RÜZGAR ENERJİSİ ve RÜZGAR TÜRBİNLERİ

Rüzgâr enerjisinin tanımı ve rüzgâr türbinleri. Rüzgâr elektrik santrali (RES) yapısı ve parçaları. Rüzgâr türbinlerinin çalışma prensibi. Dünyanın en büyük ve en yüksek RES santrali.

Rüzgâr, yönü belli olan yatay hava akımıdır. Bu hava akımı atmosferin farklı bölgelerinde, hava sıcaklıklarının farklı olmasından veya dünyanın dönmesi nedeniyle dinamik olarak oluşan yüksek ve alçak basınç alanları nedeniyle meydana gelir.

Rüzgâr, esiş hızının şiddetiyle doğru orantılı bir güce sahiptir. Bu güç genellikle cisimleri hareket ettirme şeklindedir. Cisimleri hareket ettirebilme gücüne sahip olduğundan dolayı rüzgârın bir enerjisi vardır.

Rüzgârın hızı anemometre denilen bir aletle ölçülür.

Rüzgârın esiş şiddeti yüksek ve alçak basınç bölgeleri arasındaki basınç farkının büyüklüğüne bağlıdır.

Rüzgârın hareket ettirebilme yeteneğinden ilk çağlardan beri yeldeğirmenleri, sulama işlemleri ve tahıl ezmek amacıyla yararlanılmıştır. Yelkenli gemiler 5000 yıldan fazla bir zamandan beri Rüzgâr gücünden faydalanılarak hareket ettirilmektedir.

Günümüzde ise Rüzgâr enerjisinin önemi, elektrik enerjisi üretiminde yenilenebilir kaynakların önem kazanmasıyla daha da artmıştır. Rüzgâr yenilenebilir enerji kaynaklarındandır. Çevreyi kirletmez, temini için enerji kullanılmasına gerek olmaz. Rüzgâr enerjisi doğanın insanlara sunduğu ücretsiz bir enerji kaynağıdır.

Rüzgâr Enerjisi Santralleri

Rüzgâr santralleri, yılın büyük bölümünde rüzgârlı olan ve rüzgâr hızının bir RES santrali için yetecek kadar hızlı olduğu bölgelere kurulur.

Rüzgâr enerji santralleri (RES) rüzgârın hareket enerjisini elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Bu santrallerde yüksek bir kule üzerine monte edilen pervaneler bağlı oldukları mili döndürür. Bu milde hareketini bağlı olduğu dişlilere ve bu dişlilerde hareketi jeneratöre iletir. Jeneratörün hareket ettirilmesiyle de elektrik enerjisi elde edilmiş olur. Çoğu RES santralinde kanatların hareketi dişliler aracılığıyla jeneratöre iletilmekle beraber son yıllarda dişli sistemine gerek kalmadan jeneratörü istenen hızda döndürebilecek rotorlar geliştirilmiştir.

Tarihsel gelişim içinde ilk başlarda 1 -10kW arası küçük güçlerde üretim yapan rüzgâr santralleri kurulmuştur. Her geçen yıl geliştirilen türbinler son yıllarda 10 MW lık güce ulaşmıştır.

Rüzgâr enerjisi bakımından denizler karalara göre daha büyük bir potansiyele sahiptir. Denizler de deniz üstü kurulan rüzgâr santrallerine offshore rüzgâr santralleri adı verilmektedir. İlk denizüstü Rüzgâr çiftliği Danimarka’da kurulmuştur. Bu Santrallerin gücü 5MW tır. Şu anda Avrupa’da 12 MW güçte offshore santralleri çalışmaktadır.

İngiltere denizlerinde "Burbo Bank Offshore Wind Farm" da kurulan rüzgâr enerji santrali 195 metre yüksekliğinde ve 8 MW gücündedir. 

6 Eylül 2018 tarihinde İngiltere’nin kuzeyinde İrlanda Denizinde hizmete giren Wallney Extension, bu tarih itibarıyla dünyanın en büyük açık deniz rüzgâr çiftliği oldu. Wallney Extension, toplam 659 MW gücündedir ve 87 türbinden meydana gelmektedir. Bir türbin 192 m yüksekliğindedir. Bu Rüzgâr üretim çiftliği 590 000 konutun elektrik ihtiyacını karşılayabilecek büyüklüktedir.

Yapımı devam eden ve yakın bir zamanda tanıtımı yapılan Haliade-X 12 MW rüzgâr türbini dünyanın en yüksek türbini olacaktır. Bu türbinin yüksekliği 260 m, rotor yarıçapı (kanatların taradığı bölge) 220 m dir. Yıllık 38 GW elektrik enerjisi üretecektir ve tek başına 16 000 konutun elektrik ihtiyacını karşılayabilecektir.

Rüzgâr Türbininin Çalışma Prensibi

 Kule adı verilen yüksek yapılara, rüzgâr pervaneleri monte edilir. Bu pervaneler, Hub adı verilen kısımlara monte edilmiştir. Hub, kanatla beraber hareket eder ve bağlı olduğu mili (düşük hız mili) döndürür. Düşük hız mili, hızını bir dişli aracılığıyla yüksek hız miline aktarır. Yüksek hız mili jeneratöre bağlıdır. Böylece kanatlar dönünce jeneratör mili döner ve elektrik üretimi gerçekleşir. Bu işlemlerde önce rüzgâr enerjisi mekanik enerjiye çevrilir, daha sonrada mekanik enerji elektrik enerjisine çevrilir. 

Böylece rüzgâr enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur. Elde edilen elektrik enerjisi gerekli düzenlemelerle iletim voltaj değerlerine yükseltilerek yeraltı kabloları ve direklerle elektrik iletim şebekelerine aktarılır.

Bir rüzgar türbininde kanatların eğim açısını düzenleyen pitch sistemi, kule üzerindeki türbin gövdesini rüzgar yönüne göre ayarlayan sapma sürücüsü, gerektiğinde kanatları durduran fren mekanizması ve pervaneden aldığı hareketi daha da yükselterek jeneratöre aktaran dişli sistemi bulunur.

Rüzgâr Santralinin Kısımları

1 – Kule: Türbini taşır. Genelde çelik veya betondan yapılır. Kule yüksekliği kanatların uzunluğuna göre belirlenir. Kulelerin yüksekliği 60 m, 100 m, 140 m ve 180 m olabilmektedir.

Teknoloji ilerledikçe daha yüksek kuleler inşa edilmektedir. Kule yüksekliği arttıkça kuleye etki eden rüzgâr hızı da artmakta ve verim yükselmektedir.

Şu anda en yüksek kule 247 m ile Almanya’dadır. Haliade-X faaliyete geçtiğinde 260 m yükseklik ile en yüksek kule olacaktır.

2 – Kanatlar: Rüzgâr çarpmasıyla hareket eden ve bu hareketi rotora aktaran parçalardır. Kanatlar rüzgârın hareket enerjisini jeneratöre aktararak elektrik enerjisine dönüşmesini sağlarlar. Cam elyaf, polyester, epoksi reçine, karbon kumaşı, PVC, plastik, ağaç gibi maddeler kanat yapımında kullanılır. Gelişmiş rüzgâr türbinlerinin kanatları alüminyum, çelik, elyaf ile güçlendirilmiş plastik, fiberglass veya karbonfiber kompozit maddelerden yapılmaktadır.

Rüzgâr santrali kanatlarının üretildiği maddelerin genel adı kompozit malzemedir. Bu malzemeler yukarıda saydığımız ve burada yer almayan birçok maddenin en etkili özellikleri bir araya getirilerek yapılmaktadır. 

Kanatların uzunluğu kule uzunluğuna göre ayarlanır. Günümüzde en büyük rüzgâr santralinin tek kanat uzunluğu 80 m’dir. 

Tek kanat uzunluğu 80 m olan bir türbinin kanatlarının toplam dönme alanı 160 m olur. Yani kanatların çizdiği dairenin çapı 160 m’yi bulmaktadır. Bu santralde her kanat 35 ton ağırlığındadır.

Kanat uzunluğunda firmalar rekabet halindedir ve her firma teknolojisini daha yukarıya çıkarıp daha uzun kanatlara sahip türbinler yapmaya çalışmaktadır.

Tanıtımı yapılan ve yakın zamanda kurulacak Haliade-X türbininin kanat uzunluğu 107 m olacaktır.

3- Rotor: Kanatlar ve göbeğin ikisine birden rotor denir. Rüzgâr kinetik enerjisi, rotorda mekanik enerjiye dönüştürülür. Kanatlar hareketi rotor miline, rotor mili hareketi jeneratöre aktarır.

4- Dişli Kutusu: Rotor açısal hızı genellikle ihtiyaç duyulan elektriksel frekans değerini üretmek için gerekli hareketi jeneratöre iletemez. Dişliler, düşük hızlı mili yüksek hızlı mile bağlarlar. Dönme hızını dakikada 30 – 60 devirden, 1200 – 1500 devire çıkarırlar.

5 – Jeneratör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinelerdir. Kanatların bağlı olduğu mil jeneratöre bağlanır ve jeneratör sargısını döndürerek elektrik üretmesini sağlar. Rüzgâr santrallerinde kullanılan jeneratörler alternatif akım veya doğru akım jeneratörü olabilir. Doğru akım jeneratörleri küçük güçlü rüzgâr enerji tesislerinde akülere enerji depolamak için kullanılmaktadır. Şebekeye bağlanan büyük güçlü rüzgâr enerji tesislerinde alternatif akım jeneratörü kullanılır. Rüzgârın sürekli ve hızlı olduğu yerlerde alternatif akım jeneratörlerinden senkron jeneratörler kullanılır. Rüzgâr hızının değişken olduğu ve küçük güçlerde asenkron jeneratörler kullanılır.

6 –Fren: Türbini yavaşlatmaya ve durdurmaya yarar. Yüksek rüzgâr hızlarında türbini yavaşlatmaya veya durdurmaya yarayan durdurma sisteminin bir parçasıdır. Genellikle elektromekanik ve hidrolik frenler kullanılır.

7 – Yönlendirici: Rüzgâr doğrultusuna göre türbini yönlendirir. Temel görevi türbinin rüzgârı karşıdan almasını sağlamaktır. Bu sayede rüzgârdan maksimum enerji elde edilir.

8 – Transformatör: Generatör voltajını şebeke voltajına yükseltir.

9 – Anemometre: Rüzgâr hızını ölçerek bu hızı kontrol mekanizmasına iletir.

10 – Yön Belirteci: Rüzgâr yönünü algılar ve kontrol mekanizmasına iletir.

11 – Kontrolör: Makineyi saatte 8 – 10 mil rüzgâr hızında çalıştırır ve saatte 65 mil hızda durdurur. Türbinler saatte 65 milin üzerinde çalıştırılmazlar.

12 – Düşük Hız Mili: Kanatlara bağlı olan mildir. Kanatların birleştiği noktaya bağlıdır. Kanatlardaki hareketi dişli kutusuna aktarır.

13 – Yüksek Hız Mili: Yaklaşık 1500 devir/dakika hızla döner ve jeneratörü çalıştırır. Yüksek hız mili düşük hız miline dişlilerle bağlıdır ve dişli yapılarından dolayı düşük hız milinden yaklaşık 50 kat daha hızlı döner. Acil durumlar için mekanik disk freni ile birliktedir. Aerodinamik frenler çalışmadığı zaman ve türbin hizmette olduğunda mekanik fren devreye girer.

14 – Pitch: Kanat eğim mekanizmasıdır. Kanatlar döndürülür veya rüzgârın yönüne göre kanatların eğim açısı ayarlanır. 

Eğim Mekanizması: Rüzgâr hızı anma değerini aşarsa, eğim mekanizması devreye girer. Bu mekanizma kanatların rüzgâra göre açı değiştirmesini, gerektiğinde tamamen kapanmasını veya tamamen açılmasını sağlar.

15 – Türbin Kabini: Rüzgâr türbininin dişli kutusunu, jeneratörünü ve büyük türbinlerde transformatörü içine alan kısımdır.

16 – Yön Saptırma Sürücüsü: Yön Saptırma motoru ile beraber rüzgârın yönüne göre türbin kabininin dönmesini sağlar.

17 – Yön Saptırma Motoru: Rotorun rüzgârı en iyi şekilde kullanabilmesi için, rüzgârın yönüne göre türbin kabinin dönmesini sağlar.

SANATSAL BİLGİ

23/09/2018