21 Eylül 2009
Kule bir rüzgar türbinin kanatlarının ve döner tablasının istenilen yüksekliğe çıkarılmasını sağlar. Modern rüzgar türbinlerinde kullanılan kule tipleri; kafes, boru ve gergi kulelerdir. Bu kulelerin şematik görünüşleri aşağıdaki şekilde görülebilir.
Rüzgar türbin kule tipleri
Kafes Kuleler
Kafes kuleler çelik barların şekilde gösterildiği gibi birleştirilmesiyle imal edilirler. Elektrik şebekelerinin iletim kulelerine benzerler. Kafes kulelerde aynı tip boru kulelerdekinin yarısı kadar malzeme kullanılır. Bu yüzden hem hafif hem de ucuzdurlar. Örneğin, bir kafes kule benzer boyutlardaki bir boru kuleden 25.000 $ daha ucuzdur. Bu kulelerin ayakları şekilde görüldüğü gibi geniş bir alana yayılır. Yük daha geniş bir alana yayıldığı için bu kuleler nispeten daha hafif bir alt gereksinim duyarlar. Bu da maliyetin düşmesi demektir.
Kafes kulelerin birçok dezavantajı da vardır. En önemli problem estetik olarak zayıf ve görsel olarak bazı kimselerce kabul edilemez olmalarıdır. Benzer bir şekilde, kuşların yatay barlarına konabilmesinden dolayı kuş severler tarafından yoğun eleştiri almaktadırlar. Bu durum kuş ölümlerini arttırmaktadır. Kafes kulelerin bakımları da kolay değildir. Sıcaklıkların oldukça düşük seviyelere indiği tesislerde, kafes kuleli sistemlerde bakım işlemleri işçilerin dondurucu havaya maruz kalmalarından dolayı zor olmaktadır. Ayrıca bu kulelerin kilitlenebilir kapıları olmadığı için, emniyetlerini sağlamak da zor olmaktadır.
Boru Kuleler
Bütün bu sınırlamalardan dolayı, yeni tesislerin çoğunda boru çelik kuleler kullanılmaktadır. Bu kuleler 10 – 20 m. Uzunluğundaki borusal parçaların birleştirilmesiyle oluşturulmaktadır. Kulenin tamamı kurulum mevkiinde 2 – 3 günde birleştirilebilmektedir. Boru kuleler, dairesel arakesitleri sayesinde bütün yönlerde optimum bükülme direnci sağlarlar. Bu kuleler estetik bakımdan da makuldürler ve kuş popülasyonu için daha az tehlike arz ederler.
Hibrid kule tasarımı
Gergi Tip Kule
Küçük sistemler için gergili çelik direkler kullanılmaktadır. Türbinin kısmen gergi telleriyle desteklenmesi ağırlığın, dolayısıyla maliyetin oldukça düşmesini sağlar. Genelde birbirine eşit mesafeli ve 45 derece eğim açısına sahip 4 adet halat kuleye destek verir. Bu kulelere tırmanmak zor olduğundan, büyük çaplı tesislerde yaygın değillerdir. Fakat Almanya’da MW büyüklüğünde tesislerde gergi halatlı kuleler kullanılmaktadır.
Kuleye etki eden kuvvet, türbin boyutlarıyla beraber artmaktadır. Bu yüzden MW çapındaki en son sistemler çap ve duvar kalınlığı olarak daha yüksek kule boyutlarına gereksinim duyarlar. Bu durum kule nakliyesinde zorluklara yol açar. Genellikle 4.3 m’den yüksek ve 50 – 60 tondan ağır yapıların kara yoluyla taşınması zordur. Dahası duvar kalınlığı 50 mm.’den yüksek tabakalara kavis vermenin ve lehim yapmanın zor olmasından dolayı bu devasa yapıları imal etmek de kolay değildir. Bütün bu sorunlardan dolayı, yüksek kapasiteli sistemler için hibrid kuleler arz edilmektedir.
Beton – boru hibrid kulelerde, alt taraf betondan üst kısımlar ise geleneksel çelik boru yapısına sahiptir. Bu tip tasarımlardan bir tanesi alt kısımlar için prefabrike uzun ve ince beton bileşenler kullanır. Bu bileşenler 10 – 15 m uzunluğunda, 3 – 4 m genişliğinde ve 250 - 350 mm kalınlığındadır. Bu boyutlarla bir kamyon tarafından nakledilebilirler. Bu tasarımda korozyon korumalı çelik kablolar çimentoya bir ön sıkıştırma yapmak için kullanılmıştır. Yapının tamamı sahada bir hafta içinde monte edilebilir.
Diğer bir hibrid kule tasarımı NREL tarafından önerilmiştir. Yukarıdaki şekilde de görüldüğü gibi kiriş, boru ve gergi karışımı bir tasarımdır. Kirişlerden oluşan alt bölüm tasarımın geniş bir taban alanından faydalanmasını sağlarken gergi halatları sayesinde çelik borunun boyutu azaltılabilir. Bu kulenin maliyeti diğerlerinden bir parça daha yüksektir. Fakat bu tasarım gerekli olan en yüksek boru çapını düşürerek nakliye problemini ortadan kaldırır. Benzer bir şekilde yapının toplam hacmi % 25 oranında azaltılabilir.
Rüzgar hızı - türbin yüsekliği ilişkisi
Yukarıdaki grafikte kule yüksekliğinin pervane göbeğindeki hıza etkisi gösterilmektedir. Rüzgar hızı rüzgar tokadına bağlı olarak yükseklikle artar. Kule ne kadar yüksek olursa pervaneden elde edilen güç de o kadar çok olur. Elde edilen gücün yüksekliğe göre değişim oranı yerin yüzey pürüzlülüğüne bağlıdır.
ZR ve Z yüksekliklerindeki hızların oranı aşağıdaki bağıntıyla belirlenir,
Z0 arazinin pürüzlülük katsayısıdır. Yukarıdaki ifadeyi kullanarak tipik bir rüzgar türbininin performansına kule yüksekliğinin etkisini inceleyelim. Varsayalım tesiste 30 m kule yüksekliğindeki ortalama rüzgar hızı 8.2 m/s olsun. Pürüzlülük yüksekliğini açık çimenlik araziler için uygun bir değer olan 0.04 m olarak kabul edelim. Bu şartlar altında yüksekliğin hız üzerindeki etkisini bir üstteki şekilde görebiliriz. 120 m’lik göbek yüksekliğinde hız 9.9 m/s’dir. Bu da 30 m’lik yüksekliktekinin 1.75 katı daha fazla güç anlamına gelir. Hızdaki artışa paralel bir şekilde türbinin kapasite faktörü de aşağıdaki şekildeki gibi artmaktadır. Örneğin 30 m’deki kapasite faktörü 0.26’ken 120 m yükseklikte sistem 0.37 kapasite faktörüne ulaşmaktadır.
Kule yüksekliğinin kapasite faktörüne etkisi
Rüzgar hızının yanı sıra, rüzgar spektrumlarıyla türbin arasındaki uyumun yüksekliği de kapasite faktörünü yükseltir.
Böylece, rüzgar türbinin performansı kule yüksekliği ile artmış olur. Fakat daha yüksek kulelerin maliyeti de yüksek olur. Kule toplam sistem maliyetinin yaklaşık olarak % 20’sini oluşturur. Günümüz piyasa koşullarında kule yüksekliğine yapılan her bir 10 m’lik ilavenin maliyeti yaklaşık olarak 15.000 dolardır. Bunun anlamı, örnekte olduğu gibi kule yüksekliğini 30 m’den 120 m’ye yükseltirsek sistem maliyeti 135.000 dolar yükselir. Bu ilave maliyet sistem performansındaki artışla karşılanabilir mi? Bir başka deyişle en uygun kule yüksekliği ne olmalıdır? Bu konuda en iyi kriter, her bir seçeneğin ekonomikliğini üretilen kWh elektriğin maliyeti bazında değerlendirmektir.
Rüzgarla üretilen elektriğin maliyetini ( c ) hesaplamak için aşağıdaki eşitlik kullanılır.
- CI: sistemin sermaye yatırımı
- n: beklenen ömür
- PR: nominal güç
- CF: kapasite faktörü
- m: bakım maliyeti
- I: enflasyon ve fiyatla dalgalanmaları için düzeltme faktörü
CI, kule yükseldikçe artar. Fakat kulenin yükselmesi CF nin de artmasını sağlar. Böylece en uygun kule yüksekliğinin seçimi sistem maliyeti ile istenilen sistem performansı arasında ilişkiye bağımlıdır.
Kule yüksekliğinin üretim maliyetine etkisi
Örnek
30 m standart kulesiyle beraber 600 kW kule ve aksesuarlarının maliyeti 650.000 dolardır. Kuleye yapılan her 10 m’lik ilave 15.000 dolarlık maliyet artışına sebep olmaktadır. Türbinin beklenen ömrü 20 yıldır. Yıllık işletme ve bakım maliyetleri ilk yatırım bedelinin % 3.5’dir. Enflasyon ve fiyat dalgalanmaları için ıskonto oranı % 7’dir. Tesis noktasındaki ortalama rüzgar hızı 8.2 m/s ve pürüzlülük yüksekliği de 0.04 m’dir. Sistem için en uygun kule yüksekliğini hesaplayınız.
Burada ilk olarak yapmamız gereken yukarıdaki ilk eşitliği kullanarak farklı kule yükseklikleri için rüzgar hızlarını hesaplamaktır. Bu rüzgar hızlarına karşılık gelen kapasite faktörü WERA programının ‘RÜZGAR TÜRBİNİ – RAYLEIGH’ modülünü kullanarak hesaplanabilir. Farklı kule yükseklikleri için kapasite faktörlerini eşitlikte yerine koyarak karşılık gelen elektrik birim maliyetini hesaplayabiliriz. Kuleye yapılan her 10 m’lik ilavenin yatırım maliyetini 15.000 dolar yukarı çektiği unutulmamalıdır.
Sonuçlar yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. 80 m kule yüksekliğine kadar türbin performansındaki ilerlemeye bağlı olarak üretilen birim kWh’in maliyeti derece derece düşmektedir. Fakat 80 m’nin üzerinde ilave kule yüksekliğinden kaynaklanan ilk yatırım maliyeti artışına karşılık kapasite faktörü artmamaktadır. Sonuç olarak üretilen birim kWh’ın maliyeti 80 m’nin üzerinde artmaktadır.
Bir sistemin için en uygun kule yüksekliği tesisin bulunduğu noktayla alakalıdır. Rüzgar rejimi zemin koşullarına bağlı olarak noktadan noktaya değişiklik göstermektedir. Bundan başka ağaçların ve diğer engelleyici cisimlerin varlığı daha yüksek kuleler gerektirmektedir.
Kule yüksekliğini arttırılmasında kısıtlamalar vardır. Yüksek kuleler göze daha çok batar ve rüzgar türbinlerinin estetiğine zarar verir. Kule yüksekliği düzenlemelerden kaynaklanan sınırlardan dolayı da kısıtlanabilir. Örneğin ABD’de bu sınır 61.4 m’dir. Almanya’daki düzenlemeler 100 m’ye kadar olan yüksekliklere izin verir. Kuleler önemli uçuş yolları üzerinde inşa edilecekse düzenleme mercileri yüksek kulelere seyrüsefer ışıklandırması zorunluluğu getirebilir. Ne yazık ki bu tür işaretlendirmeler kulelerin halkın gözüne daha çok batmasına ve tepki toplamasına sebep olabilir. Dahası, beşiğe ulaşmak için özel asansörler yoksa kuleye eklenen ekstra yükseklikler servis ve bakımı zorlaştırır. Bu tip cihazların tedariki genellikle ekonomik değildir. Bütün bu faktörler göz önüne alındıktan sonra kule yüksekliği belirlenmelidir.
Enerji Siteleri
