Rüzgâr Türbinleri ve Radar
Resim 1: Bir rüzgâr türbini
Resim 1: Bir rüzgâr türbini
Rüzgâr Türbinleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını çevremizde git gide daha fazla görmekteyiz. Ancak bu rüzgâr türbinleri radar açısından bir gürültü kaynağı olarak değerlendirilmekte ve radar tesislerinin yakınlarına kurulmasına izin verilmemektedir.
Bu tür yakına kurulu rüzgâr türbinlerinin radarın menzilini kısalttığı öne sürülmektedir. Kavranması biraz güç olan bu konuyu aşağıda anlatmaya çalışacağız:
Gölgeleme
Doğrudan bir hat üzerinden (örneğin gölgelemeyle) gelen bir etki ölçülemez, bu etki çok küçüktür. İnsan gözü dönen bir vantilatörün pervanelerinin kapladığı alanın gerisini göremez, benzeri şekilde radar da rüzgâr türbinlerinin pervanelerin kapladığı çemberin arkasındaki bölgeyi göremez. Dahası 2 ila 5 metre arasındaki genişlikte bir engelin (örneğin bir direğin) arkasına doğrudan düşen gölgesinin sadece yaklaşık 1000 metreye kadar kısmı bir şekilde algılanabilir. Dalga cephesi (wave front) elektromanyetik dalgaların bu engelde bükülmesinin ardından tekrar kapanır. Doğal olarak gönderilen enerjinin küçük bir bölümü geriye yansıtılır ve bu engelin arkasındaki hedef için kullanılamaz. Ancak bu menzil kaybının nedenini açıklamamaktadır. Rüzgâr türbinleri burada sadece bir ev, bir ağaç ya da bir tepe gibi bir engeldir ve (eğer türbin pervaneleri dönmüyorsa!) sabit hedeflerin (clutter) bileşik sinyalinde (composite signal) hiçte fark edilmez.
Alenia-Marconi Systems firması tarafından bir gölgeleme için yapılan reel araştırmalardaki kapsamlı bilgisayar benzetimleri 2003 yılında yayınlandı. Böylece bir rüzgâr türbininin direğinin optik gölgesinin uçan uçakların yankı sinyalleri üzerinde 2 dB den biraz daha az bir zayıflamaya sebep olduğu saptandı. Bu değer yankı sinyalinin normal dalgalanmalarında hedefin etkin yansıtırlık yüzeyi tarafından gelen enerjinin yarılması sonucu ortaya çıkan zayıflamanın tamamına denk bir değerdir.
Ayrıca, bir antenin tipik yatay açıklık açısının 1,6° ve rüzgâr türbini direk çapının yaklaşık 3 m gibi olduğu dikkate alındığında direğin anten çizgesini (keza yarı güç değerini) tümüyle kapsaması için antenden itibaren (3/2) m / [sin(1.6/2)°] = 107 m (!) içinde bulunması gerektiği ortaya çıkar. Pratikte rüzgâr santralleri çok daha uzakta kurulmaktadır ve gönderim darbelerinin enerjisinin sadece çok küçük bir bölümünü gölgeleyebilir.
Deney: Söz konusu radar tesisleri elektromanyetik dalgaların sözde-optik özelliklerine sahip olduğu tüm frekans bantlarında çalışırlar. Yansıtıcısının ayarlanması ile huzmesi odaklanabilen bir cep ışıklığı vasıtasıyla canlı bir deney yapabiliriz. El ışıklığını 6 ila 10 m arasında uzaklıktaki bir duvara tutunuz ve duvarda olabilecek en küçük ışık lekesi kalana kadar yansıtıcısını çevirerek ayarlayınız. Ve şimdi ışık huzmesi içinde herhangi bir noktaya bir kurşunkalem koyunuz (huzmenin içinde sadece kurşunkalem bulunmalı, eliniz içine girmemeli!) ve kurşunkalemin duvardaki gölgesini, ayrıca kurşunkalemin duvardaki gölgesinin algılanabilir olmadığı durumda kurşunkalemin ışık lekesinin parlaklığına olan etkisini gözlemleyiniz. Şunları yapınız,
- Kurşunkalemi el ışıklığının önüne ışık lekesinin parlaklığı üzerinde artık bir etki yapmadığı en küçük mesafeye koyunuz;
- Kurşunkalemi duvardaki gölgesinin tamamen kaybolduğu noktaya koyunuz.
Kurşunkalemin çapının ışık huzmesinin çapına olan oranı, bir uçuş güvenlik radarının ışın demetinin genişliğinin bu radarın 5 ila 10 km ötesinde kurulu bir rüzgâr türbini direğinin çapına olan oranına benzer.
Bir rüzgâr santralinin radara etkisinin keza gerçek hayatla fazla ilgisi bulunmayan müsaade edilmeyen bir basitleştirmesi sadece bir gölge vermeye dayandırılmalıdır. Bir gölge sadece doğrudan ve rüzgâr santralinin gerisindeki nispeten daha kısa mesafede ölçülebilir. (Bu durum keza bir pilotun anlaşılabilir nedenlerden ötürü zaten kaçınması gerektiği bir menzil ve yüksekliktir.)
Radar menzili üzerindeki etkisi
Bununla beraber radarlar sabit ve uçak gibi hareket eden nesneleri bunlardan yansıyan yankı sinyallerindeki Doppler frekansları sayesinde birbirinden ayırt edebilir. Ev, ağaç, tepe gibi sabit hedeflerin yankı sinyallerinin ekrandaki izleri bir devre vasıtasıyla bastırılabilir. Burada sadece rüzgâr türbinleri bir istisna teşkil etmektedir: Çünkü türbinlerin dönen pervaneleri yankı sinyallerine havada asılı duran bir helikopterin dönen pervanelerinin ürettiği Doppler frekansına benzer bir Doppler frekansı da katarlar. Ve bu da kesin olarak rüzgâr türbinlerini artık göz ardı edilemeyecek bir engel olarak değerlendirmemiz gerektiğini ortaya koyar. Radar bu yankı sinyali için bir hata alarm verecektir. Bu hata alarmı önce bir gerçek alarm gibi işlenmelidir. Bunun bir hatalı alarm olarak değerlendirilmesi için zamana ihtiyaç vardır. Bu zaman sayısal radarlarda bilgisayarın hesaplama zamanı, analog radarlarda ise uçuş kontrol elemanlarının ya da radar şeflerinin dikkatini çekme zamanıdır. Bu hedef hakkında bir karara varmadan önce sıkça antenin yapacağı ilave bir turun da bitmesi beklenir. Tek bir hatalı alarm aslında sorun yaratmamaktadır. Ancak rüzgâr türbinleri genellikle birbirlerine yakın kurulduğundan bunların her birinin ürettiği hatalı alarmlarla hatalı alarm yüzdesi süratle artacak ve artık göz ardı edilemeyecek bir değere ulaşacaktır. Böylece bir rüzgâr çiftliği üzerinde uçan küçük bir uçağın pekâlâ gözden kaçırılabilmesi de mümkündür.
Radarlarda hatalı alarm yüzdesinin azaltılması için önlemler alınmalıdır. Geçerli uygulamada bu rüzgâr santrallerinin bulundukları yerler bir parazit-haritasına (clutter-map) -radarın sinyal işlemcisinin belleğindeki bir elektronik harita türü- girilmekte ve uzunca bir süre için ölçülen ortalama yankı sinyal kuvvetleri belleğe kaydedilmektedir. Antenin bir sonraki dönüş turunda ölçülen güncel değer ve bellekte kaydedilmiş değer arasındaki fark değer bir daha işlenir. Eğer bir hareket etmeyen hedeften gelen yankı sinyali sabit ise bu yöntem son derece etkindir. Ne yazık ki rüzgâr santrallerinde durum nadiren böyle olur, rüzgâr yönü ve rotorun konumu (dolayısı ile pervanelerin konumu) sürekli değişir. Yani, bu arazi noktaları için bu değerin üzerinde önemli bir hedefi ayırt edebileceği daha yüksek bir eşik değerinin tanımlanması gerekir. Tüm bu hesaplamaların gerçek zamanlı yürütülmesi gerekir ve bu da radar sinyal işlemcisinin çalışma sınırlarını zorlar. Bu bakımdan hesaplamalar yazılımla değil, genel uygulamada birbirine fiziksel bağlı (hardwired) çok hızlı mantık devrelerinden oluşan bir işlemci tarafından yürütülür. Bu mantık devreleri hedef hakkında bir karar veremezse veya hedef yok kararı verirse, bu karar daha fazla sayıda anten dönüşünün birbiri ile karşılaştırılabildiği ve sonuçlarının artık gerçek zamanlı alınmadığı bir sonraki aşamaya aktarılır.
Hatalı alarm yüzdesini düşürmek için alınan tüm bu önlemler eşzamanlı olarak gerçek bir hedefin algılama olasılığını da düşürür. Sinyallerin işlenmesindeki farklı eşik değerleri hatalı alarm yüzdesini ve algılama olasılığını etkiler, bu iki değer birbirleri ile ters orantılıdır. Ve bu bizi doğrulamaktadır: Bir radarın menzili sabit bir algılama olasılığı için belirlenir. Bu değer kötüleştikçe keza radarın menzili de kötüleşecektir.
Çözüm yolları
Yapısal kısıtlamalar hariç çok sayıda çözüm önerisi mevcuttur. Mümkün olabilecek iyileştirme için bir olası hatalı alarmın algılanmasındaki zamanın küçültülmesi yönündeki bir önlem uygundur. Cambridge Consultants Mühendislik Bürosu kuşkulanılan yönde saniyede on kez sorgulama yapıldığı (şimdiye kadar 4 saniyede bir kez yerine) ve böylece gerçek zamanlı olarak sorgulanan hedefin bir rüzgâr türbini olup olmadığının açık bir şekilde algılandığı bir yöntem geliştirdi.
Rüzgâr santrallerinin pervanelerinin etkin yansıtırlık yüzeylerinin Görünmezlik Teknolojisi (Stealth Technology) yardımıyla küçültülmesi için deneyler [1], yapılmaktadır. Bunun dışında, bu teknoloji çok pahalıdır ve maalesef sadece belirlenmiş bir frekans bölgesine uyumlu olduğundan etkisi de sınırlı kalmaktadır. Rüzgâr santrallerinin tümüyle görünmez yapılamayacağının bir başka nedeni ise yöngüdüm (navigation) radarının varlığına rağmen kötü görüş koşulları durumunda türbine çarpma tehlikesinin oldukça yüksek oluşudur. Daha garibi ise bu Görünmez-Rüzgar Santralleri bir köşe yansıtıcı gibi çalışacağı, böylece görünmezlik özelliğine rağmen yöngüdüm radarı tarafından yine görüleceğidir. Bu durum görünmezlik teknolojisi sonucu küçülmüş olan yankı sinyalinin dalgalanmasının (fluctuation) hayli kuvvetli olması ve böylece beraberinde bir Doppler frekansını taşımasına olanak tanıması bakımından aslında bir çelişki de değildir. Bunun yanında köşe yansıtıcı arama radarı yönünde seçime bağlı olarak radar tarafından bastırılabilen ya da ekranda gösterilebilen bir sabit yankı sinyali gönderir.
Bir ilave çözümde gelecekte her bir rüzgâr santralinin ikincil radar için bu radar aygıtına “Bu yankı sinyali xyz-Rüzgâr Santraline aittir!” mesajı gönderen bir transponderle donatılması da olabilir. İdeal durumda bu mesajla birlikte pekâlâ rüzgârın yönü ve türbin rotor hızı da birlikte gönderilebilir. Radar sinyal işlemcileri bu yankı sinyalini bir hedef gibi görecek, bunu transponder sinyali ile ilintilendirecek, fakat istenilirse ekranda görüntülemeyecek ya da radar aygıtından uzakta kumanda odasındaki ekranlar bu sinyallerle ilkin yüklenmeyecektir. Radar tarafında sadece yazılımın bu çözüme ve belki yeni radar aygıtlarında radar sinyal işlemcilerinin gücünün şimdiden çok daha fazla sayıda alakalı hedeflere uygun hale getirilmesi gerekir. Bunlar sağlandığı takdirde rüzgâr türbini tarafında yapılacak teknik harcamalar nispeten daha azdır. Bu çözümün yönetiminin masrafları muhtemelen öncelikle ICAO tarafından tanınması zorunluluğu olan bir standardizasyonu gerektirmesinden ötürü hayli fazla olacaktır. Bu çözümün alakasızca da olsa şöyle bir başka üstünlüğü de olurdu: Yerleri bilinen rüzgâr santralleri ve bunların transponder sinyalleri şimdiye kadarki test transponderlerine olan gereksinimi ortadan kaldırır ve bu seçilmiş rüzgar santralleri radarın alıcı kanallarının dahili ayarlamalarında (calibration) kullanılabilirdi.
[1] Görünmezlik Teknolojisi (Stealth Technology): http://www.hitek-ltd.co.uk/