Elektrik Elektronik Endüstriyel Nasıl Yapılır

Rüzgar Enerjisi Potansiyelinin Tespit Edilmesi

Rüzgar ölçüm parametrelerini değerlendirerek rüzgar enerjisi potansiyelinin tespitine yardımcı olan bilgisayar programları vardır. Bu bilgisayar programlara en güzel örnek Danimarka RISO Ulusal Laboratuvarında yapılmış  olan ve Avrupa kıtasının rüzgar atlasının ortaya çıkarılamsında kullanılan WAsP (Rüzgar Atlası Analiz ve Uygulama Programı) bilgisayar programı gelir. WASP programı rüzgar hız ve yön bilgileri ile rüzgar gözlem istasyonu etrafında ki engellerden, arazi yüzey pürüzlülüğü ve arazinin topoğrafik özelliklerinden faydalanarak bölgesel rüzgar atlas istatistiklerinin ve enerji potansiyelinin tespitinde kullanılmaktadır.

WasP  ile bir bölgenin rüzgar enerji potansiyelini tespit edebilmekk için aşağıdaki işlemler sırası ile yapılır:

Rüzgar Ölçüm Verilerinin Değerlendirilmesi

Rüzgar enerji gözlem istasyonlarından bellirli bir yükseklikten en az bir yıllık süre ile alınan rüzgar hızı ve rüzgar yönü ölçüm kayıtlarının bilgisayar ortamında değerlendirilmiş hali ve bu istasyonlara ait 1/25 000 skalalı harita üzerindeki UTM yardımı ile derece – dakika cinsinden tespit edilmiş olan koordinatlar WAsP yazılımı ile değerlendirilir ve ilk etapta ölçüm yüksekliğine dair frekans dağılım tablosu ortaya çıkarılır. Bu tablo ile ölçüm yüksekliğindeki rüzgarın sektörlere (yönler) göre esme sıklığı,  ortalama rüzgar hızı,hakim rüzgar yönü,  rüzgar hız ve ortalama enerji yoğunluğu verilerine ait Weibull parametreleri ve benzeri istatistiksel değerler tespit edilmiş olur.

Frekans tablosundaki bilgiler kullanılarak frekans  rüzgar hızları – esme sıklıkları  ve rüzgar esme yönü – esme sıklığı histogramları elde edilebilir. Bu histogramlar yardımıyla hangi rüzgar hızı değerlerinin sık gözlendiği, yön histogramı yardımıyla ise hangi yönlerde rüzgar hız değerlerinin yüksek olduğu tespit edilebir. Rüzgar türbinleri seçiminde frekans histogramı, araziye konumlandırılırken ise yön histogramı kulanılır.

Rüzgar ölçüm verilerinin incelenmesi esnasında türbülans yoğunluğuda dikkatlice incelenmelidir. Türbülans yoğunluğu seviyesinin yüksek olması durumu enerji üretim miktarını düşürür, rüzgar türbini üzerine etkiyen kuvvetlerin şiddetini ve haliyle malzeme yorulmasının hızını artırır. Türbülans yoğunluğunun belirlenmesi için öncelikle rüzgar hız ölçüm serilerinin ortalama hızı ve standart sapması belirlenmelidir. Standart sapma  rüzgar hızlarındaki dalgalanmaları tanımlamak için kullanılır. Rüzgar hız verilerinin standart sapması 0 ile 3 m/s, rüzgar yön verilerinin standart sapması ise 3º ile 75º arasında olması kabul edilebilir değerlerdir. Bir alandaki standart sapmanın küçük olması  o alandaki rüzgar rejiminin  düzenli olması anlamına gelmektedir. Rüzgar hız verilerinin standart sapma miktarının bu verilere ait ortalama hız değerine oranı ise türbülans yoğunluğu olarak adlandırılmaktadır. Hesaplanan türbülans yoğunluğu 0.0 – 0.10 değerleri arasında ise düşük yoğunluklu, 0.10 – 0.25 değeri arasındada ise orta yoğunluklu ve 0.25 değerinden büyükse yüksek yoğunluklu olarak sınıflandırılır. Türbülans yoğunluğunun yüksek olduğu alanlara rüzgar enerji santralı kurmaktan kaçınılmalıdır. 

Çevresel Engellerin Etkisinin Tespiti

Rüzgar gözlem istasyonunları yakınlarında ki engeller, ölçülen rüzgar hız ve yön değerlerini ciddi anlamda etkilemektedir. Ağaçlar , binalar  gibi yçevresel engeller rüzgar hız ve yön seyrini oldukça değiştirmekte, engel etrafında türbülansa sebep olmakta ve rüzgar verilerinin sağlıklı olmasına engel teşkil etmektedir. Bu sebeple rüzgar gözlem istasyonlarının yeri, civarda fazla çevresel engel olmayacak şekilde tayin edilmelidir. Bir cismin ölçüm direğine uzaklığı, yüksekliğinin 10 katı mesafe içinde ise bu cisim yakın çevresel engel olarak tanımlanır. Daha uzak mesafedeki nesneler engel sınıfına girmez ve arazi pürüzlülüğü olarak değerlendirilir. WAsP yazılımı ile en fazla 50 adet engel tanımlanabilse de prensiptesayıca 5’ten fazla engel içeren noktalara rüzgar gözlem istasyonu kurulması tavsiye edilmemektedir.

Rüzgar hızındaki azalmalar engellerin geçirgenliğine bağlıdır. Geçirgenlik (porosity) engelin açık alanının toplam alanına oranı şeklinde tanımlanmakta olup tamamen katı sayılabilen bir bina için 0, yapraklarını dökmüş bir ağaç grubu için 0.5 olarak alınabilir. Geçirgenlik ne kadar çok ise hız profilinin değişimi ve gölgeleme etkisi de o derecede az olacaktır. Rüzgar gözlem istasyonları etrafında ki  yakın çevresel engelleri tanımlayabilmek için ilgili parametreler belirlenerek WASP formatına uygun “Engel Tanımlama Formu” ile yapılır.

 

NO

a1

R1

a2

R2

H

D

P

1

35

76

43

78

8

6

0.0

2

96

400

120

400

10

200

0.4

3

120

150

136

150

10

230

0.8

4

203

98

225

104

15

13

0.0

5

230

100

264

175

10

25

0.4

6

286

161

289

158

7

20

0.2

7

290

156

297

148

7

9

0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 a1 : Engelin ilk köşesinin kuzey doğrultuyla yaptığı açı (deg).

 R1 : Engelin ilk köşesinin RGİ’ye olan uzaklığı (m).

 a2 : Engelin ikinci köşesinin kuzey doğrultuyla yaptığı açı (deg).

 R2: Engelin ikinci köşesinin RGİ’ye olan uzaklığı (m).

 H : Engelin yüksekliği (m).

 D : Engelin derinliği (m).

 P  : Engelin tahmini geçirgenliğidir.

Engel tespiti yapılırken a1 ve a2 açılarının kuzey doğrultudan  başlayarak saat ibresi yönünü izlemesine dikkat edilmelidir. Rüzgar türbinlerinden üretilebilecek enerji miktarını doğruya yakın bir şekilde hesap edebilmek için özellikle hakim rüzgar yönünde en az 1000 m mesafeye kadar olan engeller net olarak belirlenmelidir. WAsP bilgisayar programı yardımıyla santral sahasının rüzgar atlası elde edildiğinde, türbin hub yüksekliğinde engel etkisinin % 40’ı aşmaması gerekmektedir. Aksi halde, seçilen bölgenin rüzgar enerji santralı kurmak için uygun olmadığını düşünmemiz gerekir. Ayrıca arazi üzerine türbinler yerleştirilirken (micrositting) mevcut engellerden mümkün olduğunca uzak yerler tercih edilmelidir.

Arazi Yüzey Pürüzlülüğü

Arazi yüzey pürüzlülüğünün değişmesi yüzey sürtünme karakteristiklerini ve dolayısıyla hız profilini değiştirmesine sebep olmaktadır. Bir alanın yüzey pürüzlülüğü, bu alan üzerindeki pürüzlülük kaynaklarının boyutları ve alan içindeki dağılımına bağlıdır. Karasal alanlarda bitki örtüleri, göller,  doğal arazi yapılarıyerleşim yerleri, tipik pürüzlülük elemanlarıdır. Bu pürüzlülük elemanları, rüzgar enerjisi potansiyel belirleme çalışmalarında 4 değişik pürüzlülük sınıfına ayrılarak tanımlanır. Bir arazinin pürüzlülüğü Z0 (m) pürüzlülük uzunluğu parametresi ile belirtilir. Z0 pürüzlülük uzunluğu 0.0001 ile 1.0 arasında değişmekte olup yoğun yerleşim birimleri için 1.0 ve su yüzeyleri için 0.0001 olarak alınır. Diğer doğal arazi yapıları için alınması gereken Z0 pürüzlülük uzunluğu değerleri WAsP menüsünde bulunan tablodan belirlenir.

WAsP bilgisayar programı pürüzlülüğü modellemek için herbir sektöre ait pürüzlülük değişimini dikkate alır. Genelde 12 sektör kullanılır ve merkezi RGİ olmak üzere 345-15 derece arası 0 derece (N), 15-45 derece arası 30 derece (NNE) olacak şekilde yapılır. Pürüzlülük değerlerinin kullanımı için 1/25 000 ölçekli harita üzerinde WAsP formatına uygun toplam 12 sektör için ayrı ayrı pürüzlülük uzunlukları tespit eidlmeli veya WASP 6.0 ve üstü versiyonlardaki sayısal harita üzerine arazi pürüzlülük bilgileri işlenebilmektedir. Bu çalışmanın sadece 1/25 000 ölçekli harita üzerinde yapılması uygun değildir. İlgili santral sahasına bizzat gidilip arazi yapısı yerinde incelenerek bahsi geçen işlem yapılmalı.

Rüzgar hızı, yükseklik arttıkça arazi pürüzlülüğüne (a pürüzlülük katsayısı) bağlı olarak logaritmik şekilde artar. Belirli bir yükseklikte (10 m, 30 m vb.) ölçülmüş rüzgar hızları kullanılarak, istenilen herhangi bir yükseklikteki (hub yüksekliği gibi) rüzgar hızları aşağıdaki formulasyon ile hesaplanabilir.

 ( V1/V2)  = (H1 /H2 )

H1: V1 hızının ölçüldüğü yükseklik

H2: V2 hızının hesaplanacağı yükseklik

V1: H1 yüksekliğinde ölçülen rüzgar hızı

V2: H2  yüksekliği için hesaplanacak rüzgar  hızı

a: Pürüzlülük katsayısı ( 0.10 – 0.40 )

a pürüzlülük katsayısı değeri ne kadar çok ise hız profilinin değişimi de o değerde fazla olacaktır. Hız profilindeki değişim ancak türbin hub yüksekliğinin artırılması ile azalmakta ve bu durum da maliyeti artırıcı etken olmaktadır.

 

Topoğrafya ve Rüzgar İlişkisi

 Arazi topoğrafyası rüzgarın hızının ve yönünün değişiminde önemli bir rol oynar. Dağlar, tepeler ve kayalıklar rüzgar hız ve yön profiline büyük ölçüde etki eder. Dağların denize paralel, hakim rüzgar yönüne dik, orta eğilimli (10 derece-22 derece) ve özellikle çıplak olduğu arazilaer enerji üretimi için uygun yerlerdir. Rüzgar hızı, eğim ve dağ grubunun büyüklüğüne bağlı olarak artar. Bu nedenle, tepelerin üst-ön bölümü tesis için uygundur. Fakat tepenin üst-arka kısımları türbülans nedeniyle tercih edilmemelidir.

Rüzgar enerji santralı kurulması düşünülen alanın WAsP yazılımı ile modellenebilmesi için santral sahasını temsil eden en az 80 km2 ‘lik (5 km yarıçap) alanı gösterebilen paftaların 1/25 000 ölçekli sayısal haritaları hazırlanmalıdır. Sayısal haritanın çok dikkatli hazırlanmış olması rüzgar enerji potansiyelinin de doğruya yakın bir değer olarak elde edilmesini sağlar.

 Santral İçin Rüzgar Atlasının Yapılması

Yeterli  ölçüm yüksekliğine ait yeterli sayıda rüzgar hız ve yön datalarından elde edilen frekans dağılım tablosu, yakın çevredeki engel , pürüzlülük bilgileri ve santral alanının topoğrafyasını temsilen 1/25 000 ölçekli sayısallaştırılmış harita kullanarak WAsP yazılımı yardımıyla santral alanına ait rüzgar atlas istatistikleri hazırlanır. Rüzgar atlası, yer seviyesinden yeterli yükseklikte( 10 m, 30 m vb) ölçülmüş rüzgar verilerinin, yakın çevresel engeller, arazi pürüzlülüğü ve arazinin topoğrafik yapısı ile birlikte değerlendirilmesi sonucu istenen bir yükseklik için  elde edilen istatistiksel sonuçlardır. Rüzgar atlas istatistiklerinin hazırlanması ile istenilen herhangi bir yükseklikteki ortalama rüzgar hızı, sektörlere(vektörlere) göre rüzgar esme sıklığı,ortalama enerji yoğunluğu, hakim rüzgar yönü, enerji yoğunluğunun hakim olduğu sektör parametreleri ile yakın çevresel engeller ve arazi pürüzlülüğünün etkileri belirlenmiş olur.

Rüzgar türbinlerinin sahaya yerleştrilmesi planlanırken rüzgar atlasından faydalanılır. WASP 6.0 veya üstü versiyon yazılımları ve rüzgar atlas istatistikleri kullanılarak, sayısal harita üzerinde enerji üretim miktarının yüksek olacağı konumlar renk dağılımından belirlenebilir. Her bir rüzgar türbininin nominal yeri;ulaşım imkanları, arazi yapısı, hakim rüzgar yönü gibi unsurlar  dikkate alınarak bahsedilen renk dağılımları yardımıyla tespit edilir. Aşağıdaki  haritada kırmızı  yerler enerji üretiminin yüksek, sarı boyalı  ise enerji üretiminin düşük olacağı bölgeleri göstermektedir.

 

Rüzgar Enerji Türbinlerinin ve Enerji Üretim Miktarlarının Tespiti

Kurulacak olan rüzgar enerji santralından elde edilecek olan  enerjinin mevcut enerji iletim sistemine entegrasyonunun sağlanması lazımdır. Bu entegrasyonun yapılacağı  kısa devre gücü,hat kapasitesi, gerilim oynamaları, harmonikler, reaktif güç vb. gibi bir takım kriterler dikkate alınarak kurulması düşünülen rüzgar enerji santralının kurulu güç kapasitesini tespit edilmelidir. Kaç adet rüzgar türbini tesis edilecek, birim gücleri ne olacak ve arazi üzerine nasıl konumlandırılacak gibi sorulara yanıt bulunmalıdır. Piyasada çeşitli model, marka  ve büyüklükte rüzgar türbinleri bulunmaktadır. Yatırımcı amacını da hesaba katarak teknik özellikler,  fiyat,  bölgeye dair frekans dağılım tablosu,garanti, verim ve türbin referansları gibi kriterleri dikkate alarak en uygun rüzgar türbinininde karar kılmalıdır. Rüzgar türbini seçimini yapıldıktan sonra ve arazi üzerindeki konumlandırma  frekans dağılım tablosu, ilgili renk dağılımları ve rüzgar türbinine ait teknik değerler göz önüne alarak planlandıktan sonra her bir rüzgar türbin mevkisine ait 1/25 000 ölçekli harita üzerinde UTM koordinatlarını tespit edilmelidir. Bu aşamaya kadar elde edilen rüzgar atlas istatistik bilgileri, rüzgar türbinine ait karakteristik değerler ve rüzgar türbinlerinin UTM koordinatlarına ilişkin veriler birlikte kullanılarak rüzgar türbinlerinin tek tek veya birarada üretebilecekleri yıllık enerji miktarları WAsPyazılımı ile hesaplanabilir.