Skip to content

MAKİNE TARİHİ

HAZİRAN 2017 SAYI: 109

Gücünü Rüzgardan Alan İcat

Fosil yakıtlardan enerji üretilmesi, başlangıçta rüzgardan enerji üretme fikrinin ortaya çıkmasını engelledi. Fakat gün geçtikçe bu kaynakların tükenecek olması, 1960’lı yılların sonlarına doğru tüm dünyanın alternatif enerji kaynaklarına yönelmesine yol açtı. 1990’lı yılların başlarında ise rüzgar enerjisine dönüş hızlı bir ivme kazandı.

Rüzgar enerjisine yönelik çalışmaların başlaması ve ilerlemesi akşamdan sabaha olmadı, rüzgardan enerji elde edilmesi için sistematik bir çalışma ve uzun bir süreç söz konusuydu. Tüm dünya ülkelerinin yatırımlarını gözden geçireceği ve rüzgar enerjisine yatırım yapmaya başlayacağı gelişmeler tabii ki tesadüfen olmadı. Fakat bunun için gerekli şartların ve ortamın oluşması gerekmekteydi. Bu şartlardan kısaca bahsedecek olursak; öncelikle insanoğlu yenilenemeyen enerji kaynaklarının sonunun geleceğini fark etti ve alternatif enerji kaynakları aramaya başladı. Bu yeni kaynak yenilenebilir ve sürdürülebilir olmalıydı. Tam da bu tanıma uyan ve dünyanın her yerinde var olan rüzgarın enerjiye dönüştürülebileceği üzerinde duruldu. Bu büyük potansiyelin farkına varılması ve de söz konusu dönemde gerekli teknolojinin de mevcut olması enerji sektöründe bir devrim yapmak için yeter de artardı bile. Geriye ise iki şey kalıyordu: Birincisi mevcut teknolojiyi kullanarak rüzgardan enerji üretmenin yeni yollarını bulmak, diğeri ise bu yeni teknolojiye politik destek sağlamak.

Rüzgar enerjisi söz konusu olduğunda Poul la Cour, Albert Betz, Palmer Putnam ve Percy Thomas gibi isimlerle başlayan araştırmalar, daha sonra Johannes Juul, E. W. Golding, Ulrich Hutter, William Heronemus ile devam etti. Rüzgar enerjisi üzerinde çalışılmaya başlandığı ilk zamanlarda en büyük handikap bu çalışmalardan elde edilen enerjinin diğer enerji kaynaklarına göre çok pahalıya mal olmasıydı. Maliyetleri düşürmek adına yeni teknolojiler geliştirmek ve de bilimsel çalışmaları sürdürebilmek için devlet desteğine ihtiyaç duyulan dönemlerde bu destek ABD, Almanya, Danimarka gibi ülkelerden gelirken, artık günümüzde bu sektöre neredeyse tüm ülkeler yatırım yaparak, destek vermeye başladı.

RÜZGAR ENERJİSİNDE İLK ÖRNEKLER

Rüzgar enerjisinin kullanıldığı ilk evrelerde sürükleme kuvvetinin kullanılması akıllara kaldırma kuvvetinin kullanılmadığını hatta bilinmediğini getirebilir. Söz konusu dönemde kaldırma kuvveti gündemdeydi, fakat o dönemin bilgi birikiminden dolayı, bilinçli olarak değil farkında olmadan kullanılıyordu. Kaldırma kuvvetinin kullanıldığı ilk örnekler yelken yel değirmenleridir. Tahıl öğütmek ve su pompalamak amacıyla kullanılan yel değirmenlerinin ilk örneklerine MÖ 500-900 yıllarında rastlanır. Ayrıca değirmenin öğütücü taşı doğrudan düşey milin üzerine bağlanmasıyla tahıl öğüten bu değirmenler kayıtlara ilk yel değirmenleri olarak geçmiştir. Yine bu dönemde kullanılan ve dönemin hem en başarılı hem de estetik açıdan en iyisi olan yelken kanatlı yel değirmenleri, su pompalamak amacıyla kullanılmış.

20. YÜZYIL ÖNCESİ YEL DEĞİRMENLERİ

Orta Çağ’da İran’da kullanılan dik milli yel değirmenlerinden sonra Batı Avrupa’da aynı dönemde yatay milli yel değirmenlerine geçildi. Bunun sebebi tam olarak bilinmese de yatay milli yel değirmenlerinin, dikey milli yel değirmenlerine nazaran daha verimli olması olası neden olarak tahmin ediliyor. Bunun bir başka sebebi ise yel değirmenlerinden önce kullanılan yatay milli su değirmenlerinin teknolojik model olarak alındığının düşünülmesi.

Dört kanatlı bu yel değirmenleri, su pompalamaktan tahıl öğütmeye, ağaç kesmekten aletleri çalıştırmaya kadar neredeyse akla gelebilecek her türlü mekanik iş için kullanılmış.

14. yüzyılın sonlarına gelindiğinde yel değirmenlerinin kule tasarımında değişikliğe gidilmiş. Hollanda’da yapılan çalışmada önceleri direk üzerine oturtulan kısım çok katlı bir kule üzerine yerleştirilmeye başlanmış. Böylelikle kulenin katları ise tahıl öğütme katı, tahıl tanelerinin kabuklarından ayrıldığı kat, tahıl stoklama katı gibi fonksiyonel bir şekilde kullanılmaya başlanmış. Bu dönemlerde Avrupa’da kullanılmaya başlanan ilk yel değirmenlerinde rotor verimini artırmak amacıyla değirmenin kanatları yelken şeklinde tasarlanmış. Böylelikle öğütme ve su pompalama işlerinde çok daha iyi sonuçlar elde edildi. Yine bu dönemlerde yel değirmenlerinin yönü rüzgara göre elle ayarlanıyordu fakat ikinci rotorun takılmasıyla değirmenin yön değiştirmesi otomatik hale geldi. Takip eden uzun yıllar boyunca yel değirmenleri gittikçe bugün kullanılan türbinlere yaklaştı hatta bazı tasarımlarda, kanadın verimini artırmak için bugün de kullanılan bir yöntem olan, kanadın kök kısmı ile uç kısmına farklı hücum açıları uygulanmasına başlandı.

Endüstri devrimi öncesinde birçok iş kolunda kullanılan yel değirmenleri, endüstri devriminden sonra kömürün enerjiye dönüştürülmesiyle önemini kaybetmeye başladı. Bunun başlıca sebepleri gücün depolanamaması ve nakledilememesiydi. Yel değirmenlerinden elde edilen enerji önemini kaybetmeden önce kuyulardan su çekme, sulama, drenaj amaçlı pompalama, tahıl öğütme, kütüklerden kereste elde edilmesi, baharat, kakao, boya ve tütün işlenmesi gibi çok çeşitli uygulamalarda güç kaynağı olarak kullanıldı.

Bu dönemde yel değirmenleri söz konusu olduğunda yaşanan en önemli gelişme İngiliz mühendis John Smeaton’un kurduğu test laboratuvarında yaptığı çalışmalar ve bu çalışmalar sonucunda bugün hala geçerli olan kuralları bulmasıydı. Bu kurallar; “ideal durumda, kanat ucunun hızı rüzgar hızı ile orantılı olmalıdır, elde edilebilecek maksimum tork, rüzgar hızının karesi ile doğru orantılıdır, elde edilebilecek maksimum güç, rüzgar hızının kübü ile doğru orantılıdır” şeklinde sıralanabilir.

MODERN RÜZGAR TÜRBİNLERİNİN ORTAYA ÇIKIŞI

20. yüzyıla yaklaşırken fabrikalaşmanın başlaması ve seri üretime geçilmesi ülkelerin enerji ihtiyacını artırdı. Buna bağlı olarak rüzgar türbinleri elektrik elde etmede kullanılmaya başlandı. Ayrıca elektrik jeneratörlerinin döndürülebilmesi için gereken mekanik enerjinin, rüzgar türbinleri yardımıyla sağlanabileceği fikri, bu konudaki ilk denemelerin de ortaya çıkmasını beraberinde getirdi. Elektrik üretmek amacıyla kullanılan rüzgar türbinlerinin en başarılı örneğine ise Ohio’da imza atıldı. 1888’de Charles F. Brush tarafından yapılan rüzgar türbininde kule üzerine monte edilen rotor, 17 metre çapındaydı ve çok fazla sayıda dar kanattan oluşuyordu. Brush türbini yeni bir trend yaratmakta başarısız olmasına karşın, küçük güçlü rüzgar türbinlerinin yaygınlaşmasında önemli rol oynadı. Rüzgar türbininde asıl devrimi ise aslında Danimarkalı bilim insanı Poul La Cour gerçekleştirdi. Yürüttüğü çalışmalar için kendi rüzgar türbinini inşa eden La Cour, elektrik üretebilen ilk dört kanatlı rüzgar türbinini inşa etti. Bu türbinin elektrik üretebilmesinin sebebi yüksek hızdaki rotorlar idi. La Cour’un rüzgar türbiniyle imza attığı bir başka buluş ise ortaya çıkan elektrikten hidrojen elde etmesi ve daha sonra bu hidrojeni aydınlatma için kullanması oldu. Konutların enerji ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılan ilk türbinler ise 1920’lerin ortasında geliştirildi. Kırsalda radyolar ve aydınlatma amacıyla geliştirilen bu türbinler üç kanadı ile bugünkü rüzgar türbinlerine benzerken, akü şarj sistemi ve depolama olanaklarıyla konutların enerji ihtiyacını da karşıladı. Türbinlerin enerji üretim miktarı arttıkça buzdolabı, dondurucu, çamaşır ve bulaşık makinesi, elektrikli el aletleri gibi cihazlarda da kullanılmaya başlandı. Ancak rüzgarın sürekli olmaması, kesintisiz elektrik ihtiyacı ve kırsal bölgelere de elektrik şebekesi götürülmeye başlanması bu uygulamanın uzun soluklu olmasını engelledi.

1931 yılında şebekeye elektrik sağlayacak rüzgar türbini Rusya tarafından yapılmasına rağmen, 1935-1970 arasında ABD, Danimarka, Fransa, Almanya ve İngiltere’de yapılan çeşitli denemeler, güçlü rüzgar türbinlerinin olanaklı olduğunu göstermekle birlikte, başarılı bir türbin üretimi gerçekleştirilemedi. Bu denemeler içerisinde en güçlüsü, 1941 yılında Vermont’ta kurulan 53.3 metre rotor çapına sahip, 1.25 MW gücündeki Smith-Putnam adlı rüzgar türbiniydi. Yine bu dönemde Danimarka’da yerleşim olan bazı adalarda kullanılmak üzere, F. L. Smidth birkaç adet iki ve üç kanatlı rüzgar türbini üretti.

ÇALIŞMALAR İKİNCİ DÜNYA SAVAŞI SONRASINDA HIZ KAZANDI

İkinci Dünya Savaşı sonrasında rüzgar türbinleri konusundaki çalışmalar hız kazandı. Bu dönemde Almanya’da düşük ağırlık ve yüksek verim sağlamak amacıyla fiberglas ve plastikten imal edilmiş kanatlara sahip yatay milli rüzgar türbini geliştirildi. Bu çalışmalarda eski prensiplerden vazgeçilip “aerodinamik yükleri azaltmak veya bunlardan sakınmak” prensibi üzerinde duruldu. Ayrıca bu yeni sistemde aşırı rüzgar durumunda geriye doğru yatabilen rotor konsepti geliştirildi.

Danimarka’da günümüze büyük ölçüde örnek oluşturacak türbinler üretildi. Danimarka konsepti olarak anılacak bu çalışma, üç kanatlı, elektromekanik olarak rüzgara yönlendirilen, “aerodinamik stall” olarak bilinen güç kontrolü ile çalışan ve asenkron endüksiyon jeneratörü kullanılan bir türbindi. Bu türbin, hiçbir bakım uygulanmadan 11 yıl çalıştı.

İkinci Dünya Savaşı sonrası 1970’lerde tekrar hız kazanan çalışmalar esnasında 1973 yılında yaşanan petrol krizi ABD hükümetinin rüzgar enerjisine ilgisini artırdı. Danimarka’da 11 yıl boyunca kullanılan rüzgar türbini daha hafif malzemelerle imal edildi ve özellikle Almanya bu konuda çalışmalar yürüttü. Almanya’da uygulanan yenilikler ABD’de de uygulanmaya başlandı fakat gerekli politik desteği alamadığından bu çalışmalar başarısız olarak nitelendi. ABD’de üretilen en büyük türbin, Amarill, Teksas’taki Tarımsal Araştırma İstasyonu’na Sandia laboratuvarları tarafından deneysel amaçla kurulan 34 metrelik türbindi.

NASA, 1975 yılında rüzgar türbini çalışmalarına başladı. Sırasıyla MOD-0, MOD-1 ve MOD- 2 çalışmalarını gerçekleştiren NASA’nın en büyük problemi rüzgaraltı yönünde çalışan türbinlerde kanatlardan birisinin direğin ‘gölgesi’ içerisine girmesi anında oluşan dinamik yükleri anlayamadıkları ve Ulrich Hutter’in bunun üstesinden gelmede kullandığı yöntemin de farkına varamamaları oldu. NASA’nın bu süreçte en başarılı olduğu türbinler dört adet MOD-0A 200 kW türbinin çalıştırılmasıydı. NASA’nın ilk “gerçek” rüzgar türbini ise, 100 metre çapındaki MOD-2 idi. 1980’lerde bu türbinlerden üç adedi Columbia Nehri’ne bakan bir arazide birkaç yıl çalıştı ve tasarımın zayıf noktalarının anlaşılmasına yardım eden çok değerli bilgilerin elde edilmesine olanak sağladı.

Colorado’da bir federal test merkezinin açılmasıyla türbinlerin gelişimi hız kazandı. Ancak bu türbinler de ne ihtiyaçlara uygun ne de güvenliydi. Söz konusu dönemde Colorado’da -günümüzde hala satılan- 13 adet türbin tasarımı yapılarak üretildi. Bu çalışmalar sonrasında Reegan yönetiminin acele etmesiyle ABD endüstrisi henüz tamamlanmamış olan teknolojik gelişimi uygulamaya soktu. Başarısız geçen bu gelişmelerden sonra Bush yönetimi rüzgar türbinleriyle ilgili yönetimi NREL’e (National Renewable Energy Laboratories-Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarları) devretti ve ABD’nin rüzgar endüstrisi bundan sonra gelişme gösterebildi.

YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARINA İLGİ ARTIYOR

Dünya nüfusunun ve sanayileşmenin gelişimine bağlı olarak artan enerji ihtiyacı yanında, fosil yakıtların tükenme riskleri ve çevre bilincinin oluşturduğu baskılarla, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi gün geçtikçe fazlalaşıyor. Rüzgar enerjisi, sadece gelişmiş ülkelerin değil, gelişmekte olan ülkelerin de sıcak baktığı bir enerji kaynağı haline dönüşüyor. Bu nedenle, rüzgar enerjisinden faydalanma ve rüzgar türbinleri veya çiftlikleri kurma düşüncesi dünyada gittikçe yaygınlaşıyor. Geleceğe yönelik rüzgar enerjisi santralleri projelerinin de sayıları hızla artış eğiliminde. Yapılan hesaplamalar, gelecek dönemlerde tüm yenilenebilir enerji kaynaklarıyla birlikte rüzgar enerjisinin tahmin edilenden daha fazla kullanılacağına ve yenilenebilen enerji kaynaklarının sıçrama yapacağına işaret ediyor.

Kaynakça:

http://www.yenienerji.com/arastirma-gorus/ruzgar-turbinlerinin-tarihsel-gelisimi