Yatay ve Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri: Bir Karşılaştırma

Rüzgar enerjisi, sera gazı emisyonlarını azaltmada ve fosil yakıt bağımlılığını azaltmada yenilenebilir ve temiz bir güç kaynağıdır. Rüzgar türbinleri, rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren makinelerdir. Eksenlerinin yönüne göre iki ana tür rüzgar türbini vardır: yatay eksenli ve dikey eksenli.

Yatay Eksenli Rüzgar Türbini Nedir?

Yatay eksenli rüzgar türbini (HAWT), ekseninin yere paralel veya yatay olduğu bir rüzgar türbinidir. HAWT'lar, büyük ölçekli elektrik üretimi için kullanılan en yaygın rüzgar türbini türüdür. Genellikle üç uçağı olan uçak pervanelerine benzeyen bıçakları olur, ancak bazılarında iki veya tek bıçak da bulunabilir.

HAWT'nin ana bileşenleri şunlardır:

• Bıçakları ve onları şafta bir araya getiren hub'u içeren rotor.

• Jeneratör, dişli kutusu, fren, yaw sistemi ve diğer mekanik ve elektriksel bileşenleri barındıran nacelle.

• Nacelle ve rotora destek sağlayan ve daha fazla rüzgar yakalamak için onları yerden yükseltme görevini üstlenen kule.

• Kuleyi yere sabitleyen ve rüzgar türbininden gelen yükleri aktaran temel.

HAWT'nin çalışma prensibi, havanın yüzeyi üzerinde akışına karşı yukarı doğru iten bir kuvvet olan kaldırma kuvvetine dayanır. HAWT'nin bıçakları, hava akışı olduğunda üst ve alt yüzeyleri arasında bir basınç farkı yaratan kanat profilleri şeklindedir. Bu basınç farkı, bıçakların yatay eksen etrafında dönmelerine ve bu da şaftı ve jeneratörü sürerek elektrik üretmesine neden olur.

HAWT'nin rotasının düzlemi, verimliliğini maksimize etmek için rüzgar yönüyle hizalanmalıdır. Bu nedenle, HAWT, rüzgar yönüne göre nacelle'nin yönelimini ayarlayan bir rüzgar sensörü ve yaw sistemi ile donatılmıştır. HAWT ayrıca, bıçakların dönme hızını ve güç çıkışını kontrol etmek için bıçakların atak açısını değiştiren bir pitch sistemi de vardır.

HAWT'ların avantajları şunlardır:

• Dikey eksenli rüzgar türbinlerine (VAWT) göre daha az sürükleme ile daha fazla rüzgar enerjisini yakalayabildikleri için daha yüksek verimlidirler.

• Her bir dönüş sırasında aerodinamik kuvvetlerde daha az değişiklik olduğundan, VAWT'lara göre daha düşük tork dalgalanması ve mekanik streslidirler.

• Sabit veya yüzen platformlarda deniz üstünde kurulabilirler, burada rüzgar hızı daha yüksek ve daha tutarlıdır.

HAWT'ların dezavantajları şunlardır:

• Tümseklik ve komşu yapılar veya zemin tarafından etkilenmemesi için yüksek bir kule ve geniş bir araziyi gerektirirler.

• Daha fazla hareketli parça ve elektriksel bileşeni nedeniyle, VAWT'lara göre daha pahalı ve karmaşık kurulum ve bakım maliyetlerine sahiptirler.

• Yüksek rüzgarlar, fırtınalar, yıldırım, kuşlar veya buz gibi durumlardan daha fazla yorulma ve hasara maruz kalabilirler.

Dikey Eksenli Rüzgar Türbini Nedir?

Dikey eksenli rüzgar türbini (VAWT), ekseninin yere dik veya dikey olduğu bir rüzgar türbinidir. VAWT'lar, HAWT'lara göre daha az yaygındır, ancak küçük ölçekli ve şehir uygulamaları için bazı avantajları vardır. Genellikle düz veya eğri iki veya üç bıçağı olur.

VAWT'nin ana bileşenleri şunlardır:

• Bıçakları ve onları jeneratöre bağlayan dikey şaftı içeren rotor.

• Rotordan elde edilen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren jeneratör.

• Rotoru ve jeneratörü destekleyen ve onları yere bağlayan taban.

VAWT'nin çalışma prensibi, bir nesnenin yüzeyi üzerinde akışına karşı hareketini engelleyen bir kuvvet olan sürükleme kuvvetine dayanır. VAWT'nin bıçakları simetrik veya asimetrik olabilir, bu da rüzgar yönüne karşı veya ona baktıklarında farklı miktarlarda sürükleme oluştururlar. Bu sürükleme farkı, bıçakların dikey eksen etrafında dönmelerine ve bu da jeneratörü sürerek elektrik üretmesine neden olur.

VAWT'nin rotasının düzlemi, herhangi bir yönden gelen rüzgarı yakalayabileceği için rüzgar yönüyle hizalanması gerekmez. Bu nedenle, VAWT, yaw sistemi veya rüzgar sensörüne sahip değildir. Ancak, VAWT, bıçakların dönme hızını ve güç çıkışını kontrol etmek için bıçakların atak açısını değiştiren bir pitch sistemi olabilir.

VAWT'ların avantajları şunlardır:

• Daha az hareketli parça ve elektriksel bileşeni nedeniyle, HAWT'lara göre daha düşük kurulum ve bakım maliyetlerine sahiptirler.

• Daha yavaş hızlarda döndükleri için HAWT'lara göre daha düşük gürültü seviyelerine sahiptirler.

• HAWT'lara göre daha düşük yükseklikleri ve daha küçük iz bırakışları nedeniyle, çatılar veya binaların yanına kurulabilirler.

VAWT'ların dezavantajları şunlardır:

• Daha çok sürükleme ve daha az kaldırma kuvveti nedeniyle HAWT'lara göre daha düşük verimlidirler.

• Her bir dönüş sırasında aerodinamik kuvvetlerde daha fazla değişiklik olduğundan, HAWT'lara göre daha yüksek tork dalgalanması ve mekanik streslidirler.

• HAWT'lara göre daha az istikrarlı ve dayanıklı oldukları için deniz üstünde kurulamazlar.

Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri Tipleri

Blade tasarımına göre VAWT'ların iki ana tipi vardır: Darrieus ve Savonius.

Darrieus Türbini

Darrieus türbinleri, bir yumurtalık veya trochoid'e benzeyen eğri bıçaklı VAWT'lerdir. 1931 yılında Fransız mühendis Georges Darrieus tarafından icat edildiler. Darrieus türbinleri, bıçaklarının dönmelerini sağlamak için hem kaldırma kuvvetini hem de sürükleme kuvvetini kullanır. Yüksek dönme hızlarına ulaşabilirler, ancak dış bir başlatma mekanizmasına ihtiyaç duyarlar, çünkü kendileri başlayamazlar.

Darrieus türbinlerinin avantajları şunlardır:

• Hem kaldırma hem de sürükleme kuvvetini kullandığından, Savonius türbinlerine göre daha yüksek güç katsayısına sahiptirler.

• Aralarında daha büyük boşluklar olan daha az bıçak bulundurduğu için, Savonius türbinlerine göre daha düşük yoğunluk oranına sahiptirler.

Darrieus türbinlerinin dezavantajları şunlardır:

• Kendileri başlayamadıkları için dış bir