Yüzer güneş enerjisi santrallerinin (YGES) konuşlandırılmasında bulanık örtüştürmeye dayalı bir optimizasyon metodolojisi: YGES elverişli rezervuar yüzeyi

Abstract

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.