Danimarka Teknik Üniversitesi Küresel Rüzgâr Atlası

27 Kasım 2018 Dergi: Kasım-Aralık 2018

Mehmet Göksel Güngör

Siemens Wind Power Rüzgâr Enerjisi A.Ş.

Mikrokonumlandırma Mühendisi

Atakan Arabacı

Boğaziçi Üniversitesi Makine Mühendisliği

Rüzgâr atlasları, rüzgâr rejimleri hakkında bilgi veren ve potansiyel rüzgâr enerjisi kaynaklarını farklı yüksekliklere ve yüzey pürüzlülük tiplerine göre değişen hız dağılımlarıyla gösteren coğrafi veri kümeleridir. Bu atlaslar gözlem ve ölçüme dayanan verilerle oluşturulabilirler. Ancak, yüksek kaliteli rüzgâr ölçüm ağının yetersiz kaldığı yerlerde jeo-uzamsal rüzgâr rejimi verilerini elde etmek için sayısal modellere dayanan metodolojiler geliştirilmiştir.

Global Wind Atlas (https://globalwindatlas.info/), Danimarka Teknik Üniversitesi (DTU) Rüzgâr Enerjisi Bölümü ile Dünya Bankası arasındaki bir ortaklığın ürünü olarak rüzgâr santralleri için potansiyel teşkil eden yüksek rüzgâr alanlarını tespit etmek ve ön hesaplamalar yapmak için tasarlanmış ücretsiz, web tabanlı bir uygulamadır. Şu an kullanımda olan Global Wind Atlas 2.0 erişime Aralık 2017’de açılmıştır ve altyapısı 9 km çözünürlükte orta ölçekli (mesoscale) rüzgâr modellemeleri sunan Vortex tarafından oluşturulmuştur. Uygulama, orta ölçekli verilerin küçük ölçeklere (microscale) indirgenerek genelleştirilmesi esasına dayanan veriler ortaya çıkarmaktadır. 2019 yılında kullanıma sunulması planlanan GWA 3.0 ile yıllık enerji üretimi ve kapasite faktörü verilerinin de uygulamada yer alması hedeflenmektedir.

Global Wind Atlas’ın Amaçları:

Global Wind Atlas (GWA), temel olarak yerinde ölçüm istasyonlarının sahalara yerleştirilmelerinden önce potansiyel bölgeler hakkında ön değerlendirme imkanı sunarak rüzgâr enerjisi sektörünü desteklemektedir. Aynı zamanda da ülkeler için il bazında ve yerel ölçekte veriler sağlayarak enerji üretimi yatırımlarında yararlı bir araç olarak hizmet etmektedir. Ancak hesaplamalarında belirsizliğe neden olabilecek orta ölçekli modelleme bileşenlerinden ötürü GWA’nın rüzgâr santrallerinin mikro ölçekli konumlandırma ve güç hesapları amaçlarıyla kullanımı tavsiye edilmemektedir.

Yöntem:

Global Wind Atlas (GWA) büyük/orta ölçekli rüzgâr verilerinin küçük ölçekli verilere indirgenmesi olarak açıklanabilecek bir ölçek küçültme işlemi kullanmaktadır. Büyük/orta ölçekli rüzgâr verileri, atmosferik verilerin yeniden analiz (atmospheric re-analysis data) yöntemi ile işlenmesi sonucu elde edilirler. Yeniden analiz, hava ve iklimin zaman içinde nasıl değiştiğine dair kapsamlı bir kayıt geliştirmek amacıyla kullanılan bilimsel bir yöntemdir. Yeniden analiz yönteminde küresel ölçekli gözlemler ve dünya sisteminin bir veya daha fazla yönünü simüle eden sayısal hava durumu tahmin modelleri, sistemin durumuna dair sentezlenmiş bir tahmin oluşturmak için birleştirilir. Yeniden analiz verileri, rüzgâr enerjisi sektöründe, özellikle rüzgar kaynağı değerlendirmesinde son yıllarda sıkça kullanılmaktadır ve neticede bu veri setlerinin artan çözünürlüğü Global Wind Atlas metodolojisini daha kuvvetli hale getirmiştir.

Veri setlerine bağlı olarak yaklaşık 70 km'lik çözünürlüklü modeller yeniden analiz verileri 9 km çözünürlükteki orta ölçekli modele aktarılır. Mesoscale modelleme adı verilen bu işlem atmosferin karmaşık akışlarının ve hava koşullarının 3-10 km çözünürlükte modellenmesi ve tanımlanmasıdır. Ancak bu büyüklükte bir örgü (grid) aralığı daha küçük topoğrafik etkileri ve pürüzlülük değişimlerini tanımlamaya yetmez ve ölçek küçültme işlemine devam edilmesi gerekir.

Bir sonraki adım elde edilen veri kümelerinin küçük ölçekli modellere (microscale modelling) aktarılmasıdır. Modelleme süreci her 1 km için 50 m, 100 m ve 200 m yüksekliklerindeki rüzgârların hesaplanmasından oluşur. Arazi özellikleri rüzgâr hızını doğrudan etkileyen faktörlerden biri olduğundan küçük ölçekli modellemelerde rüzgâr akışı tepe ve sırt gibi farklı arazi yapılarına ve farklı bitki örtüsü koşullarına uygun olarak düzenlenebilir. Küçük ölçekli modellemelerde tipik örgü aralığı 5-100 m'dir.

Global Wind Atlas’ın kullanıdığı modelleme yönteminin temel unsurlarından birisi de Danimarka Teknik Üniversitesi Rüzgâr Enerjisi departmanı tarafından geliştirilen genelleştirilmiş rüzgâr rejimi (generalized wind climate) kavramıdır. Genelleme (generalization) adı verilen bu işlem nümerik rüzgâr atlası uygulamalarında orta ölçekli modelin çıktısının küçük ölçekli modele aktarılmasında kullanılır. Kapsamı gereği, orta ölçekli modelde arazi yüzeyi detaylı bir şekilde tasvir edilemez. Bu sebepten ötürü orta ölçekli modellemedeki görülen rüzgâr rejimi değişimleri gerçek değerlerden ve küçük ölçekli modellemenin değerlerinden farklıdır. İki modelde de görülen ve rüzgâr hızına aynı etkilere sahip faktörler, orta ölçekli modellemenin çıktıları küçük ölçekli modellemeye aktarılırken orta ölçekli modellemeden temizlenir ve yanlış/fazla hesaplamanın önüne geçilir.

Hesaplama Sistemi:

GWA, Frogfoot adı verien ve altyapısı World in a Box isimli yazılım geliştirme firması ile birlikte hazırlanmış bir hesaplama sistemi kullanmaktadır. Frogfoot ile çok sayıda genelleştirilmiş rüzgâr rejimi verisi kullanılarak geniş bir alana yayılmış yüksek çözünürlüklü hesaplamalar yapılır. Frogfoot sisteminde arazi, vektör haritaları yerine raster haritaları kullanılarak tanımlanır çünkü genellikle küresel topografik veriler raster formatlardadır. Aşağıdaki Şekil 1. de 50 km x 50 km’lik bir alanda iki farklı çözünürlükteki modelleme sonucu 50 metre yükseklik için hesaplanan güç yoğunluğu değerleri gösterilmiştir.

Şekil 1. Orta ölçekli modelleme ile elde edilen tahmini güç yoğunluğu (solda) ve küçük ölçekli modelle birleştirilmiş yüksek çözünürlüklü bölgenin güç yoğunluğu (sağda)

Görselde açık mavi, yeşil renkli alanlar yüksek güç yoğunluğunu temsil etmektedir. Soldaki modellemede alan 2.5 km’lik gridlere bölünmüş ve ortalama güç yoğunluğu 323 W/m² olarak hesaplanmıştır. Sağdaki modellemede ise alan 100 m’lik gridlere ayrılmış ve alanın yüksek çözünürlüklü profili ile ortalama güç yoğunluğu 505 W/m² olarak hesaplanmıştır.

Yüksek çözünürlüklü modellemenin etkisi daha rüzgârlı alanlara bakıldığında daha da güçlenmektedir. Rüzgâr türbinleri uygun yerlerde konumlandırılacağından, arazi özelliklerine bağlı olarak rüzgâr enerjisi yoğunluğunun dağılımını yakalayabilmek önemlidir. En uygun bölgelere odaklanıldığında rüzgâr enerjisi yoğunluğu artar. Şekilde de kırmızı renkle verilen değerler rüzgâr güç yoğunluğu en yüksek bölgeleri göstermektedir ve yüksek çözünürlüklü modellemede güç yoğunluğu artarak 610 W/m² olarak hesaplanmıştır.

Global Wind Atlas’ın haritalarına https://globalwindatlas.info/ adresinden ücretsiz olarak erişilebilir ve bölgelere göre rüzgâr hızı, hakim rüzgâr yönü ve güç yoğunluğu gibi veriler ile orografi ve pürüzlülük haritalarına ulaşılabilir.

Kaynakça: