgisayarına uyarı verir.

  • Hidrolik Sistem (Hydraulics System):

Hidrolik sistem, Rüzgar türbininin aerodinamik frenlerini içerir.

  • Soğutma Birimi (Cooling Unit):

Soğutma ünitesi, üreteci soğutmak için kullanılan bir soğutma birimini içerir. Ayrıca dişli kutusundaki yağı soğutmak için kullanılan bir soğutma birimi de içerir.

  • Kule (Tower):

Rüzgar türbininin kulesi, makine yerini ve pervaneyi taşır. Genelde kulenin yüksek olması bir avantajdır, zira zeminden uzaklaştıkça Rüzgar hızları artar. Modern bir tipik 600 kW Rüzgar türbininde 40 – 60 metrelik bir kule bulunur. Kuleler, dairesel veya kafes biçiminde olabilir. Dairesel kuleler türbinin tepesine ulaşmak için bir iç merdiven olabildiğinden personelin türbinlere bakması için daha güvenlidir. Kafes kulelerin avantajı başlıca daha ucuz olmasıdır.

  • Eğim Mekanizması (Yaw Mechanism): 

Eğim mekanizması, pervane ile birlikte makine yerini Rüzgara karşı döndürmek üzere elektrik motorlarından yararlanılır. Eğim mekanizması, yelkovanı kullanarak Rüzgar yönünü algılayan elektronik kontrol ünitesi tarafından çalıştırılır. Rüzgar, yön değiştirdiğinde normalde türbin bir defada sadece birkaç derece eğilir.

  • Anemometre ve Yelkovan (Anemometer and Wind Wane):

 Anemometre (Rüzgar ölçer) ve yelkovan, Rüzgar hızı ve yönünü ölçmek için kullanılır. Anemometreden gelen elektronik sinyaller, Rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından Rüzgar hızı yaklaşık 5 m/s’ye yaklaştığında Rüzgar türbinini çalıştırmak için kullanılır. Bilgisayar, türbini ve çevresini korumak için Rüzgar hızı 25 m/s’yi aştığında türbini otomatik olarak durdurur. Yelkovan, sinyalleri Rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından Rüzgar türbinini Rüzgara karşı döndürmek üzere rüzgâra karşı döndürmek üzere kullanılır.

Rüzgar Türbini Nasıl Çalışır?

Rüzgâr türbinlerinin nasıl çalıştığını anlamak için iki önemli aerodinamik kuvvet iyi bilinmelidir. Bunlar sürükleme ve kaldırma kuvvetleridir. Sürükleme kuvveti, cisim üzerinde akış yönünde oluşan bir kuvvettir. Örneğin düz bir plaka üzerinde oluşabilecek maksimum sürükleme kuvveti hava akışının cisim üzerine 90o dik geldiği durumda iken; minimum sürükleme kuvveti ise hava akışı cismin yüzeyine paralel iken oluşur. Kaldırma kuvveti ise, akış yönüne dik olarak oluşan kuvvettir. Uçakların yerden havalanmasına da bu kuvvet sebep olduğu için kaldırma kuvveti denilir. Sürükleme kuvvetine en iyi örnek olarak paraşüt verilebilir. Bu kuvvet sayesinde paraşütün hızı kesilmektedir. Sürükleme kuvvetinin etkilerini en aza indirebilmek için yapılmış özel cisimlere akış hatlı cisimler denir. Bunlara örnek olarak balık ve zeplin verilebilir. Düz bir plaka üzerine etkiyen kaldırma kuvveti, hava akışı plaka yüzeyine 0o açı ile geldiğinde görülür. Havanın akış yönüne göre oluşan küçük açılarda akış şiddetinin artmasıyla alçak basınçlı bölgeler oluşur. Bu bölgelere akış altı da denir. Dolayısıyla, hava akış hızı ile basınç arasında bir ilişki meydana gelmiş olur. Yani hava akışı hızlandıkça basınç düşer, hava akışı yavaşladıkça basınç artar. Bu olaya Bernoulli etkisi denir. Kaldırma kuvveti de cismin üzerinde emme veya çekme oluşturur.

Rüzgar Türbininin Aerodinağimi

Hava akımlarının sıcaklık farkları sonucu oluşan rüzgar, türbinde bulunan pervaneyi çevirecek kuvveti sağlayarak hareket enerjisi sağlar. Hareket enerjisi ise jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. Ayrıntısına bakacak olursak; türbinin ana parçalarından biri olan pervane çoğunlukla 3 kanattan oluşur. Her bir kanat tıpkı helikopter kanatlarına benzer şekilde özel kavislere sahiptir. Rüzgar kanatlara vurduğunda aerodinamik tasarımları gereği hareket etmeye, dönmeye başlarlar. Rüzgar şiddetine göre de hızlanır ya da yavaşlarlar.  Pervaneler yatay ve dikey olarak 2 farklı şekilde tasarlanır. Ancak dikey pervaneler verimsiz çalıştıkları düşünülerek pek tercih edilmezler. Onların yerine daha çok yatay pervaneler kullanılır. Türbinler rüzgardan daha çok yararlanmak adına yüksek yapılı olarak tasarlanır. Yaklaşık 80 metreyi uzunluğu bulan kule uzunlukları ve 90 metreyi bulabilen kanat çapları ile rüzgarın itme kuvvetine daha fazla maruz kalmaları planlanır.

Rüzgar türbinlerinde pervanenin dönme hareketi sonucunda oluşan kinetik enerji türbinin diğer parçalarının bulunduğu makine yeri (nacelle) kısmında elektriğe dönüştürülür. Pervanenin arka kısmında yer alan makine yerinde (nacelle) dişli kutusu, jeneratör ve diğer aksanları yer alır. Pervanelerin dönme hareketi bir şaft (yavaş şaft) ile dişli kutusuna aktarılır. Şaft, jeneratörün elektrik üretmesi için gerekli yüksek devire sahip olmadığı için dişli kutusu ile yüksek devirlere çıkartılır (yaklaşık 1600 rpm). Dişli kutusundan çıkan yüksek devirli şaft jeneratöre bağlanır. Bunun sonucunda jeneratör kapasitesine ve şaftın devrine göre elektrik üretimi gerçekleştirilir.

Rüzgar Türbini Çeşitleri

  • 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.

Düşey ekseni yere dik olacak şekilde tasarlanmıştır. Daima rüzgarın geleceği yöne göre ayarlanır.Yatay ekseninin rüzgara göre ayarlanmasına gerek yoktur. Genelde ilk hareket olarak elektrik motoruna ihtiyac duymaktadır. Türbin yardımcı tellerle ekseninden sabitlenmiştir. Deniz seviyesine yakın yerlerde daha az rüzgar aldığından cihazın verimi düşük olmaktadır. Ancak tüm gerekli donanımlar yer seviyesinde olması bir avantaj olsa da, tarım arazileri için olumsuz etkisi fazla olmaktadır.

VAWT Yapısı
  • Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri:

Yatay eksenli rüzgar türbinleri (İng: “Horizontal Axis Wind Turbine” ya da “HAWT) 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.

HAWT Yapısı
  • Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri:

Dönme eksenleri rüzgâra göre belirli bir açıya yerleştirilen türbinlere eğik eksenli rüzgâr türbinleri denir. Pervanelerle dönme ekseni arasında belirli bir açı bulunur. Kullanım alanı oldukça azdır.

Rüzgâr türbinleri dönme eksenlerine, devirlerine, güçlerine, kanat sayılarına, rüzgâr etkisine, dişli özelliklerine ve kurulum konumlarına göre sınıflandırılırlar. Diğer çeşitler ise aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.

Rüzgar Türbini Maliyeti

  • Rüzgar Türbinin Fiyatları: 

Rüzgar türbinin fiyatları jeneratör gücü ile doğru orantılıdır. Jeneratör gücünün değişimi ile e rotor çapı ve kule yüksekliği de değişmektedir. Tek türbin veya az sayıda türbinlerden oluşan rüzgar santrallerin maliyeti, çok sayıda türbinden oluşan santrallere göre daha fazladır. Ortalama bir rüzgar türbinin kullanım süresi 25 yıla kadar çıkmaktadır. 25 yıldan sonra verim büyük oranda düştüğünden kullanımı uygun olmamaktadır.

  • Rüzgar Türbinin Kurulum Maliyetleri: 

Kurulum maliyetlerinin temel bileşenleri, betonarme temel (kuleyi yerleştirmek için), yol yapımı (ağır ve büyük parçalardan oluşan türbini taşımak için), transformatör(gerilim seviyesini değiştirmek için), iletişim bağlantıları (türbini uzaktan kontrol etmek ve durumunu takip etmek için), kablo maliyetleri (türbinden transformatöre ve transformatörden iletim hattına) şeklinde sıralanır.  Bir rüzgar tarlası oluşturup bir çok türbini kurmak, tek bir türbin kurmaya göre daha ucuza mal olur.

  • İşletme ve Bakım Masrafları:

Modern rüzgar türbinleri 20 yıllık ömür ve 120000 saat işletme süresi esasına göre tasarlanırlar. Türbinin gerçek ömrü, türbinin kalitesine ve bölgenin hava şartlarına bağlıdır.

Benzer İçerikler
  • Site İçi Yorumlar

En az 10 karakter gerekli