Bölüm 5: Rüzgar Türbinleri ve Bileşenleri

5.1 Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması

Kullanımdaki rüzgâr türbinleri boyut ve tip olarak çeşitlilik göstermektedirler. Türbinler, dönme eksenine, güç kontrol sistemlerine, rotorun dönüş hızına ve kullanım yerine göre sınıflandırılabilirler. 1989 yılından itibaren Almanya’da RT teknolojisi hızla gelişmiştir. Rotor çapı 25 metre, çıkış gücü 150-250 kW olan RT’ler imal edilmiş ve bunu rotor çapı 30-35 metre, çıkış gücü 300 kW’dan büyük türbinler izlemiştir. Nordex firması da rüzgâr türbini üretimine 1987 yılında başlayarak ürün gamını günümüze kadar geliştirmiştir.

• 1987 Dünyanın en büyük seri üretim rüzgâr türbini (250 kW) üretildi.
• 1992 Almanya’da üretim operasyonel faaliyetlerin kurulması.
• 1995 Dünyanın ilk seri üretim megawatt düzeyinde rüzgâr türbininin inşası.
• 1998 Xi ‘an Nordex Rüzgâr Türbini Co. Ltd.’nin kuruluşu. (Çin)
• 1999 1.000. Nordex rüzgâr türbininin kurulumu.
• 2000 Dünyanın ilk seri üretim 2.500 kW rüzgâr türbininin kurulumu.
• 2001 Endüstriyel rotor kanadı üretiminin başlaması.
• 2003 2.000. Nordex rüzgâr türbininin kurulumu. İlk N90 / 2300 kW’ın kurulumu.
• 2005 N90 / 2500 kW Yinchuan’da üretim için ortak girişim (S70 / 77) kurulması. (Ningxia)
• 2007 N100 / 2500 kW 3.000’inci Nordex rüzgâr türbininin kurulumu.
• 2009 1.000.Multi-MW rüzgâr türbininin kurulumu. (Arkansas’ta ABD üretim tesisi)
• 2010 Gamma Üretiminin Sunumu.
• 2011 İlk Gamma Üretiminin N117 / 2400 kW’ın kurulumu.
• 2012 5.000. Nordex rüzgâr türbininin kurulumu.
• 2013 Delta Generation piyasaya sürüldü. (N100 / 3300 kW, N117 / 3000 kW ve N131 / 3000)
• 2014 En iyi rüzgar türbini olarak N117/ 2400 kW seçildi.
• 2016 Nordex ve Acciona Windpower şirket birleşimi.
• 2017 4 MW’lık ürün serisi olan Delta4000 üretiminin tanıtımı.
• 2018 Yüksek rüzgar alanları için N133 /4800 kW üretiminin tanıtımı.
• 2018 En iyi rüzgar türbini olarak N149/ 4.0-4.5 seçildi.
• 2019 N155 / 5.X, N149 / 5.X ve N163 / 5.X üretiminin tanıtımı.

5.1.1 Eksen Farkına Göre Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması

5.1.1.1 Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri

Bu tür türbinlerde türbin mili dikey eksenlidir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi başlıca türlerdir. 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 yerleştirilmişlerdir. 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. Rüzgârın tek yönden estiği düşünülürse; türbinin verdiği güç, sinüs şeklinde bir eğri oluşturur. Dikey eksenli rüzgâr türbinleri her istikametlidirler ve değişen rüzgâr yönlerinde dönerler. Böylece rüzgârı her bir yönden kabul ederler. Dönüşün dikey ekseni, sürücünün toprak seviyesine dahi yerleştirilmesine izin vermektedir. Bu tipteki rüzgâr türbinlerinin güç katsayısı 0,15’ten azdır. Bu nedenle güç üretiminde tercih edilmezler.

5.1.1.1.1 Savonius Rüzgâr Türbinleri:

Dikey eksenli Savonius rüzgâr türbini ilk olarak 1924 yılında Finli mühendis Sigurd Savonius tarafından icat edilmiş olup 1929 yılında patenti alınmıştır. Yapısının basit olması ve kolay inşa edilmesi tüm ilgileri üzerine çekmesini sağlamıştır. Savonius türbinlerinin başlangıç torkları yüksektir. Bunun sebebi aerodinamik yapıları gereği herhangi bir yönde esen rüzgârı alabilme özelliğinden kaynaklanmaktadır. Verimleri yatay eksenli rüzgâr türbinlerine göre oldukça düşüktür. Savonius rüzgâr türbinlerinin bakımı ve işletmesi oldukça basittir. İki yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirine göre simetrik olarak kaydırılmış, “kanat” adı verilen iki yarım silindirden oluşmaktadır. Belirli bir hızla gelen rüzgârın etkisiyle, çarkı oluşturan silindirin iç kısmında pozitif ve dış kısmında negatif bir momenti olmaktadır.

Pozitif moment, negatif momentten daha büyük olduğundan, dönme hareketi pozitif moment yönünde sağlanır. Diğer DERT’lere göre düşük rüzgâr hızlarında iyi başlangıç karakteristiklerine sahip olması, yapımının kolay ve ucuz olması, rüzgârın yönünden bağımsız olması ve kendi kendine ilk harekete başlaması gibi birçok üstünlüklere sahip olan Savonius RT’lerinin, aerodinamik performansı düşük olduğu için ilk uygulama alanları; havalandırma, su pompalama gibi kısıtlı alanlar olmuştur. Savonius RT’nin birçok üstünlüğü bulunmasına rağmen, aerodinamik performanslarının düşüklüğü nedeniyle kullanılmamaktadır. Son yıllarda yapılan Savonius RT çalışmaları, aerodinamik performansın geliştirmesi yönünde olmuştur.

Aldoss ve Najjar, (1985) bu çarkın performansı üzerine; “sallanan kanatlı çark” kullanarak deneysel bir çalışma yapmışlardır. Çalışmalarında Savonius RT’nin performansını hem rüzgârın gerisinde hem de rüzgâra doğru, çark kanatlarının bir optimum açı ile geriye doğru salınmasına müsaade ederek geliştirmişlerdir. Reupke ve Probert, (1991) Savonius RT’nin çalışma etkinliğini arttırmak için, türbin kanatlarının kavisli kısımlarının yerine bir sıra menteşelenmiş kanatçıklar yerleştirmiştir.

Kanatçıklar rüzgâra doğru ilerlerken, rüzgâr basıncının etkisinde otomatik olarak açılmış ve daha az akış direnci elde edilmiştir. Kanatçıkların ilk konuma gelirken, tekrar otomatik olarak kapandığını tespit edip, çok düşük uç hız oranlarında, düzeltilmiş parçalı kanatlı çarklardan, klasik Savonius RT’lerine oranla daha yüksek momentler elde edildiğini belirlemişlerdir.

Şekil 5.2 Dikey Rüzgâr Türbinleri

5.1.1.1.2 Darrieus Rüzgâr Türbinleri:

1931 yılında Fransız mühendis George J.M. Darrieus tarafından icat edilmiştir. 1970 ve 1980’lerde Amerika ve Kanada’da Darrieus türbinlerinin kanat tasarımları üzerine geniş çalışmalar yapılmıştır. Kanatları geometrik formlu aerodinamik profile sahip olduğundan yüksek performanslıdır. Kanatlardaki hafif eğim sayesinde kanatlardaki çekme gerilimleri minimuma iner. Yüksek hızlarda çalışabilir ve türbin; 2 veya 3 kanatlı olur. İlk hareket için Savonius RT veya bir tahrik motoru gerekmektedir.

5.1.1.1.3 H-Darrieus Rüzgâr Türbinleri:

Dikey eksenli en önemli RT’lerden biridir. Darrirus RT’nin geliştirilmesiyle meydana gelen daha karmaşık tipte bir türbinidir. Darrirus RT’den iki önemli farkla ayrılır. Bunlar:

• Aerodinamik profili düzdür.
• Kanatlara pitch kontrol uygulanır.

H-Darrieus türbinlerinin avantajları söyle sıralanabilir:

• Jeneratör ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için, türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez. Böylece kule masrafı olmaz.
• Türbini rüzgâr yönüne çevirmeye gerek yoktur. Yani dümen sistemine ihtiyaç yoktur. Türbin mili hariç diğer parçaların bakım ve onarımı yoktur.
• Elde edilen güç toprak seviyesinde çıktığından, nakledilmesi daha kolaydır.

H-Darrieus türbinlerinin dezavantajları ise şöyledir:

• Yere yakın oldukları için alt noktalardaki rüzgâr hızları düşüktür.
• Verimi düşüktür.
• Çalışmaya başlaması için bir motor tarafından ilk hareketin verilmesi gerekir.
• İlk hareket motoruna ihtiyacı vardır.
• Ayakta durabilmesi için tellerle yere sabitlenmesi gerekir. Bu da pek pratik değildir.
• Türbin mili yataklarının değişmesi gerektiğinde, makinenin tamamının yere yatırılması gerekir.

5.1.1.2 Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinleri

Bu türbinlerde; dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel, kanatlar rüzgâr yönüne diktir. Bu türbinlerde rotor kanatların sayısı azaldıkça rotor daha hızlı dönmektedir. Bu türbinlerin verimi yaklaşık %45’tir. YERT genel olarak yerden 20-30 metre yüksekte ve çevredeki engellerden 10 metre 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 ve λ > 15 Tek kanatlı rotor kullanılır.

YERT, farklı sayıda rotor kanadına sahip olan ve rüzgârı önden alan veya rüzgârı arkadan alan sistemler olarak da çeşitlilik gösterirler. Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanırlar. Rüzgârı arkadan alan rüzgâr türbinlerinin ise, yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgârı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgâr gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgâra bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerde ise; eğer rotor ve gövde uygun şekilde tasarlanmışsa, dümen sistemine gerek yoktur. Bu nedenle daha hafiftirler. Fakat büyük çaplı türbinlerde rüzgârın arkadan gelmesi tercih edilmez. Bunun nedeni ise; serbestçe dönmeye bırakılan türbinin elektrik enerjisini taşıyan kabloları burmasıdır. 1000 A gibi yüksek akımlarla çalışan bu sistemde, akımın mekanik sistemlerle de toplanması sağlıklı değildir. Fakat küçük çaplı türbinlerde kolaylıkla uygulanabilirler. Yatay eksenli türbinlerin bir başka sınıflandırması ise, dönme hızlarına göredir. Yavaş hızlarda çalışan rüzgâr türbinleri ve yüksek hızlarda çalışan rüzgâr türbinleri adı altında iki gruba ayrılırlar. Burada sınıflandırma, rüzgâr alma yönüne göre yapılacaktır.

5.1.2 Rüzgârı Alış Yönlerine Göre Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması

5.1.2.1 Rüzgârı Arkadan Alan Makineler

Bu makinelerin rotorları kule arkasına konur. Bunların önemli üstünlüğü rüzgâra dönmek için “yaw” mekanizmasına gerek duymayışlarıdır. Eğer nacelle ve rotor uygun tasarlanırsa, nacelle rüzgârı pasif olarak izler. Daha önemli bir üstünlük kanatların esnek özelliğe sahip olmasıdır. Bu hem ağırlık hem de makinenin güç dinamiği açısından önemli bir üstünlüktür. Böylece bu makinelerin avantajları; önden rüzgârlı makinelere göre daha hafif yapılması sonucu kule yükünün azalmasıdır. Ancak, bu tür türbinlerde meydana gelen güç dalgalanması, türbine önden rüzgârlı makinelerden daha çok zarar verir.

5.1.2.2 Rüzgârı Önden Alan Makineler

Yıllardır yaygın olarak kullanılan bu makinelerde rotor yüzü rüzgâra dönüktür. En önemli üstünlüğü, yukarıda da değindiğimiz gibi kulenin arkasında olacak rüzgâr gölgeleme etkisine çok az maruz kalmasıdır, yani rüzgâr kuleye eğilerek varır. Kule yuvarlak ve düz olsa bile ka- nadın kuleden her geçişinde türbinin ürettiği güç biraz azalır. Bu nedenle rüzgâr çekilmesinden dolayı kanatların sert yapılması gerekir ve kanatların kuleden biraz uzakta yerleştirilmesi gerekir. Ayrıca, önden rüzgârlı makineler, rotoru rüzgâra karşı döndürmek için yaw mekanizmasına gerek duyarlar.

5.1.3 Tek Kanatlı Rüzgâr Türbinleri:

Tek kanatlı RT’nin yapılmasının sebebi, kanat sayısına göre dönme hızının yüksek olmasıdır. Bu sayede makine kütlesini ve rotorun döndürme momentini azaltmaktır. Ek olarak rotor kanadı, kanat üzerindeki yapısal yükleri azaltacak mekanizma ve kanat mekanizma hareketinin pürüzsüz olabilmesi için, tek menteşe ile sabitleştirilip, 2 karşı ağırlıkla dengelenmelidir. Diğer taraftan tek kanatlı rotorlarda, ilave yüklerden ortaya çıkan aerodinamik balanssızlık ve mekanizma hareketinin kontrol altında tutulması için kanat bağlantı noktaları çok iyi yapılmalıdır. Bir kanatlı RT’nin kanat uç hızı, üç kanatlı RT ile karşılaştırıldığında, iki kat daha yüksektir. Bu da çalışma esnasında aşırı gürültüye sebebiyet vermektedir.

5.1.4 Çift Kanatlı Rüzgâr Türbinleri:

Üç kanatlı türbinlere göre rotor maliyetinin azaltılmak istenmesi bu türbin fikrini doğurmuştur. Birçok ülkede 10 ile 100 metre rotor çaplı ölçülerde RT’ler tasarlanıp, Avrupa ve ABD’de çalışmaya başlamıştır. Bu ticari RT’lerden sadece birkaç tanesi prototip durumundan, seri üretime geçebilmiştir. İki kanatlı rotorun balansı, bir kanatlı rotora göre daha düzgündür. Fakat maalesef iki kanatlı rotorun sebep olduğu dinamik hareketleri önlemek için ilave teknik güç, maliyetin daha fazla artışına sebep olmaktadır. Kanat bağlantı noktalarının titreşimini azaltmak için rotora kadran sistemi ilave edilmiştir. Bu kadran, rotor şaftına dikey ve iki rotor kanadına dik yerleştirilir. Üç kanatlı rotorla karşılaştırıldığında en büyük avantajı; kanat uç hızlarının yüksek olmasıdır. Bu RT’nin gürültü seviyesinin yüksek olması ve düşük rüzgâr hızlarında (3 m/sn ) çalıştırılması dezavantajıdır.

5.1.5 Üç Kanatlı Rüzgâr Türbinleri:

Üç kanatlı modern türbinler, dünyanın her tarafında kullanılmaktadır. Üç kanat kullanımının asıl sebebi, dönme momentinin daha düzgün olmasıdır. Bu türbinde, türbinin yapısı üzerinde depolanan yüklerden dolayı salınım yapan atalet momenti olmadığından, kanat bağlantı göbeğinin içinde titreşimi önleyici pahalı parçalara gerek yoktur. Kanat uç hızı 70 m/s altında olduğundan gürültünün düşüklüğü, sarsıntısız döndükleri için göz estetiğini bozmamaları önemli bir avantaj olup, halk tarafından kabulünü sağlamıştır. Küçük güçlü RT’lerde, üç kanatlı rotor kullanıldığında güç problemleri ortaya çıkar. Bu problemin çözümü için düşük devirde dönen rotorun devir sayısını 1/n oranında arttıran dişliler kullanılır ve “cut in” olarak adlandırılan hız değerine ulaşıncaya kadar, jeneratör boşta çalıştırılır.

5.1.6 Rüzgâr Hızına Göre Rüzgâr Türbinleri

5.1.6.1 Düşük Hızlarda Çalışan Rüzgâr Türbinleri:

İlk olarak 1870’li yıllarda ABD’de çok kanatlı düşük hızlarda çalışan türbinler üretilmeye başlanmıştır. Günümüzde 12 ile 24 adet arasında değişen kanatlar, rotorun neredeyse tüm yüzeyini kaplar. Yerleştirilen kuyruk kanadı dümen işlevini görür. Genellikle bu tip rüzgâr türbinlerinin çapı 5 ile 8 metre arasında değişir. Bu tipin en büyük örneği ABD’de inşa edilmiş olup, çapı 15 metredir. Yavaş çalışan rüzgâr türbinleri 2-3 m/s arası rüzgâr hızlarında kendiliğinden çalışmaya başlarlar. Bu türbinlerin özellikleri aşağıda maddeler halinde belirtilmiştir:

• Genellikle hızları 3-7 m/s arasında değişen rüzgârlarda kullanılırlar.
• Elektrik üretimi için verimleri düşüktür.
• Çap büyüdükçe ağırlık artacağından, bu türbinleri kurmak kolay değildir.
• Bu tipteki türbinler, daha çok su pompalama işi için idealdirler. Genellikle pistonlu pompalarda kullanılırlar.

5.1.6.2 Yüksek Hızlarda Çalışan Rüzgâr Türbinleri:

Yüksek hızlarda çalışan bu tip rüzgâr türbinlerinde kanat sayısı 1 ile 4 adet arasındadır. Düşük hızlarda çalışan çok kanatlı rüzgâr türbinlerinden çok daha fazla hafiftirler. İki kanatlı türbinler, üç kanatlılara göre %2-3 daha az verimlidir. Tek kanatlı türbinler ise, iki kanatlı tür- binlerden %6 daha az verimlidirler. Ayrıca tek kanatlı türbinlerde dengeleyici olarak karşı ağırlık kullanılır. Yüksek rüzgâr hızlarında çalışan bu tip türbinlerde kanat sayısı arttıkça verim artar. Ancak 3 kanattan daha fazla sayıda kanat, maliyeti önemli ölçüde arttıracağından tercih edilmez. Bir ve iki kanatlı türbinler daha hızlı döndüklerinden, üç kanatlı türbinlere göre daha fazla gürültü yaparlar. Bütün bunların yanında, üç kanatlı türbinlerin estetik görünüşleri de bu tip türbinlerin daha çok tercih edilmesinde önemli bir etkendir. Söz konusu türbinlerin yavaş hızlarda çalışan rüzgâr türbinlerine göre avantajları şunlardır:

• Düşük kanat sayısı; bu tipteki türbinlerin fiyatını ve ağırlığını önemli ölçüde azaltır. Ani rüzgâr patlamalarından kaynaklanan basınç değişimlerinden az etkilenirler.
• Çok yüksek hızlarda çalışan kanat koruyucu sistemleri, bu tip türbinlerde daha ucuzdur.
• Yüksek verimleri nedeniyle günümüzde elektrik üretimi amaçlı kullanılan rüzgâr türbinlerinin büyük çoğunluğu bu tip türbinlerdir.