HAVA-ÇEVRE KOŞULLARINA ADAPTİF YÜZER GÜNEŞ ENERJİ SANTRALİ TASARIMI VE UYGULAMASI
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.
DR. MUSTAFA KEMAL KAYMAK
Son yıllarda iklim değişikliğinin etkileri tüm dünyada giderek yaygınlaşmaktadır. Ekstrem meteorolojik koşulların hem görülme sıklığı hem de şiddetindeki artışlar olarak hissedilen bu etkilerin başında da, küresel sıcaklık ortalamalarındaki artışlar gelmektedir. Sıcaklık ile beraber havanın taşıyabileceği su miktarı da artmaktadır. Bu da beraberinde özellikle su rezervuarlarından gerçekleşen buharlaşmayı artırmaktadır. Birbirini destekleyen, pozitif olarak besleyen bu iklim mekanizması nedeniyle tüm dünyada kullanılabilir su kaynakları, kuraklık riski ile daha fazla karşı karşıya kalmaktadır. Dünyada iklim değişikliğinin en önemli gerekçelerinin başında, atmosfere salınan sera gazı emisyonları gelmektedir. Sera gazları her türlü aktivite ile üretilerek atmosfere salınsa da, kömür ve doğalgaz gibi fosil yakıt tüketerek enerji üretimi sonrasında en yüksek miktarlarda emisyon üretilmektedir. Sera gazları ayrıca hava kirliliğine de neden olduğundan, toplum sağlığı açısından doğrudan bir tehlikedir. Son 30 yıldır yaygınlaşan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, atmosfere salınan sera gazı emisyon miktarını azaltmayı hedeflese de ülkelerin gelişmişlik ve ekonomik refah amaçlı politikaları, bunu pek mümkün kılmamaktadır. Başta sayılan küresel ısınmaya bağlı kuraklık tehdidi ve sera gazı emisyonlarından kaynaklı diğer etkiler başta rüzgar ve güneş enerjisi olmak üzere yenilenebilir enerji uygulamalarını gezegen ve canlılığın devamı için artık bir zorunluluk haline getirmiştir. En dikkat çekici yenilenebilir enerji uygulamalarından birisi, “Yüzer Güneş Enerjisi Santralleri (YGES)”dir. YGES’ler, kurulu oldukları su rezervuarlarında fotovoltaik panellerle ilgili olarak termal soğutma etkisi ile güneş enerjisi üretimini artırır. Ayrıca kurulu oldukları yüzer platform, güneş ile su rezervuarının doğrudan iletişimini kestiğinden dolayı buharlaşmayı azaltıcı bir rol oynamaktadırlar. Ancak kurulum ve kullanımı tüm dünyada giderek yaygınlaşan YGES’ler için uygun tesis yerlerinin belirlenmesi önemli bir sorundur. Diğer bir deyişle, dünya genelinde herhangi bir su rezervuarının üzerinde kurulacak bir YGES’in mikro-konuşlandırılmasında uygulanabilecek ortak bir yöntem eksikliği vardır. Coğrafi olarak baraj, gölet vb. su toplama rezervuarları farklı morfometrik yüzey alanlarına sahiptir. Bu nedenle tüm dünyada karşı karşıya kalınabilecek ortak doğal kısıtların mekânsal olarak çözümlenmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, Türkiye’nin güneybatısında Antalya ili sınırlarındaki Manavgat Baraj Rezervuarı’nda barajın rezervuarı üzerinde güneş ışınımı, rüzgar hızı ve dalga yüksekliği olmak üzere üç temel doğal kısıt, yapılan kapsamlı ve yüksek yatay çözünürlüklü mekânsal çalışmalarla çözümlenmeye çalışılmıştır. YGES kurulumu için; güneş ışınımının yüksek, rüzgar hızı ile dalga yüksekliğinin düşük olduğu yerler uygun olarak değerlendirilmiştir. Bu amaçla çalışma kapsamında ilk olarak, çevredeki topoğrafyanın rezervuar üzerindeki gölgeleme etkileri nedeniyle rezervuar alanının tamamında güneş ışınımı miktarı belirlenmiştir. Güneş Işınımı için yaygın kullanılan CBS platformlarından birisi olan QGIS ve eklenti olarak sunulan r.sun modülünden yararlanılmıştır. Bu modülün seçilmesinin nedeni büyük projelerde kullanılmış bir eklenti olmasıdır. “r.sun” ile rezervuar üzerine gelen yıllık toplam güneş ışınımı, farklı radyasyon bileşenleri ile hesaplanmıştır. İkinci aşamada, bölgesel olarak ekstrem rüzgar koşullarının görüldüğü fırtına-hortum vb. koşullar sonucunda rezervuar yüzeyinde görülebilecek şiddetli rüzgarların mekânsal olarak çözümlenmiştir. Bunun için bölgede 2019 yılında yaşanan 3 günlük bir fırtına olayı seçilmiş, bu fırtınanın öncelikle sekiz farklı varyasyonda fizik parametreleri ile yapılandırılan sayısal hava tahmin modeli WRF/ARW simülasyonları koşturulmuştur. Bölgedeki otomatik meteoroloji istasyonlarındaki rüzgar hızı ile ilgili gözlemlerle en uyumlu olduğu istatistiksel göstergelerle belirlenen model çıktıları, rezervuar sahası için yeterli yatay çözünürlüğe sahip olmadığından, WindNinja yazılımında sunulan kullanımı pratik hesaplamalı akışkan dinamiği yaklaşımı ve araçları ile rezervuar için 50m x 50m yatay çözünürlükte mekânsal rüzgar hızı katmanı elde edilmiştir.Üçüncü olarak da rüzgara bağlı meydana gelen su dalgalarının yüksekliği kabul görmüş yöntem ve araçlar kullanılarak analiz edilmiştir. Dalga yüksekliği öncesinde feç mesafesi de mekânsal olarak belirlenmesi gerektiğinden bu konuda bütünleşik çalışan bir araç için ArcGIS for Desktop platformunda çalışabilecek bir eklenti olan Waves araç kutusundan faydalanılmıştır. Böylelikle hakim rüzgar yönündeki feç mesafesi ve tespit edilen maksimum rüzgar göz önüne alınarak dalga yüksekliği mekansal olarak elde edilmiştir. Sayılan bu 3 doğal kısıtın (ya da kriterin) teker teker çözümlenmesinin ardından üçünü birden değerlendirmek için bulanık örtüştürme yaklaşımına başvurulmuştur. En temelde her birisi mekânsal birer raster harita olan bu 3 kısıtın çıktıları, ‘bulanık örtüştürme’ yönteminde yer alan bulanık toplam operatörü ile bir araya getirilmiştir. Böylelikle kendi birimlerinden bağımsız 0 – 1 aralığında değerler içeren harita katmanları elde edilmiştir. Bulanık örtüştürme ve bulanık operatörlerle işlem yapmak için, ArcGIS for Desktop platformundaki “Model Builder” ve Arctoolbox’daki “fuzzy overlay” araçları kullanılmıştır. Çalışma sonunda mekânsal olarak “Yüzer Güneş Enerjisi Santrali Elverişli Rezervuar Yüzeyi (YGES-ERY)” olarak adlandırılan bir harita katmanı üretilmiş ve yorumlanmıştır. Sonuç olarak Manavgat Barajı’nda YGES-ERY dikkate alındığında özellikle kıyıya yakın ve baraj gövdesinin yer aldığı güney kesimlerinde tesis kurulumunun çok uygun olmadığı, benzer şekilde kuzeye gidildikçe su derinliğinin azalması sonucunda, oluşan dalga yüksekliklerinin artması da bu bölgelerin YGES için uygun olmadığını göstermiştir. YGES için en uygun bölgelerin, rezervuarın orta kısımlarında, su derinliğinin fazla, kıyıdan uzak, etrafında ada olmayan güneydoğu kesimleri olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak bu tez çalışması kapsamında YGES tesislerinin bir baraja ait su rezervuarında uygun kurulum sahasının belirlenmesi için temel bir çerçeve sunan yeni bir yöntem önerisi uygulamalı olarak sunulmuştur.
DR. MEHMET SEREN KORKMAZ