Rüzgâr Hızı Potansiyeli Düşük Kırsal Bölgelerde Tarımsal Elektrifikasyon Uygulamalarına Yönelik Yoğunlaştırmalı Tip (Concentrator) Rüzgâr Türbin Protiplerinin Geliştirilmesi Proje No: 110O150 Doç. Dr. Ali VARDAR (Proje Yürütücüsü) Prof. Dr. Bülent EKER (Yardımcı Araştırmacı) Doç. Dr. Tolga TİPİ (Yardımcı Araştırmacı) Doç. Dr. Eşref IŞIK (Yardımcı Araştırmacı) 1
228
Embed
· Web view“Güneş ve Rüzgâr Enerjisi İş Kitabı” isimli çalışma dört ana bölümden oluşmuştur. Bu ana bölümlerden biri “Ev ve Bahçelerde Rüzgâr Enerjisi Kullanımı”
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Rüzgâr Hızı Potansiyeli Düşük Kırsal BölgelerdeTarımsal Elektrifikasyon Uygulamalarına Yönelik
Yoğunlaştırmalı Tip (Concentrator)Rüzgâr Türbin Protiplerinin Geliştirilmesi
Proje No: 110O150
Doç. Dr. Ali VARDAR (Proje Yürütücüsü)Prof. Dr. Bülent EKER (Yardımcı Araştırmacı)
Doç. Dr. Tolga TİPİ (Yardımcı Araştırmacı)Doç. Dr. Eşref IŞIK (Yardımcı Araştırmacı)
ARALIK 2012BURSA
1
ÖNSÖZ
Günümüz teknolojisi inanılmaz bir hızla gelişmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte daha fazla enerji talebi gündeme gelmektedir. Bu enerji talebi günümüz koşullarında her ne kadar fosil kökenli enerji kaynaklarından karşılanabiliyor olsa da tükenmez nitelikte sayılabilecek doğal enerji kaynaklarına yönelmek kaçınılmazdır. Çünkü teknolojinin gelişim hızı fosil kaynaklı enerjilerin üretim hızını geçecek ve sınırlı miktardaki rezervin er ya da geç yetersiz kalmasına sebep olacaktır. Dünya ülkeleri gibi ülkemiz de bu gerçeği göz önünde bulundurarak enerji üretiminde çeşitliliği sağlamak zorundadır. Türkiye, yenilenebilir enerji kaynakları açısından önemli bir potansiyele sahiptir ve bunu değerlendirmelidir. Bu potansiyel enerji kaynaklarından biri de rüzgâr enerjisidir.
Bu çerçevede ele alınan bu çalışmada, günümüzde yaygın olarak kullanılan rüzgâr türbinlerinden farklı olarak, düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip kırsal bölgelerde tarımsal amaçlı olarak küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemleri tasarlanmış ve prototipleri geliştirilmiştir. Çalışmanın amacı ise, düşük rüzgâr potansiyellerinden de yararlanabilmek ve nispeten yüksek güç değerleri elde edebilmek olarak öngörülmüştür.
Rüzgâr enerjisinin uygulamalarından olan yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri üzerine uluslar arası çalışmaların sayısı az olmasına rağmen, literatür için yeni bir konu değildir. Buna karşın yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri ile ilgili çalışmalar daha çok büyük binalara entegre edilen sistemler ve teorik modeller üzerinde yoğunlaşmaktadır. Özellikle bağımsız yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin küçük işletmelerde ve tarımsal amaçlı uygulamalarda kullanımı konularında dünya literatüründe yapılmış çalışmalara rastlanamamaktadır. Bağımsız ve küçük ölçekli sistemlerin gerek modelleme gerekse prototipler üzerinden uygulama denemelerine ilişkin çalışmalar hem ulusal hem de uluslararası literatürde eksik kalan noktalardır. Bu proje çalışması da bu eksiklikleri giderebilmek adına yapılmış bilimsel bir araştırma niteliğindedir.
1.1. Tarım ve Enerji...............................................................................................................131.2. Genel Bilgiler.................................................................................................................161.3. Çalışmanın Kapsamı......................................................................................................19
2. LİTERATÜR ÖZETLERİ....................................................................................................203. MATERYAL ve YÖNTEM.................................................................................................26
3.1. Materyal.........................................................................................................................263.1.1. Tasarlanan Rüzgâr Türbin Sistemleri......................................................................263.1.2. Rotor Sistemi...........................................................................................................343.1.3. Laboratuvar Koşulları için Deney Düzenekleri.......................................................343.1.4. Arazi Koşulları için Deney Düzenekleri.................................................................383.1.5. Kamera.....................................................................................................................393.1.6. Bilgisayar.................................................................................................................403.1.7. Ölçü Aletleri ve Cihazlar.........................................................................................40
3.3.1. Verimlilik.................................................................................................................523.3.2. Güç...........................................................................................................................523.3.3. Enerji Üretim Kapasitesi.........................................................................................533.3.4. Ekonomik Unsurlar..................................................................................................543.3.5. İstatistik Değerlendirmeler......................................................................................54
4. BULGULAR ve TARTIŞMA...............................................................................................554.1. Ön Denemelere İlişkin Sonuçlar....................................................................................554.2. Tasarımlara İlişkin Statik ve Dinamik Analizler............................................................574.3. Rüzgâr Hızı....................................................................................................................604.4. Hava Basıncı..................................................................................................................664.5. Hava Sıcaklığı................................................................................................................694.6. Havanın Yoğunluğu.......................................................................................................724.7. Verimlilik.......................................................................................................................764.8. Rotor Sisteminin Elektriksel Güç Değerleri...................................................................80
3
4.9. Güç Değerleri.................................................................................................................824.10. Enerji Üretim Kapasitesi..............................................................................................884.11. Ekonomik Değerlendirmeler......................................................................................1284.12. İstatistiksel Değerlendirmeler....................................................................................1544.13. Tarımsal İşletmelerde Kullanım Olanakları...............................................................156
4.13.1. Seracılık...............................................................................................................1574.13.2. Tarımsal sulama...................................................................................................1584.13.3. Hayvancılık..........................................................................................................1584.13.4. Bahçe...................................................................................................................1594.13.5. Gıda İşletmeleri...................................................................................................1594.13.6. Çiftlik Aydınlatması............................................................................................1594.13.7. İşletme Binası......................................................................................................1604.13.8. Kültür Binaları.....................................................................................................1604.13.9. Merkezi Isıtma ve Soğutma Sistemleri................................................................160
Şekil 3-28. Rüzgâr türbin sistemi tasarımlarından birine ait taslak model …………………49
Şekil 3-29. Rüzgâr türbin ön tasarımlarına ait perspektif ve kesit görünüşler-1 ………...…49
Şekil 3-30. Rüzgâr türbin ön tasarımlarına ait perspektif ve kesit görünüşler-2 …………..50
Şekil 3-31. Rüzgâr türbin ön tasarımlarına ait perspektif ve kesit görünüşler-3 …………...50
Şekil 4-1. Konik rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim …………57
Şekil 4-2. Konik rüzgâr türbin sistemine ait statik zorlanma …………………………….......58
Şekil 4-3. Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim ……….58
Şekil 4-4. Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait statik zorlanma ……………………………...59
Şekil 4-5. Panelli rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim …….......59
Şekil 4-6. Panelli rüzgâr türbin sistemine ait statik zorlanma ………………………………..60
Şekil 4-7. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindekirüzgâr hızı ilişkisi (Laboratuvar koşullarında) ……………………………………………….61
Şekil 4-8. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindekirüzgâr hızı ilişkisi (Arazi koşullarında) ……………………………………………………...61
Şekil 4-9. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindekirüzgâr hızı ilişkisi (Laboratuvar koşullarında) ……………………………………………….62
Şekil 4-10. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindekirüzgâr hızı ilişkisi (Arazi koşullarında) ……………………………………………………...62
Şekil 4-11. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindekirüzgâr hızı ilişkisi (Laboratuvar koşullarında) ……………………………………………….63
Şekil 4-12. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindekirüzgâr hızı ilişkisi (Arazi koşullarında) ……………………………………………………...63
Şekil 4-13. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile regrasyon denklemleriyardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi ……………………………..64
Şekil 4-14. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile regrasyon denklemleriyardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi ……………………………..65
Şekil 4-15. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile regrasyon denklemleriyardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi ……………………………..65
Şekil 4-16. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindekihava basıncı değeri arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ……………………………66
Şekil 4-17. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindekihava basıncı değeri arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) …………………………………...66
Şekil 4-18. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindekihava basıncı değeri arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ……………………………67
6
Şekil 4-19. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindekihava basıncı değeri arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) …………………………………...67
Şekil 4-20. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindekihava basıncı değeri arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ……………………………68
Şekil 4-21. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindekihava basıncı değeri arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) …………………………………...68
Şekil 4-22. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindekihava sıcaklığı arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ………………………………….68
Şekil 4-23. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindekihava sıcaklığı arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) …………………………………………70
Şekil 4-24. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindekihava sıcaklığı arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ………………………………….70
Şekil 4-25. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindekihava sıcaklığı arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) …………………………………………71
Şekil 4-26. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistemmerkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) …………………..71
Şekil 4-27. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistemmerkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) ………………………….72
Şekil 4-28. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistemmerkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ………………...73
Şekil 4-29. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistemmerkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) ………………………..73
Şekil 4-30. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistemmerkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ………………...74
Şekil 4-31. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistemmerkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) ………………………..74
Şekil 4-32. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistemmerkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında) ………………...75
Şekil 4-33. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistemmerkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Arazi koşullarında) ………………………..75
Şekil 4-34. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızının sistem merkezindekiartış oranı (Laboratuvar koşullarında) ………………………………………………………..76
Şekil 4-35. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızının sistem merkezindekiartış oranı (Arazi koşullarında) ………………………………………………………………77
Şekil 4-36. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızına bağlı olarak sistemmerkezindeki rüzgâr gücü artış oranı (Laboratuvar koşullarında) …………………………...78
7
Şekil 4-37. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızına bağlı olarak sistemmerkezindeki rüzgâr gücü artış oranı (Arazi koşullarında) …………………………………..79
Şekil 4-38. Rüzgâr türbin sistemlerinde kullanılan rotor sistemine ait deneyselamaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerlerine ilişkin sonuçlar ……………………..80
Şekil 4-39. Konik Rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemineait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki ………….81
Şekil 4-40. Panelli Rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemineait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki ………….81
Şekil 4-41. Panelsiz Rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemineait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki ………….82
Şekil 4-42. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistemgirişindeki rüzgâr gücü değişimleri (Laboratuvar koşullarında) ……………………………..82
Şekil 4-43. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistemgirişindeki rüzgâr gücü değişimleri (Arazi koşullarında) ……………………………………83
Şekil 4-44. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olaraksistem merkezindeki rüzgâr gücü değişimleri (Laboratuvar koşullarında) …………………..84
Şekil 4-45. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olaraksistem merkezindeki rüzgâr gücü değişimleri (Arazi koşullarında) …………………………84
Şekil 4-46. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olaraksistem girişindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Laboratuvar koşullarında) ………………….85
Şekil 4-47. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olaraksistem girişindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Arazi koşullarında) …………………………85
Şekil 4-48. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olaraksistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Laboratuvar koşullarında) ………………86
Şekil 4-49. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olaraksistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Arazi koşullarında) ……………………...87
8
ÇİZELGE LİSTESİ
Çizelge 1-1. Türkiye Toplam Elektrik Enerjisi Talebinde Tarımın Payı …………………….14
Çizelge 3-1. Meteoroloji istasyonu teknik özellikleri ………………………………………..46
Çizelge 4-1. Rüzgâr tünelinin konik borusunun giriş çapı 10 m olan sistem içinteorik ön araştırma sonuçları …………………………………………………………………55
Çizelge 4-2. Rüzgâr tünelinin konik borusunun giriş çapı 5 m olan sistem içinteorik ön araştırma sonuçları …………………………………………………………………56
Çizelge 4-3. Ön denemeler için imal edilen rüzgâr türbin sistemine aitön deneme sonuçları ………………………………………………………………………….56
Çizelge 4-4. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..88
Çizelge 4-5. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..89
Çizelge 4-6. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..91
Çizelge 4-7. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..92
Çizelge 4-8. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..93
Çizelge 4-9. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..95
Çizelge 4-10. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..96
Çizelge 4-11. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..97
Çizelge 4-12. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………..98
Çizelge 4-13. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………100
Çizelge 4-14. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………101
Çizelge 4-15. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………102
Çizelge 4-16. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………104
9
Çizelge 4-17. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………105
Çizelge 4-18. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları) …………………106
Çizelge 4-19. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...108
Çizelge 4-20. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...109
Çizelge 4-21. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...110
Çizelge 4-22. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...112
Çizelge 4-23. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...113
Çizelge 4-24. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...114
Çizelge 4-25. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...116
Çizelge 4-26. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...117
Çizelge 4-27. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...118
Çizelge 4-28. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...119
Çizelge 4-29. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...121
Çizelge 4-30. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...122
Çizelge 4-31. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...123
Çizelge 4-32. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...125
Çizelge 4-33. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birimalandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları) ………………………...126
Çizelge 4-34. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 10 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Laboratuvar koşulları) ……………………………...128
10
Çizelge 4-35. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 10 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Arazi koşulları) ……………………………………..130
Çizelge 4-36. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 20 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Laboratuvar koşulları) ……………………………...133
Çizelge 4-37. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 20 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Arazi koşulları) ……………………………………..135
Çizelge 4-38. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 30 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Laboratuvar koşulları) ……………………………...138
Çizelge 4-39. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 30 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Arazi koşulları) ……………………………………..140
Çizelge 4-40. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 40 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Laboratuvar koşulları) ……………………………...143
Çizelge 4-41. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 40 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Arazi koşulları) ……………………………………..145
Çizelge 4-42. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 50 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Laboratuvar koşulları) ……………………………...148
Çizelge 4-43. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 50 m yükseklikteüretebilecek enerjinin birim maliyeti (Arazi koşulları) ……………………………………..150
Çizelge 4-44. Konik rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Laboratuvar koşulları)………..155
Kırsal kesimlerde ve tarımsal işletmelerde enerji ihtiyacının yenilenebilir enerji teknolojileri ile ve özellikle de rüzgâr enerjisi ile karşılanması hem sürdürülebilir bir çevre açısından hem de enerji maliyetleri açısından avantaj yaratabilecek bir unsurdur. Günümüzde bir kısmı ticari amaçlı olan değişik özellikte ve türde rüzgâr türbinleri kullanılmaktadır. Bunlar yatay eksenli rüzgâr türbinleri ve düşey eksenli rüzgâr türbinleridir. Tarımsal amaçlı uygulamalarda daha çok yatay eksenli küçük rüzgâr türbinleri kullanılmaktadır.
Doğrudan elektrik üretimi yapan ve özellikle küçük ölçekli rüzgâr türbinleri, tarımsal işletmelerde pek çok amaç için kullanılabilir özelliktedir. Bu kullanım alanları ısıtma, soğutma, kurutma, aydınlatma, süt sağım ünitelerinin çalıştırılması gibi elektrik kullanımının söz konusu olduğu tüm tarımsal faaliyetler olarak sayılabilir.
Bu çalışma ile rüzgâr hızı potansiyeli düşük olan bölgelerde tarımsal elektrifikasyon uygulamalarında kullanılabilecek küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin prototipleri tasarlanmıştır. Yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri ile düşük rüzgâr hızı potansiyellerinden yararlanmak ve küçük rotor çapları ile nispeten yüksek güç değerleri elde etmek için üç farklı tasarım yapılmıştır. Bu üç farklı tasarım prototip olarak üretilmiş ve yapılan denemeler sonucunda, 324 ile 503 W/m2 (5 m/s rüzgâr hızında) arasında güç değerlerinin elde edilebileceği görülmüştür.
Çalışma kapsamında tasarlanan ve prototipleri üretilen modellerin verimlilik, güç, enerji üretim kapasitesi ve ekonomik unsurları ortaya konulmuş ve tarımsal işletmecilik açısından ortaya çıkarabileceği sonuçlar değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmelere göre verimlilik değerleri rüzgâr hızında %71 ile %90 arasında (laboratuvar koşulları), rüzgâr gücünde %410 ile %600 arasında (laboratuvar koşulları) saptanmıştır. Enerji üretim kapasiteleri konik rüzgâr türbin sisteminde maksimum 6462 kWh/yıl.m2, panelli rüzgâr türbin sisteminde maksimum 5193 kWh/yıl.m2 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde maksimum 8226 kWh/yıl.m2 olarak bulunmuştur. Enerji üretimi birim maliyetleri açısından ise söz konusu sistemlerin ekonomik olmadığı sonucuna varılmıştır. Ekonomik olabilmeleri için sistem boyutlarının büyütülmesi ve seri imalat yapılarak maliyetlerin düşürülmesi gerekmektedir.
Sonuç olarak; bu çalışma ile ortaya konulan rüzgâr türbin sistemlerinin birim alan başına ürettiği güç ve enerji değerlerinin günümüzde yaygın olarak kullanılan büyük rüzgâr türbinlerinden daha iyi sonuçlar ürettiği görülmüştür. Buna karşılık, günümüz koşullarında henüz ekonomik olmadığı ancak üzerinde yapılacak yeni optimizasyon çalışmaları ile gelecekte daha ekonomik olabileceği değerlendirilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Tarımda Enerji Kullanımı, Yoğunlaştırmalı Tip Rüzgâr Türbinleri, Kırsal Enerji Uygulamaları, Prototip
12
ABSTRACT
To meet energy demand using renewable energy in rural regions and agricultural establishments is useful in point of a sustainable environment and also energy costs. Nowadays, different type wind turbines some of which are commercial are being used. Those are horizontal and vertical axes wind turbines. For agricultural applications, horizontal axes wind turbines are mostly used.
Especially small-scaled wind turbines generating electricity directly are possible to use various purposes in agricultural establishments. These usage areas can be all agricultural activities requiring electricity such as heating, cooling, drying, illumination and supporting milking machines.
In this study, small-scaled concentrator wind turbine prototypes which can be used in regions having low wind speed potential were designed for agricultural applications. To utilize low wind speeds and to gain comparatively high power values, three different designs were made. Those three different designs were constructed as prototypes. As the result of experiments, it was found that power values between 324 and 503 W/m2 (at 5 m/s wind speed) could be obtained using those turbines.
Within the study, efficiency, power, energy producing capacity and economical facts of the models were introduced, and possible consequences of these parameters were evaluated in agricultural aspect. According to these evaluations, it was found that efficiency values were varied between 71% and 90% for wind speed and varied between 410% and 600% for wind power. And it was found that energy producing capacities for conical wind turbine system, panel turbine system and wind turbine system without integrated panel were 6462 kWh/year.m2, 5193 kWh/year.m2 and 8226 kWh/year.m2, respectively. It was concluded that those systems were not economical in respect to unit costs of energy production. It is required to increase system size and to reduce costs via mass production for more economy.
Eventually, power and energy values per area of proposed wind turbine systems were better by comparing common wind turbines which are being used recently. On the other hand, it was assessed that those systems were not economical under recent conditions, but with more study they could be more economic.
Keywords: Energy usage in agriculture, concentrator wind turbines, rural energy applications, prototype
13
1. GİRİŞ
1.1. Tarım ve Enerji
Bir tarım işletmesini, işletmecilik açısından ele aldığımızda en önemli girdi kalemini teknolojik unsurlar (örneğin makineler) oluşturmaktadır. Bu unsurlardan biri de enerjidir. İşletmecilik açısından enerji girdisi, makinaların çalıştırılması için gerekli olan “yakıt” gibi unsurların yanında “elektrik” gibi unsurları da içermektedir. Günümüzde pek çok teknolojinin çalıştırılması doğrudan elektrik enerjisine bağlıdır. Tarım sektörünü de bu teknolojik gelişmelerden ayrı düşünmek mümkün değildir.
Türkiye tarım sektöründe enerji tüketiminin toplam enerji tüketimi içerisindeki payı yıllara göre ortalama %3-4 arasında değişmektedir. Tarım sektöründe birim işlenen ha başına kullanılan enerji miktarı, 1990 yılında 3,96 GJ iken, 1995 yılında 5.30 GJ ve 2000 yılında 6,20 GJ/ha değerine ulaşmıştır (Öztürk ve Barut, 2005). Tarım sektöründe mekanizasyon ve ileri teknoloji uygulamalarının sonucunda, enerji kullanımı giderek artmaktadır.
Tarımsal üretim işlemlerinde tüketilen başlıca dolaysız enerjiler; elektrik enerjisi, kömür, petrol ürünleri, doğal gaz ve biyokütle enerjisidir. Tarımsal üretim işlemlerinde tüketilen dolaysız enerjiler arasında, elektrik enerjisi ve tarım alet ve makinalarında kullanılan yağ ve yakıt enerjisi değerleri önemli yer tutmaktadır (Hatırlı ve Ark, 2004).
Türkiye tarımında birim ha ekilen alan başına elektrik enerjisi tüketimi, 1990 yılında 1,1 GJ düzeyinde iken, 1995 yılında 3,1 GJ ve 2000 yılında da 6,3 GJ düzeyine ulaşmıştır. 1990-2000 yılları arasındaki 10 yıllık dönemde, ülkemiz tarımında birim ha ekilen alan başına ortalama 3,25 GJ elektrik enerjisi kullanılmıştır. Tarımsal üretimde elektrik enerjisi tüketiminin yıllara göre artışı, ülke tarımında teknoloji düzeyinin arttığını belirtmektedir (Öztürk ve Barut, 2005).
Tarımda 2010 yılında elektrik tüketimi 5509 GWh ve 2011 yılında ise 4360 GWh olarak gerçekleşmiştir. Bu değerler tarımda kullanılan toplam enerjinin 2010 yılında %4,66’sı ve 2011 yılında %3,26’sı elektrik olarak tüketildi anlamına gelmektedir (ETKB, 2012). Türkiye Toplam Elektrik Enerjisi Talebinde Tarımın Payı ise 2010 yılında %1,89 olarak gerçekleşmiştir (Çizelge 1-1). Toplam elektrik abonelerinin ise %1,42’si tarımsal sulama amaçlı elektrik enerjisi kullanmaktadır (Iconomy, 2010).
Çizelge 1-1. Türkiye Toplam Elektrik Enerjisi Talebinde Tarımın Payı (Çalışkan, 2008)Yıllar Toplam Elektrik Enerjisi
Tarımda elektrik kullanımı uzun süreler sadece sulama suyunun yüzeye taşınmasında uygulama alanı bulabilmiştir. Ancak son 15-20 yıl içinde bu durum değişmiş; sulama dışında birçok farklı amaçla elektrik çok daha yoğun bir biçimde kullanılır hale gelmiştir. Elektrik bugünkü modern tarımsal üretimin temel girdilerinden biri konumundadır.
Tarımsal işletmelerde üretilen ürünlerin maliyetine etki eden en önemli unsurlardan biri enerji maliyetidir. Enerji maliyetini minimize etmek tarımsal işletmenin karını arttırmasına katkıda bulunacaktır (Eker ve Vardar, 2004). Bu çerçevede ele alınabilecek alternatif enerji kaynaklarından birisi de rüzgâr enerjisi ve rüzgâr enerjisi ile ilgili farklı teknolojilerdir.
Ülkemiz tarım sektöründe rüzgâr enerjisinden uzun yıllardır yararlanılmaktadır. Ancak kullanılan rüzgâr türbinleri daha çok su çıkarma amaçlı mekanik sistemlerdir. Doğrudan elektrik üretebilen rüzgâr türbinleri ülkemiz tarım sektöründe yaygın değildir. Buna karşılık Almanya ve İspanya gibi bazı Avrupa ülkelerinde ve ABD’de rüzgâr enerjisi teknolojisinin tarım sektöründe de hızla yaygınlaştığı görülmektedir. Ülkemizin sahip olduğu rüzgâr potansiyeli pek çok Avrupa ülkesinin sahip olduğu potansiyelden yüksektir (Şekil 1-1). Buna karşılık bu kaynağı kullanım oranımızın oldukça düşük olduğu görülmektedir.
Şekil 1-1. Dünya rüzgâr atlası (Open Energy Info, 2012)
Rüzgâr potansiyelinin yüksek olduğu bölgelerde özellikle elektrik üretim santralleri olarak büyük rüzgâr türbinleri kurulabilmektedir. Büyük güçlü rüzgâr türbinlerinin kırsal bölgelerde ve tarımsal amaçlı kullanımları ise oldukça yüksek maliyetli olduklarından uygun değildir. Tarımsal amaçlı olarak da rüzgâr potansiyelinin olduğu bölgelerde kurulabilecek özelliklere sahip küçük ölçekli rüzgâr türbinleri bulunmaktadır. Bununla beraber, ülkemizde tarımsal işletmelerin bulunduğu her bölgede yeterli rüzgâr potansiyeli bulunmamaktadır. Bütün bölgelerimizde rüzgâr bulunmakla beraber, tamamı, günümüzde kullanılan rüzgâr enerjisi teknolojisi ile ekonomik olarak enerji üretebilecek seviyede değildir. Bu nedenle de rüzgâr potansiyeli düşük olan kırsal kesimlerde ve özellikle de tarımsal amaçlı olarak rüzgâr enerjisinin kullanımına yönelik rüzgâr türbin sistemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu çalışma da bu temel düşünceler çerçevesinde ve bu eksikliği giderebilmek amacıyla ortaya çıkmıştır.
15
Bu perspektifte yapılan çalışmanın amaçları iki başlık altında toplanabilir:
1. Düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip bölgelerde tarımsal işletmelerin elektrik enerjisi gereksinimini karşılayabilecek yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerine yönelik olarak ön çalışmalarla ortaya konulan tasarımları geliştirmek ve prototiplerini ortaya koymak.
2. Geliştirilen ve prototipleri ortaya konulan yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin bir tarım teknolojisi unsuru olarak verimliliklerini, güçlerini, enerji üretim kapasitelerini ve ekonomik unsurlarını (birim maliyet, yatırım maliyeti vb.) belirlemek.
Rüzgâr enerjisinin uygulamalarından olan yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri üzerine uluslar arası çalışmaların sayısı az olmasına rağmen, literatür için yeni bir konu değildir. Buna karşın yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri ile ilgili çalışmalar daha çok büyük binalara entegre edilen sistemler ve teorik modeller üzerinde yoğunlaşmaktadır. Özellikle bağımsız yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin küçük işletmelerde ve tarımsal amaçlı uygulamalarda kullanımı konularında dünya literatüründe yapılmış çalışmalara rastlanamamaktadır. Bağımsız ve küçük ölçekli sistemlerin gerek modelleme gerekse gerçek prototipler üzerinden uygulama denemelerine ilişkin çalışmalar hem ulusal hem de uluslararası literatürde eksik kalan noktalardır.
Literatürde rüzgâr enerjisi konusunda yapılan çalışmalar, ağırlıklı olarak yatay eksenli iki/üç kanatlı rüzgâr türbinleri ile düşey eksenli bazı rüzgâr türbinleri üzerinde yoğunlaşmaktadır. Bu sistemler en az ortalama 7-8 m/s rüzgâr hızı değerlerine sahip alanlar için uygundur. Ancak daha düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip alanlarda bu sistemlerin kullanılmaları durumunda birim enerji üretim maliyetleri artacağından ekonomik olarak uygun değildirler. Buna karşılık Türkiye coğrafyasının ancak %2’si büyük rüzgâr türbinleriyle rüzgâr enerjisinden elektrik üretebilecek kapasitededir (Acaroğlu, 2003). Rüzgâr hızı potansiyeli düşük olan bölgelerde (Türkiye coğrafyasının %98’i), rüzgârı yoğunlaştırabilen ve böylece daha yüksek güç değerleri üretebilen sistemlerin geliştirilmesine ihtiyaç bulunmaktadır. Yapılan çalışma bu konuda hazırlanmış ve literatürdeki bu boşluğu doldurabilecek orijinal niteliklere sahip bir proje olarak ele alınmıştır.
1.2. Genel Bilgiler
Günümüz teknolojisi inanılmaz bir hızla gelişmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte daha fazla enerji talebi gündeme gelmektedir. Bu enerji talebi her ne kadar fosil kökenli enerji kaynaklarından karşılanabiliyor olsa da tükenmez nitelikte sayılabilecek doğal enerji kaynaklarına yönelmek kaçınılmazdır. Çünkü teknolojinin gelişim hızı fosil kaynaklı enerjilerin üretim hızını geçecek ve sınırlı miktardaki rezervin er geç yetersiz kalmasına sebep olacaktır. Dünya ülkeleri gibi ülkemiz de bu gerçeği göz önünde bulundurarak enerji üretiminde çeşitliliği sağlamak zorundadır. Türkiye, yenilenebilir enerji kaynakları açısından önemli bir potansiyele sahiptir ve bunu değerlendirmelidir. Bu potansiyel enerji kaynaklarından biri rüzgâr enerjisi, kullanılabileceği alanlarından biri de kırsal bölgeler ve tarımsal işletmelerdir.
Rüzgâr enerjisinin tarımsal kullanım alanları olarak kurutma, ısıtma, soğutma, aydınlatma,
16
seracılık, su çıkarma ve drenaj işleri, tarımsal amaçlı elektrik üretimi, ısı pompalarının çalıştırılması vb. sayılabilir. Ancak elektrik enerjisinin her alanda olduğu gibi tarımsal alanda da yaygın olması nedeniyle rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretilerek elektriksel güç gerektiren pek çok tarımsal uygulamada kullanımı söz konusudur. Bu kapsamda çiftlik binalarının tüm elektriksel gereksinimleri, kümeslerin ve ahırların aydınlatılması, kuluçka makinelerinin, çıkım makinelerinin, yumurta sınıflandırma makinelerinin, yem silolarının, klimaların, süt sağım tesislerinin, süt soğutma tanklarının, tarımsal amaçlı soğuk hava depolarının, kurutma tesislerinin, gıda üretimi amaçlı tesislerde kullanılan elektrikli makinelerin ve benzeri pek çok tarımsal amaçlı sistemlerin elektriksel gereksinimlerinin desteklenmesinde rüzgâr enerjisinden faydalanılabilmektedir.
Rüzgâr enerjisi dünyada en hızlı gelişim gösteren doğal enerji kaynaklarından biridir ve her geçen gün rüzgârdan elde edilen enerji maliyetleri azalmakta, dolayısıyla rüzgârdan elde edilen enerji ucuzlamaktadır. Rüzgâr enerjisi potansiyeli açısından ülkemizin 166 TWh/yıl’lık bir potansiyele sahip olduğu bildirilmektedir. İngiltere’nin yıllık rüzgâr enerjisi potansiyeli 114 TWh/yıl, İspanya’nın 86 TWh/yıl, Yunanistan’ın 44 TWh/yıl ve Almanya’nın 24 TWh/yıl olarak tahmin edilmektedir (Kenisarin vd., 2006). Avrupa ve Türkiye’nin rüzgâr potansiyeli atlasları Şekil 1-2 ve 1-3’de görülmektedir. Ülkemizin sahip olduğu bu temiz ve yenilenebilir enerji potansiyelini değerlendirebilmek için mutlaka harekete geçmemiz gerekmektedir.
Şekil 1-2. Avrupa rüzgâr enerjisi atlası (TWWA, 2005)
17
Şekil 1-3. Türkiye rüzgâr enerjisi atlası (REPA, 2006)
Rüzgâr türbinleri, kurulmadan önce kurulacağı yerin rüzgâr potansiyeli belirlenmekte ve rüzgâr potansiyelinin uygun olduğu yerlerde kurulmaktadır. Çevrelerinde doğal ya da yapay engellerin olması istenmemektedir. Zira bu engeller sürtünme etkisiyle rüzgârın hızını azaltmaktadır. Rüzgâr türbinlerinin kurulacağı yerde rüzgârın dikey yöndeki özelliklerinin bilinmesi son derece önemlidir. Çünkü yer yüzeyinden uzaklaştıkça rüzgâr hızında bir değişim söz konusudur. Bu değişim de genellikle rüzgâr hızının artması yönündedir. Klasik yatay eksenli rüzgâr türbinleri kurulmadan önce yine rüzgârın hâkim esme yönü göz önünde bulundurulmak zorundadır. Rüzgârın hâkim esme yönü dikkate alınmadan kurulacak rüzgâr türbinlerinden istenilen verimi almak mümkün değildir.
Rüzgâr enerjisinden elektrik üretimi amacıyla günümüzde kule yüksekliği 120 m’lere ve rotor çapı 126 m’lere varan rüzgâr türbinleri kullanılmaktadır (Şekil 1-4). Elektrik üretim amaçlı bu rüzgâr türbinlerinden elde edilen enerji maliyetleri her geçen gün azalmakla birlikte rüzgâr türbin sistemlerinin ilk kuruluş maliyetleri son derece yüksektir. Bu nedenle de özellikle kırsal bölgelerde ve tarımsal işletmelerde kullanımı ekonomik açıdan mümkün değildir. Ürettikleri yüksek güç değerleri itibariyle de bu rüzgâr türbinlerinin kırsal bölgeler ve tarımsal işletmeler için elverişli sistemler olduğu söylenemez. Ülkemizin rüzgâr potansiyeli yüksek olmakla birlikte, bu potansiyel tüm bölgelerimize düzenli dağılmamıştır. Türkiye’nin rüzgâr potansiyeli bazı bölgelerimizde yoğunlaşırken çoğu bölgemizde büyük rüzgâr türbinleri için elverişli bir rüzgâr potansiyelimiz yoktur. Coğrafi olarak ülkemizin ancak % 2’lik kısmı yüksek rüzgâr hızı potansiyeline sahiptir (Acaroğlu, 2003). Bu nedenle de tarımsal işletmelerimizin kendi enerji ihtiyaçlarını rüzgâr enerjisinden karşılayabilmesi için düşük rüzgâr potansiyellerinden de yararlanabilen rüzgâr türbin sistemlerinin geliştirilmesine gereksinim vardır.
18
Şekil 1-4. Ticari rüzgâr türbinlerindeki gelişim süreci (Krohn vd., 2009)
Rüzgâr türbinleri üzerine yapılan bilimsel çalışmalar ve rüzgâr enerjisi teknolojisi, bir rüzgâr türbininden daha fazla enerji üretebilmek üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu çalışmalar özellikle rüzgâr türbin kanatlarının özellikleri ve rüzgâr türbininin yükseklikleri ile ilgilidir. Çünkü rüzgâr türbin rotorunun çapı ve rüzgâr türbininin yüksekliği daha yüksek rüzgâr hızlarını yakalamaya yardımcı olan unsurlardır. Yüksek rüzgâr hızlarına ulaşmak amacıyla da rüzgâr türbinlerinin etrafında bina, orman, dağ gibi engellerin olmamasına ve hâkim rüzgâr yönlerine dikkat edilmesi gerekmektedir. Ancak rüzgârın ve rüzgâr hızının kontrol altına alınarak içinde barındırdığı enerjinin yararlanılabilir enerjiye çevrilmesi ve düşük rüzgâr hızlarından da yararlanılması üzerine yapılan çalışmalar yok denilecek kadar azdır. Tüm bunlara karşılık düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip bölgelerde verimli bir şekilde kullanılabilecek özelliklere sahip olan bir rüzgâr türbini tipi (teorik bir yaklaşım olarak) bulunmaktadır. Bu rüzgâr türbinleri yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri olarak anılmaktadırlar (Boyle, 2004; Twidell ve Weir, 2006). Yapılan bu proje de ülkemizde, özellikle tarımsal amaçlı olarak, bu konuda yapılacak orijinal nitelikli çalışmalardan biri olarak değerlendirilmektedir.
Her mühendislik tasarımında temel ilke minimum koşullarda maksimum verimin sağlanabilme şartlarının yaratılmasıdır. Bu düşünce altında rüzgâr enerjisinden yararlanan sistemlerde yılın belirli zamanlarında yararlanma olanağı göz önüne alındığında bu tesislerin verimsel olarak değerlerinin iyileştirilmesi zorunlu olmaktadır. Şüphesiz bu tesisleri oluşturan tüm unsurların birlikte düşünülmesi gerektir. Verim üzerinde etkili sistem elamanlarından en önemlisi ise kanatlardır. Kanatların boyutsal artırımı ya da malzeme yönünden iyileştirilmesi çalışmaları şu anda gelinebilecek sınırlara kadar gelmiş durumdadır. Teknolojinin küçüklük ve hafiflikle birlikte düşünülmesi sonucunda kanat yapılarının büyütülmesi yerine, kanatlara gelen rüzgâr akımının yoğunlaştırılarak arttırılması bir bakıma zorunlu hale gelmiştir. Bunu sağlayan yeni yapılanmaların, rüzgâr enerji sistemlerinin bünyelerine katılımı, verimliliği arttıracaktır.
Yukarıda açıklanan nedenlerle, ele alınan bu çalışma kapsamında, günümüzde yaygın olarak kullanılan rüzgâr türbinlerinden farklı olarak, düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip kırsal bölgelerde tarımsal amaçlı olarak küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr
19
türbin sistemleri tasarlanmış ve prototipleri geliştirilmiştir. Çalışmanın amacı, düşük rüzgâr potansiyellerinden de yararlanabilmek ve küçük rotor çapları ile nispeten yüksek güç değerleri elde edebilmektir. Ayrıca rüzgâr enerjisinden yararlanabilme süresini de tüm yıla yayabilmektir. Böylece tarımsal işletmelerin rüzgâr enerjisinden daha fazla yararlanmalarına olanak sağlanmış olacaktır.
1.3. Çalışmanın Kapsamı
Bu çalışmada, düşük rüzgâr potansiyeline sahip kırsal bölgelerde ve tarımsal işletmelerde, elektrik enerji gereksiniminin daha düşük maliyetlerle ve tarımsal işletmelerin özkaynakları ile karşılanabilmesi düşüncesiyle, yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin tasarlanması, prototiplerinin ortaya konulması, verimlilik, güç, enerji üretim kapasitesi ve ekonomik unsurlarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla çalışma kapsamında, tasarlanan ve bilgisayar ortamında modellenen yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemleri tasarlanmış ve prototipleri imal edilmiştir. Daha sonra da geliştirilen ve imal edilen prototipler farklı rüzgâr hızı koşullarında çalıştırılarak verimlilik, güç, enerji üretim kapasitesi ve ekonomik unsurlarının belirlenmesi ile ilgili gerekli veriler elde edilmiştir. Denemelerde elde edilen veriler şunlardır:
- Sistemin girişindeki rüzgâr hızı- Sistemin çıkışındaki rüzgâr hızı- Sistemin girişindeki sıcaklık değeri- Sistemin çıkışındaki sıcaklık değeri- Sistemin girişindeki basınç değeri- Sistemin çıkışındaki basınç değeri- Elektriksel Gerilim- Akım- Rotor devir sayısı
Denemeler dışında çalışma kapsamında gerekli olan veriler ve elde edilme yöntemleri ise aşağıda sıralanmıştır:
- Elektrik motorunun özellikleri (etiket değerleri üzerinden ve güç adaptör yardımıyla test ederek)
- Kanat profillerinin kaldırma katsayısı (Snack 2.0 bilgisayar yazılımı yardımıyla)- Kanat profillerinin sürüklenme katsayısı (Snack 2.0 bilgisayar yardımıyla)- Bursa, Zonguldak, Denizli, Rize vb. bölgelerin rüzgâr potansiyelleri (Devlet
Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünden) - Sistemin kullanım ömrü (literatürden)- Enflasyon oranı (literatürden)
Denemelerde elde edilen verilerin metodolojide belirtilen şekilde işlenmesinden sonra gerek geliştirilen ve prototipleri oluşturulan yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin modellerinin kendi aralarında gerekse Dünya’da kullanılan diğer rüzgâr türbinleriyle karşılaştırması yapılmıştır. Çalışmada ayrıca, geliştirilen sistemlerin olası tarımsal uygulama alanları ve Türkiye genelinde kullanılabilirliği de değerlendirilmiştir.
20
2. LİTERATÜR ÖZETLERİ
Olivieri ve arkadaşları, 1996. Çalışmada, rüzgârdan daha fazla güç elde etmek amacıyla yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin bilgisayar modellemesi yapılmıştır.
Campbell ve arkadaşları, 2001. Çalışmada rüzgârı yoğunlaştıracak etkiler elde edebilmek için binaların aerodinamik tasarımından bahsedilmiştir. Şehirlerde yoğunlaştırılmış rüzgâra sahip binalar arasına kurulacak rotorlar ile daha yüksek verimler elde edilebileceği bildirilmiştir. Çalışmada ayrıca alan denemelerine de yer verilmiştir.
Mertens, S., 2002. Çalışmada kentsel alanlarda rüzgâr enerjisinin etkisini incelemiştir. Özellikle de rüzgârın yoğunlaştırıcı etkileri üzerinde durulmuştur.
Yasuyuki vd., 2003. “Yoğunlaştırıcı Rüzgâr Türbinlerine Yönelik Bir Çalışma” isimli çalışmada rotor performansını iyileştirmek için, çeşitli yoğunlaştırıcıların etkisi araştırılmış ve uygun tasarımlar ortaya konulmuştur. Sonuç olarak, gücün yoğunlaştırılmasında aşağıdaki koşulların etkili olduğu görülmüştür: 1) Rotor pozisyonu konsantratörün çıkışında olmalıdır. 2) Konsantratörün çıkış çapına göre rotor çapı daha küçük olmalıdır. 3) Giriş çapı rotor çapından daha büyük olmalıdır.
Hiroyuki vd., 2004. “Savonius tipi rüzgâr türbini (rüzgâr yoğunlaştırıcı etkisi)” isimli çalışmada, bir rüzgâr türbininin dönen hızını artırmak için bir rüzgâr yoğunlaştırıcısı kullanılmıştır. Bu araştırma aynı zamanda rüzgâr türbin devrine rüzgâr yoğunlaştırıcısının etkisi incelenmiştir. Burada düz levhalardan oluşan bir rüzgâr yoğunlaştırıcısı kullanılmıştır. Düz plaka sayısı arttıkça, rotor devrinin de artma eğiliminde olduğu görülmüştür. Ancak, plaka sayısı beşi aştığında rotor devrinin azalma eğilimine girdiği tespit edilmiştir.
Mertens, 2006. Doktora tezi olarak yapılan çalışmada binaların rüzgârı yoğunlaştırıcı etkisi ve bu alanlarda kurulacak rüzgâr türbinleri simülasyon yapılarak incelenmiştir. Çalışmada CFD (Computational Fluid Dynamics) kullanılmış ve teorik hesaplamalar üzerinden modelleme yapılarak gerçek koşullara ilişkin tahminler ortaya konulmuştur. Modellemelere göre binaların rüzgâr türbinleri ile uyumlu inşası durumunda rüzgâr enerjisinden daha verimli yararlanılabileceği bildirilmiştir.
21
Vardar ve Eker, 2006. Bu çalışmada, küçük rüzgâr türbini rotor çaplarıyla yüksek güç değerleri elde etmek ve düşük rüzgâr potansiyellerinden yararlanmak amaçlanmıştır. Rüzgâr hızının, yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbinleri kullanılarak, süreklilik prensibi yardımıyla artırılması düşünülmüştür. Bu çalışmada elde edilen en çarpıcı sonuç; rüzgâr tünelinin giriş çapı 10 m, çıkış çapı 0,5 m ve giriş rüzgâr hızı 4 m/s olduğunda, rüzgâr tünelinin çıkışında 492352 kW’lık bir gücün oluşmasıdır. Bu koşullar altında rüzgâr hızı, rüzgâr tüneli çıkışında 1600 m/s değerine ulaşmaktadır.
Kho, 2009. Haberde, kentsel ve banliyö yerlerde ticari ve endüstriyel binalar için tasarlanmış yoğunlaştırmalı tip bir rüzgâr türbininin geliştirildiği bildirilmektedir. Söz konusu rüzgâr türbininin 2,235 m/s gibi yavaş rüzgâr hızlarında da güç üretebildiği ve rotor çapı 50-60 metre ve yüksekliği 30,48 m olan bir rüzgâr türbini ile yaklaşık aynı olduğu ifade edilmektedir. Haberde ayrıca, söz konusu rüzgâr türbinin bir yıl boyunca, ortalama 5,36 m/s rüzgâr hızında yaklaşık 100-130 MWh elektrik üretebileceği de iddia edilmektedir.
Klug, 2001. Çalışmada, dünyadaki rüzgâr enerjisinin gelişim süreci, kurulu rüzgâr gücünün dünyadaki dağılımı, rüzgâr enerjisi teknolojisi, rüzgâr hızı ölçüm yöntemleri ve istatistiksel veri tahminleri, rüzgâr rotor kanatlarının aerodinamik yapısı, rüzgâr hızı - yükseklik ilişkisi, rüzgâr hızı - elektriksel güç ilişkisi, maliyet hesaplamaları vb. konular incelenmiştir. Çalışmada bunların yanında süreklilik prensibinden hareketle rüzgârın kinetik enerjisinden teorik gücünün bulunabilmesi için gerekli eşitlikleri aktarmış ve rotor kanat kesitindeki aerodinamik kuvvetler açıklamıştır.
22
Matsushima ve arkadaşları, 2006. Çalışmada, bağımsız bir güç kaynağı olarak küçük rüzgâr türbin sistemlerinin çıkışında, difüzör (diffuser) kullanımı araştırılmıştır. Ekonomiklik ve rüzgâr hızı dağılımı bakımından kesik piramit şeklinde bir difüzör seçilmiştir. Difüzör şeklinin rüzgâr hızı üzerine etkisi analiz edilerek difüzördeki rüzgâr hızının büyük ölçüde difüzörün genişleme açısına bağlı olduğu saptanmıştır. Çalışmada, uygun difüzör seçiminin rüzgâr hızını 1,7 kat arttırdığı tespit edilmiştir. Rüzgâr hızının difüzör girişinde en yüksek değerde olduğu saptanmıştır. Difüzör kullanılarak yapılan denemelerde elde edilen elektriksel çıkış gücü, geleneksel rüzgâr türbinlerine kıyasla 2,4 katına kadar artırılabilmiştir. Ayrıca özellikle rüzgâr esme yönünün sabit olduğu yerlerde difüzör kullanımının uygun olduğu belirlenmiştir.
Müller vd., 2009. Çalışmada kentlerde yenilenebilir enerji üretimi ve kullanım noktasında son yıllarda artan bir ilgi olduğunu vurgulamaktadır. Binalara entegre rüzgâr türbinlerinin bu açıdan ilginç bir seçenek olduğu, ancak teknik yönden mimari engeller nedeniyle binalara rüzgâr enerjisi dönüştürücüleri uygulamalarının oldukça sınırlı kaldığı ifade edilmektedir. Çalışmada rüzgâr enerjisi dönüştürücüsü olarak Sistan tipi yel değirmeni olarak bilinen en eski form ele alınmıştır. Ölçekli bir model ile yapılan ilk deneyler yüksek verim (%40) elde edilebileceğini göstermiştir.
Manwell ve arkadaşları, 2002. Kitapta genel olarak rüzgâr enerjisinin teorisi, tasarımı ve uygulamaları açıklanmaktadır. Çalışmada, rüzgâr türbini konseptlerinden birinin de yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri olduğunu bildirmiştir. Bu sistemlerdeki ana fikrin ise rotorun üretkenliğini artırmak için rüzgârı yönlendirmek olduğunu vurgulamıştır.
23
Boyle, 2004. Kitapta genel olarak yenilenebilir enerji kaynakları konuları işlenmiştir. Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması konusuna da yer verilmiştir. Sınıflandırmada rüzgâr türbinleri yatay eksenli ve düşey eksenli olarak iki sınıfa ayrılmıştır. Yatay eksenli rüzgâr türbinleri içerisinde tek kanatlı, çift kanatlı, üç kanatlı ve çok kanatlı rüzgâr türbinleri, up-wind ve down-wind rüzgâr türbinleri ile birlikte yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbinleri de gösterilmiştir.
Twidelll ve Weir, 2006. Kitapta yenilenebilir enerji kaynakları bir bütün olarak ele alınmıştır. Rüzgâr türbinleri konusunda bir sınıflandırmaya da yer verilmiştir. Bu sınıflandırmada rüzgârı yönlendiren ve rotor üzerinde yoğunlaştıran yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerine de yer verilmiştir.
Piggott, 2006. Rüzgâr türbini rotor kanatlarının rüzgârı yavaşlatarak enerjisini aldığını, bunun bir kuvvetin rüzgâra uygulanması suretiyle olduğunu ve rüzgârın aynı kuvveti kanatlara aktardığını bildirmiştir. Çalışmada, kaldırma kuvvetine karşı sürükleme kuvvetinin tanımlaması, kanat dizaynı, kaldırma ve sürüklenme kuvvetleri matematiği, kanat açısı ayarları, rüzgâr biçimleri, chord genişliğinin optimizasyonu, enerji katsayısına etkili faktörler, ideal ve pratik limitler ile yüksek hızlı rotorlar konularına yer verilmiştir.
Betz, 1926. Türbin rotor alanı üzerindeki rüzgâr hızının, türbin rotoruna henüz gelmemiş rüzgâr hızı ile türbin rotorunu terk etmiş olan rüzgâr hızı toplamının yarısına eşit olduğunu bildirmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda rüzgârdaki toplam gücün maksimum 16/27 ‘sinin (yaklaşık 0,59) mekanik enerjiye dönüştürülebileceğini tespit etmiştir. Çalışma, rüzgâr enerjisi teknolojisinin bilimsel içerikli en temel eserlerinden biridir.
Rehman ve arkadaşları, 2003. Çalışmada, Sudi Arabistan krallığında yirmi farklı istasyon göz önüne alınarak bu istasyonların rüzgâr enerjisi karakteristikleri ortaya konulmuştur. Ortaya konulan rüzgâr karakteristikleri ışığında seçilen üç rüzgâr türbini ile elde edilebilecek enerji değerlerinin maliyetleri analiz edilmiştir. Çalışma, rüzgâr türbinlerinde elde edilebilecek enerjinin birim maliyetleri ile ilgili önemli bilgiler içermektedir.
Abed ve El-Mallah, 1997. “Rüzgâr Türbinlerinin Kapasite Faktörleri” isimli çalışma, rüzgâr türbini ile güç üretiminin rüzgâr kaynağının özelliklerine ve rüzgâr türbininin tasarım karakteristiklerine bağlı olduğu ve bu parametreler ile kapasite faktörlerinin belirlenebildiği bildirilmiştir.
Aras, 2003. Çalışmada, Devlet Meteoroloji İşlerinin rüzgâr ölçümleri çerçevesinde Türkiye rüzgâr potansiyeli ve genel bir bakış açısıyla rüzgâr enerjisinin ülkemizdeki alansal dağılımı incelenmiştir.
Hepbaşlı ve Özgener, 2004. Türkiye’nin yıllık teorik rüzgâr potansiyelinin 88000 MW olduğu ve bunun da genel olarak batı ve güneydoğu bölgelerinde toplandığı vurgulanmıştır.
Özdamar ve Kavas, 1999. Rüzgâr enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde, dönüşüm zincirinin ilk halkası olan rüzgâr pervanesi, mevcut rüzgâr enerjisinin olabildiğince kayıpsız olarak pervane miline aktarılması amaçlanarak, Betz’e veya Glaubert-Schmitz’e göre dizayn edilebildiği bildirilmiştir. Çalışmada; Glauert-Schmitz tarafından geliştirilen optimum pervane dizaynı anlatıldıktan sonra, sabit R yarıçapına sahip bir pervanede, kanat sayısı, dizayn devirlilik sayısı, profil tipi ve hücum açısı değiştirilerek toplam 192 dizayn seçeneği
24
incelenmiş ve bu parametrelerin enerji eldesine etkisini kıyaslayabilmek için, Ege-Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü’nde 1994-1995 yıllarında elde edilen rüzgâr ölçüm değerleri kullanılarak, bir yılda elde edilebilecek enerji miktarı saptanmış ve dizayn parametrelerinin enerji eldesine etkisi yorumlanmıştır.
Dündar ve arkadaşları, 2002. Rüzgâr gücünden elektrik üretiminde yararlanılması için nerede ne kadar rüzgâr gücü vardır, ne kadar enerji üretilebilir sorularına cevap bulmak için, ülke bazında rüzgâr gücünün bilinmesi gerektiği ve bu amaçla hazırlanan rüzgâr atlasları ile rüzgâr gücünün dağılımının istatistikî verilerle ortaya konulduğu aktarılmıştır. Çalışmada içerik olarak, rüzgâr enerjisi konusunda yapılan çalışmalar, veri ve modellerin kısıtları, hesaplamalar ve sonuçlar, Türkiye rüzgâr atlası konuları yer almaktadır.
REPA, 2006. Çalışmada Türkiye’nin rüzgâr enerjisi potansiyeli bir bigisayar yazılımı haline getirilmiştir. Bu yazılım ile Türkiye’deki hangi bölgede ne kadarlık bir rüzgâr ve enerji üretim kapasitesi olduğu bulunabilmektedir.
Hanus ve Stempel, 2011. “Güneş ve Rüzgâr Enerjisi İş Kitabı” isimli çalışma dört ana bölümden oluşmuştur. Bu ana bölümlerden biri “Ev ve Bahçelerde Rüzgâr Enerjisi Kullanımı” adıyla rüzgâr enerjisine ayrılmıştır. Bu bölümde de rüzgâr türbinlerinin teknik detayları ve yapım yöntemleri teori ile birlikte sunulmuştur.
Crome, 2008. “Rüzgâr Enerjisi Tekniğinin El Kitabı” isimli çalışmada özellikle küçük ölçekli rüzgâr teknolojisi ele alınmıştır. Kırsal kesimde kurulabilecek ölçekteki rüzgâr türbinlerinin yapım ve inşa aşamalarının yanında teorisi de verilmiştir. Çalışmada rüzgâr enerjisi kullanımı, teknik bilgiler, aerodinamik, teorik kurallar, rüzgâr çarkı yapımı, yıldırımdan koruma ve statik konuları yer almaktadır.
Hau, 2006. “Rüzgâr Türbinleri” isimli çalışmada rüzgâr türbinlerinin teorisi yanında rüzgâr elektriği, rüzgâr enerjisinin dönüşüm konseptleri, rotor aerodinamiği, yükler ve yapısal gerilmeler, rotor kanatları, elektrik ve kontrol sistemleri, titreşim problemleri, kule, rüzgâr kaynakları, güç çıkışı ve yıllık enerji üretimi, çevresel faktörler, rüzgâr türbin ekonomisi ve enerji üretim maliyetleri konularına yer verilmiştir.
Vardar ve Çetin, 2007. Bu çalışmada Türkiye’nin güney Marmara bölgesinde belirlenen 14 istasyonda kurulabilecek üç farklı rüzgâr türbini ile elde edilebilecek rüzgâr gücü değerleri, sistem maliyetleri ve kWh başına elde edilebilecek enerji fiyatları ortaya konulmuştur. Buna göre Bozcaada ön plana çıkmıştır. Bozcaada’da üç farklı rüzgâr türbini için 0.0111 €/kWh ile 0.0177 €/kWh arasında maliyetler elde edilmiştir.
Vardar ve Alibaş, 2008. Bu çalışmada, NACA profilleri kullanılarak imal edilen minyatür rüzgâr türbin rotorlarının ideal güç katsayıları saptanmıştır. Bu amaçla daha önce yapılan çalışmalarda elde edilen rüzgâr tüneli test sonuçlarından faydalanılmıştır. Daha önceki çalışmalarda elde edilen bu sonuçlar doğrultusunda her bir rotor formu üzerine gelen rüzgârın içinde barındırdığı güç değerleri ve her bir rotor formunun uç hız oranları ortaya konulmuştur. Bu veriler yardımıyla da her bir rotor formunun ideal güç katsayısı değerleri saptanmıştır. Çalışmada elde edilen ideal güç katsayısı değerlerinin 0,307 ile 0,425 arasında değiştiği görülmüştür.
25
İzli, Vardar ve Kurtulmuş, 2007. Bu çalışmada, on dört farklı Re sayısı, dört farklı NACA profili ve 0 ila 20 derece hücum açıları için kaldırma ve sürüklenme katsayıları bir bilgisayar programı kullanılarak saptanmıştır. Saptanan bu değerler ile rüzgâr türbini kanat profillerinin her hücum açısı değeri için uygun kayma sayıları tespit edilmiştir. Belirlenen dört farklı NACA profili için kayma sayıları ile hücum açıları arasındaki ilişki, en uygun hücum açıları ile on dört farklı Re sayısı arasındaki ilişki, kaldırma sayıları ve hücum açıları arasındaki ilişki ortaya konulmuş ve grafiksel olarak ifade edilmiştir. Ayrıca on dört farklı Re sayısı için de kaldırma ve sürüklenme sayıları arasındaki ilişki ortaya konulmuştur.
Kurtulmuş, Vardar ve İzli, 2007. Bu çalışmada 4 farklı rüzgâr türbini kanat profili için hücum açıları, Re sayıları, kaldırma ve sürüklenme değerleri arasındaki ilişkiler analiz edilmiştir. Ele alınan tüm kanat profilleri ve bütün Re sayıları için elde edilen en yüksek kayma sayılarında en uygun hücum açısı değerleri 3 ile 9 derece arasında olduğu tespit edilmiştir. Kaldırma-sürüklenme ilişkisine göre sabit sürüklenme değerlerinde Re sayısı arttıkça kaldırmanın da arttığı tespit edilmiştir. En yüksek sürüklenme sayıları ise Re 20000 değerinde saptanmıştır.
26
3. MATERYAL ve YÖNTEM
3.1. Materyal
3.1.1. Tasarlanan Rüzgâr Türbin Sistemleri
3.1.1.1. Ön Denemelerde Kullanılan Rüzgâr Türbin Sistemi
Çalışma kapsamında tasarlanan ilk rüzgâr türbin sistemi (Şekil 3-1) proje öncesinde imal edilmiştir. İmal edilen ilk rüzgâr türbin sistemi prototipinde konik borunun giriş çapı 51 cm ve çıkış çapı ise 36 cm olarak yapılmıştır. Prototipin 51 cm’lik giriş çapında 250 W, 220 V, 1400 rpm ve 50 Hz özelliklerinde Bahçıvan marka bir adet vantilatör kullanılmıştır. 36 cm’lik çıkış çapında ise farklı kanat tasarımlarının testleri için oluşturulmuş bir platform yer almaktadır. Prototip üzerinde yapılan rüzgâr hızı ve sıcaklık ölçümleri, giriş ve çıkış çapının bulunduğu noktalara ölçüm probları yerleştirilerek gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3-1. Ön denemeler için imal edilmiş prototip
3.1.1.2. Konik Rüzgâr türbin sistemi
Konik rüzgâr türbin sistemi (Şekil 3-2) ön denemelerde imal edilen rüzgâr türbin sistemi prototipinin geliştirilmiş bir versiyonudur. Sistem, rüzgârın sekiz temel esme yönü dikkate alınarak ve her bir konik ünite bu yönlerden birine bakacak şekilde yerleştirilebilecek 8 adet konik boru şeklinde tasarlanmıştır. Konik ünitelerin giriş çapı (rüzgârın sisteme giriş kesiti) 795 mm ve merkez çapı (rüzgârın her bir konik üniteden çıkış kesiti) 340 mm’dir. Konik rüzgâr türbin sisteminin genel ölçüleri ise; genişlik ve uzunluk 2050 mm, yükseklik 1300 mm ve rotor sisteminin yerleştirildiği merkez ünitesinin çapı 853 mm olarak tasarlanmıştır. Konik rüzgâr türbin sisteminin teknik çizimleri ve genel ölçüleri Şekil 3-3’de görülmektedir.
27
Sekil 3-2. Konik rüzgâr türbin sistemi
28
Sekil 3-3. Konik rüzgâr türbin sisteminin teknik çizimleri ve genel ölçüleri
29
3.1.1.3. Panelsiz Rüzgâr Türbin Sistemi
Panelsiz rüzgâr türbin sistemi (Şekil 3-4), konik rüzgâr türbin sisteminde konik ünitelerin dairesel kesiti nedeniyle rüzgârın bir kısmının sisteme giremeden dairesel kesitin üstünden sistemi teğet geçtiği düşüncesiyle ve bu kayıpları minimize edebilmek için geliştirilmiş bir versiyondur. Sistem, rüzgârın her yönden (360 derece) gelebileceği gerçeği de dikkate alınarak sisteme girişte rüzgârın esme yönlerinde hiçbir engelle karşılaşmayacağı şekilde tasarlanmıştır. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde rüzgârın sisteme giriş yaptığı kesitin yüksekliği 795 mm, rüzgârın rotor sistemiyle karşılaşacağı merkez kesitinin yüksekliği 350 mm’dir. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminin genel ölçüleri ise; genişlik ve uzunluk 2050 mm, yükseklik 1300 mm ve rotor sisteminin yerleştirildiği merkez ünitesinin çapı 520 mm olarak tasarlanmıştır. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminin teknik çizimleri ve genel ölçüleri Şekil 3-5’de görülmektedir.
Sekil 3-4. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi (rotor ünitesi monte edilmiş)
30
31
Sekil 3-5. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminin teknik çizimleri ve genel ölçüleri
32
3.1.1.4. Panelli Rüzgâr Türbin Sistemi
Panelli rüzgâr türbin sistemi (Şekil 3-6) ise, panelsiz rüzgâr türbin sistemine paneller eklenerek geliştirilmiş bir versiyondur. Bu sistemde, konik rüzgâr türbin sistemine benzer şekilde rüzgârın sekiz temel esme yönü dikkate alınarak ve her bir ünite bu yönlerden birine bakacak şekilde yerleştirilebilecek 8 adet dikdörtgen ve daralan kesitli ünite olarak tasarlanmıştır. Bu sistemde panalsiz rüzgâr türbin sisteminde de olduğu gibi konik rüzgâr türbin sisteminin dairesel kesiti nedeniyle oluşabilecek rüzgâr kayıplarının minimize edilmesi amaçlanmıştır. Dikdörtgen ve daralan kesitli ünitelerin giriş ölçüleri (rüzgârın sisteme giriş kesiti) 795x715 mm ve merkez ölçüleri (rüzgârın her bir üniteden çıkış kesiti) 410x260 mm’dir. Panelli rüzgâr türbin sisteminin genel ölçüleri panelsiz rüzgâr türbin sistemine benzer şekilde; genişlik ve uzunluk 2050 mm, yükseklik 1300 mm ve rotor sisteminin yerleştirildiği merkez ünitesinin çapı 520 mm olarak tasarlanmıştır. Panelli rüzgâr türbin sisteminin teknik çizimleri ve genel ölçüleri Şekil 3-7’de görülmektedir.
Sekil 3-6. Panelli rüzgâr türbin sistemi (rotor ünitesi monte edilmiş)
33
34
Sekil 3-7. Panelli rüzgâr türbin sisteminin teknik çizimleri ve genel ölçüleri
35
3.1.2. Rotor Sistemi
Rüzgâr türbin sistemlerinde deneysel olarak kullanılmak amacıyla geliştirilen rotor sistemi Şekil 3-8’de görülmektedir. Rotor sisteminde pervane olarak, vantilatör ve aspiratör pervanesi olarak da kullanılan altı adet geniş kanada sahip bir pervane kullanılmıştır. Geniş kanatlı bir pervane seçilmesinin temel sebebi motorun dönebilmesi için gerekli olan torkun sağlanabilmesidir. Rüzgâr türbin sistemlerinde rotorun yerleştirileceği merkezin 300 mm’den büyük çaplı bir pervane için elverişli olmaması ve bu çapta dar kesitli bir pervanenin motorun ihtiyacı olan torku sağlayamayacak olması da söz konusu pervanenin seçiminde önemli bir etkendir. Rotor sisteminde kullanılan jeneratör tipi Tam kalıcı mıknatıs süspansiyon yatay rüzgâr sürücüsüdür (Full permanent magnet suspension horizontal wind driver). Jeneratör etiket bilgilerine göre; jeneratör devri 1800 rpm, anma gücü 400 W ve üretim kapasitesi maksimum 900 kWh/yıl’dır. Rüzgâr motorunun çıkışında bir elektronik dönüştürücü bulunmaktadır. Bu dönüştürücü rüzgâr motorunun ürettiği elektriğin DC ya da AC olarak alınabilmesini sağlamaktadır.
Şekil 3-8. Pervane, rüzgâr motoru ve elektronik dönüştürücüden oluşan rotor sistemi
3.1.3. Laboratuvar Koşulları için Deney Düzenekleri
Laboratuvar koşullarında yapılan denemeler için Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümüne ait Atölye kullanılmıştır. Söz konusu atölye bir “hangar” hüviyetinde olup rüzgâr denemelerinin kontrollü bir şekilde yapılabilmesi için oldukça uygun bir alan özelliği taşımaktadır. Laboratuvar koşullarında yapılan denemelerde bir adet “Radyal Fan” (Şekil 3-9) ve üç adet “Aksiyal Aspiratör” (Şekil 3-10) kullanılmıştır. Radyal fan 5,5 kW gücünde bir elektrik motoruna sahiptir. Aksiyal aspiratörler ise 3 kW motor gücüne, 1500 rpm devir sayısına, 380 V gerilim değerine ve 26000 m3/h hava debisine sahiptir. Aksiyal aspiratörlerden birinin devir sayısı ayarlanabilmekte ve hava debisi değiştirilebilmektedir.
36
Radyal Fan, rüzgâr türbin sistemlerini cepheden görecek şekilde ve rüzgâr türbin sistemleri üzerinde ölçüm aletleri ile veri alınacak yönde uygun bir konuma yerleştirilmiştir. Aksiyal Aspiratörlerden ikisi Radyal Fan’ın sağ ve soluna biri ise rüzgâr türbin sistemleri üzerinde ölçüm aletleri ile veri alınacak konuma göre ters istikamete yerleştirilmiştir. Ters istikamete yerleştirilen bu Aksiyal Aspiratör ile Rotor Sisteminin farklı yönlerden esen rüzgârı algılayıp algılayamadığı test edilmiştir. Özellikle aksiyal aspiratörlerin önüne rüzgârın dağılmaması için özel düzenekler yapılmıştır (Şekil 3-11). Denemelerde kullanılan ölçüm aletleri de rüzgâr türbin sistemlerine uygun konumlarda yerleştirilmiş ve verilerin toplanması amacıyla ölçüm aletlerine ait data logger kullanılmıştır. Data logger aracılığıyla toplanan veriler ise bir bilgisayar aracılığı ile depolanmıştır. Laboratuvar koşulları için hazırlanan deney düzeneklerinin genel görünüşleri Şekil 3-12 ve 3-13’de verilmiştir.
Şekil 3-9. Radyal fan
37
Şekil 3-10. Aksiyal aspiratörler
Şekil 3-11. Aksiyal aspiratörler
38
39
Şekil 3-12. Laboratuvar deney düzeneklerinin genel görünüşü
40
Şekil 3-13. Laboratuvar deney düzeneklerinin genel görünüşü
3.1.4. Arazi Koşulları için Deney Düzenekleri
Arazi koşullarında yapılan denemeler için Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarımsal Uygulama ve Araştırma Merkezinin rüzgâr potansiyeli nispeten iyi olan bölgeleri kullanılmıştır. Bu alanların seçiminde boğaz teşkil eden ve rüzgârın belirli yönlerden estiği yerler tercih edilmiştir. Ayrıca rakım olarak yüksek ve çevresinde engeller yer almayan alanlar da kullanılmıştır. Arazi koşullarında yapılan denemelerde ölçüm aletleri rüzgâr türbin sistemlerine uygun konumlarda yerleştirilmiş ve verilerin toplanması amacıyla ölçüm aletlerine ait data logger kullanılmıştır. Data logger aracılığıyla toplanan veriler bir bilgisayar aracılığı ile depolanmıştır. Arazi koşullarında rüzgârın estiği yönün değişken olması ve rüzgâr türbin sistemlerine yerleştirilen ölçüm aletlerinin ise belirli yönden esen rüzgârı esas alması nedeniyle rüzgârın estiği yönün de belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla rüzgâr türbin sistemlerinin yanına rüzgârın estiği yönü saptamak amacıyla “Rüzgâr Yön Ölçer” yerleştirilmiştir. Arazi koşulları için hazırlanan deney düzeneklerinin genel görünüşü Şekil 3-14’de verilmiştir.
41
Şekil 3-14. Arazi koşulları için hazırlanan deney düzeneklerinin genel görünüşü
3.1.5. Kamera
Özellikle de rotor sisteminin performansına ilişkin denemelerde, gerek rotor devrinin saptanmasında, gerek elektriksel akım ve gerilim ölçümlerinde ve gerekse de rüzgâr hızı ölçümlerinde denetim ve kontrol amaçlı olarak A4Tech marka bir kamera kullanılmıştır (Şekil 3-15). Söz konusu denemeler esnasında bilgisayara bağlı olarak çalıştırılan kamera ile denemelerin çekimi yapılarak denetim ve kontrol sağlanmıştır.
Şekil 3-15. Denetim ve kontrol kamerası
42
3.1.6. Bilgisayar
Gerek laboratuvar koşullarında yapılan denemelerde gerekse arazi koşullarında yapılan denemelerde ölçüm aletlerine ait data logger aracılığıyla toplanan veriler bir bilgisayar aracılığı ile depolanmıştır. Kullanılan bilgisayar Asus marka bir Netbook’tur.
3.1.7. Ölçü Aletleri ve Cihazlar
Proje kapsamında yapılan denemelerde kullanılan ölçü aletleri ve cihazları; rüzgâr hızı ölçüm cihazı ve problar, basınç ölçüm cihazı ve problar, sıcaklık ölçüm probları, devir hızı ölçüm cihazı, rüzgâr yönü ölçüm cihazı ve elektriksel ölçüm cihazları (multimetre) olarak sayılabilir. Aşağıda ölçü aletleri ve cihazların özellikleri verilerek tanıtımı yapılmıştır.
3.1.7.1. Kontrol Ünitesi
Kontrol ünitesi, ölçüm aletlerinin beyni olarak işlev görmektedir. Kontrol ünitesi bir adet “Testo 454” model kontrol cihazı, iki adet veri kayıt cihazı (data logger) ve bir adet bağlantı parçasından oluşmaktadır. Bu cihazın kendi üzerinde de bir adet veri kayıt cihazı (data logger) bulunmakta, diğer iki veri kayıt cihazı (data logger) kontrol cihazına entegre edilebilmektedir (Şekil 3-16). Kontrol ünitesi, denemeleri yapılan rüzgâr türbin sistemlerinde biri rüzgârın giriş kesiti ve biri de sistem merkezinde olmak üzere ikişer adet rüzgâr hız probunu ve sıcaklık probunu kontrol etmektedir. Kontrol ünitesi ayrıca yine denemeleri yapılan rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın giriş kesiti ile sistem merkezi arasındaki basınç farkını ölçen basınç probunu ve ortam basıncı ölçüm cihazını kontrol etmektedir.
Şekil 3-16. Kontrol ünitesi (Kontrol cihazı, iki adet veri kayıt cihazı ve bağlantı parçası)
Kontrol ünitesi teknik özellikleri (Testo, 2011):
- Entergre yazıcı ünitesi- 250.000 adet ölçüm sonucunu saklayabilen hafıza- Bilgisayar bağlantısı
43
- LCD ekran- Dahili basınç sensörü (40/200 hPa)- Pitot tüpü ile hız / debi hesabı- Cihaza ilgili prob (sensör) takılarak sıcaklık, nem, hava hızı, basınç, devir, ortamdaki
CO, CO2 ve WBGT ölçümleri yapılabilmektedir.
3.1.7.2. Rüzgâr Hızı Ölçüm Cihazı ve Problar
Rüzgâr hızı ölçümü amacıyla bir adet “CFM Master 8901” marka/model rüzgâr hızı ölçüm cihazı (anemometre), iki adet Testo Hot Bulb NTC marka/model termal rüzgâr hız probu ve bir adet Testo Vane Type K (NiCr-Ni) marka/model pervane tipi teleskobik rüzgâr hız probu kullanılmıştır. İki adet termal hız probu ve bir adet pervane tipi teleskobik rüzgâr hız probu kontrol ünitesi ile entergre çalışmaktadır. Anemometre ise kontrol ünitesinden bağımsız bir cihazdır. Rüzgâr hızı ölçüm cihazı ve probların kalibrasyon sertifikaları bulunmaktadır. Bununla beraber çalışma kapsamında da kalibrasyonları yapılmıştır.
Anemometre (Şekil 3-17), rotor sisteminin elektriksel gücünün saptanması amacıyla yapılan denemelerde rüzgâr hızının saptanması için kullanılmıştır. Termal rüzgâr hız probları (Şekil 3-18), rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme giriş yaptığı kesitte ve sistem merkezinde rüzgâr hızının saptanması için kullanılmıştır. Pervane tipi teleskobik rüzgâr hız probu (Şekil 3-19) ise, rüzgâr hızının 10 m/s değerinin üzerinde olduğu noktalarda kullanılmıştır.
Şekil 3-17. Rüzgâr hızı ölçüm cihazı (Anemometre)
44
Şekil 3-18. Termal rüzgâr hızı probu
Şekil 3-19. Pervane tipi teleskobik rüzgâr hız probu
Anemometre teknik özellikleri:
- Hava hızının yanında hava debisi ve sıcaklık ölçümü yapılabilmektedir.- Hava hızı ölçüm aralığı : 0,4 ile 35 m/s arasında- Hassasiyet : ± 2%- Tepki : 1 saniye
Termal rüzgâr hızı probu teknik özellikleri (Testo, 2011):
- Testo Hot Bulb NTC hız probu- Çapı : 3 mm- Hava hızı ölçüm aralığı : 0 ile 10 m/s arasında- Sıcaklık ölçüm aralığı : -20 ile +70 oC arasında- Hassasiyet : ± 0,03 m/s (ölçülen değerin ±%5’i)
Pervane tipi teleskobik rüzgâr hız probu teknik özellikleri (Testo, 2011):
- Testo Vane Type K (NiCr-Ni) hız probu- Çapı : 16 mm- Uzunluk : 180 mm- Hava hızı ölçüm aralığı : 0 ile 60 m/s arasında- Sıcaklık ölçüm aralığı : -30 ile +140 oC arasında- Hassasiyet : ± 0,2 m/s (ölçülen değerin ±%1’i)
3.1.7.3. Basınç ve Fark Basıncı Ölçüm Probu
Çalışma kapsamında hava basıncının ölçümü amacıyla bir adet Testo 0638 1847 marka/model basınç ölçüm probu (Şekil 3-20) ve fark basıncını ölçmek amacıyla da Testo 0638 1345
45
marka/model fark basıncı ölçüm probu (Şekil 3-21) kullanılmıştır. Basınç ölçüm probu ve fark basıncı ölçüm probu kontrol ünitesiyle entegre olarak çalıştırılmıştır. Fark basıncı ölçüm probu, rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme giriş kesiti ile sistem merkezi arasındaki basınç farkının ölçümünde kullanılmıştır. Basınç ölçüm probu ise rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme giriş kesitindeki ortam basıncının ölçülmesinde kullanılmıştır. Basınç ölçüm probu ve fark basıncı ölçüm probunun kalibrasyon sertifikaları bulunmaktadır.
Şekil 3-20. Basınç ölçüm probu
Şekil 3-21. Fark basıncı ölçüm probu ve hortumu
46
Basınç ölçüm probu teknik özellikleri (Testo, 2011):
Fark basıncı ölçüm probu teknik özellikleri (Testo, 2011):
- Testo 0638 1345 fark basıncı ölçüm probu- Ölçüm aralığı : 0 ile +100 hPa arasında- Hassasiyet : ±(0,3 Pa - ölçülen değerin %0,5’i)
3.1.7.4. Sıcaklık Ölçüm Probları
Rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme giriş yaptığı kesitte ve sistem merkezindeki sıcaklık değerlerinin saptanması amacıyla iki adet Testo 0604 9794 marka/model sıcaklık probu (Şekil 3-22) kullanılmıştır. Sıcaklık ölçüm probları kontrol ünitesiyle entegre olarak çalıştırılmıştır. Sıcaklık probların kalibrasyon sertifikaları da bulunmaktadır.
Rotor sistemine ait devir hızının ölçümü amacıyla bir adet Testo 470 marka/model devir hızı ölçüm cihazı (Şekil 3-23) kullanılmıştır. Devir hızı ölçümü optik olarak gerçekleştirilmiştir. Cihaz, kontrol ünitesinden bağımsız çalışmaktadır. Devir hızı ölçüm cihazının kalibrasyon
47
sertifikaları bulunmaktadır. Bununla beraber çalışma kapsamında da kalibrasyonları yapılmıştır.
Şekil 3-23. Devir hızı ölçüm cihazı
Devir hızı ölçüm cihazı’nın teknik özellikleri (Testo, 2011):
- Ölçüm aralığı (optik olarak) : 1 ile 99.999 rpm arasında- Ölçüm aralığı (mekanik olarak) : 0,1 ile 19.999 rpm arasında- Hız : 0,10 ile 1.999 m/dak arasında- Uzunluk : 0,02 ile 99.999 m arasında- Hassasiyet : Ölçüm değerinin ±%0,02’si kadar- Rezolüsyon : 0,01 rpm (1 ile 99,9 rpm arasında)
0,1 rpm (100 ile 999,9 rpm arasında) 1 rpm (1000 ile 99.999 arasında)
3.1.7.6. Meteoroloji İstasyonu
Özellikle arazi denemeleri esnasında rüzgâr esme yönünün saptanması amacıyla iMETOS marka meteoroloji istasyonu (Şekil 3-24) kullanılmıştır. Meteoroloji istasyonu ile rüzgâr yönü ölçümlerinin yanı sıra dış ortamda sıcaklığı, bağıl nem, solar radyasyon, rüzgâr hızı ve barometrik basınç ölçümleri yapabilmektedir. Bu özellikleri nedeniyle doğal rüzgâr hızının saptanmasında da meteoroloji istasyonundan yararlanılmıştır. Söz konusu meteoroloji istasyonu, kontrol ünitesinden bağımsız bir cihazdır. Kontrol ünitesiyle zamansal kalibrasyonu yapılarak eşzamanlı olarak çalıştırılmıştır. Meteoroloji istasyonu ile elde edilen rüzgâr yönü ve doğal rüzgâr hızı verileri internet aracılığıyla bilgisayar ortamına aktarılmıştır.
48
Şekil 3-24. Rüzgâr yönü ve doğal rüzgâr hızı ölçümü için kullanılan ölçüm cihazı
Meteoroloji istasyonu teknik özellikleri Çizelge 3-1’de verilmiştir.
Rüzgâr Hızı 0-60 m/s 0.3 m/sRüzgâr Yönü 0-360 o ±3 o
Barometrik Basınç 800-1100 hPa ±0,3 hPa
3.1.7.7. Elektriksel Ölçüm Cihazları ve Elektrik Devresi
Rotor sisteminin elektriksel performansının tespit edilmesinde ve rüzgâr hızına bağlı olarak geliştirebileceği güç değerlerinin saptanmasında iki adet Protek 506 marka/model dijital multimetre kullanılmıştır (Şekil 3-25). Multimetrelerden biri rotor sisteminin ürettiği elektriksel akım değerini diğeri ise elektriksel gerilim değerini ölçmede kullanılmıştır. Ancak bir elektrik akımının oluşabilmesi ve ölçülebilmesi için üretilen elektriğin tüketilmesi gerekmektedir. Bu çerçevede bir elektrik devresi yapılarak üzerine 55 W’lık 4 adet ampul yerleştirilmiştir (Şekil 3-26). Devre üzerinde yer alan ampuller 55 W, 110 W, 165 W ve 220 W olarak dört farklı kademede devreye alınabilmektedir. Temel bir elektrik bilgisi olarak ampermetre devreye seri olarak ve voltmetre devreye paralel olarak bağlanır. Bu nedenle
49
akım ölçmede kullanılan multimetre devreye seri olarak ve gerilim ölçmede kullanılan multimetre devreye paralel olarak bağlanmıştır.
Şekil 3-25. Multimetre
Şekil 3-26. Elektrik devresi
Multimetre teknik özellikleri (Protek, 2011): Bilgisayar ile bağlantı, ACV (dBm), DCV, mV (AC/DC), Hz (ACV), Direnç, μA (AC/DC), mA (AC/DC), 20A (AC/DC), Süreklilik, Lojik, Diyot, Kapasite, Endüktans, Sıcaklık, Sinyal çıkışı
50
3.2. Teorik Yaklaşımlar
Bu proje öncesi bazı ön çalışmalar yapılmış ve bu çalışmalarda düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip bölgeler için yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbini tasarımları ortaya konulmuştur (Şekil 3-27, 3-28 ve 3-29). Bu tasarımlarda da aşağıdaki yaklaşımlar göz önünde bulundurulmuştur.
Sıkıştırılabilir akışkanların yani gazların sürekli akış koşulunda kapladıkları özgül hacim, ya da bir başka değişle özgül ağırlık değişebilmektedir. Şekil 3-27’de gösterilen biçimdeki konik borudan sıkıştırılabilir akışkan akımında, boru kesitinin her yerinde birim zamandaki kütle akımı sabittir.
Burada irdelenen akışkanın aktığı giriş kesiti A1, çıkış kesiti A2, giriş hızı v1, çıkış hızı v2, giriş yoğunluğu ρ1 ve çıkış yoğunluğu ρ2 olduğuna göre herhangi bir zaman aralığında aşağıdaki eşitlik yazılabilir (Quaschning, 2011).
θ=ρ1⋅A1⋅v1= ρ2⋅A2⋅v2=m=Sabit
Yoğunluk kavramı özgül hacmin tersi bir kavramdır. Akışkanın birim hacminin ağırlığı olarak tanımlanmaktadır ve aşağıdaki eşitlikle ifade edilir (Kayışoğlu ve Ülger, 2001).
ρ=GV
Bir gazın yoğunluğu normalden fazla ise basıncı artmış, az ise azalmıştır. Yoğunluk değeri sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir (Kayışoğlu ve Ülger, 2001).
ρ= pR⋅T
51
A2
P2
ρ2
v2
A1
P1
ρ1
v1
Δx
Termodinamiğin birinci yasasının, sürekli hareket durumundaki bir akışkana uygulanmasını içeren ve akışkanlar mekaniğinde, süreklilik eşitliği diye tanınan genel enerji eşitliği de önemli olmaktadır. Gazların akışındaki herhangi bir sürtünme direnci gazda bir enerji kaybına neden olmamakta, sürtünme işi tekrar ısıtılarak onun sıcaklığını yükseltmektedir. Bu ise oldukça küçük düzeyde varsayılabilir (Ültanır, 1987).
Proje kapsamında düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip bölgeler için tasarlanan yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinden bazılarına ait taslak rüzgâr türbin modelleri Şekil 3-28, 3-29, 3-30 ve 3-31’de görülmektedir.
Şekil 3-28. Rüzgâr türbin sistemi tasarımlarından birine ait taslak model (A: Akış düzenleyici, B: Emniyet Kapağı, C: Rüzgâr hız sensörü, D: Konik rüzgâr tüneli, E: Rotor, F: Jeneratör)
Sistemin parçalarının en önemlisi konik boru şeklindeki rüzgâr tünelidir. Bu konik rüzgâr tüneli akış halindeki rüzgârın hızını arttırmak amacıyla konik olarak tasarlanmıştır. Bu koniklik süreklilik prensibi doğrultusunda rüzgârın hızını arttırmaktadır (Ültanır, 1987). Sistemde rüzgâr tünelinin çıkış kısmında ise bir adet rotor bulunmaktadır. Bu rotor rüzgârın hızı nedeniyle sahip olduğu kinetik enerjiyi kullanılabilir güce çevirir. Rotorun rüzgârdan aldığı ve mekanik enerjiye çevirdiği rüzgâr enerjisini rotorun arkasında bulunan bir jeneratör (elektrik motoru) yardımıyla da elektrik enerjisine çevirmek mümkündür.
Şekil 3-29. Rüzgâr türbin ön tasarımlarına ait perspektif ve kesit görünüşler-1
52
Şekil 3-30. Rüzgâr türbin ön tasarımlarına ait perspektif ve kesit görünüşler-2
Şekil 3-31. Rüzgâr türbin ön tasarımlarına ait perspektif ve kesit görünüşler-3
3.3. Yöntem
Bu proje kapsamında öncelikle düşük rüzgâr hızı potansiyeline sahip bölgeler için ön çalışmalar sırasında tasarlanmış yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin modelleri geliştirilmiştir. Bu geliştirme çalışmalarında yukarıda “teorik yaklaşımlar” başlığı altında verilenler ve rüzgâr enerjisi ile ilgili bilimsel teoriler göz önünde bulundurulmuştur.
Geliştirilen sistemin statik ve dinamik analizleri çalışmada dikkate alınmıştır. Bu çerçevede statik analizler (gerilme, dayanım, yük vb. analizler) için bir bilgisayar yazılımı (SolidWorks vb.) kullanılmıştır. Böylece geliştirilen sistemlerin hangi noktalarına daha fazla yük bindiği ve sitemin statik olarak hangi noktalarda zorlandığı saptanmıştır. Bu analizler de tasarım aşamasında dikkate alınmıştır. Dinamik analizler ise geliştirilen sistemlerin öncelikle rüzgârdan etkileneceği göz önünde bulundurularak aerodinamik parametreler üzerinden yapılmıştır. Rüzgâr türbinlerinin optimum aerodinamik verim alınabilecek şekilde tasarlanması önemli bir konudur. Modern rüzgâr türbinlerinin nasıl çalıştığını anlamak için kanat profili ve bu kanat profili üzerine etkiyen iki önemli aerodinamik kuvvet çok iyi analiz edilmelidir. Söz konusu bu kuvvetler sürüklenme (FD) ve kaldırma (FK) kuvvetleridir (Durak ve Özer, 2008; Gasch, R. Ve Twele J., 2011).
53
CD=FD
0,5⋅ρ⋅v2⋅A ( 1 )
CK=FK
0,5⋅ρ⋅v2⋅A ( 2 )
Yukarıdaki eşitliklerde; FD ve FK sürüklenme ve kaldırma kuvvetlerini (N), A kanat alanını (m2), v rüzgâr hızı değerlerini (m/s), ρ hava yoğunluğunu (kg/m3), CD ve CK ise sürüklenme ve kaldırma katsayılarını ifade etmektedir.
Modellere ilişkin geliştirme çalışmalarından sonra prototipler imal edilmiştir. Daha sonra da prototiplerin uygulama denemeleri yapılmıştır.
Denemelerde yapılan ölçümlerle elde edilen veriler şunlardır:
- Sistemin girişindeki rüzgâr hızı
- Sistemin çıkışındaki rüzgâr hızı
- Sistemin girişindeki sıcaklık değeri
- Sistemin çıkışındaki sıcaklık değeri
- Sistemin girişindeki basınç değeri
- Sistemin çıkışındaki basınç değeri
- Elektriksel Gerilim
- Akım
- Rotor devir sayısı
Denemeler dışında çalışma kapsamında gerekli olan veriler ve elde edilme yöntemleri ise aşağıda sıralanmıştır:
- Elektrik motorunun özellikleri (etiket değerleri üzerinden ve güç adaptör yardımıyla test edilerek)
- Kanat profillerinin kaldırma katsayısı (Snack 2.0 bilgisayar yazılımı yardımıyla)
- Kanat profillerinin sürüklenme katsayısı (Snack 2.0 bilgisayar yazılımı yardımıyla)
- Bursa, Zonguldak, Denizli, Rize vb. bölgelerin rüzgâr potansiyelleri (Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğüden ve Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünden)
- Sistemin kullanım ömrü (literatürden öngörülerek)
- Enflasyon oranı (literatürden)
Denemeler ile elde edilen veriler kullanılarak ve aşağıdaki yöntemler çerçevesinde prototiplerin verimlilik, güç, enerji üretim kapasitesi ve ekonomik unsurları ortaya konulmuştur.
54
3.3.1. Verimlilik
Verimlilik, girdi ile çıktı arasındaki oranın bir ifadesidir (Beer ve Johnston, 1991). Bu çalışmada verimlilik “verimsel artış” olarak ele alınmıştır. Güce ilişkin verimlilik 3 no.lu eşitlikle hesaplanmıştır:
ηgüç=P2−P1
P1=
( ρ2⋅A2⋅v23)−( ρ1⋅A1⋅v1
3)ρ1⋅A1⋅v1
3
( 3 )
Rüzgâr hızına ilişkin verimlilik ise 4 no.lu eşitlik yardımıyla bulunmuştur:
ηv=v2−v1
v1 ( 4 )
Bu eşitliklerde; P1 ve P2 sistemin giriş ve çıkışındaki güç değerlerini, ρ1 ve ρ2 sistemin giriş ve çıkışındaki hava yoğunluğu değerlerini, A1 ve A2 sistemin giriş ve çıkışındaki kesit alanlarını, v1 ve v2 sistemin giriş ve çıkışındaki rüzgâr hızı değerlerini, R havanın gaz sabitini ve T hava sıcaklığını ifade etmektedir.
3.3.2. Güç
Güç değerlerinin saptanmasında iki farklı yöntem kullanılmıştır. Bunlardan biri, rüzgâr pervanesinin bağlı bulunduğu elektrik motorunun (jeneratör) çıkışında elektriksel dirençler kullanılarak elektriksel akım (I) ve gerilim (U) değerlerinden gücün saptanmasıdır (Çebi, 1999). Bu amaçla düşük rüzgâr hızlarını kullanabilecek normal kanatlardan daha geniş bir kanada sahip (vantilatör kanadı formunda) bir rüzgâr türbini rotor modeli imal edilmiştir. Elektriksel güç (PE) olarak da ifade edebileceğimiz bu güç değeri 5 no.lu eşitlikle belirlenmiştir (Ackermann, 2009):
PE=I⋅U ( 5 )
Güç değerlerinin saptanmasında kullanılan diğer yöntem ise, rüzgâr hızı, hava yoğunluğu, rotor devir hızı ve rotorun güç katsayısı gibi argümanlar yardımıyla gücün saptanmasıdır. Bu kapsamda kullanılacak eşitlikler aşağıda verilen eşitliklerdir:
Rüzgârın içinde barındırdığı güç eşitliği (Betz, 1926; Klug, 2001; Zahoransky vd., 2010):
P=0,5⋅ρ⋅A⋅v3
( 6 )
Rüzgâr Türbininden elde edilebilecek güç eşitliği (Betz, 1926; Klug, 2001):
P=0,5⋅ρ⋅A⋅v3⋅CP⋅η ( 7 )
Havanın yoğunluğunu veren eşitlik (Rehman ve Al-Abbadi, 2005; Ültanır, 1987):
ρ= pR⋅T
( 8 )
55
Bu eşitliklerde; P güç (W), ρ yoğunluk (kg/m3), A alan (m2), v rüzgâr hızı (h yüksekliğindeki rüzgâr hızı) (m/s), CP güç katsayısı, η mekanik verim (%), p hava basıncı (Pa), R gaz sabiti (J/K.kg) ve T hava sıcaklığı (K) dır.
Çevresel hız (Johnson, 2001):
V Ç=π . n . r30
( 9 )
Uç hız oranı (Johnson, 2001; Zahoransky vd., 2010;):
λ=V Ç
v ( 10 )
Güç katsayısı (Özdamar ve Kavas, 1999):
CP=C PSchmitz⋅ηprofil¿ηuç
( 11 )
Profil kayıpları (Özdamar ve Kavas, 1999):
ηprofil=1− λε
( 12 )
Kayma sayısı (Özdamar ve Kavas, 1999):
ε=CK
CD ( 13 )
Reynold sayısı (Piggott, 2006):
Re=68500⋅Chord⋅v ( 14 )
Uç kayıpları (Özdamar ve Kavas, 1999):
ηuç=1−1 , 84B . λ
( 15 )
Bu eşitliklerde; Vç rotorun göbeğinden yarıçap uzaklığındaki bir noktanın çevresel hızı (m/s), n rotor devir sayısı (rpm), r rotorun yarıçapı (m), v rüzgârın hızı (m/s), l uç hız oranı, CP güç katsayısı (%), CPSchmitz girdap kayıpları (%), hprofil profil kayıpları (%), huç uç kayıpları (%), e kayma sayısı, CK profilin kaldırma kuvveti katsayısı, CD profilin direnç (sürüklenme) kuvveti katsayısı, Re reynold sayısı, Chord kanat profilinin uç genişliği (m) ve B kanat sayısıdır.
3.3.3. Enerji Üretim Kapasitesi
Enerji, anlık güç ile zamanın çarpımından oluşur (Beer ve Johnston, 1991; Johnson, 2001):
E=P⋅t=P⋅8760 ( 16 )
56
Bu eşitlikte E enerji (kWh), P güç (kW) ve t zaman (saat) olarak ele alınmıştır. Güç değeri (7) no.lu eşitlik kullanılarak hesaplanmıştır. Güç değerinin 10 m, 20 m, 30 m, 40 m ve 50 m yüksekliklerde karşılığının hesaplanmasında rüzgâr hızı değerleri olarak REPA (Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası) verileri (REPA, 2012) ile MGM (Meteoroloji Genel Müdürlüğü) verileri (MGM, 2012) dikkate alınmıştır.
3.3.4. Ekonomik Unsurlar
Ekonomik unsurlar olarak, sistemin bugünkü değeri, sistemin yatırım maliyeti, sistemin işletme ve bakım masrafları, sistemin hurda değeri ve birim enerji üretim maliyetleri belirlenmiştir.
Sistemlerin bugünkü değeri (Vardar ve Çetin, 2007; Habali ve ark., 1987) 17 no.lu eşitlikle bulunmuştur:
PVC=I+Com( 1+ir−i )×[1−( 1+i
1+r )n ]−s ( 1+i
1+r )n
( 17 )
Bu eşitlikte; I, sistemin yatırım maliyeti; n, sistemin kullanım ömrü; Com, sistemin işletme ve bakım masrafları; s, sistemin hurda değeri; r, nominal faiz ve i, enflasyon oranıdır. Birim enerji üretim maliyetinin belirlenmesinde de, Türkiye’nin başta rüzgâr potansiyeli açısından zayıf bölgelerinden bazıları (Bursa, Denizli, Zonguldak, Rize vb.) olmak üzere örnekler seçilmiş ve meteoroloji istasyonlarının rüzgâr hızı kayıtlarına dayanılarak, geliştirilen prototiplerin yıllık olarak üretilebilecekleri enerji potansiyelleri saptanmıştır. Bu verilere ilave olarak aşağıdaki eşitlikler kullanılarak birim enerji maliyeti belirlenmiştir (Vardar ve Çetin, 2007):
PVC y=PVC
n ( 18 )
BM=PVC y
Ey ( 19 )
Bu eşitliklerde; PVCy, sistemin bugünkü değerinin kullanım ömrü boyunca yıllık yükü, n, sistemin ömrü, Ey, sistemin kurulacağı bölgeye bağlı olarak yıllık üretebileceği enerji potansiyeli ve BM sistemin birim maliyetini ifade etmektedir.
3.3.5. İstatistik Değerlendirmeler
Özellikle rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme giriş yaptığı kesitteki rüzgâr hızı, sıcaklık ve basınç değerleri ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı, sıcaklık ve basınç değerleri arasındaki ilişkiler istatistiksel olarak incelenmiştir. İstatistik değerlendirmelerde STATISTICA yazılımı kullanılarak önem testi (t testi) ile regresyon analizleri yapılmış ve regresyon katsayıları belirlenmiştir.
57
4. BULGULAR ve TARTIŞMA
4.1. Ön Denemelere İlişkin Sonuçlar
Bu çalışma kapsamında yapılan teorik hesaplamalarda rüzgâr hızının 1 m/s’den 4 m/s’ye kadar olan artışları göz önünde bulundurulmuştur. Konik borunun giriş çapı da 10 m ve 5 m olarak ele alınmıştır. Çıkış çapı ise 4 m’den başlayarak 0,5 m’ye kadar düşürülerek elde edilebilecek güç varyasyonları ortaya konulmuş ve hava kütlesinin yoğunluğu standart meteorolojik koşullar için 1,225 kg/m3 olarak kabul edilmiştir. Bu kapsamda Çizelge 4-1 ve 4-2’de verilen sonuçlar elde edilmiştir.
Çizelge 4-1. Rüzgâr tünelinin konik borusunun giriş çapı 10 m olan sistem için teorik ön araştırma sonuçları
Çalışma kapsamında tasarlanan ilk rüzgâr türbin sistemi prototipi imal edilerek yapılan ön denemelerde ise teorik hesaplamalarla elde edilen sonuçların geçerliliği sınanmaya çalışılmıştır. Teorik hesaplamalarla elde edilen sonuç ve denemelerle elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak Çizelge 4-3’de verilmiştir. İlk rüzgâr türbin sistemi prototipinde konik borunun giriş çapı 51 cm ve çıkış çapı 36 cm olarak imal edilmiştir.
Çizelge 4-3. Ön denemeler için imal edilen rüzgâr türbin sistemine ait ön deneme sonuçları
Tekerrür
Girişteki Rüzgâr
Hızı (m/s)
Girişteki Sıcaklık
(oC)
Öngörülen SonuçlarÖn denemede elde edilen
sonuçlar
Çıkıştaki Rüzgâr
Hızı (m/s)
Çıkıştaki Sıcaklık
(oC)
Çıkıştaki Rüzgâr
Hızı (m/s)
Çıkıştaki Sıcaklık
(oC)
1 5,11 28,76 10,26 28,76 9,86 28,92
59
2 4,86 29,56 9,75 29,56 10,04 31,19
3 4,86 30,61 9,75 30,61 10,03 30,81
4 5,01 28,97 10,06 28,97 9,08 29,11
Ort. 4,94 29,56 9,92 29,56 9,87 30,24
Ön denemelerden önce yapılan teorik ön araştırma sonuçları oldukça etkileyici veriler ortaya koymaktadır (Çizelge 4-1 ve 4-2). Bu çalışmanın ilk şekillenme sebebi de teorik ön araştırmalarda elde edilen bu oldukça kayda değer sonuçlardır. Ön araştırma sonuçlarını test etmek için imal edilen ilk rüzgâr türbin sistemi ile de bu ön araştırma sonuçları desteklenmiştir. Ön denemelerde rüzgâr türbin sisteminin giriş çapı ile çıkış çapı arasındaki oran oldukça az (36/51=0,7) olmasına karşın rüzgâr hızında yaklaşık iki kat artış saptanmıştır. Özellikle öngörülen rüzgâr hızı değerleri ile ön deneme sonucunda elde edilen rüzgâr hızı sonuçları oldukça yakın olarak saptanmıştır (Çizelge 4-3). Yapılan proje önerisi de bu sonuçlar ışığında gerçekleştirilmiştir.
4.2. Tasarımlara İlişkin Statik ve Dinamik Analizler
Tasarımlara ilişkin statik ve dinamik analizler bilgisayar ortamında yapılmıştır. Tasarımların rüzgâr ve kendi ağırlığı dışında bir yüke maruz kalmayacağı bilinmesine rağmen analizlerde 200 N gibi yüksek bir kuvvet uygulanmıştır. Burada tasarlanan sistemlerin yüksek basınçlara dayanıp dayanamayacağının analiz edilmesi amaçlanmıştır. Her üç rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim analizlerinin sonuçları Şekil 4-1, 4-3 ve 4-5’de görülmektedir. Statik zorlanma analizlerine ilişkin sonuçlar ise Şekil 4-2, 4-4 ve 4-6’da verilmiştir.
60
Şekil 4-1. Konik rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim
Şekil 4-2. Konik rüzgâr türbin sistemine ait statik zorlanma
61
Şekil 4-3. Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim
62
Şekil 4-4. Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait statik zorlanma
Şekil 4-5. Panelli rüzgâr türbin sistemine ait birleşim noktalarındaki statik gerilim
Şekil 4-6. Panelli rüzgâr türbin sistemine ait statik zorlanma
63
Analiz sonuçlarına bakılarak kritik kesit ve alanların olmadığı saptanmıştır. Dolaysıyla oluşturulan sistemlerde tasarımsal açıdan karşılaşılabilecek herhangi bir olumsuzluk tespit edilememiştir. Her üç rüzgâr türbin sistemi de statik sistemlerdir. Yapılan dinamik analizlerde de sistemin statik dengesinin korunduğu görülmüştür. Sonuç olarak, gerek statik ve gerekse dinamik yüklerin tasarlanan sistemlerde negatif bir etkisinin olmadığı saptanmıştır.
4.3. Rüzgâr Hızı
Rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme girdiği giriş kesiti ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı değerleri arasındaki ilişkiler laboratuvar şartlarında yapılan denemeler ve arazi koşullarında yapılan denmeler sonucunda aşağıda verilen Şekil 4-7, 4-8, 4-9, 4-10, 4-11 ve 4-12’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-7 ile 4-8 Konik rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını, Şekil 4-9 ile 4-10 Panelli rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını ve Şekil 4-11 ile 4-12 Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını göstermektedir.
Konik rüzgâr türbin sistemine ait laboratuvar ve arazi koşullarında yapılan deneme sonuçları incelendiğinde, sisteme giren rüzgârın hızı ile sistem merkezindeki rüzgârın hızı arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu görülmektedir. Söz konusu doğrusal ilişkinin r2 değeri laboratuvar koşulları için 0,975 ve arazi koşulları için 0,9119 olup istatistiksel olarak oldukça yüksek bir ilişkiyi ifade etmektedir. Şekil 4-7 ve 4-8’de bu ilişkilere ait regresyon denklemleri verilmiştir.
Şekil 4-7. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi (Laboratuvar koşullarında)
64
Şekil 4-8. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi (Arazi koşullarında)
Panelli rüzgâr türbin sistemine ait laboratuvar ve arazi koşullarında yapılan deneme sonuçları incelendiğinde, sisteme giren rüzgârın hızı ile sistem merkezindeki rüzgârın hızı arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu görülmektedir. Söz konusu doğrusal ilişkinin r2 değeri laboratuvar koşulları için 0,9778 ve arazi koşulları için 0,905 olup istatistiksel olarak oldukça yüksek bir ilişkiyi ifade etmektedir. Şekil 4-9 ve 4-10’da bu ilişkilere ait regresyon denklemleri verilmiştir.
Şekil 4-9. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi (Laboratuvar koşullarında)
65
Şekil 4-10. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi (Arazi koşullarında)
Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait laboratuvar ve arazi koşullarında yapılan deneme sonuçları incelendiğinde, sisteme giren rüzgârın hızı ile sistem merkezindeki rüzgârın hızı arasında doğrusal bir ilişkinin olduğu görülmektedir. Söz konusu doğrusal ilişkinin r2 değeri laboratuvar koşulları için 0,9519 ve arazi koşulları için 0,9218 olup istatistiksel olarak oldukça yüksek bir ilişkiyi ifade etmektedir. Şekil 4-11 ve 4-12’de bu ilişkilere ait regresyon denklemleri verilmiştir.
Şekil 4-11. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi (Laboratuvar koşullarında)
66
Şekil 4-12. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi (Arazi koşullarında)
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi incelendiğinde giriş rüzgâr hızı değerlerinin 0,99 m/s ile 6,78 m/s arasında ve merkez rüzgâr hızı değerlerinin 2,26 m/s ile 10,54 m/s arasında olduğu görülmektedir (Şekil 4-7). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 0,96 m/s ile 6,30 m/s ve merkezde 1,90 m/s ile 9,85 m/s arasında saptanmıştır (Şekil 4-9). Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisinde giriş rüzgâr hızı değerleri 0,71 m/s ile 5,57 m/s arasında ve merkez rüzgâr hızı değerleri ise 1,80 m/s ile 9,43 m/s arasında saptanmıştır (Şekil 4-11).
Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi incelendiğinde giriş rüzgâr hızı değerlerinin 0,13 m/s ile 4,46 m/s arasında ve merkez rüzgâr hızı değerlerinin 0,20 m/s ile 8,63 m/s arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-8). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 0,15 m/s ile 3,06 m/s ve merkezde 0,25 m/s ile 6,99 m/s arasında saptanmıştır (Şekil 4-10). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisinde giriş rüzgâr hızı değerleri 0,17 m/s ile 7,85 m/s arasında ve merkez rüzgâr hızı değerleri ise 0,34 m/s ile 13,74 m/s arasında saptanmıştır (Şekil 4-12).
Rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın sisteme girdiği giriş kesitindeki rüzgâr hızı ile regrasyon denklemleri yardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi de Şekil 4-13, 4-14 ve 4-15’de verilmiştir. Şekillerde laboratuvar koşulları için elde edilen sonuçlar ile arazi koşulları için elde edilen sonuçlar aynı grafikte verilerek karşılaştırma olanağı sağlanmıştır.
67
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
Laboratuvar koşullarındaArazi koşullarında
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Mer
kez R
üzgâ
r Hızı
(m/s
)
Şekil 4-13. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile regresyon denklemleri yardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
Laboratuvar koşullarındaArazi koşullarında
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Mer
kez R
üzgâ
r Hızı
(m/s
)
Şekil 4-14. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile regresyon denklemleri yardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi
68
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
Laboratuvar koşullarındaArazi koşullarında
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Mer
kez R
üzgâ
r Hızı
(m/s
)
Şekil 4-15. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı ile regresyon denklemleri yardımıyla hesaplanan sistem merkezindeki rüzgâr hızı ilişkisi
Şekil 4-13, 4-14 ve 4-15’de arazi koşullarında elde edilen rüzgâr hızı sonuçlarının laboratuvar koşullarında elde edilen sonuçlardan daha iyi olduğu görülmektedir. Bunun sebebi rüzgâr hızının hamle (anlık rüzgâr hızı değişimleri) adı verilen hareketleri nedeniyle ve rüzgâr esme yönündeki dalgalanmalar nedeniyle ölçüm sistemlerinde meydana gelen hata payları olabileceği değerlendirilmektedir. Zira laboratuvar koşullarında rüzgâr hızının hamle hareketleri ve rüzgâr esme yönündeki dalgalanmalar kontrol edilebildiğinden ölçüm sistemlerinin hata payları da minimize edilebilmektedir. Bu nedenle hesaplamalarda laboratuvar koşullarında elde edilen sonuçlar rüzgâr türbin sistemlerinin üretebileceği minimum değerler olarak kabul edilmiştir.
4.4. Hava Basıncı
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesiti ile sistem merkezindeki hava basıncı değerleri arasındaki ilişkiler laboratuvar şartlarında yapılan denemeler ve arazi koşullarında yapılan denmeler sonucunda aşağıda verilen Şekil 4-16, 4-17, 4-18, 4-19, 4-20 ve 4-21’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-16 ile 4-17 Konik rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını, Şekil 4-18 ile 4-19 Panelli rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını ve Şekil 4-20 ile 4-21 Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını göstermektedir.
69
Şekil 4-16. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı değeri arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-17. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı değeri arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
70
Şekil 4-18. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı değeri arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-19. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı değeri arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
71
Şekil 4-20. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı değeri arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-21. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı değeri arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş kesitindeki hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı ilişkisi incelendiğinde giriş hava basıncı değerlerinin 1001,41 hPa ile 1005,87 hPa arasında ve merkez hava basıncı değerlerinin 1001,54 hPa ile 1006,32 hPa arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-16). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 984 hPa ile 998 hPa ve merkezde 984 hPa ile 998 hPa arasında saptanmıştır (Şekil 4-18). Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı ilişkisinde hem giriş hava basıncı değerleri hem de merkez hava basıncı değerleri 1007 hPa ile 1020 hPa arasında saptanmıştır (Şekil 4-20).
72
Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş kesitindeki hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı ilişkisi incelendiğinde giriş hava basıncı değerlerinin 986,17 hPa ile 1006,16 hPa arasında ve merkez hava basıncı değerlerinin 985,92 hPa ile 1006,08 hPa arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-17). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 986,54 hPa ile 1015,42 hPa ve merkezde 986,48 hPa ile 1015,63 hPa arasında saptanmıştır (Şekil 4-19). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava basıncı ile sistem merkezindeki hava basıncı ilişkisinde giriş hava basıncı değerleri 988,96 hPa ile 1012,07 hPa arasında ve merkez hava basıncı değerleri 988,98 hPa ile 1012,28 hPa arasında saptanmıştır (Şekil 4-21).
4.5. Hava Sıcaklığı
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesiti ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı değerleri arasındaki ilişkiler laboratuvar şartlarında yapılan denemeler ve arazi koşullarında yapılan denmeler sonucunda aşağıda verilen Şekil 4-22, 4-23, 4-24, 4-25, 4-26 ve 4-27’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-22 ile 4-23 Konik rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını, Şekil 4-24 ile 4-25 Panelli Rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını ve Şekil 4-26 ile 4-27 Panelsiz Rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını göstermektedir.
Şekil 4-22. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
73
Şekil 4-23. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
Şekil 4-24. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
74
Şekil 4-25. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
Şekil 4-26. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
75
Şekil 4-27. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş kesitindeki hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı ilişkisi incelendiğinde giriş hava sıcaklığı değerlerinin 3,89 oC ile 7,15 oC arasında ve merkez hava sıcaklığı değerlerinin 3,98 oC ile 7,16 oC arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-22). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 8,15 oC ile 13,56 oC ve merkezde 8,19 oC ile 13,59 oC arasında saptanmıştır (Şekil 4-24). Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı ilişkisinde giriş hava sıcaklığı değerleri 7,18 oC ile 9,13 oC arasında ve merkez hava sıcaklığı değerleri 7,21 oC ile 9,15 oC arasında saptanmıştır (Şekil 4-26).
Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş kesitindeki hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı ilişkisi incelendiğinde giriş hava sıcaklığı değerlerinin 2,69 oC ile 24,87 oC arasında ve merkez hava sıcaklığı değerlerinin 2,72 oC ile 25,35 oC arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-23). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 0,48 oC ile 36,04 oC ve merkezde 0,51 oC ile 31,36 oC arasında saptanmıştır (Şekil 4-25). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava sıcaklığı ile sistem merkezindeki hava sıcaklığı ilişkisinde giriş hava sıcaklığı değerleri 3,03 oC ile 33,82 oC arasında ve merkez hava sıcaklığı değerleri 2,68 oC ile 33,67 oC arasında saptanmıştır (Şekil 4-27).
4.6. Havanın Yoğunluğu
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesiti ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu değerleri arasındaki ilişkiler laboratuvar şartlarında yapılan denemeler ve arazi koşullarında yapılan denmeler sonucunda aşağıda verilen Şekil 4-28, 4-29, 4-30, 4-31, 4-32 ve 4-33’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-28 ile 4-29 Konik rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını, Şekil 4-30 ile 4-31 Panelli rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını ve Şekil 4-32 ile 4-33 Panelsiz rüzgâr türbin sistemine ait deneme sonuçlarını göstermektedir.
76
Şekil 4-28. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-29. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
77
Şekil 4-30. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-31. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
78
Şekil 4-32. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-33. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu arasındaki ilişki (Arazi koşullarında)
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş kesitindeki hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu ilişkisi incelendiğinde giriş hava yoğunluğu değerlerinin 1,247 kg/m3 ile 1,266 kg/m3 arasında ve merkez hava yoğunluğu değerlerinin 1,248 kg/m3 ile 1,267 kg/m3 arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-28). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte ve merkezde 1,210 kg/m3 ile 1,224 kg/m3 arasında saptanmıştır (Şekil 4-30). Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu ilişkisinde giriş hava yoğunluğu değerleri girişte ve merkezde 1,244 kg/m3 ile 1,255 kg/m3 arasında saptanmıştır (Şekil 4-32).
Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; konik rüzgâr türbin sisteminde giriş kesitindeki hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu ilişkisi incelendiğinde
79
giriş hava yoğunluğu değerlerinin 1,154 kg/m3 ile 1,266 kg/m3 arasında ve merkez hava yoğunluğu değerlerinin 1,152 kg/m3 ile 1,266 kg/m3 arasında saptandığı görülmektedir (Şekil 4-29). Aynı değerler panelli rüzgâr türbin sistemi için girişte 1,115 kg/m3 ile 1,277 kg/m3 ve merkezde 1,125 kg/m3 ile 1,277 kg/m3 arasında saptanmıştır (Şekil 4-31). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş hava yoğunluğu ile sistem merkezindeki hava yoğunluğu ilişkisinde giriş hava yoğunluğu değerleri 1,125 kg/m3
ile 1,277 kg/m3 arasında ve merkez hava yoğunluğu değerleri 1,126 kg/m3 ile 1,278 kg/m3
arasında saptanmıştır (Şekil 4-33).
4.7. Verimlilik
Rüzgâr hızının rüzgâr türbin sistemlerinin giriş kesitine göre sistem merkezlerindeki artış oranı laboratuvar şartlarında yapılan denemeler ve arazi koşullarında yapılan denmeler sonucunda aşağıda verilen Şekil 4-34 ve 4-35’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-34’de laboratuvar şartlarında yapılan deneme sonuçlarına göre, Şekil 4-35’de ise arazi şartlarında yapılan deneme sonuçlarına göre rüzgâr hızı artış miktarı sonuçları görülmektedir.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Konik ηv
Panelsiz ηv
Panelli ηv
Giriş Rüzgâr Hızı (v1)
Sist
em M
erke
zinde
ki R
üzgâ
r Hızı
Artı
şı (%
)
Şekil 4-34. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızının sistem merkezindeki artış oranı (Laboratuvar koşullarında)
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre (Şekil 4-34), giriş rüzgâr hızının 0 ile 2 m/s aralığında ulaştığı maksimum rüzgâr hızı artışı konik rüzgâr türbin sisteminde %169 oranı ile en yüksek değere ulaşmış ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise aynı rüzgâr hızı aralığında %126 artış oranı ile en düşük değerde kalmıştır. Giriş rüzgâr hızının 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde sistem merkezindeki rüzgâr hızı artış oranı panelli rüzgâr türbin
80
sisteminde en düşük ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek oranda gerçekleşmiştir. Giriş rüzgâr hızının 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde sistem merkezindeki rüzgâr hızı artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde ortalama %62, konik rüzgâr türbin sisteminde ortalama %75 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ortalama %86’dır.
Şekil 4-35. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızının sistem merkezindeki artış oranı (Arazi koşullarında)
Arazi şartlarında yapılan deneme sonuçlarına göre (Şekil 4-35), giriş rüzgâr hızının 0 ile 0,5 m/s aralığında ulaştığı maksimum rüzgâr hızı artışı panelsiz rüzgâr türbin sisteminde en yüksek (%101) ve konik rüzgâr türbin sisteminde ise en düşük (%84) değerde saptanmıştır. Giriş rüzgâr hızının özellikle 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde ise sistem merkezindeki rüzgâr hızı artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük ve konik rüzgâr türbin sisteminde en yüksek oranda gerçekleşmiştir. Giriş rüzgâr hızının 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde sistem merkezindeki rüzgâr hızı artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde ortalama %74, panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ortalama %103 ve konik rüzgâr türbin sisteminde ortalama %130 olarak belirlenmiştir.
Rüzgâr gücünün rüzgâr türbin sistemlerinin giriş kesitine göre sistem merkezlerindeki artış oranı da laboratuvar şartlarında yapılan denemeler ve arazi koşullarında yapılan denmeler sonucunda aşağıda verilen Şekil 4-36 ve 4-37’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-36’da laboratuvar şartlarında yapılan deneme sonuçlarına göre ve Şekil 4-37’de ise arazi şartlarında yapılan deneme sonuçlarına göre rüzgâr gücü artış miktarı sonuçları görülmektedir.
81
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Konik
Panelsiz
Panelli
Giriş Rüzgâr Hızı (v1)
Sist
em M
erke
zinde
ki R
üzgâ
r Güç
Artı
şı (%
)
Şekil 4-36. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızına bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr gücü artış oranı (Laboratuvar koşullarında)
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre (Şekil 4-36), giriş rüzgâr hızının 0 ile 2 m/s aralığında ulaştığı maksimum rüzgâr gücü artışı konik rüzgâr türbin sisteminde %1843 oranı ile en yüksek değere ulaşmış ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise aynı rüzgâr hızı aralığında %1061 artış oranı ile en düşük değerde kalmıştır. Giriş rüzgâr hızının 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde sistem merkezindeki rüzgâr gücü artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek oranda gerçekleşmiştir. Giriş rüzgâr hızının 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde sistem merkezindeki rüzgâr gücü artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde ortalama %331, konik rüzgâr türbin sisteminde ortalama %434 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ortalama %546’dır.
Şekil 4-37. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızına bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr gücü artış oranı (Arazi koşullarında)
Arazi şartlarında yapılan deneme sonuçlarına göre (Şekil 4-37), giriş rüzgâr hızının 0 ile 0,5 m/s aralığında ulaştığı maksimum rüzgâr gücü artışı panelsiz rüzgâr türbin sisteminde en yüksek (%715) ve konik rüzgâr türbin sisteminde ise en düşük (%534) değerde saptanmıştır. Giriş rüzgâr hızının özellikle 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde ise sistem merkezindeki rüzgâr gücü artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük ve konik rüzgâr türbin sisteminde en yüksek oranda gerçekleşmiştir. Giriş rüzgâr hızının 2 m/s’nin üzerinde olduğu değerlerde sistem merkezindeki rüzgâr gücü artış oranı panelli rüzgâr türbin sisteminde ortalama %427, panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ortalama %735 ve konik rüzgâr türbin sisteminde ortalama %1129 olarak belirlenmiştir.
Laboratuvar koşullarında yapılan denemeler ile arazi koşullarında yapılan denemeler verimlilik açısından karşılaştırıldığında, laboratuvar koşullarında panelsiz rüzgâr türbin sistemi daha iyi sonuç verirken arazi koşullarında konik rüzgâr türbin sisteminin daha iyi sonuç verdiği görülmektedir. Burada elde edilen sonuçlara göre laboratuvar koşullarında panelsiz rüzgâr türbin sisteminin ön plana çıkmasının rüzgârın belirli bir yönden esmesi ile ilişkili olduğu değerlendirilmektedir. Rüzgârın aynı yönden esmesi rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın yönlendirilmesine ihtiyaç bırakmamaktadır. Yapılan denemeler, bu koşullarda panelsiz rüzgâr türbin sisteminin daha iyi sonuç verdiğini göstermektedir. Diğer taraftan arazi şartlarında konik rüzgâr türbin sisteminin ön plana çıkması, rüzgârın farklı yönlerden esme özelliğinin avantaja çevrilebilmesinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Zira farklı yönlerden esen rüzgâr, konik sistemin dairesel özelliği nedeniyle yumuşak bir yönlendirme ile merkeze sevk edilebilmektedir. Panelli rüzgâr türbin sisteminde ise
83
dikdörtgen kesit rüzgârın yönlendirilmesinde daha sert bir geçiş sağlamaktadır. Panelsiz rüzgâr türbin sistemde ise farklı yönlerden esen rüzgârın yönlendirilmesi konik rüzgâr türbin sistemine göre daha dezavantajlıdır. Buna karşılık panelli rüzgâr türbin sisteminde olduğu gibi keskin köşeler söz konusu değildir.
4.8. Rotor Sisteminin Elektriksel Güç Değerleri
Rüzgâr türbin sistemlerinde kullanılan rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerlerine ilişkin sonuçlar Şekil 4-38’de görüldüğü gibi saptanmıştır. Giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki ise her rüzgâr türbin sistemi için ayrı ayrı olmak üzere Şekil 4-39, 4-40 ve 4-41’de görüldüğü gibi saptanmıştır.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200f(x) = 6.58585967741935 x − 12.4787064516129R² = 0.999632035216986
Chart Title
Merkez Rüzgâr Hızı (v2)
DC M
otor
Güc
ü (W
)
Şekil 4-38. Rüzgâr türbin sistemlerinde kullanılan rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerlerine ilişkin sonuçlar
Rüzgâr türbin sistemlerinde kullanılan rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerlerine ilişkin sonuçlar (Şekil 4-38) incelendiğinde merkez rüzgâr hızının 0,5 m/s değerinden sonra DC motor gücünün doğrusal olarak artış gösterdiği görülmektedir. 15 m/s rüzgâr hızı değerinde DC motor gücü 192 W değerine ulaşmaktadır. Merkez rüzgâr hızı ile DC motor gücü arasındaki ilişkiye ait regresyon denklemi şekilde verilmiş olup r2
Şekil 4-39. Konik rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Chart Title
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
DC M
otor
Güc
ü (W
)
Şekil 4-40. Panelli rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki
Şekil 4-41. Panelsiz rüzgâr türbin sisteminde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişki
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerleri ile rotor sistemine ait deneysel amaçlı elektrik motorunun elektriksel güç değerleri arasındaki ilişkiler incelendiğinde, 192 W DC motor gücüne konik rüzgâr türbin sisteminde 8,8 m/s giriş rüzgâr hızında (Şekil 4-39), panelli rüzgâr türbin sisteminde 9,5 m/s giriş rüzgâr hızında (Şekil 4-40) ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise 8,1 m/s giriş rüzgâr hızında (Şekil 4-41) ulaşılabildiği görülmektedir.
4.9. Güç Değerleri
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem girişindeki rüzgâr gücü değişimleri laboratuvar ve arazi koşulları için saptanmış ve sonuçlar Şekil 4-42 ve 4-43’de verilmiştir.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
102030405060708090
100
Konik Rüzgar SistemiPanelsiz Rüzgar SistemiPanelli Rüzgar Sistemi
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Giri
ş Rüz
gâr G
ücü
(W)
Şekil 4-42. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem girişindeki rüzgâr gücü değişimleri (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-43. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem girişindeki rüzgâr gücü değişimleri (Arazi koşullarında)
Gerek laboratuvar koşullarında gerekse arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesitindeki rüzgâr hızı ile giriş kesitindeki rüzgâr gücü ilişkisi incelendiğinde rüzgâr hızı arttıkça rüzgâr türbin sistemlerinin rüzgâr gücünün de arttığı görülmektedir. Rüzgâr hızı artışına göre rüzgâr gücü artışı her iki koşulda da konik rüzgâr türbin sisteminde en düşük seviyede panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek seviyede saptanmıştır. Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde konik rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 49 W, panelli rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 56 W ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri ise 98 W olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-42). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre ise; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde konik rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 55 W, panelli rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 67 W ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri ise 109 W olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-43).
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr gücü değişimleri ise yine laboratuvar ve arazi koşullarına bağlı olarak Şekil 4-44 ve 4-45’de verilmiştir.
87
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
100
200
300
400
500
600
700
800
Konik Rüzgar Sistemi
Panelsiz Rüzgar Sistemi
Panelli Rüzgar Sistemi
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Mer
kez R
üzgâ
r Güc
ü (W
)
Şekil 4-44. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr gücü değişimleri (Laboratuvar koşullarında)
Şekil 4-45. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr gücü değişimleri (Arazi koşullarında)
Gerek laboratuvar koşullarında gerekse arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesitindeki rüzgâr hızı ile giriş kesitindeki rüzgâr gücü ilişkisi incelendiğinde rüzgâr hızı arttıkça rüzgâr türbin sistemlerinin rüzgâr gücünün de arttığı görülmektedir. Rüzgâr hızı artışına göre rüzgâr gücü artışı her iki koşulda da panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük seviyede panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek seviyede saptanmıştır. Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 252 W, konik rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 275 W ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri ise 706 W olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-44). Arazi koşullarında yapılan deneme
88
sonuçlarına göre ise; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 344 W, konik rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri 702 W ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin rüzgâr gücü değeri ise 911 W olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-45).
Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem girişindeki ve sistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimlerine ilişkin sonuçlar Şekil 4-46, 4-47, 4-48 ve 4-49’da görüldüğü gibi saptanmıştır. Şekil 4-46 ile 4-47 sistem girişindeki birim rüzgâr gücü değişimlerine ait sonuçları, Şekil 4-48 ile 4-49 ise sistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimlerine ilişkin sonuçlarını göstermektedir.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Konik Rüzgar SistemiPanelsiz Rüzgar Sistemi
Panelli Rüzgar Sistemi
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Giriş
e Gö
re G
üç (w
/m2)
Şekil 4-46. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem girişindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Laboratuvar koşullarında)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
500
1000
1500
2000
2500
Konik Rüzgar Sistemi
Panelsiz Rüzgar Sistemi
Panelli Rüzgar Sistemi
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Giriş
e Gö
re B
irim
Güç
(W/m
2)
Şekil 4-47. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem girişindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Arazi koşullarında)
89
Gerek laboratuvar koşullarında gerekse arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesitindeki rüzgâr hızı ile giriş kesitindeki birim alana düşen rüzgâr gücü ilişkisi incelendiğinde rüzgâr hızı arttıkça rüzgâr türbin sistemlerinin birim alana düşen giriş rüzgâr gücü değerinin de arttığı görülmektedir. Rüzgâr hızı artışına göre birim alana düşen rüzgâr gücü artışı her iki koşulda da panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük seviyede panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek seviyede saptanmıştır. Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen girişteki rüzgâr gücü değeri 444 W/m2, konik rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen girişteki rüzgâr gücü değeri 555 W/m2 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen giritşteki rüzgâr gücü değeri ise 1709 W/m2 olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-46). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre ise; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen girişteki rüzgâr gücü değeri 605 W/m2, konik rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen girişteki rüzgâr gücü değeri 1415 W/m2 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen girişteki rüzgâr gücü değeri ise 2207 W/m2 olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-47).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Konik Rüzgar Sistemi
Panelsiz Rüzgar Sistemi
Panelli Rüzgar Sistemi
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Mer
keze
Gör
e Gü
ç (W
/m2)
Şekil 4-48. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Laboratuvar koşullarında)
90
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Konik Rüzgar Sistemi
Panelsiz Rüzgar Sistemi
Panelli Rüzgar Sistemi
Giriş Rüzgâr Hızı (m/s)
Mer
keze
Gör
e Bi
rim G
üç (W
/m2)
Şekil 4-49. Rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimi (Arazi koşullarında)
Gerek laboratuvar koşullarında gerekse arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; rüzgâr türbin sistemlerinde giriş kesitindeki rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki birim alana düşen rüzgâr gücü ilişkisi incelendiğinde rüzgâr hızı arttıkça rüzgâr türbin sistemlerinin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değerinin de arttığı görülmektedir. Rüzgâr hızı artışına göre birim alana düşen rüzgâr gücü artışı laboratuvar koşullarında panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük seviyede panelsiz rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek seviyede saptanmıştır. Buna karşılık arazi koşullarında ise aynı ilişki panelli rüzgâr türbin sisteminde en düşük seviyede konik rüzgâr türbin sisteminde ise en yüksek seviyede saptanmıştır. Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 2354 W/m2, konik rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 3025 W/m2 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri ise 3877 W/m2 olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-48). Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre ise; giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 3212 W/m2, panelsiz rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 5008 W/m2 ve konik rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri ise 7712 W/m2 olarak tespit edilmiştir (Şekil 4-47).
Günümüzde yaygın olarak kullanılan 800-7580 kW’lık rüzgâr türbinlerinde birim rotor alanına düşen rüzgâr gücü değeri 200 ile 600 W/m2 arasındadır (Nordex,2012; Enercon, 2012). Türkiye Rüzgâr Enerjisi Atlasına göre ülkemizin en iyi rüzgâr alan yörelerinde 50 m yükseklikte rüzgâr güç yoğunluğu değerleri açık arazilerde 300-500 W/m2, kıyılarda 400-700 W/m2 ve açık denizlerde ise 600-800 W/m2’dir. Bu veriler göz önüne alındığında proje kapsamında geliştirilen yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin oldukça iyi sonuçlar verdiği görülmektedir.
91
Laboratuvar koşullarında yapılan denemeler ile arazi koşullarında yapılan denemeler rüzgâr türbin sistemlerinde giriş rüzgâr hızı değerlerine bağlı olarak sistem merkezindeki birim rüzgâr gücü değişimi açısından karşılaştırıldığında (Şekil 4-47 ve 4-48), laboratuvar koşullarında panelsiz rüzgâr türbin sistemi daha iyi sonuç verirken arazi koşullarında konik rüzgâr türbin sisteminin daha iyi sonuç verdiği görülmektedir. Burada elde edilen sonuçlara göre laboratuvar koşullarında panelsiz rüzgâr türbin sisteminin ön plana çıkmasının rüzgârın belirli bir yönden esmesi ile ilişkili olduğu değerlendirilmektedir. Rüzgârın aynı yönden esmesi rüzgâr türbin sistemlerinde rüzgârın yönlendirilmesine ihtiyaç bırakmamaktadır. Yapılan denemeler, bu koşullarda panelsiz rüzgâr türbin sisteminin daha iyi sonuç verdiğini göstermektedir. Diğer taraftan arazi şartlarında konik rüzgâr türbin sisteminin ön plana çıkması, rüzgârın farklı yönlerden esme özelliğinin avantaja çevrilebilmesinden kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Zira farklı yönlerden esen rüzgâr, konik rüzgâr türbin sisteminin dairesel özelliği nedeniyle yumuşak bir yönlendirme ile merkeze sevk edilebilmektedir. Panelli rüzgâr türbin sisteminde ise dikdörtgen kesit rüzgârın yönlendirilmesinde daha sert bir geçiş sağlamaktadır. Panelsiz rüzgâr türbin sistemde ise farklı yönlerden esen rüzgârın yönlendirilmesi konik rüzgâr türbin sistemine göre daha dezavantajlıdır. Buna karşılık panelli rüzgâr türbin sisteminde olduğu gibi keskin köşeler söz konusu değildir.
4.10. Enerji Üretim Kapasitesi
Rüzgâr türbin sistemlerinden yıllık olarak 1 m2 rotor kesit alanı başına üretilebilecek enerji miktarı laboratuvar ve arazi koşullarında ayrı ayrı olmak üzere yerden yükseklik ve yöreler bazında incelenmiş ve sonuçları aşağıda çizelgeler halinde verilmiştir. Çizelge 4-4, 4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 4-10, 4-11, 4-12, 4-13, 4-14, 4-15, 4-16, 4-17 ve 4-18 laboratuvar koşulları için araştırma sonuçlarını ve Çizelge 4-19, 4-20, 4-21, 4-22, 4-23, 4-24, 4-25, 4-26, 4-27, 4-28, 4-29, 4-30, 4-31, 4-32 ve 4-33 arazi koşulları için araştırma sonuçlarını göstermektedir.
Çizelge 4-4. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-5. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Giresun 3,1 27 Yalova 7,8 68Gökçeada 73,5 644 Yatağan 7,3 64Gönen 17,0 149 Yenişehir (Bursa) 10,5 92Göztepe (İst.) 19,0 166 Zile 0,4 3Gümüşhane 8,4 73 Zonguldak 15,9 140
Çizelge 4-6. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-7. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-8. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-9. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Yöre Güç (W/m2)
Enerji (kWh/yıl.m2) Yöre Güç
(W/m2)Enerji
(kWh/yıl.m2)Acıpayam 14,8 130 Güney (Denizli) 142,2 1245
Çizelge 4-10. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-11. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-12. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-13. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-14. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-15. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-16. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-17. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Çizelge 4-18. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Laboratuvar koşulları)
Marmara, Ege ve Karadeniz Bölgesinde bulunan yörelere ait birim alandan elde edilebilecek enerji değerleri incelendiğinde (Çizelge 4-4, 4-5, 4-6, 4-7, 4-8, 4-9, 4-10, 4-11, 4-12, 4-13, 4-14, 4-15, 4-16, 4-17 ve 4-18) laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına dayanılarak 10 m yükseklikte konik rüzgâr türbin sistemi ile 4 kWh/m2.yıl ile 2355 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile 3 kWh/m2.yıl ile 1897 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile 2 kWh/m2.yıl ile 2917 kWh/m2.yıl arasında enerji elde edilebileceği söylenebilir. 20 m yükseklikte ise konik rüzgâr türbin sistemi ile 32 kWh/m2.yıl ile 3135 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile 26 kWh/m2.yıl ile 2523 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile 28 kWh/m2.yıl ile 3916 kWh/m2.yıl arasında enerji elde edilebilir. Bu değerler 30 m yükseklik için konik rüzgâr türbin sistemide 88 kWh/m2.yıl ile 4070 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde 72 kWh/m2.yıl ile 3273 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde 89 kWh/m2.yıl ile 5121 kWh/m2.yıl arasındadır. 40 m yükseklik için üretilebilecek enerji değerleri konik rüzgâr türbin sistemide 188 kWh/m2.yıl ile 5174 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde 153 kWh/m2.yıl ile 4160 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde 747,9 kWh/m2.yıl ile 6552 kWh/m2.yıl’dır. 50 m yükseklik için ise üretilebilecek enerji değerleri konik rüzgâr türbin sistemide 345 kWh/m2.yıl ile 6462 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde 280 kWh/m2.yıl ile 5193 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde 391 kWh/m2.yıl ile 8226 kWh/m2.yıl’dır.
111
Çizelge 4-19. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-20. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-21. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 10 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-22. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Göztepe (İst.) 122,1 1069 Zile 12,6 111Gümüşhane 65,8 576 Zonguldak 75,8 664
Çizelge 4-23. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-24. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 20 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-25. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-26. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-27. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 30 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-28. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-29. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-30. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 40 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-31. Konik rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-32. Panelli rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Çizelge 4-33. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile bazı yörelerde 50 m yükseklikte birim alandan elde edilebilecek güç ve enerji değerleri (Arazi koşulları)
Marmara, Ege ve Karadeniz Bölgesinde bulunan yörelere ait birim alandan elde edilebilecek enerji değerleri incelendiğinde (Çizelge 4-19, 4-20, 4-21, 4-22, 4-23, 4-24, 4-25, 4-26, 4-27, 4-28, 4-29, 4-30, 4-31, 4-32 ve 4-33) arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına
130
dayanılarak 10 m yükseklik için konik rüzgâr türbin sistemi ile 1 kWh/m2.yıl ile 5660 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile 1 kWh/m2.yıl ile 2377 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile 1 kWh/m2.yıl ile 3834 kWh/m2.yıl arasında enerji elde edilebileceği söylenebilir. 20 m yükseklikte ise konik rüzgâr türbin sistemi ile 34 kWh/m2.yıl ile 7684 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile 21 kWh/m2.yıl ile 3201 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile 29 kWh/m2.yıl ile 5179 kWh/m2.yıl arasında enerji elde edilebilir. Bu değerler 30 m yükseklik için konik rüzgâr türbin sistemide 132 kWh/m2.yıl ile 10141 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde 68 kWh/m2.yıl ile 4196 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde 101 kWh/m2.yıl ile 6807 kWh/m2.yıl arasındadır. 40 m yükseklik için üretilebilecek enerji değerleri konik rüzgâr türbin sistemide 333 kWh/m2.yıl ile 13072 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde 160 kWh/m2.yıl ile 5378 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde 359 kWh/m2.yıl ile 12809 kWh/m2.yıl’dır. 50 m yükseklik için ise üretilebilecek enerji değerleri konik rüzgâr türbin sistemide 676 kWh/m2.yıl ile 16520 kWh/m2.yıl arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde 310 kWh/m2.yıl ile 6764 kWh/m2.yıl arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde 483 kWh/m2.yıl ile 11018 kWh/m2.yıl’dır.
4.11. Ekonomik Değerlendirmeler
Rüzgâr türbin sistemlerinden üretilebilecek enerjinin birim maliyeti laboratuvar ve arazi koşullarında ayrı ayrı olmak üzere sistemlerin üretilebileceği malzeme, yerden yükseklik ve yöreler bazında incelenmiş ve sonuçları aşağıda çizelgeler halinde verilmiştir. Çizelge 4-34, 4-36, 4-38, 4-40 ve 4-42 laboratuvar koşulları için araştırma sonuçlarını ve Çizelge 4-35, 4-37, 4-39, 4-41 ve 4-43 arazi koşulları için araştırma sonuçlarını göstermektedir.
Çizelge 4-34. Rüzgâr türbin sistemleri ile bazı yörelerde ve 10 m yükseklikte üretebilecek enerjinin birim maliyeti (Laboratuvar koşulları)
Yöre
Üretilen Enerjinin Birim Maliyeti (TL/kWh)Konik
rüzgâr türbin sistemiPanelli
rüzgâr türbin sistemiPanelsiz
rüzgâr türbin sistemiSt 37 Cr-Ni St 37 Cr-Ni St 37 Cr-Ni
Marmara, Ege ve Karadeniz Bölgesinde bulunan yörelerde üç farklı rüzgâr türbin sistemi ile üretilebilecek enerjinin birim maliyetleri incelendiğinde (Çizelge 4-34, 4-36, 4-38, 4-40 ve 4-42) laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına dayanılarak 10 m yükseklikte konik rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,8 ile 5172,7 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,2 ile 7759 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 1,2 ile 2410,7 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,8 ile 3616 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,7 ile 1987,1 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,0 ile 3122,5 TL/kWh arasında enerji birim maliyetinden söz edilebilir. 20 m yükseklikte ise konik rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,6 ile 128,4 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,9 ile 192,6 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,9 ile 142,3 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,4 ile 213,5 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,5 ile 88,3 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,8 ile 138,8 TL/kWh arasında enerji birim maliyeti söz konusudur. Bu değerler 30 m yükseklik için konik rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,4 ile 33,3 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,6 ile 50 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,7 ile 43,1 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,0 ile 64,6 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,4 ile 25,3 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,6 ile 39,7 TL/kWh arasındadır.
156
40 m yükseklik için enerji birim maliyet değerleri konik rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,3 ile 13,2 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,5 ile 19,8 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,5 ile 18,4 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,8 ile 27,5 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,2 ile 7,1 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,3 ile 11,2 TL/kWh arasındadır. 50 m yükseklik için ise enerji birim maliyet değerleri konik rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,3 ile 6,5 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,4 ile 9,7 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,4 ile 9,5 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,6 ile 14,2 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,2 ile 5,3 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda ise 0,4 ile 8,3 TL/kWh arasındadır.
Marmara, Ege ve Karadeniz Bölgesinde bulunan yörelerde üç farklı rüzgâr türbin sistemi ile üretilebilecek enerjinin birim maliyetleri incelendiğinde (Çizelge 4-35, 4-37, 4-39, 4-41 ve 4-43) arazi koşulları için 10 m yükseklikte konik rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 1,9 ile 1146,1 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 2,8 ile 1719,1 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 1,5 ile 896,8 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 2,3 ile 1345,2 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,9 ile 1241,8 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,4 ile 1951,5 TL/kWh enerji birim maliyeti söz konusudur. 20 m yükseklikte ise konik rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 1,4 ile 138,6 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 2,1 ile 207,9 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 1,2 ile 112 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,7 ile 168 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,7 ile 90,6 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,0 ile 142,4 TL/kWh arasında enerji birim maliyeti söz konusudur. Bu değerler 30 m yükseklik için konik rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 1,1 ile 49,9 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,6 ile 74,9 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,9 ile 40,7 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,3 ile 61,1 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,5 ile 28,7 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,8 ile 45,1 TL/kWh arasındadır. 40 m yükseklik için enerji birim maliyet değerleri konik rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,8 ile 23,3 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,3 ile 35 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,7 ile 19,1 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 1,1 ile 28,7 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,4 ile 12,5 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,6 ile 12,5 TL/kWh arasındadır. 50 m yükseklik için ise enerji birim maliyet değerleri konik rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,7 ile 12,7 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması
157
durumunda 1,0 ile 19,1 TL/kWh arasında, panelli rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,6 ile 10,5 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,8 ile 15,7 TL/kWh arasında ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde St 37 malzeme kullanılması durumunda 0,3 ile 6,6 TL/kWh arasında Cr-Ni malzeme kullanılması durumunda 0,5 ile 10,3 TL/kWh arasındadır.
4.12. İstatistiksel Değerlendirmeler
Rüzgâr türbin sistemi deneme düzenekleri ile yapılan denemelerde hava giriş noktası ve türbin merkezinde ölçülen rüzgâr hızı, basınç, sıcaklık ve hava yoğunluğu değerlerinde tasarımdaki kesit daralması nedeniyle anlamlı farklılıkları ortaya koymak amacıyla t testi (Paired-Samples "t" testi) yapılmıştır. Girişte ve türbin merkezinde ölçülen değer gruplarının t testi sonuçları aşağıdaki çizelgelerde verilmiştir. Çizelge 4-44, 4-45 ve 4-46 laboratuvar koşullarında yapılan denemelere ilişkin t-testi sonuçlarını Çizelge 4-47, 4-48 ve 4-49 arazi koşullarında yapılan denemelere ilişkin t-testi sonuçlarını göstermektedir.
Çizelge 4-44. Konik rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Laboratuvar koşulları)N Ort. Std. Sp t SD p
(NOT: v1, giriş rüzgâr hızı; v2 merkez rüzgâr hızı; p1, giriş basıncı; p2, merkez basıncı; T1, giriş sıcaklığı;T2, merkez sıcaklığı; ρ1, giriş hava yoğunluğu; ρ2, merkez hava yoğunluğu)
Çizelge 4-45. Panelli rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Laboratuvar koşulları)N Ort. Std. Sp t SD p
(NOT: v1, giriş rüzgâr hızı; v2 merkez rüzgâr hızı; p1, giriş basıncı; p2, merkez basıncı; T1, giriş sıcaklığı;T2, merkez sıcaklığı; ρ1, giriş hava yoğunluğu; ρ2, merkez hava yoğunluğu)
Çizelge 4-46. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Laboratuvar koşulları)N Ort. Std. Sp t SD p
(NOT: v1, giriş rüzgâr hızı; v2 merkez rüzgâr hızı; p1, giriş basıncı; p2, merkez basıncı; T1, giriş sıcaklığı;T2, merkez sıcaklığı; ρ1, giriş hava yoğunluğu; ρ2, merkez hava yoğunluğu)
158
Çizelge 4-47. Konik rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Arazi koşulları)N Ort. Std. Sp t SD p
(NOT: v1, giriş rüzgâr hızı; v2 merkez rüzgâr hızı; p1, giriş basıncı; p2, merkez basıncı; T1, giriş sıcaklığı;T2, merkez sıcaklığı; ρ1, giriş hava yoğunluğu; ρ2, merkez hava yoğunluğu)
Çizelge 4-48. Panelli rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Arazi koşulları)N Ort. Std. Sp t SD p
(NOT: v1, giriş rüzgâr hızı; v2 merkez rüzgâr hızı; p1, giriş basıncı; p2, merkez basıncı; T1, giriş sıcaklığı;T2, merkez sıcaklığı; ρ1, giriş hava yoğunluğu; ρ2, merkez hava yoğunluğu)
Çizelge 4-49. Panelsiz rüzgâr türbin sistemi t-testi sonuçları (Arazi koşulları)N Ort. Std. Sp t SD p
(NOT: v1, giriş rüzgâr hızı; v2 merkez rüzgâr hızı; p1, giriş basıncı; p2, merkez basıncı; T1, giriş sıcaklığı;T2, merkez sıcaklığı; ρ1, giriş hava yoğunluğu; ρ2, merkez hava yoğunluğu)
Ölçülen rüzgâr hızı değerlerinin t testi sonucunda tüm rüzgâr türbin sistemlerinde ve tüm koşullarda (laboratuvar ve arazi) rüzgâr türbin sistemi tasarımındaki daralma nedeniyle rüzgâr türbin sistemi girişi ve merkezinde ölçülen rüzgâr hızı, basınç ve sıcaklık ile hesaplanan hava yoğunluğu değerlerinin arasında istatistiksel olarak anlamlı farklılık bulunmuştur.
4.13. Tarımsal İşletmelerde Kullanım Olanakları
Günümüzdeki uygulamalara bakıldığında büyük rüzgâr türbinlerinin kuruluş maliyetinin yüksek olması nedeniyle kırsal kesimde bireysel olarak kullanımları olanaklı değildir. Toplu olarak da büyük rüzgâr türbinleri kurulması için henüz bir bilinç ortaya konulamamıştır. Büyük rüzgâr türbinlerinin ülkemiz kırsal kesimde kullanımının uzun yıllar alacağı tahmin edilmektedir. Bu konuda da şu anda henüz bir uygulama bulunmamaktadır. Bu bir karamsarlık yaratmamalı yeni arayışlar içinde olunmalıdır. Bunun sonucu olarak daha küçük çaplı türbinlerin tarımsal amaçlı olarak kullanılması ile tarımsal kesimde rüzgâr enerjisi kullanımının yaygınlaştırılabileceğini öngörebiliriz. Buna dayanak olarak da küçük türbinlerin maliyetinin az olması hatta yerel atölyelerde dahi imal edilebilmesi gösterilebilir. Burada önemli olan bu alt yapının oluşturulması için önderlik yapılmasıdır.
159
Günümüzde, rüzgâr enerjisi hem kırsal alanda elektrik enerjisinin yerel üretim ve tüketiminde, hem de elektrik şebekesini beslemek için kullanılmaktadır. Rüzgâr enerjisinin elektriksel uygulamalarını üç grupta toplayabiliriz. Bunlar; şebeke bağlantılı AC uygulamaları, şebeke bağlantısı olmayan AC/DC uygulamaları ve uzak DC sistem uygulamalarıdır. Rüzgâr enerjisinin elektriksel uygulamalar yanında mekaniksel uygulamaları da söz konusudur. Bunlara su çıkarma amaçlı rüzgâr türbinleri ve rüzgâr değirmencilik tesisleri örnek olarak verilebilir. Bunların yanında, bu proje kapsamında ortaya konulan “Yoğunlaştırmalı Tip Rüzgâr Türbin Sistemleri” de tarımsal işletmelerde rahatlıkla kullanılabilecek özelliklerdedir.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin tarımsal uygulama alanları yukarıda çizilen çerçeve kapsamında temel olarak mekaniksel uygulamalar ve elektriksel uygulamalar olarak gruplandırılabilir.
Genel bir yaklaşım içinde yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri (YTRTS) tarımsal alanda elektrik ihtiyacının olduğu tüm makine ve sistemlerde kullanılabilir. Bunun için kullanım alanının ve elektriksel güç ihtiyacının öncelikle belirlenmesi gerekmektedir. Aynı zamanda kullanımın söz konusu olduğu bölgenin rüzgâr potansiyeli saptanmalıdır. Bu bilgiler çerçevesinde yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri, uygun boyutlarda projelendirilerek tarımsal alanda elektrik gereksinimi karşılanabilecek konuma getirilebilir.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin elektriksel uygulama alanları aslında tarımsal elektrikasyon uygulamaları ile paralellik göstermektedir. Sonuçta tarımsal elektrifikasyon uygulamalarının söz konusu olduğu tüm noktalarda, elektrik gereksinimi uygun bir şekilde projelendirilmiş yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri ile karşılanabilir.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri sadece tarımsal elektrik gereksiniminin karşılanması değil aynı zamanda tarımsal kesimin gerektirdiği mekanik enerji ihtiyacının karşılanmasında da kullanılabilir. Bu çerçevede örneğin su çıkarma amacıyla kullanılan rüzgâr türbinlerinin yerine ikame edilebilir. Yaptığımız çalışmada edinilen bulgulara bakarak yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin su çıkarma kapasitesi bu alanda kullanılan çok kanatlı rüzgâr türbinlerinden çok daha yüksek olacaktır.
Giderek değişik sektörlerde uygulama alanı bulan yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin mekanik ve elektriksel uygulamaları tarımsal tesis bazında ele alınarak aşağıda açıklanmaya çalışılmıştır. Bu çerçevede yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin uygulama alanları için yapılan sınıflandırma aşağıdaki şekildedir:
1. Seracılık2. Tarımsal sulama3. Hayvancılık4. Bahçe5. Gıda İşletmeleri6. Çiftlik Aydınlatması7. İşletme Binası8. Kültür Binaları9. Merkezi Isıtma ve Soğutma Sistemleri
160
4.13.1. Seracılık
Seranın kurulacağı yerde, sürekli olarak kullanılabilecek bir enerji kaynağı olmalıdır. Bu enerji kaynağı seranın ısıtılmasında kullanılabileceği gibi, serada çalıştırılacak araç ve gereçler için de gereklidir (Yüksel, 2004).
Seracılıkla ilgili temel problemlerden biri seraların ısıtılması konusudur. Elektrik enerjisi kullanarak sera havasının ısıtılmasında iki yöntem uygulanmaktadır. Bu yöntemlerin ilkinde hava, bir havalandırıcı ile elektrik ısıtma elemanının üzerinden geçirilmektedir. Böylece ısınan hava sera içine gönderilmektedir. Diğer bir yöntemde bir yerde elektrikle ısıtılan su, sera içindeki ısı değiştiricilerine gönderilerek seranın ısıtılması sağlanmaktadır (Yüksel, 2004). Bu çerçevede yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri uygun boyutlarda projelendirilerek seraların ısıtılmasında da kullanılabilecek özelliklere sahiptir.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin seracılık ile ilgili uygulama alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
- Sera ısıtmasında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Sera havalandırmasında kullanılan elektrik motorlarının tahriki - Sera otomasyonu ile ilgili elektrik gereksiniminin karşılanması- Sera sulama sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının tahriki - Sera iklimlendirmesi ile ilgili elektrik gereksiniminin karşılanması- Sera içi ve dış mekânlarının aydınlatılması vb.
4.13.2. Tarımsal sulama
Rüzgâr enerjisinin yaygın olarak kullanıldığı alanlardan birisi de su pompalama sistemleridir. Bu alanda hem yatay eksenli hem de düşey eksenli rüzgâr türbinlerini görmek mümkündür. Ancak yatay eksenli türbinler daha yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri de gerek yatay eksenli olarak gerekse düşey eksenli olarak su pompalama sistemlerinde kullanılabilir. Bu çerçevede gerek yaygın olarak kullanılmakta olan rüzgâr türbinlerinin gerekse yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin tarımsal sulama ile ilgili kullanım alanları şöyle sıralanabilir:
- Çiftlik binasının su ihtiyacını karşılayan su pompasının elektrik motorunun tahriki- Çiftlik hayvanlarının su gereksinimlerini karşılayan su pompasının elektrik motorunun
tahriki- Tarımsal alanların (tarla, bahçe gibi) sulanmasında kullanılan sulama pompalarının
elektrik motorlarının tahriki- Mekanik olarak su çıkarmada kullanılan sistemlerin mekanik tahriki vb.
4.13.3. Hayvancılık
Tarla tarımında kullanılan mekanizasyon araç ve gereçlerinden farklı olarak hayvancılıkla ilgili tesislerde kullanılan mekanizasyon araç ve gereçleri çoğunlukla elektrikle çalışmaktadırlar. Bu çerçevede yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin en yaygın olarak uygulanabileceği alan hayvancılık tesisleridir.
161
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin hayvancılık ile ilgili uygulama alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
- Silo doldurma/boşaltma düzeneklerinde kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Elevatörlerde kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Götürücülerde kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Yem hazırlama tesislerinde kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Yem karma ve yem kırma makinalarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Peletleme makinalarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Süt sağım makinalarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Süt sağım tesislerinde kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Süt soğutma tanklarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Barınaklardaki mekanik temizleme sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının
tahriki- Otomatik yemleme ve yem dağıtma sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının
tahriki- Otomatik su verme sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Hayvancılık tesislerinin havalandırılmasında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Kuluçka makinalarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Ana makinalarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki vb.
4.13.4. Bahçe
Bahçe mekanizasyonunda ürünlerin ekilmesinden/dikilmesinden hasadına kadar geçen süreçte elektrikle çalışan tarımsal mekanizasyon araç ve gereçleri çok az sayıdadır. Buna karşın meyve ve sebze gibi ürünlerin uzun süre bozulmadan korunabilmesi amacıyla yaygın olarak kullanılan teknolojiler arasında soğuk hava depoları önemli bir yer tutmaktadır. Soğuk hava depoları elektrik enerjisinin yoğun olarak kullanıldığı alanlardan biridir. Bu tesislerde yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan elektrik enerjisi rahatlıkla kullanılabilir. Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri de bu çerçevede kullanılabilecek enerji üretim sistemleri arasında yer almaktadır.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin bahçecilik tesisleri ile ilgili uygulama alanları:
- Soğuk hava depolarında kullanılan elektrik motorlarının tahriki- Soğuk hava depolarının iç ve dış aydınlatması- Soğuk hava depolarındaki otomasyon sistemlerinin elektrik gereksiniminin
karşılanması- Bahçe mekanizasyonunda kullanılan elektrikli sistemlerin elektrik gereksiniminin
karşılanması (elektrikli budama makinaları vb.)
4.13.5. Gıda İşletmeleri
Gerek tarımsal ürünlerin gerekse hayvancılık ile ilgili ürünlerin işlenerek pazara gönderilmesinde gıda işletmeciliği önemli bir yer tutmaktadır. Tarım ve hayvancılıkla ilgili ürünlerin mamul ürün haline getirilmesinde kullanılan neredeyse tüm gıda mekanizasyonunda elektrikle çalışan mekanizasyon araç ve gereçleri kullanılmaktadır. Bu çerçevede
162
yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri de elektrik enerjisi gereksiniminin karşılanmasında kullanılabilecek alternatiflerden birisidir.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin gıda işletmeleri ile ilgili uygulama alanları:
- Kurutma tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Tohum temizleme ve sınıflandırma tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Mandıra tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Meyve suyu üretim tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Zeytin işleme tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Soğutma tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Peynir üretim tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Pastörizasyon makinalarının elektrik gereksiniminin karşılanması- Unlu mamul üretim tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Salça üretim tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Dondurma tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması- Diğer gıda üretim tesislerinin elektrik gereksiniminin karşılanması vb.
4.13.6. Çiftlik Aydınlatması
Tarımsal işletmelerin faaliyet gösterdiği alanlarda gerek işletme binası içinde, gerek üretim tesislerinde ve gerekse dış ortamlarda aydınlatma uygulamaları yapılmaktadır. Bu aydınlatma sistemleri elektrik enerjisi ile çalışan sistemlerden oluşmaktadır. Bu çerçevede uygun şekilde projelendirilmiş yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri çiftlik aydınlatması için gerekli elektrik enerjisini karşılamak için kullanılabilecek alternatiflerden biridir.
Yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemlerinin aydınlatma ile ilgili uygulama alanları:
- Hayvancılık tesislerinin aydınlatılması- Çiftlik dış mekânlarının aydınlatılması- Çiftlik işletme binasının iç aydınlatmaları- Sera iç ve dış mekânlarının aydınlatılması- Soğuk hava depolarının aydınlatılması- Gıda üretim tesislerinin aydınlatılması vb.
4.13.7. İşletme Binası
Tarımsal faaliyetlerin planlandığı ve yönetildiği yer olan işletme binalarının enerji gereksinimi büyük ölçüde elektrik enerjisine dayanmaktadır. Bu çerçevede uygun şekilde projelendirilmiş yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri işletme binaları için gerekli elektrik enerjisini karşılamak için kullanılabilecek alternatiflerden biridir. İşletme binalarında kullanılan başta elektrikli ev aletleri (televizyon, buzdolabı, ısıtıcı, klima vb.) olmak üzere tüm elektrikli sistemlerin enerji gereksinimi yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri ile karşılanabilir.
163
4.13.8. Kültür Binaları
Son yıllarda eğitimin yaygınlaşması ile tarımsal kesimde de hemen hemen her yerleşim alanında başta okul olmak üzere genel kullanıma açık toplantı salonları, kültür faaliyetlerinin yürütüldüğü özel yapıların sayıları giderek artmaktadır. Bu tip yerlerin gereksindiği elektrik enerjisi de özellikle modern yaşam koşulları (klima vb) düşünüldüğünde oluşturulacak modern anlamdaki ve yüksek verimlilikteki yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri ile karşılanabilir.
4.13.9. Merkezi Isıtma ve Soğutma Sistemleri
Özellikle ısı ve soğutma gereksinimini karşılamak üzere ekonomik ve teknolojik gelişmeye paralel olarak merkezi ısıtma ve soğutma sistemleri kırsal kesimde de yaşam kalitesini arttırmaktadır. Bu sistemlerin çalışma sistemlerinde (pompa, brülör, otomasyon sistemleri vb) elektrik enerjisi gereksinimi bulunmaktadır. Ya tümüyle yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri kullanılarak ya da hibrid yapılar oluşturularak bu sistemlerin enerji ihtiyacı karşılanabilir. Bunun yanında enterkonnekte sistemde oluşabilecek enerji kesilmeleri sırasında anında devreye sokulacak jeneratör sistemleri de yine yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin sistemleri yardımıyla ve özel bağlantı yapıları ile birlikte kullanılabilir.
5. SONUÇ
Bu çalışma ile rüzgâr hızı potansiyeli düşük olan bölgelerde tarımsal elektrifikasyon uygulamalarında kullanılabilecek küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemleri tasarlanmış, prototipleri imal edilmiş ve uygulama denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu denemeler sonunda elde edilen veriler kullanılarak yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin verimlilik, güç, enerji üretim kapasitesi ve ekonomik unsurları ortaya konulmuş, ayrıca tarımsal işletmecilik açısından ortaya çıkarabileceği sonuçlar değerlendirilmiştir.
Yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin giriş kesitindeki rüzgâr hızı ile sistem merkezindeki rüzgâr hızı ve rüzgâr gücü arasında istatistiksel olarak yüksek oranda bir ilişki söz konusudur. Bu ilişki giriş kesitindeki rüzgâr hızının artması ile sistem merkezindeki rüzgâr hızının ve rüzgâr gücünün de artması yönündedir. Giriş kesitindeki rüzgâr hızına bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr hızının artış oranı (verimlilik) rüzgâr türbin sistemleri arasında değişmekle beraber ortalama olarak konik rüzgâr türbin sisteminde yaklaşık %81, panelli rüzgâr türbin sisteminde yaklaşık %71 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde yaklaşık %90’dır. Giriş kesitindeki rüzgâr hızına bağlı olarak sistem merkezindeki rüzgâr gücünün artış oranı (verimlilik) da rüzgâr türbin sistemleri arasında değişmekle beraber ortalama olarak konik rüzgâr türbin sisteminde yaklaşık %498, panelli rüzgâr türbin sisteminde yaklaşık %410 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde yaklaşık %600’dür (laboratuvar koşullarında). Ancak giriş kesitindeki rüzgâr hızının artması sistem merkezindeki rüzgâr hızının da verim artışına
164
sebep olmamaktadır. Verim, giriş rüzgâr hızının belirli bir değerinden (≈2 m/s) sonra yaklaşık olarak aynı kalmaktadır. Aynı ilişki yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin giriş kesitindeki rüzgâr gücü ile sistem merkezindeki rüzgâr gücü arasındaki verim artışında da söz konusudur. Yani rüzgâr türbin sistemlerinin giriş kesitindeki rüzgâr gücünün artması verimlilikte fazladan bir artışa sebep olmamakta, verimlilik tüm rüzgâr hızlarında ve rüzgâr güçlerinde yaklaşık olarak sabit kalmaktadır.
Laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre; giriş rüzgâr hızının 5 m/s değerinde panelli rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 324 W/m2, konik rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 415 W/m2 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri ise 503 W/m2 olarak tespit edilmiştir. Giriş rüzgâr hızının 10 m/s değerinde ise panelli rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 2354 W/m2, konik rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri 3025 W/m2 ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminin birim alana düşen merkezdeki rüzgâr gücü değeri ise 3877 W/m2 olarak tespit edilmiştir. Arazi koşullarında yapılan deneme sonuçlarına göre ise söz konusu değerler daha da yüksek değerlerde saptanmıştır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan 800-7500 kW’lık rüzgâr türbinlerinde birim rotor alanına düşen rüzgâr gücü değeri 200 ile 600 W/m2 arasındadır (Nordex, 2012; Enercon, 2012). Türkiye Rüzgâr Enerjisi Atlasına göre ülkemizin en iyi rüzgâr alan yörelerinde 50 m yükseklikte rüzgâr güç yoğunluğu değerleri açık arazilerde 300-500 W/m2, kıyılarda 400-700 W/m2 ve açık denizlerde ise 600-800 W/m2’dir. Bu veriler göz önüne alındığında proje kapsamında geliştirilen yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin oldukça iyi sonuçlar verdiği görülmektedir.
Marmara, Ege ve Karadeniz Bölgesinde bulunan yörelere ait birim alandan elde edilebilecek enerji değerleri açısından laboratuvar koşullarında yapılan deneme sonuçlarına dayanılarak 10 m yükseklikte konik rüzgâr türbin sistemi ile 2355 kWh/m2.yıl’a kadar, panelli rüzgâr türbin sistemi ile 1897 kWh/m2.yıl’a kadar ve panelsiz rüzgâr türbin sistemi ile 2917 kWh/m2.yıl’a kadar enerji elde edilebileceği görülmektedir. 50 m yükseklik için ise üretilebilecek enerji değerleri ise konik rüzgâr türbin sisteminde maksimum 6462 kWh/m2.yıl, panelli rüzgâr türbin sisteminde maksimum 5193 kWh/m2.yıl ve panelsiz rüzgâr türbin sisteminde maksimum 8226 kWh/m2.yıl’dır. Bu değerler arazi koşullarında yapılan denemelerde daha yüksek tespit edilmiştir. Prototiplerin boyutları büyütülerek enerji üretim kapasitelerinin arttırılması mümkündür.
Ekonomik değerlendirmelere göre ise, proje çerçevesinde tasarlanarak imal edilen ve denemeleri yapılan yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistem prototiplerinin henüz ekonomik olmadıkları, birim enerji üretim maliyetlerinin yüksek olduğu görülmektedir. Buna karşılık büyük rüzgâr türbinlerinin kullanılamayacağı rüzgâr potansiyeline sahip pek çok yörede de kullanılabileceği değerlendirilmektedir.
Çalışma, bağımsız yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin küçük işletmelerde ve tarımsal amaçlı uygulamalarda kullanımı konularında dünya literatüründeki bazı eksiklikleri gidermiştir. Bağımsız ve küçük ölçekli sistemlerin gerek modellemesi gerekse gerçek prototipleri üzerinden uygulamalı denemelerine ilişkin hem ulusal hem de uluslararası literatürde eksik kalan noktalardan bazıları bu proje ile tamamlanmıştır. Çalışma
165
ile ayrıca, rüzgâr hızı potansiyeli düşük olan bölgelerde (Türkiye coğrafyasının % 98’i), rüzgârı yoğunlaştırabilen ve böylece daha yüksek güç değerleri üretebilen sistemlerin geliştirilmesine katkı sağlanmıştır. Çalışmanın etki alanı sadece Türkiye coğrafyasının büyük bir bölümü değil, aynı zamanda dünya coğrafyasının da çok büyük bir bölümüdür. Bu yaygın etki, enerji üretiminin dünya genelinde yerelleşmesine de katkı sağlayabilecek bir unsurdur.
Çalışma sonucunda, küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin verimlilik, güç ve enerji üretim kapasitesi açıdan yaygın olarak kullanılan rüzgâr türbinleriyle rekabet edebilecek düzeyde olduğu görülmüştür. Bu durum, söz konusu sistemlerin yaygınlaşmasına katkı sağlayacaktır. Projenin, gelecek dönemlerde tarımsal işletmeler ve ülkemizin enerji üretim/tüketim dengesine de katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Bunun yanında gerek ulusal gerekse uluslar arası rüzgâr enerjisi sanayinin yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerine de yatırım yapmasına ve bu sanayi dalının gelişmesine ve yaygınlaşmasına katkısı olacağı değerlendirilmektedir. Çalışma sonucunda, küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin ekonomik açıdan ise, yaygın olarak kullanılan rüzgâr türbinleriyle rekabet edebilecek düzeyde bulunmamıştır. Ancak yerli üretimin yaygınlaşması ile birlikte maliyetlerde de bir düşme ve dolayısıyla birim enerji maliyetlerinde ucuzlama beklenebilir. Bu durum gerek rüzgâr türbini üreten sanayiciler için gerek tarımsal işletmeler için ve gerekse ülkemiz için önemli bir katma değer teşkil edebileceği söylenebilir.
Tüm bunların yanında yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin ülkemizdeki ilk örneklerinin oluşturulduğu bu çalışmanın geliştirilmesi gereken yönleri de bulunmaktadır. Yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin en belirgin eksikliği ekonomik olmamasıdır. Bu çerçevede önemli deneyimler de kazanılmıştır ve bu deneyimler yoğunlaştırmalı tip (concentrator) rüzgâr türbin sistemlerinin daha iyi örneklerinin ortaya konulabilmesi için değerlendirilecektir.
Dünyayı insanların yaşamasına uygun halde tutabilmek ve çocuklarımıza daha temiz bir dünya bırakabilmek için temiz enerji kaynaklarının yaygınlaştırılması ve özendirilmesi son derece önem taşımaktadır. Temiz enerji kaynaklarının yaygınlaşmasını sağlamanın ilk ve en önemli yolu da insanlara bu bilinci kazandırmaktır. İklim değişiklikleri, çevresel sorunlar vb. olumsuzluklara fosil kökenli enerji kaynaklarının katkısı büyüktür. Fosil kökenli enerji kaynakları yerine temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarının tercih edilmesi gerektiği insanlara doğru bir şekilde anlatılmalıdır. Bu açıdan bakıldığında da temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olan rüzgâr enerjisinin tarım sektöründe yaygınlaşmasını teşvik etmek de son derece önem taşımaktadır. Bu bağlamda proje ile elde edilen sonuçlar Tarım Bakanlığına bağlı Tarım İl Müdürlükleri ve Çiftçi Eğitim ve Yayım Şubesi aracılığı ile tarım işletmelerine, Enerji ve Sanayi Bakanlıkları aracılığıyla da sanayi kuruluşlarına ulaştırılacak ve bilgilendirilmeleri sağlanacaktır. Sonuç olarak bu çalışma hem tarım sektörüne hem ülke ekonomisine hem de çevresel etkileri nedeniyle toplumun her kesimine fayda sağlayacaktır.
166
6. KAYNAKLAR
1. ABED, K.A. ve El-Mallah, A.A., Capacity Factor Of Wind Turbines, Energy, 22, 487-91, (1997).
2. ACAROĞLU, M., Alternatif Enerji Kaynakları, Atlas Yayın Dağıtım, İstanbul, (2003). Pp: 341.
3. ACKERMANN, T. (Çevirenler: Özşar, Ç. ve Bodur, A.), Güç Sistemlerinde Rüzgâr, Wiley&EMO ISBN: 978-9944-89-740-2, Ankara, (2009). Pp: 733.
4. ARAS, H., Wind energy status and its assessment in Turkey, Renewable Energy, 28, 2213-20, (2003).
5. BEER, F. P., Johnston, E. R., Mühendisler için Mekanik Cilt II Dinamik, Birsen Yayınevi, İstanbul, (1991). Pp: 420.
6. BETZ, A., Wind Energy and Their Utilization by Windmills (Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen), Bandenhoeck & Ruprect, Göttingen, (1926).
7. BOYLE, G., Renewable Energy Power For A Sustainable Future, Oxford University Press, Glassgow, UK, (2004). Pp: 452.
8. CAMPBELL, N., Stankovic, S., Graham, M., Parkin, P., Von Duijvendijk, M., De Gruiter, T., Behling, S., Hieber, J., Blanch, M., Wind energy fort he built environment, Procs., European Wind Energy Conference & Exhibition, Copenhagen-DK, (2001).
10. ÇALIŞKAN, A., Tarımda Enerji Kullanımı, TMMOB Ziraat Mühendisleri Odası Kayseri Şubesi, (2008). Web: http://www.emo.org.tr/ekler/a22c4cad0eaaeae_ek.pdf
11. ÇEBİ, H. H., Elektrik Bilgisi, Yüce Yayınları A.Ş., İstanbul, (1999). Pp: 182.12. DURAK, M., Özer, S., Rüzgâr Enerjisi: Teori ve Uygulama, İmpress, Yenimahalle-
Ankara, (2008).13. DÜNDAR, C., Canbaz, M., Akgün, N., Ural, G., Türkiye rüzgâr atlası, Devlet
Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü Yayınları, No. 2005/04, Ankara (2002).14. EKER, B., Vardar, A., Küçük Rüzgâr Türbinlerinin Tarımsal İşletmelerde Kullanılabilme
Olanakları, V. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, İstanbul (2004).15. ENERCON, 2012. Web: http://www.enercon.de/de-de/windenergieanlagen.htm16. ETKB, Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı, (2012). Web: http://www.enerji.gov.tr/
587.18. HABALI, S. M., Hamdan, M. A. S., Jubran, B. A., Said, A. I. O., Wind speed and wind
energy potential of Jordan, Solar Energy, 38, 59-70, (1987).19. HANUS, B., Stempel, U.E., Das grosse Solar- und Windenergie Werkbuch, Franzis,
ISBN: 978-3-645-65070-0, Kevelaer-Almanya (2011).20. HATIRLI, S. A., Özkan, B., Fert, C., An Econometric Analysis of Energy Input-Output
in Turkish Agriculture, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 9, 608-623, (2005).21. HAU, E., Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics (Chapter
3: Basic Concepts of Wind Energy Converters), Springer-Verlag, Berlin-Germany, (2006). Pp: 67-80.
22. HEPBAŞLI, A., Özgener, Ö., A review on the development of wind energy in Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 8, 257-76, (2004).
23. HIROYUKI, U., Masahiro, M., Norihisa, T., Savonius type wind turbine (The influence of wind concentrator), Journal of Japan Solar Energy Society, 30, 35-40, (2004).
24. ICONOMY, Türkiye Enerji ve Enerji Verimliliği Çalışmaları Raporu: Yeşil Ekonomiye Geçiş, Enerji Verimliliği Derneği (ENVER) & Türkiye Enerji Verimliliği Meclisi (TEVEM), Ankara, (2010).
25. IMETOS, Meteoroloji istasyonu teknik bilgiler kataloğu, (2010).26. İZLİ, N., Vardar, A., Kurulmuş, F., A Study on Aerodynamic Properties of Some NACA
Profiles Used on Wind Turbine Blades, Journal of Applied Sciences, 7, 426-33, (2007).27. JOHNSON, G. L., Wind Enrgy Systems, Electronic Edition, Manhattan, KS, (2001). Pp:
No: 237, Ankara, (2001).29. KENİSARİN, M., Karslı, V.M., Çağlar, M., Wind power engineering in the world and
perspectives of its development in Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 10, 341-69, (2006).
30. KHO, J., Startup gren energy tech installs first small-wind concentrators, Gigaom, (2009). Web: http://gigaom.com/cleantech/startup-green-energy-tech-installs-first-small- wind-concentrators/
168
31. KLUG, H., Basic course in wind energy, German Wind Energy Institute GmbH (DEWI), Istanbul-Turkey, (2001).
32. KROHN, S., Morthorst, P. E., Awerbuch, S., The Economics of Wind Energy, The European Wind Energy Association, Belgium, (2009). Pp: 156.
33. KURTULMUŞ, F., Vardar, A., İzli, N., Aerodynamic Analyses of Different Wind Turbine Blade Profiles, Journal of Applied Sciences, 7, 633-70, (2007).
34. MANWELL, J. F., McGowan, J. G., Rogers, A. L., Wind Energy Explained Theory, Design and Application, John Wiley & Sans Ltd., West Sussex-England, (2002). Pp: 577.
35. MATSUSHIMA, T., Takagi, S., Muroyama, S., Characteristics of a highly efficient propeller type small wind turbine with a diffuser, Renewable Energy, 31, 1343-54, (2006).
36. MERTENS, S., Wind energy in the built environment: concentrator effects of buildings, Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering, (Doktora tezi), Multi-Science, Essex-UK, (2006). Pp: 170.
37. MERTENS, S., Wind energy in urban areas: Concentrator effects for wind turbines close to buildings, Refocus, 3, 22-24, (2002).
38. MGM, Meteoroloji Genel Müdürlüğü, (2012). Web: http://www.mgm.gov.tr/39. MÜLLER, G., Jentsch, M.F., Stoddart, E., Vertical axis resistance type wind turbines for
use in buildings, Renewable Energy, 34, 1407-12, (2009).40. NORDEX, (2012). Web: http://www.nordex-online.com/2.0/produkte-service.html41. OLIVIERI, D. A., Lamont, P. J., Smaiaa, Computer modelling of a concentrator wind
turbine system, Proceedings of the 18th British Wind Energy Association Conference (Wind Energy Conversion 1996), Exeter University, London-UK, (1996). Pp: 69-73.
42. Open Energy Info, (2012). Web: http://en.openei.org/wiki/Gateway:U.S._OpenLabs/ Exploring_Resources
43. ÖZDAMAR, A., Kavas, M.G., A Research about Wind Turbine Blade Design, Sun Symposium Book of Announcements, Kayseri, (1999) pp: 151-60.
44. ÖZTÜRK, H. H., Barut, Z. B., Türkiye Tarımında Enerji Kullanımı, TMMOB Ziraat Mühendisleri Odası, (2005). Web: http://www.zmo.org.tr/resimler/ekler/8ef4b66cb25 e92a_ek.pdf?tipi=14&sube=
46. PROTEK, Multimetreler teknik bilgiler kitapçığı, İstanbul, (2011).47. QUASCHNING, V., Regenerative Energysysteme, Hanser, ISBN: 978-3-446-42732-7,
München-Almanya, (2011). Pp: 403.48. REHMAN, S., Halawani, M., Mohandes, M., Wind power cost assessment at twenty
locations in the Kingdom of Saudi Arabia, Renewable Energy, 28, 573-83, (2003).49. REHMAN, S., Al-Abbadi, N. M., Wind shear coefficients and their effect on energy
production, Energy Conversion and Management, 46, 2578-91, (2005).50. REPA, Türkiye Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlası, Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel
Müdürlüğü, Ankara, (2006).51. REPA, Türkiye Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlası (2012). Web: http://www.eie.gov.tr/
yenilenebilir/ruzgar.aspx52. TESTO, Ölçüm cihazları teknik bilgiler kitapçığı, Almanya, (2011).
169
53. TWIDELL, J., Weir, T., Renewable Energy Resources, Taylor & Francis Group, London & New York, (2006). Pp: 625.
54. TWWA, The World of Wind Atlases, (2005). Web: http://www.windatlas.dk55. ÜLTANIR, M.Ö., Termodinamik, Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları, No:
1023, Ankara, (1987).56. VARDAR, A., Eker, B., Design of a Wind Turbine Working with the Continuity
Principal, Energy Exploration & Exploitation, 24, 349-60, (2006).57. VARDAR, A., Çetin, B., Cost Assessment of the Possibility of Using Three Types of
Wind Turbine in Turkey, Energy Exploration & Exlpoitation, 25, 71-82, (2007).58. VARDAR, A., Alibaş, İ., A Research About Some Wind Turbine Rotor Models Using
NACA Profiles, Renewable Energy, 33, 1721-32, (2008).59. YASUYUKI, N., Ayumu, A., Izmui, U., A Study for the Concentrator Augmented Wind
Turbine, Wind Energy, 27, 51-55, (2003).60. YÜKSEL, A.N., Sera Yapım Tekniği, Hasad Yayıncılık ISBN: 975-8377-09-4, İstanbul,
(2004). Pp: 287.61. ZAHORANSKY, R., Allelein, H.J., Bollin, E., Oehler, H., Schelling, U.,
Bu proje çalışmasına sağladığı destekten dolayı öncelikli olarak Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumuna teşekkür ederim. TÜBİTAK tarafından sağlanan destek projenin gerçekleştirilmesi açısından son derece önemli olmuş ve gerek proje ekibinin gerekse projede görev alan bursiyerlerin motivasyonuna yardımcı olmuştur. Bu çerçevede Proje Yürütücüsü olarak sağladıkları katkılardan dolayı proje ekibine, başta hocam Prof. Dr. Bülent Eker olmak üzere Doç. Dr. Tolga Tipi ve Doç. Dr. Eşref Işık’a teşekkür ederim. Doktora öğrencim Araş. Gör. Ferhat Kutulmuş ve Yüksek Lisans öğrencilerimiz Onur Taşkın, Emre Coşkun ve Apti Onuk proje’de bursiyer olarak görev almışlardır. Proje ekibi adına kendilerine projeye verdikleri emek ve özveriden dolayı teşekkür ediyorum.
Projenin teknik yönden ilerlemesi sırasında karşılaşılan problemlerde gerek fikirsel, gerek mühendislik ve gerekse de teknik olarak sağladığı değerli katkılardan dolayı başta Macit Orhan Süzen olmak üzere Burak Şenöz ve TURKWATT ekibine teşekkür ederim. Proje çerçevesinde üretilen prototiplerin imalatını kusursuz bir şekilde gerçekleştiren KROMAS firmasına da başta Hüseyin Uğur olmak üzere teşekkürlerimi sunarım. Gerek prototiplerin imalatında gerekse denemeler sırasında Teknisyen olarak görev alan Refai Kurt’a da emek ve özverisinden dolayı teşekkür ederim. Proje çerçevesinde katıldığım “Dünya Rüzgâr Enerjisi Konferansı”nda (WWEC2012) fikirlerine başvurduğum Alman Rüzgâr Enerjisi Birliği (BWE) Başkanı Hermann Albers’e ve Dünya Rüzgâr Enerjisi Birliği (WWEA) Genel Sekreteri Stefan Gsänger’e verdikleri fikirlerden dolayı teşekkür ederim.
170
Proje çalışmaları sırasında gösterdikleri anlayıştan ve verdikleri pratik fikirlerden dolayı eşim Nuray Belgeç Vardar’a ve oğlum Atahan Vardar’a teşekkür ederim.
Proje fiziksel olarak “Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarımsal Uygulama ve Araştırma Merkezi” ile “Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü Atöyesi”nde yürütülmüştür. Söz konusu alanların kullanımında sağladıkları kolaylıklardan dolayı “Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi”ne ve “Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü”ne teşekkür ederim. Proje ile ilgili yapılan idari işlemler sırasında verdiği fikir ve bilgilerden dolayı Doç. Dr. İsmail Alper Susurluk’a ve sorduğum tüm sorulara anlayışla cevap verdikleri ve yardımlarını esirgemedikleri için başta Saner Dede ve Ahmet Aldemir olmak üzere TÜBİTAK Merkez Ofisi çalışanlarına teşekkür ederim. Ayrıca sağladığı teknik malzeme ve cihaz desteğinden dolayı “Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü” öğretim elemanlarından Araş. Gör. Dr. İlker Kılıç’a ve son olarak da proje için verdikleri emeklerden dolayı “Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Programı” öğrencilerinden Gürbey Karyel’e ve Hilal Erduğan’a, Farabi Programı öğrencilerinden Hakan Alioğlu’na teşekkür ederim.
12/12/2012
Doç. Dr. Ali VARDAR
(Proje Yürütücüsü)
TÜBİTAKPROJE ÖZET BİLGİ FORMU
Proje No: 110O150
Proje Başlığı:Rüzgâr Hızı Potansiyeli Düşük Kırsal Bölgelerde Tarımsal Elektrifikasyon Uygulamalarına Yönelik
Yoğunlaştırmalı Tip (Concentrator) Rüzgâr Türbin Protiplerinin Geliştirilmesi
Proje Yürütücüsü ve Araştırmacılar:Doç. Dr. Ali VARDAR, Prof. Dr. Bülent EKER, Doç. Dr. Tolga TİPİ, Doç. Dr. Eşref IŞIK
Projenin Yürütüldüğü Kuruluş ve Adresi:
Uludağ Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Biyosistem Mühendisliği Bölümü, Tarımsal Enerji Sistemleri
A.D., Nilüfer, 16059 BURSA
Destekleyen Kuruluş(ların) Adı ve Adresi:
TÜBİTAK
Projenin Başlangıç ve Bitiş Tarihleri: 01.11.2010 – 01.11.2012
Öz (en çok 70 kelime)
Bu çalışma ile rüzgâr hızı potansiyeli düşük olan bölgelerde tarımsal elektrifikasyon
uygulamalarında kullanılabilecek küçük ölçekli yoğunlaştırmalı tip rüzgâr türbin prototipleri
171
tasarlanmıştır. Sonuç olarak; bu çalışma ile ortaya konulan rüzgâr türbin sistemlerinin birim alan
başına ürettiği güç ve enerji değerlerinin günümüzde yaygın olarak kullanılan büyük rüzgâr
türbinlerinden daha iyi sonuçlar ürettiği görülmüştür. Buna karşılık, günümüz koşullarında henüz
ekonomik olmadığı ancak üzerinde yapılacak yeni optimizasyon çalışmaları ile gelecekte daha
ekonomik olabileceği değerlendirilmektedir.
Anahtar Kelimeler:
Tarımda Enerji Kullanımı, Yoğunlaştırmalı Tip Rüzgâr Türbinleri, Kırsal Enerji Uygulamaları,
Prototip
Fikri Ürün Bildirim Formu Sunuldu mu? Evet Gerekli Değil Fikri Ürün Bildirim Formu’nun tesliminden sonra 3 ay içerisinde patent başvurusu yapılmalıdır.
Projeden Yapılan Yayınlar:
Henüz hazırlık aşamasında (Patent başvurusundan sonra gönderilecek)
Ekte Bulunan “ARDEB Başarı Öyküsü Formu”, “Kazanımlar” Bölümünde Belirtilen Kriterlere Göre Proje Çıktılarınızın Başarı Öyküsü Niteliği Taşıdığını Düşünüyorsanız “ARDEB Başarı Öyküsü Formu”nu doldurunuz.