Rüzgar enerjisini anlamak

Fosil yakıtların azalmasıyla yenilenebilir enerji kaynakları günden güne önem kazanıyor. Ancak mesele sadece fosil yakıtların azalması değil. Bu kaynaklar sanayi devriminden beri çevreyi sürekli kirletiyorlar. Bu sebeple günümüzde güneş ve rüzgar gibi yenilenebilir ve temiz enerji kaynakları üzerinde yapılan bilimsel ve teknolojik çalışmalar, enerji konusunda birinci öncelik haline geldi.

Jeotermal, dalga ve nükleer enerji haricindeki diğer yenilenebilir enerji kaynakları, doğrudan ya da dolaylı bir şekilde enerjisini güneşten sağlıyor. Bunlar arasında en ucuzu ve en verimlisi olan rüzgar enerjisi, gelişen teknoloji ile birlikte günlük hayatımızda artık daha çok yer buluyor. Güneş, dünya yüzeyine 174.000 TW/sa enerji aktarıyor. Bu enerjinin yaklaşık % 1-2’si ise rüzgar enerjisine dönüşüyor.

Rüzgar Enerjisi Nedir?

Rüzgar, hava kütlelerinin atmosfer üzerinde yer değiştirmelerinden başka bir şey değildir. Bu yer değişikliğinin sebebi, hava kütlelerinin sahip olduğu basınç farkıdır. Hava ısındıkça yükselir, soğudukça alçalır. Bu ısınma ve soğumaların asıl sebebi ise güneştir. Rüzgarın oluşmasını sağlayan bir diğer olay da coriolis kuvvetidir. Dönen yer kürenin yüzeyi üzerinde hareket eden hava, kuzey yarım kürede hareket yönünün sağına, güney yarım kürede soluna saptırır. Bu saptırma gücüne coriolis kuvveti denir.

Rüzgar, güneşin dünyayı düzensiz bir şekilde ısıtması sonucu oluşur. Bu düzensizliğin sebebi dünya yüzeyinin engebeli olması, karadan ve denizden oluşmasıdır. Kara ve deniz, güneşin yaydığı ısıyı farklı seviyelerde absorbe  eder. Rüzgar kara yüzeyinde yavaşlar çünkü bitki örtüsü, orman, dağlık alanlar gibi doğa yüzeylerinde sürtünme yüzeyi oldukça fazladır. Bu sebeple yüksek seviyelerde rüzgar daha hızlı eser. Denizde ise sürtünme yüzeyi olmadığı için rüzgar daha kuvvetli eser.

Rüzgardan elde edilen güç ve enerji

Rüzgar türbinleri, rüzgarın kinetik enerjisini kanatları yardımı ile alır. Uçak kanadı şeklinde yapılmış olan kanatlar, rüzgarın etkisi ile dönerler. Bu dönme hareketi bir mil ile generatöre aktarılır ve elektrik üretilir. Böylece rüzgarın kinetik enerjisi elektrik enerjisine çevrilmiş olur.

Bir A alanından t zamanda geçen rüzgarın enerjisi, aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir:

Rüzgar hızı

Bağıntıya göre rüzgarın gücü, hızın küpü ile orantılıdır. Bu durumda rüzgar hızının 2 katı artması durumunda rüzgardan elde edilecek güç 8 kat artacaktır. Bu sebeple, türbinin yüksek rüzgar hızlarına karşı mekanik dayanıklılığının sağlanması koşulu ile mümkün olduğunca yüksek rüzgar hızları tercih edilir. Yüzeyden yukarıya gidildikçe rüzgar hızları artar ancak yüksek türbin boyları maliyetleri arttırır. Sürtünmenin az olduğu, dolayısıyla rüzgar hızlarının yüksek olduğu off shore (deniz üstü) türbinlerde ise kurulum zordur ve maliyetleri yüksektir.

Türbin kanatlarının süpürdüğü alan

Aynı rüzgar hacmi için türbin kanatları ne kadar geniş bir alanı süpürürse o kadar fazla güç elde edilmiş olur. Rotor kanatlarının boyu iki kat arttırılırsa, rüzgardan elde edilecek güç 4 kat artar. Ancak türbin kanatlarının uzunluğu arttıkça sistemin mekanik yükü artar, bu da maliyetleri arttırır.

Havanın yoğunluğu

Hava yoğunluğu arttıkça elde edilecek güç de artar. Yoğun hava, ağırlığından dolayı yer yüzeyine yakındır ancak kara yüzeyindeki sürtünmeden dolayı hava hızı nispeten düşük olacaktır. Offshore santrallerde bu ilke işe yarar, çünkü deniz yüzeyinde sürtünme olmadığı için rüzgar hızı yüksek olur.

Yukarıdaki bağıntı bize rüzgar gücünün fiziksel parametrelerini vermesine rağmen gerçekte elde edilen güç daha azdır ve kullanılan generatör tipi, kanat tasarımı gibi bazı fiziksel kayıplara bağlıdır. 1919 yılında Alman fizikçi Albert Betz tarafından ortaya atılan Betz kanununa göre bir rüzgar türbininden elde edilecek maksimum güç, fiziksel gücünün % 59.3’ü oranındadır. Gerçek uygulamada ise bu oran % 30 ile % 45 arasında değişir. Buna göre rüzgarın gerçek gücü aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır:

Burada Cp, türbinin performans katsayısını ifade eder.