Hava-çevre koşullarına adaptif yüzer güneş enerji santrali tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a floating solar power plant adaptive to weather and environmental conditions
Yazar: MUSTAFA KEMAL KAYMAK
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim bütün dünyada hızla artmaktadır. Bu artışın temelinde iklim değişikliğine sebep olan karbon üretiminin ve çevresel kirleticilerin azaltılması yatmaktadır. Son yıllarda güneş enerjisi ve özellikle yüzer güneş enerjisi (YGES) ile ilgili uygulamaların beklentinin üzerinde gerçekleştiği görülmüştür. Buna ilaveten son on yılda PV modül fiyatları %90 civarında düşmüş olup güneş enerjisi sektörü yatırımcılara daha da cazip hale gelmiştir.
Her geçen yıl kişi başı tüketilen elektrik miktarı artmaktadır, artan elektrik ihtiyacı, ada ülkelerinde tam manasıyla düzenli olarak karşılanamamaktadır, ana karadan elektrik hatlarının çekilmesinin ve idamesinin zorluğu, dizel jeneratörlerin maliyetli oluşu ve sürekli bakım ihtiyacı, bahsedilen fiyatlardaki düşüş ile YGES sistemlerini tercih sebebi yapabilecek şartları ortaya çıkarmaktadır.
Karasal güneş enerji sistemlerinin büyük alanlar kaplaması ve bu toprak parçalarının uzun yıllar kullanılamaması da büyük bir handikaptır. Bununla beraber küresel ısınma dolayısıyla baraj ve tatlı su kaynaklarındaki suyu korumak da artık bir zorunluluk halini almaktadır. Fakat suyu korumak için yapılan çalışmalar doğal hayata ve özellikle su ekolojisine zarar vermemelidir. Bu çalışmadaki YGES, suyun hava ile ilişkisini kesmeden, yeterli miktarda güneş ışını alacak şekilde, doğal hayata ve göl ekolojisine zarar vermeden tasarlanıp, üretilmiştir.
Dünyadaki çalışmalar incelendiğinde iki çeşit YGES tasarımı öne çıkmaktadır. Biri sadece duba üzerine monte edilen güneş panellerinden teşekkül eden sistemler diğeri ise güneş panellerinin metal konstrüksiyon tarafından taşınıp dubalar vasıtasıyla su üzerinde yüzen sistemlerdir. Bu tez çalışmasında metal konstrüksiyonlu sistem tasarımı tercih edilmiştir. Üç farklı şekilde tasarlanan YGES'ler hakkında detaylıca bilgiler verilmiş olup, Büyükçekmece Gölü gibi zor hava şartlarında ve dalga yükleri altında ne gibi problemler ile karşılaşıldığı ve bu problemlerin YGES'ler üzerindeki etkileri izah edildi. 
Bu tez çalışmasında ortaya konan tasarımların en önemli özelliği doğaya saygılı, çevreye en az etki eden, göl yüzeyi ile güneş irtibatını koparmayan, buharlaşmayı engellemeden azaltan, suyun doğal akışını en az şekilde etkileyen tasarımlar olmasıdır.
Zorlu meteorolojik şartlar altında YGES uygulamalarına dünyada neredeyse hiç rastlanılmamaktadır. Genellikle rüzgârdan ve diğer çevresel etkilerden uzak alanlar tercih edilmiştir. O yüzden yıkıcı atmosferik şartların olduğu çalışmalar literatürde bulunmamaktadır. YGES bir nevi yüzlerce tekneyi her türlü hava ve deniz şartlarında birbirine çarpmadan bir arada tutmaya çalışmak esasına dayalıdır.
Dünyanın birçok bölgesinde tasarlanan ve kurulan YGES projeleri ile bu tez çalışmasında sunulan tasarım arasındaki farklar dile getirildi. Rüzgâra bağlı olarak oluşan dalgaların yükseklikleri ve sistem üzerinde meydana gelen yükleri çeşitli yöntemlerle hesaplandı. Bu hesaplamalar sonucunda çok geniş bir aralıkta dalga yüklerinin oluştuğu ve bu yüklerin dengesiz bir dağılımda sisteme etkileri irdelendi.
Göl yüzeyinde rüzgar kaynaklı meydana gelen dalgaların yükseklik tahmini dört farklı yöntemle 5-50 m/s rüzgar hızları için hesaplandı. Bu hesaplamalar sonu elde edilen değerlerin bir kısmı sahadaki gözlemlerle ki 1.5-3.0 m. Yüksekliğindeki dalgalarla uyumlu olduğu tespit edildi. Yine bu hesaplanan yirmi farklı dalga yükseklik değerleri ile yedi farklı yöntem kullanılarak rüzgar kaynaklı dalgaların sistem üzerinde etki eden yükleri hesaplandı. Çok geniş bir aralıkta elde edilen bu değerler net bir karar alınmasını zorlaştırmıştır.
Yine literatürde olmayan insan eliyle göl zeminine müdahale edilmesi sonucu dalganın sistem üzerindeki dengesiz yük dağılımına sebep olması ve bunun durumun YGES'te yıkıma sebep olduğu gösterildi.
İlk sistemde piyasada kolayca bulunabilen duba temel alınarak tasarlanan ve kurulan sistem, YGES'ler için özel bir duba tasarlanması gerektiğini öğretmiştir. Aynı zamanda dalga ile mücadele edebilmesi için hareketli bağlantılara sahip olması zaruriyeti ortaya çıkmıştır.
İkinci sistemde ise YGES'e özel duba tasarlanmış ve bu duba aracılığıyla sistemin dalga ile beraber hareket etmesi sağlanmıştır. Sahada yapılan gözlemler göstermiştir ki bu hareket tek eksende olduğu için arzu edilen başarı sağlanamamıştır. Fakat çelik konstrüksiyon ile duba bağlantısını sağlayan "`kovan"' isimli parça ile yük aktarımı konusunda oldukça büyük tecrübe kazanılmıştır.
Bu çalışmada detaylı bir şekilde YGES tasarımları, üretim aşamaları ve göl üzerindeki kurulum biçimi anlatıldı. Bu bağlamda, YGES hakkında çalışmaya başlayacak araştırmacılar için çok iyi bir rehber olacak şekilde elde edilen tecrübeler, sonuçlar aktarıldı.
Zamanla dalgaların etkisiyle sistemde meydana gelen hasarlar hakkında bilgiler verildi. Ortaya çıkan problemler için üretilen çözümler paylaşıldı. Sistem bağlantıları için özel tasarım yay ve kauçuk parçalar kullanıldı. Sistemin zayıf noktaları ve bu zayıflıkların çözümü ile ilgili değerlendirmeler yapıldı.
İlk iki YGES sisteminin saha gözlemleri sonucu elde edilen en önemli tecrübelerden biri de zemin etüdünün hassas bir şekilde yapılıp tonoz adedinin ve çıpalama sisteminin dikkatli hesaplanması ve tasarlanması gerektiği ortaya çıkmıştır. 
İlk iki YGES döneminde sistemi su üzerinde tutan dubaların su ile temas eden bölümlerinde deniz kabuğu oluşumu meydana gelmiştir. Bu durum sistem tasarımında önceden tahmin edilmediği için sistemin zamanla beklenenin üzerinde ağırlaşmasına sebep olmuştur. Buna ilaveten bu projedeki duba kalınlıkları 10 mm civarı olduğu için oluşan deniz kabukları dubaya zarar vermemiştir fakat daha ince dubaların zamanla bu oluşumdan olumsuz etkileneceği kanaatine varılmıştır.
YGES çalışmalarında konstrüksiyona özel duba tasarlanmasının elzem olduğu görülmüş olup, tez boyunca iki farklı duba tasarımı gerçekleştirilmiştir. Yapılan duba tasarımları birçok özelliği ile dünyada benzersizdir.
Bu tezin asıl amacı zor hava şartlarına dayanabilecek, haşin dalgalar ile uyumlu hareket edebilen sürdürülebilir bir sistem tasarlamaktı. İlk iki tasarım ve kurulumdan sonra elde edilen tecrübe ile tasarlanan ve göle kurulan üçüncü ve son YGES ile tezin amacına ulaşılmıştır. Göl üzerinde 20 aylık gözlem neticesinde 3. sistem sahip olduğu esneklik ile dayanıklılığını ve sürdürülebilir olduğunu kanıtlamıştır. Dünya genelinde Büyükçekmece Gölündeki şartlara benzer başka şartlara sahip alanlara YGES kurulduğu yapılan literatür çalışmasında görülmemiştir.
Genelde sakin sularda yapılan YGES projelerine karşı Büyükçekmece Gölünde kurulan bu sistem zor hava şartlarında dahi kullanılabilir olduğunu kanıtlamıştır. Böylece literatürde pek rastlanmayan zor hava şartlarında YGES'lerin davranışı ve durumu ile ilgili olan bilgi eksikliği bu tez ile bir miktar giderilmiştir.
Saha çalışmaları sonucu elde edilen bilgi birikimi ve tecrübeyi aktarmak ve kullanılabilir bir yol haritası çizmek/ortaya koymak için birtakım kıstaslar sunulmuştur. Böylece araştırmacılar bu kuralları kullanarak haşin dalgaların olduğu bölgeler için sürdürülebilir YGES projelerini hayata geçirebileceklerdir.
•Uygun maliyet,
•Su üzerinde 3 boyutta da esnek hareket,
•Dayanıklı ve esnek yapı, 
•Kolay kurulum, 
•Kolay ve uygun maliyetli nakliye, 
•Basitçe montaj, 
•Su üzerinde hızlı ve kolay bakım,	
YGES sistemleri göle yakın bir konumda kurulan karasal GES ile elektrik üretimi konusunda karşılaştırılmıştır. İlk 90 kWp'lik sistem KGES ile yakın üretim değerlerine sahip olsa da 30 kWp'lik son YGES sistemi düşük üretim değerlerine sahiptir. Sürekli dalgalı yüzeyin etkisiyle değişen panel açısı ve haşin dalgaların etkisiyle zarar gören elektrik bağlantıları düşük üretimin sebebi olduğu değerlendirilmiştir.
90 kWp'lik YGES ile Mayıs 2017 için üretilen toplam elektrik miktarı 1974 kWh iken KGES için 1985 kWh ölçülmüştür. Haziran 2017 için KGES 5211 kWh elektrik üretimi kaydedilmişken YGES2te bu değer 5202 kWh'tır. 30 kWh'lık inovatif sistemde ise 200 saatlik ortak üretim karşılaştırıldığında KGES 365 kWh üretim yapmışken YGES ise bu değer 309 kWh olarak ölçülmüştür.
Göl üzerine kurulan üç sistem maliyetleri incelendiğinde karasal güneş enerji santrallerine oranla daha pahalıdır. Bunun en önemli sebebi bu sistemlerin AR-GE projesi olması ve seri üretim seviyesine gelmemiş olmasıdır. Fakat hiçbir toprak yüzeyini işgal etmemesi ve buharlaşmayı azaltarak içme suyunu koruması YGES'lerin tercih edilmesine sebep olacaktır.
Bu tez sadece kavramsal olarak kalmayıp daha ziyade sahadan elde edilen bilgi, birikim ve tecrübe kullanılarak ortaya çıkmıştır. Bahsedilen tasarımlarda temel şartlar çevreye zarar vermeden doğa dostu bir YGES ortaya koymaktı. Bu yüzden YGES'in maksimum güneş alacağı, buharlaşmayı engellemeden azaltan bir yapıda, suyun doğal akışını en düşük oranda etkileyecek şekilde ve su yüzeyine yeteri kadar güneş ışınımı gelmesini sağlayan yenilikçi bir yüzer güneş enerji santrali ortaya çıktı-üretildi. Gelecekte dalgalı bölgelerde yapılacak YGES projeleri üzerine çalışacak araştırmacılar ve bilim adamları bu tezde sunulan bilgileri kullanarak kendi projelerini ilerletebilecek ve literatüre katkıda bulunacaklardır.

Abstract:
The trend towards renewable energy sources is rapidly gathering pace all around the world. The underlying cause of this increase is the drive to reduce carbon production and environmental pollutants that cause climate change. In recent years, applications related to solar energy, especially floating solar energy (YGES), have been implemented to an extent that has exceeded expectations. In addition, PV module prices have fallen by around 90% in the last ten years, making the solar energy sector even more attractive to investors.
There are a number of reasons for this trend, such as the amount of electricity consumed per capita is increasing every year, the rise in demand for electricity cannot be consistently met in island countries, the difficulty of laying and maintaining electricity lines from the mainland, the cost of diesel generators and the fact that they need regular maintenance, the decrease in prices mentioned above, and the conditions that can render YGES systems more preferable. 
A major handicap to terrestrial solar energy systems is that they cover large areas and these sections of land hence cannot be used for many years. However, due to global warming, it is now necessary to protect water in dams and other fresh water sources, but efforts to protect water should not harm local natural life, especially aquatic habitats. The YGES in this study was designed and produced in such a way that it receives sufficient sunlight without disturbing the relationship of the water with the air and without causing harm to natural life or the ecology of the aquatic setting.
An examination of studies from around the world reveals that two types of YGES designs have come to the fore. One consists of systems that are comprised solely of solar panels mounted on pontoons, while the other involves systems that integrate the metal construction of solar panels and float on the water by means of pontoons. In this thesis study, a metal construction system was selected. Detailed information is provided in this study about a YGES that was designed in three different ways and explanations are offered concerning the problems that were encountered in difficult weather conditions, such as those found on Büyükçekmece Lake, as well as wave loads and the effects of these problems on the YGES. 
The most important aspect of the designs put forward in this thesis is that they are considerate of nature, have the least impact on the environment, minimally block incoming sunlight, reduce evaporation without preventing it, and have the least effect on the natural flow of the water.
Around the world, wherever turbulent meteorological conditions prevail, YGES applications are rarely implemented. Generally, areas that are sheltered from strong winds and other environmental effects tend to be selected. For that reason, studies dealing with turbulent atmospheric conditions do not appear in the literature, as YGES systems are based on the principle of trying to keep hundreds of boats together in all weather and sea conditions and prevent them from colliding with each other.
This thesis offers up an examination of the differences between the various YGES projects that have been designed and implemented in many parts of the world as well as a thorough explanation of the designs proposed herein. The heights of waves caused by the wind and the loads on the system were calculated by various methods. As a result of these calculations, it was possible to explore a wide range of wave loads and the effects of these loads on the system in an unbalanced distribution.
The height estimation of wind-induced waves on the lake surface was calculated for wind speeds of 5-50 m/s with four different methods. Some of the values obtained at the end of these calculations reached 1.5-3.0 m. The system was found to be compatible with waves of this height. Again, using these twenty different wave height values and seven different methods, the loads of wind-induced waves acting on the system were calculated. These values, which were obtained across a broad range, made it difficult to make a definitive decision.
It was found that waves caused an unbalanced load distribution on the system as a result of man-made interventions on the lake floor, an issue that has not been discussed in the literature, and this resulted in damage to the YGES.
The system, which was designed and installed on the basis of pontoons that can be easily found on the market, revealed that special pontoons need to be designed for YGESs. At the same time, it was determined that flexible connections are needed in order to counter the effects of waves.
In the second system, a special pontoon was designed for the YGES and the system was able to move with the waves by means of this pontoon. However, observations made in the field revealed that the desired outcome could not be achieved because movement occurred across a single axis. Still, a great deal of experience was acquired with regard to load transfers by way of a part referred to here as a "sleeve", which connects the steel construction and the pontoon.
In this study, the proposed YGES designs, production stages and means of installation on the lake are explained in detail. As such, the experience and results obtained will be a very good guide for researchers who will start working with YGESs.
The study provides information about the damage inflicted on the system as a consequence of waves over time and also offers solutions for emerging problems. For example, specially designed springs and rubber parts were used for the system connections. Evaluations are made about the weak points of the system and solutions for those weaknesses are proposed.
As a result of field observations of the first two YGES systems, one of the most important conclusions drawn was that a careful ground survey should be done and the number of vaults and anchoring systems should be carefully calculated and designed. 
In the first two YGES system trials, sea shell (mollusk) accretions occurred on the parts of the pontoons that were in contact with the water. Since this was not predicted in the course of the system design, the system became heavier than expected over time. In addition, since the pontoon thickness was around 10 mm, the accretion of mollusks did not damage the pontoons, but it was concluded that thinner pontoons would be adversely affected by these formations over time.
YGES studies indicate that it is essential to design construction-specific pontoons, and two different pontoon designs were generated in the course of the study. The pontoon designs are pioneering in numerous ways, making them unique in the world.
The main purpose of this thesis was to design a sustainable system that can withstand harsh weather conditions and move in harmony with rough waves. That aim was achieved with the third and final YGES, which was designed on the basis of the experience acquired from the first two designs and installations, and it was installed on the lake. After 20 months of observations, the 3rd system proved to be durable and sustainable thanks to its flexibility. In the literature around the world, studies about YGESs established in areas with conditions similar to those of Büyükçekmece Lake cannot be found, making this study unique in that regard. 
This system, in contrast to other YGES projects which are generally implemented in calm waters, proved to be usable even in turbulent weather conditions. Thus, this study fills a gap in the literature in terms of the performance and status of YGESs in turbulent weather conditions.
A number of criteria are presented in the study in order to convey the knowledge and experience obtained as a result of the field studies and facilitate the drawing up of a usable roadmap. Thus, researchers will be able to implement sustainable YGES projects in regions exposed to rough waves.
• Cost-effectiveness
• Free range of motion in six directions on the water's surface
• Durable and flexible structure
• Ease of installation
• Ease of transportation
• Simple assembly
• Ease of maintenance on the water 
The YGES systems were compared with a terrestrial SPP installed close to the lake in terms of electricity generation. Although the first 90 kWp system had similar production values with those of the KGES, the last 30 kWp YGES system was found to have low production values. Changes in the panel angle as a consequence of waves and likewise damage to the electrical connections were considered to be the reason for this lower rate of output. 
While the total amount of electricity produced in May 2017 with the 90 kWp YGES was 1974 kWh, that figure stood at 1985 kWh for the KGES. An output rate of 5211 kWh was recorded in June 2017 for the KGES, similar to the value of 5202 kWh for the YGES'. As for the 30 kWh innovative system, when 200 hours of joint production were compared, it was found that the KGES produced 365 kWh, while that figure was 309 kWh for the YGES.
An examination of the costs of the three systems installed on the lake reveals that they are more expensive than terrestrial solar power plants. The most important reason for this high price is that these systems are an R&D project and have not reached the point of mass production. However, the fact that they do not occupy any land areas and protect drinking water by reducing evaporation may very well lead YGESs to be a preferable option.
This thesis is not only conceptual, but it also emerged through knowledge and experience acquired in the field. The basic aim of the designs was to develop an eco-friendly YGES that causes no harm to the environment. In the end, an innovative floating solar power plant was developed and produced, utilizing a structure that ensures the YGES will receive maximum sunlight. At the same time, it reduces evaporation without preventing it in a way that has little impact on the natural flow of the water and ensures sufficient solar radiation to the water's surface. Researchers and scientists who will work on YGES projects in the future in regions marked by fluctuating conditions will be able to advance their own projects and further contribute to the literature by using the information presented in this thesis.