Enerji sistemlerinde rüzgar hızı modellemesi için geliştirilen Finsler geometrisi tabanlı yeni bir yaklaşım analizi ve uygulaması

Abstract

Günümüzde artan enerji ihtiyacına paralel olarak üretilen enerjinin temiz ve sürdürülebilir olma hedefi, yenilenebilir enerji sistemlerine olan yönelimi hızla artırmıştır. Bu tez çalışması, yenilebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden olan rüzgar enerji sistemleri alanındaki özgün yaklaşımlı modellemeleri ve çeşitli tahmin çalışmalarını içermektedir. Çalışmanın ilk aşamasında, zaman serisi analizleri, yapay sinir ağları (YSA) ve görgül kip ayrışımlı (GKA) hibrit yapay sinir ağları kullanılarak rüzgar hızı tahminleri yapılmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, Weibull dağılımı (WD) ve Rayleigh dağılımı (RD) gibi fonksiyonların yanı sıra literatürde yeni olarak önerilen Ters Weibull dağılımı (TWD) kullanılarak aylık, mevsimsel ve yıllık farklı rüzgar hızı modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, Riemann geometrisi tabanlı bilgi geometrisi (Information Geometry - IGM) yöntemi geliştirilip yeni bir parametre kestirim yaklaşımı ile özgün bir yöntem oluşturulmuştur. Literatürde rüzgar hızı modellenmesinde kullanılan dağılım fonksiyonlarının parametre kestirimi konusunda ilk defa uygulanan bilgi geometrisi yönteminin var olan diğer bazı yöntemlere olan üstünlükleri tartışılmıştır. Çalışmanın son bölümünde, 2-boyutlu Finsler uzaylarının metrik fonksiyonu ve bunlara ilişkin geodezikler, rüzgar hızı modellemesi gibi bir çok uygulama alanında kullanılan iki parametreli Weibull dağılımı için elde edilmiştir. Şekil (k) ve ölçek (c) parametrelerine sahip olan Weibull olasılık dağılım fonksiyonuna Finsler geometrisi ile yeni ve farklı bir yaklaşım getirilerek, 2-boyutlu Finsler uzayında metrik tanımlaması yapılmıştır. Bu özgün yaklaşım ile iki parametreli yeni bir dağılım fonksiyonu geliştirilip asimetrik yapılarda daha hassas modellemelerin oluşturulabilmesi sağlanmıştır. Finsler geometri tabanlı yeni yaklaşım, rüzgar hızı modellemesinde sıklıkla kullanılan diğer yöntemler ile karşılaştırmalı olarak analiz edilmiş ve enerji potansiyeli analizleri açısından değerlendirilmiştir. Tezde geliştirilen model ve yöntemlerde Bilecik, Yalova, Gökçeada, Bozcaada, Sakarya, ve Bandırma bölgelerine ait saatlik değişen 2012-2016 yılları arası rüzgar verileri kullanılmıştır. Matlab ve Mathematica yazılımları kullanılarak elde edilen tüm sonuçlar tablolar ve grafikler halinde sunulmuş ve karşılaştırmalı olarak tartışılmıştır.

Today, the use of renewable energy systems are increased rapidly in parallel with the growing energy demand in order to produce clean and sustainable energy. This thesis includes novel approach models and different forecasting studies in terms of wind energy systems which is one of the most important renewable energy sources. In the first stage of the study, forecasting of wind speed is performed by time series analysis, artificial neural networks (ANN), and hybrid model which is empirical mode decomposition (EMD) neural networks. In the second stage of the study, monthly, seasonal and yearly wind speed modeling are carried out using the Weibull distribution (WD), Rayleigh distribution (RD) as well as the newly proposed inverse Weibull distribution (IWD) in the literature. In this regard, Riemann geometry based Information Geometry Method (IGM) is proposed as a novel approach for estimation of parameters. The advantages of Information Geometry Method that is a novel approach parameters estimation of the distribution function for wind speed modeling are discussed with the other methods in the literature. In the last stage of the study, two-dimensional Finsler space metric function is obtained for Weibull distribution. It is used in many applications in this area such as wind speed modeling. The metric definition for two-parameter Weibull probability density function which has shape (k) and scale (c) parameters in two-dimensional Finsler space is realized using a different approach by Finsler geometry. New probability and cumulative probability density functions based on Finsler geometry are derived for more accurate modeling. The novel approach based on Finsler geometry is analyzed comparatively with other methods, which are commonly used in the wind speed model, and evaluated in respect to energy potential analysis. The models and methods in the thesis are carried out for wind data, consisting of hourly wind speed records between 2012-2016 from Bilecik, Yalova, Gökçeada, Bozcaada, Sakarya and Bandırma stations. All the discussed tables and figures are obtained by utilizing the results comparatively in the numerical computing software tools MATLAB and Mathematica.