Terfi merkezleri enerji verimliliğinin değerlendirilmesi ve enerji ihtiyacını destekleyecek güneş-rüzgar hibrit sisteminin tasarımı-optimizasyonu; Kağıthane Terfi Merkezi örneği
Evaluation of energy efficiency of pump station and design-optimization of solarwind hybrid system to support energy need; the case of Kağithane Pump Station
Yazar: İHSAN MUSTAFA DOĞAN
Danışman: PROF. DR. SEMİHA ÖZTUNA
Trakya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Rüzgar türbinleri = Wind turbines ; Santraller = Plants

Özet:
İçme suyu terfi merkezleri düşük kotlardaki içme suyunun yüksek kotlardaki
depolara terfi ettirilmesini veya yüksek rakımlı yerleşim birimlerine istenen şebeke
basıncında içme suyu ulaştırılmasını sağlayan ve pompa binası, pompalar, vanalar,
elektrik panoları, trafodan oluşan tesislerdir.
Bu tez çalışmasında, özellikle temiz bir çevre ile sürdürülebilir bir gelecek için
Kağıthane Terfi Merkezinde enerji verimliliğin artırılmasını amaçlayan enerji etütleri
yapılmış ve enerji ihtiyacının desteklenmesinde kullanılacak hibrit sistem, rüzgâr türbini
olarak helisel savonius rüzgâr türbini ile çanak kollektörlü stirling motorlu güneş
santralinden oluşacak şekilde özgün olarak tasarlanmıştır. Terfi merkezlerinin Güneşrüzgâr hibrit türbin sistemi ile desteklenmesi ve tesis enerji verimliliğinin sürekli takibi
sonucu verimsizlikleri azaltacak proje yaklaşımları ile fosil yakıtların olumsuz çevresel
etkilerinin azaltılması da göz önünde bulundurularak, su tüketim maliyetlerinin düşürülmesi
amaçlanmıştır.
Kağıthane Terfi Merkezi'nde bu tez çalışmasına özgü bir yöntemle titreşim ve
sıcaklık ölçümlerine bağlı olarak verim tespitinin araştırılması amacıyla oluşturulan
deneysel motor ve pompa düzeneğinde ölçümlemeler ve analizler yapılmıştır.
Sonrasında Kağıthane Terfi Merkezi'nde su debisi ve pompa giriş çıkış basıncı ölçümü
ile klasik yöntem üzerinden yapılan verim tespitleri ile sıcaklık ve titreşim ölçümleri
tekrarlı olarak yapılmasıyla ve titreşim ölçümlerinin Abaqus programında yapılan
analizleri sonucu titreşimin ağırlık merkezine indirgenmesi ile oluşturulan istatistiksel
v
veri tabloları kullanılarak Matlab programı marifetiyle enerji verimliliğini özgün
yöntemle yaklaşık tahmin eden paket program oluşturulmuştur.
Tez çalışmasının son bölümünde çoklu olarak konulmaları ile terfi merkezlerinin
enerji ihtiyacını destekleyecek, güneş ve rüzgâr türbinlerinin özgün şekilde ortak şaftta
birleştirilmesi şeklinde tasarlanan güneş-rüzgâr hibrit türbini araştırılmıştır. Güneş
türbini kısmında güneş takip sistemine sahip noktasal odaklı çanak güneş kolektörü ve
entegre stirling motoru ile enerji üreten güneş türbini tasarımı yapılmıştır. Rüzgâr
türbini kısmında ise özgün PVC köpük arası poliüretan köpük sandviç kompozit kanat
malzemesiyle 3D olarak dizayn edilen ve malzeme dayanım testleri İTÜ Uçak
mühendisliği laboratuvarında fiziki olarak yapılan, HAD/CFD programıyla ise rüzgâr-akış
analizleri yapılan helisel savonius rüzgâr türbini tasarlanmış ve kısmi imalatı yapılmıştır.
Sonuç olarak Kağıthane Terfi Merkezi örneğinde %14,6 enerji tasarrufu
potansiyeli tespit edilmiş ve Kâğıthane terfi merkezi için 8 ayrı noktadan titreşim, 13
ayrı noktadan sıcaklık ölçümlerinin veri olarak girilmesiyle motopomp verimini özgün
bir yöntemle tahmin eden paket program elde edilerek terfi merkezi için enerji
verimliliğinin alternatif bir metotla takibine imkan sağlanmıştır. Güneş-rüzgâr hibrit
türbini tasarım, test ve imalat aşamalarında; rüzgâr türbini iskelet malzemesi olarak özgün
olarak belirlenen PVC köpük arası poliüretan köpük sandviç kompozit malzemenin 24,83
MPa dayanıma sahip olduğu tespit edilmiştir. Rüzgâr ve güneş türbinlerinin bu tez
çalışmasında özgün olarak ortak şaft üzerinde hibrit çalışmasının; 7-20 m/sn rüzgâr
hızlarında verimi %2,3-%18,1 arasında artıracağı görülmüştür. Güneş-Rüzgâr Hibrit
Santralinin 20 m/sn rüzgâr anma hızı için klasik yatay eksenli rüzgâr türbinine göre %36,
dikey eksenli rüzgâr türbinine göre %25,5 daha ekonomik olacağı ortaya konmuştur.
Özgün özellikleri ile tasarlanan ve kısmen imalatı yapılan Güneş-Rüzgâr Hibrit Santralinin
1 kW'lık çoklu uygulamasının diğer türbin uygulamaları ile karşılaştırıldığında 60 kW'a
kadar maliyet açısından daha avantajlı olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Potable water pumping station is a facility, that provide a channel from water
storage at low grade to water storage at high grade which help networks to get water
with desired pressure.
In this thesis, the the Solar-Wind Hybrid System is designed originally as a wind
turbine consisting of a helical savonius wind turbine and a "mixer motor" with solar
collector for a sustainable future with clean enviroment. Combining renewable energy
sources such as solar and wind to increase overall efficiency in a new compact hybrid
system will reduce the unit energy costs of solar and wind power supporting the energy
needs of pumping stations with solar-wind hybrid turbine system, conducting projects to
reduce inefficiency determined by monitoring energy efficiency by measurements, will
reduce water consumption costs in the light of decreasing negative impacts of fossil
fuels on the environment.
The energy efficiency of the plant was determined after continuous monitoring
at Kağıthane Pump Station. In order to, illustrate relationship between energy
inefficiency and motopump vibration and temperature values with methods specific to
this thesis study, measurements and analyzes were carried out in the experimental motor
and pump assembly. Afterwards, motopump efficiency measurements and temperature
and vibration measurements were repeated with original method based on water flow,
pump inlet pressure and pump outlet pressure measurements at The Pump Station. As a
result of the application of vibration measurement values in Abaqus program, vibration
values were reduced to the center of gravity.
vii
 In last part, the hybrid turbine design which uniquely combines solar turbine and
wind turbines in a common shaft is designed to support the energy needs of multilocation elevation centers. The solar part integrates a solar turbine design that generates
energy with a stirling engine and a solar collector with tracking system. In the wind
part, a unique composite material consisting of polyurethane-PVC foam was used; and
durability evaluation tests were conducted for this composite material. Helical-saving
wind turbine part, whose 3D solid model is produced, wind analysis and optimization is
done with CFD (Computational Fluid Dynamics) program and partial tests at ITU
Aeronautical Engineering Laboratory.
As a result, 14.6% energy saving rate is detected in kağıthane pumping station
example. In the process of producing wind and solar hybrid turbine, It has been
determined that the polyurethane foam and PVC foam sandwich composite has a
strength of 24.83 MPa. Hybrid operation of solar and wind turbines on a common shaft;
It has been observed that it will increase the efficiency between 2.3% and 18.1% at 7-20
m/s wind speeds. It has been revealed that the Solar-Wind Hybrid Power Plant will be
36% and 25.5% more affordable than the classical horizontal axis wind turbine and the
vertical axis wind turbine for 20 m/sec wind rated speed respectively.In addition, it has
been determined that the 1 kW multiple application of the designed and partially
manufactured Solar-Wind Hybrid Power Plant with spesific feature is more
advantageous in terms of cost up to 60 kW when compared to other turbine
applications.