Tandem yerleştirilmiş rüzgar türbinlerinde güç üretimi optimizasyonu: Taguchi deney tasarımı yaklaşımı

Abstract

Bu çalışma, bir rüzgar çiftliği formasyonunda elde edilen toplam gücün, türbinlerin yerleşimleri ve sapma açılarıyla etkileşimini incelemek için Taguchi tabanlı bir optimizasyon modeli önermektedir. Kurgulanan rüzgar çiftliğinde rüzgar hızı, Türkiye'nin Bandırma bölgesinde, 100 m yükseklikteki ortalama rüzgar verilerine dayanarak tek yönlü ve sabit olarak ele alınmıştır. Numerik analizler için açık kaynak kodlu ve aero-servo-elastik çözücü OpenFAST’in rüzgar çiftliği modülü Fast.FARM kullanılarak, tandem yerleşimli üç türbinden oluşan bir rüzgar çiftliği modeli oluşturulmuştur. Bu modelde, türbin yerleşim parametrelerinin toplam güç üretimine etkisi incelenmiştir. Bu bağlamda, optimizasyon kapsamında yerleşim parametreleri, a) aşağı akış türbinlerinin birbirleri arasındaki mesafenin rotor çapı cinsinden 3D, 4D ve 5D olarak belirlenmesi ve b) her türbin için sapma açılarının -20° ile 20° arasında, 5°'lik artışlarla değiştirilmesi şeklinde ele alınmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Tasarlanan çiftlik düzeninde, yukarı akış yönündeki ilk türbininin konumu sabittir. Aşağı akış türbinlerinin konumuna dayalı olarak tanımlanan mesafe değişkeni 2 faktörde 3 seviyeye, sapma açısı değişimi ise tüm türbinlere uygulandığından 3 faktörde 9 seviyeye sahiptir. Tüm parametreler dikkate alınarak bu parametrelerin etkileşimini içeren ve 81 farklı senaryodan oluşan bir Deney Tasarımı (DOE) oluşturulmuştur. En küçük kareler yöntemi kullanılarak analiz sonuçlarına bir matematiksel model uyarlanmıştır. Bu modelin tahminine dayanarak en iyi dizilim konfigürasyonu analiz edildiğinde, türbinlerin toplamda 7.55 MW güç ürettiği ve bu değerin deney tasarımındaki diğer sonuçlardan daha yüksek olduğu belirlenmiştir.

This study proposes a Taguchi-based optimization model to investigate the interaction between turbine layout and yaw angles on the total power performance of a wind farm. The designed wind farm assumes a unidirectional and constant wind speed, based on the average wind data at a height of 100 meters in the Bandırma region of Türkiye. For numerical analysis, a wind farm model with a tandem arrangement of three turbines was created using Fast.FARM which is a wind farm module in the open-source aero-servo-elastic solver OpenFAST. The impact of turbine placement parameters on total power generation was examined within this model. As a part of the optimization, placement parameters included a) the downstream turbines' spacing, defined as 3D, 4D, and 5D in terms of rotor diameter, and b) the yaw angles of each turbine, which varied between -20° and 20° in increments of 5°. In the designed farm layout, the position of the upstream turbine was fixed. The spacing parameter, defined based on the downstream turbines’ positions, was considered at three levels across two factors, while yaw angle variations were applied to all turbines, resulting in three factors at nine levels. Considering all parameters, a Design of Experiments (DOE) approach consisting of 81 different cases was conducted to examine their interaction. A mathematical model was then formulated based on the analysis results using the least squares method. According to the model’s predictions, the optimal sequencing configuration resulted in a total power output of 7.55 MW, surpassing all other results obtained in the experimental design.