Rüzgâr Türbinleri ve Radar
Resim 1: Bir rüzgâr türbini
Resim 1: Bir rüzgâr türbini
Rüzgâr türbinleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını çevremizde git gide daha fazla görmekteyiz. Ancak rüzgâr türbinleri, radar açısından bir gürültü kaynağı olarak değerlendirilmekte ve radar tesislerinin yakınlarına kurulmasına genellikle izin verilmemektedir.
Yakına kurulu bu rüzgâr türbinlerinin radarın menzilini kısalttığı öne sürülmektedir. Kavranması biraz güç olan bu konuyu aşağıda anlatmaya çalışacağız:
Gölgeleme
Bir etki doğrudan (örneğin, gölgelemeyle) ölçülemez; bu etki çok küçük olacaktır. İnsan gözü, dönen bir vantilatörün pervanelerinin kapladığı alanının gerisini nasıl göremezse, benzeri şekilde radar da rüzgâr türbinlerinin pervanelerin kapladığı çemberin arkasındaki bölgeyi göremez. Dahası, 2 ila 5 metre arasındaki genişlikteki bir engelin (direğin) gölgelemesi, bu engelin hemen arkasında yalnızca yaklaşık 1000 metre içinde algılanabilir. Bundan sonra, dalga cephesi (wave front) elektromanyetik dalgaların bu engelde bükülmesi (diffraction) ile tekrar kapatılır. Doğal olarak gönderilen enerjinin küçük bir bölümü geriye yansıtılır ve bu engelin arkasındaki bulunan uçak gibi bir hedefi algılamak için kullanılamaz. Ancak bu, menzil kaybının nedeni için bir açıklama değildir. Rüzgâr türbinleri burada sadece, bir ev, bir ağaç ya da bir tepe gibi bir engeldir ve (eğer türbin pervaneleri dönmüyorsa!) sabit hedeflerin (clutter) bileşik işaretinde (composite signal) hiçte bulunmaz.
Bir gölgelemenin gerçek araştırmaları Alenia-Marconi Systems firmasının yaptığı geniş kapsamlı bilgisayar benzetimleri (simulations) sonrasında 2003 yılında yayınlandı. Böylece, bir rüzgâr türbini direğinin doğrudan optik gölgesinde uçan uçağın yankı işaretleri üzerinde 2 dB den biraz daha az bir zayıflamaya sebep olduğu saptandı. Bu değer yankı işaretinin normal dalgalanmalarında hedefin Etken Yansıtırlık Kesiti tarafından gelen enerjinin yarılması sonucu ortaya çıkan zayıflamanın tamamına denk bir değerdir.
Ayrıca, bir antenin yatay açıklık açısının 1,6° (tipik) ve rüzgâr türbini direk çapının yaklaşık 3 m olduğu dikkate alındığında, direğin, anten çizgesini tümüyle kapsaması için (keza, Yarı Güç Değeri) bu direğin, antenden itibaren 3m/[2·sin(1,6°/2)] = 107 m (!) gibi bir yarıçap içinde bulunması gerektiği ortaya çıkar. Uygulamada rüzgâr türbinleri çok daha uzakta kurulmaktadır ve bir gönderim darbesinin enerjisinin sadece çok küçük bir bölümünü gölgeleyebilir.
Deney: Söz konusu radar tesisleri elektromanyetik dalgaların yarı-optik özelliklere sahip olan tüm frekans bantlarında çalışırlar. Yansıtıcısı hareket ettirilerek ışık huzmesi odaklanabilen güçlü bir el feneri vasıtasıyla bir tanıtıcı deney gerçekleştirebiliriz. El fenerini 6 ila 10 m arasında uzaklıktaki bir duvara tutunuz ve duvarda olabilecek en küçük bir ışık noktası kalana kadar yansıtıcısını çevirerek ayarlayınız. Ve şimdi ışık huzmesi içinde herhangi bir noktaya bir kurşunkalemi tutunuz (huzmenin içinde sadece kurşunkalem bulunmalı, eliniz içine girmemeli!) ve kurşunkalemin duvardaki gölgesini gözlemleyiniz, eğer bu görünmüyorsa, kurşunkalemin duvardaki gölgesinin ışık lekesinin parlaklığına olan etkisini gözlemleyiniz. Şunları göreceksiniz,
- el fenerinden bir en küçük uzaklıktan itibaren parlaklık üzerinde artık hiç bir etkisi olmadığını;
- kalemin duvardan bir belirli uzaklığa kadar, gölgenin aydınlatılan duvarda tamamen kaybolduğunu.
Kurşunkalemin çapının, ışık huzmesinin çapına olan oranı, yaklaşık olarak bir uçuş güvenlik radarının ışın demetinin genişliğinden bu radarın 5 ila 10 km ötesinde kurulu bir rüzgâr türbini direğinin çapına olan oranına denk düşer.
Sadece gölgeleme göz önüne alınarak yapılan bir değerlendirme ile bir rüzgâr türbininin radar üzerindeki etkisinin basitleştirilmesi doğru değildir. Bunun gerçekle ilgisi çok azdır. Bir gölge sadece doğrudan ve rüzgâr türbininin gerisindeki nispeten daha kısa uzaklıkta ölçülebilir. (Bu durum, bir pilotun anlaşılabilir nedenlerden ötürü zaten kaçınması gerektiği bir menzil ve yüksekliktir.) Keza, hiç kimse rüzgâr türbininin meydana getirdiği gölgelemenin radarı olumsuz etkilerken, örneğin ağaç gruplarının meydana getirdiği aynı büyüklükteki gölgelemenin neden bir şekilde idare edilebildiğini açıklayamadı.
Ağaç grupları ya da rüzgâr türbin parkının arkasındaki zayıflamalar 2 desibel civarındadır. Bununla beraber bir uçağın yankı işaretlerinin (dalgalanma kayıpları) doğal salınımı 30 desibelden daha yüksek seviyelerdedir, yani muhtemelen 1000 kat daha büyüktür. Radarın üstesinden gelmek zorunda olduğu esas kayıplar da bunlardır.
Radar menzili üzerindeki etkisi
Radarlar, sabit hedeflerden gelen yankı işaretlerini, uçak gibi hareketli hedeflerden gelen yankı işaretlerindeki Doppler frekanslarını değerlendirerek birbirinden ayırt edebilir. Ev, ağaç, tepe gibi sabit hedeflerin yankı işaretlerinin görüntüleri bir teknik devre vasıtasıyla bastırılabilir. Burada sadece rüzgâr türbinleri bir istisna teşkil etmektedir: Çünkü türbinlerin dönen pervaneleri, yankı işaretlerine, havada asılı duran bir helikopterin dönen pervanelerinin ürettiği Doppler frekansına benzer bir Doppler frekansı da katarlar. Ve bu da kesin olarak rüzgâr türbinlerini artık göz ardı edilemeyecek bir engel olarak değerlendirmemiz gerektiğini ortaya koyar. Radar bu yankı işareti için bir yanlış alarm verecektir. Bu hata alarmı ilk defa bir gerçek alarm gibi işlenmelidir. Bunun bir yanlış alarm olduğunun anlaşılması zaman alır. Bu süre, sayısal radarlarda bilgisayarın hesaplama zamanı; analog radarlarda ise uçuş kontrol elemanlarının ya da radar operatörlerinin dikkatini çekme zamanıdır. Bu hedef hakkında bir karara varmadan önce genellikle antenin bir ilave dönüş daha yapması beklenir. Tek bir yanlış alarm aslında bir sorun yaratmaz. Ancak rüzgâr türbinleri genellikle birbirlerine yakın kurulduğundan, bunların her birinin ürettiği yanlış alarmlar Yanlış Alarm Oranını hızla arttıracak ve hata artık göz ardı edilemeyecek bir değere ulaşacaktır. Bu koşullar altında bir rüzgâr çiftliği üzerinde uçan bir küçük uçağın pekâlâ gözden kaçırılabilmesi de mümkündür.
Radarlarda Yanlış Alarm Oranının azaltılması için önlemler alınmalıdır. Yaygın uygulamada, bu rüzgâr türbinlerinin bulundukları yerlerin bir parazit-haritasına (clutter-map) – radarın işaret işlemcisinin belleğindeki bir elektronik harita türü – girilir ve uzunca bir sürede ölçülen ortalama yankı işaret kuvvetleri belleğe kaydedilir. Antenin bir sonraki dönüş turunda, yalnızca ölçülen güncel değer ile bellekte kaydedilmiş değer arasındaki fark değeri yeniden işlenir. Eğer bir hareket etmeyen hedeften gelen yankı işareti sabit ise bu yöntem çok etkilidir. Ancak, rüzgâr türbinlerinde bu durum nadiren böyledir, rüzgâr yönü ve bu rüzgâr yönüne bağlı olarak dönen rotorun konumu (dolayısı ile pervanelerin konumu) sürekli değişir. Yani, bu arazi noktası için, bu değerin üzerindeki önemli bir hedefi ayırt edebileceği, daha yüksek bir eşik değerinin tanımlanması gerekir. Tüm bu hesaplamaların gerçek zamanlı yürütülmesi gerekir ve bu da radar işaret işlemcisinin çalışma sınırlarını zorlar. Bu bakımdan hesaplamalar yazılımla değil, genel uygulamada birbirine fiziksel bağlanmış (hardwired) çok hızlı mantık devrelerinden oluşan bir işlemci tarafından yürütülür. Bu mantık devreleri bir hedefin var olduğu ya da olmadığı hakkında bir karar veremezse, bu karar daha fazla sayıda anten dönüşünün birbiri ile karşılaştırılabildiği ve sonuçlarının artık gerçek zamanlı alınmadığı bir sonraki aşamaya (instance) aktarılır.
Yanlış Alarm Oranını azaltmak için alınan bu önlemlerin tümü gerçek hedeflerin algılama olasılığını da eşzamanlı düşürür. İşaretlerin işlenmesindeki farklı eşik değerleri, Yanlış Alarm Oranını ve Algılama Olasılığını birbirlerine göre ters orantılı etkiler. Ve bu bizi doğrulamaktadır: Bir radarın menzili sabit bir algılama olasılığı için belirlenir. Bu değer kötüleştikçe radarın menzili de kötüleşecektir. Bu, aynı zamanda radarın yakın bölgesinde kurulu rüzgâr türbinlerinin etkisinin bir şekilde radar tarafından halâ idare edilebileceğini, fakat kurulan türbin sayısı arttıkça radarın menzilinin büyük ölçüde kötüleşeceğini doğrulamaktadır.
Çözüm yolları
Resim 2: Bir uçağın ve bir rüzgâr türbininin Doppler izgeleri birbirinden oldukça farklı
Teknik olarak, yapısal kısıtlamalar hariç, birkaç çözüm yolu vardır. Bir olası iyileştirme olarak, olası yanlış alarmın algılama zamanını azaltan bir önlem bulunmalıdır. Cambridge Consultants Mühendislik Bürosu kuşkulanılan yönde saniyede on kez sorgulama yapıldığı (şimdiye kadar 4 saniyede bir kez yapılıyordu) ve böylece gerçek zamanlı olarak sorgulanan hedefin bir rüzgâr türbini olup olmadığının açık bir şekilde algılandığı bir yöntem geliştirdi. Cambridge Consultants bu yöntemi holografik radar™ olarak adlandırmıştır.
Bu, Faz Dizi Antene sahip, çizgesini sayısal biçimlendiren bir radar için mümkündür. Bugüne kadar sadece çok modern askeri radarlarda uygulanan bu yöntem, artık sivil radarlarda da kullanılmaya başlandı. Bu yöntemde, mekaniksel dönen herhangi bir parça kullanılamadığından, bakım gerekmemekte ve rüzgâr hızları gibi meteorolojik koşullardan da etkilenmemektedir. Bu, üçüncü koordinatın (uçuş yüksekliğinin) ikincil radardan bağımsız olarak belirlenebilmesi açısından uçuş güvenlik görevlerinde önemli bir üstünlük sağlamaktadır.
Sabit Yanlış Alarm Oranlarındaki (Constant False Alarm Rate, CFAR) eşik değerlerinin modern istatistiki yöntemlerde belirlenmesiyle rüzgâr çiftliklerinin yakın bölgesindeki algılama olasılık değerindeki önceki kayıplar neredeyse tamamen ortadan kalkmıştır.
Resim. 2 de I-bandında çalışan bir radarda, çift motorlu pervaneli uçak ile bir rüzgâr türbininin birbirini takip eden darbe periyodlarındaki Doppler frekanslarının farkları gösterilmektedir. Uçağın gövdesi, kanatları ve kuyruk bölümlerindeki Doppler frekanslarının genlikleri daha büyüktür. Doppler frekansı, uçakların radyal hızı nedeniyle meydana gelir. Pervaneler, Jet Motor Modülasyonu (Jet Engine Modulation, JEM) denilen modülasyon etkisiyle ilave Doppler frekans salınımlarını meydana getirirler.
Bir rüzgâr türbininden gelen en büyük yankı işareti sabit türbin direğinin yüzeyinden gelir ve yankı işaretinde Doppler frekans bileşeni bulunmaz (fD = 0). Öte yandan bir rüzgâr türbininin pervaneleri, bir pervaneli uçağın en büyük Doppler frekansına kıyaslanabilecek büyüklükte Doppler frekansı üretirler. Bununla birlikte, burada, büyük kanatçıklarının her küçük yüzey bölümlerinin bir farklı radyal hıza sahip olmaları nedeniyle, bir uçak pervanesinde olduğu gibi, darbe biçimli genlikler meydana getirmez, genlikler daha ziyade en küçük değerden en büyük değere doğru sürekli geçiş biçimindedir. Frekans izgesindeki bu farklar ile bir rüzgâr türbini, bir uçaktan kesinlikle ayırt edilebilir.
Görünmezlik Teknolojisi (Stealth Technology) yardımıyla rüzgâr türbinlerinin pervane rotorlarının Etken Yansıtırlık Kesitlerinin azaltılması için deneyler[1] yapılmaktadır. Ancak bu teknoloji çok pahalı olmasının dışında, maalesef sadece belirlenmiş bir frekans bölgesine uyumludur ve bu nedenle çok etkili değildir. Bir diğer konu ise, rüzgâr türbinlerinin tümüyle görünmez yapılmamasıdır, aksi takdirde uçaktaki yöngüdüm (navigation) radarının varlığına rağmen kötü görüş koşullarında uçağın türbine çarpma tehlikesi oldukça yüksektir. Daha garibi ise, bu Görünmez-Rüzgâr Türbinlerinin bir köşe yansıtıcı gibi çalışacağı ve böylece görünmezlik özelliğine rağmen yöngüdüm radarı tarafından yine de görüleceğidir. Bu durum, görünmezlik teknolojisi sonucu küçülmüş olan yankı işaretinin dalgalanmasının (fluctuation) bir hayli kuvvetli olması ve böylece beraberinde bir Doppler frekansını taşımasına olanak tanıması bakımından aslında bir çelişki de değildir. Diğer taraftan, köşe yansıtıcı, arama radarı yönünde, seçime bağlı olarak radar tarafından bastırılabilen ya da ekranda görüntülenen bir yankı işareti gönderir.
Bir diğer olası çözüm olarak, ilerde her bir rüzgâr türbininin, ikincil radar için bu radar aygıtına ”Bu yankı işareti xyz-Rüzgâr Türbinine aittir!” iletisi gönderen bir transponderle donatılması da olabilir. İdeal durumda bu iletiyle birlikte pekâlâ rüzgârın yönü ve türbin rotor hızı da birlikte gönderilebilir. Radar işaret işlemcisi bu yankı işaretini bir hedef gibi görecek, bunu transponder işareti ile ilintilendirecek, fakat istenilirse ekranda görüntülemeyecek ya da radar aygıtından daha uzakta bulunan bir kumanda odasındaki ekranları boşu boşuna bu işaretle yüklemeyecektir. Rüzgâr türbini tarafındaki teknik çabalar radara göre az olacaktır. Bu çözüm için, radar tarafında sadece yazılımın uyarlanması ve belki, yeni radar aygıtlarında radar işaret işlemcilerinin hesaplama gücünün şimdiden çok daha fazla sayıda böyle hedeflere uygun hale getirilmesi gerekir. Bir ikincil radar yerine, her bir rüzgâr türbinini kendi IP adresi üzerinden bir veri ağına bağlamakta mümkün olacaktır. Bu çözüm yöntemi oldukça karmaşık olabilir, çünkü böyle bir standardizasyonun öncelikle uluslararası bir standart olan ICAO tarafından tanınmasını gerektirir. Bu çözümün şöyle bir başka üstünlüğü de olurdu: Yerleri bilinen rüzgâr türbinleri ve bunların transponder işaretleri test transponderlerine olan gereksinimi ortadan kaldırır ve radar alıcı kanallarının dâhili ayarlamaları (internal calibrations) için bu seçilmiş rüzgâr türbinlerini kullanılabilirdi.
[1] Görünmezlik Teknolojisi (Stealth Technology): http://www.hitek-ltd.co.uk/