İnsanlık özellikle yel değirmeni ile birlikte 1600 yıldır rüzgar gücünden faydalanıyor. Rüzgar her gün insanların kullandığından 35 kat fazla kinetik enerji üretir. İlk kez 19. yüzyılda icat edilen rüzgar türbinleri basit bir prensiple çalışır: Tıpkı bir vantilatör gibi, rüzgarı elektrik enerjisiyle üretmek yerine yalnızca rüzgar enerjisiyle üretiyorlar. Esen rüzgar, türbinin pervane benzeri bıçaklarını hareket ettirir. Bu da bıçakların bağlı olduğu rotoru döndürür ve rotor jeneratörü çalıştırır. Jeneratör elektrik üretir. Rüzgar türbini yavaş döner çünkü gürültü üretmesi istenmez ve dayanıklılık önemlidir.
Rüzgar türbini
Rüzgar bir güneş enerjisi türüdür ve üç eşzamanlı olayın birleşiminden oluşuyor:
- Güneş'in atmosferi dengesiz şekilde ısıtması
- Dünya yüzeyinin düzensizliği
- Dünya'nın dönüşü.
Rüzgarın akış modeli ve hızı birçok ülkede belirgin değişikliklere sahiptir. Su kütlesi, bitki örtüsü ve arazideki farklılıklar rüzgarın hızında rol oynuyor. Rüzgarın mekanik gücünü tahıl öğütme veya su pompalama gibi süreçlerde kullanabilir veya onu bunu bir jeneratöre bağlarsanız elektrik enerjisi üretebilirsiniz.
Bazı insanlar rüzgar türbinlerinin doğa manzarasını bozduğunu düşünüyor. Dahası rüzgarın her daim mevcut olmaması elektrik akışını sekteye uğratıyor. Buna rağmen üretilen enerji olarak rüzgar, jeotermal, güneş veya doğal gaz gibi enerjilerden çok daha az maliyetlidir. Bu yüzden en verimli ve ucuz elektrik kaynağımızdır. Bugün arsalarına rüzgar türbini inşa edilmesine izin veren birçok çiftçi ek kazanç elde edebiliyor.
Nasıl çalışır?
Rüzgar türbininde bıçaklar olabildiğince fazla havayı yakalamak için en doğru kavisle tasarlanır. Bıçak döndüğünde kinetik enerji dişlileri çevirir ve tahrik şaftı harekete geçer. Şaftın hareketi dakikada 16 dönüş (16 RPM) ile oldukça yavaştır ancak dişliler sayesinde bu hareket jeneratörün 1600 RPM hızla dönmesini sağlar. Şaft elektrik jeneratörüne güç verir, akım elektrik şebekesine aktarılır ve enerji evinize ulaşır.
Rüzgar türbininde ayrıca bir fren mekanizması vardır. Rüzgar 80 km/sa hızı geçtiğinde verimlilik düştüğünden bıçaklar durur. Alman fizikçi Albert Betz, büyüklüğü ne olursa olsun bir rüzgar türbininin rüzgarı enerjiye dönüştürmede en fazla %59,3 verimlilikte olacağını bulmuştur.
Türbinin tepesindeki hız sensörü rüzgarın hızını ve yönünü ölçer ve tüm türbini buna göre rüzgara doğru döndürür. Bununla birlikte rüzgar hızı arttıkça bıçak hızının artması göreceli hızı değiştirir. Bu yüzden bıçakların bağlandığı rotorda eğim mekanizması vardır ve bıçakları göreceli hızın yönüne göre hizalandırır. İnsanlar yel değirmeninde bunu elle yapardı.
Rüzgar türbini, rotor bıçaklarından gelen aerodinamik kuvveti kullanarak rüzgar enerjisini elektriğe dönüştürüyor. Uçak kanadı veya helikopter rotor bıçağının çalışma prensibine benzer. Rüzgar bıçaktan geçerken bıçağın bir tarafındaki hava basıncı azalır. Bıçağın her iki tarafındaki hava basıncı farkı taşıma (dikey) ve sürükleme (yatay) denilen kuvvetleri oluşturur.
Taşıma kuvveti, sürtünmeden daha güçlü olduğu sürece rotor döner. Rotor jeneratöre doğrudan bağlanırsa bıçağın yavaş dönüşünün jeneratöre elektrik sağlaması zor olacaktır. Bu yüzden rotor ile jeneratör arasına şaft ve dişliler yerleştirilir. Dişliler rüzgar türbininin dönüşünü hızlandırıyor. Böylece daha küçük jeneratör kullanmayı mümkün kılar. Bir jeneratörün aerodinamik kuvvetle çevrilmesi elektriği oluşturur.
Dünyanın en büyük rüzgar türbini 2019'da Hollanda'da inşa edildi. 220 metrelik rotor genişliği ile yalnızca bir tanesi 16.000 Avrupa hanesinin yıllık enerjisini karşılamaktadır.
Çeşitleri
Rüzgar türbinlerinin çoğu iki türe ayrılıyor: Yatay eksenli türbinler ve dikey eksenli türbinler. Yatay eksenli rüzgar türbinler birçok insanın gördüğü tipik formdur. En sık üç kanatlı tasarlanırlar ve rüzgara karşı çalışırlar. Kanatların rüzgara doğru bakması için türbin kulenin tepesine yerleştirilir.
Dikey eksenli rüzgar türbinleri birçok çeşide sahip. Bir tanesi yumurta çırpıcıya benzer ve adını Fransız mucit Darrieus'dan alıyor. Bu türbinler çok yönlüler yani çalışması için rüzgarı karşılayacak şekilde yerleştirilmesi gerekmez.
Rüzgar türbinleri ayrıca okyanus ve göl gibi büyük su kütlelerine veya açık denize inşa edilebiliyor. Birçok ülke açık denize rüzgar türbini inşa etmeyi ele alan projeler yürütür.
Rüzgar türbininin uygulanma biçimleri
Modern rüzgar türbinleri, kuruldukları yere ve şebekeye nasıl bağlandığına göre kategorize ediliyor: Karaya kurulan rüzgar türbini, açık deniz rüzgar türbini ve dağıtılmış rüzgar türbini.
Karaya kurulanlar 100 kilowatt'tan birkaç megawatt'a kadar enerji kapasitesine sahip oluyor. Daha büyük rüzgar türbinleri daha uygun maliyetli olur. Büyük parçaları gemiyle taşımak karada taşımaktan kolay olduğundan açık deniz rüzgar türbinleri 90 metreyi aşan boyla devasa olma eğilimindeler. Bu türbinler güçlü okyanus rüzgarlarını yakalar ve büyük miktarda enerji üretir.
Son olarak dağıtılmış rüzgar türbinleri geliyor. Bunlar enerjinin kullanılacağı yere inşa edilir. Bu yüzden genelde küçük rüzgar türbinleri kullanılır. 100 kilowatt'ın altındaki bu türbinler konut, tarım, küçük ticari ve endüstriyel uygulamalar için kullanılıyor.