3.3 Saha Seçimi

3.3 Saha Seçimi

Yukarıda belirtilen kriterler doğrultusunda ölçüm direği aşağıda bahsedilecek olan kurallar ve yönetmelikler dâhilinde yer seçimi yapılarak montajı yapılacaktır. Rüzgâr elektrik santralinin kurulacağı bölgede en az 1 yıl ölçüm yapılmalıdır. Herhangi bir bölgeye rüzgâr ölçüm direği dikilmeden önce arazi belirlemede dikkat edilmesi gereken bazı kriterler bulunmaktadır. Rüzgâr elektrik santral yatırımının temeli, bu noktada yatmaktadır. Bu amaçla rüzgâr potansiyelinin yüksek olduğu bölgelerin belirlenmesi gerekmektedir. Bu aşamada ilk yapılması gereken rüzgâr potansiyelinin yüksek olduğu bölgelerin yaklaşık olarak değerlendirilerek detaylı incelemeye tabi tutulması için planlama yapmaktır. Tahmini rüzgâr hızlarının yüksek olduğu bölgelerin belirlenmesi amacı ile başvurulacak ilk kaynaklar ise, o ülke için hazırlanmış rüzgâr atlası, bilimsel tezler, meteoroloji istasyon verileri veya konu ile ilgili diğer kurumların yapmış olduğu rüzgâr ölçümleridir.

3.3.1 Saha Araştırmaları

Rüzgâr enerji santrali kurulması planlanan arazide yapılacak ölçümler için aday sahalar belirlenir ve bu sahalarda detaylı araştırmalar yapmak için hazırlıklara başlanmalıdır.

3.3.2 Saha Gezileri

Potansiyel sahalar belirlendikten sonra, sahaya keşif gezileri yapılmalıdır. Yapılan teknik keşiflerde yöre ahalisinden, köylülerden, çobanlardan, orman işletme şefliklerinden ve avcılardan bilgi alınabilir. Yöre halkının gözlemleri, yel değirmenleri veya eski yel değirmeni kalıntıları, rüzgâr veya yel isimlerini içeren bölgeler (Esentepe, Esenşehir, Yeltepe, Poyrazdamları vb. gibi) bir nevi veri gibi kabul edilebilir.

Yörede uzun yıllardır bulunan insanlar en önemli veri kaynağıdır. Bununla beraber, doğanın kendisi de önemli bir veri kaynağı olabilmektedir. Rüzgârın bölgede bulunan ağaç, çalılık, taşlar, kayalıklar gibi doğa nesneleri üzerinde oluşturduğu etkiler de bazen çıplak göz ile görülebilmektedir. Şekil 3.8 ve Şekil 3.9’da bu etkileri göstermektedir. Özellikle küçük ağaçlar üzerinde daha da iyi gözlemlenebilen bu etkiye bayraklama (flagging) denir.

Rüzgârın ağaç ve çalılıklar üzerinde yaptığı etkileri Griggs-Putnam indeksi olarak bilinen bir çizelgede bulunmaktadır. Bu indekse göre rüzgârın çalılar veya ağaçlar üzerinde yaptığı etki 8 sınıfa ayrılmıştır.

Rüzgârın ağaç ve çalılıklar üzerinde yaptığı etkileri gösteren bir diğer indekste Alman bilim adamı Barsch tarafından geliştirilen “Barsch İndeksi’dir.” Bu indeks, O ile VI arasında toplam 7 sınıfta toplamıştır. Barsch İndeksi’nde Griggs-Putnam İndeksi’nden biraz farklı olarak ağaç deformasyon oranı tanımlanmıştır ve aşağıdaki eşitlikle verilmektedir:

D = A / B = C / 45°

A / B oranı yani  D, 1  D  5 arasındadır. D = 1 ise, herhangi bir deformasyon yoktur, dolayısıyla rüzgâr da yoktur.

3.3.3 Dikkat Edilmesi Gereken Noktalar

Bölgenin incelenmesi bir rüzgâr ölçüm direğinin dikilmesinden ibaret olarak değil; daha sonra kurulması düşünülen rüzgâr enerji santralinin kurulacağı gerçeği de dikkate alınmalıdır. Bu amaçla aşağıdaki hususlara dikkat etmek gerekmektedir:

1. Saha belirleme yöntemleri için öncelikli olarak dikkat edilmesi gereken hususların başında ofis çalışmaları ve önceden edinilmiş altlıkların incelenmesi gelir.

2. Ofis ortamında inceleme yapılan saha ve sahalar için keşif gezisi yapılmalıdır. Ofis ortamında tespit edilen verilerin sahada görülmesi ve gerekli tedbirlerin alınması için gereklidir.

3. Yapılan çalışmalar ölçümleme yapıldıktan sonra santral bölgesi için alınacak olan izinlere de önceden hazırlık alt yapısını hazırlamaktır.

Mülkiyet Belirlenmesi (Orman, Özel Mülk, Hazine)

Bölgede bulunan mülk sahiplerinin bilinmesi çok önemlidir. Arazi niteliğine göre mülki- yeti özel şahıs, hazine, orman, mera gibi vasfında olan taşınmazların kadastral çalışmaları tamamlandıktan sonra ilgili kayıtların tabu müdürlüğünden alınarak taşınmaz sahiplerinin belirlenmesidir.

Çevredeki Diğer Enerji Santralleri Bilgileri

Yarışma öncesinde mevcut lisanslı sahaya girmemek ve türbin konumlandırmasını ona göre yapabilmek.

Sahaya Ulaşım

Sahaya ulaşımın kolay olmalıdır. En azından bir servis yolu, stabilize veya toprak yolunun bile olması yeterlidir. Daha ileriki aşamalarda bölgeye tırlarla gelecek teçhizatın, vinçlerin olacağı ulaşım yolları düzenlenecektir.

Trafo Merkezi ve Enerji Nakil Hatları

Rüzgâr enerji santrallerinde trafo merkezlerine yakınlık çok önemlidir. Günümüz şartlarında bağlantı onayını TEİAŞ vermektedir. (154-380 kV) Bazı durumlarda doğrudan enerji nakil hatlarına girdi-çıktı (saplama) nadir olarak izin verilmektedir. Trafo merkezi ve rüzgâr enerji santrali arasındaki uzaklığın artması proje maliyetini de etkilemektedir.

Askeri Bölgeler Vor İstasyonları TEA Analizi

Ülkemizde konuyla alakalı olarak TÜBİTAK bünyesinde kurulan (RAPSİM), rüzgâr türbinlerinin, askeri ve sivil elektronik sistemlerin performansları üzerindeki etkilerini araştırması maksadıyla kurulmuştur. Önlisans alan tüm rüzgâr enerji projeleri bu kurumdan görüş alarak ilerlemektedir.

Sit Alanları, Milli Parklar

Seçilecek olan sahanın milli park, SİT alanı, muhafaza ormanı vb. kısıtlamalara tabi ol- maması gerekmektedir. Eğer seçilen saha bahsedilen bölgelerden birinde bulunuyorsa rüzgâr profilinin çıkarılması için dikilecek rüzgâr ölçüm direkleri için dahi ilgili kurumlardan izin alınamaz.

Arazinin Topografyası

Seçilecek saha kurulması planlanan rüzgâr türbinlerinin bölgeye ulaştırılması, montajının yapılabilmesi adına fazla engebeli bir lokasyonda bulunmamalıdır. Sahadaki eğimin, büyüklüğünün yeterli olması ve aynı zamanda jeolojik açıdan da imara uygun olması gerekmektedir.

GSM Operatörleri ve Baz İstasyonları

Seçilecek sahanın GSM operatörlerine ait baz istasyonlarına ve radyo link hatlarına yakın olmaması gerekmektedir.

• Arazi Bitki Örtüsü ve Etkileri (Orman vs.)
• Kuş Göç Yolları
• Fay Hatları
• Pürüzsüzlük Haritası

Yukarıda sayılan sebeplerden dolayı saha seçimi yapılırken çok hassas davranılmalıdır. İleriki çalışma dönemlerinde yapılacak olan İmar Planı çalışmaları, ÇED çalışmaları bu etapta verilecek olan kararlar ışığında ilerleyecektir. Baştan atılan adımların sağlam olması projenin de ilerleyişinde kolaylık sağlayacaktır.

3.4 Rüzgâr Türbini Yer Seçim Esasları Mikrokonuşlandırma (MICROSITING)

Bir veya birden fazla rüzgâr türbininden oluşan enerji üretim sistemlerine rüzgâr enerji santrali denilmektedir. Hızla gelişen endüstride rüzgâr enerji santrallerinin kurulumuna yönelik gerçekçi bir yatırım yapılabilmesi için; santralin kurulacağı bölge belirlenmeli, bölgenin ön değerlendirmesi, rüzgâr verilerinin analizi, türbinin mikrokonuşlandırması, türbin kurulacak alanda alt yapı çalışması, uygun türbin seçimi, enerji üretim değerlendirmesi, ekonomik analiz ve çevre etki değerlendirmesi yapılmalıdır. Rüzgâr türbini yer seçimi için ise, bölgedeki hâkim rüzgâr yönü belirlenerek türbinin kurulacağı alandaki ortalama rüzgâr hızının en az 6 ve üzerinde olması gerekmektedir. Her rüzgâr türbini rüzgârdaki enerjiyi alıp elektrik enerjisine çevirdikten sonra rüzgârı yavaşlatır. Bu sebeple, rüzgâr türbinlerinin belli aralıklarla yerleştirilmesi gerekmektedir. Rüzgâr enerji santrali kurulacak saha içinde rüzgâr türbinlerinin en fazla üretim yapabilecek şekilde optimum olarak yerleştirilmesi işlemine mikrokonuşlandırma denir. Mikrokonuşlandırma için rüzgâr türbinleri, tek bir hat boyunca yerleştirilebileceği gibi çift sıralı olarak da yerleştirilebilmektedir. Rüzgâr enerji santrallerinde, türbinler birbirlerinden en az yatayda 3 kanat çapı (3D) uzaklıkta kurulurlar. Bunun nedeni, türbinlerin akıntı yönünde yaratacağı türbülanstan kaçınmaktır. Genel olarak bir rüzgâr enerji santralinde, aynı sıradaki türbinler arası en az 7 kanat çapı (7D), yatayda türbinler birbirlerine en az 3 kanat çapı (3D) mesafe ve çapraz olarak konumlandırmada (5D) 5 kanat olacak şekilde yerleştirilirler. Rüzgâr türbinlerinin mikrokonuşlandırılması Şekil 3.12’de verilmiştir. Konuşlandırmalar arazinin topografyasına hâkim rüzgâr yönüne göre değişkenlik gösterebilir. Temel kavram korunduğu takdirde yerleşimde kayıplar ve etkilenmeler en aza inecektir. Bu çalışmada, rüzgâr türbinlerinin yer seçim esasları değerlendirilerek türbinlerde iz etkisi, tünel etkisi, tepe etkisi ve türbinlerin mikro konuşlandırması (yerleşim etkisi) analiz edilmiştir.

Kurulan rüzgâr türbini için diğer önemli parametre ise kapasite faktörüdür (KF). Kapasite faktörü, türbinin yıllık net enerji üretim miktarının türbinin maksimum güçte üretebileceği yıllık teorik enerji miktarına oranı olup birim dönüştürmesiyle aşağıda verilmiştir.

Burada, rüzgâr türbininden bir yılda üretilen enerji (GWh) ve N_N ise rüzgâr türbininin nominal gücüdür (GW). Türkiye’de rüzgâr türbinlerinin ortalama kapasite faktörü, dünyada olduğu gibi %30-35 seviyelerindedir. Rüzgâr enerji santrallerinin kapasite faktörü termik, hidro- elektrik ve nükleer santrallerin kapasite faktörüne göre çok daha düşük olup bu durum Tablo 3.2’de verilmiştir.

Tablo 3.2 Enerji Santrallerinin Kapasite Faktörü

Rüzgâr türbinlerinde kanatlardan ayrılan rüzgâr enerjisi türbine gelen rüzgâr enerjisinden her zaman daha düşük olmaktadır. Bir rüzgâr türbini rüzgâr altı yönünde daima bir rüzgâr gölgelemesi yaratır. Rüzgârın kule tarafından engellenmesiyle oluşan rüzgâr gölgelemesi, türbinin arkasında uzun bir aralıkta oldukça fazla türbülans oluşturur. Bu nedenle bir rüzgâr türbini engellerden en az iki katı yükseklikte ve engelden 20 katı uzakta bir mesafede kurulmalıdır.

Şekil 3.14 Rüzgâr Türbinlerinin Engellere Karşı Konumlandırılması

3.4.1 Micrositing için hangi verilere ihtiyaç vardır?

• Rüzgâr Verisi
• Yükselti Eğrileri
• Roughness/Pürüzlülük
• Sahanın Teknik Kapasitesi
• Sahanın Büyüklüğü ve Sınırları
• Gücü, vs.
• Sahanın Diğer Özellikleri
• Arkeolojik Sahalar
• Göçmen Kuş Yolları
• SİT Alanları, vs.
• Kullanılan her verinin aynı koordinat sisteminde gösterilmiş olması gerekir.

3.4.2 Genel Micrositing Aşamaları

• Sahanın Modellenmesi
• Yükselti Eğrileri
• Eğim Haritası
• Modellemesi
• Pürüzlülük Haritası ve Eğrileri, Bina ve Ağaç Modellemesi
• Rüzgâr verilerinin değerlendirilmesi; Verinin ayıklanması, aylık, yıllık ortalama rüzgâr hızları, temel rüzgâr yönü, türbülans yoğunluğu, buzlanma, saha rüzgâr hızının türbin üretiminde etkisi
• Sahaya Spesifik Rüzgâr Haritasının Çıkarılması
• Türbin yerleşiminde dikkat edilmesi gerekenler; eğim haritası, yükselti haritası, saha sınırları, rüzgâr atlası, türbin yük hesaplamaları, türbin arası mesafeler
• Gürültü/Ses, Gölgeleme

3.4.3 Kapasite Faktörü

Rüzgâr türbinlerinin teknik özellikleri ve teknik performansları göz önüne alındığında, türbinlerin kapasite faktörlerinin yüksek rüzgâr potansiyeline sahip bölgelerden, direkt etkilendiği görülmektedir. Bu da türbin yatırımlarının daha kısa sürede geri ödenmesine olanak sağlar. Kapasite faktörü hem üreticiler hem de kullanıcılar açısından bilinmesi gereken önemli bir performans parametresidir. Kapasite Faktörü belirli bir zaman diliminde üretilen enerjinin o zaman diliminde üretilebilecek maksimum enerjiye bölümüdür ve şu şekilde ifade edilir.

Formülde C_F Kapasite Faktörü, E_r = 8760xPt türbinin yıllık üretebileceği maksimum enerji, P_t Türbin çıkış gücü,  E_out türbinin ürettiği gerçek enerji miktarını göstermektedir. Türkiye’de bulunan rüzgâr türbinleri için hesaplanan kapasite faktörünün %25 ve üzerinde olması yatırım için uygun görülmektedir.

3.4.4 Rüzgâr Güç Formülasyonu

Rüzgâr hareket halindeki bir hava akımı olduğundan kinetik enerjiye sahiptir. Rüzgârdan elde edilebilecek güç;

olarak bulunur. Kullanılan birimler:

 E = Watt / m²,

ρ : Hava yoğunluğu (1.223 kg / m³ ),

A : Hesaplamada kullanılan rüzgâr türbininin süpürme alanı ( m² ),

V : Rüzgâr şiddeti (  m / s ).

Şekil 3.15 Rüzgârdan Enerji Üretimi

3.4.4.1 Hava Yoğunluğu

Sahamızdaki ölçümlerle elde edilebilecek basınç denkleminde de görüldüğü gibi yoğunlukla doğru, hava sıcaklığı ile ters orantılıdır. Yani soğuk hava ve yüksek basınç dönemlerinde yoğunluk artar. Bu durumunda üretim üzerinde olumlu bir etkisi olur denilebilir. Deniz seviyesinden yükseldikçe düşen hava basıncı yükseklere kurulan türbinlerin daha düşük hava yoğunlukta çalışmalarına neden olur. Rüzgar analizleri yapılırken de yakınlarındaki bir meteoroloji istasyonundan ya da sahaya kurulan ölçüm direğinden elde edilmiş verilerle türbin noktaları için hava yoğunlukları hesaplanır. Her ne kadar hava yoğunluğu yılın belli dönemlerinde ya da günün farklı saatlerinde değişse de çalışmaların basitleştirilmesi adına tüm yılın ortalaması kullanılır. Türbinlerin de bu ortalama değer için hesaplanmış güç eğrileri analizlerde kullanılır. İdeal bir gaz için gaz eşitliği;

p. V = n . R . T

Olarak verilmektedir. Bu eşitlikte;

R : Evrensel Gaz Sabiti,

T : Kelvin Cinsinden Sıcaklık

V : Gazın Hacmi (kg / m³ )

P : Basınç (Pascal, N / m²)

N : Gazın Kilomoleküllerinin sayısıdır.

3.4.5 Weibull Dağılımı

Rüzgâr verilerinin analizinde kullanılan Weibull Dağılımı’nın parametreleri kullanılarak herhangi bir rüzgâr hızının frekansı konusunda hassas bir tahminde bulunmak mümkün olabilmektedir. Weibull yoğunluk fonksiyonu, rüzgârın herhangi bir hızda esme sıklığını gösteren fonksiyondur. Weibull yoğunluk fonksiyonunun elde edilebilmesi için şekil ve ölçek parametrelerinin bilinmesi gerekir. Rüzgâr hızı için, iki parametreli Weibull olasılık yoğunluk fonksiyonunun genel ifadesi:

V : Rüzgâr hızı

k : Şekil faktörü

c : Ortalama rüzgâr hızına bağlı bir parametre ( V / c = 0,89 )

Weibull olasılık dağılımının ölçek parametresi c=l ve değerlerinin arttığı görülmektedir. Eğriler keskinleştikçe, rüzgâr hızındaki değişimlerin azaldığı anlamına gelmektedir.

Şekil 3.16 Farklı k Değerlerine Göre Weibull Dağılımı

Şekil 3.16’da da görüldüğü üzere k değerinin artışıyla birlikte k parabolünün de kolları birbirine yaklaşmaktadır. Grafik üzerinden gidilecek olursa k değeri küçüldükçe rüzgârın değişken bir profile sahip olduğu, zıt şekilde k değeri büyüdükçe rüzgârın kararlı bir yapıya sahip olduğu söylenebilir. “k” değerinin 2’ye eşit olduğu noktalar iklimsel rüzgarları ve 3 olduğu değerler ise sabit rüzgarları belirtmektedir. Şekil 3.16’da verilen grafikte k değerinin 1,5’a eşit olduğu nokta ise aşırı değişken rüzgarları ifade eder.

Şekil 3.17 Weibull Dağılımı

3.4.6 Rayleigh Dağılımı

Rüzgârın belli bir periyotta değişimi ve dağılımı, enerji üretimi değerlendirmeleri için çok önemlidir. Türbin tasarımcıları; türbin iyileştirmesinde ve maliyetleri en aza indirmede rüzgâr dağılımı ve değişimi ile ilgili bilgilere gerek duyarlar. Bir yerde sadece ortalama rüzgâr hızı (rort v) biliniyorsa; Rayleigh Dağılım fonksiyonu yardımıyla herhangi bir rüzgâr hızının (ri v), esme saati (hr) yüzdesi bulunabilir. Bunun sonucunda ortaya çıkan rüzgâr hızları bir olasılık yoğunluğu dağılımıdır. Dağılım şematik olarak çizildiğinde bu dağılımın altında kalan alan bire eşittir. Çünkü rüzgârın sıfır dâhil herhangi bir hızda esme olasılığı %100’dür. Rayleigh yoğunluk fonksiyonu;

Rayleigh kümülatif dağılım fonksiyonu;

şeklindedir. Rayleigh Dağılım fonksiyonuna göre esme hızı saati;

olarak bulunur. Rayleigh Dağılımı’nın en büyük avantajı sadece ortalama rüzgâr hızı ile dağılımın belirlenmesidir. Rayleigh Dağılımı’nın rüzgâr çalışmalarında geçerliliği pek çok referansta gösterilmiştir.

Nordex firmasına ait farklı platformlarda ve rüzgâr sınıflarında üretilmiş rüzgâr türbin kataloğu

Şekil 3.18 Nordex Firmasının Ürün Gamı

3.5 Sahaya Uygun Rüzgâr Türbini Seçimi ve Güç Formülasyonu

3.5.1 Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması

Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) 1988 yılında çalışmaya başladığı ilk uluslararası standart olan “IEC 1400-1Rüzgâr Türbini Generatör Sitemleri-Bölüm 1 Güvenlik Koşulları”nı 1994 yılında, ikinci sürümünü de 1997 yılında yayınladı. Bazı önemli değişikliklerle gözden geçirilmiş olarak ve yeni numarası IEC 64100-1 ile 1999 yılında yeniden yayınlandı. Son olarak; rüzgâr ve türbülans sınıfları ve modeller, yük durum tanımlamaları, yük analizleri, kontrol, mekanik sistem ve konum değerlendirmeleri gözden geçirilerek IEC 64100-1 standardı 2005 yılında yayınlanmıştır. Bu standarda göre günümüzde rüzgâr türbinleri tasarım ve rüzgâr koşulları açısından dört sınıfa ayrılmıştır. Sınıflar rüzgâr hızları ve türbülans verilerine göre tanımlanmıştır. Rüzgâr hız parametreleri her bir sınıf için Tablo 3.3’te verilmiştir. Hesaplamalarda hava yoğunluğu 1.225 kg / m³ kabul edilmiştir.

Türbin sınıflarına bakıldığında rüzgâr hızının belirleyici olduğu görülmektedir. Sınıfı I olan türbinlerin yüksek rüzgâr hızlarına daha dayanıklı olduğu ve sınıf arttıkça yüksek rüzgâr hızlarına olan dayanımın azaldığı görülmektedir. Rüzgâr enerjisi projelerinin başarısı, rüzgâr çiftliklerinin yerleşimi ve türbin tipi seçimi rüzgâr kaynaklarına bağlıdır. IEC 64100-1 standardının amacı, bir kurulum protokolü türbin sınıflandırma sitemi ile türbin güveliğini ve konuşlanmasını sağlamaktır.

Tablo 3.3 Rüzgâr Türbin Sınıfları için Rüzgâr Hızı Parametreleri

3.5.2 IEC Standartlarında Seçilen Türbinlere Örnek Teknik Özellikler

Bu çalışmada Nordex firmasının 3,3 – 3,6 MW gücünde farklı çap ve süpürme alanına sahip fakat farklı sınıfta üç farklı modeli incelenmiştir. Türbinler IEC 64100-1 standardına göre Ia, IIa, IIIa şeklinde üretici firma tarafından sınıflandırılmıştır. Türbinler üretim sınıflarına göre I, II, III sınıflarına ayrılarak her bir sınıf kendi içerisinde ve genel değerlendirme içerisinde incelenmiştir. Türbinlere ait teknik veriler üretici firma kataloglarından elde edilmiştir. Tablo 3.4‘de 3,3 ve 3,6 MW gücündeki türbin modelleri, sınıfları, rotor çapları, nominal hızları, devreye girme ve devreden çıkma hızları gösterilmiştir.

Tablo 3.4 Hesaplamada Kullanılan Türbinlerin Teknik Özellikleri

Türbinlerin sınıflarıyla diğer özellikleri karşılaştırıldığında; rotor yarıçaplarının genel olarak türbin sınıfıyla uyumlu olduğu, rotor yarıçapların 100 ve 131 metre arasında değiştiği ve buna bağlı olarak süpürme alanlarının da değiştiği, türbinlerin 3,5-4 m /s rüzgâr hızı aralığında devreye girdiği, nominal hızlarının 11,5-14 m /s rüzgâr hızları arasında değiştiği, devreden çıkma hızlarının genel olarak 25 m /s  olduğu görülmektedir.