Spar Tipi Açık Deniz Yüzer Rüzgar Türbini Modellemesi

Abstract

Dünya nüfusunun artışı ve teknolojik gelişmeler ile birlikte doğal kaynakların günden güne tükenmesi insanlığı alternatif çözümler aramaya sevk etmiştir. Bu sebeple yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ve bu alandaki teknolojik gelişmeler hız kazanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları denildiğinde akla ilk gelen güneş enerjisi olsa da ciddi kazanımlar sağlayan başka kaynaklar da mevcuttur.Bunları rüzgar enerjisi, dalga enerjisi, jeotermal enerji, gel git akıntılarından elde edilen enerji şeklinde sıralamak mümkündür. Yenilenebilir enerji kaynakları kullanımının yaygınlaşmasındaki bir diğer sebep insanlarda çevre bilincinin oluşmasıdır. Temiz enerji temiz bir dünya sloganı ile başlayan bu aydınlanma yenilenebilir enerji teknolojisine yatırımların artmasına olanak sağlamıştır. Bu alanlarda yapılan teknojik buluşlar kısa süreli bakıldığında çok maliyetli görünse de uzun vadede kazançlı bir yatırım olmaktadır. Güneş enerjisinden yararlanma oldukça yaygınlaşmıştır. Güneş enerjisi ile çalışan arabalar, yatlar üretilmiştir. Bunun yanı sıra güneş enerjisinin evlerde kullanımı oldukça yaygındır. Dalga enerjisi ve gel-git olayından elde edilen enerji ile ilgili çok fazla sayıda çalışma da mevcuttur. Rüzgardan enerjisinin kullanımı çok eski zamanlara dayanmaktadır. Rüzgar gülü ile başlayan ve günümüzde rüzgar tarlalarının kurulmasına kadar gelen süreçte önemli gelişmeler olmuştur. Karada kurulan rüzgar türbinleri ve tarlalarının yanısıra daha çok enerji sağlayacak okyanuslarda rüzgar tarlalarının kurulması çalışmaları hız kazanmıştır. Bu çalışmanın amacı, SPAR tipi bir rüzgar turbine modellemesini OrcaFlex ve Fast programlarını kullanarak gerçekleştirmek, elde edilen öteleme ve dönme hareket miktarlarını yapay sinir ağları algoritmasını kullanarak modelleyebilmektir. Sinir ağları ile düzgün bir modelleme yapıldığında OrcaFlex ve Fast programlarına ihtiyaç duyulmadan bu tip platformların hareketlerini değişik çevre şartları altında hesaplamak mümkün olacaktır. Tezin ikinci bölümünde rüzgar türbinleri ele alınmıştır. Yüzer rüzgar türbinlerinin tarihi incelenmiştir. Yıllara oranla türbinlerin çalışma prensipleri ve kanat şekillerinde değişimler görülmektedir. Bu sebeple rüzgar türbini çeşitlerine yer verilmiştir. Bunun yanısıra türbinlerin kurulma alanlarına göre de sınıflandırma yapılabilir. Karada ve açık denizlerde kurulan farklı tipte türbinleri bulunmaktadır. Her ne kadar yeni bir teknoloji olsa da yüzen yapıların üzerine kurulan spar tipi yarı batık ve gergi ayaklı türbin çeşitleri mevcuttur. Üçüncü bölümde tezde kullanılan yazılımlar tanıtılmıştır. Bunun yanı sıra yapay sinir ağlarınin tanımı, çalışma prensibi ve kullanıldığı alanlardan bahsedilmiştir. Orcaflex açıkdeniz yapılarının modellenmesi ve dinamik analizlerinin yapılmasına olanak sağlayan bir programdır. Çok geniş uygulama alanlarına sahiptir. Fast, Fortran dilinde yazılmış, rüzgar türbinlerinin modellemesi yapılabilen bir programdır. İki veya üç kanatlı türbinlerin tüm aerodinamik ve hidrodinamik analizleri yapabilmektedir.Fastlink ise Orcaflex ve FAST programının entegre çalıştığı bir programdır. Orcaflex kullanıcısı tarafından yüzer rüzgar türbini analizleri için yazılmış olup Spar ve TLP örnek uygulamaları mevcuttur. Kullanılacak olan açık deniz yapısının hidrodinamik analizleri Orcaflex’te gerçekleşmektedir. Aerodinamik hesaplamaları ise FAST yapar. Orcaflex’ten sonuçlar alınır ve sonuç dosyası FAST tarafından oluşturulur İlk yapay sinir ağı modeli 1943 yılında, bir sinir hekimi olan Warren McCulloch ile bir matematikçi olan Walter Pitts tarafından gerçekleştirilmiştir. Yapay sinir ağları (YSA), insan beyninin özelliklerinden olan öğrenme yolu ile yeni bilgiler türetebilme, yeni bilgiler oluşturabilme ve keşfedebilme gibi yetenekleri, herhangi bir yardım almadan otomatik olarak gerçekleştirebilmek amacı ile geliştirilen bilgisayar sistemleridir. Yapay sinir ağları gerçekte var olan problemlerin çözümünde sıklıkla kullanılmaktadır. Uygulama alanı çok geniştir. Yapay sinir ağlarının tercih edilme nedenlerinden biri, eksik veriler olsa dahi iyi sonuçlar vermesidir. Bir diğer avantajı ise öğrenmenin tamamlanması ile sadece girdiler ile sağlıklı sonuçlar elde edilmesidir. Tezin dördüncü bölüm uygulama kısmının yer aldığı bölümdür. Yüzer rüzgar türbini çeşitlerinden olan SPAR tipi rüzgar türbini Orcaflex ve FAST programının ortak bir ürünü olan FASTlink programı kullanılarak modellenmiştir.. Spar’ın en önemli özelliği stabilitesini balast ile sağlıyor olmasıdır. Deniz dibine bağlayan halatlar gergin veya gevşek halde olabilirler. Bu çalışmada halatlar gevşek olarak bırakılmıştır. Yüksek gerilmeleri önlemek için halat boyu uzun tutulmuştur. Bu sebeple halat ağırlıkları büyük değerlere sahiptir. Spar tipi rüzgar türbini için üç farklı bağlama sistemi kombinasyonu düşünülmüştür. Uygulamada 2 farklı akıntı değeri, 4 farklı rüzgar hızı ve 4 farklı değerde dalga yüksekliği parametreler olarak belirlenmiştir. Birinci kombinasyonda rüzgar türbüni uç noktalı bağlama sistemi ile modellenmiştir. Akıntı değeri sabitlenip rüzgar ve dalga parametrelerinde değişiklik yapmak koşulu ile FASTlink programında analizler yapılmıştır. Elde edilen sonuçların tutarlı olup olmadıkları incelendikten sonra aynı işlemler dört noktalı ve altı noktalı bağlama sistemi için uygulanmıştır. Analizler tamamlandıktan sonra x,y,z yönündeki yer değiştirme ve dönme miktarları hesaplanmıştır. Aynı parameter değerleri kullanılarak yapılan farklı bağlama sistemlerindeki sonuçlar bir biri ile karşılaştırıldığında bağlama sistemindeki halat sayısının artışı ile Spar tipi rüzgar türbininin dönme ve yer değiştirme miktarlarında azalma gözlemlenmiş ve yapının denge durumunun iyileştiği sonucuna varılmıştır. Bu aşamadan sonar elde edilen veriler doğrultusunda tezin ikinci kısmını oluşturan yapay sinir ağları modellemesine geçilmiştir. Bu çalışmada spar tipi rüzgar türbininin yapay sinir ağları ile modellenmesi Matlab programının Neural Network Fitting eklentisi ile yapılmıştır. Programa girdi bilgileri olarak hidrodinamik analizlerde kullanılan rüzgar dalga akıntı dalga periyodu parametreleri verilmiştir. Hedef olarak ise analizlerden elde edilen, platformun x,y,z yönlerindeki yer değiştirme ve dönme miktarları girilmiştir. Yapay sinir ağlarından elde edilen sonuçların daha sağlıklı olabilmesi için birden fazla iterasyon yapılmıştır. Uygulamada nöron sayısı değiştirilerek daha hassas bir sonuç elde edilmesi amaçlanmıştır. Yapay sinir ağlarından elde edilen sonuçlar ile FASTlink'den elde edilen sonuçların örtüştüğü gözlenmiştir. Yapay sinir ağları modellemesi 3 farklı bağlama sistemine de başarılı bir şekilde uygulanmıştır. Son bölümde ise, tezin başlangıcında yapılmak istenen ve tez bitiminde ulaşılan hedeflerden bahsedilmiştir. Tezde kullanılan tüm programlar ve yapay sinir ağları ile ilgili devam eden çalışmalar hakkında bilgi sahibi olunmuştur. Bunun yanında kullanılan programlar ihtiyaç doğrultusunda öğrenilmiş modellenen platform doğru sonuçlar vererek başarılı olmuştur. Elde edilen yapay sinir ağı modeli ile farklı girdiler girerek analiz yapmaya gerek kalmadan istenen sonuçlar alınabileceği gözlemlenmiştir. Yine bu bölümde gelecek çalışmalar için tavsiyelerde bulunulmuştur.

Most of countries in the world currently rely on coal, oil and natural gas for their energy. The fact that fossil fuels are non- renewable and finite resources therefore they are becoming too expensive. Other important point about fossil fuels is they damage environment. On the other hand, so many renewable energy resources are infinite and friendly to the environment. Solar, wind, wave, geothermal, hydrogen, tidal and bioenergy are some important renewable energy resources. Geothermal energy taps the Earth's internal heat for a variety of uses, including electric power production, and the heating and cooling of buildings. Tidal energy of the ocean's tides come from the gravitational pull of the moon and the sun upon the Earth. Hydrogen also can be found in many organic compounds, as well as water. Wind energy is using wind turbines to produce electrical power. In thıs thesis, Spar type wind turbine modelled with the couple of the OrcaFlex and FAST softwares for getting amount of displacement and rotation. Using result of simulation, problem modelled with artificial neural network. In the second part of the thesis, wind turbines are discussed. History of wind turbine is stayed in this chapter. It is clearly observed that principles of operation and wing shapes of wind turbines change by year. Therefore there are two classification about wind turbines; types of wind turbines and foundation of wind turbines. In the third part of study, Software programs are introduced. Moreover, information about artificial neural network is given in this part. Orcaflex is friendly simulation program for offshore structers. Offshore structure modelling is easy with it. Therfore it has wide application area for ocean technologies. FAST uses Fortran for simuluating wind turbine model. It gives aerodynamic and hydrodynamic results for them. In the next chapter, Spar type wind turbine is modelled with FASTlink and artificial neural network. The simulations are performed in different environmental conditions which are affected by the wind speed, wave height, water depth and current velocity variables. Simulation cases are grouped according to number of mooring lines so there are three different cases in the simulation studies. Neural network fitting tool in MATLAB is used for modelling of the problem in this wind turbine. Finally, conclusion about the thesis and recommendations for future study are given at in this chapter.