Menemen Bölgesinde Rüzgar Türbinleri için Rayleigh ve Weibull Dağılımlarının Kullanılması

Transkript

1 Politeni Dergisi Cilt:3 Sayı: 3 s. 09-3, 00 Journal of Polytechnic Vol: 3 No: 3 pp. 09-3, 00 Menemen Bölgesinde Rüzgar Türbinleri için Rayleigh ve Weibull Dağılımlarının Kullanılması Tevfi GÜLERSOY, Numan S. ÇETİN ÖZET Bu çalışmada, yıllarında saatli olara ölçülen rüzgar hızı verilerine dayanara, Menemen dei rüzgar enerjisi potansiyeli istatisel olara analiz edilmiştir. Rüzgar eletriği eldesinde, rüzgar türbini parametrelerinin yanında, türbin urulum alanındai rüzgar hız dağılımı da önemli rol oynamatadır. Bölgenin rüzgar enerjisi potansiyeli araştırmasında Weibull ve Rayleigh dağılımları ullanılmıştır. Yapılan bu ön araştırma sonucunda Menemen in rüzgar enerjisi potansiyelinin istatisel olara eletri enerjisi üretimi baımından uygun olduğu görülmüştür. Saatli olara ölçülen 008 ve 009 yıllarına ait rüzgar verileri Devlet Meteoroloji İşleri Müdürlüğünün Menemen Meteoroloji istasyonundan sağlanmıştır. Menemen bölgesinde yıllarında ii yıl süreli ölçülen rüzgar hızları ullanılara, rüzgar hızlarının saatlerinin Weibull ve Rayleigh dağılım fonsiyonuna uyumu araştırılmıştır. Rüzgar hız dağılımı, Weibull ve Rayleigh dağılım fonsiyonları ile gösterilmiştir. Ölçülen veriler yardımı ile, Weibull şeil parametresi,,838-,869 ve ölçe parametresi c, 5,69-5,898 (m/s) bulunmuştur. Sonuçta, Weibull modeli ile elde edilen değerler, Rayleigh modeli ile elde edilen değerlere göre daha iyi sonuçlar vermiştir. Anahtar Kelimeler: Rüzgar Enerjisi, Weibull Dağılımı, Rayleigh Dağılımı Using the Weibull and Rayleigh Distributions for the Wind Turbines in Menemen, Turey ABSTRACT In this paper, the wind energy potential in Menemen is statistically analyzed based on wind speed data which measured hourly in Besides the wind turbine parameters, wind speed distribution is one of the most important parameters for wind power utilization at one site. It is used the Weibull and Rayleigh distributions to determine wind energy potential of the region. The conclusion of this preliminary research suggests that wind energy in the campus is statistically convenient for electricity generation. Measured hourly time series of wind speed data were obtained from the State Meteorological Station in Menemen over a two year period from 008 to 009. Finally, these observations are compared with the theoretical data, which are obtained from the Weibull and Rayleigh distributions, by means of statistical hypothesis testing. The wind speed distributions are represented by Weibull distribution and also by Rayleigh distribution. Based on the experimental data, it was found that the numerical values of range from,838 to,869 while those of c are in the range of 5,69-5,898. As a result, the Weibull model provide better power density estimation than Rayleigh model for the station. Keywords: Wind Energy, Weibull distributions, Rayleigh distributions. GİRİŞ Bu çalışmada Menemen bölgesinin Rüzgar Enerjisi Potansiyelinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünden, Menemen için yıllarına ait 0m yüselite ölçülmüş rüzgar hızı dataları elde edilmiştir. Yapılan çalışmada, Menemen yöresi için yıllarında saatli olara ölçülen rüzgar hızı verilerine dayanara, Menemen bölgesindei rüzgar enerjisi potansiyeli istatistisel olara analiz edilmiştir. Bölgenin rüzgar enerji potansiyeli araştırmasında gerçe değerler, Weibull ve Rayleigh dağılımları ullanılmıştır. Yapılan bu ön araştırma sonucunda Menemen yöresinin rüzgar enerjisi potansiyemaale tarihinde gelmiş tarihinde yayınlanma üzere abul edilmiştir. T. GÜLERSOY, Numan S. ÇETİN, Ege Üniversitesi, Güneş Enerjisi Enstitüsü, 3500 Bornova / İZMİR e-posta : tevfigulersoy@hotmail.com, numan.sabit.cetin@ege.edu.tr, Digital Object Identifier 0.339/00.3.3, 09-3 linin istatistisel olara eletri enerjisi üretimi baımından uygun olduğu görülmüştür. Günümüzde enerji darboğazı ve gelişen çevre bilinci, enerjinin temiz ve yenilebilir aynalardan eldesini zorunlu ılmatadır. Rüzgar, değişi ullanımlar için ticari ölçete üretilebilen yenilenebilir enerji aynalarından biridir (-3,7-8). Günümüzde ullanılan onvansiyonel enerji aynaları rezervlerinin gittiçe azalması ve bu enerji aynalarının çevresel etileri dünyayı olduça etilemetedir. Bu nedenle insanlı, alternatif ve daha ullanışlı enerji aynalarından faydalanma yollarına gitmetedir. Bu alternatif enerji aynalarından biri de rüzgar enerjisidir. Rüzgar enerjisi bilindiği üzere, özellile ülemiz için en önemli yenilenebilir enerji aynalarından birisidir. Rüzgar türbin tenolojisindei gelişmeler, eletri enerjisi üretimi amaçlı rüzgar türbinlerinin urulu güçlerinin yüselmesine, dolayısıyla birim enerji maliyetinin düşmesine sebep olmatadır. Bunun sonucu olara, rüzgar türbinlerinin eletri enerjisi üretimindei payı gün geçtiçe artmatadır (). 09

2 Tevfi GÜLERSOY, Numan S. ÇETİN / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 3, SAYI 3, 00 İhtiyaç duyulan ve vazgeçilmez olan enerjinin süreli, aliteli ve güvenli olara sağlanabilmesi günümüzün en önemli onularından biridir. Dünya genelinde fosil aynalar, gere ısınmada, gerese yaıt olara ço geniş bir ullanım alanına sahiptir. Bu fosil aynaları rezervlerinin gelece için yeterli görülmemesi, büyü ölçüde ileri tenoloji ve finans aynağı geretirmesi, tüm dünya ülelerinin mevcut enerji programlarını terar gözden geçirmesine ve acilen gereli önlemleri almasına sebep olmuştur. Alınaca önlemlerin başında, toplam enerji talebinde petrolün payının gidere düşürülmesi, enerji tasarrufunun sıı bir şeilde yapılması ve aynaların verimli ullanılmasının yanında yenilenebilir enerji aynalarından mümün olduğu adar yararlanmaya yöneli tenolojilerin hızla geliştirilip uygulamaya onulması gelmetedir. Rüzgar enerjisi, son yıllara adar daha ço su pompalama ve ırsal alanda eletri enerjisi elde etme amaçları ile ullanım alanı bulmuştur. Günümüzde ise artı alternatif bir enerji üretim aynağı olara enerji setöründe yerini almıştır. Bu enerjinin ullanılabilirliği, rüzgar rejimine, rüzgar hızına, rüzgar saati süresine, rüzgar yönüne ve hub yüseliğine bağlıdır. Bir bölgede rüzgar hızı sürelerinin belirlenmesi, elde edilece enerji için en önemli parametrelerden birisidir. Bölgenin rüzgar hızı freans dağılımı belirlenere, o bölge için en uygun rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi seçilebilir. Bölge için uygun dağılımın belirlenmesi ile, en eonomi sonuçlara ulaşma mümün olur. Yapılan çalışmalarda rüzgar hızı freans dağılımı Rayleigh ve Weibull gibi farlı dağılımlar ullanılara analiz edilmetedir. Son yıllarda ii parametreli Weibull dağılımı dünyanın bir ço bölgesinin rüzgar hızı sürelerini temsil etme için ullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemin ullanılma nedeni, rüzgar dağılımına ço iyi uyması, parametrelerinin belirlenmesindei olaylı, ii parametreli olması gibi fatörlerdir(6). Bu çalışmada yıllarında saatli olara ölçülen rüzgar hızı verilerine dayanara, Menemen dei rüzgar enerjisi potansiyeli istatisel olara analiz edilmiştir. Bölgenin rüzgar enerjisi potansiyeli araştırmasında Weibull ve Rayleigh dağılım fonsiyonları ullanılmıştır.. RÜZGAR ENERJİSİ POTANSİYELİ Rüzgar enerjisi, atmosferde bol ve serbest olara bulunabilen, yoğunluğu az bir enerjidir. Rüzgar, ineti enerjisi nedeniyle doğal bir potansiyele sahiptir. Bu potansiyelin, bilimsel ve teni açıdan enerjiye dönüştürülen ısmı Rüzgar enerjisi teni potansiyeli dir. Eonomi olara değerlendirilebilen ısmı ise Rüzgar enerjisi eonomi potansiyeli olara adlandırılır(,). Türbülans ve perdelemenin az olduğu ıyı esimleri ve tepeler, yüse rüzgar enerjisi potansiyeline sahiptir. Rüzgar enerjisi, topografya, yüzey yapısı ve perdeleyici engeller gibi fatörlerden etilendiği için güneş enerjisine nazaran onum itibariyle daha fazla değişmete ve daha zor tahmin edilebilmetedir. Yapılan rüzgar türbinleriyle, anca belirli bir rüzgar hızı aralığında enerji üretilebilmetedir. Bu nedenle, enerji üretim sisteminin urulacağı yörenin rüzgar rejiminin bilinmesi öncelili ve önemli bir onudur. Rüzgar enerjisinin mitarı, rüzgarın hızına bağlıdır. Rüzgarın hızı yüselile, gücü ise hızının üpüyle orantılı olara artmatadır. Rüzgarın sağlayacağı enerji, gücüne ve süresine bağlıdır. Rüzgar türbini alanında esas gelişme, uça pervane ve anatlarının geliştirilmesi ile mümün olmuştur (3). 3. İSTATİKSEL ANALİZ Rüzgar hızının dağılımın belirlenmesinde ullanılan pe ço dağılım fonsiyonu vardır. İi parametreli Weibull ve Rayleigh dağılım fonsiyonları en yaygın olara ullanılanlardır. Rayleigh dağılımı te parametreli olduğu için Weibull a göre daha az esnetir; anca parametrelerinin hesaplanması daha olaydır (4,6,7,8). 3. Weibull Dağılımı Pratite bir bölgenin rüzgar enerjisini belirleme için değişi metodlar vardır. Belirli bir bölgenin potansiyelini belirleme için, eğer mümünse rüzgar hızı dağılımı ölçümü veya freans dağılımı ullanılır. Değilse, rüzgar hız dağılımı diğer analiti dağılım fonsiyonları ile gösterilebilir. Bu fonsiyonlardan birisi de, Weibull dağılım fonsiyonudur. Bu dağılım olduça esne ve basit olmasının yanında gerçe datalarla uyum sağlamatadır. Başa bir deyişle, Weibull dağılımı rüzgar hızı verilerine uygun olduğundan, rüzgar enerjisi analizlerinde genel olara abul görmetedir(4). Rüzgar hızı için, ii parametreli Weibull dağılım fonsiyonunu en genel halde ; v f (v) c c v exp c () bağıntısı ile verilir(3-0). Burada f(v), rüzgar hızının olasılı yoğunluğunu, şeil parametresini, c ise ölçe parametresini simgelemetedir., şeil parametresi genelde bir ço rüzgar uygulamalarında,5 ile 3 değerleri arasında olmatadır (4). Rayleigh olasılı dağılım fonsiyonu da, Weibull olasılı dağılım fonsiyonunun şeil parametresi değerinin olduğu özel bir durumudur (4). Weibull ümülatif dağılım fonsiyonu; v F (v) exp c () şelindedir. Ölçe parametresi denlem (3) ile hesaplanabilir (6). 0 n vi c i n (3)

3 MENEMEN BÖLGESİNDE RÜZGAR TÜRBİNLERİ İÇİN RAYLEIGH VE WEIBU / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 3, SAYI 3, 00 Şeil parametresi denlem ( 4 ) dei gibi hesaplanabilir (6). n n v ln v ln vi i i i n i n vi i (4) 3. Rayleigh Dağılımı Rüzgarın belli bir periyotta değişimi ve dağılımı, enerji üretimi değerlendirmeleri için ço önemlidir. Türbin tasarımcıları; türbin iyileştirmesinde ve maliyetleri en aza indirmede rüzgar dağılımı ve değişimi ile ilgili bilgilere gere duyarlar. Bir yerde sadece ortalama rüzgar hızı ( v rort ) biliniyorsa; Rayleigh Dağılım Fonsiyonu yardımıyla herhangi bir rüzgar hızının ( v ri ), saati ( hr ) yüzdesi bulunabilir. Bunun sonu- cunda ortaya çıan rüzgar hızları bir olasılı yoğunluğu dağılımıdır. Dağılım şemati olara çizildiğinde bu dağılımın altında alan alan bire eşittir. Çünü, rüzgarın sıfır dahil herhangi bir hızda olasılığı 00 dür. Rayleigh yoğunlu fonsiyonu: (,,7,8,9) v v f R (v ) exp v m 4 v m (5) Weibull = gerçedata weibulldat a gerçedata Rayleigh = gerçedata rayleighdata gerçedata (9) denlemleri ile bulunabilir. Çizelge. Yıllara göre Weibull Dağılım Fonsiyonu Parametreleri Vrort 5,4 4,997,838,869 c 5,898 5,69 Çizelge. 008 yılı için gerçe rüzgar hızları ile Weibull ve Rayleigh dağılımlarının arşılaştırılması (6) şelindedir. Rayleigh Dağılım fonsiyonu na göre hızı saati, v vri hr exp ri vrort 4 vrort (8) Rüzgar Gerçe Weibull Rayleigh hızı Weibull sa- Rayleigh (m/s) saati saati ati 3,5 6,78 -,5 5,46-0,73 Rayleigh ümülatif dağılım fonsiyonu : v FR (v) exp 4 v m Çizelge ve Çizelge 3 de gerçe rüzgar hızı süreleri ile Weibull ve Rayleigh dağılım fonsiyonlarından elde edilen süreleri arasındai hata değerleri verilmiştir. Weibull ve Rayleigh fonsiyonları ile elde edilen değerler ile gerçe değerler arasındai hatalar: (7) olara bulunur. Rayleigh dağılımının en büyü avantajı sadece ortalama rüzgar hızı ile dağılımın belirlenmesidir. Rayleigh dağılımının rüzgar çalışmalarında geçerliliği pe ço referansta gösterilmiştir. 4. BULGULAR Bu çalışmada Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünden, Menemen için yıllarına ait saatli rüzgar hızları ve saatli yönleri dataları elde edilmiştir. Bir yörenin rüzgar enerjisi potansiyelinin belirlenebilmesi için, o yöreye ait uzun yıllara dayalı rüzgar ölçümleri yapılmalıdır. Bu çalışmada, ii yıllı ölçüm değerleri diate alınmıştır. Çizelge. de incelenen zaman aralıları için ortalama rüzgar hızı, şeil parametresi ve ölçe parametreleri verilmiştir (3,4).,67 0,98 0,04 0,4 3,33 3,5-3,08-4 3,47 3,79-0,0 4,33-5,00,97-0,8 3,9-0,7 6 9,8,7-0,3,6-0,34 7,0 9,4 0,4 9,93 0,7 8 8,55 6,98 0,8 7,45 0,3 9 6,09 5,05 0,7 5,0 0 5,44 3,46 0,36 3,39 0,38,8,6 0,0,07 0,6,48,4 0,05,8 0,0 3,40 0,84 0,40 0,64 0,55 4 0,60 0,48 0, 0,3 0,47 5 0,36 0,6 0,8 0,58 6 0,4-0,0 0,40 7 0,39 0,75 8 0,4 0,80 9 0,0 0,55 0,00

4 Tevfi GÜLERSOY, Numan S. ÇETİN / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 3, SAYI 3, 00 Çizelge yılı için gerçe rüzgar hızları ile Weibull ve Rayleigh dağılımlarının arşılaştırılması Rüzgar Gerçe Weibull Rayleigh hızı Weibull sa- Rayleigh (m/s) saati saati ati 3, 7, -, 5,97-0,86,83,69 0,09 0,89 3 3,30 4, - 4,0-0,05 4 3,57 4,55-5,05-5,00 3,44-0, 4,6-0,9 6 9,95,37-0,4,9-0,3 7,0 8,93 0,9 9,53 0,3 8 7,68 6,55 6,86 9 5,86 4,5 0,3 4,57 0, 0 4,5,93 0,35,83 0,37,47,80 0,7,63 0,34,6,05 0,7 3, 0,58 0,5 0,44 0,64 4 0,43 0, 0,53 5 0,7 0,45 0,09 0,67 6 0,4 0,48 0,04 0,73 7 0,7 8 0,75 0,9 9 0,90 0,00 0,97 Şeil yılı için rüzgar hızlarının gerçe olasılı dağılımı ile Weibull ve Rayleigh dağılımları. Şeil yılı için rüzgar hızlarının gerçe olasılı dağılımı ile Weibull ve Rayleigh dağılımları. Şeil.008 yılı için gerçe, Rayleigh ve Weibull dağılım fonsiyonuna göre bulunan rüzgar hızı süreleri Şeil. 009 yılı için gerçe, Rayleigh ve Weibull dağılım fonsiyonuna göre bulunan rüzgar hızı süreleri. 5. SONUÇLAR Menemen bölgesi nde yıllarına ait ii yıl süre ile ölçülen rüzgar hızları ullanılara, bölgeye urulaca rüzgar türbinleri için rüzgar hızlarının Weibull veya Rayleigh dağılım fonsiyonuna uyumları araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıda sunulmuştur: a) Menemen için rüzgar arateristiği araştırılmıştır dönemine ait ii yıllı veriler ullanılara rüzgar hızı freans dağılımını tanımlama için ii parametreli Weibull ve Rayleigh dağılım fonsiyonları ullanılmıştır. b) Rayleigh dağılım fonsiyonu, Weibull dağılım fonsiyonunun özel bir halidir. Tablo in incelenmesinden, Menemen için şeil parametresi,,838 ve,869 değerlerini almatadır. c) Menemen için ölçe parametresi c, 5,69 ve 5,898 değerlerini almatadır. d) Weibull dağılım fonsiyonunun 3m/s üzerindei rüzgar hızları için, gerçe değerler göz önüne alındığında, Rayleigh dağılım fonsiyonundan daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. ( Şeil -4). e) Yapılan Weibull ve Rayleigh analiz değerlendirmelerine göre, ölçümler sonucu elde edilen değerler ile Weibull dağılımından elde edilen değerlerin daha uyumlu olduğu anlaşılmatadır. (Çizelge -3). f) Bu çalışma Menemen bölgesi için rüzgar enerjisi analizini tahmin etme amacıyla yapılan bir ön çalışmadır. Bölgede bir rüzgar enerjisi dönüşüm sistemi urma için daha detaylı çalışmalar ve daha fazla rüzgar verileri elde edilmelidir. Ülemizde yenilenebilir enerji

5 MENEMEN BÖLGESİNDE RÜZGAR TÜRBİNLERİ İÇİN RAYLEIGH VE WEIBU / POLİTEKNİK DERGİSİ, CİLT 3, SAYI 3, 00 aynalarına yönelimi hızlandıraca benzer çalışmaların yapılması ve üretime atılması, geleceğimiz için büyü önem taşımatadır. 6. KAYNAKLAR. Adağ S.A.,Güler Ö., Weibull Dağılım Parametrelerini Belirleme Metodlarının Karşılaştırılması,VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu,UTES 008,s.70774,İstanbul,7-9 Aralı-008,. Apınar E.K.,Apınar S., Estimation of wind energy potential using finite mixture distribution models,energy Conversion and Management,50: , ApınarE.K.,ApınarS., An Assessment on Seasonal Analysis of Wind Energy Characteristics and Wind Turbine Characteristics, Energy Conversion and Management,46: , Apınar E.K.,Apınar S., A Statistical Analysis of Wind Speed Data Used in Installation of Wind Energy Conversion Systems Energy Conversion and Management,46:55-53, Ata R.,Çetin N.S., 3 W Otonom Bir Rüzgar Türbini Kurulumu ve Enerji Eldesi,Gazi Üniversitesi, Mühendisli-Mimarlı Faültesi Dergisi, ISSN ,Cilt 3,No,s.4-47, Çetin Numan S., Küçü Güçlü Bir Rüzgar Türbini Tasarımı ve Eletri Enerjisi Eldesi, VI. Tür-Alman Enerji Sempozyumu Kitapçığı, s.83-93, İzmir,-4 Haziran Eltez A.,Kara Ö.,Özdamar A,Özbalta N., Rüzgar Hızlarının Weibull Dağılım Fonsiyonuna Uyumu Üzerine Bir Araştırma: Bornova Örneği,VI. Tür-Alman Enerji Sempozyumu Kitapçığı,s ,İzmir,-4 Haziran Esin N., Artar H., Tolun S., Wind energy potential of Göçeada Island in Turey, Renewable and Sustainable Energy Revıews,, , Ucar A., Balo F., Investigation of wind characteristics and assessment of wind-generation potentiality in UludağBursa,Turey, Applied Energy, 86, , Ulgen K.,Hepbasli A., Determination of Weibull parameters for Wind Energy Analysis of Izmir,Turey, International Journal of Energy Research,6: ,00 3