RÜZGAR TÜRBİNİN KULLANIMI VE GELİŞİMİ
Rüzgar Türbini: Rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye ve mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemlere rüzgar türbini denir. Bir rüzgar türbini başlıca şu parçalardan meydana gelir.Şekil:1(a)
1- Rotor: Rüzgarın kinetik enerjisini mekanik enerjiye çevirir.
2. Dişli Çark: Rotor’un dönme hızını arttırır.
3. Generatör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirir.
4. Fren: Türbini yavaşlatır ve durdurur.
5. Yönlendirici: Rüzgar doğrultusuna göre türbini yönlendirir.
6. Transformatör: Generatör voltajını şebeke voltajına yükseltir
7. Kule: Türbini taşır.
Rüzgar türbinleri; rotor, güç şaftı ve rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine çeviren bir alternatörden (generatör) oluşur. Rüzgar rotordan geçerken, aerodinamik bir taşıma kuvveti oluşur ve rotoru döndürür. Bu dönel hareket generatörü hareket ettirir ve elektrik üretir. Ayrıca türbinlerde, dönme oranını ayarlayacak ve kanatların hareketini durduracak bir rotor kontrolü bulunur. Rüzgar hızı yükseklikle arttığı için rüzgar türbinleri kule tepelerine yerleştirilir. Bir rüzgar türbininin görünüşü (nasel’in (gövde) iç yapısı) ve rüzgar enerjisiden üretilen elektriğin dağıtımı Şekil:2a ve 2b’de gösterilmiştir.
1- Kanatlar
2-Rotor
3-Açı düzenleyici
4- Fren
5- Düşük hızlı mil
6- Dişli Kutusu
7- Generatör
8- Hız ve yön düzenleyici
9- Anomometre
10- Rüzgar yön sensörü
11- Nasel
12- Yüksek hız mili
13- Yönlendirme mekanizması
14- Yönlendirme motoru
15- Kule
Rüzgar türbinlerinin ömrü, türbin kalitesine ve yerel iklim özelliklerine göre değişmekle beraber ortalama 20-25 yıldır. Rotor yüksekliğindeki türbülans yoğunluğu ve bunun sonucu ortaya çıkan mekanik yorulma, türbin ömrünü birinci dereceden etkileyen faktördür. Rüzgar enerjisi teknolojisinin kapasite faktörü (C F ) %25-40 arasında değişmektedir. Kapasite faktörü; yıllık üretilen net enerji miktarının, bir yıl tam kapasiteyle çalışması durumunda üretilebileceği enerji miktarına oranı şeklinde tanımlanmaktadır.
Rotora iki veya üç kanat bağlıdır. Üç kanatlı rotor sürekli (degisikliği az, stabil) üretim sağlar ve sessiz çalışır, ancak fiyatı yüksektir. Eskiden rotorlar metalden imal edilirken, yenileri hafif kompozit malzemelerden üretilmektedir. 500 kW ile 3 MW arasındaki türbinler için rotor capı (D) 40- 80 m olmaktadır. Rotor genellikle kulenin önünde yer alır ve türbin önünde rüzgar doğrultusuna göre ayarlanabilmesi için elektrikli yönlendirici bulunur. Rotorun kulenin arkasında kalması halinde kulenin yarattığı türbülans turbin verimini düşürmektedir.
Kuleler genellikle çelikten imal edilirler. Çelik kafes, çelik konik boru, çelik silindir, beton konik boru ya da silindir biçiminde yapılmaktadır. Kule yükseklikleri fazla olabildiğinden kafes kulelerin dışındaki konstrüksiyonlar iki yada üç parçalı olabilmektedir. Kafes kuleler görüntü kirliliği ve bakım zorluğu nedeniyle hemen hemen terk edilmiştir. Maliyeti fazla olmakla beraber günümüzde yaygın olarak açık gri renge boyanmış silindirik konik kesitli kuleler kullanılmaktadır. Son yıllarda çelik borudan kuleler kullanılmaktadır. Büyük türbin kuleleri betondan da yapılabilmektedir.
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: Birinci method; rotor kanatlarının uygun dizaynı ile rüzgar hızının belirli bir değerin üstüne çıkması durumunda (örnegin 25 m/s) türbin hızı sabit kalır (stall control). Diğer method ise kanatların rüzgar doğrultusu ile açısının bir hidrolik sistemle değiştirilmesi (pitch control). Çok yüksek hızlarda kanatlar rüzgara en az direnç gösterecek şekilde çevrilerek türbin hızı ayarlanabilir. Açısı değiştirilebilen rotor kanatlarının diğer faydası düşük rüzgar hızlarında da yüksek verimin elde edilebilmesi. Teknolojide diğer bir gelişme değişken hızlı jeneratörler. Böylece yüksek rüzgar hızında da enerjiyi verimli üretmek mümkün olabilmektedir. Ancak bu jeneratorler sabit hızlılara göre daha pahallı ve elektriğin şebekeye bağlanabilmesi için çıkış frekansının elektronik olarak 50 Hz’e sabitlenmesi gerekmektedir.
Türbin hızını jeneratörün dizayn hızına çıkartmak için rotor ile jenerator arasında dişli çark kullanılır. Ancak bu hem maliyeti hem de bakım masraflarını artırır. Son yıllarda dişli çarka gerek olmadan rotor şaftının doğrudan özel dizayn edilmiş bir jeneratöre bağlanması mümkündür. Bu durumda jeneratör fiyatı biraz yüksek ancak dişli çarkın ortadan kalkması ve bakım masraflarının azalması bunu fazlasıyla karşılıyor.
Yer yüzeyine yakın rüzgarlar, fiziki engeller, ağaçlar ve bitki örtüleri tarafından etkilenmektedir. Rüzgar hızı ve dolayısıyla bir rüzgar türbininin üreteceği enerji miktarı yükseklik arttıkça arazi pürüzlülüğüne, arazinin topografik yapısına ve atmosferik şartlara bağlı olarak üssel şekilde artmaktadır (Şekil:3). Bu nedenle modern rüzgar türbinlerinin rotorları (hub yüksekliği) yerden 30- 120 m yükseklikte bir kule üzerine kurulur. Gürültü kirliliğini önlemek için kule gövdesi ses izolasyonludur.
RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN SINIFLANDIRILMASI
Rüzgar türbinleri kanat sayılarına göre;
– Tek kanatlı,
– Çift kanatlı,
– Üç kanatlı türbinler olarak sınıflandırılabilirler.
Rüzgarı alma durumuna göre;
-Rüzgarı önden alan türbinler (up-wind)
-Rüzgarı arkadan alan türbinler (down-wind) olarak da sınıflandırılabilmektedir (Şekil:4).
– Güçlerine göre de sınıflandırma yapılabilir.
Rüzgar türbinlerini kanat sayılarına göre sınıflandırmak: Günümüzde modern rüzgar türbinleri upwind olarak yapılmakta olup 2 veya 3 kanatlıdırlar. Bu kanatlar genellikle kompozit malzemeden örneğin fiberglas’dan yapılırlar.
Eksenlerine göre sınıflandırmak:
1-Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri
Düşey eksenli türbinlerin kanatları bir düşey şafta bağlanmıstır. Bu türbinler G.J.M. Darrieus isimli bir Fransız mühendisi tarafından 1931’de icat edildiğinden Darrieus türbini olarak da isimlendirilir. Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinlerin kanatları da düşeydir.
Yatay eksenli türbinlere göre üstünlükleri şunlardır: Şekil:5 (a)
1. Rüzgar doğrultusundan etkilenmez. Bu türbinlerin rüzgarı her yönden alma üstünlüğü vardır. Dolayısıyla yönlendiriciye ihtiyaç yoktur.
2. Bütün elektromekanik ( makine aksamı, hız yükselticisi ve generatör) aksam yerde olduğu için yatırım ve bakım masrafları daha azdır.
Buna karşılık düşey eksenli türbinlerinin başlıca iki dezavantajı vardır:
1. Türbin kanatları dizaynı dolayısıyla verimleri düşüktür. Kanatların güç üretebilmeleri için rüzgardan daha hızlı dönmeleri gerektiğinden, ilk harekete geçmeleri zor olmaktadır.
2. Kanatların yere yakınlığı sonucu düşük rüzgar hızına maruz kalırlar, bu ise enerji üretimini azaltır.
Verim düşüklüğü dolayısıyla düşey eksenli rüzgar türbinleri fazla uygulama alanı bulamamıştır. Uygulamada, Kanada ve Kaliforniya’daki birkaç ünite ile sınırlı kalmıstır. “H” türbini denen ve bir kulenin tepesinde düşey şaft üzerine yerleştirilen türbin araştırma konusu olmasına rağmen ekonomik açıdan fizibil olamamıştır.
2-Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri
Ticari amaçlı türbinlerin hemen tamamı bu gruba girmektedir. Rotor, dişli çark, jeneratör ve fren bir kule üzerinde yatay şafta bağlanmışlardır. Büyük türbinlerde (1 MW’dan büyük) transformatör de kulenin tepesinde türbin gövdesinde yer alır. Küçüklerde, transformatör şebeke bağlantı sistemleri ile birlikte yerde bulunur. Bu tür türbinler de, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel, kanatları ise rüzgar yönüne dik olarak çalışırlar.
3- Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri
Dönme eksenleri düşeyle rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgar türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.
Güçlerine göre de sınıflandırma yapılabilir.
Tablo 1. Güçlerine göre rüzgar türbinleri
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
RÜZGARDAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETEN RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN MALİYETİ
-İşletme ve bakım Maliyeti: Toplam maliyetin %1.2 c€/kWh,
– Birim yatırım maliyeti: 900 €/kW- 1200 €/kW,
– Birim enerji maliyeti: 6-8 c€/kWh.(*)
(*): Bu veriler Avrupa ülkeleri için geçerlidir.
Kaynak: Wind Energy The Facts An Analysis of Wind Energy in the EU-25
Ülkemiz için rüzgar türbinlerinin kW başına kurulu güç maliyeti 900€/kW-1350€/kW’dır. (Fiyatların yüksek olmasının nedeni; kredi faizlerinin yüksek olması, yurtdışından yabancı uzman getirtilmesi, gümrük vergisi, nakliye ve montaj vb).Türbin teknolojisindeki gelişmeler rüzgar türbin maliyetlerini gün geçtikçe düşürmektedir.
A. Büyük Güçlü Rüzgar Türbinlerinde Maliyet Dağılımı (Tablo:2)
( 600kW- 1.5 MW)
|
Elemanlar |
Toplam Maliyetteki Payı % |
|
Türbin |
74-84 |
|
Temel |
1-6 |
|
Elektrik Bağlantısı |
1-9 |
|
Şebeke Bağlantısı |
2-9 |
|
Danışmanlık |
1-3 |
|
Arazi |
1-3 |
|
Finansal Maliyetler |
1-5 |
|
Yol Yapımı |
1-5 |
Kaynak: Wind Energy The Facts An Analysis of Wind Energy in the EU-25
Yukarıdaki tabloda verilen toplam tesis maliyetine ülkemiz için; nakliye sigortası, gümrük vergisi, firma karı, arazi yapısının getirdiği ekstra maliyetler fiyatlara eklenecektir.