Yeni Bir Yöntem, Yeni Ekipman İlavesi Olmadan Rüzgâr Çiftliklerinin Enerji Çıktısını Artırıyor
Mühendisler, tek tek türbinler yerine tüm bir rüzgâr çiftliğinin koşullarını modelleyerek mevcut kurulumlardan daha fazla güç elde edebilir.
Dünya elektriğinin neredeyse yüzde 5'inden fazlasını üreten tüm rüzgâr türbinleri, sanki bağımsız birimlermiş gibi kontrol ediliyor. Aslında, büyük çoğunluğu, çalışmaları birbirini etkileyebilecek, düzinelerce hatta yüzlerce türbini içeren daha büyük rüzgâr santrali kurulumlarının bir parçasıdır.
Şimdi, MIT'deki ve diğer araştırma merkezlerindeki mühendisler, herhangi bir yeni ekipman yatırımına gerek kalmadan, bu tür rüzgâr çiftliği kurulumlarının enerji çıktısının, tüm türbin grubunun rüzgâr akışını modelleyerek ve bireysel ünitelerin kontrolünü optimize ederek artırılabileceğini keşfettiler.
Belirli bir kurulumdan elde edilen enerji çıkışındaki artış, toplamda yaklaşık yüzde 1,2 ve optimum rüzgâr hızları için yüzde 3'tür. Bu mütevazı bir artış olarak görünebilir. Ancak algoritma herhangi bir rüzgâr çiftliğinde kullanılabilir. Hızlandırılmış iklim hedeflerini karşılamak için rüzgâr çiftliklerinin sayısı hızla artıyor. Bu yüzde 1,2'lik enerji artışı dünyanın tüm mevcut rüzgâr çiftliklerine uygulansaydı, bu, 3.600'den fazla yeni rüzgâr türbini eklemeye eşdeğer veya yaklaşık 3 milyon eve güç sağlamak için yeterli olacak ve elektrik üreticilerine neredeyse bir milyar dolarlık bir kazanç sağlayacaktı.
Bu araştırma, MIT Esther ve Harold E. Edgerton İnşaat ve Çevre Mühendisliği Yardımcı Doçenti Michael F. Howland tarafından yürütüldü ve Nature Energy dergisinde geçenlerde yayınlandı.
Howland, "Aslında mevcut tüm şebeke ölçeğindeki türbinler 'açgözlülükle' ve bağımsız olarak kontrol ediliyor" diyor. “Açgözlülükle" terimi, sanki komşu türbinler üzerinde hiçbir zararlı etkisi olmayan izole birimlermiş gibi, yalnızca kendi güç üretimlerini en üst düzeye çıkarmak için kontrol edildikleri gerçeğine atıfta bulunuyor.
Ancak gerçek dünyada, arazi kullanımı (karada veya denizde) ve erişim yolları ve iletim hatları gibi altyapı ile ilgili ekonomik faydalar elde etmek için türbinler rüzgâr çiftliklerinde kasıtlı olarak türbinler birbirine yakın yerleştirilir. Bu yakınlık, türbinlerin, rüzgâra karşı diğerlerinin ürettiği türbülanslı izlerden genellikle güçlü bir şekilde etkilendiği anlamına gelir. Bu, bireysel türbin kontrol sistemlerinin şu anda hesaba katmadığı bir faktördür.
Howland, "Akış fiziği açısından bakıldığında, rüzgâr türbinlerini rüzgâr çiftliklerinde birbirine yakın yerleştirmek genellikle yapabileceğiniz en kötü şeydir. Toplam enerji üretimini en üst düzeye çıkarmak için ideal yaklaşım, onları mümkün olduğunca uzağa koymak olacaktır, ancak bu, maliyetleri artıracaktır” diyor.
İşte burada Howland ve arkadaşlarının çalışmaları devreye giriyor. Bu grup, atmosferdeki gelen rüzgârlara ve her türbinin kontrol stratejisine bağlı olarak çiftlikteki her türbinin güç üretimini tahmin eden yeni bir akış modeli geliştirdi. Model, akış fiziğine dayalı olmakla birlikte, tahmine dayalı hatayı ve belirsizliği azaltmak için operasyonel rüzgâr çiftliği verilerinden öğreniyor. Mevcut rüzgâr çiftliklerinin fiziksel türbin konumları ve donanım sistemleri hakkında hiçbir şey değiştirmeden, rüzgâr çiftliği içindeki akışın fizik tabanlı, veri destekli modellemesini ve farklı rüzgâr koşulları verilen her türbinin elde edilen güç üretimini kullandılar. Belirli bir anda her türbin için en uygun yönü buluyorlar. Bu, sadece bireysel türbinlerden değil, tüm çiftlikten elde edilen çıktıyı en üst düzeye çıkarmalarını sağlıyor.
Günümüzde, her türbin sürekli olarak gelen rüzgâr yönünü ve hızını algılar ve rüzgâra mümkün olduğunca yakın hizalanmak üzere kendi sapma (dikey eksen) açısı konumunu ayarlamak için dahili kontrol yazılımını kullanır. Ancak, örneğin yeni sistemde ekip, bir türbini kendi maksimum çıkış konumundan biraz uzağa - belki de bireysel tepe çıkış açısından 20 derece uzağa - çevirerek, bir veya daha fazla rüzgâr yönündeki güç çıkışında ortaya çıkan artış olduğunu buldu. Her bir birim, ilk türbin biriminden elde edilen çıktıdaki hafif azalmayı telafi etmekten fazlasını yapacaktır. Tüm bu etkileşimleri hesaba katan merkezi bir kontrol sistemi kullanılarak, türbinlerin bazı koşullarda yüzde 32'ye kadar daha yüksek güç çıkış seviyelerinde çalıştırıldı.
Hindistan'da gerçek bir hizmet ölçekli rüzgâr çiftliğinde aylarca süren bir deneyde, tahmine dayalı model, ilk olarak, çoğu kasıtlı olarak optimalin altında, çok çeşitli sapma oryantasyon stratejileri test edilerek doğrulandı. Araştırmacılar, hem gerçek çiftlikte hem de modelde, optimal olmayanlar da dahil olmak üzere birçok kontrol stratejisini test ederek gerçek optimal stratejiyi belirleyebildiler. Daha da önemlisi, modelin çiftlik güç üretimini ve test edilen çoğu rüzgâr koşulu için optimal kontrol stratejisini tahmin edebilmesi, modelin tahminlerinin çiftlik için gerçek optimal operasyonel stratejiyi izleyeceğine dair güven veriyordu. Bu, sıfırdan yeni hesaplamalar yapmaya gerek kalmadan yeni rüzgâr koşulları ve yeni rüzgâr çiftlikleri için en uygun kontrol stratejilerini tasarlamak için modelin kullanılmasına olanak tanır.
Ardından, aynı çiftlikte, yalnızca modelden en uygun kontrol tahminlerini uygulayan ikinci bir ay süren deney, algoritmanın gerçek dünya etkilerinin simülasyonlarda görülen genel enerji iyileştirmeleriyle eşleşebileceğini kanıtladı. Tüm test dönemi boyunca ortalama olarak, sistem tüm rüzgâr hızlarında enerji çıkışında yüzde 1,2'lik bir artış ve saniyede 6 ila 8 metre (saatte yaklaşık 13 ila 18 mil) arasındaki hızlarda yüzde 3'lük bir artış elde etti.
Test bir rüzgâr çiftliğinde yürütülürken, araştırmacılar modelin ve ortak kontrol stratejisinin mevcut veya gelecekteki herhangi bir rüzgâr çiftliğinde uygulanabileceğini söylüyor. Howland, dünyanın mevcut rüzgâr türbinleri filosuna çevrildiğinde, yüzde 1,2'lik bir toplam enerji iyileştirmesinin, yılda 31 terawatt-saatten fazla ek elektrik üreteceğini tahmin ediyor, bu da yaklaşık olarak fazladan 3.600 rüzgâr türbininin ücretsiz olarak kurulmasına eşdeğerdir. Bu, rüzgâr santrali işletmecileri için yılda yaklaşık 950 milyon dolarlık ekstra gelir anlamına geleceğini söylüyor.
Kazanılacak yıllık enerji miktarı, ünitelerin aralıkları, düzenlerinin geometrisi ve bu konumdaki rüzgâr modellerindeki değişiklikler gibi bir dizi faktöre bağlı olarak bir rüzgâr çiftliğinden diğerine büyük ölçüde değişecektir. Howland “Ancak her durumda, bu ekip tarafından geliştirilen model, belirli bir tesis için potansiyel kazanımların tam olarak ne olduğuna dair net bir tahmin sağlayabilir. Optimum kontrol stratejisi ve enerjideki potansiyel, her rüzgâr çiftliğinde farklı olacak ve bu da bizi rüzgâr enerjisi filosu genelinde optimizasyon için yaygın olarak kullanılabilecek bir tahmine dayalı rüzgâr çiftliği modeli geliştirmeye motive etti” diyor.
Ancak yeni sistemin potansiyel olarak hızlı ve kolay bir şekilde benimsenebileceğini söylüyor: “Ek donanım kurulumuna ihtiyacımız yok. Gerçekten sadece bir yazılım değişikliği yapıyoruz ve bununla ilişkili önemli bir potansiyel enerji artışı var. Yüzde 1'lik bir iyileştirme bile, yaklaşık 100 ünitelik tipik bir rüzgâr çiftliğinde, operatörlerin daha az türbinle aynı çıktıyı elde edebilecekleri anlamına geldiğini ve böylece satın alma, inşa etme ve inşa etme ile ilişkili maliyetlerden, genellikle milyonlarca dolarlık tasarruf sağlayabileceği anlamına geldiğini görmemiz gerek.”
Ayrıca, iz kayıplarını azaltarak, algoritmanın türbinleri gelecekteki rüzgâr çiftliklerinde daha yakın bir şekilde yerleştirmeyi mümkün kılabileceğini, dolayısıyla rüzgâr enerjisinin güç yoğunluğunu artırarak karada (veya denizde) ayak izlerinden tasarruf sağlayabileceğini belirtiyor. Bu güç yoğunluğu artışı ve ayak izinin azaltılması, hem karada hem de denizde rüzgâr enerjisi kullanımının önemli ölçüde genişletilmesini gerektiren acil sera gazı emisyonu azaltma hedeflerine ulaşılmasına yardımcı olabilir.
Dahası, Howland; “Rüzgâr çiftliği geliştirmenin en büyük yeni alanı açık deniz ve açık deniz rüzgâr çiftliklerinde kontrol kayıplarının etkisi genellikle çok daha yüksek. Bu, rüzgâr çiftliklerini kontrol etmeye yönelik bu yeni yaklaşımın etkisinin önemli ölçüde daha büyük olabileceği anlamına geliyor” diyor.
Howland Lab ve uluslararası ekip, modelleri daha da iyileştirmeye ve modelden türettikleri operasyonel talimatları iyileştirmek için çalışmaya devam ediyor, otonom, işbirlikçi kontrole doğru ilerliyor ve belirli bir dizi koşuldan mümkün olan en yüksek güç çıkışı için çabalıyor.
Johns Hopkins Üniversitesi'nde makine mühendisliği profesörü olan ve bu çalışmaya dahil olmayan Charles Meneveau, “Bu makale, rüzgâr enerjisi için ileriye doğru atılmış önemli bir adımı anlatıyor. Son derece değişken rüzgâr enerjisi kaynağı altında rüzgâr türbinlerini toplu olarak etkin bir şekilde kontrol etmek için yeni fikirler ve metodolojiler içeriyor. Veriye dayalı yaklaşımlarla desteklenen son teknoloji fizik tabanlı iz modelleri kullanılarak akıllıca uygulanan sapma kontrol stratejilerinin rüzgâr çiftliklerinde güç çıkışını artırabileceğini gösteriyor. Bunun faal bir rüzgâr çiftliğinde gösterilmiş olması, önerilen yaklaşımın daha sonra uygulanmasını ve büyütülmesini kolaylaştırmak için özellikle önemlidir" diyor.
Araştırma ekibi, Navarra, İspanya'daki Siemens Gamesa Yenilenebilir Enerji İnovasyonu ve Teknolojisinden Jesús Bas Quesada, Juan José Pena Martinez ve Felipe Palou Larrañaga; Hindistan, Haryana'daki ReNew Power Private Limited şirketinde Neeraj Yadav ve Jasvipul Chawla; Varun Sivaram, daha önce Hindistan, Haryana'daki ReNew Power Private Limited'de ve şu anda ABD Dışişleri Bakanlığı, ABD İklim Özel Temsilciliği Ofisinde ve California Teknoloji Enstitüsü'nden John Dabiri’den oluşuyor. Çalışma, MIT Energy Initiative ve Siemens Gamesa Yenilenebilir Enerji tarafından desteklendi.
