Short-term wind energy prediction system by using mesoscale/microscale modelling with model output statistics on various terrain types
Model çıktılarının istatistiği ile orta ölçek/mikro ölçek modelleri kullanılarak çeşitli arazi tipleri için kısa dönem rüzgar enerjisi tahmin sistemi
- Tez No: 467293
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ, DR. GREGOR GIEBEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Meteoroloji, Energy, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Dünya enerji talebi, gelişen teknoloji ve sanayiyle birlikte hidroelektrik, nükleer ve rüzgâr enerjileri gibi sürdürülebilir enerji kaynaklarına doğru yönelmektedir. Rüzgâr alanının süreksiz davranışı enerji üretimini zora sokmasına rağmen, rüzgâr enerjisi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre temiz, doğal ve tüketiciler için ücretsiz olması sebebiyle hızla büyüyen bir sektördür. Fosil yakıtların çevreye ve insan sağlığına verdiği zararlardan ötürü kullanım alanı gittikçe daralmakta ve piyasadaki bu açık, rüzgâr enerjisi tarafından kapatılmaktadır. Dünyadaki enerji tüketim orana bakıldığında son on yılda yaklaşık olarak %6 oranında artış gözlenirken, bu artışın yaklaşık %5'i rüzgâr enerjisine aittir. İlaveten, tüketime bağlı olarak, elektrik üretimi hesaba katıldığında rüzgâr enerjisi tahmininin ve tahmin sistemlerinin önemli bir rolü olduğu ortadadır. Bu sebeple bilim adamları rüzgâr enerjisini tahmin etme metotları geliştirmeye çalışmışlardır. Çünkü doğru tahmin, daha çok para, zaman ve maliyetten tasarruf getirir. Daha doğru tahminler sayesinde endüstriyel bazda ekonomik kazançlar artmakta, bunun yanında maliyetler azalmaktadır. Rüzgâr enerjisini tahmininde, Uzun-dönem (önümüzdeki birkaç gün) ve Kısa-dönem (önümüzdeki gün) tahmin sistemleri olmak üzere iki adet sistem geliştirilmiştir. Kısa-dönem rüzgâr enerjisi tahmin sistemi 48 ila 72 saatlik rüzgar çiftliği için güç hesaplaması yapar. Diğer taraftan, bir kaç güne kadar olan periyotta aktif olan tahminler Uzun-dönem rüzgâr enerjisi tahmin sisteminden sağlanır. Dünyada kısa-dönem rüzgâr enerjisi tahmin sistemleri metotları, topoğrafya, yüzey pürüzlülüğü, yeryüzü şekilleri, sıcaklık enverziyonu, bitki örtüsü, gravite dalgaları ve alçak seviye jetleri gibi değişen yüzey ve meteorolojik koşulları nedeniyle değişiklik göstermektedir. Türkiye, özellikle de Kuzeybatı bölgesi, yerel rüzgârlar ve atmosferik sistemlerin geçiş bölgesinde bulunması sebebiyle rüzgâr enerji potansiyeli bakımından önemli bir yere sahiptir. Üç tarafının denizlerle çevrili olması, bir iç denizinin bulunması ve topoğrafyasının çoğunluğunun yüksek platolardan oluşması lokal rüzgârları etkilemektedir. Ayrıca, sinoptik ölçekteki farklı basınç paternlerinin hareket yörüngeleri üzerinde olması ile de Türkiye'nin rüzgâr potansiyeli artmaktadır. Bu tezde, 3 günlük birkaç kilometre çözünürlükte Anemos ve Türkiye çalışmaları için kısa dönem rüzgâr enerjisi tahmin sistemi oluşturulmuştur. Aynı zamanda tez, Doç. Dr. Ş. Sibel Menteş tarafından yürütülen Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK)'nun Araştırma Projesi ve Anemos Projesi ile de paralellik göstermektedir. Anemos çalışmasında Danimarka, İspanya ve Almanya da bulunan beş farklı rüzgâr çiftliğinin verisi kullanılmıştır. Çalışmanın Türkiye ayağında ise Soma (Manisa) ve Çatalca (İstanbul) rüzgâr çiftliklerinden alınan veriler kullanılmıştır. Tez dokuz aşamadan oluşmaktadır. 1) Türkiye çalışması için ECMWF'den 2010 yılı için Sayısal Hava Tahmini (SHT) verisi, tüm indirilmiştir. Anemos çalışması için ise veri aralığı 1998 Aralık ile 2003 Mayıs arasında değişmektedir. 2) Üç adet orta-ölçek SHT modeli kullanılmıştır. Yüksek Çözünürlüklü Sınırlı Alan Modeli (HIRLAM) gibi modeller Türkiye için doğru tahminler üretemedikleri için, Hava Araştırma ve Tahmin Modeli (WRF) Türkiye çalışmaları için seçilmiştir. Üç boyutlu data asimilasyonuna sahip olması, hidrostatik olmayan bir model olması, fiziki sayısal ve veri asimilasyonu bakımından avantajlara sahip olması, atmosferik fiziksel prosesleri içermesi ve düşey koordinatlarla topografyayı iyi tanımlaması vb. gibi WRF'in birçok özelliği vardır. Anemos çalışmasında HIRLAM ve Alman Hava Tahmin Merkezinin Lokal Modeli (LM) modelleri kullanılmıştır. HIRLAM kısa-dönem çoklu model sınırlı alan ensemble tahmin sistemi olmakla birlikte sinoptik ölçekte kullanılmaktadır. Anemos projesi kapsamında bu çalışmada İspanya ve Danimarka'nın HIRLAM verileri kullanılmıştır. LM hidrostatik olmayan hava tahmin modelidir. Kısa süreli şiddetli hava olayları gibi hidrostatik olmayan ölçekteki olaylar için bu model tercih edilmektedir. 3) Prediktor kısa sureli rüzgâr enerjisi tahmini elde etmek için bir araçtır. SHT çıktılarını kullanır, istatistiksel analiz (Model Çıktılarının Analizi - MOS), ve Rüzgâr Atlası Uygulaması ve Analiz Programı (WAsP) vasıtasıyla da lokal etkilerin parametrizasyonunu kullanan bir sistemdir. 4) WAsP, rüzgâr iklimini, rüzgar kaynaklarını ve rüzgar çiftliği ve rüzgar türbinlerinden gelen rüzgar gününü tahmin eden bir bilgisayar programı olmakla birlikte, mikro ölçekte rüzgârı modeller. 5) Rüzgâr şiddeti ve yönüne ilaveten basınç ve sıcaklık bilgilerini de önceki tahmin sisteminden elde ederek kullanır. 6) MOS, SHT ve ölçülmüş veriler arasındaki hatayı minimize etmektedir. İstatistiksel iyileştirme için kullanılmaktadır. Ortalama Mutlak Hata (MAE) ve Karesel Ortalama Hata (RMSE) her bir MOS modülü için hesaplanmıştır. Downhill simplex metodu optimizasyon için kullanılmıştır. 7) Programlama dili Jythondur. JAVA ve Python programlama dillerinin kombinasyonu olarak tasarlanmıştır. Çalışmadaki Jython betiği Gregor Giebel tarafından yazılmış olup, her bir yedi çiftlik için çalıştırılmıştır. 8) MATLAB programı MOS'tan elde edilen sonuçları grafiksel olarak göstermek için kullanılmıştır. 9) Türkiye çalışmaları için Spektral Analiz yapılmıştır. 10) Tahminin doğruluk aralığını elde etmek için simülasyonlar ve yersel gözlemler karşılaştırılmıştır. Prediktor sisteminde çalıştırılan WRF modelinden elde edilen verileri yüksek hızda çalıştırmak için İstanbul Teknik Üniversitesinin (İTÜ) bünyesinde bulunan Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Merkezi (UYBHM)'de bir hesap açılmıştır ve gerekli hesaplamalar o makinada yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
World's energy demands, along with developing technology and industry, are being headed towards sustainable energy sources such as hydroelectric, nuclear and wind energies. Despite the discontinuous behavior of wind field, which makes energy production much difficult, wind energy is the fastest growing energy sector amongst all other renewable energy sources since it is clean, natural, and free for the customers' point of view. Due to the harm that fossil fuels cause in the environment and human health, the area of use is getting narrower and this gap in the market is being replaced by wind energy. When looking at the energy consumption rate in the world, there has been an increase of about 6% in the last decade, and about 5% of this increment is in wind energy. In addition, depending on the consumption considering the electricity production, it is obvious that wind energy estimation and prediction systems play a vital role. That is why scientists have tried to develop methods for estimation of wind energy. The right guess brings more money, time and cost savings together with it. Thanks to more accurate predictions, the economic gains are increasing on the industry basis whereas costs are decreasing. Two types of prediction systems have been developed in order to predict wind energy, namely Long-term (multiple-days-ahead) and Short-term (day-ahead) systems. The short-term wind energy prediction system (WEPS) estimates the power of wind farm on the 48 or 72 hour. On the other hand, forecasts which are for active horizon of up to several days are provided by the long-term WEPS. The methodologies of Short-term WEPS around the world vary as a result of different terrain and prevailing meteorological conditions such like topography, surface roughness, ground cover, temperature inversions, foliage, gravity waves, and low-level jets. Turkey, especially Northwestern region, which is located in the transitional zone of the local winds and atmospheric systems, holds an important place in terms of wind energy potential. The facts that the three sides of Turkey are surrounded by the sea, the presence of an inland sea and the majority of the topography is being high plateaus are affecting the local winds. In addition, Turkey's wind potential is increased by the fact that its location is in the passage zone of different synoptic scale pressure patterns. In this thesis, a short-term WEPS is established for the studies of Anemos and Turkey at a resolution of a few kilometers and with 3 days' lead-time. The thesis also shows parallelism with the Research Project of the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK) conducted by Ş. Sibel Menteş, and also with the Anemos Project. In the Anemos study, data from five different wind farms, which are located in Denmark, Spain and Germany, are used. In the Turkey part of the study, data are collected from Soma (Manisa) and Çatalca (Istanbul) wind farms. The study involves nine stages: 1) Numerical Weather Prediction (NWP) data from European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) downloaded for Turkey cases for one year (2010). For Anemos cases data downloaded from Dec 1998 to May 2003. 2) Three meso-scale numerical weather prediction models are used. Because models such as the High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) could not produce accurate estimates for Turkey, Weather Research and Forecasting Model (WRF) is selected for Turkish cases. WRF has so many such as having three dimensional variation (3DVAR) data assimilation system, being non-hydrostatic model, having advances in physics, numeric and data assimilation, including atmospheric physical processes, and possessing topography with vertical coordinates and so on. In the Anemos cases, HIRLAM and Lokalmodell of Deutscher Wetterdienst (LM) models are used. HIRLAM is short-term multi-model limited area prediction system, which is used for the synoptic scale motions. Within Anemos project two different grid solution and lead-time data, namely Spain-HIRLAM and Denmark-HIRLAM's, are examined. LM is non-hydrostatic weather forecasting model. This model is preferred for non-hydrostatic scales such as short-term severe weather events. 3) The Prediktor is a tool to obtain short-term wind energy estimates. It is a system that uses NWP outputs, Model Output Statistics (MOS) and parameterizations of local effects by using Wind Atlas Application and Analysis Program (WAsP). 4) WAsP, which is a PC program for predicting wind climates, wind resources and power productions from wind turbines and wind farms, models micro-scale wind. 5) MOS minimizes the error between NWP and observation data. It is used for statistical improvement. Mean Absolute Error (MAE) and Root Mean Square Error (RMSE) are calculated for each MOS modules. Downhill simplex method is used for optimization. 6) The programming language is Jython. Jython is designed as a combination of JAVA and Python. Jython script in this study is written by Gregor Giebel, and is run for each seven wind farms. 7) Matrix Laboratory (MATLAB) program is used for plotting graphs of MOS output. 8) For Turkey cases Spectral analysis is applied. 9) In order to obtain reliable range of prediction, simulations and local observations are compared. To run the WRF model at high speed, whose results are required for the Prediktor, a workstation account is opened at National Center for High Performance Computing (NCHPC)-Istanbul Technical University (ITU) and necessary calculations are done on that machine.
Benzer Tezler
- Manisa Soma bölgesi için meso ölçek sayısal hava tahmin modeli (WRF) ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli (WINDSIM) kullanılarak kısa vadeli rüzgar enerjisi tahmini
Short term wind energy prediction system for Manisa Soma region by using numerical weather prediction model (WRF) and computational fluid dynamics(WINDSIM) model
BAHTİYAR EFE
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. Ş. SİBEL MENTEŞ
- Manisa Soma Bölgesi için Meso Ölçek Sayısal Hava Tahmin Modeli (WRF) Sonuçları ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Modelleri (Meteodyn ve WindSim) Kullanılarak Kısa Vadeli Rüzgar Enerjisi Tahmini
Short Term Wind Energy Prediction for Manisa Soma Region By Using Numerical Weather Prediction Model Results (WRF) and Computational Fluid Dynamics Models (Meteodyn And WindSim)
ÇİĞDEM AKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
- Kısa süreli rüzgar tahmini için WRF model performansının analizi ve rüzgar gücü uygulamaları
Analysis of wrf model performance for short-term wind prediction and wind power applications
NİLCAN AKATAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİNÇ SIRDAŞ
- Short-term wind power generation forecasting by coupling numerical weather prediction models and machine learning algorithms
Sayısal hava tahmin modeli ve makine öğrenmesi algoritmaları ile kısa dönemli rüzgar enerjisi üretim tahmin modeli oluşturmak
CEM ÖZEN
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DENİZ
- Short-term and medium-term wind speed forecasting via adaptive neuro-fuzzy inference systems
Adaptif ağ tabanlı bulanık mantık çıkarım sistemleri ile kısa ve orta vadeli rüzgar hızı tahmini
ALIREZA SHATERZADEH YAZDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBahçeşehir ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CAVİT FATİH KÜÇÜKTEZCAN