Rüzgar türbini, rüzgarın kinetik enerjisini önce mekanik enerjiye, ardından da elektrik enerjisine dönüştüren bir güç jeneratörüdür. Temel olarak, rüzgar estiğinde dönmeye başlayan devasa pervaneler (kanatlar), bir şaft ve bir jeneratörden oluşan bu sistemler, yenilenebilir enerjinin en önemli kaynakları arasında yer alır. Görünüş itibariyle bir yel değirmenini andırsalar da işlevleri tamamen farklıdır; yel değirmenleri mekanik güç üretirken, rüzgar türbini doğrudan elektrik üretmek için tasarlanmıştır.
Bu türbinler, kurulum yerlerine ve ölçeklerine göre çeşitlilik gösterir. Büyük ölçekli, onlarca megawatt gücündeki “sanayi tipi” türbinlerden, bir evin veya küçük işletmenin ihtiyacını karşılayan “ev tipi rüzgar türbini” modellerine kadar geniş bir yelpazede üretilirler. Ayrıca, eksen yönlerine göre yatay eksenli ve dikey rüzgar türbini olarak iki ana kategoriye ayrılırlar. Her iki tasarım da aynı temel prensiple çalışsa da kanatların konumu ve rüzgarı yakalama verimlilikleri farklılık gösterir.
Rüzgar Türbini Nasıl Çalışır?
Rüzgar türbini nasıl çalışır sorusunun cevabı, enerji dönüşümünün birkaç temel adımında gizlidir. Çalışma prensibi, rüzgarın türbin kanatlarına çarparak onları döndürmesiyle başlar. Kanatların aerodinamik yapısı, rüzgar enerjisini mümkün olan en verimli şekilde dönme hareketine (mekanik enerji) çevirecek şekilde tasarlanmıştır. Bu dönüş, kanatların bağlı olduğu rotor milini (şaft) hareket ettirir. Mil, bir dişli kutusu (gearbox) aracılığıyla dönüş hızını artırarak jeneratöre bağlanır. Jeneratör, bu yüksek hızdaki dönme hareketini, elektromanyetik indüksiyon prensibiyle elektrik enerjisine dönüştürür.
Üretilen bu elektrik, doğrudan şebekeye verilebileceği gibi, akülerde depolanmak üzere bir şarj regülatörüne de gönderilebilir. Özellikle şebekeden uzak yerlerdeki rüzgar türbini yapımı projelerinde, üretilen elektriğin depolanması hayati önem taşır. Türbinin tepesinde bulunan “nacelle” adı verilen muhafazanın içinde dişli kutusu, jeneratör, kontrol ünitesi ve frenleme sistemi gibi kritik bileşenler bulunur. Ayrıca, türbinde rüzgar yönünü tespit eden bir sensör ve rüzgar yönüne göre kanatları en verimli açıda konumlandıran bir döner mekanizma (yaw mekanizması) bulunur, böylece rüzgarın yönü değişse bile maksimum verimlilik ile enerji üretimi sağlanır.
Rüzgar Türbini Ne İşe Yarar?
Rüzgar türbini ne işe yarar sorusunun en temel cevabı, temiz ve sürdürülebilir elektrik enerjisi üretmektir. Fosil yakıtlara bağımlılığı azaltarak, sera gazı emisyonlarını ve küresel ısınmaya etki eden karbon ayak izini önemli ölçüde düşürür. Bu nedenle, iklim değişikliğiyle mücadelede ve enerji bağımsızlığını artırmada kilit bir role sahiptir. Büyük ölçekli rüzgar çiftlikleri (wind farm), binlerce hanenin elektrik ihtiyacını karşılayarak ulusal şebekeye büyük miktarda güç sağlar.
Daha küçük ölçekte ise, ev tipi rüzgar türbini sistemleri, konutların, çiftliklerin, telekomünikasyon istasyonlarının veya küçük işletmelerin elektrik ihtiyacını karşılamak için kullanılır. Şebekeden uzak, kırsal alanlarda kesintisiz güç kaynağı sağlamak için ideal bir çözümdür. Ayrıca, şebeke elektriği ile hibrit olarak çalışan sistemler, elektrik faturalarında ciddi tasarruf sağlayabilir. Bir eve yetecek rüzgar türbini, temel cihazların ve aydınlatmanın çalıştırılması, su pompalarının enerjisinin karşılanması ve hatta elektrikli aletlerin kullanımı için yeterli enerjiyi üretebilir.
Rüzgar Türbinleri Kaç Metredir?
Rüzgar türbini boyutları, kapasitesine ve kullanım amacına göre büyük farklılıklar gösterir. Sanayi tipi dev türbinler, kanat uçları dikkate alındığında yerden 200 metreye kadar yüksekliğe ulaşabilir. Bu türbinlerin kule yükseklikleri genellikle 80 ila 120 metre arasında değişirken, her bir kanadın uzunluğu da 60 metreyi aşabilir. Bu devasa boyutlar, daha yükseklerdeki daha güçlü ve istikrarlı rüzgarları yakalayarak enerji üretim verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için tasarlanmıştır.
Ev tipi rüzgar türbini sistemleri ise çok daha küçük ölçeklidir. Kule yükseklikleri genellikle 10 ila 30 metre arasında değişir. Kanat çapı ise 1 metreden (50-500 Watt sistemler) 10-15 metreye (10-20 kW sistemler) kadar uzanır. Bir eve yetecek rüzgar türbini için ideal kule yüksekliği, yerel engellerin (binalar, ağaçlar) rüzgar akışını kesmesini önlemek için en az 10-15 metre olmalıdır. Dikey rüzgar türbini modelleri ise daha kompakt bir yapıya sahiptir ve kanat uzunlukları yatay eksenli modellere kıyasla daha kısadır, bu da onları daha sınırlı alanlara kurulum için uygun hale getirir.
Sanayi Tipi Rüzgar Türbini Ne Kadar Elektrik Üretir?
Sanayi tipi rüzgar türbini, elektrik üretim kapasitesiyle öne çıkar. Günümüzde açık denizlerde (offshore) kullanılan en büyük türbinlerin kapasitesi 15-16 MW’a kadar ulaşmıştır. Kara tabanlı (onshore) bir türbin ise tipik olarak 2 ila 5 MW aralığında güce sahiptir. Bir türbinin yıllık ne kadar elektrik üreteceği, kapasitesinin yanı sıra bulunduğu lokasyondaki rüzgar hızı ve süresi gibi faktörlere bağlıdır. “Kapasite faktörü” adı verilen bu verimlilik oranı, bir türbinin teorik maksimum kapasitesinin yüzde kaçında çalıştığını gösterir.
Örnek vermek gerekirse, iyi bir rüzgar kaynağına sahip bir bölgede kurulu 3 MW’lık bir rüzgar türbini, yaklaşık %30-40 kapasite faktörü ile çalışabilir. Bu da yıllık elektrik üretiminin hesaplanmasını sağlar: 3 MW x 24 saat x 365 gün x %0.35 = 9.198 MWh (yaklaşık 9,2 milyon kWh). Bu miktar, ortalama elektrik tüketimine sahip yaklaşık 2.500 – 3.000 hanenin yıllık elektrik ihtiyacını karşılayabilecek düzeydedir. Bu devasa üretim kapasitesi, rüzgar çiftliklerini ulusal enerji politikalarının vazgeçilmez bir parçası haline getirmiştir.
Ev Tipi Rüzgar Türbini Ne Kadar Elektrik Üretir?
Ev tipi rüzgar türbini ne kadar elektrik üretir sorusunun cevabı, türbinin boyutuna ve konumuna göre değişkenlik gösterir. Konutlarda yaygın olarak kullanılan küçük rüzgar türbinleri genellikle 1 kW ila 20 kW güç aralığındadır. 5 kW’lık bir sistem, yılda ortalama 8.000 – 15.000 kWh arasında elektrik üretebilir. Yine de bu rakam, türbinin kurulduğu yerin rüzgar profili ile doğrudan ilişkilidir. Türbinin kanatlarının düzgün dönmesi için yıllık ortalama rüzgar hızının en az 4,5-5 m/sn olması önerilir.
Bir eve yetecek rüzgar türbini seçerken, öncelikle hanenin ortalama aylık elektrik tüketimi (kWh cinsinden) hesaplanmalıdır. Türkiye’de ortalama bir ailenin aylık tüketimi 250-350 kWh civarındadır, bu da yıllık yaklaşık 3.000-4.200 kWh yapar. Rüzgarlı bir bölgede kurulacak 3-5 kW’lık bir rüzgar türbini, bu ihtiyacın tamamını veya büyük bir kısmını karşılayabilir. Özellikle şebeke elektriğinin olmadığı veya çok pahalı olduğu kırsal alanlarda, bu sistemler enerji bağımsızlığı sağlamak için oldukça değerlidir.
Rüzgar Türbini Maliyeti ve Kazancı
Rüzgar türbini maliyeti, sistemin tipine, boyutuna ve kurulum karmaşıklığına göre geniş bir aralıkta değişir. Küçük ölçekli bir ev tipi rüzgar türbini sisteminin (türbin, kule, invertör, akü ve kurulum dahil) toplam maliyeti 1.500 – 2.000 USD/kW civarındadır. Örneğin, 5 kW’lık bir sistem için toplam yatırım maliyeti 7.500 – 15.000 USD arasında değişebilir. Dikey rüzgar türbini modelleri, teknolojisi ve montaj kolaylığı nedeniyle genellikle yatay eksenli modellere kıyasla biraz daha pahalı olabilir. Sanayi tipi türbinlerin maliyeti ise MW başına 1-1,5 milyon USD seviyelerindedir.
Rüzgar türbini maliyeti ve kazancı değerlendirilirken, yatırımın geri dönüş süresi (payback period) hesaplanır. Bu süre, elektrik faturasından sağlanan tasarruf, devlet teşvikleri ve üretilen fazla elektriğin şebekeye satışı (net metering) ile kısaltılabilir. İyi bir rüzgar kaynağına sahip bir bölgede, 5 kW’lık bir sistemin kendini 7-12 yıl içinde amorti etmesi beklenebilir. Türbinin 20-25 yıllık ömrü düşünüldüğünde, amortisman süresinden sonraki yıllar saf kazanç olarak değerlendirilir. Ayrıca, şebeke kesintilerine karşı kesintisiz enerji sağlama gibi dolaylı kazançlar da maliyet-fayda analizine mutlaka dahil edilmelidir.