1.3 Rüzgâr Değişimleri

1.3.1 Atmosferik Kararlılığın Rüzgâr Profiline Etkisi

Atmosferik kararlılık, atmosferin dikey hareketi engellemeye veya caydırmaya yönelik eğiliminin bir ölçüsüdür ve dikey hareket, farklı hava sistemleri ve şiddet dereceleri ile doğrudan ilişkilidir. Kararsız koşullarda, bir hava paketi gibi kaldırılmış bir şey, irtifada çevreleyen havadan daha sıcak olacaktır.

Daha sıcak olduğu için, daha az yoğun ve daha fazla yükselmeye eğilimlidir. Atmosferik kararlılık 3 kategoride incelenir; kararlı, kararsız ve nötr. Rüzgârın düşey dağılımı, rüzgâr enerjisi ve kanat üzerine etkiyen yük için (fatigue) yorgunluk önemlidir.

Bu üç profil içerisinde Rüzgâr türbini kanat ömrü için en uygun olan nötr atmosferdir. Çünkü rüzgâr kayması (windshear) bulunmamaktadır. Bununla beraber, enerji üretimi açısından kararsız atmosfer en uygundur çünkü büyük rüzgâr kaymaları meydana gelmektedir. Kararlı atmosfer yapısı ise gerek düşük rüzgâr kayması ve gerekse de kanat üzerine binen yük bakımından en istenmeyen atmosfer yapısıdır.

Şekil 1.17 Nötr Bir Atmosferde Rüzgâr Profili

1.3.2 Düşeyde Rüzgar Profilinin Değişimi

Rüzgarın yatayda değişimi düşeydeki değişime oranla daha azdır. Bu yüzden yataydaki değişim ihmal edilip, düşeydeki değişim hesaplanmalıdır. Atmosferin yeryüzü ile temas halinde olan tabakası “Atmosferik Sınır Tabaka” olarak adlandırılır.

Bu tabakanın yüksekliği atmosferik şartlara bağlı olarak değişir. Açık yaz günlerinde atmosferik sınır tabaka 2 km yükseklikte olabilirken, rüzgarsız gece şartlarında 100 metreye kadar inebilir. Sınır tabakanın derinliğinin %10`luk en aşağıda kalan kısmına ise “yüzey tabaka” denir. Düzgün ve hemen hemen homojen bir arazide, yüksek rüzgar şiddetlerinde rüzgar profilini belirlemek için logaritmik rüzgar kanunu kullanılır.

Bu bağıntıda; ( u(z) ortalama yer seviyesinden z kadar yukarıdaki rüzgar şiddeti, z₀ yüzey pürüzlülük uzunluğu, k Von Karman sabiti ( k = 0.38), u_* sürtünme hızıdır.

Ancak sıcaklık gradyanı mevcut olmadığı durumlarda yukarıdaki eşitlik düşeydeki değişimi hesaplamakta uygun değildir. Logaritmik rüzg.r kanunu yerine gü. kuralı olarak bilinen

formülü ile belirlenir. Burada: U₁, Z₁ yüksekliğindeki hız, U₂  ise Z₂ yüksekliğindeki hızdır. Denklemdeki ifadesi rüzg.rın değişimde rol oynayan termal kararlılığa bağlıdır. Nötr şartlarda 1⁄ 7 değerini alır. Rüzgâr gradyanındaki artış rüzgâr hızında daha fazla bir değişime neden olur.

1.3.3 Engele Çarptıktan Sonra Profilin Değişimi

Rüzgar Enerji Santrali kurulacak bölge olabildiğince düz bir arazi olmalıdır.Seçilen bölgede santral verimini etkileyecek yapılar, binalar, direkler ve engeller olmamalıdır. Şekil 1.19 ile küçük bir engel etrafındaki rüzgar akışı görülmektedir. Engele çarpan rüzgar engelin hemen üzerinde, engel boyunun 2 katı; engel arkasında ise, 10-15 katı mesafede rüzgar akışını bozmaktadır.

Şekil 1.19 Engel Etrafındaki Hava Akışı

Görüldüğü gibi, yapıların yakınlığı ve ağaçların geniş gövdeleri, rüzgar türbinine gelen akışı karmaşıklaştırmaktadır. Türbülansın artması, türbinlerin üzerinde bir yük oluşturarak türbinin de ömrünü azaltıcı bir etken olabilmektedir. Dikdörtgen bir engele dik olarak çarpan bir akışın şekli Şekil 1.20’de verilmiştir. Burada akışın momentumu zayıflar ve nispeten düşük hızda bir akış olur. Engelin arkasında iç sirkülasyon meydana gelir. İç sirkülasyon, engelin önünde meydana geldiğinden daha güçlüdür. Dış tabakada ise, akış herhangi bir bozulum göstermemektedir ve normal olarak akışa devam etmektedir.

Şekil 1.20 Blok Etrafındaki Akış

Profilin değişimi yeryüzü koşullarına göre değişmektedir. Yüzeydeki yapıların boylarının uzunluğuna aşağıdaki Şekil 1.21 ile düz bir arazide verilmiş bir yapı gösterilmiştir. Kompleks bir arazide (vadi, dağ, tepe vb.) pürüzlülük uzunluğu önem arz etmektedir. Örneğin, blok etrafındaki hava daha karmaşık bir yapıdadır. Blok etrafında at nalına benzer vorteksler (girdap) oluşmaktadır ve cismin arkasında ve yanlarında akış bozulmuştur.

Şekil 1.21 Blok Etrafındaki Hava Akışı

1.3.4 Düz Bir Arazi Üzerinde Akış

Üzerinde orman, ağaç vb. gibi bulunan araziler düz olarak kabul edilebilirken; yükseklik farkı, tepeler, sırtlar, vadi, kanyon gibi yapılar kompleks araziler olarak değerlendirilmektedir.

Aşağıdaki kriterlere uygun araziler düz araziler olarak sınıflandırılmaktadır.

• Rüzgâr elektrik santralinin bulunduğu arazi ile 11,5 km çapındaki çevreleyen arazide 60 metre yüksekliği geçmeyen yükseltiler,
• RES’in ön tarafında 4 km boyunca göbek yüksekliğinin 3’te bir yüksekliğini geçmeyen engellerin bulunduğu araziler düz olarak kabul edilmektedir.

Şekil 1.22 Düz Arazi Özellikleri

Herhangi bir yüzey üzerinde meydana gelen akışın özellikleri ile ilgili birçok çalışma yapılmasına rağmen, konunun birçok yönü araştırılmaya muhtaçtır. Şekil 1.23 ile hafif eğimli bölgede akış bozuluma uğramazken; eğimin keskinleşmesi ile akış ciddi bozulumlara uğrayabilmektedir.

Şekil 1.23 Düz Bir Arazide Akış ve Etkileşimi

Düz bir arazide akışı bozacak engelleri iki sınıfta inceleyebiliriz. Birincisi ağaç, kaya gibi doğal engeller; ikincisi de insan yapımı ev, site vb. engellerdir. Ağacın etrafındaki akış Şekil 1.24 ile verilmiştir. “a” ile tek bir ağacın etrafındaki akış, “b” ile giriş ve çıkışları kapalı ağaçlık bir bölge için akış deseni, “c” ile de giriş ve çıkışları açık bir ağaçlıkta muhtemel akış deseni verilmiştir.

Şekil 1.24 Ağaçlar Etrafındaki Etkisi

1.3.5 Düz Olmayan Bir Arazi Üzerinde Akış

Birçok araştırmacı düz olmayan arazileri, izole tepeler ve dağlık bölgeler olmak üzere 2 sınıfta incelemişlerdir. İzole tepeler genellikle küçük ölçekli; dağlık bölgeler de büyük ölçekli bölgeler olarak sınıflandırılmıştır. Her iki sınıf, yükseklik ile karakterize edilmiştir. Şekil 1.25 ile düz olmayan bir araziden rüzgar akışının engele geldiğinde nasıl bir hareket izleyeceği gösterilmiştir. “a” ‘da akış engelin yapısından dolayı fazla zorlanmamaktadır ve akış sadece tırmanırken bozuluma uğrayıp, sonra eski haline kavuşmaktadır ve iç sirkülasyonlar meydana gelmemektedir. “b”, “c”, “d” arazi yapısı hem akışı bozmakta hem de akışı bozuluma uğratarak iç sirkülasyonların meydana gelmesine sebebiyet vermektedir.

Şekil 1.25 Düz Olmayan Bir Arazide Akış ve Etkileşimi

1.3.6 Bazı Engellerdeki Rüzgar Profillerinin Değişimleri

Şekil 1.26 Engeli Aşarken Rüzgâr Profilinin Değişimi

1.3.7 Pürüzlülük (Roughness)

Yeryüzünün birçok yerinde yer şekilleri düzenli değildir ve birçok yerde belirgin farklılıklar gösterir. Bir bölgenin yüzey pürüzlülüğü, o bölge üzerindeki pürüzlülük elemanlarının dağılımına bağlıdır. Bitki .rtüsü, yapılaşma ve doğal arazi yapıları tipik pürüzlülük elemanlarıdır.

Genel olarak, yeryüzü pürüzlülüğü ne kadar fazlaysa rüzgar hızının o kadar yavaşladığı kabul edilir. Pürüzlülük yaratacak alanlara örnek vermek gerekirse hava alanlarındaki beton pistler rüzgar hızını daha az yavaşlatırlarken, ormanlar ve büyük şehirler rüzgar hızını önemli derecede azaltırlar. Beton pistlerden daha düz olan su yüzeyleri rüzgar üzerinde daha az etkiliyken, geniş çayır, çalılık ve çitler rüzgar hızı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Yüzey pürüzlülüğü, pürüzlü bir yüzeyden düz bir yüzeye geçişte değişiklik gösterir.

Rüzgar şiddeti profili yükseklikle artış gösterirken, düz bir yüzeyden pürüzlü bir yüzeye geçişte (örneğin açık denizden ormanlık bir araziye geçiş) ise profil yükseklikle azalma gösterir. Şekil 1.29 Düz bir yüzeyden pürüzlü bir yüzeye geçiş ve rüzgar profilindeki değişim gösterilmiştir.

Düz bir yüzeyden pürüzlü bir yüzeye geçiş ve rüzgar profilindeki değişim, rüzgar hızı profilini üzerinde belirleyici bir etkiye sahip olan pürüzlülük, rüzgar enerjisi incelemelerine önemli bir parametredir. Rüzgar enerjisi ve rüzgar atlası çalışmalarında dört pürüzlülük sınıfı tanımlanır. Pürüzlülük sınıflandırmalarında bir diğer büyüklük olan ve 0 ile ifade edilen pürüzlülük yüksekliği teorik olarak rüzgar hızının sıfıra indiği yükseklik olarak tanımlanmaktadır. Bir pürüzlülük elemanının yüksekliği h olmak üzere, rüzgara karşı gelen dikey kesit alanı S ve arazi üzerine dağılmış ortalama yatay kesit alanı AH ile ifade edildiğinde pürüzlülük elemanları ile pürüzlülük yüksekliği arasındaki ilişki aşağıdaki denklemde ifade edilmiştir.

h :Pürüzlülüğe neden olan elemanın yüksekliği

S : Rüzgara karşı dikey kesit alanı

A_H : Arazi üzerinde yayılmış olan yatay kesin alan

Şekil 1.30 Pürüzlülük Sınıfı 1 Olan Arazi Örneği

Su alanları, denizler, fiyordlar ve göller pürüzlülük sınıfının 0 olarak kabul edildiği bölgelerdir. Bu bölgelerde pürüzlülük yüksekliği z₀, 0,0002 metre olarak tanımlanır. Pürüzlülük sınıfının 1 olarak tanımlandığı bölgeler açık alanlar içinde rüzgara etki edecek birkaç engelin, basit şekil, ağaç ve çalılıkların bulunduğu açıklıkları, düz alanları ve yumuşak engebeleri kapsar. Pürüzlülük sınıfı 1 olan bölgelerde pürüzlülük yüksekliği z₀ , 0,03 metre olarak kabul edilir.

Pürüzlülük yüksekliği z₀’ın 0,10 metre olarak ifade edildiği, pürüzlülük sınıfı 2, rüzgâra etki eden kırıcıların birbirinden ortalama 1000 metreden fazla uzaklıkta olduğu, binaların dağınık bir halde bulunduğu, çok sayıda ağaç ve binanın bulunduğu alanları karakterize eder.

Şekil 1.31 Pürüzlülük Sınıfı 2 Olan Arazi Örneği

Şehir alanları, ormanlar ve ortalama birkaç yüz metre aralıklarla çok sayıda rüzgara etki edecek kırıcıların bulunduğu arazilerde pürüzlülük yüksekliği , z₀ 0,40 m olarak ifade edilir ve bu bölgeler pürüzlülük sınıfı 3’e girerler.

Şekil 1.32 Pürüzlülük Sınıfı 3 Olan Arazi Örneği

1.3.8 Türbülans

Genel olarak, aniden oluşan düzensiz hava hareketleri olarak tanımlanan türbülans, birçok kez oldukça hızlı bir şekilde dönen mikro ölçekli hava akımı olarak karşılaşılan ve bir rüzgar türbininden üretilecek enerji miktarını etkileyen bir büyüklüktür. Türbülansın yoğunluğu rüzgar hızlarının standart sapmalarının, ortalama rüzgar hızına oranı olarak ifade edilir. Türbülans yoğunluğu artan yükseklikle azalmakta ve yüzey pürüzlülüğünden etkilenmektedir. Aynı büyüklükteki sapmalar için yüksek rüzgar hızlarında azalmaktadır.

Rüzgar türbinleri üzerinde yorulmalara da neden olan türbülans, türbin kanatları üzerinde zaman zaman fiziksel etkiler meydana getirebilmektedir. Özellikle yer yüzüne yakın yerlerde oluşabilecek türbülans etkilerinden minimum şekilde etkilenmek adına rüzgar türbinleri yeterince yüksek yapılır. Şekil 1.33’te dağlık bir alan ardında oluşan türbülans ve hava akımlarının hareket yönleri gösterilmektedir. Düzensiz bir dağ yüzeyi boyunca yükselen hava dağın ardında düzensiz bir form tutmakta ve modellemesi oldukça zor olan bir akış izlemektedir.

Şekil 1.33 Türbülansın Hava Akışına Etkisi

1.3.8.1 Türbülans Yoğunluğu

Rüzgar türbinlerinin yaşam süreci üzerinde önemli etkileri olan türbülans, ortalamadan olan sapmaları ifade etmekte olup, en basit yöntemle ölçülen ortalama rüzgar şiddetinin ölçülen standart değerine bölünmesiyle elde edilir.

I= σ/V

I: Türbülans yoğunluğu

V: Ortalama Hız

σ: Standart Sapma

Tablo 1.2 Türbülans Yoğunluğuna Bağlı Yoğunluk Sınıfları

Şekil 1.34 Rüzgâr Hızına ve Yönüne Bağlı Olarak Türbülans Yoğunluğu

Türbülans yoğunluğunun rüzgar hızına ve y.nüne göre değişimine birer örnek sunulmuştur. Görüleceği üzere türbülans yoğunluğu rüzgar şiddeti arttıkça azalmaktadır. Aynı durum yer seviyesinden olan yüksekliğin artması durumunda da geçerlidir. Bunu aşağıdaki eşitliklerden de görmek mümkündür.

Türbülans yoğunluğunun bilinmesi durumunda bu eşitlik yardımıyla ?0 ve α’nın mümkün olduğu da açıkça görülmektedir.