RÜZGAR ENERJİSİNİN TARİHTEKİ KULLANIMI
Atmosferin sahip olduğu kinetik enerjiyi yani rüzgar enerjisini kullanma fikri oldukça eskidir. Rüzgarın sahip olduğu enerji binlerce yıldan beri yelkenlerle gemilere hareket sağlamanın yanısıra değişik türde pervanelerle mekanik enerji elde etmek için de kullanılmıştır. 17 ve 18. yüzyıllarda rüzgar pervaneleri ve su çarklarının, değirmen, su pompası, bıçkı, torna gibi makinaların millerini çevirmek için yaygın olarak kullanıldıklarını biliyoruz. Her iki sistem de hareket halindeki doğal kaynakların, havanın ve suyun, kinetik enerjisinden yararlanmaktaydı.
Endüstri devrimiyle birlikte bunların kullanımı da azalarak yerini yakıtların yanmasıyla elde edilen ısı enerjisiyle çalışan buhar makinasına bırakmaya başladı. Buhar makinası, buhar türbinleri ve petrol ürünleriyle çalışan motorlar çok daha güçlü olmalarının yanısıra rüzgar pervaneleri ve su çarklarına kıyasla çok değişik alanlarda kullanım imkanına da sahiptiler. Güç elde etmek için kullanılan bu yeni makinalar, doğadaki insan kontrolü dışında gerçekleşen düzensiz enerji akışına bağlı olmaksızın sürekli bir enerji akışının kontrolünü de tamamen insana veriyordu. Bunun yanısıra bu güç kaynakları, su ve rüzgar gücünün tersine, güç kaynağının konumundan bağımsız şekilde iş yerlerinin bulunduğu yerde kullanılabilmekteydi. Fosil yakıtları kullanan yeni enerji dönüştürme sistemleri, kullandıkları enerji kaynaklarının doğası gereği, enerjiyi gerektiğinde kullanmak üzere depolayabilme ve üretim kaynağına bağlı kalmadan enerjiyi kullanım yerine nakledebilme özelliklerine sahiplerdi. Fosil yakıtların sağladığı bu özgürlük endüstri devrimini tetiklemiş ve günümüzdeki modern kent yaşam tarzının oluşmasında belirleyici bir rol oynamıştır. Bu açıdan bakıldığında, fosil yakıtlara dayanan yeni enerji dönüştürme sistemleri, rüzgar ve sudan elde edilen enerjiyi kullanan sistemlere göre daha üstün özelliklere sahipti. Bununla birlikte rüzgar pervaneleri endüstri devrimine karşı direnmeyi sürdürerek 20. yüzyılda bile rüzgardan elde edilen enerji, nüfusun yoğun olmadığı ve görece az miktarda güç gereken, sürekli güç üretiminin gerekli olmadığı kırsal bölgelerde başlıca enerji kaynağı olmaya devam etti. 1900'lü yılların başında sadece kuzey Amerika'daki çiftliklerde su pompalayan mekanik yelkapanlardan üç milyon adet olduğu tahmin edilmektedir.
YELKAPAN TEKNOLOJİSİNİN GELİŞİMİ
20. yüzyıla doğru ortaya çıkan iki yeni teknolojik gelişme ve 20. yüzyılın sonunda ortaya çıkan bir üçüncüsü rüzgar enerjisinin nakledilme ve depolanma açısından sahip olduğu dezavantajı ortadan kaldırarak yüksek miktarda enerji üretebilen daha verimli sistemleri olanaklı hale getirmiştir.
Yelkapan Teknolojisi ve Aerodinamik Başa Dön
Bu gelişmelerden biri uçakların geliştirilmesi sırasında, aerodinamik alanında yaşanmıştır. Uçak kanatlarında kullanılan damlaformların pervanelerde de kullanılması modern yelkapan pervanelerinin geliştirilmesi için gereken teknik altyapıyı sağlamıştır. Böylece sürükleme kuvveti etkisine dayanan eski tip yavaş ve düşük performanslı pervaneler yerine kaldırma kuvveti etkisiyle çalışan daha verimli ve daha hızlı dönebilen pervaneler tasarlamak mümkün hale gelmiştir.
Yelkapan Teknolojisi ve Elektrik Başa Dön
Bir diğer gelişme ise birincil enerji kaynakları ile bu enerjinin sonkullanıcılara ulaştırılmasında aracı bir rol oynayan elektrik enerjisi ile ilgili gelişmelerdir. Böylece, birincil enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin nakli büyük bir teknik aşama kaydetmiş; enerjinin sonkullanıcıya iletimi kolaylık kazanmıştır. Bu teknik imkan ışığında rüzgar enerjisi tekrar değerlendirildiğinde, bu yenilenebilir enerji kaynağının fosil yakıtlar karşısında sahip olduğu nakledilebilme ile ilgili dezavantaj büyük ölçüde ortadan kalkmıştır. Büyük rüzgar santrallarında üretilen elektrik enerjisi artık iletim ve dağıtım hatları ile sonkullanıcılara rahatlıkla ulaştırılabilmektedir.
Rüzgar enerjisinden elektrik üretmek üzere ilk denemeler, 19. yüzyılın sonlarında, Charles F. Brush'ın çalışmaları ile Amerika ve Poul La Cour'un çalışmalarıyla da Danimarka'da başlamıştır. I. Dünya Savaşından önce Danimarka'da ve 1930'lardan itibaren de Amerika'da küçük ölçekli yelkapanlar henüz dağıtım hatlarının olmadığı bölgelerde elektrik üretmek için kullanılmaya başlanmıştı.
Rüzgarı elektriğe dönüştüren yeni rüzgar makinaları, fosil yakıtları kullanan sistemlerin sahip olduğu enerjinin depolanma ve taşınabilme avantajını yakalayabilmek için gerekli altyapıya kavuşmuş oldu. Fakat bu avantaj 20. yüzyılın son çeyreğine dek göz ardı edildi. Bu süre zarfında büyük pervanelere sahip yelkapanların deneme amaçlı münferit uygulamaları farklı ülkelerde yapıldıysa da ticari amaçlı üretim yapılamadı.
OPEC'in Rüzgar Enerjisi Kullanımına Katkıları: Başa Dön
Söz konusu ölü dönem 1970'lerin başındaki Arap-İsrail savaşı ile son buldu. Savaş sırasında OPEC'in İsrail yanlısı batılı ülkelere uyguladığı petrol ambargosu bu ülkeleri derinden etkiledi ve bu ülkelerin enerji politikalarında ciddi dönüşümler gerçekleşti. Bu dönüşümler iki koldan yürütüldü. Birincisi enerjinin daha verimli kullanılmasına yönelik çalışmaları içermekteydi. İkinci olarak da enerji hammaddesi olarak petrole olan bağımlılığı azaltmak için petrole alternatif olabilecek her türlü enerji kaynağının kullanımına yönelik teknik çalışmalar gündeme geldi. Bu arayış dönemi yelkapan teknolojisinde bir rönesans yaşanmasına vesile oldu. Yapılan çalışmalar neticesinde şebekeye elektrik vermek üzere üretim yapabilecek büyüklükte ve ticari olarak ekonomik olan yelkapanlar yine Danimarka ve Amerika'da üretilmeye başlandı. Bunu Almanya ve diğer ülkeler izledi.
Yelkapan Teknolojisi ve Hidrojen: Başa Dön
2000'li yıllara girildiğinde yeni bir teknolojik gelişme ile tanışmaya başladık : Hidrojen Teknolojisi. Yavaş yavaş kullanıma girmeye başlayan hidrojen teknolojisi fosil yakıt teknolojisinin yerini alma yolundadır. Kurgulanan teknolojideki Hidrojen tedariği başta rüzgar enerjisinden sağlanacaktır. Mevcut yelkapan teknolojisi kullanılarak rüzgardan elde edilecek elektrik Hidrojen üretiminde kullanılacak ve elde edilen Hidrojen değişik amaçlarla insanların kullanımına sunulacaktır. Bu sayede rüzgar enerjisinin önündeki en büyük engel olan depolanabilme ve taşınabilme problemi aşılmış olmaktadır.
Sabit Hızlı Generatorlardan Değişken Hızlı Generatorlara : Başa Dön
1990'lara kadar üretilen yelkapanlarda sabit hızlı generatorlar kullanıldı. Bu yelkapanlar genellikle iki hız kademesinde iki ayrı generator kullanılarak çalıştırılmaktaydı. Bu durumda yelkapan pervanesi tasarlanırken çalışma hızlarına bağlı bir aerodinamik optimizasyon yapılmaktaydı. Buna rağmen yelkapan pervanesi optimum uç hız oranında çalıştırılamadığından önemli miktarlarda aerodinamik verim kayıpları kaçınılmaz olmaktaydı. Neyse ki güç elektroniği alanında yapılan çalışmalar değişken hızlı generator teknolojisini yelkapan üreticilerinin hizmetine sundu. Bu sayede hem pervane tasarımındaki söz konusu karmaşık aerodinamik optimizasyon yöntemlerine gerek kalmadı hem de optimum uç hız oranında çalıştırılabilen pervanelerdeki aerodinamik verim kayıpları ortadan kalktı.
1983'de Elektrik İşleri Etüd İdaresi (EİE) tarafından ODTÜ Elektronik Mühendisliği Bölümüne yaptırılan proje ülkemiz açısından bir gurur kaynağıdır. Söz konusu proje sayesinde henüz dünyadaki yelkapan üreticileri sabit hızlı generatorlar kullanırken değişken hızlı generator teknolojisi ile ilgili önemli bir uygulama gerçekleştirildi. Yapılan bu teorik ve uygulamalı çalışma dünyadaki yelkapan teknolojisinin gelişiminde önemli bir kilometre taşı olarak yerini aldı. Ne yazık ki, bu çalışmayı ülkemizde kullanabilecek bir yelkapan üreticisi mevcut değildi.
Su Pompalayan Mekanik Yelkapanlar: Başa Dön
1900'lü yıllar boyunca rüzgar enerjisi ile su pompalayan mekanik yelkapanlarla ilgili fazlaca bir teknik gelişme yaşanmamıştır. Amerikada bu yelkapanları 120 senedir üreten bir şirket hala daha 1945 yılındaki tasarımını kullanmaktadır. Bununla beraber bu konuda iki önemli teknolojik gelişmeden bahsedilebilir.
Bunlardan ilki karşı ağırlık tekniğidir. Pistonlu pompanın emme zamanında pervane yüksüz kalıp hızlanmakta, basma zamanında ise tekrar yavaşlamaktadır. Pervane hızındaki bu dalgalanma aerodinamik verim kayıpları doğurmaktadır. Bu dalgalanmayı gidermek için kullanılan karşı ağırlık tekniği uzun zamandır uygulanagelmektedir.
Bir diğer gelişme ise değişken strok teknolojisidir. Bu teknik pistonlu pompa ile yelkapan pervanesi arasındaki uyumsuzluğu gidermek ve böylece oluşan yüksek miktardaki aerodinamik performans kayıplarını ortadan kaldırmak için ilk olarak 1899'da Amerikalı Elmo G. Harris tarafından önerilmiştir (bkz. US617,877). Daha sonraları başka araştırmacıların da ilgisini çeken bu problemle ilgili 1983 yılında bir patent daha Miami Üniversitesinden Prof. Dr. Don Avery tarafından alınmıştır (US4,392,785). Her iki patentte yer alan mekanizmaları birleştirerek yapılan bir uygulamalı çalışma Nolan Clark ve McCartey tarafından 1980'lerde Teksas'taki Tarımsal Araştırmalar Merkezinde (USDA) gerçekleştirilmiştir. Tamamen mekanik ve hidrolik bir kumanda mekanizması kullanarak piston strokunu rüzgar hızına göre değiştiren bir yelkapanın denemeleri söz konusu çalışma kapsamında yapılmış fakat ticari üretim için yeteri kadar uygun sonuçlar elde edilememiştir. Bu çalışmadan sonra 2004 yılına kadar değişken strok teknolojisi ile ilgili her hangi bir çalışmaya rastlanmamaktadır.
ENA Ltd. Şti. Ercüment Alyanak tarafından alınan patente dayalı olarak 2004 yılında Ankara'daki ODTÜ Teknokent'te değişken strok teknolojisi ile ilgili bir Ar-Ge projesi başlatmıştır. Bu proje kapsamında söz konusu problem yeniden ele alınmış ve elektronik kumanda teknolojisinin sağladığı imkanlar kullanılarak OptiStroke® kumanda teknolojisi geliştirilmiştir. Böylece ülkemiz bu alandaki teknolojik liderliği ele geçirmiştir.