Kıyı üzerinde dalga enerjisi dönüşüm sisteminin tasarımı ve optimize edilmesi
Design and optimization of onshore wave energy conversion systems
Yazar: FARROKH MAHNAMFAR
Danışman: DOÇ. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Enerji gün geçtikçe hayatımızda önemli bir rol oynamaktadır ve yaşadığımız bu çağda, enerji hayatın çok önemli bir unsurudur. Günümüzde sanayileşme ve refah seviyesi arttıkça, enerji talebi de artmaktadır. Enerji kaynakları yenilenemeyen ve yenilenebilen kaynaklar olarak iki gruba ayrılmaktadır. Enerji kaynaklarının önemli bir kısmı Kömür, petrol ve doğalgaz gibi yakıtlar oluşturmaktadır ve bu tür kaynaklar yenilenmeyen kaynaklar gurubunda yer alır. Yenilenebilen enerji kaynakları ise güneş, rüzgâr, dalga, biokütle, jeotermal, hidrolik ve hidrojen enerjilerinden oluşmaktadır ve kendi kendilerini yenileyebilen kaynaklardır. Yenilenebilir enerjiye ihtiyaç duymanın sebeplerinden, fosil yakıtlarının hızlı şekilde tükenmesi, fosil yakıtların kullanılmasından dolayı dünya ortalama sıcaklığın artması ve ayrıca fosil yakıtlarının kullanımından meydana gelen zararlı gazların artması söylenebilir.
Yenilenebilir enerji formları birbirleriyle karşılaştırıldığı zaman; dalga enerjisi m2'de güneş enerjisinden yaklaşık 10, rüzgâr enerjisinden ise yaklaşık 5 kat daha yoğundur. Bu oranlar göz önüne alındığında dalga enerjisi formunda yapılacak en ufak bir verimlilik artışı diğer yenilenebilir enerji formlarından 5-10 kat misliyle enerji artışına neden olacaktır.
Dalgalar güçlü ve doğal bir enerji kaynağıdır. Dünyada birçok araştırmacı tarafından deniz dalga enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi araştırılmıştır ve birçok dalga enerjisi dönüştürücüleri tasarlanmıştır. Dalga enerjisi dönüşüm sistemleri 3 guruba ayrılmaktadır. Bunlar kıyı boyunca, kıyıya yakın ve kıyıdan uzak.
Kıyı şeridi uygulamalarında, enerji dönüşüm sistemleri kıyıda inşa edilir ve gömülü şekilde olmaktadır. Diğer uygulamalarla karşılaştırıldığı zaman bakım ve inşası daha kolaydır. Örnek olarak Salınımlı Su Sütunu (SSS) sistemleri, daralan kanal sistemleri ve pendular sistemleri söylenebilir. Kıyıya yakın sistemler, SSS sistemlerine değişik tasarımları olarak tanınmaktadır. Bu tür sistemlerden örnek olarak OSPREY, WOSP ve Oceanlinx sistemleri söylenebilir. Kıyıdan uzak sistemler, yüksek dalga rejimleri ve kıyıdan uzak bir yerde kullanılmaktadır (40 m den derin sularda). OPT dalga enerji dönüştürücüsü,  Pelamis,  Archimades Dalga Salınımı,  Floating Wave Power, Vessel, Wave Dragon ve Point Absorber Wave Energy Converter sistemi, bu sistemlerden birkaç örneğidir.
Bu çalışmada, SSS sistemi incelenmiştir. Bu sistemler, su seviyesinin altında bulunan denize açılan beton veya çelik,  çukur olarak inşa edilmektedir. Bu sistemler bir su sütunu ve onun üzerinde bir de hava sütunu bulunmaktadır. Dalgaların salınımından dolayı, sisteminin içindeki sıkışan hava türbine doğru hareket ederek türbinin dönmesine ve dolaysıyla türbine kazandırılan mekanik enerji elektrik enerjisine dönüşür.  
Bu tezde, 4 farklı model tasarlanmıştır, her biri için fiziksel deneyler ve nümerik modellemeler geliştirilmiştir. Söz konusu modeller FLOW-3D yazılımıyla simüle edilerek çıkış hava hızları elde edilmiştir. Nümerik olarak optimize edilen modellerin laboratuvar ortamın da fiziksel modelleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneyler İTÜ hidrolik laboratuvarında yapılmıştır. 
Fiziksel modeller bir piston tipi dalga üretici kanalda deneyleri gerçekleştirilmiştir ve dalga karakteristiklerinin, su derinliklerinin ve kıyı yapılarının geometrisinin etkisi araştırılmıştır. Enerji verimi açısından deney sonuçlarına bakıldığında, SSS sistemin geometrisi ve ön açıklığı ve dalga türünün önemli olduğu görülmüştür.
Üretilen dalga enerjisi ile dalga dönüşüm sisteminden ölçülen hava akımının enerjileri hesaplanarak karşılaştırılmıştır ve optimize edilen dört farklı dalga enerjisi dönüşüm sisteminin verimlilikleri birbirleriyle karşılaştırılmıştır. 
Çalışma sonuçlarına göre, birinci ve üçüncü yapının hava hacmi oranı sabit tutulduğunda, eğimli yapıda verimin daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Böylece, yapının geometrisinin ve ön plakasının eğimi enerji verimi üzerinde önemli etkisi olduğu görülmüştür. Birinci, dördüncü yapıların sonuçları karşılaştırıldığında, dördüncü yapının verimi birinci yapıdan yüksek olduğu görülüştür.  
Bu çalışma sonucunda daha önce de belirtildiği gibi, en yüksek verim çok hücreli yapıda elde edilmiştir. Sonuçlara göre tüm yapılarda, yapının en yüksek verimi yaklaşık (y≈e+H/2) su derinliğinde elde edilmiştir. Böylece tüm yapılarda, açıklık yüksekliği (y-H/2) değerine eşitlenerek sonuçlar teyit edilmiştir.

Abstract:
Energy is an essential element for human life. Increasing population and associated industrial development have raised energy consumption. There are two type of energy sources: non-renewable and renewable. Non-renewable resources are those resources that can't be replaced once consumed. Fossil fuels and nuclear material are good examples of non-renewable energy resources. As opposed to these, renewable energy resources are those resources that can be replenished through natural processes once they are used. Most of these resources are affected by the sun in one way or another. For example, thermal, photochemical and photoelectric energies are directly derived for the sun; wind, hydropower and photosynthetic energy stored in biomass are indirectly derived from the sun, whereas geothermal and tidal energies are derived from other natural movements and mechanisms of the environment.
Abundant thermal energy from the sun's heat, mechanical energy from the tides and waves of water could be produced from the ocean as the oceans cover more than 70% of Earth's surface, making them the world's largest solar collectors. The ocean thermal energy is created because of temperature deference in surface water and deep ocean water. 
Ocean thermal energy can be used for generating electricity and many other applications.  The conversion of mechanical energy into electrical energy can be achieved by making use of conversion systems such as: closed-cycle, open-cycle, and hybrid. In the closed cycle systems, working fluids that have low boiling point (for example ammonia) are used to vaporize water from the warm ocean water surface, which is then used to turn turbines. In open-cycle systems, low pressure is used to boil the ocean surface water and the resulting steam is used to turn turbines. Hybrid systems are those system that work by combining the principle of both closed-cycle and open-cycle systems.
There are differences between ocean mechanical and thermal energies. In ocean mechanical energy, gravitational pull of the moon is the primary force that drives tides and the winds are the primary forces that drive waves, even though all the ocean activities are affected by the sun. As a result, the ocean mechanical energy is variable, whereas the ocean thermal energies remain fairly constant. In addition, the energy conversion system of the ocean mechanical energy usually involves the use of mechanical devices as opposed to ocean thermal energy.
Recently, wave energy has attracted significant attention because of its non-polluting nature, environment friendliness, low operational cost and simple maintenance procedures compared to other clean energy sources. There is a considerable amount of wave energy that can be extracted from the oceans. When one compares the renewable energy types, it can be seen that wave energy in a square meter is 10 times denser than solar energy and 5 times than wind energy. By considering these ratios, it can be inferred that a small efficiency increase in wave energy conversion will result in energy generation increase, which is 5-10 times more than other renewable energy forms.
Wave energy conversion involves three basic systems: channel systems that funnel the waves into reservoirs; float systems that drive hydraulic pumps; and oscillating water column systems that use the waves to compress air within a container. This systems create mechanical power that either directly activates a generator or transfers power to a working fluid, water or air that is then used to drive a turbine/generator.
This thesis deals with an Oscillating Water Column (OWC) Wave Energy Converter system. OWC is a mechanical system that utilizes fluctuating water level from sea waves to drive an air turbine which, in turn, provides electricity when transmitted to a generator. In OWC systems, a low-pressure Wells turbine is often used to remove the need to rectify the airflow as it rotates in the same direction irrespective of the flow direction. 
OWC systems are known to have less environmental impact than other devices installed in the ocean to generate renewable energy. The main advantage of the OWC systems over most other WECs is its robustness and ease of construction and installation. Other advantages of OWC system include: moving parts are housed outside of the water for a greater lifetime of the material, can be built near shore for easy access to the power grid and for maintenance and has less maintenance cost. In addition OWC devices can be installed at onshore or near-shore as a fixed structure and offshore in a floating moored-structure configuration. In this thesis, it was attempted to optimize an Oscillating Water Column (OWC) wave energy converter, which is constructed on a shoreline. 
In this thesis, five sets of modelling, each involving a numerical modelling and a physical experimental modelling, were conducted in a wave flume to optimize OWC systems. First, numerical models from the five different wave energy conversion systems were designed. Numerical models of the OWC system were performed by a software called Flow 3D software by changing the shape of the OWC structure, water depth and wave parameters. Second, physical models of the OWC structure were conducted in a wave flume to optimize the OWC systems. Physical experimental models were carried out by a piston-type wave maker in order to investigate the influence of wave parameters, water depth and geometry of coastal structures on the efficiency of the system. 
The data used for designing the optimal geometry of the chamber that may yield the maximum conversion of wave energy to useful energy were provided from the interpretation of the measurements of these parameters. In this thesis, the five the numerical and the five physical model based experimental results were compared with each other by taking in to consideration the mean squared error (MSE), coefficient of determination (R2) and Nash-Sutcliffe efﬁciency (NSE) as performance evaluation criteria. 
Considering the results of the research, when the air volume ratio in the two structures is constant, the efficiency of the structure with sloppy front plate (Structure No. 1) was found to be higher than the structure with vertical plate (Structure No. 3). This shows the importance of shape and front plate slop on the efficiency of OWC structure. When the results of the first, fourth and fifth structures are compared, the efficiency of the fourth structure is higher than the first structure. In the modified structure (Structure No. 4), the outlet part of the OWC structure is better adapted to the streamlines and losses are less. For this reason, the efficiency of the modified structure is more than the classical structure. 
According to the results of this research, an optimum efficiency was achieved for the multicellular structure. The highest efficiency of the OWC chamber for all structures was obtained at an approximate value of (y≈e+H/2). This result was verified by equalizing the opening height of the chamber (e) to the value of (y-H/2).