Büyükçekmece gölü yüzer güneş enerjisi sistemleri üzerine etkiyen rüzgar ve dalga yüklerinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle analizi
Analysis of wind and wave loads affecting floating solar energy systems in Büyükçekmece lake
Yazar: ALİ OSMAN MUT
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Deniz meteorolojisi = Marine meteorology ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Sayısal hesaplama = Numerical calculation

Özet:
Son yıllarda insan nüfusunun artışına bağlı olarak enerji tüketiminde meydana gelen artış küresel iklim değişikliğinin etkilerinin daha belirgin olarak hissedilmesine neden olmaktadır. Yükselen küresel ortalama sıcaklık değerleri tatlı su kaynaklarında buharlaşmanın artmasına ve içme su ihtiyacının talebi karşılayamama riskinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Dünya'da sınırlı miktarda bulunan tatlı su kaynaklarının korunması giderek daha fazla önem kazanmaya başlamıştır. Büyük yüzey alanına sahip içme suyu kaynağı olarak kullanılan su kütlelerinin yüzeyinde çeşitli meteorolojik parametrelere bağlı olarak meydana gelen buharlaşmanın kontrol altında tutulması veya azaltılması tatlı su rezervlerini korumak adına büyük önem arz etmektedir. Dünya üzerinde bu problemin azaltılması adına çeşitli çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bunlara örnek olarak Yüzer Fotovoltaik Sistemler (YGES) gösterilebilir. YGES platformları açık su yüzeyinin, yüzer platform üzerinde bulunan fotovoltaik (PV) paneller vasıtasıyla kapatılarak güneşten gelen ışınların su yüzeyine doğrudan temasının engellenmesini hedefleyerek hem buharlaşmayı azaltmayı hem de PV  paneller sayesinde elektrik enerjisi üretmek üzere tasarlanmıştır.
Bu bilgiler doğrultusunda çalışmada, içme suyu olarak kullanılan İstanbul ili Büyükçekmece Gölü'nün yüzeyinde meydana gelen buharlaşma değerlerinin azaltılması ve aynı zamanda elektrik enerjisi üretmek amacıyla göl yüzeyine test amaçlı kurulan YGES'in maruz kaldığı dalga ve rüzgar yüklerinin hesaplanması amaçlanmıştır. Çalışmada elde edilen bilgiler doğrultusunda yeni üretilecek sistemlerin tasarımlarına veya varolan sistemlerin geliştirilmesine katkı sağlanması hedeflenmektedir. 
Büyükçekmece gölü üzerine kurulmuş olan YGES'in rüzgar ve dalga etkileşimini içeren Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri ANSYS Fluent® programı kullanılarak yapılmış olup, farklı rüzgar hızları göz önünde bulundurularak rüzgar ve dalga yükleri hesaplanmıştır. 
Projede, platform iki boyutlu olarak tasarlanarak, hesaplamaların yapılabilmesi adına sonlu elemanlar yöntemleri kullanılarak 196559 üçgen eleman oluşturulmuştur. Ortam şartlarının temsili için; hava girişi, hava çıkışı, atmosfer tabakası ve platform yüzeyi olmak üzere toplamda 4 sınır tabaka koşulu seçilmiştir. Platformun göl yüzeyinde bulunması nedeniyle rüzgar ve su akışından doğrudan etkilenmektedir. Bu şartları HAD programı içerisinde "Multiphase Flow" ve açık kanal şartlarını temsilen kullanmak ve dalga oluşum şartlarını belirlemek için "Open Channel Flow" modelleri kullanılarak hesaplama yapılmıştır. Türbülans akışının temsil etmek için "k-e Realizable" modeli kullanılmıştır. 
Hesaplama sonuçlarına göre şiddetli rüzgar şartlarında meydana gelen dalga deformasyona uğrayarak birikime yol açmıştır. Bunun sonucunda hava akım çizgilerinin sıkışarak yüksek hızlı akış alanlarının oluşmasına neden olmuştur. Ayrıca rüzgar etkisiyle kinetik enerjisi artan dalga platform yüzeyine daha yüksek kuvvetler uygulamıştır. 
Ayrıca türbülans kinetik enerjisi platfomun ön paneli etrafında daha yoğun olduğu, arka panellere doğru ilerledikçe bu enerjinin azaldığı görülmüştür. Türbülans kaynaklı eddy hareketleri platformun ön yüzeyi ile giriş sınır tabakası arasında göl suyu içerisinde daha yoğun olarak görülmüştür.
Giriş şartı olarak belirlenen 30 m/s rüzgar sonucunda platforma etkiyen maksimum dalga ve rüzgar yükleri hesaplanmış ve platform yüzeyine anlık olarak etkiyen maksimum toplam kuvvet 38677 N, negatif kuvvet ise -2345 N olarak hesaplanmıştır. Platform yüzeyinde yer alan PV panellerin yüzeylerine gelen anlık maksimum toplam basınç 7654 N, negatif tepki kuvveti ise -1537 N olarak tespit edilmiştir. 
Bu bilgiler ışığında platformun ön yüzeylerinin rüzgar ve dalga yüklerine doğrudan maruz kalması nedeniyle daha büyük kuvvetlere maruz kalmakta olduğunu ve bu bölgenin tasarımsal olarak geliştirilmesinin önemi daha iyi anlaşılmıştır.

Abstract:
The increase in energy consumption due to the increase in human population in recent years causes the effects of global climate change to be felt more clearly. Rising global average temperatures have led to an increase in evaporation in fresh water resources and a risk of inadequate water supply. The protection of the limited amount of fresh water resources in the world has become more and more important.  
Controlling or reducing the evaporation due to various meteorological parameters on the surface of water bodies which are used as a source of drinking water with a large surface area has great importance in order to protect fresh water reserves. 
Various studies are carried out in order to reduce this problem in the world. One of the examples is Floating Photovoltaic System (FPS). FPS platforms are designed to reduce evaporation and to generate electrical energy through photovoltaic PV panels, aiming to prevent direct contact of sun rays to the water surface by closing the open water surface by means of PV panels on the floating platform. 
In line with this information, the aim of the study was to reduce the evaporation values occurring on the surface of Büyükçekmece Lake, which is used as drinking water, and also to calculate the wave and wind loads exposed to the. In line with the information obtained in the study, it is aimed to contribute to the design of new systems or to develop existing systems. 
Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of wind and wave interaction of FPS, which is located on Büyükçekmece Lake, was performed by using ANSYS Fluent® program and wind and wave loads were calculated by considering different wind speeds. 
In the project, 196559 triangular element was created by using finite element methods in order to make the calculations in two dimensions. For the representation of environmental conditions; a total of 4 boundary layer conditions were selected: air inlet, air outlet, atmosphere layer, and platform surface. 
Since the platform is located on the lake surface, it is directly affected by wind and water flow. In order to use these conditions to represent h Multiphase Flow" and open channel conditions in CFD program and to determine waveform conditions, "Open Channel Flow" models were calculated. The "k-e Realizable" model is used to represent the turbulence flow. 
As a result of the study carried out by using CFD method, the air and water phases; motion change, density, pressure, turbulence kinetic energy, turbulence dispersion energy, velocity vector components, and wall shear parameters were calculated. 
It is seen that the wind intensity increases instantaneously after the compression of the streamlines in the air due to the interaction of air with water. However, since this region is higher than the platform level, its effect on PV panel surfaces was not seen directly. 
In the system consisting of six rows of panels, the maximum value of the force to the front pontoon of the platform is calculated as approximately 18000 N and the maximum force to the front panel surface is calculated as approximately 7654 N.
When the turbulence movement due to air and water flow is examined, it is seen that the kinetic energy of the turbulence is more dense on the front PV panel surface of the platform and decreases towards the rear panels. However, the turbulence-induced eddy current in the lake was found to be more intense between the control area and the front surface of the platform. The evaluation of the turbulence effect contributes to the modeled flow to be closer to the reality, but it is important because it causes the loads that affect the platform to change momentarily. 
As a result of 30 m/s wind, maximum wave and wind loads acting on the platform were calculated and maximum total force acting on the platform surface was calculated as 38677 N and -2345 N, respectively. The maximum instantaneous pressure on the surface of the PV panels on the platform surface was 7654 N and the negative reaction force was -1537 N. 
In light of this information, it is better understood that the front surfaces of the platform are exposed to greater forces due to direct exposure to wind and wave loads and the importance of the design development of this region is better understood. 
It focuses on the loads that may occur when the system on Büyükçekmece Lake is subjected to extreme wind strength (30 m/s). As a result, the design or development of the system will be studied according to the obtained values. Calculations were performed using different wave models during operation, but these models are included in the CFD decoder used. In order to achieve better results, wave models that best represent the environmental conditions can be realized by user-defined coding method. In addition, it is of great importance that this study is compared with experimental studies to verify the level of representation, but this comparison could not be performed due to the need for formal permits and high financial resources to carry out the experimental study. In addition, it is thought that the comparison of CFD solvent used with the alternatives by running simulation will contribute to the study. 
Designing the system in accordance with high wind strengths will contribute to the smooth operation of the platform for longer periods. Accordingly, aerodynamic positioning of the panels will contribute to less impact of the platform surface from wind-induced loads. This can be accomplished by gradually reducing the panel tilt angles from the rear panel to the front panel. However, optimizing the angles is important to avoid the negative impact of solar panels on electricity generation. 
Finally, the integrated wave breaking structure to be designed in addition to the platform will contribute to the protection of the system against wave load. The damping of the wave energy by the hoeing elements of the platform will reduce the need for durable materials in the platform design.