Rüzgar Enerjisi - Kimyasanal.com
Kategori: Disiplinlerarası Kimya Enerji Rüzgan Enerjisi
24519 kez okundu.
Fosillere dayanan, karbon bazli yakitlarin azalmasiyla beraber ortaya cikan yenilenebilir enerji kaynaklarindan bir tanesi de ruzgar enerjisidir. Ruzgarin momentum potansiyelinin kullanilarak, ya cevrim santrallari vasitasi ile ya da suyun hidrolizi vasitasi ile elde edilen hidrojen enerjisinden enerji elde edilmesi planlanan ruzgar turbinlerinin onundeki en buyuk engel verimlilik problemidir. Bir ruzgar turbini icin fiziksel gerceklere dayanarak elde edilebilecek maksimum verim yaklasik olarak 44.5% civarindadir. Yani teknik olarak bunun uzerine cikmak mevcut fiziksel kuramlara gore olanaksizdir.
Kurulus maliyeti termik, hidroelektrik ve nukleer santrallere nazaran cok dusuk olan ruzgar turbun tarlalarinin dunya uzerindeki halihazirda kurulu gucleri ulkelere gore soyle siralanabilinir:
1) ABD = 1500MW (megawatt)
2) Danimarka = 520 MW
3) Almanya = 330 MW
4) Ingiltere = 145 MW
5) Hollanda = 132 MW
6) Ispanya = 55 MW
7) Yunanistan = 35 MW
8) Italya = 10 MW
9) Hindistan = 50 MW
10)Cin = 25 MW
Bir dipnot, bir ruzgar tubin tarlasinda simdiye kadar ulasilabilinen en yuksek ruzgar turbin sayisi ABD nin California eyaletindeki kucuk bir sehir olan Stocton'da 5000 tane olarak kayitlara gecmistir.
Ileriki yazilarimda bir ruzgar turbininin nasil tasarlandigi konusunda degerli okuyucularimiza detayli bilgiler aktaracagim.
Rüzgar Tirübinleri Hakkında
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 rüzgâr 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 birçok yeni üretici pazara katılmıştır.
Rüzgar enerjisinden faydalanarak mekanik enerji elde etmeye yarayan makinelere rüzgar türbini denir. Rüzgâr Türbinlerinin kW ‘lardan MW ‘lara kadar geniş bir kapasitesi vardır. Rüzgar türbinleri çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılabilirler.
Eksenlerine göre; yatay eksenli ve düşey eksenli türbinler olmak üzere ikiye ayrılırlar.
Tablo 1 ‘de rüzgar türbinlerinin güçlerine göre sınıflandırılması görülmektedir.
Türbinleri, dişli kullanılan ve dişli kullanılmayan türbinler olarak da sınıflandırmak mümkündür.
Ayrıca kanat sayılarına göre de; tek kollu, çift kollu ve üç kollu türbinler olarak sınıflandırılabilirler. Bunların dışında, önden ve arkadan rüzgarlı, durdurma ve kanat eğimli denetimli, sabit ve değişken hızlı rüzgar türbinleri şeklinde sınıflandırmalar da vardır.
Ölçek	Rotor Çapı (m)	Nominal Güç (kW)
Mikro	3 'den küçük	0.05 – 2
Küçük	3 – 12	2 – 40
Orta	12 – 45	40 – 1000
Büyük	45 'den büyük	1000 'den büyük
Tablo 1. Rüzgar türbinlerinin sınıflandırılması
Ticari amaçlı türbinlerin hemen tamamı bu gruba girmektedir. Rotor, dişli çark, jeneratör ve fren bir kule üzerinde yatay safta bağlanmışlardır. Büyük türbinlerde (1 MW' dan büyük) transformatör de kulenin tepesinde türbin gövdesinde yer alır. Küçüklerde, transformatör şebeke bağlantı sistemleri ile birlikte yerde bulunur.
Rotora iki veya üç kanat bağlıdır. Üç kanatlı rotor daha sürekli (değişikliği az) üretim sağlar ve daha sessiz çalışır, ancak fiyatı daha yüksektir. Eskiden rotorlar genellikle metalden imal edilirken, yenileri hafif kompozit malzemelerden üretilmektedir. 500 KW ile 3 MW arasındaki türbinler için rotor çapı 40-80 m olmaktadır. Rotor genellikle kulenin önünde yer alır. Rotorun kulenin arkasında kalması halinde kulenin yarattığı türbülans türbin verimini düşürmektedir. Rotorun türbin önünde rüzgâr doğrultusuna göre ayarlanabilmesi için elektrikli yönlendirici bulunur ve bu türbin gövdesi ile kule arasında yer alır. Kule genellikle çelikten imal edilir.
Jeneratörün sabit hızlı olması halinde rotor hızının kontrolü gerekmektedir. Aksi halde aşırı rüzgar hızlarında rotor kontrolsüz hızlanır ve kazaya sebep olur. Rotor kontrolü iki şekilde yapılmaktadır: ----
—	Rotor kanatlarının uygun tasarımı ile rüzgâr hızı belirli bir değerin üstüne cıksa dahi (örneğin 25 m/s) türbin hızı sabit kalır (stall control). Bu olay hidroelektrik türbinlerindeki kavitasyona benzemekte (yani artan düşüye rağmen kavitasyon başladıktan sonra türbin hızı sabit kalır).
—	Diğer yöntem ise kanatların rüzgar doğrultusu ile acısının bir hidrolik sistemle değiştirilmesi (pitch control). Çok yüksek hızlarda kanatlar rüzgara en az direnç gösterecek şekilde çevrilerek türbin hızı ayarlanabilir. Bunun hidroelektrikteki benzeri Kaplan türbinleridir. Acısı değiştirilebilen rotor kanatlarının diğer faydası düşük rüzgar hızlarında da yüksek verimin elde edilebilmesidir. Teknolojide diğer bir gelişme değişken hızlı jeneratörlerdir. Böylece yüksek rüzgar hızında da enerjiyi verimli üretmek mümkün olmaktadır. Ancak bu jeneratörler sabit hızlılara göre daha pahalıdır. Ayrıca elektriğin şebekeye bağlanabilmesi için çıkış frekansının elektronik olarak 50 Hz'e sabitlenmesi gerekmektedir.
Türbin hızını jeneratörün tasarım hızına çıkartmak için rotor ile jeneratör arasında dişli çark sistemi kullanılır. Ancak bu hem maliyeti hem de bakim masraflarını arttırır. Son yıllarda dişli çarkına gerek olmadan rotor şaftının doğrudan özel tasarlanmış bir jeneratöre bağlanması mümkün olmuştur. Jeneratör fiyatı biraz yüksek ancak dişli çarkın ortadan kalkması ve bakim masraflarının azalması bunu fazlasıyla karşılamaktadır.
Düşey Eksenli Türbinler
Düşey eksenli rüzgar türbinleri mutfakta kullanılan yumurta çırpacağına benzemektedir. Kanatlar bir düşey şafta bağlanmıştır. Bu türbinler G.J.M. Darrieus isimli bir Fransız mühendisi tarafından 1931'de icat edildiğinden Darrieus türbini olarak da isimlendirilir. Yatay eksenli türbinlere göre üstünlükleri şunlardır:
1. Rüzgar doğrultusundan etkilenmez. Dolayısıyla yönlendiriciye ihtiyaç yoktur.
2. Bütün elektromekanik aksam yerde olduğu için yatırım ve bakim masrafları daha azdır.
Buna karşılık düşey eksenli türbinlerinin başlıca iki eksikliği vardır:
1. Türbin kanatları dizaynı dolayısıyla verimleri düşüktür.
2. Kanatların yere yakinliği sonucu düşük rüzgar hizana maruz kalırlar, bu ise enerji üretimini azaltır.
Verim düşüklüğü dolayısıyla düşey eksenli rüzgar türbinleri fazla uygulama alanı bulamamıştır. Uygulama Kanada ve Kaliforniya'daki birkaç ünite ile sinirli kalmıştır. "H" türbini denen ve bir kulenin tepesinde düşey şaft üzerine yerleştirilen türbin araştırma konusu oluyorsa da henüz ekonomik acıdan fizibil olamamıştır.
Eğik Eksenli Türbinler
Dönme eksenleri, düşeyle rüzgar yönünde bir açı yapan türbinlerdir. Ayrıca, kanatlar ve dönme ekseni arasında da belirli bir açı bulunmaktadır. Yaygın bir kullanım alanı yoktur.
Bir rüzgâr türbini başlıca su parçalardan meydana gelir:
1. Rotor: Rüzgârın kinetik enerjisini mekanik enerjiye çevirir.
2. Dişli Çark: Rotor'un hızını arttırır.
3. Jeneratör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.
5. Yönlendirici: Rüzgâr doğrultusuna göre türbini yönlendirir.
6. Transformatör: Jeneratör voltajını şebeke voltajına yükseltir
Rüzgar türbinlerinin pervaneleri; alüminyum, titan, çelik, elyaf ile güçlendirilmiş plastik (cam elyafı, karbon elyafı ve aramid elyafı) ve ağaçtan imal edilmektedir. Modern rüzgar türbinlerinin kanatlarının hemen, hemen tamamı, cam elyafı ile güçlendirilmiş polyester veya epoksi gibi, cam elyafıyla plastikten üretilirler. Çelikten üretilen kanatların eğilmeye dayanımı çok iyidir. Fakat yorulma dayanımları ve korozyon sorunu yaratmaktadır. Alüminyum kanatlar, çeliğe göre daha hafiftir, yorulma dayanımları daha iyidir ve korozyona daha dayanıklıdır. Alüminyum malzemenin zayıf noktalan; kabuk şeklindeki malzemenin burkulması, imalat tekniğinin zorluğu ve pahalı olmasıdır. Cam elyafının kopma mukavemeti, 420 N/nm2 ile St 52 çeliğinin kopma mukavemeti 520 N/nm2'ye yakındır. Karbon elyafı İle güçlendirilmiş epoksi plastik malzemenin kopma mukavemeti ise, 550 N/nm2 ile çelikten daha iyidir. Cam elyafi ile güçlendirilmiş epoksi plastik malzemenin ana sorunu, elastisite modülünün 15 kN/nm2 ile çeliğe nazaran (210 kN/nm2 ) çok düşük olmasıdır. Bu nedenle, çok uzun kanatlarda cam elyafi yerine, elastisite modülü 44 kN/nm2 olan karbon elyafı ile güçlendirilmiş epoksi plastik malzeme kullanılır. Fakat bu malzemede pahalıdır.
Pervanedeki enerji, jeneratöre bir dişli sistemi ile (örneğin, çevrim oranı; 1:15 ) aktarılır. Dişli sistemi, pervane milinin devir sayısını jeneratörün gerek duyduğu devir sayısına çıkarır. Örneğin Nortex Firması tarafinda üretilen N 54 adlı, 1000 kW nominal güçlü rüzgar türbinlerinde dişli kutusunun çevrim oranı l:70'dir. Bu türbinlerin jeneratörlerinde, rüzgâr hızına göre otomatik olarak devreye giren 6 ve 4 kutup söz konusudur. 6 kutbun devrede olması durumunda, pervane rotorunun dakikadaki devir sayısı 14, jeneratör milinin dakikadaki devir sayısı 1000 ve türbin gücü 200 kW olurken; 4 kutbun devrede olması durumunda, pervane rotorunun dakikadaki devir sayısı 22, jeneratör milinin dakikadaki devir sayısı 1500 ve türbin gücü 1000 kW olmaktadır.
Rüzgar enerjisi tesislerinde kullanılan jeneratörler, alternatif akım veya doğru akım jeneratörleri olabilir. Burada elde edilen elektrik akımı, yetersiz kalitede alternatif akım veya doğru akım bile olsa, çeşitli güç elektroniği düzenekleriyle şebekeye uygun hale getirilebilir.
Doğru akım jeneratörleri, büyük güçlü rüzgar enerjisi tesislerinde tercih edilmemektedir. Bunun nedeni, sık bakım gereksinimi ve alternatif akım jeneratörlerine göre daha pahalı olmasıdır. Doğru akım jeneratörleri, günümüzde sadece küçük güçlü rüzgar enerji tesislerinde akülere enerji depolamak için kullanılır.
Direkt şebekeye bağlantı sistemlerinde; alternatif akım jeneratörlerini oluşturan asenkron veya senkron jeneratörlerin millerinin devir sayısı:
Nsenkron = 60.f/p (d/d)
Bağlantısı ile verilir. Burada f Hertz biriminde elektrik şebekesi frekansı, p çift kutup sayısı ve n dakikada devir sayısıdır Dişlideki kayıplar ve gürültünün önlenmesi amacıyla, çok kutuplu jeneratörü olan dişli kutusuz türbinler de kullanılmaktadır. Bu bağıntıdan da anlaşılabileceği gibi, jeneratörün kutup sayısı arttıkça, 50 Hz'lik elektrik şebekesi frekansına uygun akım için gereken jeneratör mili devir sayısı da azalmaktadır. Bu nedenle, yüksek kutup sayılı jeneratörlerde dişli kutusuna gerek kalmamaktadır.
Germiyan da otoprodüktör sistemi ile kurulan, Alman Firması Enercon tarafından üretilen E-40 adlı dişli kutusuz rüzgar türbinleri, 84 kutupludurlar ve pervane milinin dakikada 38 devir yapması durumunda 500 kW'hk nominal güce ulaşmaktadır.
Şebeke bağlantılı alternatif akım jeneratörlerinde, sadece şebeke frekansını sağlayan devir sayısında elektrik enerjisi üretebilmektedir. Bu da, rüzgar türbininden örneğin sadece 8 m/s için optimum yararlanmak demektir. Bu nedenle, rüzgar türbinlerinin bazılarında, düşük ve yüksek rüzgar hızları için iki ayrı jeneratör kullanılmaktadır.
Rüzgardaki gücün artışı çok hızlı olduğundan, bütün rüzgar türbinleri yüksek hızlarda güç toplamalarını önleyecek düzenlemeler ile donatılırlar. Yüksek hız koşullarında güç denetimi amacıyla belli başlı üç yöntem kullanılmaktadır.
A.) Aerodinamik verimin değiştirilmesi:
1) Kanat açısını değiştirmek veya kanatları döndürmek
2) Sabit devirde çalıştırmak
3) Kaldırma etkilerini azaltıp sürükleme etkilerini çoğaltmak
B) Kanatların rüzgar ile etkileşim içinde olduğu alanı küçültmek:
1) Rotoru hakim rüzgar yönünden çevirmek
2) Rotor geometrisini değiştirmek
1) Mekanik, hidrolik
2) Hava freni
3) Elektrik (direnç, manyetik)
Bu yöntemler tek, tek ya da yüksek hız kontrolü ve yük denetim kaybı durumlarında kombine olarak bir arada kullanılabilir.
Caner Bey. verdiginiz bilgiler cok güzel. Eger bu yazi size ait ise, ayri bir yazi olarak sizin adiniza siteye koyabiliriz ama eger alinti ise, kaynak verirseniz altina ilave edelim. Aksi takdirde silmek durumunda kalacagim.
Salih Bey silip silmemek sizin tercihiniz. bu bilgiler tek kaynaktan olmadığı için kaynak veremiyorum. fakat www.dcdenergy.com adlı sitedeki yazıları hazırlarken sizede yollayayım dedim. site yakında hiznete giriyor. yazıların benzerleride orada zaten var. kaynak olarak orasını verebilirsiniz isterseniz.