Model çıktılarının istatistiği ile orta ölçek/mikro ölçek modelleri kullanılarak çeşitli arazi tipleri için kısa dönem rüzgar enerjisi tahmin sistemi

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.