Rüzgar türbinlerinde neredeyse her zaman üç kanat kullanılır. Peki neden üç? Neden iki, dört ya da beş değil?
En yüksek miktarda elektriği verimli bir şekilde üretmek için dikkate alınması gereken çok şey vardır. Bu tercih, farklı etkenlerin bir arada değerlendirilmesiyle şekillenir. Enerji verimliliği, yapısal denge, maliyet ve gürültü düzeyi en temel kriterlerdir.
Rüzgar türbini ile tavan vantilatörü kanatları arasındaki farklar, bu iki aygıtın farklı tasarım hedeflerinden doğar. Rüzgar türbini, yüksek hızlı rüzgarı yakalayarak verimli biçimde elektrik üretmeyi amaçlar. Tavan vantilatörü ise düşük hızda hava hareketi yaratmalı ve bunu maliyeti düşük parçalarla gerçekleştirmelidir.
Rüzgar Türbinleri Nasıl Çalışır?
Rüzgar türbinlerinde aktarma organlarının maliyetini düşük tutmak için, hızlı hareket eden havadaki enerjiyi verimli şekilde yakalayıp türbini yeterince yüksek bir hızda döndürmek gerekir. Ancak bu hız, gürültü düzeyini kontrol altında tutacak sınırların içinde kalmalıdır. Türbin yavaş dönerse, tork artar ve bu da daha büyük, daha ağır ve daha pahalı aktarma sistemleri gerektirir.
milin hareketi sayesinde jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.
Bu yüksek verimlilik hedefi, uçak kanatlarına benzeyen, burulmuş ve inceltilmiş hava profillerinden oluşan kaldırma tipi kanatların kullanılmasını zorunlu kılar. Bu tasarım, rüzgar akışında bir basınç farkı yaratır. Kanadın bir yüzeyinde yüksek, diğerinde düşük basınç oluşur. Bu fark, kanatların dönmesini sağlar.
Rüzgar Türbinleri Neden Üç Kanatlıdır?
Rüzgar türbinlerinin dengeli ve kararlı çalışması, uzun ömür ve donanım arızalarının önlenmesi açısından kritik önemdedir. Ancak türbinin bir ya da iki kanatla tasarlanması yapısal sorunlara yol açar.
Tek kanatlı bir türbinde rotor dönüşü sırasında denge sağlanamaz. Ayrıca kanat genellikle alt konumda, yani saat 6 yönünde takılı kalır ve dönmeye başlaması zorlaşır. Geçmişte bazı üreticiler tek kanatlı türbinler geliştirmiştir. Ancak bu tasarımlarda denge sorununu çözmek için karşı ağırlık kullanmak gerekir. Ne var ki bu karşı ağırlık, hafif kanatların sağladığı ağırlık avantajını ortadan kaldırır. Bu nedenle tek kanatlı türbinler yaygın olarak kullanılmaz.
Peki tek kanat işe yaramıyorsa neden iki kanat kullanılmaz? İki kanatlı türbinlerde rotorun dengesi kendiliğinden sağlanır, ek bir karşı ağırlığa gerek kalmaz. Ancak bu türbinler “jiroskopik presesyon” denen fiziksel bir etkiye açıktır. Türbin rüzgara dönerken denge bozulur ve salınım oluşur.
Bu salınım, türbinin mekanik parçalarında zorlanmalara neden olur. Aşınma artar, türbinin dayanıklılığı ve hatta güvenliği riske girer. Bazı mühendisler bu denge sorununu azaltmak için “sarkaçlı rotor” adı verilen bir sistem denemiştir. Bu sistemde, göbek ile ana mil arasına bir menteşe yerleştirilir. Son 50 yıl içinde birçok iki kanatlı türbin prototipi geliştirildi. Ancak bunlar ticari ölçekte yaygınlık kazanamadı.
Çoğu iki kanatlı türbinin kapasitesi 1 megavatın altındadır. Bu da onları büyük ölçekli rüzgar santralleri için uygun olmaktan çıkarır. Buna karşılık, üç ya da daha fazla kanatlı türbinler daha dengeli çalışır ve açısal moment daha sabit kalır. Ayrıca, kanatlardan biri yukarıyı gösterirken diğerleri eğimli bir açıyla yerleştiği için türbin rüzgarla daha düzgün bir şekilde döner. Bu yapı, dönüş sırasında oluşan dengesizlikleri azaltır ve genel kararlılığı artırır.
Rüzgar Tribünleri Yatay Yönde Dönemez mi?
Genel olarak, türbinler büyüdükçe elektrik üretim maliyeti düşer. Bu yüzden rüzgar türbinleri giderek büyüyor. Özellikle deniz üstü uygulamalarda 50 metrelik kanatlar artık sıradan sayılıyor; bazı türbinler ise bunun da ötesinde.
Ancak yatay eksende dönen bu dev yapılar, yakında fiziksel sınırlarına ulaşabilir. Çünkü kanat dönme hareketi sırasında yerçekimi kuvvetine farklı şekillerde maruz kalır. Kanat yataydayken yerçekimi ona dik etki eder. Yukarıyı gösterdiğinde, bu kuvvet eksene paralel hale gelir ve kanat köküne doğru yönelir. Aşağıya indiğinde ise yine eksene paraleldir ama bu kez kanat ucuna doğru işler.
Bu sürekli değişen yerçekimi yükü, yapısal olarak salınımlara neden olur. Bazı araştırmalar, bu zorlanmanın yatay eksenli türbinlerin daha da büyümesinin önündeki en büyük engellerden biri olduğunu öne sürüyor.
Dikey eksenli rüzgar türbinleri, bu sorunu ortadan kaldırır çünkü dönerken yerçekimi kuvveti sürekli aynı yönde etkili olur. 80 metrelik metal kanatları yalnızca bir uçtan taşımak gerekmediği için, bu türbinler teorik olarak çok daha büyük boyutlara ulaşır.
Ayrıca araştırmalar, dikey türbinlerin rüzgar çiftliklerinde birbirine daha yakın yerleştirilebildiğini gösteriyor. Böylece aynı alana daha fazla türbin kurulur ve yatay türbinlere kıyasla daha fazla elektrik üretilir. Bu yerleşim avantajı, elektrik maliyetini düşürme açısından önemli bir fırsat sunar.
Şu soru doğal olarak ortaya çıkıyor: Eğer dikey eksenli türbinler bu kadar avantajlıysa, neden henüz yaygın olarak kullanılmıyorlar?
En büyük neden, bu teknolojinin hâlâ gelişme aşamasında olması. Araştırmacılar uzun yıllardır bu tür tasarımlar üzerinde çalışıyor, ancak geçmişte malzeme ve yatak sistemlerindeki yetersizlikler nedeniyle bu teknoloji geride kaldı. Yatırımcılar ise alışılmış tasarımları daha güvenli buluyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- The scientific reason why wind turbines have 3 blades. Yayınlanma tarihi: 3 Mayıs 2022; Bağlantı: https://interestingengineering.com/
- To farm the deep seas, offshore power must look beyond traditional windmills. Yayınlanma tarihi: 12 Ocak 2015. Kaynak site: The Conversation. Bağlantı: To farm the deep seas, offshore power must look beyond traditional windmills
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
