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

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, 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)

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.

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 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.