Yüzer güneş enerjisi santrallerinin (YGES) konuşlandırılmasında bulanık örtüştürmeye dayalı bir optimizasyon metodolojisi: YGES elverişli rezervuar yüzeyi
An optimization methodology to deployment of floating photovoltaics (FPV) based on fuzzy overlay: FPV convenient reservoir surface
Yazar: MEHMET SEREN KORKMAZ
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Antalya = Antalya ; Buharlaşma = Evaporation ; Coğrafi bilgi sistemleri = Geographical information systems ; Ekstrem hadiseler = Extreme events ; Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Son yıllarda iklim değişikliğinin etkileri tüm dünyada giderek yaygınlaşmaktadır. Ekstrem meteorolojik koşulların hem görülme sıklığı hem de şiddetindeki artışlar olarak hissedilen bu etkilerin başında da, küresel sıcaklık ortalamalarındaki artışlar gelmektedir. Sıcaklık ile beraber havanın taşıyabileceği su miktarı da artmaktadır. Bu da beraberinde özellikle su rezervuarlarından gerçekleşen buharlaşmayı artırmaktadır. Birbirini destekleyen, pozitif olarak besleyen bu iklim mekanizması nedeniyle tüm dünyada kullanılabilir su kaynakları, kuraklık riski ile daha fazla karşı karşıya kalmaktadır. Dünyada iklim değişikliğinin en önemli gerekçelerinin başında, atmosfere salınan sera gazı emisyonları gelmektedir. Sera gazları her türlü aktivite ile üretilerek atmosfere salınsa da, kömür ve doğalgaz gibi fosil yakıt tüketerek enerji üretimi sonrasında en yüksek miktarlarda emisyon üretilmektedir. Sera gazları ayrıca hava kirliliğine de neden olduğundan, toplum sağlığı açısından doğrudan bir tehlikedir. Son 30 yıldır yaygınlaşan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, atmosfere salınan sera gazı emisyon miktarını azaltmayı hedeflese de ülkelerin gelişmişlik ve ekonomik refah amaçlı politikaları, bunu pek mümkün kılmamaktadır. Başta sayılan küresel ısınmaya bağlı kuraklık tehdidi ve sera gazı emisyonlarından kaynaklı diğer etkiler başta rüzgar ve güneş enerjisi olmak üzere yenilenebilir enerji uygulamalarını gezegen ve canlılığın devamı için artık bir zorunluluk haline getirmiştir. En dikkat çekici yenilenebilir enerji uygulamalarından birisi, "Yüzer Güneş Enerjisi Santralleri (YGES)"dir. YGES'ler, kurulu oldukları su rezervuarlarında fotovoltaik panellerle ilgili olarak termal soğutma etkisi ile güneş enerjisi üretimini artırır. Ayrıca kurulu oldukları yüzer platform, güneş ile su rezervuarının doğrudan iletişimini kestiğinden dolayı buharlaşmayı azaltıcı bir rol oynamaktadırlar. Ancak kurulum ve kullanımı tüm dünyada giderek yaygınlaşan YGES'ler için uygun tesis yerlerinin belirlenmesi önemli bir sorundur. Diğer bir deyişle, dünya genelinde herhangi bir su rezervuarının üzerinde kurulacak bir YGES'in mikro-konuşlandırılmasında uygulanabilecek ortak bir yöntem eksikliği vardır. Coğrafi olarak baraj, gölet vb. su toplama rezervuarları farklı morfometrik yüzey alanlarına sahiptir. Bu nedenle tüm dünyada karşı karşıya kalınabilecek ortak doğal kısıtların mekânsal olarak çözümlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Türkiye'nin güneybatısında Antalya ili sınırlarındaki Manavgat Baraj Rezervuarı'nda barajın rezervuarı üzerinde güneş ışınımı, rüzgar hızı ve dalga yüksekliği olmak üzere üç temel doğal kısıt, yapılan kapsamlı ve yüksek yatay çözünürlüklü mekânsal çalışmalarla çözümlenmeye çalışılmıştır. YGES kurulumu için; güneş ışınımının yüksek, rüzgar hızı ile dalga yüksekliğinin düşük olduğu yerler uygun olarak değerlendirilmiştir. 
Bu amaçla çalışma kapsamında ilk olarak, çevredeki topoğrafyanın rezervuar üzerindeki gölgeleme etkileri nedeniyle rezervuar alanının tamamında güneş ışınımı miktarı belirlenmiştir. Güneş Işınımı için yaygın kullanılan CBS platformlarından birisi olan QGIS ve eklenti olarak sunulan r.sun modülünden yararlanılmıştır. Bu modülün seçilmesinin nedeni büyük projelerde kullanılmış bir eklenti olmasıdır. "r.sun" ile rezervuar üzerine gelen yıllık toplam güneş ışınımı, farklı radyasyon bileşenleri ile hesaplanmıştır. İkinci aşamada, bölgesel olarak ekstrem rüzgar koşullarının görüldüğü fırtına-hortum vb. koşullar sonucunda rezervuar yüzeyinde görülebilecek şiddetli rüzgarların mekânsal olarak çözümlenmiştir. Bunun için bölgede 2019 yılında yaşanan 3 günlük bir fırtına olayı seçilmiş, bu fırtınanın öncelikle sekiz farklı varyasyonda fizik parametreleri ile yapılandırılan sayısal hava tahmin modeli WRF/ARW simülasyonları koşturulmuştur. Bölgedeki otomatik meteoroloji istasyonlarındaki rüzgar hızı ile ilgili gözlemlerle en uyumlu olduğu istatistiksel göstergelerle belirlenen model çıktıları, rezervuar sahası için yeterli yatay çözünürlüğe sahip olmadığından, WindNinja yazılımında sunulan kullanımı pratik hesaplamalı akışkan dinamiği yaklaşımı ve araçları ile rezervuar için 50m x 50m yatay çözünürlükte mekânsal rüzgar hızı katmanı elde edilmiştir.Üçüncü olarak da rüzgara bağlı meydana gelen su dalgalarının yüksekliği kabul görmüş yöntem ve araçlar kullanılarak analiz edilmiştir. Dalga yüksekliği öncesinde feç mesafesi de mekânsal olarak belirlenmesi gerektiğinden bu konuda bütünleşik çalışan bir araç için ArcGIS for Desktop platformunda çalışabilecek bir eklenti olan Waves araç kutusundan faydalanılmıştır. Böylelikle hakim rüzgar yönündeki feç mesafesi ve tespit edilen maksimum rüzgar göz önüne alınarak dalga yüksekliği mekansal olarak elde edilmiştir. Sayılan bu 3 doğal kısıtın (ya da kriterin) teker teker çözümlenmesinin ardından üçünü birden değerlendirmek için bulanık örtüştürme yaklaşımına başvurulmuştur. En temelde her birisi mekânsal birer raster harita olan bu 3 kısıtın çıktıları, 'bulanık örtüştürme' yönteminde yer alan bulanık toplam operatörü ile bir araya getirilmiştir. Böylelikle kendi birimlerinden bağımsız 0 – 1 aralığında değerler içeren harita katmanları elde edilmiştir. Bulanık örtüştürme ve bulanık operatörlerle işlem yapmak için, ArcGIS for Desktop platformundaki "Model Builder" ve Arctoolbox'daki "fuzzy overlay" araçları kullanılmıştır. Çalışma sonunda mekânsal olarak "Yüzer Güneş Enerjisi Santrali Elverişli Rezervuar Yüzeyi (YGES-ERY)" olarak adlandırılan bir harita katmanı üretilmiş ve yorumlanmıştır. Sonuç olarak Manavgat Barajı'nda YGES-ERY dikkate alındığında özellikle kıyıya yakın ve baraj gövdesinin yer aldığı güney kesimlerinde tesis kurulumunun çok uygun olmadığı, benzer şekilde kuzeye gidildikçe su derinliğinin azalması sonucunda, oluşan dalga yüksekliklerinin artması da bu bölgelerin YGES için uygun olmadığını göstermiştir. YGES için en uygun bölgelerin, rezervuarın orta kısımlarında, su derinliğinin fazla, kıyıdan uzak, etrafında ada olmayan güneydoğu kesimleri olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak bu tez çalışması kapsamında YGES tesislerinin bir baraja ait su rezervuarında uygun kurulum sahasının belirlenmesi için temel bir çerçeve sunan yeni bir yöntem önerisi uygulamalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
The impacts of climate change have been increasingly widespread worldwide in recent years. The rise in global average temperatures stands out among the effects that are felt as both an increase in frequency and severity of meteorological extreme conditions. The amount of water vapor that the air can hold also increases along with the temperature increase. As a result, this leads to an increase in evaporation, especially from water reservoirs. Available water resources worldwide are facing a greater risk of drought due to the interrelated and positive feed-back nature of these climate mechanisms. One of the primary reasons for climate change globally is the emission of greenhouse gases into the atmosphere. Although greenhouse gases are produced by various activities and released into the atmosphere, the highest emissions occur after energy production using fossil fuels such as coal and natural gas. Greenhouse gases also contribute to air pollution, posing a direct threat to public health. The use of renewable energy sources, primarily wind and solar energy, has become widespread, aiming to reduce greenhouse gas emissions over the past 30 years. However, the pursuit of economic growth and development policies in many countries has made achieving this goal challenging. The threats of drought because of global warming and the other effects resulting from greenhouse gas emissions have made renewable energy applications as a necessity for the continuation of our planet and the biodiversity. One of the most notable renewable energy applications is Floating Photovoltaics(FPV). FPV systems enhance solar energy production performance of photovoltaic panels through a thermal cooling effect. Additionally, the floating platforms on which they are installed play a role in reducing evaporation, as they partially block direct contact between sunlight and the water reservoir. However, determining suitable locations for the increasingly prevalent Floating Photovoltaic Systems (FPVs) installations is a significant challenge worldwide. In other words, there is a lack of a common methodology that can be applied for the micrositing of FPV systems on top of any water reservoir worldwide. Geographically, dams, small dams, ponds, and other water collection reservoirs have different morphometric surface geometries. Therefore, it is necessary to spatially analyze common natural constraints that could be encountered worldwide. 
In this study, three fundamental natural constraints, namely solar irradiance, wind speed, and wave height, are attempted to be resolved through comprehensive and high-horizontal-resolution spatial studies on the reservoir of the Manavgat Dam Reservoir located within the borders of Antalya province in the southwestern region of Türkiye. Areas with high solar irradiance and low wind speed and wave height are considered suitable for FPV installations. The amount of solar irradiance over the entire reservoir area is firstly determined due to shading effects on the reservoir caused by the surrounding topography. QGIS, one of the widely used Geographic Information System (GIS) platforms, and the r.sun package provided as an extension are utilized for solar irradiance calculations. The reason for choosing this module is its previous use in large-scale institutional projects. Annual total solar irradiance on the reservoir is calculated with different radiation components using the r.sun module. In the second phase, the spatial analysis of severe winds that could occur on the reservoir surface as a result of regional extreme wind conditions, such as thunderstorms and tornadoes, is conducted. A three-day storm event that occurred in the region in 2019 is selected for this purpose. Simulations are performed using the Weather Research and Forecasting (WRF) model with eight different configurations of physical parameterization schemes. Model outputs are validated to be most compatible with wind speed observations at five automatic meteorological stations in the region are used. As these model outputs did not provide sufficient horizontal resolution for the water reservoir, because the horizontal resolution of the simulations was 1 km x 1 km in the innermost area. Since wind speed physically acts in a turbulent flow regime near the ground, it has to be considered differently from geostrophic wind behavior at upper level. The Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) approach, which is one of the computational fluid dynamics (CFD) approaches, could provide a more accurate modeling of the horizontal resolution by offering a practical solution in order to model the behavior of the wind at ground level. So, spatial wind speed layer with a resolution of 50m x 50m is achieved using the WindNinja software, which utilizes a practical CFD tools for the reservoir to increase the horizontal resolution of the generated validated WRF data and obtain a grid-based wind speed layer for the water reservoir.
Thirdly, the height of water waves generated by the wind is analyzed using Shore Protection Manual (SPM) method which is represented by United States Army  Corps of Engineers (USACE). The fetch distance needed to be determined spatially prior to wave height. The Waves toolbox that was developed by experts from the USACE and the United States Geological Survey (USGS) for wave characteristics and prepared as a plug-in for the ArcGIS for Desktop platform to achieve this. Thus, spatial wave height is obtained by taking into account the prevailing wind direction and the maximum wind speed for wave fetch distance and the observed maximum wind speed. In addition, 'pseudo' reservoir wave characteristics are calculated at the points where there are meteorological stations throughout Antalya province, as if there was a reservoir by using the spatial wind speed layer obtained in the second stage of the thesis. For this, the time series of the severe storm event of 24-26 January 2019, which was the date when the wind was the strongest, was used, and the fetch distance was taken as 500 meter as the 'average'. Wave heights calculated according to the modified SPM method for reservoir areas are presented in graphical form for 'pseudo' water reservoirs.
Essentially, the outputs of these three constraints produced since the beginning of the study, each of which is a spatial raster map. It is intended to benefit from the applicability of the fuzzy logic approach in order to evaluate these prepared three layers, which have spatially different content, different unit systems and different value ranges, together. These maps are combined using the fuzzy overlay operators in the 'fuzzy overlay' method. This resulted in map layers containing values within the range of 0 - 1, independent of their units. The "Model Builder" in the ArcGIS for Desktop platform and the "fuzzy overlay" tool in the ArcToolbox are used for processing with fuzzy overlay and fuzzy operators. At the end of the study, a map layer called "Floating Photovoltaic Convenient Reservoir Surface (FPV-CRS)" is produced and interpreted. As a result, considering FPV-CRS in the Manavgat Dam, it is shown that the installation of facilities is not very suitable especially in the southern regions near the shore and the dam crete. Similarly, as one moves northward and the depth of the water decreases, resulting in increased wave heights, these areas are also found unsuitable for FPVs. The most suitable areas for FPVs are determined to be in the central parts of the reservoir, where the water depth is greater, away from the coast, and in the southeastern regions with no islands around. A safer FPV power plant with higher energy production capacity can be operated by making partial installations rather than a single-piece installation when it is desired to install FPVs in the Manavgat Dam, which is the study area, considering the needs in the future. In conclusion, within the scope of this thesis study, a comprehensive novel method proposal providing an essential framework has been practically represented for obtaining suitable installation areas for FPV facilities in a water reservoir. An optimum deployment of FPV systems in water reservoirs will be ensured with this method, which can be used for different geographies all over the world.