Dalga Enerjisi Tahmini Ve Stokastik Modelleme

Abstract

Dünyada hızla artan enerji kullanımı insanları yeni enerji kaynakları arayışlarına itmiştir. Bir yandan da fosil yakıtlardan dolayı meydana gelen hava kirliliği ve bunun sonucu iklim değişimi senaryolarından günümüzde sıkça bahsedilmektedir. Yeni enerji kaynaklarından sürdürülebilir ve çevresel etkilerinin en az olması nedeni ile temiz enerji kaynakları dünyada büyük bir ilgi görmektedir. Dalga enerjisi temiz enerji kaynaklarının bir türü olarak daha yeni yeni gelişmektedir. Bu tezde yenilenebilir enerji kaynağı olan dalga enerjisi dalga karakteristikleri ve güvenilirliği bakımından incelenmiştir. Tez bölümleri aşağıdaki şekilde organize edilmiştir. Birinci bölümde temiz enerji kaynakları incelenmiştir. Bunlar güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, hidroelektrik enerji ve dalga enerjisidir. İkinci bölümde dalga karakteristikleri incelenmiştir. Dalga enerji spektrumunun özellikleri ve buradan çeşitli dalga parametrelerinin nasıl elde edilebileceği konuları işlenmiştir. Ham dalga kayıtlarından enerji spektrumuna geçiş irdelenmiştir. Ayrıca literatürde var olan çeşitli dalga enerji spektrumları sunulmuştur. Bir dalga enerjisi dönüştürücüsünün verimliliğinin belirlenmesi çalışmalarında atılacak ilk adım, o bölgedeki mevcut dalga enerjisi potansiyelini değerlendirmektir. Dalga enerjisine rüzgarın dolaylı yoldan olmak üzere dalga yüksekliği ve periyoduna doğrudan etkisi vardır. Deniz şartlarında bu iki değişken belirli bir ortalama etrafında salınım yapmaktadır. Literatürde bulunan mevcut dalga enerjisi hesaplama yöntemleri Üçüncü bölümde karşılaştırılmıştır. Çalışma bölgesine ait eş dalga enerjisi haritası hazırlanmıştır. Dalga enerjisinin tahmini için belirgin dalga yüksekliği ve ortalama dalga periyodu iki önemli değişkendir. Bu iki değişken aslında feç uzunluğu, rüzgar esme süresi ve rüzgar hızına bağlı olarak değerler almaktadır. Belirli bir feç mesafesi boyunca ve belirli bir süre zarfında sabit bir hızda esen rüzgarın ortaya çıkardığı dalga yüksekliği ve periyodunu tahmin etmek için bir çok yaklaşım geliştirilmiştir. Dördüncü bölümde ilk defa üçlü diyagram modeli yardımıyla rüzgar hızı, feç mesafesi ve esme süresi gibi büyüklüklerden dalga yüksekliği ve periyodu tahmin edilmeye çalışılacaktır. Daha sonra bu tahminler kullanılarak dalga enerji miktarları elde edilecektir. Dalga yüksekliği ve periyodu tahminleri literatürde mevcut bulunan JONSWAP formülleri ile karşılaştırılmıştır. Önerilen yöntemin dalga karakteristiklerini tahmin etmekte klasik formüle göre daha iyi olduğu çeşitli grafik ve nümerik gösterim şekilleri ile ortaya konulmuştur. Dalga enerjisi üretimi o bölgedeki dalga iklimiyle yakından ilgilidir. Enerji üretimi açısından riskli durum, denizde meydana gelen dalgaların enerji üretimi için yetersiz kalmasıdır. Tüm bunların uzun dönemde incelenmesi için risk analizlerinin yapılması gerekmektedir. Beşinci bölümde, üretilecek enerjinin belli bir eşik değerine göre tekerrür aralığı ve risk durumu belirlenecektir. Bu analizler serilerin iç bağımlı olduğu veya olmadığı durumlar için farklı değerler almaktadır. İç bağımlılık varken, olmadığı kabulü yapılırsa, gerçek değerlerden oldukça büyük sapmaların olacağı açıktır. İç bağımlılık özellikle mühendislik yapılarının planlanmasında en önemli parametreler arasındadır. Bu bölümde hesaplamalar için otoran analizi kullanılmıştır. Dalga parametrelerinin tekerrür aralığı ve risk analizleri bağımlı ve bağımsız durum için ayrı ayrı hesaplanarak karşılaştırılmıştır.

The rapid growth of energy consumption in the world has forced the people to search alternative energy resources. On the other hand, nowadays it is often mentioned that air pollution originated from fossil oils and its results climate change scenarios. As a new energy resources clean energy have drawn the attention of researchers, since it is sustainable and has less negative impact to the environment. Wave energy is a kind of clean energy which is newly developed. In this thesis wave energy has been investigated in terms of wave characteristics and their reliability. The sections of the thesis were organized as follows. In the first section clean energy resources were reviewed. These are solar energy, wind energy, hydroelectric power and wave energy. In the second section, characteristics were reviewed. The properties of wave energy spectrum and how wave parameters can be obtained from this spectrum were studied. On the other hand, various wave energy spectrum types in the literature were presented in this section. The first step when determining the efficiency of wave energy converter is to determine the wave energy potential in the study area. Wind speed affects the wave energy indirectly where wave height and period contribute directly. In real ocean conditions these two variables fluctuate around mean values. Wave energy calculation techniques found in the literature was compared in the third section. Wave energy map belonging to study area was prepared. Significant wave height and mean wave period are the important variables to predict the wave energy. In fact these two variables take values depending on the fetch distance, wind blowing duration and wind speed. There are methodologies developed to predict wave height and period which are constituted by a certain fetch length and blowing duration. In the fourth section first time it is attempted to predict wave height and period from wind speed, fetch length and blowing duration by using triple diagram methodology. Then these predicted values were used to obtain wave energy values. The wave height and wave period predictions were compared with JONSWAP formulations found in the literature. The demonstration of proposed model outperforms classical formulations to predict wave characteristics were presented numerically and graphically. Wave energy production is closely related with the wave climatology of study area. The risky situation for the energy production is for the insufficient ocean waves to produce energy. It is required to make risk analysis to consider all situations in a long period. In the fifth section occurrence period and risks were determined for different truncation levels. These analyses differ from each other whether the time series are dependent or not. There is big deviation from real values when it is assumed that there is no serial correlation in the case of dependent series. Serial correlation is an important factor in the planning of engineering structures. Autorun analysis was employed for calculations in this section. Occurrence periods and risks were compared by made calculations for both dependent and independent situations.