Günümüzde, sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu kaynaklardan biri de rüzgardır. Rüzgâr enerjisi, doğal ve yenilenebilir bir kaynak olup, dünya genelinde elektrik üretiminde önemli bir rol oynamaktadır. Rüzgâr türbinleri ise ihtiyaç olan elektriği üretmede bir numaralı araçlardır.

Rüzgâr Enerjisinin Tarihçesi

M.Ö. 3000 gibi bir tarihte, Mısır'da insanlar rüzgâr enerjisini ilk kez yelkenli tekneler şeklinde kullanmışlardır. Yelkenler, bir tekneyi suya çekmek için rüzgardaki enerjiyi kullanıyordu. Tahıl öğütmek için kullanılan en eski yel değirmenleri, M.Ö. 2000'de eski Babil'de veya M.Ö. 200'de antik İran'da ortaya çıkmıştır ancak tam olarak nerede ortaya çıktığı değişmektedir. Bu ilk cihazlar, rüzgarla dönen bir şafta tutturulmuş, dibinde bir değirmen taşı olan, dikey olarak monte edilmiş bir veya daha fazla ahşap kirişten oluşuyordu.

Tahıl öğütmek için rüzgâr enerjisinin kullanılması kavramı Orta Doğu'da hızla yayılmış ve Avrupa'da ilk yel değirmeni ortaya çıkmadan çok önce yaygın olarak kullanılmıştır. Rüzgâr enerjisi teknolojisinin ve uygulamalarının modern gelişimi, tahmini 600.000 yel değirmeninin kırsal alanlara elektrik ve su pompalama hizmetleri sağladığı 1930'larda oldukça ilerleme kaydetmiştir. Geniş ölçekli elektrik dağıtımı, çiftliklere ve taşra kasabalarına yayıldıktan sonra, ABD'de rüzgâr enerjisi kullanımı azalmaya başlamış ancak 1970'lerin başındaki ABD petrol kıtlığından sonra tekrar toparlanmıştır.

Rüzgâr Türbinleri Nedir ve Nasıl Çalışır?

Rüzgâr türbinleri olarak da bilinen rüzgâr jeneratörleri rüzgârı elektriğe dönüştürür. Rüzgâr türbini, metal bir direğe monte edilen ve bir elektrik jeneratörüne bağlanan birkaç metal kanattan oluşur. Rüzgâr, jeneratöre bağlı dişli milini döndüren kanatları döndürerek jeneratördeki tel bobininin manyetik bir çekirdek etrafında hareket etmesine neden olur. Bu, ışıklar gibi tüm elektriksel ihtiyaçlarımız için kullanılabilecek bir elektrik akımı üretir. Rüzgâr türbinleri, kumsallar, yüksek dağ zirveleri ve geniş açık dağ vadileri gibi kuvvetli rüzgarların olduğu bölgelere yerleştirilir. Yakıt tüketmez ve dolayısıyla küresel ısınmaya neden olan sera gazlarını yaymadığı için çevre dostudur.

Rüzgâr Türbini Çeşitleri Nelerdir?

Bir rüzgâr türbini genel olarak kule, jeneratör, hız dönüştürücüleri (dişli kutusu), elektrik elektronik elemanlar ve pervaneden oluşur. Rüzgârın kinetik enerjisi rotorda mekanik enerjiye çevrilir. Rotor milinin devir hareketi hızlandırılarak gövdedeki jeneratöre aktarılır. Jeneratörden elde edilen elektrik enerjisi aküler vasıtasıyla depolanarak veya doğrudan alıcılara ulaştırılır.

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

Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri (YERT): Yatay eksenli türbinlerde dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel, kanatlar ise rüzgâr yönüne diktir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %45’tir. YERT genel olarak yerden 20-30m yüksekte ve çevredeki engellerden 10m yüksekte olacak şekilde yerleştirilir.

Düşey Eksenli Rüzgâr Türbinleri (DERT): Düşük eksenli türbin yatayda olduğu gibi bir pervane görünümüne sahip değildir çünkü mili düşey yapıya sahiptir. Ticari kullanımdan ziyade deneyler için üretilmektedir. Yere yerleştirilebildikleri için kule ihtiyacı ve maliyeti ortadan kalkmakta, sistem istenilen rüzgâr yönüne çevrilebildiği için dümen sistemine gerek kalmamakta ve verimlerinin düşük olduğu da bilinmektedir.

Eğik Eksenli Rüzgâr Türbinleri: Dönme eksenleri düşeyle rüzgâr yönünde bir açı yapan rüzgâr türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.

Tek Kanatlı Rüzgâr Türbinleri: Tek kanatlı rüzgâr türbinlerinin kullanımının temel amacı, pervaneleri etkileyen 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 Rüzgâr Türbinleri: Yıllar öncesine kadar iki kanatlı rüzgâr türbinleri yaygın bir şekilde kullanılmaktaydı. 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 pervane devreye girememektedir.

Üç Kanatlı Rüzgâr 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 Rüzgâr Türbinleri: Çok Kanatlı rüzgâr türbinleri yani 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 artış 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.

Rüzgârı Önden Alan Türbinler: Yatay eksenli türbinlerde rotor yüzü rüzgâra yönlenmiş ise önden rüzgârlı türbinler adını alırlar. Bu türbinlerin en önemli üstünlüğü kulenin yapacağı gölgeleme etkisine maruz kalmamasıdır. Yıllar boyu 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 daha azalır. İşte bu nedenle rüzgâr çekilmesinden dolayı kanatların çok sert yapılması ve kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekir.

Rüzgârı Arkadan Alan Türbinler: Arkadan rüzgârlı türbinlerin rotorları kule arkasındadır. Bunların önemli üstünlüğü yaw mekanizmasına gerek olmayışıdır. Eğer türbin kasası ve rotor uygun tasarlanırsa türbin kasası 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 önemlisi ise 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.

Dişli Kutusu Kullanılan ve Kullanılmayan Rüzgâr Türbinleri: Dişli kutusu kullanılan rüzgâr türbinleri jeneratörleri az kutuplu, yüksek devirlidir. Bu yüzden pervanenin devir sayısıyla jeneratör devir sayısını uygunlaştırmak için 1/50, 1/70 gibi oranlarda dişli kullanılır. Dişli kutusuz kullanılan rüzgâr türbinlerinde jeneratörler çok kutuplu ve düşük devirli olduğu için dişli sisteme gerek yoktur.

Rüzgâr Enerjisinin Avantajları: Rüzgâr enerjisi, elektrik üretiminde kullanılan en temiz ve yenilenebilir kaynaklardan biridir. Bu enerji kaynağı, evlerde, işyerlerinde, sanayi tesislerinde ve tarım alanlarında elektrik ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir. Ayrıca, rüzgâr enerjisiyle üretilen elektrik, ulaşım sektöründe elektrikli araçların şarj edilmesinden yeşil bina uygulamalarına kadar çeşitli alanlarda kullanılabilir. Rüzgâr enerjisinin temiz, sınırsız, enerji bağımsızlığı sağlayıcı, düşük işletme maliyetlerine sahip ve ekonomik fırsatlar yaratan avantajları, bu kaynağın gelecekteki enerji ihtiyaçlarını karşılama potansiyelini vurgular.