Elektrik Enerjisi Üretimi Dersi 5. Ünite Özet

Rüzgâr Türbini Bileşenleri

Yenilenebilir bir enerji kaynağı olan rüzgârdan eski çağlardan beri birçok alanda yararlanılmasına rağmen bu kaynaktan elektrik enerjisi üretimi ise nispeten daha yenidir. Günümüzün rüzgâr türbinleri yatay eksenli ve düşey eksenli olmak üzere iki farklı eksen üzerinde tasarlanır. Yatay eksenli türbinler yeryüzüne paralel olan eksen etrafında dönen palalara sahip iken düşey eksenli rüzgâr türbinleri ise yeryüzüne dik olan eksen etrafında dönen palalara sahiptir. Yatay eksenli bir rüzgâr türbininde üç önemli alt sistem vardır: Pervane, nasel ve kule. Bütün pala ve pala göbeği pervane sisteminde yer alır. Hava, palaların üzerinden geçtikçe pervane döner ve bu dönüş hareketi türbinin çalışmasını sağlar. Rüzgâr türbininin en hayati parçası palalar ve pala tasarımıdır. Palalar rüzgâr gücünü pervaneyi itmek için kullanır. Pala tasarımı bir dizi tasarım sürecini beraberinde getirir. Pala profili seçimlerinde nihai hedef palanın taşıma ve stall karakteristiklerinin güvenilir olmasını ve pala yüzeyinde oluşacak kirlenme, yağmur, buzlanma ve diğer oluşacak katmanların pervanenin performansına olan zararının minimize edilmesini gerektirir. Pala tasarımında diğer önemli faktörler ise pala sayısı ve pala yerleşimidir. Pervane, kulenin üstünde yer alan nasele bağlıdır. Nasel dişli kutusu, şaftlar, frenler, kontrol ekipmanları vb. içine alır. Büyük türbinlerde, nasel oldukça büyüktür ve bir türbin teknisyeninin içerisinde çalışırken ayakta durabilmesine olanak tanır.

Bir diğer önemli alt sistem olan rüzgâr türbini kulesi, naselin ve pervanenin istenilen irtifaya çıkartılmasını sağlayan bir yapıdır. Büyük rüzgâr türbinlerinde genellikle tübik çelik kuleler, kafes yapılı kuleler ya da beton kuleler kullanılırken, küçük rüzgâr türbinlerinde ise genellikle çelik halatlarla sağlamlaştırılmış çelik borulardan yararlanılır. Türbinden yüksek oranda güç elde etmek için türbinin yeterince yüksekte olması gerekir. Büyük türbin kuleleri genellikle 40 ila 70 m arasındadır. Bu ana üç alt sistemin dışında diğer bileşenler, rüzgâr türbini güç kontrol mekanizmaları, rüzgâr türbini sapma mekanizması, jeneratör, dişli kutuları, elektronik kontrol ünitesi, fren sistemi, anemometre ve rüzgârgülü olarak sıralanmaktadır.

Elektrik Üretimi: Bütün Bileşenlerin Bir Araya Getirilmesi

Tüm bileşenlerin montajı yapıldıktan sonra sistem elektrik üretmeye hazır hale gelir. Türbin palaları rüzgârın etkisiyle dönmeye başlar. Rotor ve palalar, ana şaftı ve dişli kutusunu döndürür. Dişli kutusu da jeneratörü döndürerek elektrik üretimi sağlanır. Elde edilen elektrik kuleden aşağıya aktartılır, burada depo edilir ya da dağıtılır.

Büyüklüklerine Göre Rüzgâr Türbinleri

Rüzgâr türbinleri, elektrik enerjisi üretme kapasitelerine göre küçük veya büyük ölçekli olmak üzere iki ayrı sınıfta incelenebilir. Küçük ya da ev-çiftlik ölçekli bir rüzgâr türbininden elde edilen en fazla güç miktarı 100 kW’tır. Böyle bir sistemin maliyeti çıkış gücüne göre 1.000$ ile 30.000$ arasında değişmektedir. Ticari ölçekli rüzgâr türbini sistemleri en az 100 kW gücündeki sistemlerdir. Büyük ölçekli sistemler ise nominal gücü en az 1000 kW olan sistemlerdir. Birçok rüzgâr türbininin bir araya getirilmesiyle oluşan rüzgâr çiftliklerinden elde edilen elektrik, 175.000 nüfuslu bir yerleşim yerinin elektrik ihtiyacını karşılamaktadır. Böyle bir büyük ölçekli sistemin maliyeti 200 milyon $ seviyelerindedir.

Rüzgâr Türbinlerinde Güvenlik

Bir rüzgâr türbininin bileşenleri 20 yıl boyunca durmadan çalışacak şekilde tasarlanır. Bu da yaklaşık 120.000 çalışma saati eder. Büyük rüzgâr türbinlerinin bu denli uzun çalışma süresi içerisinde güvenli bir şekilde sorunsuz çalışabilmesi için birtakım güvenlik ekipmanları ile donatılması gerekir. Bunlardan en klasik ve basit olanı titreşim sensörüdür. Bu sistem basitçe bir bilezik ve üzerinde duran bir bilye içerir. Türbin titreşime başladığı zaman bilye bilezik üzerinden düşer ve türbini durdurur. Bunun yanında dişli kutusundaki yağın ve jeneratörün sıcaklığını ölçen elektronik termometre nasel içindeki sensörlerden biridir. Yıldırım düşmesi rüzgâr türbinleri için en ciddi risk faktörlerinden biridir. Bunu önlemek için türbinler için uygun koruma sistemi teçhiz edilmelidir. Güvenlik açısından rüzgâr türbinlerinin uygun bir şekilde topraklanması da gerekmektedir. Topraklama ile personele ve hayvanlara gelecek şok tehlikeleri en aza indirilir, yıldırım koruması artırılmış olur ve voltajı makul limitler arasında tutulur. Ayrıca elde edilen potansiyel voltaj farkının personele ve ekipmanlara zarar vermesi engellenir.

Rüzgâr Türbinlerinin Üretimi ve Kurulumu

Rüzgâr türbinlerinin üretiminde en önemli bileşeni türbin palalarıdır. Geometrik hassasiyet ve dayanıklılık, kurulumunun yapılacağı bölgenin rüzgâr potansiyeline ve hedeflenen güç kapasitesine göre tasarlanan türbin palalarının üretiminde önemli iki kavramdır. Geometrik hassasiyet, palaların üretiminde tasarım süresince planlanan üç boyutlu geometrinin en az hata ile elde edilme işlemidir. Rüzgâr türbini palaları dönen bir yapı olduklarından harmonik olarak değişen bükme, burulma ve çekme yüklerine maruz kalır. Bu yüklerin vereceği zararı minimize etmek için hafif ve dayanıklı malzemelerden imal edilmesi gerekir. Pervane palası, harici paneller, dâhili boylamsal kirişler ve yıldırım koruma tabakasının bir araya getirilmesi ile elde edilir.

Türbin kuleleri, hem kulenin hem de naselin ağırlığına dayanıklı çelik veya beton malzemeden üretilirler. Kule temeli de kuleye uygun dayanıklılıkta inşaat temeline benzer bir şekilde atılır. Temel atılmadan önce zemin incelenmelidir. Tüp şeklinde olan konik kuleler düz levhalarla şekillendirilir ve birleşim yerleri içten ve dıştan kaynaklanır. Elde edilen kuleler daha önceden inşası tamamlanmış beton temellere somun cıvatalarla monte edilir.

Rüzgâr Türbinlerinin Çevre ile Etkileşimi

Günümüzde enerji üretiminde en önemli sorgulama, üretim metodunun çevre ile etkileşiminin araştırılması yani seçilen metodun canlılara olan etkisinin incelenmesi aşamasında gerçekleştirilir. Rüzgâr türbinleri hava kirliliğine neden olan yan ürünler ortaya çıkarmazlar. Aksine zararlı gazların çevreden uzaklaşmasını sağlarlar. İncelenmesi gereken bir diğer çevre etkileşimi de gürültüdür. Teknolojinin ilerlemesiyle türbinlerin çalışırken çıkardığı sesler son derece azdır. Gürültüyü önlemek üzere pala tasarımı pervane sessiz dönecek şekilde yapılmıştır.

Araştırılan bir konu da rüzgâr türbinlerinin kuşlar üzerindeki etkisidir. Özellikle geceleri görülmeyen palalar kuşlar için tehlike oluşturabilir. Bu nedenle rüzgâr türbinlerinin yer seçimi, yapılırken kuşların göç yollarına denk gelip gelmediği araştırılmalıdır.

Rüzgâr türbinlerini görsellik açısından değerlendirdiğimizde, türbinlerin rastgele değil aksine birbirine eşit uzaklıkta aynı sırada yerleştirilmesinin ve ayrıca aynı tip kule tasarımı kullanımının görsel kirliliği azaltacağı görülmüştür. Ayrıca rüzgâr türbinlerinin gölgeleme etkisi de düşünülmesi gereken etkileşimlerden biridir. Rüzgâr türbinleri uzun yapılar olduğu için güneşli günlerde çevre için gölgeleme etkisinden bahsedilebilir. Bu durum türbin yerleşiminde göz önüne alınmalıdır.

Geçmişten Günümüze Rüzgâr Türbinleri

Rüzgârla çalışan makinelerin ilk örnekleri MS 200 yıllarında Persliler tarafından kullanılmış ve daha sonra MS 250 yıllarında da Romalılara ulaşmıştır. Elektrik üretimi için büyük rüzgâr değirmenlerinin ilk kullanımı 1888 yılında Ohio’da Charles F. Brush tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu sistem 17 m. çapında palalara sahipti ve 12 kW’lık güç sağlıyordu. Günümüzde 17 m. çapında palalara sahip bir sistem 70-100 kW’lık güç üretimi yapabilmektedir. 1892’de Danimarkalı Poul La Cour eski sitil Danimarka yel değirmenini elektrik elde etmek için kullandı. 1937’de bir başka araştırmacı Marcellus Jacobs, Minnesota’da Jacobs Rüzgâr Elektrik şirketini kurdu ve rüzgârlı bölgelerde ayda 400-500 kWh (kilovatsaat) elektrik üreten üç palalı rüzgâr jeneratörlerini üretmeye başladı. 1941’de Rutland yakınlarında SmithPutnam türbini inşa edildi. İki palalı 250 ton ağırlığında ve 53 m. pala çapı olan bu türbin 33 metrelik bir kule üzerine konulmuştu. 18 ay boyunca gayet güzel çalıştı ve 1250 kWh elektrik sağladı.

2.Dünya savaşından sonra, Danimarkalı Johannes Juul’un rüzgâr enerjisi kullanımına ilişkin araştırma ve geliştirme programı modern rüzgâr türbinlerinin başlangıcını oluşturdu. 1959 yılında ünlü Gedser Makinesi inşa edildi. Bu türbin tasarım ve mekanik olarak Amerikan SmithPutnam türbininden biraz daha karmaşıktı. 1973’teki enerji krizi ile tekrar değişiklik rüzgârları esmeye başladı. Bir kez daha ortaya çıkan yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak enerji elde etme isteği nedeniyle sonraki 20 yıl boyunca rüzgâr endüstrisi büyük değişikliklere sahne oldu. 1970’lerin ortaları ile 1980’li yıllar arasında Amerika hükümeti 13 farklı türde küçük rüzgâr türbini ile 5 adet de büyük ölçekli yatay eksenli türbinin tasarımı, üretimi ve testi için parasal destek ayırdı. Bu araştırma ve geliştirme programı, bugün kullandığımız megawatt ölçekli türbinlere öncülük etmiş oldu. 1990’lı yıllarda estetiğin ve dayanıklılığın daha önemli hâle gelmesi ile çelik kafes yapılı kuleler yerini tüp çelik veya beton kulelere bıraktı.

Ülkemizdeki ilk rüzgâr santrali 1995 yılında İzmir Çeşme’de kurulmuştur. 3 adet türbinden oluşan bu tesisin toplam kapasitesi 1,74 MW’tı. 2005 yılında Yenilenebilir Elektrik Kaynakları kanununun yürürlüğe girmesi ile Türkiye’nin birçok bölgesinde özellikle kıyılarımıza yakın bölgelerde rüzgâr çiftlikleri kurulmaya başlanmıştır. Türkiye’de 2008 yılında işletmede olan 249 MW kapasitesinde 13 rüzgâr santrali bulunmakta iken 2009 yılı itibari ile bu kapasite 433 MW’a yükselmiştir. İnşa hâlindeki çiftliklerle beraber bu kapasitenin toplam 667,6 MW’a çıkması beklenmektedir.