RÜZGAR ÖLÇÜMLERİNDE KARARSIZLIK ANALİZİ

Transkript

1 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 127 RÜZGAR ÖLÇÜMLERİNDE KARARSIZLIK ANALİZİ Faruk Tuna, Ferhat Bingöl * İzir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Enerji Sisteleri Mühendisliği Bölüü, URLA, İZMİR * ferhatbingol@iyte.edu.tr ÖZET Türkiye de rüzgar ölçü direklerinden alınan veriler havanın kararlılığına göre analiz edileekte ve bundan dolayı dikey rüzgar profillerinin ölçü ve hesaplaalarında hatalar yapılaktadır. Bu çalışa Türkiye deki yüzlerce ölçü direğinde kullanılabilecek bir kararlılık odeli çalışası içerir. Rüzgar hız profilinin belirlenesinde havanın genelde neutral durular göz önüne alınır. Bu sebeple neutral olayan alanlarda beklenen ile ölçülen hız değerlerinde oldukça büyük farklılıklar gözlenebilir. Bunun sonucunda fizibilite çalışalarında ve burgaç/ekstre hız hesaplaalarında ciddi hatalar oluşaktadır. Çalışa kapsaında geleneksel ölçü cihazları ile yapılan (ör: hız, yön, sıcaklık, basınç, bağıl ne) kararlılık analizi, aynı ölçü direkleri üzerinde ek cihazlarla (ör: ek olarak 1 ya da 2 sonic aneoetre, farklı yüksekliklerde sıcaklık ölçüü vb.) tekrarlanış yani farklı kararlılık analizleri iki farklı cihaz grubuyla aynı veri için tekrarlanıştır. Çalışadaki aaç hata payını anlaak ve Türkiye de sonic aneoetre bulundurayan tü direklerde kararlılık analizini belirsizliğini bilecek şekilde yapabilecek bir etodoloji geliştirektir. 1.GİRİŞ Rüzgar enerjisi yatırılarında yapılacak ilk adı tesisin kurulacağı alanda kurulacak bir direkten asgari bir senelik tü evsileri içeren bir ölçü yapaktır. Ölçü için geleneksel ölçü direkleri kullanılır. Uzaktan algılaa cihazları yeni yeni tanınaya başlasa da Türkiye de halen geleneksel ölçü direkleri yöneteliklerde belirtilen standarttır. Ülkeizde yapılan rüzgar alanındaki çalışalarda, dikey rüzgar hız profilinin belirlenesinde havanın sadece neutral duruları göz önüne alınıştır. Bu sebeple özellikle de daha kopleks alanlarda (dağ, vadi vb.) beklenen ile ölçülen hız değerlerinde oldukça büyük farklılıklar gözlenebilir. Toplanan verilerin tüünün neutral olduğu savıyla kararlılık paraetresinin etkisi ihal edilerek istatistikler oluşturulakta ve bu bilgi sadece neutral koşullar için geliştiriliş odellerde kullanılaktadır. Bunun sonucunda fizibilite çalışalarında ve burgaç/ekstre hız hesaplaalarında ciddi hatalar oluşaktadır. Çalışa kapsaında geleneksel ölçü cihazları ile yapılan (ör: hız, yön, sıcaklık, basınç, bağıl ne) kararlılık analizi, aynı ölçü direkleri üzerinde aslında analizin yapılası için daha ideal olan ek cihazlarla (ör: ek olarak 1 ya da 2 sonic aneoetre, farklı yüksekliklerde sıcaklık ölçüü vb.) tekrarlanış ve oluşan hatanın enerji üreti tahinlerindeki etkisi ve belirsizliği sayısal olarak inceleniştir. Literatüre bakıldığında çok kapsalı olan kararsızlık analizine ülkeizde gereken öne verilediği gözleniştir. Bu nedenden ötürü yapılan bu çalışada detaylı bir analiz ile örnek bir konuundaki (National Renewable Energy Laboratory, NREL, Colorado 2010) sonuçları gösteriliştir. Hedeflenen kazanı kapsaında dikilecek olan ölçü direğinden aynı şekilde datalar alarak bunların analizinin yapılası ve bunun 2 ölçü cihazı ile başarılası söz konusudur.

2 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 128 Sonic aneoetre kullanıı ile anlık ölçüler alınarak Obukhov yüksekliği hesaplanış bunun yardıı ile kararlılık (stabilite) sınıflarına bakılarak dikey rüzgar profilinde düzelteler yapılır, böylece hatalar azaltılış olur. Fincan aneoetrelerin kullanı sayısı son yıllarda beklenedik bir şekilde artış gösteriştir bu nedenden ötürü aynı ölçü direğinde 2 cihazın kıyaslanası ve ortalaa değerler yardıı ile aynı analizin nasıl yapılası gerektiği gösteriliştir. 2.TEORİ İlk olarak dikey rüzgar hızı ifadesi şu şekilde tanılanıştır. [1] z u = l U * (1) U yatay rüzgar hızını, z yerden yüksekliği, u * lokal sürtüne hızını ve l de yerel karışa yüksekliğini belirtektedir. Yüzey tabakada karışa yüksekliği lsl ise l ile denk sayılabilir ve aşağıdaki gibi tanılanabilir l SL = Kzφ (2) κ, von Karan sabitini (0.4) ve ϕ boyutsuz Monin- Obukhov benzerlik teorisinin birisiz hız paraeteresini tesil eder [2]. Paraeterenin açılıı aşağıdaki gibidir φ = Kz u * o U z (3) u * yüzey-tabaka sürtüne hızıdır. ϕ durua göre aşağıdaki şekilde değişkenlik gösterir. Tablo 1: Boyutsuz Monin-Obukhov paraetresinin hesaplanası Unstable φ = ( 1 az / L) Stable φ =1+ bz / L Neutral φ = 1 A,b ve p deneysel değerleri L ise Obukov yüksekliğini ifade etektedir. Daha detaylı hesaplaa yönteleri Tablo 2 de veriliştir. Obukov yüksekliği ise aşağıdaki şekilde ifade edilir. p L 3 u* T o o = (4) Kgw' Θ ' v o

3 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 129 To ortalaa yüzey-tabaka sıcaklığı, g yerçekii gücü ivesi ve w 'Θ v ' o yüzey-tabaka kineatik sanal hız değişkenini tesil etektedir. u * o değerinin u * değerine eşit olduğu farz edilirse ve ilk 3 denkle birleştirilirse yüzey tabaka rüzgar profilini elde ediliş olur. U u 1 z ln( ) ψ K = * z o o (5) z o yüzey pürüzlülük yüksekliği ve ψ ise dayabatik düzelte terii olarak adlandırılır. φ = 1 olduğu neutral duruda ψ = 0 olakta ve bilinen logaritik dikey rüzgar profiline dönüşektedir. u * z U = ln( ) K z (6) o Obukhov yüksekliğinin hesaplanasında 2 yönte kullanılıştır bunlar; 2.1.ORTALAMA DEĞERLER İLE HESAPLAMA Yönte cup aneoetreler için uygundur çünkü düşey yöndeki hız bileşenindeki dalgalanalar bu cihazlar ile ölçüleediğinden bu yönte daha geçerli olacaktır. Ölçek uzunluğu (length scale) aşağıdaki forülle hesaplanır LL = ρρcc PPuu 3 κκκκhh VV ; (7) Burada, k: von Kárán sabiti ve yaklaşık değeri 0.4 olarak, g: yerçekii ivesi, ρρ ( 3 /kg) havanın yoğunluğunu, cc PP (J/kgK) havanın ısı sığasını, uu oo (/s) ise sınır tabaka üzerindeki yüzey tabaka sürtüne hızını gösterir, uu = ττ ρρ 1/2 (/s) havanın sürtüne hızını gösterir. Obukhov uzunluğu hesaplanasında sürtüne hızından sonra aynı şekilde öneli olan diğer bir paraetre de HH VV kineatik ısı akısıdır, v alt indisi sanal akı değerini ifade etektedir ve HH VV = HH TT aa cc PP EE ile hesaplanır [3]. T a yüzey üzerindeki sıcaklık ifadesini, E yüzeyde gerçekleşen buharlaşa oranını gösterir. Kineatik ısı akısını ifade etede kullanılan başka bir gösteride HH VV = (ρρcc PP KK HH ) şeklindedir [4]. Burada KK HH girdap korelasyonunu, ise sıcaklığın yüksekliğe göre değişiini gösterir. 2.2.HIZLI TEPKİLİ ÖLÇÜM CİHAZLARI İLE HESAPLAMA Diğer yöntede ise sonic aneoetre yardııyla ölçüler yapılır ilk forülden tek farkı sonic aneoetre ile tü hız bileşenlerinde ki sapalar ölçülebilir. LL = θθuu 3 0 kkkk(uu (8) θθ VV ) 0

4 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 130 Burada; uu oo ile uu arasındaki ilişki aşağıdaki gösterildiği gibidir. uu = uu oo + ff ccvv gg 2uu 0 zz (9) Sürtüne hızının 0 olduğu noktanın yüksekliği bize sınır tabaka yüksekliğini verir. Rossby- Montgoery forülüne göre bu yükseklik şu şekilde bulunur: zz ii = CC uu oo ff CC (10) Burada, ff CC Coriolis paraetresidir, C ise sabit bir değer olup atosferik sınır yüksekliği ile sınır tabaka sürtünesi ve Coriolis paraetresi arasındaki oranı ifade eder. Atosferik sınır yüksekliğinden sonra hızı etkileyen paraetrelerde bir değişi söz konusudur. Coriolis etkisi ile Jeostrofik etkiler öne kazanırken sürtüne etkisi öneini yitireye başlar [5] Farklı yayınlarda C sabitinin değiştiği görülüştür. C=0.195; [5], C=0.5; [6] ve C=0.1 ; [7]. Atosferik sınır tabaka (zz ii ) ile sürtüne hızı (uu ) arasındaki ilişki aynı zaanda şu şekilde ifade edilir [7]. uu = uu oo 1 zz zz ii (11) Bu ifade de zz ii = uu oo 2uu 0 ye eşittir ve C değerinin aslında 2uu 0 ye eşit olduğu görülür. ff CC vv gg vv gg Sürtüne hızı ifadesine geri dönüş yapılırsa bu ifadenin sonic aneoetre yardııyla hesaplanacağı belirtiliştir ve bunun için hızlardaki dalgalanalardan faydalanılaktadır. uu = ( uu ) ww 1/2 ; u yere paralel olan yöndeki hızı tesil ederken, w yere dik yöndeki hızı ifade etede kullanılır. Bu dalgalanaların değişiinin ortalaasına bakılır diğer bir deyişle de oentu akısının karekökü hesaplanır. Moentuun, uu ww = KK şeklinde de ifade edildiği gözleniştir. KK oentu türbülans değişi katsayısı ya da diğer adıyla girdap viskozitesidir. Hız ölçüünde görülen diğer bir ifade de yatay yöndeki hız değişiinin şiddetidir s ile gösterilir ve şu şekilde hesaplanır: ss = 2 + 1/2 2. (12) ΘΘ vv potansiyel sıcaklık değişiini ifade eder ΘΘ vv = ΘΘ 0 ( rr) şeklinde hesaplanır ve referans sıcaklık değeri ΘΘ 0 = TT PP 0 PP iken referans basınç değeri 100 kpa olarak alınır ise doyaış hava için bu denkle yeniden düzenlenebilir, ΘΘ 0 = TT + gg zz cc rrrrrr ; bu denklede ki z ref pp paraetresi 100kPa basınç seviyesi ile olan farkı, g/c p ifadesi ise yüksekliğe bağlı sıcaklık düşüş oranını ifade etektedir, r paraetresi ise doyaış havadaki karışı oranını gösterir yani ne için kullanılan paraetredir, rr = 0.622ee PP forülü ile hesaplanır, bu denkle sayesinde bağıl ne r PP ee pp değerine dönüşektedir. ee PP su buharının kısi basıncını gösterir, ee SS ise doyuş su buharı basıncını RRRR gösterir ve ee PP = ee SS forülü sayesinde bir dönüşü gerçekleştirilebilir. Suyun doyuş buhar TT (273.3+TT) basıncı için ee SS = denklei kullanılaktadır. Özgül nei (q) bulak içinde qq = rr denklei kullanılaktadır. 1+rr

5 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir SONUÇ Bu çalışada, evkisi Batı ve 39.6 Kuzey, Boulder yakınları, Colorado, olan ve 2010 yılında dikiliş olan 135 uzunluğunda NREL de yer alan eteorolojik ölçü direğinden alınan veriler kullanılıştır yılında faaliyete geçiş olan bu direkten alınan verilere NREL in web sitesinden ulaşak ükündür. 135 yüksekliğinde olası ve 15, 30, 50, 76, 100 ve 131 de yer alan sonic ve fincan gibi ölçü cihazları ile sonuçların kıyaslanıp doğrulanası konusunda güzel bir referanstır. Şekil 1. M4 direğinin konuu [9] Şekil 1 de M4 direğinin konuu kırızı ok ve sırasıyla siyah ve kırızı çeberlerle işaretleniştir. Bu reside M4 direğinin NREL deki pozisyonu daha iyi görülektedir. Şekil 2. M4 direğinden alınış resiler [9]

6 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 132 Şekil 2 de ise M4 ölçü direğinden farklı açılarda alınış olan resiler görünektedir. Konu bu şekilde belirtildikten sonra buradan alınan verilerle yapılan analizler sonucunda kararlılık analizinin etkisi şu şekilde gösterilir. Şekil 3. Birisiz Obukhov paraetresine karşılık noralize ediliş hız grafiği Bu grafikte x-ekseni ile birisizleştiriliş olan hız görülektedir. Burada 2012 yılındaki tü aylar baz alınarak oluşturuluş olan bu grafikte z/l değeri -0.2 ye yakınlaştıkça unstable koşulu sonlanakta ve neutral şartların etkisi başlaaktadır, 0.2 den sonra ise stable şartlar başlar ve giderek şiddetlenir buda profilde sapalara ve doğrusal bir durudan çıkaya neden olur, stable ve unstable da duru doğrusal olaz iken -0.2 ile 0.2 arasında yani neutral şartlar altında lineer bir değişi gözlenir. Bu grafikteki profili görek adına [-2,2] aralığı dx2=0.1 lik aralıklara bölünüş geri kalan kısı ise dx lik parçalara bölünüş ve o aralıktaki değerlerin ortalaası alınarak profil belirleneye çalışılıştır. Mavi çizgiler ile yapılan yaklaşıın neutral aralık içerisinde doğrusallık nedeniyle siyah çizgiler ile neredeyse aynı olduğu ancak stable ve unstable şartlar başladığında saptığı gözlenir ve bu fark dx1 değerinden kaynaklanaktadır.

7 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 133 Şekil 4. Birisiz Obukhov paraetresi ile noralize ediliş hızda neutral aralığın yakından incelenesi Şekil 4 te farklı olarak neutral şartlar için grafiğin sol üst kısın da yakından bir görünü veriliştir ve doğrusal hız değişii burada açıkça görülektedir ayrıca stable ve unstable şartların etkisi de grafiğin geneline bakıldığında anlaşılır. Bu grafik Şekil3 ten farklı olarak sadece Nisan ayı için ölçülüş veriler dikkate alınarak oluşturuluştur. Şekil5 için yine Nisan ayı verileri kullanılıştır ve burada farklı olarak boyutsuz Obukhov yüksekliğine göre boyutsuz hızdaki (Boyutsuz Monin-Obukhov hız paraetresi) değişi gösteriliştir. Tü yükseklikler dikkate alınarak oluşturuluş bu grafikte siyah kalın çizgi Businger yaklaşıı ile ölçülüş değerlerin duruunu gösterir. Yüksekliğe bağlı olarak rüzgar hızlarında beklenenden daha yüksek sapalar eydana geldiği görülektedir. Bunun yanı sıra neutral şartlar altında ise rüzgar hızlarında bir yükseliş görülektedir bunun nedeni sürtüne etkilerinin giderek etkisini yitiresidir ve stable durularda da çoğu zaan pozitif bir yönde artış görülektedir bu da düzelte faktörünün etkisi gösterektedir.

8 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 134 Şekil 5. Farklı yükseklikler için oluşturuluş z/l ve boyutsuz hız paraetresi Ülkeizdeki yapılan yaygın hata profilin tü dataların kararlılık duruları dikkate alınadan sanki neutral durular varış gibi değerlendirilesiyle ve rüzgarın sadece neutral davranış sergiliyor olduğunun düşünülesidir. Bu çalışa sonunda iki öneli husus belirtilebilir. Yavaş tepki veren anlık yerine ortalaa değerleri kullanan cup aneoetre gibi ölçü cihazlarını her ne kadar sonic aneoetreler kadar iyi sonuç verese de kararsızlık analizi içinde kullanak faydalı olabilir. Ancak bunun belirsizliği hesaplanalıdır. Genel olarak, eğer herhangi bir çalışa da neutral şartları kullanan odeller kullanılacaksa neutral veri kısının dikkate alınası ve buna göre işle yapılası ya da tü data kullanılacaksa kararlılık paraetreleri barındıran bir odel kullanılası tavsiye edilir. TEŞEKKÜR Bu proje ERANET - Yeni Avrupa Rüzgar Atlası (TÜBİTAK proje no 215M385) tarafından desteklenektedir. Ölçü verilerini paylaşan NREL, Rüzgar Enerjileri Bölüüne teşekkür ederiz.

9 4. İzir Rüzgâr Sepozyuu // Eylül 2017 // İzir 135 KAYNAKLAR [1] Prandtl, L., 1932: Meteorologische Anwendung der Stroungslehre (Meteorological application of fluid echanics). Beitr. Phys. Atos., [2] Monin, A. S. ve Obukhov, 1954: Basic laws of turbulent ixing in the surface layer of the atosphere, Tr. Akad. Nauk SSSR Geophiz. Inst. 24(151): [3] Businger, J. A., J. C. Wyngaard, Y. Izui, and E. F. Bradley, 1971: Flux-profile relationships in the atospheric surface layer. J. Atos. Sci., 28, [4] Dyer, A. J., 1974: A review of flux-profile relationships. Bound.-Layer Meteor., 7, [5] Rossby, C. G. and R. B. Montgoery, 1935: The layers of frictional inuence in wind and ocean currents. Pap. Phys. Oceanogr. Meteor., 3 (3), 101 pp [6] Zilitinkevich, S. S. and D. V. Mironov, 1996: A ulti-liit forulation for the equilibriu depth of a stably strati_ed boundary layer. Bound.-Layer Meteor., 81, [7] Seibert, P., F. Beyrich, S.-E. Gryning, S. Jo_re, A. Rasussen, and P. Tercier, 2000: Review and intercoparison of operational ethods for the deterination of the ixing height. Atos. Env., 34, [8] Panofsky, H. A. and J. A. Dutton, 1984: Atospheric turbulence. John Wiley & Sons,397 pp. [9] National Wind Technology Center, USA, nwtc.nrel.gov/