Rüzgâr türbini

Denizüstü rüzgâr çiftliği, (Kuzey Denizi, Belçika)
Yenilenebilir enerji

Rüzgâr türbini, rüzgârdaki kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir.[1][2] Rüzgar türbinleri, aralıklı yenilenebilir enerjinin giderek daha önemli bir kaynağı haline gelmekte ve birçok ülkede enerji maliyetlerini düşürmek ve fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmak için kullanılmaktadır. Bir çalışma, 2009 yılı itibarıyla rüzgarın fotovoltaik, hidro, jeotermal, kömür ve gaz enerji kaynaklarına kıyasla "en düşük göreceli sera gazı emisyonlarına, en az su tüketimi talebine ve en olumlu sosyal etkilere" sahip olduğunu öne sürmüştür.[3]

Rüzgâr türbini genellikle kule, kanatlar, rotor, dişli kutusu, generatör (alternatör), elektrik-elektronik elemanlardan oluşur. Rüzgârın kinetik enerjisi rotorda dönme kinetik enerjisine çevrilir. Rotor milinin dönüş hareketi hızlandırılarak gövdedeki alternatöre aktarılır. Alternatörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.[4]

Rüzgâr türbinlerinin nasıl çalıştığını anlamak için iki önemli aerodinamik kuvvet iyi bilinmelidir. Bunlar sürükleme ve kaldırma kuvvetleridir.

Sürükleme kuvveti, cisim üzerinde akış yönünde oluşan bir kuvvettir. Örneğin düz bir plaka üzerinde oluşabilecek maksimum sürükleme kuvveti hava akışının cisim üzerine 90o dik geldiği durumda iken; minimum sürükleme kuvveti ise hava akışı cismin yüzeyine paralel iken oluşur.

Kaldırma kuvveti ise, akış yönüne dik olarak oluşan kuvvettir. Uçakların yerden havalanmasına da bu kuvvet sebep olduğu için kaldırma kuvveti denilir.

Sürükleme kuvvetine en iyi örnek olarak paraşüt verilebilir. Bu kuvvet sayesinde paraşütün hızı kesilmektedir. Sürükleme kuvvetinin etkilerini en aza indirebilmek için yapılmış özel cisimlere akış hatlı cisimler denir. Bunlara örnek olarak balık ve zeplin verilebilir.

Düz bir plaka üzerine etkiyen kaldırma kuvveti, hava akışı plaka yüzeyine 0o açı ile geldiğinde görülür. Havanın akış yönüne göre oluşan küçük açılarda akış şiddetinin artmasıyla alçak basınçlı bölgeler oluşur. Bu bölgelere akış altı da denir. Dolayısıyla, hava akış hızı ile basınç arasında bir ilişki meydana gelmiş olur. Yani hava akışı hızlandıkça basınç düşer, hava akışı yavaşladıkça basınç artar. Bu olaya Bernoulli etkisi denir. Kaldırma kuvveti de cismin üzerinde emme veya çekme oluşturur.

Tarihçe

Sistan, İran'daki Nashtifan rüzgar türbinleri.

İskenderiyeli Heron'un (10 M.S. – 70 CE) rüzgar çarkı, tarihte bir makineye rüzgar gücü sağlayan ilk kayıtlı örneklerdendi.[5][6] Ancak, bilinen ilk pratik rüzgar enerjisi santralleri, 7. yüzyıldan itibaren Pers (şimdiki İran)'ın doğu eyaleti Sistan'da inşa edildi. Bu "Panemone yel değirmeni", dikdörtgen kanatlı uzun dikey tahrik milli ve dikey eksenli yel değirmenleriydi.[7]

Kamıştan hasır veya kumaş malzemeyle kaplı altı ila on iki yelkenden yapılmış bu yel değirmenleri tahıl öğütmek veya su çekmek için değirmencilikte ve şeker kamışı sanayiinde kullanıldı.[8]

Charles F. Brush'ın 20 yıl boyunca evinde 350 akkor lambaya, 2 ark lambasına ve bir dizi motora 12kW güç sağlayan 60 ayak, 80.000 poundluk türbini. Bugün elektrik üretimi için otomatik olarak çalışan ilk rüzgar türbini olduğuna inanılan bu türbin 1887 - 1888 kışında evinin arka bahçesinde inşa edilmiştir. Rotoru 17 metre çapındaydı. Rotorun solundaki büyük dikdörtgen şekil, kanatları rüzgâra doğru hareket ettirmek için kullanılan pervanedir. Dinamo, kanatların her dönüşü için 50 kez dönüyor ve her biri 34 hücreli bir düzine pili şarj ediyordu. Ölçek için, sağ görüntü bölmesinde rotorun arkasındaki platformda duran adamlara dikkat edin.
Charles F. Brush tarafından 1888'de yapılan tesisler

Rüzgar enerjisi ilk olarak Avrupa'da Orta Çağ'da ortaya çıktı. İngiltere'de kullanımlarına ilişkin ilk tarihsel kayıtlar 11. veya 12. yüzyıllara aittir. Alman haçlıların yel değirmeni yapma becerilerini 1190 civarında Suriye'ye götürdüğüne dair raporlar vardır.[9] 14. yüzyılda Hollanda yel değirmenleri Ren delta alanındaki suyu boşaltmak için kullanılıyordu.

Gelişmiş rüzgar türbinleri, Hırvat mucit Fausto Veranzio tarafından tanımlandı. Veranzio, Machinae Novae (1595) adlı kitabında kavisli veya V şeklinde kanatlı Dikey eksenli rüzgar türbinleri konusunu işledi.

1891'de fotoğraflanan James Blyth'in elektrik üreten rüzgar türbini

İlk elektrik üreten rüzgar türbini, İskoç akademisyen James Blyth tarafından Temmuz 1887'de Marykirk, İskoçya'daki tatil evini aydınlatmak için kurulan batarya şarjlı makineydi.[10] Birkaç ay sonra Amerikalı mucit Charles F. Brush, yerel üniversite profesörlerine ve meslektaşları Jacob S. Gibbs ve Brinsley Coleberd'e danıştıktan sonra otomatik olarak çalışan ilk rüzgar türbinini inşa etmeyi başardı ve elektrik üretimi için proje planlarını başarılı bir şekilde hakem denetiminden geçirdi. Blyth'in türbini Birleşik Krallık'ta ekonomik görülmese de, rüzgar türbinleriyle elektrik üretimi, nüfusun geniş bir alana dağıldığı ülkelerde daha uygun maliyetli olmuştur.[9][10]

Kunda, Estonya'da bir rüzgâr türbini videosu

Danimarka'da 1900 yılına kadar pompa ve değirmen gibi mekanik yükler için yaklaşık 2500 yel değirmeni vardı ve tahmini olarak yaklaşık 30 megawatt (MW) birleşik azami güç üretiyordu. En büyük makineler, dört kanatlı 23 metre çapında pervanelere sahip 24 metrelik kuleler üzerindeydi. 1908 yılına gelindiğinde, Amerika Birleşik Devletleri'nde 5 kilowatt (kW) ile 25 kW arasında güç üreten 72 rüzgar enerjili elektrik jeneratörü faaliyet göstermekteydi.

Birinci Dünya Savaşı sırasında Amerikalı yel değirmeni üreticileri, çoğu su pompalamak için olmak üzere her yıl 100.000 çiftlik yel değirmeni üretiyordu.[11]

1930'lara gelindiğinde, elektrik için rüzgar jeneratörleri, çoğunlukla dağıtım sistemlerinin henüz kurulmadığı Amerika Birleşik Devletleri'nde çiftliklerde yaygındı.

Modern yatay eksenli rüzgar jeneratörlerinin öncüsü 1931 yılında SSCB'nin Yalta kentinde hizmete girmiştir.[12]

1941 sonbaharında, ilk megawatt sınıfı rüzgar türbini Vermont'taki bir elektrik şebekesine senkronize edildi. Smith-Putnam rüzgar türbini kritik bir arıza yaşamadan önce sadece 1.100 saat çalıştı. Ünite, savaş sırasında yaşanan malzeme sıkıntısı nedeniyle onarılamadı.[13][14]

Bu çeşitli gelişmelere rağmen, fosil yakıt sistemlerindeki gelişmeler mikro boyuttan daha büyük rüzgar türbini sistemlerini neredeyse ortadan kaldırmıştır. Rüzgar enerjisi kullanımının rönesansı, kısmen çevre ve enerji tartışmalarının ve iki petrol krizinin bir sonucu olarak 1970'lerde başlamıştır. 1970'ler ve 1980'lerde çok sayıda farklı tasarım test edilmiş ve sonuçta yatay eksenli türbinler kabul görmüştür.[15] Bazı ülkelerde (Almanya ve ABD gibi), başlangıçta iki kanatlı GROWIAN gibi iddialı büyük ölçekli endüstriyel projelere odaklanıldı; ancak bunların önemli teknik sorunları vardı ve başarısız oldukları kanıtlandı.[16] Danimarka'daki nükleer karşıtı protestolar, mekanik ustalarını 22 kW'lık mikro türbinler geliştirmeye teşvik etti. Mal sahiplerinin dernek ve kooperatifler halinde örgütlenmesi, hükûmet ve kamu hizmetlerinin lobi yapmasına yol açtı ve 1980'ler ve sonrasında daha büyük türbinler için teşvikler sağladı. Almanya'daki yerel aktivistler, İspanya'daki yeni türbin üreticileri ve 1990'ların başında Amerika Birleşik Devletleri'ndeki büyük yatırımcılar daha sonra bu ülkelerde sektörü canlandıran politikalar için lobi faaliyetlerinde bulunmuşlardır.

Rüzgar gücü yoğunluğu

Ana madde: Rüzgâr gücü

Rüzgâr Enerjisi Yoğunluğu (WPD), herhangi bir yerde mevcut olan rüzgar enerjisinin niceliksel bir ölçüsüdür. Bir türbinin taranan alanının metrekaresi başına elde edilen ortalama yıllık güçtür ve yerden farklı yükseklikler için hesaplanır. Rüzgâr gücü yoğunluğunun hesaplanması, rüzgar hızı ve hava yoğunluğunun etkisini içerir.[17]

Rüzgar türbinleri, A'dan C'ye rüzgarın türbülans yoğunluğuna atıfta bulunularak, tasarlandıkları rüzgar hızına göre sınıf I'den sınıf III'e kadar sınıflandırılır.[18]

Sınıf Ortalama Rüzgar Hızı (m/s) Türbülans
IA 10 16%
IB 10 14%
IC 10 12%
IIA 8.5 16%
IIB 8.5 14%
IIC 8.5 12%
IIIA 7.5 16%
IIIB 7.5 14%
IIIC 7.5 12%

Verimlilik

Kütle korunumu, bir türbine giren ve çıkan hava kütlesinin eşit olması gerektiğini ifade eder. Benzer şekilde, enerji korunumu, gelen rüzgardan türbine verilen enerjinin, giden rüzgardaki enerji ile elektrik enerjisine dönüştürülen enerjinin birleşimine eşit olmasını belirtir. Giden rüzgar hala bir miktar kinetik enerjiye sahip olacağından, elektrik enerjisine dönüştürülebilecek maksimum bir giriş enerjisi oranı olmalıdır.[19] Buna göre, Betz yasası, bir rüzgar türbini tarafından elde edilebilecek maksimum rüzgar gücü çıkarımını, Betz katsayısı olarak bilinen, havanın kinetik enerjisinin türbine ulaşma hızının 16⁄27'si (%59,3) olarak verir.[20][21]

Bir rüzgar makinesinin maksimum teorik güç çıkışı, havanın kinetik enerjisinin makinenin etkin disk alanına ulaşma hızının 16⁄27 katıdır. Diskin etkin alanı A ve rüzgar hızı v ise, maksimum teorik güç çıkışı P şu şekildedir:

,

burada ρ havanın yoğunluğu'dur.

Rüzgar enerjisinin nihai fiyatını etkileyen faktörler arasında rüzgar-rotor verimliliği (rotor kanat sürtünmesi ve sürüklenmesi dahil) de yer alır.[22]

Şanzıman, jeneratör ve konvertör kayıpları gibi diğer verimsizlikler, rüzgar türbini tarafından verilen gücü azaltır. Bileşenleri aşırı aşınmadan korumak için, teorik güç rüzgar hızının küpü kadar arttıkça, alınan güç nominal çalışma hızının üzerinde sabit tutulur ve bu ise teorik verimliliği daha da azaltır. 2001'de, ticari kamu hizmetine bağlı türbinler, nominal çalışma hızında rüzgardan alınabilen gücün Betz sınırının %75 ila %80'ini sağladı.[23][24]

Verimlilik zamanla biraz azalabilir, bunun başlıca nedenlerinden biri kanatlardaki toz ve böcek leşleridir, bu da aerodinamik profili değiştirir ve esasen kanat profilinin kaldırma-sürükleme oranını azaltır. Danimarka'da 10 yıldan eski 3128 rüzgar türbininin analizi, türbinlerin yarısında azalma olmadığını, diğer yarısında ise yılda %1,2 üretim azalması olduğunu göstermiştir.[25]

Genel olarak daha istikrarlı ve sabit hava koşulları (özellikle rüzgar hızı) istikrarsız hava koşullarında bir rüzgar türbinininkinden ortalama %15 daha fazla verimlilikle sonuçlanır, böylece istikrarlı koşullar altında rüzgar hızında %7'ye kadar artışa izin verir. Bunun nedeni, daha yüksek atmosferik istikrar koşullarında oluşan daha hızlı toparlanma rüzgarının çıkması ve daha büyük akış sürüklenmesidir. Ancak, rüzgar türbini rüzgar çıkışlarının istikrarlı bir ortamın aksine istikrarsız atmosfer koşullarında daha hızlı toparlandığı bulunmuştur.[26]

Farklı malzemelerin rüzgar türbinlerinin verimliliği üzerinde farklı etkileri vardır. Ege Üniversitesi'nde yapılan bir deneyde, her biri bir metre çapında üç kanatlı üç rüzgar türbini, Cam ve cam/karbon epoksi, cam/karbon ve cam/polyester olmak üzere farklı malzemelerden yapılmış kanatlarla inşa edildi. Test edildiğinde, sonuçlar daha çok toplam kütleli malzemelerin daha büyük bir sürtünme momentine ve dolayısıyla daha az güç katsayısına sahip olduğunu gösterdi.[27]

Hava hızı, türbin verimliliğine en büyük katkıyı sağlayan etkendir. Doğru yeri seçmenin önemi de buradan gelir. Kara ile okyanus arasındaki sıcaklık farkı nedeniyle kıyıya yakın yerlerde rüzgar hızı fazla olur. Bir diğer seçenek de türbinleri dağ sırtlarına yerleştirmektir. Rüzgar türbini ne kadar yüksek olursa, ortalama rüzgar hızı da o kadar fazladır. Rüzgâr kırıcı aynı zamanda türbinin yakınındaki rüzgâr hızını da artırabilir.[28]

Türler

Üç ana tür: çalışırken göründükleri haliyle VAWT Savonius, HAWT kuleli; VAWT Darrieus

Rüzgar türbinleri yatay veya dikey eksen etrafında dönebilir; ilki hem daha eski hem de daha yaygındır.[29] Ayrıca kanat içerebilir veya kanatsız olabilirler.[30] Ev boyutunda dikey tasarımlar daha az güç üretir ve daha az yaygındır.[31]

Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çok çeşitlilik gösterse de genelde dönme eksenine göre sınıflandırılır. Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre "Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri" (YERT) ve "Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri” (DERT) olmak üzere iki sınıfa ayrılır. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, (Kısaca NREL) Rüzgar türbinlerinin 100 kW güce eşit veya daha küçük güçte olanlarını küçük rüzgar türbini olarak sınıflandırır.[32]

Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (YERT)

YERT-Modern rüzgâr türbini
Yerden 60 m yukarıda 12 tonluk dişli kutusu ve disk fren takımının yerine montajı
Enercon E-101'in yeniden güç verme sürecinde rotor kanat montajı, (Hesse, Almanya)
Rüzgâr tarlası, (Teksas), (2004)

Bu tip türbinlerde dönme ekseni rüzgâr yönüne paraleldir. Kanatları ise rüzgâr yönüyle dik açı yaparlar. Ticari türbinler genellikle yatay eksenlidir. Rotor, rüzgârı en iyi alacak şekilde, döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir.

Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerin yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgârı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgâr gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgâra bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır.

Yatay eksenli türbinlere örnek olarak pervane tipi rüzgâr türbinleri verilebilir. Bu tip türbinlerin kanatları tek parça olabileceği gibi iki ve daha fazla parçadan da oluşabilir. Günümüzde en çok kullanılan tip üç kanatlı olanlardır. Bu türbinler elektrik üretmek için kullanılır. Geçmişte çok kanatlı türbinler tahıl öğütmek, su pompalamak ve ağaç kesmek için kullanılmıştır.

Dikey eksenli rüzgâr türbinleri (DERT)

DERT-Eliptik Darrieus rüzgâr türbini

Dikey eksenli rüzgar türbinlerinde, rotor mili dikeydir. Bu düzenlemenin avantajı türbinin verimli olabilmesi için rüzgara doğru yönlendirilmesine gerek olmamasıdır,[33] bu ise rüzgar yönünün oldukça değişken olduğu yerde avantajdır. Ayrıca türbinin bir binaya yerleştirilmesi de avantajdır çünkü doğası gereği az yönlendirilebilir. Ayrıca, jeneratör ve dişli kutusu, rotor tertibatından zemin tabanlı dişli kutusuna doğrudan bir tahrik kullanılarak zemine yakın bir yere yerleştirilebilir ki bu da bakımda türbine erişilebilirliği artırır. Ancak, bu tasarımlar zaman içinde ortalama olarak çok daha az enerji üretir ve bu ise bir dezavantajdır.[31][34]

Dikey türbin tasarımları standart yatay tasarımlara göre daha az verimlidir.[35] Başlıca dezavantajları, nispeten az dönüş hızı, buna bağlı olarak daha yüksek tork ve dolayısıyla tahrik sisteminin daha yüksek maliyeti, doğası gereği daha az güç katsayısı, her çevrimde rüzgar akışında kanat profilinin 360 derece dönmesi ve dolayısıyla kanata çok dinamik yükleme olması, tahrik sistemindeki bazı rotor tasarımlarının ürettiği titreşimli tork ve rüzgar akışını doğru şekilde modellemenin zorluğu ve dolayısıyla bir prototip üretmeden önce rotoru analiz etme ve tasarlama gibi zorluklardır.[36]

Türbin çatıya yerleştirildiğinde, bina rüzgarı çatı üzerinden yönlendirir ve bu, türbindeki rüzgar hızını iki katına çıkarabilir. Çatıya yerleştirilen türbin kulesinin yüksekliği bina yüksekliğinin yaklaşık %50'si ise, maksimum rüzgar enerjisi ve minimum rüzgar türbülansı için optimum seviyeye yakındır. Yapılı çevredeki rüzgar hızları genellikle açık kırsal alanlara göre az olsa da,[37][38] gürültüsü endişelendirebilir ve mevcut yapı ek strese yeterince direnemeyebilir.

Türbin mili dikeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius veDarrieus tipi gibi çeşitleri vardır. Bu türbinlerin üstünlükleri şunlardır:

  • Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için türbinin kuleye yerleştirilmesi gerekmez yani kule masrafı olmaz.
  • Türbini rüzgâr yönüne çevirmeye, dolayısıyla dümen sistemine ihtiyaç yoktur.
  • Türbin mili hariç diğer parçaların bakımı ve onarımı kolaydır.
  • Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır.

Dikey eksen tasarımının türleri şunlardır:

Darrieus tipi

Ana madde: Darrieus Rüzgâr Türbini

"Yumurta çırpıcı" türbinler veya Darrieus türbinleri, adını Fransız mucit Georges Darrieus'tan almıştır.[39] Verimlilikleri iyidir ancak kule üzerinde büyük tork dalgalanması ve döngüsel gerilim üretir, bu ise güvenilirliğin azalmasına neden olur. Başlangıç torku çok az olduğundan, genellikle dönmeyi başlatmak için harici güç kaynağına veya ek Savonius rotoruna ihtiyaç duyarlar. Üç veya daha fazla kanat kullanılarak tork dalgalanması azaltılır, bu ise rotorun daha sağlam olmasını sağlar. Sağlamlık, pala alanının rotor alanına bölünmesiyle ölçülür.

Darrieus tipi rüzgâr türbini, Fransız havacılık mühendisi Georges Jean Marie Darrieus tarafından 1931'de patentlenmiştir. Rüzgârın taşıdığı enerjiden elektrik üretmek için kullanılan "dikey eksenli rüzgâr bir türbini"dir (DERT). Türbin dikey bir mile takılmış birkaç adet kıvrımlı aerofoil kanattan oluşur.

DERT-Darrieus Giromill-(H) tipi rüzgâr türbini[40]

Giromill

Darrieus türbininin kavislisi yerine düz kanatlı tipidir. Sikloturbin çeşidi, tork dalgalanmalarını azaltmak için değişken adımlıdır ve kendi kendine dönmeye başlar.[41]

Değişken adımın avantajları, yüksek başlangıç torku; geniş, nispeten düz tork eğrisi; daha büyük performans katsayısı; türbülanslı rüzgarlarda daha verimli çalışma ve kanadın bükülme gerilimini azaltan daha az kanat hız oranıdır.

Düz, V veya kavisli kanatlar kullanılabilir.[42]

Savonius tipi

Ana madde: Savonius rüzgâr türbini
Dikey eksenli Bükülü Savonius tip türbin.

Bunlar, anemometrelerde, Flettner havalandırma deliklerinde (genellikle otobüs ve kamyonet üzerlerinde görülür) ve bazı yüksek güvenilirlikli, az verimli güç türbinlerinde kullanılan iki (veya daha çok) kepçeli sürükleme tipi cihazlardır. En az üç kepçesi varsa her zaman kendi kendine dönmeye başlar.[43]

Bükülü Savonius, düzgün tork sağlamak için uzun sarmal kepçeli, değiştirilmiş bir savonius'tur. Bu genellikle çatı üstü rüzgar türbini olarak kullanılır ve hatta gemilere bile uyarlanmıştır.[44]

Savonius rüzgâr türbinleri, Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri sınıfına girer, rüzgâr enerjisini dönen bir şafta moment olarak aktarmada kullanılır. İki ya da üç adet aerofoil, kepçeye benzer kesitin birleşimi şeklindedir. En yaygını iki adet kepçenin bulunduğu durumdur ve “S” şeklini andıran görüntüsü vardır.

Uçan rüzgâr türbini

Ana madde: Uçan rüzgâr türbini

Havadaki rüzgar türbinleri, yere bağlı kanatlardan veya küçük bir uçaktan oluşur.[45] Geleneksel türbinlerin çalışabileceği daha hızlı rüzgarlara ulaşmak için kullanışlıdırlar. Doğu Afrika'da kullanımda olan prototipler vardır.[46]

Yüzen rüzgar türbini

Ana madde: Yüzen rüzgâr türbini

Bunlar yüzer bir platform tarafından desteklenen açık deniz rüzgar türbinleridir.[47] Yüzdürmelerini sağlayarak daha derin suya kurulabilirler ve daha fazlasına izin verirler. Bu aynı zamanda karadan daha uzakta olmalarına ve dolayısıyla görsel çekicilik konusunda halkın daha az endişe duymasına imkan tanır.[48]

Alışılmadık türler

  • Ters yönde dönen rüzgar türbini
    Ters yönde dönen rüzgar türbini
  • Açık deniz tipi Dikey Eksenli Rüzgar Türbini
    Açık deniz tipi Dikey Eksenli Rüzgar Türbini
  • Işık direği rüzgar türbini
    Işık direği rüzgar türbini

Tasarım ve yapım

Ana madde: Rüzgâr türbini tasarımı
Yatay eksenli rüzgar türbininin bileşenleri
Tendon kablolarını gösteren bir rüzgar türbini kulesinin iç görünümü

,

Rüzgar türbini tasarımı, maliyet, enerji çıkışı ve yorulma ömrünün dikkatli bir dengesidir.

Bileşenler

Rüzgar türbinleri, dağıtım için rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Geleneksel yatay eksenli türbinler üç bileşene ayrılabilir:

  • Rüzgâr türbini maliyetinin yaklaşık %20'sini oluşturan rotor, rüzgâr enerjisini az hızlı dönme enerjisine dönüştüren kanatları içerir.[49]
  • Rüzgar türbini maliyetinin yaklaşık %34'ünü oluşturan jeneratör, elektrik jeneratörünü,[50][51] kumanda elektroniğini ve büyük olasılıkla bir dişli kutusunu (örneğin planet dişli kutusu),[52] ayarlanabilir hızlı tahriki veya az hızlı gelen dönmeyi elektrik üretmeye uygun yüksek hızlı dönmeye dönüştüren sürekli değişken şanzımanı [53] içerir.
  • Rüzgar türbini maliyetinin yaklaşık %15'ini oluşturan çevre yapısı kule ve rotor sapma mekanizmasını da içermektedir.[49]
Bir rüzgar türbinin makine yuvası (ing: nacelle)

Amerika Birleşik Devletleri'nde sık görülen 1,5 (MW)'lık rüzgar türbin türünün kulesi 80 metre (260 ft) yüksekliğindedir. Rotor tertibatı (kanatlar ve göbek) yaklaşık 80 metre (260 ft) çapındadır.[54] Jeneratörü barındıran makine yuvası (ing: nacelle) 1.524 metre (5.000 ft) ve yaklaşık 300 ton ağırlığındadır.[55]

Türbin izleme ve teşhis

Veri iletimindeki sorunlar nedeniyle, rüzgar türbinlerinin yapısal sağlık izlemesi genellikle dişli kutusu ve ekipmanları izlemek için nacelle'e bağlanan çok sayıda ivmeölçer ve gerinim ölçer kullanılarak yapılır. Günümüzde, rüzgar türbini kanatlarının dinamiklerini ölçmek için dijital görüntü korelasyonu ve stereofotogrametri kullanılmaktadır. Bu yöntemler genellikle kusurların yerini belirlemek için yer değiştirmeyi ve gerilmeyi ölçer. Dönmeyen rüzgar türbinlerinin dinamik özellikleri dijital görüntü korelasyonu ve fotogrametri kullanılarak ölçülür.[56] Üç boyutlu nokta takibi, rüzgar türbinlerinin dönen dinamiklerini ölçmek için de kullanılmaktadır.[57]

Küçük rüzgâr türbinleri

Ana madde: Küçük rüzgâr türbini
İngiltere, Bristol'de küçük bir Quietrevolution QR5 Gorlov tipi dikey eksenli rüzgar türbini. Çapı 3 m ve yüksekliği 5 m olan türbinin şebekeye verdiği isim levhası değeri 6,5 kW'dır.

Küçük rüzgar türbinleri, şebekeye bağlı veya şebekeden bağımsız konutlar, telekom kuleleri, açık deniz platformları, kırsal okullar ve klinikler, uzaktan izleme ve elektrik şebekesi olmayan veya şebekenin dengesiz olduğu yerlerde enerji gerektiren diğer amaçlar dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için kullanılabilir. Küçük rüzgar türbinleri, tekne veya karavan kullanımı için elli watt'lık bir jeneratör kadar küçük olabilir. Hibrit güneş ve rüzgar enerjili üniteler, özellikle kırsal bölgelerde, en yakın şebeke bağlantı noktasından uzun kablolar döşeme ihtiyacını ortadan kaldırdıkları için trafik tabelaları için giderek daha fazla kullanılmaktadır.[58] ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL), küçük rüzgar türbinlerini 100 kilovat veya daha küçük olanlar olarak tanımlar.[32] Küçük üniteler genellikle doğrudan tahrikli jeneratörlere, doğru akım çıkışına, aeroelastik kanatlara ve ömür boyu yataklara sahiptir ve rüzgara doğru yönelmek için bir kanat kullanır.[59]

Rüzgâr gücünün hesaplanması

Rüzgâr gücü muhtemel rüzgâr enerjisi ölçümüdür. Rüzgâr gücü, rüzgâr hızının küpünün bir fonksiyonudur. Eğer rüzgâr hızı iki katına çıkarsa rüzgârdaki enerji sekiz kat artar. Yani rüzgâr hızındaki küçük değişiklikler rüzgâr enerjisinde büyük değişikliklere neden olur.

Örneğin, 12.6 m/s hızındaki bir rüzgâr ile alınacak enerji miktarı, 10 m/s hızındaki rüzgârdan alınacak enerjinin 2 katıdır. (10 = 1000, 12.63 = 2000).

Yer seçimi veya ölçüm hataları ile yapılabilecek küçük rüzgâr hız hataları rüzgâr türbin yatırımında büyük hatalara neden olabilir. Bu nedenle, rüzgâr türbini satın almadan önce, doğru rüzgâr çalışması yapılmalıdır. Ekonomik olarak uygulanabilir olması için rüzgâr türbini konulacak yerde yıllık ortalama en az 5.4 m/s (12 mph) rüzgâr hızı olmalıdır.

Rüzgârdaki Güç Miktarı

W = 0.5 r A v3 eşitliği ile verilir.

W: güç/enerji,

r: havanın yoğunluğu,

A: kanat alanı v: rüzgârın hızı

Hava yoğunluğu yükseklikle, sıcaklıkla ve hava cepheleri ile değişir. Rüzgâr gücü hesaplamalarında hava cephelerinin etkisi önemsenmeyecek kadar azdır, böylece hava yoğunluk formülü şöyledir:

P = 1.325 P/T T: Fahrenheit + 459.69 olarak sıcaklık P: Yüksekliğe göre düzeltilmiş Civa basıncı (inç olarak)

Tipik ortalama hava sıcaklığı (59 °F) deniz seviyesine indirgenerek hava yoğunluğu için standart bir değer kullanılabilir. Bu durumda güç eşitliği basit olarak aşağıdaki hale gelir:

Basitleştirilmiş Güç Eşitliği

Metrik Birimler

W = 0,625 A v3 W: Güç (Watt) V: Rüzgâr hızı (m/s) A: Rüzgâr türbin kanatları tarafından süpürülen alan (m2)

A = Π r2 r: Rotor yarıçapı (m)

Basitleştirilmiş güç eşitlik denklemi, rüzgâr türbininden elde edilecek gücün amprik olarak hesaplanabilmesi için türetilmiştir. Bu denklemden anlaşılabileceği gibi bir sistemden elde edilecek enerji, rüzgâr hızının küpü ile doğru orantılıdır. Ayrıca elde edilecek güç, rüzgâr türbin kanatlarının süpürdüğü alan dolayısıyla rotor yarıçapının karesi ile orantılıdır.[60]

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ "Arşivlenmiş kopya". 13 Eylül 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Eylül 2016. 
  2. ^ "Wind turbine | technology | Britannica". www.britannica.com (İngilizce). 4 Temmuz 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Nisan 2023. 
  3. ^ Evans, Annette; Strezov, Vladimir; Evans, Tim J. (1 Haziran 2009). "Assessment of sustainability indicators for renewable energy technologies". Renewable and Sustainable Energy Reviews (İngilizce). 13 (5): 1082-1088. doi:10.1016/j.rser.2008.03.008. ISSN 1364-0321. 
  4. ^ "Arşivlenmiş kopya". 27 Eylül 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Eylül 2016. 
  5. ^ Drachmann, A.G. (1961). "Heron's Windmill". Centaurus. 7: 145-151. 
  6. ^ Lohrmann, Dietrich (1995). "Von der östlichen zur westlichen Windmühle". Archiv für Kulturgeschichte (Almanca). Bohlau Verlag. 77 (1): 1-32. doi:10.7788/akg.1995.77.1.1. ISSN 0003-9233. 
  7. ^ Ahmad Y. al-Hassan; Donald R. Hill (1992). Islamic Technology: An Illustrated History. Cambridge University Press. s. 54. ISBN 978-0-521-42239-0. 
  8. ^ Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, May 1991, pp. 64–69. (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering 25 Aralık 2007 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
  9. ^ a b Morthorst, Poul Erik; Redlinger, Robert Y.; Andersen, Per (2002). Wind energy in the 21st century: economics, policy, technology and the changing electricity industry. Houndmills, Basingstoke, Hampshire: Palgrave/UNEP. ISBN 978-0-333-79248-3. 
  10. ^ a b "Blyth, James (1839–1906), electrical engineer and university teacher". Oxford Dictionary of National Biography (İngilizce). doi:10.1093/ref:odnb/100957. Erişim tarihi: 27 Nisan 2023. 
  11. ^ "Quirky old-style contraptions make water from wind on the mesas of West Texas". mysa.com. 3 Şubat 2008. 10 Mayıs 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Nisan 2023. 
  12. ^ Wyatt, Alan (1986). Electric power : challenges and choices. Internet Archive. Toronto : Book Press. ISBN 978-0-920650-01-1. 
  13. ^ "Blyth, James (1839–1906), electrical engineer and university teacher". Oxford Dictionary of National Biography (İngilizce). doi:10.1093/ref:odnb/100957. Erişim tarihi: 27 Nisan 2023. 
  14. ^ "Costa Head experimental wind turbine". orkneywind.co.uk. 19 Aralık 2010. 12 Aralık 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 27 Nisan 2023. 
  15. ^ Ellabban, Omar; Abu-Rub, Haitham; Blaabjerg, Frede (1 Kasım 2014). "Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology". Renewable and Sustainable Energy Reviews (İngilizce). 39: 748-764. doi:10.1016/j.rser.2014.07.113. ISSN 1364-0321. 
  16. ^ Heymann, Matthias (1995). Die Geschichte der Windenergienutzung: 1890 - 1990 (Almanca). Campus Verlag. ISBN 978-3-593-35278-7. 
  17. ^ "NREL: Dynamic Maps, GIS Data, and Analysis Tools – Wind Maps". Nrel.gov. 3 Eylül 2013. 1 Aralık 2010 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Kasım 2013. 
  18. ^ Appendix II IEC Classification of Wind Turbines. Wind Resource Assessment and Micro-siting, Science and Engineering. 2015. ss. 269-270. doi:10.1002/9781118900116.app2. ISBN 978-1-1189-0011-6. 
  19. ^ Kalmikov, Alexander (2017). Wind Power Fundamentals. Academic Press. ss. 17-24. ISBN 978-0-12-809451-8. 
  20. ^ "The Physics of Wind Turbines Kira Grogg Carleton College, 2005, p. 8" (PDF). 9 Eylül 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 6 Kasım 2013. 
  21. ^ Betz, A. (2013) [20 Eylül 1920]. "The Maximum of the Theoretically Possible Exploitation of Wind by Means of a Wind Motor". Wind Engineering (İngilizce). 37 (4). ss. 441-446. doi:10.1260/0309-524X.37.4.441. ISSN 0309-524X. 
  22. ^ "Wind Energy Basics". Bureau of Land Management. 9 Mayıs 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Nisan 2016. 
  23. ^ "Enercon E-family, 330 kW to 7.5 MW, Wind Turbine Specification" (PDF). 16 Mayıs 2011 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. 
  24. ^ Burton, Tony; Sharpe; Jenkins; Bossanyi (12 Aralık 2001). Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons. s. 65. ISBN 978-0-471-48997-9. 
  25. ^ Wittrup, Sanne (1 Kasım 2013). "11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang" [11 years of wind data shows surprising production decrease]. Ingeniøren (Danca). 25 Ekim 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  26. ^ Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). "Atmospheric stability and topography effects on wind turbine performance and wake properties in complex terrain". Renewable Energy. Cilt 126. Elsevier BV. ss. 640-651. doi:10.1016/j.renene.2018.03.048. ISSN 0960-1481. 
  27. ^ Ozdamar, G. (2018). "Numerical Comparison of the Effect of Blade Material on Wind Turbine Efficiency". Acta Physica Polonica A. 134 (1). ss. 156-158. Bibcode:2018AcPPA.134..156O. doi:10.12693/APhysPolA.134.156. 
  28. ^ Garisto, Dan (30 Temmuz 2021). "Windbreaks May Improve Wind Farm Power". Physics (İngilizce). Cilt 14. s. 112. 7 Temmuz 2024 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 4 Haziran 2024. 
  29. ^ "Wind Energy Basics". American Wind Energy Association. 23 Eylül 2010 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Eylül 2009. 
  30. ^ Stinson, Elizabeth (15 Mayıs 2015). "The Future of Wind Turbines? No Blades". Wired. 
  31. ^ a b Paul Gipe (7 Mayıs 2014). "News & Articles on Household-Size (Small) Wind Turbines". Wind-works.org. 28 Ağustos 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 29 Eylül 2016. 
  32. ^ a b Small Wind 15 Kasım 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory website
  33. ^ "Vertical Axis Wind Turbine - an overview | ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com. 29 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2023. 
  34. ^ Michael Barnard (7 Nisan 2014). "Vertical Axis Wind Turbines: Great In 1890, Also-rans In 2014". CleanTechnica. 
  35. ^ Hau, E., Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Germany. 2006
  36. ^ Michael C Brower; Nicholas M Robinson; Erik Hale (Mayıs 2010). "Wind Flow Modeling Uncertainty" (PDF). AWS Truepower. Archived from the original on 2 Mayıs 2013. 
  37. ^ Piggott, Hugh (6 Ocak 2007). "Windspeed in the city – reality versus the DTI database". Scoraigwind.com. Erişim tarihi: 6 Kasım 2013. 
  38. ^ "Urban Wind Turbines" (PDF). 30 Mayıs 2009 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. 
  39. ^ Möllerström, Erik; Gipe, Paul; Beurskens, Jos; Ottermo, Fredric (1 Mayıs 2019). "A historical review of vertical axis wind turbines rated 100 kW and above". Renewable and Sustainable Energy Reviews (İngilizce). Cilt 105. ss. 1-13. doi:10.1016/j.rser.2018.12.022. ISSN 1364-0321. 
  40. ^ Giromill-Darrieus Rüzgâr Türbinleri http://www.reuk.co.uk/Giromill-Darrieus-Wind-Turbines.htm 2 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  41. ^ Eric Eggleston; AWEA Staff. "What Are Vertical-Axis Wind Turbines (VAWTs)?". American Wind Energy Association. 3 Nisan 2005 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  42. ^ Marloff, Richard H. (1 Ocak 1978). "Stresses in turbine-blade tenons subjected to bending". Experimental Mechanics (İngilizce). 18 (1). ss. 19-24. doi:10.1007/BF02326553. ISSN 1741-2765. 
  43. ^ "Savonius Wind Turbine - an overview | ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2023. 
  44. ^ Rob Varnon (2 Aralık 2010). "Derecktor converting boat into hybrid passenger ferry". Connecticut Post. Erişim tarihi: 25 Nisan 2012. [ölü/kırık bağlantı]
  45. ^ Cherubini, Antonello; Papini, Andrea; Vertechy, Rocco; Fontana, Marco (1 Kasım 2015). "Airborne Wind Energy Systems: A review of the technologies". Renewable and Sustainable Energy Reviews (İngilizce). Cilt 51. ss. 1461-1476. doi:10.1016/j.rser.2015.07.053. hdl:11382/503316. ISSN 1364-0321. 
  46. ^ "After a Shaky Start, Airborne Wind Energy Is Slowly Taking Off". Yale E360 (İngilizce). 23 Şubat 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Haziran 2023. 
  47. ^ "So, What Exactly Is Floating Offshore Wind?". www.greentechmedia.com. 15 Ağustos 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Haziran 2023. 
  48. ^ "The US has just started building floating wind turbines – how do they work?". World Economic Forum (İngilizce). 16 Aralık 2022. 18 Aralık 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Haziran 2023. 
  49. ^ a b ""Wind Turbine Design Cost and Scaling Model", Technical Report NREL/TP-500-40566, December, 2006, page 35, 36" (PDF). National Renewable Energy Laboratory. 25 Kasım 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 6 Kasım 2013. 
  50. ^ Navid Goudarzi (Haziran 2013). "A Review on the Development of the Wind Turbine Generators across the World". International Journal of Dynamics and Control. 1 (2). ss. 192-202. doi:10.1007/s40435-013-0016-y. 
  51. ^ Navid Goudarzi; Weidong Zhu (Kasım 2012). "A Review of the Development of Wind Turbine Generators Across the World". ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Cilt 4 – Paper No: IMECE2012-88615. ss. 1257-1265. 
  52. ^ "Hansen W4 series". Hansentransmissions.com. 15 Mart 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Kasım 2013. 
  53. ^ Gardner, John; Haro, Nathaniel; Haynes, Todd (Ekim 2011). "Active Drivetrain Control to Improve Energy Capture of Wind Turbines" (PDF). Boise State University. 7 Mart 2012 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 28 Şubat 2012. 
  54. ^ Bauer, Lucas. "GE General Electric GE 1.5s - 1,50 MW - Wind turbine". en.wind-turbine-models.com (İngilizce). 19 Eylül 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2023. 
  55. ^ "Nacelles | How are they manufactured?". Windpower Engineering & Development (İngilizce). 28 Şubat 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Mayıs 2023. 
  56. ^ Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher; Avitabile, Peter (2015). "Full-field dynamic strain prediction on a wind turbine using displacements of optical targets measured by stereophotogrammetry". Mechanical Systems and Signal Processing. Cilt 62–63. ss. 284-295. Bibcode:2015MSSP...62..284B. doi:10.1016/j.ymssp.2015.03.021. 
  57. ^ Lundstrom, Troy; Baqersad, Javad; Niezrecki, Christopher; Avitabile, Peter (4 Kasım 2012). "Using High-Speed Stereophotogrammetry Techniques to Extract Shape Information from Wind Turbine/Rotor Operating Data". Allemang, R.; De Clerck, J.; Niezrecki, C.; Blough, J.R. (Ed.). Topics in Modal Analysis II, Volume 6. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. Springer New York. ss. 269-275. doi:10.1007/978-1-4614-2419-2_26. ISBN 978-1-4614-2418-5. 
  58. ^ Anon. "Solar & Wind Powered Sign Lighting". Energy Development Cooperative Ltd. 12 Kasım 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Ekim 2013. 
  59. ^ Castellano, Robert (2012). Alternative Energy Technologies: Opportunities and Markets (İngilizce). Archives contemporaines. ISBN 978-2-8130-0076-7. 15 Eylül 2024 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Eylül 2024. 
  60. ^ Windkraftanlagen: Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. Berlin/ Heidelberg 2008, pp. 621. (Almanca). (İngilizce versiyonu: Erich Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics, Springer 2005)

Dış bağlantılar