Rüzgar Türbinlerinin Çeşitleri ve Birbirleriyle Karşılaştırılması

Enerji gereksinimini karşılamak için çeşitli tipleri olan rüzgar türbinleri yüzyıllardır kullanılmaktadır. İnsanların rüzgar enerjisinden faydalanma çalışmaları, yel değirmenlerinden günümüzün Offshore’larına doğru bir gelişme içerisinde olmuştur. Çok çeşitli alanlarda yararlandığımız rüzgar enerjisinden verimli bir enerji elde etmek için, mevcut şartlara göre kurulacak türbinlerin seçimi çok önemlidir. Her bir türbin farklı özelliklere ve kullanım alanlarına sahiptir. Bu çalışmada, bilinen rüzgar türbinlerinin özellikleri incelenerek, birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları belirlenmiştir.

A- A+

23.03.2013 tarihli yazı 31841 kez okunmuştur.

Binlerce yıldır teknelerin yelkenini şişiren, mısır ve buğday öğütmekte kullanılan rüzgar enerjisi, artık ortak enerji üretimi için esmektedir. İnsanlık yel değirmenlerinden, modern rüzgar santrallerine doğru uzanan teknolojik bir süreç yaşamıştır. Fosil yakıtların ucuzluğu yedeniyle yeterli seviyede önemsenmeyen rüzgar enerjisi, 1970’li yıllardaki petrol krizleri nedeniyle tekrar hatırlanmıştır. 1980 sonrasındaki gelişmelerle, Avrupa ve ABD’de rüzgar santralleri ekonomi, çevre ve enerji açısından çağdaş mühendislik ürünleri haline gelmiştir. Rüzgar Türbinleri'nin seri üretimine geçilmesi ile bu alandaki yatırımlar ve türbin üzerindeki gelişmeler gün geçtikçe artmış ve rüzgar santralleri kurulmuştur. Önceleri kara parçaları üzerinde kurulan rüzgar santralleri, artık denizlerin üzerine (Alarga – Offshore) kurulmaktadır.

Tarih boyunca çeşitli evrimler geçiren rüzgar makinelerinde kullanılan türbinler farklı tiplerdedir. Şimdiye kadar değişik nitelikte ve tipte geliştiren bu RT’lerden bazıları günümüzde ticari hale gelmiştir. RT’ler dönme eksenine göre üç gruba ayrılırlar:

► Yatay eksenli rüzgar türbinleri

► Dikey eksenli rüzgar türbinleri
► Eğik eksenli rüzgar türbinleri

Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri (YERT)

Bu türbinlerde; dönme ekseni rüzgar yönüne paralel, kanatlar rüzgar yönüne diktir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %45’dir. YERT genel olarak yerden 20-30m yüksekte ve çevredeki engellerden 10m yüksekte olacak şekilde yerleştirilmelidir. Rüzgar hızının, rotor kanadı uç hızına bölünmesi ile elde edilen orana kanat uç hız oranı (λ) denir. Eğer;

⇒ λ= 1–5 Çok kanatlı rotor

  ⇒ λ= 6–8 Üç kanatlı rotor,
  ⇒ λ= 9–15 İki kanatlı rotor,
  ⇒ λ>15 Tek kanatlı rotor kullanılır.

YERT, farklı sayıda rotor kanadına sahip olan ve rüzgarı önden alan veya rüzgarı arkadan alan sistemler olarak da çeşitlilik gösterirler.

Rüzgarı Önden Alan Makineler

Yıllardır yaygın olarak kullanılan bu makinelerde rotor yüzü rüzgara dönüktür. En önemli üstünlüğü kulenin arkasında olacak rüzgar gölgeleme etkisine çok az maruz kalmasıdır, yani rüzgar kuleye eğilerek varır. Kule yuvarlak ve düz olsa bile kanadın kuleden her geçişinde türbinin ürettiği güç biraz azalır. Bu nedenle rüzgar çekilmesinden dolayı kanatların sert yapılması gerekir ve kanatların kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekir. Ayrıca, önden rüzgarlı makineler, rotoru rüzgara karşı döndürmek için “Yaw” mekanizmasına gerek duyarlar.

Rüzgarı Arkadan Alan Makineler

Bu makinelerin rotorları kule arkasına konur. Bunların önemli üstünlüğü rüzgara dönmek için “Yaw” mekanizmasına gerek duymayışlarıdır. Eğer nacelle ve rotor uygun tasarlanırsa, nacelle rüzgarı pasif olarak izler. Daha önemli bir üstünlük kanatların esnek özelliğe sahip olmasıdır. Bu, hem ağırlık hem de makinenin güç dinamiği açısından önemli bir üstünlüktür. Böylece bu makinelerin avantajları; önden rüzgarlı makinelere göre daha hafif yapılması sonucu kule yükünün azalmasıdır. Ancak, kanat kuleden geçerken meydana gelen güç dalgalanması, türbine önden rüzgarlı makinelerden daha çok zarar verir.

Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Tek kanatlı RT’nin yapılmasının sebebi, kanat sayısına göre dönme hızının yüksek olması ve bu sayede makine kütlesini ve rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Ek olarak rotor kanadı, kanat üzerindeki yapısal yükleri azaltacak mekanizma ve kanat mekanizma hareketinin pürüzsüz olabilmesi için, tek menteşe ile sabitleştirilip, 2 karşı ağırlıkla dengelenmelidir. Diğer taraftan tek kanatlı rotorlarda, ilave yüklerden ortaya çıkan aerodinamik balanssızlık ve mekanizma hareketinin kontrol altında tutulması için hub çok iyi yapılmalıdır. MBB firması tarafından tasarlanan, her birinin tesis gücü 630kW olan ve rotor çapı 56m üç tip RT Almanya’nın Wilhelmshaven yakınında çalışmaktadır. En önemli ticari dezavantajı, 120m/sn civarındaki kanat uç hızının sebep olduğu rotorun aerodinamik gürültü seviyesidir. Bir kanatlı RT’nin kanat uç hızı, üç kanatlı RT ile karşılaştırıldığında, iki kat daha yüksektir ve daha fazla gürültü içermektedirler. Almanya halkı, gürültü ve görsel rahatsızlık nedeniyle bu RT’lerin piyasada kullanılmasına şans tanınmamıştır.

Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Üç kanatlı türbinlere göre rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi bu türbin fikrini doğurmuştur. Birçok ülkede 10 ila 100m rotor çaplı ölçülerde RT’ler tasarlanıp, Avrupa ve ABD’de çalışmaya başlamıştır. Bu ticari RT’lerden sadece birkaç tanesi prototip durumundan, seri üretime geçebilmiştir.

İki kanatlı rotorun balansı, bir kanatlı rotora göre daha düzgündür. Fakat maalesef iki kanatlı rotorun sebep olduğu dinamik hareketleri önlemek için ilave teknik güç, maliyetin daha fazla artışına sebep olmaktadır. Hub’ın titreşimi azaltmak için rotora kadran sistemi ilave edilmiştir. Bu kadran, rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına dik yerleştirilir. Üç kanatlı rotorla karşılaştırıldığında en büyük avantajı; kanat uç hızlarının yüksek olmasıdır. Bu RT’nin gürültü seviyesinin yüksek olması ve düşük rüzgar hızlarında (3m/sn) çalıştırılması dezavantajıdır. Günümüzde iki kanatlı rotor, şimdi birkaç ünitedir ve en az bir an için artan piyasaya dikkat edecek olursak iki kanatlı rotora hiçbir eğilim bulunmamaktadır.

Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Üç kanatlı modern türbinler, dünyanın her tarafında kullanılmaktadır. Üç kanat kullanımının asıl sebebi, dönme momentinin daha düzgün olmasıdır. Bu türbinde, türbinin yapısı üzerinde depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momentini olmadığından, hub içinde titreşimi önleyici pahalı parçalara gerek yoktur. Kanat uç hızı 70m/sn altında olduğundan gürültünün düşüklüğü, sarsıntısız döndükleri için göz estetiğini bozmamaları önemli bir avantaj olup, halk tarafından kabulünü sağlamıştır. Küçük güçlü RT’lerde, üç kanatlı rotor kullanıldığında güç problemleri ortaya çıkar. Bu problemin çözümü için düşük devirde dönen rotorun devir sayısını 1/n oranında arttıran dişliler kullanılır ve “Cut in” olarak adlandırılan hız değerine ulaşıncaya kadar, jeneratör boşta çalıştırılır.

Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri

Çok Kanatlı RT’ler (rüzgargülleri), RT’lerin gelişmemiş ilk örnekleridir. Yıllarca sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu işlemdeki moment gereksiniminin karşılanabilmesi amacıyla, çok kanatlı olarak üretilmiştir. Çok kanatlı RT’ler düşük hızda çalışırlar. Türbin kanatlarının genişlikleri, pervane göbeğinden uçlara gidildikçe artım gösterir. Pervane mili, dişli kutusuna bağlanarak, jeneratör mili devir sayısı artırılır ve otomobillerde uygulama alanı bulan jeneratörler kullanılır. Rüzgargülleri, rüzgargülü pervane düzleminin rüzgar hız vektörünü her zaman dik olarak alabilmesi için de, rüzgargülü yönlendiricisi taşımaktadırlar.

► İlginizi Çekebilir : Türkiye'de Rüzgar Enerjisi ve Gelişimi

► İlginizi Çekebilir : VestasYeni 3 MW Rüzgar Türbini Serisini Tanıttı

Yazar: M. Yaşar Ayyıldız

Kaynak :

► Tezproje
► Wikipedia