Rüzgar türbini elemanları, nasel, dişli kutusu, mekanik frenli yüksek hız mili, düşük hız mili, kule, göbek, pervane kanatları, hidrolik sistem, elektrik üreteci, elektronik kontrol ünitesi, soğutma birimi, anemometre, eğim mekanizmasıdır.

Nasel

Nasel, türbininin dişli kutusunu ve elektrik üreteci gibi temel parçalarını içerir. Servis personeli, makina yerine türbin kulesinden girebilir. Naselin solunda, türbin pervanesi, pervane kanatları ve göbek bulunur.

Dişli Kutusu

Dişli kutusunda, solda düşük hız mili bulunur. Sağdaki yüksek hız milinin, düşük hız milinden 50 kat hızlı dönmesini sağlar.

Mekanik Frenli Yüksek Hız Mili

Mekanik frenli yüksek hız mili, dakikada yaklaşık 1500 devir hız ile döner ve elektrik üretecini çalıştırır. Bir acil durum mekanik freni vardır. Mekanik fren, aerodinamik frenlerin çalışmaması durumunda veya türbin bakımdayken kullanılır.

Düşük Hız Mili

Rüzgar türbininin düşük hız mili, pervane göbeğini dişli kutusuna bağlar. Modern bir 600 kW Rüzgar türbininde dişli nispeten yavaş, dakikada 19 – 30 devir hızı ile döner. Bu mil aerodinamik frenlerin çalışması için hidrolik sisteme ait borular içerir.

Kule

Kule, naseli ve pervaneyi taşır. Kulenin yüksekliği avantajlıdır. Zeminden uzaklaşmak hızı artırır. Tipik, modern, ortalama bir türbinde 40 – 60 metrelik bir kule bulunur.

Kulelerin biçimi, dairesel ya da kafes biçiminde olabilir. Dairesel kulelerde türbinin tepesine ulaşmak için dairesel bir merdiven yer alabilir, bu da personelin kuleyi denetlemesini kolaylaştırır. Kafes kulelerse daha az maliyetlidir.

Göbek

Pervane göbeği, türbinin düşük hız miline bağlanmış durumdadır.

Pervane Kanatları

Pervane kanatları, yakaladığı rüzgarın gücünü pervane göbeğine aktarır. 600 kW kapasitedeki modern bir türbinde pervane kanatlarının her birinin uzunluğu 20 metre civarındadır. Aerodinamik olarak uçak kanadıyla benzer biçimde tasarlanır.

Hidrolik Sistem

Hidrolik sistem, türbinin aerodinamik frenlerini içerir.

Elektrik Üreteci

Elektrik üreteci, bir senkron üreteç veya asenkron üreteçten meydana gelir. Modern bir Rüzgar türbinininde azami elektrik gücü genelde 500 – 1500 kW arasındadır.

Elektronik Kontrol Ünitesi

Elektronik kontrol ünitesi, Rüzgar türbininin durumunu sürekli izleyen ve eğim mekanizmasını kontrol eden bir bilgisayar içerir. Bir arıza halinde (örneğin, dişli kutusu veya üretecin fazla ısınması) Rüzgar türbinini otomatik olarak durdurur ve telefon modem hattı vasıtasıyla türbin operatörünü bilgisayarına uyarı verir.

Soğutma Birimi

Soğutma ünitesi, üreteci soğutmak için kullanılan bir soğutma birimini içerir. Ayrıca dişli kutusundaki yağı soğutmak için kullanılan bir soğutma birimi de içerir.

Anemometre

Anemometre (Rüzgar ölçer) ve yelkovan, rüzgarın hızını ve yönünü ölçmede kullanılır.

Anemometreden gelen elektronik sinyalleri, Rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi , rüzgarın hızı 5 km/s hıza ulaştığında kanatları çalıştırmak için kullanır. Bilgisayar, türbini ve çevresini korumak için Rüzgar hızı 25 m/s’yi aştığında türbini otomatik olarak durdurur. Yelkovan, sinyalleri Rüzgar türbininin elektronik kontrol ünitesi tarafından rüzgar türbinini Rüzgara karşı döndürmek üzere rüzgâra karşı döndürmek üzere kullanılır.

Eğim Mekanizması

Eğim mekanizması, pervane ile birlikte naseli rüzgara karşı döndürmek amacıyla elektrik motorlarından faydalanır. Eğim mekanizmasını, yelkovanı kullanarak rüzgarın yönünü tespit eden elektronik kontrol ünitesi çalıştırır. Rüzgar, yön değiştirdiğinde türbin bir defada birkaç derecelik bir eğilme gerçekleştirir.

Rüzgar türbinleri, yatay eksenli rüzgar türbinleri ve dikey eksenli rüzgar türbinleri olmak üzere iki temel tipe ayrılır:

Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (YERT)

Yatay eksenli rüzgâr türbinlerinde dönme ekseni rüzgâr yönüne paralel konumlanmıştır. Kanatları ile rüzgar yönü arasındaysa dik açı mevcuttur. Ticari türbinlerde tercih  genellikle yatay eksenli türbin tipindedir. Rotor, döner tabla üzerine, rüzgarı en iyi alacak biçimde yerleştirilmiştir.

Yatay eksenli türbinlerde tasarım çoğunlukla, rüzgârı önden alacak biçimde yapılır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerin kullanımı yaygın değildir. Rüzgârı önden alan türbinlerin avantajı, kulenin meydana getirdiği rüzgâr gölgelenmesinin etkili olmamasıdır. Dezavantajıysa, türbinin yönünün sürekli rüzgara dönük olması için dümen sisteminin gerekmesidir.

Pervane tipi rüzgâr türbinleri, yatay eksenli türbinlere örnek olarak verilebilir. Bu türbinlerin kanatları tek ya da iki ve daha fazla parçadan da oluşabilir. En yaygın kullanılan tip, üç kanatlı olanlardır. Bu türbinler elektrik üretme amaçlı kullanılırlar. Geçmişteyse çok kanatlı türbinlerin kullanım alanları, tahıl öğütme, su pompalama ve ağaç kesme olmuştur

Düşey eksenli rüzgâr türbinleri (DERT)

Düşey eksenli rüzgar türbinlerde türbin mili düşeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Bu tip türbinlerin Savonius tipi, Darrieus tipi gibi alt tipleri vardır. Daha çok deney amaçlı üretilmiştir. Ticari kullanımları fazla yaygın değildir.

Bu türbinlerin avantajlarına göz atılacak olursa

• Üreteç  ve dişli kutusu yere yerleştirildiği için, türbini kule üzerine yerleştirmek gerekmez, kule masrafı ortadan kalkar.
• Türbinin rüzgâr yönüne çevrilmesine, dümen sistemine ihtiyaç yoktur.
• Türbin mili dışındaki diğer parçaların bakım ve onarımı kolaydır.
• Güç eldesi toprak düzeyinde gerçekleştiği için, nakledilmesi kolaydır.

Darrieus tipi rüzgâr türbininin patenti, Fransız havacılık mühendisi Georges Jean Marie Darrieus tarafından 1931’de alınmıştır.  Rüzgârın taşıdığı enerjiden elektrik üretmek için kullanılan bir “Dikey Eksenli Rüzgâr Türbini”dir (DERT).Türbin dikey bir mile montajı yapılmış  birkaç adet kıvrımlı aerofoil kanattan meydana gelir.

Savonius rüzgâr türbinleri, Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri sınıfına girmektedir, rüzgâr enerjisini dönen bir mile momentum temelinde aktarmak için kullanılır. İki ya da üç adet aerofoil, kepçe biçimindeki kesitin birleşimi şeklindedir. Yaygın olarak iki kepçeli olanlar kullanılır; “S” şeklini andıran bir görüntüsü vardır.

Betz yasası tasarımından bağımsız olarak rüzgardan elde edilebilecek en fazla gücü gösterir. Alman bilim insanı Albert Betz tarafından geliştirilmiştir.

Betz yasası, rüzgar akımından enerji çeken, ideal koşullarda çalıştığı varsayılan “çalıştırıcı disk” içinden akan hava akımının kütlesinin ve momentumunun korunumundan yola çıkmıştır.

Yasaya göre, hiçbir türbin, gücün % 59,3 oranından fazlasını yakalayamaz.

Bu nedenle, 16/27 (0,593) faktörü Betz katsayısı olarak bilinir. Pratikte, iyileştirilmiş rüzgar türbinleri Betz sınırının en yüksek oranı olan % 75-80’e ulaşır.

Betz limiti, açık diskli bir aktüatörü temel almaktadır. İlave rüzgar akışını toplamak ve onu türbin içinden yönlendirmek için bir difüzör kullanılırsa, daha fazla enerji çıkarılabilir, ancak sınır yine de tüm yapının enine kesiti için geçerlidir.

Tüm durumlar için geçerli

Betz yasası, Newtonyen davranan sıvılar, rüzgar dahil tüm durumlar için geçerlidir

Bir türbin içinden rüzgar hareketinden kaynaklanan tüm enerji faydalı enerji olarak çıkarılsaydı, rüzgar hızı bunun ardından sıfıra düşerdi.

Betz yasası, hava belirli bir alandan geçerken ve rüzgar hızı enerji kaybından türbinden çekime doğru yavaşladığında, hava akışının daha geniş bir alana dağılması gerektiğini göstermektedir.

Rüzgar, türbinin çıkışında hareket etmeyi durdurursa, daha fazla rüzgar, engeleneceği için içeri giremeyecektir. Rüzgarın türbin içinde hareket etmesini sağlamak için, diğer tarafta, küçük de olsa,  sıfırdan büyük bir rüzgar hızına sahip rüzgar hareketi olması gerekir.