Rüzgar enerjisi, havanın sahip olduğu kinetik enerjinin (hareket enerjisi) rüzgar türbinleri aracılığı ile elektriğe dönüştürülmesi ile elektrik üretimi yapan yenilenebilir bir enerji türüdür. Hava akımları sonucu oluşan rüzgar, kinetik enerji taşımaya başlar ve rüzgar enerjisi santralleri oluşan bu rüzgar gücünün türbinleri döndürmesi ile elektrik üretir.

Rüzgar Enerjisinin Tarihçesi: M.Ö. 3000 tarihinde, Mısır'da insanlar rüzgar enerjisini ilk kez yelkenli tekneler şeklinde kullandılar. Yelkenler, bir tekneyi suya çekmek için rüzgardaki enerjiyi yakaladı. Tahıl öğütmek için kullanılan en eski yel değirmenleri, M.Ö. 2000'de eski Babil'de ortaya çıktı. Bu ilk cihazlar, rüzgarla dönen, dönen bir şafta tutturulmuş, dibinde bir değirmen taşı olan, dikey olarak monte edilmiş bir veya daha fazla ahşap kirişten oluşuyordu.

Tahıl öğütmek için rüzgar enerjisinin kullanılması kavramı Orta Doğu'da hızla yayıldı ve Avrupa'da ilk yel değirmeni ortaya çıkmadan çok önce yaygın olarak kullanılıyordu. M.S. 11. yüzyıldan başlayarak, Avrupalı Haçlılar konsepti yanlarında getirdiler ve çoğumuzun aşina olduğu Hollanda tipi yel değirmeni doğdu.

Rüzgar enerjisi teknolojisinin ve uygulamalarının modern gelişimi, tahmini 600.000 yel değirmeninin kırsal alanlara elektrik ve su pompalama hizmetleri sağladığı 1930'larda oldukça ilerleme kaydetmişti. Geniş ölçekli elektrik dağıtımı, çiftliklere ve taşra kasabalarına yayıldıktan sonra, ABD'de rüzgar enerjisi kullanımı azalmaya başladı, ancak 1970'lerin başındaki ABD petrol kıtlığından sonra tekrar toparlandı.

Son 30 yılda araştırma ve geliştirme, federal hükümetin ilgisi ve vergi teşvikleriyle dalgalandı. 1980'lerin ortalarında rüzgar türbinlerinin tipik maksimum güç oranı 150 kW idi. 2006 yılında, ticari, şebeke ölçekli türbinler genellikle 1 MW'ın üzerinde derecelendirilmiştir.  4 MW'a kadar kapasitesi mevcuttur.

Günümüzde Rüzgar türbini ismini verdiğimiz modern yel değirmenleri rüzgar enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmektedir.

1887 yılında ABD’li mucit Charles F. Brush elektrik üreten ilk rüzgar türbinini icat etti. Demirden kule üzerinde 17 metre çapında kanatları vardır.

1899 yılında Danimarkalı mucit Poul la Cour kavisli kanatlar kullanarak Brush’ın tasarımını geliştirmiştir.

1918 yılında Danimarka’da elektriğin yüzde 3’ü rüzgar türbinlerinden üretilmiştir.

1930’lu yıllarda pilleri şarj etmek için küçük rüzgar makineleri tasarlanmıştır.

1979 yılında Danimarka’da pek çok rüzgar türbininin inşa edilmesiyle modern rüzgar gücü endüstrisi başlamış oldu.

2000’li yıllar Rüzgar gücü dünyada en hızlı büyüyen yenilenebilir enerji teknolojisi haline gelmiştir.

Rüzgar Enerjisi Nasıl Hesaplanır:

Rüzgar enerjisini hesaplamanın formülü şu şekildedir:

Üretilen Güç (Watt) = ½ x Hava Yoğunluğu (kg/m3) x Rüzgar Hızı (m/san)3 x Türbin Verimliliği x Süpürme Alanı

Formülde yer alan değişkenlerin açıklamalarıysa şöyle:

Hava Yoğunluğu: Uluslararası standart hava koşullarında (deniz seviyesinde, 15°C derecede ve 1013,25 mb atmosfer basıncında) hava yoğunluğu 1,225 kg/m3’tür.

Rüzgar Hızı: Türbinin kurulduğu yerdeki ortalama rüzgar hızının küpüdür.

Türbin Verimliliği: Rüzgar türbininin verimliliğidir. Bir rüzgar türbinin verimliliği yüzde 59,26’dır; formüle 0,5926 olarak işlenir.

Süpürme Alanı: Rüzgar türbin kanatlarının süpürdüğü dairesel alandır ve m2 birimi ile ifade edilir.

TÜRKİYE RÜZGAR HARİTASI

Türkiye’de Rüzgar Enerjisi:

Ülkemizin en önemli ithalat kalemlerinden biri olan ve yalnızca 2021 yılında 50 milyar Amerikan doları tutarında ithalatın gerçekleştiği enerjisinin ülke içerisinde kaynaklarla karşılanabilmesi adına rüzgar enerjisinin varlığı ve önemi 1992 yılında fark edilmiş ve T.C Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı tarafından Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği (TÜREB) kurumuştur.

Rüzgar enerjisi noktasında Türkiye’nin en güçlü sivil toplum kuruluşu olan TÜREB, Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliği (Wind Europe) ve Küresel Rüzgar Enerji Konseyi (GWEC) üyesidir ve sektördeki gelişmeleri yakından takip ederek enerjide maksimum karlılık amacına yönelik çalışmaları organize etmeyi hedefler.

Temmuz 2019 itibariyle ülkemizde aktif rüzgar enerjisi santrali (RES) sayısı 183, kurulu türbin sayısı 3155’dir, inşası devam eden RES sayısı ise 17’dir ve aktif santrallerden üretilen 7615 MWm ülkemizin toplam elektrik ihtiyacının yüzde  7.40’ını karşılar pozisyondadır.

RES’lerde üretilen enerjinin bölgesel dağılımına baktığımızda Ege’nin yüzde  37,74’lük payı ile zirvede yer alırken Marmara’nın yüzde  34,04’lük payı ile Ege’yi takip ettiğini söyleyebiliriz. Diğer bölgelerimizin rüzgar enerjisi üretimindeki payları ise;

Akdeniz: yüzde  13,11

İç Anadolu: yüzde  10,05

Karadeniz: yüzde  3,68

Güneydoğu Anadolu: yüzde  1,22

Doğu Anadolu: yüzde  0,15 olarak sıralanabilir.

Türkiye’de rüzgar enerjisiyle üretilen enerjinin şehir bazlı dağılımına baktığımızda ise ilk 10 sırayı paylaşan şehirleri ve üretim miktarlarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz;

İzmir: 1462,20 MWm

Balıkesir: 1135 MWm

Manisa: 669,95 MWm

Çanakkale: 505,60 MWm

Hatay: 364,50 MWm

Kayseri: 275,10 MWm

Afyon: 268,45 MWm

Osmaniye: 265,30 MWm

İstanbul: 256,90 MWm

Aydın: 237,20 MWm

2008 yılında 364 MWm olan kurulu rüzgar gücünün düzenli yatırımlarla 2019 yılı itibariyle 7615 MWm’ye yükseltilmesi endüstrinin, temel gereklilik olan enerji noktasında maliyetlerini kontrol edebilmesi adına önemli bir adımdır ve elbette enerjide dışa bağımlılığın azaltılması noktasında atılan adımlar bununla sınırlı değildir.

Dünyanın En Fazla Rüzgar Enerjisi Üreten Ülkeleri Hangileridir:

Dünyada bir yılda en fazla rüzgar enerjisi üreten ülkeler şu şekildedir:

Çin – 221 GigaWattsaat

ABD – 94,6 GigaWattsaat

Almanya – 59,3 GigaWattsaat

Hindistan – 35 GigaWattsaat

İspanya – 23 GigaWattsaat

Birleşik Krallık – 20,7 GigaWattsaat

Fransa – 15,3 GigaWattsaat

Brezilya – 14,5 GigaWattsaat

Kanada – 12,8 GigaWattsaat

İtalya – 10,1 GigaWattsaat

Rüzgar Nasıl Oluşur: Güneş, yeryüzünü mevsime, saate ve bölgenin topoğrafyasına göre farklı şekillerde ısıtır. Bunun sonucunda ısınan hava yükselirken, soğuyan hava alçalır. Alçalan soğuk hava, yeryüzünde basınç oluşturur; buna yüksek basınç adı verilir. Isınarak yükselen hava ise yeryüzüne daha düşük bir basınç uygular; buna ise alçak basınç denir. Hava kütlelerinin yüksek basınç alanından alçak basınç alanına hareket etmesi sonucu rüzgar oluşur. Oluşan rüzgarın ivmesi, yönü ve şiddeti ise basınç gradyan kuvveti, Coriolis kuvveti, merkezkaç kuvveti ve sürtünme kuvveti gibi değişkenlere bağlıdır.

Basınç Gradyan Kuvveti ve Rüzgar Enerjisinin Oluşumu: Belirli iki nokta arasında oluşan basınç değişikliğinde havanın hareket hızı ve yönünü etkileyen kuvvete basınç gradyan kuvveti denir. Basınç gradyan kuvvetinin, hareket halindeki hava kütlesine etkisi yüksek basınçtan alçak basınca doğrudur. Basınç gradyan kuvveti havanın yer değiştirmesi ile rüzgarın oluşumuna ve kinetik enerji kaynağı haline gelmesine yol açar.

Coriolis Kuvveti ve Rüzgar Enerjisinin Oluşumu: Adını Fransız bilim adamı Gaspard-Gustave Coriolis’ten alan Coriolis kuvveti, bir hareketin, karşıdan gelen bir direnç tarafından saptırılmasıdır. Dünya sürekli dönmekte olduğu için yeryüzündeki hava hareketlerinin doğrusal olmasını engeller. Coriolis etkisi sonucu kuzey yarımküredeki rüzgarlar hareket yönünün sağına, güney yarımküredeki rüzgarlar ise hareket yönünün soluna doğru ivmelenir. Coriolis kuvveti sonucunda rüzgar hareketleri, bulundukları yarımküreye göre 10° sapma gösterir.

Merkezkaç Kuvveti ve Rüzgar Enerjisinin Oluşumu: Dünyanın dönme hareketinin, atmosferdeki hava hareketleri üzerinde oluşturduğu savrulma etkisine merkezkaç kuvveti denir. Merkezkaç kuvveti rüzgarın doğrusal istikametinin bozulmasına sebep olur. Dünyada merkezkaç kuvvetinin en etkili olduğu yer Ekvator çizgisidir zira Dünya’nın dönüş hızının en yüksek olduğu yer Ekvator’dur. Dünya’nın dönüş hızının olmadığı Kuzey ve güney kutup noktalarında merkezkaç kuvveti görülmez.

Sürtünme Kuvveti ve Rüzgar Enerjisinin Oluşumu: Rüzgarın yer şekillerine sürtünmesi sonucu şiddetinin azalmasına ve yönünün değişmesine sebep olan kuvvete sürtünme kuvveti denir. Büyük ölçülü ve döngüsel hava hareketlerinde Coriolis kuvveti etkili olurken, yere yakın hava hareketlerinde sürtünme kuvvetinin yön ve hız değiştirme etkisi daha yüksektir.

Rüzgar Enerjisi Nasıl Üretilir: Rüzgar enerjisi, rüzgarın sahip olduğu kinetik enerjinin önce mekanik enerjiye, sonra da elektriğe dönüşmesiyle üretilir. Bunun için öncelikle enerjinin kontrolü gerekir. Kontrol edilen enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Mekanik enerji jeneratörü çalıştırır ve üretim tamamlanır.

Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Nasıl Üretilir: Rüzgar, rüzgar türbininin kanatlarını döndürür. Bu kanatlar, bağlı oldukları dişli kutusundaki çarkları döndürür. Dönen çarklar jeneratörü çalıştırır. Jeneratör ürettiği elektriği transformatöre iletir. Transformatör, aldığı elektriği şebekeye iletir.

Rüzgar Enerjisinin Avantajları Nedir: Rüzgar enerjisi yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak birçok avantaj sağlar:

Rüzgar Enerjisinin Dezavantajları Nedir: Yenilenebilir bir enerji kaynağı olmasına rağmen rüzgar enerjisinin bazı dezavantajları da vardır.

Rüzgar Enerjisi Nükleer Enerjiden Daha mı Ucuzdur: Rüzgar enerjisi ile nükleer enerji arasındaki en önemli fark, rüzgar enerjisinin bir hammadde maliyetinin olmamasıdır. Nükleer enerji ise Uranyum-235 gibi az ve zor bulunan maddeler ile çalışır. Ancak iki enerji türünün maliyetini etkileyen başka etkenler de vardır.

Rüzgar Enerjisinin Örnekleri Nelerdir; Rüzgar enerjisi tarih boyunca nesneleri hareket ettirme, taşıma ve ürün öğütme amaçlarıyla kullanılmıştır.

Rüzgar Enerjisi ile Su Pompalama: Rüzgar türbini üzerindeki şaft ile rüzgar akımının kinetik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülerek tarım alanlarında su pompalamak ve artezyen kuyulardan su çekmek için kullanılır.

Rüzgar Enerjisi ile Değirmen: Türbin aracılığı ile mekanik enerjiye dönüştürülen rüzgar enerjisi, iki plakanın ritmik olarak dönmesini sağlar ve bu iki plaka arasındaki ürünler öğütülür.

Rüzgar Enerjisi Fosil Enerji Kaynaklarından Daha mı Avantajlıdır: Rüzgar enerjisi ile fosil enerji kaynakları arasındaki temel farklılıklar şunlardır:

Lisanssız Rüzgar Enerjisi Santralinden Elektrik Üretim Teşviki Nedir: Küçük ve orta büyüklükteki işletmelerin rüzgar enerjisinden, lisans almadan 1 MegaWatt’a kadar elektrik üretmesi serbesttir. Ticari üretim için yapılan rüzgar enerjisi teşvikleri Enerji ve Tabiî Kaynaklar Bakanlığı tarafından sağlanır.

Rüzgar Enerjisi ile Elektrik Fiyatları Azalabilir mi; 1 MW kapasiteli bir rüzgar enerjisi santralinin kurulum maliyeti 1.2 milyon Euro civarındadır. Kule maliyeti 220 bin Euro, kanat maliyeti ise 800 bin Eurodur. Bir rüzgar enerjisi santrali yılda yaklaşık 2.500 kWh elektrik üretir.

Kullanım ömrü yaklaşık 15 yıl olarak görülen rüzgar elektrik santralleri, bu sürenin ilk 8 yılında kendi maliyetini çıkarırken, son 7 yılında ise herhangi bir hammadde maliyeti olmaksızın üretim yapar.

Dolayısıyla bu süre zarfında daha ucuza elektrik üretmek mümkün olacağı için rüzgar enerjisi santralleri elektrik fiyatlarını azaltabilir.

Rüzgar Enerjisi Üretimi Sırasında Yılda Kaç Kuş Ölür; ABD Balık ve Vahşi Yaşam Kurumu’na göre her yıl 140.000 ile 500.000 arasında kuş, rüzgar türbinleri sebebiyle ölüyor.

Rüzgar Türbini Nedir; Rüzgar türbini, rüzgarın kinetik enerjisini türbin içindeki şaft ile önce mekanik enerjiye, ardından jeneratör ile elektrik enerjisine çeviren rüzgar enerjisi çeviricisidir.

Rüzgar Enerjisi Santrali Nedir; Rüzgar enerjisi santrali vadi, boğaz ve kıyı gibi coğrafi olarak rüzgara meyilli, yüksek hızda ve düzenli rüzgarların estiği bölgelerde kurulan, rüzgar türbin ve kulelerinden oluşan ve rüzgar gücünden elektrik üretilen tesistir.

Rüzgar Enerjisi Güneş Enerjisinden Daha mı Avantajlıdır:  Rüzgar enerjisinin güneş enerjisine göre avantajlı ve dezavantajlı olduğu durumlar şunlardır:

Rüzgar Türbininin Parçaları: En basit rüzgar enerjisi türbini, üç önemli bölümden oluşur:

Rotor Kanatları: Kanatlar temelde sistemin yelkenleridir; en basit haliyle, rüzgara karşı bariyer görevi görürler (daha modern kanat tasarımları bariyer yönteminin ötesine geçer). Rüzgar kanatları hareket etmeye zorladığında, enerjisinin bir kısmını rotora aktarır.

Şaft: Rüzgar türbini şaftı, rotorun merkezine bağlıdır. Rotor döndüğünde şaft da döner. Bu şekilde rotor, mekanik, dönme enerjisini diğer ucunda bir elektrik jeneratörüne giren mile aktarır.

Jeneratör: Bir jeneratör oldukça basit bir cihazdır. Elektrik voltajı üretmek için elektromanyetik indüksiyonun özelliklerini kullanır. Gerilim, esasen elektriksel basınçtır (Elektriği veya elektrik akımını bir noktadan diğerine hareket ettiren kuvvet). Dolayısıyla, voltaj üretmek fiilen akım üretmektedir. Basit bir jeneratör, mıknatıslardan ve bir iletkenden oluşur. İletken, tipik olarak sarmal bir teldir. Jeneratörün içinde şaft, tel bobinini çevreleyen kalıcı mıknatıslar grubuna bağlanır. Elektromanyetik indüksiyonda, mıknatıslarla çevrili bir iletkeniniz varsa ve bu parçalardan biri diğerine göre dönüyorsa, iletkende voltajı indükler. Rotor, şaftı döndürdüğünde, şaft, mıknatıslar takımını döndürerek tel bobininde voltaj oluşturur. Bu voltaj, elektrik akımını (tipik olarak alternatif akım, veya AC gücü) dağıtım için güç hatlarından dışarı çıkar.

Elbette her bir parçanın birçok alt birimi daha bulunmaktadır; ancak burada her birinin detayına girecek olursak, bu yazının fazlasıyla teknik bir dokümana evrimleşmesi kaçınılmaz olacaktır. Bunun yerine, aşağıdaki şemayı inceleyerek alt birimleri de tanıyabilirsiniz.

Artık basitleştirilmiş bir sisteme baktığınıza göre, bugün rüzgar santrallerinde ve kırsal arka bahçelerde gördüğünüz modern teknolojiye geçeceğiz. Biraz daha karmaşık, ancak temel prensipler aynı.

Alstom Haliade 150-6MW modelinin basitleştirilmiş parça şeması

Kaynak: Wind Power Engineering

Özetle, Rüzgar enerjisi kirliliğe sebebiyet vermeyen önemli yenilenebilir ve tükenmeyen enerji türlerinden birisidir. Ucuzdur ve ticari boyutu giderek genişlemektedir. Giderek artan küresel iklim değişikliği ve enerji güvenliği hakkındaki endişeler, rüzgar enerjisini yeni ekonominin merkezine oturtmuştur.

Konvansiyonel enerji kaynaklarından farklı olarak, rüzgar enerjisi sera gazı salınımına neden olmamaktadır. Rüzgar enerjisinden yararlanarak elektrik enerjisi elde etmek için rüzgar türbinleri kullanılır. Rüzgar türbinleri, rüzgar enerji santrallerinin ana yapı elemanı olup, hareket halindeki havanın kinetik enerjisini öncelikle mekanik enerjiye ve sonrasında elektrik enerjisine dönüştüren makinelerdir. Rüzgar türbinleri dönüş eksenlerinin doğrultusuna göre yatay eksenli veya düşey eksenli olarak imal edilirler. Bu tiplerden en fazla kullanılanı yatay eksenli rüzgar türbinleridir. Yatay eksenli rüzgar türbinleri, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatları ise rüzgar yönüne dik vaziyette çalışırlar. Bu tip rüzgar türbinleri bir, iki, üç veya çok kanatlı yapılmaktadır.

Rüzgar Enerjisine Yatırım Yapılmalı mıdır sorusuna; Bugünkü tüketim hızı ile dünyadaki tüm petrol rezervinin 48 yıl, tüm kömür rezervinin 216 yıl, tüm doğalgaz rezervininse 47 yıl sonra biteceği öngörülüyor.

Dolayısıyla dünya ülkeleri, yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneliyor. Günümüzde dünya üzerinde tüketilen elektriğin yaklaşık yüzde 6’sı rüzgar enerjisinden üretiliyor. Bu, rüzgar enerjisinin 2000 yılındaki üretimin tüketimi karşılama oranının yaklaşık 200 katı.

Fosil kaynaklarının ne zaman biteceği sorusu hep gündemde, ancak her sorunun tek bir cevabı var, bu kaynaklar eninde sonunda bitecek. Enerjiye olan talebin sürekli olarak arttığı, enerji arzının da sürekli olarak düştüğü bir noktada enerji fiyatlarının gideceği yer de bellidir.

Bu yüzden her türlü yenilenebilir kaynakların kullanımı yaygınlaştırılmalı, yenilenebilir kaynakların en caziplerinden olan rüzgar enerjisine yapılan yatırım artırılmalıdır. Taşı sıkıp suyunu çıkartmak ve potansiyeli olan her yere rüzgar santrali kurulması gelecek için oldukça önemlidir.

Özellikle ülkemizde deniz üstü rüzgar yatırımları yapılmaya başlanmalı, kara üstü rüzgar santrali yatırımlarına da hız verilmelidir.

 ( Magic Mechanic Meetings© yazı dizisi devam edecek… )

KAYNAKÇA:

1-) Su Ülkesi

https://www.atlasdergisi.com/native/hollanda/

2-) Rüzgar Enerjisi

https://www.encazip.com/ruzgar-enerjisi-nedir

3-) Yer Değirmeni

https://muhendislikler.net/ruzgar-enerjisinin-tarihsel-gelisimi/

4-) Rüzgar Enerjisi Nedir, Kullanım Alanları Nelerdir

https://sehatek.com.tr/blog/ruzgar-enerjisi-nedir-kullanim-alanlari-nelerdir/

Semih ÇALAPKULU

Makina Mühendisi