Rüzgar Türbini Nedir? Nasıl Çalışır?

Rüzgar türbini nedir, nasıl çalışır sorularına hep birlikte cevap arayalım. Rüzgar enerjisi kavramına artık herkes aşina Türkiye’nin birçok bölgesinde hepimizin gördüğü yatay eksenli üç kanatlı rüzgar türbinleri ile elektrik üretiyoruz. Mühendislikle alakalı yada alakasız herkesin şüphesiz hayranlıkla izlediği bu türbin çeşidi ile rüzgar enerjisini nasıl elektrik enerjisine dönüştürüyoruz ve bunu yaparken sistem elemanları nasıl çalışıyor? Bu sorulara cevap vermek için yazımın ilk bölümünde türbinle nasıl elektrik üretildiğini ve en önemli türbin elemanlarından bahsedeceğim. İkinci yazımda ise RES (Rüzgar Enerji Santrali) kurulma aşamalarını ve projelendirmesini anlatacağım. Sizleri sıkmadan ve gereksiz ayrıntılara girmeden bu konuyu anlatmaya çalıştım.

Rüzgar Türbini Nedir?

Rüzgar türbinlerinin birçok çeşidi vardır. Belli parametrelere göre gruplandırılırlar. (kanat sayısı, motor devri, eksen, rüzgar yönü, güç vb.) Aşağıdaki resimde bu gruplandırmayı görmektesiniz.

Rüzgar türbinleri bu resimde gördüğünüz parametrelere göre sınıflandırılırlar. Ben size bu yazıda bunların en çok tercih edileni olan yatay eksenli 3 kanatlı rüzgarı önden alan dişli kutulu türbinin çalışmasını aktaracağım.

Yatay Eksenli Üç Kanatlı Rüzgar Türbini Çalışma Prensibi

Yatay eksenli 3 kanatlı türbinler aerodinamik olarak özel bir şekilde dizayn edilmiş kanatlarıyla rüzgarın hareket enerjisini belli bir orana kadar yakalayarak mekanik enerjiye dönüştürür. Bu oran ise %59 değerinde Betz limitidir. Yani gelen rüzgarın %59 mekanik enerjiye dönüşür. Pervanelerin dönmesiyle bunlara bağlı olan şaft (türbin rotoruna bağlı mil) ile elektrik motoru da döner ve elektrik üretilmiş olur. Ancak şaftın bu dönüşü verimli bir elektrik üretimi için yeterli değildir bunu sağlamak adına dişli kutusu kullanılır. Bu şekilde şaftın devri arttırılarak motorda istenen devir sağlanmış olur. (düşük devirli jeneratörler için 1500 rpm, yüksek devirliler için 3000 rpm değerine) Eğer jeneratör olarak yüksek kutup sayısına sahip doğrudan tahrikli model seçilirse dişli kutusuna ihtiyaç duyulmaz. Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji jeneratör aracılığı ile elektrik enerjisine dönüştürülür.

Şimdi gelin bu işlemleri gerçekleştiren elemanları tek tek tanıyalım.

Türbin Elemanları

Türbin Elemanları 3 temel parçadan meydana gelir. Bunlar;

• Kule
• Nasel
• Rotor ve Kanatlar

Kule

Kule rüzgar türbininin nasel ve pervanesinin taşındığı gövde kısmıdır. Rüzgar türbin kurulu gücüne ve yüksekliğine göre bazı değişimler göstermektedir. Bilindiği gibi kule boyu ne kadar yüksek olursa enerji üretimi de o oranda artmaktadır. Bunun nedeni, rüzgar hızının yükseklikle artmasıdır. Bu yüzden yatay eksenli rüzgar türbinleri dikey eksenli (Darrieus, Savonius vb.) rüzgar türbinlerine göre daha verimlidir. Rüzgar türbinleri için en uygun kule yüksekliği 100 m ve üstüdür. Bu yüksekliklerde rüzgar hızı istenen değerdedir aynı zamanda bina ağaç vb. etmenlerin rüzgar üzerine etkisi bu yükseklikte söz konusu değildir. Bilindiği gibi kuleler çoğunlukla tubular şekilde olmaktadır. Yani çap dipte büyük olup üst kısımlara doğru daralmasıdır.

Nasel

 Nasel rüzgar türbininin en önemli kısmıdır. Elektrik üretimini gerçekleştiren, türbin güvenliği ve bakımını sağlayan tüm birimler bu kısımdadır.

Nasel İç Yapısı 

Yukarıda belirtilen 16 elemanın her birinin türbin için ayrı bir önemi olsa da ben size bunların en önemlilerini anlatacağım.

Dişli Kutusu

RT’nin en önemli elemanlarından olan dişli kutusu, ana şaft ile jeneratör arasında yer almaktadır. Ana görevi, yavaş dönen pervane rotasyonel hızını dakikada 1000 ile 1500 rpm arasında dönmesi gereken jeneratör rotasyonel hızına çevirmektir. Bunu ise birbirlerine belli geometrilerde monte edilmiş dişli çarklarla sağlar.

Son yıllarda elektrik motor teknolojisinin gelişmesiyle dişli kutusuna ihtiyaç azalmıştır. Elektrik motorlarının kutup sayısının arttırılması yüksek devir ihtiyacını da ortadan kaldırmıştır. Artık her geçen gün dişli kutusuz türbinler yaygınlaşıyor.

Jeneratör

Elektrik enerjisini üretmek için kullanılan rüzgar türbinleri yüksek hızda çalışan makinalardır. Hızlı bir pervanenin başlatma torku çok küçük de olsa, jeneratörü kolaylıkla harekete geçirebilmektedir. Rüzgar, pervaneyi bir dişli kutusu üzerinden hareket ettirerek jeneratörü döndürür. Dişli kutusu teknolojisindeki yaşanan gelişmeler ve düşük hızlı elektrik jeneratörlerinin maliyetlerinin yüksek olması, küçük sistemler dışında pervanenin jeneratör tarafından doğrudan sürülmemesi eğilimine yol açmaktadır.

1,3 kW’lık Nordex Jeneratör

Genellikle aşağıdaki gibi üç tip jeneratör RT’lerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

• Doğru akım jeneratörü
• Senkron Jeneratör (Alternatör)
• Asenkron Jeneratör (indüksiyon jeneratör)

Dönen Yatak (Pitch Kontrol)

Bu sistem göbeğe bağlanmış kanatların bağlantı noktasında bulunan döner yatak sayesinde kanatları rüzgar yönüne göre döndürerek rüzgar yönü tespit edilir. Tespit edilen bu yöne göre de naselin dönmesi (Yaw kontrol) sağlanır. Pitch kontrol ile rüzgar türbinlerinin veriminin arttırılması sağlanmıştır.

Pitch Kontrol

Sapma Mekanizması (Yaw System)

Bu sistem ise kulenin naselle bağlandığı noktada bulunur ve pitch kontrol ile tespit edilen rüzgar yönüne göre naselin dolayısıyla tüm türbinin dönmesini sağlar. Böylelikle gün içerisindeki rüzgar değişimlerine sistem ayak uydurmuş olur ve verim artar.

Elektronik Kontrol Sistemi

Rüzgar türbinlerinin hepsinde kontrol ve performans izleme amacı için mikroişlemci bulunmaktadır. İlk ticari rüzgar türbinlerinde merkezi bir izleme sistemi bulunmaktaydı. Günümüzdeki RES’lerin içindeki her bir rüzgar türbininde de RES içerisinde bağımsız olarak performansı izlenebilir.

Genellikle aşağıdaki fonksiyonlar izlenir:

• Devreye giriş ve çıkış rüzgar hızları (işletme aralığı)
• Jeneratör çıkışının şebekeye verilmesi,
• Naselin oryantasyonu (rüzgar yönüne göre),
• Kanatların rüzgar yönüne göre hareketi,
• Rüzgar türbininin normal işletme ve acil durumda durdurulması.

Mikro işlemciler aşağıdaki fonksiyonların kayıtlarını da tutmaktadır:

• Rüzgar Türbininin durumu,
• Rüzgar hız ve yön verisi,
• Jeneratör çıkışı,
• Güç eğrisinin performansı (yani rüzgar hızına karşılık gelen üretimin gerçekleşip gerçekleşmediği).

Rotor Ve Kanatlar

Rotor, kanatlardan, kanat uçlarının bağlı olduğu göbekten ve göbeğe bağlı döner şafttan oluşur. Rotor kanatları, rüzgarı yakalar ve rüzgarın gücünü rotor göbeğine aktarır. Rotor bir göbek ile safta bağlanmıştır. Göbek, rüzgar türbinin düşük hız şaftına bağlıdır. Kanatlar ise rüzgarı yakalar ve onun gücünü kanatların bağlantı noktasına aktarır. Dönme hareketi ise uçakların kalkış hareketi ile hemen hemen aynıdır pervanenin aerodinamik yapısı nedeniyle belli bir hız ve debide rüzgar kanatın alt tarafında birikirse dönme hareketi başlar. Kanata etki eden sürükleme ve kaldırma kuvvetleri kanatları dolayısıyla rotoru da döndürür. Modern rüzgar türbinlerinin kanatlarının hemen hemen tamamı, cam elyafı ile güçlendirilmiş polyester veya epoksi gibi, cam elyafıyla plastikten üretilmektedirler.

Rotor ve Kanatlar

Rotor ve Kanatların Dönüş Hareketi

Sizlere bu yazıyla birlikte rüzgar enerjisiyle elektrik üretiminde en çok kullanılan bu türbin çeşidini anlatabildiğim kadar kısa bir şekilde anlattım rüzgar enerjisi konusu çok geniş kapsamlı bir konu her bir türbin elemanından ayrı bir tez yazılabilir. Bu yüzden sadece en önemlilerini sizlere aktardım. Umarım yazım faydalı olmuştur özellikle de bu konuya yeni merak sarmış arkadaşlar için. Bir sonraki rüzgar enerjisi yazımda sizlere RES’lerin kurulum aşamasını neye göre santrallerin planlanıp kurulduğundan bahsedeceğim.