Rüzgar Enerjisi Nedir? Nasıl Yararlanılır?

Rüzgar enerjisi, tamamen doğadan elde edilen temiz enerji kaynakları arasında ilk sıralarda yer almakta. Potansiyeli düşünüldüğü zaman, yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde öne çıkan rüzgar enerjisinin, kullanım alanları düşünüldüğünde ise aynı şeyi söylemek pek mümkün değil. Bu durumun nedeni, rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştürme aşamasında kurulması gereken sistemler. Dilerseniz hem rüzgar enerjisinden hem de enerjinin dönüştürülmesi aşamasında kullanılan sistemlerden daha detaylı olarak söz edelim.

Rüzgar Nedir?

Rüzgar enerjisinden söz etmeden önce, ana kaynaktan söz etmemiz yani rüzgarı ele almamız gerekiyor. Rüzgar; yeryüzündeki sıcaklık farklarından oluşan bir doğa olayıdır. Güneş ışınları, yeryüzünde farklı sıcaklıklar ve basınçlar oluşmasına neden olur. Güneş ışınlarının sürekli değişken olan etkisi nedeniyle yeryüzünün hemen her bölümünde eşit ısı oluşmadığını görürüz.

Değişen ısı farkları, hava hareketlerinin gerçekleşmesini sağlar. Fazla ısınan hava kütleleri yükselir. Yükselen hava kütlesi, bulunduğu alanda bir boşluğa neden olur. Buraya aynı oranda soğuk hava kütlesi yerleşir. İşte hava kütleleri arasındaki bu hareket sonucunda rüzgar oluşmakta. Aslında basit bir doğa olayından söz ediyoruz ancak bu doğa olayı ne kadar basit olsa da önemli bir enerji kaynağının ortaya çıkmasını sağlıyor.

Rüzgar Enerjisinden Nasıl Faydalanılıyor?

Rüzgardan söz ettiğimize göre işin biraz enerji kısmına geçebiliriz. Rüzgar enerjisi; rüzgarı oluşturan hava akımının kinetik enerjisi olarak nitelendirilebilir. Oluşan bu kinetik enerji önce mekanik enerjiye, ardından elektrik enerjisine dönüştürülür ve sonucunda da elektrik elde edilir.

Elektrik enerjisinin elde edilmesi aşamasında ise bazı yapıların kullanılması gerekiyor. Bu yapılar rüzgar türbinleri olarak isimlendiriliyor ve enerjinin dönüşümünü sağlıyor.

Buraya kadar olan kısımda sürecin işleyişini kısaca özetleyelim. Sıcak havanın yükselmesiyle boşalan hava kütlesi yerine, soğuk hava geliyor ve bu şekilde rüzgar oluşuyor. Rüzgar türbinleri ise rüzgarın enerjisini alıyor ve mekanik enerjiye dönüştürüyor. Hemen sonrasında elektrik enerjisine çeviriyor.

Ana mantığı anlattık. Fakat atladığımız önemli bir detay var. İşin başrol oyuncusu olan rüzgar türbinleri nasıl çalışıyor? Elektrik enerjisi elde edilirken hangi süreçlerden geçiliyor? Bakalım.

Rüzgar Türbinlerinin Yapısı

Kullanıldığı bölgeye göre boyutları değişmekle beraber genel olarak rüzgar türbinleri; elektronik aksam, pervane, jeneratör, dişli kutusu ve kule bölümlerinden oluşmaktadır. Her bölümün kendi içerisinde bir görevi vardır ve sistemin uyum içerisinde çalışması neticesinde elektrik enerjisi elde edilir. Gelin, türbinleri oluşturan parçaları da yakından tanıyalım.

Kule: Ana bölüm, kule bölümü olarak değerlendirilebilir. Motor aksamının yerden yüksek bir konumda durmasını ve rüzgarı almasını sağlayan kısım da yine kule kısmıdır. Kullanıldığı bölgeye göre kule uzunluğu değişmekle beraber; çelik, betonarme ya da tüp metal şeklinde inşa edilebilir. En çok tercih edilen ise tüp kulelerdir. Tek parça ya da uzunluğuna göre birkaç parçanın birleştirilmesiyle oluşturulan tüp kuleler, maliyetin düşmesini sağlar. Bu yönüyle çok fazla tercih edilir.

Pervane: Yine kullanıldığı bölgeye ve rüzgar durumuna göre değişmekle beraber 3 ya da 2 adet kullanılan pervaneler, ana parçalardan birisidir. Uçak kanadı konseptinde tasarlanan pervaneler, 20 metreye kadar uzayabilir. Rüzgarın gücüyle hareket ettirilen pervaneler, sistemin çalışmaya başladığı ilk noktadır.

Jeneratör Sistemi: Üst kısımda, motor alanının içerisinde yer alan jeneratör sistemi, indüksiyon prensibine göre çalışır ve mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlar. Burada 3 farklı jeneratör sistemi görürüz. Senkron jeneratörleri, asenkron jeneratörleri, doğru akım jeneratörleri olarak isimlendirilen bu 3 jeneratörle beraber salınımlı güç üretilir.

Dişli Kutusu: Vites sistemi olarak gösterebileceğimiz bu bölüm, düşük hız milinin yüksek hız miline bağlanmasını sağlar. Bu şekilde dönüş hızının 60 rpm değerinden 1800 rpm değerine kadar çıkması sağlanır. Kulenin en pahalı ekipmanlarından biri olan vites kutusu, alternatifleri araştırılan parçalardan birisi. Bunu da eklemiş olalım. Daha az maliyeti bulunan sistemler geliştirilmeye çalışılıyor.

Rüzgar Ölçer: Anemometre olarak da bilinen bu parça, rüzgar hızının ölçülmesi ve bu şekilde hız kontrollerinin yapılması için kullanılır.

Makine Kısmı: En tepede yer alan kısımdır. Kontrol üniteleri, jeneratörler, vites kutusu, hız milleri gibi ana parçaların bulunduğu kısım olarak bilinir. Bir nevi sistemin beyninin olduğu bölüm olarak değerlendirebiliriz. Burada ilginç bir noktaya daha değinmek gerekecek. Bazı türbinler çok yüksektir ve çok daha büyüktür. Bu türbinlerin bakımları ve onarılması için makine kısmına ulaşmak gerekir. Haliyle bazı türbinlerde kolay erişim için makine kısmının üzerine helikopter pisti eklenir. Bu şekilde ulaşım kolaylaştırılır. Tırmanmak yerine, direkt makine kısmına ulaşım yapılır.

Düşük Hız Mili: Düşük hızlarda kullanılacak olan millerdir. 60 rpm değerine kadar kullanılır.

Yüksek Hız Mili: Ana mildir ve jeneratörün sürülmesini yani kullanılmasını sağlar.

Kontrol Ünitesi: Rüzgar türbinlerinde bir değerlendirme sistemi vardır. Rüzgar hızı çok düşükse pervaneler dönmez. Aynı şekilde rüzgar hızı çok yüksekse, pervaneler aşırı hızda dönmeye bağlı herhangi bir zarar görmesin diye frenleme kullanılır. Çok yüksek hızlarda da pervaneler durdurulur. Kontrol ünitesi de bunun kontrol edilmesini sağlamakta. Burada kontrol ünitesi, devreye girme hızı ve devreden çıkma hızına göre hareket eder. Devreye girme hızı 2-4 m/s olarak belirlenmiştir. Devreden çıkma hızı ise genelde 25-35 m/s hızları arasında tutulur. 35 m/s hız aşıldığı zaman, türbin durdurulur. Bu şekilde türbinin zarar görmesi engellenir.

Yelkovan: Rüzgarın yönünün ölçülmesinde kullanılır. Rüzgar yönüne göre türbinin dönmesi sağlanır ve hem yüksek verim elde edilir hem de türbinin zarar görmesi engellenir.

Sapma Sürücüsü: Rüzgarın yönünde olan değişikliğe karşı, rotorun her durumda rüzgara göre durmasını sağlar.

Rotor: Pervane kanatları ile ana göbek arasında yer alan bölümdür.

Rüzgar Türbini Çeşitleri ve Özellikleri

Rüzgar enerjisi ve türbinlerin ana yapısından söz ettikten sonra, türbinlerin çeşitlerinden de söz etmek gerekiyor. Türbinlerin çeşitleri bu noktada oldukça önemli. Öyle ki kullanım alanına göre doğru türbinin seçilmesi gerekiyor.

En yüksek verimin elde edilmesi ve güvenlik açısından dikkat edilmesi gereken bir seçimden söz ediyoruz. Burada sınıflama yaparken ise öncelikle üst sınıflamayla başlamak lazım. Ana kategorize şeklinde sınıflama yaptığımız zaman türbinler 7 özelliğe göre ayrılıyor. Bunlar:

• Rüzgar Etkisi.
• Kanat Sayısı.
• Güç Durumu.
• Devir Durumu.
• Dişli Yapısı.
• Kurulum Alanları.
• Eksen Durumu.

Bunlar ana sınıflarımız. Bir de bu sınıfların içerisinde ayrılan türler var. Daha iyi anlamanız için alt türler arasında da sınıflama yapalım.

• Rüzgar Etkisine Göre: Önden Rüzgar Alan, Arkadan Rüzgar Alan.
• Kanat Sayısına Göre: Tek Kollu, Çift Kollu, Üç Kollu, Çok Sayıda Kollu.
• Güç Durumuna Göre: Çok Büyük, Büyük, Orta Büyüklükte, Küçük.
• Devir Durumuna Göre: Yüksek Devirli, Düşük Devirli.
• Dişli Yapısına Göre: Dişli Kutusuz, Dişli Kutulu.
• Kurulum Alanlarına Göre: Offshore, Onshore.
• Eksen Durumuna Göre: Eğik Eksenli, Yatay Eksenli, Düşey Eksenli.

Sınıflandırma genel anlamıyla bu şekilde. Tabii ki tüm bu sınıflamalar, farklı özelliklere göre yapılıyor. Haliyle bu türlerin ayrı ayrı değerlendirilmesi gerekiyor. Biz de türleri tek tek ele almaya çalışacağız.

Rüzgar Etkisine Göre Sınıflanan Türbinler

Rüzgarın geliş yönüne göre türbinlerin otomatik olarak ayarlama yapmasını sağlayan kontroller vardır. Yukarıda yelkovan ve sapma ünitesinden söz etmiştik. Bunlar rüzgar yönüne göre, belli bir hareketin yapılmasını sağlamakta. Fakat tüm bu sistemler, belli bir açı ile hareket sağlar. Asıl olarak düzenleme ilk kurulum aşamasında yapılır. Rüzgarın geliş yönüne doğru seçim yapmak gerekir. Bu noktada iki farklı model sunulur. Bunlardan birisi rüzgarı önden alan türbinler, bir diğeri ise rüzgarı arka kısımdan alan türbinler.

• Rüzgarı Arkadan Alan Türbinler: Rotorları kulenin arkasında olan türbinlerdir. Motor ünitesi buna uygun olarak tasarlanır. Özel yaw mekanizmasına sahip olan türbinler olarak da bilinmektedir. Rüzgar arkadan geldiği için kabloların rotora dolanmasını engellemek adına yaw sistemi kullanılır. Kule yükünün azalmasını sağlayacak olan esnek pervanelere sahiptir. Önden rüzgarlı olan modellere göre daha hafif ve esnek bir yapı sunulur.
• Rüzgarı Önden Alan Türbinler: Rotor yüzünün rüzgara yönelmiş olduğu türbinlerdir. Kuleler gölgeleme etkisine maruz kalmadığı için rüzgar enerjisinden tam verim alınır. Pervaneler kule kısmından biraz daha önde, rüzgarı doğrudan alabilecek şekilde tasarlanmıştır.

Kanat Sayısına Göre Sınıflanan Türbinler

Kanat sayısına göre 4 farklı şekilde sınıflama yapılır. İhtiyaca göre sınıflama değişmekte.

• Tek Kollu Modeller: Mantıken baktığımız zaman tek kanatlı modellerde, tek bir pervane bulunduğunu düşünebilirsiniz. Bu tek pervanenin tam merkeze yerleştirildiğini görürüz. Çok sayıda pervaneye göre biraz daha yüksek dönüş hızı vardır. Bu durum pervanenin aerodinamik dengesinin daha zayıf olması anlamına geliyor. Ayrıca tek pervane ses konusunda da daha yüksek gürültü kirliliğine neden oluyor.
• Çift Kollu Modeller: Düşük rüzgar hızlarında çalışmayan türbin modellerinden birisidir. 3 m/s rüzgar hızının altında, pervaneler devreye girmez. Özellikle Avrupa’da sıkça kullanılan pervaneler olarak bilinmekte. İki kollu olması, dönüş hızının tek kolluya göre biraz daha düşmesine ancak dengenin daha iyi sağlanmasına olanak verir. Fakat burada çift kollunun da tamamen dengeli modeller olduğunu söylemek yanlış olacak. Dengenin kurulması için göbek kısmında ek ekipmanların kullanılması gerekiyor. Tam anlamıyla sabit bir atalet momentinin sunulmaması nedeniyle, denge bozulmaları yaşanabilir. Dediğimiz gibi göbek kısmında kullanılan ekipmanlar dengenin doğru bir şekilde kurulmasını sağlar.
• Üç Kollu Modeller: Belki de en çok kullanılan modeller arasında yer alan üç kollu modeller, tüm hızlarda sabit bir atalet momentumun sunulmasını sağlar. Yani her hızda sabit denge kurulmuş olur. Haliyle göbek kısmında dengeyi kurmak için ek malzemelere ihtiyaç kalmaz. Diğer bir avantajı, üç pervane sayesinde sistemde ek bir yük oluşmamasıdır. Rüzgar enerjisi elde edilmesi noktasında en çok kullanılan türlerden biri olduğunu tekrar hatırlatalım.
• Çok Kollu Modeller: Eski tip rüzgar türbinleri olarak gösterebileceğimiz çok kollu modellere en iyi örnek, değirmenlerde yer alan miller. Düşük hızda çalışan türbinlerdir ve genelde su pompalarında kullanılır. Dişli kutusu ile pervane mili direkt olarak bağlanmaktadır.

Güç Durumuna Göre

Güç durumuna göre sınıflandırma yapılırken, türbinlerin maksimum olarak üretebilecekleri güç göz önüne alınır. Bu türbinlerde de 4 farklı tür görüyoruz.

• Küçük Modeller: Üretilen maksimum güç 30 kW veya daha az olan modellerdir.
• Orta Modeller: Üretilen maksimum güç 30-100 kW arasında olan türbinlerdir.
• Büyük Modeller: Üretilen maksimum güç 100 ile 1000 kW arasında olan türbin modelleridir.
• Çok Büyük Modeller: Üretilen maksimum güç 1 MW ve üzerinde olan modellerdir.

Devir Durumuna Göre

Devir durumuna göre sınıflandırma, pervane sayısıyla da doğrudan ilişkili olan sınıflandırmadır. Düşük devirli ve yüksek devirli olmak üzere iki farklı sınıf bulunur. Düşük devirli modeller daha yavaş modeller, yüksek devirli modeller ise biraz daha hızlı olan modeller olarak tanımlanabilir.

Dişli Yapısına Göre

Rüzgar türbinlerine giriş yaptığımız kısımda, ana parçalardan söz etmiştik. Ana parçalar arasında; kontrol sistemi, dişli kutusu, bağlantı ekipmanları, pervaneler ve jeneratörün olduğunu belirtmiştik. Fakat hıza ve devir durumuna göre bu noktada ihtiyaçlar değişebilir. Bazı modellerde dişli kutusunun yer alması gerekirken, bazı modellerde dişli kutusuna ihtiyaç duyulmayacak kadar düşük devir vardır.

• Dişli Kutusu Olan Modeller: Jeneratörleri yüksek devirli olan modellerdir. Pervanenin yüksek devrini, jeneratörün devrine uygun hale getirmek gerekir. Bunun için geçiş sağlayan dişli sistemi kullanılır. Kullanılan dişliler ve sistem, modele göre değişiklik gösterebilir.
• Dişli Kutusu Olmayan Modeller: Jeneratörlerin düşük devirli olduğu modellerdir. Ek dişli sistemine gerek yoktur.

Kurulum Alanlarına Göre

Rüzgar türbinleri genel olarak iki kurulum bölgesine göre sınıflandırılır. Denizde ve karada kuruluma göre sınıflama yapılır.

• Onshore: Kara üzerinde kurulan modeller.
• Offshore: Deniz üstünde kurulu olan modeller.

Eksen Durumuna Göre

Dönme eksenine göre yapılan değerlendirmede 3 farklı grup belirlenmiştir. Sözü uzatmadan bu türlerden bahsedelim.

• Eğik Eksenli: Dönme eksenlerinin düşeyle rüzgar yönü arasında açı yaptığı modellerdir. Pervanelerle dönme merkezi arasında hesaplanmış olan bir açı vardır.
• Yatay Eksenli: Pervanelerin rüzgar yönüne dik olarak konumlandırılmış olduğu modellerdir. Genelde ticari amaçlı serilerde yer alır. Bunun nedeni verimin %40-50 arasında olmasıdır.
• Dikey Eksenli: Dönme milinin rüzgar yönüne dik olduğu türbinlerdir. Rüzgarın yönünden etkilenmediği için herhangi bir ek yönlendirici parça kullanılmaz. Bu durumda da ek bir maliyet ortaya çıkmaz. Bakımları daha kolay olsa da verimleri daha düşüktür.

Rüzgar Enerjisi Maliyetini Yükselten Nedenler

Rüzgar enerjisinin nasıl kazanıldığından ve rüzgar türbinlerinin yapısından söz ettik. Burada mutlaka söz etmemiz gereken bir de maliyet bölümü var. Aslında rüzgar enerjisi, tamamen doğal ve Dünya yüzeyinde hemen hemen her konumda potansiyel olarak üretim tesisleri oluşturulabilecek olan bir enerji. Fakat büyük bir engel var, maliyetler.

Maliyetler diğer yenilenebilir enerjilere göre biraz daha yüksek. Bir kere ilk maliyet dediğimiz, kurulum maliyeti dikkat çekici derecede fazla. Hangi tip olursa olsun, ilk kurulumda rüzgar türbinleri için ciddi bir kaynak harcamak gerekiyor. Bunun dışında geniş alanlara da ihtiyaç var. Ayrıca türbinlerin sürekli olarak bakımının yapılması lazım.

Bakımları yapılsa bile türbinlerin 25 yıl gibi ortalama bir ömürleri var. Bu süreden sonra değiştirilmesi gerekiyor. Böyle değerlendirildiği zaman, maliyetler biraz daha yüksek. Haliyle tek tek türbin kurmak yerine, belli bölgelerde türbin tarlaları kurulur ve maliyet azaltılır. Ancak bu da rüzgar enerjisinin sınırlı alanlarda kullanılmasına neden oluyor. Yani daha yaygın kullanılması için yeni teknolojilerle güncellemeler yapılması şart.

Kurulu Rüzgar Enerjisi Gücüne Sahip Olan Ülkeler

Maliyeti yüksek olsa da birçok ülke bu alanda yatırımlar yapıyor. 2018 yılında elde edilen verilere göre ülkelerin, rüzgar enerjisi kurulu güç ve ilave güç değerlerini sıralayacağız.

• Almanya: Kurulu Güç – 59311 MW, İlave Güç – 3371 MW
• İspanya: Kurulu Güç – 23494 MW, İlave Güç – 397 MW
• İngiltere: Kurulu Güç – 20970 MW, İlave Güç – 1901 MW
• Fransa: Kurulu Güç – 15407 MW, İlave Güç – 1565 MW
• İtalya: Kurulu Güç – 9958 MW, İlave Güç – 452 MW
• İsveç: Kurulu Güç – 7407 MW, İlave Güç – 720 MW
• Türkiye: Kurulu Güç – 7369 MW, İlave Güç – 497 MW

Ülkemizin de aralarında bulunduğu rüzgar enerjisi üretim sıralamasına baktığımız zaman, yüksek enerji miktarları görüyoruz. Fakat tabii ki bu değerlerin daha çok yükseltilmesi gerekiyor. Potansiyel çok daha yüksek.

Rüzgar Enerjisinin Kullanım Alanları

Peki bu enerji nerede kullanılıyor? Maddeler halinde kullanım alanlarını da inceleyelim.

• Bazı yük gemilerinin hareketinin sağlanmasında.
• Su pompalama sistemlerinde.
• Gemilerin elektriğinin karşılanmasında.
• Değirmenlerde, tahıl üretimi sırasında.
• Aydınlatma amaçlı teknolojilerde.
• Belli başlı merkezlerin enerjilerini karşılamakta.

Rüzgar Enerjisinin Artıları

• Temiz enerji üretilmesini sağlıyor.
• Potansiyelin çok yüksek olduğu bir enerji kaynağı.
• Doğal kaynaklar kullanılıyor.

Rüzgar Enerjisinin Eksileri

• Rüzgar türbinlerinin bakımı zor, maliyetli.
• İlk kurulum maliyeti yüksek.
• Her yere kurulması mümkün değil.
• Alan sıkıntısı nedeniyle her yere kurulamıyor ve bu da verim sorunu oluşturuyor.
• Yüksek gürültüye neden olmakta.
• Türbinlerin kullanım ömürleri var.

Rüzgar Enerjisinden Su Üretimi

Hep rüzgar enerjisinden elektrik üretimi üzerine odaklandık. Fakat rüzgar türbinlerinden bu derece derinlemesine söz ettikten sonra, önemli bir projeden daha bahsetmek istedik. Son dönemde rüzgar türbinlerinden su üretimi üzerine de çalışmalar yapılıyor.

Rüzgar türbinlerinin havadaki nemi yakalamak üzerine özelleştirildiği sistemde, 5 katmanlı ultraviyole filtrelerin kullanıldığını görüyoruz. İlk olarak Fransız bir şirket tarafından denenen sistem, günde 1500 litre temiz su üretilmesini sağlıyor. Biraz yüksek maliyetli olsa da kaliteli su üretilmesini sağlayan teknolojinin giderek yaygınlaşması söz konusu. Öyle ki bu alanda da ciddi yatırımlar yapılmaya başlandı.

Rüzgar enerjisi ve rüzgar türbinleri konusunda merak edilenleri aktarmaya çalıştık. Yazımızda da yer yer belirttiğimiz gibi, potansiyeli yüksek ancak bazı etkenler nedeniyle tam anlamıyla verim alınamayan bir enerjiden söz ediyoruz. Muhtemelen teknolojik gelişmeler bu alana da etki edecek ve çok daha kullanışlı sistemler sunulacak. Türbinlerin de bu yönde değişmesi ve çok daha modern bir hale gelmesi söz konusu olabilir. Böyle baktığımız zaman rüzgar enerjisi, geleceğin vazgeçilmez yenilenebilir enerji kaynakları arasında yer alabilir.