Yüzer güneş enerjisi sistemleri: Enerji verimliliği açısından yüzer güneş enerjisi sistemlerinin dizayn optimizasyonu

Abstract

Dünyamızda son yıllarda nüfus artışıyla ve sanayileşmeyle beraber enerji ihtiyacı da artmıştır. Bu enerji artışı beraberinde birçok sıkıntıyı da getirmiştir. Dünyadaki en yaygın olarak kullanılan enerjiler fosil yakıt tüketimine dayanmaktadır ve bundan dolayı da küresel ısınma ve iklim değişiklikleri de artmaktadır. Gelecek nesillere temiz bir enerji kaynağı sunmakta zorlanacağımızla beraber, temiz su kaynakları da bırakmakta zorlanacağız. Bu sebeplerden ötürü daha farklı enerji kaynaklarına olan ihtiyaç her zaman vardır ve son zamanlarda oldukça da artmıştır. Bu sebepler insanları yenilebilir enerjileri kullanmaya yönlendirmiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en yaygın kullanılanlarından biri güneş enerjisidir. Güneş enerjisi de karasal sistemlerde kullanılırken sınırlı kullanım alanına sahiptir ve çoğunluklar çatı ve tarımsal arazilere kurulumlar vardır. Bundan dolayı karasal güneş enerji sistemlerinin de bir alternatifi olan yüzer güneş enerjisi sistemleri hem sulak alanların korunmasına hem de yenilenebilir enerjinin yaygınlaşmasına fayda sağlamaktadır. Hem de kullanıldığı alan eğer bir hidroelektrik santral ise o bölgenin lisansının daha verimli kullanılmasını sağlamakla beraber doğal su kaynaklarını da korumuş oluyor. Tüm bu bilgiler ışığında temiz bir su kaynağı olan Çine Hidroelektrik Santralinde (HES) kullanılmak üzere bir yüzer güneş enerjisi sistemi (YGES) planı yapılmıştır. Bu sayede hem barajın su kaybı önlenmiş olacak hem baraj lisansı verimli bir şekilde kullanılmış olacak hem de daha fazla temiz enerji üreten sistemlere sahip olunacak. Ancak bu sistemlerin verimli olabilmesi için en iyi sistemlere ve en fizibilitesi yüksek olan tasarımlara sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada ön tasarımları yapılmış olan bir YGES'e alternatif bir tasarım düzenlenerek her bir sisteminde analizleri yapılıp maliyetlerinin karşılaştırılması hedeflenmiştir. Bu şekilde ufak tasarım değişiklikleri yapılarak daha verimli sistemler elde edinilebilineceği ispatlanmaya çalışılmıştır. Analizler yapılmadan önce bir YGES tasarımında hangi bileşenlerin olduğuna dair kısaca bilgiler verilmiştir. Bir YGES de hangi sistemler var olduğunda dair bilgiler verildikten sonra demirleme ve sabitleme sistemlerinde hangi tasarımların mevcut olduğuna dair kısa bir özet verilmiştir. Analizlerde Ansys Mechanical ve Fluent kullanılmıştır. Analizlerde kullanılmak üzere alınan veriler hem rezervuara özel olmaktadır hem de genel ve rekabetçi değerler elde edilmek için yapılan çalışmalar örnek alınmıştır. Rüzgâr verileri hesaplanırken son 50 yıldaki verilere bakılarak hesaplanmıştır. İlk olarak ön tasarım olarak düşünülen sistemin analizleri yapılmıştır. Hem mekanik hem de hesaplamaları akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri yapılmıştır. Mekanik tasarımlarda kullanılan sistemler 3D olarak Siemens NX programında tasarlanmıştır. Ardından Ansys mechanical programında tasarıma sonlu elemanlar ile analiz yapılmıştır. Ortam olarak yüzer dubaların kulakçıklarını sabit olarak alınmış ve panel taşıyıcı dubaya tüm yükler bindirilmiştir. Bu sayede sistemin en zayıf noktasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Ardından tek bir güneş paneli üzerine gelen yüklerin hesabı için 2D bir tasarım yapılmıştır ve panel üzerine gelen yükler hesaplanmıştır. Sıra sıra panellere gelen yükler hesaplanmış ve bir sistemdeki her panele gelen yük hesaplanmıştır. Bu sayede bir bağlama halatına binecek olan yük bulunmuştur. Ardından aynı analizler optimize bir sisteme uygulanmıştır ve iki sistem arasındaki mekanik farklılıklar gözlemlenmiştir. Tüm bu hesaplamaların ardından her iki sistem için de bir LCOE değeri hesaplanmıştır. Böylelikle tasarımlarda değişiklikler yapılarak maliyetin düşürülebileceği gözlemlenmek istenilmiştir. Bu bilgiler doğrultusunda yüzer güneş enerji sistemlerine akış ve yapısal mekanik hesaplamaları ile bölge özelinde hesaplamalar yapılarak, üretilecek parçaların birim enerji maliyeti açısından verimlilikleri önemli ölçüde artırılabileceği görülmüştür. Böylelikle diğer enerji sistemleriyle rekabetçi bir sistem yapılanabilir olabileceği daha iyi anlaşılmıştır. Son olarak bir tasarım yapılmadan HAD analizlerinin yapılmasının ve rezervuara göre tasarımda değişikliklere gidilmesinin önemi görülmüştür.