Investigation of new type wave energy converter systems
Yeni tip dalga enerjisi dönüştürücü sistemlerinin incelenmesi
- Tez No: 855043
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 106
Özet
Dünyanın gelişen ekonomisi ve artan nüfusu dikkate alındığında enerji gün geçtikçe hayatımızda daha önemli bir yer almaktadır. Bilindiği üzere enerji kaynakları yenilenemeyen ve yenilenebilir olmak üzere iki kısma ayrılır. Yenilenebilir enerji kaynağı“Tabiatın kendi düzeni içinde bir sonraki gün aynen mevcut olabilen enerji kaynağı”olarak tanımlanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının temel özellikleri arasında, çevreyi koruma amacıyla karbon salınımını azaltma, yerel kaynaklar olmaları nedeniyle enerji dışa bağımlılığının azalması ve istihdamın artması gibi faktörlere katkı sağlamaları bulunmaktadır. Ayrıca, geniş bir toplumsal destek ve kabul görmeleri de önemli bir özelliktir. Başka bir deyişle, yenilenebilir enerji kaynakları, erişilebilirlik, yaygınlık ve toplum tarafından olumlu bir şekilde karşılanabilirlik gibi özellikleri bünyesinde barındırmaktadırlar. Yenilenebilir enerji kaynakları içinde, dalga enerjisi m2'de güneş enerjisinden 10, rüzgar enerjisinden ise yaklaşık olarak 5 ila 10 kat daha yoğun olmasına rağmen dalga enerjisinden istifade oranı diğerlerinin içinde çok düşük bir orana sahiptir. Dünyada dalga enerjisinden faydalanma konusundaki çalışmalar günden güne hızla artmaktadır. Üç tarafı denizlerle çevrili olan ülkemizin de dalga enerjisi açısından ciddi potansiyele sahip olduğu ve bu enerji türünün kullanımının dışa bağımlılığı azaltacağı öngörülebilir bir gerçektir. Dalga enerji dönüştürücüler denizlerdeki dalga enerjisini elektrik enerjisine çevirmek için kullanılırlar. Dalga enerjisi dönüştürücüler içerisinde en verimli olanı salınımlı su sütunu (SSS) tipi dönüştürücülerdir. Salınımlı su sütunu, su ve hava akışı gibi iki fazdan oluşan bir sistemdir. Dalganın periyodik yapısına göre hareket eden su dönüştürücü içindeki havayı sıkıştırarak belli bir hızda çıkış ağzından çıkmasını sağlar. Dolayısıyla bu sisteme etki eden parametreler dalganın periyodik hareketi, dönüştürücü boyutları ve çıkış ağzı boyutlarıdır. Bugüne kadar SSS enerji dönüştürücüler üzerine çalışmalar yapılmış, birtakım modeller denenerek prototip aşamasına geçilmiştir. Fakat enerji dönüşüm mekaniğinin komplike olmasından ötürü bu çalışmalardan ticari düzeyde üretime geçilecek verimler yakalanamamıştır. İşte bu tez, yeni salınımlı su sütunu tipi dalga enerjisi dönüştürücülerin dizayn edilerek verimlerinin hesaplanması ve sonuçlarının birer makale haline getirilmesi ile yazılmış üç ayrı makalenin bir araya getirilmesi ile oluşturulmuştur. Yazılan 1. makalede eğimli duvarlı bir salınan su sütunu (SSS) için performans iyileştirmesi amacıyla yeni bir hazne tasarımı önerilmiştir. Farklı orifis sönümleme seviyeleri ve deniz koşulları için hidrodinamik performansın hesaplanması için fiziksel deneyler yapılmıştır. Sonuçlar, klasik bir SSS tasarımının sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Buna göre, yeni hazne tasarımının SSS verimliliği üzerinde önemli bir etkisi olduğunu görülmüştür. Önerilen hazne tasarım geometrisi, SSS'nin etkili bir şekilde çalıştığı dalga parametreleri için %31'e kadar SSS performansını artırmıştır. Ayrıca, sonuçlar, en yüksek verim artışı için en uygun orifis sönümleme seviyesinin haznenin tasarımına bağlı olduğunu göstermektedir. Aerodinamik hazne geometrisinin, hazne içi çalkantı hareketi mevcutken bile SSS verimliliğini 54% maksimum ve 44% ortalama değerle artırdığı görülmüştür. Yazılan 2. makalede, SSS'nin silindirik ön duvar giriş şeklinin çapının optimize edilmesine odaklanılmaktadır. Özellikle, beş çap değeri, çeşitli orifis sönümlemeleri, boyutsuz dalga frekansları (Kh) ve dalga yükseklikleri için 240 fiziksel deney çalışması gerçekleştirilmiştir. Silindirik ön duvar giriş geometrisinin, her koşulda SSS'nin verimini iyileştirdiği bulunmuştur. Maksimum ve ortalama verim iyileştirmesi sırasıyla 45% ve 25% olarak hesaplanmıştır. Modelin ön giriş ağzındaki modifikasyonun sadeliği bu iyileşmeyi daha da ilginç kılmıştır. Çap boyutu ile Kh arasında negatif bir korelasyon saptanmıştır. Özellikle nispeten düşük, orta ve büyük Kh değerleri için optimum çap boyutları sırasıyla 12 cm, 7 cm ve 5 cm olarak bulunmuştur. Belirli bir frekans bandında, verimi maksimum yapan çap, dalga yüksekliği ve orifis oranının bir fonksiyonu olarak bulunmuştur. Silindirik geometrinin üstünlüğünü doğrulamak için serbest bırakma (free decay) deneyleri yapılmıştır. Deneysel sonuçlar, silindirik ön duvar giriş geometrisinin, keskin ön duvar alt kesimi nedeniyle oluşan akış ayrımını önlediğini veya en azından azalttığını göstermiştir. Sonuç olarak, çap boyutunun küçültülmesi, ön duvarın her iki tarafındaki kayma gerilimlerinin hafifletilmesine yardımcı olmuş ve böylece SSS modelinin yapısal bütünlüğünü artırmıştır. Yazılan 3. makalede ise, bir dizi deney yoluyla çift hazneli bir SSS yapısının dalga enerjisi toplama potansiyelini değerlendirmeyi amaçlayan hidrodinamik özellikleri incelenmiştir. Araştırma, ön duvar çizimlerini, güç orifis sönümlemelerini ve dalga koşullarını değiştirerek, SSS sisteminin performansını nicel olarak değerlendirmek için verim ölçüsünü kullanmıştır. Bulgular, çift hazneli konfigürasyonun, incelenen orifis oranları, açıklık yükseklikleri ve gelen dalga frekansları kombinasyonları için tutarlı bir şekilde geliştirilmiş performans sergilediğini göstermektedir. İkinci haznenin açıklık yüksekliğini artırmak, SSS'nin performansını artırmıştır ki, bu, beklenen bir sonuçtur. İlginç bir şekilde, uygulanan orifis sönümünün verim değerine etkisinin nispeten duyarsız olduğu bulunmuştur. Verim değerlerindeki en önemli iyileştirmeler, daha büyük dalga frekansı değerleri için gözlemlenmektedir. Örneğin, boyutsuz dalga frekansı (Kh) değerleri 1,43 ve 1,68 için, τ1, 0,015 ve τ2, 0,018 orifis oranı kombinasyonu ile verim sırasıyla 0,47'den 0,72'ye ve 0,26'dan 0,52'ye yükselmiştir. Tek odalı SSS'nin etkin bir şekilde çalıştığı rezonans frekans aralığı 0,94-1,23 iken, çift hazneli tasarım bu frekans aralığını genişleterek, dalga koşullarının daha geniş bir spektrum üzerinde etkili dalga enerjisi toplama imkanı sağlar. Çift hazneli konfigürasyon, dalga enerjisi dönüşüm uygulamaları için etkili enerji dönüşümü için etkin frekans bant genişliğini artırarak önemli avantajlar sunar. Araştırma bulguları, bu yenilikçi tasarımın dalga enerjisi dönüştürücülerin verimliliğini ve adaptasyon yeteneğini önemli ölçüde artırma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. Sonuçlar, dalga enerjisi teknolojilerindeki iyileştirmelerin ve yeniliklerin, bu enerji kaynağının daha etkin ve güvenilir bir şekilde kullanılmasını mümkün kılacağını göstermektedir. Ancak, uygulama ölçeğindeki zorluklar ve ekonomik engellerin üstesinden gelmek için daha fazla çalışma ve yatırım gerekmektedir. Bu tez, dalga enerjisinin potansiyelini vurgulayarak, bu alanda yapılan araştırmalara ve endüstri uygulamalarına yol gösterici bir çerçeve sunmayı amaçlamaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, bilgi birikimimizi genişletmek, dalga enerjisi alanında daha ileriye gitmek ve sürdürülebilir enerji geleceğine katkıda bulunmak için önemli bir temel oluşturmayı amaçlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In consideration of the evolving global economy and increasing population, energy is increasingly occupying a more important place in our lives. As commonly understood, energy sources can be categorized into two groups: non-renewable and renewable. A renewable energy source is defined as an energy source that can exist the next day within the natural order of the Earth. The most significant features of renewable energy sources include reducing carbon dioxide emissions to help protect the environment, decreasing dependence on foreign energy sources due to being local resources, contributing to increased employment, and receiving widespread and strong support from the public. In other words, renewable energy sources possess characteristics of accessibility, availability, and acceptability. Among renewable energy sources, wave energy, despite being approximately 10 times more intense than solar energy per square meter and 5 to 10 times more intense than wind energy, has a very low utilization rate compared to others. Efforts to harness wave energy are rapidly increasing worldwide. It is a predictable fact that our country, surrounded by seas on three sides, has significant potential for wave energy, and the use of this energy type will reduce external dependence. Wave energy converters are used to convert wave energy in the seas into electrical energy. Among these converters, oscillating water column (OWC) type converters are the most efficient. The oscillating water column is a system consisting of two phases: water and air flow. Moving according to the periodic structure of the wave, the water converter compresses the air inside, allowing it to exit at a certain speed from the outlet. Therefore, the parameters affecting this system are the periodic movement of the wave, the dimensions of the converter, and the dimensions of the outlet. Until now, studies have been conducted on OWC energy converters, and prototypes have been developed by testing various models. However, due to the complexity of the energy conversion mechanism, commercial production has not achieved the desired efficiency from these studies. This thesis is composed of three separate articles, each written by designing new oscillating water column-type wave energy converters, calculating their efficiencies, and compiling the results into articles. In the first article, a new tank design is proposed for an oscillating water column (OWC) with an inclined wall to improve performance. Physical experiments were conducted for different orifice damping levels and sea conditions to calculate hydrodynamic performance. The results were compared with the results of a classic OWC design. According to the comparison, it was observed that the new chamber design had a significant impact on OWC efficiency. The proposed chamber design geometry increased OWC performance by up to 31% for wave parameters where the OWC operates effectively. Additionally, the results show that the optimal orifice damping level for the highest efficiency increase is dependent on the chamber design. The aerodynamic geometry of the chamber increased OWC efficiency by 54% maximum and 44% average even when there is internal slosihng in the tank. The second article focuses on optimizing the diameter of the cylindrical front wall entry of the OWC. Specifically, 240 physical experiments were conducted for five different diameter values, various orifice dampings, dimensionless wave frequencies (Kh), and wave heights. It was found that the cylindrical front wall entry geometry consistently improved OWC efficiency under all conditions. Maximum and average efficiency improvements were calculated as 45% and 25%, respectively. The simplicity of the modification at the front entrance makes this improvement even more interesting. A negative correlation was observed between the size of the diameter and Kh. Optimal sizes for the diameter were identified as 12 cm, 7 cm, and 5 cm for low, medium, and large Kh values, respectively. The diameter maximizing efficiency in a specific frequency band was determined based on wave height and orifice ratio. To validate the effectiveness of cylindrical geometry, experiments in free decay were conducted, demonstrating that modifying the front entrance mitigated or reduced flow separation caused by the sharp lower cut. Consequently, the utilization of a cylindrical front wall underlip geometry proved beneficial in reducing shear stresses on both sides of the front wall and enhancing the structural integrity of the OWC model. In the third article, hydrodynamic features evaluating the wave energy collection potential of a double-chambered OWC structure were examined through a series of experiments. The study used efficiency as a measure to quantitatively assess the performance of the OWC system by changing front wall designs, power orifice dampings, and wave conditions. The findings show that the double-chambered configuration consistently exhibited improved performance for the studied orifice ratios, opening heights, and incoming wave frequencies combinations. Increasing the opening height of the second chamber improved the performance of the OWC, as expected. Interestingly, the effect of applied orifice damping on efficiency was found to be relatively insensitive. The most significant improvements in efficiency values were observed for larger wave frequency values. For example, for dimensionless wave frequency (Kh) values of 1.43 and 1.68, efficiency increased from 0.47 to 0.72 and from 0.26 to 0.52, respectively, with the orifice ratio combination of τ1, 0.015 and τ2, 0.018. While the single-chambered OWC effectively operated in the resonance frequency range of 0.94-1.23, the double-chambered design expanded this frequency range, allowing effective wave energy collection over a wider spectrum of wave conditions. The double-chambered configuration offers significant advantages by increasing the effective frequency bandwidth for efficient energy conversion in wave energy conversion applications. Research findings have shown that this innovative design has the potential to significantly increase the efficiency and adaptability of wave energy converters. The results indicate that improvements and innovations in wave energy technologies will make it possible to use this energy source more efficiently and reliably. However, overcoming challenges at the application scale and economic barriers will require further work and investment. This thesis seeks to establish a comprehensive framework for both research and industrial applications within the wave energy field, highlighting the considerable potential of wave energy. In summary, the goal of this investigation is to enhance our understanding, make progress in wave energy technology, and play a role in shaping a sustainable energy future.
Benzer Tezler
- Sempatik kıyı koruma yapısı olarak kazıklı dalgakıranların düzenli ve düzensiz dalgalar altındaki performanslarının ve üzerine gelen yüklerin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
TARKAN MUTLU
Doktora
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. SEDAT KAPDAŞLI
- Kesit daralmasının soliter dalgalara olan etkisinin ve sınır tabakasının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of effects of section narrowing on solitary waves and boundary layer
TAYLAN BAĞCI
Doktora
Türkçe
2015
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
- Ortodontik seramik braketlerin laser ile sökülmesinin incelenmesi
Investigation of laser debonding of orthodontic ceramic brackets
LERNA DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ
PROF. DR. MURAT GÜLSOY
- İş makinaları tahrik millerinin burulma titreşimleri
Torsional vibrations of motor-machine connecting shafts modelled as a continuous
KENAN KOSER
- Tekillikli nicem dizgelerin beklenen değerlerinde olasılıkçıl evrim kuramı,ağırlıklar,sözde beklenen değerler,saptırım açılımları,pade türü yakınsatış
Expectation values dynamics of quantum system with singularities via probabilistic evolution approach, pseudo expactation values, weights, perturbasion expansion and padé approximation
BERFİN KALAY
Doktora
Türkçe
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN DEMİRALP