FBE- Meteoroloji Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/7107

Gözat

Konu "Analytical Wind Turbine Wake Model" ile FBE- Meteoroloji Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Rüzgar Tarlası Verisi Kullanılarak Analitik Rüzgar Türbin İzi Modellerin Performanslarının Değerlendirilmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016-07-29) Kaytancı, Tarık ; Menteş, Şükran Sibel ; 10119429 ; Meteoroloji Mühendisliği ; Meteorological Engineering
    Kısıtlı uygun alan ve daha düşük nakliye, kurulum ve bakım maliyeti gibi ekonomik nedenlerden dolayı rüzgar türbinleri rüzgar tarlası olarak adlandırılan birçok türbinin kısıtlı bir alanın sınırları içersinde bulunabileceği bir arazi üzerinde gruplandırılır.Rüzgar tarlasındaki rüzgar türbinleri, toplamda her birinin tek başına üreteceği durumdaki toplam güç üretimden daha düşük güç üretir. Bu durumun nedeni iz etkisidir. İz etkisindeki rüzgar-altı türbinleri daha düşük rüzgar şiddetine ve daha yüksek türbülans seviyesine maruz kalacaktır. Daha düşük rüzgar şiddeti rüzgar türbinin daha düşük güç üretimine neden olurken daha yüksek türbülans seviyesi rüzgar türbinin kullanım ömrünü azaltmaktadır. İz etkisinden dolayı güç kayıpları %20 mertebelerinde olabilir. Güç üretimindeki kayıplar lokal rüzgar rejimi, topografik karakteristikler ve türbinin aerodinamik karakteristikleri gibi bir çok faktöre bağlıdır. Bir rüzgar tarlasında iz etkisini minimize edeerek güç üretimini maksimize edebilmek için rüzgar tarlası sınırları içerisinde, türbinlerolası en iyi düzende konuşlandırılmalıdır. Bunun için analitik ve hesaplamalı olmak üzere iki farklı iz modelleri geliştirilmiştir. Bu tez çalışması iki adımdan oluşmaktadır. İlk adımda, tüm tez boyunca kullanılacak analitik rüzgar türbin izi modellerinden standart Jensen modelinin, geliştirilmiş yeni Jensen modelinin, Frandsen modelinin ve Larsen modelinin, İstanbul Teknik Üniversitesi Meteoroloji Gözlem Parkında kurulu olan küçük ölçekli rüzgar türbini ve ölçüm direğinden elde edilen ölçüm verileri kullanılarak başlangıç iz çapı, mesafeyle iz çapının gelişimi, ve mesafeyle izile serbest akış arasındaki rüzgar şiddet farkının azalma hızı gibi karakteristikleri sunulmuştur. Ayrıca rüzgar yönü türbini ekseninde vesırayla farklı rüzgar-altı mesafelerde hizalanmış bir rüzgar-altı türbini varsayımında, modellerin farklı rüzgar yönlerinde tam iz, kısmi iz ve sıfır iz öngörüsü sunulmuştur. Bu adımda, Larsen ve Frandsen modeli başlangıçta diğer iki modelden daha büyük iz çapına sahiptir ancak en büyük iz çapı ve en büyük iz çapı gelişimi Larsen modelinde görülmüştür. Ancak, her iki Jensen modeli, belirli bir mesafeden Frandsen modelinden daha büyük iz çapı öngördüsüne sahiptir. Mesafeyle izile serbest akış arasındaki rüzgar şiddet farkının azalma en hızlı yeni Jensen modelinde gözlenmesine rağmen tüm mesafeler boyunca izdeki rüzgar şiddetinin serbest akıştakine oranı (normalleştirmiş iz hızı) en yüksek Larsen modelinde gözlenmiştir. Bir rüzgar yönü türbinin türbin ekseninde sırayla farklı mesafelerde hizalanmış bir rüzgar-altı türbini varsayımı ile değişen rüzgar yönü durumunda, Larsen modeli uzak iz başlangıcının ötesindeki bir mesafeye kadar sadece tam iz etkisine sahip olduğu bulunmuştur ve tam iz etkisi açısından her mesafede en büyük öngörüye sahiptir. Yeni Jensen modeli standart Jensen modeline göre her mesafede hem tam hem de kısmi iz etkisi açısından daha geniş bir etki açısına sahiptir. Frandsen modeli her iki Jensen modelinden başlangıçta daha büyük tam ve kısmi iz etki açısı öngörmesine rağmen belirli bir mesafeden sonra her iki Jensen modeli de daha büyük tam ve kısmi iz etki açısına sahiptir. Bu tezin asıl amacı olan bir sonraki adımda kompleks bir arazide üzerinde kurulu olan Çatalca Rüzgar Enerji Santralinden alınan ölçüm verileri kullanılarak tekli iz durumu için modellerin hem Hesaplamalı Akışkan Dinamiği (HAD) teknolojisine dayalı WindSim yazılımı yardımıyla hem de HAD desteği olmadan tek başlarına ölçüm verileri ile uyumu test edilip modeller arasında kıyaslama yapılmıştır. Buradaki amaç HAD desteği olduğunda ve olmadığında (tek başına uygulandığında) modellerin kompleks bir arazi üzerindeki performansını test etmektir. Beş farklı tekli iz durumu test edilmiştir. WindSim analitik rüzgar türbin izi modeli standart Jensen, Larsen ve Ishihara modellerini içermektedir. Ancak, HAD destekli analitik rüzgar türbin izi olarak sadece standart Jensen ve Larsen modelleri kullanılmıştır. Türbinler kompleks bir arazi üzerinde bulunduğundan ölçüm verisinde rüzgar altı türbinindeki ölçülen rüzgar şiddeti ile rüzgar yönü türbinindeki ölçülen rüzgar şiddeti arasındaki oranın 1'den daha büyük olduğu veriler bulunmaktadır. Bu durumun özellikle modellerin tek başlarına uygulandığında gözlem verileriyle olan uyumunda zorluklar oluşturduğu gözlenmiştir. Test sonuçlarına göre, tek başına uygulanan hiçbir analitik rüzgar türbin izi modeli diğerlerine göre belirgin bir üstlük sağlayamamıştır. Modeller birbirine yakın sonuç vermiştir. Her tekli iz durumu testinde tek başlarına uygulanan modeller bazı testlerde ölçüm verileriyle uyum sağlayamazken bazı testlerde iyi uyum sağlamıştır. Toplam durum göz önünde bulundurulduğu yeni Jensen modeli % 9.7 ortalama mutlak hata, standart Jensen modeli % 9.9 ortalama mutlak hata, Frandsen modeli % 9.4 ortalama mutlak hata ve Larsen modeli en iyi sonuçla % 9.1 ortalama mutlak hata sergilemiştir. Frandsen modeli Larsen modelinden sonra en iyi ikinci mutlak ortalama hata sonucuna sahip olmasına rağmen, modelin kara ve özellikle kompleks araziler için uygun olmadığı gözlenmiştir. HAD destekli analitik iz rüzgar türbin izi modellerinden standart Jensen modeli ve Larsen modeli tüm türbin çiftleri testleri için ayrı ayrı değerlendirildiğinde, genelde hem HAD desteği olmayan standart Jensen ve Larsen modellerine göre hem de diğer HAD-desteği olmayan modellere (yeni Jensen ve Frandsen modelleri) göre daha düşük bir performans sergilemiştir. Eğer HAD destekli standart Jensen ve Larsen modelleri, sırasıyla, standart Jensen- WindSim modeli ve Larsen-WindSim modeli olarak adlandırırsak, toplam durum göz önünde bulundurulduğunda standart Jensen-WindSim modeli % 14.3 modelinin ortalama mutlak hata ve Larsen-WindSim modeli % 12.7 ortalama mutlak hata sergilemiştir.Bu kötü performansın nedeni HAD destekli modellerin rüzgar altı rüzgar türbinin kabul edeceği rüzgar yönü için rüzgar yönü ölçüm verilerine kıyasla oldukça farklı öngörmesi olabilir. HAD destekli modeller uygulanırken rüzgar üstü türbinleri rüzgar yönü ve şiddeti verisi için ölçüm verilerinden yararlanılmıştır. Modellerin rüzgar altı türbinleri için öngördüğü rüzgar yön değeleri rüzgar üstü türbinlerinde ölçülen rüzgar yön değerlerine yakın değerdedir. Modeller tek başlarına uygulanırken hem rüzgar üstü türbini hem de rüzgar altı türbini için ölçüm verisinden yararlanılmıştır.