Rüzgarın gücünü ilk olarak yelkenlilerini hareket ettirmek için denizciler kullanmıştır. Bu bilgi eski Persler ve Çinliler tarafından tahıl öğütmek ve su pompalamak amacıyla yel değirmeni geliştirilmesine yol açtı. Ardından Avrupalıların kurduğu yel değirmenleri ise enerji üretimi için kullanılan mevcut rüzgar türbini teknolojisinin temelini oluşturacaktı. Bu yazıda yel değirmeni ve rüzgar türbini nedir, nasıl çalışır ve aralarında ne fark var anlatmaya çalışacağım.
Yel Değirmeni ve Rüzgar Türbini Kısa Tarihi
Rüzgar estikçe yel değirmenlerinin ve rüzgar türbinlerinin kanatları da dönüyor. Bu devasa kanatlı makineler, 1000 yılı aşkın bir süredir varlığını sürdürüyorlar. Ve ilk yel değirmenleri M.S. 800 civarında İran’da ortaya çıktı.
Cervantes’in Don Kişot romanında da adı geçen yel değirmenleri ilk başlarda mısırdan un üretmek için kullanılmaktaydı. Bu değirmenler usta zanaatkarlar tarafından inşa edilmişlerdi. Rüzgar, yel değirmeninin kanatlarını döndürür, buna bağlı olarak da merkez bir şaft döner. Bu şaft da daha sonra genellikle büyük, yassı taşlardan yapılmış bir tahıl değirmenini döndürür. Bu sayede un ve diğer tahıl ürünleri üretilmektedir.
Yel değirmenleri başka bir hayati amaca da hizmet etti: şehirlere ve evlere su pompalamak. Zira bir tahıl değirmenini döndürmek yerine, bir pompayı çalıştırmak için yel değirmeninin dönüşü kullanılabilmektedir.
Yel değirmenleri çağlar boyunca varken, rüzgar türbinleri nispeten daha yeniler. Elektrik üretmek için yapılan ilk rüzgar türbini Charles Brush tarafından 1888 yılında ABD’de icat edilmiştir. Brush, Ohio’daki malikanesi için elektrik üretmek amacıyla rüzgar türbinini yapmıştı. Rüzgar türbinleri, dönen enerjiyi bir değirmeni döndürmek veya su pompalamak gibi daha mekanik işlere dönüştürmek yerine, kanatların dönmesinden elektrik üretmek için kullanılır.
Yel Değirmeni Nasıl Çalışır? Ne İşe Yarar?
Yel değirmenleri uygarlık için en eski ve en hayati makinelerden biri. Genellikle su pompalamak veya tahıl öğütmek için kullanılmışlardır. Çok daha yeni rüzgar türbini teknolojisine göre bazı başka işlevsel farklılıkları vardır.
Bir yel değirmeninin kanatları yere yakındır. Çünkü dönmeleri için zemine yakın hava akımlarını kullanması gerekir. Fakat atmosferin yüksek katmanlarına göre rüzgar akımları yer yüzeyinde daha düşüktür. Bu sebeple mümkün olduğu kadar fazla rüzgar yakalamak için yel değirmenlerinin kanatlarının daha büyük olması gerekir.
Yel değirmenleri M.S. 800’den beri var olsa da 1800’lerin ortalarında gerçek manasıyla popülerlik kazandılar. 1850’yi takip eden yıllarda Sanayi Devrimi bu popülerliği daha da arttırdı. Yalnızca ABD’de pompalara ve fabrikalara güç sağlamak ve diğer enerji ihtiyaçlarını karşılamak için 6 milyondan fazla mekanik yel değirmeni kurulmuştur.
Bu popülerlik, mekanik enerji jeneratörleri olarak yel değirmenlerinin basitliğinden kaynaklandı. Sadece çok kanatlı bir yel değirmeni kurarak, ücretsiz bir mekanik enerji kaynağı elde edebilirsiniz. Kanatların dönmesi ile elde edilen enerji yerden suyu çeken ve iten su pompalarını bir dişli aracılığıyla sürmek için kullanılabilmiştir.
Diğer yandan modern endüstride yel değirmenleri popüler hale gelirken, başka bir buluş da geliştiriliyordu: jeneratör.
Bir jeneratör yalnızca rüzgar estiğinde çalışabilen yel değirmeninden dönme enerjisini elektriğe çevirerek depolanmasını da sağlar. Bu nedenle, rüzgar türbinlerinin geliştirilmesi, rüzgar enerjisinden yararlanan cihazların mükemmelleştirilmesinde bir sonraki adımdı.
Rüzgar Türbini Nasıl Çalışır? Ne İşe Yarar?
Daha güçlü hava akımlarını yakalamak için bir rüzgar türbini yel değirmenine göre metrelerce yükseklikte bulunmaktadır. Bir yel değirmeni ile çalışma şekli olarak bir yel değirmeni ile aynı prensipleri kullanır. Yani rüzgarı dönme enerjisine dönüştürür. Ancak bundan sonrası farklıdır.
Rüzgar türbinlerinin içinde, genellikle doğrudan dönen bir pervane çubuğuna bağlı jeneratörler bulunmaktadır. Jeneratörü döndürerek, aküleri şarj etmek, şebekeyi beslemek veya elektronik cihazları doğrudan çalıştırmak için kullanılabilecek bir elektrik akımı üretilir. Bunu bir elektrik motoruna benzetebiliriz ama işleyiş tam tersidir. Zira bir elektrik motoru hareket oluşturmak için elektriği kullanırken, bir rüzgar türbini elektrik üretmek için hareketi kullanır.
Daha spesifik olarak, bir rüzgar türbininin kanatları, rüzgarın kinetik enerjisini – hareketin oluşturduğu enerjiyi – yakalar ve onu dönme enerjisine dönüştürür. Bu dönme enerjisi daha sonra bir jeneratörün hızını artırmak için bir dizi dişliden beslenir.
Bu türbinler genellikle saatte 8 ila 16 kilometre/saat rüzgar hızlarında enerji üretmeye başlar. Ve 96 km/saat civarında yüksek hızlarda kapanır. Böylece arızalanmazlar veya kendilerine zarar vermezler.
Rüzgar türbinleri elektrik üretirken, teknik olarak yel değirmenleri kadar verimli değiller. Rüzgar türbinleri, Betz limiti olarak bilinen, yüzde 59’luk bir maksimum verime sahiptir. Bunun nedeni, rüzgarın tüm enerjisini kullanamama ve dönme enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmedeki verimsizliklerdir.
Kadim Teknolojiden Geleceğin Enerjisine
Verimsizliklerine rağmen rüzgar türbinleri geleceğin rüzgardan yararlanma ve elektrik üretme yöntemidir. Tipik bir rüzgar projesi sıfır emisyonlu enerji sağlıyor.
2018’de rüzgar, küresel elektriğin yaklaşık yüzde 5’ini üretti. Ve bu onu hidroelektrikten sonra en büyük ikinci yenilenebilir kaynak haline getirdi. Yel değirmeninin Pers ve Çin uygarlıklarında ilk kullanımından günümüzün devasa rüzgar türbinlerine kadar, bu teknoloji vazgeçilmez oldu.