Offshore wind farm layout optimization using mathematical approaches and heuristic techniques - Ülkü, İlayda (My University, 2019)
Rüzgar enerjisi, elektrik üretimi için yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak dünya çapında sıkça tercih edilmektedir. Açık deniz rüzgar santrallerinin iklim etkileri nedeniyle, bu tip santrallerinin sayısı ve ölçeği artmaktadır. Rüzgâr enerji santrallerinin kurulumu bir sıra tasarım problemlerinin çözülmesini gerektirir. Temel olarak bir rüzgar santrali, bir dizi türbin, ve bir ya da daha fazla konveyör ve türbinlerle konveyörler arasındaki bir dizi elektrik kablosu bağlantısından oluşur. Bu tezde ele alınan problemin üç ana bölümü vardır: türbinlerin konumu ve kablo türünü tasarlayan türbinlerin bağlanması ve hem türbin konumunun hem de kablo yerleşimi sorunlarının eşzamanlı çözümü. Rüzgar enerji santrali içindeki her bir türbinin yerlerinin belirlenmesine türbin yeri (TL) problemi denir. Tezin ilk bölümünde, rüzgar türbinlerinin yerleşimi için çoklu gölge etkileri dikkate alınarak yeni bir doğrusal olmayan matematiksel programlama modeli önerilmiştir. Modelde iki amaç fonksiyon ayrı ayrı dikkate alınmaktadır. Bunlar, üretilen toplam gücün en iyiye çıkarılması ve güç birimi başına maliyetin en aza indirilmesidir. Türbinlerin göreceli konumları, gölge etkilerden dolayı toplam enerji üretim miktarını etkilemektedir. Önerilen modele birden fazla gölge etkisini dahil etmek için, Jensen'in gölge modeli kullanılmaktadır. Önerilen modelin çözüm uzayının, bütünsel birimsellik (totally unimodularity) olan bir özelliğe sahip olduğu ve rüzgar türbini konumlarını gösteren ikili değişkenlerin gevşetilmesinin modelin çözülmesini nispeten kolaylaştırdığı deneysel olarak kanıtlanmıştır. Tezin TL problemi için yapılan deneysel araştırma göstermektedir ki; geliştirilen modelden bir takım örnek problemler için elde edilen toplam enerji üretimi ve birim güç başına maliyet, literatürde bulunan önceki çalışmaların raporladığı çözümlerden daha iyidir. Bu sebeple, önerilen modelin daha üretken ve uygun maliyetli rüzgar enerji santralleri için uygun olabileceği ve düzenleme için kullanılabileceğini göstermektedir. Bir veya daha fazla koveyörle türbinlerin ürettiği enerjileri toplamak için türbinler ve koveyörler arasındaki kablo bağlantılarının belirlenmesine kablo düzeni (CL) problemi denir. Tezin ikinci bölümünde, türbinler ve koveyör (ler) arasındaki kablo bağlantıları, rüzgar enerji santrali düzeninin tasarımında zorlayıcı sorunlardan biri olarak ele alınmaktadır. CL tasarımı adı verilen bu problem, özellikli ve yüksek maliyetli kabloların kullanıldığı açık deniz rüzgar santralleri için özellikle önemlidir. Bu çalışmanın ikinci kısmında, toplam kablo maliyetini en aza indirmek için açık deniz rüzgar santrallerinin kablo bağlantılarının optimizasyonunu ele alınmıştır. Sorun, farklı kablo tiplerine ve kapasitelerine, kesişim olmayan bağlantılara ve konveyör tipine bağlı olarak tek bir konveyörle sınırlı sayıdaki toplam bağlantıya bağlı olmak üzere, karışık tamsayı doğrusal program (MIP) olarak modellenmiştir. CL tasarımı NP-zor bir problem olduğundan, büyük boyutlu açık deniz rüzgar santrallerinin çözümünde MIP modelinin çözüm gücünü arttırmak için probleme özgü ek sezgisel kurallar eklenerek MIP modeli değiştirilmiştir. Bir takım test problemleri ve gerçek hayattan örnekler üzerinde yapılan deneysel bir çalışma, önerilen optimizasyon modellerinin, literatürdeki önceki çalışmalara kıyasla makul bir bilgisayar süresi içerisinde uygun veya daha iyi uygulanabilir çözümler bulabildiğini ortaya koymuştur.Bu çalışmanın üçüncü bölümünde, TL ve CL problemlerinin çözümü eşzamanlı olarak ele alınmıştır. Hem TL hem de CL problemlerini çözmek için açık deniz rüzgar çiftlikleri için bir bütünleşik matematiksel model, MIP_COMBINED geliştirilmiştir. Önerilen modelin performansını göstermek için bir dizi test örneği kullanılmıştır. Deneyler, hem amaç fonksiyonun doğrusallaştırılmasından dolayı hem de TL ve CL problemlerinin ikili değişkenlerinin birlikte dikkate alınmasından dolayı MIP_COMBINED modelinin performansının düştüğünü göstermiştir. On iki vakadan sadece üç test örneği MIP_COMBINED modeli ile çözülebilmiştir. Bununla birlikte, TL kısmındaki güç fonksiyonu göz önüne alındığında TL ve CL problemlerinin sırayla çözülmesi, MIP_COMBINED modeline kıyasla daha uygun maliyetli çözümler sunmuştur.

Wind energy is firmly favoured worldwide as a renewable energy resource for electricity generation. Due to the climate impacts of offshore wind farms, the number and scale of offshore wind farms have been increasing. Design of a wind farm invokes several optimization problems. A wind farm, mainly, is composed of a set of turbines, one or transmitters and a set of electrical cable connections between turbines and transmitters. The problem considered in this thesis has three main parts: location of the turbines and connection of the located turbines that is cable layout design and a concurrent solution for both turbine location and cable layout problems. Determination of locations for each turbine within the wind farm is called turbine location (TL) problem. In the first part of the thesis, a novel nonlinear mathematical programming model for the layout of wind turbines considering the multiple wake effects is proposed. In the model two objective functions are taken into account separately: maximization of total power produced and minimization of cost for per unit of the power. Relative positions of turbines affect the amount of total energy generation because of wake effects. Jensen's wake decay model is used to involve multiple wake effects into the proposed model. It was experimentally proven that the solution space of the proposed model has the totally unimodularity property and relaxation of binary variables which show the wind turbine locations makes the model relatively easy to solve. Experimental study for the TL problem of the thesis exhibits that total power production and cost per unit of power generated from the developed model outperform that of the existing studies in the literature on a suit set of case problems and thus, can be employed to layout more productive and cost-effective wind farms.The determination of cable connections among turbines and transmitters to collect energies produced by turbines at one or more transmitters is called cable layout (CL) problem. In the second part of the thesis, cable connections between turbines and transmitter(s) are considered that is one of the challenging problems in the design of wind farm layout. This problem, called CL design, is especially important for offshore wind farms where the featured and highly costed cables are used. The second part of the thesis focuses on the optimization of cable connections of offshore wind farms to minimize the total cost of cables. The problem is modelled as a mixed integer linear program (MIP) respecting different cable types and capacities, non-crossing connections, and a limited number of total connections to a single transmitter depending on the transmitter type. Since CL design is an NP-hard problem, MIP model is modified by introducing additional heuristic rules, which are specific to the problem, to enhance the capability of MIP in solving of large offshore wind farms. An experimental study conducted on a suit set of test problems and real-life cases reveals that the proposed optimization models are able to find optimal or good feasible solutions within a reasonable amount of computer time compared to the previous studies in the literature. In the third part of the thesis, TL and CL are considered simultaneously. An integrated mathematical model, MIP_COMBINED, is developed for offshore wind farms to solve both wind TL and CL problems. MIP_COMBINED is a linear integer mathematical model for solving of wind TL and CL problems. A set of test instances were used to show the performance of the proposed model. Experiments showed that both linearizations of the objective function and binary variables of TL and CL problems caused MIP_COMBINED to have poor performance. Only three test cases out of twelve cases solved by the MIP_COMBINED. However, sequentially solving of TL and CL problems considering the power function in the TL part provided better cost-effective solutions compared to MIP_COMBINED model. Since the wind energy field of research has relatively great interest, solving the design problems takes an important part to generate new ideas. In this challenging context, the present thesis focuses on the optimal design of wind farm layout and of cable routing simultaneously.
Keywords: cable connection; Endüstri mühendisliği; Industrial engineering; kablo bağlantısı; layout optimization; matematiksel modelleme Wind farm; mathematical modelling; Rüzgar çiftliği; türbin yerleşim optimizasyonu