Rüzgar Türbini Nedir?

Rüzgar türbini ifadesinde geçen “türbin” kelimesi, Fransızca “turbine” kelimesinden gelir ve hareketli bir çarkın döndürdüğü türbomakine anlamına gelir. Türkçede “türbin” şeklinde yazılır. Rüzgar türbininin, sıklıkla karşılaşılan yanlış yazımları şunlardır.

• Rüzgar Tirbünü
• Rüzgar Tribünü
• Rüzgar Trübini

Bir rüzgar türbininin yapım aşamaları aşağıdaki gibidir:

1. Arazi Etüdü: Türbinin kurulması planlanan alanın rüzgar potansiyeli ve ortalama rüzgar hızı araştırılmalıdır.

2. Kule: Türbinin kurulacağı bölgede rüzgarın en verimli estiği yükseklik belirlenmelidir. Bu yüksekliğe uygun bir malzemeden mamul olan kule tercih edilmelidir. Rüzgar türbini kuleleri beton veya çelik boru şeklinde olabilir.

3. Türbin: Bölgenin enerji potansiyeline uygun olarak türbinin yatay mı dikey mi olacağı ve rüzgar alma yönü belirlenmelidir. Eğer küçük bir rüzgar türbini yapılacaksa kuleye takılarak, tüm yapı vinç yardımı ile kaldırılabilir. Ancak büyük bir rüzgar türbini kurulacaksa kule dikildikten sonra rotor ve türbin vinç yardımı ile eklenmelidir.

Daha çok bireysel elektrik üretimi amacıyla kullanılan mini rüzgar türbinleri, Kanada Rüzgar Enerjisi Birliği’nin (CanWEA) tanımına göre 1 kW’tan az olanlar da dahil olmak üzere 300 kW’a kadar üretim kapasitesi olan rüzgar türbinleridir. Evsel kullanım, iklimlendirme amaçlı endüstriyel kullanım veya tekne, karavan gibi taşıtlarda kullanım amacıyla kullanılan küçük rüzgar türbinleri, İEC-61400-2:2013 standardına göre 200 m2’den düşük rotor süpürme alanına sahip olmalıdır.

Dev rüzgar türbinleri, endüstriyel elektrik üretimi amacıyla inşa edilen ve bir kanadı yaklaşık 70 metre, rotor çapı 140 metre uzunluğunda olan rüzgar türbini türüdür. Büyük rüzgar türbinlerinin en önemli özelliği, tekerleğe benzeyen ve bir aks üzerine kurulu olan rotoru ve 15.000 m2’yi bulabilen rotor süpürme alanı sayesinde düşük hızlı esintilerde bile çalışmaya devam edebilmesidir.

Rüzgar türbinlerinin kanatları, kanat verimliliğini ve dönüş hızını artırmak için aerodinamik yapıda tasarlanır. Rüzgar türbinlerinde uçak kanatlarına benzeyen kavisli aerofoil kanatlar kullanılır.

Ev tipi rüzgar türbini, rüzgar potansiyeli yüksek olan bölgelerde evsel elektrik üretimi amacıyla kurulabilen, üretim gücü 6 kW’a kadar olan mini rüzgar türbinleridir. Ev tipi rüzgar türbinleri şebekeye bağlı veya şebekeden bağımsız olarak kullanılabilir.

Rüzgar türbini rüzgarın kinetik enerjisinin önce mekanik enerjiye, sonra da elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlayan şu parçalardan oluşur:

• Pervane kanatları
• Kule
• Fren Sistemi
• Jeneratör
• Rüzgarölçer
• Yüksek Hız Mili (Şaft)
• Düşük Hız Mili
• Sapma Sürücüsü
• Sapma Motoru
• Makine Bölümü
• Vites Kutusu
• Rotor
• Yelkovan
• Kontrol Ünitesi

Rüzgar estiğinde dönmeye başlayarak rotorun da dönmesini sağlarlar. Bir rüzgar türbininde genellikle 2 veya 3 kanat bulunur.

Rüzgar türbini kuleleri çelik boru, çelik kafes veya betondan imal edilir. Yukarı çıktıkça rüzgarın şiddeti değişeceği için rüzgar türbinlerinin kule tipi de boyutuna göre değişir.

Aşırı şiddetli rüzgar veya kanat arızası gibi acil durumlarda rotoru elektriksel, mekanik ve hidrolik olarak durduran sistemdir.

Rotorun jeneratörü döndürmesi sonucunda, genellikle kullanıma hazır alternatif akım (AC) elektrik üretir.

Rüzgar hızını ölçerek elde ettiği veriyi kontrol ünitesine iletir.

Rüzgar türbininin çalışması için yeterli rüzgar hızına ulaşıldığında jeneratörü tam kapasite çalıştırır.

Dakikada 30 ila 60 devir arası randıman sağlayabilecek rüzgar hızı oluştuğunda jeneratörü çalıştırır.

Rüzgar yönü değiştiğinde rüzgar türbininin rüzgar istikametine dönmesini sağlar. Rüzgarı arkadan alan (downwind) rüzgar türbinleri, sapma sürücüsüne ihtiyaç duymaksızın rüzgar yönüne dönebilir.

Rüzgar yönüne dönmesi için sapma sürücüsünü çalıştırır.

Kulenin tepesinde bulunan makine bölümü içerisinde dişli kutusu, düşük ve yüksek hız şaftları, jeneratör, kontrol ünitesi ve freni bulundurur. Dev rüzgar türbinlerinde makine bölümünün üstü bir helikopter inebilecek büyüklüktedir.

Düşük hız şaftını yüksek hız şaftına bağlayan vites kutusu, dakikada 30-60 devirden 1000-1800 devir arasına kadar çıkarak, jeneratörün elektrik üretmek için ihtiyaç duyduğu devir hızını sağlar. Vites kutusu bir rüzgar türbininin en maliyetli parçalarından biridir. Bu yüzden “doğrudan tahrikli” jeneratörler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır.

Rotor, rüzgar türbinlerinde kanatlar ve göbeğin birleştiği kısımdır.

Rüzgarın yönünü tespit ederek sapma sürücüsüne iletir.

Rüzgar türbinini çalıştıran ve kapatan kısımdır. Yaklaşık olarak 13 km/saat hızda rüzgar türbinini çalıştırır ve 90 km/saat hızda kapatır.

Rüzgar türbinleri dönme ekseni bakımından şu şekilde ikiye ayrılır:

• Yatay eksenli rüzgar türbinleri
• Dikey eksenli rüzgar türbinleri

Rüzgar türbinlerinin kanat sayısı bakımından sınıflandırması ise şu şekildedir:

• Tek kanatlı rüzgar türbinleri
• İki kanatlı rüzgar türbinleri
• Üç kanatlı rüzgar türbinleri
• Çok kanatlı rüzgar türbinleri

Ayrıca rüzgar türbinleri dişli kutusu ve vites sistemi bulundurup bulundurmaması bakımından da ikiye ayrılır:

• Dişli kutusu bulunan rüzgar türbinleri
• Dişli kutusu bulunmayan rüzgar türbinleri

Rüzgarı alış yönü itibariyle de rüzgar türbinleri ikiye ayrılır:

• Rüzgarı karşıdan alan rüzgar türbinleri
• Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinleri

Rüzgar türbinleri yatay eksenli türbinler, dikey eksenli türbinler ve eğik eksenli türbinler olarak üçe ayrılır.

Yatak eksenli rüzgar türbinleri, kanatların rüzgara dik bir açıda konumlandırılması ile ortaya çıkar. Yatak eksenli rüzgar türbinlerinde kulenin ucunda bulunan rotor ve rotora bağlı kanatlar rüzgara dik bir açıdadır ve kanatların dönmesiyle ortaya çıkan mekanik enerji rotorun arkasında konumlandırılan jeneratöre iletilerek elektrik enerjisi üretilir.

Dikey eksenli rüzgar türbini, bir kulenin üzerinde dikey olarak konumlandırılan rotora bağlı olarak çalışan rüzgar türbini türüdür. Bu türbinlerde rüzgar, kanatları kule etrafında döndürür. Dikey eksenli rüzgar türbinleri tasarımsal olarak ilk defa 1931 yılında patentlenmiştir.

1931 yılında Fransız mühendis George Darrieus tarafından tasarlanan ve patentlenen dikey eksenli rüzgar türbini modeline Darrieus rüzgar türbini denir. Bu türbinler yere düşey olarak uzanan ve iki ucu ile kuleye bağlı bulunan kanatların, rüzgar etkisiyle dönmesi sonucu rotora mekanik enerji iletir ve elektrik üretir.

Savonius rüzgar türbinleri, dikey eksenli bir rüzgar türbini türüdür. Savonius rüzgar türbinlerinde kanatların yerine aerofoil yapıda kepçeler kullanılır. Bu kepçeler içlerine dolan rüzgarın ivmesiyle dönerek rotora ve rotor aracılığıyla jeneratöre mekanik enerji iletir. Savonius rüzgar türbinleri genellikle 2 veya 3 kepçeden oluşur.

Eğik eksenli rüzgar türbinleri, dönme ekseninin dikey ile rüzgarı alış yönü arasında bir açı oluşturduğu rüzgar türbini türüdür. Bu tür rüzgar türbinlerinde kanatlar ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunur.

Rüzgar türbinleri, sahip oldukları kanat sayısı bakımından dörde ayrılır.

Tek Kanatlı Rüzgar Türbini

Tek kanatlı rüzgar türbinleri, rotora bağlı tek bir kanadın bulunduğu rüzgar türbini türüdür. Tek kanatlı rüzgar türbinlerinin kullanım amacı pervaneleri etkileyen yüksek rotasyon hızının düşürülmesidir. Ancak tek kanatlı rüzgar türbinleri dönme esnasında dengesiz ağırlık yarattığı için ağırlık dengeleyici başka mekanizmalara ihtiyaç duyarlar ve bu da daha gürültülü çalışmalarına sebep olur.

Çift Kanatlı Rüzgar Türbini

Çift kanatlı rüzgar türbinleri, rotora bağlı iki kanada sahip olan rüzgar türbini türüdür. Dönmeden meydana gelen bir atalet momentine sahiptir ve bu yük dengesizliğine sebep olur. Sallanan göbek adı verilen ek mekanizma sayesinde bu dezavantaj giderilebilir.

Üç Kanatlı Rüzgar Türbini

Üç kanatlı rüzgar türbini, en sık tercih edilen rüzgar türbini türü olmasının sebebi, pervanenin tüm hızlarda sabit atalet momenti üretmesini sağlamasıdır. Bu sayede daha uzun ömürlüdür ve daha yüksek bir performans sağlar.

Çok Kanatlı Rüzgar Türbini

Çok kanatlı rüzgar türbinleri, özellikle su pompalama amacıyla kullanılan rüzgargüllerinde tercih edilir. Bunun sebebi çok kanatlı rüzgar türbinlerinin su pompalamadaki moment gereksinimini karşılayabilmesidir.

Rüzgar türbinleri, rüzgarı karşılama yönü bakımından ikiye ayrılır:

• Rüzgarı önden alan rüzgar türbinleri
• Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinleri

Rüzgarı Önden Alan Rüzgar Türbinleri

Rüzgarı önden alan rüzgar türbinleri, kanatların rüzgara karşı konumlandığı ve rotor ve jeneratör gibi aksamların pervanenin arkasında yer aldığı türbin modelidir. Rüzgarın yönüne göre konumlanabilmek için sapma sürücüsüne ve sapma motoruna ihtiyaç duyar.

Rüzgarı Arkadan Alan Rüzgar Türbinleri

Rüzgarı arkadan alan rüzgar türbinleri, jeneratör ve rotorun rüzgara karşı konumlandığı, kanatların en arkada yer aldığı rüzgar türbini türüdür. Rüzgarı arkadan aldığı için rüzgar yönüne göre yön değiştirir. Bu sayede sapma motoru ve sapma sürücüsü gibi aksamlara ihtiyaç duymaz.

Rüzgar türbini, rüzgarın kinetik enerjisini elektriğe dönüştürmek için tasarlanmıştır. Kanatlı rotor (pervane), bir dizi dişli vasıtasıyla bir jeneratöre bağlanır, böylece dönme hızı 100 kat artar. Bu, jeneratörün çok büyük veya pahalı olmasa da elektrik üretmesini sağlar.

2020 itibariyle, rüzgar türbini verimlilik lideri, büyük, üç kanatlı, yatay eksenli tasarımdır, bu nedenle Dünya genelinde 300.000'den fazla kullanılmaktadır. Aerodinamik kanatlar diğer tüm tasarımlardan daha fazla elektrik üretir, çünkü üretilen kaldırma kuvveti kanatları daha hızlı hareket ettirir ve her bir kanat “temiz” havada hareket eder. Ayrıca bilgisayarlar, bıçakların yönünü kontrol ettikleri için, her zaman en yüksek düzeyde çalışır.

Çoğu rüzgar türbini yaklaşık %30 ila %40 verimlilikte çalışır, ancak ideal rüzgar koşullarında % 50'ye çıkabilir.

2.5 - 3 megaWatt bir kara rüzgar türbininin her yıl 6 milyon kWh’den fazla üretim yapabileceği tahmin edilmektedir. 3.6 megaWatt bir açık deniz türbini bu üretimi 2’ye katlayabilir.

Bu doğrultuda maksimum güçlerine göre rüzgar türbinleri küçük, orta, büyük ve çok büyük olarak 4 gruba ayrılır:

• Küçük Güçte Rüzgar Türbini: Üretebileceği maksimum güç 30 kW ve daha azdır.
• Orta Güçte Rüzgar Türbini: Üretebileceği maksimum güç 30kW ila 100 kW’dir.
• Büyük Güçte Rüzgar Türbini: Üretebileceği maksimum güç 100kW ila 1000 kW’dir.
• Çok Büyük Güçte Rüzgar Türbini: Üretebileceği maksimum güç 1 MW ve üstündedir.

Küçük Güçlü Rüzgar Türbinleri

Küçük güçlü rüzgar türbinleri (Small Wind Turbine – SWT) IEC 61400-2 standardına göre 200 m2 ve altında rotor alanına, 50 KW’a kadar üretim kapasitesine sahip rüzgar türbinleridir. Ev veya çiftlik tipi kullanımlar için tercih edilir.

Orta Güçlü Rüzgar Türbinleri

Orta güçlü rüzgar türbinleri 500 KW’a kadar elektrik üreten türbinlerdir. Ev, çiftlik ve işletmeler için kullanılır.

Büyük Güçlü Rüzgar Türbinleri

Orta ve yüksek rüzgar potansiyeline sahip bölgelerde kurulan ve 2 MW’a kadar elektrik üretik kapasitesi olan rüzgar türbinleridir.

Çok Büyük Güçlü Rüzgar Türbinleri

2 MW ve üzeri elektrik üretimi kapasitesine sahip olan rüzgar türbinlerine çok büyük güçlü rüzgar türbinleri denir.

Rüzgar türbinlerinde bulunan dişli kutusu, vites görevi görerek jeneratörün üretim hızını belirler. Rüzgar türbinleri dişli kutusu bulundurup bulundurmamasına göre ikiye ayrılır:

• Dişli kutusu bulunduran rüzgar türbinleri
• Dişli kutusu bulundurmayan rüzgar türbinleri

Dişli Kutusu Bulunduran Rüzgar Türbinleri

Dişli kutusu bulunduran rüzgar türbinleri, rotordan gelen mekanik enerjiyi segmente ederek jeneratöre iletir ve bu sayede jeneratörün randıman düzeyini belirler. Rüzgar türbinlerinde dişli kutuları en maliyetli aksamlardır.

Dişli Kutusu Bulundurmayan Rüzgar Türbinleri

Dişli kutusunun oluşturduğu maliyet ve sahip olduğu arıza riski sebebiyle bazı rüzgar türbinlerinde dişli kutusu bulunmaz. Bunlara dişli kutusu bulundurmayan rüzgar türbini denir. Bu türbinler, rotordan gelen mekanik enerjinin bir düzenleyici olmadan jeneratöre iletilmesi prensibiyle çalışır. Ortaya çıkabilecek randıman kaybını, minimum ve maksimum hız frenlemeleri ile dengeler.

1 MW gücünde bir rüzgar türbinin kurulum maliyeti; kule kurulumu 220 bin Euro, türbin kurulumu ise 800 bin Euro olmak üzere toplam yaklaşık 1.2 milyon Euro’dur.

Ortalama büyüklükte bir rüzgar türbinin işletme ve bakım maliyeti yaklaşık olarak 48.000 Dolar/MW’tır.

Rüzgar türbini kurmanın temel maliyet kalemleri şunlardır:

• Türbin kulesi
• Rüzgar türbini
• Arazi maliyeti
• Bakım ve onarım maliyeti

Arazi maliyeti değişken olmakla birlikte, 1 MW gücünde bir rüzgar türbininin kurulum maliyeti 1.2 milyon Euro, bakım ve işletme maliyeti ise her 1 MW üretim başına 48.000 Dolar civarındadır.

1 MW rüzgar türbinin kurulum maliyeti 1.2 milyon Euro’dur.

10 KW bir rüzgar türbininin kurulum maliyeti 50-80 bin Dolar arasındadır. 10 KW’lık bir rüzgar türbini ortalama bir çiftliğin veya büyük bir evin elektrik ihtiyacını karşılayabilir.

250 KW’lık bir rüzgar türbininin maliyeti yaklaşık olarak 250-300 bin Euro’dur.

500 KW rüzgar türbinin kurulum maliyeti yaklaşık olarak 500 bin Euro’dur. Bunun yanında değişken arazi ve bakım maliyetleri de ortaya çıkacaktır.

Rüzgar enerjisi, aşağıdaki sebeplerden dolayı güneş enerjisinden daha verimlidir:

• Güneş enerjisi panelleri, rüzgar türbinlerine göre daha geniş araziye ihtiyaç duyar.
• Güneş paneli, sadece açık havalarda üretim yapabilirken rüzgar türbini havanın açık veya kapalı olmasından bağımsız olarak elektrik üretir.
• Güneş enerjisi panelleri düz alana ihtiyaç duyacağından tarım arazisi oranını azaltabilir, ancak rüzgar türbinleri tarım arazisi olarak kullanılmayan yerlere de inşa edilebilir.

Rüzgar türbinlerinin sahip olduğu dezavantajlar ise şu şekildedir:

• Rüzgar türbinleri, rüzgar yollarını göç yolu olarak kullanan göçmen kuşların ölümüne sebep olur. Her yıl dünyada 150 bin ila 400 bin arası kuş rüzgar türbinlerine çarparak ölür.
• Rüzgar türbinlerinin kullanım ömrü yaklaşık olarak 15 yıldır.

Rüzgar türbinleri ile nükleer reaktörler arasındaki enerji üretim kapasitesine dair bazı farklar şunlardır:

• Bir rüzgar türbini 15 yıl boyunca %20 verim ile çalışırken, bir nükleer reaktör 60 yıl boyunca %80 verim ile çalışır.
• Bir nükleer reaktörün 60 yılda ürettiği enerjiyi üretebilmek için yaklaşık 12600 rüzgar türbini kurmak gerekir.
• Ortalama bir nükleer reaktör 1600 MW elektrik üretirken, ortalama bir rüzgar türbini 2 MW’a kadar elektrik üretir.

2 MW’lık bir rüzgar türbini kurulumu için 1.5 dönüm arazi gerekir. Bu alan, güneş enerjisi ile elektrik üretimi gerçekleştirmek için kullanılması gereken alandan daha azdır.

Ortalama bir rüzgar türbini bir yılda 6 milyon KW, bir günde ise 16 bin KW elektrik üretebilir. Bu üretim, nükleer reaktör kullanılarak nükleer enerji ile elektrik üretimine göre çok daha düşüktür.

5 MW üretim kapasitesine sahip 4000 rüzgar türbini, 8 milyon nüfuslu bir şehrin elektrik ihtiyacını karşılayabilir.

Rüzgar türbinleri saatte 9 mil (14,5 km) ve üzeri her rüzgar hızında çalışabilir.

Pervanesiz rüzgar türbinleri, aeroelastik rezonans fenomenine dayanan; kanatları, dişlileri ve milleri olmayan ve dönmeyen bir tür rüzgar türbinidir. Pervanesiz rüzgar türbinleri, girdap etkisiyle elektrik üretir.

Çin’de bulunan Gansu Rüzgar Enerjisi Santrali, 20.000 MW’lık üretim kapasitesiyle dünyanın en büyük rüzgar türbinlerine sahiptir.

Elektrik üreten ilk rüzgar türbini 1888 yılında ABD’nin Cleveland şehrinde kullanılmaya başlanmıştır. 17 metre uzunluğundaki bu türbin Charles F. Brush tarafından üretilmiştir ve 12 KW elektrik üretebilmiştir.

Rüzgar türbinlerini bulan ilk isim İtalyan mucit Fausto Veranzio’dur. Veranzio’nun 1616 yılında yazdığı Machinae Novae adlı eserinde rüzgar türbini tasarımları yer alır.

Rüzgar türbini elektrik üretimi hesaplama formülü şu şekildedir:

P = π / 2 x r² x v³ x ρ x η

Örneğin; 80 metre rotor yarıçapına sahip bir rüzgar türbini, saniyede 15 metrelik bir rüzgar hızında 16,3 MW elektrik üretir.

Bir rüzgar enerjisi santrali kurulumu için rüzgar türbini sayısı bakımından üst veya alt sınırlandırma yoktur. Rüzgar türbini sayısı, bölgenin potansiyeli, yatırım miktarı ve coğrafi şartlar ile ilgilidir.

Rüzgar türbinleri kuruldukları alanın arkasında türbülans yaratacağı için aralarında en az 7 rotor çapı kadar mesafe bırakılması gerekir.

Rüzgar enerjisinden elektrik üretimi, hammadde maliyeti olmayan bir enerji üretimi türüdür. Bu sayede elektrik üretimi maliyetlerini düşürmek mümkün olduğundan rüzgar türbini sayısı elektrik fiyatlarını etkiler.

Dünyanın en büyük rüzgar enerjisi üreticilerinden olan Danimarka, elektrik ihtiyacının tamamını hammadde girdisi kullanmaksızın rüzgar enerjisinden sağlar.

Rüzgar enerji santrali içerisinde bulunan ve 10 KW’lık elektrik üreten küçük bir rüzgar türbini, 16 saatlik çalışması sonucunda, A+ enerji sınıfı 49 inç bir televizyonun bir yıllık elektrik tüketimini karşılar.

10 KW’lık küçük bir rüzgar türbini, 35 saatlik çalışması sonucunda, A+ enerji sınıfı 520 L bir buzdolabının bir yıllık elektrik ihtiyacını karşılar. Rüzgar türbinleri, elektrik fiyatları üzerinde etkilidir.

10 KW’lık bir rüzgar türbininin, bir bilgisayarın bir yıllık elektrik ihtiyacını karşılaması için 12 saat çalışması yeterlidir.

10 KW’lık bir rüzgar türbinin, 12000 BTU bir klimayı bir yıl boyunca çalıştırması için 108 saat çalışması gerekir.