En temel şekliyle rüzgar türbinlerinin çalışma prensibi ve elektrik enerjisinin elde edilmesi kanatlara çarpan rüzgarın rotoru çevirmesi ve rotorun miller vasıtası ile jeneratörü tahrik etmesi prensibine dayanır.
Rüzgar türbininde temel enerji dönüşümü
Tahrik edilen kısmı ile dönme hareketi yapan ve bir akışkanda bulunan enerjiyi milinde mekanik enerjiye dönüştüren makineler türbin olarak adlandırılmaktadırlar.
Rüzgar Türbinlerinin Özellikleri ve Yapısı
Rüzgar enerjisi üretimi için kullanılan türbinler teknolojik gelişmeler sayesinde gün geçtikçe modernleşmekte ve eksik olduğu düşünülen konular bir bir tamamlanmaktadır. Performansı arttırıcı sistemler ile rüzgar dünden bugüne yel değirmenlerinden modern türbinlere kadar basamak basamak bir gelişim gösterdi. Şimdi kısaca modern türbinlerin genel yapısına bakacak olursak;
- Modern rüzgar türbinleri 2-3 kanatlıdır.
- Kanat çapları yaklaşık olarak 30 m’dir.
- Belli bir zaman aralığında rüzgar hızı değişkendir. Ancak, şebekeye enerji, rüzgar jeneratörü ve kanat özellikleri ile yaklaşık olarak değişmez olarak verilir.
- Enerji üretimi rotor yüksekliğinde rüzgar hızının kübüne ve kanatların süpürme alanına bağlıdır.
- Türbin güçleri birkaç KW tan birkaç MW a kadar değişebilmektedir.
- Rüzgar türbinleri karaya kurulduğu gibi denizlerde de kurulabilmektedir.
Rüzgar enerjisi dönüştürme sistemleri 50W ile 2-3 MW arasında mekanik veya elektrik gücü sağlayabilmektedir. Havanın özgül kütlesi az olduğundan, rüzgardan sağlanacak enerji rüzgar hızına bağlıdır. Rüzgar hızı yükseklikle, gücü ise hızının kübü ile orantılı biçimde artar. Rüzgarın sağlayacağı enerji, gücüne ve esme saati sayısına bağlıdır, özgül rüzgar gücü, hava debisine dik birim yüzeye düşen güçtür.
Rüzgar türbininin temel parçaları
- Pervane muhafazası
- Pervane birleştirici
- Kanat
- Kanat eğim yatağı
- Rotor Göbeği
- Merkezi mil yatağı
- Ana mil ( şaft )
- Dişli kutusu
- Fren diski
- Bağlantı noktası
- Servis vinci
- Jeneratör
- Meteoroloji algılayıcılar
- Yaw dişlisi
- Yaw yatağı
- Kule
- Türbin taban plakası
- Gövde
- Yağ filtresi
- Jeneratör fanı
- Yağ soğutucu
Rüzgar Türbinlerinin Sınıflandırılıması
Rüzgar türbinleri kanat yapılarına göre Yatay, Dikey ve Eğik Eksenli olmak üzere üçe ayrılırlar:
Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri
Dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatlar rüzgar yönüne diktir. Ticari türbinler genellikle yatay eksenlidir. Rotor, rüzgarı en iyi alacak şekilde döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir.
Yatay eksenli türbinlerin çoğu rüzgarı önden alacak şekilde tasarlanır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerin ise, yaygın bir kullanım alanları yoktur. Yatay eksenli makinelerin maksimum enerji tutabilmeleri için rotorları daima rüzgar akış yönünde olmalıdır. Bu da rotorun kule üstünde dönmesi ile sağlanır. Rüzgarın yönünde dönme hareketi iki değişik konstrüksiyon ile sağlanır. Bunlar “öne–rüzgar” ve “arkaya-rüzgar’’ olarak adlandırılırlar.
Eğer kanat, rüzgarı ön yüzünden alıyorsa rotorun arkasına bir kılavuz kanat takılır. Diğer şekilde ise kanat, rüzgarı arka kısımdan alır veya kanatlar biraz konik yapılır. Böylece sistem rüzgarı takip ederek maksimum faydayı sağlar.
Yatay eksenli rüzgar türbini
Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri
Dönme ekseni rüzgar yönüne dik ve düşey olan bu türbinin kanatları da düşeydir. Günümüzde çeşitli ülkelerdeki elektrik enerjisi üretimi uygulamalarının çoğunluğu 2 ve 3 kanatlı yatay eksenli rüzgar türbinleri oluşturmaktadır. Büyük güçlü düşey eksenli uygulamalar da mevcuttur. Özellikle Dorrieus tipi türbinler ve bunun geliştirilmiş daha karmaşık yapılı olanı Cyclogino tipi rüzgar türbinleri kullanılmaktadır.
Düşey eksenli rüzgar türbini
Eğik Eksenli Türbinler:
Dönme eksenleri düşey ile rüzgar yönünde bir açı yapan rüzgar türbinleridir. Bu tip türbinlerin kanatları ile dönme eksenleri arasında belirli bir açı bulunmaktadır.
Rüzgar Türbinlerinde Kullanılan Generatör Çeşitleri
Rüzgar Türbini sisteminde 3 fazlı herhangi bir generatör seçimi yapılabilir. Kullanılan generatöre göre generatörün çıkışındaki akımın frekansı şebeke frekansından farklı da olsa, akımın karakteri doğru akım da olsa çeviriciler sayesinde şebekeye entegre edilecek standartlara ulaşmamız mümkündür. Türbin sistemlerinde:
a) Asenkron Generatörler
b) Senkron Generatörler
kullanılır.
Asenkron Generatörler
Rüzgar türbini sistemlerinde en çok kullanılan generatör tipidir. Sağlam olması, mekanik yapılarının basit olması kullanımını cazip hale getiren özellikleridir. Stator uyarma akımının reaktif akım ihtiyacı ise başlıca dezavantajıdır.
Sincap Kafesli Asenkron Generatörler
Sincap kafesli asenkron makine bir AC sisteme doğrudan bağlanıp sabit hızda işletilebileceği gibi güç elektroniği üniteleri ile birlikte değişken hızlarda da işletilebilir. Manyetik sesleri azaltmak ve iyi kalkınma momenti elde etmek için rotor olukları mile paralel olarak değil, meyilli olarak açılarak pres alüminyum döküm rotor sargısı elde edilir. Sincap kafesli asenkron makineler, fırçasız, güvenilir, ekonomik ve sağlam bir yapıya sahip olmaları nedeniyle uygulamada sıkça kullanılmaktadırlar. Kayma, dolayısıyla rotor hızı, üretilen gücün miktarıyla değişir. Rotor hızındaki değişimler %1-2 civarındadır. Bu yüzden bu tip, rüzgar hızının sabit olduğu zamanlarda avantajlıdır.
Bilezikli Asenkron Generatörler
Bilezikli asenkron generatör kullanıldığında, rotorun elektriksel karakteristikleri dışarıdan kontrol edilebilir. Sargılı rotorun sargıları, dışarıdan kayar bilezikler ve fırçalarla veya güç elektroniği düzeneği ile bağlanır. Güç elektroniği düzeneği kullanılarak, güç rotor devresine aktarılabilir ve generatör, rotor ya da stator devresiyle mıknatıslanabilir. Böylece rotor devresinde harcanan enerjiyi geri kazanmak ve statorun çıkışına vermek mümkün olur. Dezavantajı sincap kafesliye göre daha pahalı olması ve sincap kafesliye oranla sağlam olmayışıdır.