Rüzgar Türbini Ne Kadar Hızla Döner?

Yenilenebilir enerji kaynağı olan rüzgârdan gelen enerjiyi elektriğe dönüştüren rüzgar türbinleri, karada veya deniz üzerinde kurularak milyonlar eve güç sağlıyor. Uzun, zayıf ve beyaz bir görüntüye sahip olan bu türbinler uzaktan bakıldığında oldukça yavaş dönüyor gibi gözüküyor olsa da aslında yakından bakıldığında oldukça hızlı döndüklerini görebiliriz.

Rüzgar türbini karşıtları, onların kuşlar için çok tehlikeli olduğunu düşünüyor. Rüzgar türbininin dönme hızı, rüzgarın hızına, hava yoğunluğuna ve kanadın boyutuna bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Mühendisler, optimum uç hız oranına veya türbinin dönüş hızı ile rüzgar hızı arasındaki orana sahip olduklarından emin olmak için kanadın aerodinamiğini ve dişli oranlarını ayarlarlar. Uç hız oranının türbinin verimliliği, yapısal bütünlüğü ve ne kadar gürültü çıkaracağı üzerinde etkisi vardır. Uzaktan görünüşte yavaş hızlarına rağmen, bir rüzgar türbininin rotorları, sabit rüzgarlar sırasında saatte yaklaşık 161 km hızları aşabilir, büyük türbinler saatte yaklaşık 290 km hıza ulaşabilir. Kanat ucu hızı doğrudan rüzgar hızına ve kanatların uzunluğuna bağlıdır.

Rüzgar türbininin dönme hızından bahsetmişken, türbinin hızının nasıl hesaplanacağıyla ilgili de kısa bir bilgilendirmede bulunalım. Formülü bildiğiniz zaman, bir hesap makinesi yardımıyla bir türbinin hızını hızlıca hesaplamak mümkündür.

• Bıçağın uzunluğunu ve bıçağın ucunun tek bir dönüşte aldığı hareket çevresini bilmeniz gerekecektir. Bu, 2 ∏r denklemi kullanılarak yapılır (yarıçapın iki katı pi ile çarpılır, 3.1415)
• Bu nedenle, 120 fitlik bir bıçak. X2 = 240ft.
• Bunu pi ile çarpın, 753.96ft’e eşit. Bu, dönüş dairesinin çevresidir.
• Bıçak ucunun bu mesafeyi kat etmesi 4 saniye sürerse, fit/saniye cinsinden hız
• 753,96 / 4 = 188,49 fit/sn
• Bunu mph’ye dönüştürmek için 0,681818182 ile çarpılmalıdır.
• Ülkemizde yaygın olarak kullanılan kmh’ye dönüştürmek için ise 1.0972 katsayısı ile çarpabilirsiniz. Bu durumda 188.49×1.0972 = 206.81 km/h sonucu bulunur.

Rüzgar Türbininin Hızını Etkileyen Faktörler​

Rüzgar türbininin dönme hızı, mutlak hız veya dakikadaki devir sayısı (RPM) olarak ölçülebilir. Rüzgar türbinleri, rüzgar hızına bağlı olarak genellikle dakikada 10 ila 20 devir yapar. Bıçak uç hızı, bıçakların boyutuna bağlı olarak değişebilir. Daha küçük kanatlar saatte 120 ila 160 kilometre hızla dönebilirken, daha büyük kanatlar kolayca 241 kilometre hıza çıkabilir.

Rüzgar türbininin dönme hızı hakkında bilgi sahibi olduk. Peki rüzgar türbinleri yavaş dönüyor gibi olduğu halde nasıl oluyor da bu kadar hızlı dönüyor? Bu sorunun cevabı, dönen nesnelerin merkezden uzaklaştıkça hızlı hareket etmesiyle açıklanabilir. Örneğin, bir atlıkarıncada olduğunuzu hayal edin. Merkeze yakın durursanız, yavaş hareket ediyormuşsunuz gibi hissedersiniz, ancak kenara doğru yürüdüğünüzde daha hızlı hareket ediyormuşsunuz gibi hissedersiniz. Karuselin kenarında en yüksek dönüş hızına ulaşırsınız. Buna yörünge hızı veya dönen bir nesnenin belirli bir noktasının kendi merkezi etrafında dönme hızı denir.

Dönen bir nesnenin hızını ölçerken, açısal hızı veya nesne üzerindeki herhangi bir açının uzayda hareket ettiği hızı kullanmak daha yaygındır. Bu genellikle RPM olarak ifade edilir. Ancak rüzgar türbinlerinde kanat ucunun yörünge hızı veya uç hızı mühendisler için önemli bir ölçüttür.

Aynı kavram rüzgar türbinleri için de geçerlidir. Rotor göbeği çok hızlı dönmez ve rotor göbeğinin merkezi teknik olarak sıfır hıza sahiptir. En yüksek hızlar kanatların ucundadır. Merkezden göbekten dışarıya doğru yayılan her nokta, farklı hızlarda hareket etseler de, senkronizedir. Bıçağın kenarı tam bir dönüş yapmak için daha uzağa gitmeli ve bu nedenle merkezle senkronize kalabilmek için daha hızlı hareket etmelidir. Rotorun tamamı aynı açısal hıza sahipken, rotor düzlemi üzerindeki farklı noktalar farklı yörünge hızlarına sahiptir. Bıçak uzunluğu ve uç hızı kullanılarak, bıçak boyunca farklı noktalardaki hız hesaplanabilir.

Bıçağın dönme hızını etkileyen üç faktör vardır.

1. Rüzgar Hızı

Rüzgar hızı, rotorun dönme hızını etkileyen en önemli faktördür. Sonuçta rüzgar türbinleri, rüzgarın tepkisine göre dönmek için tasarlanmıştır. Rüzgar hızının daha hızlı olması, daha hızlı dönüş anlamına gelir.

Rüzgar türbini, saatte yaklaşık 9,5 km rüzgar hızında tepki vermeye ve böylece elektrik üretmeye başlar. Maksimum nominal kapasitelerine saatte yaklaşık 56 km hızla ulaşırlar. Bu noktada rüzgar ne kadar hızlı eserse essin ekstra elektrik üretmezler. İç bileşenlerin zarar görmesini önlemek için rüzgar türbinleri kapatıldığında saatte 88 km hızla kesme noktasına ulaşırlar.

Ayrıca yüksek rüzgar hızlarının sürekli yüksek olduğu noktalarda daha fazla dönüş ve daha fazla elektrik üretimi olacağı için, konusu devreye girmelidir. Fazla üretilen enerjinin depolanması ve sonradan kullanılması konusu, yenilenebilir enerjinin önemli gündem konularından biridir.

1. Bıçak Uzunluğu

Bıçak uzunluğu, bıçak hızı üzerinde doğrudan etkiye sahip bir faktördür. Daha uzun bıçaklar daha yüksek uç hızlarına sahiptir. Daha fazla rüzgar yakalarlar ve böylece daha fazla güç de yakalamış olurlar. Bu güç, daha yüksek bir dönüş hızına çevrilir ve böylece daha yüksek miktarlarda elektrik üretilir. Ayrıca daha ağırdırlar, dolayısıyla daha fazla ivme taşırlar.

Daha uzun bir bıçağı daha büyük bir atlıkarınca olarak düşünün. Karuselin çapı daha uzun olduğu için uçtan merkeze olan mesafe daha fazladır ve bu da kenarda daha yüksek hızlara ulaşması için daha fazla alan sağlar. Büyük bir bıçağın ucu, aynı açısal hızda dönen daha kısa bir bıçağa kıyasla daha yüksek bir hıza ulaşabilir.

1. Hava Yoğunluğu

Daha yoğun hava daha fazla enerji taşır çünkü birim rüzgar hacmi başına daha fazla hava parçacığı vardır. Bu, rüzgara daha fazla kütle verir, bu da daha fazla güce dönüşür. Havanın yoğun olduğu bölgelerdeki rüzgar türbinleri, aynı rüzgar hızı için daha fazla elektrik üretir. Ayrıca daha hızlı dönerler çünkü daha ağır hava kanatlara daha fazla kuvvet uygular.

Uç Hızı Oranı​

Rüzgar türbininin dönme hızı ile ilgili bilgiler aktardık. Bu bilgiler içerisinde yer alan bazı terimleri de kısaca açıklayalım, bu terimlerden birisi uç hızı oranıdır. Uç hızı oranı, uç hızı ile rüzgar hızı arasındaki orandır. Ticari rüzgar türbinlerinin uç hızı oranı 4 ile 8 arasındadır. Uç hızı saatte 225 km ve rüzgar hızı saatte 32 km ise, bu uç hızı oranının 7 olmasını sağlar. Uç hızı saatte 120 km, rüzgar hızı saatte 24 km ise uç hız oranı 5 olur.

Uç hız oranı, türbinin verimliliğine etki eder. Rotor belirli bir rüzgar hızı için çok yavaş dönerse, türbin tam potansiyelinde güç üretemez ve hatta durabilir. Rotor çok hızlı dönerse, kanat ardı ardına gelen bir sonraki kanadın aerodinamik verimliliğini bozan türbülans bırakacağından verimlilik kaybı olacaktır. Kanatlar arasındaki daha kısa mesafe çok fazla türbülansa neden olacağından, türbinlerin nadiren üçten fazla kanadı olmasının nedeni budur. Mühendisler, verimliliği güç çıkışı ile dengelemek için dönüş hızını dikkatli bir şekilde hesaplamalıdır.

Yüksek uç hız oranları, özellikle kanatlarda olmak üzere kuvvetli rüzgarlar sırasında türbin üzerinde strese neden olabilir. Bıçağın ön kenarı, çok uzun süre çok hızlı dönerse kir ve kum gibi parçacıklı maddeler tarafından aşınabilir. Yüksek hızlar, 2008’deki Hornslet Olayı gibi, fren arızalarına ve feci arızalara da yol açabilir.

Kanatlar daha yüksek hızlarda daha fazla ses ürettiğinden, gürültü de bir faktördür. Bu, aerodinamik mühendisliği ile giderilebilir. Daha aerodinamik kanatlar, yüksek hızda sessizce havayı kesebilir.

Aerodinamik​

Uç hızı ve uç hızı oranları hesaplanırken bir kanadın aerodinamik özellikleri dikkate alınmalıdır. Daha iyi hazırlanmış bıçaklar, daha düşük rüzgar hızlarında dönmeye başlayabilir ve havada daha kolay hareket edebilir. Ayrıca daha az aerodinamik kanatlara göre çok daha güvenli bir şekilde daha yüksek hızlara ulaşabilirler. Kaldırma ve sürükleme, kanat hızını etkileyen ana aerodinamik kuvvetler olsa da, kanatların torku veya dönme kuvvetinin de etkisi vardır. Sonra her zaman türbini devirmeye çalışan itme kuvveti var.

Rotor göbeğinin merkezinde, yerel rüzgar hızı gerçek rüzgar hızına ve yönüne benzer. Bununla birlikte, kanadın ucunda, dönme hızının yerel rüzgar hızı ve yönü üzerinde daha büyük bir etkisi vardır. Mühendisler kanatları tasarlarken bu olguyu hesaba katmalıdır, çünkü bu türbinin verimliliğini etkileyebilir.