ODTÜ RÜZGEM – Rüzgar enerjisi teknolojileri araştırma ve uygulama merkezi

ODTÜ RÜZGEM – Rüzgar Enerjisi Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi

Küresel ısınma ve yaşanan çevre problemleri ile yenilenebilir enerjinin önemi ve gerekliliği her alanda görülmektedir. Onuncu Kalkınma Planı’nda (Kalkınma Bakanlığı, 2013) ülkemiz üretim sistemi içinde yerli ve yenilenebilir enerji kaynaklarının payının azami ölçüde yükseltilmesinin hedefleneceği vurgulanmaktadır. Buna paralel olarak, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı yenilenebilir kaynaklardan enerji üretimi konusunda oldukça öncü ulusal hedefler belirlemiştir. Örneğin, 2023 yılı için, tüketilen enerjinin %30’unun yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanması hedeflenmektedir (ETKB, 2010). Bu hedeflere ulaşırken, yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden rüzgârın daha etkin ve etkili kullanılması ve dolayısıyla, bir küresel kazanım olarak değerlendirilmesi gerekmektedir.

Türkiye’de ilk rüzgâr enerjisi çalışmaları 1980’li yıllarda Elektrik İşleri Etüd İdaresi (EİE) Genel Müdürlüğü tarafından başlatılmıştır. İlk rüzgâr türbin çiftliği 1998 yılında Çeşme’de 0.6 MW toplam güç kapasitesi ile kurulmuş, 10 Mayıs 2005 tarihinde kabul edilen “Yenilenebilir Enerji Yasası”nı takiben de Türkiye rüzgâr enerjisi santralları kurulumuna yönelik büyük bir atılım içerisine girmiştir.

2002 yılında Elektrik İşleri Etüd İdaresi ile Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüklerinin işbirliği ile hazırlanan rüzgâr haritasından sonra, 2006 yılında yine Elektrik İşleri Etüd İdaresi hizmet alımı yolu ile REPA Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası’nı hazırlatarak 2007 yılı başında yayına koymuştur. 2007 yılının Kasım ayında Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu (EPDK) tarafından Rüzgâr Enerjisi Santralleri (RES) üretim lisansı başvuruları kabul edilmiş, bir gün içinde rekor sayılabilecek ölçüde başvuru gerçekleşmiştir. 2010 yılı Aralık ayı içerisinde “Yenilenebilir Enerji Yasası” güncellenmiş ve “yerli ürün” kullanımına teşvikler getirilmiştir. Türkiye’de 2014 yılı sonunda kurulu güç 3762 MW’a ulaşmıştır (TÜREB, 2015). Yüksek Planlama Kurulu’nun 18/5/2009 tarihli ve 2009/11 no’lu kararı ile 2023 yılı hedefi 20000 MW olarak belirlenmiştir.

Türkiye’nin rüzgâr enerjisi konusunda ortaya koyduğu ulusal hedeflere ulaşabilmesini, bu hedeflere ulaşırken teknolojik dışa bağımlılığı en aza indirmeyi ve dünya rüzgâr enerjisi pazarında pay ve söz sahibi olabilmesine katkıda bulunmayı amaçlayan ODTÜ RÜZGEM – Rüzgâr Enerjisi Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi, Türkiye’de rüzgâr enerjisi alanındaki ilk ve tek araştırma merkezi olarak 28 Şubat 2011 tarihli Resmi Gazete ilanı ve Devlet Planlama Teşkilatı’nın (Kalkınma Bakanlığı) altyapı proje desteği ile kurulmuştur.

Merkez, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü öğretim üyelerinin öncülüğünde, dokuz farklı bölümün (Havacılık ve Uzay, Makine, Elektrik Elektronik, Metalürji ve Malzeme, İnşaat Mühendislikleri ile İstatistik, Mimarlık, Şehir ve Bölge Planlama ve İşletme Bölümleri) işbirliği çerçevesinde faaliyet göstermektedir.

ODTÜ-RÜZGEM, rüzgâr enerjisi teknolojilerinde yenilikçi tasarım ve yetkin test/akreditasyon faaliyetleri ile ulusal odak noktası olmak ve uluslararası düzeyde araştırma yapmak uz görüsüyle kurulmuştur. Merkez, rüzgâr enerjisi alanında bilimsel ve teknolojik araştırmalar yaparak özgün teknolojiler geliştirmeyi hedeflemektedir.

Merkezin ulusal ve uluslararası çeşitli platformlarda üyelikleri bulunmaktadır. Ulusal alanda, ODTÜ bünyesindeki Yenilenebilir Enerji, Eko-sistemler ve Sürdürülebilirlik Araştırma Platformu’nun (YESAP) bir parçası olan RÜZGEM, Türkiye Rüzgâr Enerjisi Birliği (TÜREB) üyesidir. Uluslararası alanda ise, rüzgâr enerjisi konusunda Avrupa’daki öncü platformlardan Avrupa Enerji Araştırmaları Birliği – Rüzgâr Ortak Programı (EERA JP Wind – European Energy Research Alliance) assosiye üyesi ve Avrupa’daki önemli araştırma merkezleri ve üniversitelerin tescilli organı olan Avrupa Rüzgâr Enerjisi Akademisi (EAWE – European Academy of Wind Energy) asil üyesidir.

Yaklaşık 30 öğretim üyesi ve 20 doktora ve yüksek lisans düzeyindeki araştırmacısı ile çalışmalarına devam etmekte olan merkez, rüzgâr enerjisi teknolojileri araştırmaları ile ilgili en güncel teknolojiye sahip ölçüm sistemleri ve test düzenekleri ile donatılmakta olan dört ana laboratuvardan oluşmaktadır:

• Aerodinamik Laboratuvarı
• Yapı ve Malzeme Laboratuvarı

oKompozit Malzeme Laboratuvarı

oYapısal Mekanik ve Malzeme Laboratuvarı

oYapısal Dinamik Laboratuvarı

• Elektromekanik Laboratuvarı
• Yüksek Başarımlı Hesaplama Laboratuvarı.

Merkezde dört ana laboratuvar kapsamında rüzgâr enerjisi ve türbin sistemleri temelinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışma alanları, rotor aerodinamiği, kanat tasarımı ve optimizasyonu, rüzgâr türbin sistem tasarımı, rüzgâr çiftliği tasarımı ve optimizasyonu, topoğrafik analizler ve mikro-yerleştirme, enerji depolama, güç elektroniği, şebeke entegrasyonu ve akıllı-şebeke sistemleri, yenilikçi kontrol teknikleri ve adaptif kontrol, akıllı yapılar, kompozit malzemeler, kompozit malzeme mekaniği, malzeme karakterizasyonu, hasar mekaniği, yapısal optimizasyon, yapısal dinamik ve aeroelastisite, kompozit malzemeler için yenilikçi üretim teknikleri, kule ve temel tasarımı gibi teknik konuları içerirken, merkez bünyesinde laboratuvar çalışmalarının yanı sıra mimari ve bölgesel entegrasyon, kamusal farkındalık, kamusal kabullenme ve rüzgâr enerjisinin sosyo-ekonomik boyutları gibi sosyal konular üzerine de çalışmalar yürütülmektedir.

 Resim 1. RÜZGEM Laboratuvarları

Aerodinamik laboratuvarı kapsamında, rüzgâr türbini rotor aerodinamiği, akış kontrol sistemleri, rüzgâr türbini iz etkileşimleri ve rüzgâr çiftliklerinin simülasyonu üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar hem ticari hem de merkez bünyesinde geliştirilen özgün yazılımlar kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Ayrıca çeşitli amaçlarla kullanılmak üzere farklı boyutlarda rüzgâr tünelleri bulunmaktadır. RÜZGEM’in en büyük altyapı yatırımlarından biri olan “Büyük Rüzgâr Tüneli”, Türkiye’de ve Avrupa’da sayılı rüzgâr tünellerinden biridir. Rüzgâr sektörünün yanı sıra havacılık ve inşaat sektörlerinde ihtiyaç duyulan çeşitli aerodinamik testlerin (açık-jet, atmosferik sınır tabakası) yapılacağı, çok amaçlı 3 farklı test odasının bulunduğu tünel, 2100 m2lik alana sahip ayrı bir hangar binasında yer alacak ve 2016 yılında aktif hale gelecektir.

Resim 2. RÜZGEM Büyük Rüzgâr Tüneli

Resim 3: RÜZGEM Büyük Rüzgar Tüneli

Resim 4: RÜZGEM Rüzgâr Tüneli deneyleri

RÜZGEM Yapı ve Malzeme laboratuvarı üç farklı laboratuvardan oluşmaktadır. Kompozit ve Malzeme Laboratuvarında kompozit malzemelerin karakterizasyonu, üretimi, kompozit malzemelerden üretilmiş yapıların tasarım, analiz ve optimizasyonu ile ilgili sayısal ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır.

Resim 5. RÜZGEM Kompozit ve Malzeme Laboratuvarı numune testleri

Yapısal Mekanik ve Malzeme Laboratuvarı kapsamında rüzgâr enerjisi, havacılık ve uzay sektörlerinde kullanılan yapı elemanların ve malzemelerin mekanik testleri ve sayısal modellemeleri ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. Tam boyutlu yapı ile parça ve kupon testleri yapılabilmekte; ayrıca laboratuvar bünyesinde yer alan test düzeneği ile 5-10 m büyüklükteki rüzgâr türbin kanatlarının yorgunluk, statik yükleme, dayanım testleri gerçekleştirilmektedir.

Resim 6. RÜZGEM Yapısal Mekanik ve Malzeme Laboratuvarı kırılma testleri

Yapısal Dinamik Laboratuvarında, rüzgâr enerjisi, havacılık ve uzay, makine, inşaat mühendisliği yapılarının titreşim ve yapısal dinamik davranışlarının karakterizasyonuna yönelik analiz ve test çalışmaları yapılmaktadır. Ayrıca en güncel teknolojiye sahip optik ölçüm cihazları ile çeşitli yapısal parçaların detaylı modal analizleri yapılabilmektedir.

Altyapı oluşturma ve yapılanma süreci devam etmekte olan Elektromekanik Laboratuvarı kapsamında 10 kW test ortamında gerçekleştirilen türbin simülasyonları ile jeneratör karakteristikleri ve kontrol sistemlerinin belirlenmesi ve şebeke entegrasyonu konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Bu laboratuvar bünyesinde, türbinlerin farklı rüzgâr hızlarındaki verimlilikleri hesaplanabilecek, ani rüzgâr değişikliklerinde türbin şaftı üzerinde oluşan kuvvetlerin ve jeneratöre zarar verecek durumların saptanması ile ilgili çalışmalar gerçekleştirilecektir.

Son olarak, Yüksek Başarımlı Hesaplama Laboratuvarında akademik araştırma ve eğitim amacıyla kullanılan 512 çekirdekli güçlü bir bilgisayar altyapısı bulunmaktadır. Bu laboratuvar kapsamında topoğrafya analizleri, mikro konumlandırma, rotor ve kanat aerodinamiği ile iz bölgesi (wake) etkileşimleri gibi konularda detaylı ve kompleks Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yapılmaktadır.

RÜZGEM, Türkiye’nin rüzgâr enerjisi konusunda ortaya koyduğu hedeflere ulaşmasında temel oluşturan özgün teknolojilerin geliştirilmesine yönelik Ar-Ge faaliyetlerinde bulunacak, rüzgâr enerjisi endüstrisine tasarım, analiz, test ve teknoloji desteği verecek; ayrıca rüzgâr enerjisinin sosyo-ekonomik boyutunun anlaşılmasına yönelik çalışmalar gerçekleştirecektir. RÜZGEM, rüzgâr enerjisi teknolojileri ve sosyo-ekonomik alanlarda gerçekleştireceği akademik çalışmalar, bilimsel araştırmalar, düzenleyeceği çalıştaylar, eğitim seminerleri ve koordine edeceği ulusal ve uluslararası işbirlikleri ile ulusal bir odak noktası haline gelmeyi amaçlamaktadır.

Kaynaklar: 

-Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı. 2010. 2010 – 2014 Dönemi strateji planı. http://www.enerji.gov.tr/yayinlar_raporlar/ETKB_2010_2014_Stratejik_Plani.pdf

-Kalkınma Bakanlığı. 2013. Onuncu kalkınma planı 2014-2018. Ankara.

-TÜREB. 2015. Türkiye rüzgâr enerjisi istatistik raporu. http://www.tureb.com.tr/attachments/article/420/T%C3%BCrkiye%20R%C3%BCzgar%20Enerjisi%20%C4%B0statistik%20Raporu_Ocak%202015.pdf

İNGİLİZCESİ;

METU Center for Wind Energy: Capabilities and Research

Importance and necessity of renewable energy sources is perceived in all fields due to the growing global warming and environmental problems. Maximizing the amount of national renewable energy sources within the Turkish energy production system is also emphasized in the 10th Development Plan of Turkey (Ministry of Development, 2013). On the other hand, Ministry of Energy and Natural Resources (MENR) have set critical goals about obtaining energy from renewable energy sources. For instance, in this respect, for 2023 MENR have targeted to supply 30% of the consumed energy from renewable energy resources (MENR, 2010). While achieving these objectives, wind energy as one of the most significant renewable energy sources should be utilized much more efficiently and effectively, both as a national and a global gain.

The very first wind energy studies in Turkey have been started in 1980s by the General Directorate of Electric Power Resources Survey and Development Administration. The first wind farm has been established in Çeşme, in 1998, with a total capacity of 0.6 MW. With the “Renewable Energy Law” enacted in May 10th, 2005, Turkey has shown a major progress in constructing wind power plants. In 2002 a wind chart was prepared with a collaborative effort of General Directorate of Electric Power Resources Survey and Development Administration (EIE) and General Directorate of Turkish State Meteorology Service (TSMS). Following that, in 2006 General Directorate of Electric Power Resources Survey and Development Administration have prepared a Wind Energy Potential Atlas (REPA) and published in 2007. In November 2007, Turkish Energy Market Regulatory Authority (EMRA – EPDK) has received a record number of applications for the production license of Wind Energy Power Stations within a day. During December 2010 “Renewable Energy Law” has been updated with incentives about the use of domestic (nationally produced) products in wind energy investments. By the end of 2014, installed capacity of Turkey has reached to 3762 MW (TWEA, 2015). Higher Planning Council, based on its 2009/11 numbered and 18/05/2009 dated decision, has set the target of installed capacity for 2023 as 20000 MW.

In order to enable Turkey to reach its above-mentioned national targets, whilst minimize foreign technology dependency as well as to have a central position in the global wind energy market “METU Center for Wind Energy – METUWIND” is established as first and only research center in the field of wind energy in 28 February 2011, based on the legal grounds of the Higher Education law n◦ 2547, with the leadership of the Department of Aerospace Engineering at the Middle East Technical University. The center is funded through a research infrastructure project grant provided by the State Planning Agency of Turkey (currently Ministry of Development).

The center is the result of a collaborative effort of nine METU departments led by Aerospace Engineering faculty members as well as members from departments of Mechanical, Electrical-Electronics, Materials and Civil Engineering, Statistics, Architecture, City and Regional Planning and Business Administration.

METUWIND is established with the vocation of becoming the center of attraction at the national and international level with its scientific and technological research on the wind energy.

METUWIND is part of a number of national and international organizations.  At the national level, METUWIND is part of Renewable Energy, Eco-systems and Sustainability Research Platform of METU (YESAP) and Turkish Wind Energy Association (TWEA). At the international level METUWIND is a member of pioneering wind energy platforms in Europe such as the European Energy Research Alliance –Joint Program Wind (EERA JP Wind) (associate member) and the European Academy of Wind Energy (EAWE) (full member).

Currently about 30 faculty members and 20 master and PhD level researchers contribute to the activities at METUWIND. METUWIND test facilities and state-of-the-art measurement equipment for wind energy related research are organized under four main laboratories equipped with most up-to-date technology:

• Aerodynamics Laboratory
• Structures and Materials Laboratories:

oComposite Materials Laboratory

oStructural Mechanics and Materials Laboratory

oStructural Dynamics Laboratory

• Electromechanics Laboratory
• High Performance Computing Laboratory

Center carries out wind energy and wind turbine systems related research under these four main laboratories. Research activities mainly focus on rotor and wake aerodynamics, structural design and optimization, wind turbine systems design, wind farm design and optimization, topographical analysis and micrositing, energy storage, power electronics and smart grid systems, innovative control techniques and adaptive control, smart structures, composites (thermoplastics), mechanics of composite materials, material characterization, damage mechanics, structural optimization, structural dynamics and aeroelasticity, innovative manufacturing techniques for composite blades, tower and foundation design. On the other hand, apart from studies of the laboratories, METUWIND also conducts studies on socio-economic aspects of wind energy such as architectural and regional integration, public awareness and societal acceptance/engagement.

 Figure 1: METUWIND Laboratories

Research in METUWIND Aerodynamics Laboratory mainly focuses on wind turbine rotor aerodynamics, flow control systems, wake interactions and wind farm simulations. These studies are performed by using various in-house codes as well as commercial software packages. Laboratory holds a number of wind tunnels in different scales for various purposes. METUWIND “Large Scale Wind Tunnel” as one of the few wind tunnels at this scale both in Turkey and Europe is one of the largest infrastructure investments of METUWIND. Apart from the wind energy sector, the tunnel will also serve for the aerospace and civil engineering industry aerodynamic tests (such as open-jet, atmospheric boundary layer tests) with its multi-purpose test rooms. METUWIND Large Scale Wind Tunnel will take place in a new hangar building with 2100 m2 base area, and will be active in 2016.

 Figure 2: METUWIND LargeScale Wind Tunnel

Figure3: METUWIND Large Scale Wind Tunnel

Figure 4: METUWIND WindTunnel Tests

Structures and Materials Laboratory is composed of three different laboratories. Composite Materials Laboratory focuses on numerical and experimental studies on composite material characterization, composite manufacturing and design, analysis and optimization of structures composed of composite materials.

Figure 5: METUWIND CompositeMaterials Laboratory specimen tests

The Structural Mechanics and Materials Laboratory focuses on mechanical testing and computational modeling of structural components and materials used in the Aerospace and Wind Energy industries. Mechanical testing can be conducted for full-size structural/components up to 10 m long as well as for material coupons. Laboratory is equipped with test facilities with tension/torsion tests for fatigue, static loading and toughness of wind turbine blade materials.

Figure 6: METUWIND Structural Mechanics and Materials Laboratory Fatiguetests

Structural Dynamics Laboratory mainly focuses on characterizing the vibration and/or structural dynamic behavior of wind energy, aerospace, mechanical and civil engineering structures. Using state-of-the-art optical measurement capability detailed modal analysis can be conducted on various structural components.

METUWIND Electromechanics Laboratory conducts testing and measurement studies for wind turbine simulations, defining generator characteristics and control systems as well as grid integration issues, currently using its 10 kW test setup.  Calculation of turbine efficiency under different wind velocities, identification of forces on turbine shaft due to gust and damage possibilities of this and other reasons on generators will be studied within the context of this laboratory.

Finally, High Performance Computing Laboratory provides a powerful computer infrastructure composed of 512 CPU clusters for the use of academic research and education purposes. Topographical analyses, micro siting studies as well as detailed and complex Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis for rotor and blade aerodynamics together with wake interactions are conducted within this laboratory.

METUWIND will provide design, analysis and test facilities for wind energy industry together with the focus on socio-economic aspects. METUWIND aims to become the center of attraction at the national and international through leading and coordinating academic and scientific research activities, collaborations, workshops and seminars on technical and socio-economic aspects of wind energy.

References:

-Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı. 2010. 2010 – 2014 Dönemi strateji planı. http://www.enerji.gov.tr/yayinlar_raporlar/ETKB_2010_2014_Stratejik_Plani.pdf

-Kalkınma Bakanlığı. 2013. Onuncu kalkınma planı 2014-2018. Ankara.

-TÜREB. 2015. Türkiye rüzgâr enerjisi istatistik raporu. http://www.tureb.com.tr/attachments/article/420/T%C3%BCrkiye%20R%C3%BCzgar%20Enerjisi%20%C4%B0statistik%20Raporu_Ocak%202015.pdf