Rüzgar Analizlerinde Yüzey Pürüzlülüğü

Bu yazımızda, rüzgar analizleri ya da sonuçlarıyla ilgilenen sektör çalışanları için detayları ve etkilerini biraz daha anlaşılır kılabilmek adına rüzgar akışını etkileyen en önemli parametrelerden olan yüzey pürüzlülüğünü (roughness) anlattık.

A- A+

30.09.2015 tarihli yazı 16594 kez okunmuştur.

WAsP Metodolojisi Nedir?

Büyük yatırım maliyetleri olan rüzgar projelerinin fizibilite çalışmalarında rüzgar koşullarının doğru tahmin edilmesi, doğru türbin tipinin seçilmesi ve enerji üretim tahminlerinin gerçekçi olması hem yatırımcılar hem de rüzgar sektörü için hayati öneme sahip. Bu nedenle sahalardaki ölçüm verileri değerlendirilirken uygulanan yaklaşımlar, gerçek saha koşullarının kullanılan akış modellerine ve yazılımlara doğru bir şekilde aktarılması daha da önemli bir hale geliyor. Sektörde yatırımcılar, danışmanlar ve türbin üreticileri tarafından yaygın bir şekilde kullanılan WAsP metodolojisi sonuçlarının da, türbin yerlerinin belirlenmesinden uluslararası finans kuruluşlarının kararlarına kadar yatırımın pek çok aşamasında ciddi etkileri oluyor. WAsP metodolojisi içerisinde rüzgar akışını –ve haliyle yatırım kararına kadar giden sonuçları etkileyen faktörlerin başında yüzey etkileri bulunuyor. Yüzey pürüzlülüğü (roughness), yükselti değişimleri (orography) ve engeller (obstacles) WAsP’ın baz aldığı başlıca model parametleridir.

Sürtünmenin Etkisi

Aslında yüzey pürüzlülüğü etkisi akışkanlar dinamiğinin en temel kurallarından biriyle ortaya çıkıyor; sürtünme olan bir yüzeyde akış hızının “sıfır” olması. Rüzgar sahalarını baz aldığımızda yüzeyde sıfır kabul edilen hız yerden yükseldikçe artış gösterir (ta ki yüzey etkilerinden bağımsız ve daha büyük ölçeklerde gerçekleşen jeostrofik rüzgarlar adını verdiğimiz akış koşullarına ulaşana kadar). Logaritmik bir değişim gösteren rüzgar hızının artık değişmediği yüksekliğe gelene kadarki bölgeye atmosferik sınır tabakası (Atmospheric Boundary Layer) deniliyor. Atmosferik sınır tabakanın yerden yüksekliği ve rüzgar profili özellikle bitki örtüsünün olmadığı, çıplak arazilerde ya da çöl koşullarında atmosferik stabilite koşullarından ciddi şekilde etkilenir (havanın sıcak yaz öğlenlerinde yeryüzünden ısınarak yukarı doğru hareketinin artması ya da geceleri soğuyan yüzeyin havayı soğutup çökmesine neden olması farklı atmosferik stabilite koşullarına örnek olarak verilebilir). Ancak bitki örtüsünün ya da yüksek yapılaşmanın fazla olduğu yerlerde rüzgar profilini etkileyen en önemli unsur yüzey pürüzlülüğü oluyor.

Bitki örtüsü farklılıkları, yapıların yükseklikleri ve sıklığı rüzgar akışı üzerinde farklı etkiler gösteriyor. Bu farkların sınıflandırılması için de pürüzlülük uzunluğu (roughness length) birimi kullanılıyor. Pürüzlülük uzunluğu teorik olarak nötr (neutral) atmosferik stabilite koşullarına yakın koşullarda yüzeyden belli bir yükseklikte alınan rüzgar ölçümüyle hesaplanabilir [1]. Ağaç yükseklikleri ya da sıklığı arttıkça rüzgar hızının sıfır olduğu ve profilin başladığı yüksekliğin de arttığını kabul ediyoruz. Pürüzlülük uzunluğu olarak hesaplanan değer de Logaritmik Rüzgar Profilinde (Log Wind Profile) rüzgar hızının sıfır kabul edildiği yerden yüksekliktir. Yüzey pürüzlülüğünün sınıflandırılmasıyle ilgili bugüne kadar yapılan pek çok çalışma arasında başlıcaları Davenport (1960), Coubihan (1972), Wieringa’ya (1993) aittir. Rüzgar analizlerinde popüler olan bir diğer sınıflandırma da Troen ve Peterson’un (1989) Avrupa Rüzgar Atlası’nda yayınlanan ve WAsP ‘ın da baz aldığı dört farklı pürüzlülük çeşidi tanımlanmış sınıflandırmadır. WAsP 10 versiyonuna kadar standart olarak dört çeşit yüzey pürüzlülüğü kullanan program, WAsP 10 ile birlikte bu sayıyı 5’e çıkarmıştır.

Tablo 1: WAsP Standart Yüzey Pürüzlülüğü Sınıflandırması. Logaritmik olarak artan pürüzlülük uzunluğu, pürüzlülük sınıfına dönüştürülerek lineer şekilde de tanımlanabilir.

Pürüzlülük bilgileri WAsP’a tanımlanırken tanımlanan bölgelerdeki bitki örtüsü yüksekliği ve sıklığı standart değerlerle her zaman birebir aynı olması beklenemez. Farklı pürüzlülükteki bölgeler için yukarıda belirtilen pürüzlülük sınıflandırma çalışmalarından faydalanarak hazırlanan daha detaylı tablolar kullanılabilir. Royal Netherlands Meteorological Institute’ün (KNMI) extreme rüzgar hızlarıyla ilgili yaptığı çalışmada kullandığı sınıflandırma bunun örneklerindendir [2]. WAsP modelinde kullanılan pürüzlülük haritaları içinde de, tanımlı en küçük ve en büyük pürüzlülük değeri arasında kalacak şekilde bu değerler interpolasyon yapılarak program tarafından kullanılabilir.

Yüzey Pürüzlülük Haritaları

Rüzgar analizlerinde kullanılan genel kabul pürüzlülük değişimlerinin analizlerde kullanılacak yüksekliğin 100 katı kadar mesafeden etkilendiğidir [3]. Yani 80 m hub yüksekliğindeki bir türbinin bu yükseklikteki rüzgar koşullarını hesaplamaya çalışıyorsak her yönde en az 8 km’lik bir mesafeye uzanan pürüzlülük haritasının hazırlanması gerekir. Rüzgar analiz mühendisleri türbin kanatlarının geçtiği tüm süpürme alanıyla ilgilendikleri için pürüzlülük haritası büyüklüğü belirlenirken bugün 150 m’nin üzerine çıkabilen üst kanat ucu baz alınır. 80 m hub yüksekliği ve 100 m kanat çapı olan bir türbinin üst kanat ucu 130 m olacaktır. Bu durumda pürüzlülük haritasının türbinlerden en az 13 km’lik bir mesafeye uzanması gerekir. Bu kıstasın yanında eğer hazırlanan pürüzlülük haritasının birkaç kilometre dışında akış üzerinde ciddi etkileri olması beklenen farklı pürüzlülük elemanları gözleniyorsa pürüzlülük haritasının sınırlarının bu alanları da modele dahil edecek şekilde genişletilmesi gerekecektir.

Pürüzlülük haritaları kullanıcı tarafından bilgisayar ortamında elle çizilebileceği gibi bazı online kaynaklardan da elde edilebilir. Elle çizimlerde arkaplana yerleştirilen topografik haritalarla uydu görüntüleri pürüzlülük alanlarının sınırlarının belirlenmesinde kullanılır. Saha gezileri sırasında çekilen fotoğraflar ve alınan notlar da bitki örtüsü ve yapıların saha üzerindeki mevcut durumunu belirlenmesinde ve modele doğru aktarılmasında önem taşır. Online olarak erişilebilen pürüzlülük haritalarının büyük çoğunluğu Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ile elde edilen arazi kullanım haritalarının yukarıda bahsedilen pürüzlülük sınıflarının eşleştirilmesiyle hazırlanır. Rüzgar analizlerinde sıkça kullanılan WindPro yazılımı ile erişilebilen Corine Land Cover [4], DataForWind [5] kaynaklı ve benzeri pürüzlülük haritalarının kullanımı sırasında haritaların çözünürlükleri ve eşleştirildikleri pürüzlülük değerlerine dikkat edilmesi gerekiyor. Özellikle pürüzlülük eşleştirilmesi farklı bitki örtüsüne sahip bir başka bölge baz alınarak yapılmış ise pürüzlülük modelinin yanlış tanımlanmasına neden olabiliyor. Örnek olarak bodur çalıların olduğu bir bölge yüksek ve sık orman için tanımlanması gereken pürüzlülük eşleştirmesiyle akış koşullarını ciddi anlamda etkileyebilecek hale gelebiliyor. Modelde rüzgar akışı en çok türbin ve ölçüm direklerinin etrafındaki birkaç kilometrelik alandan etkilendiği için online haritalar kullanılırken özellikle bu bölgelerin saha gezileri ile elde edilen bilgiler doğrultusunda düzeltilip detaylandırılması model kalitesini arttırmak için önem kazanıyor.

Şekil 1: Online olarak elde edilmiş bir pürüzlülük haritası

WAsP 11’den önce harita yerine her yön için pürüzlülük değişim dilimleri de oluşturulabiliyordu. İngilizce çevirisi olarak pürüzlülük gülü (roughness rose) diyebileceğimiz bu dilimler her ne kadar artık modele bu şekilde bir tanımlama yapılamıyor olsa da hazırlanan haritalar program tarafından bu pürüzlülük güllerine dönüştürülüyor. Her türbin ya da ölçüm noktasında oluşturulan bu tanımlama ile pürüzlülük değişimleri, pürüzlülük gülü merkezindeki objeye uzaklığına göre ağırlıklandırılarak akışa olan etkisi artıyor ya da azalıyor.

Şekil 2: Pürüzlülük sınıfı değişimlerini gösteren pürüzlülük gülü

WAsP metodolojisinde yüzey elemanlarının tanımlanabildiği bir diğer parametre olan “engeller”in (obstacles) kullanım yeri yüzey pürüzlülüğü ile zaman zaman karıştırılabiliyor. WAsP yardım dökümanlarında bahsedildiği şekliyle eğer bir pürüzlülük elemanı türbin ya da ölçüm direğine bu pürüzlülük eleman yüksekliğinin 50 katından daha yakın ise modelde engel olarak tanımlanması gerekiyor. Örnek olarak 5 m yüksekliğindeki bir bina türbin ya da ölçüm direklerine 250 m’den daha yakındaysa engel, daha uzaksa pürüzlülük elemanı olarak tanımlanmalı. Engellerin akış üzerinde pürüzlülük değişimlerine oranla daha büyük bir etki göstermesinden dolayı tanımlamanın yapılırken sonuçlarının dikkatli değerlendirilmesi önem kazanıyor.

Daha Gerçekçi Modeller

Rüzgar analizleri için hazırlanan pürüzlülük modeli WAsP ile hesaplanan rüzgar istatistikleri ve enerji üretimlerinin yanısıra farklı akış modelleriyle türbülans, hız değişim profili (wind shear) gibi türbinlerin maruz kalacağı yük hesaplarında kullanılan parametrelerin de hesaplanmasında kullanılmakta. Türbin ömürlerinin doğru hesaplanıp sağlıklı rüzgar yatırımlarının yapılabilmesinde analizlerin ilk aşamalarında hazırlanan pürüzlülük elemanlarının doğru bir şekilde modele aktarılması büyük önem taşıyor. Akademik alan ve onu takip eden sektördeki gelişmeler bu analizlerin daha kaliteli yapılabilmesi için mühendislere önümüzdeki yıllarda daha fazla kaynak sağlayacakmış gibi de gözüküyor. Pürüzlülükteki mevsimsel değişimler, dinamik pürüzlülük modellemesi gibi metodolojilerin günlük işlemler arasına giriyor olması, artan kaynak çeşitliliği ve kalitesi de sektördeki standartların yükseltilmesini ve daha gerçekçi modellerin daha kısa sürede hazırlanmasını sağlayacaktır.

Hazırlayan:

Aytek Ay
Yüksek Makine Mühendisi
Siemens Rüzgar Enerjisi Bölümü - Rüzgar Analiz Mühendisi