ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  UÇAK VE UZAY BĠLĠMLERĠ FAKÜLTESĠ
RÜZGAR ENERJĠSĠNĠN HESAPLANMASINDA WĠNDPRO MODELĠNĠN
PERFORMANS ANALĠZĠ
BĠTĠRME ÇALIġMASI
CANER TEMĠZ
Meteoroloji Mühendisliği
Anabilim Dalı : Herhangi Mühendislik, Bilim
Tez DanıĢmanı:
Prof. :Dr.Herhangi
ġükran Sibel
MENTEġ
Programı
Program
MAYIS 2014
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ  UÇAK VE UZAY BĠLĠMLERĠ FAKÜLTESĠ
RÜZGAR ENERJĠSĠNĠN HESAPLANMASINDA WĠNDPRO MODELĠNĠN
PERFORMANS ANALĠZĠ
BĠTĠRME ÇALIġMASI
CANER TEMĠZ
(110090202)
Meteoroloji Mühendisliği
Tez DanıĢmanı: Prof. Dr. ġükran Sibel MENTEġ
Anabilim Dalı : Herhangi Mühendislik, Bilim
Programı : Herhangi Program
MAYIS 2014
İTÜ, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesinin 110090202 numaralı öğrencisi Caner
TEMĠZ, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten
sonra hazırladığı “RÜZGAR ENERJĠSĠNĠN HESAPLANMASINDA WĠNDPRO
MODELĠNĠN PERFORMANS ANALĠZĠ” başlıklı tezini aşağıda imzaları olan
jüri önünde başarı ile sunmuştur.
Tez DanıĢmanı :
Prof. Dr. ġükran Sibel MENTEġ
İstanbul Teknik Üniversitesi
Jüri Üyeleri :
Prof. Dr. ġükran Sibel MENTEġ
İstanbul Teknik Üniversitesi
Prof. Dr. Ahmet Duran ġAHĠN
İstanbul Teknik Üniversitesi
Prof. Dr. Kasım KOÇAK
İstanbul Teknik Üniversitesi
Teslim Tarihi :
Savunma Tarihi :
20 Mayıs 2014
9 Haziran 2014
Aileme,
iii
iv
ÖNSÖZ
Enerjinin günden güne ihtiyacının ve kullanım alanlarının artması dolayısıyla ve aynı
zamanda gelişen teknoloji sayesinde insanlar bu ihtiyacı giderebilmek için alternatif
ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönelmişlerdir.
Yenilenebilir enerji kaynakları; rüzgar, güneş, dalga ve jeotermal enerji şeklinde ana
başlıklara ayrılmakla birlikte aralarında en çok rüzgar enerjisi kullanılmakta ve
yaygınlaşmaktadır. Diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına nazaran rüzgar enerjisi,
daha fazla elektrik üretebilme ve yüksek verimlilik gibi etkenlerden dolayı daha çok
rağbet görmektedir. Bu çalışmanın yapılmasındaki temel amaç, Manisa‟nın Soma
ilçesindeki Sarıkaya ve Soma-6 ölçüm direklerinden elde edilen rüzgar verileri,
WindPro akış alan modeli kullanılarak bu bölgelerdeki enerjiler hesaplanmış ve
gerçek değerleri ile karşılaştırılmaları yapılmıştır. Ayrıca paralel olarak yürütülen
Emrah Uzun‟a ait tez çalışması kapsamında aynı bölge için WindSim modeli
kullanılarak hesaplanan enerji değerlerinin karşılaştırması yapılmıştır.
Bitirme çalışmam boyunca bana her türlü desteği sağlayan değerli hocam
Prof. Dr. Ş. Sibel MENTEŞ„e, WindPro programını kullanma konusundaki
yardımlarından dolayı araştırma görevlisi Bahtiyar EFE‟ye, manevi desteklerinden
dolayı en değerli varlığım olan Aileme ve sevgili METAR Kulübü yönetim
kurulundaki arkadaşlarıma sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
MAYIS 2014
Caner TEMİZ
v
vi
ĠÇĠNDEKĠLER
Sayfa
ÖNSÖZ ........................................................................................................................ v
ĠÇĠNDEKĠLER ........................................................................................................ vii
KISALTMALAR ...................................................................................................... ix
TABLO LĠSTESĠ ...................................................................................................... xi
ġEKĠL LĠSTESĠ ....................................................................................................xiiiii
ÖZET........................................................................................................................ xiv
SUMMARY .............................................................................................................. vii
1. GĠRĠġ ...................................................................................................................... 1
2. RÜZGAR ................................................................................................................ 3
2.1 Rüzgarın Temel Oluşum Mekanizması .............................................................. 3
2.1.1 Rüzgar Hızı ve Şiddeti ................................................................................ 3
2.1.2 Jeostrofik Rüzgar......................................................................................... 4
2.2 Rüzgarların Sınıflandırılması ............................................................................. 5
2.2.1 Günlük Rüzgarlar ......................................................................................... 5
2.1.2 Yerel Rüzgarlar ............................................................................................ 5
2.2.1.1 Kara ve Deniz Meltemleri ...................................................................... 6
2.2.2.2 Dağ ve Vadi Rüzgarları .......................................................................... 7
2.2.3 Küresel Rüzgar Sistemleri ............................................................................ 8
3. RÜZGAR ENERJĠSĠ ........................................................................................... 10
3.1 Rüzgar Enerjisinin Tarihsel Gelişimi ............................................................... 10
3.2 Dünyada Rüzgar Enerjisi ................................................................................. 12
3.3 Türkiye‟de Rüzgar Enerjisi .............................................................................. 15
3.4 Rüzgar Enerjisinin Özellikleri .......................................................................... 18
3.5 Rüzgar Enerji Potansiyelinin Belirlenmesi ...................................................... 18
3.6 Rüzgar Türinleri ............................................................................................... 19
3.6.1 Rüzgar Türbinlerinin Yapısı ...................................................................... 19
3.6.1.1 Kule ...................................................................................................... 20
3.6.1.2 Kanat .................................................................................................... 20
3.6.1.3 Nasel ..................................................................................................... 20
3.6.1.4 Hub ....................................................................................................... 21
3.6.2 Rüzgar Türbinlerinin Sınıflandırılması ..................................................... 21
3.6.2.1 Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri .......................................................... 21
3.6.2.2 Düşey Eksenli Rüzgar Türbinleri ......................................................... 22
3.7 Rüzgar Enerjisinin Hesaplanması .................................................................... 22
4. METOT ................................................................................................................. 25
4.1 Weibull Dağılımı .............................................................................................. 25
4.2 Bileşke Rüzgar Şİddetinin ve Yönünün Bulunması ......................................... 26
vii
5. VERĠ ANALĠZĠ .................................................................................................... 29
5.1 Ölçüm Direği ve Türbinler Hakkında Genel Bilgiler ....................................... 29
5.2 Rüzgar Verisinin Analizi .................................................................................. 29
5.2.1 Olasılık Dağılım Fonksiyonu .................................................................... 29
5.2.2 Rüzgar Frekansı ve Ortalaması Gülü ........................................................ 31
5.2.3 Rüzgar Şiddeti Ortalamasına Göre Rüzgar Gülü ...................................... 34
5.2.4 Düşey Rüzgar Profili ve Ortalamalar ........................................................ 37
5.2.5 Rüzgar Şiddetinin Günlük Ortalamaları .................................................... 39
5.2.6 Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti Dağılımı .................................................. 42
5.2.7 Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı ................................................................ 44
5.2.8 Olasılık Güç Dağılım Fonksiyonu............................................................. 46
6. WindPro MODEL SONUÇLARININ ANALĠZĠ.............................................. 47
6.1 Sarıkaya Ölçüm Direği Verilerinin Analizi ...................................................... 47
6.2 Soma-6 Ölçüm Direği Verilerinin Analizi ....................................................... 51
7. SONUÇ VEÖNERĠLER ...................................................................................... 58
KAYNAKLAR.......................................................................................................... 60
ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................... 61
viii
KISALTMALAR
V
Vg
f
ρ
φ
Ω
m
mb
s
W
kW
MW
TI
σv
k
c
PA
A
Hm
hr
R
T
g
f(v)
WMO
: Rüzgar Şiddeti
: Jeostrofik Rüzgar Şiddeti
: Coriolis Parametresi
: Hava Yoğunluğu
: Enlem Açısı
: Dünyanın Açısal Hızı
: Metre
: Milibar
: Saniye
: Watt
: KiloWatt
: MegaWatt
: Türbülans Yoğunluğu
: Rüzgar Şiddetinin Standart Sapması
: Şekil Parametresi
: Ölçek Parametresi
: Güç Potansiyeli
: Türbin Kanatlarının Süpürme Alanı
: Deniz Seviyesinden Yükseklik
: Rüzgar Esme Saati
: Bileşke Rüzgar
: Aktüel Sıcaklık
: Yerçekimi Kuvveti
: Rüzgar Hızının Olasılık Yoğunluk Fonksiyonu
: World Meteorological Organization (Dünya Meteoroloji Örgütü)
ix
TABLO LĠSTESĠ
Sayfa
Tablo 3.1 : Off-shore kapasitesinin gösterildiği ülkeler ............................................ 14
Tablo 3.2 : Türkiye‟de işletmedeki rüzgar santralleri. .............................................. 15
Tablo 4.1 : Yönlerin Açısal Değerleri. ...................................................................... 27
x
xi
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa
ġekil 2.1
ġekil 2.2
ġekil 2.3
ġekil 2.4
ġekil 2.5
ġekil 3.1
ġekil 3.2
ġekil 3.3
ġekil 3.4
ġekil 3.5
: Kara ve Deniz Meltemlerinin oluşum mekanizması. ............................... 7
: Tek hücreli rüzgar akışı. ........................................................................... 8
: Atmosferin genel sirkülasyonu. ................................................................ 8
: Atmosferin yukarı seviyelerindeki rüzgar akışı. ...................................... 9
: Atmosferin yukarı seviyelerindeki jet akışı. ............................................. 9
: İlk rüzgar türbini ..................................................................................... 11
: Dünyadaki toplam kurulu güç kapasitesi. .............................................. 12
: 2001 yılından itibaren kurulan yeni kapasiteler. .................................... 13
: En fazla off-shore‟ nin kurulu gücüne sahip 5 ülke. .............................. 14
: İşletmede olan Rüzgar Enerji Santrallerinin Kurulu Güç Bakımından
Bölgelere Göre Yüzdesel Dağılımı. ......................................................... 16
ġekil 3.6 : İşletmede Olan Rüzgar Enerji Santrallerinin Kurulu Güç Bakımından
İllere Göre Yüzdesel Dağılımı. ................................................................ 17
ġekil 3.7 : İşletme Halinde Olan Rüzgar Enerji Santrallerinin Güç Bakımından
İllere Göre Dağılımı. ................................................................................ 17
ġekil 3.8 : Rüzgar Türbinin Anatomisi. ................................................................... 19
ġekil 3.9 : Rüzgar Türbin Kulesi. ............................................................................ 20
ġekil 3.10 : Yatay eksenli rüzgar türbini. .................................................................. 21
ġekil 3.11 : Düşey eksenli rüzgar türbini. .................................................................. 22
ġekil 3.12 : Rüzgarın Türbin rotorları üzerinde kapladığı alan. ................................ 23
ġekil 5.1 : Soma-6 ölçüm direğinde 61.3 metre Histogram Analizi. ....................... 30
ġekil 5.2 : Sarıkaya ölçüm direğinde 45.5 metre Histogram Analizi. ..................... 30
ġekil 5.3 : Soma-6 ölçüm direği için 61.3 metrede rüzgar frekansı gülü. ............... 31
ġekil 5.4 : Sarıkaya ölçüm direği için 45.5 metrede rüzgar frekansı gülü ............... 32
ġekil 5.5 : Soma-6 ölçüm direği için aylara göre rüzgar frekansı gülü. .................. 32
ġekil 5.6 : Sarıkaya ölçüm direği için aylara göre rüzgar frekansı gülü .................. 33
ġekil 5.7 : Soma-6ölçüm direği için rüzgar şiddeti ortalamasına göre rüzgar gülü. 34
ġekil 5.8 : Soma-6 ölçüm direği için Aylık Rüzgar Şiddeti Ortalamasına Göre
hazırlanmış Rüzgar Gülü. ......................................................................... 35
ġekil 5.9 : Sarıkaya ölçüm direği için Rüzgar şiddeti ortalamasına göre rüzgar gülü
.................................................................................................................. 35
ġekil 5.10 : Sarıkaya ölçüm direği için Aylık Rüzgar Şiddeti Ortalamasına Göre
hazırlanmış Rüzgar Gülü. ......................................................................... 36
ġekil 5.11 : Soma-6 için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profili. ....................................... 37
ġekil 5.12 : Soma-6 için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profilinin Aylara göre Dağılımı.38
ġekil 5.13 : Sarıkaya için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profilinin Aylara göre Dağılımı.
.................................................................................................................. 38
ġekil 5.14 : Sarıkaya için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profili. ...................................... 39
ġekil 5.15 : Soma-6 için Rüzgar Şiddetinin Günlük Ortalaması. .............................. 39
ġekil 5.16 : Soma-6 için Rüzgar Şiddeti Ortalamalarının Aylık Dağılımı ................ 40
ġekil 5.17 : Sarıkaya için Rüzgar Şiddetinin Günlük Ortalaması.............................. 41
xii
ġekil 5.18 : Sarıkaya için Rüzgar Şiddeti Ortalamalarının Aylık Dağılımı. ............. 41
ġekil 5.19 : Soma-6 için 2009 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti. ......................... 42
ġekil 5.20 : Soma-6 için 2010 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti. ......................... 42
ġekil 5.21 : Sarıkaya için 2009 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti. ........................ 43
ġekil 5.22 : Sarıkaya için 2010 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti. ........................ 43
ġekil 5.23 : Soma-6 için 2009 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı. ........................ 44
ġekil 5.24 : Soma-6 için 2010 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı. ........................ 44
ġekil 5.25 : Sarıkaya için 2009 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı ........................ 45
ġekil 5.26 : Sarıkaya için 2010 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı. ....................... 45
ġekil 5.27 : Soma-6 için Olasılık Güç Dağılım Fonksiyonu. .................................... 46
ġekil 5.28 : Sarıkaya için Olasılık Güç Dağılım Fonksiyonu. ................................... 46
ġekil 6.1 : Sarıkaya Pürüzlülük Haritası .................................................................. 48
ġekil 6.2 : Sarıkaya Yükseklik Haritası. .................................................................. 49
ġekil 6.3 : Sarıkaya Ölçüm Direği Verileri İçin Yerleştirilen Türbinlerin Konumu.
.................................................................................................................. 49
ġekil 6.4 : Yerleştirilen Türbinlerin Koordinatları .................................................. 50
ġekil 6.5 : Türbinlerin Yüksekli, Rotor Yarıçapı ve Yatay Uzaklık Bilgileri. ........ 50
ġekil 6.6 : Türbinlerden elde edilen yıllık enerji değerleri. ..................................... 51
ġekil 6.7 : Sarıkaya için Ortalama Rüzgar Esme Yönü ve Şiddeti. ......................... 51
ġekil 6.8 : Soma-6 Ölçüm Direği Verileri İçin Yerleştirilen Türbinlerin Konumu. 52
ġekil 6.9 : Türbinlerden Elde Edilen Yıllık Enerji Değerleri. ................................. 53
ġekil 6.10 : Soma-6 için Ortalama Rüzgar Esme Yönü ve Şiddeti ........................... 53
ġekil 6.11 : Sarıkaya için Gerçek üretim değeri ve programlardan elde edilen üretim
değerleri.................................................................................................... 54
ġekil 6.12 : Soma-6 için Gerçek üretim değeri ve programlardan elde edilen üretim
değerleri.................................................................................................... 55
ġekil 6.13 : Sarıkaya için hata analizleri ................................................................... 56
ġekil 6.14 : Soma-6 için hata analizleri ..................................................................... 56
xiii
RÜZGAR ENERJĠSĠNĠN HESAPLANMASINDA WĠNDPRO MODELĠNĠN
PERFORMANS ANALĠZĠ
ÖZET
Bu çalışmada Manisa‟nın Soma İlçesindeki Sarıkaya ve Soma-6 ölçüm direklerinden
alınan verilere dayanarak rüzgar enerji potansiyelleri hesaplanmaya ve gerçek
değerleri ile karşılaştırılmasına çalışılmıştır. Sarıkaya ölçüm direğinden alınan veriler
Şubat 2009 ve Eylül 2010 yılları arasında ölçülmüştür. Analiz edilen Sarıkaya
verilerinde, rüzgar şiddeti 52,8 metre, 34 metre ve 18 metre olmak üzere üç farklı
yükseklikten elde edilmiş ve rüzgar yönleri de 45,5 metre ve 35,5 metre
yüksekliklerinden kaydedilmiştir. Soma-6 ölçüm direğinde veri Haziran 2010 ve
Şubat 2011 yılları arasına ait olup rüzgar şiddeti 63,8 metre, 40,4 metre ve 18,4
metre yüksekliklerinde, rüzgar yönleri ise 61,3 metre ve 35 metre yüksekliklerinde
kaydedilmiştir. İlk olarak verilerin istatistiksel analizi Windographer programı
sayesinde ayrıntılı bir şekilde yapılmıştır. Bu program sayesinde elimizde bulunan
rüzgar verilerinin günlük, aylık ortalamaları, rüzgar şiddeti ve yönü ile ilgili oranlar,
Weibull dağılımları her iki ölçüm direği açısından da elde edilmiştir. Aynı zamanda
Excel kullanılarak rüzgar şiddeti verileri sayesinde aylık ortalama rüzgar şiddetleri,
aylık güç yoğunluğu dağılımları grafiksel şekilde elde edilmiştir. Sarıkaya ölçüm
direği için 52,8 metredeki ortalama rüzgar şiddeti 7,15 m/s, Soma-6 ölçüm direği
için 63,8 metredeki ortalama rüzgar şiddeti 7,88 m/s olarak ölçülmüştür. Sarıkaya
ölçüm direğinde maksimum rüzgar şiddeti ölçümü 1.1.2010 tarihinde 23,55 m/s
olarak, Soma-6 ölçüm direğinde ise 29.10.2010 tarihinde 26,53 m/s olarak
kaydedilmiştir.
Bir sonraki adım ise verilerin WindPro programında analizi olmuştur. Bu kısımda
Sarıkaya ve Soma-6 ölçüm direklerinden elde edilen veriler programa aktarılmış ve
hatalı kısımları program içinde ayıklanarak anlamlı hale getirilmiştir. Ayrı bir dosya
olarak hazırlanan pürüzlülük haritasını da WindPro programına yükleyerek
incelenecek alanın haritası ve yükseklik konturları çıkarılmıştır. Bölge koşullarına
uygun 12 adet Enercon E-44 tipi türbin her iki veri için programda harita üzerine
xiv
yerleştirilerek gerçek verileri ile karşılaştırılmaları yapılmıştır. Bu kısımdaki temel
amaç gerçek verileri elimizde olan türbinler vasıtası ile, WindPro çıktıları
sonucundaki yıllık ortalama enerji değerleri karşılaştırılarak hata oranının
belirlenmesidir. Enercon E-44 tipi mevcut 12 türbin ilk olarak Sarıkaya verileri
doğrultusunda WindPro programında çalıştırılmıştır. Türbinlerin koordinatları detaylı
bir şekilde programa girilerek daha önceden yüklediğimiz yükseklik ve pürüzlülük
haritaları üzerinde de görsel olarak türbin yerleri elde edilmiştir. Paralel yürütülen
Emrah Uzun‟un bitirme tez çalışmasında, aynı ölçüm direklerinden elde edilen
veriler kullanılarak WindSim programı ile Soma bölgesinde kurulu 12 adet Enercon
E-44 model türbinlerin yıllık toplam üretilen enerji miktarı hesaplanmıştır. . Bu
hesaplanan değerler, türbinlerin gerçek üretilen enerji değerleri ile kıyaslanarak,
WindSim programı ne kadar hata oranı ilen hesaplama yapabildiği çıkarılmıştır.
Türbinlerin gerçek üretim değeri yıllık ortalama 20645.5 MWh olarak bilinmektedir.
Sarıkaya için yapılan WindPro analizi sonucunda yıllık ortalama üretim 24738.9
MWh olarak hesaplanmıştır. Gerçek üretim değerlerine kıyasla Sarıkaya ölçüm
direği % 19,82 lik bir hata ile hesaplamıştır. Soma-6 ölçüm direğinden alınan rüzgar
verileri de aynı şekilde WindPro proramı sonucunda hesaplandı ve yıllık ortalama
üretim 34194.7 MWh olarak hesaplanmıştır. Soma-6 için ise % 65,62 lik hesaplama
hatası mevcuttur. Sonuç verilerinden de görüldüğü gibi Soma-6 için hata oranı daha
büyük olarak hesaplanmıştır. Türbinlerden elde edilen enerji WindPro programında
hesaplandığından daha az üretilmiştir. WindSim programının sonuçlarına göre ise
hem Soma06 ve hemde Sarıkaya için ayrı ayrı hesaplamalar yapılarak, Soma06
verileri ilen yapılan hesaplamada yapılan hata % 67.60 oranında, Sarıkaya için ise
hesaplanan
hata
%
16,46
oranındadır.
xv
ABSTRACT
In this study, wind energy potential of Sarıkaya and Soma-6 Meteorological mast
from Manisa Soma are calculated with using measured wind data. Heights of wind
data of Sarıkaya that 52,8 m, 34m and 18m between 2009 and 2010. Another wind
data obtained from Soma-6 Meteorological mast. Wind data measured different
heights like Sarıkaya, measurement heights are 63,8m, 40,4m and 18,4 m between
2010 and 2011. Wind power densities are calculated by using average wind speed
data for these different height and statistical analysis was performed. Analysis which
was determined for single height with measurement mast data is distributed for large
spatial area which is modelled windfields calculation by using WindPro.
Firstly, statistical analysis of data completed by using the Windographer wind
program in detail. Through this computer program measurements were obtained.
Outputs which are obtained from Windographer are ; average wind speed Daily and
monthly for two data group, average wind direction analysis and Weibull distribution
in terms of Sarıkaya and Soma-6. At the same time, through wind speed data by
using Excel, monthly average wind speed and monthly graphical form of the power
density distribution is obtained. Average wind speed of data which obtained from
Sarıkaya Meteorological mast measured 7,15 m/s at 52,8 meter.Also, average wind
speed of Soma-6 data of Meteorological mast calculated 7,88 m/s at 63,8 meter
height with similar method. The other analysis is that maximum wind speed of
Sarıkaya Meteorological mast recorded in 01.01.2010 as 23,55 m/s, While for Soma6 Meteorological mast recorded as 26,53 m/s in 29.10.2010.
İn this graduation Project, next step is the analysis of wind data by using WindPro
computer program. İn this section, measurement wind data recorded from Sarıkaya
and Soma-6 Meteorological masta re transferred to the WindPro program and
axtracting meaningful defective parts were made through program. Previously
xvi
acquired by WindPRO program by installing the roughness map of the area to be
examined and elevation contour maps were observed.
In the last section, accordance of area with the terms of 12 Enercon E-44 turbine type
is placed on the map in the program for both data were compared with the actual
data. The main purpose of this section, which we have actual data through turbines,
WindPRO the average annual energy output value is determined by comparing the
error rate. 12 Enercon E-44 turbine types available, firstly data of mast of Sarikaya
WindPRO program was run. Turbines in a detailed way the program by entering the
coordinates we previously installed the turbine height and roughness as well as visual
locations on the map was obtained.
Actual average annual production value of turbines known as 20,64 MWh/yr.
Analysis results of Sarıkaya wind data for average annual production by WindPRO
has been calculated as 24.73 MWh / yr. Sarikaya compared to the actual production
value measurement mast was calculated with an error of 19.82%. Soma-6
measurement data directly from the wind likewise WindPRO program and an
average result was calculated production 34,19 MWh / yr, respectively. Soma-6 has
an error 65,52% as a compare with the actual annual production rate. As shown in
result error rate, Soma-6 has greater error rate than Sarıkaya. The energy which
obtained from the turbine was calculated on WindPRO program as less than actual
manufactured energy rate.
xvii
xviii
1. GĠRĠġ
Günümüzde hızla gelişen teknolojik yenilikler ve büyüyen sanayi sektörü ile birlikte
dünya genelinde büyük bir enerji kaynağı ihtiyacı doğmuştur. Büyüyen kentleşme
birçok ihtiyacı da beraberinde getirmiş ve sanayi üretiminin çok hızlıca büyümesine
neden olmuştur. İhtiyaçları karşılama anlamında günden güne enerjiye olan talep
hızlı bir tırmanış içerisine girmiştir. Tüm bu enerji talepleri neticesinde enerji
kaynaklarının tükenmesi durumu ortaya çıkmıştır ve insanlar bunun karşısında yeni
kaynakları arama yoluna gitmişlerdir. Yenilenebilir enerji kaynakları ise son yıllarda
aranan enerji haline gelmekle birlikte dünya ve ülkemiz genelinde de yenilenebilir
enerji kaynaklarına olan ilgi artmıştır. Yakın gelecekte kömür, petrol gibi fosil
yakıtların tükenmesi durumu yenilenebilir enerji kaynaklarının, sürdürülebilirlik ve
çevreye minimum zarar verme açısından daha elverişli hale gelmesini sağlamıştır.
Tarihsel süreçte insanlar rüzgarı; denizcilik alanında, tarım alanında, su pompalama
gibi birçok değişik alanda yararlılık amacı ile kullanmışlardır. Enerji ihtiyacının
global anlamda ciddi miktarlara ulaştığı günümüzde ise yenilenebilir ve çevre dostu
bir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisi; elektrik üretme amacı ile kullanılmakla
birlikte gelişen dünyanın hızlı sektörleri arasına girmektedir. Yenilenebilir enerji
kaynakları anlamında örnek verebileceğimiz; güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, dalga
enerjisi ve jeotermal enerji arasında rüzgar enerjisi yüksek verimliliği sayesinde
günümüzde Türkiye dahil bir çok ülkede tercih edilmekte ve yakın gelecekte
gelişerek kullanım alanlarının arttırılması öngörülmektedir. Sanayi alanında hızla
gelişmekte olan Türkiye‟ de sanayinin başlıca girdileri arasında yer alan enerji
sektöründeki ilerleme rakamları gelişmiş ülkelere oranla fazladır.
Türkiye‟de her geçen gün artan bu enerji ihtiyacını gidermek için ortaya konulan
enerji politikalarının temel hedefi; ekonomik ve sosyal gelişmeyi destekleyecek
şekilde gerekli olduğu dönemde, yeterli miktarda güvenilir enerjiyi çevreye zarar
vermeyecek ve gerekli önlemleri alacak şekilde, ekonomik anlamda milli kaynakları
kullanarak tüketicilerin kullanımına sunmaktır.
Rüzgardan elektrik enerjisi üretimi alanında en başarılı ülkeler başta Kuzey Avrupa
ülkeleri olmakla birlikte; Almanya, Danimarka ve İspanya‟dır. Son dönemlerde ise
1
Amerika Birleşik Devletleri ve Çin gibi çok miktarda enerji ihtiyacı gerekliliği duyan
ülkelerde de çalışmalar sürdürülerek devam etmektedir. Türkiye‟de rüzgar enerji
santrallerinin kurulu gücü, Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği (TÜREB)‟in 2014 yılı
Ocak ayı raporuna göre 2958,45 MW seviyesine ulaşmıştır. 1210,1 MW kurulu güç
ile Ege bölgesi Türkiye‟de %40,9 oranla en fazla kurulu güce sahip bölgesi
konumundadır.
Bu çalışmada Manisa-Soma bölgesindeki rüzgar ölçüm verileri kullanılarak enerji
potansiyeli değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca WindPro yazılımı ile alansal modelleme
yapılarak bölgenin enerji yoğunluğu tespit edilip rüzgar türbinlerinden elde edilmiş
olan gerçek veriler ile karşılaştırılmıştır. Paralel yürütülen Emrah Uzun‟un bitirme
tez çalışmasında, Sarıkaya ve Soma-6 ölçüm direklerinden elde edilen rüzgar şiddeti
verileri WindSim programında kullanılmış ve Manisa/Soma bölgesinde kurulu 12
adet Enercon E-44 model türbinlerin yıllık toplam üretilen enerji miktarı
hesaplanmıştır. Bu hesaplanan değerler, önceden elde edilmiş olan gerçek enerji
değerleri ile kıyaslanmış, WindSim programının ne oranda başarı ile hesaplama
yapabildiği sonucu araştırılmıştır.
2
2. RÜZGAR
Rüzgar günlük hayatta sıkça gözlemleyebileceğimiz, havanın atmosferde yer
değiştirme suretiyle taşınmasının bir sonucu olarak karşımıza çıkar. Güneşten gelen
ışınlar uzunca bir uzay yolunu kat ederek Dünya atmosferine girer ve başta
atmosferimizin tabakaları ve bulutlarla etkileşirler. Gezegenimizin eğriliği, dönme
ekseninin eğimi ve topografik şartlara bağlı olarak yer yüzeyimizin farklılıklar
gösteren fiziki yapısı nedeniyle atmosfere giren güneş ışınları gezegenimizin her
noktasına eşit dağılmazlar. Bunun neticesinde meydana gelen farklı ısınmalarla
birlikte basınç farklılıkları meydana gelir. Rüzgar ise işte tam bu noktada, havanın
yüksek basınçtan alçak basınca doğru hareketi sonucunda meydana gelmektedir.
Geniş anlamda değerlendirdiğimizde rüzgar, güneş ışınlarının yarattığı fiziksel
farklılıkların dolaylı bir sonucudur. Rüzgarın oluşumuyla akışa geçen havanın bir
kinetik enerjisi mevcuttur, böylece potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşmüştür.
2.1. Rüzgarın Temel OluĢum Mekanizması
Bir önceki kısımda yapmış olduğumuz tanımlamalar çerçevesinde rüzgar oluşumunu
etkileyen temel etken, dünya yüzeyinin farklı sıcaklık dağılımlarına sahip olmasıdır.
Bahsettiğimiz bu farklı sıcaklık dağılımını; enlem, kara-deniz, yükseklik farklılıkları
ve mevsimler etkilemektedir.
2.1.1. Rüzgar Hızı ve ġiddeti
Basınç, sıcaklık gibi değişkenler skaler büyüklüklerdir ve yönden bağımsızdırlar.
Vektörel değişkenler yön ve büyüklüğe sahip olan değişkenlerdir. Hız, bu tanımlar
çerçevesinde vektörel bir nicelik olmakla birlikte, cismin zamanla konumundaki
değişme oranının miktarıdır. Kartezyen koordinatlarda toplam ve yatay hız
vektörlerini,
3
Olarak gösterilir. Burada i, j, k Kartezyen koordinatlarda birim vektörler olup ,
sırasıyla batı-doğu, güney-kuzey ve düşey birim vektörlerdir.
u
dx
dt
dy
dt
v
w
dz
dt
(2.3)
Verilen denklemler hızın skaler bileşenleri olup birimi m/sn‟ dir.
Rüzgar hızının büyüklüğü onun şiddetidir. (2.4) ve (2.5) sırasıyla rüzgar şiddetini ve
yatay rüzgar şiddetini göstermektedir.
v
u2
2
vh
u2
2
w2
(2.4)
(2.5)
Rüzgar yönleri rüzgarların geliş yönlerine göre adlandırılır. Pozitif büyüklükte ve
güney-kuzey bileşenleri bulunmayan u hızı batılı rüzgardır. Benzer olarak pozitif
büyüklüğe sahip ve batı-doğu bileşeni olmayan v hızı güneyli rüzgardır (Menteş,
2009).
2.1.2 Jeostrofik rüzgar
Sürtünmenin olmadığı, akışın izobarlara paralel ve düzgün olduğu durumdaki
rüzgara jeostrofik rüzgar denir ve aşağıdaki şekilde ifade edilir.
(2.6)
ile ifade edilir.
Burada ρ hava yoğunluğu, f Coriolis parametresidir ve f=2Ωsinφ (φ: Enlem açısı, Ω:
7.29 x 10^-5 rad/sn) şeklinde gösterilir.
4
1- Birim hava kütlesi için basınç gradyan kuvveti ; bu kuvvet hava kütlesini daha
alçak basınca doğru hareket ettirir.
2- Hava kütlesi ,bir hız kazandığında Coriolis kuvveti (fV) etkisiyle kuzey yarım
kürede sağa doğru saptırılır.
3- Sonuçta basınç gradyanı ile Coriolis kuvvetleri arasında denge oluşur ve
hareket izobarlara paralel bir şekilde devam eder.
Jeostrofik rüzgar atmosferin türbülanslı açık tabakalarında ve tropik bölgelerde
gerçek rüzgara iyi bir yaklaşım değildir. Jeostrofik rüzgarların gerçek rüzgarları en
iyi temsil ettiği durum akışın doğrusal ve hava sistemlerinin de durağan(stasyoner)
olduğu serbest atmosferdir (Menteş,2009).
2.2 Rüzgarların sınıflandırılması
Rüzgarları genel çerçevede kategorize etmek istersek; mevsim rüzgarları olan
Musonlar ve küresel rüzgar sistemlerini büyük ölçekli rüzgarlar grubuna, günlük ve
yerel rüzgarları ise küçük ölçekli rüzgarlar grubunda toplayabiliriz. Rüzgar enerjisi
çalışmaları için faydalanılan rüzgarlar ise günlük ve yerel rüzgarlardır.
2.2.1 Günlük Rüzgarlar
Rüzgarı oluşturan temel olay olan basınç farklılıkları, kısa süre içerindeki
periyotlarda örneğin gün içindeki süreçte diğer rüzgar sistemlerine kıyasla daha az
bir sürede meydana gelmektedir. Bu tür rüzgarlar daha çok topografik yapıya bağlı
olarak dağlarla vadiler ve kara deniz sistemi arasında meydana gelmektedir. Nedeni
ise daha önce de bahsettiğimiz gibi bu gibi yerlerin gün içinde farklı miktarda ısınıp
soğumaktadır. Bu şekilde meydana gelen rüzgarlar kara ve deniz arasında ise kara ve
deniz meltemi, dağ ile vadi arasında meydana geliyorsa dağ vadi meltemleri adını
alır. Meltemler çoğu yerde görülebilmekle birlikte genellikle küçük alanları etkiler.
2.2.2 Yerel Rüzgarlar
Bir bölgede belirli zamanlarda meydana gelen alçak ve yüksek basınç sahaları yerel
rüzgarları meydana getirirler. Bunların esiş yerleri ve zamanları genellikle bellidir.
Bazen birkaç gün bazen de birkaç hafta eserler. Yerel rüzgarlar doğdukları yerlere
5
göre sıcak ve soğuk karakterli olabilirler. Yerel rüzgarlara özel karakter kazandıran
estikleri yerin topografik şartlarıdır:
Kuvvetli rüzgar alanları :
1. Basınç gradyanının yüksek olduğu yerler
2. Hakim rüzgar yönüne paralel vadiler
3. Yüksek ova ve platolar
4. Sürekli inici akış bölgeleri
5. Tepe ve dağ zirveleri
6. Jeostrofik rüzgar ve termal etkileşimlerin meydana geldiği kıyı şeritleri
Zayıf Rüzgar alanları :
1. Hakim rüzgar yönüne dik vadiler
2. Engebelerle gölgelenmiş arazi
3. Kısa, dar vadi kanyonlar
4. Pürüzlülük yüksekliği Zo‟un büyük olduğu alanlar
Rüzgarın topografya ile ilişkisi oldukça önemlidir. Dağ rüzgarı, vadi rüzgarı, kara ve
deniz meltemleri, fön rüzgarları, katabatik rüzgarlar gibi topografik etkilerle
meydana gelen rüzgarlar bulunmaktadır. Topografyanın rüzgar üzerinde üç önemli
etkisi bulunmaktadır. Bunlar pürüzlülük, orografik ve perdeleme etkileridir.
Orografik etkiler için tepeler, sırtlar, basamaklı arazi yapısı, oluk, vadi ve yüksek
platoların bulunması sayılabilir. Bu elemanlar rüzgar üzerinde ilave bir etkiye
sahiptir. Örneğin, rüzgar bir zirveye yaklaşırken, üstünden aşarken veya dağın
eteklerine kadar hızlanırken; zirve tabanında yavaşlamaktadır. Bu değişimler yersel
olarak meydana gelmektedir (Menteş, 2009).
2.2.2.1 Kara ve Deniz Meltemleri
Gün boyunca dünyaya gelen güneş ışınları yeryüzü şekilleri ve bölgelerine bağlı
olarak farklı şekilde soğurulur. Karalar ve denizler arasında da böyle bir homojen
olmayan ısınma söz konusudur. Mevsimsel anlamda düşünüldüğünde, ilkbahar ve
yaz aylarında karaların sıcaklığı denizlerinkinden yüksektir. Kış aylarında ise tam
tersi bir durum söz konuşur. Aynı mekanizma gece ve gündüz ölçeğinde de
geçerlidir. Güneş ışınlarının gelmesiyle birlikte kara ve denizler arasında farklı
ısınım söz konusu olur. Bilindiği üzere ısınan hava çevresine nazaran daha hafif
olduğu için yükselmeye başlayacaktır. Gündüz periyodunda karalarda ısınan havanın
6
yükselmesiyle yerini denizlerden gelen soğuk havaya bırakır. Üst kısımlarda ise tam
tersine karadan denize doğru bir hava taşınımı söz konusudur. Gece periyodunda bu
döngü tersine işler. Denizlerden karaya doğru esen rüzgara deniz meltemi, karadan
denize doğru esen rüzgara kara meltemi denir.
ġekil 2.1: Kara ve Deniz Meltemleri
2.2.2.2 Dağ ve Vadi Rüzgarları
Topografik açıdan incelendiğinde güneş ışınlarının dünya üzerinde farklı ısınma
alanları oluşturmasının en iyi örneklerinden birisi de dağ ve vadi meltemleridir. Gün
boyunca dağ yamaçları güneşten aldığı ışınlar sayesinde ısınır, dolayısıyla sıcak olan
vadi ile temas halindeki hava da ısınır. Neticede ısınan hava kütlesi yamaçlar
boyunca yükselmeye başlar. Yükselen bu hava kütlesinin yerine yukarıdan düşey
olarak daha soğuk ve ağır olan hava alır. Bu olay gün boyunca devam eder ve bir
döngü meydana getirir. Bu nedenle vadi rüzgarları geceleri yamaçtan vadiye doğru
eser.
2.2.3 Küresel rüzgar sistemleri
Günümüzde enerji ihtiyacımızı karşılayabilmek için sürekli yerel rüzgarlar ile
ilgilensek de tüm sistemi analiz etme bakımından dünyanın genel sirkülasyonuna
bakmakta fayda vardır. Küresel anlamda meydana gelen rüzgarlar aslında atmosferin
7
gene sirkülasyonunu oluşturur. Bu sirkülasyonu başlatan temel mekanizma ise daha
önceki kısımlarda da bahsettiğimiz gibi, dünya yüzeyinin homojen olmayan
ısınmasıdır. Tüm bu sirkülasyon olup biterken, tropiklerde ısınmaya bağlı olarak
büyük bir enerji kazanımı, kutuplarda ise bunun tersi olarak enerji kaybı söz
konusudur. Bu durumda ortadaki dengesizliği yok etmek amacı ile atmosfer, sıcak
havanın akışını kutuplara, kutuplardaki soğuk havayı ise tropiklere transfer eder.
Genel anlamda tüm bu transfer işlemleri sırasında büyük bir rüzgar sisteminin
oluşumu da başlamıştır. Temel anlamda en büyük rüzgar sistemleri, batılı rüzgarlar
ve kutup rüzgarlarıdır.
ġekil 2.2 : Tek Hücreli Rüzgar Akışı
ġekil 2.3 : Atmosferin Genel Sirkülasyonu
8
ġekil 2.4: Atmosferin Yukarı Seviyelerindeki Rüzgar Akışı
ġekil 2.5: Atmosferin Yukarı Seviyelerindeki Jet Akışı
9
3. RÜZGAR ENERJĠSĠ
Güneşin Dünyanın farklı kısımlarını farklı miktarlarda ısıtmasının dolaylı bir sonucu
olarak ortaya çıkan rüzgar, sahip olduğu hava moleküllerinden dolayı mevcut bir
kinetik enerjiye sahiptir. Kurulu rüzgar türbinleri vasıtası ile rüzgarın bu enerjisi
mekanik enerjiye, ardından ise elektrik enerjisine dönüştürülmektedir.
3.1 Rüzgar Enerjisinin Tarihsel GeliĢimi
İnsanların rüzgar enerjisini kullanarak gündelik hayatta, ticari işlerde ve benzeri
alanlarda fayda sağlaması girişimi çok eski dönemlere kadar dayanmaktadır. Bunlara
bir göz atacak olur isek en eski faydalanma biçimleri yel değirmenleri ve bir takın
yelkenli gemilerden oluştuğu karşımıza çıkmaktadır. Denizcilik alanında rüzgar
hareket kabiliyeti açısında çok büyük öneme sahipti ve bu şekilde yelkenli gemilerde
rüzgar vasıtasıyla hareket kolaylığı sağlamaktaydılar. Yel değirmenlerinin rüzgar ile
hareket ettirilmesinin 5000 yıldan fazla olduğu tahmin edilmektedir. Benzer şekilde
ise eski dönemlerde yel değirmenleri gündelik hayatta buğdayın öğütülmesi
konusunda fayda sağlamıştır. Bu şekilde rüzgarın kinetik enerjisinden faydalanılarak
pratik kullanımlar sağlanmıştır.
Araştırmalara göre yazılı olarak varlığı kanıtlanmış en eski yel değirmeni M.S. 644
yılına ait İran‟daki Seistan‟dadır. Benzer şekilde Çin‟de M.S.800 yıllar civarında
pirinç tarlalarının sulanmasında kullanılmıştır. Doğuda ve Orta Asya‟da kullanılmış
olan Düşey eksenli yel değirmenleri, Batılılar sayesinde geliştirilerek yatay eksenli
hale getirilmiştir. Normandiya Krallığı döneminde ise ilk yatay eksenli yel değirmeni
örneğine rastlanmıştır. Yatay eksenli ve mekanik enerji amaçlı yel değirmenlerinin
gelişimi incelendiğinde ; Almanya‟da ayaklı yel değirmeni, Akdeniz ülkelerinde kule
tipi yel değirmeni, Hollanda‟da döner çatılı yel değirmeni ve Amerika‟lı Daniel
Halladay tarafından rüzgar yönü yönlendiricisi takılan çok kanatlı Amerikan tipi yel
değirmenleri
şeklinde
sıralanabilmektedir.
1882
yılında
Amerika
Birleşik
Devletleri‟nin New York eyaletinde elektrik santralleri kurulmuş ve sonrasında ülke
10
çapında yaygınlaşmıştır. Tüm bu olayları izleyen süreç 19. Yüzyıl sonlarına doğru
çok hızlı bir şekilde ilerleme kaydetmiştir. ( Özdamar. A, t,y)
İskoçlu bir akademisyen olan Profesör James Blyth 1887 yılında rüzgardan güç elde
etmek için deneylere başlamış ve rüzgar gücü ile çalışan bir pil şarj cihazı yapmayı
başarmıştır. Sonrasında İngiltere‟de patentini almıştır. Aynı yıl Amerika Birleşik
Devletleri‟nde Charles Francis Brush rüzgar güç makinesi üretmiş ve enerji üretmeye
başlamıştır. İlk olarak rüzgardan elektrik üretimi ise Danimarka‟lı bir Profesör olan
Paul La Cour tarafından 1891 de üretilmiştir. 1908 yılına kadar geçen süre içerisinde
dünyanın çeşitli yerlerinde bir çok rüzgar çiftliği kurulmuştur. Danimarka konsepti
diye adlandırılmış üç kanatlı rotorlar, ikinci dünya savaşından itibaren 1956 yılına
kadarki süreçte geliştirilmiştir. Aynı dönemde türbinlerde kullanılmakta olan doğru
akım jeneratörleri yerine elektrik şebekeleri için daha uyumlu olan alternatif akım
jeneratörleri kullanılmaya başlanmıştır. Bugünkü modern rüzgar türbinlerinin öncüsü
olan tasarım ise 1957 yılında Johannes Juul tarafından yapılmıştır.
ġekil 3.1 : İlk Rüzgar Türbini
11
1970‟li yıllarda baş gösteren petrol krizine bağlı olarak yükselen yakıt fiyatları
sonucu rüzgar enerjisine ilgi daha da artmış ve bu alandaki yatırımlar artmıştır.
1980‟li yıllardaki gelişmeler neticesinde seri olarak üretilen ve kullanılan rüzgar
türbinlerinin nominal güçleri 600 kW, 750 kW,1 000 kW, 1 500 kW ve 2 000 kW'dır
(Heier, 1996). Türkiye‟de genel kullanıma yönelik ilk rüzgar elektriği,1986 yılında
Çeşme‟de Altınyunus tesisleri‟nde kurulan Vestas marka rüzgar türbininden elde
edilmiştir.
3.2 Dünya’da Rüzgar Enerjisi
Tüm dünyada günden güne ilerleyen teknolojinin getirdiği yeniliklerle birlikte, enerji
ihtiyacı da maksimum seviyeye ulaşmış durumdadır. Dünya genelinde enerji
ihtiyacının karşılanmasında kullanılan fosil yakıtların kaynaklarının sınırlı miktarda
bulunması, gün geçtikçe azalmaları ve çevreye verdikleri zararlar dolayısı ile ,
insanlar enerji tasarruflarının yollarını aramışlar diğer yandan da yenilenebilir ve
sürdürülebilir kaynakları araştırmışlardır. Bu araştırmalar da yenilenebilir enerji
kaynaklarından elektrik elde edilmesi işi hem dışa bağımlılığı azaltmada hem de
ülkelerin enerji kapasiteleri konusunda faydalı bir adımdır. Bu anlamda son yıllarda
Dünyada özellikle Avrupa da gereksinim duyulan elektrik ihtiyacını karşılamak için
atılan adımlardan en büyüğü rüzgar enerjisine yönelmek olmuştur. Çünkü rüzgar
enerjisi yerli bir enerji kaynağı olmakla birlikte , tükenmeyen ve doğal, gelecekte de
aynı şekilde sürdürülebilir, doğaya zarar vermeyen ve atmosferik olayları
etkilemeyen, CO2 salınımı olmayan , bitki örtüsünü ve insan sağlığına herhangi bir
negatif etkisi olmayan teknolojik gelişimi hızlı bir enerji kaynağıdır.
ġekil 3.2 : Dünyadaki toplam kurulu kapasite tahmini (World Wind Energy
Association Nisan 2014)
12
Rüzgar enerjisi uygulamaları için en çok çalışılmış ülkeler arasında Avrupa ülkeleri
gelmektedir. Bunlardan başta Danimarka, İspanya ve Almanya olmak üzere birçok
Avrupa ülkesinde yaygındır. Son yıllarda rüzgar teknolojisinde ABD ve Çin gibi
ülkelerde büyük ilerlemeler olmuştur.
ġekil 3.3 : 2014 yılı toplam kurulu kapasaite (World Wind Energy Association,
Nisan 2014)
Rüzgar türbinleri genellikle rüzgarın güçlü ve sürekli estiği kara bölgelerine
yerleştirilmiştir. Bu uygulamanın yanında denizler karalara göre daha zengin rüzgar
potansiyeline sahip olduğu için, denizlerde de deniz üstü (off-shore) tipi rüzgar
santrallerinin kurulmasına başlanmıştır. Off- shore alanında ilk rüzgar santrali 5 MW
güçle Danimarka‟da kurulmuştur. 2010 yılı itibari ile de İngiltere ve Danimarka bu
alanda bayağı mesafe kat etmişlerdir. Dünya rüzgar enerjisi raporuna göre,2010
yılından sonrada gelişmeler kaydedilmektedir ve denizlerden üretilen rüzgar enerjisi
Avrupa ülkelerinden 10 tanesinde uygulanmak ile birlikte Çin ve Japonya‟da da bu
konuda çalışmalar yapılmaktadır.
Toplam kurulu off-shore rüzgar kapasitesi ilk kurulduğu zamanki 1161,7 lik
kapasitesini aşarak 3117,6 MW a ulaşmıştır. Bu oran off-shore geleceği açısından
olumlu fikirlerin doğmasını ve yaygınlaştırılmasını sağlamıştır.
13
Tablo 3.1 : Off-shore kapasitesinin gösterildiği ülkeler
DÜNYADA OFF-SHORE KONUSUNDA LĠDER ĠLK 5 ÜLKE
ġekil 3.4 : En fazla off-shore‟ nin kurulu gücüne sahip 5 ülke
14
3.3 Türkiye’de Rüzgar Enerjisi
Türkiye`deki yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik üretiminde kullanılmasına
ilişkin 4628 sayılı “Elektrik Piyasası Kanunu” ile yenilenebilir enerji kaynaklarından
özel sektöre de elektrik üretimi imkanı verilmiştir (Albostan A , 2009). Ülkemizde
rüzgar potansiyeli açısında Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz kıyılarımız zengindir.
Türkiye‟de rüzgar enerjisi açısından ilgili kurum ve kuruluşlar tarafından yapılmış
çalışmalar sonucunda ; Afyon ve bazı ilçeleri, Akhisar, Alaçatı, Anamur, Antakya,
Bandırma, Belen, Bozcaada, Bozkurt, Çanakkale, Çeşme, Çorlu, Datça, Didim,
Dikli, Edremit, Erdek, Erzurum , Foça, Gökçeada, haymana, İnebolu, Karaman,
Malatya, Mardin, Samsun, Silifke, Sinop, Urla ve Yalıkavak rüzgar bakımından
zengin yerler olarak görülmüştür.
Tablo 3.2 : Türkiye‟de işletmedeki Rüzgar santralleri
15
Tablo 3.2 Devamı : Türkiye‟de işletmedeki Rüzgar santralleri
ġekil 3.5 : İşletmede olan Rüzgar Enerji Santrallerinin Kurulu Güç Bakımından
Bölgelere Göre Yüzdesel Dağılımı
16
ġekil 3.6 : İşletmede Olan Rüzgar Enerji Santrallerinin Kurulu Güç Bakımından İllere
Göre Yüzdesel Dağılımı
ġekil 3.7 : İşletme Halinde Olan Rüzgar Enerji Santrallerinin Güç Bakımından İllere
Göre Dağılımı
17
3.4 Rüzgar Enerjisinin Özellikleri
Rüzgâr Gücü, dünyada kullanımı en çok artan yenilenebilir enerji kaynaklarından
biri haline gelmiştir. Kurulumunda, işletmesinde ve sürdürülebilirliğindeki
kolaylıklar sayesinde enerji dünyasının dikkatini çekmiştir. Ayrıca rüzgar enerjisinin
diğer enerji kaynaklarına göre bir takım farlı özellikleri mevcuttur. Bunlar;
Yenilenebilir ve temiz bir enerji kaynağıdır,
Atmosferi kirletici etkiye sahip değildir,
Sürdürülebilir bir özelliğe sahiptir,
Kurulduğu bölgede kirliliğe sebep olmaz ve tarımsal faaliyetleri engellemez,
Bölgesel olarak kurulabilir ve enerji ithalini azaltır,
İklim değişikliği problemleri için alternatif bir enerji kaynağıdır,
Monte edilebilmesi ve taşınması kolay bir sisteme sahiptir,
Radyasyon yayma etkisi yoktur
Fosil yakıtlara bağımlılığı azaltarak, ekonomik açıdan düzenli şartlar getirir.
3.5 Rüzgar Enerji potansiyelinin belirlenmesi
Rüzgardan elektrik enerjisi üretmek için yapılan çalışmaların büyük bir bölümü
rüzgarı anlamak ve analiz etmekten geçmektedir. Enerjinin üretileceği ana kadar
geçen çalışmalardan rüzgarın, esme yönü, esme şiddeti ve benzeri değişkenler detaylı
bir şekilde incelenmektedir. Bu araştırmalar yapılırken, öncelikle rüzgar türbinin
kurulacağı bölgeyi tespit etmek için ölçüm kuleleri dikilmektedir. Ölçüm kulelerinde
farklı yüksekliklerde anemometre dediğimiz rüzgar şiddetini ölçen aletler vasıtasıyla
veriler dakikalık olacak şekilde kaydedilmektedir.
Rüzgar enerjisi Betz teoremine göre %59.3 lük maksimum bir etkiyle mekanik
enerjiye çevrilebilmektedir. Bu çevrim rüzgar türbini tarafından yapılır. Böylece bir
türbin; çevredeki engellerin rüzgarı kesemeyecek kadar yükseklikte bir kule üzerinde
bulunması gerekir. Ayrıca yüksek verim için geniş düzlükler bu enerji kaynakları
için daha elverişlidir.
Rüzgar enerjisinden etkin biçimde yararlanabilmemiz için bölgenin rüzgar
potansiyelinin doğru tespit edilmesi gerekmektedir. Rüzgar enerjisi rüzgar
şiddetinin, hava yoğunluğunun, rüzgarın tutacağı rotor alanının, rotorun bulunduğu
18
yüksekliğin bir fonksiyonu olup şiddetinin küpü ile doğru orantılı olarak
değişmektedir.
3.6 Rüzgar Türbinleri
Rüzgarın sahip olduğu kinetik enerjiyi mekanik ardından da mekanizması sayesinde
elektrik enerjisine çeviren sisteme rüzgar türbini denir.
3.6.1 Rüzgar Türbinlerinin Yapısı
Rüzgar türbinleri günümüz kullanımı itibari ile 3 kanatlı olarak tasarlanmıştır. Temel
elemanlar olarak ; kule, pervane kanatları, Nasel, göbek, jeneratör, gibi parçalardan
oluşmaktadır.
ġekil 3.8 : Rüzgar Türbininin Anatomisi
19
3.6.1.1 Kule
Pervanelerin ve Naselin üzerinde bulunduğu kısımdır ve boyu rüzgar enerjisi üretimi
ile doğru orantılıdır. Rüzgar türbinleri yüksek irtifada daha fazla enerji üretebildikleri
için kule bölümünde dayanıklı malzemeler (boru seklinde çelik, beton veya çelik
kafes) kullanılır.
ġekil 3.9 : Rüzgar türbin kulesi
3.6.1.2 Kanat
Rüzgar türbinini oluşturan en önemli parçalardan biridir. Belli başlı bir aerodinamik
yapısı mevcuttur. Rüzgardan elde edilen enerjiye bu aerodinamik yapının etkisi
büyüktür. Esen rüzgar kanatların üzerinden geçerek dönmelerini sağlar.
3.6.1.3 Nasel
Rüzgar türbin kulesinin tepesinde durur ve rüzgarın pervaneler vasıtasıyla
oluşturduğu mekanik enerjinin kinetik enerjiye çevrildiği kısımdır. Bu kısımda ;
pitch yatağı, hub, pervane şaftı, dişli kutusu, güvenlik frenleri, jeneratör gibi parçalar
bulunur.
20
3.6.1.4 Hub
Türbin pervanelerinin göbeğe bağlandığı kısımdır.
3.6.2 Rüzgar Türbinlerinin Sınıflandırılması
Belirli bir uygulamada kullanılan rüzgar türbinleri o uygulamanın gerektirdiği
özelliklere sahip olmalıdır. Şimdiye kadar değişik nitelikte ve tipte türbinler
geliştirilmiş olup bunların bir kısmı günümüzde ticari hale gelmiştir. Rüzgar
türbinleri dönme eksenlerine göre ; yatay eksenli rüzgar türbinleri ve düşey eksenli
rüzgar türbinleri olmak üzere ikiye ayrılır.
3.6.2.1 Yatay eksenli rüzgar türbinleri
Bu tür türbinler, dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel, kanatları ise rüzgar yönüne
dik olarak çalışırlar. Bu tür türbinler bu konuma, rotor kule üzerinde döndürülerek
getirilir. Yatay eksenli türbinlerin kule üzerinde yatay eksen yönündeki hareketi,
motorlar(rüzgar veya elektrik), rüzgara yönelik birimlerde kılavuz bir kuyruk ve
rüzgarı arkadan gören birimlerde ise oluşturulan konik açı ile sağlanır.
ġekil 3.10 : Yatay Eksenli Rüzgar Türbini
21
3.6.2.2 DüĢey Eksenli Rüzgar Türbinleri
Bu tür türbinlerin mili düşeydir ve rüzgarın geliş yönüne diktir. Günümüzde ticari
kullanımı yok denecek kadar az olmakla birlikte bir takım deneysel çalışmalar için
kullanılmaktadır. Savonius tipi ve Darrieus tipi olmak üzere 2 çeşitdir.
ġekil 3.11 : Düşey eksenli rüzgar türbini
3.7. Rüzgar Enerjisinin Hesaplanması
Rüzgarın türbin üzerinde meydana getirdiği dönme hareketi sayesinde elde edilen
elektrik enerjisinin hesaplanmasının temelinde geometrik ve fiziksel hesaplamalar
yatmaktadır. (YEGM, t.y.).
22
ġekil 3.12 : Rüzgarın Türbin rotorları üzerinde kapladığı alan
Rüzgar türbinlerinin rotorları dönerken belli bir alanı kaplar, bu alan türbin
kanatlarının uzunluğunun taradığı alana eşittir. Rüzgar türbinin enerjisini
belirlemede; hareket eden cisimlerin belli bir kinetik enerjisi olacağından, rotorlar
üzerindeki havanın hareketinin enerjisini hesaplamak için kinetik enerji formülünden
faydalanılmaktadır.
E
1 2
mv
2
(3.1)
Buradaki kinetik enerji formülünde:
m: kütle
v: yatay rüzgar hızı şiddetidir.
Aynı zamanda kinetik enerji formülünde kullanılan kütle;
m
V
(3.2)
: havanın yoğunluğu
V: hacim
V hacim ifadesini şu şekilde ifade edebiliriz:
V=AL
(3.3)
A: Alan
L: rüzgar yönündeki uzunluk
L ifadesini zamana ve rüzgarın şiddetine bağlı olarak gösterilirse:
L:vt
(3.4)
L eşitliğini (3.3) denkleminde yerine yazar ve kütle denkleminde yerine koyarsak:
23
V:Avt
(3.5)
m:
(3.6)
Avt
Elde edilen kütle eşitliğini kinetik enerji denkleminde yerine yazarsak:
E
1
Atv3
2
(3.7)
Buradan da birim zaman ve birim alandaki enerjiyi:
E
24
1 3
v olarak bulabiliriz.
2
(3.8)
4.METOT
4.1 Weibull Dağılımı
Weibull olasılık fonksiyonu rüzgar enerjisi potansiyelinin belirlenmesi amacıyla
yapılan çalışmalarda en yaygın kullanılan istatistiksel dağılımların başında
gelmektedir. Ortalama rüzgar hızı, ortalama rüzgar gücü yoğunluğu ve rüzgar
enerjisinin tahmininde iki parametreli Weibull olasılık dağılım fonksiyonuna bağlı
olarak yapılmaktadır (Kurban ve diğ, 2005). Weibull dağılımı sayesinde standart
sapma ve çarpıklık katsayısı kullanılarak risk ve güvenilirlik hesaplamaları
yapılabilmektedir. Weibull dağılımının hesaplanabilmesi için iki tane parametreye
ihtiyaç vardır ; boyutsuz şekil parametresi (k) ve ölçek parametresi (c).
k>0,u>0,c>1
(4.1)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
Ölçek parametresi rüzgar ortalaması ile doğru orantılıdır. İstasyonun rüzgar
karakteristiğinin belirlenmesinde ölçek parametresinin önemli bir yere sahiptir.
Weibull dağılımı standart sapma ile ters orantılıdır. O halde ortalama rüzgar şiddeti
ve standart sapmanın bilinmesi durumunda k ve c parametreleri bulunur.
K ve c parametrelerinin eldesi şu şekilde bulunabilir :
(4.5)
(4.6)
25
(4.7)
(4.8)
(4.9)
(4.10)
Weibull dağılımı k‟nın değişik değerlerine göre farklı dağılımları gösterir:
k = 2 için Rayleigh dağılımı şeklini alır.
k = 1 durumunda exponansiyel dağılım özelliği ortaya çıkar.
k = 3.6 için Gauss dağılımına çok benzer özellikler gösterir.
4.2 BileĢke Rüzgar ġiddetinin ve Yönünün Bulunması
Lambert formülüne göre persistant değeri (P) (4.13) formülünde gösterildiği
şekilde, rüzgar şiddetinin ortalamasının rüzgar hızlarının aritmetik ortalamasına
bölünmesi ile elde edilir.
P=
(4.13)
Burada;
R=
(4.14)
(4.15)
Rüzgar hızlarının ortalamasının yönü ise :
(4.16)
bağıntısı ile verilir. Bu bağıntıda
ile oluşturduğu açıdır.
26
rüzgar hızları ortalamasının Güney-Kuzey yönü
Tablo 4.1: Yönlerin Açısal Değeri
Yön
N
NNE
NE
ENE
Derece
0,360
22.5
45
67.5
Yön
E
ESE
SE
SSE
Derece
90
112.5
135
157.5
Yön
S
SSW
SW
WSW
Derece
180
202.5
225
247.5
Yön
W
WNW
NW
NNW
Derece
270
292.5
315
337.5
27
5. VERĠ ANALĠZĠ
5.1 ÖLÇÜM DĠREĞĠ VE TÜRBĠNLER HAKKINDA GENEL BĠLGĠLER
Analizi yapılacak olan veriler Manisa‟nın Soma ilçesindeki Sarıkaya ve Soma-6
bölgelerindeki
istasyonlardan
elde
elde
edilmiştir.Soma-6
ölçüm direğinin
koordinatları metrik harita projeksiyonu cinsinden X: 564891 ve Y: 4345334 olarak
belirlenmiştir. Ölçüm direğinin rakımı 821 metre olarak ölçülmüştür. Meteorolojik
ölçüm direği 65 metre yüksekliğinde Latice tipi bir ölçüm direğidir.Rüzgar şiddet
ölçümleri 63,8 m, 40,4 m, 18,4 m olmak üzere 3 farklı yükseklikte
yapılmıştır.Rüzgar yönü ölçümleri ise 61,3 m ve 35 m yüksekliklerde
yapılmıştır.Sarıkaya ölçüm direğinden elde edilen veriler Haziran 2010 ile Şubat
2011 dönemini kapsamaktadır.
Diğer ölçüm elde edilen direğimiz olan Sarıkaya ölçüm direğinin koordinatları
metrik hariya projeksiyonları cinsinden X: 568077 ve Y: 4348131 olarak elde
edilmiştir. Sarıkaya ölçüm direğinin deniz seviyesinden yüksekliği 861 metre olarak
ölçülmüştür.Bu ölçüm direği de 54 metre yükseklikte Latice tipi bir ölçüm direğidir.
Rüzgar şiddeti ölçümleri bu direkte 52.8 m, 34m, 18.1 m yüksekliklerde
yapılmıştır.Rüzgar yönü ölçümleri 45.5 m ve 30.5 m yüksekliklerde yapılmıştır.
5.2 RÜZGAR VERĠSĠNĠN ANALĠZĠ
5.2.1 Rüzgar Dağılım Frekansı ve Olasılık Dağılım fonksiyonu
63.8 metredeki frekans dağılımına ait histogram şekil 5.1 de gösterilmiştir.
Histogram incelendiğinde Soma-6 ölçüm direğinden elde edilen verilere göre
frekans dağılım histogramı Weibull dağılımına uymaktadır. Şekil 5.1 de görüldüğü
üzere 0-1 m/s aralığında histogramda rüzgar şiddetinin frekansının oldukça düşük
olduğu görülmektedir. 5 m/s ve 8 m/s arasında rüzgar şiddeti frekansı oldukça
yüksektir.10 m/s sonrasındaki rüzgar şiddeti frekansı giderek azalmaktadır.
28
ġekil 5.1: Soma-6 ölçüm direğinde 63.8 metre Histogram Analizi
Sarıkaya ölçüm direğinde 52.6 metre yükseklikte elde edilen rüzgar verileri
doğrultusunda elde edilen frekans dağılımı şekil 5.2 de gösterilmektedir. Bu
histogramda da rüzgar şiddeti frekansını 5 m/s ve 7 m/s arasında maksimum olduğu
görülmektedir.
ġekil 5.2 : Sarıkaya ölçüm direğinde 52.8 metre Histogram Analizi
29
5.2.2 Rüzgar ġiddeti ve Yönüne Ait Rüzgar Gülü
ġekil 5.3 : Soma-6 Ölçüm Direği için 61.3 Metrede Rüzgar Frekansı Gülü
Rüzgar yönüne göre hesaplanarak oluşturulmuş rüzgar gülünde açıkca görüleceği
gibi Soma-6 ölçüm direğinin 61.3 metredeki hakim rüzgar yönü (NE) Kuzey-Doğu
yönündedir.İkincil hakim rüzgar yönü ise Güney (S) yönünden esmektedir.
Sarıkaya bölgesi için ise 52.8 metre yükseklikte yapılan ölçümler sonucunda
oluşturulan rüzgar gülü şekil 5.4 de gösterilmiştir.Sarıkaya ölçüm direğinde hakim
rüzgar Kuzey-Kuzeydoğu (NNE) yönünden esmektedir ve ikincil hakim rüzgar yönü
ise Güney (S) yönündendir.
30
ġekil 5.4 : Sarıkaya Ölçüm Direği için 45.5 Metrede Rüzgar Frekansı Gülü
ġekil 5.5 : Soma-6 ölçüm direği için Aylara göre Rüzgar Frekans Gülü
31
Soma-6 ölçüm direği için aylara göre elde edilmiş rüzgar frekans gülleri şekil 5.5 de
gösterilmiştir.Aylara göre dağılım incelendiğinde Ocak ve Şubat aylarında Kuzey
Doğu (NE) yönünden önemli oranda esen rüzgar yılın diğer aylarına oranla büyük
değerlere sahiptir. Ekim, Kasım ve Aralık aylarında ise rüzgar çoğunlukla Güney
yönlerden esmektedir.
ġekil 5.6 : Sarıkaya ölçüm direği için Aylara göre Rüzgar Frekans Gülü
Sarıkaya ölçüm direği verileri ile 45.5 metre yükseklikte elde edilen verilerin aylara
göre dağılımı incelendiğinde, Temmuz, Ağustos ve Eylül aylarında rüzgarın yoğun
olarak Kuzey-Kuzeydoğu yönünden estiği görülmektedir.Ocak, Şubat ve Mart
döneminde ise bu durum Güney-Güneybatıdan esecek şekilde değişmektedir.
Sarıkaya ölçüm direği bölgesinde rüzgar yaz aylarında daha çok Kuzeyli yönlerden
eserken, kış aylarında frekansı azalarak Güneyli yönlerden esmektedir.
32
5.2.3 Rüzgar ġiddeti Ortalamasına Göre Rüzgar Gülü
ġekil 5.7: Soma-6 ölçüm direği için Rüzgar şiddeti ortalamasına göre rüzgar gülü
63.8 metredeki rüzgar şiddeti ölçümleri ve 61.3 metredeki rüzgar yönü ölçümleri
neticesinde hazırlanmış rüzgar yönü ve şiddetine göre rüzgar gülü şekil 5.7‟de
gösterilmiştir. Rüzgar şiddeti ortalamasının en yüksek olduğu yön Kuzey Doğu (NE)
dir. Bunu Güney (S) yönündeki rüzgar şiddeti izlemektedir. Batılı ve Doğulu
rüzgarları şiddetinin ortalamalarının düşük olduğu görülmektedir. Soam-6 ölçüm
direği için aylara göre hazırlanmış olan rüzgar şiddet ortalamasına göre rüzgar gülü
şekil 5.7‟de gösterilmektedir. Ocak, Şubat aylarında Kuzey yönünden esen rüzgarın
şiddeti diğer aylara oranla büyüktür. Aynı şekilde Haziran, Temmuz, Ağustos
aylarında Kuzey yönünden esen rüzgarın şiddeti azalmaktadır. Ekim, Kasım, Aralık
gibi kış aylarına döndüğünde ise tekrar Güneyli rüzgarların şiddetinde artış
görülmektedir.
Yaz
aylarında
Güneyli
rüzgarların
şiddeti
önemli
ölçüde
azalmaktadır.
33
ġekil 5.8 : Soma-6 ölçüm direği için Aylık Rüzgar Şiddeti Ortalamasına Göre
hazırlanmış Rüzgar Gülü
ġekil 5.9: Sarıkaya ölçüm direği için Rüzgar şiddeti ortalamasına göre rüzgar gülü
34
52.8 metredeki rüzgar şiddeti ölçümleri ve 45.5 metredeki rüzgar yönü ölçümleri
neticesinde hazırlanmış rüzgar yönü ve şiddetine göre rüzgar gülü şekil 5.8‟da
gösterilmiştir. Rüzgar şiddeti ortalamasının en yüksek olduğu yön Kuzey –
Kuzeydoğu
(NNE)‟dir.
Kuzeybatılı
ve
Güneydoğulu
rüzgarları
şiddetinin
ortalamalarının düşük olduğu görülmektedir.
Sarıkaya ölçüm direği için aylara göre hazırlanmış olan rüzgar şiddet ortalamasına
göre rüzgar gülü şekil 5.9‟de gösterilmektedir. Şubat, Mart ve Nisan aylarında
Kuzey-Kuzeydoğu yönünden esen rüzgarın şiddeti diğer aylara oranla büyüktür.
Aynı şekilde Haziran, Temmuz, Ağustos aylarında Kuzey yönünden esen rüzgarın
şiddeti artmaktadır. Ekim, Kasım, Aralık gibi kış aylarına döndüğünde ise tekrar
Güneybatılı rüzgarların şiddetinde artış görülmektedir. Yaz aylarında Doğulu
rüzgarların şiddeti önemli ölçüde azalmaktadır.
ġekil 5.10 : Sarıkaya ölçüm direği için Aylık Rüzgar Şiddeti Ortalamasına Göre
hazırlanmış Rüzgar Gülü
35
5.2.4 DüĢey Rüzgar Profili ve Ortalamalar
ġekil 5.11 : Soma-6 için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profili
Soma-6 ölçüm direğinin 63.8 m, 40.4 m ve 18.4 m yüksekliklerindeki ölçülmüş
verilerin logaritmik profile göre düşey hız profili Şekil 5.10 da görülmektedir.
Bilindiği üzere rüzgar şiddeti yükseklikle birlikte artar bu grafiktede bunu açıkca
görmekteyiz. Rüzgar şiddetine ait düşey profil ile Logaritmik profil ve güç kanunu
ile hesaplanan düşey profil karşılaştırması Şekil 5.11 da gösterilmiştir. Elde edilen
profil ile her iki (Log ve güç kanunu) extrapolasyon yöntemi ile elde edilen düşey
profil yüksek bir uyum göstermektedir.
(5.1)
(5.2)
36
U1 : 1 seviyesindeki rüzgar şiddeti
U2: 2 seviyesindeki rüzgar şiddeti
H1: 1 seviyesinin yüksekliği
H2: 2 seviyesinin yüksekliği
A: Güç kanunu katsayısı
Zo: Arazinim Pürüzlülük Uzunluğu
Şekil 5.12‟de Soma-6 ölçüm direği verilerine ait rüzgar şiddetinin düşey profilinin
aylara göre dağılımı gösterilmektedir. Dağılım incelendiğinde tüm aylar benzer bir
düşey profile sahiptir. Artan yükseklik ile birlikte Ağustos ayının ortalam rüzgar
şiddeti en yüksek olan ay olduğu, Haziran ayının ise en düşük değere sahip olduğu
görülmektedir.
ġekil 5.12 : Soma-6 için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profilinin Aylara göre Dağılımı
37
Sarıkaya ölçüm istasyonuna ait rüzgar şiddeti verilerinden elde edilen rüzgar
şiddetinin düşey profilinin aylara göre dağılımı Şekil 5.13‟de gösterilmiştir.Şekilde
incelendiğinde Ağustos ayı hariç diğer ayların çok yakın bir profile sahip olduğu
görülmektedir.
ġekil 5.13 : Sarıkaya için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profilinin Aylara göre Dağılımı
ġekil 5.14 : Sarıkaya için Rüzgar Şiddetinin Düşey Profili
38
Şekil 5.14‟de Sarıkaya ölçüm direği verileri için her üç kanun için de yüksekliğe
bağlı ortalama rüzgar şiddeti grafiği verilmiştir. Gerçek veri, güç kanunu ve Logkanunu düşey rüzgar profili grafiği üzerinde gösterilmiş ve değerlerinin birbirleriyle
büyük oranda kesiştiği görülmektedir.
5.2.5 Rüzgar ġiddetinin Günlük Ortalamaları
Soma-6 istasyonu için her üç ölçüm seviyesindeki rüzgarın şiddetinin günlük
ortalaması Şekil 5.15‟de verilmiştir.
ġekil 5.15: Soma-6 için Rüzgar Şiddetinin Günlük Ortalaması
Soma-6 ölçüm direği için 63.8 m, 40.4 m ve 18.4 m yüksekliklerine ait rüzgar şiddeti
ölçüm değerlerinin her bir ayı için günlük dağılımı şekil 5.11‟de gösterilmiştir.En üst
ölçüm seviyesi olan 63.8 metrede öğleden sonra rüzgar şiddetinde belli bir artış
görülmektedir. Rüzgar şiddetleri öğleden önceki periyotlarda genelde kararlı bir
şekilde olmuştur.
Aynı bölgenin aylara göre dağılımı şekil 5.16‟de incelendiğinde Temmuz ve Ağustos
aylarında üst seviyelerdeki rüzgar şiddetinin diğer aylara göre fazla olduğu
görülmektedir. Kış aylarında ise rüzgar şiddetindeki azalma görülebilmektedir.
39
ġekil 5.16: Soma-6 için Rüzgar Şiddeti Ortalamalarının Aylık Dağılımı
Şekil 5.17‟de Sarıkaya ölçüm direğinin 52.6 m, 34 m, 18.1 m yüksekliklerinden elde
edilen rüzgar şiddeti verilerinin günlük dağılımı verilmiştir.
ġekil 5.17: Sarıkaya için Rüzgar Şiddetinin Günlük Ortalaması
40
Ortalama rüzgar şiddeti Şekil 5.17‟de görüldüğü gibi öğleden sonraki saatlerde
maksimum değerine ulaşmaktadır. Gece süresince ve sabah periyodunda ortalama
rüzgar şiddeti minimum değerlerine sahiptir.
Aynı şekilde bölgenin günlük rüzgar şiddeti ortalamalarının aylık dağılımları şekil
5.18‟de verilmiştir.
ġekil 5.18: Sarıkaya için Rüzgar Şiddeti Ortalamalarının Aylık Dağılımı
41
5.2.6 Aylık Ortalama Rüzgar ġiddeti Dağılımı
ġekil 5.19 : Soma-6 için 2010 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti
Yukarıdaki şekilde de görüleceği üzere Soma-6 için maksimum ortalama rüzgar
şiddeti Ağustos ayında (10 m/s) ölçülmüştür.Ancak kış aylarında ortalamalarda daha
yüksek rüzgar şiddeti değerleri görülmektedir.
42
ġekil 5.20 : Soma-6 için 2011yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti
Şekil 5.21 : Sarıkaya için 2009 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti
Sarıkaya ölçüm direğinden elde edilen verilere göre 2009 yılında rüzgar şiddeti
Temmuz ayında maksimum olarak kaydedilmiş (9.48 m/s) ve yaz aylarında daha
fazla rüzgar şiddeti ölçülmüştür.
43
Şekil 5.22 : Sarıkaya için 2010 yılı Aylık Ortalama Rüzgar Şiddeti
5.2.7 Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı
ġekil 5.23 : Soma-6 için 2010 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı
44
Soma-6 için Ağustos ayında aylık güç yoğunluğu değeri maksimumdur. Mevcut
ölçüm verilerinden elde edilen aylık güç yoğunlukları arasında ise Haziran ayı en
düşük değere sahiptir.Kış aylarına doğru güç yoğunluğunda artış görülmektedir.
2011 yılı için Soma-6 ölçüm direğinden elde edilen verilere göre aylık güç
yoğunluğu dağılımı incelendiğinde ise Şubat ayı daha büyük değere sahip olarak
karşımıza çıkmaktadır.2011 verileri sadece ilk iki ayı kapsadığı için 2011 yıl geneli
anlamında bir yorum yapmak mümkün olamamaktadır.
ġekil 5.24 : Soma-6 için 2011 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı
Şekil 5.25‟te 2009 yılı için Sarıkaya ölçüm direğinden elde edilmiş veriler için aylık
güç yoğunluğu dağılımı görülmektedir ve inclelendiğinde Temmuz ayının
maksimum değere (760 W/ m^2) Ağustos ayının ise minimum değere (195 W/ m^2)
sahip olduğu görülmektedir. Yaz ayları daha yüksek ortalama güç değerine sahipken
kış aylarında ortalama olarak yakın değerler ölçülmüştür.
45
ġekil 5.25 :Sarıkaya için 2009 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı
Sarıkaya için 2010 yılı aylık güç yoğunluğu dağılımı Şekil 5.26‟da verilmiştir. 2010
yılı için maksimum değer Temmuz ayında (620 W/ m^2), minimum değerin ise
Mayıs ayında (100 W/ m^2) elde edilmiştir.
ġekil 5.26 :Sarıkaya için 2010 yılı Aylık Güç Yoğunluğu Dağılımı
46
5.2.8 Olasılık Güç Dağılım Fonksiyonu
ġekil 5.27: Soma-6 için Weibull Olasılık Güç Dağılım Fonksiyonu
ġekil 5.28 : Sarıkaya için Weibull Olasılık Güç Dağılım Fonksiyonu
47
6. WindPro MODEL SONUÇLARININ ANALĠZĠ
WindPRO rüzgar çiftlikleri modellemek için kullanılan rüzgar enerjisi yazılımdır.
Kullanıcılar, rüzgar türbini düzenini ve elektrik tasarımı dahil olmak üzere rüzgar
çiftliklerini bu yazılım sayesinde analiz edebilirler. Enerji üretimi, türbin gürültü
seviyeleri, türbin wake kayıpları ve türbin uygunluk hesaplanabilir. WindPRO,
WAsP veya CFD yazılımı rüzgar akış modelleme girdilerini kullanır. WindPRO
Danimarkalı enerji danışmanı EMD International A.Ş tarafından geliştirilmiştir.
Bu çalışmada Manisa‟nın Soma bölgesinde bulunan 12 adet Enercon E-44 tipi
türbinin yıllık toplam enerjilerinin, aynı bölgede bulunan Sarıkaya ve Soma-6 ölçüm
direkleri verilerinin WindPro programı ile analiz edilmesi sonucu elde edilen yıllık
toplam enerjilerinin karşılaştırılmaları yapılmıştır ve hata oranları belirlenmiştir.
6.1 Sarıkaya Ölçüm Direği Verilerinin Analizi
WindPro Modeli detaylı bir şekilde çalıştırılmış ve koordinatları X:568077 ve
Y:4348131 olan Sarıkaya ölçüm direği için verilerin analizi yapılmıştır. Sarıkaya
ölçüm direğinde 52.8 m, 34 m ve 18 m olmak üzere üç farklı rüzgar şiddeti ölçümü
ayrıca 45.5 m ve 35.5 m olmak üzere de iki farklı yükseklikte rüzgar yönü verileri
ölçülmüştür. Ölçülen bu veriler 30.01.2009 - 24.09.2010 periyodunu kapsamaktadır.
ġekil 6.1: Sarıkaya Pürüzlülük Haritası
48
ġekil 6.2 : Sarıkaya Yükseklik Haritası
ġekil 6.3 : Sarıkaya Ölçüm Direği Verileri İçin Yerleştirilen Türbinlerin Konumu
49
Şekil 6.3‟de Sarıkaya ölçüm direğinden elde edilen veriler çerçevesinde Soma
Bölgesi için elimizde gerçek değerleri olan 12 adet Enercon E-44 tipi türbinler
koordinatlarına göre yerleştirilerek WindPro modeli yardımıyla yıllık enerji değerleri
MWh/y olarak hesaplanmıştır.
Sarıkaya ölçüm direği için yıllık ortalama rüzgar yönü ve şiddeti farklılık
göstermektedir. Kuzeyli rüzgarlar diğer yönlere oranla daha çok esmekle birlikte
yıllık ortalama rüzgar şiddetinin WindPro modeline göre 8 -14 m/s arasında değiştiği
şekil 6.4‟da gösterilmiştir.
ġekil 6.4 : Sarıkaya için Ortalama Rüzgar Esme Yönü ve Şiddeti
50
ġekil 6.5 : Türbinlerin Yüksekliği, Rotor Yarıçapı ve Yatay Uzaklık Bilgileri
ġekil 6.6 : Türbinlerden Elde Edilen Yıllık Enerji Değerleri
Şekil 6.7‟de belirtilen Enercon E-44 tipi 12 adet türbinin yıllık toplam gerçek
enerjileri 20.6455 MWh/y olarak hesaplanmıştır. WindPro modeli ile Sarıkaya
51
verileri çerçevesinde yapılan çalışmalar sonucunda bu 12 adet türbinden elde edilen
yıllık toplam enerji 24.7391 MWh/y olarak hesaplanmıştır.
ġekil 6.7 : Yerleştirilen Türbinlerin Koordinatları
6.2 Soma-6 Ölçüm Direği Verilerinin Analizi
WindPro Modeli ile rüzgar verilerinin analiz edilip yıılık ortalama enerji değerlerinin
bulunduğu diğer bir ölçüm direğimiz Soma-6‟ dır ve koordinatları X: 564891 ve Y:
4345334 dir. Soma-6 ölçüm direğinde 3 farklı yükseklikte rüzgar şiddeti ölçümü
yapılmıştır. Bu yükseklikler 63.8m, 40.4 m ve 18.4 m olmaklar birlikte 61.3 m ve 35
m yüksekliklerinde de rüzgar yönü ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçüm direğinin
verileri, 18.06.2010 ve 25.02.2011 tarihlerini kapsamaktadır.
52
ġekil 6.8 : Soma-6 Ölçüm Direği Verileri İçin Yerleştirilen Türbinlerin Konumu
Şekil 6.4‟de gösterilen ve bir önceki Sarıkaya ölçüm direği verileri için kullanılan ve
toplam yıllık enerji üretimi 20.6455 MWh/y olan 12 adet Enercon E-44 model türbin
aynı şekilde WindPro modeli kullanılarak yerleştirilmiştir. Soma-6 için model
çıktıları sonucunda yıllık ortalama enerji üretimi değeri 34.1948 MWh/y olarak
hesaplanmıştır.
53
ġekil 6.9 : Türbinlerden Elde Edilen Yıllık Enerji Değerleri
ġekil 6.10 : Soma-6 için Ortalama Rüzgar Esme Yönü ve Şiddeti
54
6.3 Hata Analizi
Sarıkaya ölçüm direği verilerinin WindPro programı sonucunda üretim değeri ve
paralel yürütülen bitirme çalışmasında WindSim programından elde edilen sonuçlar
Şekil 6.11 de gösterilmektedir.
ġekil 6.11 : Sarıkaya için Gerçek üretim değeri ve programlardan elde edilen üretim
değerleri
Genel anlamda Sarıkaya için her iki programda da elde edilen değerler gerçek
üretilen değerlerden fazla çıktığı görülmektedir. WindPro ile elde edilen sonuca göre
enerji üretimi 24738,9 MWh, WindSim ile elde edilene göre ise 24051,1 MWh
olarak hesaplanırken gerçek üretilen değer ise 12 türbin için toplam 20645,5 MWh
değerindedir.
55
Soma-6 ölçüm direği verilerinin WindPro programı sonucunda üretim değeri ve
paralel yürütülen bitirme çalışmasında WindSim programından elde edilen sonuçlar
Şekil 6.12 de gösterilmektedir. WindPro ile elde edilen sonuca göre enerji üretimi
34194,7 MWh, WindSim ile elde edilene göre ise 34602,7 MWh olrak hesaplanırken
geröek üretilen değer ise 12 türbin için toplam 20645,5 MWh değerindedir.
ġekil 6.12: Soma-6 için Gerçek üretim değeri ve programlardan elde edilen üretim
değerleri
56
Sarıkaya verilerinin WindPro ve WindSim programlarındaki analizleri sonucu elde
edilen hata oranları Şekil 6.13 de gösterilmektedir. Bağıl hatalar WindPro
programında daha fazla çıkmıştır.
ġekil 6.13 : Sarıkaya için hata analizleri
Soma-6verilerinin WindPro ve WindSim programlarındaki analizleri sonucu elde
edilen hata oranları Şekil 6.14 de gösterilmektedir. Bağıl hatalar WindPro
programında daha fazla çıkmıştır.
ġekil 6.14 : Soma-6 için hata analizleri
57
7. SONUÇ VE ÖNERĠLER
Yapılan bu çalışmada, Manisa‟nın Soma ilçesindeki, Sarıkaya ölçüm direğinin
52.8m, 34m ve 18m yükseklikteki rüzgar şiddeti, 45.5m, 30,5 m yükseklikteki rüzgar
yön verileri ile birlikte, Soma-6 ölçüm direğinin 63,8m, 40,4m ve 18,4 m rüzgar
şiddeti ölçümleri, 61,3m, 35 m rüzgar yön verileri kullanılmıştır. Bölgenin
sayısallaştırılmış haritası kullanılmış, WindPro programı ile Enercon E-44 tipi 12
adet türbinden elde edilen gerçek yıllık enerji verileri Sarıkaya ve Soma-6 ölçüm
direklerinden alınan yıllık enerji çıktıları ile karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler ve
değerlendirmeler sonucunda, aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır:
1. Sarıkaya ölçüm direğinden 52.8m, 34m ve 18m yüksekliklerindeki rüzgar
şiddetleri ortalamaları sırasıyla 7,15 m/s, 6,68 m/s, 5,83 m/s olarak
belirlenmiştir. Soma-6 ölçüm direğindeki 63,8m, 40,4m ve 18,4 m
yüksekliklerdeki rüzgar şiddeti ortalamaları ise sırasıyla 7,88 m/s, 7,58 m/s ve
7,07 m/s olarak hesaplanmıştır.
2. Hakim rüzgar yönü Sarıkaya için Kuzey-Kuzeydoğu (NNE), Soma-6 için ise
Güney-Güneydoğu (SSE) yönünden esmektedir.
3. Bölgedeki veriler çerçevesinde en ideal türbin tipinin Enercon E-44 tipi
olduğu tespit edilmiştir.
4. WindPro çıktısı olarak; Sarıkaya için yıllık toplam enerji üretimi 24738,9
MWh, Soma-6 için ise 34194,7 MWh olarak elde edilmiştir.
5. WindSim çıktısı olarak Sarıkaya için yıllık toplam enerji üretimi 24051.1
MWh, Soma-6 için ise 34602,7 MWh olarak elde edilmiştir.
58
6. Sonuç verilerine bakacak olursak Manisa/Soma bölgesi rüzgar türbini kurmak
için ideal olmakla birlikte bir çok firma burada çalışmalarını sürdürmektedir.
Yaz aylarında rüzgar şiddetinde meydana gelen artış, enerji üretimini de
arttırmaktadır.
7. WindPro programı ile her iki bölge için de enerji analizi yapılmış, Weibull-k
ve Weibull-c parametreleri tahmininde ise sırasıyla %4.61 ve %8,22 hata
değerleri ortaya çıkmıştır.
8. Windographer programı sayesinde her iki bölge için de, rüzgar şiddet ve yön
değerlerinin yıllık ve aylık değerleri ile birlikte grafiksel gösterimleri elde
edilmiştir.
WindPro programı ile yapılan hesaplamalar ve üzerinde çalışılan iki bölge için elde
edilmiş yıllık enerji çıktıları gerçek değerleri ile karşılaştırılmış ve hata oranları
belirlenmiştir. Sarıkaya ölçüm direği için % 19,82, Soma-6 ölçüm direği için ise %
65,62 oranında hata tespit edilmiştir. WindSim programının sonuçlarına göre ise hem
Soma06 ve hemde Sarıkaya için ayrı ayrı hesaplamalar yapılarak, Soma06 verileri
ilen yapılan hesaplamada yapılan hata
% 67.60 oranında, Sarıkaya için ise
hesaplanan hata % 16,46 oranındadır. Bu bilgiler ışığında çalışma yapılan bölgenin
rüzgar türbini kurulumu açısından uygun olduğu görülmüştür. Halihazırda incelenen
bölgede rüzgar türbini santrali bulunmaktadır.
59
KAYNAKLAR
1. Albostan, A., Çekiç, Y., Eren, L. (2009) Rüzgar Enerjisinin Türkiye‟nin Enerji Arz
Güvenliğine Etkisi
2. EPDK, (2014) Elektrik Piyasası İthalat ve İhracat Raporu, Alındığı tarih :
11 .05.2014, adres: http://www.epdk.gov.tr/
3. EÜAġ,(2013) Türkiye‟de Rüzgar Enerjisi, Alındığı tarih: 28.04.2014, adres:
http://www.euas.gov.tr/Sayfalar/AnaSayfa.aspx
4. MenteĢ S., (2009) Enerji Meteoroloji Ders Notları - İTÜ.
5. ġen, O. (t.y.). Hava Kirliliği Meteorolojisi Ders Notları
6. TUREB, (2014) Türkiye Rüzgar Enerjisi İstatistik Raporu, Alındığı tarih :
9 .05.2014, adres: http://tureb.com.tr/
7. YEGM. (t.y.). Rüzgar Enerjisi, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü, Alındığı
tarih: 12.04.2014, adres:
http://www.eie.gov.tr/eieweb/turkce/YEK/ruzgar/ruzgar_en_hak.html
8. World Wind Energy Association, (2010) World Wind Enegy Report, Sf :11-13
60
ÖZGEÇMĠġ
Caner Temiz, 6 Temmuz 1991 yılında Fatih / İSTANBUL‟ da doğdu. İlköğrenimini
Erbaa Yavuz Selim İlköğretim Okulu‟nda, Orta öğrenimini ise Erbaa Merkez
Anadolu Lisesi‟nde tamamladı. Lisans eğitimine 2009 yılında İstanbul Teknik
Üniversitesi, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Meteoroloji Mühendisliği
Bölümü‟nde başladı.2011 yılı yazında Atatürk Havalimanı Meydan Meteoroloji
İstasyonunda Meteorolojik gözlemler stajı, 2012 yılı yazında İstanbul 14. Bölge
DSİ‟de Hidroloji stajı ve 2013 yılında ise Atlasjet Airlines Havacılık A.Ş‟de
havacılık Meteorolojisi stajını yaptı. Halen aynı bölümde lisans eğitimine devam
etmektedir.
61
Download

ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ UÇAK VE