Rüzgâr Türbini Çeşitleri & Kullanım Alanları

Gelişmiş ülkelerde fosil yakıt kullanımının artması, çevreye verilen zararları da belirgin şekilde artırmıştır. Bu durumu önlemek amacıyla, rüzgâr, güneş ve su gibi doğal kaynaklar kullanılarak sürdürülebilir enerji sistemleri geliştirilmiştir. Bu kaynaklar arasında, güneş enerjisinden sonra en çok tercih edilen enerji türü rüzgâr enerjisidir.
Rüzgâr enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümünde, havadaki yoğunluk farkları temel belirleyicidir. Bu farklardan kaynaklanan kinetik enerji, farklı türdeki türbinler aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. Böylece doğaya zarar vermeyen bir enerji kaynağı daha kullanım alanı bulmuştur. Rüzgâr türbinleri, kurulacak alanın özelliklerine ve üretilecek enerji miktarına göre tasarlanır. Türbinler; dikey eksenli, yatay eksenli ve eğik eksenli olmak üzere üç ana gruba ayrılır.

Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinleri

Dikey eksenli rüzgâr türbinlerinde, motor mili rüzgâr yönüne göre konumlandırılır. Bu tür türbinlerde kanatlar, dikey düzlemde yerleştirilir ve rüzgâr yönüne bağımlı olmadan çalışabilir. Türbinin çalışma alanı yere yakın seviyelerden başlayarak üst noktaya kadar uzanır. Bu yapı, türbinin farklı yüksekliklerdeki rüzgâr akımlarından faydalanmasına olanak tanır.

Dikey Eksenli Rüzgâr Türbini Çalışma Prensibi & Özellikleri

Dikey enerji türbinlerinin kendi içinde Darrieus, H-Darrieus ve Savonius gibi farklı çeşitleri de bulunmaktadır:

Darrieus Tipi

İki adet dikey kanattan oluşur ve bu kanatlar, elips şekli oluşturan uzun eksenli bir düzlemde yerleştirilmiştir. Dönme hareketi, kanatların iç ve dış bükey yüzeylerinde oluşan çekme kuvveti farkı sayesinde meydana gelir. Her dönüşte iki kez maksimum tork elde edilir. Sessiz çalışması ve yüksek verim potansiyeli ile dikkat çeker, ancak ilk hareket için harici güç kaynağına ihtiyaç duyabilir.

H-Darrieus Tipi

Darrieus modelinin geliştirilmiş bir versiyonudur. Bu tipte, kavisli kanatlar yerine düz bıçaklar kullanılır. H-Darrieus türbinlerinin en önemli avantajı, rüzgârın farklı yönlerden gelebilmesi durumunda bile verimli çalışmalarıdır. Ayrıca, yapısal olarak daha sade oldukları için üretim ve bakım süreçleri daha kolaydır. Rüzgâr yönüne duyarsız yapısı sayesinde türbin, çeşitli kuvvetlerden daha az etkilenir.

Savonius Tipi

Genellikle iki veya üç kepçe benzeri yapının birleşiminden oluşur. En yaygın olan modeli iki kanatlı yapıdadır. Kanatların iç bükey yapısı sayesinde rüzgâr, dönel bir akış oluşturarak türbini döndürür. Ancak bu akış, verimliliği düşürebileceği için Savonius tipi türbinler genellikle düşük güç gerektiren uygulamalarda tercih edilir. Basit yapısı ve düşük maliyeti, kullanım avantajı sağlar.

Dikey Eksenli Rüzgâr Türbinlerinin Avantajları

Dikey eksenli rüzgâr türbinleri, imalatlarının basitliği ve kompakt yapıları sayesinde küçük ölçekli sistemlerde önemli avantajlar sunar. Rüzgârın her yönden etkili olabildiği bu tür türbinlerde, rüzgâr yönünü takip eden ekstra ekipmanlara ihtiyaç yoktur. Jeneratör ve şanzıman gibi parçaların zemine yerleştirilmesi, yapı güvenliği açısından ekstra zemin güçlendirmesi gerektirmez.

Az sayıda parçaya sahip olmaları ve montajlarının kolay olması, taşıma ve kurulum süreçlerini oldukça pratik hâle getirir. Üstelik kanat yapılarına bağlı olarak çevredeki canlılara yönelik risk düzeyleri düşüktür. Dikey rüzgâr türbini, farklı iklim koşullarında sorunsuz çalışabilmeleriyle de öne çıkar. Yatay eksenli türbinlere kıyasla daha düşük ses seviyesinde çalışmaları, yerleşim alanlarına yakın kurulumlarda tercih edilmelerini sağlar.

Dikey Eksenli Rüzgâr Türbini Kullanım Alanları

Yapı yüksekliği sınırlı olan bölgelerde, özellikle yüksek bina inşaatına izin verilmeyen alanlarda dikey türbinler rahatlıkla kullanılabilir. Şehir merkezleri ve metropol bölgelerinde düşük ses seviyesi, uygun maliyet ve yüksek verimlilik gibi avantajları sayesinde konut tipi enerji üretiminde yaygın olarak tercih edilmektedir.

Yatay Eksenli Rüzgâr Türbini

Yatay eksenli rüzgâr türbinlerinde dönme hareketi, rüzgâr yönüne paralel eksende gerçekleşirken, türbin kanatları bu eksene dik olarak konumlandırılır. Rotor üzerindeki kanat sayısı azaldıkça rotorun dönüş hızı artar. Bu türbinler genellikle yerden 25–35 metre yüksekliğe kurulurken, çevresel etkilerden korunmak amacıyla en az 10 metre yükseklikten başlamaları önerilir. Yatay eksenli rüzgâr türbinleri; tek kanatlı, çift kanatlı, üç kanatlı, çok kanatlı, rüzgârı önden alan ve rüzgârı arkadan alan beş farklı çeşide sahiptir.

Yatay Eksenli Rüzgâr Türbini Çalışma Prensibi & Özellikleri

Türbin kanatlarına çarpan rüzgârın oluşturduğu kaldırma kuvveti ile kanadın dönme hareketini gerçekleştirmesi olayı yatay eksenli rüzgâr türbini çalışma prensibi olarak açıklanabilir. Dönen kanatlar, bu hareketi türbinin rotoruna iletir ve rotor, mekanik enerjiyi jeneratöre aktararak elektrik enerjisi üretimini sağlar. Oluşan elektrik, iletim hatlarıyla enerji şebekesine taşınır.
Kanat tasarımı, maksimum kaldırma kuvveti sağlayacak aerodinamik yapıya sahiptir. Rotorun malzemesi ve yapısı, kanatların dönme hareketini verimli bir şekilde rotora iletecek biçimde seçilir. Bu sistemde üç temel aşama vardır:

● Mekanik enerji üretimi: Rotorun dönmesiyle oluşur.

● Elektrik enerjisine dönüşüm: Mekanik enerji jeneratör tarafından elektriğe çevrilir.

● İletim: Üretilen elektrik, iletkenler aracılığıyla kullanıcıya ulaştırılır.

Yatay eksenli türbinler, kanat sayısına ve rüzgârın geliş yönüne göre sınıflandırılır.

Rüzgâr yönüne göre:

● Rüzgârı önden alan türbinler

● Rüzgârı arkadan alan türbinler

Kanat sayısına göre:

● Tek kanatlı türbinler

● Çift kanatlı türbinler

● Üç kanatlı türbinler

● Çok kanatlı türbinler

Bu sınıflandırmalar, türbinin performansı, verimliliği ve kullanım alanına göre seçim yapılmasına olanak tanır.

Rüzgârı Ön Kısımdan Alan Rüzgâr Türbinleri

Bu türbinlerde rotor, rüzgârın geliş yönüne bakacak şekilde yerleştirilir. Rotoru rüzgâra yönlendirmek için yaw makinelerine ihtiyaç duyulur. Rüzgâr akımının kule arkasında oluşturduğu türbülansın (gölgeleme etkisi) daha az yaşanması, bu sistemin önemli bir avantajıdır. Ancak, kule formu ister yuvarlak ister düz olsun, kanatların hemen kuleye yakın yerleştirilmesi durumunda verimlilik azalabilir. Bu nedenle kanatlar, kuleden belirli bir mesafeye yerleştirilmeli ve daha dayanıklı (sert) malzemelerden üretilmelidir.

Rüzgârı Arka Kısımdan Alan Rüzgâr Türbinleri

Bu sistemlerde rotor, kulenin arka tarafına konumlandırılır ve rüzgâr, türbine arkadan gelir. Bu yapı sayesinde rotorun rüzgâra yönelmesi pasif olarak gerçekleşir; dolayısıyla yaw sistemine ihtiyaç duyulmaz. Rotorun rüzgârı pasif şekilde takip edebilmesi için türbin tepesine yerleştirilen nacelle ünitesi bu yönlendirmeyi sağlar. Bu türbinlerde kanatlar genellikle esnek malzemeden üretilir. Bu sayede hem titreşimler azaltılır hem de kuleye binen yük hafifletilerek daha dengeli bir çalışma sağlanır.

Tek Kanatlı Rüzgâr Türbinleri

Tek kanatlı türbinlerin en büyük avantajı, kanat sayısının az olmasından dolayı rotorun daha hızlı dönmesidir. Bu yapı, döndürme momentinin düşürülmesini sağlar. Kanadın güvenli ve dengeli şekilde çalışabilmesi için, rotor koluna menteşeyle sabitlenen denge ağırlıkları yerleştirilir. Bu mekanizma, kanat yüzeyindeki yükü azaltır ve sorunsuz bir dönüş sağlar.

Çift Kanatlı Rüzgâr Türbinleri

İki kanatlı sistemlerde oluşan dinamik hareketleri dengelemek için daha fazla yapısal destek ve teknik müdahale gerekir. Bu durum maliyetin artmasına neden olur. Ancak çift kanatlı türbinler, yüksek kanat ucu hızlarına ulaşabildikleri için aerodinamik açıdan avantaj sağlarlar.

Üç Kanatlı Rüzgâr Türbinleri

En yaygın kullanılan türbin modelidir. Dönüş momentinin dengeli olması, bu türbinlerin sorunsuz ve titreşimsiz çalışmasını sağlar. Rotor üzerinde biriken salınımlar minimum düzeyde olduğu için titreşim önleyici ek sistemlere ihtiyaç duyulmaz. Bu da bakım maliyetini düşürür ve sistemin verimliliğini artırır.

Çok Kanatlı Rüzgâr Türbinleri

Bu türbinler, tarihsel olarak su pompalama sistemlerinde kullanılmıştır. Çok sayıda kanat, düşük rüzgâr hızlarında yüksek tork üretmek için idealdir. Ancak fazla sayıda kanat, türbinin ağırlaşmasına ve düşük devirle çalışmasına neden olur. Zamanla teknolojinin gelişmesiyle, daha az kanatlı ve yüksek hızlı çalışan sistemlere geçiş yapılmıştır.

Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinlerinin Avantajları

● Rotorlarının büyük bir yüzey alanına sahip olması, rüzgâr enerjisinin daha etkin toplanmasını ve yüksek miktarda elektrik üretimini mümkün kılar.

● Farklı hızlardaki rüzgârlardan faydalanarak istikrarlı elektrik üretimi sağlar. Düşük rüzgâr hızlarında dahi enerji dönüşümü gerçekleştirilebilir.

● Kule yüksekliği bakımından yere daha yakın seviyelerde kurulum yapılabildiği için bakım ve servis işlemleri, diğer türbin türlerine göre daha kolay ve ekonomiktir.

● Sağlam gövde yapısı ve gelişmiş mekanik sistemleri sayesinde zorlu hava koşullarında dahi performans kaybı yaşamadan kesintisiz enerji üretimi yapılabilir.

Yatay Eksenli Rüzgâr Türbinlerinin Kullanım Alanları

Yatay eksenli türbinler, özellikle rüzgâr enerji santrallerinde elektrik üretimi amacıyla yaygın olarak kullanılır. Yüksek kapasiteli sistemler için uygundur ve büyük ölçekli ticari projelerde tercih edilir.

Eğik Eksenli Rüzgâr Türbinleri

Eğik eksenli rüzgâr türbinleri, dönme ekseni ile rüzgâr yönü arasında belirli bir açı bulunan türbinlerdir. Bu tür sistemlerde eksen, hem yatay hem dikey eksenden saparak eğik bir düzlem oluşturur. Kanatların bağlı olduğu eksen ile dönme yönü arasında açı bulunması, bu türbinin temel yapısal farkını oluşturur.
Eğik Eksenli Rüzgâr Türbini Çalışma Prensibi & Özellikleri
Eğik eksenli türbinlerde, dönme ekseni rüzgâr yönüne göre belirli bir açıyla yerleştirilir. Kanatların bu açılı düzlemde hareket etmesi sayesinde rüzgâr enerjisi, dönme hareketine dönüştürülür ve ardından jeneratör aracılığıyla elektrik enerjisine çevrilir. Pervaneler arasındaki bu açı, türbinin farklı rüzgâr yönlerinden gelen akımlara uyum sağlamasına imkân tanır.

Eğik Eksenli Rüzgâr Türbinlerinin Avantajları

● Pervanelerin rüzgâr geliş açısına uygun olarak yerleştirilmesi sayesinde sistem, rüzgâr yönüne otomatik olarak uyum sağlar.

● Yaw mekanizması gibi ek yönlendirme sistemlerine ihtiyaç duymaz.

● Rüzgâr yönünde sık sık değişiklik yaşanan bölgelerde daha kararlı performans sunar.

Eğik Eksenli Rüzgâr Türbinleri Kullanım Alanları

Eğik eksenli rüzgâr türbinleri, sınırlı sayıda projede yer almakta olup yaygın olarak kullanılmamaktadır. Daha çok deneysel uygulamalarda, özel mühendislik çözümlerinde veya rüzgâr yönünün sürekli değiştiği bölgelerde test amaçlı tercih edilmektedir.