Rüzgar çiftliklerinin meteorolojik parametreler üzerindeki etkisi : Model perspektifinden inceleme
The impact of wind farms on the meteorological parameters: The investigation from the model perspective
Yazar: TARIK KAYTANCI
Danışman: PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Düşük karbonlu elektrik enerjisi üretimi sağlamaları nedeniyle rüzgar enerjisine hızla artan talep ve ihtiyaç neticesinde dünya üzerinde rüzgar çiftliklerinin sayısı ve boyutlarının yanı sıra, çiftliklerde kullanılan rüzgar türbin ebatları da artmaktadır. Bir rüzgar türbini elektrik enerjisi üretmek üzere gelen rüzgarın kinetik enerjisini kullanarak, türbinin rüzgar altı kısmında rüzgar akışını, rüzgar şiddetini azaltarak ve akıştaki türbülans seviyesini artırarak bozmaktadır. Rüzgar altındaki bu alan rüzgar türbin izi olarak tanımlanmaktadır. İz alanında artan düşey türbülanslı karışım da atmosferik sınır tabakadaki sıcaklık, nem, türbülanslı yüzey akılarını yeniden düzenleyerek yer-atmosfer etkileşimini önemli ölçüde değiştirebilmektedir. Bir rüzgar çiftliği ebatına bağlı olarak onlarca ya da binlerce rüzgar türbini ihtiva edebilir. Böylece bir rüzgar çiftliğindeki her bir rüzgar türbin izinin doğrusal olmayan kümülatif etkisi atmosferde potansiyel etkiler oluşturmaktadır ve bu potansiyel etkiler incelenmelidir. Bu inceleme ya gözlemsel olarak yapılmaktadır ya da model aracılığıyla yapılmaktadır. Ancak, rüzgar çiftliklerinde ve çevrelerinde gözlemsel verinin zaman ve uzamsal olarak kısıtlı mevcudiyetinden dolayı, rüzgar çiftliklerinin etkilerini ve bu etkilere neden olan fiziksel mekanizmayı daha detaylı anlayabilmek için, model kullanımı önemli bir araç haline gelmektedir. Rüzgar çiftliği üç şekilde modellenebilmektedir. Bunlardan biri büyük girdap simülasyonudur (LES: Large Eddy Simulation). LES ile türbin dinamiği ölçeğine inerek rüzgar türbinlerinin meteorolojik etkilerine yönelik daha detaylı bilgi sağlanmaktadır. Ancak bu ölçek ile tüm rüzgar çiftliğini simüle etmek çok fazla hesaplama kaynağı gerektirmektedir. Bir diğer yöntem ise rüzgar çiftliklerinin yüzey pürüzlülğü olarak kabul edilmesidir. Ancak bu yöntemde ilgili rüzgar çiftliği için uygun pürüzlülük uzunluğunun bulunamaması veya atmosferden kinetik enerji eldesinin türbin gövde yüksekliği yerine yüzeye yakın yükseklikten gerçekleşmesi abartılı sonuçların üretilmesine neden olmaktadır. Ancak bu yöntem model yatay çözünürlüğün onlarca kilometre olan mezo ölçek veya küresel ölçek model çalışmalarında kullanıma uygundur. Rüzgar çiftliğini son modelleme yöntemi ise rüzgar türbinin güç ve itki eğrisi kullanılarak rüzgar türbinlerinin momentumu azaltan ve türbülanslı kinetik enerji kaynağı olarak parametrikleştirilmesidir. Bu yöntem mezo ölçek atmosfer modellerinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Rüzgar enerjisi uygulamalarında en yaygın kullanılan mezo ölçek atmosfer modeli ise WRF modelidir. Bu tez çalışması dört ayrı başlık altında mezo ölçek Weather Research and Forecasting (WRF) modelini  rüzgar çiftlik parametrizasyonu (WFP) ile birlikte kullanarak model perspektifinden rüzgar çiftliğinin atmosfer üzerindeki etkisi ve WRF-WFP modelinde yapılan değişikliklerde rüzgar çiftlik etkisindeki değişim incelenmiştir.
İlk çalışmada (3. Bölüm) Türkiye'nin Çanakkale ilinin düz olmayan bir bölgesinde kurulan hipotetik rüzgar çiftlik iz etkisinin WRF modelinde Mellor-Yamanda-Nakanishi-Niino (MYNN) atmosferik sınır tabaka (PBL) şemasında yapılan değişiklerin neticesindeki değişimi incelenmiştir. Bu çalışma literatürde bu konu ile ilgili yapılmış ilk çalışma niteliği taşımaktadır. Böylece MYNN PBL şemasında karışım uzunluğu (yerel karışım) yaklaşımı değiştirilerek, kütle akışı şeması (yerel olmayan karışım) aktive edilerek, ve modeldeki ilgili bir modülde bir kod bloğu eksikliği nedeni ile WFP kullanımında TKE adveksiyonunun yanlış işlenmesi (son model zaman adımına kadar WFP tarafından rüzgar çiftliği hücrelerine eklenen ek TKE'nin ilgili hücre dışına advekte olamaması) ve bu eksik kod bloğunun eklenmesi ile TKE adveksiyonunun doğru işlenmesi ileyapılan WRF-WFP simülasyonları ile WFP ile MYNN PBL şeması arasındaki etkileşim ortaya konmuştur. Buna ek olarak, WFP'de türbülanslı kinetik enerji (TKE) katsayısına (CTKE) yönelik bir düzeltme uygulanmıştır. Ancak ana simülasyonlara geçmeden önce rüzgar çiftlik iz etki büyüklüklerini daha iyi yakalabilmek için uygun model yatay ve düşey çözünürlükleri belirlemek üzere uzamsal çözünürlüklerin değiştirildiği bir dizi simülasyon gerçekleştirilmiştir. Rüzgar çiftlik iz etki örüntüsünü ve büyüklüğünü yakalayabilmek için yüksek düşey (12 m) ve yatay (1 km - 3 km) çözünürlük kullanılması gerektiği bulunmuştur. Bu ilk çalışmaya ait sonuçlarda MYNN PBL şemasında yapılan değişiklerde rüzgar çiftlik izi simülasyonlarına yönelik WRF-WFP çözümlerinde önemli değişimler elde edilmiştir. Genel olarak rüzgar çiftliği özellikle çiftlik içerisinde rüzgar şiddetini azaltmakta, TKE'yi ve hava sıcaklığını artırmaktadır. Ancak, TKE adveksiyonunun yanlış kullanımı ve WFP CTKE için 0.25 düzeltme faktörünün kullanımı WRF-WFP modelinin özellikle rüzgar çiftliğinin TKE ve hava sıcaklığı üzerindeki etki öngörüsünde yanlış sonuçlar ürettiği bulunmuştur. Çalışmada ayrıca simüle edilen rüzgar çiftliği iz etkisinde karışım uzunluğunda yapılan değişikliklerin MYNN PBL şemasını EDMF (eddy diffusivity/mass-flux) şemasına dönüştürmek üzere kütle-akı şemasının aktivasyonundan daha büyük değişimler yarattığı ortaya konmuştur. Çalışmada ayrıca MYNN PBL şemasında TKE adveksiyonunun doğru ve yanlış kullanımında WFP'nin TKE tandans ve momentum tandans bileşenlerinin katkıları incelenmiştir. TKE adveksiyonunun yanlış kullanımında ya da (doğru kullanımında) CTKE için düzeltme faktörünün uygulanmasında simüle edilen rüzgar çiftik iz etki öngörülerinde yanlış sonuçların üretilmesi, WFP TKE tandans bileşeninden gelen katkının olduğundan daha düşük olmasından kaynaklanmaktadır.   
İkinci çalışmada (4. Bölüm) ilk çalışmadaki çalışma alanı ve periyodu ele alınarak TKE adveksiyonunun doğru kullanımında orijinal WFP CTKE kullanımı neticesinde devam eden yüksek TKE üretimi nedeniyle WFP CTKE için uygulanan düzeltme faktörünün özellikle hava sıcaklığında yanlış rüzgar çiftlik etki öngörülerinin üretilmesine neden olmasından dolayı WFP CTKE için yeni bir yaklaşım olarak bir boyutlu momentum teorisi uygulanarak sonuçlar yeniden değerlendirilmiştir. Bu yeni CTKE hesabı yaklaşımıyla gerçekleştirilen simülasyon sonucunu kıyaslamak üzere ilk çalışmadaki TKE adveksiyonunun doğru ve yanlış kullanıldığı simülasyonla birlikte CTKE için 0.25 düzeltme faktörünün uygulandığı simülasyonlar ele alınmıştır. Bu çalışma literatürde Fitch WFP CTKE hesabı için bir boyutlu momentum teorisinin uygulandığı ilk çalışma olma niteliğini taşımaktadır. Yeni CTKE hesabı için uygulanan bir boyutlu momentum teorisi ile WFP TKE tandans bileşeninden gelen katkı artarak rüzgar çiftliğinde rotor tabakasının altında beklenen ancak zayıf ısınma sinyalleri bulunmuştur. CTKE hesabında 0.25 düzeltme faktörünün uygulandığı simülasyonda negatif TKE farkları türbin gövde yüksekliğinden yüzeye kadar görülürken CTKE için yeni yaklaşımın uygulandığı simülasyonda rotor tabakasının altından yüzeye kadar görülmektedir. Yeni yaklaşımla diğer simülasyonlar arasındaki fark gece belirmektedir. Ancak ne gece ne gündüz rüzgar çiftliğinin rüzgar şiddeti açısından diğer simülasyonlarla kıyaslandığında yeni yaklaşım önemli bir fark yaratamamıştır.
Üçüncü çalışmada (5. Bölüm) arazi örtüsü değişikliğinde yüzey sürüklenme etkilerinin türbin rotorunun üst uç yüksekliğine kadar ulaşabilmesi için rüzgar çiftliği merkezinde olacak şekilde belirlenen bir kare bir alanda arazi örtüsü değiştirilerek rüzgar çiftliğinin atmosfer üzerindeki etkileri ve güç üretimindeki değişim incelenmiştir. Çalışma Türkiye'nin Kırklareli ilinin tarımsal faaliyetin yoğun olduğu düz olmayan bir bölgesinde WRF WFP modeli ile hipotetik bir rüzgar çiftliği kurgulanarak gerçekleştirilmiştir. Arazi örtüsünün değiştirileceği hesaplanan alanda en yüksek alansal paya sahip arazi örtüleri kuru tarım arazisi ve yaprak döken geniş yapraklı orman olduğundan model simülasyonları belirlenen alanda alan tamamen kuru tarım arazisine ve yaprak döken geniş yapraklı ormana dönüştürülerek gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada WFP'de orijinal CTKE hesabı kullanılmıştır. WRF WFP model simülasyonları ile elde edilen bulgular rüzgar çiftliğinin atmosfer üzerindeki etkiler söz konusu olduğunda yaprak döken geniş yapraklı ormanın rüzgar çiftlik etkilerini, kuru tarım arazisindeki sonuçlara göre, azalttığını ancak söz konusu rüzgar çiftliğindeki güç üretimi ise güç üretimini artırdığını göstermiştir.  
Dördüncü ve son çalışmada (6. Bölüm) 21-27 Ocak 2022 tarihinde gerçekleşen Elpis Fırtınasının özellikle İstanbul üzerinde 24-25 Ocak 2022 tarihinde etkili olması ile meydana gelen yoğun kar yağışı için, İstanbul'un karadeniz kıyısının açıklarında hipotetik bir rüzgar çiftliği varlığında kar yağışında ve meydana gelecek kar kalınlığındaki değişim 24 Ocak günü öncesi de dahil edilmek üzere 23-25 Ocak 2022 periyodu için incelenmiştir. Ancak özellikle kar yağışındaki/kalınlığındaki değişimin nispeten en yüksek olduğu durumu elde edebilmek için sonuçlar rüzgar çiftliğinin konumu ve kullanılan türbin modeli açısından incelemiştir ama rüzgar çiftliğinin kar yağışı ve diğer meteorolojik parametreler (rüzgar şiddeti ve hava sıcaklığı) üzerindeki etkisine yönelik ayrıntılı değerlendirmeler en yüksek etkiyi sağlayan rüzgar çiftlik konumu ve türbin ebatı çifti için yapılmıştır. Rüzgar çiftliklerinin yağmur üzerindeki etkisine yönelik literatürde birçok calışma bulunmasına rağmen henüz kar yağışı üzerindeki etkisine yönelik bir çalışma bulunmaması nedeniyle tezin bu son çalışması literatürde ilk çalışma olma niteliği taşımaktadır. Çalışmada İstanbul'un Avrupa yakasında Karadeniz'de konumlandırılmış rüzgar çiftliği bu çalışmada ele alınan parametreler açısından Asya yakasında Karadeniz'de konumlandırılmış rüzgar çiftliğinden daha büyük meteorolojik etki sergilediği ve buna ek olarak, rüzgar çiftliğinin konumu farketmeksizin daha büyük ebatlı rüzgar türbin modelinin kullanımının daha büyük rüzgar çiftlik etkisine neden olduğu ortaya konmuştur.  Simülasyon sonuçlarına göre kar yağışının özellikle 24 Ocak'ta İstanbul'da etkisini göstermeye başladığı 25 Ocak'ta seçilen iç model alanında Tüm Karadeniz'i ve İstanbul'u etkilemesine paralel olarak İstanbul'un Avrupa yakasının Karadeniz kıyısının açığında seçilen büyük türbin ebatıyla kurulan hipotetik rüzgar çiftliği kar yağışındaki en yüksek etkiyi inceleme periyodunun son günü 25 Ocak'ta sergilemiştir. Periyot boyunca kar yağışındaki değişim -17 mm ile 20 mm arasında iken kar kalınlığındaki değişim -9 cm ile 9 cm arasındadır. Periyot ortalaması ele alındığında ise kar yağışındaki değişim -11 mm ile 14 mm arasında iken kar kalınlığındaki değişim -4 cm ile 4 cm arasındadır.

Abstract:
As a result of fast growing demand and need for wind energy due to its low-carbon electrical energy generation, wind farms over the world continue to grow in terms of number, size (installed capacity) and wind turbine size. A wind turbine uses kinetic energy of the incoming wind flow to generate electrical energy and disturbs the downwind wind flow by decreasing the wind speed and increasing the turbulence in the flow. The disturbed wind flow region in the downwind is called wind turbine wake. The increasing vertical turbulent mixing in the wake region redistributes the air temperature, humidity and turbulent surface fluxes in the atmospheric boundary layer and so considerably modifies the land-atmosfer interaction. A wind farm can consist of dozens or thousands of wind turbines, depending on its size. Therefore, the non-linear aggregation of individual wind turbine wakes in a wind farm can have potential impacts on atmosphere, and these potential impacts need to be investigated. This investigation is carried out by observational or modelling. However, because the observed spatiotemporal data in and around the wind farm is limited, the use of models is becoming an important tool to understand in more detail the effects of wind farms and the physical mechanism that causes these effects.Several modelling techniques are used to model wind farms. The one of them is Large Eddy Simulation (LES). More detailed information about the meteorological effects of wind turbines is provided using LES, which operates at the wind turbine dynamics scale. However, this method is too computational expensive to model the entire wind farm at this scale. The other method is to assume the wind farm as a surface roughnessHowever, in this method, the failure to find the appropriate roughness length for the relevant wind farm or the fact that kinetic energy is obtained from the atmosphere from a height close to the surface instead of the wind turbine's hub height causes exaggerated results to be produced. Nevertheless, this method is suitable for use in mesoscale or global model studies where the model horizontal resolution is tens of kilometers. The last method is that wind turbines are parameterized as a momentum sink and a source of turbulent kinetic energy. This method is widely used in mesoscale atmospheric models. The widely used mesoscale model in the wind energy applications is WRF model. 
This thesis study uses the WRF model coupled with the last mentioned wind farm parametrization (WFP) method. This WFP is called Fitch scheme in WRF model. This parameterization scheme extracts some fraction of kinetic energy from the mean flow at the vertical levels intersecting with the rotor area within wind farm grid cell(s), depending on the thrust coefficient of the wind turbine. Some fraction of this extracted kinetic energy is also converted into electrical energy, based on the power coefficient of the same wind turbine. The thrust and power coefficients are functions of wind speed. In this parametrization, electromechanical losses are ignored. Therefore, the rest of the extracted kinetic energy that is not converted into electrical energy is assumed to be converted into TKE. Its fraction is quantified by the difference between the thrust and power coefficients and is called the coefficient of TKE (CTKE). This parametrization neglects the wind direction within the wind farm grid cell(s). Therefore, wind turbines are assumed to be oriented perpendicular to the wind flow. It also neglects the wind farm layout, and therefore, wind turbines within the same grid cell are treated as front-row turbines and experience the same wind condition. A code bug in the WRF model causes a miscalculation of QKE, twice the TKE, at wind farm cell(s) when bl_mynn_tkeadvect is set to true as a namelist parameter in the WRF model configuration in the case of the WPS use. The corrected version of the code bug in the WRF model is released with WRF version 4.2.1. Therefore, correction procedures to fix the code bug in the TKE advection are followed for the chapters that uses the earlier version (v3.8.1). In addition, one-quarter of the original values of the CTKE is applied in two chapters (Chapter 3 and 4) because of the still-high added TKE values from wind farms, even though the code bug is fixed according to the literature. Finally, one dimensional momentum theory as a new approach is applied for CTKE in one chapter (Chapter 4) because correction for the CTKE with a factor of 0.25 causes the incorrect predictions of wind farm impact especially on air temperature.
This thesis consists of four different studies. In these studies, the wind farm impacts on the meteorological variables from the model perspective and the change in the model solutions for the wind farm impacts in the changes made in the model configuration were investigated by using Weather Research and Forecasting (WRF) model coupled with wind farm parametrization (WFP).
In the first study of thesis (Chapter 3), the changes in the simulated wind farm wake impacts as a result of the changes made in Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN) planetary boundary layer (PBL) scheme in WRF model. This study is the first study on this topic in the literature. Thus, the interaction between WFP and MYNN PBL schemes was exhibited with WRF-WFP simulations performed by changing mixing length (local mixing) options, activating the mass-flux scheme (non-local mixing), enabling the correct/incorrect TKE advection in MYNN PBL scheme. In addition to this, in the case of correct TKE advection, one more simulation, in which a correction factor of 0.25 for turbulent kinetic energy (TKE) coefficient (CTKE) in WFP was applied, was performed. However, before the main simulations which show the interactions between WFP and MYNN PBL schemes, a series of simulations in which model spatial resolutions were changed are performed in order to determine the optimum model horizontal and vertical resolutions for capturing the patterns and magnitudes of the wind farm wake impacts. The high vertical (12 m) and horizontal (1 km – 3 km) resolutions should be used  to capture the patterns and magnitude of the wind farm wake impacts. The results of this first study show that  the WRF-WFP solutions for the wind farm wake impact significantly change with the change in the MYNN PBL scheme. In general, wind farm wake impact reduce the wind speed, increase the TKE and the air temperature, especially within the wind farm. However, the incorrect treatment of TKE advection and the correction factor of 0.25 for the CTKE in WRF-WFP simulations cause the unexpected wrong predictions for the wind farm wake impacts particularly on TKE and air temperature. In addition, this study shows modifications in the mixing length rather than activation of mass-flux scheme create greater changes in simulated wind farm wake impacts. This study also investigated the contributions of TKE and momentum tendency components of the WFP for the simulations with the correct/incorret treatment of TKE advection for providing additional explanation in these simulations. The unexpected wrong wind farm wake impacts for the simulations with the incorrect treament of TKE advection and the use of correction factor of 0.25 for the CTKE in the case of correct treatment of TKE advection are because the contribution comes from the WFP TKE tendency component are underestimated.
In the second study (Chapter 4), the case study in the first study was reevaluated by performing an additional simulation in which one dimensional momentum theory as a new approach was implemented into the CTKE estimation because correction of the CTKE with a factor of 0.25 in the case of correct treatment of TKE advection causes the incorrect predictions of wind farm impact especially on air temperatue. Therefore, a new approach was considered for the CTKE calculation and it was based on one dimensional momentum theory, and the results are evaluated. The results of simulations with correct/incorrect TKE advection and corrected CTKE are reconsidered from the first study to be compared to the results of the simulation in which one dimensional momentum theory was implemented into the CTKE calculation. This study is the first study in the literature in terms of the implementation of one dimensional momentum theory for the CTKE calculation.The contribution from the WFP TKE tendecy component increased when this new approach for the CTKE calculation was implemented, and so, for instance, the expected nighttime warming impact by wind farm especially below the rotor layer at wind farm cells were found. In the simulation with the corrected CTKE with a factor of 0.25, negative TKE difference are found from the hub height to surface, but in the simulation with the implementation of the new approach for CTKE, those are found below the rotor layer. The difference between both methods applied for the CTKE clearly appears especially for the nighttime results of TKE and air temperature difference. However, for the wind speed difference, both methods have produced similar results.
In the third study (Chapter 5), the changes in the wind farm impact and power production in the case of land use change were investigated in an identified square patch area. The hypotetical wind farm is centered in it, because influences of surface drag must be reached up to the upper rotor tip height in the case of land use change. The study was performed by building a hypotetical wind farm in a non-flat terrain of Kırklareli province which is characterized by intensive agricultural activities. In the identified square patch area, there are two land uses with the highest areal rations. These land uses are dryland cropland and decidious broadleaf forest. Therefore, in the WRF-WFP model simulations in the case of land use change, the square patch area is converted to completely dryland cropland and completely decidious broadleaf forest. In the study, the original CTKE was used. The results of the WRF-WFP simulations show that decidious broadleaf forest reduce the wind farm impact in the case of wind farm impacts on the atmosphere, when compared to the dryland cropland. However, in the case of power production, it was found that dryland cropland increase the power production of the wind farm when compared to the decidious broadleaf forest.
In the fourth and the last study (Chapter 6) of thesis, the change in snowfall and snow depth under the impact of a hypotetical offshore wind farm in Black Sea in the north of Istanbul was investigated for the period of 23-25 January 2022 because heavy snowfall occured when the Storm Elpis, which took place on 21-27 January 2022, was effective on Istanbul especially on 24-25 January. However, the impact of the offshore wind farm especially on the snowfall/snow depth over Istanbul was investigated in terms of the position of the wind farm on the Black Sea and the size of wind turbine in order to obtain the largest change in the snowfall/snow depth by wind farm. After that, the detail evaluation of the impacts of the hypotetical offshore wind farm on snowfall / snow depth and other meteorological variables (wind speed and air temperature) was made for the wind farm position-wind turbine size couple which provide the largest impact especially on snowfall / snow depth. Because although there are many studies on wind farm impact on the precipitation (rainfall) there is no study for the wind farm impact on snowfall / snow depth, this study is the first study on this topic in the literature. The study shows that an offshore wind farm on Black Sea in north of the European side rather than the Asian side of Istanbul has a greater wind farm impact and in addition the larger wind turbine size regardless of wind farm position  has a greater wind farm impact. According to simulation results, snowfall began to show its effect in Istanbul especially on January 24, and on January 25 the snowfall effects the whole Black Sea and Istanbul in the inner model domain and parallel with this the hypotetical offshore wind farm builded with larger wind turbine size exhibits its greatest impact on January 25. During the investigation period (23-25 January), the change range in the snowfall / snow depth is -17 mm – 20 mm / -9 cm – 9 cm. In addition, the period average for change in the snowfall / snow depth is -11 mm – 14 mm / -4 cm – 4 cm.