Geri Dön

Design of a floating pipe breakwater - wave energy converter hybrid system

Boru tipi yüzer dalgakıran - dalga enerjisi dönüştürücü çok amaçlı sistem tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 363825
  2. Yazar: MEHMET ADİL AKGÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Deniz Bilimleri, Enerji, Marine Science, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 168

Özet

Küresel nüfus ve yaşam kalitesinde görülen artış, son yıllarda kişi başına düşen enerji tüketiminde önemli bir artışa yol açmıştır. Konvansiyonel fosil bazlı yakıt rezervlerinin azalması ve bu yakıtların tüketiminden kaynaklanan çevre kirliliği, söz konusu kaynakların temininde karşılaşılan lojistik ve stratejik sıkıntılarla birleşerek pek çok ülkenin enerji politikalarını rüzgar enerjisi, güneş enerjisi ve deniz kökenli enerjiler gibi yenilenebilir enerji kaynakları üzerine çevirmesine yol açmıştır. Bu kapsamda deniz dalgalarından enerji elde edilmesi, günümüz yenilenebilir enerji çağında özellikle ilgi çeken alanlardan biri haline gelmiştir. Günümüzde, pek çok farklı amaca hizmet veren açık deniz yapılarının sayılarında görülen artış, bu sistemlerin randımanını ve üretkenliğini arttırmak amacı ile farklı amaçların tek bir platformda toplanması yaklaşımını doğurmuştur.“Çok amaçlı açık deniz platformları”olarak adlandırılan bu yapılara yönelik tasarım ve geliştirme çalışmaları günümüzde revaçta olan bir araştırma konusudur. Bu çalışmada, bir yüzer dalgakıran yapısı ve bir dalga enerjisi dönüştürücü sistemden oluşacak çok amaçlı bir melez yapının tasarımı fiziksel modelleme teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Sistemin temeli, boru tipi bir yüzer dalgakırandan mürekkep olup dalga enerjisi dönüştürücü sistem için aşma prensibi ile çalışacak, hidrokinetik enerji dönüştürücü ile teçhiz edilmiş bir sistem öngörülmüştür. Çalışma, ağırlıklı olarak aşma sisteminin hidrolik verimi ve yüzer dalgakıranın performansına odaklanmaktadır. Dalga enerjisi dönüştürücü sistemin değerlendirilmesi için,fiziksel model çalışması gerçekleştirilerek dairesel silindir üzerinden dalga aşması modellenmiş ve aşma debileri incelenmiştir. Testler toplam yedi farklı konfigürasyon ve altı farklı batmışlık oranı üzerinden düzenli dalgalar ile gerçekleştirilmişlerdir. Yapı fribord yüksekliği ve dalga dikliğinin dalga aşma debilerini belirleyen baskın parametreler olduğu tespit edilmiştir. Fribord yüksekliğinin etkisi, fribord yüksekliği azaldıkça ortadan kalkmakta, dalga dikliğinin etkisi ise artan fribord yüksekliğine bağlı olarak azalmaktadır. Silindir önünde kısmi yansıma nedeniyle husule gelen ortalama su seviyesindeki kabarmanın aşma debilerinin miktarını önemli ölçüde etkidiği belirlenmiştir. Kısmi batık silindir için aşağıdaki denklem regresyon analizi ile elde edilmiştir: Q_1m/√(gH_rms^3 )=0.059exp(-3.45 F_d/H_rms +0.31s_h ) (1) Dk. (1)'in uygulamasında veride görülen saçılım üzerine, dalga başına aşan debinin silindir kesit alanına oranı olarak yeni bir boyutsuz debi ifadesi tanımlanmıştır. Bu ifade kullanılarak gerçekleştirilen regresyon analizi ile aşma debilerinin tayini için Dk. (2) elde edilmiş olup bu denklemin uyumluluğunun daha iyi olduğu gözlemlenmiştir: (Q_1m T)/(0.25πD^2 )=0.441exp(-4.542 F_d/H_rms +1.166s_h ) (2) Batık silindir durumu için Dk. (3) ve Dk. (4) elde edilmiştir: Q_1m=4.809ln⁡(s_h )-21.250; D=125mm (3) Q_1m=4.415ln⁡(s_h )-20.870; D=160mm (4) Aşma debileri ve yüzer dalgakıranın ortak değerlendirmesinden, F/D = 0.12 batıklık oranı uygun aşma debileri ve hidrolik verim için melez sistemin tasarımında baz alınmış ve enerji ve güç hesapları bu konfigürasyon için gerçekleştirilmiştir. Silindir arkasına kurulan iki istasyon üzerinden alınan zaman-seviye eğrileri kullanılarak aşan su hacminin ilerlemesi incelenmiştir. Su kütlesinin potansiyel ve kinetik enerjilerini dikkate alan bir enerji bütçesi tanımlanmış ve hesaplanmıştır. Su kütlesinin kret ve çukurundaki ilerleme hızlarının yakın mertebelerde olduğu ölçümlerde ortaya konulmuştur. Bu husus dikkate alınarak tüm kütlenin eşit bir hız ile ilerlediği kabul edilmiş ve üniform yatay hız dağılımı kabulü yapılarak aşan su hacminin uzaysal dağılımı elde edilmiştir. Ortalama ilerleme hızı için, su kütlesinin dispersiyon etkisinde şekil değiştirmesi nedeniyle, ağırlık merkezlerinin koordinatları ve deplasmanları hesaplanarak bir düzeltme gerçekleştirilmiş; kinetik enerji bileşeni kret ve çukur ilerleme hızlarından daha düşük olan ağırlık merkezinin ilerleme hızı üzerinden ifade edilmişlerdir. Düşey hız bileşenleri ihmal edilerek, tek bir dalga altında aşan su hacmi için kinetik ve potansiyel enerji değerleri hesaplanmıştır. Hidrolik verim, aşan su hacminin zamansal ortalama gücünün yapıya etkiyen dalganın gücüne oranı cinsinden tanımlanmıştır. Hidrolik verim değerleri hesaplanarak hakim parametrelere göre değişimleri incelenmiştir. Yapılan denemelerde, hidrolik verim ile hacimsel boyutsuz debi arasında üstel bir bağıntı yazılabileceği görülmüştür. Hidrolik verim bağıntısı Dk. (5) ile verilmiştir: χ_T=0.0289exp(9.776Q_V ) (5) Hidrolik verimin, dalga özelliklerine göre %9 ila %50 arasında değiştiği gözlemlenmiş olup söz konusu parametrenin dalga dikliğine paralel olarak artış gösterdiği belirlenmiştir. Yüzer dalgakıran ünitesinin performansının saptanması amacıyla, Akgül ve Kabdaşlı (2008) tarafından incelenmiş olan bir sistem baz alınarak, önceki sistemde uygulanan birbirinden bağımsız hareket edebilen üç silindir yaklaşımı değiştirilmiştir. Bu çalışmada incelenen sistemde silindirler rijit bir şekilde birbirlerine bağlı olup silindirler arasında boşluk bırakılmıştır. Boşluk oranının dalga geçişine etkisinin araştırılması amacıyla üç farklı konfigürasyon düzenli dalgalar altında 30 farklı dalga serisi ile test edilmiştir. Sonuçlar, silindir ara mesafesinin artışına paralel olarak dalga geçişinin de arttığını göstermektedir. Dalga geçişinin hakim parametreler ile değişimi incelenmiştir. Genel olarak, baskın parametrenin yapı genişliğiinin dalga boyuna oranı olarak tanımlanan rölatif genişlik olduğu ortaya konmuştur. Bu durum, yüzer dalgakıranların genel performans özellikleri ile de örtüşmektedir. Dalga geçiş katsayılarının elde edilmesi için regresyon analizi uygulanarak ampirik bağıntılar elde edilmiştir. Bu denklemler, dalga geçişini dalga dikliği ve rölatif genişliğin veya rölatif dalga yüksekliği ile rölatif genişliğin bir fonksiyonu olarak tanımlamaktadırlar. Birinci durum için Dk. (6) türetilmiştir: C_T=1.506exp(9.24s_h-4.647 B/L_h ) (6) Sonuçların incelenmesi, önerilen yüzer dalgakıran sisteminin hafif dalga koşullarında tatminkar bir dalga sönümleyici olarak performans verdiğini göstermektedir. Bu koşullar için dalga geçişi %20 ila %45 oran aralığındadır. Orta sert ve sert dalga koşullarında ise dalga geçişi %40 ila %70 oranları arasında kalmakta olup sistemin orta derecede bir dalga sönümleyici olarak çalıştığını göstermektedir. Yüzer dalgakıran ünitesinde husule gelen bağlama kuvvetleri ön ve arka bağlama halatları için ayrı ayrı incelenmiştir. Hesaplanan Keulegan-Carpenter sayıları 0.85 ila 3.20 arasında değişmekte olup Reynolds sayıları 105 mertebelerindedir. Bu açılardan ele alındığında atalet kuvvetleri yapı üzerinde baskın durumdadır. Bağlama kuvvetlerinin azami değerleri 200 N mertebelerinde ölçülmüş olup yüksek yansıma yaratan birkaç dalga dışında ani germe kuvvetleri gözlemlenmemiştir. Melez sistemin değerlendirmesi, yapı deplasmanlarının aşma performansını etkilemediği kabulü ile gerçekleştirilmiştir. Her iki sistemin etkinliğinin de dalga dikliğine paralel olarak artış gösterdiği tespit edilmiştir. Bu açıdan ele alındığında, yüzer dalgakıran sistemlerinin genel olarak uygulandığı korunmuş ve/veya feç sınırlı bölgelerde oluşacak dalgaların da yüksek dalga dikliklerine sahip olacakları dikkate alınırsa, melez sistemin söz konusu bölgelerde mikro ölçekte bir dalga enerjisi dönüştürücü olarak uygulanabileceği ortaya çıkmaktadır. Elde edilen diğer bir sonuç, geçiş katsayılarında gözlemlenen düşüşe paralel olarak sistemin hidrolik veriminde görülen artmadır. Buna bağlı olarak, melez sistemi oluşturan yüzer dalgakıran ve aşma tipi dalga enerjisi dönüştürücü sistemlere ait performans eğrilerinin benzer trende sahip oldukları görülmekte, bu durum da eşleştirmenin uyumunu ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

Increase in global population and life quality has lead to a significant increase in the personal energy consumption during the last decades. Coupled with the diminishing of conventional fossil-based energy sources and environmental problems caused due to their consumption, also boosted by some strategical and logistical conflicts in their supply, many developed countries have shifted to renewable energy sources such as wind, solar and marine energies. Ocean wave energy comprises a challenging field of study in the renewable energy era. Today, triggered by the increasing number of offshore structures serving to many different purposes, an attempt to improve efficiency and productivity is to combine multiple functions at a single offshore structure, leading to the so-called multi-use offshore structures. In this study, the hybrid of a floating breakwater and a wave energy converter device has been inspected by adopting physical modelling techniques. A horizontal pipe breakwater has been chosen as the basis of the system, whereas the wave energy converter has been assumed as an overtopping type device with a hydrokinetic power take-off unit. The study is focused on the hydraulic efficiency of the overtopping device and the efficiency of the floating breakwater system. For the assessment of the wave energy converter, physical model tests have been carried out to evaluate the overtopping performance of the system. A total of seven different immersion depths have been tested under regular waves. It has been found out that the relative freeboard and the wave steepness are fundamental predominant parameters with the effect of relative freeboard diminishing for its small values and the effect of wave steepness decreases with increasing freeboard levels. Furthermore, it has been concluded that the partial setup taking place in front of the cylinder due to partial reflection drastically affects the overtopping rates. For emergent configurations, following equation has been evaluated: Q_1m/√(gH_rms^3 )=0.059exp(-3.45 F_d/H_rms +0.31s_h ) (1) By introducing a new dimensionless discharge defined as the ratio of the overtopping volume per wave to the cross section area of the cylinder, Eq. 2 has been evaluated, yielding a better correlation result: (Q_1m T)/(0.25πD^2 )=0.441exp(-4.542 F_d/H_rms +1.166s_h ) (2) For submerged configurations, Eq. (2) and Eq. (3) has been evaluated: Q_1m=4.809ln⁡(s_h )-21.250; D=125mm (3) Q_1m=4.415ln⁡(s_h )-20.870; D=160mm (4) Based on the coupled assessment of existing data on floating pipe breakwaters and the overtopping rates, a submergence ratio of F/D=0.12 has been chosen to evaluate the hydraulic efficiency of the system. The propagation of the overtopping volumes have been studied by using their time vs elevation data measured at two consecutive stations. An energy budget has been introduced, consisting of a potential and a kinetic component. It has been shown that propagation velocities do not significantly differ between the crest and the trough of the overtopping volume. Thus, an equal distribution of propagation velocity has been assumed, over which, the spatial distribution of the overtopping volumes have been evaluated. A correction has been introduced for the average propagation velocity by taking the propagation velocity of the overtopping volumes centroid into account, which is smaller than the crest and trough velocities because of the dispersing and hence reshaping volume. By omitting all vertical velocities, the potential and kinetic energy contained in the overtopping volume have been evaluated. The hydraulic efficiency, defined as the ratio of the mean power introduced at each overtopping volume to the incident wave power has been calculated and its variation with various governing parameters has been assessed. It has been found out that an exponential relationship can be written between the hydraulic efficiency and the volumetric overtopping rate, given by Eq. (5): χ_T=0.0289exp(9.776Q_V ) (5) It has been found out that the hydraulic efficiency of the system varies between 9%-50%, and it increases for steep waves. In order to assess the performance of the floating breakwater unit, a study carried out by Akgul and Kabdasli (2008) has been expanded into a new system consisting of three circular cylinders stiffly connected to each other by transverse elements. The effect of pipe spacing has been studied by three different configurations. Based on regular wave tests composed of 30 wave series for each configuration, it has been found out that the interaction between the cylinders decreases significantly as the distance between the axis of the cylinders increases. The variation of transmission coefficients with governing parameters has been studied, concluding that the dominant parameter in wave transmission is the wavelength. An exponential relationship has been recommended for the prediction of wave transmission, given by Eq. (6): C_T=1.506exp(9.24s_h-4.647 B/L_h ) (6) It has been found out that the floating breakwater system performs as an acceptable wave attenuator for mild wave environments with transmission coefficients ranging between 0.20-0.45, and as a moderate wave attenuator for medium-to high wave conditions, where the transmission increases to 40%-70% of the incident wave. Mooring forces for both fore- and aft mooring lines have been inspected. Initial theoretical studies clearly indicate that under the tested waves inertial forces are dominant with KC values ranging between 0.85 and 3.20. It has been found out that snap loads do not exert for the tested case. The assessment of the hybrid system has been made under the assumption that the effect of structure motions do not act on overtopping performance. It has been found out that the efficiency of both systems increase in case of steeper waves, which falls well together with the general application of floating breakwater systems. In other words, expected applications of such a system most probably shall take place in sheltered regions and against fetch-limited waves, which usually become steeper than open sea waves. As another outcome, it has been found out that the overtopping performance increases parallel to the decrease in wave transmission, stating that the performance curves for both components of the hybrid system show similar trends.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    781994

    Experimental and numerical investigation on wave attenuation performance of a floating platform

    Yüzer bir platformun dalga sönümleme performansının deneysel ve numerik olarak incelenmesi

    GÜNAY GAZALOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET CEVDET YALÇINER

    DR. ÖĞR. ÜYESİ CÜNEYT BAYKAL

  2. Tez No

    363513

    Yüzer araçlarda dinamik konumlandırma sistemlerinde bileşen seçiminin sistemin çalışmasına etkisi bakımından önemi

    The importance of component selection for dynamic positioning systems with the aspect of their effect to the operation of the systems on vessels

    ALİ ÖZEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL

  3. Tez No

    75522

    Denizden soğutma amaçlı su alma yapıları

    Sea water intake structures for cooling purposes

    MUSTAFA KAVAS

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Ana Bilim Dalı

  4. Tez No

    39654

    Katı atıkların depolanmasında karşılaşılan geoteknik problemler

    Geotechnical problems encountered in disposal of wastes

    AHMET KUTAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. AHMET SAĞLAMER

  5. Tez No

    712043

    Mide ülserasyonuna karşı yara iyileşmesini hızlandıran bir ilaç sistemi tasarımı

    Design of a drug system that accelerates wound healing against gastric ulceration

    SEMA ÇAKICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Eczacılık ve FarmakolojiEge Üniversitesi

    Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEVSER ÖZGEN ÖZER

Geri Dön