GÜNEŞ VE RÜZGAR ENERJİSİ KAYNAKLARINDAN YARARLANILMALIDIR

Doç.Dr. Muammer ERMİŞ

S osyo ekonomik yaşamın sağlıklı bir biçimde sürdürülebilmesi ve yaşam düzeyinin yükseltilebil mesi, gerekli enerjinin sürekli ve güvenilir bir biçimde sağla nabilmesine bağlıdır. Günümüzde kişi başına enerji tüketimi, bir ülkenin geliş mişlik düzeyinin ve refahın belli başlı göstergelerinden biri olarak kabul edil mektedir. Ülke olarak gerek kişi başına toplam birincil enerji (ticari) tüketimi gerekse elektrik enerjisi tüketimi açı sından parlak bir tablo çizemediğimiz bir gerçektir. 1987 yılında kişi açısın dan enerji tüketimi Türkiye'de 782 KEP/kişi olarak ger çekleşmiştir (Dünya ortalaması: 1345 KEP/kişi). Nitekim kişi başına enerji tüketimi, aynı yıl içersinde, Katar, ABD ve SSCB'de sırasıyla 15318, 6679 ve 4644 KEP/kişi ola rak gerçekleşmiştir. Kişi başına elektrik enerjisi tüketimi açısından da benzer bir tablo ortaya çıkmaktadır. 1987 yılı Dünya.ortalaması 2085 kWh/kişi olmasına karşılık Türkiye'de 848 kWh/kişi olarak gerçekleşmiştir (1990 yılı nın 1000 kWh/kişi olarak gerçekleşmesi beklenmekte dir.) Aynı değerin Norveç, Kanada ve SSCB'de sırasıyla 24756, 11204 ve 5792 KWh/ kişi olduğunu belirtmekte yarar vardır.

Yaygın olarak kullanılan enerji kaynakları insanlık tarihi boyunca önemli değişmeler göstermiştir. Önceleri odu nun kimsayal enerjisi daha sonraları ise suyun potansi yel enerjisi, rüzgardaki kinetik enerji ve güneşin ışıma enerjisi insanoğlunun gereksinimlerine cevap vermiştir. Geçtiğimiz yüzyılda ise ana enerji kaynaklarının kömür, petrol ve doğalgaz gibi fosil kökenli yakıtlar olduğunu görmekteyiz. 194O'lı yılların ortalarından itibaren nükleer enerji potansiyel bir kaynak olarak hizmete sokulmuştur. 2. Dünya savaşı sonrasında gelen hızlı ekonomik büyü me süreci bir yandan bol ve ucuz petrolün 2000 yılına kadar kesintisiz sağlanabileceği diğer yandan da yeni

O ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü

nükleer enerji teknolojilerinin artan bir hızla fosil enerji teknolojilerinin yerini alacağı ve 2000 yılında ise dünya enerji gereksiniminin nükleer teknoloji ye dayandırılabileceği varsayımına oturtulmuştur.

Bu beklentilerin gerçekleşmediği açıktır. Uluslararası siyasal ve ekono mik gelişmeler sonucu 1970 sonrası üç petrol krizi yaşanmıştır. Bu kriz dö nemlerinde petrol fiyatları önemli artış lar göstermiş ve özellikle yeterli petrol kaynağı olmayan az gelişmiş ülkeler petrol temininde darboğazlara girmiş tir. Son olarak, körfez bunalımı nedeniyle, ham petrol pi yasasında spekülatif hareketler gözlenmiş ve fiyatlar önemli ölçüde artmıştır. Gelişmiş ülkeler sahip oldukları ileri teknolojiler nedeniyle petrol girişi üretilmiş mal çıkışı zinciri içersinde fiyat artışlarının olumsuz etkilerini gider mek (en azından minimize etmek) yeteneği ve hareket serbestisine her zaman sahiptir. Bu tür kriz dönemlerin de tüm fatura, Türkiye'nin de içinde bulunduğu, petrol kaynakları yetersiz gelişmekte olan ülkelere çıkarılmakta dır. Bu olumsuzluklar kendilerini, bütçede petrol ithalatı na ayrılan bölümün çok artması ve belirsizlikler nedeniy le uzun dönemli kalkınma planlarının sağlıklı bir biçimde yapılamaması olarak göstermektedir.

Diğer yandan yeni nükleer enerji teknolojilerinde bekle nen gelişmeler de gerçekleşmemiş ve gerçekleşmesi 2000 yılının ötesine kaymıştır. Son meydana gelen "Three Mile Island" ve "Çernobil" kazaları da nükleer santrallarda emniyet konusunda yoğun bir tartışma açıl masına ve mevcut santralların bu açıdan yeniden göz den geçirilmesine neden olmuştur.

Alışılmış fosil ve kısmen nükleer enerji kaynakları dışın daki alışılmamış kaynaklara dayanan ve potansiyel önem taşıyan yeni enerji dönüşüm teknolojilerinin ekono mik olarak devreye sokulabilmesi de 2000 yılı ve sonra sını beklemeyi gerektirmektedir. Hızla artan enerji gerek siniminin, alışılmış enerji kaynakları ve teknolojileri ile karşılanması zorunluluğu özellikle petrol öz kaynakları

293 MÜHENDİSLİĞİ

yetersiz olan gelişmekte olan ülkelerin kalkınma çabala rını önemli ölçüde etkilemektedir.

Birçok ülke, günümüz ekonomik problemlerin enerji alan larındaki yapısal nedenlere de dayandığının bilincine var mış, enerjiye yönelik yapısal nedenleri, bünyelerine uy gun ve ekonomik büyümeyi sağlayacak biçimde değiştir mek için, gerekli önlemleri son 15 yılda uygulamaya koy muştur. Bu önlemler: petrole olan bağımlılığın azaltılma sı, ulusal kaynaklardan olabildiğince yararlanma, yeni enerji kaynaklarının işletilmesine yönelik teknolojilerin hızla geliştirilmesi ve uygulanması ve enerji tutumluluğu önlemlerinin hayata geçirilmesi olarak özetlenebilir.

Çizelge 1 : Yararlı hale dönüştürülebilen dünya yenile nebilir enerji kaynakları potansiyeli

Kaynak

Güneş (toplam) Rüzgar Hidrolik Jeotermal Gel git

Potansiyel

Wattx1012 Quad/yıl

1.8x105 130 2.9 0 13 0.08

50x105 3900 86 4 2

Y ENİLENEBİLİR ENERJİ KAY NAKLARI

GÜNEŞ ENERJİSİ

Yenilenebilir birincil enerji kaynakları (Güneş, Hidrolik, Rüzgar, Dalga, Fotosentez, Biyogaz, Gelgit ve Jeoter mal Enerji) çok büyük bir potansiyel göstermektedir. Bu kaynakların yararlı hale dönüştürülebilir potansiyellerine ilişkin kestirimler Çizelge 1'de verilmiştir. Bu veriler de ğerlendirilirken, 1980 yılı dünya enerji isteminin yaklaşık olarak 200 Quad° olduğu dikkate alınmalıdır. Günümüz de yenilenebilir enerji kaynaklarından büyük potansiyel gösteren güneş ve rüzgar enerjisinden yaygın bir biçim de yararlanılamamasının temel nedenleri ilgili teknolojile ' rin tam olarak geliştirilememesi, enerji sunumunun de ğişken ve kesintili olması ve enerji yoğunluğunun düşük lüğüdür.

Türkiye açısından hidrolik, jeotermal, güneş ve rüzgar teknik ve ekonomik potansiyel gösteren yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Bu kaynaklardan halihazırda ülkede yararlanma düzeyi en düşük iki tanesi olan güneş ve rüzgar yazımızın konusunu oluşturacaktır. Bu kaynakla rın özellikle, yararlanılabilir potansiyeli, enerji sunumu ve yoğunluğu ve gerekli dönüşüm sistemleri kısaca incele necektir. Güneş lsı enerjisi dönüşüm sistemlerinin, fosil kökenli yakıtların yerme kullanılarak ülke. ekonomisine çok büyük katkılarda bulunabileceği bir gerçektir. Bu ne denle bu tür sistemlerin ayrı bir yazı konusu olması gere ği açıktır.

Güneşin siyah bir cisim (black body) gibi ışıma yaptığı düşünüldüğünde, etkin sıcaklığının 5770 K ve uzaya bi rim zamanda yaydığı toplam enerjinin 3.85 x 1026 W ol duğu belirlenmektedir. Bu çok yüksek boyutlu enerjinin ancak çok küçük bir bölümü, güneşten, 1.496 x 10" m ortalama uzaklıkta bulunan dünya üzerine düşmektedir. Dünya atmosferinin hemen dışında, güneş akısı yoğun luğu 1370 ± 6 W/m2 olarak kabul edilmektedir. Eğer at mosfer olmasaydı ve güneş ışınları yeryüzüne dik olarak düşebilseydi, dünyaran birim yüzey alanında da bu de ğerde bir giriş gücü yoğunluğu elde edebilecektik. Hal buki, güneş ışınları yer yüzüne ulaşmadan önce atmos ferde uzun bir yol katettiklerinden, saçılma, yansıma, moleküller ve toz tarafından emilme ve diğer nedenler den dolayı atmosfere giren güneş ışınlarının ancak bir bölümü dünya yüzeyine ulaşabilmektedir. Nitekim dünya atmosferine ulaşan güneş akısı yoğunluğunun: açık gök yüzü koşullarında % 80'i, bulutlu gökyüzü koşullarında ise ancak % 45 0'ı yeryüzüne ulaşabilmektedir.

Güneş etrafında eliptik bir yörüngede dönen dünya, bu yörüngeye eğik konumda olan kendi ekseni etrafında da batı'dan doğu'ya doğru dönmektedir. Bu nedenlerle dün ya üzerinde verilen bir konuma ulaşan güneş akısı yo ğunluğu: bu konumun coğrafi pozisyonuna (hangi enlem ve boylam üzerinde bulunduğu), ölç menin yada hesaplamanın yılın han gi ayı ve günü ve günün hangi saa tinde yapıldığına bağh olacaktır. Bu veriler, güneşin söz konusu konu mun birim yüzey alanı ile yaptığı açı yı, dolayısıyla güneş ışınlarının birim yüzey alanına ulaşmadan önce at mosferde ne kadar bir mesafe kate deceğini belirleyecektir. Güneş ışın ları yeryüzüne dik olduklarında at mosferde en kısa mesafe^katetmiş olurlar (90°, atmosferlik kütle m 1, zenith) ve birim alana düşen güneş akısı yoğunluğu en büyük değere ulaşır. Güneş ışınları, incelenen ko

1015Blu=f'1.0548:x1018Joule 1Quad/yıl = 3.4xİ010Watt . v , •

294 377 MÜHENDİSLİĞİ

numa yatık geldiklerinde ise, atmosferde daha uzun yol katedeceklerinden (dolayısıyla atmosferde daha fazla yansıtılıp emileceklerinden) dolayı yeryüzüne ulaşan gü neş akısı yoğunluğu daha düşük birdeğer alır. Güneşin açısı 90° ve atmosfeik kütle m«1 olduğunda deniz sevi yesindeki ortalama direkt güneş akısı yoğunluğu 900 W/ m2 dolayındadır. Atmosferik kütle, dikey kütlenin iki, üç ve beş katı olduğunda (güneşin yeryüzü ile yaptığı açı 30°, 19° ve 11°) doğrudan güneş akısı yoğunluğu sırasıy la 750, 600 ve 400 W/m2 olacaktır.

Yeryüzünde belirli bir düzlemdeki toplam güneş akısı "toplam ışıma (global radiation)" olarak adlandırılır ve "doğrudan (direct)" ve "yayınık (difuse)" bileşenlerinden oluşur. Açık hava koşullarında yayınık ışıma bileşeni, doğrudan bileşene göre çok küçüktür. Güneş enerjisi te miz, tükenmeyen sonsuz bir kaynak olmasına, karşın, sunumu değişken ve kesintili olup enerji yoğunluğu dü şüktür. Dünya'ya ulaşan güneş enerjisinin bir bölümü rüzgar, hidrolik, dalga ve fotosentez enerjisine dönüşe rek yeryüzündeki yaşamı harakete geçirmektedir.

Güneş Enerjisi Dönüşüm Sistemleri

Işıma enerjisinden Uç tür sistem yardımıyla yararlanmak mümkündür. Isı enerjisi elde etmek amacıyla, güneş top layıcıları ve güneş yoğunlaştırıcı sistemler kullanılmakta dır. Elektrik enerjisine doğrudan dönüşüm ise, fotovoltaik hücreler yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Işıma enerji sinden gelecekte yaygın bir yararlanma konusunda po tansiyel gösteren uygulamalar: binaların ısıtılması (ışıma ısı enerjisi dönüşümünü,) sıcak su elde edilmesi (ışıma ısı), büyük ölçekli elektrik enerjisi üretimi (ışıma ısı mekanik elektrik), küçük ölçekli elektrik enerjisi üretimi (fotovoltaik hücreler ile ışıma elektrik enerjisi dönüşümü) olarak özetlenebilir.

Günümüzde dünya birincil enerji tüketiminin öemli bir bö lümü konut ve binaların ısıtılmasında kullanılmaktadır. Kaynak, ağırlıklı olarak fosil kökenli yakıtlardır. Bu alanda güneş enerjisinin geliştirilen etkin ve edilgen sistemler yardımıyla yaygın bir kullanım kazanacağı söylenebilir. Nitekim 2 1 . yüzyılın ilk yarısında binaların ısıtılmasında kullanılacak otan enerjinin % 30 40'lık bir bölümün güneş kaynağından karşılanabileceği genel kabul gören bir de ğerdir. 2000 yılından sonra ticari olarak uygulamaya gire ceği umulan, bir diğer sistem, büyük ölçekli elektrik ener jisi üretimine yönelik güneş santrallarıdır. Bu tür sistemle rin çöl alanlarına kurulması düşünülmektedir. Güneş enerjisi ilkönce toplayıcılar, ya da yoğunlaştırıcılar (ayna veya mercek sistemleri) yardımıyla ısı enerjisine dönüş türülecek; elektrik enerjisine dönüşüm ise buhar türbini taraf4ndan sürülen (tahrik edilen) generatör tarafından gerçekleştirilecektir. Yüksek ilk yatırım maliyeti ve büyük miktarlardaki soğutma suyu gereksinimi, güneş santral larının yaygınlaşmasında belli başla engelleri oluştur maktadır.

Güneş enerjisi temiz, bedelsiz, tükenmez ve potansiyel bir kaynak olmasına karşın ilgili dönüşüm sistemleri enerji teknolojisi ve ekonomisi açısından aşağıda sırala nan olumsuz özelliklere sahiptir. Güneş enerjisi dönü şüm sistemleri, enerji yoğunluğunun düşük olması nede

2000 yılından sonra uygıdamayagireceği umulan bir diğer sistem, büyük ölçekli elektrik enerjisi üretimine yönelik güneş santralleridir.9* niyle, yeryüzünde geniş bir alan kaplayacaklardır. Işıma enerjisi sadece gündüzleri mevcut olduğundan, bu tür sistemlerin yük faktörleri göreceli olarak düşüktür. Mev cut ticari fotovoltaik teknolojilerinde dönüşüm verimliliği ancak % 10 15 dolayındadır. Bazı uygulamalarda enerji sunumu ve istemi ayrı zaman dilimlerinde (yaz kış, gün düz gece) olmaktadır.

Fotovoltaik Sistemler

Silicon ve Gallium arsenide gibi yarı iletkenlerden oluşan fotovoltaik hücreler, güneş ışınlarına maruz bırakıldıkla rında, D.A. gerilim üretirler. İstenilen gerilim seviyesini el de etmek için yeterli sayıda hücre seri olarak bağlanır ve paketlenir. Bu şekilde oluşturulan bir yapı fotovoltaik pa nel olarak adlandırılacaktır. Belirli bir yükü beslemek amacıyla tasarlanan bir fotovoltaik sistemde, yeterli sayı da fotovoltaik panel seri/paralel bağlanarak hem gerekli güç düzeyi hemde gerilim seyivesi elde edilecektir.

Fotovoltaik güç kaynakları: çeşitli yerleşim birimleri ve mevcut elektrik şebekelerinden uzak bölgelerde kurulu çiftlikler, mikrodalgatekrarlayıcı istasyonları, deniz fener leri, yangın gözetleme kuleleri, deniz ve dağ evleri ha berleşme sistemleri, katodik koruma sistemleri gibi kuru lu gücü düşük tekil yüklerin elektrik enerjisi gereksinimini karşılamakta kullanılabilmektedir. Bu tür yükler için alışı lagelmiş enerji kaynaklarının kullanılması veya elektrik şebekesinin götürülmesi genellikle ekonomik bir seçe nek oluşturmamakta hatta bazen mümkün olamamattadr.

Fotovoltaik güç kaynaklarının tasarımında temel ilkeler den en önemlisi, yıl ve gün boyunca, sistemin kurulacağı konuma ulaşan güneş akısından en iyi bir biçimde yarar lanmadır. Maksimum yararlanma, fotovoltaik panellerin üzerlerine güneş ışığı daima dik düşecek şekilde (güneşi izleyerek / sun tracking) hareket ettirilmesi ile sağlanır. Bu yöntem fotovoltaik güç kaynağının pahalı bir elektro mekanik güneş izleme düzeneği ile donatılmasını gerek tirmektedir. Küçük ve orta boy (birkaç kWp kurulu güç) fotovoltaik sistemler genellikle operatörsüz çalıştırılacak şekilde tasarımlandığından ve bu sistemlerin kurulacağı yerlerde genellikle teknik eleman bulunmadığından, foto voltaik paneller yeryüzüne göre sabit açı yapacak şekil de monte edilirler. •

Fotovoltaik panellerin üzerine düşen güneş enerjisinin en iyilenmesi amacıyla, paneller yüzleri güneye (kuzey yarımkürede) bakacak şekilde monte e d p t r . Panel yü zeyinin yatayla yapacağı sabit açının beUrtaimiBşinde ise iki yaklaşım söz konusudur:

Güneş Enerjisi

Giriş gücü yoğunluğu: 400 900 W/m2

Fotovoltaik Paneller

Panel tipi

Verim

Silicon : % 13 —1 5 Gallium arsenide : % 2 0 2 5

Maksimum Güc Noktası

Güc İşleme ve Düzenleme

TL

Kontrol Birimi

Verim % 80 98

Akümülatör Grubu

DA/AA veya DA /DA Çevirgeç

Elektriksel Y ük

Çıkış gücü yoğunluğu

42 132 W/m2 64 220 W/m2

Şekil 1: Tipik bir fotovoltaik sistemin kütle gösterimi ve giriş çıkış güç yoğunlukları

1. Yıllık elektrik enerjisi üretimini en iyilemek. Bu amaçla, sözü edilen açının konumun enlem derecesine eşit alın ması yeterlidir.

2. En kötü aydaki enerji üretimini en iyilemek. En kötü ay enerji girişinin en düşük, istemin ise en yüksek olduğu aydır..Sözü edilen açı, konumun enlemine bağlı olarak hesaplanmalıdır. Örneğin, Ankara konumu için ve çevre aydınlatmasında en kötü dönem Aralık Ocak ayları olup, enerji girdisini en iyilemek için paneller yatay ile 55° lik sabit açı yapacak şekilde monte edilmelidir.

iyi tasarlanmış bir fotovoltaik sistemde güneş enerjisi gir disinin en iyilenmesi yeterli olmayıp, bu gücün en yüksek verimlilikle elektriksel güce dönüştürülmesi de gerek mektedir. Bir fotovoltaik panelin verimliliği, dolayısıyla çı kış gücü (sabit panel yüzey sıcaklığı ve güneş ışıma şid detinde), panel çıkış gerilimine bağlı olarak 0 max değer leri arasında radikal bir değişim göstermektedir. Bu ne denle, tasarımda temel kıstaslardan bir diğeri, panelin en verimli çalışma noktası olan maximum güç noktasında çalışmasının sağlanmasıdır (Bkz. Şekil 1). Maksimum güç noktasının sağlandığı panel gerilimi, panel yüzey sı caklığına ve ışıma şiddetine bağlı olarak değişecektir. Değişen çalışma koşullarında, panel verimliliğini sürekli maksimize eden işletim biçimini maksimum güç noktası nın izlenmesi olarak adlandırıyoruz. Maksimgm güç noktasının izlenmesi amacıyla, orta bü yüklükteki sistemlerde, güç işleme birimleri ve sayısal veya örneksel kontrol birimi kullanılmaktadır. Küçük foto voltaik sistemlerde ise uygun çalışma eğrileri olan panel lerin kullanılması ve akümülatör grubu ile yükün bu eğri lere uyumlandırılarak seçilmesi maksimum güç noktası nın civarlarında bir çalışma bölgesini ortaya çıkaracaktır. Fotovoltaik enerji kullanımı gündeme geldiğinde, hangi yoğunlukta bir enerjinin veya gücün söz konusu olduğu bilinmelidir. Bağımsız bir fotovoltaik güç kaynağının (şe bekeye bağk olmayan) ana elemanları, bu elemanların

elektriksel verim değerleri ve sistemin giriş çıkış güç yo ğunlukları Şekil 1'de verilmiştir. Güneş ışınları panel yü zeyine dik olarak düştüğünde, 400 900 W/m2 giriş gücü yoğunluğu söz konusudur. Teknolojik olarak gelişkin ve güvenilir panel tipleri olarak Silicon ve Gallium arsenide paneller dikkate alınmıştır. Gallium arsenide tipi paneller göreceli olarak yüksek verimliliğe (%20 25) sahip olma larına karşılık stlicon tipi panellerden dört kat pahalı ol dukları için yeryüzü uygulamalarında nadiren kullanılır lar.

IS ı

12 \rnax

1I o I 1*

«»• 9 mirrv >^ OT 8

>w

\^ \

Mali

>> 6 5

4 3

^SNV s^is

Silikon hücreler

1 0 1980

1985 Y ıl

İnce film*

Şekil 2: Fotovoltaik panel maliyeti

296 377 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

Sistem elemanlarının verimlilikleri dik kate alındığında fotovoltaik güç kayna ğının çıkış gücü yoğunluğu en çok, sili con panellerde 132 W/m2, Gallium arsenide panellerde ise 220 W/m2 de ğerleri civarına ulaşacaktır. Alışılagel miş güç kaynakları ile karşılaştırıldığın da, bu değerler çok düşük güç yoğun luklarına karşılık gelmektedir.

Rüzgarların taşıdığı kinetik enerji ile rüzgardan elde edilebilecek enerji arasında bir ayrım yapılmalıdır."

Fotovoltaik sistemlerin olurluluğunu etkileyen bir diğer unsur ilk yatırım ma liyetlidir. Bu tür sistemler 20 25 yıllık teknik ömürleri bo yunca sıfıra yakın bir işletme maliyeti ile çalıştırılabilirler. İlk yatırım maliyetini, en pahalı eleman olan panellerin fi yatları etkileyecektir. Silicon tipi paneller ve son yıllarda ilgi çeken ince film tipi panellerin Wp başına fiyat deği şimleri Şekil 2'de verilmiştir. Panellerin anma gücü Wp (Watt peak) olarak verilir ve bu güç standart test koşul larında (1000 W/m2 ışıma, 25°C panel yüzey sıcaklığı) elde edilir.

Büyük ölçekli yaygın bir kullanım için panel birim mali yetlerinin 1 2 US $ düzeyine indirilmesi gerektiği çeşitli uzmanlarca öngörülmektedir. Dünya ölçeğinde fotovol taik panellere olan talebin, 1990 yılı için, 70 MWp olaca ğı tahmin edilmektedir. Bu talebin uygulama bazında da ğılımı Şekil 3'de verilmiştir. Tesis edilecek panellerin önemli bir bölümünün, elektrik şebekesi mevcut olma yan yerlerde, bağımsız güç kaynakları oluşturmak ama cıyla kullanılacağı anlaşılmaktadır.

Kamu

projeleri

Tüketici — i —i^

1% / N . 3ağımsız

\ endüstriyel

/ 24%

/26%Vi5temler

Su 1 18% / ^ \ ^ 5 i

pompalama \ /

^\X Şebekeye

X

29%

y / bağlı

Bağımsız]

domestik

Kestirilen Toplam Talep 70MWp

Şekil 3: Fotovoltaik Sistemlerin 1990 yılı tahmini uygulama alanları da ğılımı

RÜZGAR ENERJİSİ

Atmosfere ulaşan toplam güneş akısı dünyanın yüzey alanına bölündüğünde elde edilen 350 Watt/m2 yoğun luktaki ortalama güneş akısı: dünya atmosferi, denizler ve karalarla etkileşerek rüzgarın oluşmasına neden ol maktadır. Rüzgar enerjisi sistemini, bir girdisi (rüzgara dönüşen güneş enerjisi), bir çıktısı (rüzgarın atmosfer ve yeryüzünde turbulans ve sürtünme ile kaybettiği kinetik enerji), ve depolama özelliği (sürekli hareket halinde olan atmosferin taşıdığı kinetik enerji) olan bir sisteme benzetmek mümkündür. Rüzgarların sürekliliğinin, diğer bir deyişle mevcut dengenin devamının sağlanabilmesi için girdi çıktıya eşit olmalıdır. Bu denge durumunda, dünya atmosferine ulaşan güneş akısının ancak % 2'sinin rüzgara dönüştüğü kabul edilmektedir.

Rüzgardan mekanik enerji üretimi, hava kitlelerinin taşı dığı kinetik enerjinin doğal engeller (toprak yüzeyi, bitki örtüsü vb.) yerine uygun bir biçimde tasarlanmış yapay engellerle (rüzgar türbinleri) emilmesi esasına göre ger çekleştirilir. Rüzgar.türbinleri (0 150 m çapında) yeryüzü sınır tabakasındaki hava akımları ile çalışmaktadır. Rüz garın kinetik enerji kayıplarının % 35'i atmosferin yer yü zeyinden itibaren 1 km'lik bölümünde gerçekleşmektedir. Şekil 4'de gösterildiği gibi, bu değerlendirme bir yıllık sü re için yapıldığında, dünyaya ulaşan güneş enerjisinin 5.7 x 1024 Joule ve sınır tabakasında rüzgara dönüşen bölümün 4 x 1022 Joule değerinde olduğu görülmektedir.

Rüzgarların taşıdığı kinetik enerji ile rüzgardan elde edi lebilecek enerji arasında bir ayrım yapılmalıdır. Rüzgar lardaki toplam kinetik enerjinin 3 x 1020 Joule değerinde olduğu kestirilmektedir. Bu değer, güneş akısının rüzga ra dönüşen bölümünün yaklaşık olarak bir günlük kısmı nın atmosferde kinetik enerji olarak depolandığını göster mektedir. Dünya rüzgar sistemine verilen enerji girdisinin ne kadarlık bir bölümünün yararlı biçime dönüştürülebile ceği kestirilirken, bu çevrimin dünya ikliminde değişiklik lere neden olmaması ve doğal süreçleri etkilememesi gerektiği esas alınmaktadır. Rüzgar enerjisinin dünyada ki dağılımının güneş enerjisi dağılımından çok faklı olma sı nedeniyle, eldeki mevcut bilgilerle, söz konusu üst sı nırı tam olarak belirlemek mümkün olamamaktadır. Bu belirsizliklere rağmen, üst sınır olarak, sınır tabakasında yitirilen kinetik enerjisinin % 10'unun yararlı biçime dö nüştürülebileceği varsayılabilir. Kabul edilen % 10'luk üst sınır değeri daha önce belirtilen büyüklüklere (Şekil 4) uygulandığında yararlanılabilir rüzgar gücünün 2.5 Watt/ m2 ve dünya rüzgar enerjisi kaynağının 1.3 x 1 0 u Watt değerinde olduğu anlaşılmaktadır. Bu kaynağın boyutu

Çizelge 1 incelendiğinde daha iyi değerlendirilebilmektedir. Rüzgar temiz, yenilenebilir, bedelsiz ve potansiyel bir

Rüzgar Enerjisinin Özellikleri

Ortalama rüzgar gücü yoğunluğu düşük olduğundan, bu kaynaktan, dünyanın tüm bölgelerinde ekonomik olarak yararlanmak mümkün değildir. Bazı bölge ve konumlar da ise rüzgar gücü yoğunlaşmaktadır. Rüzgar kaynağı nın yaygın işletimi gücün yoğunlaştığı bu bölge ve ko numlarda gerçekleştirilecektir. Çizelge 2 de genel kabul gören rüzgar gücü sınıfları ve bunlara karşılık olan rüzgar gücü yoğunluğu değerleri verilmiştir. Bu çizelgede rüz gar gücü yoğunluğu birim türbin süpürme alanı başına Watt olarak verilmiştir. 4 7. sınıflara düşen bölgelerde rüzgar enerjisinden ekonomik olarak yararlanmak müm kündür.

kaynaktır. Rüzgar enerjisinin bu olumlu özelliklerinin ya nında, enerji ekonomisi ve teknolojisi açısından aşağıda sıralanan olumsuz yönlerinin de dikkate alınması gerek mektedir. Rüzgar kaynağı değişkendir. Bu nedenle bir elektrik sisteminin tüm girdisi rüzgar kaynağına dayandı rılamaz. Büyük elektrik şebekeleri için % 20 değeri ma kul bir üst sınırdır. Rüzgar kaynağı kesintilidir. Bu neden le durgunluk sürelerinde (rüzgarın hiç esmediği veya hı zının enerji üretimi için yetersiz olduğu dönemler) gerekli enerjinin bir depolama sistemi (akümülatör, su pompala ma, sıkıştırılmış hava, uçanteker vb.) veya başka bir kay naktan (elektrik şebekesi, dizel motor generatör grupları vb.) sağlanması gerekmektedir.

Kurulu güçten ne kadar etkin bir şekilde yararlanıldığının Rüzgar Enerjisi Dönüşüm Sistemleri

bir göstergesi olan yük faktörü, rüzgar enerjisi dönüşüm Günümüzde rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri aşağıda

sistemleri için, diğer alışılagelmiş enerji santrallarına iliş sıralanan uygulama alanlarında önemli bir potansiyel

kin değerlerle karşılaştırabilir boyutlardadır. Konumun sergilemektedir.

rüzgar rejimine ve sistemin transfer karakteristiğine (rüz gar hızına karşı çıkış gücü eğrisi) bağlı olarak bu değer % 20 60 arasında değişmektedir.

Elektrik Enerjisi Üretimi

Elektrik şebekesine bağlanacak orta ve yüksek güçteki rüzgar sistemleri önemli boyutlarda petrol ve kömür tu

tumluluğuna neden olabilirler. Bu

Güne; Akısı

Rüzgar Enerjisine Dönüşüm

Sınır

Tobokası

J

alanda 10 M Watt gücüne kadar ti cari rüzgar sistemleri tekil olarak veya rüzgar çiftlikleri şeklinde (on larca rüzgar enerjisi dönüşüm sis teminin potansiyel bir konuma ko nuşlandırılması) kullanılmaktadır. Bu tür büyük ölçekli elektrik enerji

si üretimine yönelik uygulamalar

l.8xlOl7W

Global Güç

/ % 35r

3.6x IO15 W

l.3xK)l5W

günümüzde ancak 6m/sn ve daha yüksek ortalama rüzgar hızları için ekonomik olmakta ve önümüzdeki dönemlerde birim enerji maliyetin

( 5 . 7 x l O 2 4 J ) (Enerji/yıl) ( l . l x l O 2 3 J )

(l.l'xlO22J)

de önemli düşüşlerin ancak ileri ta sarım ve malzeme ile kütle üretimi

ne geçilmesi ile sağlanabileceği

Şekil 4 : Güneş Akısının rüzgar enerjisine dönüşümü

öngörülmektedir.

298 377 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

Rüzgar gücüsınıfı

10m(33ft) Rüzgargücü yoğunluğu (Watt/m2)

Rüzgar verileri Ortalama rüzgar hızı (m/s)

4.4

. 150

5.1

5.6

6.0

6.4

7.0

9.4

Ç'uelge 2: Rüzgar gücü sınıfı ve yoğunluğu

Bir diğer uygulama alanı ise, elektrik şebekesinin mev cut olmadığı uzak yerleşim merkezlerinin, adaların, kır sal alanlar, ormanlık ve dağlık bölgelerdeki birimlerin (radyo ve TV ara istasyonları, haberleşme istasyonları, yangın gözetleme kuleleri, petrol boru hatlarının katodik koruması, çiftlikler, deniz fenerleri, deniz ve dağ evleri vb.) elektrik enerjisi geresinimini karşılamada ekonomik olarak kullanılabilmektedirler. Bu tür uygulamalar için di zel motor generatör gruplarının veya fotovoltaik sistem lerin desteği ya da enerji depolama sistemlerinin rüzgar kaynağı ile beraberce kullanılması gerekmektedir.

Elektrik enerjisi üretimi amacıyla tasarlanmış bir rüzgar enerjisi dönüşüm sisteminin ana elemanları, bu eleman lara ilişkin verimlilik değerleri ve sistemin giriş ve çıkış güç yoğunlukları (türbinin birim süpürme alanı bazında) Şekil 5'de verilmiştir.

Rüzgar gücü yüksek bir verimlilikle (% 20 45) mekanik güce dönüştürülmektedir. Mekanik gücün elektrik gücü ne dönüşüm verimliliği de dikkate alındığında, iyi tasar lanmış, modern bir rüzgar enerjisi dönüşüm sisteminin toplam verim değeri % 40'ı aşabilmektedir. (Fotovoltaik sistemlerin toplam dönüşüm veriminin iki katı).

Rüzgar enerjisi, güneş enerjisine göre daha yoğun bir enerji kaynağıdır. 5 m/sn ve 12 m/sn rüzgar hızları tipik "cut in" ve "anma" rüzgar hızı değerleri olarak alındığın da, birim türbin süpürme alanı başına 30 430 Watt çıkış gücü yoğunluğu elde edilebilecektir. Aynı güç seviyesin de, bir rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi, düşeye monte edileceği dikkate alındığında, fotovoltaik sisteme göre çok düşük bir toprak alanı işgal edecektir.

Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri dinamik sistemler ol duklarından, tamamen durağan olan fotovoltaik sistemle re göre, daha karmaşık ve zor sistemler olarak değerlen dirilebilir.

Su Pompalama Sistemleri

Rüzgar enerjisi çeşitli su pompalama sistemlerinde (hay vancılık, ziraat, içme suyu temini) ya doğrudan ya da elektrik enerjisine dönüştürülerek yaygın bir biçimde ve ekonomik olarak kullanılabilecektir. Elektrik enerjisine dönüşüm rüzgar türbininin, genellikle topoğrafik olarak çukurda olan su kaynağından uzak ancak, rüzgarın yo ğunlaştığı bir konuma tesis edilebilmesine olanak sağlar. Bu yaklaşım özellikle orta ve büyük ölçekli su pompala ma sistemlerinin ekonomikliğini arttıracaktır.

Küçük ölçekli su pompalama sistemlerinde rüzgar enerji si uygulamaları, bölgenin yıllık ortalama rüzgar hızı 3 3.5 m/sn gibi düşük bir değerde olsa dahi ekonomik olabil mektedir. Rüzgar ve fotovoltaik kaynağa dayalı su pom palama sistemlerinin maliyet açısından yarışabilir kulla nım aralıkları Şekil 6'da günlük su ihtiyacına ve su kay nağının yeryüzünden derinliğine bağlı olarak verilmiştir.

Diğer Uygulamalar

Isıtma, soğutma, suyun arıtılması, drenaj ve ulaşım rüz gar enerjisinin diğer uygulama alanları olarak düşünüle bilir.

Giriş gücü yoğunluğu : v=5 m/sn'de 75 W/m2

12 m/sn'de IO25W/m2

Çıkış gücü yoğunluğu. 8 32 W/m2 II5 430 W/m2

Generator

Güç İşleme ve Düzenleme

Bağımsız Yük veya

AA Şebeke

Türbin (Birim süpürme alanı, I m^ )

verim : % 2 0 45

% 70 95

Kontrol Birimi % 80 98

Şekil 5: Tipik bir rüzgar • elektrik enerjisi dönüşüm sisteminin kütle gösterimi ve giriş çıkış yoğunlukları

40 E 30

20 10 \

V\

\Ruzgar

Dizel

— ~ ——

Derinli

Elp ornpasN 0

"

.

80 100 120 140 160 180 200

Günlük su talebi, m^

Şekil 6 ( ' : Rüzgar ve Fotovoltaik kaynağa dayalı su pompalama sistemlerinin maliyet açısından yarışabilir kullanım aralıkları

(') Varsayımlar:

1. Güneş akısı: 4 6 kWh/m2 gün

2. Rüzgar hızı: 5 m/sn

3. Yerine teslim mazot fiyatı: 0.5 1.0 U.S. $/1t

4. Sistemlerin anahtar teslimi fiyattan dikkate alınmıştır.

5. Operatör ücretleri analize dahil edilmemiştir.

RÜZGAR VE FOTOVOLTAİK ENERJİNİN EKONOMİK UYGULAMA ALANLARI

Rüzgar ve fotovoltaik güç kaynaklarının günümüzde dün yada ve ülkede ekonomik olduğu kesinleşmiş uygulama alanları, elektrik şebekesinin mevcut olmadığı bölge ve kırsal kesimlerde: haberleşme, aydınlatma, sulama, ileti şim, sağlık, eğitim ve koruma sistemlerinin elektrik enerji si ihtiyacının bu kaynaklardan karşılanmasıdır. Bu tür uy gulamalarda rüzgar ve fotovoltaik kaynaklar ayrı ayrı kul lanılabilecekleri gibi bileşik bir sistem içersinde beraber ce de kullanılabilirler.

Bu tür bölge ve konumların elektrik enerjisine kavuşturul ması, ile hem yaşam düzeyi yükselecek hem de üretken . lik ve verim artacaktır. Elektrik enerjisinin temini amacıy la kullanılabilecek seçenek kaynaklar: FV, rüzgar, mikro hidro, dizel motor generatör ve ülkede mevcut elektrik şebekesinin o noktaya uzatılmasıdır. AID (Agency for International Development) tarafından 1988 yılında yayınlanan bir raporda tarım ve sağJık'ala nında kullanılabilecek alternatif enerji kaynaklarmın eko nomisine ilişkin değerler verilmiştir. İlk'ornekte, uzak kır sal bölgelerde, aydınlatma ve diğer düşük güçlü yükler için gereken elektrik enerjisinin fotovoltaik, rüzgar, karo sen lamba, kurşun asit akümülatör ve pil seçeneklerin den beslenmesi durumu incelenmiştir. Günlük elektrik enerjisi ihtiyacının 2 kWh değerinden düşük olduğu var sayılmıştır. Bu değerin küçük ya da orta .boy bir konutun elektrik enerjisi talebine eşit olduğu düşünülebilir. Şekil 7'de özetlenen değerlendirmeden de anlaşılacağı üzere

en ekonomik çözümler sırasıyla fotovoltaik veya rüzgar kaynaklarınınkullanılmasıdır.

60"

i40 e s

« «i a xo

6 4= 2

e s

Rüzgar Karoaen Kurşun Kuru Umba Asit Hücreli AVumultttör

GUc Kaynagi Seçenekleri

Şekil 7° :Uzak bölgelerde aydınlatma ve diğer düşük güçlü uygulama larda elektrik enerjisi maliyeti.

(") Varsayımlar:

1. Enerji talebi 2 kWh//gün değerinden küçüktür

2. Yerinde teslim gazyağı maliyeti 0.5 1.0 US$/1t. 3. FV ve rüzgar sistemlerinin enerji maliyetleri mevcut tica ri küçük sistemlerin fiyatları dikkate alınarak hesaplan mıştır.

4. Rüzgar hızı: 5/m/sn

300 377, ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

ikincisi ise, yine elektrik şebekesinin mevcut olmadığı konumlarda, çok amaçlı kullanım için gereksinim duyu lan elektrik enerjisinin mikrohidro, foto voltaik, rüzgar, dizel ve elektrik şebe kesinin 10 km uzatılması seçenekleri yoluyla sağlanmasını irdeleyen örnek tir. Elde edilen sonuçlar Şekil 8'de özetlenmiştir. Günlük elektrik enerjisi talebinin çok düşük olduğu durumlar da (< 2 kWh) fotovoltaik ve rüzgar kaynaklarının en ucuz, elektrik şebe kesinin o noktaya uzatılmasının ise dikkate alınmaya değmeyecek kadar pahalı seçenekler olduğu görülmek tedir. Yükün elektrik enerjisi talebinin artması ile birlikte mikrohidro seçeneğinin giderek bariz en ekonomik se çenek olduğu görülmektedir. 10 kWh/gün enerji tüketim

düzeyi için, eğer uygun bir akarsu mevcut de ğilse, en ekonomik seçenekleri sırasıyla rüzgar ve fotovoltaik kaynaklar oluşturmaktadır. 50 kWh/gün gibi kırsal kesim için oldukça yüksek bir enerji kullanım düzeyinde fotovoltaik, rüz gar, dizel ve şebeke tesisi seçeneklerinin aşa ğı yukarı aynı değeri taşıdıkları anlaşılmakta dır.

Ülkede 1988 yılı sonunda yapılan uygulamada da benzer sonuçlar elde edilmiştir. Bir tiftik ke çisi ağılının 600 m2 iç ve 500 m2 çevre aydın latması fotovoltaik kaynaktan sağlanmıştır. Ay nı amaca yönelik olarak ulusal elektrik şebekesinin o ko numa uzatılması durumunda fotovoltaik sistemin üç katı bir ilk yatırım maliyeti ödenmesi gerekeceği bulunmuştur. Ayrıca tüketilen her bir kWh eneji için bir bedel ödenmesi gerektiği, buna karşılık, fotovoltaik sistemlerin çok düşük bir işletme maliyeti ile çalıştırılabilecekleri de değerlendir mede dikkate alınmalıdır.

MİKRO HİDRO

SONUÇ

FV RÜZGAR DİZEL ŞEBEKE

Tarım, endüstri ve günlük yaşamımızda gelişmiş ülkeler düzeyinin çok altında birincil enerji ve elektrik tükettiği miz bir gerçektir. Özellikle kırsal kesimde kurulu pek çok sivil ve askeri tesisler ve yerleşim birimlerinde bu konum

TESİSİ

ların şebekeye uzaklıkları nedeniyle, elektrik enerjisinden

(10 km)

yararlanılamamakta ya da, elektrik üretimi fosil kökenli yakıtlara dayandırılmaktadır. Bu yazıda sergilendiği üze

re, bu tür konumlarda fotovoltaik ve rüzgar kaynakları

ekonomik olarak ve süratle işletime sokulabilir. Bu yolla

bir yandan çalışma koşulları ve yaşam düzeyi geliştirile

cek diğer yandan verimlilik ve üretim, özellikle tarım sek

töründe önemli ölçüde arttırılacaktır. Ayrıca rüzgar potan

siyeli yüksek kıyı bölgelerimizde, şebekeye bağlı olarak büyük ölçekli elektrik enerjisi üretimi yapabilecek rüzgar

enerjisi dönüşüm sistemlerinin tesis edilmesinin mutlaka

dikkate alınması gereken ekonomik bir seçenek olduğu

nu belirtmekte yarar vardır. Önümüzdeki yıllarda enerji

tüketimimizin gerekli düzeye yükseleceği, bu tüketim içe

risinde güneş ve rüzgar kaynaklarının gereken yeri ala

1—

cağı ve bu amaçla bu tür sistemlerin araştırılması ve ge liştirilmesi yönünde gerekli kaynakların ayrılacağını uma

lım.

2kWh/gün 10kWfc/gUn 50kWh/gün

Elektrik Enerjisi İstemi

Şekil 8 :Çok amaçlı kullanım için elektrik enerjisi maliyeti (') Varsayımlar: 1. Güneş akısı: 4 6 kWh/nr gün 2. Yarine teslim sıvı yakıt maliyeti: 0.5 1.0 U$/11 3. Mikro Hidro incelemesinde yıl boyunca yeterli bir yakıt ve bakım servisinin mevcut olduğu varsayılmıştır. 5. Iskonto oranı: % 10 6. Rüzgar hızı: 5m/sn 7. Talebin 2 kWh/gün düzeyinde olduğu durumlarda yeni elektrik şebekesi tesisi seçeneği düşünülmemiştir.

D

KAYNAKLAR

1. Gustavson, MJİ., "Limits to WindPower Vtilization", Sci ence, Vol 204, April 1979, pp 13 17. 2. "Renevnable Energy for Agruculture and heaüh", AID Re port, 1988. 3. "New and Renewable Sources of Energy", lmpact of Sci ence on Society, Vpl 37, No 4,1978. 4. "Meteorological Aspects ofthe Vtilization of Solar Radia tion as an Energy Source", WM0 Publication, TechnicalNo le No:. 172,1981. 5. "Enerji İstatistikleri", Türkiye 5. Enerji Kongresi, Ankara, 1990.