Teknolojik Ve Endüstriyel
Salı, 06 Kasım 20071.GİRİŞ
Teknolojik ve endüstriyel gelişmelerin sonucunda enerji ihtiyacı artarak, dünya fosil yakıt (kömür,petrol ve doğal gaz) rezervlerini her geçen gün azaltmaktadır. Fosil yakıt rezervleri bazı ülke toprakları altında bulunmakta, aralarında Türkiye’nin de bulunduğu bazı ülkeler dış alımla temin ettikleri enerji için büyük harcamalarda bulunmaktadır. Böylece, enerji rezervine sahip ülkelere, sahip olmayanlar bağımlı kalarak,enerji rezervleri siyasi baskı ve yatırım unsuru olarak kullanılmaktadır.
Yapılan araştırmalara göre 1-2 asırlık ömrü kalan fosil yakıtlar dinamik süreçte enerji isteminin artması ile,tüm dünyada alışılagelmiş enerji kaynaklarının geliştirilmesinin nedenidir. Bu grupta nükleer olmayan alternatif kaynaklar yer almakta olup bunlar güneş enerjisi,rüzgar enerjisi,jeotermal enerji,deniz enerjisi ve biomas enerjisidir. 1990’dan sonraki gelişmelerle bu grup içerisinden atılımla öne geçen kaynak rüzgar enerjisi olmuştur. Rüzgar kurulu gücü hızla artmakta,rüzgardan elde edilen elektrik enerjisi öteki kaynaklardan elde edilen de rekabet edebilmektedir. Ayrıca güneş enerjisinin %1-2’lik kısmı rüzgar enerjisine dönüşmekte ve oluşan bu rüzgar enerjisi günlük miktarının %1’ide mevcut dünya enerji tüketimine eşit bulunmaktadır. (Ültanır,1996: 60)
Enerjiye olan büyük ihtiyaç ve enerji maliyeti yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekli gündemde olmasının nedeninidir. Alternatif kaynaklar diye de adlandırılan bu enerji kaynaklarından birisi de rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisinin kaynağı güneştir. Rüzgar denilen hava akımları,güneşin yer yüzünü ve atmosferi homojen ısıtmamasından kaynaklanan basınç ve sıcaklık farklarından doğmaktadır.
Rüzgar yüzyıllarca teknelerin yelkenlerini şişirmek, tarımsal ürünleri öğütmek ve su pompalamak gibi amaçlarla kullanılmıştır. Ancak bugün insanoğlu rüzgar enerjisinden elektrik üretmektedir. İnsanlık, yel değirmenlerinden, modern rüzgar santrallerine uzanan teknolojik bir süreç yaşamıştır. Yıllar önce kullanılan yel değirmenlerinde, rüzgar estikçe dönen pek çok kanat bulunmaktaydı, bugünün rüzgar türbinlerinde ise yalnızca iki veya üç kanat bulunmaktadır. Bu kanatlar, yel değirmenlerinde görüldüğünden çok daha uzun 25 m.’ye kadar olabilmektedir.
Kanatlar, buhar türbinlerine çok benzer olarak, elektriği üreten jeneratörü çalıştırır. Kanatların daha uzun olması ve rüzgar şiddetinin artması türbinin elektrik üretimini artırır. Rüzgar türbinleri çevredeki engellerin rüzgarı kesemeyeceği yükseklikte bir kule üzerine yerleştirilirler. Zira rüzgar hızı hem yükseklikle artmakta, hem de daha az değişken olmaktadır.
Daha çok elektrik üretmek için türbinlerin rüzgar hızının sabit olduğu alanlarda kurulması uygundur ve bu nedenle de dünyada pek çok yer elverişli değildir. Rüzgar şiddeti 7 sınıfa ayrılmaktadır. Bunlardan 7. Sınıfdaki rüzgarla son derece kuvvetli, 2. sınıfdakiler ise bir esinti şeklindedir. Elektrik üreten türbinler için ise 4.sınfdaki rüzgarların (ki bu yıllık ortalama rüzgar şiddetinin 19.2 km/saat olduğu) uygun olduğu kabul edilmektedir.
1880-1940 yılları arasında Amerika’da,çok sayıda küçük rüzgar türbinlerinin var olduğu bilinmektedir. Aynı dönende Rusya’da,100 kW’lık bir rüzgar türbin ünitesi üzerinde çalışmalar yapmaktaydı. İkinci Dünya Savaşı’ndan sonra,rüzgar türbinlerine duyulan ihtiyaç yeniden artmıştır,ancak hızlı bir gelişme görülmemiştir. Benzin ve dizel motorların yaygınlaşması ve elektrifikasyonda sağlanan aşamalar,rüzgar enerjisini geri plana itmiştir. Ucuz petrol döneminde güncellik kazanmayan 1973-1974 yılları arasındaki yapay petrol bunalımının ardından rüzgar enerjisi yeniden gündeme gelmiş ve alternatif enerji kaynağı olarak önem kazanmıştır.
Rüzgar enerjisi üretiminde, 1600 megawattan daha fazla bir kapasiteye sahip Amerika, dünyada lider durumundadır. Ancak Batı Avrupa’da bu farkı çok hızlı bir şekilde kapatmaktadır. Amerika her yıl 3 milyon kw/saat elektrik üretmektedir ki bu yaklaşık 1 milyon kişinin senelik ihtiyacına cevap vermektedir. Bu miktarın %90′ından daha fazlası üç büyük rüzgar çiftliğinde üretilmektedir. (Ültanır,1996: 62)
Ülkemizde 6.5 milyar kw\saat enerji açığı vardır. Bu enerji tipiyle ülkemizin enerji açığının yüzde 25’inin karşılana bilmesi mümkün görülüyor. Uydular aracılığı ile yapılan araştırmalar sonucu ülkemizin 8200 megawatt gücünde bir rüzgar enerjisine sahip olduğu belirlenmiştir.
Tüm ülkenin enerji ihtiyacı 22000 megawatt… Rüzgardan elde edilecek enerji,bu durunda hiç de küçümsenmeyecek gibi görünüyor. Ülkemizin ilk rüzgar çiftliği Çeşme Germencikte faaliyete geçmiştir. (Şapçı,1998: 27)
Bu çalışmada,hızla çoğalan dünya nüfusuna paralel artmakta olan elektrik enerjisi ihtiyacının bir bölümünü de rüzgardan karşılayabilmek için dünyada ve Türkiye’de uygulanan rüzgar enerji projeleri araştırılmıştır. Çok büyük bir hızda tüketilen,tahrip edilen doğal kaynaklar tabi güzellikler ve beraberinde artan enerji açığı ele alınarak çevreyi kirletmeyen,diğer elektrik üretim metotları ile (nükleer, termal,hidroelektrik vb.) rekabet edebilecek “rüzgar”incelenmiştir. Bu potansiyel göz önüne alınarak rüzgar türbinlerinin yapım teknikleri incelenmiştir.
2. RÜZGAR ENERJİSİ
2.1. Rüzgar Enerjisinin İlk Uygulamaları
Rüzgar enerjisinden yararlanmak fikri oldukça eskiye dayanmaktadır. Tekne ve Gemilerin harekete edebilmesi için kullanımından ayrı olarak rüzgar enerjisi insan oğlunun kullandığı en eski enerji kaynaklarından biridir. Örneğin;Perslerin günümüzden yaklaşık 2000 yıl kadar önce buğday değirmenlerini çalıştırabilmek için düşey eksenli rüzgar türbinine benzer bir sistem kullandıkları bilinmektedir. O Yıllarda Çin’de de basit yel değirmenlerinden su pompalamak için yararlanılmaktaydı. 640 yılında ilk defa Türkler tarafından yapılan yel değirmenleri,haçlı seferleriyle Avrupa’ya geçmiştir. Daha sonra Hollanda’da Rotor çapı 15-30 m, gücü 1-10 Hp olan Dutch tipi türbinler geliştirilmiştir. Değişik amaçlar için kullanılan bu türbinler oldukça başarılı olmuş ve Avrupa’nın her tarafına yaygınlaşmıştır. (EİEİ,1992: 5)
Aynı dönemlerde Amerika’da da bir kaç sistemin bulunduğu bilinmektedir. Amerikan tipi bu türbinlerde kanat malzemesi olarak başlangıçta ağaç kullanılmıştır. 1888 yılında çeliğe dönülmüştür. Bu gelişmenin benimsenmesi ile çelik malzemeli kanatlara ağırlık verilmiştir. Aynı dönemde Rusya’da 100 KW’lık bir rüzgar türbini ünitesi üzerinde çalışmalar yapılmaktaydı. 1950’lı yıllarda benzin ve dizel motorlarının yaygınlaşması ve elektrifikasyonda sağlanan aşamalar rüzgar sistemine olan ilgiyi azaltmıştır. Rüzgar enerjisi 1973-1974 yılları arasındaki enerji krizi sonucunda yeniden alternatif enerji kaynağı olarak önem kazanmıştır. Yeni sistemler geliştirilmiş bir çok yeni üretici pazara katılmıştır.
2.2. Rüzgar Enerjisinin Özellikleri
Rüzgar enerjisinin kaynağı Güneştir. Güneşin,yer yüzeyine ve Atmosferi farklı derecede ısıtmasından “Rüzgar” adı verilen hava akımı oluşur. Dünya yüzeyine ulaşan güneş enerjisinin yalnızca %1-2’si rüzgar enerjisine dönüşür. Bu enerji miktarı oldukça büyüktür. Yılda yaklaşık 30 milyon Twh (yani 1075’deki dünya enerji tüketiminin 500 katına eşit bir değer) dir.
Rüzgar enerjisinin özellikleri genel olarak şunlardır.
• Atmosferde bol ve serbest olarak bulunur.
• Yenilenebilir ve temiz bir enerji kaynağıdır.
• Enerji hızının küpü ile orantılıdır.
• Yoğunluğu düşüktür.
• Enerjinin depolanması,başka bir enerjiye çevrilmesi ile mümkündür.
• Çevre kirliliği yaratmaz. (EİEİ,1992: 7)
2.3. Rüzgar Enerjisi Meteorolojisi
2.3.1. Rüzgar Verileri
Rüzgar,hız ve yön olmak üzere başlıca iki parametre ile belirlenir. Hızdaki ani dalgalanma ve değişikliklere “Hamle” adı verilir. Rüzgar hamlesi ve diğer parametreler özel cihazlarla ölçülür.
2.3.2. Rüzgar Belirtileri
Rüzgar oluşumuna yeryüzündeki farklı sıcaklık dağılımı neden olur. Enlem,kara,deniz,yükseklik ve mevsimler sıcaklık dağılımını etkiler. Okyanus ve deniz kıyısına sahip kara parçalarında sıcaklık farkı yüksek olduğu için rüzgar potansiyeli de yüksektir.
Meteorolojik ve Topografik açıdan rüzgarın olabileceği yerler aşağıda sıralanmıştır.
1. Basınç Gradyanının yüksek olduğu yöreler.
2. Yağışların sürekli esen rüzgara paralel olduğu vadiler.
3. yüksek,engebesiz tepe ve platolar.
4. Yüksek basınç gradyanlı düzlükler ve sürekli rüzgar olan az eğimli vadiler.
5. Güçlü jeostrofik rüzgar alanlarının etkisinde kalan tepe ve zirveler.
6. Jeostrofik rüzgar ve termal gradyan alanına sahip kıyı şeritleri.
2.4. Rüzgar Enerjisi Uygulamaları
Rüzgar makineleri,rüzgarı kinetik enerjisini toparlayıp elektrik,mekanik veya ısı enerjiye çeviren sistemlerdir. Rüzgar enerjisi uygulamalarını etkileyen en önemli faktörler şunlardır.
A. Uygulama Ortamının Özellikleri
a. Rüzgar Enerjisinden yararlanması öngörülen birimin büyüklüğü (Konut,Çiftlik,Köy,Enterkonnekte şebeke)
b. Mevcut enerji kaynaklarının ulaşabilirliği (Enterkonnekte şebekenin uzaklığı,konvansiyonel yakıtların temin olanakları ve maliyeti)
c. Uygulamanın yapılacağı yörenin rüzgar özellikleri.
d. Uygulamada yararlanılması öngörülen tüketicilerin şimdiki ve geleceğe ilişkin enerji gereksinimlerinin tür ve miktarı.
e. Rüzgarı ikame edebilecek veya rüzgarla birlikte kullanımı mümkün diğer yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının durumu.
B. Uygulamada rüzgar enerjisi çevrim sistemini kullanımına ilişkin kısıtlar.
a. Ulusal enerji politikalarının yenilenebilir enerji kaynakları kullanımına ve ilgi araştırma geliştirme çalışmalarına verdiği önem.
b. Rüzgar enerjisi çevrim sistemlerinin teknolojik gelişkinlik düzeyi.
c. İlgili uygulamanın gerektirdiği teknik bilgi birikimi ve personel mevcudiyeti.
d. uygulamanın maliyeti ve kaynak temini.
Rüzgardan elde edilen enerji üretildiği yerde tüketilmek veya enterkonnekte şebekeye verilmek zorundadır. Rüzgar enerjisi çevrim sistemlerinin enerji üretimleri rüzgar özelliklerine doğrudan bağlıdır. Bu nedenle rüzgar türbinleri sadece rüzgarlı yerlere yerleştirilebilir. Çizelge 1.’de rüzgarlı bölgelerde rüzgar enerjisi üretim seçenekleri özetlenmiştir. (Yavuzcan,1996: 
Sanayi ve tarım ürünleri üretimi
m Mekanik
Üretim
Elektrik
Elektrik
a . ) Küçük veya orta büyüklükte rüzgar türbinleri tarafından üretilen enerjinin yerel tabep fazlası enterkonnekte şebekeye verilir.
Tarım Ürünleri Üretimi
Türbin Temini
Elektrik mekanik
Isıl Enerji üretimi
b . ) Ufak rüzgar türbinleri veya rüzgar dizel jeneretör sistemleri tarafından üretilen enerji yerel olarak tüketilir.
c. ) Rüzgar çiftlikleri veya büyük rüzgar türbinleri tarafından üretilen enerji enterkonnekte şebekeye verilir.
Türbin temini
Çizelge 1: Rüzgarlı bölgeler ve ülke ekonomisi arasında enerji ve ürün akış seçenekleri.
Tüketicilerin gereksindiği enerji tür (elektrik ,mekanik,ısıl) ve miktarı ile yörenin rüzgar özellikleri kullanılacak rüzgar enerjisi tipi (tasarım hız ve gücü) ve sayısını belirleyecektir. Bu kapsamda enerjinin mümkün olan en yüksek verim ile eldesi bu enerjinin kullanılabileceği alanların en yaygın bir biçimde tespiti önem kazanmaktadır.
2.5. Rüzgar Enerjisi potansiyeli
Rüzgarın oluşumu sonucunda sahip olduğu potansiyele “Rüzgar Enerjisi Doğal Potansiyeli” denir. Bunun bilinen fiziksel kanunlar ve eldeki teknolojik imkanlar sayesinde enerjiye çevrilebilen miktarına “Rüzgar Enerjisi Teknik Potansiyeli” adı verilir. Bu potansiyelin diğer enerji kaynaklarına göre ekonomik olarak kullanılabilen kısmına ise “Rüzgar Enerjisi Ekonomik Potansiyeli” denir. Rüzgar enerjisinden elektrik veya mekanik enerjiyi üretimi gündeme geldiğinde ilk araştırma konusu rüzgardaki enerji üretim potansiyelinin belirlenmesidir. Potansiyel belirleme işlemi iki farklı yöntemle yapılabilmektedir.
a. Rüzgar enerjisi santralı kurulması düşünülen konumda rüzgar hızı,yönü,ve kayıtlarının yapılması.
b. Rüzgar enerjisi santralı kurulması düşünülen konuma coğrafi olarak en yakın meteoroloji istasyonunda ölçülüp kaydedilen verilerin hatalardan arındırılarak seçimi yapılmış konuma taşınması.
Birinci yöntem ikinci yönteme göre daha hassas ve garantili bir yöntem olmakla birlikte ölçüm süresinin bir yıldan az olmaması ve her konum için bu işlemin yapılmasının zaman,maddi yönlerden mümkün olmaması,ikinci yöntemin uygulanabilirliğini arttırabilmektedir. Bu yöntem temel olarak bir bilgisayar programından oluşmaktadır. Program,ölçümün yıllardır sürdürüldüğü konumdaki (Meteoroloji istasyonu) rüzgar değerlerini o yörenin yeryüzü şekillerinden rüzgar profilinin etkilenmediği bir yüksekliğe taşıyarak,rüzgar santralı kurulması düşünülen konuma ulaştırmakta,bu noktadaki yeryüzü şekillerinin rüzgar profiline etkilerini değerlendirmek suretiyle de santralın enerji üretim miktarını öngörebilmektedir.
2.5.1. Dünya Rüzgar Enerjisi Potansiyeli
Dünyanın rüzgar enerjisi potansiyelini tahmin etmek ve belirlemek zordur. Fakat bilimsel çalışmalar,rüzgar enerjisi potansiyelinin % 10’unun kullanılmasıyla dünyanın elektrik enerjisi ihtiyacının tamamının karşılanabileceğini göstermiştir. Dünyanın bir yıllık ortalama rüzgar enerjisi potansiyeli 42 Q olarak tahmin edilmektedir. (1 Q = 1021 Joule= 27.7.1012 kilowat saat). Bu rakam güneş enerjisinin rüzgara dönüşen bölümünün yaklaşık bir günlük miktarını atmosferde kinetik enerji olarak depolandığını göstermektedir. Ancak bu potansiyelin en çok % 5 ‘inden yararlanılabilecek 25 Q ‘a eşdeğer enerji kullanılmış olacaktır. Rüzgar enerjisi bakımından denizler,karasal alanlara göre daha büyük zenginlik göstermektedir. 1990-1995 Yılları arasında Avrupa Birliği kapsamında, kıyıdan uzaklığa ve su derinliğine bağlı olarak deniz üstü rüzgar türbini kurulma olasılığına göre potansiyel belirleme çalışması yapılmıştır. Kıyıdan 10 km açıklıkta ve 10 m derinlikteki alanların potansiyeli 700 Twh/yıl iken, kıyıda uzaklığı 30 km ve su derinliği 40 m olan yerde 3500 Twh/yıl düzeyine çıkmaktadır. Oysa Avrupa Birliğinin elektrik tüketimi 1727 Twh/yıl kadardır. (Uyar,1985: )
ÜLKE ÖNGÖRÜLEN POTANSİYEL HEDEF (Kurul Kapasitesi)
ÇİN 1600 GW 2000 Yılı 200 MW
DANİMARKA 1993 Yılı 200 MW
2000 Yılı 1000 MW
2010 Yılı 2000 MW
FİNLANDİYA 11-16 Twh/Yıl 2000 Yılı 20-35 MW
2010 Yılı 800 MW
ALMANYA 2.7 GW (Ekonomik Potansiyel) 1995 Yılı 250 MW
YUNANİSTAN 6.4 Twh 2000 Yılı 150 MW
HİNDİSTAN 20 GW 2000 Yılı 5000 MW
İTALYA 2000 Yılı 3000 MW
ÜRDÜN 2010 Yılı 50 MW
HOLLANDA 1991 Yılı 150 MW
2000 Yılı 1000 MW
2010 Yılı 2000 MW
NORVEÇ 14 Twh/Yıl
İSPANYA 1993 Yılı 100 MW
İSVEÇ 30 Twh / Yıl 1996 Yılı 100 MW
İNGİLTERE 45 Twh / Yıl Karada
230 Twh / Yıl Deniz üstünde
ABD 2500 GW 1993 Yılı 1500 MW
2000 Yılı 4000-8000 MW
B.D.T 2000 Twh /Yıl
Çizelge 2: 1990-2020 Yılları arasında Dünya rüzgar enerjisi potansiyeli ve güç üretim hedefleri.
Şekil 1: Dünya rüzgar enerjisi üretimi kapasitesi 1980-1993.
Şekil 2: Rüzgar Enerjisi dağılımı.
2.5.2. Türkiye Rüzgar Enerjisi Potansiyeli
Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyeli kesin olarak bilinmemektedir Ancak rüzgar enerjisi bakımından zengin yöreleri olan bir ülkedir. Topografik ve mikroklimatolojik koşullar nedeniyle yıllık ortalama rüzgar hızı düşük yöreler içerisinde bile rüzgar enerjisince zengin olanlara rastlanabilmektedir.
Rüzgar enerjisi formülleri,Türkiye’nin rüzgar ölçümleri ve arazi durumuna uygulandığında;400 milyar KWh üzerinde doğal potansiyel ve 120 milyar KWh ile bu günkü elektrik üretiminin yaklaşık 1.2 katı teknik potansiyelden söz edilmektedir ve uygun bölgeler için 14 milyar KWh üzerinde net ekonomik potansiyelin varlığı hesaplanmaktadır.
Ayrıca ülkemizin payına düşen güneş enerjisi miktarını 2.2.1014 W olduğu sanılmaktadır. Çizelge 2’de rüzgarlı bölgeler rüzgar gücü yoğunluğu (W/m2) ve ortalama rüzgar hızı (m/s) dikkate alınarak 7 sınıfa ayrılmıştır. Bu çizelgede sınıf numarası büyüdükçe rüzgar potansiyeli de artmaktadır.
Rüzgar gücünden teknik olarak yaralanabilmek için de konu 4 ya da daha yüksek bir sınıfa tabi olması gerekir. Çizelge 4’de belirtilen sınıflandırmaya göre İç Anadolu bölgesi rüzgarsız,kıyı bölgelerimiz 3,kıyı ile iç bölgeler arasındaki kuşağın 4,yer yer bazı bölgelerin 5 nolu sınıfa girdiği görülmektedir.
DMI istasyonlarının gözlemlerine göre Türkiye’nin yıllık ortalama rüzgar hızının 10 metre yükseklikte 2,54 m/s ve rüzgar gücünün 24 W/m2 olduğu belirlenmiştir. Türkiye’nin rüzgar enerjisi potansiyeli bazında incelendiğinde Marmara ve Güneydoğu Anadolu bölgesinin rüzgar yoğunluğu açısından diğer bölgelere göre daha zengin olduğu görülmektedir. (Çizelge 4). (Yavuzcan,1996:12)
10 m (33 ft)
Rüzgar Gücü Sınıfı Rüzgar Gücü yoğunluğu
(W/m2) Ortalama Rüzgar hızı
(m/s)
1
2
3
4
5
6
7
0
100
150
200
250
300
400
1000 0
4.4
5.1
5.6
6.0
6.4
7.0
9.4
Çizelge 3: Rüzgar gücü sınıflandırılması.
Bölge adı Ortalama Rüzgar Gücü Yoğunluğu (w/m2) Ortalama Rüzgar Hızı (M/sn)
AKDENİZ
İÇ ANADOLU
EGE
KARADENİZ
DOĞU ANADOLU
GÜNEYDOĞU
MARMARA 21.36
20.14
23.47
21.31
13.39
29.33
51.91 2.45
2.46
2.65
2.38
2.12
2.69
3.29
Çizelge 4: Türkiye’de Rüzgar Dağılımı. (EİEİ,1992
DMİ tarafından 1993 yılında başlatılan Türkiye rüzgar atlası çalışmasında 43 meteoroloji istasyonunun verileri bilgisayar paket programı (WAPS) ile değerlendirilmiştir. Halen topografik verilerle genişletilerek devam eden bu çalışmanın ön bulgularına göre 10 m yükseklikte 50W/m2’yi 50 m yükseklikte 100 W/m2’yi ve 100 m yükseklikte de 200W/m2’yi geçen yörelerimiz Antakya,Bandırma,Bergama,Bodrum,Bozcaada,Çanakkale , Çorlu,Gökçeada İnebolu,Mardin ve Sinop olarak görülmektedir. Söz konusu yörelerde 50 m yükseklikte rüzgar enerjisi potansiyeli 1000 KWh/m2 yıl düzeyinin üzerinde bulunmakta Antakya’da 2000 KWh/m2 yıl,Mardin’de 3000 KWh/m2 yıl,Bandırma’da 4100 KWh/m2yıl,ve Bozcaada’da da 5900 KWh/m2 yıl olmaktadır.
Ayrıca Türkiye’de rüzgar santrallerinin kurulmasına yönelik bir fizibilite çalışması 1996 yılında Avrupa yatırım bankası desteği ile başlatmıştır. Avrupa rüzgar enerjisi birliğinin rüzgar haritaları Ege Denizinin bu enerji açısından zengin olduğunu göstermektedir. Eski Sovyetler Birliği ve Bulgaristan tarafından ortaklaşa yapılan bir çalışma Karadeniz’de rüzgar enerjisi varlığının önemli olduğu ortaya koymaktadır.
3. RÜZGAR TÜRBİNİ YAPIM TEKNİKLERİ
3.1. Türbinlerin Tarihsel Gelişimi
Rüzgara karşı konan engelin hareket yeteneği rüzgar enerjisini mekanik enerjiye çevirir. Bu mantıktan hareketle,bir mil etrafında dönebilecek olan tanburun veya pervanenin rüzgar etkisi ile dönmesi mümkün olabilecektir. Bu düşünce ilk defa yel değirmenleri ile anlaşılmıştır. Yelkenli gemiler de rüzgar enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemlerdir. Günümüzde bu mantık,rüzgarın dönel bir türbin ile frenlenerek,mekanik enerjiye dönüştürülmesi teknolojisi ortaya çıkmıştır. Bu teknolojiye rüzgar türbini adı verilmektedir. (John ve nicholas,1997: 45)
Rüzgar türbinleri, bir rotor, bir güç şaftı ve rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çevirecek bir jeneratör kullanırlar. Rüzgar rotordan geçerken, aerodinamik bir kaldırma gücü oluşturur ve rotoru döndürür. Bu dönel hareket jeneratörü hareket ettirir ve elektrik üretir. Türbinlerde ayrıca, dönme oranını ayarlayacak ve kanatların hareketini durduracak bir rotor kontrolü bulunur. Rüzgar şiddeti yükseklikle arttığı için rüzgar türbinleri kule tepelerine yerleştirilir
Günümüzde kullanılan fosil yakıtların bulunmadığı veya bilinmediği zamanlarda insanlar su ve rüzgar kuvvetlerinden yararlanarak mekanik iş yapmaya başlamışlardır. Tarih süreci içinde rüzgar gücünden istifade etmek önceleri düşey milli yel değirmenleri daha sonra da kuzey Avrupa’da ilk uygulamalarına rastlanılan yatay milli yel değirmenlerinin kullanılması ile başlamıştır. Yel değirmenlerinin bu gelişme serüveni,yüzlerce yıl sadece tarımsal sulama ve hububat öğütme aşamalarını aşmamıştır. Ancak insanoğlunun,akışkanın kinetik enerjisini,tork enerjisine dönüştürme bilgisi,yel değirmenleri ile keşfedilmiştir.(Uyar,1985
Türkiye’de son yıllarda gittikçe artan enerji darboğazı, üretimin sabit kalması ya da çok az artması tüketimin ise çok büyük bir hızla artması karşısında, gelecekte de büyüyecek bir sorun olarak karşımızda duruyor. Bu durum karşısında ülkemizin doğal kaynaklarından yararlanarak alternatif enerji sistemlerinin uygulanması, soruna genel ve kesin olmayan, ancak gelecek için umut verici bir çözüm olması nedeniyle gün geçtikçe artan bir önem kazanıyor. Bu enerji kaynaklarından rüzgar, ülkemizde de çok iyi değerlere sahip olması, sınırsız, temiz, çevreyi kirletmeyen bir enerji kaynağı olması dolayısıyla öne çıkıyor.
Rüzgar enerjisi kullanımının dünyadaki örneklerine baktığımızda iki kısımda incelenmesi gerektiğini görüyoruz. Küçük türbinler olarak adlandıra bileceğimiz, kişisel kullanıma yönelik sistemler, ve büyük türbinler adını alan endüstriyel kullanıma yönelik sistemler.
Büyük türbinler, rüzgar çiftliği olarak adlandırılan diziler halinde kurulur. Bir rüzgar çiftliğinin toplam gücü 1-150 MW arasındadır. Tek bir türbinin gücü 50kW’tan 2MW’a kadar olabilir. Ancak günümüzde ekonomik şartlar açısından 500kW’tan küçük türbinler pek fazla kullanılmamaktadır.
Büyük türbinler yatırım amaçlı olarak kurulurlar. Üretilen enerji şebekeye verilir. Bu yüzden yatırımdan önce yapılması gerekli olan bazı çalışmalar vardır. Öncelikle bölgenin rüzgar açısından durumunun belirlenmesi gerekir. Yapılan ayrıntılı ve en az bir yıl sürecek teknik rüzgar ölçümleriyle, rüzgar hızı ortalamaları, günlük, mevsimlik ve yıllık dağılımlar ile yaklaşık rüzgar enerjisi değerleri belirlenir. Bunun ardından yapılacak olan fizibilite çalışmaları sonucunda, kurulacak olan santralın büyüklüğü, türbinlerin yerleri ve güçleri, üretilecek enerjinin maliyeti gibi sonuçlara ulaşılır. Bu çalışmalarda, bölgesel elektrik kurumlarıyla ve devletle yapılacak olan anlaşmalar, alınacak özel izinler, çevre halkının yaklaşımı, bölgedeki konvansiyonel elektriğin maliyeti, yıllık harcama miktarı, arazinin fiziksel yapısı, finansman ve kredi politikası gibi parametreler önemli rol oynar.
Büyük türbinlerden elde edilen elektriğin maliyeti yukarıda da sayılan birçok parametreye bağlıdır. İyi rüzgar sahalarında ortalama şartlarda, rüzgardan elde edilen elektrik enerjisinin maliyeti 5cent/kWsaat değerine kadar düşmektedir. Termik, hidroelektrik vs. konvansiyonel kaynaklardan elde edilen elektrik enerjisinin maliyetinin bu değerden yüksek olması ve yıllık harcamanın 100 000kWsaat’i aşması durumunda rüzgar enerjisi üretimi ekonomik bir çözüm olarak düşünülebilir. Ancak bunun için bölgedeki rüzgar potansiyelinin uygun olması gerekir. Büyük türbinlerin üretime başlaması için gereken rüzgar hızlarını bir yaklaşım olarak değerlendirirsek, bölgedeki ortalama rüzgar hızının 5-7m/s (18-25km/saat) civarında olması gerektiğini söyleyebiliriz. Tabi ki bu kesin bir sonuç değildir. Yatırımın ekonomik olup olmadığının belirlenmesi için tüm yıla yayılan bir dağılımın çıkarılması şarttır.
Büyük türbinlerden oluşan rüzgar çiftliklerinin yatırım maliyeti kabaca bir yaklaşımla 1000 $/kW’dir. Yıllık bakim masrafı ise yatırımın %1-1,5’i olarak gerçekleşir. Bu şartlar altında kurulacak türbinlerden elde edilen elektrik enerjisi, şebekeye; maliyeti düşük, çevreyi kirletmeyen, güvenli ve yenilenebilir bir kaynaktan üretilmiş olarak verilir.
Küçük Türbinler, genellikle şebekenin olmadığı ya da ulaştırmanın ekonomik olmadığı , ya da sorunlu olduğu yerlerde uygulanır. şehir dışı yerleşimler, çiftlik evleri, telekomünikasyon aktarıcıları, radyo ve orman kuleleri, askeri tesisler, demiryolu sinyalizasyonu, balık çiftlikleri, seralar, maden ocakları, deniz vasıtaları ve bazı fabrikalarda küçük türbinler oldukça uygun kullanım alanları bulmaktadır. Üretilen enerjinin depolanmasıyla güvenilir enerji sağlanır. Küçük türbinlerin güç değerleri, 0,05-20kW arasındadır. En fazla 4 adet hareketli parçadan oluşan bu tip türbinler bakımsız, ya da çok az bakımlı olarak dizayn edilmişlerdir. İşletme giderleri neredeyse yoktur. Her türlü çevre şartlarına dayanabilecek şekilde dizayn edilirler. Otomatik kontrol mekanizmaları, sistemi aşırı şarjdan koruyan kontrol sistemleri vardır ve ayrıca çok yüksek rüzgar hızlarında otomatik korunmalı dizayn edilmişlerdir.
şebekeye elektrik enerjisinin verildiği büyük türbinlerin aksine, küçük türbinlerde bu sistem uygulanamaz. Akü şarjı esasına göre çalışan küçük türbinlerle, üretilen enerji, ihtiyaca göre seçilen akü bankasına şarj edilerek kullanılır. Güçleri 50W ile 20kW arasındadır. Bu güç değerleri, türbinin maksimum hızda dönmesi durumundaki gücü gösterir. Daha düşük hızlarda ise türbin elektrik üretmeyi daha düşük bir güçte sürdürür. Akü bankasının yeterli seviyede seçilmesi durumunda depolanmış enerji ihtiyaç duyulan güçte aküden çekilebilir.
Rüzgar türbini jeneratörünün çıkışına bağlanan elektronik şarj kontrol ünitesi ile AC çıkısı, DC’ye çevrilerek aküler şarj edilir. 500W’dan küçük türbinlerde bu ünite türbinin içine monte edilmiş olarak bulunur. Elektronik şarj kontrol ünitesi aküleri aşırı şarjdan korur. Bunun için akülerin tam dolu olması durumunda rüzgar hala esmeye ve türbini döndürmeye devam ediyorsa, türbinden gelen fazla enerji yük direncine aktarılır. Bu direnç hava ısıtan bir dirençtir. İsteğe bağlı olarak aynı değerlerde su ısıtan dirençler de kullanılabilir.
Gerekli olan akü bankası sistemin kurulduğu yerin şartlarına bağlıdır. Akülerin uzun ömürlü olmaları için şarj akımı, akü kapasitesinin %10’undan fazla olmamalıdır. Örneğin 600Ah bir akü bankası 60A’in üzerinde bir akımla şarj edilmemelidir. Ayrıca, kapasitenin %40’inin altına inecek kadar da aküler boşaltılmamalıdır (1.75V/hücre). Akü bankasının büyüklüğü, rüzgarsız geçecek 3-5 güne yetecek kadar olmalıdır. Bunun için günlük harcama miktarının iyi belirlenmesi ve seçimin buna göre yapılması gerekir. Daha az enerji harcayan cihazlar, örneğin elektronik dengeli ampuller kullanılarak güç ihtiyacının azaltılıp azaltılamayacağı değerlendirilmelidir.
Alternatif akım (AC) yükler için uygun kapasitede bir invertere gerek vardır. Piyasada mevcut olan inverterler genel olarak, 12, 24, 48, 96 ya da 120 VDC girişlidir. İnverterin gücü devamlı ihtiyaç duyulacak maksimum güç kadar olmalıdır. İnverter kendi maksimum gücünün 2-3 katı kadar anlık güçleri karşılayabilmelidir. En ucuz inverterler trapez dalga ile çalışırlar. Aşağı yukarı bütün ev aletleri bu dalga biçiminde elektrikle çalışır. Fakat bazı özel durumlarda, örneğin ölçme aletlerinde ve hassas ev aletlerinde tam sinüs akıma ihtiyaç duyulmaktadır.
Doğru akımla çalışan cihazlar kullanmak daha verimlidir. Genel olarak, 12 veya 24VDC ile çalışan ev aletleri bulunmaktadır. Fakat hem 220VDC ile çalışanlara göre daha pahalıdırlar, hem de seçenek azdır.
Küçük rüzgar türbinleri, çeşitli nedenlerle dizel sistemlerle birlikte kullanılabilirler. Mevcut bir dizel jeneratör varsa, yakıt sarfiyatını azaltmak için böyle bir çözüme gidilebilir. Ya da rüzgar türbini ana ihtiyacı karşılamak için kullanılabilir; dizel jeneratör de arada bir devreye sokularak daha yüksek güç ihtiyaçlarında ya da düşük rüzgar zamanlarında sisteme destek olmak amacıyla kullanılabilir. (Altuntaşoğlu,1998:17)
Amerika Birleşik Devletleri’nde rüzgar çiftliklerinin toplam kurulu gücü 1700MW dolaylarındadır. Yıllık üretim miktarı ise 3 milyar kW saat kadardır. İyi rüzgar sahalarının bulunduğu Hollanda, Danimarka, Almanya gibi ülkelerde de rüzgar enerjisi konusunda önemli atılımlar yapılmış, üretim ve kurulu güç açısından bu ülkeler dünya çapında öncü konumuna gelmişlerdir. Ülkemizin rüzgar potansiyelleri göz önüne alındığında elimizdeki sinirsiz ve dünya çapında oldukça iyi durumda olan rezervleri kullanamadığımızı görüyoruz. Özellikle kıyı bölgelerimiz olmak üzere rüzgar ve arazi bakımından oldukça iyi bir durumda olan Türkiye’de ne yazık ki bugüne kadar rüzgar enerjisi üzerinde yapılan çalışmalar çok düşük seviyede kalmış, böylece çok üstün bir teknoloji gerektirmeyen bir enerji kaynağından yıllardır mahrum kalınmıştır. Avrupa Topluluğu tarafından öngörülen, gelecekte yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerjinin toplam üretime oranı olan %2’lik değere ulaşılması için hızlı bir şekilde çalışmaların ilerletilmesi gerekmektedir.(Ermiş ve Arıkan,1991:293)
Ülkemizde henüz çok yeni ve tanınmamış bir kaynak olan rüzgar enerjisinin tanıtımı ve yaygınlaştırılması için konuyla ilgili tüm kişi, kuruluş ve örgütler ile medyaya ve devlete de büyük is düşüyor. Özellikle yerli kaynak, malzeme, teknik bilgi ve işgücü kullanılarak üretilecek türbinler, iç pazarda olduğu kadar dış pazarlarda da rekabet edebilecek düzeyde olacaktır. Yakın gelecekte bu tip çalışmaların artmasıyla, büyük yerleşim birimlerinin elektriğini sağlayan, büyük türbinlerden oluşan rüzgar çiftliklerinin kurulması, Türkiye’nin enerji darboğazından kendi çabalarıyla kurtulup enerji ihraç eden bir ülke konumuna gelmesine yardımcı olacaktır.
3.1.1. 1970’den Önce
53 m. çapında 1,25 MW’lık Smith Putnam rüzgâr türbini 1939 yılında ABD, Vermont, Granpa’s Knob’da kuruldu. Bu tasarım zamanın en iyi mühendisleri ve bilim adamlarını biraraya getirdi (Aerodinamik tasarım: Von Karman, dinamik analiz: Den Hartog) ve rüzgâr türbini 1980’li yılların megawattlık bazı makinelerden daha uzun süre başarı ile çalıştı. Teknolojik gelişmede dönüm noktası oldu. Standardın altında yerinde kaynak tamiri nedeniyle (bir kanadını kaybederek) arızalandı.
Kaynaklar üzerinde savaş zamanı ve 1970’li yılların petrol krizine kadar rüzgâr enerjisinin aleyhine seyreden yakıt maliyetleri bakımından ekonomik ortam baskılarından dolayı tamir edilmedi. Bu projeden alınan tasarımın kalitesi, makine dinamiği, yorulma, yer seçimi hassasiyeti vs. gibi değerli dersler büyük ölçüde unutuldu ve daha sonra özellikle Kaliforniya vergi kredileri ile bağlantılı olarak rüzgâr çiftlikleri kurulması sırasında acılı bir şekilde tekrar hatırlandı.
Rüzgâr türbini geliştirilmesinde bir sonraki dönüm noktası Gedser rüzgâr türbinidir. Marshall planı savaş sonrası finansman yardımı ile 1956 – 57’de Danimarka’nın güney doğusunda Gedser adasında 200 kW’lık 24 m. çapında bir rüzgâr türbini kuruldu. Bu makine 1958 – 1967 arasında %20 kapasite ile çalıştı.
1960’lı yılların başında Prof. Ulrich Hütter 100 kW’lık 34 m.’lik bir 2 kanatlı, yüksek rüzgâr hızlı kararsız pervanesi olan Hütter Allgaier rüzgâr türbinini geliştirdi. Hütter’in yüksek hızlı esnek tasarım fikirleri Almanya’da ve diğer alanlarda rüzgâr türbini araştırmalarını çok etkiledi.
3,1,2. 1970 – 1987
Bu üç makine rüzgâr türbini geliştirilmesinde 3 farklı yönün başlangıcını temsil eder; ticari sahnede andan şimdi görünen megawattlık makineler, piyasaya son 15 yıldır hâkim olan Danimarka tarzı makineler ve halen büyük ölçüde gerçekleştirilmemiş bulunan daha da hafif makineler. Boru şeklinde bir kule, 3 kanat ve uç frenleri içeren basit, sağlam bir tasarım olan Gedser makinesi daha sonraki genel Danimarka tasarımlarının tüm bileşenlerine sahipti. 1977 yılında yenilendi, modern Danimarka rüzgâr teknolojisinin geliştirilmesi için araştırma esası sağlayan bir test makinesi olarak donatıldı ve çalıştırıldı.
1980’li yılların başında pervane kanat teknolojisinin pek çok sorunu araştırıldı. Çelik pervaneler denendi ancak çok ağır olduklarından, alüminyum pervaneler yorulma direnci açısından çok belirsiz olduklarından reddedildiler ve ABD’de Gugeon Brothers’ın geliştirdiği tahta epoksi sistemi çok sayıda küçük, büyük rüzgâr türbininde kullanıldı. Ancak kanat imalât endüstrisinde tekne imâlinden evrimleşmiş ve 1980’li yıllarda Danimarka’da iyice yerleşmiş fiberglas polyester konstrüksiyon hâkimdi.
ABD’de Kamu Hizmetlerini Düzenleyici Politikalar Yasasını (PURPA) içeren 1978 Ulusal Enerji Yasası ile bağımsız enerji üretimine Pazar temin edildi. 1980 yılında merkezi devlet ve federal devlet enerji ve yatırım vergi kredileri toplam %50’ye yakın vergi kredisi sağlıyordu ve bu California rüzgâr enerjisi patlamasını başlattı. 1980 – 1995 arasında, çoğu vergi kredilerinin %15 civarına indirildiği 1985’ten sonra olmak üzere 1700 MW rüzgâr kapasitesi kuruldu.
Vergi kredileri en azından başlangıçta çoğu kötü tasarımlı ve çalışırsa da kötü çalışan rüzgâr türbinleri kuruldukça California’da çeşitli bölgelerde (San Gorgonio, Tehachapi ve Altamont Pass) gelişigüzel aşırı nüfuslanma yaratan bir piyasa uyarma mekanizması olarak çok değerli eleştiriler aldı. Ancak ilk yetersiz gelişime tepki olarak vergi kredileri nispeten düşük maliyetli, denenmiş teçhizata sahip Avrupalı, özellikle Danimarkalı rüzgâr türbini üreticilerine büyük bir ihracat fırsatı yarattı. California’da bunların daha iyi tasarımlı rüzgâr türbinlerin teknik açıdan başarı ile çalışması rüzgâr enerjisi itibarının dünya çapında yerleşmesine çok katkıda bulundu.
California pazarı çoğu Avrupalı ve ABD şirketine hem iflas hem de ticari başarı getirdi. Ancak modern Avrupa rüzgâr teknolojisinin geliştirilmesine muazzam katkıda bulundu. Teknolojik etki iki yönde oldu; Danimarkalı üreticiler açısından en önemlisi imalât yöntemlerinin geliştirilmesine fırsat veren büyük bir pazar, parça maliyet azalması ve artan iş görürlüktü. İkincisi, tasarım çeşitliliği, hafif ve esnek parçalar ilgi duyulması gibi müstakbel teknoloji gelişmelerinin habercisi olması açısından değerli olmuştur. California rüzgâr çiftliklerinin çalışma deneyiminde, kanat kök bağlantısında ciddi sorunlar, kanat aerofolyo kesitinin bozulması nedeniyle performans düşüşü, eğimli sistemlerin aşırı ve yetersiz anlaşılmış atmosfer çalkantısı nedeniyle hasar görmesi, yüksek hızlı mil fren sistemlerinin erken yorulması vs. karşılaşılan pek çok sorun arasındaydı ve teknoloji ilerledikçe adım adım çözüldü.
3.1.3. 1987 Sonrası
California’da rüzgâr enerjisinin büyümesine ABD’de başka bir yer destek vermemiş veya paralel büyüme sergilememiş olup yakın zamanlarda elektrik alanında düzenleme olmaması rüzgâr enerjisinin ABD’de ne yönde ilerleyeceğine dair büyük belirsizlik yaratmıştır ve ABD piyasası ancak şimdi 1997 yılında tekrar doğmaya başlamıştır.
Aksine, 1990’lı yılların başında Almanya’da yılda 200 MW civarında kapasite artışı ile kuzey Avrupa piyasalarında çarpıcı gelişme kaydedilmiştir. Bu katkıda bulunan patlamaya 3 faktör: ARGE desteği, Danimarka’dakine benzer geri alım politikası ve yüksek tarifeler. Teknolojik açıdan önemli sonuç Alman imalâtçılarının ve bazı yeni kavramların gelişmesiydi; yeni doğrudan tahrikli jeneratör teknolojisinin uygulanması kayda değerdir. Doğrudan tahrikli güç aktarma hatlarında, değişken hızlı elektrik ve kontrol sistemlerinde, alternatif kanat malzemelerinde ve diğer alanlarda adım adım ve önemli teknolojik gelişmeler olmuşsa da son yıllardaki en çarpıcı eğilim günümüzdeki megawattlık kapasitelerde makinelerin ilk ticari kuşağını yaratan daha da büyük rüzgâr türbinleri geliştirilmesi olmuştur. (Şen,2000:375)
3.2. Tasarım Stilleri
3.2.1. Yatay ve Dikey Eksen
Dikey eksenli çok çeşitli tasarım geliştirilmiştir. Bunlara troposkein biçiminde “yumurta çırpıcı” rüzgâr türbini (adını mucidi Darrieus’tan alır, özellikle Flowind Corp. tarafından 1980’li yıllarda geliştirilmiştir), İngiltere’de Musgrave tarafından geliştirilmiş olan (sonradan Heidelborg Motor’un doğrudan tahrikli tasarımında benimsenen) düz kanatlar bulunan H şekli tasarım ve bazısı kanallı veya germe halatlı pervaneyi kuşatan kanatlar, bazısı Savonius tasarımını veya döner değirmen (gyromill) kavramını benimseyen çok sayıda varyant dahildir.
Dikey eksenli tasarımlar eğimli sistem gereğini ortadan kaldıran dönme simetrisi üstünlüğüne sahiptir. Tüm güç aktarma hattı ve güç tahvil donanımının zemin düzeyinde olabileceği sık sık iddia edilen bir üstünlük olmuş ancak bunun ana mil için uzun ve ağır bir tork borusu ve ana mil üzerinde dişli kutularının bozduğu çeşitli tasarımlar gerektirdiği belirlenmiştir. Ancak dikey eksenli tasarımların yatay eksenlilere göre dikkate alınmayan sakıncaları:
• tahrik torkunun pervane dairesinde kanat pozisyonuna göre çok değişmesi nedeniyle doğal olarak daha düşük olan (bazı pozisyonlarda negatif bile olabilen aerodinamik verimlilik),
• pervane sisteminde maliyeti arttıran önemli pasif destek yapısı.
Rüzgâr teknolojisinde çeşitli tasarım seçeneklerine ilişkin kararın verilmesi ertelenmişse de, oyların büyük çoğu şu anda yatay eksenli tasarımlar lehinedir.(Uyar,1985
Şekil 3. Yatay eksenli rüzgar türbini Şekil 4.Dikey eksenli rüzgar türbini
3.2.2. Kanat Sayısı
Pervane tasarımının temel aerodinamik ilkeleri belirli bir dönme hızına göre tasarlanmış bir pervanenin, pervane süpürme alanının sabit bir orana kadar optimum toplam kurulu kanat alanına sahip olduğu ve seçilen dönme hızına göre ters yönde değiştiğini belirler. Gerekli kanat alanının az sayıda geniş kanat yerine çok sayıda ince kanat ile teşkilinde küçük bir aerodinamik avantaj vardır. Böylece kanatların ucundaki aerodinamik uç kaybı en aza inmektedir. 3 kanatlı pervaneye göre tek kanatlı pervanede enerji kaybı yaklaşık %10, 2 kanatlı pervanede yaklaşık %4’tür.
Tek kanatlı pervaneye bir karşı ağırlık montajı gerekli olup 2 kanatlı pervaneden hafif değildir. Tek kanatlı pervaneye göre dinamik olarak daha iyi şekle sahip olsa da 2 kanatlı pervanede sert pervane göbek sistemi kullanılırsa çok yüksek bir çevrim yükü kabûl edilmeli veya kant, güç aktarma hattı ve kule tepe yükünün hafifletilmesi için pervane kanatlarının (bir çift olarak) sallanabilmesi amacıyla bir tahterevalli yatağı bulunmalıdır. Bu tahterevalli yataklı pervane tasarımları çoğu zaman yorulma yükünü azaltabilirse de, genellikle tasarımı etkileyen faktörler olan tahterevalli darbe yükü durumları ile başa çıkabilmelidir. 3 kanatlı pervane dinamik olarak daha basittir, öncede belirtildiği gibi aerodinamik olarak biraz daha verimlidir.
1, 2 veya 3 kanatlı pervaneler, (geçmişte denemeyen ancak güncel ses limitlerine tabi Avrupa kara uygulamaları için gelecekte gerekecek) benzer uç hızları için tasarlanırsa 3 kanatlı pervane diğerlerinden daha fazla zorlanacak ve pervane kanat maliyeti daha yüksek olacaktır. Elbette, gerçekte önemli olan rüzgâr türbininin düşük maliyetli olması (üretilen enerji/sermaye maliyeti) bakımından genel etki olup bu sadece komple tasarıma göre belirlenir. Optimum tasarım konfigürasyonunun tespiti Avrupa Komisyonu destekli etütlerce derinlemesine araştırılmıştır. Halen piyasada mevcut 30 kW nominal kapasiteden yüksek rüzgâr türbinleri arasında 1, 2 veya 3 kanatlı pervane tasarımlarının oranını göstermektedir. Veriler faal makine oranı olarak sunulduğunda 3 kanatlı pervane tasarımlarının hakimiyeti daha da belirginleşmektedir.
Kanat Sayısı
Yüzde Pay
1 2
2 24
3 74
Çizelge 5. Piyasada mevcut rüzgâr türbini tasarımlarının kanat sayısı.(EİEİ,1994
3 kanatlı pervane tasarımlarının hakimiyetinde başlıca faktör ilk (3 kanatlı) Danimarkalı tasarımlara tarihsel bağlantı ve bundan dolayı yavaşlama ayarlı dinamik olarak basit pervane geliştirilmesi gereğidir. Mevcut Avrupa piyasasında başka bir başlıca faktör, kamuoyu ve planlama makamları arasında 3 kanatlı tasarımların uyumlu görsel etkiye sahip olduğuna dair yaygın kanaattir. Bu açıkça subjektif bir görüş olsa da açıkça aynı ölçüde hakim görüştür.
3.2.3. Adım veya Yavaşlama Kontrolü
Adım veya yavaşlama kontrolü sorunu orta veya büyük rüzgâr türbinleri tasarımında çok zıtlaşan bir tartışmadan doğar. Küçük rüzgâr türbinlerinde ise seçenek daha fazladır.
Yavaşlama ayarı bu sorunu ele almazken, adım ayarı her iki sorunu adım sistem mekanizması ve ilgi kumanda kullanılması pahasına çözer.
Adım ayarında (kanatlara genellikle “aktif yavaşlama” denilen tasarım seçeneğinde yavaşlama durumuna kadar eğim verilmesi hali hariç) kanatlar pervanenin kanatları savurarak sağladığı gücü kanat aerofolyo kesitlerinin ürettiği kaldırma güçlerini azaltmak üzere ayarlarlar. Yavaşlama ayarının esası, pervane geometrisi değiştirilmeksizin, rüzgâr hızı ve ilgili akım açısı arttıkça pervane aerofolyolarının yavaşlamasıdır. Pervane veriminde artan kayıp, yavaşlama pervaneye yayıldıkça gücü ayarlar.(EİEİ,1992
Böyle bir yavaşlamanın meydana gelmesi için pervane hızının sabit tutulması zaruridir ve bunu genellikle elektrik şebekesine bağlı asenkronik bir jeneratör sağlar.
3.2.3.1. Küçük Rüzgâr Türbinleri (<30 kW)
Küçük rüzgâr türbinlerinin güç ve hız ayarı için kullanılabilecek çeşitli yöntemler vardır. Bunlar :
• türbin pervane ve sisteminin yüksüz durumdaki tüm aşırı hızlarla başa çıkmaya tasarlandığı “kontrolsüzlük” (muhtemelen aerodinamik performansın ve hızın azalmasına yardımcı olan kanatların merkezkaç kuvvet altında biraz deforme olması sonucu)
• motor ekseninin rüzgâr istikâmetinden ayrılması olan “sapma” ve “eğim” (genellikle pervane itme merkezi ile sapma veya eğim yatakları arasında dengelenme ile sağlanır)
• büyük rüzgâr türbinlerindeki gibi “adım” veya “yavaşlama”.
Küçük rüzgâr türbinlerinde güç kontrolü, hız kontrolü ve aşırı hız ayarı arasında ifade hatasından kaçınmak zordur. Sapma, yavaşlama veya kontrolsüzlükten yararlanan türbinlerin çoğu yavaşlama etkilerinden yararlanır. Küçük türbin tasarımlarındaki sorun basit çok küçük pasif sistemlerin mi, yoksa büyük türbinlere benzer aktif adımlı mekanizmaların mı yeterince iyi çalıştırılabileceğidir.
3.2.3.2. Büyük Rüzgâr Türbinleri
Adım veya yavaşlama arasında seçimde ana sorunlar Çizelge 6…’da listelenmiştir.
Sorunlar Adım Yavaşlama
Enerji üretimi Prensip olarak daha iyi Güç eğrisi etkileniyor
Sabit hız kontrolü Yüksek rüzgâr hızlarında zor Tasarım belirsiz olsa da genellikle yeterli
Değişken hız kontrolü Güç kalitesi daha iyi, güç aktarma hattı yükleri yavaşlama seçeneğinden daha az İspatlanması gerekir
Emniyet Komple bir pervane koruyucusu olabilir Aşırı hız koruması için yardımcı sistemler gerekir
Maliyet Pervane sistemlerinde daha yüksek maliyet Pervanede daha az, fren sisteminde daha yüksek maliyet
Çizelge 6. Adım veya yavaşlama karşılaştırması
Büyük rüzgâr türbinleri neredeyse sadece adım veya yavaşlama kontrolü kullanır. Birkaç örnekte yedek emniyet veya kontrole katkı olarak rüzgârdan sapma kullanılır. Kısa süre önce bazı imalâtçılar değişken hızlı çalışma ile birlikte yavaşlama kontrolünü kullanmıştır. Şimdi ittifakta reddedilen tek konfigürasyon gücü kontrol ederken üretimde çok büyük değişmelere yol açmıştır. Ancak bu red, ilk günlerde popüler bir tercih olduğu için çok ilginçtir.
Bir tasarım seçeneği olarak yavaşlama kontrolünün genel hâkimiyeti (tasarımların %60 kadarı) bulunsa da megawattlık türbinlerde adım ve yavaşlama kontrolünün oranı neredeyse eşittir. Özellikle Alman pazarında büyük rüzgâr türbinleri her kanadın bağımsız adım hareketi yaptığı “bağımsız” adımlı sistemler tercih edilmektedir.
Bu, adım sisteminin 2 bağımsız fren sağlaması nedeniyledir. Bir arızada bir kanat küçük eğimde sıkışsa bile diğer ikisi pervaneyi güvenli hıza getirebilir. Bu bağımsız adım sistemi önceleri daha yaygın olan, 3 kanadın tümünün adımının birbirine mekanik bağlantılı olduğu ve tek bir hareketlendiriciden güç alan “toplu” adım sisteminden farklıdır.
Yavaşlama kontrollü makinelerin güç kalitesine dair (özellikle Alman pazarında da mevcut) endişe orta boy yavaşlama kontrollü makineler üreten bazı imalâtçıları caydırmıştır. Ayrıca yavaşlamanın özellikle büyük makinelerde yol açtığı titreşimler hakkında uzun yıllar boyu endişe var olmuştur ve megawattlık makineler imalâtçılarının çoğunun yavaşlama kontrolüne bağlı kalması önemli bir güven oyudur. Ancak değişken hız yavaşlama kontrollü makinelerin nasıl çalışacağına dair belirsizlik ile birleştiğinde değişken hıza artan ilgi büyük ölçekte yavaşlama kontrollü makinelere duyulan ilgiyi azaltmıştır. (EİEİ,1992: )
3.2.4. Değişken Hızlı Tasarım
3.2.4.1. Değişken Hızlı Çalışmayı Teşvik Eden Faktörler
Birkaç sebepten dolayı değişken hızlı tasarım uzun süredir ilgi görmüştür:
• Sabit hızlı çalışmaya göre daha yüksek pervane verimi ve daha fazla enerji alınabileceği şeklinde “geleneksel” beklenti,
• Orta Avrupa’da sesin daha fazla önem kazanması ve değişken hızlı sistemin tahrik sisteminde çok fazla tork ve maliyeti önleyerek nispeten yüksek azami hıza imkân sağlarken hafif rüzgârlarda hız ve sesi azaltabilmesi,
• Değişken hızlı çalışmanın adım kontrolünü kolaylaştırabilmesi, güç kalitesini iyileştirebilmesi ve tahrik sistemini yüklerini hafifletebilmesi (dolayısıyla tasarım gereklerini ve dişi kutusu ya da jeneratör maliyetini muhtemelen azaltması).
3.2.4.2. Değişken Hızlı Sistemlerin Niteliği
Yukarıda sayılan yararları azamiye çıkarmak için geniş bir değişken hız aralığı gerekir (hızda 2,5 - 3 kat ayarlama). Değişken hız temininin çeşitli yolları vardır. Mekanik sistemler de vardır, ancak elektrikli sistemler hâkimdir. Geniş bir değişken hız aralığının yararlarının tümünü değil bazısını sağlayan çeşitli uzlaşmacı çözümler vardır. Bu seçeneklerin topluca tümü geniş değişken hız aralığı seçeneğinden çok daha yaygındır.
Bunlar arasında:
• 2 hızlı sistemler,
• Genel hız aralığının azalması pahasına üretimin sadece bir kısmının değişken hızlı tahrik ve güç ayar donanımından geçirildiği sürekli değişken hızlı sistem çeşitleri bulunur.
10 yıl öncesinin Danimarkalı tasarımlarında bir kayışa bağlı 2 jeneratör arasında geçiş sureti ile 2 hız elde edilmesi olağandı. Şimdiki kuşak rüzgar türbinlerinde 2 hızlı çalışma elde etmek için neredeyse sadece tek jeneratörde kutup değişimi kullanılır. Sürekli değişken hızlı çalışma tasarımları arasında, sadece 1/3’ü geniş değişken hız aralığı uygular (hız aralığı >2,5:1). Çoğu hız aralığı ve performansa güç ayar sistemleri maliyetini tercih eder. Vestas Optislip sisteminde, mükemmel güç kalitesi için sınırlı değişken hız (nominal güçte çalışırken %10 hız değişmesi) kullanılır. Çoğu imalâtçının tasarım etüdü en ekonomik olarak 2 hızlı sistemi seçmiştir. Bugün değişken hızlı çalışmaya genellikle en uygun doğrudan tahrikli sistemlerin geliştirilmesine önem verilmesi ve ilgili güç ayar sistemlerinin geliştirilmesi ve maliyet azaltılması her ihtimâlde rüzgâr türbini tasarımında geniş değişken hız aralığının gelecekte daha fazla kullanılması ile sonuçlanacaktır.
3.2.5. Çok Hafif/Esnek Tasarımların Durumu
Çok hafif ve yapısal esnek makineler (özellikle kanatlar ve kuleler) düşük maliyetli teknolojiye bir yol olarak her zaman ilgi görmüştür. Çok hafif ve esnek terimlerini doğal olarak birbirleriyle ilgili görme eğilimi vardır. Yapısal esnek tasarımlarının yükten kurtulma, daha az malzeme kullanma, dolayısıyla çok hafiflik ve düşük maliyet elde etme açık niyet olmakla birlikte, mevcut çok hafif makinelerin çoğu yapısal olarak esnekten çok serttir. Oldukça esnek kanatlar veya kuleler bulunan Carter rüzgar türbini gibi tasarımlarda yapısal esneklik yararlı olabilir, ancak düşük ağırlık elde edilmesinden çok, yüksek tasarım uç hızı seçilerek düşük tahrik sistemi torku elde edilmesiyle ilgilidir. Şimdiye kadar bu kavramlar ticari başarı elde etmemiştir. (Uyar,1985)
Bu türden son tasarım WEG Rüzgar Enerjisi Grubunun eğilen motor yeri ve yüksek yük kabiliyetli özel geliştirilmiş yapısal esnek kanatları bulunan MS4 600 KW, 3 kanatlı, serbest sapmalı, rüzgarı arkadan alan türbinidir. Aşarı rüzgarlarda esnek pervane kanatları ile önemli yük azaltması sağlanmaktadır. Bu tasarım için kendiliğinden dikilen sistem özellikle zayıftır. Bu makinenin tasarım kavramı bazı diğer Avrupalı imalatçıları tasarımının tersine çalışır. Ancak esnek elemanları daha küçük V42 ve V44 ile neredeyse aynı olan bir destek yapısına önemli ölçüde daha büyük pervane montajına müsait esnek kanatları bulunan yeni Vestas V-47 makinesinde de mevcuttur.
Yine pervane kanatlarını genel olarak değerlendirerek, ağırlık oranına göre en yüksek yorulma direncine sahip malzemelerden üretilmiş olanlar (özellikle Atout Vent’in tahta epoksi ve CFRP kanatları) en hafif, ancak aynı zamanda en sert kanatlardır. Bu hafiflik ile yapısal esneklik arasında doğrudan ilişki olmadığının altını çizer. Bu yorumlar yapısal esnekliğin hem yük azaltılması hem de aktif mekanizmaları yerinin alınması bakımından potansiyel kullanışlılığının değerini küçümsemeyi amaçlamamaktadır. Varılan sonuç şimdiki kuşak çok hafif rüzgar türbinlerinin hafifliklerini başlıca olarak yapısal esneklikten elde etmezler, rüzgar türbini tasarımında yapısal esnekliğin en büyük etkisi henüz elde edilmemiştir. Plastik ve kompozit menteşeler (küçük türbinlerde zaten kullanılır), esnek kirişler ve akıllı malzemeler gelecek gelişmeler için büyük potansiyele sahiptir. Çok yumuşak kuleler (yani doğal frekansı pervane frekansından düşük kuleler) rüzgâr türbini tasarımlarında kullanılmıştır. Sistem dinamiklerine özen gösterilmelidir, ancak bu tasarımlar kule kütlesi ve maliyetinde azalma yaratabilir.
3.3. Türbin Bileşenleri
Yakın geçmişte, yürütülen başarılı çalışmalar sonucu,rüzgarla ilgili değişkenler hakkında daha somut bilgilere ulaşılmıştır. Yük tahminleri,rüzgarın doğasını ve özellikle de atmosferik türbülans karakteristiklerini hesaba katan tasarım yöntemleri ile değişim harmonizasyon süreçleri hakkında ayrıntılı bilgilere ulaşılmıştır. Çeşitli kaynaklarca desteklenen araştırmalar,yakın tarihlere kadar rüzgar gücünü örten sır perdeleri ardarda aralanmaktadır. Yeni bilgiler,daha etkili ve daha verimli türbinlerin tasarım ve konstrüksyonuna imkan vermektedir. Türbin bileşenleri,türbin tasarım tipine veya imalatçısına göre değişmektedir. Şekil 5:’te genelleştirilmiş bir rüzgar türbini blok diagramı verilmiştir. Bu diagram çok az nüans farkları ile modern türbinleri temsil etmektedir. Şen,2000:379
Şekil 5: Değişken hızlı bir Rüzgar türbininin Blok Diyagramı ve şebekeye bağlantısı.
Şekil 5’ten de görüleceği gibi,türbinler;kanat,vites kutusu,jeneratör,düşürücü,invertör,transformatör,h ız ölçücüsü ve kontrol sistemlerinden ibarettir. Türbin teknolojisi,başlangıçta basit tekniklerle tasarlanmıştır. Ancak,rüzgar türbini,karmaşık bilgisayar modelleri ve tasarım araçlarına ihtiyaç duymaktadır. Gelişen tasarım ve konstrüksiyon bilgileri,her türlü sınır şartlarına ve değişkenlere kolay adapte olabilmektedir.
Şekil 6: Tipik bir rüzgar türbininin Gövde Kesiti.
Güç ünitesi bileşenleri yüksek düzensizlikte yük girdilerine maruz kalmaktadır. Bu sistemler,düzensiz yüklerin etkisi ile daha kısa sürede yorulurlar. Modern bir rüzgar türbini için biçilen yorulma süresini 13 yıl olarak kabul edilir. Bu nedenle,rüzgar teknolojisinin özel bir kimliği ve özel tasarım gereksinimleri vardır. Günümüzde en çok iki ve üç kanatlı rotor tasarımları yapılmaktadır. Türbinler genellikle yatay eksenli olarak imal edilmekle beraber,dikey eksenliler de üretilmektedir. Aşağıdaki şekillerde üç kanatlı ve iki kanatlı yatay rotorlu rüzgar türbinleri ile dikey eksenli bir rüzgar türbini verilmiştir. Şekil 7.a’da 50 m rotor çaplı,800 kw’lık geliştirilmiş türbinler,halen en çok satılan türbinler olup,çift devirli jeneratörle donatılmıştır. Türbin kanatları,özel dokunmuş cam elyaf veya pulstre edilmiş cam elyaf kompozitelerinden yapılmıştır. Yeni kanatlar,daha hafif ve daha ömürlüdür. Şekil 7-b’de 50 metre açıklıkta resimlenen hava folyosu prensibi ile tasarlanmış iki kanatlı 800 kw’lik bir modern türbin gösterilmiştir. Değişken hızda doğrudan tahrikli bu türbin,doğrudan jeneratöre bağlıdır. Dikkat edilirse,türbin gövdesi;kulenin üstü,rüzgara göre,türbini yönlendiren dönel bir kuyruk üzerine yerleşmiştir. İki kanatlı türbinlerde,rüzgar,rotora ters yönde yaklaşmaktadır. Dikey eksenli türbinlerde ise önemli teknolojik gelişmeler yapılmaktadır. şekil 8’de tipik bir dikey eksenli türbin verilmiştir. Kule yüksekliği ile kanat açıklığı oranı 1.8 olup,sınır tabaka kontrolü ile çalışan bu türbinin,üç adet kompozit pultre edilmiş kanadı vardır. Değişken hızlı,doğrusal sürümlü jeneratörünün kapasitesi 1MW’dir.
Şekil 7. 50 m rotor çaplı,800 kw’lık geliştirilmiş türbinler
Şekil 8ikey Eksen Rüzgar Türbini (EİEİ,1992: )
3.4. Türbin Parçaları
Türbinler tasarım ve konstrüksiyonuna göre farklı elemanlardan oluşabilir. Ancak ,her türlü türbinde,özellikle farklı da olsa aynı fonksiyonu icra eden benzer bileşenler vardır. Şekil 7:’de bir türbinin bileşenleri verilmiştir.
Şekil 9: Türbin bileşenleri
Bir türbinde yer alan belli başlı bileşenler;rüzgar ölçücü,kanatlar,fren düzeni,kontrol sistemi,dişli kutusu,jeneratör,yüksek ve düşük hız şartları,gövde (yatak),pitch,rotor,kule rüzgar vanası,yaw motoru ve tahrik gurubundan oluşmaktadır. Bu bileşenlere ait özet bilgiler aşağıdadır.
Anemometre: Rüzgar hızını ölçüp elektronik kontrol sistemine ileten bir ölçüm cihazdır.
Kanatlar: Acil durumlarda,mekanik,elektriksel veya hidrolik uygulanan bir disk ile rotorun hareketi durdurulmaktadır.
Kontrolör:Kontrol Sistemi: Türbinlerin,saatte,8-16 millik bir rüzgar hızlarında,dönme hareketini başlatan,bu hareketi yöneten ve saatte 65 mili aşan yüksek hızlarda durduran beyin fonksiyonu icra eden kritik bir sistemdir. Türbinler fırtınalı havada ve özellikle saatte 65 mili aşan rüzgar hızlarında ,jeneratörleri aşırı ısındığından çalıştırmazlar.
Türbin: Kule üzerine yerleştirilen montaj platformu olup,rotor,dişli kutusu,şaftlar,jeneratör,kontrolör ve frenleme düzeninin yuvalandığı ana rotor gövdeye monte edilmiş olup,kapasitesine bir teknisyenin içine tamirat yapabileceği kadar serbest alana sahiptir
High-speed shaft: Jeneratörü süren şafttır.
Low-speed shaft: Kanatların bağlandığı mil olup dakikada 30-60 devirle dönmektedir.
.
Pitch: Kanatları,aşırı yüksek veya düşük hızlarda dönüşünü kontrol eden döndürme mekanizmasıdır.
Rotor: Kanatlar ve dişli kutusunun yuvalandığı kapalı mekana rotor adı verilir.
Rüzgar Vanası
Rüzgar yönünü ölçerek değişimlere göre yaw(kuyruk) motoru ile haberleşmeyi sağlayan türbini rüzgar yönüne taşıyan mekanizmadır.
Yaw (kuyruk) Tahrik: Üç kanatlı türbinlerin rotorları,rüzgara doğru konuşlanır. Rüzgarın hız değişimine göre,rotor kafasını,rüzgara dik tutacak tarzda ayarlayan mekanizmalardır. İki kanatlı rotorlar,kafalarını rüzgar doğrultusuna ters konuşlandırdıklarından,kuyruk kontrol mekanizmasına ihtiyaç duymazlar.
Dişli kutusuişli kutuları,düşük ve yüksek hız şaftlarının yataklandığı mekanizmalardır. Jeneratörlerin elektrik üretebilmeleri için dakikada,1200-1550 devirlik bir döndürme yükü almaları gerekmektedir. Dişli kutularu,rotorun bağlandığı düşük dönüşlü şafttan gelen dakikada 30-60’lık dönme yükünü,yüksek hız şaftına 1200-1500 devirlik bir hıza yükselten mekanizmadır. Dişli kutularının ağır olması kule ömrünü olumsuz etkilemektedir. Günümüzde araştırmaların büyük bir bölümü,dişli kutuların eliminasyonuna yöneltmiştir. Dişli kutuların elimine edilmesi ile rotor doğrudan jeneratörlere bağlanabilecektir.
Genellikle rüzgar,rotoru bir dişli kutusu üzerinden elektrik jeneratörünü sürer. Dişli yapımında ortaya çıkan gelişmeler ve çok düşük hızlı elektrik jeneratörlerin maliyetinin yüksek olması,küçük sistemler dışında rotorun jeneratör tarafından doğrudan sürülmemesi eğilimine yol açmaktadır. Rotorun göbeği rüzgar türbininin düşük hız şaftına bağlıdır. Rüzgar türbininin düşük hız şaftı da rotor göbeğini dişli kutusuna bağlar. Modern 600 kw’lik rüzgar türbinlerinde rotor düşük hızla yaklaşık olarak dakikada 19-30 devir (RPM) arasında döner. Şaft hidrolik sistemin borularını içerir. Bunlar aerodinamik frenlerin çalışmasını sağlar. Dişli kutu ;düşük hız şaftı vasıtasıyla aldığı torku,yüksek hız şaftına ileterek,düşük hız şaftından 50 kat daha hızlı olarak sağa doğru döndürür. Rüzgar türbinlerindeki dişli kutuları değişen kutular değildir. Kutular güç aktarma organları olup,yaklaşık 1/50’lik diş oranları ile tasarlanırlar. Türbinlerin en yoğun bakım gerektiren birimleridir.
Jeneratör: Elektrik üreten makinelerdir. Rüzgar türbinlerinden;Senkron (alternatör),indüksiyon (Asenkron) ve DC(şönt) tip 3 değişik jeneratör kullanılmaktadır. Küçük güç sistemlerinde eskiden çok fazla kullanılan doğru akım jeneratörleri şimdi genellikle senkron veya indüksiyon jeneratörlerle değiştirilmektedir. Bu jeneratörler çok pahalı olmayan doğrultucular yardımıyla kolayca doğru akıma dönüştürülebilen alternatif akım üretmektedir. Senkron ve asenkron jeneratörleri orta ve büyük güçlü sistemlerde yaygın olarak kullanılırlar.
Rüzgar türbini jeneratörü mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinalardır . jeneratörler mekanik gücü çok fazla düzensizleştiren güç kaynaklarıdır. Gelişi güzel bir jeneratör 3 fazlı şebekeye 50 Hz’lik alternatif akım ve iki,üç veya altı kutup ile direkt olarak bağlanır. Dakikadaki 1000-3000 arasındaki devir ile aşırı yüksek hızla çalışan türbinlere yerleştirilen dişli kutuların dönme milleri jeneratörü çevirmektedir. Türbinler için özel olarak tasarlanmış jeneratörler vardır. Bu jeneratörler çok kutuplu olup daha yavaş yavaş bir tempoda çalışmaktadırlar. Çok kutuplu bir jeneratör olarak,şebeke direkt bağlanılması durumunda,30 RPMD dönen 200 kutuplu bir bağlantı sistemine sahip olmalıdır.
Kule: Yuvarlak ve kafes şeklinde tasarlanan çelikten yapılmış,tepe düzlemine türbün gövdesinin yerleştirilmesini sağlayan direklerdir. Kuleler,silindirik konik yapılardır. Kule tasarımına uygun olarak sıcak çekilmiş çelik saç,2 veya 3 metrelik merdanelerle,koniklik profiline uygun olarak bükülür. Konik bükme tekniği oldukça zordur.
Türbinin her bileşeni özel testlerden geçirilmektedir. Kulelerde tip testleri ve onayı gerektirirler. Bu itibar ile kulelerin her türlü yapısal,dinamik ve aerodinamik testleri yapılır. Kulelerde kaynak dikişleri de özel yöntemlerle kontrol edilerek sertifikalandırılır.
Rotor Kanatları :Pervane
Elektrik enerjisi elde etmek için kullanılan rüzgar türbinleri,bir,iki veya üç kanadı olan yüksek hızda çalışan makinalardır. Türbin kanatları sabit veya değişken açılı olabilir. Bazı tasarımlarda rotor frenlendiğinde açıyı arttıran özel bir regülatör kullanılarak başlatma kolaylaştırılır. Sabit kanat açılı yüksek hızlı rüzgar türbinlerinde jeneratör başlama esnasında motor gibi davranır ve dönme hızı nominal hıza ulaştığında jeneratöre dönüşür.
Kanat tasarımında önemli başarılar elde edilmiştir. Yüksek performanslı malzemelerle gerçekleştirilen kanat düzeyleri aerofolyo tasarımları,kanatlardaki sis perdesini tamamen kaldırmıştır. Kanatları kontrol mekanizmaları türbin verimini doğrudan etkilemektedir.
3.4.1. Pervane Kanat Teknolojisi
Megawatlık rüzgâr türbinleri için şimdi 66 m çapına kadar büyük türbin pervaneleri ticari üretime girmiş ve 100 m çapına kadar pervaneler (Growian, MOD 5B) çalıştırılmış olarak, rüzgâr endüstrisine özgü bir pervane kanat teknolojisi gelişmiştir. Evrimi ve durumu şimdi ele alınmaktadır.
3.4.2. Kanat Malzemeleri ve İmalât
Çelik (çok fazla öz ağırlık) ve alüminyum (yorulma direnci açısından çok belirsiz) ile ilk denemelerden sonra, dünya rüzgâr türbini pazarı şimdi tamamen kompozit konstrüksiyona dayalıdır. Çeşitli netliklerde cam elyafı ve polyester reçinesi içeren cam takviyeli plastik (GRP) büyük farkla en yaygın sistemdir. GRP kullanımı tekne imâl tecrübesinden türemiş olup, yaygın surette ucuz ancak yüksek otomasyon potansiyeli kısıtlı ıslak döşeme ve elle laminasyon teknikleri içerir. Dünyanın öncü kanat imalâtçısı LM Glasfiber 1995 yılında dünya çapında kurulu türbin kapasitesinin %50’sine kanat temin etmiştir. Şimdi lider imalâtçı Aerpac (Hollanda) gibi görünmektedir. Diğer başlıca imalâtçılar Rotorline (Hollanda), Polymarin (Hollanda), Abeking ve Rasmussen (Almanya)’dır, tümü çoğunlukla cam elyafı esaslı kanat tasarım ve imâli ile uğraşmaktadır.
Tahta, ana elyafların tek yönde hizalanmasını sağlayan mantıklı bir malzemedir. Yaygın olarak bükülmede rüzgâr yüklerine direnecek surette tasarlanan tahta, mükemmel yorulma direnci ve sertlik özelliklerine sahiptir. Modern rüzgâr türbini kanatlarında tahta kullanımında kritik faktör tasarım ömrü sırasında önemli nem değişiminin önleyici tahta yapraklarını yapıştıracak (laminasyon için uygun düşük yapışkanlıkta) bir epoksi reçine sisteminin evrimiydi.
Reçine sistemini ilk olarak Michigan’daki Gugeon Brothers geliştirdi. Gugeon Brothers California’da ABD rüzgâr türbini pazarına çok sayıda kanat temin etmiştir. Son birkaç yılda, 1980’li yılların başındaki İngiliz gelişmeleri ile teknik bağlantılı Taywood Aerolaminates (TAL) uluslararası pazara tahta epoksi kanat satışları yapmıştır.
Karbon Elyafı Takviyeli Plastik (CPRP) kanatlar çok yeni bir gelişmedir. Bu malzeme sisteminin kesinlikle roket uygulamaları için olduğu ve rüzgâr türbinleri için çok pahalı olduğu varsayılmıştı. Ancak akıllı üretim teknikleri kullanarak Fransız şirketi ATV Enterprise düşük maliyetli rüzgâr türbin kanatlarında üretmiştir.
Kanat malzemelerinde kilit sözcük kompozittir. TAL’ın tahta kanatlarında arka kenarda mesafenin %40’ında köpüklü cam konstrüksiyonu ve köpüklü cam kesme örgüleri bulunur. Kanatların neredeyse tümü ayrılma direnci için yüzeyde 450’dir. Bazı imalâtçılar (LM-Aeroconstruct) yüksek kaliteli cam içeren epoksi reçine kullanır. Bazen belirli alanlarda (genellikle karbon olmayan) kanatların direncini artırmak üzere karbon elyaflar eklenir.
3.4.3. Kanat Tasarımı Ölçek Arttırımı
En yeni olarak en büyük kanatların üretilmesi ve imalâtçının öğrenme eğrisinin zirvesinde olarak özgül kütle ve maliyet azaltıcı son gelişmelerden en çok yararlanması yaygın durumdur. Sadece 40 m çapından büyük pervanelere ait kanatlar dikkate alınır, yani daha küçük kanatlar hariç tutulursa trend çizgisi katsayısı 2,6’dan 2,8’e çıkar. Çok tutarlı üretilen kanatlar (örn. ATV kanatları) yaklaşık küp katsayısında kütle ve maliyete sahiptir.
3.4.4. Mevcut Teknolojide Ölçek Eğilimlerinin Değerlendirilmesi
Beklendiği gibi, küçük makineler yeryüzünün sınır tabakasının en kötü etkilerinden kaçınmak üzere nispeten yüksek kule yüksekliklerine sahiptir. Yaklaşık 30 m çapından büyük türbinlerde ortalama olarak kule yüksekliğinin pervane çapına orantılı ve yaklaşık olduğu açıktır. Bu seçenek hem teknik hem de görsel değerlendirmelerin bir sonucudur.
İmalâtçıların değişik kule yükseklikleri sunduğu çoğu durumda nispeten tutarlı çizelge orta değerde kule yüksekliği seçilerek elde edilir. Zemin yukarısında rüzgâr hızının değişkenliğini genellikle üs a içeren bir güç yasası temsil eder ve şekil olarak benzer rüzgâr türbinlerinin güç çıkışının çapa (D), D(2+3a) olarak bağlı olacağı hemen anlaşılır. Üs a en tipik olarak 1/7 alınır, yani D2,43 olur. Tasarım uygulaması, trend çizgisi katsayısı olarak 2,42 üstel sayısını vererek buna uyduğu ölçüde bu açıktır. Pervane çapı arttıkça motor yeri kütlesinin küp oranının altına indiği açıktır. Ancak daha