Evaluation and optimization of stilling wave basin concept as an overtopping device type wave energy converter: Kordon İzmir case

Abstract

Küresel enerji üretimi büyük ölçüde geleneksel kaynaklara bağımlıdır. Ancak bu kaynakların kullanımı, çevresel etkileri nedeniyle Paris Anlaşması ve Kyoto Protokolü gibi uluslararası anlaşmalarla sınırlandırılmaktadır. Bu durum, yenilenebilir enerji kaynaklarını daha da önemli hale getirmektedir. Bu kaynaklardan biri de deniz ve okyanus dalgalarıdır. Dalga Enerji Dönüştürücüleri (DED) ile dalgaların enerjisi kullanılabilir hale getirilmektedir. Özellikle aşma tipi DED sistemleri, kıyı yapılarına entegre edilebilme özelliğiyle öne çıkmaktadır. Bu sistemler, aşan dalgaları bir havuzda toplayıp türbine yönlendirerek enerji üretmektedirler. Ayrıca, kıyı güvenliği açısından dalga aşımı önemli bir konudur ve Durgun Dalga Havuzu (DDH) gibi yapılar aşım kaynaklı taşkın riskini azaltmak için de kullanılabilmektedir. DDH yapısı, deniz ve kara tarafında iki fırtına duvarı ile aradaki bir havuzdan oluşmaktadır. Dalgaların havuza girmesine izin verilerek enerjisi azaltılır ve kara tarafındaki taşkın riski en aza indirilir. Ancak havuzda biriken suyun tahliye edilmesi gerekmektedir. Aşma tipi DED sistemleri suyu tahliye ederken enerji üretimini de olanak sağlar. Böylece DDH ve aşma tipi DED sistemleri birbirini tamamlayıcı nitelik taşımaktadır. Bu çalışma, İzmir Kordon'daki dik duvar kıyı yapısının, DDH olarak maksimum enerji üretecek şekilde optimize edilmesini amaçlamaktadır. Yapının optimizasyonu ve enerji üretim hesaplarının yapılabilmesi için dalga aşım miktarının bilinmesi gerekmektedir. Bu amaçla 2012-2021 yıllarını kapsayan 10 yıllık dalga analizi SWAN modeli ile İzmir Körfezi'nde gerçekleştirilmiştir. Bu analizle deniz durumu belirlenmiş, dalga aşım miktarı hesaplanmıştır. Sonuç olarak, optimum kret yüksekliği 0.1 metre, havuz genişliği 5.6 metre olarak bulunmuş ve 11 türbin ile yıllık 1.19 MWh enerji üretimi öngörülmüştür.suyu tahliye ederken enerji üretimini de olanak sağlar. Böylece DDH ve aşma tipi DED sistemleri birbirini tamamlayıcı nitelik taşımaktadır. Bu çalışma, İzmir Kordon'daki dik duvar kıyı yapısının, DDH olarak maksimum enerji üretecek şekilde optimize edilmesini amaçlamaktadır. Yapının optimizasyonu ve enerji üretim hesaplarının yapılabilmesi için dalga aşım miktarının bilinmesi gerekmektedir. Bu amaçla 2012-2021 yıllarını kapsayan 10 yıllık dalga analizi SWAN modeli ile İzmir Körfezi'nde gerçekleştirilmiştir. Bu analizle deniz durumu belirlenmiş, dalga aşım miktarı hesaplanmıştır. Sonuç olarak, optimum kret yüksekliği 0.1 metre, havuz genişliği 5.6 metre olarak bulunmuş ve 11 türbin ile yıllık 1.19 MWh enerji üretimi öngörülmüştür.

Global energy generation primarily relies on traditional sources. However, their usage is restricted by international agreements, like the Paris Agreement and the Kyoto Protocol, due to environmental impacts. As renewable sources gain importance, ocean waves have emerged as a promising alternative. Wave Energy Converters (WECs) capture wave energy, and among them, Overtopping Devices (ODs) are particularly effective for integration into structures. OD systems harness energy by capturing overtopping dishcarge in a basin and directing them to a turbine. Additionally, wave overtopping is a critical concern for coastal safety, and structures like Stilling Wave Basin (SWB) can be used to mitigate the risk of overtopping-induced flooding. The SWB consists of a seaward and a landward stormwall with a basin in between that absorbs incoming waves, reducing discharge on the landward side. Accumulated water in the basin must then be discharged. OD-WEC systems effective in generating power while discharging water back into the sea. Thus, the SWB and OD-WEC concepts work together effectively. This study aims to optimize a plain vertical wall where the promenade Works as a Stilling Wave Basin (SWB) for maximum power generation in Kordon/İzmir. A 10-year wave analysis (2012-2021) is conducted in İzmir Bay with the SWAN model to determine sea states and calculate overtopping discharge. The structure is optimized to ensure maximum power generation. The optimized design meets EurOtop 2018 safety standards, with an ideal crest height of 0.1m and basin width of 5.6m. Additionally, placing 11 turbines with 0.8m diameters along the 1600-meter structure could theoretically yield 1.19 MWh annually.