Effects of Wind Speed Measurement Errors in Energy Production and New Strategies About Wind Measurements
ÖZET
Bu çalışmada, rüzgâr enerji santrali projelerinde önemli bir basamak olan fizibilite sürecinde meydana gelecek hatalı ölçümlerin, enerji santralinde oluşacak üretime etkileri incelenmiştir. Çalışma dâhilinde öncelikle rüzgâr enerjisinin, rüzgâr hızı ile ilişkisi teorik olarak ortaya konmuş, ardından rüzgâr hızı ölçümlerinin hatasız olarak gerçekleştirilmesi için dikkat edilmesi gereken noktalar vurgulanmıştır.
Rüzgâr enerjisinin geleceği olan Sodar ve Lidar teknolojileri hakkında bilgi verilerek, minimum belirsizliğe sahip bir rüzgâr ölçümü için kullanılması gereken rüzgâr ölçüm direği ve lidar stratejilerinin belirlenmesi adına yapılan çalışmalara değinilmiştir. Ayrıca, rüzgâr ölçümü için kullanılacak lidar-direk kombinasyonun maliyet analizleri karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Rüzgâr fizibilitesi, rüzgâr hızı, rüzgâr ölçümü
1.GİRİŞ
Fosil kaynaklı yakıtların tükenmeye başlaması ile birlikte enerji talebinin karşılanmasında alternatif enerji kaynaklarına yönelim hızla artmıştır. Gerekli talebi karşılayacak olan enerji kaynağının sonsuz bir döngü içinde ve çevreye zararlı etkilerinin bulunmaması, bunun yanı sıra talebe karşılık verecek güçte olması gerekmektir. Bu özellikler göz önünde bulundurulduğunda, geçtiğimiz yirmi yıllık süreçte ortaya çıkan en güçlü alternatiflerden birisi rüzgâr enerjisidir.
Bir rüzgâr enerji santralinin kurulumu öncesinde, bölgenin rüzgâr enerjisi potansiyelini doğru şekilde ortaya koyabilmek büyük önem arz etmektedir. Bu süreçte gerçekleşecek küçük hataların etkileri enerji üretimine büyük kayıplar olarak yansıyacak, bu sonuçlar ise ancak santral devreye alındıktan sonra fark edilebilecektir.
2. RÜZGAR ENERJİSİ
Rüzgâr enerjisi, atmosferde meydana gelen yüksek basınç ve alçak basınç bölgeleri arasında hareket etmekte olan hava kütlelerinin sahip olduğu kinetik enerjiyi ifade etmektedir. Bu hareketli kütlenin sahip olduğu kinetik enerji Denklem (1) ile ifade edilen güç bağıntısından çıkartılabilir:
Burada m ile ifade edilen, hareket halindeki hava moleküllerinin kütlesel debisi olup Denklem (2) ile açıklanabilir.
Bu durumda Denklem(1) ile Denklem(2) birleştirildiğinde V hızına sahip rüzgâr kütlesinin gücüne Denklem(3) ile ulaşılır.
Denklem(3) incelendiğinde görüleceği gibi, rüzgâr enerjisinin bileşeni olan güç, rüzgâr hızıyla 3. mertebeden ilişkilidir. Bu nedenle rüzgâr hızında meydana gelecek küçük değişiklikler, enerji üretimine büyük farklar olarak yansımaktadır.
3. RÜZGAR ÖLÇÜMÜNDE DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN HUSUSLAR
Bir rüzgâr enerji santrali projesinin en önemli aşamalarının başında, kurulum planlanan saha için yapılacak rüzgâr ölçümü gelmektedir. Bu süreçte, gerek rüzgâr ölçüm direğinin kurulumu ve verilerin toplanması sırasında gerekse bu verilerin işlenmesi aşamasında büyük bir titizlik gerekmektedir. Rüzgâr hızı ölçümünde yapılacak çok küçük hatalar, üretim kapasitesinin yanlış öngörülmesine neden olacaktır. Bu durum yatırımcı için, ancak santral kurulduktan sonra fark edilebilecek büyük maddi kayıplara sebebiyet verebilmektedir.
Rüzgâr ölçümünde dikkat edilmesi gereken bir çok parametre bulunmaktadır. Belirsizliklerin minimum tutulduğu kaliteli bir rüzgâr ölçümünün gerçekleştirilmesi için, verilerin toplandığı rüzgâr ölçümü süresince dikkat edilmesi gereken başlıca unsurlar şunlardır:
- Rüzgâr ölçüm direği, ölçüm yapılacak olan sahanın iklim şartlarına uygun şekilde imal edilmeli.
- Rüzgâr ölçüm direğinin yüksekliği, kurulması planlanan rüzgâr türbininin hub yüksekliğine eşit yada yakın olmalı.
- Ölçüm sırasında kullanılacak anemometrelerin kalibrasyonları güvenilir bir kuruluş tarafından yapılarak sertifikalandırılmalı.
- İlgili sensörlerin (anemometre, windvane vb..) rüzgâr ölçüm direğine bağlantılarını sağlayacak kollar, IEC 61400-12 standardına uygun şekilde, herhangi bir gölgeleme yapmayacak pozisyonda monte edilmeli.
- Toplanan verilerin kesintiye uğramaması için gerekli tedbirler (sensörlerin donmaması için ısıtıcı tertibatı, data logger ın enerjisinin kesilmemesi için PV güç sistemi vb.) alınmalı.
4. UZAKTAN RÜZGAR ÖLÇÜM TEKNOLOJİLERİ
Rüzgar türbini teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte, artan kule yüksekliklerine paralel olarak rüzgar ölçüm direklerinin yükseklikleri de artmaktadır. Minimum belirsizlikle bir rüzgar ölçümü için, aday rüzgar türbininin hub yüksekliğinden ölçüm almak can alıcı önem taşımaktadır. Günümüz teknolojisiyle üretilen rüzgar türbinleri için 135m ‘ye varan hub yüksekliklerinden ölçüm almak mümkün olmakla birlikte sistemin montajının ve bakımının zorlu olması, uzaktan rüzgar ölçüm yapabilen sistemlere olan ihtiyacı arttırmaktadır.
Rüzgar hızının ve yönünün uzaktan algılanabilmesine imkan tanıyan teknolojilerin başında LIDAR ve SODAR gelmektedir.
LIDAR (Laser Imaging Detaction and Ranging) teknolojisi ile zeminden, taranacak bölgeye yayılan lazer ışınlarında meydana gelen küçük farklılıkların çok hassas şekilde saptanmasıyla rüzgarın hızı ve yönünü ölçerken SODAR (Sound Detaction and Ranging) teknolojisinde ses dalgalarındaki farklılar saptanmaktadır.
Yapılan çalışmalar LIDAR teknolojisinin atmosferik koşullardan daha az etkilendiğini ve klasik ölçüm methodlarına daha yakın sonuçlar verdiğini göstermektedir. Bunun yanı sıra, sadece LIDAR ile yapılacak ölçümlerin henüz kabul edilebilir olmadığı da açıktır.
Geldiğimiz noktada yapılan rüzgar ölçümünün minimum belirsizliğe sahip olabilmesi için yapılan çalışmalardan biri ise, klasik ölçüm sistemlerinin LIDAR destekli şekilde genişletilmesidir.
5. MİNİMUM BELİRSİZLİĞE SAHİP RÜZGAR ÖLÇÜM STRATEJİSİNİN BELİRLENMESİ
Orta derecede kompleks kabul edilen bir sahada yapılan rüzgar ölçümünde çeşitli kombinasyonlar ile ölçümler gerçekleştirilmiş, minimum belirsizliğe sahip ölçüm stratejisi irdelenmiştir. Çalışmada 100m. hub yüksekliğine sahip rüzgar türbinlerinin kurulacağı bölgenin potansiyeli, 60m. 80m. ve 100m. yüksekliğindeki rüzgar ölçüm direkleri ve LIDAR cihazlar ile belirlenmiştir.
Yapılan ölçümlerde rüzgar ölçüm direklerinin konumları 1 yıllık süreçte sabit kalırken, LIDAR cihazlar çeşitli stratejiler dâhilinde saha içerisinde farklı noktalara taşınmıştır.
Çalışma sırasında kullanılan kısaltmalar ve tanımlamalar Tablo 4.1 de açıklanmıştır.
Lidar cihazlar için her bir ölçüm periodunun 3 ay sabit, 1 ay hareketli olarak kabul edilirse; M080Lc1Laf1 stratejisi; 80m. lik bir rüzgar ölçüm direği ve bu direğin yakınında bir period ölçüm almış ardından 2 farklı nokta dan ölçüm almış lidar anlamına gelmektedir. Şekil 4.1 ‘de sahaya cihazların yerleşimi görülebilir.
Farklı kombinasyonlar içeren çok sayıda ölçüm stratejisi için belirsizlik analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu yapılan analizler sırasında aşağıdaki belirsizlik oranları kabul edilmiştir;
Rüzgar ölçüm direklerinden gelen ölçüm hataları %2
Lidar ölçüm cihazından gelen ölçüm hataları %2
Uzun dönemli data lar ile rüzgar ölçüm direğinden alınan verilerin korelasyonu sonucunda çıkan belirsizlik %3.9
Her bir strateji için dikey ve yatay eksen belirsizliklerinin özeti Tablo 4.2 de görülmektedir.
En iyi ölçüm stratejini saptamak için belirsizlik oranları ve maliyetleri birlikte değerlendirmek gerekmektedir. Minimum belirsizlik oranını mümkün olan en düşük maliyetle saptamak en iyi stratejiye ulaşmamızı sağlayacaktır. Bunun yanı sıra sadece bu iki parametrenin belirleyici olduğundan söz etmek çoğu zaman zordur. Ölçüm stratejisinin belirlenmesinde önem teşkil eden diğer faktörlere ise; yapılacak yatırımın büyüklüğü, proje sahasının yapısı, kullanılacak ölçüm cihazlarının kalitesi gibi parametreler örnek gösterilebilir.
Çalışmaların sonuçları incelendiğinde, sadece rüzgar ölçüm direği ile ölçüm yapılması durumunda hub yüksekliğine yakın yapılan ölçümlerin daha düşük belirsizliğe sahiptir.
Rüzgar ölçüm direklerinin yakınında konumlandırılan LIDAR cihazları ile birlikte yapılan ölçümler daha düşük belirsizliğe sahiptir. Bunun yanı sıra rüzgar ölçüm direğine uzak bir noktadan LIDAR ile alınan ölçümler belirsizlerin azaltılmasına yardımcı olmaktadır. Uzak noktalardaki LIDAR ların period dahilinde farklı noktalarda konumlandırılması ise sabit LIDAR ile yapılan ölçümlere oranla daha düşük belirsizliklere sahiptir. LIDAR ların değiştirilen konumlarındaki artış, ölçüm geneline belirsizliklerin azalması yönünde etkimektedir.
Minimum belirsizliğe ulaşmak için, uzun süreli, mümkün en çok noktadan LIDAR lar ile alınan verilerin, hub yüksekliğine konumlandırılmış bir rüzgar ölçüm direğinden alınan veriler ile birlikte değerlendirilmesi ile ulaşılacağı görülmüştür.
KAYNAKLAR
ICE – 61400-12 International Standart,
Boquet M., Görner K., Mönnich K., “Wind Measurement Strategies to Optimize Lidar Return on Investment”, PO.ID 103, AWEA2011, Belçika, NRG Systems, Leosphere, DEWI
Patel M., 2006. Wind and Solar Power System, Taylor&Francis Group, FL, ABD
Anonim, “Wind Measurement for a Correct Energy Prognosis”, Ammonit Gesellschaft für MeBtechnic mbH, Berlin, Almanya Anonim, GL GarradHassan, www.gl-garradhassan.com
Boquet M., “Return on Investment of a Lidar Remote Sensing Device”, DEWI Magazine, pp 56 to 61.
Campbell I., “A Comparison of Remote Sensing Device Performance at Rotsea Site”, RES Group
Albers A., “Comparison of Lidars, German Test Station for Remote Wind Sensing Devices”, Deustsche Windguard GmbH
SUMMARY
The amount of power in the wind is very dependent on the speed of the wind. Because the power in the wind is proportional to the cube of the wind speed, small differences in the wind speed make a big difference in the power you can make a big difference in the power you can make from it. This gives rise to the primary for wind resource assessment. In order to more accurately predict the potential benefits of a wind power installation, wind speeds and other characteristics of a site’s wind regime must be accurately understood.
Typically wind is measured at a height of at least 60m. for a long time. Met towers are the most common and cost effective method. The height of the met towers depends on the topography and hub height of wind turbines which will be installed after assessment.
A good measuring system must be robust, reliable and self-contained to perform well in remote regions and extreme weather conditions. The measurement data must be accessible and it needs to be transferred consistently
and reliably to the wind consultant’s PC. The measuring equipment should be selected according to regional and climatic requirements.
Understanding the wind resource at a prospective project site has long been considered a critical step in the wind farm development process, and therefore wind source experts have become more and more sophisticated in performing the assessment of the wind resource. The data collected from a wind resource assessment program, and the accuracy of that data, drives the success of the wind farm project.
In the context of the constant aim to reduce project uncertainties through the design of their wind resource project estimate campaigns, consultants make use of new measurement technologies and methods of analyzing is one approach that is gaining traction, a remaining question is which combination strategy must be applied to reach greatest uncertainties reduction at reasonable operating costs.
In this paper, it is aimed to study various wind measurement strategies on an representative wind farm site. Several measurement system combinations are proposed, including met masts of different heights, and lidar devices, located at one or several locations for varying duration and seasonal periods. The resulting uncertainties on annual energy yield estimation are calculated and compared.
It is clear that adding a highly accurate and mobile measurement system in a energy yield assessment has a high return on investment. It increases the wind farm value and considerably decreases the developer financial effort.
Bu çalışma İskender Kökey tarafından ICCI 2012 'de bildiri olarak yayınlanmış ve sunulmuştur.