mv2
(2.1)
Yeryüzünün düzgün olmayan ısınması ve soğuması neticesinde meydana gelen kuvvetlerin tesiriyle oluşan yatay hava hareketine rüzgâr denir. Rüzgâr enerjisi, güneş enerjisinin bir biçimidir. Güneşten gelen enerjinin yaklaşık %2 si rüzgârın kinetik enerjisine dönüşür (Şahin,1994). Rüzgâr yatay ve yataya yakın yönde yer değiştiren bir hava kütlesinin hareketidir. Dünyanın eğriliği, dönme ekseninin eğikliği ve yüzeyin homojen olmayan yapısı nedeni ile yüzey tarafından alınan güneş enerjisinin farklı olması sonucu, yatay doğrultuda atmosfer basıncında ortaya çıkan fark, havanın hareketine dolayısı ile rüzgârın meydana gelmesine sebep olur. Rüzgâr vektörel bir kuvvet olup, yön ve şiddet olmak üzere iki faktör halinde ölçülür. Rüzgârın hangi yönden estiğini saptayabilmek için, yatay hava hareketini etkileyen basınç gradyan kuvveti, Coriolis kuvveti, sürtünme kuvveti gibi kuvvetlerin incelenmesi gerekir. Coriolis kuvvet rüzgâra dik doğrultuda tesir eder, yönünü değiştirir ancak şiddetinı etkilemez. Coriolis kuvvet büyük ölçekli alanlarda esen rüzgârlar için göz önünde bulundurulu, küçük ölçekli hareketlerde ise hesaba katılmaz. Yer yakınındaki sürtünme kuvveti ise, rüzgâr şiddetini ve buna bağlı olarak Coriolis kuvvetinin küçülmesine neden olur.
Uzun bir dönem içerisinde atmosferin ortalama hareketine sirkülasyon denir. Atmosferdeki bu hareketin en önemli sebebi ekvatoral bölgenin aşırı derecede ısınması ve kutup bölgelerinin de aşırı derecede soğumasıdır. Bu iki bölge arasındaki sıcaklık farkından dolayı atmosferin genel sirkülasyonu oluşmaktadır. Atmosferin genel sirkülasyonu basit gibi gözükse de birçok dinamik faktörlerin yani dünyanın dönüşü, sınır tabaka yüksekliği, momentumun taşınımı ve yeryüzünün homojen olmaması gibi, bir araya gelmesi ile karmaşık bir durum arz etmektedir. Ancak asıl sebep termal ısı farkıdır.
Rüzgârlar genel olarak; basınç, sıcaklık ve nem farklılıklarını azaltır. Kuzey kutup bölgesinde rüzgâr nereden gelirse gelsin güneyden geleceğinden havayı ısıtır, tropiklerde ise rüzgârlar havayı serinletir. Rüzgârlar beraberlerinde nem getirdikleri gibi, kuru bir rüzgâr, mevcut nemi de kurutabilir.
Bir bölgedeki rüzgârın şiddeti ve diğer karakteristikleri üzerinde meteorolojik koşulların ve topoğrafik yapının önemli bir etkisi vardır. Kuvvetli ve zayıf rüzgârların oluştuğu tipik bölgeleri şu şekilde sıralamak mümkündür.
Kuvvetli rüzgâr alanları;
Basınç gradyanının yüksek olduğu yerler
Yüksek engebesiz tepe ve vadiler
Güçlü jeostrofik rüzgâr ve termal etkileşimlerin meydana geldiği kıyı şeritleri
Kanal etkilerinin meydana geldiği dağ dizileri, vadiler, tepeler
Sürekli inici akış bölgeleri
Hakim rüzgâr yönüne paralel vadiler
Zayıf rüzgâr alanları;
Kısa, dar vadi ve kanyonlar
Hakim rüzgâr yönüne dik vadiler
Engebelerle gölgelenmiş araziler
Pürüzlülük yüksekliği z0’ın büyük olduğu alanlar
Bir bölgede rüzgâr enerjisi potansiyelinin doğru bir şekilde belirlenebilmesi ve buna bağlı olarak da rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemlerine uygun yer seçilebilmesi için kuvvetli ve zayıf rüzgâr alanlarının doğru tespit edilmesi önemlidir. Topoğrafyanın rüzgâr üzerinde pürüzlülük, orografik, ve perdeleme etkisi olmak üzere üç önemli etkisi vardır. Ayrıca fön rüzgârları, katabatik rüzgârlar, dağ ve vadi rüzgârları, kara ve deniz meltemleri gibi topoğrafik etkilerle meydana gelen rüzgârlar bulunmaktadır.
Atmosferik sınır tabakada rüzgâr akışına etki eden faktörler şu şekilde sıralanabilir:
Büyük ölçekli basınç ve sıcaklık gradyanları
Yüzey pürüzlülük parametresi
Sınır tabaka yüksekliği
Sıcaklık ve yatay momentum taşınımı
Yüzey pürüzlülük parametresi, yüzey sürtünmesi ve momentum alışverişine neden olduğu için ve yine başka bir önemli faktör olan sınır tabaka yüksekliği de sınır tabakada rüzgâr kaymalarını meydana getirdiği için sınır tabakada rüzgâr akışını önemli ölçüde etkilerler.
Bir bölgede belli zamanlarda etkili olan alçak ve yüksek basınç sahaları yerel rüzgârları oluştururlar. Bunların esiş yerleri ve zamanları genellikle bellidir. Bazen birkaç gün bazen birkaç hafta eserler. Yerin topoğrafik şartları yerel rüzgârlara kendilerine mahsus özellikler katar. Yerel rüzgârlar doğdukları yere göre sıcak ve soğuk karakterli olabilirler.
Samyeli
Afrika ve Güney Akdeniz’e doğru hareket eden alçak basınç merkezlerinin önünde görülen sıcak, güney veya güneybatılı rüzgârlardır. Ülkemizde genellikle ilkbahar aylarında görülür. Özellikle bitkileri kurutması açısından çok önemlidir.
Fön
Yüksek dağların yamaçlarından aşağı doğru esen sıcak ve kuru rüzgârlardır. Dağa çarpan hava kütlelerinin yamaçta yükselmesi ve bu yükselme sonucu yağış ve bulutlanma yüzünden nemini kaybederek dağın diğer yüzüne kuru ve sıcak olarak akması şeklinde meydana gelir.
Bora
Kendisini daha çok kışın ve ilkbaharda gösterir. Bora estiğinde geçtiği yerde şiddetli soğuklar oluşturur.
Poyraz
Karadeniz ve Marmara havzalarında kuzeydoğudan esen soğuk ve şiddetli bir rüzgârdır. Poyraz özellikle İstanbul ve çevresinin hakim rüzgârıdır. Poyraz kış mevsiminde Bora gibi şiddetli ve soğuktur. Bu mevsimde yağış ve kar getirir. Yazın ise sıcak bölgelere doğru estiği için kuru fakat estiği yerlere serinlik getiren bir rüzgârdır. Gündüzleri oldukça şiddetli esen poyraz, akşama doğru hafifleyerek kesilir.
Gün esnasındaki basınç farklılıkları, diğer rüzgâr sistemlerine oranla çok daha kısa sürede kendini gösteren rüzgârları oluştururlar. Gün içerisindeki basınç değişimleri daha çok karalarla denizler ve dağlarla vadiler arasında kendini gösterirler. Çünkü bu gibi yerler gün içerisinde farklı ısınıp farklı soğumaktadırlar. Bu rüzgârlar kara ile deniz arasında meydana geliyorsa kara ve deniz meltemleri, dağ ile vadi arasında meydana geliyorsa dağ ve vadi meltemleri adını alır. Meltemler hemen hemen her yerde eserler, yalnız kutuplarda günlük sıcaklık değişimleri az olduğu için orada görünmezler. Kara ve Deniz Meltemleri, gündüz karalar komşu oldukları su kütlelerine nazaran daha hızlı ısınır ve kara üzerinde sığ bir termal alçak oluşur. Su üzerindeki hava, kara üzerindeki havadan daha soğuk kalmaya devam ettiğinden, su üzerinde sığ bir termal yüksek mevcuttur. Ortaya çıkan bu basınç dağılımı, rüzgârın denizden karaya doğru esmesine neden olur. Bu rüzgâr deniz meltemi olarak adlandırılır. Sıcaklık ve basınç gradyanlarının kara-su sınırında daha büyük olması nedeni ile rüzgâr sahilde daha kuvvetli eser. Diğer taraftan en büyük sıcaklık farkının öğle sonrasında oluşması nedeni ile deniz meltemi bu saatlerde en kuvvetlidir. Gece ise karalar suya göre daha hızlı soğur. Yüksek basınç kara üzerindedir ve rüzgâr karadan denize doğru eser. Buna kara meltemi denir. Gece kara ve su arasındaki sıcaklık farkının gündüz saatlerine göre daha küçük olması nedeni ile kara meltemi deniz melteminden daha zayıftır. Kara ve deniz meltemleri daha çok ekvator kuşağında ve orta enlemlerde yaz mevsiminde görülür. Ülkemizde ise bu meltemlerin kendini en iyi hissettirdiği yer İzmir ve çevresidir. İmbat adı verilen bu meltem yazın sıcak günlerde İzmir denizin serin ve nemli havasını getirir. Dağ ve Vadi Meltemleri ise vadi yamaçları ile temas halindeki havanın ısınması sonucu yoğunluğu azalır ve vadi tabanından yukarı doğru eser. Bu rüzgârlar vadi meltemleri olarak adlandırılır. Geceleyin ise hava akışı tersine döner. Vadi yamaçları hızla soğurken hemen üzerindeki havayı da soğutur. Soğuk ve yoğun hava vadiye doru akmaya başlar. Bu şekilde oluşan rüzgâra da dağ meltemleri denir. Vadi meltemleri öğle sonrasına doğru gittikçe şiddetlenir. Bu nedenle bulutluluk, sağanaklar ve orajlar günün bu en sıcak zamanında sıklıkla gözlenirler.
Yerel rüzgârlar günden güne ve mevsimden mevsime değişiklik gösterir ve bu rüzgârlar daha büyük ölçekte esen rüzgârların bir parçasıdır. Çok uzun bir zaman dilimindeki ortalamalar dikkate alındığında, yerel rüzgâr sistemleri yerlerini küresel ölçekteki rüzgâr sistemlerine bırakırlar. Başlıca büyük rüzgâr sistemleri Ticaret Rüzgârları (Alize Rüzgârları), Batılı Rüzgârlar, Kutup Rüzgârlarıdır.
Ticaret Rüzgârları (Alize Rüzgârları);Subtropikal yüksek basınç kuşağı ile tropikler arasında bütün yıl boyunca kuzey ve güney yarı kürede ekvatora doğru esen rüzgârlardır. Yönleri kuzey yarımkürede kuzeydoğulu, güney yarımkürede ise güneydoğuludur. Ticaret rüzgârları okyanuslar üzerinde oldukça belirgindir. Bu yüzden yelkenli gemileri için çok uygun koşullar hazırlar. Batılı Rüzgârlar;Subtropikal yüksek basınçlardan orta enlem alçak basınçlarına doğru esen rüzgârlardır. Yön ve süreklilik bakımından oldukça değişken özellik gösterirler. Orta enlem okyanuslarının doğu bölümlerinde ve kışın güçlü batı yönlü rüzgârlar halinde belirirler. Yönleri ve şiddetinin değişmemesi batıdan doğuya doğru hareket halinde bulunan geçici siklon ve antisiklonların etkisinden dolayıdır. Kutup Rüzgârları ise kutuplarda veya civarında bulunan yüksek basınç merkezlerinden 60’ıncı enlemlerdeki alçak basınç kuşağına doğru kuru ve soğuk esen rüzgârlardır. Bazen 40’ıncı derecelerine kadar inerler. Bu rüzgârlar yeryüzünde sürtünme ve sapma yüzünden kuzey yarım kürede kuzeydoğudan, güney yarımkürede ise güneydoğudan esmektedirler.
Muson rüzgârları mevsimlik olarak yön değiştiren rüzgârlardır. Bu rüzgârlar özellikle Asya’nın doğu ve güney bölgelerinde görülen hakim rüzgâr sistemleridir. Musonlar bir yönleriyle meltemlere çok benzerler. Kış mevsiminde kıta üzerindeki hava, okyanus üzerindeki havaya nazara daha fazla soğur. Bunun sonucunda kıta üzerinde sığ bir yüksek basınç alanı oluşur. Yaz mevsiminde kıta üzerindeki hava, okyanus üzerindeki havadan daha sıcak hale gelir. Isınan hava yükselir ve oluşan termal alçak etrafında siklonik bir akış olur. Bunun sonucunda okyanus üzerindeki sıcak ve nemli hava kara içlerine doğru taşınır. Bu nedenle yaz musonu, rüzgârların denizden karaya doğru esmesi ve havanın yağışlı geçmesi ile karakterize edilir (Borhan, 2007).
Rüzgâr şiddetinin kısa dönem değişkenliği; rüzgârın en önemli özelliklerinden birisidir. Rüzgâr şiddeti çok küçük dönemlerle daima değişen dalga özelliği göstermektedir. Değişmenin büyüklüğünün nasıl olduğu hem havaya hem de yüzey koşulları ve engellere bağlıdır.
Günlük rüzgâr değişimi; yerküredeki birçok yerde, gündüzler gecelerden daha rüzgârlıdır. Bunun asıl nedeni deniz yüzeyi ve kara yüzeyi arasındaki sıcaklık farkının gündüz geceden daha fazla olmasıdır. Bu durum, enerjinin gündüz geceden daha fazla üretilmesi ve tüketilmesinden dolayı önemli bir üstünlük sağlar.
Rüzgârın yıllık Değişimi; rüzgârın yıldan yıla değişimi %10–20 arasındadır. Danimarka da bu oran 19 yıl boyunca yaklaşık %9–10 arasında gözlenmektedir.
Rüzgâr tepe etkisi; arazide türbinleri en iyi yerleştirilecek yer, hâkim tepe ve sırtlarıdır. Bu durumu arazide baskın rüzgâr yönü açısından olabildiğince üstünlük sağlar. Ayıca, tepelerde rüzgâr şiddeti, çevre arazilerden genellikle daha fazladır. Düzgün ve pürüzsüz olmayan tepelerde yüksek rüzgâr şiddetinin fazla olmasına karşın türbülans önemli bir olumsuzluk oluşturur.
Rüzgâra Tünel Etkisi; daha çok binalar arasında veya dar dağ geçitlerinde bu etkiye rastlanır. Hava, bina veya dağların rüzgârlı kısımlarında sıkışır; rüzgâr şiddeti belirgin bir oranda artar. Buna tünel etkisi denir. Rüzgâr şiddeti açık arazide 6 m/s ise doğal tünel etkisi nedeniyle 9 m/s ye ulaşabilir. Bu tür yerlerde rüzgâr türbini yerleşimi çok iyi bir yöntemdir. Bununla birlikte dikkatli olunması gerekir. Eğer siteyi çevreleyen arazi üniform değilse, bununla beraber tepeler çok kaba ve pürüzlü ise, çok türbülanslı bir yapı teşekkül eder. Buna bağlı olaraktan her yönde çok hızlı değişiklikler olur. Bu durumda türbülans hasebiyle rüzgârında fazla olma avantajı tümüyle ortadan kalkar. Türbülans, türbinde bozulma ve yıpranmalara sebebiyet verir.
Rüzgâr türbülansı; çok engebeli ve pürüzlü arazilerde binalar, ağaçlar gibi engeller çok fazla türbülans yaratır. Türbülans, düzenli olmayan rüzgâr akışıdır. Bu akış çevrede dönme ve vorteks yaratır. Türbülans, rüzgâr türbininde, rüzgârdan enerji üretim verimliliğini azaltır. Türbülans, türbinde yıpranma, hasarlara ve bozulmalara neden olur. Kulelerin genellikle yüksek yapılmasının bir nedeni, hem türbülanstan kaçınmak hem de şiddetli rüzgârdan daha çok yararlanıp daha çok elektrik üretmektir. Düşük türbülans yoğunluğu, rüzgâr türbinleri için ömürlerinin daha uzun olmasını sağlar. Denizlerde türbülans karadan daha azdır bu nedenle denize kurulan türbinler karaya kurulanlardan daha uzun ömürlüdür.(Selçuk Karadeli,2001)
Havanın ağırlığı ve hızı olması sebebiyle kinetik enerjisi vardır. Bu enerji
E=mv2
(2.1)
kinetik enerji eşitliği ile hesaplanır. Ancak burada rüzgarın düşey bileşeni yatay bileşenine nispetle küçük olduğundan ihmal edilir ve
E=mu2
(2.2)
halini alır.
Burada; m, kütle, u, yatay rüzgâr şiddeti olup
Kütle
m=ρ x H (2.3)
ρ havanın özgül kütlesini ve H ise hacmini göstermektedir.
Rüzgârın esme yönüne dik alan “A” ile, rüzgâr yönündeki uzunlukta “L” ile gösterilirse, hacim;
H =A x L (2.4)
olur.
Yolun hız ve zaman çarpımına eşit olduğu bilindiğine göre, L mesafesini rüzgâr şiddetine ve zamana bağlı olarak şu şekilde yazabiliriz;
L = u x t (2.5)
Hesaplanan L’yi denkleminde yerine konur ve kütle denklemi yeniden yazılırsa,
m = ρ x A x u x t (2.6)
elde edilir. Böylece yeni enerji denklemimiz;
E
=
x ρ x A x t x u3
(2.7)
olur.
Birim zamanda, birim alandan elde edilen rüzgâr enerjisi formülü;
E
=
x ρ x A x t x u3 (2.8)
şeklinde ifade edilebilir. Yukardaki eşitlikte ρ, deniz seviyesindeki standart atmosfer şartlarında kabul edilen yoğunluk olup sayısal değeri 1.223 kg/m3 , U ise 10 metre yükseklikte ölçülen yatay rüzgâr şiddetidir.
Bu çalışmada U değeri olarak 30 metrede ölçülen yatay rüzgâr şiddetleri kullanılacaktır.
Aslında yukarıdaki formülde ρ, ICAO standart atmosferindeki kuru havanın yoğunluğudur. Ancak atmosfer hiçbir zaman kuru değildir, bilakis daima nemlidir. Bu yüzden ρ hesaplanırken nem dikkate alınmalıdır, bildiğimiz gibi kuru hava nemli havaya nispetle daha ağırdır.
Rüzgarın yatayda değişimi düşeydeki değişime oranla daha azdır bu yüsden yataydaki değişim ihmal edilip, düşeydeki değişim hesaplanmalıdır. Atmosferin yeryüzü ile temas halinde olan tabakası “Atmosferik Sınır Tabaka” olarak adlandırılır. Bu tabakanın yüksekliği atmosferik şartlara bağlı olarak değişir. Açık yaz günlerinde atmosferik sınır tabaka 2 km yükseklikte olabilirken, rüzgârsız gece şartlarında 100m `ye kadar inebilir. Sınır tabakanın derinliğinin %10`luk en aşağıda kalan kısmına ise yüzey tabaka denir. Düzgün ve hemen hemen homojen bir arazide, yüksek rüzgâr şiddetlerinde rüzgâr profilini belirlemek için logaritmik rüzgar kanunu kullanılır.
(2.9)
Bu bağıntıda;
,
Ortalama yer seviyesinden z kadar yukarıdaki rüzgâr
şiddeti,
,
Yüzey pürüzlülük uzunluğu, k, Von
Karman sabiti ( k= 0.38 ),
Sürtünme hızıdır.
Ancak sıcaklık gradyanı mevcut olmadığı durumlarda yukarıdaki eşitlik düşeydeki değişimi hesaplamakta uygun değildir. Logaritmik rüzgâr kanunu yerine güç kuralı olarak bilinen
(2.10)
ile belirlenir.
Burada;
U1, Z1 yüksekliğindeki hız, U2 ise Z2 yüksekliğindeki hızdır.
Denklemdeki n ifadesi rüzgarın değişimde rol oynayana termal kararlılığa bağlıdır. Nötr şartlarda 1/7 değerini alır. Rüzgar gradyanındaki artış rüzgar hızında daha fazla bir değişime neden olur.
Ancak türbini kurmak istediğimiz noktada n değerini bilmek istersek o noktayı temsil eden iki farlı yükseklikteki ölçülmüş hızı Logaritmik rüzgâr kanunu ve güç kuralı eşitliğini birleştirip gerekli işlemleri yaptıktan sonra aşağıdaki deklem çıkar.
(2.11)
Bu denklemde logaritmik dönüşüm yaparsak ;
n =
(2.12)
klasik n değerini bulabiliriz.
Elde edilen rüzgar kayıtları, kalite kontrolü yapılarak istatistik çözümlemeler de kullanılmak üzere değerlendirilir. Değerlendirmelerde, hem uzun dönemli rüzgar kayıtlarını elde etmek, hem de farlı alan ve farklı yüksekliklerde rüzgar özelliklerini belirlemek için rüzgar hızı dağılımı olasılık yoğunluk fonksiyonları kullanılır. Bu fonksiyonlar, Weibull dağılımı, Rayleigh dağılımı ve Beta dağlımı dır.
Rüzgârın belli bir periyotta değişimi ve dağılımı, hem enerji üretimi değerlendirmelerinde hem de rüzgar endüstrisinde çok önemlidir. Türbin tasarımcıları, türbin iyileştirilmesinde ve maliyetleri en aza indirmede rüzgâr dağılımı ve değişimi ile ilgili bilgilere gerek duyarlar. Eğer bir yıl boyunca rüzgâr ölçülürse, genel olarak çok şiddetli rüzgârların nadiren, ılımlı ve şiddetli rüzgârların daha çok ortaya çıktığı görülür. Bir bölge için rüzgâr dağılımı ya ölçülerek, ya da ölçümlere dayalı değişik nokta ve yüksekliklerde “Weibull dağılımı “ ile belirlenir.
f(u)
=
.
exp
u>0 (2.13)
Burada;
f(u), rüzgâr şiddeti frekansı, u, rüzgâr şiddeti (m/s), A, ölçek parametresi, k, boyutsuz şekil parametresidir.
Weibull dağılımı rüzgâr şiddeti verisinin temsilinde en çok kullanılan yöntemdir. Bu dağılım, şekil ve ölçek değişkenleriyle belirtilir. Bu dağılımın altında kalan alanın toplam olabilirliği “1” dir. Yani, sakin havalar da bunun içinde olmak üzere, belli bir periyotta rüzgârın her aralıkta toplam olma olasılığı %100 dür. Weibull dağılımı eğrisi simetrik değil çarpıktır. Bu eğriyi oluşturan her bir hız frekansları, ortalama hızın bulunmasını da sağlar.
Eğer Weibull dağılımı şekil değişkeni k=2 ise, böyle bir dağılıma “Rayleigh dağılımı denir.
f(u)=
(2.14)
Rüzgâr türbini üreticileri genellikle makine başarımlarını Rayleigh dağılımına göre verirler. Bunun nedeni, değişik yerlerdeki rüzgar dağılımlarının bilinmemesidir.
Şekil 2. 1 Değişik Ortalama Rüzgar Şiddetlerindeki Rayleigh Dağılımı Grafiği
Şekil parametresi ekvator yakınlarında 1 civarında, ılıman enlemler için 2 ve sürekli rüzgâr alanları için 3 civarındadır. Ekvator yakınlarında düşük şekil parametresinin elde edilmesinin nedeni sakin geçen saatlerin fazla olması ve bu nedenle Weibull dağılımının verilere uydurulmasındaki zorluktur (Troen ve Petersen, 1989).
Şekil ve ölçek parametrelerinin tahmininde rüzgâr şiddetinin ortalaması ve standart sapma değerleri önem taşır. Özellikle standart sapma ve çarpıklık katsayısı türbülansı ifade eden büyüklüklerdir. Bunun yanında, standart sapma esaslarına bağlı olarak risk ve güvenilirlik hesaplamaları da yapılabilmektedir (Şahin, 2001).
Weibull şekil parametresi rüzgâr şiddeti persistansı ile doğrudan ilgilidir. Şekil parametresinin yüksek değerleri için rüzgâr şiddeti persistansı yüksek, düşük değerleri için rüzgâr şiddeti persistansı düşüktür.
Rüzgar gülü, belirli kesimlerdeki rüzgarın esme sıklığını gösterir. Rüzgar gülü, aynı zamanda her bir kesimin ortalama rüzgar hızına katkısının ne kadar olduğunu gösterir. Bir rüzgar gülü farklı kesimlerdeki oransal rüzgar hızları bilgisini verir. Rüzgar gülleri yerden yere değişiklik gösterir. Yakın yerlerde ise, özellikle baskın yön açısından rüzgar gülleri birbirine yakınlık gösterir. Bu durumlarda pratikte interpolasyon veya korelasyon güvenle yapılabilir. Eğer dağ ve vadilerden oluşan karmaşık bir arazi var ise, bu yerler ile kıyı bölgeleri arasında önemli yön değişiklikleri olur. Bu durumlarda tahminde bulunmak genellikle güvenilir değildir. Rüzgar gülü yalnızca rüzgar yönlü, türbin yerleşiminde son derece önemlidir. Eğer türbinleri bu yönde yerleştirmek gerekiyorsa, örneğin baskın enerji yönü kuzey ise doğu ve batı yönlerindeki engeller çok önemli değildir. Çünkü bu yönlerden herhangi bir rüzgar gücü gelmez. Bunun yanında, rüzgarın şekli ve enerji içeriği yıldan yıla yaklaşık %10 değişir . Bu nedenle birkaç yıllık gözlemler sağlıklı yaklaşımlar için iyi sonuçlar verir. Genelde geniş rüzgâr parkı planlamacıları bir yıllık yerel ölçümlere güvenirler. Bu ölçümlerle, yakın ve uzun dönemli meteorolojik gözlemlerden yararlanarak uzun dönemli güvenilir veri elde ederler.
Rüzgâr türbini tasarımında çok fazla seçeneğe sahibiz bu yüzden en önemli hususları şöyle sıralayabiliriz, rotorun ekseni (yatay yada düşey), rotordaki pala sayısı (1,2,3 yada daha fazla), hız (yüksek yada düşük hızda enerji çevrimi), rotorun devir sayısı (sabit yada değişken), önden-rüzgarlı (up-wind) veya arkadan rüzgarlı (down-wind) rüzgar türbünleri, güç kontrolü (kanat eğimi (pitch) denetimli yada durdurma (stall) denetimli ), rüzgara direnme kuvveti (kanatlı (flaps) yada yön saptırma (yaw) denetimi), vites kutusu (vitesli yada vitessiz), jeneratör (senkron yada asenkron yada doğru akım), şebekeye bağlanma (direk bağlantı yada doğru akım çeviricisi vasıtasıyla) (Kaltschmıtt ve diğ., 2007).
Bir bölgedeki rüzgarın şiddeti ve diğer karakteristikleri üzerinde meteorolojik ve topografik özelliklerin etkisi büyüktür.
Rüzgar türbini kurmak için uygun yerler ;yuvarlak kenarlı tepeler, kuvvetli rüzgar alanları, kuvvetli basınç gradyanı, hakim rüzgar yönüne paralel vadiler, yüksek ova ve platolar, sürekli inici akım bölgeleri, tepe ve dağ zirveleri, termal gradyan oluşan sahil bölgeleri
Rüzgar türbini kurmak için uygun olmayan yerler;dik kenarlı tepeler, sivri tepeler
zayıf rüzgar alanları, hakim rüzgar yönüne dik vadiler, engebelerle gölgelenmiş arazi
kısa, dar vadi veya kanyonlar, pürüzlülük yüksekliğinin büyük olduğu alanlar (Shenck, 2007).
Bilindiği gibi rüzgâr türbinindeki verim Betz Teoremine göre en fazla %59 dur.
(2.15)
Maksimum güç eşitliği ile Cp, maksimum güç katsayısı yani maksimum kapasite faktörü bulunur. Buradan teorik olarak en yüksek oran 16/27 yani 0.59 dur. Bu yüzden bir rüzgar türbinin üretebileceği enerjinin gelen rüzgara oranı %59 dur (Şekil 2.2). Modern rüzgar türbinleri teoride %50 lik bir verime ulaşmaktadır. Bir türbinin üreteceği enerji bu denkleme göre
dir. (2.16)
Rüzgar türbinlerinin performans değerlendirmeleri kapasite faktörü, Cp ile belirlenmekte olup bu ifade kısaca
Cp= Türbin tarafından üretilen güç toplamı (2.17)
Türbin tarafından nominal hızda üretilen güç toplamı
şeklindedir. Dünyadaki bir çok saha uygulamasında türbinlerin kapasite faktörleri %25 civarındadır. Ülkemizde ise rüzgar şiddetinin yüksek olmasından dolayı ortalama bu oran %30’a yaklaşmaktadır.
Şekil 2. 2 Cp, Maksimum Güç Katsayısı Grafiği
Bir türbinin güç eğrisi ortalaması ile üretebileceği güç hesaplanabilir. Güç eğrisi ortalama gücün ortalama rüzgar şiddetine bağlılığını gösterir. Böylece 4 durum teşekkül eder (Şekil 2.3).
Birinci durum; ortalama rüzgar şiddeti başlama (cut-in) hızından düşükse elektrik üretilmez. Türbin enerji üretmeden hareketsiz kalır.
İkinci durum; ortalama rüzgar şiddeti başlama hızından fazla ise sistem elektrik üretmeye başlar. Ancak türbinin üreteceği maksimum elektrik için gerekli hız sistem tarafından ayarlanmaya çalışır.
Üçüncü durum; ortalama rüzgar şiddeti en uygun elektrik üretilecek şiddeti yani nominal şiddeti geçerse türbin içindeki fren sistemi vb. araçlarla palaların dönüş hızı en uygun hıza düşürülür.
Dördüncü durum; ortalama rüzgâr şiddeti türbinin tasarlandığı en yüksek (cut-off) hızı aşarsa sistem mutlaka kapatılmalıdır aksi takdirde türbinde hasarlar meydana gelir. Bu durumda enerji üretilemez (Kaltschmıtt, 2007).
Şekil 2. 3 Rüzgar türbininin güç eğrisi
Yerleşim alanlarında rüzgâr türbülanslı ve düşük şiddette ve değişik yünlerden eser. Bu yüzden buna çözüm bulabilmek için yaptıkları çalışmalarda ev ihtiyaçlarını karşılamak için ve düşük şiddetteki rüzgardan daha fazla enerji elde edebilecekleri bir metot geliştirmişlerdir. Küçük rüzgar sistemleri ile büyükleri arasındaki fark elektriğe nerde ihtiyaç duyuluyorsa her ne kadar rüzgar şiddeti azda olsa oraya kurulabilmektedir. Bu yüzden küçük sistemler için enerji üretimini arttırmak için değişik yollar aranmaktadır (Şekil 2.4).
Şekil 2. 4 Türbülanstan korunmak için hazırlanmış bir sistem
Yaptıkları modellemede ve rüzgar tünelindeki testlerde(Rutland 913) yerleşim yerlerinde ve düşük rüzgarlı yerlerde kepçe usulü ile tasarlamış rüzgar türbinlerinin ürettiği enerjide 2.2 kat artış meydana gelmiştir (Wang ve diğ., 2007).
Şekil 2. 5 Türbülanstan korunmak için hazırlanmış bir sistemin yan kesit görüntüsü
Ülkelerin her geçen gün artan elektrik ihtiyacı ülkelere değişik çözüm yolları aramaya sevk etmiştir. Aynı zamanda stratejik sorunlara da sebebiyet vermektedir. Fosil kaynaklı yakıtlara olan ihtiyaç, fosil kaynaklı yakıtları üreten ülkelerdeki özellikle Ortadoğu ve Güney Amerika’daki problemler gelişmiş ülkeleri yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir.
Shell Global Senaryolar: 2025 raporunda yenilenebilir enerji kaynaklarına dikkat çekilmiştir. Raporda, 2025 yılında en çok rüzgâr enerjisinin kullanılacağı, rüzgârı termal enerjinin izleyeceği belirtilmektedir. Yapılan araştırmalar, rüzgâr gücünün şu anda dünyada en hızlı yayılan enerji kaynaklarından biri olduğunu göstermektedir. 1998’in sonunda yaklaşık 50 ülkede 10.000MW’tan fazla elektrik üreten rüzgâr türbinleri işletmedeydi. Geçtiğimiz 6 yılda ise rüzgâr türbini satışlarında yıllık %40lık bir büyüme gerçekleşmiştir. Dünya piyasalarında rüzgâr enerjisi kapasitesinde 15.000MW’lık artış görülmüştür. Bu artış 2005 e göre % 29 daha fazladır ve dünya rüzgâr enerjisi yaklaşık 74.300MW’a ulaşmıştır. 2006 da gerçekleşen büyüme aynı zamanda endüstrinin de son beş yılı %25 artışla kapatmasına neden olmuştur. Dünya rüzgâr enerjisi kapasitesi yaklaşık olarak her üç yılda bir ikiye katlanmaktadır. Avrupa hala rüzgâr evi olarak görev yapmaya devam etmektedir. Dolayısı ile dünyada rüzgâr enerjisi pastasında en büyük pay Avrupa’ya aittir (Windpower Monthly, 2007).
İngiltere elektrik enerjisinin 2010’a kadar %10’nu, 2015’e kadar %15’i, 2020’ye kadar %20 sini yenilenebilir enerji olması için politika belirlemiştir. Buna en büyük katkıyı 50kW dan az güce sahip küçük çaplı rüzgar türbinlerinden üreteceklerini belirtmişlerdir.Böylece CO2 emisyonunu düşüreceklerini, enerji iletimindeki kayıpları azaltacağını ve sürekli büyümekte olan şebekedeki yenileme ile bakımları çalışmalarını azaltacaklar.( reFOCUS March/April 2006)
Dünyada rüzgâr enerjisi değişimlerini 2006 sonu için ülkelere göre Tablo 2.1 de detaylı verilmiştir. Amerika kendi kaynaklarına 2500MW, Almanya 2200 MW, Hindistan 1800 MW, İspanya 1600 MW ve Çin 1300 MW eklemiştir. Öyleyse, Batı Avrupa’da %106 Çin, %41 Hindistan, %28 Amerika, %16 İspanya ve %128 rüzgâr enerjisi oranlarına sahiplerdir. Avrupa toplam 48,500MW’lık rüzgâr enerjisine 2006 yılının sonunda ulaşmıştır (Windpower Monthly, 2007).
Tablo 2. 1 (2005-2006) Avrupa’daki Mevcut Rüzgâr Enerjisi Kurulu Güç (MW)
|
Avrupa |
Kurulu Güç (2005) |
Eklenen Güç (2006) |
Toplam |
|
Almanya |
18415 |
2233 |
20622 |
|
İspanya |
10028 |
1587 |
11615 |
|
Danimarka |
3128 |
12 |
3136 |
|
İtalya |
1718 |
417 |
2123 |
|
İngiltere |
1332 |
634 |
1963 |
|
Portekiz |
1022 |
694 |
1716 |
|
Fransa |
757 |
810 |
1567 |
|
Hollanda |
1219 |
356 |
1560 |
|
Avusturya |
819 |
146 |
965 |
|
Yunanistan |
573 |
173 |
746 |
|
İrlanda |
496 |
250 |
745 |
|
İsveç |
510 |
62 |
572 |
|
Norveç |
267 |
47 |
314 |
|
Belçika |
167 |
26 |
193 |
|
Polonya |
83 |
69 |
153 |
|
Diğer Ülkeler |
364 |
192 |
556 |
|
Toplam |
40898 |
7708 |
48545 |
Amerikan Rüzgar Enerjisi Birliğinin(AWEA) nın verilerine göre 2006 da 2400 MW gücünde türbin kurulduktan sonra, 2007 yılında ise 3000 MW üzerinde bir gücün kurulacağını söylemektedir. Böylece yaklaşık olarak 31 milyar kilowatt/saat elektriğin rüzgâr enerjisinden üreteceklerini beyan etmektedir. Bu Şekil2.5 te 3 milyon eve tekabül etmektedir.( American Wind Energy Association, outlook 2007)
Şekil 2. 6 Amerikadaki Yıllık Rüzgar Enerjisindeki Artış
Şekil 2. 7 Dünya Piyasalarındaki Yıllık Bölgesel Rüzgâr Enerjisi Kapasitesi (GWEC,2007)
Bunların yanında yıllık dünya pazarındaki büyüme oranları incelendiğinde, en büyük payın Avrupa’ya ait olduğu Şekil 2.7’den anlaşılmaktadır (GWEC, 2007).
Türkiyedeki rüzgar enerjisine gelince, 2007 yılın ilk günlerinde Enerji Bakanlığında yapılan bir toplantıda, Elektrik İşleri Etüd İdaresi tarafından hazırlanan Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA) açıklanmıştır. Bu açıklama, Türkiye'nin enerjide doğalgaza ve nükleer enerjiye mahkûm olmadığını rüzgâr, hidroelektrik ve jeotermal gibi yenilenebilir kaynaklarla enerji ihtiyacımızın karşılanabileceğini vurgulamıştır. REPA'ya göre, saniyede 7,5 metrenin üzerinde rüzgâr hızına sahip bölgelerde santral kurulursa, Türkiye genelinde toplam 48000 MW gücünde potansiyel bulunmaktadır. Bu oldukça ihtiyatlı bir rakamdır öyleyse enerji üretmek için rüzgârın saniyede 6,5 metre hızla esmesi bile yeterli görülmektedir. Türkiye'de şu anda işletmede bulunan tüm elektrik santrallerinin toplam kurulu gücünün 41000 MW seviyesinde olduğu dikkate alınırsa, saniyede 7,5 metre ve üzerinde esen rüzgâr enerjisi potansiyelinin tümünün değerlendirilmesi, mevcut üretim kapasitesinin bir kat artırılabileceğini göstermektedir. Bu teorik bir yaklaşımdır. Pratikte iletim hatlarının kapasitesi bu enerji miktarını taşıyabilme özelliğine sahip değildir.
Şekil 2. 8 Türkiye Rüzgar Atlası
REPA'ya göre Türkiye'de rüzgâr enerjisi üretmek için en uygun yerler Kuzey Ege ve Marmara bölgelerinde yoğunlaşmaktadır. Ayrıca Güney Ege, Hatay, Mersin, Karaman, Niğde, Sivas ve Doğu Karadeniz bölgelerindeki bazı yerler de elektrik üretimine elverişlidir. Özellikle Çanakkale ile Bozcaada ve Gökçeada en şanslı bölgelerdir. Bu bölgede gerek adaların çevresinde gerekse kıyıya yakın yerlerde 50 metre derinliğe kadar olan bölümlerde deniz üzerine rüzgâr tarlaları kurulması