Yükseklik bir rüzgâr türbinine ne yapar

Diyelim ki İtalyan Alpleri’nin yükseklerinde bir binanız var — bir otel, bir dağ evi, bir sığınak, çatısı bin metrenin epeyce üzerinde olan herhangi bir şey. Yukarıda şebeke uzun, ince ve pahalıdır, rüzgâr bedavadır ve bir rüzgâr türbini bariz cevap gibi görünür. Pekâlâ öyle de olabilir. Aynı zamanda kendi ürün sayfamızdaki bir sayının sessizce doğru olmaktan çıktığı bir yerdir. Atlas ürün sayfamızdaki güç eğrisi, tam yanında basılı duran bir formüle dayanıyor: P = ½ × ρ × A × V³ × Cp × η. Herkes V³’ü okuyor, çünkü rüzgâr hızının küpü gösterişli terim. Neredeyse kimse ρ’yu okumuyor. O, havanın yoğunluğu; sabit değil ve 1.300 metre yükseklikte şubatta, mayısta kıyıda yaptığından bambaşka bir şey yapıyor.

Hava hızla seyreliyor.

1.300 m’de atmosfer basıncı yaklaşık 867 hPa — deniz seviyesindeki basıncın 85,5%’i. Bunu aynı sıcaklıkta ideal gaz denklemine koyun, yoğunluk da onunla birlikte düşer: 15 °C’de deniz seviyesindeki hava 1,225 kg/m³, 1.300 m’deki hava 1,048 kg/m³. Dağ, rotorunuzdan geçen her metreküp rüzgârın kütlesinin 14,5%’ini almış oldu. Güç, yoğunlukla doğrusaldır; dolayısıyla gücün de 14,5%’ini yanında götürdü.

Bu gerçek bir kayıp ve süslemeye niyetimiz yok. Aynı rüzgâr hızında, aynı gün, 1.300 m’deki bir türbinin elinde, aynı türbinin bir sahilde sahip olduğu enerjinin yaklaşık 85%’i vardır. Hava yoğunluğu belirtilmeden verilen bir güç eğrisinin eksik bir sayı olmasının nedeni de budur — bizimki dahil. Ürün sayfamız eğriyi basıyor, arkasındaki yoğunluğu değil; dolayısıyla aşağıdaki her şey o eğrinin standart 1,225 kg/m³ değeri için verildiğini varsayıyor. Bu bir varsayım ve bunu yaptığımızı bilmelisiniz.

Hava sıcaklığına karşı hava yoğunluğu, deniz seviyesinde ve 1.300 m’de. Basınç Uluslararası Standart Atmosfer’den, yoğunluk ideal gaz denkleminden. İki eğri de hesaplanmıştır, ölçülmemiştir, ve elinde hesap makinesi olan herkes bunları yeniden üretebilir.

Bu da bizi gözden kaçması kolay olan kısma getiriyor, çünkü o kısım ters yöne itiyor.

Soğuk hava ağır havadır.

Yoğunluk, mutlak sıcaklıkla ters orantılıdır. Bir hava kütlesini sabit basınçta 15 °C’den −10 °C’ye soğutun, yaklaşık 9,5% daha yoğun hale gelir. Bunun yükseklikle ilgisi yoktur — sahilde de sırtta olduğu kadar gerçekleşir. Ama kışı −10 °C’de geçirdiğiniz yer dağlardır ve yüksek bir konum, alçak bir konuma göre yılın çok daha büyük bir bölümünde soğuktur.

Yani iki etki birbirine karşı çalışıyor ve soğuk, yüksek bir konumda hesap, tek başına yükseklik rakamının düşündürdüğünden hayli daha merhametli çıkıyor. 1.300 m’de seyrek hava 14,5 puan yoğunluğa mal oluyor. 0 °C’de soğuk bunun 4,7’sini geri vermiş; −10 °C’de 8,1’ini; −15 °C’de 9,9’unu. Adamakıllı soğuk bir günde dağ, aldığının yarısından fazlasını geri vermiş oluyor.

Deniz seviyesinde 15 °C’de 8,00 m/s içinde çalışan bir türbineyle başa baş gitmek için, aynı makinenin 1.300 m’de −10 °C’lik bir günde 8,18 m/s’ye ihtiyacı var. Yüzde iki biraz üzerinde daha fazla rüzgâr.

Soğuk ve makine.

İki şey iyileşiyor, biri kötüleşiyor. Jeneratörün N42 neodim mıknatısları soğudukça güçleniyor: bu malzemenin kalıcı mıknatıslanması kelvin başına yaklaşık −0,12% sıcaklık katsayısı taşır, yani sıcaklık düştükçe artar. −10 °C’deki bir mıknatıs, +20 °C’deki aynı mıknatıstan yaklaşık 3,6% daha güçlü çalışır. Neodimin düşmanı sıcaklıktır, soğuk değil.

Sargılar aynı hikâyeyi öbür uçtan anlatıyor. Tel için 200 °C yalıtım sınıfı beyan ediyoruz (IEC 60317-13 GR 2) ve bir Atlas’ın tipik çıkış gücünde motor, 15 kW’lık sürekli anma gücünün 7%’sinin altında dönüyor — zaten ısıl olarak hiçbir zaman zorda kalmamıştı. Bakır soğudukça bakırın direnci düşer, dolayısıyla soğuk bir jeneratör bir nebze daha verimli bir jeneratördür. Bu makinenin elektrik tarafında kıştan rahatsız olan hiçbir şey yok.

Kıştan rahatsız olan, mekanik olan her şey. Rulman gresi soğudukça sertleşir ve daha sert gres, rotoru duruştan koparmak için gereken momenti yükseltir — zayıf rüzgâr kanat takımı için yayımladığımız 2 m/s başlangıç hızı bir güzel hava sayısıdır ve rüzgârsız, gerçekten soğuk bir sabah bundan biraz fazlasını isteyecektir. Buz daha ağır basar. Kırağı kütle ekler ve rüzgârın karşısında çalıştığı kesiti değiştirir; buzlanmış bir rotor da o gün üretimine güvenmeniz gereken bir rotor değildir, o kadar.

Asıl sorun.

Yukarıdakilerin hiçbiri bir dağ konumunun asıl zorluğu değil. Asıl zorluk, orada ne kadar rüzgâr olduğunu büyük olasılıkla öğrenememeniz.

İşte herkesin tekrarlayabileceği sayısal bir örnek. PVGIS, Avrupa Komisyonu’nun kamuya açık güneş ve rüzgâr veri kümesidir. Onu severiz, bu blogda daha önce kullandık ve kıyı ya da ova konumları için makul bir başlangıç noktasıdır. Ondan 45,08 °N, 6,70 °E noktası için — 1.314 m’deki bir Alp vadisi — tipik bir meteorolojik yıl isteyin; ortalama rüzgâr hızı 0,92 m/s ve tüm yıl boyunca en yüksek değeri 3,3 m/s olan 8.760 saat döndürür. 4 m/s üzerinde tek bir saat bile yok. Tek bir tane bile.

Harfiyen okunduğunda bu, adı anılmaya değer rüzgârı olmayan bir konum. Değil. Modelin göremediği bir konum. Bu sayıların altındaki yeniden çözümleme ızgarasının göz aralığı onlarca kilometre ve arazisi buna göre düzleştirilmiş; dolayısıyla bir Alp vadisi, üzerindeki sırtlar ve günde iki kez oradan yukarı ve aşağı akan termik rüzgârlar o çözünürlükte hiç yok. Seri ayrıca, herhangi bir veri kümesinden alıntı yapmadan önce yaptığımız bir kontrolden geçemiyor: eylülde tek bir rüzgâr hızı değeri, ayın saatlerinin 10,4%’ü boyunca tekrarlanıyor. İnterpolasyon böyle görünür. Hava böyle görünmez.

Bunu, değer verdiğimiz ve kullanmaya devam ettiğimiz bir veri kümesi için söylüyoruz. Düz, açık kıyı arazisinde hakkını veriyor. Karmaşık arazide yanlış alet ve yanlış aletten çıkan bir sayı, hiç sayı olmamasından daha kötüdür, çünkü bilgi görünümünde gelir.

Ne yapmalı.

Ölçün. Göbek yüksekliğinde kayıt yapan bir anemometre bir sezon boyunca bir türbinin küçük bir kesri kadar tutar ve size kendi sırtınızın, kendi vadinizin ya da kendi saçak hattınızın ne yaptığını söyleyecek tek şeydir. Bu savı sıradan konumlar için daha önce de savunduk. Dağlarda iyi uygulama olmaktan çıkıp işin tamamı haline gelir.

Sonra kanat takımını umduğunuza göre değil, ölçtüğünüze göre seçin. Üç tane yayımlıyoruz: zayıf rüzgâr 2–20 m/s, orta 4–25 m/s ve kuvvetli 5–35 m/s, altı kanatlı ve daha küçük süpürme alanlı. Yüksek bir konum kendiliğinden kuvvetli rüzgâr durumu değildir — korunaklı bir vadi tabanı bir kıyı şeridinden sakin olabilir — ama bir sırt ya da bir geçit, zayıf rüzgâr takımının tasarlandığı değerlerin çok ötesinde darbeler verebilir ve o takımın 20 m/s üzerindeki sürekli rüzgârlardan önce sökülmesi gerekir. Yer genelde sakin diye takıp sonra da yılın önem taşıyan tek fırtınası boyunca yukarıda bırakmak, kanatların tam olarak böyle mahvolduğu yoldur.

Ve verim hesabını yaparken yoğunluğu da içine katın. Yayımladığımız eğriyi kendi yüksekliğiniz ve tipik çalışma sıcaklığınız için geçerli yoğunluk oranıyla çarpın; broşürden kabaca 8–15% daha düşük ve sonunda sayaçta göreceğinize çok daha yakın bir sayı elde edersiniz.

Dağ, havanızın yaklaşık 15%’ini alır.
Soğuk bir gece bunun yarısından fazlasını geri verir.
İkisinin de size söylemeyeceği şey, kendi sırtınızda rüzgârın ne kadar sert estiğidir.

Yükseklikteki hava basıncı Uluslararası Standart Atmosfer’den alınmıştır; yoğunluk, R = 287,058 J/(kg·K) ile kuru hava için ideal gaz yasasını izler. 1,225 kg/m³ referans yoğunluğu, deniz seviyesinde ve 15 °C’deki standart değerdir. N42 neodim için verilen kalıcı mıknatıslanma sıcaklık katsayısı yayımlanmış bir malzeme özelliğidir, kendi ölçümümüz değildir. 2 m/s başlangıç hızı, üç kanat aralığı, 200 °C tel sınıfı ve sol sütundaki güç değerleri kendi ürün sayfamızda yayımlanmış teknik verilerimizdir; sağ sütun ise aynı değerlerin hesaplanmış bir yoğunluk oranıyla çarpılmasından ibarettir, başka hiçbir şey değil. PVGIS sorgusu, belirtilen koordinatlarda tipik meteorolojik yıllar için v5.2 uç noktasına yapılmıştır ve buradaki eleştiri çözünürlüğe ilişkindir, veri kümesinin dürüstlüğüne değil. Bu sayfada hiçbir müşteri, sipariş, adres veya kurulum adlandırılmamakta, betimlenmemekte veya gösterilmemektedir. Sayfanın başındaki fotoğraf, ilgisiz bir Alp tatil beldesinin lisanslı stok görselidir; herhangi bir müşterinin mülkü değildir.