Yenilenebilir enerji kaynakları, özellikle rüzgar enerjisi, küresel enerji talebini karşılamada hızla ağırlık kazanırken, bu kaynakların doğal değişkenliği, modern elektrik şebekeleri için büyük yönetim zorlukları yaratmaya devam etmektedir. Bir rüzgar türbininin güç çıkışı (PWT), rüzgar hızının (v) küpüyle orantılı olduğu için, rüzgar hızındaki küçük değişimler bile şebeke bağlantı noktasında (PCC) büyük güç dalgalanmalarına yol açar. Bu zorlukları aşmak için son dönemde yapılan çalışmalar, yüksek doğrulukta tahmin sistemlerini, dinamik akış kontrol mekanizmalarını ve stratejik enerji depolama çözümlerini entegre eden kapsamlı bir çerçeve sunmaktadır.
Rüzgar enerjisi tahminleri, aylar süren uzun dönemli bakım planlamasından dakikalar hatta saniyeler süren kısa dönemli türbin kontrolüne kadar uzanan farklı zaman ufuklarında kullanılır. Özellikle anlık veya çok kısa vadeli (birkaç saniyeden saate kadar) tahminler, yük takibi ve türbin kontrolü için hayati öneme sahiptir. Bu ihtiyaca yanıt olarak, Orta Doğu Teknik Üniversitesi’nde (METU) geliştirilen bir sayısal çerçeve, mezo-ölçekli atmosferik akış simülasyonlarını mikro-ölçekli Navier-Stokes simülasyonlarıyla birleştirmektedir.
Bu sistem, Hava Araştırması ve Tahmini (WRF) modeli ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) araç kutusu OpenFOAM’u birleştirir. Global Tahmin Sistemi (GFS) gibi meteorolojik girdi verileri kullanılarak WRF, atmosferik akışı mezo ölçekte (birkaç saatten birkaç güne, birkaç kilometreden 1000 km’ye kadar) çözümler. Bu mezo-ölçekli çözümler (örneğin 10² metre ve 10¹ saniye çözünürlüklerinde) daha sonra OpenFOAM’a aktarılır ve mikro ölçekte (10⁰ metre ve 10⁰ saniye çözünürlüklerinde) çözümlenir. Bu çöznürülük düşürme süreci, karmaşık arazi topografyalarını doğru bir şekilde temsil etmek için araziye uyan yüksek çözünürlüklü hesaplama ağlarının kullanılmasını gerektirir.
Mikro ölçekli akış çözümü, sıkıştırılamaz Zamana Bağlı Reynolds-Ortalamalı Navier Stokes (URANS) çözücüsü olan pimpleFoam ile elde edilir. pimpleFoam, Basit Tekrarlı Metot (SIMPLE) ve Basınç-Örtülü Çözücü Algoritması (PISO) döngülerini birleştiren PIMPLE algoritmasına dayanır. Bu kombinasyon, özellikle zamana bağlı (unsteady) akışlarda, geleneksel PISO’nun Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) kısıtlamasına göre daha büyük zaman adımlarına (CFL’nin 40’a kadar çıkabildiği) izin vererek hesaplama ekonomisi sağlar.
Türbülansın modellenmesi için Kayma Gerilimi Taşıma (Shear Stress Transport – SST) k−ω kapatma modeli kullanılır. Bu model, duvara yakın bölgelerde k−ω modelinin üstünlüğünü ve dış akış bölgelerinde k−ε modelinin gücünü birleştiren bir karıştırma fonksiyonu (blending function) kullanarak geniş bir türbülanslı akış koşulları yelpazesi için doğru tahminler sunmak üzere tasarlanmıştır. Geliştirilen bu çerçeve, atmosferik sınır tabakasında yere yakın rüzgarları doğru bir şekilde yakaladığını ve Fransa’daki La Haute Borne rüzgar çiftliğinde saha ölçümleriyle doğrulanmıştır.
Rüzgar çiftliği verimliliğini sınırlayan en büyük faktörlerden biri, rüzgar türbinleri arasındaki izbölgesi etkileşimleridir (wake interactions); bu, çiftliğin potansiyel enerji çıktısının %20’sine kadar güç kaybına neden olabilir. Bu kayıpları hafifletmek için Rüzgar Çiftliği Akış Kontrolü (WFFC) stratejileri, türbinlerin davranışlarını işbirlikçi bir yaklaşımla manipüle etmeye odaklanır. Özellikle uyanma yönlendirmesi (wake steering), türbinlerin rüzgarla hizasını kasıtlı olarak bozarak uyanma akışını yana yönlendirir ve aşağı akış türbinlerinin daha yüksek rüzgar hızlarına maruz kalmasını sağlar.
Bu kontrol stratejilerini test etmek ve optimize etmek için, yüksek doğruluklu ancak çok maliyetli olan Büyük Girdap Simülasyonu (LES) ile basit, durağan durum (steady-state) analitik modelleri arasındaki boşluğu dolduran orta doğruluklu dinamik modellere ihtiyaç vardır.
OFF (OnWARDS, FLORIDyn ve FLORIS) olarak kısaltılan dinamik açık kaynaklı modelleme çerçevesi, bu amaçla geliştirilmiştir. OFF, lagranjiyen tabanlı bir yaklaşım kullanarak akış alanının anlık ve geçici dinamiklerini yakalamayı hedefler.
Bu dinamik modeller, özellikle kısa zaman ölçeklerinde, durağan durum modellerine göre önemli avantajlar sunar. Örneğin:
- Durağan durum modelleri, türbin güç sinyal dinamiklerini ≈1/570 Hz’ye kadar yakalayabilirken, OFF gibi dinamik uyanma tanımları bu dinamiği ≈1/360 Hz’ye kadar öngörebilir ve daha iyi korelasyon gösterir.
- Dinamik modellerin bu avantajı, özellikle 20 dakikadan kısa süreli zaman dilimlerindeki performans değerlendirmeleri için önemlidir.
Aktüatör Disk Modeli (ADM-R)
CFD simülasyonlarında türbinleri modellemek için, tam çözünürlüklü kafes (FRM) kullanmanın yüksek maliyetini azaltmak amacıyla Aktüatör Modelleri (ADM/ALM) tercih edilir. Bu çalışma kapsamında kullanılan Döner Aktüatör Disk Modeli (ADM-R), türbin kanatlarını hacimsel kuvvetler olarak modeller ve bu kuvvetleri momentum denklemine kaynak terimleri olarak ekler. ADM-R, rotorun dönüş hareketini içerir ve basit ADM’nin aksine, özellikle yakın izbölgesindeki ortalama hız ve türbülans yoğunluğunu daha gerçekçi bir şekilde yakalar.
ADM-R’ye otomatik kanat açısı (blade pitch), rotor hızı ve sapma (yaw) kontrolcüleri entegre edilerek, değişken rüzgar alanlarında gerçekçi türbin operasyonu simüle edilir. Bu kontrolcüler, türbin karakteristiği eğrilerine göre rotor hızını ve kanat açısını anlık olarak ayarlayarak maksimum güç üretimini hedefler.
Gelişmiş tahmin ve kontrol sistemlerine ek olarak, Enerji Depolama Sistemleri (ESS), güç dalgalanmalarının şebeke üzerindeki olumsuz etkilerini doğrudan hafifletmede kritik bir rol oynar. ESS’ler, geçici enerji fazlalıklarını absorbe ederek veya eksiklikleri karşılayarak rüzgar çiftliklerinin çıkış gücü profillerini yumuşatır.
Rüzgar Çiftliklerinde ESS Boyutlandırması (Dava 1)
ESS, kurulu gücün şebeke modernizasyonuna ihtiyaç duymadan artırılmasına olanak tanır. ESS parametrelerinin boyutlandırılması, klasik yöntemin ölçüm sonuçlarıyla uyuşmaması nedeniyle, gerçek güç profili ölçümlerinin istatistiksel analizine dayanan daha optimal bir yaklaşımla yapılır. Bu yöntemde, belirlenen bir zaman aralığındaki güç değişimlerinin kümülatif frekansı analiz edilir. Gözlem süresinin %95’i için uyulması gereken mevcut şebeke kalite standartları dikkate alınarak, güç değişimlerinin ve referans güç değişimlerinin asimptotik (örneğin %95) değerleri okunur. Bu asimptotik değerler, depolama sisteminin gerekli nominal gücünü ve enerji kapasitesini belirler.
Yapılan analizler, ortalama alma süresinin uzatılmasının kısa dönemli titreşim değerini azalttığını, ancak referans güçteki ani adım değişimlerinden kaynaklanan maksimum bağıl voltaj değişimlerini artırdığını göstermektedir. Bu nedenle, 1 ila 10 dakika gibi daha kısa ortalama alma sürelerinin tercih edilmesi avantajlıdır.
Dalgalı Yüklerde ESS Boyutlandırması (Dava 2: Traksiyon Merkezleri)
Traksiyon (trafo vb.) merkezleri gibi dalgalı yüklere sahip tesislerde BESS kullanımı, özellikle yüksek tepe güç değerleri ve yük gücü profilindeki yüksek değişkenlik nedeniyle ortaya çıkan sorunları hafifletir. Tepe güç azaltma (peak shaving) sistemleri, dağıtım hatlarındaki ve trafo merkezlerindeki güç kayıplarını azaltır, ekipmanların nominal kapasite kullanım faktörlerini artırır ve sabit işletme maliyetlerini düşüren daha düşük sözleşmeli güç (contracted power) gereksinimine yol açar.
Kontrol algoritması, BESS’in yükün olmadığı veya düşük olduğu zamanlarda şarj edilmesini ve yük, belirlenen bir eşik değeri üzerine çıktığında deşarj edilerek güç talebinin bir kısmını karşılamasını öngörür. Bu kontrol, hem anlık güç değişimlerini hem de 15 dakikalık ortalama güç değerini düşürür. Analiz sonuçları, anlık güç azaltma eşiği 3 MW’ın altına düşürülmesinin, ortalama güç üzerinde belirgin bir etki yarattığını göstermektedir. Optimal yatırım maliyeti için anlık güç azaltma eşiğinin doğru ayarlanması kritiktir.
Kaynaklar
- Becker, M., Lejeune, M., Chatelain, P., Allaerts, D., Mudafort, R., & van Wingerden, J. W. (2024). A dynamic open-source model to investigate wake dynamics in response to wind farm flow control strategies. Wind Energy Science Discussions, 2024, 1-32.
- Önel, H. C. (2023). Unsteady Wind Farm Simulations and Short-Term Power Forecasting Using Actuator Disk Model in Openfoam Coupled with WRF (Doctoral dissertation, Middle East Technical University (Turkey)).
- Jarnut, M., Kaniewski, J., & Buciakowski, M. (2025). Energy Storage Systems for Fluctuating Energy Sources and Fluctuating Loads—Analysis of Selected Cases. Energies, 18(18), 4792.