Empirical analysis and modeling of efficiency, availability and reliability in onshore wind turbines across their lifecycle
Rüzgar türbinlerinin yaşam döngüsü boyunca verimlilik,kullanılabilirlik ve güvenilirliğinin ampirik analizi ve modellemesi
- Tez No: 1006033
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NADER JAVANI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Enerji, Mechanical Engineering, Engineering Sciences, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Rüzgar türbini fiziksel özelliklerini küresel filo genelinde gözlemlenen verim ve kullanılabilirlik eğilimleriyle ilişkilendiren bir çerçeve sunulmuştur. Rüzgar Türbini Verim Büyüme Modeli (WTEGM) olarak adlandırılan, rotor ve göbek geometrisi ile nominal gücündeki değişiklikleri uzun dönem kapasite faktörü (CF) davranışıyla ilişkilendiren fiziksel temelli, veri odaklı bir model geliştirilmiştir. Temsili bir filo kullanılarak ortalama göbek yüksekliğinin 2003–2023 döneminde yaklaşık 77 m'den ~90 m'ye, rotor çapının ~71 m'den ~103 m'ye ve nominal gücün ~1.5 MW'tan ~2.2 MW'a yükseldiği gösterilmiştir. Yıllık enerji üretimi (AEP) ve kurulu kapasiteyi içeren makro ölçekli bir veri seti, kapasite faktörüne (CF) benzer bir metrik olan etkin kapasite oranı (ECR) büyümesini nicelleştirmek için analiz edilmiştir; ECR'nin 2000–2021 döneminde yaklaşık %20'den %28'e (yıllık ≈%0.3+ artış) yükseldiği gözlemlenmiştir. CF büyüme eğilimi rotor çapı, göbek yüksekliği ve nominal güç fonksiyonu olarak ifade edilmiştir. Dikey rüzgâr kesmesi etkisini dikkate alan sayısal bir yöntem, kinetik enerji artışını değerlendirmek için uygulanmış ve kinetik enerji/nominal güç oranı ECR eğilimleriyle karşılaştırılarak fiziksel ölçeklenmenin filo düzeyinde enerji üretme kapasitesine nasıl dönüştüğü değerlendirilmiştir. Güvenilirlik kuramı ve küvet eğrisi kavramlarını genişleterek yaşa bağlı arıza dinamiklerini kullanılabilirlik profilleriyle ilişkilendirmek amacıyla uyarlanarak Güç Yasası Tabanlı Kullanılabilirlik Yaşam Döngüsü Modeli (PLALM) türetilmiştir. İdealize edilmiş CF büyümesi ile gerçekleşen AEP büyümesi arasındaki sapmalar, türbinin kullanım ömrü boyunca arıza ve onarım davranışının modellenmesiyle açıklanmıştır; kullanılabilirlik etkileri CF büyüme formülasyonuna dahil edildikten sonra 2004–2021 dönemi için uzun dönem ECR seyri toplam RMSE = 0.0149 ile yeniden üretilebilmiştir. Kullanılabilirlik, 26 aylık dönemde 17.237 türbine ait 443.065 veri noktası kullanılarak analiz edilmiştir. Dağılımın bimodal olduğu; %0 ve %100 civarında kümelendiği ve bunun büyük arızalardan kaynaklanan uzun süreli duruşlar ile kısa süreli duruşları yansıttığı tespit edilmiştir. İki Beta bileşeninden oluşan karışık bir dağılımın bu desenleri son derece iyi açıkladığı gösterilmiştir: türbin yaş aralıkları boyunca karışık beta modeli ortalama RMSE < %0.02 elde etmiş ve aylık aralıklara uygulandığında — verinin daha yoğun ve daha uniform olduğu durumlarda — uyum ortalama RMSE < %0.01 seviyesine iyileşmiştir. Bu bimodal ayrıştırma, uzun dönem kesintileri (%0 civarı kullanılabilirlik) ile kısa dönem kesintileri (%100 civarı kullanılabilirlik) birbirinden ayırmakta olup analiz, uzun dönem olayların ortalama olarak kısa dönem bozulmalardan üç kat daha fazla katkı sağladığını göstermektedir. Buna göre, iyileştirme çalışmalarının etkinliğini değerlendirmek için bir istatistiksel araç seti geliştirilmiştir: uzun dönem duruşlardaki iyileştirmeler, düşük kullanılabilirlik modunun izole edilmesi ve müdahaleler öncesi/sonrası olay sıklıklarının karşılaştırılması için Ki kare testinin uygulanmasıyla tespit edilmiştir; kısa dönem duruşlardaki değişiklikler ise yüksek kullanılabilirlik modunda, dağılımın normal olmaması nedeniyle Mann–Whitney U testi kullanılarak değerlendirilmiştir. Ek veri setleri üzerinden yapılacak çalışmaların bulguların genellenebilirliğinin teyidi ve bileşen düzeyinde ayrıştırma, gelecekte yapılabilecek çalışmalar olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
A framework has been presented that links the physical characteristics of wind turbines with efficiency and availability trends observed across the global fleet. A physics-based model called WTEGM has been developed, which relates changes in rotor and hub geometry and nominal power to long-term CF behavior. Using a representative fleet, it was shown that average hub height increased from about 77 m to ~90 m between 2003–2023, rotor diameter from ~71 m to ~103 m, and nominal power from ~1.5 MW to ~2.2 MW. A macro-scale dataset including AEP and installed capacity was analyzed to quantify the growth of the ECR, a metric similar to CF. ECR was observed to rise from ~20% to ~28% between 2000–2021 (≈0.3% annual increase). The CF growth trend was expressed as a function of rotor diameter, hub height, and nominal power. A numerical method accounting for vertical wind shear was applied to evaluate kinetic energy growth, and the kinetic energy/nominal power ratio was compared with ECR trends to assess how physical scaling translates into fleet-level energy production capacity. By extending reliability theory and the bathtub curve concept, a Power Law-based Availability Lifecycle Model was derived to relate age-dependent failure dynamics to availability profiles. Deviations between idealized CF growth and actual AEP growth were explained by modeling failure and repair trends over the turbine's lifetime. After incorporating the availability effects into the CF growth trend obtained from WTEGM, the long-term ECR trajectory between 2004–2021 was reproduced with a total RMSE = 0.0149. In addition, availability data was analyzed using 443,065 data points collected from 17,237 turbines over a 26-month period. The availability distribution was found to be bimodal, clustering around 0% and 100%, reflecting long-term outages from major failures and short-term stoppages. A mixed distribution of two Beta distributions explained these patterns extremely well: across turbine age ranges where the mixed beta model achieved average RMSE < 0.02% across turbine age categories. When the mix beta distribution model is applied to monthly distribution categories—where data density and uniformity were higher—the fit improved to average RMSE < 0.01%. This formulation of bimodal distribution enabled decomposition of long-term interruptions (near 0% availability) from short-term interruptions (near 100% availability), with analysis showing that long-term events contributed on average three times more than short-term degradations to overall unavailability. A statistical toolkit was also developed to evaluate the effectiveness of retrofits: improvements in long-term outages were detected by isolating the low-availability datapoints and applying chi-square tests to compare event frequencies before and after interventions. Changes in short-term outages were assessed with the isolation of high-availability datapoints and using the Mann–Whitney U test to account for non-normality of distribution. Future work was identified as confirming generalizability of findings through additional datasets and performing component-level analysis.
Benzer Tezler
- Yalın, çevik, yeşil, dayanıklı ve sürdürülebilir tedarik zinciri perspektiflerinden bütünleşik bir tedarikçi performansı değerlendirme yaklaşımı
An integrated supplier performance evaluation approach from lean, agile, green, resilient and sustainable supply chain perspectives
GÖZDE ÇİNKAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞEYDA SERDAR ASAN
- Akıllı sürdürülebilir şehir değerlendirmesine yönelik bir model önerisi
A model proposal for smart sustainable city assessment
FATMA SENA KARAL
Doktora
Türkçe
2026
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYBERK SOYER
- Ses olay tespit problemine derin öğrenme tabanlı çözümler
Utilizing footstep sound event detection by using cnn techniques for assuring property security
FURKAN YUSUF YAVUZ
Doktora
Türkçe
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEJAT YUMUŞAK
- İnsan hatalarını sayısallaştırmak için bir model
A model for quantifying of human error
COŞKUN ÖZKAN
Doktora
Türkçe
1992
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET F. ÖZOK
- Hydrodynamic performance prediction of a planing hull using an equivalent screw propeller methodology
Eşdeğer pervane yöntemi kullanılarak kayıcı bir teknenin hidrodinamik performans tahmini
BERKAY BAŞARINTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI