Yüzer güneş enerji sistemlerinde yapısal analiz
Structural analysis of floating solar energy systems
Yazar: YUNUS EMRE POLAT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YALÇIN ÜNSAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Rüzgar yükü = Wind load ; Yapısal analiz = Structural analysis ; Yüzer sistemler = Floating systems

Özet:
Artan enerji ihtiyacını karşılamak ve temiz bir enerji için güneş enerji panellerinin önemi günden güne artmaktadır. Özellikle son 15 yılda fotovoltaik panel fiyatlarının % 95 oranında ki düşüşü bu alanda ki yatırımları teşvik edici olmuştur. Fakat geniş alanlara ihtiyaç duyan güneş enerji panelleri aynı enerji miktarını üreten bir doğal gaz çevrim santraline nispeten 150 kat fazla alan işgal etmektedir. Özellikle geniş alanlara ihtiyaç duyan ülkeler ve arsa fiyatlarının yüksek olduğu yerler için maliyetin büyük bir kısmı alan maliyetine gitmektedir. Bu maliyetten kurtulmanın bir yolu olarak su üstü kurulumlar denenmiştir.
Bu kurulumlarda güneş panellerinin sıcaklık sebebiyle daha verimli çalışabileceği bir ortam oluştuğu farkedilmiştir. Sistem kurulu olduğu rezevuarda ki buharlaşma sebebi ile doğal bir soğutma etkisi oluşturmakta bunun sayesinde de daha yüksek verimlilikte çalışabilmekte ve aynı zamanda su kütlesinin güneş ışınlarından büyük oranda korunması ile buharlaşma etkisini ciddi şekilde düşürmektedir. Verimlilik oranın soğutma etkisi ile panelde ki her bir derece için % 0,40 ile 0,65 toplamda % 10 – 25 arasında değişen miktarlarda arttırdığı gözlemlenmiştir. Doğa üzerine etkileri için yapılan araştırmalarda ise farklı görüşler olsa da çevreye fiziksel olarak faydalı kimyasal olarak zararlı olduğu fikri benimsenmiştir. YGES bileşenleri incelendiğinde temelde 5 bileşenin olduğu görülüyor. Bu bileşenler güneş enerjisi paneli, taşıyıcı dubalar, bağlama sistemi, kablolama ile sahil bağlantısı ve ankraj sistemidir.
Yüzer sisteme etkiyen kuvvetler incelendiğinde; sistemin kendi ağırlığı, rüzgâr yükü ve hidrodinamik yükleri içermektedir. Tezde bu yüklerden ağırlık kısmı hesaplanmış diğerleri başka çalışmalardan alınmıştır. Tasarlanan duba konfigürasyonunda üç panel birbirine köşebentlerle bağlı ve 35°'lik ve 10°'lik ayarlanabilir açılarla dubalara rüzgâr yükü etkimektedir.
Hesaplanan ve alınan yüklere göre dubalar üzerinde ANSYS programı ile sonlu elemanlar analizi yapılmış. Dubaların üzerinde ki düz yüzeyler farklı desenlerle değiştirilerek analizler tekrarlanmıştır. Seçilen desenler artı, çarpı ve yuvarlak şekildedirler. Yük ve yüzey alanı aynı olmasına rağmen oluşan gerilim değerleri farklı oluşmuştur. Düz yüzeyde 18,3 MPa, çapraz desende 16,9 MPa, artı desende 16,1 MPa ve yuvarlak desende 8,2 MPa değeri analiz edilmiştir. Elde edilen analiz sonuçlarına göre yuvarlak desenli dubanın çok daha mukavim bir yapıya sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Yapılan bir diğer analizde ise Türkiye çevresindeki denizlerden elde edilen dalga yüksekliği ve sıklığı değerlerinden yola çıkarak yapılan yükleme koşullarında malzeme değişken gerilmelere maruz kalmıştır. Kulakçıklarda oluşan değişken gerilme yorulması hesapları sonucu güvenlik katsayısı olmamasına rağmen 3,09 yıllık ömür bulunmuştur. Fakat yüzer güneş enerji sistemlerinin her bir bileşeni için 20 – 25 yıllık ömür biçilmiştir ve hesaplanan ömür bunun çok altındadır. Bu sebeple açık denizlerde yüzer sistemlerin kullanımı yapısal anlamda kısa ömürlü olacağı sonucu elde edilmiş olur.
Hidroelektrik santralinin kurulu olduğu barajlarda yüzer sistemleri kullanmak, invertör ve iletim hattı kablo maliyetlerini düşürecektir. Fakat hidroelektrik santralinin elektrik ürettiği süreçte ciddi su seviyesi değişimleri gözlemlenmektedir. Değişken su seviyesine ayak uydurabilen bir bağlama elemanı tipi henüz bulunmamıştır. Bu konuda tezde önerilen bağlama türü kazıklama tiptedir. Diğer kazıklama tiplerinden farklı olarak teleskopik boru sistemli bağlama ile yukarı aşağı yönlü hareket sağlanabilecek ve rulmanlar ile platform güneşin olduğu yöne kolayca döndürülerek enerji verimliliği arttırılacaktır.

Abstract:
The importance of solar energy panels is increasing day by day for meeting the increasing energy need and for a clean energy. Especially in the last 15 years, 95% decrease in photovoltaic panel prices has encouraged investments in this field. However, solar energy panels that need large areas occupy 150 times more space than a natural gas cycle power plant that produces the same amount of energy. Especially for countries that need large areas and places where land prices are high, a large part of the cost goes to the cost of land. As a way to avoid this cost, above-water installations have been tried.
In these installations, it has been noticed that an environment where solar panels can work more efficiently due to the temperature has been created. The system creates a natural cooling effect due to the evaporation in the reservoir where it is installed, and thanks to this, it can operate at higher efficiency and at the same time, it significantly reduces the evaporation effect by protecting the water mass from sunlight to a large extent. It has been observed that the efficiency ratio increases between 0.40 and 0.65% for each degree in the panel, with a cooling effect, in amounts ranging from 10 to 25% in total. Although there are different opinions in the studies on its effects on nature, the idea that it is physically beneficial to the environment and chemically harmful has been adopted.
When the FPV components are examined, it is seen that there are basically 5 components. These components are solar panel, carrier pontoons, mooring system, cabling and shore connection and anchor system. In addition to these components, an optional solar tracking system has also been used in recent years. These systems can increase efficiency by changing the direction of the sun according to the position of the sun during the day.
In the selection of solar energy panels, it was used only in the experimental phase because of the low efficiency of the thin film type selection and the shortening of its life due to its interaction with water in installations without pontoons. For this reason, monocrystalline or polycrystalline panels are used in installations. 
In carrier systems, carrier systems made of high density polyetylene material are generally used. HDPE material is light and resistant to ultraviolet rays and is more durable than other plastics. FRP material is also used in some carrier systems. But it is not very common.
Mooring elements and anchor systems are selected by evaluating the motion tolerance ranges of the designed system. Anchor systems are basically divided into two. These are fixed and movable anchors. Movable anchors are similar in structure to anchors in ships. However, this type of anchor may pose a risk for the cabling system, as it allows movement in floating systems. Installation is required for fixed anchors, which is another anchor system. Since it does not allow movement, it creates a risk of breaking in mooring elements at high stress values. Movable and fixed anchor systems are sub-components of the bottom anchor system. 
Other anchor systems are piling and shore anchoring. The cheapest among them is the shore anchor. But the shore anchor cannot be installed everywhere. For its installation, the opposite shores of the reservoir must be close. In addition, the installation of shore anchorage in the reservoir does not allow any other activities in the reservoir. Pile anchor is the most costly anchor system. But it is safer than others and has some advantages.
When the forces acting on the floating system are examined; system's own weight, wind load and hydrodynamic loads. In the thesis, the weight part of these loads was calculated and the others were taken from other studies. In the designed pontoon configuration, the three panels are connected to each other with brackets and the wind load affects the pontoons with adjustable angles of 35° and 10°.
Parameters such as the depth, width of the basin, wind speed, types of natural events are of great importance for floating systems. According to these parameters, we can examine the basins under two headings: closed basins and open seas. While very high waves do not occur in closed basins, waves up to 5 meters in height occur in open seas.
Finite element analysis was performed on the pontoons with the ANSYS program according to the calculated and received loads. Analyzes were performed with approximately 1 million meshes. Analyzes were repeated by changing the flat surfaces on the pontoons with different patterns. The selected patterns are plus, cross and round. Although the load and surface area are the same, the resulting stress values are different. A value of 18.3 MPa in flat surface, 16.9 MPa in cross pattern, 16.1 MPa in plus pattern and 8.2 MPa in round pattern were analyzed. According to the results of the analysis, it was revealed that the round patterned pontoon has a much stronger structure. 
In another analysis, the material was exposed to variable stresses in the loading conditions based on the wave height and frequency values obtained from the seas around Turkey. Variable load causes fatigue in the material. While calculating the fatigue, the basquin force equation of the HDPE material below was used.
S_max=32,46.N^(-0.067)
Different stresses due to different wave heights are found by quasi-static calculation. The number of safe repetitions corresponding to these stresses is found from the above equation. The lifetime reduction is found by dividing the number of occurrences of the wave by the number of safe repetitions in a year.
Although there is no safety factor as a result of variable stress fatigue calculations in the paddles, a life span of 3.09 years was found. However, each component of floating solar energy systems has a life expectancy of 20-25 years, and the calculated lifetime is well below this. For this reason, the use of floating systems in open seas will be structurally short-lived.
Using floating systems in dams where hydroelectric power plant is installed will reduce inverter and transmission line cable costs. However, serious water level changes are observed in the process of generating electricity from the hydroelectric power plant. A mooring type that can keep up with the variable water level has not yet been found. The type of mooring suggested in this thesis is piling type. Unlike other piling types, up and down movement will be provided with the telescopic pipe system clamping, and energy efficiency will be increased by easily turning the bearings and platform in the direction of the sun.