Düşük rüzgar rejimine sahip kentsel bir bölgede mikro rüzgar türbini performansının karşılaştırılması: Vezirköprü örneği

Öz

Düşük rüzgar potansiyeline sahip kentsel alanlarda yenilenebilir enerji üretimi önemli zorluklar barındırmaktadır. Bu tür bölgeler için rüzgar türbini seçiminde genellikle nominal güç kapasitesine odaklanılmakta, ancak başlangıç hızı gibi kritik operasyonel parametrelerin önemi sıklıkla göz ardı edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, düşük rüzgar rejimine sahip Vezirköprü örneğinde, farklı operasyonel karakteristiklere sahip iki mikro rüzgar türbininin (düşük başlangıç hızlı dikey eksenli ve yüksek nominal güçlü yatay eksenli) yıllık enerji üretim performanslarını karşılaştırmaktır. Bu kapsamda, beş yıllık geçmiş rüzgar verileriyle Weibull dağılım parametreleri belirlenmiş, Monte Carlo simülasyonu ile bir yıllık sentetik veri seti oluşturulmuş ve bu verilerle iki türbinin yıllık enerji üretimi modellenmiştir. Analiz sonuçları, 500W nominal güce sahip Greef türbininin, 1000W nominal güce sahip Archimedes türbininden yıllık %147 daha fazla enerji ürettiğini ortaya koymuştur. Bu önemli farkın temel nedeni, Greef türbininin 1,5 m/s'lik düşük başlangıç hızının, bölgedeki rüzgarların esme frekansı ile daha uyumlu olmasıdır. Bu bulgular, düşük rüzgarlı kentsel bölgelerde türbin fizibilitesini belirleyen ana faktörün yüksek nominal güç değil, bölgenin rüzgar karakteristiğine uygun operasyonel parametreler olduğunu kanıtlamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Mikro rüzgar türbini
• Düşük rüzgar hızı
• Performans karşılaştırması
• Türbin seçimi
• Kentsel enerji
• Vezirköprü

Comparative performance analysis of micro wind turbines in an urban area with a low wind speed regime: the case of Vezirköprü

Abstract

Urban areas with low wind potential pose significant challenges for renewable energy generation. For such regions, the selection of wind turbines is often focused on nominal power capacity, while the importance of critical operational parameters, such as cut-in speed, is frequently overlooked. This study aims to compare the annual energy production (AEP) performance of two micro wind turbines with different operational characteristics—a vertical-axis turbine with a low cut-in speed and a horizontal-axis turbine with high nominal power—in the case of Vezirköprü, a district with a low wind speed regime. To this end, Weibull distribution parameters were determined using five years of historical wind data, a one-year synthetic dataset was generated via Monte Carlo simulation, and the AEP of both turbines was modeled. The analysis revealed that the 500W rated Greef turbine produced 147% more energy annually than the 1000W rated Archimedes turbine. The primary reason for this significant difference is the superior alignment of the Greef turbine's low cut-in speed (1.5 m/s) with the region's wind frequency distribution. These findings demonstrate that the key factor for turbine feasibility in low-wind urban areas is not high nominal power, but rather operational parameters that match the local wind characteristics.

Keywords

• Micro wind turbine
• Low wind speed
• Performance analysis
• Turbine selection
• Urban energy
• Vezirköprü

References

1. Yıldız, N.E. (2020) Üniversite Yerleşkelerinde Ekolojik Peyzaj Tasarımı: Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Örneği, International Journal of Social Humanities Sciences Research (JSHSR), 7(62): 3594-3604.
2. Micallef, D. and Van Bussel, G. (2018) A Review Of Urban Wind Energy Research: Aerodynamics and Other Challenges, Energies, 11(9): 2204.
3. Kwok, K.C.S. and Hu, G. (2023) Wind Energy System for Buildings In An Urban Environment, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 234: 105349.
4. Dar, A.S., Armengol Barcos, G., and Porté-Agel, F. (2022) An Experimental Investigation Of A Roof-Mounted Horizontal-Axis Wind Turbine In An Idealized Urban Environment, Renewable Energy, 193: 1049–1061.
5. Sedaralit, M. F. (2024). A Low-Speed Wind Turbine: An Offshore Application for Operational Greenification. Proceedings Article.
6. Nasrul, M., and Rizianiza, I. (2021). Shrouded wind turbine for low wind speed. Journal of Materials Science and Engineering, 1034(1), 012042.
7. Nongdhar, D. and Goswami, B. (2018) Design of Micro Wind Turbine for Low Wind Speed Areas: A Review, ADBU Journal of Electrical and Electronics Engineering (AJEEE), 2(1): 1-5.
8. Karakaya, S. (2009) Eskişehir-Kütahya-Bilecik İllerinde Rüzgâr Potansiyellerinin Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir.

9. Ermiş, F. (2019) Türkiye’de Rüzgar Enerjisi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, İstanbul.
10. Web Page: REPA. Türkiye Yıllık Ortalama Rüzgar Hızı Dağılımı, https://repa.enerji.gov.tr/REPA/bolgeler/TURKIYE-GENELI.pdf Last access date: 27.02.2025.
11. Bilir, L., İmir, M., Devrim, Y., and Albostan, A. (2015) An investigation on wind energy potential and small scale wind turbine performance at İncek region – Ankara, Turkey, Energy Conversion and Management, 103: 910-923.
12. Wadi, M., Kekezoglu, B., Baysal, M., Tur, M. R., and Shobole, A. (2019) Feasibility Study of Wind Energy Potential in Turkey: Case Study of Catalca District in Istanbul. 2nd International Conference on Smart Grid and Renewable Energy (SGRE), Doha, Qatar, November.
13. Şahin, G., Koç, A., Doğan, S. Ş., and van Sark, W. (2024). Assessment of Wind Energy Potential and Optimal Site Selection for Wind Energy Plant Installations in Igdir/Turkey. Sustainability, 16(20), 8775.
14. Yilmaz, O. (2023) Low-speed, low induction multi-blade rotor for energy efficient small wind turbines, Energy, 282: 128607.
15. Kannan, B. and Jeyaraj, B. (2022) Low Specific Power Wind Turbines for Reduced Levelized Cost of Energy, in: Maalawi, K. (Ed.), Wind Turbines - Advances and Challenges in Design, Manufacture and Operation, IntechOpen.
16. Misaran, M.S., Rahman, M.M., Muzammil, W.K., and Ismail, M.A. (2017) Assessment of C-Type Darrieus Wind Turbine Under Low Wind Speed Condition, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 217: 012019.
17. Guo, Z., Chang, C., and Wang, R. (2016) A Novel Method to Downscale Daily Wind Statistics to Hourly Wind Data for Wind Erosion Modelling, In: Geospatial Technology for Wind Energy Applications, Springer, 611–619.
18. Rezaeiha A, Montazeri H, Blocken B. A Framework for Preliminary Large-Scale Urban Wind Energy Potential Assessment: Roof-Mounted Wind Turbines. Energy Convers Manag. 2020;214:16.
19. Öztürk, U. (2018) Küçük Ölçekli Rüzgar Türbinlerinin Yerleşim Alanlarında Kullanımının Analizi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul.
20. Ashanin, V., Elinov, D., and Birjukova, O. (2022) Prospects for Using Vertical-Axis Wind Turbines In The Context Of Current Urban Development, Proceedings - 2022 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia, May.
21. Longo, R., Nicastro, P., Natalini, M., Schito, P., Mereu, R., and Parente, A. (2020) Impact of urban environment on Savonius wind turbine performance: A numerical perspective, Renewable Energy, 156: 407–422.
22. Bektaş, A. (2013) Binalarda Rüzgar Enerjisi Kullanımının Farklı Bölgeler Açısından Değerlendirilmesine Yönelik Bir Çalışma: Toki Tarımköy Projesi Örneği, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
23. Web Page: Meteoroloji Genel Müdürlüğü. İstasyon Bilgileri Veritabanı, https://www.mgm.gov.tr/kurumsal/istasyonlarimiz.aspx?il=Samsun Last access date: 22.04.2025.
24. Abohela, I., and Sundararajan, R. (2024). Analytical Review of Wind Assessment Tools for Urban Wind Turbine Applications. Atmosphere, 15(9), 1049.
25. Manwell, J.F., McGowan, J.G., and Rogers, A.L. (2010) Wind Energy Explained, 2nd Edition, John Wiley & Sons.
26. Metropolis, N. and Ulam, S. (1949) The Monte Carlo Method, Journal of the American Statistical Association, 44(247): 335–341.
27. Bulum, Ö. (2019) Samsun İli Rüzgar Enerjisi Potansiyelinin Uygun İstatistiksel Dağımlar Yardımıyla Değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun.
28. Yazar, S., Gençel, H., and Tarhan, İ. (2019) Rüzgar Enerjisinin Önemli Geçiş Yerlerinden Olan Çanakkale Bölgesindeki Bazı Rüzgar Enerji Santralleri için Kapasite Faktörü İncelemesi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 1(5): 120–139.
29. Çoban, A. (2013) Vezirköprü İlçesinin İdari Coğrafya Analizi, The Journal of Academic Social Science Studies, 6(1): 403–420.
30. Kor, K. (2010) Şehir Coğrafyası Açısından Vezirköprü (Samsun), Yüksek Lisans Tezi, Uşak Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Uşak.
31. Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J., Alkawsi, G., Tan, C.H., Milano, J., Phing, C.C., Al-Farhany, K., and Tiong, S.K. (2025) Investigating the techniques used for improving the aerodynamic performance of Archimedes spiral wind turbines: A comprehensive review and future work avenues, Results in Engineering, 25: 103992.
32. Rohit, R.V., Vipin Raj, R., Veena, R., Kumar, K.S., and Mathew, S. (2023) Realization of Small Wind Turbines for Low-Speed Wind Regions. 7th International Conference on Trends in Electronics and Informatics (ICOEI), Tirunelveli, India, April.