LEE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/19298

Gözat

Sustainable Development Goal "Goal 7: Affordable and Clean Energy" ile LEE- Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Comprehensive flood risk assessment and identification of the potential flood mitigation strategies
    (Graduate School, 2022-06-09) Ekmekcioğlu, Ömer ; Özger, Mehmet ; 501162501 ; Hydraulics and Water Resources Engineering
    Floods are among the natural disasters frequently encountered in our country, i.e. Turkey, and across the globe. Considering some of the conditioning factors, such as geographical location, geological and hydrological structure and even demographic characteristics, that characterize the formation of natural disasters, the most common natural disasters in Turkey are described as floods. A total of 1209 floods occurred in Turkey between 1975 and 2015, resulting in 720 deaths and the inundation of 900,000 hectares. In addition, floods cause an annual average of 100 million dollars of economic loss. The constitution of floods may vary in different types; scuh that coastal floods are frequent in coastal areas, while river floods mostly occur in rural and/or urban areas, and urban flooding poses significant challenges in densely populated regions. In this context, especially in cities with high population densities, urban flood events not only cost human lives but also cause serious property damage. Istanbul is also among the cities that frequently face urban floods across Turkey. The city is the most populated city in Turkey with a population of approximately 16 million (2986 people/km²) and is at serious risk of flooding. Therefore, within the scope of this thesis, it is aimed to determine the regions that may be affected as a result of the floods potentially occur in Istanbul and to reveal the factors that trigger the vulnerability of these regions. In order to ensure the functionality of both data collection procedures and the early diagnosis actions to be determined on an administrative basis, analyzes were carried out on a district basis in this thesis. Through district-based analyzes, both hazard and vulnerability factors, which are the two most critical pillars of the risk concept, were carried taken into account. In line with the hazard cluster, stormwater pipe network, slope, imperviousness (in terms of curve number), number of rainy days and return period of storm event criteria were taken into the consideration. Within the scope of vulnerability cluster, vulnerable structures, population density, vulnerable population, education level, income level, transportation network, number of households and land use criteria were considered. Thus, this thesis not only tried to determine the regions having high susceptibility of flooding but also sought to designate the social environments, i.e., residents and/or buildings, that have the potential to be damaged as a result of floods. In the research articles included in this thesis, multi-criteria decision-making algorithms were used to perform the district-based flood risk mapping of Istanbul. In the first research article published within the scope of the thesis, district-based flood risk maps were generated using the fuzzy analytic hierarchy process, and risky districts and the criteria to be taken into account specific to these districts were identified. In the second research article published within the scope of the thesis, the perception differences on the flood risk of four different stakeholders (i.e., Istanbul Water and Sewerage Administration, Disaster Coordination Center, Istanbul Metropolitan Municipality and Universities) at Istanbul scale were analyzed. For these purpose, the technique for order of preference by the similarity-to-ideal-solution (TOPSIS) method was integrated along with the fuzzy analytical hierarchy process method utilized in the first study. As a result of the model configurations on the basis of expert judgments pertaining to abovementioned four institutions, flood risk, flood hazard and flood vulnerability maps were separately generated. The third research article published within the scope of the thesis focused on the interrelationships of the criteria that were not examined in the previous two studies. On the other hand, for the first time in the literature, analyzes were carried out using two distintictive criteria weighting methods (analytical hierarchy process for the hazard cluster and analytical network process for the vulnerability cluster) together. At this point, another innovation that has been methodically accomplished is the integration of the decision-making trial and evaluation laboratory (DEMATEL) method which was used in the refinement of the analytical network process framework. Visekriterijumska optimizacija i compromisno resenje (VIKOR) method, which is accepted as an improved version of the TOPSIS method, was performed to prioritize the districts in terms of flood risk by combining the outputs obtained from the two different criteria weighting methods and the numerical values of the corresponding criteria. According to the findings obtained in the first of the articles published within the scope of the thesis, land use, population density and the vulnerable structures were determined as the most important vulnerability criteria, while the return period of a storm event, imperviousness and stormwater pipe networks were obtained as the most significant hazard criteria. On the other hand, the comparison between the main clusters, i.e., vulnerability and hazard, indicates that these two classes have almost equal importance in terms of the flood risk concept in Istanbul. In addition, sensitivity analyzes were implemented in order to illustrate the stability and robustness of the fuzzy analytic hierarchy process applications. According to the district-based analyzes, Bayrampasa, Bagcilar and Esenler were found to be the three most risky districts with the significant effect of their dense populations. While Uskudar, Bayrampasa and Bagcilar districts stand out according to the hazard cluster representing the probability of flood events, it was concluded that special precautions should be taken for Gaziosmanpasa, Gungoren and Beyoglu districts according to the analyzes made within the generic of vulnerability cluster. According to the findings obtained in the second of the articles published within the scope of the thesis, disaster management and coordination authorities and local municipalities have point out that hazard and vulnerability clusters have almost similar importance in terms of flood risk. On the other hand, water and sewerage administrations take the hazard class into consideration, while universities consider vulnerability more important than the other. Once the produced flood risk maps and correlation analyzes are examined, one can conclude that there are high perception differences between the judgments of the experts from universities and water and sewerage administration, while perception similarities can be seen among other stakeholders. Therefore, this study highlighted that the inclusion of only one type of stakeholder in the flood risk management system is not sufficient to evaluate the overall flood risk criteria. Instead, it was concluded that the participation of various stakeholders from different disciplines is required to make more reliable flood risk analyzes. Hence, the results of this study not only provide a flood risk maps showing the most flood-prone districts of Istanbul, but also reveal the perception differences among various stakeholders who are responsible for taking the necessary measures to reduce, prevent and manage the flood risk. According to the findings obtained in the third of the articles published within the scope of the thesis, the income level, which is one of the criteria evaluated in the vulnerability class, not only affects all the vulnerability criteria, but also has been affected by the others (vulnerable structures, population density, vulnerable population, and education level). In addition, although the education level criterion affects all other criteria, it is only affected by the income level. Also, the population density criterion is almost as important as the education level according to the results of the study. The insight gained from the DEMATEL analysis has indicated that the population density is highly correlated with the education level and income level. Furthermore, the analyzes performed for the hazard cluster showed that the return period of a storm event is the most important criterion. Hence, especially considering extreme rainfall events where climate change has a great impact, district management authorities should take special measures such as flood-retardant structures and rainwater harvesting on their agenda to deal with the floods. In addition, storm water pipe networks and imperviousness criteria, which are among the other hazard related criteria, have been found to have very close importance to each other. At this point, the fact that districts with old or insufficient storm water drainage systems focus on these investments, increase the amount of green areas in districts where the land use includes urbanization intensively, or implement sustainable measures such as green roofs on existing buildings will make significant contributions to reducing the flood risk in the relevant regions and/or districts. In general, within the scope of this thesis, comprehensive flood risk analyzes were carried out for Istanbul. In addition, not only flood risk mapping, but also the ways to be followed for strategies to reduce the flood risk in risky areas are pointed out. In this context, it is believed that the publications contained in this thesis will be useful for not only Istanbul but also entire country and will play a guiding role in taking the necessary actions.
  • Öge
    Investigation of new type wave energy converter systems
    (Graduate School, 2024-02-09) Mandev, Murat Barış ; Altunkaynak, Abdüsselam ; 501202503 ; Hydraulics and Water Resources Engineering
    In consideration of the evolving global economy and increasing population, energy is increasingly occupying a more important place in our lives. As commonly understood, energy sources can be categorized into two groups: non-renewable and renewable. A renewable energy source is defined as an energy source that can exist the next day within the natural order of the Earth. The most significant features of renewable energy sources include reducing carbon dioxide emissions to help protect the environment, decreasing dependence on foreign energy sources due to being local resources, contributing to increased employment, and receiving widespread and strong support from the public. In other words, renewable energy sources possess characteristics of accessibility, availability, and acceptability. Among renewable energy sources, wave energy, despite being approximately 10 times more intense than solar energy per square meter and 5 to 10 times more intense than wind energy, has a very low utilization rate compared to others. Efforts to harness wave energy are rapidly increasing worldwide. It is a predictable fact that our country, surrounded by seas on three sides, has significant potential for wave energy, and the use of this energy type will reduce external dependence. Wave energy converters are used to convert wave energy in the seas into electrical energy. Among these converters, oscillating water column (OWC) type converters are the most efficient. The oscillating water column is a system consisting of two phases: water and air flow. Moving according to the periodic structure of the wave, the water converter compresses the air inside, allowing it to exit at a certain speed from the outlet. Therefore, the parameters affecting this system are the periodic movement of the wave, the dimensions of the converter, and the dimensions of the outlet. Until now, studies have been conducted on OWC energy converters, and prototypes have been developed by testing various models. However, due to the complexity of the energy conversion mechanism, commercial production has not achieved the desired efficiency from these studies. This thesis is composed of three separate articles, each written by designing new oscillating water column-type wave energy converters, calculating their efficiencies, and compiling the results into articles. In the first article, a new tank design is proposed for an oscillating water column (OWC) with an inclined wall to improve performance. Physical experiments were conducted for different orifice damping levels and sea conditions to calculate hydrodynamic performance. The results were compared with the results of a classic OWC design. According to the comparison, it was observed that the new chamber design had a significant impact on OWC efficiency. The proposed chamber design geometry increased OWC performance by up to 31% for wave parameters where the OWC operates effectively. Additionally, the results show that the optimal orifice damping level for the highest efficiency increase is dependent on the chamber design. The aerodynamic geometry of the chamber increased OWC efficiency by 54% maximum and 44% average even when there is internal slosihng in the tank. The second article focuses on optimizing the diameter of the cylindrical front wall entry of the OWC. Specifically, 240 physical experiments were conducted for five different diameter values, various orifice dampings, dimensionless wave frequencies (Kh), and wave heights. It was found that the cylindrical front wall entry geometry consistently improved OWC efficiency under all conditions. Maximum and average efficiency improvements were calculated as 45% and 25%, respectively. The simplicity of the modification at the front entrance makes this improvement even more interesting. A negative correlation was observed between the size of the diameter and Kh. Optimal sizes for the diameter were identified as 12 cm, 7 cm, and 5 cm for low, medium, and large Kh values, respectively. The diameter maximizing efficiency in a specific frequency band was determined based on wave height and orifice ratio. To validate the effectiveness of cylindrical geometry, experiments in free decay were conducted, demonstrating that modifying the front entrance mitigated or reduced flow separation caused by the sharp lower cut. Consequently, the utilization of a cylindrical front wall underlip geometry proved beneficial in reducing shear stresses on both sides of the front wall and enhancing the structural integrity of the OWC model. In the third article, hydrodynamic features evaluating the wave energy collection potential of a double-chambered OWC structure were examined through a series of experiments. The study used efficiency as a measure to quantitatively assess the performance of the OWC system by changing front wall designs, power orifice dampings, and wave conditions. The findings show that the double-chambered configuration consistently exhibited improved performance for the studied orifice ratios, opening heights, and incoming wave frequencies combinations. Increasing the opening height of the second chamber improved the performance of the OWC, as expected. Interestingly, the effect of applied orifice damping on efficiency was found to be relatively insensitive. The most significant improvements in efficiency values were observed for larger wave frequency values. For example, for dimensionless wave frequency (Kh) values of 1.43 and 1.68, efficiency increased from 0.47 to 0.72 and from 0.26 to 0.52, respectively, with the orifice ratio combination of τ1, 0.015 and τ2, 0.018. While the single-chambered OWC effectively operated in the resonance frequency range of 0.94-1.23, the double-chambered design expanded this frequency range, allowing effective wave energy collection over a wider spectrum of wave conditions. The double-chambered configuration offers significant advantages by increasing the effective frequency bandwidth for efficient energy conversion in wave energy conversion applications. Research findings have shown that this innovative design has the potential to significantly increase the efficiency and adaptability of wave energy converters. The results indicate that improvements and innovations in wave energy technologies will make it possible to use this energy source more efficiently and reliably. However, overcoming challenges at the application scale and economic barriers will require further work and investment. This thesis seeks to establish a comprehensive framework for both research and industrial applications within the wave energy field, highlighting the considerable potential of wave energy. In summary, the goal of this investigation is to enhance our understanding, make progress in wave energy technology, and play a role in shaping a sustainable energy future.
  • Öge
    Pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin optimizasyonu
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-01-31) Gürsakal, Hasan ; Uyumaz, Ali ; 501082501 ; Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği
    Enerji, bir materyalde, bir maddede, bir hücrede bulunan iş yapabilme yeteneği ya da ortaya iş çıkarabilme gücüdür. Bir insanda, bir makinede, yüksek bir yerden akan suda her an için belirli bir iş yapabilme gücü, dolayısıyla belirli miktarda enerji vardır. Bir cismin, bir maddenin durumu, konumu, moleküler yapısındaki depolama ile bir potansiyel enerjiye sahiptir. Bu potansiyel enerji bir hareket, bir ivmelenme, kimyasal bir tepkime veya fiziksel bir değişim ile harekete geçerek kinetik enerjiye dönüşür. Dolayısıyla, harekete geçen cisim kitlesiyle ve hızıyla sahip olduğu potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşmüş olur ve bu durum da bir iş yapmış olur. Günümüzde enerji, endüstri ve teknolojinin gelişimini ilerletebilmesi için vazgeçilemez araçlardan biri olarak ön plana çıkmakta olup, üretim faaliyetlerinin sürdürülebilmesi için ana unsurların başında gelmektedir. Aynı zamanda toplumların sosyal ve ekonomik olarak kalkınmalarının en önemli gerekliliklerinden biri olan enerjinin artan dünya nüfusuna yetecek şekilde, uygun koşullarda temin edilebilmesi büyük önem arz etmektedir. Evlerde, işyerlerinde, okullarda, fabrika ve sanayi tesislerinde ihtiyaç olan elektrik gücünü temin edebilmek için enerji kaynaklarının elektriğe dönüştürülmesi gerekmektedir. Petrol, doğalgaz, kömür gibi fosil kaynaklar ile rüzgar, güneş, su, jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynakları çeşitli elektrik üretim santralleri sayesinde elektrik enerjisine çevrilerek, insanların günlük ihtiyaçları ve üretim sektöründe kullanılmaktadır. Gelişmekte olan ülkeler arasında bulunan ülkemiz için de gerek toplumsal refahın artırılması gerekse sanayi sektörünün üretim sürekliliği ve gelişimi için en önemli ihtiyaç haline gelen enerjinin, yerinde, zamanında ve güvenilir bir şekilde karşılanması gerekmektedir. Son dönemlerde ülkemizin yakaladığı yüksek büyüme oranları, enerji talebinin de hızla artmasını beraberinde getirmiştir. Önümüzdeki yıllarda da büyüme oranlarıyla birlikte enerji talebinin de artış eğiliminin devam edeceği hesaplanmaktadır. Artan enerji talebinin karşılanması için enerji sektörünün yeniden yapılanmasına yönelik olarak enerji mevzuatları 2000'li yılların başından itibaren yeniden ele alınarak çeşitli düzenleme yapılarak, enerji sektöründe liberalleşme adımları atılmıştır. Mevzuat değişiklikleri, yeni düzenlemeler ve oluşturulan yeni kurumlarla elektriğin yeterli, kaliteli, sürekli, düşük maliyetli ve çevreye uyumlu bir şekilde tüketicilerin kullanımına sunulması için, rekabet ortamında özel hukuk hükümlerine göre faaliyet gösterebilecek, mali açıdan güçlü, istikrarlı ve şeffaf bir elektrik enerjisi piyasasının oluşturulması ve bu piyasada bağımsız bir düzenleme ve denetimin sağlanması amaçlanmıştır. Geçen süre içerisinde, ülkemizde yapılan yeni düzenlemeler, enerji piyasasının liberalleştirilme çalışmaları, yapılan enerji yatırımlarına rağmen artan enerji ihtiyacını ülkenin kendi öz kaynakları ile karşılayamaz durumda olup, enerji açısında dışa bağımlılık devam etmektedir. Enerji kaynakları açısından dışa bağımlı olunması, ülkenin ekonomisini ve stratejik durumunu olumsuz yönde etkilemektedir. Enerji kaynaklarında dışa bağımlı ülkeler, ekonomisinin büyümesinde ve stratejik kararlar almak gibi en önemli konularda başka ülkelere bağımlı hale gelmektedir. Bu nedenlerden dolayı, ülke içerisinde başta yenilenebilir enerji kaynakları olmak üzere, tüm kaynaklarının en optimum şekilde enerjiye dönüştürülerek kullanımının sağlanması ve dışa bağımlılığın azaltılması temel hedef haline gelmesi gerekmektedir. Pompaj depolamalı hidroelektrik santraller (PDHES), pik talebin karşılanmasında rezervuarlı HES'lerin yetersiz kalması durumunda veya baz santrallerin ülkenin enerji sistem içinde dengelenebilmesi için devreye girerek enerji ihtiyacını karşılayan sistemlerdir. PDHES'ler bir çeşit elektrik depolama sistemleridir. Bu santraller, elektrik fiyatlarının düşük olduğu zamanlarda suyu yüksekteki doğal veya yapay bir üst hazneye pompa yardımıyla basarak depolar ve gün içinde veya ay içinde elektrik ihtiyaçlarının meydana geldiği ve dolayısıyla elektrik fiyatlarının yükseldiği zamanlar üst haznede biriktirilen suyu türbinler vasıtasıyla hidroelektrik enerjiye dönüştürür. Başta Amerika Birleşik Devletleri ve Japonya olmak üzere dünyada yaklaşık 100.000 MW pompaj depolamalı hidroelektrik santral işletmede olmasına karşın, ülkemizde işletmede pompaj depolamalı santral bulunmamakla birlikte, bu tesislerin yapılması planlanması durumunda ne şekilde optimize edilmesi gerektiği yönünde yeterince çalışma da yapılmamıştır. Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından ilk etüt aşamasında 11 adet mevcut baraj üzerinde, 5 adet yeni yatırım olmak üzere toplamda 16 adet pompaj depolamalı hidroelektrik santral planlaması yapılmış olup, detaylı çalışmalar da henüz planlama aşamasında bulunmaktadır. Son dönemlerde devletin ilgili kurumlarında, PDHES'lerin yapımı konusunda bazı güncel mevzuat çalışmaları devam etmekle birlikte, henüz resmiyet kazanmış bir durum da söz konusu değildir. Gerçekleştirilen doktora tez çalışması kapsamında, pompaj depolamalı hidroelektrik santrallerin kapasitesinin net faydayı maksimize etmesiyle belirlenen kapasite optimizasyon modeli (KOPMOD) olarak adlandırılacak olup, deterministik bir yaklaşımla çalışılan bu matematik modelde yapı boyutları, kurulu güç ve net faydanın optimizasyonu ele alınacaktır. Bu çalışmayı yaparken öncelikle karar değişkenleri belirlenerek, bu parametrelerin kapasiteyi belirli aralıklar içinde seçerek modelde kullanılması amaç edinilmiştir. Kapasitenin çalışma aralıkları da dünyada tesis edilmiş PDHES'ler ile ülke şartları ve ihtiyaçları dikkate alınarak belirlenmiştir. Elektrik fiyatlarının gün içindeki değişimleri, uzun yıllar oluşan fiyatların analiz edilmesi ve elektrik fiyatlarına etki eden faktörler ele alınarak modellere işlenerek, modellerin oluşturulması sağlanmıştır. Elektrik fiyatlarının analizleri PDHES'lerin çalışma saatlerinin belirlenmesinde etkin rol oynamaktadır. Karar değişkenleri olarak tesisi kurulu güç kapasitesi, çalışma saati ve karlılık oranları, indirgeme oranı, iç verim oranı, tesis süreleri ve yapım birim fiyatları gibi ana unsurlar olarak belirlenmiştir. Net faydanın maksimize edilmesi üzerine kurulu olan sonuç kısmının en önemli sonuç parametreleri tesis yatırım bedeli, tesisin geliri ve giderleri, elektrik üretim ve tüketimleridir. üretim ve güç, maliyetler, gelir ve gider, ekonomik analiz ana başlıkları altında değerlendirilmiştir. Üretim, tüketim ve kurulu güç ana başlığı altında hesaplanan değerler tersinir türbinlerin teknik değerleri ve karar değişkenlerine bağlı olarak değişim göstermektedir. Maliyetler ise, kapasite değişiklikleri sonucu boyutları belirlenen tesislerin birim fiyatları ve piyasa fiyatları dikkate alınarak hesaplanmaktadır. Gelir ve giderler ise, elektrik fiyatları ve işletme aşamasında oluşacak olan giderlerin piyasa koşullarında fiyatlandırılması ile belirlenmektedir. Maliyetler, gelir ve giderlerin belirlenmesi sonucu ekonomik analiz kapsamında hesaplanan net fayda hesaplaması sonucunda hangi seçimin en uygun olduğu model ile ortaya çıkmaktadır. KOPMOD ile oluşturulacak matematik modelde değişkenlerin değişimi ile net faydanın da değişimi izlenebilmektedir. Çalışmalarda YEKDEM sistemi kapsamında devlet tarafından belirlenen elektrik satış fiyatları da ayrıca çalışmalarda dikkate alınmıştır. Karar değişkenleri, sonuç parametreleri, kapasite değişim aralığı, aralarındaki bağlantıları ve değerleme kriterleri belirlendikten sonra, PDHES için oluşturulan KOPMOD'un çalıştırılması ile net faydanın maksimize edildiği kapasite belirlenerek en uygun kurulu güç seçilmektedir. Modelin çalışma saati ve karlılık oranlarının belirlenmesi için KOPMOD öncesi göreceli karlılık analizi yaklaşımı (GÖKAY) modeli kullanılmaktadır. GÖKAY'da Türkiye'de geçmiş yıllarda gerçekleşmiş elektrik satış fiyatları modelin analiz edilecek verileri olarak ele alınmaktadır. PDHES için belirlenen bir iç verim oranı (İVO) esas alınarak gün içindeki en düşük elektrik satış fiyatları ve en yüksek elektrik fiyatları belirlenir. En düşük elektrik fiyatlarına iç verimden kaynaklanan kayıplar da bindirilerek en yüksek fiyatlar arasında PDHES'in elektrik üretim ile tüketiminden gün içinde kar elde ettiği saatlere ulaşılır. Seçilecek her bir iç verim oranı çalışma saatini ve karlılık oranlarını değiştirmektedir. GÖKAY modelinin sonuçları değerlendirildiğinde İVO değeri arttıkça çalışma saati artmasına karşılık, karlılık oranları azalmaktadır. Karlılık oranı ve çalışma saati birlikte ele alındığında ise, İVO değeri arttıkça normalize edilmiş karlılık oranının da arttığı görülmektedir. Sonuç olarak, PDHES'in ilk planlama aşamasında mevcut piyasa şartları, topoğrafyası, yatırımın ekonomik durumu ve piyasa elektrik fiyatları ile KOPMOD çalıştırılarak bulunan kapasitede PDHES'in yapımına karar verilebilmektedir. Kapasite belirlendikten sonra, tesisi yapılarının boyutları, maliyetleri, üretim ve tüketimleri ortaya çıkacağı için PDHES'in ekonomik olarak yapımına karar verilebilecektir.