A discrete continuous approach to wind power investment decisions

Abstract

Rüzgârın enerjisinden elde edilen elektrik enerjisi, elektrik talebini karşılamada gittikçe daha önemli ve efektif bir yöntem olmaktadır. Rüzgâr türbinlerinin karbon salınımı yapmamaları ve çevre dostu özellikleri nedeniyle, birçok ülke rüzgar santrallerine yapılan yatırımları arttırmaktadır. Yatırım minimize edilerek, en iyi üretim sonuçlarının alınabilmesi için rüzgâr santralleri kurulmadan önce, birçok değişken göz önüne alınmalıdır. Rüzgâr santrali kurulumunun yapılacağı yer yıllık ortalama rüzgâr hızı bakımından santral kurmaya elverişli olmalıdır. Santrale kurulacak türbin özellikleri de, santralden alınacak verim konusunda oldukça önemlidir. Türbinin rotor uzunluğunun üretilecek toplam enerji üzerinde doğrudan etkisi vardır. Diğer yandan, rüzgar santralleri birden fazla türbinden oluştuğundan, türbinlerin yerleşimi de bir diğer karar değişkenidir. Rüzgar santralleri tüm bu açılardan düşünülerek, bu çalışmada çok dönemli, karma tamsayılı doğrusal olmayan, rüzgar santralleri yatırım kararlarını en iyileyen problem modellenmiştir.Geliştirilen matematiksel modelin etkinliği ve doğruluğu Türkiye için elde edilen gerçek veriler uygulanarak, GAMS yazılımında BARON kullanılarak test edilmiştir. Türkiye örneğine göre, Enerji Bakanlığı tarafından belirlenen gelecek 5 yıllık rüzgar enerjisi talebini karşılayacak 38 GW'lık elektrik enerjisi üretim senaryosu belirlenmiştir. Diğer yandan rüzgar hızı belirsizliğini göz önüne alan iki aşamalı rassal model formulasyonu deterministik modele uygulanmıştır.Son olarak kurulan matematiksel modelin belli varyasyonlar üzerinde nasıl karar verdiğinin duyarlılık analizi yapılmış olup, varyasyonlarla ilgili çeşitli senaryolar temel senaryo ile karşılaştırılmıştır.

Harvesting energy from wind is becoming an effective and worthwhile way of meeting the electricity demand. Due to the carbon free structure of the wind energy, some countries started to invest more funds into the construction of wind farms on suitable areas. Before the construction of a wind farm, some variables must be chosen carefully to acquire the optimum results from both the investment cost and efficient design. The location of the wind farm must be convenient in terms of its yearly average wind speed. Other restrictions of wind farm structure include wind turbine design. Rotor length (or blade) is one of the major parameters of a wind turbine in the amount of energy generated. In addition, since wind farms contain multiple wind turbines, their placement also introduces another decision variable. Considering all of the aspects of wind farm, we modeled a multi-period mixed-integer non-linear optimization problem to decide on the investment decisions of a wind farm.We illustrate the efficiency and accuracy of our model on a real example of Turkey case and implemented the proposed model into GAMS (General Algebraic Modeling System) optimization package by using BARON solver. The result of 40.2 GW of energy that can be generated in the short term with immediate investments is obtained. Due to the uncertainty on wind speed values, we implement two-stage scenario based stochastic approach into the model and compared the results to see the value of perfect information.Finally, we conclude with the sensitivity analysis in order to see the affects of variations within the variables of the model.