RÜZGAR ENERJİSİ
Rüzgâr gücü, elektrik üretmek için rüzgâr türbinleri, mekaniksel güç için yel değirmeni, su veya kuyu pompalama için rüzgâr pompaları veya gemileri yürütmek için yelkenler kullanarak rüzgârın kullanışlı formundaki rüzgâr enerjisinin sonucudur.
2015 itibariyle, Danimarka elektriğinin %40'ını rüzgârdan elde etti ve dünya etrafındaki en az 83 diğer ülke elektrik şebekesini rüzgâr enerjisi ile destekledi.2014’ün sonu itibariyle dünya çapındaki rüzgâr enerji santralleri (RES) kapasitesi 369.553 MW'a (MegaWatt) ulaşmıştır. Bu da dünyada kullanılan elektriğin %4’ü anlamına gelmekte.
İnsanlar yelkenlileri hareket ettirmek ve gemileri yürütmek için en az 5500 yıldan beri rüzgârın gücünden faydalanıyor. Yeldeğirmenleri, sulama işlemi ve tahıl ezmek için 7. yüzyıldan beri Afganistan, İran ve Pakistan’da kullanılıyor.
1887 Temmuz ayında İskoç Akademisyen Profesör James Blyth rüzgar gücü ile elektrik üreten ilk değirmeni inşa etti ve 1891’de İngiltere’de patent aldı. 1887-88’de Amerika Birleşik Devletleri’nde, Charles Francis Brush, James Blyth'in değirmeninden daha büyük ve üzerinde daha fazla mühendislik yapılmış değirmen kullanarak elektrik üretti. 1900 yılına kadar evinde ve laboratuvarının elektriğini sağladı. 1890’larda Danimarkalı bilim adamı ve mucit Poul la Cour'un rüzgar türbinleri üzerine rüzgar tünelinde yapmış olduğu deney ve araştırmalar sayesinde günümüz türbinlerine giden yolda ciddi bir bilgi birikimi oluştu.
1970'lere gelindiğinde fosil yakıt dışında enerji kaynakları arayışının artması ve çevre aktivistlerinin baskıyla Danimarka'da ilk modern rüzgar türbinleri üretilmeye başlandı. Bu ilk rüzgar türbinleri 20-30 kW gücündeydiler. 2015 itibariyle 7 MW'lık (Megawatt) rüzgar türbinleri prototip olarak geliştirilmektedir, ilk uygulamalar Avrupa'nın çeşitli yerlerinde yapılmaya başlanmıştır. Bugün rüzgar türbinleri, ev bahçelerinden, parklara, akü depolamalı mini sistemlerden; fabrikalara elektrik sağlayıp ürettiği fazla elektriği şebekeye veren orta ölçekli sistemlere, şehirlere elektrik sağlayan santrallere kadar her ölçekte uygulanmaktadır.
Rüzgar enerjisi hareket halindeki havanın kinetik enerjisidir. Hayali bir A alanına t zamanında ilerleyen toplam rüzgar enerjisi:
E = A . v . t . ρ . ½ v2,
sırası ile v rüzgar hızı, ve ρ havanın yoğunluğudur.
Bu formül iki ana kısımdan oluşur: A alanına doğru ilerleyen havanın hacmi (A . v . t) ve ilerleyen havanın birim hacim başına kinetik enerjisi (ρ . ½ v2).
Toplam rüzgar gücü ise:
P = E / t = A . ρ . ½ v3
Rüzgar gücü, rüzgar hızının üçüncü kuvveti ile orantılıdır. Bir başka deyişle, rüzgar hızındaki bir birimlik artış ile rüzgar gücü kübik olarak artar.
Hayali bir A alanına t zamanında ilerleyen toplam rüzgar enerjisi, ancak bir rüzgar türbininin ilerleyen rüzgarın hızını sıfıra düşürmesi ile tamamen ele geçirilebilir. Gerçekte ise bu mümkün değildir çünkü türbine ulaşan havanın türbinden belli bir hız ile ayrılması gerekir. Rüzgar hızı girdisi ve çıktısı arasında bir ilişki kurulur. Bunlardan biri akım borusu kavramıdır. Bu yönteme göre herhangi bir rüzgar türbininden maksimum elde edilebilir rüzgar enerjisi, toplam teorik rüzgar enerjisinin %59'una eşittir. (Bakınız; Betz Yasası)
Diğer kayıplar, örneğin rotor kanadının sürtünme kaybı, (eğer mevcutsa) dişli kutusu, jeneratör ve konvertör kayıpları vd. elde edilen enerjiyi azaltır.
Rüzgardan ticari olarak elde edilebilecek enerji insanlığın diğer bütün kaynaklardan şu anda elde ettiğinden büyük ölçüde daha fazladır. Güneşten gelen enerjinin dünya tarafından emilen %1 atmosferde kinetik enerjiye dönüşür. Eğer bu enerjinin yer yüzüne eşit olarak dağıldığını varsayarsak karalarda rüzgardan elde edilebilecek enerji 3.4x1014 W (Watt) olarak hesaplanır ki bu dünyada şu anda kullanılan ticari enerjinin 22 katına denk gelmektedir.[1]
Global olarak kara ve okyanus kıyılarında 100 m yüksekliğinde yaklaşık olarak 1700 TW (terrawatt) rüzgar enerjisi mevcuttur. Günümüz şartlarında ticari olarak değerlendirildiğinde bunun 72 ila 170 TW'ı pratiklik ve maliyet göz önüne alındığında kullanılabilir.
Farklı rüzgâr kuvvetleri ve belli bir yerdeki ortalama değer bir rüzgâr türbininin yalnızca orada üretilebilir enerjisinin miktarını göstermez. Belli bir alandaki rüzgâr hızının frekansını belirlemek için, olası bir dağılım fonksiyonu gözlenen veriye göre uyarlanır. Farklı alanlarda farklı rüzgâr hız dağılımı vardır. Weibull modeli birçok yerdeki saatlik rüzgâr hızlarının gerçek dağılımını yaklaşık olarak yansıdır. Weibull faktörü yaklaşık olarak 2’dir ve bu yüzden Rayleigh dağılımı daha az bir doğruluk olarak kullanılabilir, fakat daha basit modeldir.
Rüzgâr türbinleri, rüzgârdaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Bir rüzgâr türbini genel olarak kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrik-elektronik elemanlar ve pervaneden oluşur. Rüzgârın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Pervane milinin devir hareketi hızlandırılarak gövdedeki jeneratöre aktarılır. Jeneratörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.
Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çeşitlilik gösterse de, genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre “Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri” (YERT) ve "Düşey Eksenli Rüzgâr Türbinleri” (DERT) olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar.
Bir rüzgâr tarlasındaki türbinler orta gerilimle güç toplama sistemi ve iletişim ağına bağlıdır (daha çok 34,5 kV). Alt istasyondaki, bu orta gerilim elektriksel akımı yüksek gerilim elektrik iletim hattı sistemine bağlanması için bir transformatör yardımı ile arttırılır.
Rüzgâr gücü için sıklıkla kullanılan indüksiyon jeneratörler, ikazlama için reaktif güce ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden, güç faktörü düzeltme için sağlam kondansatör bankalarını içeren rüzgâr güç düzeltme sistemlerinde şalt sahasına ihtiyaç vardır. Rüzgâr türbin jeneratörlerinin farklı türleri, şebekeye iletim esnasında farklı davranır. Bu yüzden, yeni bir rüzgâr tarlasının dinamik elektromekanik karakteristiğinin kapsamlı modellemesi, iletim sistemi operatörlerinin, oluşabilecek sistem hatalarını tamir edebilmesi ve dengeli davranış göstermesi sağlaması için, gereklidir. Özellikle indiksiyon jeneratörler, buhar ve hidrolik türbin senkron jeneratörlerin aksine, hata esnasında sistem gerilimini desteklemezler. Çift beslemeli elektrik makineleri rüzgâr türbinleri ve türbin jeneratörü ile toplayıcı sistem arasındaki katı hal dönüştürücüleri- şebeke bağlantısı için daha çok tercih edilen özelliklere sahiptir. İletim sistemi operatörleri, sisteme bağlantıyı sağlayan gereçleri belirlemek için şebeke koduna sahip bir rüzgâr tarla geliştiricisi ile bağlantı kurmalıdır. Bu gereçler, güç faktörü, sabit frekans ve sistem hataları esnasındaki rüzgâr türbinlerinin dinamik davranışlarını içerir.
Rüzgâr hızı sabit olmadığından dolayı, rüzgâr tarlasının yıllık enerji üretimi, jeneratör üzerindeki etikete yazılan saatlik değerlerin bir yıldaki toplam saatle çarpılması sonucu çıkan değer ile hiçbir zaman aynı olmaz. Bir yıldaki gerçek üretim değeri teorik olarak maksimum değer olan kapasite faktörü olarak adlandırılır. Tipik olarak kapasite faktörü %20 ile 40 arasındadır. Örneğin; kapasite faktörü %35 olan 1 MW’lık bir türbin, yılda 8760 MWh (1*24*365) üretmez. Sadece 1*0,35*24*365= 3066 MWh üretir.
Yakıt santrallerinin aksine kapasite faktörü rüzgârın doğal özelliğiyle sınırlıdır.
Rüzgâr enerji “etki”si, rüzgâr tarafından üretilen enerjinin, jeneratörün kullanılabilir toplam kapasitesi ile karşılaştırılmasıdır. Genellikle rüzgâr etkisinin “maksimum” seviyede olduğu kabul edilir. Belirli şebekedeki sınır var olan üretim santrallerine, mekanizmaların fiyatına, arz-talep yönetimine, verime ve diğer faktörlere bağlıdır. Bağlı bir elektrik şebekesi, donanım başarısızlıkları için zaten ters besleme ve iletim verimini içerir. Bu ters verim, rüzgâr santrallerinde üretilen gücü düzene koymaya da yardımcı olabilir. Çalışmalar tüketilen toplam elektrik enerjisinin %20'sinin en az zorlukla birleştirilebileceğini gösterdi. Bu çalışmalar coğrafik olarak çeşitli yerlerdeki rüzgâr tarlalarında, kullanılabilir enerjinin bir kısmında, arz-talep yönetiminde, büyük şebeke alanlarında yapıldı. Bunlardan başka birkaç tekniksel sınırlama da vardır. Fakat ekonomik dengesizlikler daha da önem arz ediyor.
Şu anda, birkaç şebeke sistemindeki rüzgâr enerjisinin etkisi %5'in üzerindedir: Danimarka (%19'un üzerinde), İspanya ve Portekiz (%11'in üzerinde), Almanya ve İrlanda Cumhuriyeti %6'nın üzerinde). Örneğin, 8 Kasım 2009'un sabah saatlerinde, İspanya'daki elektrik arzında, ülkenin elektriğinin yarıdan fazlası rüzgâr enerjisinden sağlandı. Bu durum şebekede hiçbir sorun teşkil etmedi.
Danimarka şebekesi, Avrupa şebekesiyle büyük oranda bağlantılıdır. Rüzgâr gücünün yarıdan fazlasını Norveç'e göndererek şebeke yönetimi problemlerini çözmüş oldular. Elektrik gönderimi ve rüzgâr gücü arasındaki ilişki çok sıkıdır.
Rüzgâr gücünden üretilen elektrik, birkaç farklı zaman aralığında, saatlik, günlük ve mevsimlik olarak yüksek oranda değişebilir. Rüzgâr santrali yatırımı yapılmadan önce bölgede ölçün direkleri vasıtasıyla en az 1 senelik ölçümler yapılır ve bölgenin ortalama rüzgâr hızı elde edilir, yatırım bu ortalama hıza göre yapılır. Analiz programları ile mikro analizler yapılarak bölgedeki rüzgâr açısından en verimli noktalar seçilir, bu sayede kesintiler en aza indirilir. RES'ler de diğer elektrik santralleri gibi belli bir talep ve tarife ile şebekeye elektrik satarlar. Diğer santrallerin aksine RES'lerde enerji üretimi rüzgârın anlık durumuna bağlı olduğundan rüzgâr tahminleri ciddi önem arz etmektedir. Türkiye'de Lisanlı ve Lisanssız sektör olarak ikiye ayrılmıştır. Lisanslı sektör 1 MW (megawatt) üzeri santralleri kapsar ve burada tarifelendirme yapılmaktadır ancak 1 MW altında elektrik üreten santraller doğrudan şebekeye verilebilir. Bu sebeple lisanslı RES'lerde öngörülebilirlik anlık olarak önem kazanmaktadır.
Rüzgâr türbin yerlerinin iyi tespit edilmesi rüzgâr gücünün ekonomik kullanılması açısından kritik önem taşır. Rüzgârın kendi kullanılabilirliği bir tarafa, iletim hatlarının kullanılabilirliği, üretilen enerjinin değeri, bulunduğu yerin bedeli, yapıma ve işleme çevrenin vereceği tepkiler gibi diğer faktörlerde göz önüne alınmalıdır. Denizdeki yerleşimler, yapıları daha büyük inşa ederek, daha fazla yıllık yük faktörlerinin getirisiyle maliyeti dengeleyebilir. Rüzgâr tarla tasarımcıları, belirli bir rüzgâr tarlası tasarımında, bu tür sorunların tesirlerini tespit etmek için özel rüzgâr enerji yazılımı kullanır.
Rüzgâr güç yoğunluğu (WPD), belirli bir yerdeki rüzgârın etkin güçünün hesabıdır. Rüzgâr güç yoğunluğunun dağılımını gösteren bir harita, rüzgâr türbinleri uygun olarak yerleştirmek için başvurulacak ilk adımdır. Bir yerde ne kadar büyük WPD varsa, sınıflandırma o derece büyük olur. Rüzgâr gücünün 3'den ( 50 m'lik rakımda 300–400W/m2 ) 7'ye (50 m'lik rakımda 800–2000 W/m2) kadar olan sınıflandırmalarda genellikle rüzgâr güç arttırımı için uygunluk göz önünde bulundurulur...
Rüzgâr tarlası, elektrik üretimi için kullanılan ve aynı yerde bulunan rüzgâr türbinleri grubudur. Özel türbinler orta gerilim (genellikle 34,5 kW) güç sistemine ve ağ şebekesine bağlanır. Elektrik şebekesinin orta gerilimdeki elektrik akımını bir transformatör yardımıyla yüksek gerilim iletim hattına bağlar.
İspanya, Danimarka ve Almanya Avrupa'nın önde gelen rüzgâr enerji üreticileridir. Büyük rüzgâr tarlası, birkaç düzineden yüzlerde özel rüzgâr türbinlerine kadar çok sayıda türbin içerir. Bunlar yüzlerce kilometrekare alanı kaplar. Türbinlerin arasındaki toprak tarım ve diğer amaçlar için kullanılabilir. Rüzgâr tarlası, okyanusdan veya denizden esen güçlü rüzgârların sağladığı avantajdan dolayı açık alanlara yapılır.
Rüzgâr Güç Yoğunluğu (RGY) olarak adlandırılan bir nicelik, rüzgâr enerji gelişimindeki konumları seçmek için kullanılır. RGY, belirli bir yerdeki rüzgârın etkin kuvvetinin hesabıyla ilgilidir. Genellikle bir zaman periyodundaki toprak seviyesinin üstündeki yüksekliği ifade eden terimdir. Hesaba hız ve kütle olarak alınır. Renk kodlu haritalar, belirli bir alan tanımlama için hazırlanır. Örneğin, "50 metredeki Ortalama Yıllık Güç Yoğunluğu." Yukarıdaki hesabın sonuçları Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı tarafından geliştirilen içerikte kullanılır ve "NREL CLASS" olarak ifade edilir. Daha büyük RGY hesabı sınıf tarafından daha yüksekte orantılanır.
Rüzgâr tarlasının yeri, zengin doğal yaşam alanı veya yol yapımına uygun yerler gibi çevresel hassasiyetli veya kıymetli olduğunda dolayı daha fazla tartışmaya neden olabilir. Bu alanlar gürültü endişesi ve herhangi bir aksilik olabileceğinden dolayı yerleşim yerleri dışında yapılır.
Genel bir kural olarak, eğer rüzgâr hızı 16 km/s (veya 4,5 m/sn) veya daha büyükse rüzgâr generatörleri pratiktir. Yıl boyunca ani esmenin en az olasılıklı yer ideal olarak kabul edilir. Türbin yeri için önemli bir faktör de yerel demant veya elektrik iletim hattının kapasitesidir.
Alanlar genellikle rüzgâr atlasına göre belirlenir ve rüzgâr ölçümleriyle doğrulanmıştır. Meteorolojiksel rüzgâr verisi, büyük çaplı rüzgâr güç projesinin konumunu belirlemek için tek başına genellikle yeterli değildir. Yerin rüzgâr hızı ve yönü ile ilgili veriyi toplama, bölgenin potansiyelini tanımlamak için çok önemlidir. Yerel rüzgârlar çoğunlukla bir yıl veya daha fazlası için takip edilir ve rüzgâr generatörleri kurulmadan önce ayrıntılı rüzgâr haritaları çıkartılır.
Alçak basınç etkisinden dolayı yükseklerde rüzgâr daha hızlı eser. Yükseklikteki hız artışı, yüzeye yakınında daha tesirlidir. Arazi, yüzey engebeliği, ve ağaç ve yapılar gibi rüzgârı engelleyen şeyler tarafından etkilenir.
"Rüzgâr park etkisi", türbinler arasındaki karşılıklı engelden dolayı çıkış kaybını ifade eder. Rüzgâr tarlaları birçok türbinden oluşur ve her biri rüzgâr enerjisinin birazını yutar. Alan elverişli olduğunda, kayıpları en aza indirmek için türbinler, kuvvetli rüzgârda rotor çapının beşte üçü kadar bir boşlukla dik şekilde, rüzgâr kuvvetinin yönünde ise rotor çapının onda beşi kadar açıklıkla yerleştirilir. Kayıt toplam kurulu gücün %2'si kadar olabilir.
Büyük rüzgâr parkında, her bir rotor arasındaki etkinin "multifractal" olduğundan dolayı, türbinlerin Kolmogorov düzensizliğindeki davranışta önemli derecede sapma görülür.
Rüzgâr gücünün çevresel etkileri ile geleneksel enerji kaynaklarının çevresel etkilerini karşılaştırma göreceli olarak benzerdir. Rüzgâr gücü, fosil yakıt güç kaynakları gibi yakıt tüketmez ve hava kirliliği yapmaz.
Kuş ve yarasa tehlikesi birçok bölgede endişeye sebep olmaktadır. Bazı kuşlar, insanların temiz olmayan güç kaynaklarını kullanmalarından dolayı neden olduğu kuş ölümleriyle, rüzgâr türbinlerinden dolayı ölenler karşılaştırıldığında, ikincisinin çok az bir etkisi vardır. Rüzgâr tarlalarının yeri ile ilgili anlaşmazlık çok büyük sorundur.
Estetik etkiler de bazı alanlarda sorun teşkil ediyor.
Uygun ölçekli rüzgâr tarlaları, iletim hatlarına enerji dönüşümü yapılarak aktarılmalıdır. Rüzgâr tarla geliştiricisi, teknik standartları karşılaması için rüzgâr tarlasına ek teçhizat veya kumanda sistemlerini kurmakla yükümlü hale getirilmelidir. Rüzgâr tarlası kuran şirket veya kişi üretilen gücü iletim hatları vasıtasıyla satabilmelidir.
Karadaki (onshore) türbinler tepe veya dağlı bölgelerde, genellikle hahilden üç veya daha fazla kilometre uzaklıkta sırtlarda kurulur. Bu, bir sırttaki rüzgâr ivmesi olarak oluşabilecep yersel (topografik) hızlanmayı kullanmak için yapılır. Bu yolla kazanılan ek rüzgâr hızı üretilen enerjide önemli miktarda fark oluşturur. Daha fazla eklenti, türbinlerin yerlerini genişletilmesine değecek kadar olmalıdır. Çünkü 30 m.'lik bir fark bazen çıkışta iki kat olarak yansır.
Sahildeki (nearshore) türbinler sahil hattının üç kilometre içinde veya sahilden on kilometre içerde suda yapılır. Bu alanlar türbin inşası için iyi sahalardır. Çünkü kara ve denizin ısı farklılıklarından dolayı rüzgârın gücünden daha iyi faydalanılır. Bu bölgelerdeki rüzgâr hızları, esme yönüne bağlı olarak, hem karadakinin hem de denizdeki rüzprevailingın karakteristik özelliklerini taşır.
Denizdeki (offshore) rüzgâr üretim bölgeleri genellikle karadan on veya daha fazla kilometre uzaktadır. Denizdeki rüzgâr türbinleri karadakilerden daha az sıkıntılıdır. Çünkü suyun yüzey pürüzsüzlüğü karadakinden daha fazladır (özellikle derin sularda). Ortalama rüzgâr hızı genellikle açık sularda oldukça fazladır. Kapasite faktörleri karadakinden ve sahildekinden daha büyüktür.
Büyük rüzgâr türbin parçalarını (kuleler, motor yerleri (nacelles) ve kanatlar (blades)) taşıma, karadakine nazaran daha kolaydır. Çünkü gemiler ve mavnalar, bu türlü devasa parçaları, kamyon/TIR veya trenden daha kolay taşır. Karada büyük yük taşıtları otoyol virajlarında, türbinin maksimum uzunluğu yolun bu kısmı dikkate alınarak üretilmelidir. Fakat açık denizde böyle bir sorun yoktur.
Denizdeki rüzgâr türbinleri, yapı itibariyle muhtemelen en büyük ebatta kalacaklardır. Türbin tarlaları denizde türbinden oluşabilir.
Kıtasal sığ alanlarda, su 40 m.'den daha derin değildir. 4. Kategori veya daha büyük fırtınalar hariç bu alanlar rüzgârlıdır. Zemin etütlü türbinler şu an kurulum için idealdir.
Yeni su altı, yüzen türbin teknolojileri henüz yeni yeni yaygınlaşmaya başladı. İlk büyük kapasiteli yüzen rüzgâr türbini, 2,3 MW'lık, 120 m. yüksekliğinde kuleye sahip, 220 metre su altında yapısı olan Kuzey Denizi açıklarında, Norveç, Stavanger'dedir. 2 yıllığına test edilecek. Unite 2009'un yazında inşa edildi ve 2009 Kasım ayında faaliyete geçti.
Uçan rüzgâr türbinleri kule masraflarından muaftır ve yüksek hızlarda, yüksek irtifada uçabilirler. Çoğu sistemler ticari amaçlı değildir.