30 Bin Üyemize Katılın
E-Bülten yayınlarımız için abone olun.
Reklamı kapat

Rüzgar Türbini Nedir? Rüzgar Türbini Çeşitleri Nelerdir?

Rüzgar Türbini Nedir? Rüzgar Türbini Bileşenleri Nelerdir?

Rüzgar türbini, rüzgardaki kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemdir. Bir rüzgar türbini genel olarak kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrikelektronik elemanlar ve pervaneden oluşur.

Rüzgar Türbini
Şekil 1: Rüzgar Türbini Parçaları

Pervane Kanatları: Çoğu rüzgartürbini 2 veya 3 adet pervane kanadına sahiptir. Kanatların üzerinden esen rüzgar, kanatları kaldırıp dönmelerini sağlar. Modern bir 600 kW’lık rüzgâr türbininde her pervane kanadının uzunluğu 20 metre kadardır ve bir uçak kanadı gibi tasarlanır.

Tower (Kule): Pervane ve motor bölümünü yerden güvenli bir yükseklikte çalışmasını sağlar. Kule, rüzgar türbinlerinde nacelle ve rotoru taşır. Kuleler genellikle tüp şeklinde çelik, kafes yapılı veya betonarme olarak inşa edilir. Halat destekli direk tipi kuleler genellikle küçük türbin uygulamalarında kullanılır.

Tüp şeklindeki kule şekli en çok tercih edilen kule şeklidir. En temel avantajları maliyetlerinin düşük olmasıdır. Benzer boyutlarda bir tüp kulenin hemen hemen yarısı kadar malzeme ve yapım maliyeti vardır. Birçok küçük türbin halat destekli direk tipi kule kullanılarak inşa edilir. En büyük avantajı ağırlığının çok az ve maliyetlerinin çok düşük olmasıdır. Dezavantajları ise araziye kurulum zorluğu ve tarım alanlarının kullanımını engellemesidir.

Rüzgar Türbinleri
Şekil 2: Rüzgar Türbini Ekipmanları Yerleşimi

Fren sistemi: Rüzgar türbinlerinin güvenli bir şekilde çalışması için etkili bir fren sistemi gereklidir. Rüzgar türbinlerinde bağımsız iki sistem vardır; Pitch-Stall kontrol ve Mekanik fren sistemi. Her ikisi de hız limitinin aşıldığı durumlarda şebeke bağlantısının kopması ve diğer acil durumlarda türbinleri güvenli konuma getirme özelliğine sahiptir.

Rüzgar Enerjisi Hakkında Detaylı Bilgi Almak İçin enerjiportali.com/ruzgar-enerjisi-nedir/ Bağlantısını Ziyaret Edebilirsiniz.

Jeneratör Sistemi: Rüzgar türbini jeneratörleri indüksiyon prensibine göre mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevirirler. Rüzgar türbini jeneratörleri diğer tip jeneratörlere göre biraz daha farklıdır. Bunun sebeplerinden biri, jeneratörün salınımlı güç üreten rüzgar türbini rotoruyla birlikte çalışmasıdır.

Rüzgar türbinlerinde “Doğru Akım Jeneratörleri, Senkron Jeneratörler ve Asenkron Jeneratörler” olmak üzere üç farklı jeneratör kullanılmaktadır.

Rüzgar Ölçer (Anemometre): Rüzgar hızını ölçerek kontrol ünitesine iletilmesini sağlar.

Yüksek Hız Mili (Şaft): Rüzgar türbinin jeneratörü sürer.

Düşük Hız Mili: Rotor tarafından dakikada 30-60 dönüş yapacak şekilde düşük hızların oluşturulmasını sağlar.

Sapma Sürücüsü (Yaw Drive): Rüzgara karsı çalışan ruzgar türbinleri rüzgarın geliş yönüne donuk olarak çalışmak zorundadır. Sapma sürücüsü rüzgarın yönünde olan değişiklere göre rotorun sürekli olarak rüzgara donuk olmasını sağlar.

Sapma Motoru (Yaw Engine): Sapma sürücüsüne güç sağlar.

Makine Bölümü (Nacelle): Makine bölümü rüzgar türbin kulesinin tepesinde durur ve içerisinde vites kutusunu, düşük ve yüksek hız millerini, jeneratörü, kontrol ünitesini ve freni bulundurur. Bazı türbinlerinin makine bölümleri helikopter inebilecek kadar geniş yapılmaktadır.

Rüzgar Türbinleri
Şekil 3: Yatay ve Dikey Eksenli Rüzgar Türbinlerinin Bileşenlerinin Yerleşimi

Vites Kutusu (Dişli Kutusu, Gear Box): Vitesler düşük hız milini, yüksek hız miline bağlayarak dönüş hızını 30-60 rpm devir/dakika’dan 1000-1800 devir/dakika’ya (elektrik üretmek için gerekli olan dönüş hızına) çıkartırlar. Vites kutusu, ağır ve pahalı bir ekipmandır. Bu sebeple, günümüzde vites kutusuna gerek kalmadan doğrudan sürüş ile düşük hızlarda elektrik enerjisi üretebilen jeneratör teknolojileri üzerine araştırmalar yapılmaktadır.

Rotor: Rüzgar türbinlerinde, pervane kanatları ve göbek arasında kalan kısma rotor denilmektedir.

Yelkovan: Rüzgarın yönünü ölçer ve bu bilgiyi sapma sürücüsüne iletir. Böylece rüzgar türbininin rüzgara doğru dönmesi sağlanmış olur.

Kontrol Ünitesi: Kontrol ünitesi rüzgarın hızındaki değişikliklere ve türbinin devreye girme (cut in) ve devreden çıkma (cut out) değerlerine göre sistemi durdurur veya harekete geçirir. Modern rüzgar türbinlerinin cut-in hızları 2-4 m/s, nominal hızları 10-15 m/s ve cut out hızları ise 25-35 m/s arasındadır.

Rüzgar Enerjisi İle İlgili Haberler İçin enerjiportali.com/category/ruzgar-enerjisi/ Bağlantısını Ziyaret Edebilirsiniz.

Rüzgar Türbini Çeşitleri Nelerdir?

Rüzgâr türbinleri dönme eksenlerine, devirlerine, güçlerine, kanat sayılarına, rüzgâr etkisine, dişli özelliklerine ve kurulum konumlarına göre sınıflandırılırlar.

Rüzgar Türbini Çeşitleri
Şekil 4: Rüzgar Türbinlerinin Sınıflandırılması

Dönme Eksenlerine Göre Rüzgar Türbini Çeşitleri: Rüzgâr türbinleri dönme eksenine göre üç gruba ayrılırlar; yatay eksenli rüzgâr türbinleri, dikey eksenli rüzgâr türbinleri, eğik eksenli rüzgâr türbinleridir.

Yatay Eksenli Rüzgar Türbini
Şekil 5: Yatay Eksenli Rüzgar Türbini Şeması
  • Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri: Bu türbinlerde; dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel, kanatlar rüzgâr yönüne diktir. Ticari türbinlerin çoğu yatay eksenlidir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri rüzgarı önden  en iyi alacak şekilde döner bir tabla üzerine yerleştirilir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %45’dir. YERT genel olarak yerden 20-30m yüksekte ve çevredeki engellerden 10m yüksekte olacak şekilde yerleştirilmelidir. Rüzgâr hızının, rotor kanadı uç hızına bölünmesi ile elde edilen orana kanat uç hız oranı (λ) denir. Eğer; λ= 1–5 Çok kanatlı rotor, λ= 6–8 Üç kanatlı rotor,  λ= 9–15 İki kanatlı rotor,  λ>15 Tek kanatlı rotor kullanılır.
Denizüstü (Offshore) RES
Şekil 6: Yatay Eksenli Rüzgar Türbinlerinden Oluşan RES
  • Düşey (Dikey) Eksenli Rüzgar Türbinleri: Türbin mili düşeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Ticari kullanımdan ziyade deneyler için üretilmektedir. Yere yerleştirilebildikleri için kule ihtiyacı ve maliyeti ortadan kalkmaktadır. Sistem istenilen rüzgâr yönüne çevrilebildiği için dümen sistemine gerek kalmıyor. Bu türbinlerin verimleri yatay eksenli rüzgar türbinlere göre düşüktür. Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için kule kullanmak gerekmez, böylece kule masrafı olmaz. Tarım arazileri için olumsuz etkileri fazladır. Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır.
Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri
Şekil 7: Dikey Eksenli Rüzgar Enerjisi Türbinleri
  • Darrieus Rüzgar Türbinleri: Düz tip bir Darrieus rüzgâr türbini Darrieus tipi düşey eksenli rüzgâr türbininde, düşey şekilde yerleştirilmiş iki tane kanat vardır. Kanatlar, yaklaşık olarak türbin mili uzun eksenli olan bir elips oluşturacak biçimde yerleştirilmiştir. Kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluşur. Yapısı gereği Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinde, devir başına iki kere en yüksek tork elde edilir.
    • Savonius Rüzgar Türbinleri: İki ya da üç adet kepçeye benzer kesitin birleşimi şeklindedir. En yaygını iki adet kepçenin bulunduğu durumdur ve “S” şeklini andıran bir görüntüsü vardır. Savonius türbininde akışkan içbükey kanat üzerinde türbülanslı bir yol izler ve burada dönel akışlar meydana gelir. Bu dönel akışlar Savonius türbininin performansını düşürür, bu nedenle elektrik üretiminde pek fazla kullanılmazlar. Daha çok su pompalama amaçlı ve rüzgâr ölçümlerinde kullanılan anemometre olarak kullanılırlar.
  • Eğik Eksenli Rüzgar Türbinleri: Dönme eksenleri düşeyle rüzgâr yönünde bir açı yapan rüzgâr türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.

Kanat Sayılarına Göre Rüzgar Türbini Çeşitleri: Kanat sayılarına göre rüzgâr türbinleri tek kanatlı, iki kanatlı, üç kanatlı ve çok kanatlı olmak üzere dört çeşide ayrılır.

  • Tek Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Tek kanatlı rüzgâr türbinlerinin kullanımının temel amacı, pervanelere etkiyen yüksek rotasyonel hızın düşürülmesidir. Diğer yandan, tek kanatlı rüzgâr türbini aerodinamik olarak dengesizdir ve bu durumda ek hareketler ile istenmeyen bazı yüklere sebep olur. Bu mekanizmayı kontrol etmek için, göbek kısmına ek yapılar yapmayı gerektirir. Diğer dezavantajlarından birisi de yüksek aerodinamik gürültü seviyesidir. Üç hız oranı, 120 m/s civarındaki üç kanatlı pervanelerle kıyaslandığında, üç hızı 2 kat daha yüksektir. Dolayısı ile üç kanatlı rüzgâr türbinlerinden daha gürültülüdür.
  • Çift Kanatlı Rüzgar Türbinleri: 10m’den 100 m’ye kadar değişen farklı pervane çaplarında Avrupa ve Amerika’da kullanılmıştır. İki kanatlı rüzgâr türbini, üç kanatlı rüzgâr türbininden daha ekonomik gibi görünmesine rağmen, iki kanatlı rüzgâr türbinleri dinamik etkilerden dolayı bir takım ek ekipmanlar gerektirdiğinden, üç kanatlı rüzgâr ile aynı maliyete gelmektedir. Üç kanatlı rüzgâr türbinden farklı olarak dönmeden meydana gelen ve kulenin yatay eksenine göre olan bir atalet momentine sahiptir. Bu durum rüzgâr türbini üzerinde ek bir yüklenme meydana getirir ve sadece sallanan göbek ile giderilebilir. Sallanan göbek kullanılmasının nedeni, dönen pervane üzerinde büyük atalet moment değişimlerinin etkilerini önlemektedir. Ayrıca düşük şiddetteki rüzgâr hızlarında (örneğin 3 m/s) pervane devreye girememektedir.
  • Üç Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Modern rüzgâr türbinlerinde en çok kullanılan model üç kanatlı olandır. Bunun temel nedeni, pervanenin tüm hızlarda sabit atalet momentine sahip olmasıdır. Üç veya daha fazla kanada sahip olan tüm pervaneler bu avantaja sahiptir. Ayrıca, üç kanatlı pervane bu avantajından dolayı rüzgâr türbinleri üzerinde ek bir yük getirmemektedir.
  • Çok Kanatlı Rüzgar Türbinleri: Çok Kanatlı rüzgâr türbinleri (rüzgârgülleri), rüzgâr türbinlerinin gelişmemiş ilk örnekleridir. Yıllarca sadece su pompalamasında kullanılan bu türbinler, bu işlemdeki moment gereksiniminin karşılanabilmesi amacıyla, çok kanatlı olarak üretilmiştir. Çok kanatlı rüzgâr türbinleri düşük hızda çalışırlar. Türbin kanatlarının genişlikleri, pervane göbeğinden uçlara gidildikçe artım gösterir. Pervane mili, dişli kutusuna bağlanarak, jeneratör mili devir sayısı artırılır ve otomobillerde uygulama alanı bulan jeneratörler kullanılır. Rüzgârgülleri, rüzgârgülü pervane düzleminin rüzgâr hız vektörünü her zaman dik olarak alabilmesi için de rüzgârgülü yönlendiricisi taşımaktadırlar.
Rüzgar Enerjisi
Rüzgar Türbini

Rüzgar Türbini
Rüzgar Türbini

Rüzgarın Geliş Yönüne Göre Rüzgar Türbini Çeşitleri: Rüzgârın geliş yönüne göre rüzgâr türbinleri, rüzgârı önden alan ve rüzgârı arkadan alan türbinler olarak ikiye ayrılır.

  • Rüzgarı Önden Alan Rüzgar Türbinleri: Yatay eksenli türbinlerde rotor yüzü rüzgâra yönlenmiş ise önden rüzgârlı türbinler adını alırlar. Bu türbinlerin en önemli üstünlüğü kulenin yapacağı gölgeleme etkisine maruz kalmamasıdır. Yıllardır yaygın olarak bu makineler kullanılmıştır. Öte yandan yine de kulenin önünde, az da olsa, bir rüzgâr gölgelemesi vardır. Yani rüzgâr kuleye eğilerek gelir. Kule yuvarlak ve düz olsa bile, kanatın kule hizasından her geçişinde türbinin ürettiği güç biraz azalır. İşte bu nedenle rüzgâr çekilmesinden dolayı kanatların çok sert yapılması ve kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca önden rüzgârlı makineler, rotoru rüzgâra karşı döndürmek için yaw mekanizması ile donatılmışlardır.
  • Rüzgarı Önden Arkadan Rüzgar Türbinleri: Arkadan rüzgârlı türbinlerin rotorları kule arkasındadır. Bunların önemli üstünlüğü yaw mekanizmasına gerek olmayışıdır. Eğer nacelle ve rotor uygun tasarlanırsa nacelle rüzgârı pasif olarak izler. Bu rüzgâr türbinlerinde bu kesin bir üstünlük değildir. Rotor pasif olarak belirli bir periyotta her yöne dönebildiği için, bu tip türbinlerin üreteçlerinden inen kabloların dolanabilmesi söz konusudur. İşte “yaw” bu sorunu ortadan kaldırır. Daha önemli üstünlük kanatların esnek özelliğe sahip yapılmasıdır. Bu hem ağırlık hem de makinenin güç dinamiği açısından önemli bir üstünlük sağlar. Böylece kule yükü azalmış olur. Arkadan rüzgârlı türbinlerin temel üstünlüğü böylece önden rüzgârlı türbinlere göre daha hafif yapılması şeklinde ortaya çıkar. Ancak, kanat kule hizasından geçerken meydana gelen güç dalgalanması, türbine önden rüzgârlı makinelerden daha çok zarar verebilir.

Maksimum Güçlerine Göre Rüzgar Türbini Çeşitleri: Güçlerine göre rüzgar türbinleri dörde ayrılır.

  • Küçük Güçlü Rüzgar Türbinleri: Üretebileceği maksimum gücü 30 kW’tan az olan türbinlerdir.
  • Orta Güçlü Rüzgar Türbinleri: Üretebileceği maksimum gücü 30-100 kW arasında olan türbinlerdir.
  • Büyük Güçlü Rüzgar Türbinleri: Üretebileceği maksimum gücü 100-1000 kW arasında olan türbinlerdir.
  • Çok Büyük Güçlü Rüzgar Türbinleri: Üretebileceği maksimum gücü 1 MW ve üstünde olan türbinlerdir.

Dişli Kutusu Bulundurup Bulundurmamasına Göre Rüzgar Türbini Çeşitleri: Tipik rüzgâr enerjisi sistemi; bir rüzgâr türbini, bağlantı ekipmanı (dişli kutusu), jeneratör ve kontrol sistemi içermek durumundadır. Rüzgâr türbin üniteleri sürücü sistemleri bakımından; dişli kutusu kullanılan ve dişli kutusu kullanılmayan türbin jeneratör sistemleri olarak iki sınıfa ayrılabilir.

Rüzgar Türbini
Şekil 8: Rüzgar Türbininde Dişli Kutusunun Yerleşimi
  • Dişli Kutusu Bulunduran Rüzgar Türbinleri: Jeneratörleri az kutuplu, yüksek devirlidir. Bu yüzden pervanenin devir sayısıyla jeneratör devir sayısını uygunlaştırmak için 1/50, 1/70 gibi oranlarda dişli kullanılır. Bunlar; Sabit hızlı – sincap kafesli indüksiyon jeneratörü ve Değişken hızlı – çift beslemeli indüksiyon jeneratörü.
  • Dişli Kutusu Bulundurmayan Rüzgar Türbinleri: Jeneratörler çok kutuplu, düşük devirli olduğu için dişli sisteme gerek yoktur. Bunlar; Direkt sürümlü elektriksel uyartımlı senkron jeneratör ve Direkt sürümlü sürekli mıknatıslı senkron jeneratör olarak iki farklı şekilde uygulanmaktadır.

Bunlar dışında rüzgar türbinleri devir bakımından yüksek ve düşük devirli olarak, kurulduğu yer bakımından da kara üstü ve deniz üstü olarak sınıflandırılmaktadır. Sınıflandırmada en çok kullanılan ise kara üstü (onshore) ve deniz üstü (offshore)  sınıflandırma biçimidir.

Rüzgar Enerjisi Santrali (RES) Maliyetleri:

  • Rüzgar Türbinin Fiyatları: Rüzgar türbinin fiyatları jeneratör gücü ile doğru orantılıdır. Jeneratör gücünün değişimi ile e rotor çapı ve kule yüksekliği de değişmektedir. Tek türbin veya az sayıda türbinlerden oluşan rüzgar santrallerin maliyeti, çok sayıda türbinden oluşan santrallere göre daha fazladır.
    Ortalama bir rüzgar türbinin kullanım süresi 25 yıla kadar çıkmaktadır. 25 yıldan sonra verim büyük oranda düştüğünden kullanımı uygun olmamaktadır.
  • Rüzgar Türbinin Kurulum Maliyetleri: Kurulum maliyetlerinin temel bileşenleri, betonarme temel (kuleyi yerleştirmek için), yol yapımı (ağır ve büyük parçalardan oluşan türbini taşımak için), transformatör(gerilim seviyesini değiştirmek için), iletişim bağlantıları (türbini uzaktan kontrol etmek ve durumunu takip etmek için), kablo maliyetleri (türbinden transformatöre ve transformatörden iletim hattına) şeklinde sıralanır.  Bir rüzgar tarlası oluşturup bir çok türbini kurmak, tek bir türbin kurmaya göre daha ucuza mal olur.
  • İşletme ve Bakım Masrafları: Modern rüzgar türbinleri 20 yıllık ömür ve 120000 saat işletme süresi esasına göre tasarlanırlar. Türbinin gerçek ömrü, türbinin kalitesine ve bölgenin hava şartlarına bağlıdır.

Lisanslı Rüzgar Enerjisi Santrallerinden ve Lisanssız Rüzgar Enerjisi Santrallerinden Elektrik Üretimi Teşviği:

Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nın Aralık 2010 tarihinde çıkardığı Yenilenebilir Enerji Kanunu’yla birlikte üreticiler rüzgar enerjisi alanında 1 MW kapasiteye kadar olan rüzgar türbini ile elektrik enerjisi üretimini lisans almadan yapabilirler ve hatta kullanmadıkları fazla enerjiyi şebekelere satabilirler. Bu kanun ile Türkiye enerji tasarrufu yapmayı ve dış ülkelere bağımlılığımızı azaltıp çevreye de pozitif katkı yapmayı amaçlanmaktadır. 

RES
Şekil 9: Rüzgar Enerjisi Çiftliği (Rüzgar Enerjisi Tarlası)

Rüzgar gulu kW miktarı ne kadar yüksek olursa kilowatt başına elektrik üretim masrafı daha az olur. Mesela 500 kW rüzgar türbini fiyatı 2 tane 250 kW rüzgar türbini fiyatından genelde daha ucuzdur. 1 MW rüzgar türbini de 2 adet 500 kW rüzgar türbininden daha ucuzdur. Fakat rüzgar hızı bu türbin kapasitelerini kaldırabilmelidir.

Rüzgar türbininin verimli elektrik üretebilmesi için düşük rüzgar hızlarında da çalışabilmelidir. 250 kW rüzgar türbini daha düşük hızlarda çalışabildiği için üretim verimliliği açısından daha avantajlıdır. Rüzgar enerjisi üretimi için karar vermeden önce düşünülen arazinin detaylı raporu alınıp ortalama en az 5 m/s rüzgar hızı olduğuna emin olunmalıdır.

Rüzgar kapasitesi bakımından lisanssız kategoride Türkiye’de en uygun türbin 250 kW rüzgar türbini veya 500 kW rüzgar türbinidir. 1 MW rüzgar türbini kaldıracak bölgeler nispeten daha azdır. Her arazinin şartları farklı olduğu için iyi bir ön analiz yapılıp en doğru yol haritası çizilmelidir.

Devlete satmış olduğunuz 1 kW elektrik için 7,3 cent ödeme yapılmaktadır. Bu kullanmış olduğunuz yerli ürünler teşviğiyle birlikte 9,3 cente kadar çıkabilmektedir. Garantili elektrik alım teşviği 10 sene için geçerlidir.

Eğer yabancı bir türbin markası yurt içinde üretim yaparsa yerli statüsünde değerlendirilebilir, yetkili kurumlardan bunu kanıtlayan belgeyi alması gerekir.

Daha Fazla Benzer Teknik Makaleler İncelemek İçin enerjiportali.com/teknik-terimler Bağlantısını Ziyaret Edebilirsiniz.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir