A preliminary offshore wind energy potential study for Bay of Izmir: Quantifying the airflow distortion on local ferryboats for adjustment of wind data by 3D CFD analyses

Abstract

Sürdürülebilir üretim sağlayan su üstü rüzgar enerjisi, çevre dostu teknolojisiyle gün geçtikçe önem kazanan yenilenebilir enerji kaynağıdır. Su üstü rüzgar enerji üretimine yönelik çalışmalar Dünyanın denize kıyısı olan birçok gelişmiş ülkesinde hükümet programlarına dâhil edilmiştir. Bunun başlıca nedenleri; deniz ve okyanus bölgelerinde daha kararlı ve yüksek rüzgar potansiyelinin bulunması, çevreye etkilerinin karasal rüzgar türbinlerine göre çok daha az olmasıdır. Bunun yanında montaj ile işletme ve bakım maliyetlerinin yüksekliği de hâlâ karasal türbinlerinin daha sık kullanılmasının nedenlerindendir. Su üstü rüzgar potansiyelinin belirlenmesinde meteoroloji gözlem direkleri, uydu destekli donanımlar ve ses-ışık yoluyla tarama yapan cihazlar kullanılmaktadır. En klasik yöntem olan gözlem kuleleri uzun ölçüm periyotları sonucunda (en az 1 yıllık ölçüm) rüzgar potansiyeli belirlemek için kullanılır. Ses veya ışık yollu tarama cihazlarının kullanımı ise rüzgar potansiyelinin belirlenmesi için çok maliyetli yöntemlerdir. Uydu destekli donanımlar yardımıyla oluşturulan, geniş alanlarda potansiyel belirlemeye yarayan ve kullanımı gitgide yaygınlaşan rüzgar haritalarında çözünürlük çok düşüktür ve verilerin doğrulanması gerekir.Okyanus ve deniz üstü meteorolojik verilerin elde edilmesi çalışmaları on yıllardır insanoğlunun uğraş alanıdır. Bu meteorolojik verilerin doğru elde edilmesi için gerek sabit gerekse de hareketli meteorolojik ölçüm istasyonları kullanılmıştır. Su üstü alanların genişliği nedeniyle sabit meteorolojik istasyonlar ölçümlerin sağlıklı şekilde yapılmasında yetersiz kalmış ve özellikle ticari gemiler yardımıyla bu verilerin elde edilmesi, toplanması fikri ortaya çıkmıştır. Gemiler yardımıyla meteorolojik verilerin elde edilmesi amacıyla Okyanus Meteoroloji Gemileri (OWS) adı verilen ve donanımlı ölçüm cihazlarına sahip gemiler oluşturulmuştur. Ancak, bu gemilerin sayılarının az olması ve okyanus üstü ölçüm yapılacak alanların genişliği nedeniyle, sefer yapan ticari gemilerin (tanker, kargo, yük gemileri vb.) veri toplamada kullanılması için Dünya Meteoroloji Örgütü (WMO) tarafından Gönüllü Gözlem Gemileri (VOS) programı oluşturulmuştur. Bu program ile programa dâhil olan on binlerce ticari gemiden elde edilen meteorolojik ölçüm verileri Uluslararası Kapsamlı Okyanus Veri Seti (ICOADS) tarafından toplanmış ve arşivlenmiştir. Arşivlenen bu veriler; rüzgar hızı ve yönü, su yüzeyi sıcaklığı, hava sıcaklığı ve bulutluluk oranı verilerini içerir. Bu ölçümler arasında en önemli meteorolojik veri ise rüzgar hızı ve yönü bilgisidir. Bilindiği üzere su üstü seyir koşulları rüzgar hızı ve yönü ile dalga yüksekliğine bağlı olarak belirlenmektedir. Bu önemi nedeniyle, gerek ölçüm yapılan verilerin doğruluğu, gerekse de ölçüm yapan gemilerin inşai yapıları nedeniyle meydana gelen ölçüm sapmalarının tespit edilmesine yönelik olarak birçok çalışma yapılmıştır. Literatürdeki ilk rüzgar çalışmaları Bofor Göstergesi belirleme üzerine yapılan çalışmalar olup, genellikle yerel bölgelerdeki ölçüm verileriyle gösterge oluşturulmuştur. Bofor Göstergesi bölgesel olarak ölçümü yapılan rüzgar verilerindeki, en az ve en çok rüzgar şiddetinin 0-12 arasındaki ölçekle gösterilme şeklidir. Skala belirleme üzerine yapılan matematiksel yaklaşımların en önemlisi ve hâlâ kabul göreni ise Lindau tarafından yapılan çalışmadır. Bofor Göstergesi, rüzgar hızını ölçebilen mekanik anemometrelerin geliştirilmesiyle birlikte önemini yitirse de hava tahminciler ve denizciler tarafından hâlâ kullanılmaktadır.Gemi anemometreleriyle yapılan rüzgar ölçümlerinde geminin kendi yapısından kaynaklanan akış bozunumlarının belirlenmesi, verinin doğruluğu açısından son derece önemlidir. Anemometre bölgesine gelen rüzgar hızında geminin inşai yapısı nedeniyle ivmelenmeler ve zayıflamalar olmaktadır. Literatürde geminin kendi yapısından kaynaklı akış bozunumlarına dair çalışmalar hem rüzgar tüneli hem de hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleriyle ortaya konmuş olup, hata miktarları gemi şekil ve büyüklüğüne bağlı olarak hesaplanmıştır. Taylor, CSS Dawson isimli gemi üzerinde akışı inceleyerek, rüzgar hızındaki ivmelenme ve yavaşlama bölgelerini ve hata miktarlarını HAD analizi ile belirledi. Ayrıca, rüzgar tüneli çalışması ile 90° 'lik açılarla gelen rüzgarın etkisiyle, anemometre bölgesinde meydana gelen hata miktarını da grafikledi. Thomas ise Lindau tarafından oluşturulan Bofor Göstergesini geliştirerek, deniz seviyesinden 10 m yükseklikteki rüzgar hızındaki hatayı düzelten 3. dereceden bir polinom denklemi türetti. Fakat bu denklem geminin şekil ve büyüklüğünden bağımsız olarak sadece matematiksel bir yaklaşım olduğu için sağlıklı sonuçlar vermemektedir. Literatürdeki ilk kapsamlı HAD modeli RRS Charles Darwin gemisi üzerindeki akışın analizlerinde oluşturulmuştur. Bu çalışmada anemometre bölgesindeki hata miktarları, hem gemi burnundan hem de geminin iskelesinden gelen akış için analiz edilmiş ve hesaplanmıştır. Bu çalışma sonrasında hesapların genellenmesi ve tüm tanker ve konteynır gemilerine uyarlanabilmesi adına, x/H ve z/H boyutsuz değerler için rüzgar hızı hataları hesaplanmıştır. Bu çalışmalarda, `x` köprü üstündeki yatay konum, `z` düşey konum, `H` ise deniz suyu seviyesinden köprü üstüne kadar olan düşey mesafedir. Moat ve Yelland ise RRS James Clark Ross isimli araştırma gemisi üzerinde detaylı bir HAD analizi yapmıştır. Bu çalışma analizlerinde atmosferik sınır tabaka koşulları göz önüne alınmış olup, geminin burnunda bulundan anemometrenin iskele ve sancağından 0°, 10°, 20°, 30°, 50°, 70°, 90° ve 110° 'lik açılar için rüzgar hızı hataları hesaplanmıştır. Literatürdeki en kapsamlı çalışma olan bu çalışma ile farklı yönlerden etkiyen rüzgarın anemometre bölgesindeki etkisinin önemi kanıtlanmıştır. Bu çalışmada, İzmir Körfezinde yolcu taşımacılığı yapan katamaran tipteki feribotlar modellenerek, gemi üzerindeki hava akış bozunumlarının ve anemometre bölgesindeki rüzgar hızı hatalarının rüzgar hızı ve rüzgar yönlerindeki değişimlere bağlı olarak analizi ve hesaplanması amaçlanmıştır. Özata Tersanesinde inşa edilen 39 m tam boy uzunluk, 11,6 m genişlikteki 426 yolcu kapasiteli katamaran gemiler SolidWorks bilgisayar destekli çizim programı yardımıyla bire bir ölçekle modellenmiştir. Bu model Ansys CFX analiz programına transfer edilerek, 3 katmandan oluşan silindirik bir akış hacminin tabanında, bu hacmin merkezine yerleştirilmiştir. Akış hacminin birinci katmanı merkezinde geminin bulunduğu çekirdek katman olup, hacmin yarıçapı geminin uzunluğunun 2 katı ve yüksekliği gemi yüksekliğinin 2 katı uzunluktadır. Bu katman, geminin bulunması nedeniyle akış hacmindeki en önemli katman olup, üçgen yapıda ve çok küçük boyutlarda ağ yapısı ile örülmüştür. Silindirik akış hacmindeki ikinci katman, birinci katmanı saran bir yüzük şeklindedir ve yarıçapı 5 gemi uzunluğunda, yüksekliği ise 2 gemi yüksekliğindedir. Son katman ilk iki katmanın üzerinde bulunan ve yarıçapı 5 gemi uzunluğu, yüksekliği yaklaşık 3 gemi yüksekliğinde (28,4 m) olan, akışın önemli olduğu bölgelerden uzak olması nedeniyle daha büyük ağ yapısı ile örülen silindirik yapıdır. Akış hacmi toplamda 5 gemi uzunluğu yarıçapında ve yaklaşık 5 gemi yüksekliği uzunluktadır. Akış hacminde gemiye yakın bölgeler için ufak ağ yapısı ve gemiden uzaklaştıkça büyüyen ağ yapısıyla örülmüş olup, toplam ağ sayısı yaklaşık 15x〖10〗^6 'dır. Analizler 25°C ' deki hava koşulları için yapılmış olup, analiz giriş kısmında rüzgar hızları atmosferik sınır tabaka koşulları dikkate alınarak tanımlanmıştır. Analizlerde kayma gerilmesi taşınımı (SST model) türbülans modeli seçilerek akışın en iyi ve detaylı çözülmesi hedeflenmiştir. İzmir Körfezinde seyir yapan katamaranların ortalama seyir hızları gemilerin üzerinde bulunan otomatik tanımlama sistemi (AIS) cihazları ile tespit edilerek, analizlerde gemi hareketli olacak şekilde seyir hızı 6 m/s olarak tanımlanmıştır. Analizlerde kullanılan akış hacmi 8 eşit parçaya bölünerek, 10 m/s serbest rüzgar hızında 45° 'lik açılarla gelen farklı rüzgar yönleri için, ağ yapısı sabit tutularak sadece giriş parçalarının açıya göre tanımlanması yoluyla analizlerde kolaylık sağlanmıştır. Ayrıca bu çalışmada, farklı serbest rüzgar hızları için gemi burnundan gelen akışta meydana gelen bozunumlar da analiz edilmiştir. Bu analizlerde 0, 5, 10, 15, 20 m/s serbest rüzgar hızları atmosferik sınır tabaka koşulları da dikkate alınarak analizler yapılmıştır. Literatürde ise, gemi yapısının farklı rüzgar hızlarında akışa etkisi ile ilgili olarak çok sınırlı çalışma bulunmakta olup, çalışma sonuçları ve literatürdeki sonuçlar uyum göstermektedir.Bu çalışmada, 6 m/s ortalama feribot hızı ve 10 m/s serbest rüzgar hızı için rüzgarın gemiye göre 45° 'lik aralıklarla etkimesi durumundaki akış bozunumları ve rüzgar hızı hataları analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçları ile akış hacmi içerisinde ve gemi üzerinde akışın ivmelendiği ve zayıfladığı bölgeler belirlenmiş olup, rüzgar hızı hataları da hesaplanmıştır. Rüzgar gemi burnundan etkidiği anda (0-360°) anemometre bölgesindeki hata yaklaşık olarak % 5' tir. Rüzgar gemiye göre saat yönünde 45° ve 315° lik açılarla geldiğinde, akış yaklaşık olarak % 10 ivmelenmiştir. Rüzgar geminin iskele ve sancağından etkidiğinde (90° ve 270°) hata payları % 17-20 civarındadır. Rüzgar gemiye saat yönünde 135° ve 225° açıyla geldiğinde ise, akış hızı % 6-8 civarında ivmelenmiştir. Geminin yatay eksenine (x ekseni) göre aynalanmış açıların hata değerleri birbirine çok yakındır. Bunun nedeni geminin burun kısmında bulunan, yolcu indirme-bindirme platformu ve motorunun bulunduğu kısım hariç geminin simetrik olmasıdır. Rüzgar geminin kıç tarafından etkidiğinde (180°) ise, akış anemometre bölgesinde yaklaşık olarak % 30 zayıflamıştır. Bunun nedeni gemi direğinin anemometre bölgesi öncesinde duvar etkisi yaratmasıdır. Çalışmalarımızda 6 m/s ortalama feribot seyir hızı ve farklı rüzgar hızları için yapılan HAD analizleri ise büyük benzerlikler göstermiştir. Bu analizler rüzgarın geminin burnundan geldiği durum için yapılmış olup, sonuçların hepsinde anemometre bölgesinde ivmelenme görülmüştür. Bunun nedeni gemiye göre karşıdan gelen rüzgarın, kaptan köşkü önünde bulunan eğik yüzey sayesinde hızlanmasıdır. Farklı hızlarda akışın incelendiği analiz sonuçlarında, geminin baş ve kıç güvertesi ile gemi direğinin arka bölgesinde akış zayıflamaları görülmüştür. Akış zayıflamalarının nedeni, gemi yapısından kaynaklı olarak bu kısımlardaki durdurma etkisidir. Ayrıca, sonuçlar serbest rüzgar hızı arttıkça rüzgar hızı hatalarının azaldığını ortaya koymuştur. Sonuçlar grafiklenerek, hata - rüzgar hızı ve hata – rüzgar yönü ilişkileri formülize edilmiştir.Bu çalışmanın analiz sonuçları sayesinde, İzmir Körfezinde seyir yapan gemiler kullanılarak körfez içi su üstü rüzgar enerjisi potansiyeli doğru olarak belirlenebilecektir. Gemilerden toplanacak rüzgar verileri rüzgar hızı ve yönüne bağlı olarak düzeltilerek, ek donanımlar ve maliyetler gerekmeden yıl boyunca İzmir Körfezindeki su üstü rüzgar hızlarına ulaşılabilecektir. Bu çalışma su üstü rüzgar enerji potansiyeli belirleme adına temel bir çalışma olup, aynı çalışma sistematiği içinde farklı gemi tipleri için analizler yapılarak, farklı bölgelerdeki potansiyel belirleme çalışmalarında da kullanılabilir. Ayrıca bu çalışmanın analiz sonuçları, meteorolojik araştırma veya gözlem gemilerine ihtiyaç duyulmadan rüzgar verisi toplanmasına olanak sağlamaktadır.

Humankind have an interest to obtain marine meteorological data for decades, therefore, constant and mobile meteorological stations have been used for the correct measurements. These meteorological data include wind speed and direction, sea surface and air temperature and cloud cover. Ship-mounted anemometers have been used for meteorological observations, obtaining the wind speed data and climate change analysis. Wind data are especially gathered and reported by Voluntary Observing Ships (VOS). World Meteorological Organization (WMO) created the VOS program to ensure reporting of the wind data from ships regularly. Ships participated this program are cargo or tanker ships which are in different shapes and sizes. Anemometers are usually sited on a mast above the bridge of ships where the effects of flow distortion may be severe. Therefore, determining the wind speed bias around anemometers is so important for the reliability of data. Despite the wide range of usage for gathering wind data, only a few studies have taken the air flow distortion into account caused by the ship's structure. In those studies, cargo ships or tankers have generally been used for wind data distortion-modelling in computational fluid dynamics (CFD) analysis. The aim of our study is quantifying the airflow distortion over local catamaran ships in Izmir Bay by 3D CFD analysis. 3D model of the catamaran ships is imported to Ansys CFX program and the air flow distortion caused by ship's structure is analysed for different cases. The ship geometry has been modelled in detail to quantify the best results and the flow domain is made up of three bodies; one of them is a cylindrical core where the ship geometry is also in the centre of this layer. This layer's radius is 1 ship lengths and height is 2 ship heights. This layer was arranged with detailed mesh sizes which were minimum 0.005 H, where the H was the height of the bridge above the waterline. Second part of flow domain is a ring shaped layer whose radius is 5 ship lengths and height is 2 ship heights. First part of the domain is in the centre of the second domain and they together form a disk like structure. Last part is also a cylindrical part which stands above the first and second parts. Third part's radius is 5 ship lengths and height is 28.4 meters. These three flow domains form a model which has a radius of 5 ship lengths and a height of approximately 5 ship heights. Different mesh sizes were studied to quantify the air flow distortion in the flow domain correctly. The mesh sizes have been decreased at the positions closer the ship hull and increased away from the ship hull where the flow didn't vary a great deal. Other air flow distortion studies in the literature used rectangular prism domains. In this study, the flow domain is sliced 8 equal parts. The cylindrical domain has advantages for correct results because the mesh model is fixed for every analysis and wind directions can be changed simply with cylindrical domain's 45° pieces. When the wind is impacted directly from the ship's bow, wind speed biases are approximately 5% around the anemometer site. Free stream velocity is accelerated up to 10% for 45° clockwise air flow that is similar with 315° wind direction. Accelerated flow regions are close to the anemometer position. The most important reason of the accelerated flow regions is the negatively inclined surface which is positioned in front of the master cabin of the ship. When the wind is impacted directly from beam (90° and 270°) of the catamaran, wind speed biases are between 17-20%. For the case that the air flow is affected from 135° and 225° clockwise, the flow accelerated between 6-8% . Decelerated flow regions are intensely behind the ship's mast structure. When the wind is directly impacted from astern of the ship (180°), the mast behaves as an obstacle behind the anemometer. Because of this reason, the average wind speed values are approximately 30% lower than U_10.8. Catamaran ship model has a closed part at the ship's bow because of the platform which using for embarking and disembarking of the passengers. If the catamaran ship model was drawn symmetrically, the wind speed bias pairs for 45 and 315°, 90 and 270 °, 135 and 225° would be same. CFD analysis outputs were compared with information in the literature by means of wind data bias around the ships. Results of this study can be used for correcting the data collected from ship's anemometer and to obtain the accurate offshore wind data to determine the offshore wind energy potential in Izmir Bay.