Rüzgar Nedir?
Rüzgar enerjisi, güneş radyasyonunun yer yüzeylerini farklı ısıtmasından kaynaklanır. Yer yüzeylerinin farklı ısınması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, bu farklı basınç da havanın hareketine neden olur. Güneş ışınları olduğu sürece rüzgar olacaktır. Rüzgar güneş enerjisinin bir dolaylı ürünüdür. Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık % 2 kadarı rüzgar enerjisine çevrilir. Dünya yüzeyi düzensiz bir şekilde ısınır ve soğur, bunun sonucu atmosferik basınç alanları oluşur, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına hava akışı yapar.
Bir tropikal ada üzerindeki rüzgarlar (ticaret rüzgar) gündüz ve gece boyunca hemen hemen sabit bir rüzgar akışı sağlayarak oldukça bağımlıdır. Ne yazık ki, dünyanın her bölgesinde ticaret rüzgarları yoktur ve hava sistemleri her bir kaç gün süresinde hareket eder. Rüzgar hızında, durgun bir havadan bir fırtınaya kadar çok farklı değişimler vardır. Elektrik enerjisi kullanımı zamana bağlı olduğu için rüzgardaki günlük ve mevsimsel değişimler önemli bir göstergedir.
Coğrafya ve rüzgar
Eğer tüm arazi düz ve pürüzsüz olsa idi, bir yerden diğerine rüzgar değişimi çok küçük olurdu. Tepelerin, vadilerin, akarsu vadilerinin, göllerin katılması ile bir karmaşık ve değişken rüzgar rejimi oluşur. Küçük ölçeklerde ağaçlar ve binalar da bu karmaşıklığa ilave edilir.
Tepeler, platolar ve uçurumlar bir rüzgar türbini için yüksek rüzgar hızı bulunabilecek yerlerdir. Daha alçak ve kapalı olan vadilerde rüzgar hızı düşük olur. Bununla beraber, tüm vadilerde rüzgar hızının düşük olması zorunlu değildir. Rüzgar akışına paralel olduklarında vadiler kanal gibi davranabilir ve rüzgar kaynağını artırabilir. Vadideki bir daralma dar bir alanda havayı hunileyerek rüzgar akışını daha da kuvvetlendirebilir. Bu genellikle rüzgara bakan dar dağ geçitlerinde olur.
Yakınındaki tepe üstleri rüzgarlı olsa bile vadiler genellikle geceleri sakindir. Soğuk ve ağır hava tepelerden aşağıya doğru akar ve vadilerde toplanır. Bunun üzerindeki bir seviyede soğuk havanın sonuç katmanı genel rüzgar akışından atılarak alçak arazilerde sakin durum oluşur. Bunun sonucu olarak, bir tepeye kurulan bir rüzgar türbini, daha alçak seviyeli bir yere kurulan rüzgar türbini çalışmazken, tüm gece boyunca güç üretebilir. Bu durum daha çok etrafına göre en az birkaç yüz feet yüksekliği olan yüksek arazilerde olur.
Yüksek arazi özellikleri rüzgar akışını hızlandırabilir. Yaklaşan bir hava kütlesi zirveyi aşarken genellikle ince bir tabaka içine sıkıştırılır, bunun sonucu hızı artar. Bir sırt üzerinde, rüzgar sırt hattına dik estiği zaman en büyük hız oluşur. Izole tepeler ve dağlar rüzgarları sırtlara göre daha az hızlandırırlar, çünkü daha fazla hava yanlara akışa meyleder. Yüksek rüzgar türbülansı olmasından dolayı yüksek arazilerin downward tarafından sakınılmalıdır.
Büyük su kütlelerine yakın kara alanları iki nedenden dolayı iyi rüzgarlı alanlar olabilir. İlk olarak, bir su yüzeyi bir kara yüzeyine göre çok daha düzgündür, bu nedenle su üzerinde akan hava daha az sürtünmeye tabidir. Hakim rüzgar yönünün sahile doğru olduğu sahil şeridi en iyi rüzgar alanıdır. İkinci, güneşli ir yaz gününde olduğu gibi, bölgesel rüzgar hafif olduğu zaman, deniz veya göl meltemi olarak bilinen yerel rüzgarlar oluşur, çünkü kara ve denizısınmaları farklı oranlardadır. Karalar suya göre çok daha çabuk ısındığı için, kara üzerindeki ısınan ve yükselen havanın yerine su üzerindeki soğuk hava gelir. Bu şekilde denizden karaya 8 ile 12 mph veya üzeri hızında meltem oluşur. Geceleri kara çok daha çabuk soğuduğu için meltem durur veya ters yönde eser.
Yüzey Pürüzlülüğü
Üzerinde estiği yüzey rüzgarın hızını etkiler. Ağaçlar ve binalar ile kaplı pürüzlü yüzeyler göl veya açık tarlalar gibi düzgün yüzeylere göre daha fazla sürtünme ve türbülans oluşturacaktır. Sürtünme ne kadar büyükse yere yakın rüzgar hızı o oranda düşüktür.
Rüzgar Kullanım Alanları
1-Elektrik üretme
2-Pilleri şarj etme
3-Su depolama
4-Taşımacılık
5-Su pompalama
6-Tahılların öğütülmesi
7-Soğutma
Yakıtsız enerji
▪Nakliye yok.
▪Yakıt Fiyatı Değişkenliği yok.
▪Artan Talebin Baskısı yok.
Enerji üretiminde rüzgar kaynağının üstünlükleri:
•Temiz
•Bedava
•İklim değişikliği sorununa çözüm
•Hava kirliliği sorununu azaltır
•Enerji güvenliği sağlar
•Enerji arzını çeşitlendirir
•Yakıt ithalini önler
•Yakıt maliyetleri yok
•Ulusal kaynaklar için devletler arası anlaşmazlıkları önler
•Kırsalda elektrik ağını geliştirir
•İstihdam ve bölgesel kalkınma sağlar
•Fosil yakıtların fiyat değişkenliğinden kaynaklanan karmaşıklığı önler
•Modülerdir ve çabuk kurulur
•İthalat bağımlılığı yok
•Yakıt fiyatı riski yok
•Karbon emisyonu yok
•Kaynak tükenmesi yok – küresel rüzgar kaynağı küresel enerji talebinden daha büyük
•Arazi dostu – rüzgar santrali içinde veya etrafında tarım/sanayi faaliyetleri yapılabilir
•Uygulama esnekliği – büyük ölçekli ticari santraller veya ev tipi uygulamalar mümkün
•Ulusal yarar – Geleneksel yakıtların aksine, enerji güvenliği açısından yakıt maliyetlerini ve uzun dönemli yakıt fiyatı risklerini eleyen ve ekonomik, politik ve tedarik riskleri açısından diğer ülkelere bağımlılığı ortadan kaldıran yerli ve her zaman kullanılabilir bir kaynaktır.
Rüzgar Potansiyeli
Dünyada rüzgar gücünde liderlik yapabilir piyasalar: Avustralya, Kanada, Çin, Fransa, Hindistan, İtalya, Filipinler, Polonya, Türkiye, İngiltere ve ABD. Bu piyasalar başlangıç safhasında ve fakat gelişme aşamasındadır ve ana rüzgar büyümesi buralarda gerçekleşebilir.
TEKNİK OLARAK KULLANILABİLİR TOPLAM HAZIR KÜRESEL RÜZGAR KAYNAĞI TAHMİN EDİLEN TOPLAM DÜNYA ELEKTRİK TALEBİNİN İKİ MİSLİNDEN DAHA BÜYÜKTÜR.
Dünya rüzgar kaynağı 53 TWh/yıl olarak hesaplanmakta, 2020 yılında dünya elektrik talebi artışının 25,579 TWh/yıl olacağı öngörülmektedir.
2020 yılına kadar dünya elektrik tüketiminin %12 miktarını rüzgar enerjisinden karşılama senaryosuna göre yatırımlar, maliyetler ve istihdam:
2020 yılında 1,245 GW dünya rüzgar gücü hedefine ulaşmak için gereken yatırım miktarı 692 milyardır. Bu süre içinde üretim maliyetlerinin 3.79 e-cents/kWh’dan 2.45 e-cents/kWh’a düşmesi beklenmektedir. Yine bu süre içinde dünya çapında rüzgar endüstrisinde imalat, kurulum ve diğer iş kollarında 2.3 milyon iş imkanı sağlanacaktır.
Rüzgar enerjisi enerji geleceğimizde ve iklim değişikliğini önlemede büyük bir role sahiptir. Halen dünyada en hızlı büyüyen enerji sektörlerinden biridir. Gelişmiş ülkeler seragazı gaz emisyonlarından korunmak için dünyada rüzgar gücü geliştirmelerini teşvik etmek ve desteklemek zorundadır.
Rüzgar gücü küresel çapta kullanıma hazır ve gerekli olan güç teknolojilerinin en etkililerinden biridir ve diğer geleneksel güç santrallerinden çok daha çabuk kurulabilmektedir. Rüzgar türbinlerinde küresel piyasa 2020 yılına kadar şimdiki 8 milyer € dan 80 milyar € yıllık iş hacmine çıkacaktır.
Zamanımızın küresel enerji politikaları sadece iklim değişikliği ile değil, aynı zamanda enerji taleb artışları ve enerji sağlamada güvenlik konuları ile de önemlidir. Bu üç konuda rüzgar enerjisi bir liderlik adayıdır.
Bir rüzgar türbininden üretilen elektrik enerjisinin en verimli şekilde kullanılması için enerji tüketimi rüzgar mevcudiyetine göre uyarlanmalıdır (ulusal şebekeye çok az bir besleme yapıldığı varsayılarak). Hava tahminleri yüksek ve düşük rüzgar periyotlarının planlanmasında kullanılabilirler.
İklim Değişikliği
ABD’de yapılan bir araştırmaya göre sadece California’nın rüzgar potansiyeli 1.2 milyon ton CO 2 ve 15 milyon ton diğer kirleticileri azaltır, bu miktar aynı hava kalitesini sağlamak için 90 milyon ile 175 milyon ağaçlı bir ormana karşılık gelir.
Dünya elektrik ihtiyacının 12% si rüzgardan sağlanabilir; Endüstri raporuna göre 2020 yılına kadar 11 milyar ton CO 2 azaltılabilir.
Rüzgar enerjisi enerji geleceğimizde ve iklim değişikliğini önlemede büyük bir role sahiptir. Halen dünyada en hızlı büyüyen enerji sektörlerinden biridir. G8 ülkeleri seragazı gaz emisyonlarından korunmak için dünyada rüzgar gücü geliştirmelerini teşvik etmek ve desteklemek zorundadır. Avrupa’daki kurulu rüzgar gücü yılda 50 milyon tondan fazla CO 2 sakınması yapmaktadır.
2030 yılına kadar küresel karbon emisyonunun 45% miktarı güç sektöründen kaynaklanacaktır.
CO2 Emisyonunun Azaltılması
Kyoto Protokolü iklim değişikliğine göre, AB 2010 yılına kadar kendi seragazı gaz emisyonlarını 1990 seviyelerine göre % 8 azaltmayı taahhüt etmiştir. Bu gün AB kurulu rüzgar gücü her yıl 50 milyon tonun üzerinde CO 2 koruması sağlamaktadır. Eğer bugünkü büyüme sürerse, 2010 yılına kadar, rüzgar enerjisi yılda 109 milyon ton koruma sağlayacaktır, bu miktar Kyoto Protokolünde belirlenen miktardan % 30 daha fazladır.
Rüzgar Enerjisi Tarihçesi
İnsanlık medeniyet tarihinde rüzgar çok önemli bir rol oynamıştır. Rüzgarın ilk kullanılması 500 yıl önce Mısır’da kayıkların bir sahilden diğerine yüzdürülmesinde kullanılmıştır. İlk tam rüzgar değirmeni MÖ 200 yılında antik Babylon’da inşa edilmiş olmalıdır, bu değirmen bir eksene tutturulmuş pervaneler ile dönüş hareketi üreten bir makinedir. MS 10. yy’a kadar doğu İran ve Afganistan’da 16 feetlik rüzgar yakalama kanatları ve 30 feet yüksekliği olan rüzgar değirmenlerinde tahıl öğütüldüğü bilinmektedir. Batı dünyası rüzgar değirmenlerini çok daha sonraları keşfetmiştir. Bu konudaki ilk yazılı kayıtlar 12 yy’a aittir. Birkaç yüzyıl sonra rüzgar değirmenleri geliştirilerek ve uyarlanarak su pompalamada kullanıldı.
Çok pervaneli yeldeğirmenleri 19. yy ikinci yarısında ABD’de icat edilmiştir. 1889 yılında ABD’de 77 tane rüzgardeğirmeni fabrikası vardı ve yüzyılın sonunda rüzgar değirmeni ihracatı ABD ekonomisi için en büyük ihracat kalemi olmuştu. Dizel motorlar icat edilene kadar, ABD’deki büyük demiryolları büyük çok-pervaneli yeldeğirmenlerine bağlı kalmıştır (buhar lokomotifleri için su pompalama, yeldeğirmeni ile yapılmıştır).
1930 ve 1940 lı yıllarda ABD de yüzbinlerce elektrik üreten rüzgar türbini imal edildi. Bunlarda yüksek hızda dönen ve elektrik generatörünü çalıştıran iki veya üç ince pervane vardı. Bu türbinler çiftliklere elektrik sağladılar, depolama pillerini doldurmada, radyo alıcılıranı çalıştırmada ve bir veya iki aydınlatma ampülünü çalıştırmada kullanıldılar. 1950 başlarında ulusal şebekelerin her eve ulaşacak kadar yaygınlaşması ve elektrik düzenleme yasalarının çıkarılması ile rüzgar türbini bir duraklama devresine girdi.
1973 OPEC petrol ambargosunu takiben enerji fiyatlarındaki artış ve geleneksel enerji kaynaklarının sınırlılığı rüzgar enerjisine olan ilgiyi tekrar artırmıştır. Teşvikler ve resmi araştırma çalışmaları sonucu bir çok yeni türbin tasarımı yapılmıştır. Bazı modeller çok büyüktür. 300 feet pervane çaplı bir büyük türbin 700 evin elektrik ihtiyacını karşılayabilir. Konutlarda, çiftliklerde kullanılmak üzere bir çok yeni küçük-ölçekli model geliştirilmiştir.
1970 li yıllarda ABD’de yaklaşık 50 tane yerli rüzgar türbin imalatçısı vardı.
Rüzgar sistemleri için yeni bir pazar olarak “rüzgar tarlaları” 1980 başlarında başladı. 1978 yılında ABD’de çıkarılan yasa ile rüzgar enerjisine getirilen teşvik ile elektrik dağıtım şirketleri rüzgar enerjisinden üretilen elektriği almak zorundaydılar.
Rüzgar Ölçümü
Rüzgar da hava gibi genelde öngürelemez. Yerden yere ve zamandan zamana değişir. Görünmez olduğu için özel ölçüm aletleri kullanmaksızın ölçülemez. Rüzgar hızı etrafımızdaki ağaçlardan, binalardan, tepelerden ve vadilerden etkilenir. Rüzgar bir diffuse enerji kaynağı olarak başka bir yerde başka bir zamanda kullanılmak üzere biriktirilemez veya depolanamaz.
Rüzgar Gücü
Rüzgar gücü mümkün rüzgar enerjisinin bir ölçümüdür. Rüzgar gücü rüzgar hızının kübünün bir fonksiyonudur. Eğer rüzgar hızı iki misline çıkarsa rüzgardaki enerji sekiz faktörü ile artar (23). Bunun anlamı şudur; rüzgar hızındaki küçük değişiklikler rüzgar enerjisinde büyük değişikliklere neden olurlar. Örneğin, 10 mph bir hız ölçümü yapan birine karşı başka biri aynı zamanda komşu bir yerde 12.6 mph hız ölçümü yapsın. Bu 2.6 mph farkına karşılık rüzgar gücünde % 100 oranında bir fark vardır (103 = 1000, 12.63 = 2000). Yer seçimi veya ölçme hataları ile yapılabilecek küçük rüzgar hızı hataları bir rüzgar türbini yatırımında büyük hatalara neden olabilmektedir. Bu nedenle, rüzgar türbini satınalmadan önce, doğru ve sürekli bir rüzgar çalışması yapılmalıdır. Ekonomik olarak uygulanabilir olması için, bir rüzgar türbini kurulacak yerde yıllık ortalama en az 12 mph (5.4 m/s) rüzgar hızı olmalıdır. Bir rüzgar sistemi alınmadan önce çok iyi bir rüzgar incelemesi yapılmalıdır, kişisel gözlemlere göre bir rüzgar sistemi kurulamaz. İyi bir rüzgar incelemesi yapmadan rüzgar türbini satın alanlar genellikle sistemlerinin performansı ile hayal kırıklığına uğramışlardır. Hakim rüzgar yönünün bilinmesi rüzgar türbinin en az engel bulunan yöne kurmak açısından çok önemlidir.
Rüzgardaki mümkün güç miktarı
w = 1/2rAv3 eşitliği ile verilir.
w = güç/enerji
r= hava yoğunluğu
A= kanat alanı
v= rüzgar hızı
Hava yoğunluğu yükseklikle, sıcaklıkla ve hava cepheleri ile değişir. Rüzgar gücü hesaplamalarında, hava cephelerinin etkisi önemsenmeyecek kadar küçüktür, böylece hava yoğunluğu formülü şöyledir:
P=(1.325xP)/T
T= Fahrenheit + 459.69 olarak sıcaklık
P= Yüksekliğe göre düzeltilmiş Mercury basıncı (inch)
Tipik ortalama hava sıcaklığı (59°F) deniz seviyesine indirgenerek hava yoğunluğu için bir standart değer kullanılabilir. Bu durumda güç eşitliği basit olarak aşağıdaki hale gelir:
Basitleştirilmiş Güç Eşitliği
Metrik birimler
w = 0.625Av3
w= güç (watt)
A= rüzgar türbini kanatları tarafından süpürülen alan (m2)
V= rüzgar hızı (m/s)
Bu güç eşitliği rüzgar hızındaki artış ile rüzgar gücünde bir küplü artış gösterse de bile, uygulamada bir rüzgar türbininde gerçek güç artışı eşitlikte öngörülenden daha doğrusaldır. Bunun nedeni rüzgar türbininin mükemmel bir oranda verimli olmamasıdır. Bir rüzgar türbininin güç eğrisi gerçekte çok daha önemlidir. Sonuç olarak denilebilir ki, ortalama rüzgar hızındaki 2 mph artış bir türbin tarafından üretilen elektrik miktarında % 50 bir artış anlamına gelir.