Yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının değerlendirilmesine yönelik bir çalışma

Abstract

Küreselleşen dünyada karşılaşılan enerji sorunları ve karbondioksit (CO²) salımlarından kaynaklanan çevre kirliliği sorunları karşısında yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Bu bağlamda, yenilenebilir enerji kaynaklarının kentsel alanlarda kullanımına ilişkin çalışmalar Dünya'da hız kazanmasına rağmen Türkiye'de hala sınırlıdır. Bilindiği üzere, enerji tüketiminin büyük çoğunluğundan sorumlu olan binalarda, kullanıcı konforunu sağlamak için harcanan enerji tüketimi gün geçtikçe artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisi kullanımını yaygınlaştıracak çalışmalar yapılması ve rüzgar enerjisinin binalarda kullanılması enerji ve çevre sorunlarının azaltılmasında çağdaş bir yaklaşım olarak görülebilir. Türkiye'de rüzgar potansiyelinin yüksekliği göz önünde bulundurulduğunda yerleşmelerde mevcut binalara ve yeni yapılacak binalara rüzgar enerjisini entegre etmek enerji etkin bir yaklaşım olarak önem taşımaktadır. Enerjinin üretildiği yerde kullanılması, iletim kayıpları ve taşıma maliyetlerinin azalması açısından da oldukça önemlidir. Rüzgar tarlalarında üretilen rüzgar enerjisinin kullanımı yaygınlaşırken, rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda üretildiği yerde kullanılması rüzgar enerjisi konusunda atılacak etkili bir adım olarak görülmektedir. Rüzgar enerjisinin optimizasyonuna yönelik bu tez çalışmasında geliştirilen yaklaşımın amacı; kentsel alanlarda rüzgar türbini kullanımına yönelik olarak; farklı parametrelere sahip kentsel doku alternatifleri için belirlenen referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızı açısından değerlendirilmesi, rüzgar türbini entegre edilebilecek kentsel doku alternatiflerinin belirlenmesi ve rüzgar türbininden üretilen enerjinin tüketilen enerjiyi karşılama oranlarının belirlenmesi ve yaya seviyesindeki rüzgar hızının belirlenmesi durumlarında rüzgar enerjisi kullanımı açısından optimum alternatiflerin değerlendirilmesi olarak belirlenmiştir. Ayrıca tez çalışması kapsamında yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda kullanımına yönelik çalışmalara temel oluşturması hedeflenmiştir. Çalışmada iki ayrı iklim tipi için 256 adet kentsel doku alternatifi oluşturulmuştur. Ilımlı nemli ve sıcak nemli iklim tiplerinin pilot illeri olan İstanbul ve Antalya için oluşturulan alternatifler kentsel alanlara ait 4 farklı parametre ile oluşturulmuştur. Çalışmada kullanılmak üzere; • Kentsel dokuda bina formu • Kat sayısı • H/W oranı (Bina yüksekliği/Cadde Genişliği) • Kentsel doku yönelimi parametreleri belirlenmiştir. Belirlenen parametrelere bağlı geliştirilen alternatiflere ait gerçekleştirilen simülasyonlar sonucunda elde edilen sonuçlar iki ayrı il için farklı durumlarda değerlendirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımı ve kullanıma ilişkin örnekler değerlendirilmiştir. Kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımını etkileyen parametreler belirlendikten sonra oluşturulan alternatiflere ait rüzgar hızı simülasyonları ENVI-met 4.4.1 modeli aracılığıyla 21 Haziran yaz başlangıç günü için gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyonlara ait analizler sonucunda değerlendirmeler dört ayrı adımda yapılmış, her bir adıma ait optimum alternatifler belirlenmiştir. Çalışmada oluşturulan alternatifler arasından referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızı 5 m/s değerini geçen alternatifler için çatıda türbin kullanımına ilişkin hesaplamalar yapılmıştır. Çalışmada 2.4 kW güce sahip yatay eksenli çatı monte bir rüzgar türbini kullanılmış, türbinden üretilen güç değerleri de açık erişimli bir hesaplama programı aracılığıyla elde edilmiştir. Yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının optimizasyonunu hedefleyen tez çalışması 7 bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1'de tez çalışmasının önemi, amacı, kapsamı ve metodolojisi açıklanmıştır. Bölüm 2'de kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanımına yönelik; kentsel doku ve rüzgar ilişkisi üzerine çalışmalar, rüzgar ve bina ilişkisini CFD (hesaplamalı akışkanlar dinamiği) kullanarak belirleyen çalışmalar ve bina monte rüzgar türbini çalışmalarına ilişkin yöntemler irdelenmiş, ve açıklanmıştır. Bölüm 3'te kentsel alanlarda rüzgar enerjisini etkileyen parametreler, ve rüzgar enerjisi ölçüm araçları açıklanmıştır. Bölüm 4'te kentsel alanlarda rüzgar enerjisi kullanım yöntemleri olan rüzgar türbinlerinin bina ile entegrasyonuna ve dönme eksenine göre sınıflandırılması yapılmış, bina ile entegrasyonuna göre sınıflandırılan rüzgar enerjisi tipleri ele alınmıştır. Bölüm 5'te yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının optimizasyonuna yönelik bir yaklaşıma ilişkin adımlar açıklanmıştır. Geliştirilen yaklaşımda ana adımlar; • Kentsel dokularda oluşturulacak binalara ait tasarım kriterlerinin belirlenmesi • Oluşturulacak modele ilişkin verilerin belirlenmesi • Parametrelere bağlı kentsel doku alternatiflerinin geliştirilmesi • Geliştirilen alternatiflerin rüzgar hızı dağılımının hesaplanması • Kentsel doku alternatiflerinin farklı değerlendirme durumlar için değerlendirilmesi • Kentsel doku alternatiflerinden rüzgar enerjisi kazancı ile ilgili farklı durumlar için optimum performans gösteren alternatiflerin belirlenmesi ve optimum iyileştirme alternatiflerinin geliştirilmesi olarak belirlenmiştir. Bölüm 6'da çalışmada geliştirilen yaklaşımın uygulanmasını kapsayan çalışmanın adımları, izlenen yol, varsayımlar ve hesaplamalar açıklanmaktadır. Çalışmada 4 farklı parametreye bağlı oluşturulan alternatiflere ilişkin sonuçlar; • Referans binanın çatı seviyesinde rüzgar hızına göre değerlendirme, • Türbin sayısına göre rüzgar türbini kurulumuna elverişli alternatiflerin belirlenmesi ve bu alternatiflerde üretilen enerji ile tüketilen enerjinin karşılanması oranı değerlerinin belirlenmesi, • Toplam doku alanında rüzgar hızı 5 m/s'yi geçen alanların yüzdesine göre değerlendirme, • Yaya seviyesindeki rüzgar hızına göre değerlendirme, başlıkları altında değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmelere göre alternatiflere ilişkin iyileştirme önerileri sunularak rüzgar enerjisi kazancının arttırılması ve yaya konforunun sağlanması hedeflenmiştir. Oluşturulan alternatiflere ilişkin iyileştirme önlemleri; • Hakim rüzgar yönüne ağaç vb. rüzgar kırıcı ögeler eklenmesi ile yaya seviyesindeki rüzgar hızının düşürülmesi • Türbin tipinin ve gücünün değiştirilmesi ile türbinden üretilen enerjinin arttırılması olarak belirlenmiştir. Belirlenen iyileştirme önlemlerinin uygulanması durumlarında elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Bölüm 7'de çalışmaya ait sonuçlar ve öneriler açıklanmıştır.