Rüzgar Türbininin Anatomisi

27 Ağustos 2009

İnsanoğlu binlerce yıldır rüzgar enerjisinden faydalanmaktalar. Son 15 - 20 yıldır rüzgar enerjisinden faydalanma konusu elektrik enerjisi üretimiyle farklı bir boyut kazandı. Fakat bu konu üzerinde bugün çalışan insanlar da  yüzyıllar önce uğraşan insanların baş etmek zorunda kaldığı problemle karşı karşıya; yoğunluğu çok az olan bir kaynağı (hava) işlerine yarayabilecek bir enerji formuna dönüştürmek.

Ev tipi küçük çaplı rüzgar türbinlerinin bir çok permütasyonu ve varyasyonu olsa da günümüz modern rüzgar elektrik sistemlerinin şaşırtıcı bir şekilde birbirlerine çok benzerler. Bu makalemizde tipik bir rüzgar türbininin her bir parçasını ve bu parçanın fonksiyonunu size tanıtmaya çalışacağız.

ROTOR (Kanatlar ve Göbek)

Aslında rotor olarak adlandırılan iki parça vardır; kanadın rotoru ve generatörün rotoru. Ama bu bölümde kanadın rotorundan bahsedeceğiz. Rüzgar türbininin kanatlarıyla ve kanatların kesiştiği ve göbek (hub) olarak adlandırılan bölümün rotor adı verilmektedir.  Rüzgar türbininin kanatları enerjiyi toplayan bileşenlerdir. Rüzgar hızının büyüklüğünden sonra rotorun süpürdüğü alan bir rüzgar türbininin üretebileceği güç miktarını belirleyen en önemli parametredir. Bir rüzgar türbininin rotorunun süpürdüğü alan kanat çapının karesiyle orantılıdır. Rüzgar türbininin kanadının çapını iki katına çıkarmak, süpürülen alanı dört katına çıkarmak demektir, bunun anlamı da genellikle üretilen rüzgar elektrik enerjisinin dört katına çıkması demektir.

Modern rüzgar türbinlerinin büyük bir çoğunluğu 3 kanatlıdır. Kanatlar genellikle fiber - glaslı kompozit plastik materyalden, bazen de ağaçtan yapılır. Üçten fazla kanada sahip rotorların kalkış torku daha yüksektir fakat yüksek rüzgar hızlarında daha az elektrik enerjisi üretirler. İki kanatlı rüzgar türbinleri üç kanatlılardan yüksek rüzgar hızlarında daha fazla enerji üretirler ama hem daha gürültülü çalışırlar, hem de rüzgar hızı değiştikçe şiddetli titreşim yaratırlar.

Mekanik güç hızın ve torkun kombinasyonudur. Rüzgar türbinleri yüksek tork ve düşük dönme hızıyla çalışan yel değirmenlerinin (su pompalamada kullanılan) tersine düşük torkta göreceli olarak yüksek dönme hızıyla çalışırlar.

Ev tipi rüzgar türbinlerinde kanadın rotoru mıknatıs rotorunu direkt olarak sürer. Bu tip rüzgar türbinleri rüzgar enerjisini en basit ve verimli bir şekilde elektrik enerjisine dönüştürmek için tasarlanmışlardır. Hız yükseltme dişli takımları gibi ilave mekanizma hem kayıplara yol açar hem de bakım ve servisi zorlaştırır.

ALTERNATÖR

Modern küçük ölçekli rüzgar türbinleri Daimi Mıknatıs Alternatörleri (DMA) kullanır. DMA'larda sargı şeklindeki iletken tellerin arasından bir manyetik alan geçirilince elektrik üretilir. Rüzgar türbinlerinin DMA'larında mıknatıslar hareketli, tel sargılar sabittir. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi ev tipi küçük ölçekli rüzgar türbinlerinin hemen hemen tamamında mıknatıs rotor tel sargıların dışında dönen bir kalın bilezik şeklindedir. Mıknatıslar bu yapının iç yüzlerini kaplarlar (sargılara bakacak şekilde) ve pervane direkt olarak bileziğin dış yüzeyine irtibatlandırılmıştır.

Rüzgar türbinlerinin Daimi Mıknatıs Alternatörleri elektrik sel aletlerde doğrudan kullanılması mümkün olmayan kararsız ve düzensiz yapıda üç fazlı AC elektrik üretirler. Bu elektriğin ilk olarak doğrultulması (DC'ye dönüştürülmesi) gerekir. Bundan sonra DC olarak kullanılabilir, akülerde depolanabilir ya da elektriksel aletlerin hemen hemen tamamının kullandığı AC formuna döndürülebilir.

KUYRUK BORUSU ve YELKOVAN

Rüzgar türbininin kuyruğu rüzgar türbininin yönünü rüzgara doğru dönmesini sağlar. Rüzgar yön değiştirdiğinde kuyruğun bir yüzüne çarparak türbinin rüzgarı karşıdan alacak şekilde dönmesini sağlar. Kuyruk sarmalı rüzgar türbini tasarımlarında, kuyruk aynı zamanda rüzgar türbininin aşırı rüzgar hızlarında zarar görmesini de önler. Kuyruk borusunun ve yelkovanın ebatları türbinin ağırlığına ve kanat alanlarına göre ayarlanmıştır. Kurulum sırasında bu ayarların değiştirilmemesi gerekir.

ŞAFT ve RULMANLAR

Rüzgar türbininin şaftı her iki rotora da (kanatlar ve alternatörün döner kısımları) bağlantılıdır. Şaft rulmanların içinde bulunur. Bu parçalar olası bütün gerilim ve titreşimlere karşı koyacak şekilde tasarlanmalıdır. Rulmanların ömrü genellikle 5 – 10 yıl arasında değişir.

YÖN RULMANLARI

Bir rüzgar türbininin rüzgarı takip etmesi yani rüzgarın her yön değiştirmesinde yönünü rüzgara çevirmesi gerekir. Kule ekseninde her dönüşünde türbine destek olan mühürlü dişlilere yön rulmanları denir. Rüzgar türbininin kule eksen etrafında dönmesine de yön değiştirme” denir.

BİLEZİKLER (Slip rings) ve FIRÇALAR

Rüzgar türbinleri rüzgar yönüne doğru saparlar fakat iletim kablolarının konumu sabittir. Yön rulmanlarının oldukça hareketli olduğu bol türbülanslı bölgelerde bu durum bükümlü kablolarda sorun çıkarabilir. Modern rüzgar türbinlerinin bir çoğunda türbin kablolarını sabit kablolara bağlamak için bakır alaşımlı bilezikler (slip rings) kullanır. Bilezikler genellikle kulenin en üst kısmına monte edilir. Rüzgar türbininin yön kısmına bir grup grafit fırça yerleştirilir. Türbin rüzgarın yönüne doğru saptıkça fırçalar bileziklerin üzerine denk gelir ve alternatörün sabit kablolara bağlantısı sağlanmış olur.

FREN TERTİBATI

Fren tertibatının kapatma'dan farkı rüzgar türbinini bir kullanıcının kontrolünde durdurmasıdır. Rüzgar türbini arızalandığında, üzerinde çalışma yapmak istediğinizde, ya da en basiti elektrik enerjisine ihtiyacınız yoksa rüzgar türbinini durdurmak isteyebilirsiniz. Manuel frenleme en idealidir, çünkü rüzgar türbinini her koşulda durdurabilirsiniz. Az sayıda rüzgar türbini tasarımında kampanalı ve disk frenler kullanılmaktadır. Bir çok rüzgar türbin tasarımında da dinamik ya da elektriksel frenleme tertibatı olarak bilinen sistemden faydalanılmaktadır. Bu yöntemde büyük bir anahtar rüzgar türbininin şebeke ya da bataryalarla olan irtibatını keser, rüzgar türbininin üç fazını da kısa devre yapar. Böylece kanatların dönmesinin önüne geçilmiş olur.

Fakat bir yüksek hızlı rüzgar koşullarında dönmekte olan rüzgar türbinlerinin bir çoğu bir kısa devreyle bir anda yavaşlatılamazlar. Böyle durumlarda işe yarayan bir diğer koruma metodu da manuel sarma yöntemidir. Bu metotta türbinlerin rüzgarın esme yönünden saptırılması için rüzgar türbini kuyruğu manuel olarak döndürülür.

ENERJİ İLETİMİ

Rüzgar türbininde üretilen ve düzensiz bir halde olan (gerilimi sabit değil) elektrik enerjisi kuleden aşağıya iletim sistemi yani kablolar vasıtasıyla indirilir. Bazı rüzgar türbin modelinde rüzgar türbin çıkışı kulenin tepesinde doğrultulur (DC’ye dönüştürülür) ve aşağıya DC olarak aktarılır. Bu durumda kalın bakır iletkenlerin kullanılması yangın riskini azaltır ve enerjinin ısı olarak kaybını engeller.

Enerjinin şarj regülatörüne kadar iletileceği mesafe uzunsa, yüksek gerilimli AC olarak iletilmesi ve regüle edilmeden önce bir trafo aracılığıyla gerilimin düşürülmesi yaygın bir metottur. Böylece daha düşük çaplı kablo kullanılması mümkün olur, ayrıca kablo kayıpları da azaltılır. Direkt olarak şebekeye elektrik enerjisi aktaran rüzgar türbin sistemlerinin gerilimleri akülü sistemlere göre daha düşüktür. Böylece bu tip sistemlerdeki kablo kayıpları akülü sistemdekilere nazaran daha düşüktür.

KABİN

Bazı rüzgar türbinlerinde alternatörü arada hava boşluğu bırakarak saran plastik bir muhafaza (kaporta) kullanılır. Kabin olarak da adlandırılan bu yapı alternatörü yağmur gibi dış etkenlerden korurken soğutmayı sağlayacak şekilde hava almasını da sağlar. Bir çok rüzgar türbininde burun konisi bulunur. Bu yapı rüzgar türbininin estetiğine katkıda bulunur, aynı zamanda türbinin aerodinamik özelliğini zenginleştirir.

KAPATMA SİSTEMLERİ

Rüzgar türbinlerini çok iyi bilmeyen birisi yüksek hızlı rüzgarları enerji üretimi için bir nimet olarak algılayabilir. Fakat deneyimli bir rüzgar türbini kullanıcısı veya tasarımcısı için son sürat dönmekte olan bir türbin için daha kuvvetli rüzgarlar endişelenme sebebi olabilir. Rüzgar hızının iki katına çıkması elde edilen gücün sekiz katına ve türbin üzerindeki gerilim kuvvetlerinin de dört katına çıkması demektir.

Bir rüzgar türbini aşırı kuvvetleri önlemek zorundadır. Aksi taktirde yanabilir ya da bir şekilde kendine zarar verebilir. Aşırı rüzgar hızlarından korunmak için kapatma mekanizmalarına başvurulur. Yaygın olarak kullanılan kapatma mekanizmaları rüzgardan kaçınma (furling) ve kanat açı kontrol (blade pitch control) metotlarıdır.

Rüzgardan kaçınma metodunda kapanan kuyruk sayesinde pervane rotoru rüzgar esme yönünün dışına çıkar. Bazı rüzgar türbinleri aşırı rüzgar hızlarında kanatların açısını değiştirerek dönüş hızının azaltılmasını sağlar. Böylece verim ve türbinin güç çıkışı da azaltılmış olur.

Yukarıda anlatılan her iki sistem da pasif metotlar üzerine inşa edilmiştir. Bu sistemler rüzgarın ya da kanat rotorunun hızına göre harekete geçer. Son zamanlarda daha sık kullanılmaya başlanan elektriksel frenlemede rüzgar türbininin hızı otomatik olarak denetlenmektedir.

SİSTEME GENEL BİR BAKIŞ

Bir rüzgar türbininin kaliteli ve verimli olabilmesi için bu anlatılan bileşenlerin seçiminde uyuma ve montajlarının özenli yapılmış olmasına dikkat edilmelidir. Örneğin bir alternatör kanat rotorundan en yüksek gücü çekebilmesi için en uygun dönüş hızında (rpm) dönmelidir. Çok yavaş döndüğünde durabilir, çok hızlı dönerse de makine gürültülü çalışır ve stres kuvvetleri artar.

Tabi ki bir rüzgar elektrik sistemi rüzgar türbininden ibaret değildir. Diğer önemli bileşenler; kule, doğrultucu, şarj regülatörü, safra yük (dump load), akü grubu (eğer gerekliyse), inverter ve sayaç sistemleridir. Bu bileşenlerin maliyeti rüzgar türbininkinden daha yüksek olabilir ve sistem tasarımı yapılırken dikkatle seçilmelidirler. Rüzgar elektrik sistemi için rüzgar türbini seçilirken dikkat edilmesi gereken önemli nokta dayanıklı, basit, düşük hızda çalışan ve güvenilir bir cihazın alınmasıdır. Daha geniş süpürme alanına sahip, ağırlıkları yüksek rüzgar türbinleri genellikle daha pahalıdırlar fakat daha dayanıklıdırlar.

Rüzgar türbini seçiminde, türbinin gücünden ziyade üreteceği enerji miktarına göz önünde bulundurulmalıdır. Rüzgar türbininin üreteceği enerji kanatların süpürme alanına ve kulenin tepesindeki ortalama rüzgar hızına bağlıdır. Kısa bir kule üzerindeki rotor alanı az olan bir türbin çok fazla enerji üretmez. Unutmayın rüzgar zamanın büyük bir bölümünde düşük ve orta hızda eser, bu yüzen bu rüzgar hızları türbin tasarımı için daha önemlidir.