Rüzgâr Hızı Potansiyeli Düşük Kırsal Bölgelerde Tarımsal Elektrifikasyon Uygulamalarına Yönelik Yoğunlaştırmalı Tip

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 Talebinde Tarımın Payı (%)
2005	1,94
2006	1,93
2007	1,92
2008	1,91
2009	1,90
2010	1,89

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.

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.