Issuu on Google+


Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi   Sakarya University Journal of Science                                    Yazı İşleri Müdürü / Editorial Director  Arzu ERSÜZ 

 

Redaksiyon / Redaction Caner ERDEN

aersuz@sakarya.edu.tr 

cerden@sakarya.edu.tr

Teknik Sorumlu / Technical Assistants Mehmet Ali YAR  myar@sakarya.edu.tr

İnternet Sorumlusu / Webmaster  Sümeyye ŞEN  sumeyye@sakarya.edu.tr

  Yazışma Adresi / Contact Address  saujs@sakarya.edu.tr, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 54187, Esentepe Kampüsü, Serdivan, Sakarya, Türkiye    Basılı / Printed ISSN: 1301‐4048  Elektronik / Online ISSN: 2147‐835X   www.saujs.sakarya.edu.tr  SAKARYA  ARALIK 2013 / DECEMBER 2013    Baskı / Printed at  Sakarya Gelişim Ofset, Adnan Menderes Cad. No.22/A Adapazarı, +90 264 273 52 53, www.sakaryagelisim.com 

  Dergimizin Aralık 2013 tarihli 17. Cilt 3. Sayısının kapak resmi,  yazarları ” E. Doğan, O. Sönmez, E. Yapan, K. Othan, S.  Özdemir, T. Çitgez” olan “Aşağı Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi” isimli makaleden alınmıştır. 


SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ Sakarya University Journal of Science

Sahibi / Owner 

Muzaffer ELMAS  

Genel Yayın  Ali Osman KURT  Yönetmeni /  General Publication  Director   

Editör / Editor in Chief 

Emrah DOĞAN 

Yardımcı Editörler /  Associate Editors 

Uğursoy OLGUN 

emrahd@sakarya.edu.tr  uolgun@sakarya.edu.tr 

Cüneyt BAYILMIŞ  cbayilmis@sakarya.edu.tr 

Beytullah EREN  beren@sakarya.edu.tr 

  Yayın Danışma Kurulu / Editorial Advisory Board*    A. Ç. MEHMETOĞLU  E. ÇELEBİ 

M. ÖZEN 

S. TEKELİ 

Sakarya Uni.  acagri@sakarya.edu.tr 

Sakarya Uni.  ecelebi@sakarya.edu.tr 

Sakarya Uni.  ozen@sakarya.edu.tr 

Gazi Uni  stekeli@gazi.edu.tr 

A. DEMİRİZ 

F. DİKBIYIK 

M. TUNA 

T. OGRAS 

Sakarya Uni.  ademiriz@sakarya.edu.tr 

Sakarya Uni.  fdikbiyik@sakarya.edu.tr 

Sakarya Uni.  tuna@sakarya.edu.tr 

TÜBİTAK  tijen.ogras@tubitak.gov.tr 

A. PINAR 

H. AKBULUT 

M. UTKUCU 

U. KULA 

Boğaziçi Uni.  pinara@boun.edu.tr 

Sakarya Uni.  akbulut@sakarya.edu.tr 

Sakarya Uni.  mutkucu@sakarya.edu.tr 

Sakarya Uni.  ukula@sakarya.edu.tr 

A. S. E. YAY 

H. GÖÇMEZ 

Sakarya Uni.  erses@sakarya.edu.tr 

Dumlupınar Uni.  h_gocmez@dpu.edu.tr 

M. van de VENTER  Y. BECERİKLİ  Nelson Mandela Metropol. Uni Yalova Uni. 

A. TUTAR 

K. KÜÇÜK 

Sakarya Uni.  atutar@sakarya.edu.tr 

Kocaeli Uni.  kkucuk@kocaeli.edu.tr 

B. D. BOTOFTE  Sakarya Uni.  bbotofte@sakarya.edu.tr 

C. YAVUZ  Sakarya Uni.  cyavuz@sakarya.edu.tr 

maryna.vandeventer@nmmu.ac.za ybecerikli@yalova.edu.tr 

N. BALKAYA  İstanbul Uni.  nbalkaya@istanbul.edu.tr 

Sakarya Uni.  barlas@sakarya.edu.tr 

L. KALIN 

Ö. KELEŞ 

 

Auburn Uni.  latif@auburn.edu 

İTÜ  ozgulkeles@itu.edu.tr 

M. BEKTAŞOĞLU  Sakarya Uni. 

R. MERAL 

M. ÇALIŞKAN  Sakarya Uni. 

Sakarya Uni.  cyigit@sakarya.edu.tr 

 

Bingöl Uni.  rmeral@bingol.edu.tr 

mehmetb@sakarya.edu.tr 

C. YİĞİT 

Z. BARLAS 

S. OKUR 

 

caliskan@sakarya.edu.tr 

İzmir Katip Çelebi Uni.  salih.okur@ikc.edu.tr 

D. Angın  

M. KURT 

S. SALUR 

Sakarya Uni.  angin@sakarya.edu.tr 

Ahi Evran Uni.  mkurt@ahievran.edu.tr 

Rochester Uni.  sema.salur@rochester.edu 

 

 

 

 

 

*Bilimsel danışma kurulu alfabetik olarak sıralanmıştır. 


SAKARYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DERGİSİ Sakarya University Journal of Science Cilt (Vol.): 17

Sayı (No): 3

Aralık (December) 2013

SAKARYA

İÇİNDEKİLER (Contents) Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile üretilmiş ve tavlanmiş cdo filmlerin optiksel, elektriksel ve yüzeysel özellikleri arasindaki farkliliklar He optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed cdo films deposited by ultrasonic spray pyrolysis Olcay Gençyılmaz, Ferhunde Atay, Idris Akyüz

295-300

Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar………………………………………………………………… Generalized fuzzy soft algebraic structures Hacı Aktaş, Özlem Bulut

301-306

Yarı markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması A reinforcement learning algorithm using multi-layer artificial neural networks for semi-markov decision problems Mustafa Ahmet Beyazıt Ocaktan, Ufuk Kula

307-314

Trafik kazaları için bir acil yardım çağrı sistemi tasarımı……………………………………….……………. Designing of an emergency call system for traffic accidents Tayip Demircan, Selman Yıldırım, Muhammet Yıldız, Ziya Ekşi, Murat Çakıroğlu

315-319

EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi An investigation of the influence of leadership and processes on basic performance results using a decision model based on EFQM Ahmet Talat İnan, Adile Yeşim Yayla, Emine Ceryan, Tugay Şişman, Aytaç Yıldız

321-327

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı……………………………………... Single phase inverter design based on selective harmonic elimination method Faruk Yalçın, Uğur Arifoğlu

329-335

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması Inserting the tap values of the tap changer transformers into the jacobian matrix as control variables Faruk Yalçın, Uğur Arifoğlu

337-348

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması Inserting the equivalent reactance parameter of the thyristor controlled series compensator into the jacobian matrix as control variable Faruk Yalçın, Uğur Arifoğlu

349-356

Adipik asit üzerine ab initio hesaplamaları…………………………………………………………………….. Ab inito calculations on adipic acid Mustafa Çetin , Adil Başoğlu, Davut Avcı, Yusuf Atalay

357-362


Aşağı Sakarya nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi…………………………………………… Creating flood inundation maps for lower Sakarya river Emrah Doğan, Osman Sönmez, Emrah Yapan, Koray Othan, Sait Özdemir, Tarık Çitgez

363-369

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar…………………………………………………………………………… Some results on soft multi topology İsmail Osmanoğlu, Deniz Tokat

371-379

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri……. Pre-treatment and hydrolysis methods for bioethanol production from lignocellulosic material Ali Osman Adıgüzel

381-397

Kaldirik(trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi………………… The metal effect on the polyphenol oxidase enzyme from borage(trachystemon orientalis) plant Esma Hande Alıcı, Gülnur Arabacı

399-405

Kocaeli- Karamürsel- Yalakdere ve çevresinin florası………………………………………………………… Kocaeli- Karamürsel- Yalakdere town and surrounding flora Meryem Sümeyye Yılancı, Mehmet Sağıroğlu

407-425

Çift cidarlı cephelerdeki etkin mimari tasarım kararları……………………………………………………… Effective architectural design decisions in double skin facades Tuğba İnan, Tahsin Başaran

427-436

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi……………………………… Performance analysis of queue management algorithms in Ns-3 network simulator Ünal Çavuşoğlu , M. Muhammed Öztürk , Uğur Özbek , Ahmet Zengin

437-446

Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma A research on the extraction of metals from küre chalcopyrite concentrate in the pressure reactor system M. Deniz Turan, Hasan Arslanoğlu, H. Soner Altundoğan

447-455

Dağıtık kontrol ile akıllı şebekelerde geniş-alan yönetimi ve geleceğe dönük projeksiyonlar……………….. Wide-area management of smart grid by distributed control and near future projections Murat Akçin, B. Baykant Alagöz, Cemal Keleş, Abdulkerim Karabiber, Asım Kaygusuz

457-470

Sfero chill döküm kam millerinde mangan fosfat kaplamanın aşınma direncine etkisi……………………… The effects of manganese phosphate coating wear resistance of chilled ductile iron camshafts Tarık Gün, Fatih Özaydın

471-476

Türkiye akarsuları akım ölçümlerinde mevcut durum ve alternatif yöntemlerin değerlendirilmesi……….. Water flow measurements in Turkey’s rivers and evaluation of alternative methods Ramazan Meral, Ahmet Benli

477-481


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 295-300, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 295-300, 2013

Ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile depolanan ve tavlanan CdO filmleri arasındaki optik, elektrik ve yüzey farklılıkları Olcay Gençyılmaz1*, Ferhunde Atay2 , İdris Akyüz2 2

1* Çankırı Karatekin Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, Çankırı Eskiekir Osmangazi Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Eskişeihr

13.12.2012 Geliş/Received, 13.03.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Kadmiyum oksit (CdO) filmleri taban sıcaklığı 300 °C olan cam tabanlar üzerine ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği kullanılarak elde edilmiştir ve daha sonra 500 °C’deki hava ortamında tavlanmıştır. CdO filmlerinin bazı fiziksel özellikleri, optik geçirgenlik, soğurma, dört uç metodu ve atomik kuvvet mikroskobu farklı teknikler kullanılarak belirlenmiştir. Ayrıca filmlerin optik, elektrik ve yüzey özellikleri üzerine tavlama işleminin etkisi araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kadmiyum oksit, ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği, tavlama, atomik kuvvet mikroskobu.

The optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis ABSTRACT The cadmium oxide (CdO) films were deposited by ultrasonic spray pyrolysis technique on glass substrates at 300 °C and subsequently annealed at higher temperature up to 500 °C in air ambient. Some physical properties of CdO films were characterized using different techniques such as optical transmittance, absorbance, four probe method, and atomic force microscopy. Also, the effect of annealing on the optical, electrical and surface properties of films was investigated. Keywords: Cadmium oxide, ultrasonic spray pyrolysis technique, annealing, atomic force microscopy.

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


O. Gençyılmaz, F. Atay, İ. Akyüz

1. INTRODUCTION CdO films which are material belongs to Transparent Conducting Oxide (TCO) family were used common application area such as photovoltaic solar cells, optoelectronic devices and gas sensors [1-3]. CdO is an important semiconducting material with a high electrical conductivity and high optical transmittance. Also, CdO is an n-type semiconductor with a band gap changing in the range of 2.2–2.8 eV and possesses low resistivity (10−2 to 10−4 Ω.cm) due to the defect of oxygen vacancies and cadmium interstitials [4-6]. CdO films have been prepared by various chemical and physical deposition techniques such as spray pyrolysis [7, 8], chemical bath deposition [9], electrodeposition [10-14], metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) [15], sol–gel [16,17], pulsed laser deposition [18,19], magnetron sputtering [20,21] and RF sputtering [22]. In this work, we have employed ultrasonic spray pyrolyis method to prepare CdO films because of its very easy to handle and cost effective as well. This article reports the optical, electrical, and surface properties of as-deposited and annealed CdO films produced using ultrasonic spray pyrolysis technique.

The optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis

properties were carried out using Park System XE 70 model -AFM atomic force microscopy. Table 1. Preparative parameters for CdO film

No

Parameter

1

Substrate temperature (°C)

2 3

Specificatio

Carrier gas, Pressure of carrier gas (bar) Nozzle to substrate distance (cm)

n 300 ± 5 Air, 1 30

4

Total spray time (min)

30

5

Solution flow rate (mL/ min)

5

6

Annealing temperature (°C)

500

7

Annealing time (h)

2

8

As-deposited CdO

C300

9

Annealed CdO

C500

2. EXPERIMENTAL The CdO film was deposited on glass substrates by spray pyrolysis technique using a homemade experimental setup shown in Figure 1. Before deposition, the microscopic glass substrates were first cleaned by acetone, then with soap and at last copiously rinsed with distilled water. Finally they were dried. The spraying solution was prepared by mixing the appropriate volumes of 0.1 M cadmium acetate Cd(CH3COO)2.2H2O dissolved in a mixture of deionized water and methanol (1:1). The temperature was measured by thermocouple fixed on the hot plate. During the film deposition the substrate temperature was kept constant at around 300 ± 5 °C. Air was employed as the carrier gas. CdO film deposited at 300 ± 5 °C and annealed at 500 °C during 2 h. As-deposited and annealed films are denoted by C300 and C500, where numbers stand for temperatures. The preparative conditions are tabulated in Table 1. The thickness of CdO film is determined using filmetrics thin film measurement system. The optical transmittance and absorbance of the film were recorded in the wavelength range from 300 to 900 nm using Schimadzu UV-2550 UV-VIS double beam spectrophotometer. The room temperature resistivity of CdO film was measured using Keithley 2601A System Source Meter Four-probe set up. Also, surface 296

Figure 1. (1) Spraying chamber, (2) Ultrasonic atomizer, (3) Moving pan (4) Glass substrates (5) Bronze block (5000-6000 Watt), (6) Moving base, (7) Oscillator, (8) 1. termocouple, (9) 2. termocouple, (10) Flowmeter, (11) Spraying solution, (12) Heater-magnetic mixer, (13) Temperature indicator, (14) Electrical heater, (15) Table, (16) Air gas, (17) Fan, (18) Cable of oscillator, (19) Spraying hose, (20) Air hose, (21) ac ampermeter (22) ac voltmeter, (23) water-filled container (24) N2 tube

3. RESULT and DISCUSSION The optical properties of the prepared film on glass substrates were studied by a method of optical SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 295-300, 2013


The optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis

O. Gençyılmaz, F. Atay, İ. Akyüz

transmission. The optical transmittance and absorbance curves as a function of wavelength are plotted in Figs. 2 (a) and (b). It has been found that the absorption increases abruptly with the decrease in wavelength. Also, it is shown that absorbance decreases with annealing and a sharp decrease is observed near the band edge. The transmittance spectra of CdO thin film is expected to depend mainly on three factors (1) oxygen deficiency, (2) surface roughness and (3) impurity centers. The transmission spectrum of CdO film was measured to investigate the effect of annealing temperature and ambient. Optical transmittance spectra of as-deposited and annealed CdO film were measured in the range of 400–800 nm at room temperature. All films show very similar optical transmissions in the 550–800 nm range, and the difference becomes more pronounced at shorter wavelengths. The optical band edge shifts to higher wavelength with annealing. In the visible region of the spectrum, the transmittance of annealed film was found to vary from about 50 % to 60 % depending on the annealing temperature and annealing ambient. The ability of a material to absorb light is measured by its absorption coefficient. The variation of the optical absorbance with wavelength is shown in Fig. 3. The calculated values of absorption coefficient are in the order of 103 cm−1. Besides, it is observed that absorption coefficient increased with annealing. This variation could be related to the variation of the crystallinity and carrier concentration of CdO film with annealing.

Figure 3. Variation of absorption coefficient as a function of wavelength

The optical transition type and the band gap Eg can be determined using equation: =A (hν-Eg)n

(1)

where  is the absorption coefficient, A is a constant and h is the photon energy. For direct and indirect transitions n is equal to 1/2 and 2 values, respectively. The (h)2 versus h plot (Fig. 4) is linear in nature at the absorption edge, confirming that the material of the film has a direct band gap. Energy band gaps of asdeposited and annealed CdO films were obtained by extrapolating the linear part of the curve (h)2 versus h and the results is shown in Fig. 4. It is seen that direct optical band gap of CdO film decreased from 2.44 eV to 2.26 eV with annealing at 500 °C. It is clear that, the micro-structure behavior has importance upon the optical properties of this film [23]. This change in the optical band gap may be attributed to the change in crystallinity of the film since grain size changes with annealing. The decrease in the carrier concentration may be originated from the appearing point defects and interstitial impurities during the heat treatment [24].

Figure 2. (a) The transmittance and (b) absorbance spectra of CdO

The band gaps of the film are in good agreement with the literature, and the film has direct band transitions which is an important characteristic for photovoltaic applications. These results are similar to that observed for other annealed CdO film [23, 25-27].

film

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 295-300, 2013

297


O. Gençyılmaz, F. Atay, İ. Akyüz

The optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis

The thicknesses of as-deposited and annealing CdO film are examined using filmetrics thin film measurement system. Thicknesses of the as-deposited and annealed films are 245 nm and 250 nm, respectively. AFM scans of the surface were carried out to study the change in the surface morphology of the film. AFM images of asdeposited and annealed CdO films are shown in Fig. 5. The 5 m × 5 m images are utilized for measuring the surface roughness of the film. The scanning frequency was set at 1 Hz. Also, Rq (root mean square), Ra (average) and Rpv (peak-to-valley height) roughness values of the film was examined. The roughness values of the as-deposited and annealed CdO films are shown in Table 2. It was seen that the roughness values of the film slightly decreases with the annealing. This decrease is manly related to the surface combination and surface form. The AFM images are shown clearly the influences of the annealing on the morphology of the film. CdO film shows granular surface properties. The annealed CdO film shows smooth surface compared to the asdeposited CdO film. Consequently; the surface topography of the CdO film annealed at 2 hours has the best of smooth structure. Besides, the surface combination of the CdO film may be clear away with the annealing process.

Table 3. Electrical resistivity values of CdO films

Film

Resistiviy (Ω.cm)

C300

4.72×103

C500

2.48×103

4.

CONCLUSION

In this paper, we report the preparation and characterization of CdO and annealed CdO alloy film. This film has been deposited on glass substrates by ultrasonic spray pyrolysis technique. The optical transmittance of the film was increased from 50 to 60 % and the maximum transmittance was achieved in air annealed samples. Optical band gap of the film decreased from 2.44 to 2.26 eV with annealing. This suggested that the optical band gap for CdO film was strongly dependent on the annealing process. The surface of the CdO film has changed from small granular texture to smooth texture by annealing. There is an advantage of annealed sample in order to having a little lower roughness value as compared to the asdeposited one. The increase in transparency and shift of the band gap to the higher energy values and decrease in resistivity make annealed CdO film a potential candidate for the window material in solar cell applications.

Figure 5. AFM images of CdO films Table 2. Roughness values of CdO films

298

The measured values of the resistivity are shown in Table 3. It is found that the resistivity decreases with annealing. These values are in agreement with the literature [23]. We think that this change is due to the decreasing oxygen deficiencies because of the micro structural compositional change of the grains, in addition to other phenomena such as disorder and defects at the grain-boundaries. Also, when CdO film is annealed at the higher temperatures, atoms can diffuse into substitution positions in the crystal lattice. As a result, this drastic changes cause in the electrical properties of the CdO film. Also, results from the hot point probe showed that CdO film has n-type conductivity behavior.

Film

Rq (nm)

Ra (nm)

Rpv (nm)

C300

40

31

344

C500

21

16

152

After all investigations, thermal annealing confirmed positive improvements on the physical properties of the CdO film. We think that annealed samples will improve the characteristics of optoelectronic devices.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 295-300, 2013


The optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis

REFERENCES [1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

Ocampo, I.M., Fernandez A.M., Sebastian P.J. (1993) ‘Transparent conducting CdO films formed by chemical bath deposition’, Semiconductor Science Technology, vol. 8, pp. 750-751. Yan, M., Lane, M,. Kannewurf, C.R., Chang, R.P.H. (2001) ‘Highly conductive epitaxial Cdo thin films prepared by pulsed laser deposition’, Applied Physics Letters, vol. 78, no. 16, pp. 2342–2344. Lewis B.W.  D.C. Paine, (2000) ‘Applications and Processing of Transparent Conducting Oxides’, Material Resreach Bulletin, vol.25(8), pp. 22-28 Jefferson, P.H., Hatfield, S.A., Veal, T.D., King, P.D.C., McConville, C.F., Zuniga-Perez, MunozSanjose, J.V. (2008) ‘Band-gap and Effective Mass Determination of Epitaxial CdO’ Applied Physics Letters , vol. 92, pp. 101. Choi, Y.S., Lee, C.G., Cho, S.M. (1996) ‘Transparent conducting ZnxCd1−xO thin films prepared by the sol-gel process’ Thin Solid Films, vol. 289, pp.153. Cruz, J.S., Delgado, G.T., Perez, R.C., Sandoval, S.J., Sandoval,O.J., Romero, C.I.Z., Marin, J.M., Angel, O.Z. (2005) ‘Dependence of electrical and optical properties of sol–gel prepared undoped cadmium oxide thin films on annealing temperature’, Thin Solid Films, vol. 493, pp.83. Gurumurugan, K., Mangalaraj, D., Narayandass, S.K., Sekar, K., Vallabhan, C.P.G. (1994) ‘Characterization of transparent conducting CdO films deposited by spray-pyrolysis’ Semiconductors Science Technology, vol. 91, pp. 827–1832. Kul, M., Aybek, A.S., Turan, E., Zor, M., Irmak, S., (2007) ‘Effects of fluorine doping on the structural properties of the CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis’ Solar Energy Material Solar Cells, vol. 91, pp. 1927–1933. Varkey, A.J., Fort, A.F., (1994) ‘Transparent conducting cadmium oxide thin films prepared by a solution growth technique’ Thin Solid Films, vol. 239, pp. 211–213. Han, X., Liu, R., Xu, Z., Chen, W., Zheng, Y., (2005) ‘Room temperature deposition of nanocrystalline cadmium peroxide thin film by electrochemical route’ Electrochemical Communication, vol. 7, pp. 1195–1198. Seshadri, A.N., Taconi, R.C., Chenthamarakshan, R., Rajeshwar, K.. (2006) ‘Cathodic Electrodeposition of CdO Thin Films from Oxygenated Aqueous Solutions’

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 295-300, 2013

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

O. Gençyılmaz, F. Atay, İ. Akyüz

Electrochemical Solid State Letters, vol. 9 (1), pp. C1–C4, Chang, J., Mane, R. S., Ham, D. Lee, W., Cho, B.Y., Lee, J.K., Han, S.H. (2007) ‘Electrochemical capacitive properties of cadmium oxide films’ Electrochimacel Acta , vol. 53, pp. 695–699. Santamaria, M., Bocchetta, P., Quarto, F.D., (2009) ‘Room temperature electrodeposition of photoactive Cd(OH)2 nanowires’ Electrochemical Communication., vol. 11, pp. 580–584,. Henriquez, H., Grez, P., Munoz, E., Gomez, H.., Badan, J.A., Marotti, R.E., Dalchiele, E.A. (2010) ‘Optical properties of CdSe and CdO thin films electrochemically prepared’ Thin Solid Films, vol. 518, pp. 1774–1778. Zhao, Z., Morel, D.L., Ferekides, C.S., (2002) ‘Electrical and optical properties of tin-doped CdO films deposited by atmospheric metalorganic chemical vapor deposition’ Thin Solid Films, vol. 413, pp. 203–211. Gosh, P.K., Das, S., Kundoo, S., Chattopadhyay, K.K.. (2005) ‘Effect of fluorine doping on semiconductor to metal-like transition and optical properties of cadmium oxide thin films deposited by sol–gel process’ Journal of Sol-Gel Science Technology, vol. 34, pp. 173–179, Maity, R.  Chattopadhyay, K.K. (2006) ‘Synthesis and characterization of aluminumdoped CdO thin films by sol–gel process’ Solar Energy Material Solar Cells, vol. 90, pp. 597– 606. Lewis, B.G.  Paine, D.C. (2000) ‘Applications and processing of transparent conducting oxides’ Material Resreach Society Bulletin , vol. 25, pp. 22–27. Kawamura, K., Maekawa, K., Yanagi, H., Hirano, M., Hosono, H. (2003) ‘Observation of carrier dynamics in CdO thin films by excitation with femtosecond laser pulse’, Thin Solid Films, vol. 445, pp. 182–185. Ma, D., Ye, Z., Wang, L., Huang, J., Zhao, B. (2003) ‘Deposition and characteristics of CdO films with absolutely (200)-preferred orientation’ Material Letters, vol. 58, pp.128–13. Ueda, N., Maeda, H., Hosono, H., H. Kawazoe, (1998) ‘Band-gap widening of CdO thin films’ Journal of Applied Physics, vol. 84, pp. 6174– 6177. Subramanyam, T.K., Naidu, B.S., S Uthanna, (2001) ‘Studies on dc magnetron sputtered cadmium oxide films’ Applied Surface Science, vol. 169, pp. 529–534.

299


O. Gençyılmaz, F. Atay, İ. Akyüz

[23]

[24] [25]

[26]

[27]

[28]

300

The optical, electrical and surface differences between as-deposited and annealed CdO films deposited by ultrasonic spray pyrolysis

Vigil, O., Cruz, F., Morales-Acevado, A., Contreras-Puente, G., Vaillant, L., Santana, G. (2001) ‘Structural and optical properties of annealed CdO thin films prepared by spray pyrolysis’ Material Chemical Physics, vol. 68, pp. 249. Wohlmuth, W.  Adesida, I. (2005) ‘Properties of R.F. magnetron sputtered cadmium–tin–oxide and indium–tin–oxide thin films’ Thin Solid Films, vol. 479, pp. 223. Tomás, S.A., Vigil, O., Alvarado-Gil, J.J., Lozada-Morales, R., Zelaya-Angel, O., Vargas, H., Ferreira de Silva, A. (1995) ‘Influence of thermal annealings in different atmospheres on the band‐gap shift and resistivity of CdS thin films’ Journal of Applied Physics, vol. 78, pp. 2204. Studenikin, S.A., Galego, N., Cocivera, M. (1998) ‘Optical and electrical properties of undoped ZnO films grown by spray pyrolysis of zinc nitrate solution’ Journal of Applied Physics, vol. 83, pp. 2104. Zhang, D.H., Gao, R.W., Ma, H.L. (1997) ‘Burstein shift and UV photoresponse in IBADdeposited transparent conducting ZnO films’ Thin Solid Films, vol. 295, pp. 83.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 295-300, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 301-306, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 301-306, 2013

Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar Hacı Aktaş1*, Özlem Bulut1 1*

Erciyes Üniversitesi Fen Fakültesi Matematik Bölümü Kayseri 2 Milli Eğitim Bakanlığı Ekin Özlü ÇPL Maraş 07.01.2013 Geliş/Received, 17.04.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Bu çalışmada genelleştirilmiş bulanık esnek kümeler üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek grup ve genelleştirilmiş bulanık esnek halka tanımlamaları yapılmış ve bu kavramlara ait temel bazı özellikler verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Esnek kümeler, genelleştirilmiş bulanık esnek kümeler, genelleştirilmiş bulanık esnek gruplar, genelleştirilmiş bulanık esnek halkalar. AMS-Matematik Konu Sınıflandırma Numarası: 08A72, 03E72.

Generalized fuzzy soft algebraic structures ABSTRACT In this study we define generalized fuzzy soft group and fuzzy soft ring on generalized fuzzy soft sets and give some properties of these concepts. Keywords: Soft sets, generalized fuzzy soft sets, generalized fuzzy soft groups, generalized fuzzy soft rings. AMS-Mathematical Subject Classsification Number: 08A72, 03E72.

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


H. Aktaş, Ö. Bulut

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Bulanık Küme kavramı ilk kez 1965 yılında Zadeh[1] tarafından tanımlanmıştır. Bulanık küme kavramı, belirsizliklerin anlatımı ve belirsizliklerle çalışılabilmesi için kurulmuş katı bir matematik düzen olarak açıklanabilir ve belirsizliğin bir tür biçimlenişi ve formüllendirilmesidir. Bir çeşit çok-değerli küme kuramıdır. Bulanık küme üzerinde ilk cebirsel yapı, üyelik fonksiyonu kullanılarak, 1971 yılında A. Rosenfeld[2] tarafından ‘fuzzy groups’ olarak yayımlanan makalesinde verildi. Bulanık gruplar kullanılarak daha karmaşık bulanık cebirsel yapılar olan bulanık halkalar ve bulanık idealler 1982 yılında Liu[3,4] tarafından çalışılmıştır. Belirsizliklerin yol açtığı problemleri çözmek için Molodtsov[5] esnek küme teorisi olarak adlandırılan farklı bir yaklaşım önermiştir. Esnek küme teorisi olarak adlandırılan bu yaklaşım diğer yaklaşımlardaki zorluklardan tamamen ayrılmıştır. Esnek küme teorisi çeşitli alanlarda uygulamalar için zengin bir potansiyele sahiptir ve bunların bazıları Molodtsov’ un çalışmalarında gösterilmiştir. Daha sonra Maji ve arkadaşları[6] esnek kümeler üzerinde esnek kümelerin birleşimi, kesişimi, AND ve OR gibi çeşitli küme işlemleri tanımlamışlardır. Esnek kümeler üzerinde ilk cebirsel yapı Aktaş ve Çağman[7] tarafından “soft sets and soft groups” isimli makale ile tanımlamış ve esnek grupların temel özellikleri verilmiştir. Maji tarafından bulanık esnek kümeler BCK-BCI cebirleri üzerine uygulandı. Jun[8] bulanık esnek cebirleri ve bulanık esnek idealleri tanımladı ve temel özelliklerini inceledi. Feng ve arkadaşları[9] esnek yarı halka kavramını ifade ettiler ve esnek kümeler için mevcut olan özellikleri yarı halka yapısına uyarladılar. Acar ve arkadaşları[10] esnek halkalar için temel kavramları verdiler. Ali ve arkadaşları[11] esnek kümeler için bilinen birleşim ve kesişim gibi cebirsel yapıları yeniden düzenleyerek esnek kümelerde yeni ifadeler oluşturdular. 2001 Yılında Maji ve arkadaşları[12] bulanık küme ve esnek kümenin birleşimi olan bulanık esnek küme kavramını tanımlamışlar ve uygulamalarını vermişlerdir. Aygünoğlu ve Aygün[13], Aktaş ve Çağman[7] tarafından tanımlanan esnek grupların bir genelleştirmesi olan bulanık esnek grubu tanımlayarak karakteristik özelliklerini incelemiştir. Genelleştirilmiş bulanık esnek küme, Maji ve Arkadaşları[12] tarafından tanıtılan bulanık esnek küme 302

Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar

kavramının genişletilmesi ile Majumdar ve Samanta[15] tarafından çalışılmıştır. Bu çalışmada genelleştirilmiş bulanık esnek kümeler üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek grup ve genelleştirilmiş bulanık esnek halka tanımlamaları yapılmış ve bu kavramlara ait temel bazı özellikler verilerek ispatları yapılmıştır. 2. GENEL KAVRAMLAR (PRELIMINARIES) Tanım 2.1: U={x_1,x_2,…,x_n } evrensel küme ve E={e_1,e_2,…,e_n } parametrelerin kümesi olsun. Burada (U,E) ikilisi esnek kümedir. F:E→I^u ve μ:E→I=[0,1] tanımlı dönüşüm olsun. Burada I^u, U’ nun bütün bulanık alt kümelerinin koleksiyonudur. F_μ: E→I^u×I dönüşümü aşağıdaki gibi tanımlanan bir fonksiyondur. f_e∈I^u olmak üzere F_μ (e)=(f_e,μ(e))’ dir. F_μ’ ye (U,E) esnek evrensel kümesi üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek küme denir. Burada her e_i parametresi için F_μ (e_i )=(f_(e_(i ) ),μ(e_i )) , sadece U’ nun elemanlarının f_(e_(i ) )’ deki üyelik derecesini belirtmez, aynı zamanda μ(e_i ) ile gösterilen böyle bir aitliğin mümkün olma derecesini belirtir[15]. Tanım 2.2: F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek küme olsun. Eğer (i) (ii)

iki

μ ,δ’ nın bulanık alt kümesi ∀e∈E için f_e, g_e’ nin bulanık alt kümesi

şartları sağlanıyorsa 〖 F〗_μ’ ye G_δ’ nın genelleştirilmiş bulanık esnek alt kümesidir denir ve 〖 F〗_μ⊆G_δ ile gösterilir[15]. Tanım 2.3: F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek küme olsun. Eğer ∀e∈E için δ(e)=μ^c (e) ve g_e=〖f_e〗^c ise G_δ’ ya F_μ’ nün tümleyeni denir ve 〖F_μ〗^c=G_δ ile gösterilir[15]. Tanım 2.4: F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek küme olsun. F_μ ve G_δ kümelerinin birleşimi H_v: E→I^u×I, H_v (e)=(h_e,v(e)) olmak üzere F_μ ∪ ̃G_δ=H_v ile tanımlanır. Burada h_e=max{f_e ,g_e } ve v(e)=max{μ(e),δ(e)}’ dir[15]. Tanım 2.5: F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek küme olsun. F_μ ve G_δ kümelerinin kesişimi H_v: E→I^u×I, H_v (e)=(h_e,v(e)) SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 301-306, 2013


Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar

H. Aktaş, Ö. Bulut

olmak üzere F_μ ∩ ̃G_δ=H_v ile tanımlanır. Burada h_e=min{f_e ,g_e } ve v(e)=min{μ(e),δ(e)}’ dir[15].

f_(e_3 ) (ab)=0,8, f_(e_3 ) (a)=0,9, f_(e_3 ) (b)=0,8, f_(e_3 ) (e)=0,6

Tanım 2.6: Ф_θ:E→I^u×I ve Ф_θ (e)= (ϑ_e,θ(e)) ile tanımlansın. Burada ∀e∈E için f_e= 0 ̅ ve θ(e)=0 ise genelleştirilmiş bulanık esnek kümeye genelleştirilmiş boş bulanık esnek küme denir ve Ф_θ ile gösterilir[15].

olarak tanımlansın ve ∀x∈U için x^2=e olsun.

Tanım 2.7: A ̃_(α ): E→I^u×I ve A ̃_(α ) (e)=(A_e,α(e)) ile tanımlansın. Burada ∀e∈E için A_e= 1 ̅ ve α(e)=1 ise genelleştirilmiş bulanık esnek kümeye bir genelleştirilmiş mutlak bulanık esnek küme denir ve A ̃_(α ) ile gösterilir[15].

F_μ’ nün genelleştirilmiş bulanık esnek grup olması için ∀e∈E ve ∀x,y∈U için f_e (xy)≥min {f_e (x),f_e (y)} olduğunu göstermeliyiz. e_1∈E ve

3. GENELLEŞTİRİLMİŞ BULANIK ESNEK CEBİRSEL YAPILAR (GENERALIZED FUZZY SOFT ALGEBRAIC STRUCTURES)

Rosenfeld[2] tarafından bulanık gruplar kavramının, Aktaş ve Çağman[7] tarafından esnek gruplar kavramlarının tanımlanması ve bu kavramların çeşitli araştırmacılar tarafından çalışılması ile bulanık kümeler ve esnek kümeler üzerinde birçok cebirsel yapı tanımlanarak bu yapıların özellikleri incelenmiştir. Bu bölümde Majumdar ve Samanta[15] tarafından tanımlanan genelleştirilmiş bulanık esnek kümeler kullanılarak genelleştirilmiş bulanık esnek grup ve bulanık esnek halka kavramını tanımlayarak bazı özelliklerini inceleyeceğiz. 3.1. Genelleştirilmiş Bulanık (Generalized Fuzzy Soft Groups)

Esnek

Gruplar

Tanım 3.1.1: F_μ , (U,E) esnek evrensel kümesi üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek küme olsun. Eğer ∀e∈E için μ(e)>0 ve (i) ∀e∈E için ve ∀x,y∈U için f_e (xy)≥min {f_e (x),f_e (y)} (ii) ∀x∈U için f_e (x)=f_e (x^(-1) ) şartları sağlanıyor ise F_μ’ ye (U,E) esnek evrensel kümesi üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek grup denir. Örnek 3.1.2: U={e,a,b,ab}, Klein’ın 4-lü grubu olmak üzere E={e_1,e_2,e_3 } ve μ:E→I=[0,1] fonksiyonu μ(e_1 )=0,1, μ(e_2 )=0,4, μ(e_3 )=0,6 olarak tanımlansın. f_(e_1 ) (ab)=0,4, f_(e_1 ) (a)=0,4, f_(e_1 ) (b)=0,6, f_(e_1 ) (e)=0,5 f_(e_2 ) (ab)=0,5, f_(e_2 ) (a)=0,6, f_(e_2 ) (b)=0,5 f_(e_2 ) (e)=1 SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 301-306, 2013

∀e∈E için μ(e)>0 olmalı. μ(e_1 )=0,1≥0, μ(e_2 )=0,4≥0, μ(e_3 )=0,6≥0 olduğundan bu şart sağlanır.

a,b∈U için f_(e_1 ) (ab)=0,5≥min{f_(e_1 ) (a),f_(e_1 ) (b)}=min{0,4,0,6}=0,4. a,e∈U için f_(e_1 ) (ae)=f_(e_1 ) (a)=0,4≥min{f_(e_1 ) (a),f_(e_1 ) (e)}=min{0,4,0,5}=0,4. b,e∈U için f_(e_1 ) (be)=f_(e_1 ) (b)=0,6≥min{f_(e_1 ) (b),f_(e_1 ) (e)}=min{0,6,0,5}=0,5. ab,a∈U için f_(e_1 ) (aba)=f_(e_1 ) (aab)=f_(e_1 ) (a^2 b)=f_(e_1 ) (b)=0,6≥ min{f_(e_1 ) (ab),f_(e_1 ) (a)}=min{0,4,0,4}=0,4. ab,b∈U için f_(e_1 ) (abb)=f_(e_1 ) (ab^2 )=f_(e_1 ) (a)=0,4≥ min{f_(e_1 ) (ab),f_(e_1 ) (b)}=min{0,4,0,6}=0,4. e_2ve e_3 parametreleri için de bu şartın sağlandığı benzer şekilde gösterilebilir. Klein’in 4-lü grubunda her elemanın tersi kendisine eşit olduğundan ∀x∈U için f_e (x)=f_e (x^(-1) ) şartı da sağlanır. O halde (i) ve (ii) şartları sağlandığından F_μ=(f_e,μ(e)) genelleştirilmiş bulanık esnek gruptur. Teorem 3.1.3: F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek grup olsun. Bu takdirde F_μ ∩ ̃ G_δ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek gruptur. İspat. F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek grup olduğundan ∀e∈E için μ(e)>0 ve δ(e)>0’ dır. F_μ ∩ ̃ G_δ=H_v olsun. Buna göre H_v=(h_e,v(e))’ dir. v(e)=min{μ(e),δ(e)}>0’ dır. Ayrıca ∀e∈E ve ∀x,y∈U için h_e (xy)≥min{f_e (xy),g_e (xy)}’ dir. f_e ve g_e bulanık grup olduklarından

303


H. Aktaş, Ö. Bulut

Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar

h_e (xy)=min{f_e (xy),g_e (xy)}≥min{min{f_e (x),f_e (y)},min{g_e (x),g_e (y)}}=min{min{f_e (x),g_e (x)},min{f_e (y),g_e (y)}}=min{h_e (x),h_e (y)} elde edilir.

Tanım 3.1.6: A ̃_(α ): E→I^u×I ve A ̃_(α ) (e)=(A_e,α(e)) ile tanımlansın. Burada ∀e∈E için A_e= 1 ̅ ve α(e)=1 ve A_e bir bulanık grup ise A ̃_(α )‘ ya genelleştirilmiş mutlak bulanık esnek grup denir.

∀x∈U için h_e (x)=h_e (x^(-1) ) olduğunu göstermeliyiz. h_e=max{f_e ,g_e } ve F_μ ve G_δ iki genelleştirilmiş bulanık esnek grup olduğundan

Önerme 3.1.7: F_μ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek grup ve A ̃_(α )genelleştirilmiş mutlak bulanık esnek grup olmak üzere aşağıdaki önermeler doğrudur.

h_e (x)=max{f_e (x) ,g_e (x)}=max{f_e (-x) ,g_e (x)}=h_e (-x) olur. O halde bulanık alt grup şartları sağlandığından F_μ ∩ ̃ G_δ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek gruptur. Tanım 3.1.4: F_μ ve G_δ, (U,E) esnek evrensel kümesi üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek grup olsun. Eğer (i) μ,δ’ nın bulanık alt kümesi (ii) ∀e∈E için f_e, g_e’ nin bulanık alt grubu ise F_μ’ ye G_δ’ nın genelleştirilmiş bulanık esnek alt grubu denir. Örnek 3.1.5: Örnek 6.1.2’ de (U,E) üzerinde verilen F_μ genelleştirilmiş bulanık esnek grubu verilsin. (U,E) üzerinde G_δ genelleştirilmiş bulanık esnek grubu aşağıdaki şekilde tanımlansın δ(e_1 )=0,5, tanımlansın.

δ(e_2 )=0,7,

δ(e_3 )=0,9 olarak

g_(e_1 ) (ab)=0,5, g_(e_1 ) (a)=0,5, g_(e_1 ) (b)=0,7, g_(e_1 ) (e)=0,6

F_μ ∩ ̃ F_μ ,F_μ’ nün bir genelleştirilmiş bulanık esnek alt grubudur. F_μ ∩ ̃ A ̃_(α ) ,F_μ’ nün bir genelleştirilmiş bulanık esnek alt grubudur. F_μ ∪ ̃ A ̃_(α ) genelleştirilmiş bulanık esnek gruptur. İspat: (i) F_μ ∩ ̃ F_μ=H_v olsun. H_v (e)=(h_e,v(e)) ve ∀e∈E için h_e=min{f_e ,f_e }=f_e ve v(e)=min{μ(e) ,μ(e)}=μ(e)’ dir. ∀e∈E için ∀e∈E için μ(e)≥μ(e)’ dir. ∀e∈E için f_e, f_e’ nin bulanık alt grubudur. O halde (i) ve (ii) şartları sağlandığından F_μ ∩ ̃ F_μ ,F_μ’ nün bir genelleştirilmiş bulanık esnek alt grubudur. (ii) F_μ ∩ ̃ A ̃_(α )=H_v olsun. H_v (e)=(h_e,v(e)) ve ∀e∈E için h_e=min{f_e ,A_e }=min{f_e,1}=f_e ve v(e)=min{μ(e) ,α(e)}=min{μ(e) ,1}=μ(e)’ dir. ∀e∈E için ∀e∈E için α(e)=1≥μ(e)’ dir.

g_(e_2 ) (ab)=0,7, g_(e_2 ) (a)=0,8, g_(e_2 ) (b)=0,7 , g_(e_2 ) (e)=1

∀e∈E için f_e, A_e’ nin bulanık alt grubudur.

g_(e_3 ) (ab)=0,9, g_(e_3 ) (a)=0,9, g_(e_3 ) (b)=1, g_(e_3 ) (e)=0,8

O halde (i) ve (i) şartları sağlandığından F_μ ∩ ̃ F_μ,A ̃_(α )’ nin bir genelleştirilmiş bulanık esnek alt grubudur.

μ,δ’ nın bulanık alt kümesi olduğunu göstermeliyiz. ∀e∈E için

(iii) Tanım 5.1.6 ve Tanım 6.1.1 kullanılarak kolay bir şekilde ispatlanır.

δ(e_1 )=0,5≥μ(e_1 )=0,1, δ(e_2 )=0,7≥μ(e_2 )=0,4, δ(e_3 )=0,9≥μ(e_3 )=0,6 olduğundan μ,δ’ nın bulanık alt kümesidir.

Tanım 3.1.8 (U,E) birim esnek grup ve F_μ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek grup ise F_μ’ ye genelleştirilmiş birim bulanık esnek grup denir.

∀e∈E ve ∀x∈U için g_(e_1 ) (x)≥f_(e_1 ) (x) olduğu da görülebilir.

3.2 Genelleştirilmiş Bulanık (Generalized Fuzzy Soft Rings)

O halde F_μ, G_δ’ nın genelleştirilmiş bulanık esnek alt grubudur.

Tanım 3.2.1: F_μ, (U,E) evrensel kümesi üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek küme olsun. Eğer ∀e∈E için μ(e)>0 ve

304

Esnek

Halkalar

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 301-306, 2013


Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar

H. Aktaş, Ö. Bulut

(i) ∀x,y∈R için f_a (x-y)≥min{〖 f〗_a (x) ,〖 f〗_a (y) }

0,1∈U için f_(e_1 ) (0.1)=f_(e_1 ) (0)=0,4≥min{f_(e_1 ) (0),f_(e_1 ) (1)}=min{0,4,0,3}=0,3.

(ii) ∀x,y∈R için f_a (xy)≥min{〖 f〗_a (x) ,〖 f〗_a (y) } şartları sağlanıyor ise F_μ’ye (U,E) esnek evrensel kümesi üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek halka denir. Örnek 3.2.2 Z_3={ 0,1,2 } halkası, E={e_1,e_2,e_3 } parametrelerin kümesi ve μ:E→I=[0,1] fonksiyonu μ(e_1 )=0,5, μ(e_2 )=0,3, μ(e_3 )=0,7

0,2∈U için f_(e_1 ) (0.2)=f_(e_1 ) (0)=0,4≥min{f_(e_1 ) (0),f_(e_1 ) (2)}=min{0,4,0,3}=0,3. 2,0∈U için f_(e_1 ) (2.0)=f_(e_1 ) (0)=0,4≥ min{f_(e_1 ) (2),f_(e_1 ) (0)}=min{0,3,0,4}=0,3. 1,2∈U için f_(e_1 ) (1.2)=f_(e_1 ) (2)=0,3≥min{f_(e_1 ) (1),f_(e_1 ) (2)}=min{0,3,0,3}=0,3.

olarak tanımlansın. f_(e_1 ) (0)=0,4, f_(e_1 ) (1)=0,3, f_(e_1 ) (2)=0,3

2,1∈U için f_(e_1 ) (2.1)=f_(e_1 ) (2)=0,3≥min{f_(e_1 ) (2),f_(e_1 ) (1)}=min{0,3,0,3}=0,3.

f_(e_2 ) (0)=0,5, f_(e_2 ) (1)=0,2, f_(e_2 ) (2)=0,2

e_2ve e_3 parametreleri için de bu şartın sağlandığı benzer şekilde gösterilebilir.

f_(e_3 ) (0)=1, f_(e_3 ) (1)=0,8, f_(e_3 ) (2)=0,8 olarak tanımlansın. ∀e∈E için μ(e)>0 olmalı. μ(e_1 )=0,5≥0, μ(e_2 )=0,3≥0, μ(e_3 )=0,7≥0 olduğundan bu şart sağlanır. F_μ’ nün genelleştirilmiş bulanık esnek halka olması için ∀e∈E ve ∀x,y∈U için f_e (x-y)≥min {f_e (x),f_e (y)} olduğunu göstermeliyiz. e_1∈E ve 0,1∈U için f_(e_1 ) (0-1)=f_(e_1 (2)=0,3≥min{f_(e_1 ) (1)}=min{0,4,0,3}=0,3.

1,0∈U için f_(e_1 ) (1.0)=f_(e_1 ) (0)=0,4≥min{f_(e_1 ) (1),f_(e_1 ) (0)}=min{0,3,0,4}=0,3.

)

(-1)=f_(e_1 (0),f_(e_1

) )

1,0∈U için f_(e_1 ) (1-0)=f_(e_1 ) (1)=0,3≥min{f_(e_1 ) (1),f_(e_1 ) (0)}=min{0,3,0,4}=0,3. 0,2∈U için f_(e_1 ) (0-2)=f_(e_1 ) (-2)=f_(e_1 ) (1)=0,3≥min{f_(e_1 ) (0),f_(e_1 ) (2)}=min{0,4,0,3}=0,3. 2,0∈U için f_(e_1 ) (2-0)=f_(e_1 ) (2)=0,3≥ min{f_(e_1 ) (2),f_(e_1 ) (0)}=min{0,3,0,4}=0,3. 1,2∈U için f_(e_1 ) (1-2)=f_(e_1 ) (-1)=f_(e_1 ) (2)=0,3≥min{f_(e_1 ) (1),f_(e_1 ) (2)}=min{0,3,0,3}=0,3. 2,1∈U için f_(e_1 ) (2-1)=f_(e_1 ) (1)=0,3≥min{f_(e_1 ) (2),f_(e_1 ) (1)}=min{0,3,0,3}=0,3. e_2ve e_3 parametreleri için de bu şartın sağlandığı benzer şekilde gösterilebilir.

(i)ve (ii) şartları sağlandığından f_μ , genelleştirilmiş bulanık esnek halkadır. Teorem 3.2.3: F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek halka olsun. Bu takdirde F_μ ∩ ̃ G_δ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek halkadır. İspat. F_μ ve G_δ, (U,E) üzerinde iki genelleştirilmiş bulanık esnek halka olduğundan ∀e∈E için μ(e)>0 ve δ(e)>0’ dır. F_μ ∩ ̃ G_δ=H_v olsun. Buna göre H_v=(h_e,v(e))’ dir. v(e)=min{μ(e),δ(e)}>0’ dır. (i) ∀e∈E ve ∀x,y∈U için h_e (x-y)≥min{h_e (x),h_e (y)} olduğunu göstermeliyiz. h_e (x)=min{f_e (x),g_e (y)} ve f_e ve g_e bulanık grup olduklarından h_e (x-y)=min{f_e (x-y),g_e (x-y)}≥min{min{f_e (x),f_e (y)},min{g_e (x),g_e (y)}}=min{min{f_e (x),g_e (x)},min{f_e (y),g_e (y)}}=min{h_e (x),h_e (y)} elde edilir. (ii) ∀e∈E ve ∀x,y∈U için h_e (xy)≥min{h_e (x),h_e (y)} olduğunu göstermeliyiz. h_e (xy)=min{f_e (xy),g_e (xy)}≥min{min{f_e (x),f_e (y)},min{g_e (x),g_e (y)}}=min{min{f_e (x),g_e (x)},min{f_e (y),g_e (y)}}=min{h_e (x),h_e (y)} elde edilir. (i) ve (ii) şartları sağlandığından F_μ ∩ ̃ G_δ, (U,E) üzerinde genelleştirilmiş bulanık esnek halkadır.

∀x,y∈R için f_a (xy)≥min{〖 f〗_a (x) ,〖 f〗_a (y) } olduğunu göstermeliyiz. e_1∈E ve SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 301-306, 2013

305


H. Aktaş, Ö. Bulut

Genelleştirilmiş bulanık esnek cebirsel yapılar

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

[12] [13] [14]

[15]

306

L.A. Zadeh, (1965), Fuzzy Sets, Information and Control 8, 338-353. A.Rosenfeld, 1971, Fuzzy Groups, J. Math. Anal. Appl. 35, 512-517. Wang-Jin Liu, (1982), Fuzzy invariant subgroups and fuzzy ideals,Fuzzy Sets and Systems 8, 133139. Wang-Jin Liu, (1982), Operations on fuzzy ideals, Fuzzy Sets and Systems 11 31-41. D. Molodtsov, (1999), Soft set theory-first result, , Comput.Math.Appl. 37 19-31. P. K. Maji, R. Biswas, A. R. Roy, (2003) Soft set theory, Comput.Math.Appl. 45 555-562. H. Aktaş, N. Çağman, (2007), Soft sets and soft groups, Inform.Sci. 177, 2726-2735. Y. B. Jun, (2008), Soft BKC/BKI-algebra, , Comput.Math.Appl. 56, 1408-1413. F. Feng, Y.B.Jun, X.Zhao, (2008), Soft semirings , Comput.Math.Appl. 56, 2621-2628. U. Acar, F. Koyuncu ve B. Tanay, (2010), Soft Set Soft Rings, Computers and Mathematics with Applicarions, 59, 3458-3463. M.I. Ali, F. Feng, X. Liu and W. K. M. Shabir, (2009), On some new operations in soft set theory, Computers and Mathematics with Appl. 57 ,15471553. P. K. Maji, R. Biswas, A. R. Roy, (2001), Fuzzy soft set, Journal of Fuzzy Mathematics 9 (3) 589602. A. Aygünoğlu and H. Aygün, (2009), Introduction to Fuzzy soft groups, Computers and Mathematics with Appl. 58, 1279-1286. S. Subramanian, R. Nagarajan and A. Mohan, (2012),Homomorphic Image of Fuzzy Soft Rings with Supremum Property under Triangular Norms, International Mathematical Forum 7, 6,281-295. Majumdar and S.K. Samanta, (2010), Generalised Fuzzy Soft Set, Computers and Mathematics with Appl. 57, 1425-1432.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 301-306, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 307-314, 2013

SAU J. Sci. Vol 07, No 3, p. 307-314, 2013

Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması Mustafa Ahmet Beyazıt Ocaktan1*, Ufuk Kula2 1*

Balıkesir Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Balıkesir 2 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Endüstri Mühendisliği, Sakarya 24.01.2013 Geliş/Received, 03.04.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Gerçek yaşam problemleri genellikle modellenmesi zor ve büyük ölçekli problemlerdir. Bu nedenle bu tür problemlerin klasik optimizasyon yöntemleriyle çözülmeleri çoğu zaman mümkün değildir. Bu makalede yarı Markov karar süreci olarak modellenebilen gerçek yaşam problemlerine yaklaşık optimal çözüm üreten çok katmanlı yapay sinir ağı yaklaşımlı bir ödüllü öğrenme algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritmanın performansı küçük ölçekli sayısal bir örnek üzerinde ölçülmüş ve klasik ödüllü öğrenme algoritmasıyla kıyaslanmıştır. Sayısal denemelerden elde edilen sonuçlara göre, geliştirilen algoritmanın başarısında yapay sinir ağındaki gizli katman sayısı önemli bir etkendir ve uygun gizli katman sayısına sahip yapay sinir ağı yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritmasıyla elde edilen çözümün ortalama maliyeti, klasik ödüllü öğrenme algoritmasıyla elde edilen çözümün ortalama maliyetiyle yaklaşık aynıdır. Anahtar Kelimeler: Markov/yarı Markov karar süreci, ödüllü öğrenme, çok katmanlı yapay sinir ağları

A reinforcement learning algorithm using multi-layer artificial neural networks for semi Markov decision problems ABSTRACT Real life problems are generally large-scale and difficult to model. Therefore, these problems can’t be mostly solved by classical optimization methods. This paper presents a reinforcement learning algorithm using a multi-layer artificial neural network to find an approximate solution for large-scale semi Markov decision problems. Performance of the developed algorithm is measured and compared to the classical reinforcement algorithm on a small-scale numerical example. According to results of numerical examples, the number of hidden layer is the key success factor, and average cost of the solution generated by the developed algorithm is approximately equal to that generated by the classical reinforcement algorithm. Keywords: Markov/semi Markov decision process, reinforcement learning, multi-layer artificial neural networks

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


M.A.B. Ocaktan, U. Kula

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Gerçek yaşam problemlerinin hemen hemen hepsi büyük ölçekli, karmaşık ve stokastik yapıya sahiptir, ve bu problemlerin önemli bir bölümü Markov/yarı Markov karar süreci (Markov /semi Markov decision process) olarak modellenebilir. Çok ürünlü bir stok sistemindeki yaklaşık optimal stok yenileme ve ürün kombinasyonu politikasının belirlenmesi [1], hava yolu endüstrisindeki koltuk sınıflandırma ve rezervasyon kotalarının belirlenmesi [2], otomatik kontrollü taşıma araçlarının optimal rotalarının belirlenmesi [3], farklı müşteri sınıflarına sahip kuyruk sistemlerinde optimal kontrol politikasının belirlenmesi [4] vb. problemler literatürde çokça karşılaşılan ve Markov/yarı Markov karar süreci olarak modellenebilen gerçek yaşam problemleridir. Bu tür problemler, çözüm uzayının çok büyük olması ve modellemedeki zorluklar nedeniyle geleneksel doğrusal olmayan programlama yada klasik dinamik programlama algoritmalarıyla çözülemez. Günümüz bilgisayarlarının giderek artan hesaplama ve depolama gücü sayesinde simülasyon tabanlı optimizasyon teknikleriyle, stokastik yapıya sahip karmaşık problemlere yaklaşık optimal çözümler bulunabilmektedir. Son yıllarda oldukça popüler olan simülasyon tabanlı optimizasyon tekniklerinden ödüllü öğrenme (reinforcement learning), dinamik programlamaya dayalı tekniklerin geliştirilmesiyle ortaya çıkmıştır, ve dinamik programlamadaki gibi her bir durum için başlangıçtan sona uzun dönemli olası en küçük maliyeti veren bir değer fonksiyonu hesaplar. Ödüllü öğrenmeyle Markov/yarı Markov karar süreci olarak modellenebilen gerçek yaşam problemleri, yaklaşık optimal olarak çözülebilmektedir. Bertsekas ve Tsitsiklis [5], Sutton [6], Gosavi [7] ve Buşoniu ve arkadaşları [8]’dan ödüllü öğrenme algoritmaları ve ilgili literatür ayrıntılı olarak görülebilir. Bu çalışmada, uzun dönemde ortalama maliyet kriteri altında yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümüne odaklanılmıştır. Markov karar süreçlerinde zincirdeki herhangi bir geçişin süresi sabit bir birim olması gerekirken, yarı Markov karar süreçlerinde bu süre genel dağılımlı bir rassal değişkendir. Yarı Markov karar süreci problemlerinde zincirdeki her bir durum geçişinde sistemde harcanan süre de hesaba katıldığı için, gerçek yaşam problemlerini yarı Markov karar süreci olarak modellemek daha gerçekçidir. Markov ve yarı Markov karar süreci problemleri ve ilgili literatür Puterman [9]’da ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Ortalama ödül kriteri altında yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümü için Das ve arkadaşları [10] ve Gosavi [11] SMART (semi Markov average reward technique) ile Gosavi [7] Relaxed SMART (relaxed semi 308

Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

Markov average reward technique) algoritmalarını geliştirmiştir. Her iki algoritma da hem Markov ve hem de yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde kullanılabilmektedir. Makalede, yarı Markov karar süreci problemleri için SMART algoritmasından hareketle çok katmanlı yapay sinir ağı yaklaşımlı bir ödüllü öğrenme algoritması geliştirilmiştir. Yarı Markov karar süreci olarak modellenmiş çok ürünlü bir stok sistemindeki ürün kombinasyonu problemi geliştirilen algoritmayla çözülmüş, ve klasik ödüllü öğrenme algoritması çözümleriyle kıyaslanarak geliştirilen algoritmanın kullanılabilirliği araştırılmıştır. Makale, stokastik dinamik program olarak modellenebilen büyük ölçekli ve karmaşık gerçek yaşam problemlerinin çözüm yöntemlerine katkı sağlamayı amaçlamaktadır. Makalenin 2. bölümünde ödüllü öğrenme ve yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümü için literatürde yer alan SMART ödüllü öğrenme algoritması verilmiştir. 3. bölümde SMART algoritmasından hareketle geliştirilen yapay sinir ağı yaklaşımlı NeuroSMART algoritması yer almaktadır. 4. Bölümde sayısal uygulamalı örneklerle çok katmanlı yapay sinir ağıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritmasının çözüm kalitesi araştırılmış, ve son bölümde ise elde edilen sonuçlar sunulmuştur. 2. ÖDÜLLÜ ÖĞRENME ALGORİTMASI (REINFORCEMENT LEARNING ALGORITHM)

İzleyen bölümde kısaca ödüllü öğrenme özetlenmiş ve ortalama maliyet yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümü için literatürde yer alan SMART ödüllü öğrenme algoritması verilmiştir. 2.1. Ödüllü Öğrenme (Reinforcement Learning) Ödüllü öğrenmedeki temel düşünce, bir simülatörde adım adım ilerleyerek durumlar için verilen iyi kararların ödüllendirilip kötü kararların cezalandırılması, ve dinamik programlamadaki gibi uzun dönemde her bir durum için olası en küçük maliyeti/en büyük kârı veren değer fonksiyonunun hesaplanmasıdır. Ancak, dinamik programlamada durumun değer fonksiyonu elemanlarıyla ilgilenilirken, ödüllü öğrenmede durum karar ikililerinin değer fonksiyonlarıyla ilgilenilir. Dinamik programlamada durumların değer fonksiyonlarının hesaplanabilmesi için geçiş olasılıklarının, geçiş ödüllerinin ve -yarı Markov karar süreci problemleri için- geçiş sürelerinin hesaplanması gerekir. Bu hesaplamaların yapılması rassal değişkenlerin çok katlı integrallerinin alınmasını gerektirir, ve problemin boyutu ve karmaşıklığı arttıkça SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013


M.A.B. Ocaktan, U. Kula

Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

bu hesaplamaların yapılabilirliği imkansızlaşır. Ödüllü öğrenmede ise tüm hesaplamalar bir simülatör vasıtasıyla yapılmakta ve durum-karar ikililerinin değer fonksiyonları Q faktör formlarında arama tablolarında depolanmaktadır. Tüm bu modelin karmaşıklığı ve bir dereceye kadar boyut problemiyle başa çıkabilme beceresine rağmen ödüllü öğrenme algoritmaları, dinamik programlamanın aksine optimal çözüm bulmayı garanti etmez. Buna karşın dinamik programlamayla çözülemeyecek boyut ve karmaşıklıktaki problemlere, ödüllü öğrenmeyle yaklaşık optimal çözüm bulunabilir. 2.2. SMART Algoritması (SMART Algorithm) Yarı Markov karar süreci problemlerinde zincirdeki geçiş süreleri Markov karar süreci problemlerindeki gibi sabit birim değil, genel dağılımlı bir rassal değişkendir. Bu nedenle yarı Markov karar süreci problemlerindeki geçiş süreleri birlikleştirme (uniformization) süreciyle sabit birime dönüştürülüp, Markov karar süreci problemlerinin çözümü için geliştirilmiş Q öğrenmesi (Q learning), Q-P öğrenmesi (Q-P learning) vb. ödüllü öğrenme algoritmalarıyla çözülebilir. Ancak, yarı Markov karar süreci problemlerinin birlikleştirme süreciyle tam olarak Markov karar sürecine dönüştürülmesi her durumda mümkün değildir. Ayrıca, birlikleştirme süreci için geçiş olasılıklarının da bilinmesi gerekir. Literatürde yer alan SMART algoritması, yarı Markov karar süreci problemlerini Markov karar süreci problemine dönüştürülmesine gerek kalmaksızın yaklaşık optimal olarak çözen bir ödüllü öğrenme algoritmasıdır. Algoritmanın motivasyon kaynağı denklem 1’de verilen Belman [12]’ın optimallik denklemidir: min ∈

,

| ,

,

1

, durumunda Belman’ın optimallik denkleminde bulunmanın değerini; , , durumundayken a | , , kararını almanın anlık maliyetini; durumundayken a kararı seçildiğinde durumuna geçiş olasılığını; , , mevcut karar aşamasında durumundayken a kararı seçildiğinde sonraki karar aşamasına kadar geçen beklenen süreyi; ∗ , optimal politikanın ortalama maliyetini göstermektedir. Optimallik denkleminde yer alan optimal politikanın ortalama maliyeti ∗ , başlangıçta bilinemez. Bu nedenle SMART algoritmasının dinamik programlamadaki optimallik denkleminin Q faktör versiyonu olan güncelleme denkleminde, optimal politikanın ortalama maliyetinin tahmincisi kullanılır. SMART algoritmasındaki Q faktör değerlerinin güncelleme denklemi, denklem 2’de verilmiştir. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013

,

← 1

,

, ,

, ,

min ∈

,

2

Güncelleme denklemindeki α, öğrenme oranını göstermekte ve , durum-karar ikililerinin simülatördeki ziyaret sayılarından hesaplanmaktadır. Denklemdeki , , , a kararının etkisi altında i durumundan j durumuna geçilmesiyle oluşan anlık maliyeti ve , , ise, aynı geçişte harcanan süreyi gösterir. Algoritmada , çözüm boyunca güncellenerek ∗ gittikçe ’a yaklaşır, ancak ’nın algoritmada güncellenmesi için, simülatörde seçilen faaliyetin o ana kadar o durumdaki en iyi Q-faktör değerine sahip karar (greedy action) olması gerekir. Aksi durumda güncellenmez. , durum karar ikililerinin ziyaret sayıları; , durum uzayı; , karar uzayı; k, simülasyonda algoritmanın yineleme sayısı; TS, toplam süre; TM, toplam maliyet; , öğrenme oranı; B, öğrenme oranı sabiti; ), greedy politikanın maliyeti ve , seçilen kararın greedy olup olmadığını gösteren gösterge değişkeni olmak üzere SMART ödüllü öğrenme algoritmasının adımları aşağıda verilmiştir: Adım 1: Tüm Q faktörleri, tüm (V) ziyaret sayılarını, simülasyonda yineleme sayısını (k), toplam süreyi (TS), toplam maliyeti (TM) ve greedy politikanın maliyetini ( ) sıfır (0) yap. ∈ , ∈ 0, ← 0,

için ← 0.

,

← 0,

,

← 0 ve ← 0,

1’den küçük öğrenme oranı sabiti B’yi belirle (B<1). Yeterince büyük, algoritmanın çalışacağı yineleme sayısı belirle. Sistemin simülasyonunu herhangi keyfi durumdan başlat. Adım 2: Mevcut durum i olsun. Rastgele bir karar a seç. ’i, denklem 3’e göre belirle. 0,

∈ argmin ∈

,

ise

1, Aksi halde

3

Adım 3: Karar a’yı simüle et. Gidilen durum j olsun. , , , a kararı altında i durumundan j durumuna , , , aynı geçildiğinde kazanılan anlık maliyet ve geçiş için geçen süreyi göstermek üzere, , ikilisinin ziyaret sayısı , ile yineleme sayısı k’yı 1 arttır. Öğrenme oranı / , ’yı hesapla. Adım 4a: Denklem 2’de verilen güncelleme denklemini kullanarak , ’yı güncelle.

309


M.A.B. Ocaktan, U. Kula

Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

Adım 4b: Eğer seçilen a kararı greedy ise ( 0), denklem 4’ü kullanarak toplam süre TS’yi ve denklem 5’i kullanarak toplam maliyet TM’yi güncelle. ←

, , 4

, , 5

Adım 4c: Greedy politikanın maliyeti ’yı denklem 6’yı kullanarak güncelle. 6

Adım 5: Eğer 6’ya geç. Adım 6: Her bir

ise adım 2’ye dön. Değilse adım ∈ için

min ∈

,

seç.

Algoritmayla üretilen politika ’dır. Dur.

durum-karar ikilileri için bile değer üretilebilir. Çok katmanlı yapay sinir ağlarının en önemli özelliği matematiksel olarak modellenemeyen fonksiyonlara yaklaşma yetenekleridir. Girdi katmanı birden fazla düğümden oluşan ve çıktı katmanında tek bir düğümün bulunduğu çok katmanlı yapay sinir ağları, ödüllü öğrenmede durum karar ikililerinin Q faktör fonksiyonuna yaklaşmak için başarıyla kullanılabilir. Makalede, orta ve büyük ölçekli problemlerde karşılan çok sayıda durum-karar ikililerinin Q faktör değerlerinin depolanması gerekliliği ile baş edebilmek için, Q faktör fonksiyonuna çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla yaklaşılmıştır. Şekil 1’de 1 girdi, 2 gizli ve 1 çıktı katmanlı yapay sinir ağı mimarisinde görüldüğü üzere yapay sinir ağları, verilen girdi-çıktı düğümleriyle ağın parametrelerini ayarlama temeline dayanır. Yapay sinir ağları, istenen bir sistem performansını gerçekleştirebilen bir kontrol biçimini öğrenebilmek için uygun ağırlık bağlantılarıyla kendi kendilerini biçimlendirir.

SMART algoritması, zincirdeki geçiş sürelerini sabit birime dönüştürmeksizin ortalama ödül problemlerine yaklaşık optimal çözüm üretir. Ayrıca Markov karar süreci problemleri, algoritmadaki geçiş süreleri sabit birim alınarak SMART algoritmasıyla da çözülebilir. 3. NEUROSMART ALGORİTMASI (NEUROSMART ALGORITHM)

Ödüllü öğrenmede her ne kadar geçiş olasılıkları, geçiş ödülleri ve yarı Markov karar süreci problemleri için geçiş süreleri simülatörde hesaplansa bile, büyük ölçekli problemlerde bu değerlerin bilgisayarda arama tablolarında depolanması ve her algoritma yinelemesinde güncellenmesi problemi hala ortadadır. Örneğin 1000 adet durum ve her bir durum için 3 kararın bulunduğu küçük ölçekli bir problemde bile simülatörden üretilip, depolanması gereken Q faktör değer matrisi 10003=109 (bir milyar) elemanlıdır. Her bir durumdaki karar sayısının sadece bir artması durumunda ise depolanması gereken matrisin eleman sayısı 1012 (bir trilyon) olacaktır. Günümüz bilgisayarlarında bile hafıza problemi nedeniyle bu büyüklükte matrislerin depolanması mümkün değildir. Durum uzayının kesikli değil de sürekli olduğu problemlerde, depolama problemi daha da dramatik bir hal alır. Boyut problemiyle başa çıkabilmek için Q faktör değerlerini tek tek arama tablolarına depolamak yerine, fonksiyon yaklaşım metotlarıyla tahmin etmek kullanışlıdır. Böylece az sayıda skaler sayıyla, milyarlarca durum karar ikilisinin Q faktör değerleri tahmin edilebilir. Ayrıca fonksiyon yaklaşımıyla, simülasyon süresince hiç yada çok az ziyaret edilecek 310

Şekil 1. Dört katmanlı yapay sinir ağı mimarisi (A four-layer neural network architecture)

Geliştirilen NeuroSMART ödüllü öğrenme algoritmasında kullanılan çok katmanlı yapay sinir ağının giriş katmanındaki düğümleri, , durum-karar ikilileri oluşturmaktadır. Çıktı katmanında ise tek bir düğüm bulunmakta ve bu düğüm girdi katmanında verilen , ikilisine karşılık üretilen , faktör değeridir. Gizli katmanlar ise, doğrusal olmayan fonksiyonların yapay sinir ağlarıyla tahmin edilebilmesini sağlayan birimlerdir. w, yapay sinir ağının ağırlıkları; q, algoritmada yapay sinir ağından tahmin edilen durum-karar ikilisi değerleri; , durum uzayı; , karar uzayı; k, simülasyonda algoritmanın yineleme sayısı; TS, toplam süre; TM, toplam maliyet; , öğrenme oranı; ), greedy politikanın maliyeti ve , seçilen kararın greedy olup olmadığını gösteren gösterge değişkeni olmak üzere geliştirilen NeuroSMART algoritmasının adımları aşağıda verilmiştir:

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013


Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

M.A.B. Ocaktan, U. Kula

Adım 1: Yapay sinir ağının başlangıç ağırlıklarını w(.) rassal olarak belirle.

Adım 7: Dur. Öğrenilen politika yapay sinir ağının ağırlıklarında depolanır.

Adım 2: Tüm q faktör değerlerini, simülasyonda algoritmanın yinelenme sayısını (k), toplam süreyi (TS), toplam maliyeti (TM) ve greedy politikanın maliyetini sıfır (0) yap.

Algoritmanın başlangıcında q faktör değerlerini tahmin etmek için, adım 1’de rassal olarak belirlenen w(.) başlangıç ağırlıklarına sahip yapay sinir ağı kullanılır. Adım 6’da ise algoritma ilerledikçe o ana kadar açığa çıkmış q değerleri yapay sinir ağı girdisi olarak alınır ve artımlı bir şekilde yapay sinir ağının ağırlıkları güncellenerek, istenen durumların q faktör değerlerinin tahmininde kullanılır. Bir durumla ilgili kararı belirlemek için, bu durum için izin verilen kararların yapay sinir ağı çıktıları bulunur. Çıktısı en iyi olan karar, ilgili durum için en iyi politikadır.

∈ ,

için

,

ve ← 0,

← 0,

← 0,

← 0.

Sabit öğrenme oranı , 0 1 belirle. Yeterince belirle. Sistemin büyük yineleme sayısı simülasyonu herhangi keyfi durumdan başlat. Adım 3: Mevcut durum i olsun. Tüm ∈ kararları için, çok katmanlı yapay sinir ağını kullanarak , değerlerini tahmin et. Adım 4: Rastgele bir karar a seç. ’i, denklem 7’ye göre belirle. Karar a’yı simüle et, geçilen durum j olsun. Simülatörde a kararı altında i durumundan j durumuna geçildiğinde oluşan anlık maliyet , , ’yi ve aynı geçiş için geçen süre , , ’yi hesapla. 0,

∈ argmin ∈

,

ise

1, Aksi halde

7

Adım 5a: Yapay sinir ağını kullanarak j durumundaki , , ∈ değerlerini belirle. tüm kararlar için Denklem 8’i kullanarak j durumunun o anki q faktör değeri ’i hesapla. Denklem 9’u kullanarak , durum-karar ikilisinin q faktör değeri , ’yı güncelle. ← ,

min

,

← 1

,

8 , ,

, ,

9

0) ise, Adım 5b: Eğer seçilen a kararı greedy ( denklem 10’u kullanarak toplam süre TS’yi ve denklem 11’i kullanarak toplam maliyet TM’yi güncelle. ← ←

, , 10 , , 11

Adım 5c: Denklem 12’yi kullanarak greedy politikanın maliyeti ’yı güncelle. 12

4. SAYISAL ÖRNEK (NUMERICAL EXAMPLE) Geliştirilen çok katmanlı yapay sinir ağı yaklaşımlı NeuroSMART algoritmasının çözüm kalitesinin belirlenebilmesi için, durum karar sayısı nispeten küçük olan çok ürünlü bir stok sisteminde yaklaşık optimal ürün kombinasyonun belirlenmesi problemi tasarlanmıştır. Problem hem SMART hem de NeuroSMART algoritmalarıyla çözülmüş ve daha büyük ölçekli problemler için NeuroSMART algoritmasının genelleştirilip, genelleştirilemeyeceği araştırılmıştır. Sayısal örnekteki ürün talep süreci, müşteri gelişleri ortalaması 5 müşteri/saat ve bireysel ürün talepleri Tablo 1’de verilen kesikli dağılıma uyan birleşik Poisson sürecidir. Örnekte, çok ürünlü stok sisteminde 4 çeşit ürün bulunduğu ve ürün çeşitlerinin fiyatlarının sırasıyla 10 TL, 20 TL, 50 TL ve 100 TL olduğu varsayılmıştır. Stok sistemindeki tüm ürün çeşitleri birbirileri ile tam ikamedir, ve ürün ikamesi firma kaynaklı olarak hem aşağı ve hem de yukarı yönlü gerçekleşebilmektedir. Stoklarda yer alan tüm ürün çeşitleri için stokta bulundurma maliyeti h=0,01 TL/TL/saat; birincil sipariş maliyeti K=10 TL/sipariş; ikincil sipariş maliyeti k=5 TL/siparişe eklenen ürün çeşidi sayısı; talebin stoktan karşılanamaması maliyeti w=10 TL/siparişi stoktan karşılanamayan müşteri sayısı ve müşterinin kaçırdığı faydanın ceza maliyeti p=0,5 TL/kayıp müşteri faydası olarak tanımlanmıştır. Belirlenen stok politikasının tüm ürün çeşitleri için en az 0,90 ikinci tip hizmet düzeyini sağlaması gerektiği ve verilen siparişlerin tedarik süresinin sabit 0,5 saat olduğu kabul edilmiştir. Tablo 1. Müşterilerin bireysel ürün talebi olasılık dağılımı (Probability distribution of individual customer demand)

Adım 6: Eğer ise güncellenen , ’yı kullanarak yapay sinir ağını güncelle ve adım 3’e dön. Değilse adım 7’ye geç. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013

311


Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

Tablo 2. Müşterilerin kesikli ve özdeş fayda fonksiyonu (The discrete and identical utility function of customers)

Ortalama Maliyet

Müşterilerin taleplerine verilecek kararlar ve bu kararlara göre müşterilerin kazanacağı varsayılan faydalar tablo 2’de verilmiştir.

Ortalama Maliyet

M.A.B. Ocaktan, U. Kula

Fayda Talep

Politikalar

Karar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

100

80 100

100 80

60 100 80

50 100 90 60

50 50 100 80 60

70 80 100 70 60 50

50 100 90 60 70 50 40

90 60 100 80 70 60 50 30

30 50 60 100 60 90 60 40 30 20 10

Stok sistemindeki her bir ürün çeşidi için (S,c,s) eşgüdümlü stok kontrol politikası uygulamaktadır. Ürün çeşitlerinin (S,c,s) kontrol parametreleri tablo 3’te yer almaktadır. Tablo 3. Stok sistemindeki (S,c,s,) stok kontrol politikası parametreleri (Control parameters of the (S,c,s) inventory policy) Stok Parametreleri

S

c

s

12 11 8 3

4 5 3 2

0 2 1 0

Ürün Çeşitleri

Ürün 1 Ürün 2 Ürün 3 Ürün 4

Olası müşteri taleplerindeki karar sayıları ve uygulanan stok politikasındaki stokların tamamlanacağı üst düzeyler (12, 11, 8, 3) dikkate alındığında, tasarlanan bu çok küçük ölçekli problem için bile durum-karar ikilisi sayısı 155.232’dir. Sayısal örnek için yineleme sayısı k=200.000 müşteri alınmış ve SMART ödüllü öğrenme algoritması Matlab’de kodlanarak çözülmüştür. Karar seçiminde keşif stratejisi uygulanmış ve SMART algoritmasındaki simülatöre gelen her 100 müşteride bir, o zamana kadar üretilen ürün kombinasyonu politikasının birim zamandaki ortalama maliyeti hesaplanmıştır. Üretilen kombinasyon politikalarının birim zamandaki ortalama maliyet yakınsama grafiği şekil 2’de verilmiştir.

312

SMART Algoritması

Politikalar

NeuroSMART Algoritması

Şekil 2. SMART ve NeuroSMART algoritmaları ortalama maliyet yakınsama grafikleri (Convergence graphics of SMART and NeuroSMART algorithms for average reward)

Sayısal örneğin NeuroSMART algoritmasıyla çözümünde Q faktör değerlerinin tahmini için kullanılan yapay sinir ağı 1 girdi katmanı, 20 gizli katman, 1 çıktı katmanından oluşturulmuş ve gizli katmanlarda tansigmoid transfer fonksiyonu, çıkış fonksiyonunda ise purelin doğrusal transfer fonksiyonu kullanılmıştır. Algoritmanın simülatörde yineleme sayısı k=50.000 müşteri olarak alınmış ve her 100 müşteride bir, simülatörden elde edilen verilerle yapay sinir ağı eğitilerek Q faktör fonksiyona yaklaşılıp, o ana kadarki mevcut politikanın birim zamandaki ortalama maliyeti hesaplanmıştır. Çok katmanlı yapay sinir ağı için MATLAB 2008b Neural Fitting Toolbox kullanılmış ve yapay sinir ağı için yazılan matlab kodu, NeuroSMART algoritması kodunun içine gömülmüştür. Yapay sinir ağının eğitimi için Levenberg-Marquardt backpropagation algoritması seçilmiş ve yapay sinir ağının her eğitiminde simülatörden elde edilen verilerin rassal olarak % 60’ı eğitim seti, % 20’si geçerlilik seti ve % 20’si test seti olarak alınmıştır. Q faktör fonksiyonuna 20 gizli katmanlı yapay sinir ağıyla yaklaşıldığı NeuroSMART ödüllü öğrenme algoritması kullanılarak elde edilen ürün kombinasyonu politikalarının birim zamandaki ortalama maliyet yakınsama grafiği şekil 2’deki gibi elde edilmiştir. Algoritmanın durduğu andaki son yapay sinir ağının ortalama hata karesi (mean square error) 0.6687 ve oluşan regresyon denkleminin R korelasyon katsayısı 0.9335 olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlara göre algoritma sonlandığında elde edilen yapay sinir ağı, herhangi bir durumla ilgili kararın belirlenmesinde başarıyla kullanılabilir. Şekil 2’den görüldüğü üzere 20 gizli katmanlı NeuroSMART algoritmasının ürettiği politikaların birim zaman başına ortalama maliyeti ile, SMART algoritmasının ürettiği politikaların birim zaman başına ortalama maliyeti hemen hemen aynıdır. SMART ödüllü öğrenme algoritmasıyla üretilen politikalarının birim zamandaki ortalama maliyeti 1200’ncü politika ya da diğer bir deyişle 120.000’nci müşteriden itibaren yaklaşık olarak 72 değerine yakınsamaktadır. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013


Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

NeuroSMART algoritması ise SMART algoritmasına göre çok daha hızlı bir şekilde yaklaşık 50’nci politikada yada diğer deyişle simülatördeki 5000’nci müşteriden itibaren 72 değerine yakınsamaktadır. Sayısal problemin 200.000 müşteri simule edilerek SMART algoritmasıyla çözüm süresi yaklaşık 112 saat sürmüştür. Aynı problemin 50.000 müşteri simule edilerek 20 gizli katmanlı yapay sinir ağı yaklaşımlı NeuroSMART algoritmasıyla çözümü ise, yaklaşık 27 saattir. Yapay sinir ağının yapısındaki gizli katman sayısı, NeuroSMART algoritmasının performansını etkileyen önemli bir etkendir. Gizli katman sayısı arttıkça ağın eğitim süresi uzadığı için algoritmanın performansı süre olarak kötüleşmekte, ancak tahmin olarak iyileşmektedir. Bu nedenle tahmin kalitesi açısından yakın sonuçlar verdiği sürece, yapay sinir ağında mümkün olduğunca az sayıda gizli katman seçilmesi mantıklıdır. Sayısal örnek, gizli katman sayısı 2, 5, 10 verilerek yeniden çözülmüş ve sonuçlar şekil 3’te verilmiştir.

Şekil 3. 2, 5, 10, 20 gizli katmanlı NeuroSMART algoritması yakınsama grafikleri (Convergence graphics of 2, 5, 10, 20-layer NeuroSMART algorithms)

Sayısal örneğin yapay sinir ağında 2 gizli katman kullanılarak NeuroSMART algoritmasıyla çözümü yaklaşık 11 saat sürmüştür. Ancak, şekil 3’ten görüldüğü üzere iki gizli katmana sahip yapay sinir ağıyla Q faktör fonksiyonunu tahmin ederek uygulanan NeuroSMART algoritması sonucunda elde edilen politikaların maliyetleri çok geniş bir aralıkta (100-170) salınmakta ve bir limit maliyete yakınsamamaktadır. Bu nedenle elde edilen çözüm kullanılabilir değildir. Farklı ölçekte problemlerde de yapay sinir ağında iki gizli katman kullanıldığı durumlarda benzer sonuçlar gözlenmiştir. Sonuç olarak, NeuroSMART algoritmasının kullanımında gizli katman sayısının iki olarak belirlenmesi uygun değildir. Sayısal örneğin yapay sinir ağında 5 gizli katman kullanılarak çözümü yaklaşık 13 saat sürmüştür. Yine şekil 3’te görüldüğü üzere 5 gizli katmana sahip yapay sinir ağıyla Q faktör fonksiyonunu tahmin ederek uygulanan NeuroSMART algoritması sonucunda elde edilen politikaların ortalama maliyetleri, 50’nci yinelemeden sonra 75-80 bandında yakınsamaktadır. Ancak, 47’nci ve 129’ncu politikaların ortalama SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013

M.A.B. Ocaktan, U. Kula

maliyetleri genel salınımdan çok büyük sapma göstermiştir. Her ne kadar simulasyonun ilerleyen yinelemelerindeki politikaların ortalama maliyet hesaplamalarında yakınsama sağlansa da, 47’nci ve 129’ncu politikaların ortalama maliyetlerindeki büyük sapmalar, Q faktör fonksiyonun yapay sinir ağıyla tahmininde bu iki noktada yakınsamadan uzaklaşılabileceğini göstermektedir. Aynı örneğin, aynı parametrelerle tekrar çözümlerinde genel salınımdan aşırı sapma görülen politikalardan sonra birim zamandaki ortalama maliyetin bir limit değere yakınsamaktan uzaklaştığı çözümlerle de karşılaşılmıştır. Bu nedenle yapay sinir ağında 5 gizli katmanın kullanıldığı NeuroSMART algoritması belirtilen örnekte bazen yakınsama sağlamasına rağmen, gürbüz değildir. Sayısal örneğin yapay sinir ağında 10 gizli katman kullanılarak çözümü yaklaşık 21 saat sürmüştür. Şekil 3’te görüldüğü üzere 50’nci politika hesaplamasından sonra elde edilen politikaların ortalama maliyetleri 7580 bantında yakınsamakta ve genel salınımdan büyük sapmalar gözlenmemektedir. Aynı örneğin, aynı parametrelerle tekrar çözümlerinde de 10 gizli katmanlı yapay sinir ağı yaklaşımlı NeuroSMART algoritması benzer sonuçlar üretmiştir. Bu nedenle 10 gizli katmanın kullanıldığı NeuroSMART algoritması oldukça gürbüzdür. Sonuç olarak, verilen sayısal örnekte NeuroSMART algoritmasındaki yapay sinir ağında 10 ve 20 gizli katman kullanıldığında çok iyi sonuçlar alınmış, 2 gizli katman bulunduğunda birim zamandaki ortalama maliyetlerde yakınsama sağlanamamış ve 5 gizli katman bulunduğunda ise yakınsama sağlanmasına rağmen fonksiyon yaklaşımı güvenilir değildir. 5. SONUÇ (CONCLUSION) Makalede gerçek yaşam problemlerinin çözümünde karşılaşılan boyut ve karmaşıklık problemiyle başedebilmek için, Q faktöre çok katmanlı yapay sinir ağıyla yaklaşılan NeuroSMART ödüllü öğrenme algoritması geliştirilmiştir. Tasarlanan küçük ölçekli sayısal örnek hem SMART, hem de farklı sayılarda gizli katmanlara sahip yapay sinir ağı yaklaşımlı NeuroSMART algoritmasıyla çözülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre, geliştirilen NeuroSMART algoritmasının performansında gizli katman sayısının önemli bir etken olduğu görülmüştür. Ele alınan problemin karmaşıklığına da bağlı olarak yapay sinir ağında az sayıda gizli katman kullanımlarında, geliştirilen algoritmanın performansının gürbüz olmadığı görülmüştür. Nispeten fazla gizli katmanlı yapay sinir ağları kullanımı durumunda ise, NeuroSMART 313


M.A.B. Ocaktan, U. Kula

algoritmasının SMART algoritması kadar iyi sonuçlar ürettiği; ancak, gizli katman sayısı arttıkça hesaplama süresinin giderek uzadığı görülmektedir. Her ne kadar algoritmanın çalışma süresi uzun da olsa, her bir durum için tekrar tekrar hesaplama yapılması gerekmemekte, geliştirilen algoritmayı kullanan benzetim sona erdiğinde elde edilen yapay sinir ağı genelleştirilerek, ağın ağırlıklarından istenen durum-karar ikilisi simüle edilerek uygulanacak politika kolaylıkla belirlenebilmektedir. Bu nedenle dinamik programlama ve ödüllü öğrenmeyle çözülemeyecek büyüklükte durum-karar sayısına sahip Markov ve yarı Markov karar süreci problemlerinde, uygun gizli katman sayısına sahip çok katmanlı yapay sinir ağı yaklaşımlı NeuroSMART ödüllü öğrenme algoritması, yaklaşık optimal çözüm veren iyi bir yöntemdir.

Yarı Markov karar süreci problemlerinin çözümünde çok katmanlı yapay sinir ağlarıyla fonksiyon yaklaşımlı ödüllü öğrenme algoritması

[11]

[12]

Gosavi, A. (2004) ‘Reinforcement learning for long-run average cost’, European Journal of Operational Research, vol.155, no. 3, pp. 654674. Bellman, R. (1954) ‘The theory of dynamic programming’, Bulletin of American Society, vol. 60, pp. 503-516.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2]

[3]

[4]

[5] [6] [7] [8]

[9] [10]

314

Ocaktan, M.A.B. (2012) İkame ürün dağıtım ağlarında stok optimizasyonu ve optimal dağıtım politikaları, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi, Endüstri Mühendisliği A.B.D. Gosavi, A. (2004) ‘A reinforcement learning algorithm based on policy iteration for average reward: empirical results with yield management and convergence analysis’, Machine Learning, vol. 55, pp. 5-29. Tadepalli, P. and Ok, D. (1998) ‘Model based average reward reinforcement learning algorithms’, Artificial Intelligence, vol. 100, pp. 177-224. Shioyama, T. (1991) ‘Optimal control of a queuing network system with two types of customers’, European Journal of Operational Research, vol. 52, pp. 361-372. Dimitri P.B. and Tsitsiklis, J. (1996) Neurodynamic programming, Athena Scientific. Sutton, R. and Barto, A.G. (1998) Reinforcement learning, Cambridge: The MIT Press. Gosavi,G. (2003) Simulation-based optimization, Kluwer Academic Publishers. Buşoniu, L., Babuska, R., Schutter, B.D. and Ernst, D. (2010) Reinforcement learning and dynamic programming using function approximators, CRC Press. Puterman, M.L. (1994) Markov decision processes: discrete stochastic dynamic programming, John Wiley & Sons. Das, T.K., Gosavi, A., Mahadevan, S. and Marchalleck, N. (1999) ‘Solving semi-Markov decisions problems using average reward reinforcement learning’, Management Science, vol. 45, no. 4, pp. 560-574.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 307-314, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 315-319, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 315-319, 2013

Trafik kazaları için bir acil yardım çağrı sistemi tasarımı Tayip Demircan1*, Selman Yıldırım1, Muhammet Yıldız1, Ziya Ekşi2, Murat Çakıroğlu3 2

1*Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Bilgisayar Sistemleri Öğretmenliği, SAKARYA Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü, SAKARYA 3 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, SAKARYA 15.01.2013 Geliş/Received, 04.05.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Ülkemizde trafik kazalarında birçok vatandaşımız ağır şekilde yaralanmakta veya canını kaybetmektedir. Ölümlü kazalar ise genelde sürücülerin kurallara gereği gibi uymamasından veya dikkatsizlikten meydana gelmektedir. Bu gibi sürücü hatalarının dışında zamanında olay yerine yetişemeyen acil yardım ekipleri nedeniyle de ağır yaralanma vakaları ölümle sonuçlanabilmektedir. Bu çalışmada, ağır trafik kazalarının kaza anında otomatik olarak acil yardım ekiplerine bildirilerek yaralıların çok kısa sürede tedavi edilmesine yardımcı olacak bir Kaza Acil Çağrı Sistemi (KAÇSİS) tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistem, kaza yapan aracın hava yastığı/yastıkları patladığı anda GPS modülü yardımıyla aracın konum bilgisini, kaç adet hava yastığı patladığını, aracın markası, yaşı ve plakası gibi bilgileri, GSM modülü yardımıyla Acil Yardım Ekiplerine mesaj olarak göndermektedir. Anahtar Kelimeler: trafik kazası, acil yardım sistemi, GPS, GSM

Designing of an emergency call system for traffic accidents ABSTRACT In our country, many people have been seriously injured or died in traffic accidents. Fatal accidents often occur because of not complying with traffic rules or carelessness. Except these driver mistakes, heavy injuries can result in deaths because of emergency aid teams failing to arrive to accident scene in time. In this study, an accident emergency call system is designed to help injured people’s treatment as soon as possible by notifying emercengy team automatically in accidents. The designed system sends messages, including information such as vehicle location, exploding airbag number, vehicle model, age and registration plate, to emergency aid team using GPS module at the moment of crashed vehicle’s airbag explosion. Keywords: traffic accident, emergency system, GPS, GSM

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


T. Demircan, S. Yıldırım, M. Yıldız, Z. Ekşi, M. Çakıroğlu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Trafik kazaları karayolları üzerinde meydana gelen insanların yaralanması ve ölmesi ile sonuçlanabilen kazalardır. 2010 yılında ülkemizde meydana gelen trafik kazalarında 4,045 kişi yaşamını yitirirken 211,496 kişi de yaralanmıştır [1]. Meydana gelen kazalar sonucunda yaralılara yapılan erken müdahaleler sonucunda yaralılar kurtarılabilmektedir. Bunun için kaza yerine erken ulaşılıp müdahale etmek yaralıların hayatı açısından çok önemlidir. Konum tespit sistemlerinden faydalanılarak yaralıların bulundukları yer tespit edilerek yaralılara erken müdahale yapılabilir. Konum tespit sistemleri GPS teknolojilerinden yararlanılarak yapılmakta ve bu sistemlere GSM modüller entegre edilerek konum bilgileri istenilen yerlere mesaj yoluyla iletilebilmektedir. Günümüzde GPS ve GSM temelli uygulamalarla ilgili birçok çalışma yapılmaktadır. 2009 yılında yapılan bir çalışma da GPS teknolojisinden yararlanarak .NET tabanlı konum tespit sistemi geliştirilmiştir [2]. Aygen ve arkadaşları tarafından yapılan çalışma da ise SMS tabanlı GPS araç takip sistemi geliştirilmiştir. Birden fazla aracın takibi ve harita üzerindeki konumları gerçekleştirilen sistem yardımıyla bulunabilmektedir [3]. Sungur ve Gökgündüz tarafından yapılan çalışmada ise GPS sisteminin yerine kullanılabilecek alternatif bir sistem tasarlanmıştır. Yaptıkları çalışmada radyo frekanslarından (RF) yararlanarak araç tanıma, takip ve konum belirleme işlemlerini gerçekleştirmişlerdir [4]. Çayıroğlu ve Görgünoğlu tarafından yapılan bir çalışma da ise mikrodenetleyicili uzaktan kontrol sistemi tasarlanmıştır. Mobil telefon ve PIC kullanılarak gerçekleştirilen sistem birçok cihazın SMS yolu ile uzaktan kontrolünü gerçekleştirebilmektedir [5]. 2011 yılında Al-Khedher tarafından yapılan bir çalışma da ise, araçları takip etmek için Google Earth uygulamasını kullanarak GSM-GPS entegreli bir sistem tasarlanmıştır [6]. Ekşi ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada ise banka, hastane gibi kurumlar için GSM tabanlı numaratör sistemi geliştirilmiştir [7]. Yapılan bu çalışmada ise kaza yapan bir aracın konum bilgilerinden yararlanarak kaza yerine ulaşım zamanını kısaltmaya yönelik bir sistem tasarlanmıştır. Aracın hava yastıkları açıldığında GPS modülü yardımıyla aracın konum bilgisi bulunarak bu bilgilerin GSM modül yardımıyla yetkililere SMS yoluyla gönderimi sağlanmıştır. Makalenin geri kalan kısımları ise şu şekilde organize edilmiştir. 2. bölümde tasarlanan sistem mimarisi ve donanımsal cihazlardan bahsedilmiştir. 3. bölümde ise sistemin gerçekleştirilmesi ve akış diyagramından

316

Trafik kazaları için bir acil yardım çağrı sistemi tasarımı

bahsedilmiştir. Son bölümde ise sisteme ait sonuçlar ve gelecekteki çalışmalar sunulmuştur. 2. SİSTEM MİMARİSİ (SYSTEM ARCHITECTURE) KAÇSİS, konum bilgilerinin elde edilmesini sağlayan bir GPS modülü, elde edilen konum bilgilerini Acil Çağrı Merkezlerine SMS olarak iletmek için bir GSM modülü, hava yastığı sistemini simüle edebilmek için mini kompresör ve bir piezo-elekrik titreşim sensörü ve kullanılan modüllerin haberleşmesi/kontrolünü sağlayacak bir mikrodenetleyiciden oluşmaktadır. Şekil 1’de tasarlanan sistemin mimarisi görülmektedir.

Şekil 1. Sistem Mimarisi (System Architecture)

2.1. GPS ve NMEA0183 NMEA0183 Protocol)

Protokolü (GPS

and

GPS (Küresel Konum Belirleme Sistemi), herhangi bir anda dünyanın herhangi bir yerinde bulunan bir nesnenin enlem, boylam vb. bilgilerini veren uydu sistemidir. İlk olarak Amerika Savunma Bakanlığı tarafından geliştirilmiştir. 27 adet uydudan oluşmaktadır. Hava şartlarından bağımsız olarak yaptığı ölçümler, gerçek değerlere çok yakın olduğu için güvenilir bir konum belirleme sistemidir. Uzay, kontrol ve kullanıcı olmak üzere üç bölümden oluşmaktadır. Uzay bölümünü 27 adet uydu oluşturmaktadır. Bu bölüm sürekli olarak istemcilere sinyal göndermektedir. Kontrol bölümü, yeryüzündeki belirli istasyonlar, uydu yörüngelerini ve uydu saat düzeltmelerini hesaplar. Kullanıcı bölümünü ise GPS uyduları tarafından gönderilen verileri alan GPS alıcıları ve bileşenleri oluşturmaktadır [2,8]. GPS alıcıları NMEA, SIRF gibi değişik haberleşme protokollerinden yararlanarak çalışmaktadır. NMEA protokolü A.B.D. Milli Denizcilik Elektronik Kurumu (National Marine Electronics Association) tarafından belirlenmiştir. Teknolojinin gelişmesine paralel olarak GPS alıcıları da geliştirilerek kullanılan haberleşme protokolü revize edilmiştir. Günümüzde birçok GPS alıcısı NMEA 0183 standartını kullanmaktadır [8]. Gerçekleştirilen sistemde LOCOSYS firması tarafından üretilmiş olan ve NMEA 0183 standardı kullanan UC1722 GPS modülü kullanılmıştır.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 315-319, 2013


Trafik kazaları için bir acil yardım çağrı sistemi tasarımı

T. Demircan, S. Yıldırım, M. Yıldız, Z. Ekşi, M. Çakıroğlu

2.3. Piezoelektrik Titreşim Sensörü ve Kompressör Örnek Bir GGA Kodlu Sabit Bilgi İçeren NMEA Mesajın Yapısı: $GPGGA,123519.350,4507.038,N,02931.000,E,1,07,01 .8, 545.4, M, 46.9,M,*47 Tablo 1. Mesajın Çözümlemesi (Analysis of message)

$GPGGA 123519.350 4507.038 N 02931.000 E 1 07 01.8 545.4 M 46.9 Boş Boş *47

GPS Temel İfadesi 12:35:19 UTC Mesajın Alındığı zaman 45 Derece 07.038 Dakika Kuzey 29 Derece 31 Dakika Doğu Mesajın Kalitesi 0-8 Arası Kullanılan Uydu Sayısı Yatay Uydu Geometri Katsayısı Deniz Seviyesinden Yükseklik Metre Jeoid Yükseklik Daima * ile başlayan HEX Cinsinden

2.2. GSM Terminali (GSM Terminal) Tasarlanan sistemde kazanın meydana geldiği yerin konum bilgisini yetkililere kısa mesaj olarak iletilmesi için Siemens firmasının üretmiş olduğu MC35i GSM Terminali kullanılmıştır. MC35i terminal içerisinde GSM modülü ve diğer çevre birimlerle haberleşmesini sağlayacak aparatları içermektedir [9]. MC35i terminali ile haberleşmeyi sağlamak için RS-232 standardı kullanılmaktadır. Mikrodenetleyici bu terminali AT (Attention Code) adı verilen komutlar yardımı ile kontrol etmektedir [7]. Şekil 2’de GSM terminalin içyapısı görülmektedir.

(Piezoelectric Vibration Sensor and Compressor)

Kuartz tuzu, turmalin gibi bazı kimyasal maddelere basınç uygulandığı zaman çok düşük voltajlı elektrik üretirler veya elektrik uygulandığında titreşim oluştururlar. Bu kimyasallara genel olarak Piezo adı verilmektedir. Piezolar genellikle deprem sensörü, hırsız alarm devreleri ve ses sistemlerinde kullanılmaktadır. Tasarlanan devrede piezo, titreşim sensörü görevi görmektedir ve piezonun ürettiği voltaj amplifikatör ile yükseltilerek rölenin anahtarlanması için kullanılmıştır. Piezoda bir titreşim olduğunda röle anahtarlanarak girişindeki lojik 0 değeri mikroişlemciye kesme oluşturması için çıkışta gösterilmiştir. Tasarlanan bu ara devre havayastığı beynini simüle etmek için kullanılmıştır. Gerçek hava yastığı sistemleri daha kapsamlı çalıştığı için ve maliyeti oldukça yüksek olduğu için tasarlanan sistemde gerçek hava yastığı beyni yerine bir adet titreşim sensörü ve mini bir kompresör kullanılmıştır. 2.4. RS232 Çoklayıcı Devresi (RS232 Multiplexer Circu)

Sistemde kullanılan GPS modülü ve GSM terminalinde UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) veri iletim standardı kullanılmaktadır. Tasarlanan sistemde kullanılan ATMEL firması tarafından üretilmiş AT-89C5131A mikrodenetleyicisi üzerinde bir adet UART seri haberleşme giriş/çıkışı bulunmaktadır. Sistemin senkron çalışması için bir adet çoklayıcı devresine ihtiyaç duyulmuştur. Tasarlanan devrenin amacı, mikrodenetleyicinin 2. portunun 7 ve 8 numaralı bacaklarının lojik durumlarına göre GPS Modül ve GSM Terminalinin hangisi ile haberleşeceğini seçmek, GPS Modülü için gerekli beslemeyi sağlamak ve hava yastığı sisteminden gelecek sinyale göre kesme oluşturmaktır. Tasarlanan bu devre ve yazılımı ile sistem senkronize bir şekilde çalıştırılmaktadır. Tasarlanan devre Şekil 3’te görülmektedir. 2.5. Atmel AT89C5131 Mikrodenetleyicisi (Atmel AT89C5131 Microcontroller)

Şekil 2. GSM terminal iç yapısı[7] (Internal structure of GSMterminal)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 315-319, 2013

Tasarlanan sistemde çevre birimlerle haberleşmenin sağlanması ve kontrolü gerçekleştirmek için Atmel firmasının ürettiği AT89C5131 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. 4 adet giriş/çıkış portu, watchdog timer, UART haberleşmesi, USB haberleşmesi, 2 adet timer, klavye arayüzü, 32K programlanabilir bellek vb. özelliklere sahip olan bu mikrodenetleyici yeni nesil çalışmalar için de kullanılabilmektedir [10]. 317


T. Demircan, S. Yıldırım, M. Yıldız, Z. Ekşi, M. Çakıroğlu

Trafik kazaları için bir acil yardım çağrı sistemi tasarımı

Şekil 3. RS232 çoklayıcı devresi (RS232 multiplexer circuit)

3. SİSTEMİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ VE AKIŞ DİYAGRAMI (SYSTEM IMPLEMENTATION AND FLOWCHART)

Tasarlanan sistemin merkezinde bir adet ATMEL 89C5131 serisi mikrodenetleyici kartı, tümleşik bir adet çoklayıcı devresi ve bu devreye bağlı GPS modülü, GSM terminali ve hava yastığından oluşmaktadır. Sistem kaza sinyali oluşana kadar sonsuz döngü içerisinde çalışmaktadır. Kaza sinyali oluştuktan sonra GPS modülü mikrodenetleyici tarafından aktifleştirilerek konum sinyali üretmeye başlamaktadır. GPS Modülünden gelen NMEA 0183 formatındaki veri mikrodenetleyici tarafından hedef konum bilgisine dönüştürüldükten sonra GPS modülü pasif edilmekte ve daha sonrasında GSM terminali aktif hale getirilmektedir. Elde edilen hedef konum bilgileri GSM modülünün çalışmak için ihtiyaç duyduğu AT kodlarına dönüştürülür ve terminal test edilir. Sonraki aşamada ise mesajın gönderileceği numara GSM modülüne gönderilir ve mesaj içeriğinin de terminale ulaşmasından sonra mesaj içeriği belirtilen numaraya SMS olarak gönderilmektedir. Sistemin akış diyagramı Şekil 4’de verilmiştir. Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi laboratuvarlarında gerçekleştirilen deneylerde sistem başarılı bir şekilde çalıştırılmış ve sonuçları gözlemlenmiştir. Titreşim sensörüne darbe uygulanarak darbeden gelen sinyale göre hava yastığı görevi gören kompresör tetiklenmiştir. Ayrıca bu sinyal ile mikroişlemciye bir kesme oluşturularak o anki konum mikroişlemci içerisine yüklenen numaraya SMS yoluyla başarılı bir şekilde gönderilmiştir.

BAŞLA

PORTLARI AYARLA SERİ HABERLEŞME İÇİN AYARLAMALARI YAP

HAVA YASTIĞINDAN SİNYAL GELDİ Mİ?

H

E GPS MODÜLÜNDEN VERİLERİ AL

GPS’TEN ALINAN VERİLERİ İŞLE

GSM MODEMİ AKTİF ET

İŞLENEN VERİLERİ SMS İLE GÖNDER DUR Şekil 4. Sistemin Akış Diyagramı (System Flowchart)

318

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 315-319, 2013


Trafik kazaları için bir acil yardım çağrı sistemi tasarımı

T. Demircan, S. Yıldırım, M. Yıldız, Z. Ekşi, M. Çakıroğlu

Sistem çalıştırıldıktan sonra; Kaza Konumu Belirleme Sistem Mesajı Enlem: 4074.0696 N:Kuzey Boylam: 03032.9765 E:Doğu” şeklinde mesaj alınmıştır.

[9] [10]

ve Yolcu Bilgilendirme Sistemi’, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği. SIEMENS AG Inc., ‘MC35i Terminal Hardware Interface Description’, 2005, Version 2.0. http://www.atmel.com/Images/doc4136.pdf, (Erişim tarihi: Mayıs, 2012).

Alınan konum Google Maps yardımıyla kontrol edilerek doğruluğu ispatlanmıştır. 4. SONUÇLAR VE GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR (RESULTS AND FUTURE WORKS)

Tasarlanmış olan Kaza Acil Çağrı Sistemi (KAÇSİS) ile hava yastığının devreye girmesi ile bilgilendirme işleminin gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Sistem içinde bulunan piezo kontrollü titreşim sensörüne herhangi bir darbe geldiği anda yine sistem içinde bulunan hava yastığı devreye girmiş ve aynı anda sistem o anki konumunu SMS vasıtasıyla belirlenen numaraya gönderilmiştir. Sistem, koordinatların yanlış alınması, kazanın meydana geldiği alanda telefonun çekmemesi, hava yastığının patlamaması gibi hatalara yer verilmeden tasarlanmıştır. Daha sonraki yeni çalışmalara temel teşkil edebilecek geliştirilmeye açık olan bu sistem, bu hatalardan arındırılarak, çeşitli koordinat işleme yazılımları, masaüstü programları vb. yazılımlarla daha kapsamlı hale getirilebilir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] [2] [3] [4]

[5]

[6]

[7] [8]

TUİK, ‘Trafik Kaza İstatistikleri’, 2010. Yiğit, E. ‘GPS Teknolojisi ile Konum Tespit Sistemi Tasarımı’, Yüksek Lisans Tezi, Beykent Üniversitesi, 2009. Aygen, M., Fırat, H., Güneş, M., Küçük, E., ‘SMS Tabanlı Araç Takip Sistemi’, EMO Dergisi Sungur, C., Gökgündüz, H.B., ‘Radyo Frekans Yöntemi ile Araç Tanıma Ve Kontrol Sistemlerinin Tasarımı ve Geliştirilmesi’, 5.Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu(IATS’09), Karabük, 2009. Çayıroğlu, İ., Görgünoğlu, S., ‘Mobil Telefon ve Pic Mikrodenetleyici Kullanarak Uzaktan Esnek Kontrol Sağlanması’, Int.J.Eng.Research & Development, Vol. 2, No. 1, January 2010. Al-Khedher, M. A., ‘Hybrid GPS-GSM Localization of Automobile Tracking System’, International Journal of Computer Science & Information Technology (IJCSIT), Vol. 3, No. 6, December 2011. Ekşi,Z.,Yücelbaş,C.,Sarıkaş,A.,‘RFHaberleşmesini n Numaratör Sistemlerindeki Uygulamaları’, Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, 2010. Gündüz, M., B., Erkaya, H. H., ‘Raylı Toplu Tasıma Araçları için bir Elektronik Seyir Defteri

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 315-319, 2013

319


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 321-327, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013

EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi Ahmet Talat İnan1*, Adile Yeşim Yayla2, Emine Ceryan1, Tugay Şişman1, Aytaç Yıldız3 1

Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, Göztepe/istanbul Marmara Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Göztepe/istanbul 3 Amasya Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, Otomotiv Teknolojisi Programı, Amasya 2

31.01.2013 Geliş/Received, 04.05.2013 Kabul/Accepted

ÖZET EFQM Mükemmellik Modeli, işletmelerin başarıya ulaşmada yararlandıkları bir kalite yaklaşımıdır. EFQM Mükemmellik Modeli, işletmelere mükemmelliği elde etmede yeterliliklerinin ve eksik yönlerinin ne olduğunu belirlemede yardımcı olan bir özdeğerleme aracıdır. Bu çalışmada, EFQM Mükemmellik Modeli temel alınarak, büyük ölçekli bir işletmeye bakım onarım hizmetleri veren bir firmada, liderlik ve süreçler değişkenlerinin, temel performans sonuçlarına etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, firmada, yönetici ve işçileri kapsayan bir anket araştırması gerçekleştirilmiştir. Elde edilen verilerle, SPSS16.0 istatistik programı kullanılarak; faktör analizi, güvenilirlik analizi, korelasyon ve regresyon analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçları dikkate alınarak, bağımsız değişkenler ile bağımlı değişken arasındaki ilişki değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: EFQM mükemmellik modeli, öz değerlendirme, liderlik, süreçler

An investigation of the influence of leadership and processes on basic performance results using a decision model based on EFQM ABSTRACT EFQM Excellence Model is a quality approach that companies benefit in achieving success. EFQM Excellence Model is an assessment tool helping to determine what is competence and missing aspects in achieving excellence. In this study, based on the EFQM Excellence Model, the influence of basic performance results caused by leadership and processes variables in this model of a firm engaged in maintenance and repair services due to a large-scale company. In this work, a survey was conducted that covering the company’s employees and managers. The data obtained from this survey was utilized by using SPSS16.0 statistics software in respect of factor analysis, reliability analysis, correlation and regression analysis. The relation between variables was evaluated taking into account the resuşts of analysis. Keywords: EFQM Excellence Model, self-assessment, leadership, processes

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


A.T.İnan, A.Y. Yayla, E. Ceryan, T. Şişman, A. Yıldız

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Gelişmekte olan teknolojinin ve değişkenlik gösteren ekonomik, sosyal ve politik düzenlerin gerisinde kalmamak için işletmeler, çağdaş yönetim metotları uygulamaktadırlar. İşletmenin kalıcılığı yakalayabilmesi için öncelikle hedeflerini belirlemesi gerekmektedir. Başarıyı hedefleyen bir kurum, amacına ulaşmak için her türlü yöntemi araştırır ve gerekli önlemleri alır. Hedefe ulaşmada, başta yöneticiler olmak üzere bütün çalışanlar aynı sorumluluk bilincine sahip olmalıdırlar. Başarıya odaklanıp uygun stratejilerin belirlenmesi kadar, elde edilen başarının ölçülmesi de büyük önem taşımaktadır. Performans sonuçlarının ölçümü, takip edilen stratejinin uygunluk seviyesini ve istenilen amacın ne kadarına ulaşıldığını görmeye yardımcı olmaktadır. Mükemmellik için, kalite bir zorunluluktur. Başarılı bir çalışmanın ve sağladığı kalite sunumunun da ödüllendirilerek teşviki sağlanmalıdır. Bu amaçla, önce Japon firmalarında, daha sonra da ABD firmalarında, Toplam Kalite Yönetimi’nin (TKY) hızla benimsenerek yayılması ve bu sürecin ödül mekanizmalarıyla güçlendirilmesi, Avrupa’daki firmaları, ürün maliyetleri ve kalitesi açısından kaçınılmaz bir gerilemeye itmiştir. Bu durum karşısında Avrupa ülkeleri, iş çevreleri ve kuruluşları, küresel rekabet yarışında ayakta kalabilmek için yerel veya sınırlı geleneksel çözümlerin yeterli olamayacağını, dolayısıyla yönetim anlayışlarını değiştirmek gerektiğini anlamışlardır. Bu anlayışı güçlendirmek amacıyla, önde gelen 14 Avrupa şirketi birleşerek Avrupa Kalite Yönetimi Vakfı’nı (EFQMEuropean Foundation For Quality Management) kurmuşlardır. Bu vakıf, Avrupa Komisyonu’nun desteğiyle 1991 yılından itibaren Avrupa Kalite Ödülü’nü vermeye başlamıştır. Ödülün amacı, Toplam Kalite Yönetimi konuları ile yararları hakkında bilgi düzeyini artırmak, bilinçlendirmeyi güçlendirmek ve inanmışlığı yaygınlaştırmaktır. Avrupa Kalite Ödülü kapsamında, kamu sektörü ile özel sektörde ve büyük kuruluşlar ile KOBİ kategorilerinde ayrı ayrı olmak üzere Büyük Ödüller ve Başarı Ödülleri verilmektedir. Ülkemizde de KalDer (Kalite Derneği), TÜSİAD ile birlikte 1993 yılından beri EFQM Mükemmellik Modeli’ni esas alan Ulusal Kalite Ödülü’nü vermektedir [1].

EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi

yaptığı ve hangi sonuçları elde ettiğine ilişkin nedensonuç ilişkilerini anlamasını sağlayan bir çerçevedir [2]. Şirketler, okullar, sağlık kuruluşları, polis örgütleri, kamu hizmetleri kuruluşları ve devlet kuruluşları bu modeli kullanmaktadır. Model, kuruluşlara ortak bir yönetim dili ve aracı da sunmakta olduğundan, Avrupa çapındaki farklı sektörlerdeki “iyi uygulamaların” paylaşılmasına olanak tanımaktadır [1]. Günümüz gelişen kalite ve yönetim yaklaşımları doğrultusunda kurumsal mükemmellik anlayışını benimseyen ülkeler bu çağdaş yaklaşımı çeşitli ulusal/uluslar arası modellerle teşvik etmektedir [3]. EFQM mükemmellik modeli bir özdeğerlendirme aracıdır. Bu model mevcut performansı ölçerek gelişme alanlarını ve fırsatları tanımlar. Aynı zamanda dışsal bir karşılaştırmaya da imkan sağlar. Bu modeli çekici hale getiren özelliği hizmet sağlayıcının en iyi değeri yaratmaya çalışmasına yardımcı olmasıdır [4]. EFQM, Avrupa ve dışındaki binlerce kuruluştan gelen geri bildirimler ve en iyi uygulamalar doğrultusunda modelin sürekli gelişmesi ve güncellenmesi konusunda yoğun çalışmalar yapmaktadır. Bu yolla modelin dinamik ve güncel yönetim anlayışı ile uyum içinde olması sağlanmaktadır. EFQM, 1988 yılında Avrupa’nın önde gelen 14 şirketi tarafından “Avrupa’da Sürdürülebilir İş Mükemmelliğinin İtici Gücü Olma” misyonu ve “Avrupalı Kuruluşların İş Mükemmelliğine Eriştikleri Bir Dünya” vizyonu ile kurulmuş, üyelik sistemine dayanan ve kar gütmeyen bir kuruluştur. EFQM, kuruluşlara performanslarını iyileştirmesi konusunda yardımcı olmak üzere, 1991 yılında EFQM Mükemmellik Modelini oluşturmuştur. Temel kavramların yapılandırılmış bir yönetim sistemi biçiminde yaşama geçirilmesinin bir ifadesi olan bu model, bugünlerde Avrupa çapında ve başka ülkelerde onbinlerce kuruluş tarafından kullanılmaktadır [5]. Mükemmellik Modeli’nde amaç; kuruluşun proseslerinin, politika ve stratejilerinin, çalışanlarının ve kaynaklarının uygun bir liderlik anlayışıyla yönetilerek; müşteri ve çalışanlarının memnuniyetinin sağlanması, toplum üzerinde olumlu etkiler bırakması ve iş sonuçlarında başarıya ulaşmasıdır [6, 7].

2. EFQM MÜKEMMELLİK MODELİ (EFQM EXCELLENCE MODEL) EFQM Mükemmellik Modeli, kuruluşlara, mükemmelliğe giden yolun neresinde olduklarını gösteren, darboğazlarını saptamalarını sağlayan ve uygun çözümleri teşvik eden pratik bir araçtır [1]. Ayrıca EFQM Mükemmellik Modeli, işletmelerin ne 322

Şekil 1. EFQM mükemmellik modeli (EFQM Excellence Model) [12]

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013


EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi

Şekil 1’de görüldüğü gibi EFQM Mükemmellik Modeli, 5’i girdi, 4’ü sonuç kriteri olmak üzere dokuz ana kriterden oluşmaktadır. 9 ana kriter, 32 alt kriter ile desteklenmektedir. Alt kriterler değerlendirme sırasında cevaplandırılması gereken çok sayıda soruyu ortaya çıkartmaktadır. Girdi kriterleri kuruluşun yaptığı faaliyetleri içerirken, sonuç kriterleri ise, o kuruluşun neler gerçekleştirdiğini göstermektedir. Modelin özünde, çalışanların yeteneklerinin çeşitli süreçler aracılığıyla iş sonuçlarına dönüştürüldüğü görüşü vardır. Bir başka ifade ile çalışanlar ve süreçler, iş yaşamında sonuçları üreten girdilerdir [9]. 3. ARAŞTIRMANIN TEORİK MODELİ VE HİPOTEZLER (THEORETICAL MODEL OF RESEARCH AND HYPOTHESIS)

A.T.İnan, A.Y. Yayla, E. Ceryan, T. Şişman, A. Yıldız

maliyetle, en çok üretimi ve yüksek kârı hedefleyen geleneksel yönetim anlayışından, rekabet koşullarının gereği olarak müşteri tatmini, çalışanların tatmini, kalite, yenilik vb. çok farklı performans ölçülerine ağırlık veren anlayışa geçmiştir [10]. Bu bağlamda, işletmelerin amaçları genellikle; yüksek verimlilik, etkinlik, kâr maksimizasyonu, maliyet minimizasyonu, müşteri memnuniyeti, saygınlık, büyüme, çalışma yaşamının kalitesi gibi performans göstergeleri ile ifade edilmektedir. Bu amaçları bir arada ve yüksek düzeyde gerçekleştirmiş bir işletme, yüksek performanslı işletme olarak tanımlanmaktadır. Yüksek performanslı işletmeler; müşterilerinin, çalışanlarının ve işbirliklerinin beklentilerini karşılayacak veya aşacak şekilde katma değer yaratmaktadır [11]. 3.3. Liderlik (Leadership)

3.1. Araştırmanın Amaç ve Kapsamı (Research Objectives and Scope) Bu çalışmada, EFQM Mükemmellik Modeli temel alınarak oluşturulan teorik model (Şekil 2) kapsamında, büyük ölçekli bir işletmeye bakım onarım hizmetleri veren bir firmanın; liderlik ve süreçler değişkenlerinin, firmanın temel performans sonuçlarına olan etkisi araştırılmıştır. Araştırma kapsamında; liderlik ve süreçler bağımsız değişken, temel performans sonuçları ise bağımlı değişken olarak ifade edilmiştir.

Şekil 2. Araştırmanın teorik modeli (Theoretical model of research)

3.2. Temel Performans Sonuçları (Key Performance Results) Temel performans sonuçlarında, firmanın modele uygunluğu, finansal sonuçlar ve finansal olmayan sonuçlar başlıkları altında ayrı ayrı değerlendirilmektedir. Finansal sonuçlar içerisinde; satışlar, kar, nakit akışı ve bütçenin, planlanan yapıya uygun olarak gerçekleştirilip gerçekleştirilmediği kontrol edilmektedir. Üretkenliğin ve çevrim sonuçlarının incelendiği finansal olmayan sonuçlar bölümünde ise sonuçlar; pazar payı, satış miktarı ve başarı oranları kriterleri altında değerlendirilmektedir [9]. İşletmelerdeki performans anlayışı; en düşük SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013

dolor Vizyon geliştirmek, liderlik kriteri incelenirken en çok dikkat edilmesi gereken noktadır. Bunun yanı sıra iletişim kurmak, ulaşılır olmak, eğitim vermek, eğitim almak, öncelik belirlemek, takdir etmek ve örnek olmak gibi bir liderde bulunması gereken ve liderliği tamamlayan kriterler modelin önemli bir parçasını oluşturmaktadır [9]. Toplam Kalite Yönetiminin önemle üzerinde durduğu unsurlardan biri, liderliktir. Yönetici ve lider kavramları arasındaki ayırımı kabul eden bu sistem ve insan odaklı yönetim anlayışı, yöneticinin lider olma yolundaki sorumluluklarını ortaya koyar. Bu kriter, tüm liderlerin faaliyetlerini ve davranışlarını araştırır. Üst düzey yöneticilerin açık seçik bir amaç, kalite değerleri ve kuruluş hedefleri yaratmadaki ve bunların uygulanmaya geçirilmesi için gerekli yapıyı ve yönetim sistemini oluşturmadaki rollerini değerlendirir. Üst düzey yöneticilerin bu konularda yalnızca yazılı ya da sözlü bildirimlerde bulunmakla yetinmeyip, kişisel olarak bu konuların içinde yer almalarını ve hareketlerinin de bu yönde olması gereğini vurgular. Ayrıca, tüm liderler ve orta düzey yöneticilerin amacı ve değerleri ne ölçüde iletebildiklerini ve pekiştirdiklerini, müşterilerle ve tedarikçilerle olan ilişkilerde bu kişilerin ne kadar aktif rol aldıklarını da araştırır [1]. Mükemmel liderler, vizyonu ve misyonu geliştirirler ve onların gerçekleştirilmesini kolaylaştırırlar. Kalıcı başarı için gerekli olan kurumsal değerleri ve sistemleri geliştirirler ve bunları, faaliyetleri ve davranışları ile yaşama geçirirler. Değişim dönemlerinde, amacın tutarlılığını sağlarlar. Böylesi liderler, gerektiğinde, kuruluşun yönünü değiştirebilirler ve izlenmesi için diğerlerini cesaretlendirirler [12].

323


A.T.İnan, A.Y. Yayla, E. Ceryan, T. Şişman, A. Yıldız

3.4. Süreçler (Processes) Girdi kriterleri içerisinde önem derecesi en yüksek olan “süreçler” kriterine göre; süreçlerin tanımlanması ve bu süreçlerin sağlıklı bir şekilde izlenmesi gerekmektedir [9]. Toplam Kalite Yönetiminin en temel özelliklerinden biri, mevcut durumu hiçbir zaman yeterli olarak kabul etmeyip, sürekli daha ileriye götürmektir. Temel mantık, başarılı yönetilen ve geliştirilen süreçlerin başarılı sonuçlar getireceğidir. Bu kriterde kuruluşun; politika ve stratejilerini destekleyecek, müşterilerini ve diğer paydaşlarını tam olarak tatmin edecek, onlar için katma değerin artmasını sağlayacak biçimde süreçlerini nasıl tasarladığı, yönetmekte olduğu ve iyileştirdiği değerlendirilmektedir [1]. Süreçleri belirlemek, tanımlamak, performansını izlemek ve iyileştirmek kuruluş içinde müşteriye katma değer yaratan faaliyetlere odaklanarak toplam etkinliğin artmasını sağlar. İş süreçlerinin etkin bir şekilde yönetilmesi, fonksiyonel organizasyonlarda yaşanan; işlerin sahiplenilmemesi, iletişim güçlüğü, kaynak israfı, işlerin tekrar etmesi gibi darboğazları ortadan kaldırır. Bu süreçlerin iyileştirilmesi daha fazla etkinlik, verimlilik, esneklik ve kapasite ile daha kısa çevrim süreleri meydana getirir [13]. 4. ARAŞTIRMA YÖNTEMİ VE ÖRNEKLEM (RESEARCH METHODOLOGY AND SAMPLE) Saha araştırması kapsamında, İstanbul’da büyük ölçekli bir işletmeye bakım onarım hizmetleri veren bir firmada, teorik modelde yer alan bağımsız değişkenlere (liderlik ve süreçler) ve bağımlı değişkene (temel performans sonuçları) ilişkin ölçeklerin yer aldığı bir anket uygulaması yapılmıştır. Araştırmanın örneklemi, firmada çalışan yönetici ve işçilerin yer aldığı 139 kişiden oluşmaktadır. Firmaya uygulanan 139 anket formundan 13 anket formu, değişkenlere ait bazı sorulara verilmeyen cevapların olması nedeniyle değerlendirmeye alınmamış ve analizlere 126 anket formundan elde edilen veriler dahil edilmiştir. Ankete katılanlara ilişkin demografik bilgiler Tablo 1’de yer almaktadır. Kişisel görüşme yolu ile doldurulan anket formlarından elde edilen veriler, SPSS 16.0 paket programı kullanılarak analiz edilmiştir.

324

EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi

Tablo 1. Ankete katılanlara ilişkin demografik bilgiler (Ankete katılanlara ilişkin demografik bilgiler)

Karakteristikler Frekans Yüzde Değerler Atelye Şefi 7 5.3 Teknisyen (Kaynak) 10 7.19 Teknisyen (Mekanik) 49 35.25 Teknisyen (Elektrik) 27 19.42 Teknisyen (Kaporta) 6 4.31 Unvan Teknisyen (Boya) 4 2.87 Teknisyen (Marangoz) 4 2.87 Teknisyen (Lastik) 2 1.43 Teknik Memur 20 14.38 İşçi 10 7.19 Lisansüstü 2 1.43 Lisans 11 7.91 Eğitim Ön Lisans 27 19.42 Durumu Ortaöğretim 51 36.69 İlköğretim 48 34.53 6 4.31 Çalışma 1 yıldan az Süresi 1-5 yıl 133 95.68

Anket soruları hazırlanırken, EFQM Mükemmellik Modelinin tavsiye niteliğindeki sorularından uyarlama yapılmış ve EFQM Mükemmellik Modeli El Kitabı’ndan yararlanılmıştır. Buna göre; temel performans sonuçları için 7, süreçler için 5 ve liderlik için 5 olmak üzere toplam 17 soruluk bir anket formu oluşturulmuştur. Ölçeklerinin cevaplandırılmasında, (1) kesinlikle katılmıyorum, (2) katılmıyorum, (3) kararsızım, (4) katılıyorum, (5) tamamen katılıyorum şeklinde 5’li likert ölçeği kullanılmıştır. 4.1. Faktör Analizi ve Güvenilirlik Analizi Sonuçları (Factor Analysis and Reliability Analysis Results) Bağımlı değişkenin ve bağımsız değişkenlerin ilgili faktörlere yüklenip yüklenmediklerini test etmek amacıyla faktör analizi uygulanmıştır. Faktör analizinde, bağımlı ve bağımsız değişkenler birlikte analize tabi tutulmuştur. 0,50 ve üzerindeki faktör yükleri oldukça iyi olarak kabul edilmiştir [14]. Bağımlı ve bağımsız değişkenlere ait faktör analizi uygulandığında, Tablo 2’den de görüleceği gibi tüm değişkenlere ait faktör yükleri 0,50 üzeri çıkmış ve ölçek sorularında hiçbir değişiklik yapılmamıştır. Analiz sonunda açıklanan toplam varyans ise % 70.403 olarak gerçekleşmiştir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013


A.T.İnan, A.Y. Yayla, E. Ceryan, T. Şişman, A. Yıldız

EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi

Tablo 2. Faktör analizi sonuçları (Factor Analysis Results)

Değişkenin Adı LID1 LID2 LID3 LID4 LID5 SÜREÇ1 SÜREÇ2 SÜREÇ3 SÜREÇ4 SÜREÇ5 TPS1 TPS2 TPS3 TPS4 TPS5 TPS6 TPS7

Faktör Yükleri LİD

SÜREÇ

TPS

0,721 0,596 0,533 0,793 0,838

Tablo 4. Değişkenlere ait korelasyon, ortalama ve standart sapma değerleri (The correlation of variables, mean and standard deviation values)

ORTALAMA

0,567 0,703 0,720 0,736 0,763 0,605 0,718 0,723 0,698 0,880 0,725 0,691

LID: Liderlik SÜREÇ: Süreçler TPS: Temel Performans Sonuçları

Değişkenler arasındaki ilişkilerin korelasyon analizinden ve ileri sürülen hipotezlerin regresyon analizi ile testinden önce, değişkenler güvenilirlik analizine tabi tutulmuştur. Literatürde, değişkenin güvenilir bir değişken olarak kabul edilmesi için güvenilirlik katsayısının 0.70 ve üzeri olması gerektiği görüşü kabul edilmiştir [15]. Değişkenlere ilişkin güvenilirlik analizinde Cronbach Alfa (α) güvenilirlik katsayıları hesaplaması sonucunda bütün değişkenlerin güvenilirliklerinin Tablo 3’te görüldüğü gibi literatürde kabul gören 0.70’in üzerinde olduğu tespit edilmiştir. Tablo 3. Güvenilirlik analizi sonuçları (Reliability analysis results)

Değişkenin Adı Liderlik

Soru Sayısı 5

Güvenilirlik Katsayısı (α) 0,861

5

0,892

7

0,921

Süreçler Temel Performans Sonuçları

4.2. Korelasyon Analizi Analysis Results)

p<0,01 anlamlılık seviyesinde ve pozitif yönde ilişkili olduğu görülmektedir. En yüksek korelasyonun, temel performans sonuçları ile süreçler arasında (0,789) olduğu tespit edilmiştir.

Sonuçları

(Correlation

Bağımlı ve bağımsız değişkenlere ait pearson korelasyon katsayıları, ortalama ve standart sapma değerleri Tablo 4’te görülmektedir. Korelasyon analizinde bağımlı değişkenin, bağımsız değişkenler ile olan ilişkisi değerlendirilmiştir. Buna göre temel performans sonuçları (TPS) bağımlı değişkeninin, liderlik (LID) ve süreçler (SÜREÇ) değişkenleri ile SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013

STD SAPMA

TPS

LID

SÜREÇ

TPS

4,1916

0,620

LID

4,3365

0,594 0,656** 1.000 0,689**

1.000 0,656** 0,789**

SÜREÇ

4,3556

0,565 0,789** 0,689** 1.000

** Korelasyon 0,01 seviyesinde anlamlı (Çift yönlü)

4.3. Regresyon Analizi Analysis Results)

Sonuçları

(Regression

Bağımlı değişken ile bağımsız değişkenler arasındaki ilişkiyi bulabilmek amacıyla çoklu doğrusal regresyon analizi kullanılmıştır. Araştırma modeli ile ilgili regresyon analizinin matematiksel modeline ait bu denklem aşağıda gösterilmiştir. Y = β0 + β1X1 + β2X2 + ε Burada Y, temel performans sonuçlarını, Xi’ler bağımsız değişkenleri, βk’lar beta regresyon katsayılarını, ε ise hata değerini göstermektedir. Aynı şekilde X1, liderlik; X2, süreçler değişkenlerini temsil etmektedir. Regresyon analizi sonucunda, bağımsız değişkenin beta katsayısı ve anlamlılık seviyesine göre değerlendirmeler yapılacaktır. Temel performans sonuçları bağımlı değişkenine ait regresyon analizi sonuçları, Tablo 5'te görülmektedir. Tablo 5. Bağımlı ve bağımsız değişkenlere ait regresyon analizi sonuçları (Dependent and independent variables related to the results of the regression analysis)

Bağımlı Değişken: TEMEL PERFORMANS SONUÇLARI F = 112,605 *** Adjusted R2 = 0,641 Bağımsız Değişkenler

Standardize edilmiş Beta

Anlamlılık

Liderlik

0,214***

0,005

Süreçler

0,642***

0,000

*** 0,001 seviyesinde anlamlı (çift yönlü) ** 0,01 seviyesinde anlamlı (çift yönlü) * 0,05 seviyesinde anlamlı (çift yönlü)

325


A.T.İnan, A.Y. Yayla, E. Ceryan, T. Şişman, A. Yıldız

Tablo 5’te de görüldüğü gibi, regresyon modeline ait değerler, p<0.001, F = 112,605 ve Adjusted R2 = 0,64 olarak belirlenmiştir. Buna göre temel performans sonuçları, % 64’lük bir oranla, modele dâhil ettiğimiz bağımsız değişkenler tarafından açıklanmaktadır. Geriye kalan, % 36’lık kısım ise hata terimi vasıtasıyla modele dâhil etmediğimiz bağımsız değişkenler tarafından açıklanmaktadır. Tablo 5. incelendiği zaman, p<0.001 anlamlılık seviyesinde ve en yüksek beta değeri (0,642) süreçler değişkeninin işletmenin temel performans sonuçları üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğu görülmektedir. Benzer şekilde, liderlik değişkeni, temel performans sonuçlarını p<0.001 anlamlılık seviyesinde ve 0,214 beta değeri ile pozitif yönde etkilemektedir.

EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi

beta değeri ile pozitif yönde bir ilişkinin olduğu tespit edilmiştir. Buna göre, vizyonunu ve misyonu geliştiren ve onların gerçekleştirilmesini kolaylaştıran, kalıcı başarı için gerekli olan kurumsal değerleri ve sistemleri geliştiren ve bunları, faaliyetleri ve davranışları ile yaşama geçiren liderler, firmaların temel performans sonuçlarını olumlu yönde etkileyeceklerdir. Çalışmadan elde edilen bu sonuçlar, saha araştırmasında yer alan firmaya özgüdür. Ancak, yukarıda belirtilen çalışma sonuçları, anket yapılan firma ile aynı sektörde yer alan diğer işletmelerin için önemli bir bilgi niteliği taşımaktadır. Bu bağlamda, sektörel bazda, iş süreçlerini etkin bir liderlik vasıtasıyla verimli bir şekilde yöneten işletmelerin, temel performans sonuçlarında olumlu iyileşmeler sağlanabileceği yorumu ortaya konabilir.

5. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME (CONCLUSION AND EVALUATION) EFQM Mükemmellik Modeli, bünyesinde bulunan kriterlere göre işletmelerin zayıf ve kuvvetli yönlerini belirlemeye yarayan sistematik bir araçtır. Bu model yardımıyla zayıf ve kuvvetli yönlerinin farkına varan işletmeler, kendilerini geliştirerek rekabetçi ortamda avantaj sağlamaktadırlar.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] [2]

[3] Bu çalışmada da EFQM Mükemmellik Modeli temel alınarak büyük bir firmaya bakım-onarım hizmetleri veren bir firmada “liderlik” ve “süreçler” değişkenlerinin firmanın temel performans sonuçlarına olan etkisini incelemek için istatistiksel analiz yapılmıştır. İstatistiksel analiz kapsamında faktör, güvenilirlik, korelasyon ve regresyon analizi yapılarak sonuçlar elde edilmiştir.

[4]

Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, süreçler değişkeninin, temel performans sonuçlarını p<0.001 anlamlılık seviyesinde ve 0,642 beta değeri ile pozitif yönde etkilediği sonucu çıkmıştır. Bu sonuca göre, politika ve stratejilerini destekleyecek, müşterilerini ve diğer paydaşlarını tam olarak tatmin edecek, onlar için katma değerin artmasını sağlayacak biçimde süreçlerin tasarlanması, yönetilmesi ve iyileştirilmesi firmanın temel performans sonuçları üzerinde pozitif bir etki oluşturacaktır. Çünkü süreçleri belirlemek, tanımlamak, performansını izlemek ve iyileştirmek, işletme içinde müşteriye katma değer yaratan faaliyetlere odaklanarak toplam etkinliğin artmasını sağlamaktadır. Bundan dolayı da işletmelerde daha fazla etkinlik, verimlilik, esneklik ve kapasite ile daha iyi performans sonuçlarına ulaşmak için süreçler iyileştirilmelidir.

[5]

Liderlik ile temel performans sonuçları değişkenleri arasında da p<0.001 anlamlılık seviyesinde ve 0,214

[9]

326

[6]

[7] [8]

Eğitim Kurumları İçin Toplam Kalite Yönetimi, KalDer Yayınları, İstanbul, 2002. SAFARI H., AJALLI M., MIRMAHALLEH S.R.S., The New Method for Ranking of Corporations Based on EFQM, Research Journal of International Studies, 20, 70-79, 2011. ZADE E.A., SAFARI H., ABDOLLAHI B., GHASEMI R., Canonical Correlation Analysis between Enabler and Results in EFQM Model; A Case Study in TAVANIR Company in Iran, European Journal of Social Sciences, 21(3), 483492, 2011. GEORGE, C., COOPER, F., DOUGLAS, A., Implementing the EFQM Excellence Model in a Local Authority, Managerial Auditing Journal, 18(2), 122-127, 2003. GEREK, İ.H., Türk İnşaat Sektöründe Benchmarking Yönetim Tekniğinin Uygulamasına Yönelik Bir Model Önerisi, Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çukurova Üniversitesi, 2010. ÇAYLAK, A., Demir Çelik Sektöründe EFQM Mükemmellik Modeli, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mustafa Kemal Üniversitesi, 2005. WESTLUND, A.H., Measuring Environmental Impact on Society in the EFQM System, Total Quality Management, 12(1), 125-135, 2001. PYKE, C.J., GARDNER, D., WILSON, J., HOPKINS, P., JONES, S., Achieving Best Value Through the EFQM Excellence Model, Journal of Finance and Management in Public Services, 1, 29-40, 2001. ULAŞ, S., Toplam Kalite Yönetiminde İnsan Kaynaklarının Rolü: Liderlik Üzerine Bir SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013


EFQM esaslı bir karar modeli kullanılarak liderlik ve süreçlerin temel performans sonuçlarına etkisinin incelenmesi

[10]

[11] [12] [13]

[14] [15]

A.T.İnan, A.Y. Yayla, E. Ceryan, T. Şişman, A. Yıldız

Uygulama, Uzmanlık Yeterlilik Tezi, T.C. Merkez Bankası İnsan Kaynakları Genel Müdürlüğü, 2002. ELİTAŞ, C., AĞCA, V., Firmalarda Çok Boyutlu Performans Değerleme Yaklaşımları: Kavramsal BirÇerçeve, Afyon Kocatepe Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, Cilt VIII, Sayı:2, 343-370, 2006. BARUTÇUGİL, D., Performans Yönetimi, Kariyer Yayıncılık, İstanbul, 2002. EFQM Mükemmellik Modeli, KalDer Yayınları, 2003. İNAN, A.T., YAYLA, Y., YILDIZ, A., EFQM Mükemmellik Modeli İle İşletmelerin Temel Performans Sonuçlarının İncelenmesine İlişkin Bir Uygulama, Y.T.Ü. Sigma Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 28, 335-345, 2010. KALAYCI, Ş., “SPSS Uygulamalı Çok Değişkenli İstatistik Teknikleri, Asil Yayın Dağıtım, Ankara, Türkiye, 2005, 330,405. VOSS, K.E., STEM, D.E., FOTOPOULOS, S., A Comment on the Relationship between Coefficient Alpha and Scale Characteristics, Marketing Letters, 11, 2, 2000.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 321-327, 2013

327


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 329-335, 2015

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı Faruk Yalçın1*, Uğur Arifoğlu2 2

1* Sakarya Elektrik Dağıtım A.Ş., Sakarya Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Sakarya

21.05.2013 Geliş/Received, 22.06.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Gerilim kaynaklı eviricilerde çıkış gerilim dalga şekline ait harmonik bozunumların en aza indirgenmesi büyük önem arz etmektedir. Bu çalışmada, bir fazlı asenkron motor tahrikinde gerilim/frekans (V/f) oranını sabit tutacak şekilde frekansı 5 Hz – 50 Hz aralığında değiştirilebilen bir fazlı evirici tasarımı sunulmuştur. Gerilim harmoniklerini en aza indirgemek adına tasarımda, darbe genişlik modülasyonu (PWM) tabanlı seçmeli harmonik eliminasyon metodu (SHEM) kullanılmıştır. Bu yöntem ile evirici çıkış gerilimine ait ana harmonik bileşen genliği ayarlanırken, 3., 5., 7., 9., 11. ve 13. harmonik bileşenleri direk olarak elimine edilmiştir. Önerilen tasarım için pratik uygulama düzeneği oluşturulmuştur. Elde edilen deneysel sonuçlar, önerilen tasarımın, harmonik bozunumlarını azaltmada etkili olduğunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Bir Fazlı Evirici, Seçmeli Harmonik Eliminasyon Metodu, Asenkron Motor

Single phase inverter design based on selective harmonic elimination method ABSTRACT Minimization of harmonic distortions in voltage source inverters’ output wave form is very important. In this paper, a single phase inverter design that can change the operating frequency between 5 Hz – 50 Hz to achieve the keeping the voltage/frequency ratio (V/f) as constant during single phase asynchronous motor driving is presented. For the aim of minimizing the voltage harmonics, pulse width modulation (PWM) based selective harmonic elimination method (SHEM) is used in the design. Via this method, 3., 5., 7., 9., 11. and 13. harmonic components of the inverter output voltage are eliminated while regulating the amplitude of the main harmonic component. A practical application circuit is installed for the proposed design. The obtained results have shown that the proposed design is efficient in reducing of harmonic distortions. Keywords: Single Phase Inverter, Selective Harmonic Elimination Method, Asynchronous Motor

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


F. Yalçın, U. Arifoğlu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Eviriciler, çıkış gerilim genlik ve frekansı ayarlanabilen alternatif gerilim üretmek için kullanılan temel güç elektroniği tabanlı çeviricilerdir. Evirici, girişine uygulanan doğru gerilimi, uygun formda işleyerek, çıkışında bir ya da çok fazlı alternatif gerilim üretir. Bahsedilen yetenekleri sebebi ile, asenkron motor hız kontrolü, değişken şebeke gerilim genliğinden sabit gerilim elde etme ve gerilim harmoniklerinin azaltılması gibi birçok endüstriyel uygulamalardan, DA enerji iletim sistemlerinin AA sistemlerine bağlanması gibi elektrik güç sistemi uygulamalarına kadar çok geniş bir yelpazede evirici kullanımı oldukça yaygındır [1]. Çalışma prensibi gereği evirici çıkışında elde edilen alternatif gerilim saf sinüs formunda değildir. Bu sebeple, evirici çıkış gerilimi belli oranda harmonik bileşenleri ihtiva eder. Enerji kalitesi ve düzgün işletme çalışması açısından, evirici çıkış gerilimine ait harmonik bozunumlarının en aza indirgenmesi, büyük önem taşır. Literatürde evirici çıkış gerilim harmoniklerini azaltmak için birçok anahtarlama ve donanım yöntemleri geliştirilmiştir. Anahtarlama yöntemi olarak bilinen en ilkel metot, negatif darbeli kare dalga anahtarlama metodudur. Bu yöntem, harmonik bozunumları yönünden kabul edilemez düzeyde olumsuzdur. Çift yönlü kare dalga anahtarlama metodu, yarı periyotlar boyunca alternans değişimini sağlayarak saf sinüs formuna daha yakın gerilim elde edilmesini mümkün kıldığından, çıkışta daha az harmonik ortaya çıkar. Bu iki anahtarlama yönteminde, doğru gerilim dalga şekli, darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanılarak şekillendirilerek, harmonik bileşenlerinin azalması sağlanır. PWM ile anahtarlama yönteminde, genellikle bir referans sinüs işareti ile üçgen dalga işareti karşılaştırılarak anahtarlama işaretleri elde edilir. Bu teknik harmoniklerin azaltılmasında oldukça etkilidir. Üçgen dalgaya ait frekansın arttırılmasına bağlı olarak tam periyottaki anahtarlama frekansının arttırılması, harmonik miktarını azaltır fakat anahtarlama kayıplarının artmasına neden olur [2]. Donanımsal olarak kaskat bağlı evirici modüllerinden oluşan evirici yapısı kullanılarak, çok seviyeli (basamaklı) gerilim dalga şekilleri üretilerek, sinüse daha yakın gerilim dalga şekli elde edilmesi amaçlanmaktadır. Basamak sayısının arttırılması, harmoniklerin miktarının azalmasında pozitif etki yapar, fakat bu durumda da donanım maliyeti artar. Bahsedilen gerekçeler sebebi ile, evirici tasarımında çıkış gerilim harmoniklerinin azaltılması ile beraber anahtarlama kayıplarının en aza indirgenmesi ve tasarım maliyetinin düşürülmesi oldukça önemlidir.

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı

harmonik eliminasyon metodudur (SHEM) [3-6]. Bu metot, evirici tasarımında dört temel avantaj sağlamaktadır: Ana harmonik gerilim genliği kontrolü, istenilen gerilim harmoniklerinin elimine edilmesi, düşük anahtarlama frekans kullanımı (düşük anahtarlama kaybı) ve basit donanım (düşük maliyet ve tasarım kolaylığı). Belirlenen yüksek genlikli harmonik bileşenleri, anahtarlama yöntemi ile yok edilerek, harmonik bozunumu azaltılabilir. Fourier açılımından bilindiği üzere, harmonik genlikleri genellikle harmonik derecesiyle ters olarak azaldığından, genliği yüksek olan düşük dereceli harmoniklerin SHEM yardımı ile elenmesi ve seri filtre ya da süzme transformatörü kullanılarak yüksek dereceden harmoniklerin bastırılması, toplam harmonik bozunumu ciddi boyutta azaltacaktır. Bu çalışmada, iki seviyeli ve bir fazlı evirici tasarımı yapılmıştır. Evirici anahtarlama kontrolü için SHEM kullanılmıştır. Bu yöntem kullanılarak, ana harmonik bileşen genliği istenilen değere ayarlanırken, 3, 5, 7, 9, 11 ve 13 numaralı harmonik bileşenleri yok edilmiştir. Evirici çalışma frekansı, 5 Hz – 50 Hz arasında değiştirilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu frekans aralığındaki her çalışma frekansı için, ana harmonik gerilim genliğinin çalışma frekansına oranı sabit tutularak, bir fazlı asenkron motor hız kontrolü için, hız değişiminden bağımsız olarak, motorun ürettiği momentin, değişik çalışma hızlarında, sabit kalması sağlanmıştır. V/f oranı için, Türkiye standartlarına uygun olarak, 220 V ana harmonik gerilim genliği ve 50 Hz çalışma frekansı referans alınmıştır. Önerilen tasarım için deney düzeneği oluşturulmuş ve deney sonuçları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, detaylı olarak incelenmiş ve önerilen tasarımın üstünlüğü deneysel olarak da gösterilmiştir. 2. ÖNERİLEN BİR FAZLI EVİRİCİ TASARIMININ YAPISI (STRUCTURE OF THE PROPOSED SINGLE PHASE INVERTER DESIGN)

Bu bölümde, iki seviyeli bir fazlı evirici tasarımına ait donanımsal dizayn ve teorik hesaplamalar açıklanmıştır. Öncelikle eviriciye ait devre yapısı verilmiştir. Daha sonra, evirici çalışma temelini oluşturan SHEM’ e ait hesaplamalar detaylı olarak anlatılmıştır. 2.1. Evirici Donanım Yapısı (Hardware Structure of the Inverter)

Tasarımda kullanılan iki seviyeli bir fazlı evirici devre şeması Şekil 1’ de verilmiştir. Şekil 1’de görüleceği üzere, evirici dört temel bölümden oluşmaktadır: Doğru gerilim kaynağı, köprü devresi, sürücü katı ve kontrolör.

Literatürde evirici kontrolünde kullanılan bir diğer önemli anahtarlama yöntemi, PWM tabanlı seçmeli 330

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı

2.2. SHEM’ in Evirici Çalışmasına Uygulanması (Application of SHEM to Inverter Operation)

Sinüsoidal olmayan gerilim dalga şekli, Fourier açılımı ile aşağıdaki gibi verilebilir [7]: v(w t)  v0  Şekil 1. İki seviyeli bir fazlı evirici devre şeması (Two-level single phase inverter circuit diagram)

Bu çalışmada doğru gerilim kaynağı olarak, şebeke üzerinden beslenen, bir faz tam dalga köprü doğrultucu çıkışı kullanılmıştır. Doğrultucu çıkışına, nispeten büyük bir değerde kapasite bağlanarak, dalgalılığı az bir doğru gerilim elde edilmesi amaçlanmıştır. H-köprü devresi, evirici çalışmasının ana işlevini yerine getirir. Evirici, girişine uygulanan doğru gerilimi, güç elektroniği anahtarlama elemanları ile değiştirerek, çıkışında alternatif gerilim oluşturur. Tasarımda anahtarlama elemanı olarak, kapıdan kontrollü kesim özelliği bulunan, IGBT modülü kullanılmıştır. Bu modül, IGBT elemanına ters bağlı serbest geçiş diyodu da içermektedir. Sürücü devreler, kontrolör tarafından belirlenen kontrol sinyallerine göre, anahtarlama elemanlarını iletim ya da kesime sokarlar. Kontrolör, evirici çıkışında oluşturulacak alternatif gerilim dalga şeklini belirleyecek anahtarlama kontrol sinyallerini, sürücü katına gönderir. Pratikte, evirici girişine ait doğru gerilim kaynağı ile Hköprüyü bağlayan DA barası serbest endüktans içerir. Tasarımda, bu baranın fiziki olarak mümkün olduğu kadar düz, pürüzsüz ve kısa olmasına çalışılarak, serbest endüktans değeri minimuma indirilir fakat yok edilemez. Bu serbest endüktans anahtarlama elemanlarının kesim durumlarında ciddi gerilim endüklenmelerine sebep olur. Endüklenen bu gerilim DA bara geriliminin yükselerek anahtarların maksimum çalışma gerilim değerlerinin aşılmasına ve anahtarların zarar görmesine neden olabilir. Literatürde anahtarlama elemanlarının maruz kalacağı bu durumların önlenmesi için çok farklı söndürme (snubber) devreleri tasarlanmıştır. Bu çalışmada, bahsedilen durumun önlenmesi için snubber kapasitörü kullanılmıştır. Bu kapasitör anahtarlama elemanlarının oluşturduğu Hköprü devresinin girişine paralel olarak bağlanarak, DA barasına ait serbest endüktans üzerindeki gerilimi sönümleyerek, anahtarlama elemanlarının tehlikeli yüksek gerilimlere maruz kalmasını önler.

n 1

n 1

a n s in

bn co s

n w t  (1)

n w t 

Burada, v0 , an ve bn sırasıyla; v  wt  dalga şekline ait ortalama gerilim değerini, sinüs bileşen genliğini ve kosinüs bileşen genliklerini göstermek üzere bu terimler;

v0  an 

2

1 2 1

 v  wt dwt

(2)

0

2

 v  wt  sin  nwt  dwt 0

(3)

bn 

1

2

 v  wt  cos  nwt  dwt

(4)

0

eşitlikleri yardımı ile elde edilirler. Tasarlanan evirici çıkışında elde edilecek alternatif gerilim dalga şekli için tercih edilen genel dalga Şekil 2’ de verilmiştir. Şekil 2’ de verilen dalga şeklinin (1) eşitliği ile verilen Fourier açılımında,

VUV  wt     VUV  wt 

(5)

özelliği sağlandığından çift dereceli harmonik bileşenler bulunmaz. Bu durumda (6) eşitliği geçerli olacaktır.

a2 n  b2 n  0

(6)

 /2 6

1 3  4

2

3 / 2

2

k

5

Şekil 2. Evirici çıkış gerilim dalga şekli için genel dalga şekli formatı (General wave form format for inverter output voltage wave form)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013

331


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı

Ayrıca,

VUV   wt   VUV  wt 

(7)

özelliği sebebiyle kosinüs bileşenleri sıfır olur. Bu durumda (8) eşitliği geçerli olacaktır.

bn  0

(8)

Şekil 2’ de verilen gerilim dalga şekli yatay eksene göre eksenel simetriye sahip olduğundan, (9) eşitliğinde verildiği gibi gerilim dalga şeklinin ortalama değeri sıfır olur.

v0  0

(9)

Her bir alternans için yarı alternans periyodundan geçen dikey eksene göre simetrik olan bu dalga şeklinde, k ; çeyrek periyottaki darbe sayısını ve  k ; çeyrek periyottaki radyan cinsinden darbe açılarını göstermek üzere, bu dalga şekline ait (1) eşitliği ile hesaplanan Fourier açılımı; 

VUV  wt    an sin  nwt  n 1

 n  1,3,5,,  

(10)

olup, (10) eşitliğinde görülen an katsayısı;

an 

4E k  (1)n cos  n i   n i 1 

1  3  4

2

(11)

Daha önceden belirtildiği üzere, bu makaledeki çalışmada ana harmonik genliği çalışma frekansına göre belirlenirken, 3, 5, 7, 9, 11 ve 13 numaralı harmonik bileşen genlikleri, yok edilmek (sıfır değerine çekilmek) istenmiştir. Dolayısıyla, toplam 7 adet harmonik bileşen genliğini belirleyebilmek için, genel yapısı Şekil 2’ de

6 7

 /2

3 / 2

2

5

Şekil 3. Tasarlanan evirici çıkışında oluşturulan gerilim dalga şekli (Created voltage wave form in output of the designed inverter)

Şekil 3’ te verilen gerilim dalga şekline ait harmonik bileşen genlikleri, an 

4E cos  n1   cos  n 2  n   cos  n 3   cos  n 4   cos  n 5 

 n  1,3,5,,   (12)

 cos  n 6   cos  n 7  

olarak hesaplanır. Ayarlanmak istenen ana harmonik gerilim genliği V1 olarak gösterilmek üzere, tasarım için belirtilen amaç doğrultusunda, aşağıdaki doğrusal olmayan denklem takımı yazılabilir: a1 

olarak verilir. Bu durumda, (10) eşitliğinde tanımlanan ve (11) eşitliğinde değeri verilen an katsayıları, Şekil 2’ de görülen gerilim dalga şekline ait harmonik genliklerini ifade eder. (11) eşitliğinde görüleceği üzere, Şekil 2’ de verilen gerilim dalga şekline ait tüm gerilim harmonik bileşen genlikleri, çeyrek periyotta belirlenen k adet  k darbe açısına bağımlıdır. Bu durum, matematiksel olarak, maksimum k adet harmonik genlik değerinin, uygun seçilmiş k adet darbe açısı ile ayarlanabileceğini gösterir. Böylelikle, k adet tetikleme açısından ilki ana harmonik gerilim genliğini istenen değere ayarlarken, geri kalan k  1 adet tetikleme açısı yardımı ile ana harmonik dışında kalan diğer harmonik bileşenler elimine edilebilir.

332

verilen dalga şekli için, evirici çıkışı gerilim dalgasının çeyrek periyodunda (π/2) en az 7 adet darbe (tetikleme) açısı olması gerekmektedir. Önerilen tasarım için evirici çıkışında oluşturulan gerilim dalgası Şekil 3’ de verilmiştir.

4E

cos 1   cos 2   cos 3   cos 4   cos 5   cos 6   cos 7    V1  

4E a3  cos  31   cos  32   cos  33   cos  34   cos  35   cos  36   cos  37    0 3  4E a5  cos  51   cos  52   cos  53   cos  54   cos  55   cos  56   cos  57    0 5  a7 

4E cos  71   cos  72   cos  73   cos  74   cos  75   cos  76   cos  77    0 7 

4E cos  91   cos  92   cos  93   cos  94   cos  95   cos  96   cos  97    0 9  4E cos 111   cos 112   cos 113   cos 114   cos 115   cos 116   cos 117    0 a11  11  a9 

a13 

(13)

4E cos 131   cos 132   cos 133   cos 134   cos 135   cos 136   cos 137    0 13 

(13) eşitliği ile tanımlanan doğrusal olmayan denklem takımını sağlayan; 1 ,  2 ,  3 ,  4 ,  5 ,  6 ve  7 darbe açıları tespit edilerek güç elektroniği anahtarları bu açılara göre tetiklendiğinde hem, 3., 5., 7., 9., 11. ve 13. harmonik bileşenleri yok edilmiş olur hem de ana harmonik gerilim etkin değeri arzu edilen değere ayarlanır. Bununla beraber, tespit edilen darbe açıları için, gerilim dalga şeklindeki 15 ve daha yüksek dereceden harmonik bileşenlerinin kontrol edilemeyeceği aşikardır. Bu yöntem ile, daha önceden belirtildiği üzere, derece sayıları ile ters orantılı olarak genlikleri nispeten büyük olan, düşük dereceli harmonikler elimine edilerek, toplam harmonik bozunumu azaltılmaktadır. Ayrıca yüksek dereceden harmoniklerin seri filtre ya da süzme transformatörü üzerinden etkilerinin azaltılması daha kolay olur. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı

3. DENEYSEL UYGULAMA VE ELDE EDİLEN SONUÇLAR (EXPERIMENTAL APPLICATION AND

Simulink ortamına aktarılarak PowerGui’ ye ait FFT aracı ile harmonik analizine tabi tutulmuştur.

OBTAINED RESULTS)

Önerilen tasarım için deney düzeneği Şekil 4’de verilmiştir.

Örnek olarak, 50 Hz çalışma frekansı için, evirici çıkış gerilim dalga şekline ait osiloskop görüntüsü Şekil 5’de, bu dalga şekline ait MATLAB-Simulink ortamında yapılan harmonik analizi sonuçları ise Şekil 6’ da verilmiştir.

Şekil 3. Deney seti (Set of experiments)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013

Şekil 4. 50 Hz çalışma frekansı için evirici çıkış gerilim dalga şekli (Inverter output voltage wave form for 50 Hz operation frequency) FFT window: 1 of 2.499 cycles of selected signal 400 200 0 -200 -400

0

0.005

0.01 Time (s)

0.015

Fundamental (50Hz) = 293 , THD= 1.76% 2.5 2

Mag

Evirici çalışma frekansı, 5 Hz – 50 Hz arasında (tam değerler) değiştirilebilmektedir. Evirici çıkışına yük olarak bir fazlı asenkron motor bağlanmıştır. Frekans değişimine bağlı olarak asenkron motora ait V/f oranının sabit tutulması amaçlanmıştır. Deney düzeneğinde, Türkiye şebekesine ait çalışma frekansı (50 Hz) ve faz-nötr etkin gerilim değeri (220 V) alınmış, buna göre diğer çalışma frekanslarına ait ana harmonik gerilim genlik değeri belirlenmiştir. Bu sebeple her bir çalışma frekansı için belirlenen ana harmonik gerilim genliği için 3, 5, 7, 9, 11 ve 13 numaralı harmonik bileşenlerini elimine eden darbe açıları (13) eşitliği kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplama sonunda elde edilen açı değerleri için gerçek zaman değerleri, evirici kontrolörü olarak kullanılan mikrodenetleyici içine, çevrim tablosu olarak gömülmüştür. Evirici girişine uygulanan doğru gerilim, mevcut bir faz şebeke geriliminden doğrultularak elde edilmiştir. Deney, belirlenen aralıktaki tüm frekanslar için yük altında gerçekleştirilmiştir. Yük altında ölçülen gerçek evirici çıkış gerilim dalga şekillerine ait değerler, dijital osiloskop ile elde edilmiş olup, bu değerlerin harmonik analizi MATLAB-Simulink ortamında yapılmıştır [8]. Dijital osiloskoptan alınan ayrık veriler önce MATLAB Command Window’ da sürekli hale getirilmiştir. Bu işlemde, sıfırıncı mertebeden tutucu mantığı ile, mevcut ayrık verinin alındığı an baz alınmak suretiyle örnekleme süresi boyunca (bir sonraki verinin alındığı süreye kadar) gerilim dalga şekline ait değerin mevcut ayrık veriye ait değerde olduğu kabul edilmiştir. Oluşturulan sürekli gerilim dalga şekli MATLAB-

1.5 1 0.5 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Frequency (Hz)

Şekil 5. 50 Hz çalışma frekansı için evirici çıkış gerilim dalga şekline ait harmonik analizi (Harmonic analysis of inverter output voltage wave form for 50 Hz operation frequency)

Şekil 6’da, 50 Hz çalışma frekansı için elde edilen harmonik analiz sonuçlarına bakıldığında, ana harmonik dışındaki 13. harmoniğe kadar (13. harmonik dahil) harmonik bileşen genliklerinin nispeten ihmal edilebilir seviyelere indiği görülmektedir. Söz konusu harmonikler için toplam harmonik bozunumu ise %1,76 gibi oldukça düşük bir seviyededir. Ana harmonik genliğinin ise hedeflenen değere göre (220 V) %5,8’ lik hata payıyla ulaşıldığı görülmektedir. Bölüm 2’ de verilen hesaplamalar için eviriciye ait doğrultucu girişi şebeke geriliminin (F-N) 220 V etkin değerde olduğu, 333


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı

dolayısıyla doğrultucu çıkışı doğru gerilim ortalama değerinin 311.12 V olduğu kabul edilmiştir. Gerçekte şebeke gerilimi şebeke yüklenme koşularına bağlı olarak hiçbir zaman sabit olmaz ve farklı değerler alır. Dolayısıyla evirici girişine uygulanan doğru gerilim ortalama değeri de değer değiştirir. Literatürde birçok uygulamada şebeke gerilimindeki değişmelerin oluşturduğu bu durumdan etkilenmemek için, doğrultucu çıkışı alçaltıcı-yükseltici çeviriciye uygulanır [9]. Böylelikle şebeke gerilim değerindeki artış ya da azalma durumunda alçaltıcı-yükseltici çevirici çıkışında sürekli sabit doğru gerilim değeri elde edilir. Ancak bu çalışmada böyle bir kontrol yapılmamıştır. Bunun ötesinde, Bölüm 2’ de verilen tüm hesaplamalar Şekil 3 ile verilen gerilim dalga şekli için geçerlidir. Bu çalışmada, tüm çalışma frekansları için, ana harmonik gerilim genliğini istenilen seviyeye ayarlamak ve belirlenen harmonikleri elimine etmek için, şebeke gerilim değeri için yapılan kabullere göre Bölüm 2’ de verilen hesaplamalar haricinde ilave bir denetim yöntemi kullanılmamıştır. Tüm çalışma frekansları için evirici çıkış gerilim dalga şekline ait V/f oranları ve 13. harmoniğe kadar olan (13. harmonik dahil) toplam harmonik bozunumu (total harmonic distortion – THD) oranları Tablo 1’ de verilmiştir. Tablo 1. Evirici çalışma frekansları için elde edilen u/f ve evirici çıkış gerilimi THD oranları (The obtained u/f and THD of inverter output voltage ratios for inverter operation frequencies)

Çalışma Frekansı (Hz)

Elde Edilen u/f oranı (Hedef: 4,4 V/Hz)

V/f Hata Oranı %

50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33

4,1440 4,1408 4,2375 4,2553 4,1434 4,1511 4,1704 4,1883 4,1880 4,1975 4,2350 4,2282 4,2736 4,2513 4,2388 4,2685 4,2705 4,3030

6,1776 6,2597 3,8348 3,4005 6,1930 5,996 5,5055 5,0546 5,0621 4,8243 3,8961 4,0632 2,9577 3,4978 3,8030 3,0807 3,0324 2,2542

334

Elde Edilen THD Oranı % (Hedef: %5 altı) 1,76 2,00 8,43 1,99 4,44 2,36 1,97 2,23 1,70 3,50 4,72 4,25 2.70 3,56 2,80 2,92 4,05 3,46

32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5

4,3281 4,3419 4,3200 4,2862 4,3214 4,3333 4,3730 4,3440 4,3333 4,3565 4,3250 4,3614 4,3100 4,4026 4,2733 4,3005 4,3637 4,3060 4,3507 4,4176 4,3816 4,3636 4,3150 4,3266 4,2850 4,2971 4,2716 4,4360

1,6612 1,3381 1,8519 2,6550 1,8189 1,5392 0,6174 1,2891 1,5392 0,9985 1,7341 0,8850 2,0882 0,0590 2,9649 2,3137 0,8319 2,1830 1,1332 0,3980 0,4199 0,8342 1,9699 1,6965 2,6838 2,3946 3,0059 0,8120

3,02 1,56 4,22 3,91 3,61 3,40 3,88 2,24 3,88 2,78 3,48 2,96 4,41 2,94 5,23 2,32 2,11 6,60 2,20 5,49 2,95 5,67 6,76 4,92 6,38 4,63 6,77 4,87

Tablo 1’ de elde edilen sonuçlara bakıldığında, Bölüm 3’ te yapılan teorik hesaplama sonuçlarına göre elde edilen pratik sonuçlara, nispeten küçük hata oranlarıyla ulaşıldığı görülmektedir. Hedeflenen V/f oranının küçük hata oranlarıyla sağlandığı ve evirici çıkış gerilimine ait THD oranının ise çoğunlukla %5'in altında olduğu görülmektedir. 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND CONCLUSION)

Bu çalışmada bir fazlı evirici tasarımı yapılmış ve pratik uygulama sonuçları elde edilmiştir. Evirici çalışması için çıkış gerilim dalga şeklinin belirlenmesinde SHEM kullanılarak belirlenen harmonik bileşenlerinin elimine edilmesi ve ana harmonik bileşen genliğinin ayarlanması amaçlanmıştır. Evirici değişik çıkış frekanslarında çalıştırılmıştır. Yük olarak seçilen bir fazlı asenkron motorda V/f oranının sabit kalması amaçlanmış ve buna göre her çalışma frekansı için ana harmonik genliği, bu amaca uygun olarak ayarlanmıştır. Aynı zamanda, belirlenen harmonik bileşenleri tüm çalışma frekanslarında elimine edilmiştir. Önerilen tasarım için pratik uygulama düzeneği oluşturularak gerçek çalışma değerleri elde edilmiştir. Elde edilen deney sonuçları, amaca ihmal edilebilir hata payı ile SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013


Seçmeli harmonik eliminasyon metodu tabanlı bir fazlı evirici tasarımı

F. Yalçın, U. Arifoğlu

ulaşılabildiğini, önerilen tasarımın, belirlenen harmoniklerin elimine edilmesinde ve harmonik bozunumlarını azaltmada etkili olduğunu göstermiştir.

KAYNAKLAR

[1] [2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7] [8] [9]

Yalçın, F., ‘Bir Fazlı İnverter Tasarımı’, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2009. Mohan, N., Undeland, T.M., Robbins, W.P., ‘Power Electronics: Converters, Applications, and Design’, John Wiley & Sons Inc., Haboken, NJ, 1995. Narimani, M., Mochopoulos, G., ‘Selective Harmonic Elimination in Three-Phase MultiModule Voltage Source Inverters’, 27th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Orlando, 2012. Shojaei, A., Fathi, S.H., ‘An Improved Selective Harmonics Elimination Method to Reduce Voltage THD in Parallel Multilevel Inverters’, International Review of Electrical Engineering, Vol. 6-7, 3196-3203, 2011. Kavousi, A., Vahidi, B. Salehi, R., Bakhshizadeh, M., Farokhnia, N., Fathi, S.S., ‘Application of the Bee Algorithm for Selective Harmonic Elimination Strategy in Multilevel Inverters’, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27-4, 1689-1696, 2012. Filho, F., Maia, H.Z., Mateus, T.H.A., Ozpineci, B., Tolbert, L.M., Pinto, J.O.P., ‘Adaptive Selective Harmonic Minimization Based on ANNs for Cascade Multilevel Inverters With Varying DC Sources’, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60-5, 1955-1962, 2013. Arifoğlu, U., ‘Güç Sistemlerinin Bilgisayar Destekli Analizi’, Alfa Yayınları, İstanbul, 2002. http://www.mathworks.com/products/matlab/ (Erişim Tarihi: Mart 2013) Xue, Y., Chang, L., Kjaer, S.B., Bordonau, J., Shimizu, T., ‘Topologies of Single-phase Inverters for Small Distributed Power Generators: An Overview’, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 19-5, 1305-1314, 2004.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 329-335, 2013

335


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 337-348, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması Faruk Yalçın1*, Uğur Arifoğlu2 2

1* Sakarya Elektrik Dağıtım A.Ş., Sakarya Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Sakarya

31.05.2013 Geliş/Received, 01.07.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Yük altında kademe değiştiren kademe ayarlı transformatörlere ait eşdeğer seri ve şönt admitans değerleri kademe değişimine bağlı olarak değer değiştirirler. Bu durum, bara admitans matrisi yapısını değiştireceğinden, güç akışı çalışmalarında, her kademe değişimi durumunda bara admitans matrisinin yeniden oluşturulmasını zorunlu kılar. Bu çalışmada, kademe ayarlı transformatörlerin kademe değişim etkilerini Jacobian matrise sokan yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Önerilen yaklaşım ile, güç akışı çalışmalarında her kademe değişiminden sonra bara admitans matrisinin yeniden oluşturulması zorunluluğu ortadan kaldırılmıştır. Böylece güç akışı algoritmasının yakınsaması hızlandırılmıştır. Literatürde bu amaca yönelik benzer çalışmalar bulunmasına rağmen, bu çalışmalardan farklı olarak önerilen çalışma ile, aynı baraya birden çok ve farklı kombinasyonlarda kademe ayarlı transformatör bağlanması durumunda kademe değişim etkilerinin Jacobian matrise dahil edilmesi sağlanmıştır. Bu amaçla yeni güç denklemleri ve yeni Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri elde edilmiştir. Önerilen yaklaşım IEEE 57 baralı test sistemine uygulanmış ve doğruluğu ispatlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Kademe Ayarlı Transformatör, Jacobian Matris, Güç Akışı

Inserting the tap values of the tap changer transformers into the jacobian matrix as control variables ABSTRACT Series and shunt admittance values of under load tap changer transformers are changed according to tap changing. As this situation changes the structure of bus admittance matrix, it causes the need of rebuilding the bus admittance matrix at each tap changing case in power flow studies. In this paper, a new approach that includes the tap changing effects into the Jacobian matrix. By this approach, the need of rebuilding the bus admittance matrix at each tap changing case during power flow study is prevented. So, fast convergence is achieved for the power flow algorithm. Although there are similar studies for this aim in the literature, apart from these studies, including the tap changing effects to the Jacobian matrix when more than one under load tap changer transformers are connected to the same bus with different connection combinations is provided by the proposed approach. For this aim, new power equations and new Jacobian matrix component calculation equations are obtained. The proposed approach is tested on IEEE 57-bus test system and its accuracy is proved. Keywords: Tap Changer Transformer, Jacobian Matrix, Power Flow *

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


F. Yalçın, U. Arifoğlu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Elektrik enerji sistemlerinde yapılan güç akışı çalışmaları, güç sistemlerinin güvenilir ve kararlı şekilde işletilmesinde oldukça önemlidir. Güç sistemini dengede tutacak parametrelerin, güç akışı algoritması ile, hem doğru hem de hızlı şekilde elde edilmesi önemlidir. Güç akışı çalışması için oluşturulan algoritmanın yakınsama hızını belirleyen temel iki etki; sistemin büyüklüğü ve algoritmanın dayandığı matematiksel alt yapıdır. Güç sistemlerinde bulunan yük altında kademe değiştiren kademe ayarlı transformatörler, kademe değişimine bağlı olarak sistemdeki reaktif güç akışı ve gerilim kontrolü için kullanılmaktadır. Yapıları itibariyle bu transformatörlere ait kademe ayarı değiştiğinde eşdeğer devrelerine ait seri ve şönt admitans değerleri değişir [1-3]. Bu durum, kademe ayarlı transformatörün bağlı olduğu tüm güç sistemine ait bara admitans yapısını değiştirerek, sistemdeki tüm aktif ve reaktif güç akışını etkiler. Güç akışı çalışmalarında, sisteme ait hat yapısının değişmediği, sistemin bara admitans yapısını değiştiren elemanların sisteme bağlı olmadığı ya da bu elemanların değer değiştirerek sistemde değişikliğe neden olmadığı durumlarda, kullanılan güç akışı algoritması için bara admitans matrisinin algoritma boyunca bir kere oluşturulması yeterlidir. Ancak, kademe ayarlı transformatörde, kademe değişimi olduğu her durum için, algoritma içinde bara admitans matrisinin yeniden kurulması zaruri olur. Bu durum ise program boyutunun ve yakınsama süresinin artmasına neden olur [4]. Literatürde, kademe ayarlı transformatörlerin kademe değişim etkilerini bara admitans matrisine sokmayarak, bara admitans matrisinin sürekli kurulmasına gerek bırakmayan birçok çalışma bulunmaktadır. NewtonRaphson algoritması kullanılan bu çalışmalarda, kademe değişim etkileri Jaobian matrise aktarılmaktadır [5,6]. Newton-Raphson yönteminde Jacobian matris her iterasyonda yeniden inşa edildiği için, bu yöntem algoritma yapısına ilave yük getirmez. Kademe değişimi olması durumunda, bara admitans matrisinin yeniden kurulmasına gerek kalmadığı için, yakınsama önemli ölçüde hızlanır. Ancak, mevcut çalışmalarda, kademe değişimi etkisinin Jacobian matrise aktarılması işlemi dar kapsamlı olarak sunulmuş, bir baraya sadece bir adet ya da en fazla iki adet kademe ayarlı transformatörün bağlı olduğu durumlar için çözüm getirilmiştir. Aynı baraya iki adet kademe ayarlı transformatörün bağlı olduğu durum için ise, ilgili baraya transformatörlerin sadece giriş (kademe ayarının yapılmadığı) uçlarının bağlı olduğu kabulü yapılmıştır [7].

338

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

Bu çalışmada, kademe ayarlı transformatörlerin kademe değişim etkilerini Jacobiam matrise aktaran yeni bir yaklaşım sunulmuştur. Bu yaklaşım ile, literatürdeki benzer çalışmalardan farklı olarak, aynı baraya n adet kademe ayarlı transformatörün bağlı olması durumunda da çalışabilen çözüm önerilmiştir. Bu yeni yaklaşımda, aynı baraya birden fazla transformatörün farklı bağlanma kombinasyonları (giriş ya da çıkış uçlarının aynı baraya bağlanması ya da seri bağlanması) için de çözüm sunulmaktadır. Önerilen yaklaşımda, kademe ayarlı transformatörlerin bağlı olduğu baralar için yeni güç denklemleri üretilmiş ve bu denklemlere bağlı olarak, yeni Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri elde edilmiş, önerilen yaklaşım, IEEE 57 baralı test sistemine başarı ile uygulanmış ve elde edilen sonuçlar, kademe değişim etkilerinin bara admitans matrisine dahil edildiği klasik yaklaşım sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve doğruluğu test edilmiştir. 2. KADEME AYARLI TRANSFORMATÖR MODELİ (TAP CHANGER TRANSFORMER MODEL) Yük altında kademe değiştiren kademe ayarlı transformatör modeline ait gösterim ve eşdeğer devre, Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1. Kademe ayarlı transformatör modeli a-) kademe ayarlı transformatör gösterimi b-) kademe ayarlı transformatör eşdeğer devresi (Tap changer transformer model a-) representation of tap changer transformer b-) equivalent circuit of tap changer)[8]

Şekil 1(b)’ de verilen kademe ayarlı transformatör eşdeğer devre gösteriminde; k , m , tkm ve y km sırasıyla kademe ayarlı transformatörün girişinin bağlı olduğu barayı, çıkışının bağlı olduğu barayı, kademe ayar değerini ve transformatöre ait seri admitans değerini göstermektedir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013


Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

F. Yalçın, U. Arifoğlu

3. ÖNERİLEN GÜÇ AKIŞI ALGORİTMASI (THE PROPOSED POWER FLOW ALGORITHM)

eşitlikleri ile bulunur. (2-3) eşitliklerinde; vi ; i. baraya

Kademe ayar değerlerini Jacobian matrise sokan önerilen güç akışı yaklaşımı için bu bölüm içinde verilen eşitlikler, aşağıdaki kabuller altında geçerlidir: -

1 numaralı bara salınım (slack) barası olarak kabul edilmiştir. ng ; sistemdeki jeneratör barası sayısını

ait gerilim genlik değerini, ij ; i. ve j. baralara ait gerilim açıları arasındaki farkı göstermektedir. Şekil 2’ de gösterildiği gibi, aynı baraya N adet  N  1, 2,3 kademe ayarlı transformatörün giriş uçları bağlı ise, bu tür baralardan, diğer AA hatlarına aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri ise;

göstermek üzere, generatör baraları, 1 numaralı baradan başlamak üzere ardışıldır 1 ng .

-

Yük baralarına ait bara numaraları, jeneratör bara sayısının bir fazlasından başlamak üzere, toplam bara sayısına kadar ardışıldır ng 1  nb .

Şekil 1(b)’de, kademe ayarlı transformatör için verilen eşdeğer devreden görüleceği üzere, transformatörün bağlı olduğu baralar arasında oluşan seri admitans ve baralarda oluşan şönt admitans değerleri, kademe ayar y km ; değerine  tkm  göre değişmektedir. transformatörün seri admitans değeridir. Önerilen yaklaşımda, Newton-Raphson yöntemi ile yapılacak güç akışı algoritmasında kullanılacak bara admitans matrisi  ybara  oluşturulurken, Şekil 1(b)’ deki eşdeğer devre üzerinden, aşağıdaki kabuller yapılmıştır: -

-

p k  vk

k ve m barası arasında bulunan seri admitans değeri, kademe değişiminden bağımsız gerçek seri admitans değeri ykm dir. k ve m barasına bağlı olan şönt admitans değerleri sıfırdır.

ybaraij  gbaraij  jbbaraij

(1)

( 1 ) eşitliği ile verilen bara admitans matrisi ifadesinde, g baraij ve bbaraij ifadeleri sırasıyla, bara admitans matrisinin i. satır j. sütun elemanına ait kondüktans ve suseptans değerini göstermektedir. Kademe ayarlı transformatörlerin bağlı olmadığı baralardan, diğer AA hatlarına aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri, nb

(2)

(3)

pi  vi  v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij j 1

nb

qi  vi  v j gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij j 1

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013

Şekil 2. Aynı baraya N adet kademe ayarlı transformatöre ait giriş uçlarının bağlanması (Connection of the input terminals of N tap changer transformers to the same bus) nb

j 1 j  k , m1 , m2 ,, mN

v j g barakj cos  kj  bbarakj sin  kj

N

 vk  vmn tkmn g barakm cos  kmn  bbarakm sin  kmn n 1

n

n

 (4)

N    vk 2  g barakk   tkmn 2  1 g barakm  n n 1  

qk  vk

nb

j 1 j  k , m1 , m2 ,, mN N

v j g barakj sin  kj  bbarakj cos  kj

 vk  vmn tkmn gbarakm sin  kmn  bbarakm cos  kmn n 1

n

n

(5)

N    vk 2  bbarakk   tkmn 2  1 bbarakm  n n 1   eşitlikleri kullanılarak bulunur. (4-5) eşitlikleri ile verilen ifadeler, Şekil 2’deki transformatörlerin çıkış uçlarının bağlı olduğu bara türlerinden bağımsızdır.

Şekil 3’ te gösterildiği gibi, aynı baraya N adet  N  1, 2,3 kademe ayarlı transformatörün çıkış uçları bağlı ise, bu tür baralardan diğer AA hatlarına aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri;

339


F. Yalçın, U. Arifoğlu

pm  vm

nb

j 1 j  m , k1 , k2 ,, k N

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

v j g baramj cos  mj  bbaramj sin  mj

N

 vm  vkn tmkn g baramk cos  mkn  bbaramk sin  mkn n 1

n

n

pk1  vk1

 (6)

 vm g baramm 2

qm  vm

nb

j 1 j  m , k1 , k2 ,, k N N

v j gbaramj sin  mj  bbaramj cos  mj

 vm  vkn tmkn gbaramk sin  mkn  bbaramk cos  mkn n 1

n

n

(7)

 vm bbaramm 2

eşitlikleri ile bulunur. (6-7) eşitlikleri ile verilen ifadeler, Şekil 2’ deki transformatörlerin giriş uçlarının bağlı olduğu bara türlerinden bağımsızdır.

j 1 j  k1 , m1k2 

v j gbarak j cos  k1 j  bbarak j sin  k1 j 1

1

 vk1 v m1k2  tkm1 gbarak  m k  cos  k1  m1k2   bbarak m k  sin  k1  m1k2  1 12

1 12

(8)

(9)

 vk1 2  gbarak k  tkm1 2  1 gbarak m k   11 1 12  

qk1  vk1

nb

nb

j 1 j k1 , m1k2 

1

1 12

vj gbarak j sink1 j  bbarak j cosk1 j 1

 vk1 v m1k2  tkm1 gbarak  m k  sink1  m1k2   bbarak  m k  cosk1 m1k2  1 12

 vk1 2 bbarak k  tkm1 2 1 bbarak m k   11 1 12   pmN  vmN

nb

v j gbaram j cos mN j  bbaram j sin mN j

j 1 j  mN , mN 1kN 

N

 b

N

 

 vmN v mN1kN  tkmN gbaram

cos mN  mN1kN 

 vmN v mN1kN  tkmN

sin mN  mN1kN 

N  mN 1kN 

baram  m k  N N 1 N

(10)

 vmN 2 gbaram m

N N

qmN  vmN

nb

j 1 j  mN , mN 1kN 

v j gbaram j sin mN j  bbaram j cos mN j N

 b

N

 vmN v mN1kN  tkmN gbaram

sin mN  mN1kN 

 vmN v mN1kN  tkmN

cos mN  mN1kN 

N  mN 1kN 

baram  m k  N N 1 N

 

(11)

 vmN 2bbaram m

N N

p mn k n1   v mn k n1  Şekil 3. Aynı baraya N adet kademe ayarlı transformatöre ait çıkış uçlarının bağlanması (Connection of the output terminals of N tap changer transformers to the same bus)

Şekil 4. N adet kademe ayarlı transformatörün seri bağlanması (Series connection of N tap changer transformers)

Şekil 4’ de gösterildiği gibi, N adet kademe ayarlı transformatörün birinin çıkış ucunun diğerinin giriş ucuna bağlanması suretiyle seri bağlı olduğu genel durum için, bu seri bara setine ait her bir baradan, diğer AA hatlarına aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri;

340

 v mn k n1 

nb

j 1 j   mn1k n  , mn k n1  ,  mn1k n 2  nb

j 1 j   mn1k n  ,  mn k n1  , mn1k n2 

 b

v j gbara m k

n n1 j

v j bbara m k

n n1 j

sin   mn k n1  j

cos   mn k n1  mn1k n 

 v mn k n1  v mn1k n  tkmn

sin   mn k n1  mn1k n 

bara m k  m k  n n1 n1 n

 b

 

 v mn k n1  v mn1k n  tkmn gbara m k

n n1  mn1k n 

cos   mn k n1  j

(12)

 

 v mn k n1  v mn1k n2  tkm n1 gbara m k

cos   mn k n1  mn1k n2 

 v mn k n1  v mn1k n2  tkm n1

sin   mn k n1  mn1k n2 

n n1  mn1k n 2 

bara m k  m k  n n1 n1 n 2

 v mn k n1  2  gbara m k  m k   tkm n1 2  1 gbara m k  m k   n n 1 n n1 n n1 n1 n 2    n  1 N  1

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013


Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

qmn k n1  v mn k n1 

j 1 j   mn 1 k n  ,  mn k n 1  ,  mn1 k n  2  nb

 v mn k n1 

nb

j 1 j   mn 1 k n  ,  mn k n1  ,  mn1 k n  2 

 b

v j gbara m k

n n 1  j

v j bbaram k

n n1  j

sin   mn k n1  j

cos   mn k n1  j

 v mn k n1  v mn1k n  tkmn gbaram k

sin   mn k n1  mn1k n 

 v mn k n1  v mn1k n  tkmn

cos   mn k n1  mn1k n 

n n1  mn 1k n 

bara m k  m k  n n1 n 1 n

 b

 

cos   mn k n1  mn1k n2 

 

qi  J 3  i  ng , j  1  j

yerine n  N 1 kullanılmalıdır.

için

değeri

alt indisi

( mN )

Newton-Raphson yöntemiyle yapılan güç algoritmasına ait Jacobian matris genel yapısı;  p J 2     J 4   q  

J J  1  J3

p  v   q  v 

indisi

akışı

Kademe ayarlı transformatörlerin bağlı olmadığı baralara ait güç denklemlerinin kullanıldığı Jacobian matris elemanları, (2-3) eşitlikleri yardımı ile elde edilen;

pi  J1  i  1, i  1  i

nb

 vi  v j  gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij j 1 j i

pi  J1  i  1, j  1  j

 vi v j gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij

j 1 j i

qi  J 4  i  ng , j  ng  v j

(22)

ifadeleri kullanılarak hesaplanır.

 N  1, 2,3

kademe ayarlı

transformatörün giriş uçlarının bağlı olduğu baralara ait güç denklemlerinin kullanıldığı Jacobian matris elemanları; (4- 5) eşitlikleri yardımı ile elde edilen (2334) eşitlikleri ile hesaplanır. Bu eşitliklerde j alt indisi, kademe ayarlı transformatörün ( ya da transformatörlerin) bağlı olduğu k ve m baraları haricindeki baraları ifade etmektedir: pk  J1  k  1, k  1  k  vk

(16)

nb

j 1 j  k , m1 , m2 ,, mN

v j  gbarakj sin  kj  bbarakj cos  kj

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013

(17)

 vk  vmn tkmn  gbarakm sin  kmn  bbarakm cos  kmn n 1

n

n

(23) pk  J1  k  1, m  1  m

  v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij  2vi gbaraii j 1 j i

(15)

(21)

N

pi  J 2  i  1, i  ng  vi nb

nb

  v j gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij  2vi bbaraii

Aynı baraya N adet

eşitliği ile verilebilir.

(20)

qi  J 4  i  ng , i  ng  vi

 vi gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij (14)

(19)

 vi v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij

eşitlikleri yardımı ile bulunur. Özel bir durum olarak; (12-13) eşitliklerinde,  mn 1kn  alt indisi yerine, n  1

 mn 1kn  2 

j 1 j i

 n  1 N  1

için ( k1 ) indisi kullanılırken,

 vi  v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij

 v mn k n1   bbaram k  m k   tkmn1 2  1 bbara m k m k   n n 1 n1 n  2  n n1 n n 1  2

(18)

qi  J 3  i  ng , i  1  i nb

 v mn k n1  v mn1k n2  tkmn1

 vi gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij (13)

sin   mn k n1  mn1k n2 

bara m k  m k  n n 1 n 1 n 2

pi  J 2  i  1, j  ng  v j

 v mn k n1  v mn1k n2  tkmn1 gbaram k

n n1  mn 1k n  2 

F. Yalçın, U. Arifoğlu

 vk vm tkm g barakm sin  km  bbarakm cos  km

 (24)

341


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

pk  J1  k  1, j  1  j

 vk v j gbarakj sin  kj  bbarakj cos  kj

(25)

j 1 j  k , m1 , m2 ,, mN

  vmn tkmn gbarakm cos  kmn  bbarakm sin  kmn n 1

n

 vk g barakj sin  kj  bbarakj cos  kj

v j gbarakj cos  kj  bbarakj sin  kj

N

n

(26)

   2vk  gbarakk   tkmn 2  1 gbarakm  n n 1   N

pk  J 2  k  1, m  ng  vm

 vk tkm g barakm cos  km  bbarakm sin  km

pk  J 2  k  1, j  ng  v j

 vk gbarakj cos  kj  bbarakj sin  kj

(27)

(28)

 vk

j 1 j  k , m1 , m 2 , , m N

v j g barakj cos  kj  bbarakj sin  kj

N

 v k  v mn t kmn g barakm cos  kmn  bbarakm sin  kmn n 1

n

n

qk  J 3  k  ng , m  1  m

 vk vm tkm  g barakm cos  km  bbarakm sin  km

qk  J 3  k  ng , j  1  j

 vk v j  gbarakj cos  kj  bbarakj sin  kj

nb

j 1 j  k , m1 , m2 ,, mN N

(31)

j 1 j  m , k1 , k2 ,, k N

n 1

n

n

N    2vk  bbarakk   tkmn 2  1 bbarakm  n n 1  

n

pm  J1  m  1, j  1  j

 (36)

(37)

nb

v j gbaramj cos  mj  bbaramj sin  mj

  vkn tmkn gbaramk cos  mkn  bbaramk sin  mkn

n 1

(32)

(35)

pm  J 2  m  1, m  ng  vm

n

n

(38)

 2vm gbaramm pm  J 2  m  1, k  ng  vk

 vm tmk g baramk cos  mk  bbaramk sin  mk

pm  J 2  m  1, j  ng  v j

 vm gbaramj cos  mj  bbaramj sin  mj 342

n

pm  J1  m  1, k  1  k

N

v j  g baramj sin  mj  bbaramj cos  mj

 vm  vkn tmkn  g baramk sin  mkn  bbaramk cos  mkn

j 1 j  m , k1 , k2 ,, k N

v j gbarakj sin  kj  bbarakj cos  kj

nb

  vmn tkmn gbarakm sin  kmn  bbarakm cos  kmn n 1

pm  J1  m  1, m  1  m

 vm v j g baramj sin  mj  bbaramj cos  mj

kademe ayarlı

qk  J 4  k  ng , k  ng  vk 

 vm vk tmk gbaramk sin  mk  bbaramk cos  mk

(30)

(34)

transformatörün çıkış uçlarının bağlı olduğu baralara ait güç denklemlerinin kullanıldığı Jacobian matris elemanları, (6 -7) eşitlikleri ile verilen ifadeler yardımı elde edilen, (35-46) eşitlikleri ile hesaplanır. Bu eşitliklerde j alt indisi, kademe ayarlı transformatörün (ya da transformatörlerin) bağlı olduğu k ve m baraları haricindeki baraları ifade etmektedir:

N

(29)

(33)

 N  1, 2,3

Aynı baraya N adet

 vm

q k  J 3  k  n g , k  1  k nb

 vk tkm g barakm sin  km  bbarakm cos  km

qk  J 4  k  ng , j  ng  v j

pk  J 2  k  1, k  ng  vk nb

qk  J 4  k  ng , m  ng  vm

(39)

(40)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013


Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

q m  J 3  m  ng , m  1  m  vm

nb

j 1 j  m , k1 , k 2 ,, k N

pk1

v j g baramj cos  mj  bbaramj sin  mj

N

n

n

qm  J 3  m  ng , k  1  k

(41)

qm  J 3  m  ng , j  1  j

 vm v j  gbaramj cos  mj  bbaramj sin  mj

nb

j 1 j  m , k1 , k2 ,, k N

(42)

pk1

n

n

 b

 vm tmk g baramk sin  mk  bbaramk cos  mk

1 2

barak  m k  1 12

 vm gbaramj sin  mj  bbaramj cos  mj

pmN  mN

(45)

1

1 2

1

1 2

1

1

nb

j 1 j  mN , mN 1k N 

N

 b

N  mN 1kN 

baram  m k  N N 1 N

(49)

sin  mN  mN 1kN  cos  mN  mN 1kN 

(50)

 

 J 1  m N  1,  m N 1 k N   1

 b

 vm N v m N 1 k N  t mk N

 j

N

 v m N v m N 1 k N  t mk N g baram

(46)

p m N

(48)

v j  gbaram j sin  mN j  bbaram j cos  mN j

 vmN v mN 1kN  tmkN

pmN

alt indisi yerine

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013

 

 J1  mN  1, mN  1  vmN

N adet kademe ayarlı transformatörün birinin çıkış ucunun diğerinin girişine ucuna bağlanması suretiyle oluşan seri bağlı yapıya ait baralara ait güç denklemlerinin kullanıldığı Jacobian matris elemanları, (8-13) eşitlikleri ile verilen ifadeler yardımı ile elde edilen, (47-86) eşitlikleri ile hesaplanır. Bu eşitliklerde j alt indisi, kademe ayarlı transformatörün ya da transformatörlerin bağlı olduğu k ve m baraları haricindeki baraları ifade etmektedir. Daha önce belirtildiği üzere, (47-86) eşitlikleri ile verilen ifadelerde,  mn 1kn  alt indisi yerine, n  1 için ( k1 ) n  N  1 değeri için ( mN ) indisi kullanılmalıdır:

cos  k1  m1k2 

(47)

 J1  k1  1, j  1

   m N 1 k N 

qm  J 4  m  ng , j  ng  v j

 mn 1kn  2 

1

 vmN v mN 1kN  tmkN gbaram

q m  J 4  m  ng , k  ng  v k

1

 J 1  k1  1,  m1 k 2   1

 2vm bbaramm

1

 vk1 v j g barak j sin  k1 j  bbarak j cos  k1 j

(44)

v j  gbarak j sin  k1 j  bbarak j cos  k1 j

 vk1 v m1k2  t km1 bbarak  m k  cos  k1  m1k2 

 j

indisi kullanılırken,

j 1 j  k1 ,  m1k2 

 vk1 v m1k2  t km1 g barak m k  sin  k1  m1k2 

(43)

  vkn tmkn gbaramk sin  mkn  bbaramk cos  mkn n 1

pk1   m1k2 

v j gbaramj sin  mj  bbaramj cos  mj

N

nb

 vk1 v m1k2  tkm1 g barak  m k  sin  k1  m1k2 

qm  J 4  m  ng , m  n g  vm

 vk1

 vk1 v m1k2  tkm1

 vm vk tmk  g baramk cos  mk  bbaramk sin  mk

 J1  k1  1, k1  1

 k1

 vm  vkn t mkn g baramk cos  mkn  bbaramk sin  mkn n 1

F. Yalçın, U. Arifoğlu

N  m N 1k N

bara m  m k  N N 1 N

sin  m N  m N 1 k N 

cos  m N  m N 1 k N 

 (51) 

 J1  mN  1, j  1

 vmN v j g baram j sin  mN j  bbaram j cos  mN j p mn kn1    mn kn1 

N

N

(52)

 J1   mn k n 1   1,  mn k n 1   1  v mn kn1 

nb

j 1 j   mn 1 kn  ,  mn kn 1  ,  mn 1 kn  2 

 v mn kn1 

v j g bara m k

nb

j 1 j   mn 1 kn  ,  mn kn 1  ,  mn 1 kn  2 

 b

n n 1  j

v j bbara m k

n n 1  j

sin   mn kn1  j

cos   mn kn1  j

 v mn kn1  v mn1kn  tkmn g bara m k

sin   mn kn1  mn1kn 

 v mn kn1  v mn1kn  tkmn

cos   mn kn1  mn1kn 

n n 1  mn 1kn 

bara m k  m k  n n 1 n 1 n

 b

  (53)

 

 v mn kn1  v mn1kn2  tkm n1 g bara m k

sin   mn kn1  mn1kn 2 

 v mn kn1  v mn1kn2  tkm n1

cos   mn kn1  mn1kn 2 

n n 1  mn 1kn  2 

bara m k  m k  n n 1 n 1 n  2

  343


F. Yalçın, U. Arifoğlu

 p  m n k n 1 

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

pmN

 J 1   m n k n 1   1,  m n 1 k n   1

   mn1k n 

 v mn k n1  v mn1k n  t kmn g bara m k

n n 1  m n 1kn 

sin   mn kn 1  mn1k n 

 mn1kn2 

n n 1  mn 1k n 

 b

 v mnkn1  v mn1kn2  tkmn1

cos mnkn1  mn1kn2 

bara m k  m k  n n1 n1 n2

n n1 j

nb

j 1 j  k1 , m1k2 

sin mnkn1 j bbaram k

 

v j gbarak j cos k1 j  bbarak j sin k1 j

1

(57)

 v m1k2  tkm1 gbarak m k  cos  k1  m1k2   bbarak m k  sin k1  m1k2  1 12

1 12

v m1k2 

 vk1 tkm1 g barak  m k  cos  k1  m1k2   bbarak  m k  sin  k1  m1k2 

pk1

1

1 2

1

1 2

 J 2  k1  1, j  ng 

v j

 vk1 g barak j cos  k1 j  bbarak j sin  k1 j pmN vmN

1

1

j 1 j  mN ,  mN 1k N 

 b

 v mN 1kN  tkmN g baram  v mN 1kN  tkmN  2vmN g baram

p m N v mN 1k N 

N  mN 1k N 

 vmN t kmN bbaram

N  m N 1k N

sin  mN  mN 1k N 

cos  mN  mN 1k N  

 b

 

sin   mn k n 1  mn 1k n  2 

bara m

n k n 1  mn 1k n  2 

 2v mn k n 1   g bara m k  m k   n n 1 n n 1   2   2 v mn k n 1   t km n 1  1 g bara m k  m k   n 1 n  2  n n 1 

p mn kn1 

 J 2   mn kn 1   1,  mn 1kn   ng 

n n 1  mn1kn 

 v mn kn1  tkmn bbara m k

cos   mn kn1  mn1kn 

n n 1  mn 1kn 

 k1

(64)

sin   mn kn1  mn1kn 

 v mn kn 1  t km n1 g bara m k

qk1

 

 J 2   mn k n 1   1,  mn 1 k n  2   n g  n n 1  mn 1  kn  2 

cos   mn kn 1  mn 1  kn 2 

n n 1  mn 1  k n  2 

 (65) 

sin   mn kn1  mn1  kn 2 

 J 2   mn k n 1   1, j  n g 

(66)

cos   mn kn1  j  bbara m k

 v mn kn1  g bara m k

(60)

 

 v mn 1 kn  2  t km n1

n n 1  mn 1k n  2 

 v mn kn1  t km n 1 bbara m k

(63)

cos   mn k n 1  mn 1k n  2 

v mn1  kn 2 

n n 1  j

n n 1  j

sin   mn k n1  j

 J 3  k1  ng , k1  1

 vk1

N mN

N  m N 1k N

bara m k  m k  n n 1 n 1 n

 v mn 1 kn  2  t km n1 g bara m k

p mn kn1 

 J 2  m N  1,  m N 1 k N   ng 

sin   mn k n 1  mn 1k n 

n n 1  mn 1k n 

 

 v mn 1 k n  t kmn

v j

cos  mN  mN 1kN 

n n 1  j

cos   mn k n 1  mn 1k n 

p mn k n1 

N

baram  m k  N N 1 N

 vmN t kmN g baram

344

(59)

v j g baram j cos  mN j  bbaram j sin  mN j N

 b

sin   mn k n 1  j

v j bbara m k

j 1

 ,  mn k n 1  ,  mn 1 k n  2 

 v mn 1 kn  t kmn g bara m k

(58)

 J 2  mN  1, mN  ng  nb

nb

n

n n 1  j

n2

 v mn kn1  tkmn gbara m k

 J 2  k1  1,  m1 k 2   ng 

cos   mn k n 1  j

v j g bara m k

v mn1kn 

 2vk1  gbarak k  tkm1 2 1 gbarak m k   11 1 12   pk1

j 1 j   mn 1 k n  ,  mn k n 1  ,  mn 1 k

j   mn 1 k

nb

(56)

N

(55)

cos mnkn1 j

n n1 j

1

N

(62)

 J 2   mn k n 1   1,  mn k n 1   n g 

v mn k n 1 

 J 2  k1 1, k1  ng 

vk1

 vmN g baram j cos  mN j  bbaram j sin  mN j p mn k n 1 

 J1   mnkn1  1, j 1

 v mnkn1 vj gbaram k pk1

n n1 mn1kn2 

 J 2  mN  1, j  ng 

sin  mnkn1  mn1kn2 

 j

 J1   mn kn1  1,  mn1kn2  1

 v mnkn1  v mn1kn2  tkmn1 gbara m k

p mnkn1

(54)

cos   mn k n 1  mn 1 kn 

 v mn kn 1  v mn 1 kn  t kmn bbara m k

p mnkn1 

v j

nb

j 1 j  k1 ,  m1 k2 

v j g barak j cos  k1 j  bbarak j sin  k1 j 1

 b

1

(67)

 

 vk1 v m1k2  tkm1 g barak  m k  cos  k1  m1k2 

 

(61)

 vk1 v m1k2  tkm1

1

1 2

barak  m k  1 1 2

sin  k1  m1k2 

sin  mN  mN 1 k N 

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013


Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

qk1

q mn kn1 

 J 3  k1  n g ,  m1 k 2   1

  m1k2 

 b

  vk1 v m1k2  t km1 g barak  m k  cos  k1  m1k2   vk1 v m1k2  tkm1

qk1

1

1 2

barak1 m1k2 

sin  k1  m1k2 

(68)

q mn kn1 

 mN

1

1

nb

j 1 j  mN , mN 1k N 

N

 b

sin  mN  mN 1kN 

  mN 1k N 

baram  m k  N N 1 N

 vmN v mN 1k N  t kmN

 b

baram  m k  N N 1 N

v j g bara m

j 1 j   m n 1 k n  ,  m n k n  1  ,  m n  1 k n  2 

 

n k n 1  j

v j bbara  m

n k n  1  m n 1 k n 

 

 mn1kn 

(72)

cos   m n k n 1  j

n k n 1  j

v j

sin   m n k n 1  j

c os   m n k n 1  m n 1 k n 

n k n  1  m n  1k n  2 

 b

 v mn kn1  v mn1kn  tkmn

1

 b

1

1

1 2

barak  m k  1 1 2

cos  k1  m1k2 

 

(77)

n n1  mn1kn 

bara m k  m k  n n1 n1 n

1 12

1 12

cos   m n k n 1  m n 1 k n  2 

(73)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013

1

nb

j 1 j  m N ,  m N 1 k N

(79)

v j g baram j sin  mN j  bbaram j cos  mN j 

 2vmN bbaram q mN v mN 1k N 

(78)

 J 4  mN  ng , mN  ng 

 v mN 1k N  tmk N

cos  mn kn1  mn1kn  (74) sin  mn kn1  mn1kn 

1

N

 b

 v mN 1k N  t mk N g baram

 J 4  k1  ng , j  ng 

v m N

 J 3   mn kn1   ng ,  mn 1kn   1

 v mn kn1  v mn1kn  tkmn gbaram k

qk1

q m N

 v  m n k n 1  v  m n 1 k n  2  t km  n 1 bbara  m n k n 1  m n 1 k n  2  sin   m n k n 1  m n 1 k n  2 

q mn kn1 

 vk1 g barak j sin  k1 j  bbarak j cos  k1 j

 v  m n k n 1  v  m n 1 k n  t km n bbara  m n k n 1  m n 1 k n  sin   m n k n 1  m n 1 k n   v  m n k n 1  v  m n 1 k n  2  t km  n 1 g bara  m

sin   mn kn1  j

(76)

v j g barak j sin  k1 j  bbarak j cos  k1 j

nb

 v  m n k n 1  v  m n 1 k n  t km n g bara  m

bara m k  j n n 1

 vk1 tkm1 gbarak  m k  sin  k1  m1k2   bbarak  m k  cos  k1  m1k2 

nb

 2vk1  bbarak k  tkm1 2  1 bbarak  m k   11 1 1 2   qk1  J 4  k1  ng ,  m1k2   ng  v m1k2 

 J 3   m n k n 1   n g ,  m n k n 1   1 

 v  m n k n 1 

sin  mn kn1  mn1kn2 

cos   mn kn1  j

n n 1  j

N

j 1 j   m n 1 k n  ,  m n k n  1  ,  m n  1 k n  2 

j

 v m1k2  tkm1

sin  mN  mN 1k N 

N

 v b

 v m1k2  tkm1 g barak  m k  sin  k1  m1k2 

 vmN v j  g baram j cos  mN j  bbaram j sin  mN j

 v  m n k n 1 

nb

j 1 j  k1 ,  m1k2 

cos  mN  mN 1k N 

N  m N 1k N 

cos  mn kn1  mn1kn2  (75)

 J 4  k1  ng , k1  ng 

vk1 

 J 3  mN  ng , j  1

 q  m n k n 1 

(70)

 J 3  m N  ng ,  m N 1 k N   1

  vmN v mN 1k N  t kmN g baram

   m n k n 1 

qk1

 

 vmN v mN 1kN  tkmN

q m N

N

N  mN 1k N 

bara m k  m k  n n1 n1 n2

 v mn kn1  v j g bara m k

v j gbaram j cos  mN j  bbaram j sin  mN j cos  mN  mN 1kN 

 j

n n1 mn1kn2 

 J 3   mn kn 1   ng , j  1

 j

 v mn kn1 

 vmN v mN 1kN  tkmN gbaram

(71) qmN

(69)

 J 3  mN  ng , mN  1

 vmN

 b

 v mn kn1  v mn1kn2  tkm n1 gbara m k  v mn kn1  v mn1kn2  tkm n1

 vk1 v j  g barak j cos  k1 j  bbarak j sin  k1 j qmN

 J 3   mn kn 1   ng ,  mn 1kn  2   1

 mn1kn2 

 J 3  k1  ng , j  1

 j

F. Yalçın, U. Arifoğlu

N

N  m N 1k N 

baram  m k  N N 1 N

sin  mN  mN 1k N  cos  mN  mN 1k N 

 

(80)

N mN

 J 4  m N  n g ,  m N 1 k N   n g 

 vm N t mk N g baram k sin  m N k  bbaram k cos  m N k N

N

(81)

345


F. Yalçın, U. Arifoğlu

qmN

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

 J 4  mN  ng , j  n g 

v j

 vmN g baram j sin  mN j  bbaram j cos  mN j q mn kn 1 

N

N

(82)

 J 4   m n k n 1   n g ,  m n k n  1   n g 

v mn kn 1 

nb

j 1 j   mn 1 k n  ,  mn k n 1  ,  mn 1 k n  2 

v j g bara m k

nb

j 1 j   mn 1 k n  ,  mn k n 1  ,  mn 1 k n  2 

 b

n n 1  j

v j bbara m k

sin   mn kn 1  j

n n 1  j

cos   mn kn 1  j

 v mn 1 kn  t mkn g bara m k

sin   mn kn 1  mn 1 kn 

 v mn 1 kn  t mkn

cos   mn kn 1  mn 1 kn 

n n 1  mn 1k n 

bara m k  m k  n n 1 n 1 n

 b

 

 

(83)

 v mn 1 kn  2  t mk n 1 g bara m k

sin   mn kn 1  mn 1 kn  2 

 v mn 1 kn  2  t mk n 1

cos   mn kn 1  mn 1 kn  2 

n n 1  mn 1k n  2 

bara m

n k n 1  mn 1k n  2 

 

 2 v mn kn 1    bbara m k  m k   n n 1 n n 1  

Şekil 5. Önerilen güç akışı algoritmasına ait işaret akış şeması (Flow chart of the proposed power flow algorithm)

 2 v mn kn 1   t km n 1 2  1 bbara m k  m k   n n 1 n 1 n  2  

q mn k n1  v mn1 kn 

 J 4   m n k n  1   n g ,  m n 1 k n   n g 

 v mn kn 1  t mkn g bara m k

n n 1  mn 1k n 

sin   mn k n1  mn1 kn 

v mn1kn 2 

n n 1  mn 1k n 

n n 1  mn 1kn  2 

sin   mn kn1  mn1kn 2 

 v mn kn1  t mk n1 bbara m k

v j

n n 1  mn 1kn  2 

 vmN g baram j sin  mN j  bbaram j cos  mN j N

N

cos   mn kn1  mn1kn 2 

 J 4  m N  n g , j  ng 

RESULTS)

(84)

 J 4   m n k n 1   n g ,  m n  1 k n  2   n g 

 v mn kn1  tmk n1 g bara m k

q m N

cos   mn k n1  mn1kn 

 v mn kn1  t mkn bbara m k q mn kn1 

4. UYGULAMA SONUÇLARI (APPLICATION

(85)

 (86)

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin, Jacobian matrise sokulması için, önerilen yaklaşıma ait Newton-Raphson tabanlı güç akışı algoritması genel işaret akış şeması, Şekil 5’ de verilmiştir.

346

Kademe ayarlı transformatörlerin kademe ayar değerlerinin Jacobian matrise sokulması için Bölüm 3’de önerilen yaklaşım, IEEE 57 baralı test sistemine uygulanmıştır. Uygulama, önerilen yaklaşımın doğruluğunu ve güç akışına kazandırdığı hızlı yakınsamayı göstermek için, iki farklı şekilde yapılmıştır: Öncelikle, standart IEEE 57 baralı test sistemi, Bölüm 3’ te verilen kademe ayarlı transformatörlerin farklı bağlanma kombinasyonlarının tamamını içermediği için, bu kombinasyonları içerecek şekilde test sistemi değiştirilmiş ve bu test sistemine önerilen yaklaşım uygulanarak güç akışı sonuçları elde edilmiştir. Daha sonra ise, önerilen yaklaşım ile elde edilen sonuçların doğruluğunu teyit etmek için, değiştirilmiş test sistemine klasik yöntem uygulanmıştır. Klasik yöntemde, kademe ayarlı transformatöre ait Şekil 1 ile verilen gerçek eşdeğer devrede bulunan (kademe ayar değeri ile değeri değişen) seri ve şönt admitans değerleri, bara admitans matrisine sokulmuştur. Kademe ayar değerleri Jacobian matrise sokulmadığından, güç denklemleri ve Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri olarak, kademe ayarlı transformatörlerin bağlı olmadığı baralar için verilen eşitlikler kullanılmıştır. Bu çalışmalardan sonra, kademe ayar SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013


Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

değerlerini Jacobian matrise sokan önerilen yaklaşımla elde edilen güç akışı sonuçları ile kademe ayar değerlerini bara admitans matrise sokan klasik yöntem ile yapılan güç akışı sonuçları karşılaştırılmış ve her iki yaklaşım sonuçlarının da aynı olduğu görülerek, önerilen yaklaşımın doğruluğu teyit edilmiştir. Yukarıda bahsedilen önerilen yaklaşım ve klasik yöntem ile yapılan güç akışı çalışmaları tamamlandıktan sonra, mevcut kademe ayar değerleri değiştirilerek güç akışı çalışmaları yeniden yapılmıştır. Önerilen yaklaşım ile yapılan yeni güç akışı çalışmasında, kademe ayar değerleri Jacobian matrise sokulduğu için, bara admitans matrisi yeniden kurulmadan başlamış ve güç akışı tamamlanmıştır. Klasik yöntem ile yapılan yeni güç akışı çalışmasının başlangıcında ise, yeni kademe ayar değerlerine göre bara admitans matrisi yeniden kurulmuş ve daha sonra güç akışı tamamlanmıştır. Kademe ayar değerleri değişiminden sonra, önerilen yaklaşım ve klasik yöntem ile yapılan güç akışı çalışmalarına ait yakınsama sonuçları Tablo 1’ de verilmiştir. Tablo 1. Önerilen yaklaşım ve klasik yöntem ile yapılan güç akışı algoritmasına ait yakınsama sonuçlarının karşılaştırılması (Comparasion of the convergence results obtained from the proposed and conventional power flow algorithm)

İterasyon Sayısı Yakınsama Zamanı (sn)

Önerilen Yaklaşım 5

Klasik Yöntem

0.486375

çıkacaktır. Bu sürenin erken yakınsama sağlanması açısından önemli bir değerde olacağı aşikardır.

5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND CONCLUSION)

Sunulan bu çalışma ile, kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değişimi etkilerini Jacobian matrise aktaran yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Böylelikle güç akışı çalışmalarında kademe ayar değişimi sebebiyle bara admitans matrisinin yeniden kurulması gerekliliği ortadan kaldırılmıştır. Önerilen bu yaklaşım ile, literatürde aynı amaca yönelik benzer çalışmadan farklı olarak, çok sayıda ve farklı bağlanma şekline sahip kademe ayarlı transformatör içeren sistemlerde, kademe değişimi etkisinin Jacobian matrise sokulması sağlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda yeni güç denklemleri ve Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri elde edilmiştir. Elde edilen uygulama sonuçları, önerilen yaklaşımın, klasik yaklaşıma göre iterasyon sayısını arttırmadığını ve yakınsama süresini azalttığını göstermiştir.

KAYNAKLAR [1]

5 0.490563

Tablo 1’ den görüldüğü üzere, önerilen yaklaşım ile yapılan güç akışı algoritması, yakınsama iterasyon sayısını artırmamıştır. Bunun ötesinde, önerilen yaklaşım ile kademe ayarlı transformatör kademe değişim etkilerinin Jacobian matrise sokularak bara admitans matrisinin yeniden kurulmaması, algoritmanın yakınsama süresini azaltmıştır. 57 baralı test sistemi için, önerilen yaklaşımın yaklaşık 0.004 sn lik erken yakınsama süresi sağladığı görülmüştür. Bu süre ilk bakışta ihmal edilebilir ve önemsiz seviyede görünmesine rağmen, çok sayıda baraya sahip gerçek enterkonnekte sistemler için önerilen yaklaşımla yapılacak güç akışı çalışmalarında önemli erken yakınsama zamanı elde edilebilir. Bara sayısındaki n katlı bir artış, bara admitans matrisi eleman sayısında n 2 katlı bir artışa neden olur. Bu durumda, bara admitans matrisinin oluşturulması için güç akışında gereken süre n 2 kat artar. Örneğin 2850 baralı büyük bir test sistemine önerilen yaklaşımın uygulanması durumunda, 57 baralı test sistemi için elde edilen 0.004 sn lik süre yaklaşık olarak 10 sn süreye SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013

F. Yalçın, U. Arifoğlu

[2]

[3]

[4]

[5] [6]

Jimenez, J.C., Nwankpa, C.O., ‘Analysis of Reconfigurable Tap Changing Transformer Model Through Analog Emulation’, IEEE International Symposium on Circuits and System, Taipei, 2009. Okyere, H.K., Nouri, H., Moradi, H., Zhenbiao, L., ‘Statcom and Load Tap Changing Transformer (LTC) in Newton Raphson Power Flow: Bus Voltage Constraint and Losses’, 42nd International Universities Power Engineering Conference, Brighton, 2007. Fan, J., Bo, Z., ‘Modelling of On-load Tapchanger Transformer with Variable Impedance and Its Applications’, International Conference on Energy Management and Power Delivery, Vol. 2, 491-494, 1998. Yalçın, F., ‘FACTS Cihazları İçeren AA-DA Sisteminde Optimal Güç Akışı Hesabı İçin Yeni Bir Yaklaşım’, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2013. Heydt, G.T., ‘Computer analysis methods for power systems’, Macmillan Publishing Company, NY, 1986. Lu, C.N., Chen, S.S., Ong, C.M., ‘The Incorporation of HVDC Equations in Optimal Power Flow Methods Using Sequential Quadratic Programming Techniques’, IEEE

347


F. Yalçın, U. Arifoğlu

[7]

[8]

348

Kademe ayarlı transformatörlere ait kademe ayar değerlerinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

Transactions on Power Systems, Vol. 3-3, 10051011, 1988. Arifoğlu, U., ‘Inserting the Tap Values of the Tap Changing Under Load Transformers to the Jacobian Matrix as the State Variables’, Yıldız Teknik Üniversitesi Dergisi, 1997. Arifoğlu, U., ‘Alternatif Akım-Doğru Akım Sisteminde Ayrık Yöntem Kullanımı ile Optimal Güç Dağılımı Hesabı İçin Yeni Bir Yaklaşım’, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 1993.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 337-348, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 349-356, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması Faruk Yalçın1*, Uğur Arifoğlu2 2

1* Sakarya Elektrik Dağıtım A.Ş., Sakarya Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Sakarya

04.06.2013 Geliş/Received, 01.07.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Tristör kontrolü seri kompanzatör (TCSC), enerji iletim sistemlerinde iletim hatlarına seri bağlanarak, bağlı oldukların hattın eşdeğer empedansını değiştiren FACTS cihazlarındandır. TCSC’ ye ait eşdeğer reaktans parametresindeki değişim, bağlı olduğu iletim hattının eşdeğer admitans değerini değiştireceğinden, sistemin bara admitans yapısı değişir. Bu çalışmada, güç akışı çalışmalarında TCSC eşdeğer reaktans parametresini Jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokarak, bara admitans matrisinin her iterasyonda yeniden oluşturulması zorunluluğunu ortadan kaldıran, yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Bu yaklaşımın amacı; özellikle büyük boyutlu güç sistemlerinde yapılan güç akışı hesaplamalarında, her iterasyonda TCSC eşdeğer reaktans parametresi değişiminde, algoritma yakınsama süresinin azaltılmasıdır. Bu amaç doğrultusunda TCSC’nin bağlı olduğu baralar için yeni güç denklemleri ve bu güç denklemlerine bağlı yeni Jcobian matris elemanı hesaplama denklemleri elde edilmiştir. Bu çalışma, TCSC eşdeğer reaktans parametresini, Jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokan, literatürdeki ilk çalışma özelliğine sahiptir. Önerilen yaklaşım IEEE 57 baralı test sistemine uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, önerilen yaklaşımın doğruluğunu ve güç akışı algoritması yakınsama hızını arttırdığını ispatlamıştır. Anahtar Kelimeler: Tristör Kontrollü Seri Kompanzatör, Jacobian Matris, Güç Akışı

Inserting the equivalent reactance parameter of thyristor-controlled series compansator into the jacobian matrix as control variable ABSTRACT Thyristor-controlled series compensator (TCSC) is one of the FACTS devices that changes the equivalent impedance value of the transmission line in energy transmission systems by series connecting to the line. As the equivalent reactance parameter value changing in TCSC changes the equivalent admittance value of the transmission line that the TCSC is connected to, the bus admittance matrix structure of the system is changed. In this paper, a new approach that includes the TCSC equivalent reactance parameter to the Jacobian matrix as control variable and prevents the need of rebuilding the bus admittance matrix in power flow studies is proposed. Thus, the speed increase of the power flow algorithm convergence when the TCSC equivalent reactance parameter is changed is intended. For this aim, new power equations for the buses that the TCSC is connected to and new equations for Jacobian matrix component calculation are obtained. This study is the first one that includes the TCSC equivalent reactance parameter to the Jacobian matrix as control variable in the literature. The proposed approach is applied on *

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

IEEE 57 bus test system. The obtained results have proved that the approach is accurate and fast convergence for the power flow algorithm has been achieved. Keywords: Thyristor-controlled Series Compensator, Jacobian Matrix, Power Flow

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Tristör kontrollü seri kompanzatör (TCSC), reaktans değeri kontrol edilebilen "esnek alternatif akım iletim sistemi" (FACTS) cihazlarından bir tanesidir. Tristör tetikleme açısı uygun değerde seçilerek, endüktif ya da kapasitif olarak, hattın eşdeğer reaktans değerleri, geniş bir aralıkta (ideal olarak sonsuz değerde) ayarlanabilir. TCSC, enerji iletim sistemlerinde, iletim hatlarına seri bağlanır. Böylelikle, bağlı oldukları iletim hattının eşdeğer empedans değerine etki ederek, bu değeri değiştirirler. TCSC; AA sisteminde senkron altı rezonans risklerinin yok edilmesinde, aktif güç osilasyonlarının söndürülmesinde, kararlılığın iyileştirilmesinde ve dinamik güç akışının sağlanmasında etkin şekilde kullanılmaktadır [1-4]. TCSC eşdeğer reaktans parametresi değeri, çalışma koşullarına bağlı olarak değiştirildiğinde, seri bağlı olduğu iletim hattının eşdeğer seri admitans değeri de değişir. Bu durumda, sistemin bara admitans yapısı değişeceğinden, sistemdeki tüm aktif ve reaktif güç akışı da değişecektir. İletim hatlarından akan güç değerlerinin değişmesi, yeni durum değişkenlerinin bulunması için güç akışı çalışmasının yeniden yapılmasını gerekli kılar. TCSC eşdeğer reaktans parametresi değişimi sebebiyle, bara admitans yapısı değişeceğinden, yapılacak güç akışı çalışması için bara admitans matrisinin yeniden kurulması gerekir. TCSC eşdeğer reaktans parametresindeki her her yeni değer için bara admitans matrisinin yeniden kurulması ise, güç akışı algoritması yakınsama süresini arttıracaktır [5]. Büyük boyutlu bara admitans matrisine sahip, büyük enterkonnekte sistemler için yapılan güç akışı çalışmasının, mümkün olan en kısa sürede yakınsaması, sistemin kararlı ve doğru şekilde işletilmesi açısından oldukça önemlidir. Bu sebeple, sürekli çalışan güç akışı algoritmalarında, bara admitans matrisinin sürekli yeniden kurulması, güç akışı algoritmasının hızlı yakınsamasını engeller. Bu çalışmada, TCSC eşdeğer reaktans parametresi değişiminde, Newton-Raphson tabanlı güç akışı algoritması için, bara admitans matrisinin yeniden oluşturulma gereğini ortadan kaldıran yeni bir yaklaşım sunulmuştur. Bu yaklaşımda, TCSC eşdeğer reaktans parametresi değişim etkileri, Jacobian matrise aktarılmıştır. Newton-Raphson yönteminde, Jacobian 350

matris, her iterasyonda zaten oluşturulduğu için, önerilen yaklaşım Jacobian matris açısından algoritmaya ilave bir yük getirmemektedir. Bununla beraber, önerilen yaklaşım ile, TCSC eşdeğer reaktans parametresinin her değişim durumunda, bara admitans matrisinin yeniden kurulması gerekmediğinden, güç akışı algoritmasının hızlı yakınsaması sağlanmaktadır. TCSC eşdeğer reaktans parametresi değişikliği etkilerini Jacobian matrise aktarmak için, TCSC’nin bağlı olduğu baralar için yeni güç denklemleri elde edilmiştir. Yeni güç denklemlerine bağlı olarak, yeni Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri elde edilmiştir. Önerilen yaklaşım IEEE 57 baralı test sistemine uygulanmış, elde edilen sonuçlar, önerilen yaklaşımın doğruluğunu ve güç akışı algoritması yakınsama hızını arttırdığını ispatlamıştır. 2. TRİSTÖR KONTROLLÜ SERİ KOMPANZATÖR (TCSC) MODELİ (THYRISTORCONTROLLED SERIES COMPANSATOR MODEL)

TCSC, Şekil 1’den görüleceği üzere dört temel elemandan oluşmaktadır: Sabit kapasitör, (her iki alternansta iletim sağlayabilen zıt yönlü paralel bağlanan iki adet tristörden oluşmuş) valf, bu tristör valfine seri bağlı reaktör ve varistör. Tristör valfi ve reaktörden oluşan bölüm tristör kontrollü reaktördür (TCR) [6].

Şekil 1. Tristör kontrollü seri kompanzatöre (TCSC) ait şematik gösterim (Schematic representation of thyristor-controlled series compansator)

TCSC’ nin temel çalışma prensibi, sabit kapasitör reaktansına göre, reaktöre ait etkin reaktans değerini uygun şekilde ayarlayarak, eşdeğer reaktansın esnek bir şekilde kontrol edilmesi prensibi üzerine kurulmuştur. Reaktöre seri bağlı tristör valfinin tetikleme açıları uygun şekilde ayarlanıp, reaktör uçlarındaki gerilim ve reaktörden akan akım kontrol edilerek, reaktörün etkin SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

reaktans değeri arzu edilen değere getirilir. Varistör; genellikle metal oksitten yapılan, doğrusal olmayan bir dirençtir ve nominal çalışma durumunda, ideal olarak sonsuz dirence sahiptir. Herhangi bir arıza sebebiyle oluşan ve eşik geriliminin üzerinde maruz kaldığı aşırı gerilimlerde, varistör direnç değeri hızlı bir şekilde düşer, böylelikle TCSC, olası aşırı gerilimlere karşı korunur. Reaktör akımı ve reaktör gerilimi arasında 90 o faz farkı olduğundan, reaktör akımı ancak TCSC tristör tetikleme açısının 90o  TCSC  180o olduğu aralıkta kontrol edilebilir. Şekil 1’ de görüldüğü üzere, TCSC iletim hattına seri bağlanarak, hattın eşdeğer empedansı  zhat  etkin bir şekilde değiştirilebilir. Tristör tetikleme açısı ( TCSC ) değerine bağlı olarak, sürekli çalışma koşullarında, TCSC’ ye ait ana harmonik eşdeğer reaktans parametresi [7];

  

xTCSC   xC  K 1 2    TCSC   sin  2    TCSC  

   TCSC   tan     TCSC 2  K 2 cos    TCSC  tan    TCSC   K 2 cos

2

(1)

xC  x LC

(2)

K2  

2 4 x LC xL

(3)

 

xC xL

(4)

(4) eşitliğindeki xL değeri, TCSC’ ye ait reaktörün reaktans genliğidir. (2)-(3) eşitliklerinde görülen xLC değeri ise; xLC

x x  C L xC  xL

eşitliği yardımı ile hesaplanır. xTCSC parametresi, yukarda bahsedilen xC ve xL genliklerinden farklı olarak, pozitif ve negatif alabilir. (1)-(5) eşitliklerinde görülen tüm SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013

(5) reaktans reaktans değerler reaktans

harmonik

frekans

değerine

göre

İdealde TCSC endüktif ya da kapasitif özelliktedir. Dolayısıyla TCSC eşdeğer empedansı, sadece (1) eşitliği ile verilen, eşdeğer reaktans parametresini içerir;

zTCSC  jxTCSC

(6)

Böylelikle TCSC eşdeğer admitans değeri (7) eşitliği ile hesaplanabilir;

yTCSC  1 / zTCSC

(7)

3. ÖNERİLEN GÜÇ AKIŞI ALGORİTMASI (THE PROPOSED POWER FLOW ALGORITHM)

TCSC eşdeğer reaktans parametresini Jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokan önerilen güç akışı yaklaşımı için bu bölüm içinde verilen eşitlikler, aşağıdaki kabuller altında geçerlidir: -

eşitliği ile verilebilir. (1) eşitliğinde xC ; TCSC’ ye ait kapasitörün reaktans genliğini, TCSC ; TCSC’ ye ait tristör tetikleme açısını (radyan cinsinden) ifade etmektedir. (1) eşitliğinde kullanılan K1 , K 2 ve  değerleri, (2)-(4) eşitlikleri ile verilmiştir; K1 

değerleri, ana hesaplanır.

-

1 numaralı bara salınım (slack) barası olarak kabul edilmiştir. ng ; sistemdeki jeneratör barası sayısını göstermek üzere, generatör baraları, 1 numaralı baradan başlamak üzere ardışıldır 1 ng .

-

Yük baralarına ait bara numaraları, jeneratör bara sayısının bir fazlasından başlamak üzere, toplam bara sayısına kadar ardışıldır ng 1  nb .

Şekil 2. Tristör kontrollü seri kompanzatör (TCSC) ve seri bağlı olduğu hatta ait eşdeğer devre gösterimi (Equivalent circuit representation of the thristor-controlled series compansator and the line that the TCSC is series connected to)

Şekil 2’ de TCSC’ nin seri olarak bağlı olduğu hatta ait eşdeğer devre gösterimi verilmiştir. Şekil 2'de yTCSC ve

yhat sırasıyla, TCSC’ ye ait eşdeğer admitans değerini ve hattın seri admitans değerini göstermektedir. a ve b ise sırasıyla TCSC’ nin seri bağlı olduğu hattın bağlandığı baraları göstermektedir. Önerilen yaklaşımda, Newton-Raphson yöntemi ile yapılacak güç akışı algoritmasında kullanılacak bara admitans matrisi  ybara  oluşturulurken, Şekil 2’ deki eşdeğer devre üzerinde, a ve b baraları arasında

351


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

bulunan hatta ait seri admitans değeri yhat olarak alınmıştır.

ybaraij  gbaraij  jbbaraij

(8)

(8) eşitliği ile verilen bara admitans matrisi ifadesinde, g baraij ve bbaraij ifadeleri sırasıyla, bara admitans matrisinin i. satır j. sütun elemanına ait kondüktans ve suseptans değerini göstermektedir. TCSC’ nin bağlı olmadığı baralardan, bu baralara bağlı AA hatlarına aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri, nb

(9)

(10)

pi  vi  v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij j 1

nb

qi  vi  v j gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij j 1

baraya ait gerilim genlik değerini, ij ; i. ve j. baralara ait gerilim açıları arasındaki farkı göstermektedir.

y fark  g fark  jb fark 

 va vb  g fark cos  ab  b fark sin  ab 

j 1

pb  vb  v j g barabj cos  bj  bbarabj sin  bj  vb va  g fark cos  ba  b fark sin  ba 

 p     q  

p  v   q  v 

(16)

TCSC’ nin bağlı olmadığı baralara ait güç denklemlerinin kullanıldığı Jacobian matris elemanları, (17)-(24) yardımı ile elde edilen;

pi  J1  i  1, i  1  i

 vi v j gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij

j 1 j i

 

pi  J 2  i  1, j  ng  v j

(13)

 vi  v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij (14)

j 1 j i

(19)

(20)

qi  J 3  i  ng , i  1  i nb

(17)

(18)

pi  J 2  i  1, i  ng  vi

 va b fark j 1

J2   J 4 

 vi gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij

2

J J  1  J3

nb

(12)

 va vb  g fark sin  ab  b fark cos  ab  nb

eşitlikleriyle hesaplanır. Newton-Raphson yöntemiyle yapılan güç akışı algoritmasına ait Jacobian matris genel yapısı;

  v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij  2vi gbaraii

 va 2 g fark

 vb b fark

pi  J1  i  1, j  1  j

pa  va  v j g bara aj cos  aj  bbaraaj sin  aj

nb

(15)

2

j 1 j i

 ybaraab  yTCSC

qa  va  v j gbaraaj sin  aj  bbaraaj cos  aj

 vb va  g fark sin  ba  b fark cos  ba 

nb

olarak gösterilmek üzere, TCSC’ nin bağlı olduğu a ve b baralarından bu baralara bağlı AA hatlarına aktarılan aktif ve reaktif güç değerleri;

j 1

 vi  v j  gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij

2

(11)

nb

j 1

eşitliği ile verilebilir.

eşitlikleri ile bulunur. (9) ve (10) eşitliklerinde; vi ; i.

 ybaraab

nb

qb  vb  v j gbarabj sin  bj  bbarabj cos  bj

(21)

 vb g fark 2

352

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

qi  J 3  i  ng , j  1  j

 vi v j gbaraij cos  ij  bbaraij sin  ij

(22)

  v j gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij  2vi bbaraii j 1 j i

qi  J 4  i  ng , j  ng  v j

 vi gbaraij sin  ij  bbaraij cos  ij

 vb va g baraba sin  ba  bbaraba cos  ba

(23)

pb  J1  b  1, j  1  j

 vb v j gbarabj sin  bj  bbarabj cos  bj

(24)

pa  J 2  a  1, a  ng  va nb

j 1 ja

ifadeleri kullanılarak hesaplanır.

 vb  g fark cos  ab  b fark sin  ab 

TCSC’nin bağlı olduğu baralara ait güç denklemlerinin kullanıldığı Jacobian matris elemanları (25)-(48) eşitlikleri ile bulunabilir. Bu eşitliklerde j alt indisi,

 2va gbaraaa  g fark

TCSC’ nin bağlı olduğu a ve b baraları haricindeki baraları ifade etmektedir:

pa  J1  a  1, a  1  a nb

j 1 ja

(25)

(26)

j 1 j b

 va g baraaj cos  aj  bbaraaj sin  aj

 vb va   g fark sin  ba  b fark cos  ba 

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013

j 1 j b

(32)

(33)

(27)

(34)

 va  g fark cos  ba  b fark sin  ba 

 va  g fark cos  ab  b fark sin  ab 

 2vb g barabb  g fark

pb  J 2  b  1, a  ng  va

 vb g baraba cos  ba  bbaraba sin  ba

pb  J1  b  1, b  1  b nb

 va g baraab cos  ab  bbaraab sin  ab

  v j gbarabj cos  bj  bbarabj sin  bj

 vb  v j  gbarabj sin  bj  bbarabj cos  bj

(31)

pb  J 2  b  1, b  ng  vb

 va vb  g fark sin  ab  b fark cos  ab 

 va v j gbaraaj sin  aj  bbaraaj cos  aj

pa  J 2  a  1, b  ng  vb

nb

 va vb gbaraab sin  ab  bbaraab cos  ab

pa  J1  a  1, j  1  j

pa  J 2  a  1, j  ng  v j

 va vb   g fark sin  ab  b fark cos  ab  pa  J1  a  1, b  1  b

(29)

(30)

  v j gbaraaj cos  aj  bbaraaj sin  aj

 va  v j  gbaraaj sin  aj  bbaraaj cos  aj

 vb va  g fark sin  ba  b fark cos  ba 

qi  J 4  i  ng , i  ng  vi nb

pb  J1  b  1, a  1  a

(35)

 vb  g fark cos  ba  b fark sin  ba 

(28)

pb  J 2  b  1, j  ng  v j

 vb gbarabj cos  bj  bbarabj sin  bj

(36)

353


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

qa  J 3  a  ng , a  1  a

qa  J 4  a  ng , j  ng  v j

nb

 va  v j gbaraaj cos  aj  bbaraaj sin  aj j 1 ja

(37)

nb

qa  J 3  a  ng , b  1  b

a b

qa  j

fark

ab

j 1 j b

(38)

 b fark sin  ab 

 va v j g baraaj cos  aj  bbaraaj sin  aj

(39)

j 1 j b

 g

 vb va g baraba cos  ba  bbaraba sin  ba  vb va

fark

(47)

 vb  g fark sin  ba  b fark cos  ba 

(40)

qb  J 4  b  ng , j  ng  v j

 vb g barabj sin  bj  bbarabj cos  bj

 vb va  g fark cos  ba  b fark sin  ba  qb  J 3  b  ng , a  1  a

(46)

qb  J 4  b  ng , a  ng  va  vb g baraba sin  ba  bbaraba cos  ba

 vb  v j gbarabj cos  bj  bbarabj sin  bj

 va  g fark sin  ba  b fark cos  ba 

qb  J 3  b  ng , b  1  b nb

 2vb bbarabb  b fark

g

3

  v j gbarabj sin  bj  bbarabj cos  bj

 va vb g baraab cos  ab  bbaraab sin  ab

(45)

qb  J 4  b  ng , b  ng  vb

 va vb  g fark cos  ab  b fark sin  ab 

  v v  g cos   J  a  n , j  1

 va g baraaj sin  aj  bbaraaj cos  aj

(41)

(48)

TCSC’ ye ait eşdeğer reaktans parametresinin Jacobian matrise sokulması için, önerilen yaklaşıma ait NewtonRaphson tabanlı güç akışı algoritması genel işaret akış şeması, Şekil 3’de verilmiştir.

cos  ba  b fark sin  ba 

qb  J 3  b  ng , j  1  j

 vb v j g barabj cos  bj  bbarabj sin  bj

(42)

qa  J 4  a  ng , a  ng  va nb

  v j gbaraaj sin  aj  bbaraaj cos  aj j 1 ja

(43)

 vb  g fark sin  ab  b fark cos  ab 

 2va bbaraaa  b fark

qa  J 4  a  ng , b  ng  vb

 va g baraab sin  ab  bbaraab cos  ab

(44)

 va  g fark sin  ab  b fark cos  ab  Şekil 3. Önerilen güç akışı algoritmasına ait işaret akış şeması (Flow chart of the proposed power flow algorithm)

354

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

4. UYGULAMA SONUÇLARI (APPLICATION RESULTS)

TCSC eşdeğer reaktans parametresi değerinin Jacobian matrise sokulması için Bölüm 3’de önerilen yaklaşım, IEEE 57 baralı test sistemine uygulanmıştır. Uygulama, önerilen yaklaşımın doğruluğunu ve güç akışı algoritmasının yakınsama süresini (klasik yaklaşımlara göre) azalttığını göstermek için, iki farklı şekilde yapılmıştır: Öncelikle, standart IEEE 57 baralı test sistemi TCSC içermediğinden, 6 ve 7 numaralı baralar arasındaki hatta seri TCSC eklenerek test sistemi değiştirilmiştir. TCSC eşdeğer reaktans parametresi için belirlenen değer için önerilen yaklaşım, bu test sistemine uygulanarak, güç akışı sonuçları elde edilmiştir. Daha sonra ise, önerilen yaklaşım ile elde edilen sonuçların doğruluğunu teyit etmek için, değiştirilmiş test sistemine klasik yöntem uygulanmıştır. Klasik yöntemde, TCSC eşdeğer reaktans parametresi değeri, bağlı olduğu hattın eşdeğer empedansına ilave edilerek bara admitans matrisine sokulmuştur. TCSC eşdeğer reaktans parametresi değeri Jacobian matrise sokulmadığından, güç denklemleri ve Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri olarak, TCSC’ nin bağlı olmadığı baralar için verilen eşitlikler kullanılmıştır. Bu çalışmalardan sonra, TCSC eşdeğer reaktans parametresi değerini Jacobian matrise sokan önerilen yaklaşımla elde edilen güç akışı sonuçları ile, TCSC eşdeğer reaktans parametresi değerini bara admitans matrise sokan klasik yöntem ile yapılan güç akışı sonuçları karşılaştırılmış ve her iki yaklaşım sonuçlarının da aynı olduğu görülerek, önerilen yaklaşımın doğruluğu teyit edilmiştir. Yukarıda bahsedilen önerilen yaklaşım ve klasik yöntem ile yapılan güç akışı çalışmaları tamamlandıktan sonra, mevcut TCSC eşdeğer reaktans parametresi değeri değiştirilerek güç akışı çalışmaları yeniden yapılmıştır. Önerilen yaklaşım ile yapılan yeni güç akışı çalışmasında, TCSC’ ye ait yeni eşdeğer reaktans parametresi değeri Jacobian matrise sokulduğu için, bara admitans matrisi yeniden kurulmadan başlamış ve güç akışı tamamlanmıştır. Klasik yöntem ile yapılan yeni güç akışı çalışmasının başlangıcında ise, yeni TCSC eşdeğer reaktans parametresi değerine göre bara admitans matrisi yeniden kurulmuş ve daha sonra güç akışı tamamlanmıştır. TCSC eşdeğer reaktans parametresi değeri değişiminden sonra, önerilen yaklaşım ve klasik yöntem ile yapılan güç akışı çalışmalarına ait yakınsama sonuçları Tablo 1’ de verilmiştir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013

Tablo 1. Önerilen yaklaşım ve klasik yöntem ile yapılan güç akışı algoritmasına ait yakınsama sonuçlarının karşılaştırılması (Comparasion of the convergence results obtained from the proposed and conventional power flow algorithm)

İterasyon Sayısı Yakınsama Zamanı (sn)

Önerilen Yaklaşım 5 0.487178

Klasik Yöntem 5 0.491341

Tablo 1’ den görüldüğü üzere, önerilen yaklaşım ile yapılan güç akışı algoritması, yakınsama iterasyon sayısını artırmamış, bunun ötesinde, önerilen yaklaşım ile TCSC eşdeğer reaktans parametresinin aldığı her yeni değer Jacobian matrise sokularak, bara admitans matrisinin yeniden kurulmaması, algoritmanın yakınsama süresini azaltmıştır. 57 baralı test sistemi için, önerilen yaklaşımın yaklaşık 0.004 sn lik erken yakınsama süresi sağladığı görülmüştür. Bu süre ilk bakışta ihmal edilebilir ve önemsiz seviyede görünmesine rağmen, çok sayıda baraya sahip gerçek enterkonnekte sistemler için önerilen yaklaşımla yapılacak güç akışı çalışmalarında önemli erken yakınsama zamanı elde edilebilir. Bara sayısındaki n katlı bir artış, bara admitans matrisi eleman sayısında n 2 katlı bir artışa neden olur. Bu durumda, bara admitans matrisinin oluşturulması için güç akışında gereken süre n 2 kat artar. Örneğin 3420 baralı büyük bir test sistemine önerilen yaklaşımın uygulanması durumunda, 57 baralı test sistemi için elde edilen 0.004 sn lik süre yaklaşık olarak 14.4 sn süreye çıkacaktır. Bu sürenin erken yakınsama sağlanması açısından önemli bir değerde olacağı aşikardır. 5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND CONCLUSION)

Sunulan bu çalışma ile, literatürde ilk kez TCSC eşdeğer reaktans parametresi değeri değişimi etkilerini Jacobian matrise aktaran yeni bir yaklaşım önerilmiştir. Böylelikle güç akışı çalışmalarında TCSC eşdeğer reaktans parametre değeri değişimi sebebiyle, bara admitans matrisinin yeniden kurulması gerekliliği ortadan kaldırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda yeni güç denklemleri ve Jacobian matris elemanı hesaplama denklemleri elde edilmiştir. Elde edilen uygulama sonuçları, önerilen yaklaşımın klasik yaklaşıma göre iterasyon sayısını arttırmadığını ve algoritmanın yakınsama süresini azalttığını göstermiştir.

355


F. Yalçın, U. Arifoğlu

Tristör kontrollü seri kompanzatöre ait eşdeğer reaktans parametresinin jacobian matrise kontrol değişkeni olarak sokulması

KAYNAKLAR

[1]

[2]

[3]

[4] [5]

[6]

[7]

356

Piwko, R.J., Larsen, E.V., Damsky, B.L., Furumasu, B.C., Mittlestadt, W., Eden, J.D., ‘Thyristor controlled series compensation prototype installation at the Slatt 500 kV substation’, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 8-3, 1460-1469, 1993. Son, K.M., Park, J.K., ‘On the robust LQG control of TCSC for damping power system oscillations’, IEEE Transactions on Power Systems”, Vol. 15-4, 1306-1312, 2000. Del Rosso, A.D., Canizares, C.A., Dona, V.M., ‘A study of TCSC controller design for power system stability improvement’, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 18-4, 1487-1496, 2003. www05.abb.com/global/scot/scot221.nsf/veritydi splay/fdf0b019e1fe08a48325771f002dbfc5/$file/ a02-0158.pdf (Erişim Tarihi: Ocak 2013) Yalçın, F., ‘FACTS Cihazları İçeren AA-DA Sisteminde Optimal Güç Akışı Hesabı İçin Yeni Bir Yaklaşım’, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2013. Fuerte-Esquivel, C.R., Acha, E., Ambriz-Perez, H., ‘A thyristor controlled series compensator model for the power flow solution of practical power networks’, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 15-1, 58-64, 2000. Acha, E., Fuerte-Esquivel, C.R., Ambriz-Perez, H., Angeles-Camacho, C., ‘FACTS: Modelling and simulation in power networks’, John Wiley & Sons Ltd, West Sussex, 2004.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 349-356, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 357-362, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 357-362, 2013

Adipik asit üzerine ab initio hesaplamaları Mustafa Çetin1*, Adil Başoğlu1, Davut Avcı1, Yusuf Atalay1 Sakarya Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 54187, Serdivan, Turkiye 07.01.2013 Geliş/Received, 09.07.2013 Kabul/Accepted

ÖZET 6-31G(d) temel seti ile yoğunluk fonksiyonu teorisi (B3LYP) ve Hartree-Fock (HF) method kullanılarak geometrik optimizasyon, titreşim spektrumları ve 13C NMR, 1H NMR kimyasal kayma hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Bu metodlar adipik asitin yapısal karakterizasyonunda uygulanmış olan bir araç olarak önerilmiştir, bu nedenle IR ve NMR deneysel verilerin yorumlanmasında faydalı destekler sağlanmıştır. Parametreler hesaplanan ve deneysel 13C NMR, 1H NMR kimyasal kayma değerlerinin ve IR datalarının linear korelasyon grafikleri ilişkilendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: DFT, HF,13C NMR ve 1H NMR spectrum, IR spectrum, GIAO, yapı aydınlatılması,

Ab initio calculations on adipic acid ABSTRACT Geometric optimization, vibrational spectra and GIAO (gauge including atomic orbital) 13C NMR, 1H NMR chemical shift calculations were carried out by using Hartree-Fock (HF) method and density functional method (B3LYP) with the 6-31G(d) basis set. These methods are proposed as a tool to be applied in the structural characterization of adipic acid, thus providing useful support in the interpretation of experimental NMR data and IR data. Parameters were related to the linear correlation plot of computed data versus experimental 13C NMR, 1H NMR chemical shifts values and IR data. Keywords: DFT, HF,13C NMR and 1H NMR spectra, IR spectra, GIAO, structure elucidation,

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


M. Çetin, A. Başoğlu, D. Avcı, Y. Atalay

1. INTRODUCTION Molecular recognition studies of mono and dicarboxylic acids are of great importance due to their versatile appearance in many biologically active molecules, such as ibuprofen, aspirin, various antibiotics, amino acids, prostaglandins, and also in biotin, folic acid, bile acids, bilirubin, etc. [1] Adipic acid was the subject of early studies of the effect of additives on individual crystal faces of molecular crystals [2,3] with the influence of surfactants on hydrophilic and hydrophobic faces being observed [4]. Infrared and Raman spectroscopies can be useful in the study of hydrogen bonds in the mixed organic-inorganic crystals. The aim of the present work is to describe and characterize the molecular structure, vibrational properties of adipic acid and GIAO (gauge including atomic orbital) 13C NMR, 1H NMR chemical shift calculations on adipic acid. A number of papers related to adipic acid are already available. The conformations, energies, and intramolecular hydrogen bonds in dicarboxylic acids were presented by Nguyen, Hibbs and Howard [1].Furthermore, molecular structure and vibrational spectraof glutaconic acid were calculated by Y. Atalay et al. [5]. Density functional theory calculations are reported to provide excellent vibrational frequencies of organic compounds if the calculated frequencies are scaled to compensate for the approximate treatment of electron correlation, for basis set deficiencies and for the anharmonicity [6,7]. Rauhut and Pulay [8] calculated the vibrational spectra of thirty one molecules by using B3LYP method with 6-31G(d) basis set. In their work, they calculated vibrational frequencies of twenty smaller molecules whose experimental vibrational frequencies are well assigned, and derived transferable scaling factors by using least-square method. The scaling factors are successfully applied to other eleven larger molecules. Thus, vibrational frequencies calculated by using the B3LYP functional with 6-31G(d) basis can be utilized to eliminate the uncertainties in the fundamental assignments in infrared and Raman vibrational spectra [9]. A number of papers have recently appeared in the literature concerning the calculation of NMR chemical shift (c.s.) by quantum-chemistry methods [10-15]. These papers indicate that geometry optimization is a crucial factor in an accurate determination of computed NMR chemical shift. Moreover, it is known that the DFT 358

Ab initio calculations on adipic acid

(B3LYP) method adequately takes into account electron correlation contributions, which are especially important in systems containing extensive electron conjugation and/or electron lone pairs [14]. However, considering that as molecular size increases, computing-time limitations are introduced for obtaining optimized geometries at the DFT level, it was proposed that the single-point calculation of magnetic shielding by DFT methods was combined with a fast and reliable geometryoptimization procedure at the molecular mechanics level [14]. The gauge-including atomic orbital (GIAO) [16,17] method is one of the most common approaches for calculating nuclear magnetic shielding tensors. It has been shown to provide results that are often more accurate than those calculated with other approaches, at the same basis set size [18]. In most cases, in order to take into account correlation effects, post-Hartree-Fock calculations of organic molecules have been performed using (i) Møller-Plesset perturbation methods, which are very time consuming and hence applicable only to small molecular systems, and (ii) density functional theory (DFT) methods, which usually provide significant results at a relatively low computational cost [19]. In this regard, DFT methods have been preferred in the study of large organic molecules [20], metal complexes [21] and organometallic compounds [22] and for GIAO 13C c.s. calculations [18] in all those cases in which the electron correlation contributions were not negligible. In previous publication, J. Housty, M. Hospital had worked X-ray diffraction (XRD) of adipic acid [23]. As well as, 13C NMR, 1H NMR spectra, vibrational spectra of adipic acid [24]. The best of our knowledge, no estimates of theoretical results for adipic acid have been reported so far. In this work, we have calculated the vibrational frequencies, GIAO (gauge including atomic orbital) 13C NMR, 1H NMR chemical shifts of adipic acid in the ground state to distinguish the fundamental frequencies from the experimental vibrational frequencies, GIAO (gauge including atomic orbital) 1H NMR and 13C NMR chemical shift calculations and geometric parameters, by using the HF and DFT (B3LYP) method. These calculations are valuable for providing insight into the 1H NMR and 13C NMR spectrum, vibrational spectrum and molecular parameters. 2. COMPUTATIONAL METHODS The molecular structures of adipic acid in the ground state (in vacuo) is optimized B3LYP with 6-31G(d) basis set. The geometry of the title compounds, together with that of tetramethylsilane (TMS) is fully optimized. 1H NMR and 13C NMR chemical shifts are calculated within SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 357-362, 2013


M. Çetin, A. Başoğlu, D. Avcı, Y. Atalay

Ab initio calculations on adipic acid

GIAO approach [16,17] applying B3LYP and HF method [25] with 6-31G(d) [26] basis set. The theoretical NMR 1H and 13C chemical shift values were obtained by subtracting the GIAO calculated [27,28]. 1H and 13C isotropic magnetic shielding (I.M.S.) of any X carbon atom, to the average 13C IMS of TMS: CSx=IMSTMSIMSx. Additionally, vibrational frequencies for adipic acid are calculated with these methods and then scaled by 0.8929 and 0.9613, respectively. Molecular geometry is restricted and all the calculations are performed by using Gauss-View molecular visualisation program [29] and Gaussian 98 program package on personal computer [30]. 3. RESULTS AND DISCUSSION 3.1. Geometrical Structure J. Housty, M. Hospital [23]determined the crystal structure of adipic acid.The dicarboxylic acid, adipic acid (HO2C(CH2)4COOH) crystallizes in the space group P21/c with a=10.01 Å, b=5.15 Å, c= 10.06 Å, β= 136.75, Z=2. Molecules are linked in infinite chains, parallel to the a axis, by hydrogen bonds involving adjacent carboxylic acid groups. These chains are held together by van der Waals forces and close contacts between oxygens and hydrogens of adjacent aliphatic carbons [23]. The optimized geometric parameters (bond lengths and angles) by HF and B3LYP with 6-31G(d) as the basis set are listed in Table 1,and experimental geometric parameters of adipic acid have referred to experimental geometric parameters of glutaconic acid [31] for compared with theoretical results.For the optimized geometric parameters, various methods including HF method estimates some bond lengths well to some extent [5,32-34]. We noted that the experimental results belong to solid phase and theoretical calculations belong to gaseous phase.

Figure 1. The theoretical geometric structure of adipic acid.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 357-362, 2013

Table 1. Selected optimized and experimental geometries of adipic acid in the ground state

Parameters

Exp.*

Bond lengths (Å) C(1)-C(2) 1.501 C(2)-C(3) 1.501 C(3)-C(4) 1.501 C(4)-C(5) 1.501 C(5)-C(17) 1.501 C(1)-O(7) 1.223 C(17)-O(18) 1.223 C(1)-O(6) 1.278 C(17)-O(19) 1.278 Bond angles ( o ) C(17)-O(19)-H(20) 111(2) H(15)-C(5)-H(16) 106(2) C(17)-C(5)-H(15) 107(1)

Calculated HF B3LYP 6-31G(d) 1.5148 1.5371 1.5288 1.5255 1.5073 1.1816 1.1876 1.3381 1.3305

1.5232 1.5421 1.533 1.5297 1.5141 1.2042 1.2109 1.3655 1.3566

108.2694 105.8736 107.539

106.0995 105.4241 107.9032

*: Taken from reference [31]. Bondlengths in angstrom, and bond angles in degrees.

3.2. Vibrational Spectra of Adipic Acid We have not found theoretical results for the adipic acid in the literature and an experimental vibrational spectrum of adipic acid has been taken by http://www.aist.go.jp [24]. We have calculated the theoretical vibrational spectra of adipic acid by using B3LYP and HF method with 6-31G(d) basis set. We have compared our calculation of adipic acid with their experimental results. Theoretical and experimental results of adipic acid are shown in Table 2. The vibrational bands’ assignments have been made by using Gauss-View molecular visualisation program [29]. To make comparison with experiment, we present correlation graphic in Figure 2 based on the calculations. As we can see from correlation graphic in Figure 2 experimental fundamentals are in better agreement with the scaled fundamentals and are found to have a good correlation for B3LYP than HF. As can be seen from Table 2, the O-H vibrations of adipic acid have been calculated by using HF and B3LYP method with 6-31G(d) basis set at 3676, 3619 cm-1 and 3591, 3543 cm-1, respectively; these bands were experimentally observed at 3033, 2963 cm-1 [24]. The CH2 experimental asymmetric and symmetric stretch bands of adipic acid were observed at 2952, 2672 cm-1, that have been calculated with HF and B3LYP at 2950, 2850 cm-1, 3012, 2904 cm-1, respectively, in Table 2. In the literature the C=O asymmetric and symmetric stretch were only observed at 1698 cm-1, but using HF and B3LYP method with 6-31G(d) basis set is found to be at 1847 cm-1, 1815cm-1 and 1811 cm-1, 1776 cm-1, 359


M. Çetin, A. Başoğlu, D. Avcı, Y. Atalay

Ab initio calculations on adipic acid

respectively. As can be seen from the Table 2, there is a good agreement between experimental and theoretical vibration results for O-H, C-H, C=O and the others. Table 2. Comparison of the observed and calculated vibrational spectra of adipic acid

Assignments O-H str. O-H str. CH2 asym. str. CH2 asym. str. CH2 asym. str. CH2 sym. str. CH2 sym. str. CH2 sym. str. CH2 sym. str. C=O str. C=O str. CH2 bend. CH2 bend. CH2 twist. CH2 twist. C-H, O-H rock. CH2 wag. CH2 wag. CH2 twist. + O-H rock. CH2 rock. + O-H rock. CH2 twist. + O-H rock. O-H rock. O-H rock. CH2 twist. C-C str. C-C str. CH2 wag. C-C str. C-C str. CH2 rock. HO-OC-C wag. CH2 rock. O-H rock. OH-C=O bend. OH-C=O bend. O-H rock. CH2, O-H bend. O-H bend. CH2, O-H rock. *: Taken from reference [24].

360

FT–IR* with KBr (cm-1) 3033 2963 2952 2932 2919 2879 2766 2672 1698 1464 1429 1409 1357 1316 1282 1196 929 903 737 691 525 517 -

Calculated (cm-1) HF B3LYP 6-31G(d) 3676 3591 3619 3543 2950 3012 2923 2984 2889 2948 2880 2936 2873 2929 2862 2919 2850 2904 1847 1811 1815 1776 1476 1476 1440 1434 1388 1386 1346 1357 1315 1318 1301 1297 1293 1290 1279 1277 1241 1262 1231 1230 1190 1176 1159 1123 1058 1107 1038 1046 1011 1037 902 1015 866 894 857 855 777 774 720 708 712 632 691 618 653 602 607 504 504 469 475 446 466 425 424

Figure 2. Correlation graphics of calculated and experimental frequencies of adipic acid.

3.3 NMR Spectra of Adipic Acid GIAO calculations with X-Ray geometry lead to more accurate chemical shifts compared to B3LYP optimized geometry. We have calculated the theoretical chemical shift values of adipic acid by using B3LYP and HF method with 6-31G(d) basis set. The 1H and 13C chemical shift values (with respect to TMS), calculated for the optimized structures adipic acid and experimental 1H and 13 C chemical shift values [24] shown in Table 3. The molecular structure of adipic acid can be seen dicarboxylic acids. Therefore, the chemical shift values of C1 and C17 were observed to be 174.28 ppm, (in the DMSO-d6) for adipic acid [24]. Herein the chemical shift values of C1 has been calculated at 166.1731 ppm and 157.8160 ppm by using HF and B3LYP method with 631G(d) basis set for adipic acid, respectively (Table 3). Similarly, the chemical shift values of C17 has been calculated at 171.1619 ppm and 161.6951 ppm by using HF and B3LYP method with 6-31G(d) basis set for adipic acid, respectively (Table 3). However, the chemical shift value of H8 and H20 was found to be 12.00 ppm (in the DMSO-d6) for adipic acid [24].These values have been calculated at 5.2205 ppm and 5.8786 ppm (for HF method with 6-31G(d) basis set), at 5.3334 SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 357-362, 2013


Ab initio calculations on adipic acid

M. Çetin, A. Başoğlu, D. Avcı, Y. Atalay

ppm and 5.5097 ppm (for B3LYP method with 6-31G(d) basis set) shown in Table 3.These values are apporatiate for dicarboxylic acids carbons and protons [35].As can be seen from the Table 3, there is a good agreement between experimental and theoretical 1H NMR and 13C NMR chemical shifts results for adipic acid. This analysis is supported by the correlation plots obtained from the chemical shift data calculated at HF and B3LYP level with 6-31G(d) basis set (see Figure 3 and Table 3). Figure 3 shows that the correlation plot of the 1H and 13C chemical shift values (with respect to TMS), calculated at HF and B3LYP level with 6-31G(d) basis set versus the corresponding experimental data shown in Table 3.As we can see from correlation graphic in Figure 3 experimental 1H and 13C chemical shift values are in better agreement with the theoretical 1H and 13C chemical shift values and are found to have a good correlation for B3LYP than HF. Table 3. Theoretical and experimental 13C and 1H isotropic chemical shifts (with respect to TMS, all values in ppm) for adipic acid (C6H10O4) (all calculations performed with the 6-31G(d) basis set)

Atom C1 C2 C3 C4 C5 C17 H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H20

Experimental* (ppm) NMR (DMSO-d6) 174.28 33.35 24.00 24.00 33.35 174.28 12.00 2.210 2.210 1.501 1.501 1.501 1.501 2.210 2.210 12.00

Calculated chemical shift (ppm) B3LYP/ HF/6-31G(d) 6-31G(d) 166.1731 157.8160 35.2261 38.2804 23.3213 29.0738 22.9315 27.3101 30.8221 32.3787 171.1619 161.6951 5.2205 5.3334 1.8253 2.0671 1.6942 1.6752 1.6435 1.6379 2.2662 2.0926 1.5555 1.6746 1.0868 1.2320 2.2559 2.3172 2.1539 2.2324 5.8786 5.5097

Figure 3. Correlation plot of calculated versus experimental 1H and 13C NMR chemical shift, at the HF and B3LYP level with 6-31G(d) basis set for adipic acid.

4. CONCLUSIONS In this work, we have calculated the geometric parameters, vibrational frequencies and 1H and 13C chemical shift values of adipic acid by using B3LYP and HF method with 6-31G(d) basis set.In particular, the results of B3LYP method has shown better fit to experimental data than HF in evaluating 1H and 13C chemical shift values. Likewise, B3LYP method seems to be appropriate than HF method for the calculation of vibrational frequencies of adipic acid.As well as, very economical in respect of computational resources density functional calculations would be more suitable for studying typical chemical molecules, especially take into account that large basis sets are required for NMR properties prediction [36].

*:Taken from reference [24].

To test the different theoretical approaches (HF, DFT/B3LYP) reported here, computed and experimental 1 H and 13C chemical shifts in the DMSO-d6 [24] of adipic acid were compared. More commonly, however, the NMR spectrum is used in conjunction with other forms of spectroscopy and chemical analysis to determinate the structures of complicated organic molecules. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 357-362, 2013

361


M. Çetin, A. Başoğlu, D. Avcı, Y. Atalay

Ab initio calculations on adipic acid

[22] Acknownledge : This study was supported by Sakarya University Scientific Research Projects Commission (Proje No:2012-50-01-024) REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]

362

T. H. Nguyen, D. E. Hibbs, S. T. Howard, J. Comput. Chem. 26 (2005) 133. Michaels AS, Colville AR. 1960. The effect of surface active agents on crystal growth rate and crystal habit. J. Phys Chem 63:13–19. Michaels AS, Tausch FW. 1961. Modification of growth rate and habit of adipic acid crystals with surfactants. J Phys Chem 64:1730–1737. L. Williams-Seton, R. J. Davey, H. F. Lieberman, R. G. Pritchard, J. of Pharmaceutical Sci., 89 (2000) 346. Y. Atalay, D. Avcı, A. Başoğlu, J. Mol. Struct. 787 (2006) 90-95. Yu. A. Abramov, A. V. Volkov, P. Coppens, Chem. Phys. Lett. 311 (1999) 81-86. N. C. Handy, P. E. Maslen, R. D. Amos, J. S. Andrews, C. W. Murray, G. J. Laming, Chem. Phys. Lett. 197 (1992) 506. G. Rauhut, P. Pulay, J. Phys. Chem. 99 (1995) 3093. S. Y. Lee, B. H. Boo, Bull Korean Chem. Soc. 17 (1996) 760. J. Casanovas, A. M. Namba, S. Leon, G. L. B. Aquino, G. V. J. da Silva, C. Aleman, J. Org. Chem. 66 (2001) 3775-3782. A. B. Sebag, D. A. Forsyth, M. A. Plante, J. Org. Chem. 66 (2001) 7967-7973. D. B. Chesnut, in Reviews in Computational Chemistry, vol. 8 (Eds: K. B. Lipkowitz, D. B. Boyd), VCH, New York, ch. 5 (1996) p. 245-297. A. C. J. de Dios, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 29 (1996) 229-278. D. A. Forsyth, A. B. Sebag, J. Am. Chem. Soc. 119 (1997) 9483-9494. T. Helgaker, M. Jaszunski, K. Ruud, Chem. Rev. 99 (1999) 293-352. R. Ditchfield, J. Chem. Phys. 56 (1972) 5688. K. Wolinski, J. F. Hinton, P. Pulay, J. Am. Chem. Soc. 112 (1990) 8251-8260. J. R. Cheeseman, G. W. Trucks, T. A. Keith, M. J. Frisch, J. Chem. Phys. 104 (1996) 5497. P. Cimino, L. Gomez-Paloma, D. Duca, R. Riccio, G. Bifulco, Magn. Reson. Chem. 42 (2004) 26. R. A. Friesner, R. B. Murphy, M. D. Beachy, M. N. Ringnalda, W. Pollard, Thomas; B. D. Dunietz, Y. Cao, J. Phys. Chem. A 103 (1999) 1913. L. Rulìsek, Z. Havlas, Int. J. Quantum Chem. 91 (2003) 504.

[23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]

[32] [33] [34] [35] [36] [37]

T. Ziegler, Density Funct. Methods, Chem. Mater. Sci. 69 (1997). J. Housty, M. Hospital, Acta Cryst 18 (1965) 693–697. http://www.aist.go.jp (private communication). G. Rauhut, S. Puyear, K. Wolinski and P. Pulay, J. Phys. Chem., 100 (1996) 6310-6316. R. Ditchfield, W. J. Hehre and J.A. Pople, J. Chem. Phys., 54 (1971) 724-728. R. Ditchfield, Mol. Phys. 27(4) (1974) 789-807. C.M. Rohlfing, L. C. Allen, R. Ditchfield, Chem. Phys. 87 (1984) 9-15. A. Frisch, A. B. Nielsen, A. J. Holder, Gaussview User Manual, Gaussian Inc., Pittsburg, 2001. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, V. G. Zakrzewski, J. A. Montgomery, Jr., R. E. Stratmann, J. C. Burant, S. Dapprich, J. M. Millam, A. D. Daniels, K. N. Kudin, M. C. Strain, O. Farkas, J. Tomasi, V. Barone, M. Cossi, R. Cammi, B. Mennucci, C. Pomelli, C. Adamo, S. Clifford, J. Ochterski, G. A. Petersson, P. Y. Ayala, Q. Cui, K. Morokuma, P. Salvador, J. J. Dannenberg, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. Cioslowski, J. V. Ortiz, A. G. Baboul, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. Gomperts, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, J. L. Andres, C. Gonzalez, M. Head-Gordon, E. S. Replogle, and J. A. Pople, Gaussian 98, Revision A.9, Gaussian, Inc., PittsburghPA, 2001. L. Thomas, T. Srikrishnan, Journal of Chem. Crystallogr. 33 (2003) 9. S. Y. Lee, Bull Korean Chem. Soc. 19(1) (1998) 93. C. J. M. Wheeless, X. Zou, R. Liu, J. Phys. Chem. 99 (1995) 1248. S. Y. Lee, B. H. Boo, J. Phys. Chem. 100 (1996) 15073. Jr. L. G. Wade, Organic chem., Prentice Hall Inc., 1995. V. P. Ananikov, Central Eur. J. of Cem., 2(1) (2004) 196-213.60, 53-56, 2006.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 357-362, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 363-369, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013

Aşağı Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

Emrah Doğan1, Osman Sönmez1*, Emrah Yapan1, Koray Othan1, Sait Özdemir1, Tarık Çitgez2 2

1 Sakarya Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü. 54187 Esentepe/SAKARYA Düzce Üniversitesi, Orman Mühendisliği Bölümü. 81620Konuralp Yerleşkesi/DÜZCE

10.03.2013 Geliş/Received, 16.07.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Türkiye’de taşkın tehlikesi ile karşı karşıya kalan birçok alanlardan bir tanesi de Aşağı Sakarya Havzası diye adlandırılan Sakarya Nehrinin Karadeniz’e döküldüğü yer olan Karasu’ya bağlı Yenimahalle ile akım gözlem istasyonunun bulunduğu Doğançay’a kadar olan kısmıdır. Yerleşim ve toprak kullanımı açısından taşkın bölgelerinin cazibesi yukarıda anılan bölgenin de hem yerleşim hem de tarım arazisi olarak kullanılmasına sebep olmuştur. Taşkınların bilinen zarar ve ziyanları bu bölge için de söz konusudur. Bu çalışma kapsamında Aşağı Sakarya Nehir yatağınin son 113 km lik kısmı için beklenen 100 yıl tekerrürlü olası taşkını taşıma kapasitesi araştırılmış,baraj yıkılması durumu için de oluşabilecek muhtemel taşkın senaryoları uygulanmak suretiyle risk analizleri yapılmıştır. Senaryo taşkınları, HEC-RAS programıyla senaryo taşkınları sırasındaki su yüksekliği ve taşkın alanı hesap edilmiş bu bilgiler, HEC-GeoRAS, ArcGIS 9x ve ArcView 3.2 programında taşkın yayılım haritalarına dönüştürülmüştür. Sonuçta Aşağı Sakarya Nehrinin muhtemel taşkınlara karşı duyarlı olduğu görülmüştür. Nehrin zaman zaman taşkın suları altında kalması çalışmada elde edilen bulguları desteklemektedir. Taşkınlara karşı yapılacak önleme ve azaltma çalışmalarında değişik senaryoların dikkate alınmasının önemi vurgulanmaya çalışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Sakarya nehri, taşkın, taşkın yatağı, HEC-RAS

Creating flood inundation maps for Lower Sakarya River ABSTRACT The Sakarya River Basin in Turkey frequently floods. The allure of riverside settlement and of nutrient-rich riverbank soil has led to extensive residential and agricultural development in flood plains. In this study, the 100 years return period possible flood carrying capacites of last 113 km of the Lower Sakarya Riverbed were investigated, also dam break and risk analyses were performed by applying different scenarios for the floods likely to occur. Flooding scenarios and water depth within the floodplain during these scenarios were calculated with the HEC-RAS software program and results were converted into a map in HEC-GeoRAS,ArcGIS 9x and ArcView 3.2 programs. As a result, it was observed that the Lower Sakarya River is susceptible to flooding. Recent observations of the study area confirm the study findings. This study tries to underscore the importance of taking into account the different scenarios regarding flood prevention and reduction studies. Keywords: Sakarya River, flood, floodplain, HEC-RAS

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


E.Doğan, v.d.

A. Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Dünyada olduğu gibi Türkiye’de de taşkınlar insanların sosyal ve ekonomik hayatlarını olumsuz yönde etkileyen doğal afetlerdendir. Taşkın, yaşandığı bölgenin iklim koşullarına, jeoteknik ve topoğrafik niteliklerine bağlı olarak gelişen bir doğa olayıdır. Günümüzde küresel ısınma ve buzullardaki erimeler her kıtayı etkileyen iklim değişikliklerine sebep olmuştur. Türkiye de bu iklim değişikliklerinden etkilenmiş ve son on yılda 258 taşkın yaşanmıştır. Bu taşkınlarda toplam 245 788 hektar alan sular altında kalmış, 135 kişi hayatını yitirmiştir. Maddi zarar ise $160 milyon’ın üzerinde olarak hesaplanmıştır. Günümüzde taşkın önleme çalışmaları artmış olmasına rağmen sel felaketlerinin görülme sıklığı da o denli artmıştır. Gumbel, Normal, LogNormal, Pearson, Logpearson istatistiksel dağılım fonksiyonları kullanılarak 100 yıl tekerrürlü taşkın debisi elde edilmiştir. ArcGIS, HEC-GeoRAS ve HEC-RAS yazılımları kullanılarak Sakarya Nehri’nin Doğançay’dan Karasu’ya kadar olan (113 km) kısmı için taşkın yayılım haritaları elde edilmiştir. Yenice Barajı gövde tipi toprak dolgu baraj olduğundan, taşkın anında dip ve dolu savakların yetersiz kalması durumunda suyun baraj gövdesi üzerinden savaklanmasına, bu da barajın yıkımına sebep olabilmektedir. Yenice Barajı’nın yıkılması durumunda 50752,11 m3/sn’lik bir debi meydana gelmektedir. 5000 yıllık tekerrürlü taşkın debisinden daha büyük olan bu debinin kesitleri değiştirmediği varsayılarak taşkın yayılım haritası ede edilmiştir. Buna göre, 100 yılda bir gelmesi muhtemel taşkında 261,13 km2 (26113 ha) alan sular altında kalacağı hesaplanmıştır. Baraj yıkılması durumunda ise başta

Çalışmaya konu olan Sakarya Nehri ise Türkiye'nin üçüncü en uzun, Kuzeybatı Anadolu'nun ise en büyük akarsuyudur. Sakarya Nehri Havzası 56000 km2’lik yüzölçümü ile Türkiye’nin yaklaşık %7’sini kaplamaktadır. Üzerinde kurulmuş olan barajlara rağmen 2001-2009 yılları arasında ana ve yan kollarda olmak üzere toplam 29 adet taşkın meydana gelmiştir. Bu çalışmada ise Sakarya Nehrinin sahip olduğu taşkın riski ve Sakarya il merkezine en yakın baraj olan Yenice Toprak Dolgu Barajının olası yıkılma durumunda meydana gelebilecek taşkın riski araştırılmıştır. Bu amaçla, Sakarya Nehri’nin 113’üncü km’sinde bulunan Doğançay AGİ ve 44+250 km’sinde bulunan Ferizli (Botbaşı) AGİ olmak üzere iki farklı istasyonun Maksimum Anlık Feyezan Akımlarının (MAFA) birçok mahalle olmak üzere organize sanayi ve bazı sağlık kuruluşları taşkın felaketinde etkilenebilecek muhtemel yerler arasında yer almaktadır. 2. ÇALIŞMA SAHASI (STUDY AREA) Eskişehir’in 70 km. güneydoğusundaki Çifteler ilçesindeki Sakarbaşı denilen noktadan çıkan Sakarya Nehri, sırasıyla Sarıyar Barajı, Gökçekaya Barajı ve Yenice Barajı’nı barındırmaktadır. Sakarya İline Pamukova’nın güneyinden girer sonra Geyve ile Doğançay arasında dik yamaçlı ve dar Geyve Boğazı’ndan akarak Adapazarı ovasına çıkar. Burada da ova akarsu halini alan Sakarya’nın geçmişten bugüne Adapazarı ovasında birkaç defa yatak değiştirdiği bilinmektedir. Adapazarı şehir merkezinin 4 km doğusundan geçen nehir, ovanın kuzey kesiminden sağdan Mudurnu Çayı’nı, soldan Sapanca Gölü’nün fazla suyunu boşaltan Çark Suyu’nu alarak Karasu ilçesinin Yenimahalle semtinden Karadeniz’e dökülür (Şekil 1).

Şekil 1. Sakarya Nehri (Sakarya River)

364

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013


A. Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

Sakarya Nehri Kızılırmak ve Fırat nehirlerinden sonra Türkiye'nin üçüncü en uzun, Kuzeybatı Anadolu'nun ise en büyükakarsuyudur.Sakarya Nehri Havzası 56000 alanla Türkiye’nin yaklaşık %7’sini km2’lik kaplamaktadır.Toplam uzunluğu kollarıyla beraber 824 km olarak bilinse de kuruyan kolları dışında 720 km uzunluğa sahiptir. Nehrin il içindeki uzunluğu ise 159,5 km’dir. Sakarya Nehri’nin önemli yan kolları başta Porsuk ve Ankara Çayı olmak üzere Seydi Suyu, Çark Suyu, Karasu, Girmir Çayı, Göynük Çayı, Mudurnu Çayı ve Göksu Deresi’dir. Bölgedeki bütün çay ve derelerin birleştiği ana akarsudur. Akış rejimi düzensizdir. Yatağında en fazla su, yağışların bol olduğu ilkbahar mevsiminde görülür. Debisinin en yüksek olduğu aylar Mart, Nisan ve Mayıstır. En düşük su seviyesi ise Temmuz, Ağustos, Eylül gibi yaz sonu aylarında görülür. Sakarya Nehri; yerleşim yeri ve sanayi kuruluşlarının kullanım suyu ihtiyacı, rekreasyon, tarımsal sulama, atık su deşarjı, hidroelektrik enerji gibi amaçlar doğrultusunda kullanılmaktadır. Havzada 2001-2009 yılları arasında 27 akarsuda, 27 taşkın olayı meydana gelmiştir. Bu akarsulardan 6’sı Ankara’da, 3’ü Eskişehir’de, 1’i Bilecik’te, 7’si Kütahya’da, 10’u ise Sakarya’da yer almaktadır. Bu çalışmada, ArcGIS, HEC-GeoRAS ve HEC-RAS yazılımlarının kullanılarak üretilen taşkın haritaları Sakarya Nehri’nin Doğançay’dan Karasu’ya kadar olan (113 km) kısmında uygulanmıştır. Sakarya Nehri’nin 113’üncü km’sinde bulunan Doğançay Akım Gözlem İstasyonu (AGİ) ve 44+250 km’sinde bulunan Ferizli (Botbaşı) AGİ olmak üzere iki farklı istasyonun Maksimum Anlık Feyezan Akımlarının (MAFA) Gumbel, Normal, LogNormal, Pearson, Logpearson istatistiksel yöntemleri kullanılarak 100 tekerrürlü taşkın debisi hesaplanmistir. Yenice Barajı’nın yıkılması durumunda meydana gelebilecek debi de hesaplanarak taşkın risk analizleri gerçekleştirilmiştir. Sakarya’nın merkezine en yakın baraj olan Yenice Barajı gövde dolgu tipi toprak dolgu olup, olası büyük depremde yıkılma riski diğer baraj tiplerine (betonarme) göre daha fazladır. Dünyada yıkılan barajların istatistiklerine baktığımızda %77 ile ön sıralarda toprak dolgu barajlar vardır.

E.Doğan, v.d.

datalar sisteme girildikten sonra analiz sonuçları incelenmiştir. HECRAS tabanında elde edilen veriler daha önceden oluşturulmuş dijital yükseklik haritalarının (DEM) verilerinin TIN dosyasına dönüşümü ile HEC-GeoRAS yardımıyla örtüştürülüp taşkın haritaları üretilmiştir. İzlenen adımlar Şekil 2’de detaylı olarak sırasıyla verilmiştir. Taşkın haritalarının oluşturulmasında gereceğe en yakın sonuçları elde edebilmek için dikkat edilecek konular aşağıda maddeler halinde sunulmuştur. • Kullanılacak DEM verileri olabildiğince büyük ölçekli olmalıdır. Büyük ölçekli olduğunda geniş bölgeleri çalışmak için bilgisayarlar yeterli olmayabilir bu yüzden bölge bölge çalışmak tavsiye edilmiştir. • Hidrolik veriler var ise verileri hatasız değerlendirmeli eğer hidrolik veriler yok ise hidrolojik verilerin değerlendirilmesinde her türlü koşul göz önünde bulundurulmalıdır. • Nehrin yan kolları var ise yan kollarını da hesaba katmakta yarar vardır. • Nehirlerin yatakları yıllar ve hatta aylar içerisinde dahi kayda değer değişmeler gösterdiğinden kullanılacak özellikle geometrik verilerin yakın zamanlarda üretilmiş olmalıdır. • Programın çalışma şekli göz önüne alındığında enkesitler ne kadar sık alınırsa o denli iyi sonuçlarla karşılaşılacaktır.

3. MATERYAL VE YONTEM (MATERIAL AND METHOD)

Bu çalışmada, Sakarya Nehri’ne ait nehir enkesit, boykesit verileri ve kıyı çizgileri, Quickbird uydu görüntüleri ve 1:25000 ölçekli topografik veriler kullanılmıştır. Veriler ArcGIS tabanına işlenerek HECGeoRAS toolbar’ı yardımı ile HECRAS programına aktarılmış ve enkesit, menfez, köprü… vb. gerekli SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013

Şekil 2. Çalışmada uygulanan yöntem (Methodology)

365


E.Doğan, v.d.

A. Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

4. GEOMETRIK VERILERIN OLUŞTURULMASI (CREATING OF GEOMETRIC DATA)

Geometrik verilerin oluşturulmasında ana veri tabanı olarak TIN modelinin oluşturulması gerçekleştirilmiştir (Şekil 3). Yatak içinde daha önceden ölçülen enkesit verileri kullanılmıştır. Yatak dışında ise eşyükselti eğrilerine ait noktaların kullanılmasıyla üretilen TIN modeli kullanılmıştır. TIN modelimiz 1:25000 ölçekli haritaların hassasiyetindedir. TIN üretiminden sonra modellemesi yapılacak alan içindeki geometrik verilerin sayısallaştırılması ve veri giriş işlemleri yapılmıştır (Şekil 4-5). Bu verilerin sayısallaştırılmasında TIN modeli, Quickbird uydu görüntüsü, arazi ölçüm ve gözlemlerinden faydalanılmıştır.

Taşkın yayılım haritalarının oluşturulabilmesi için nehrin geometrik verileri temin edilmiştir. Nehrin kıyı çizgilerinin belirtildiği enkesitler, hidrolik yapılara ait veriler (köprü, menfez gibi) ve manning katsayısının tanımlanmasına ait nehir yatağının ve taşkına maruz kalacak alanların jeolojik, topografik ve morfolojik yapısı gerekmektedir [1]. Çalışmada kullanılan geometrik veriler nehir, nehir kıyısı, akış yolları, enkesitler, köprüler, kanal içi yapılar ve arazi kullanımıdır.

Şekil 3. Nehir’in geometrik verilerinin ArcGIS tabanında HEC-GeoRAS ile atanması (Export to geometric data from ArcGıs to HEC-GeoRAS)

Geometrik verilerin sayısallaştırılmasında ve veri girilmesinde dikkat edilen bazı özellikler su şekildedir[1];

Şekil 4. Çalışma alanının lokasyonu (Study Area)

• Nehir ana kolu, nehrin kıyıları ve akış yolu membadan mansaba olacak şekilde sayısallaştırılmıştır. • Yatak enkesit çizgileri nehrin içinde alınmış enkesitlerin olduğu kısımdan nehri dik kesecek şekilde sayısallaştırılmıştır. • Köprülerin olduğu yerlerde, köprünün memba ve mansap kısımlarından enkesitler çizilmiştir. Tam ortada kalacak şekilde köprüler de belirtilmiştir. • Nehrin, kıyı çizgilerinin, akış yollarının ve köprülerin tanımlamaları yapılmıştır. • Enkesit çizgileri akarsuyu ve akış yollarını bir kez kesmiştir ve iki çizgi birbiriyle kesiştirilmemiştir. Ayrıca nehri dik kesecek bir şekilde alınmıştır. 5. HİDROLİK VERİLERİN ELDE EDİLMESİ (HYDRAULIC DATA)

Şekil 5. Geometrik verilerin tamamlanmış hali (Final version of geometric data)

366

Taşkın akımı hesabında, gözlenmiş verilerin olması durumunda İstatistik Yöntemlere başvurulabilir. Hidrolojik büyüklüklerin birçoğu rastgele değişken niteliği taşırlar, bunun sebebi yağışların düzensizliğidir. Bir hidrolojik büyüklüğün rastgele değişkenliğini ihmal edip ortalama değeri ile çalışarak olay deterministtik bir yaklaşımla incelenebilir. Ancak bazı büyüklükler için böyle bir yaklaşım anlamlı olmaz, bu durumda olasılık teorisi ve istatistik bilimlere dayanan, olasılıkların işin içine girdiği modeller kullanmak gerekir[2].Maksimum Anlık Feyezan Akımları (MAFA) kullanarak yaptığımız dağılımlar ve elde ettiğimiz sonuçlar Tablo 1ve Tablo 2’de verilmiştir. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013


A. Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

Tablo 1. Doğançay AGI (Dogancay Stream Gauing Station)

Tekerrür Aralığı/Yöntemler Gumbel Normal Log-Normal Pearson3 LogPearson3 Max. Taşkınlar Risk (%)

T=100 1197 952 1193 1143 1147 1197 1

E.Doğan, v.d.

Tablo 2. Ferizli AGI (Ferizli Stream Gauing Station)

Tekerrür Aralığı/Yöntemler Gumbel Normal Log-Normal Pearson3 Logpearson3 Max. Taşkınlar Risk (%)

T=100 1131 934 1070 1070 1044 1131 1

6. HİDROLİK MODELLEME VE TAŞKIN

HARİTALARININ ELDE EDİLMESİ (HYDRAULIC MODELING AND CREATING FLOOD INUNDATION MAPS)

HEC-RAS; bir boyutlu, düzenli ve düzensiz akımların modellendiği bir programdır. Modellemenin yapılabilmesi için gerekli olan akarsu yatağındaki geometrik verilerin ve akımla ilgili verilerin girilmiş olması gerekmektedir [1]. Çalışma sahasına ait geometrik veriler, HEC-GeoRAS ile üretilmiş olup ilave verilerde bu kısımda tamamlanmıştır. Yapılan çalışmaları kısaca şöyle özetleyebiliriz; • Veriler, HEC-RAS ortamına aktarılmıştır. • Modellemenin yapılacağı alanda bulunan 9 tane köprünün (Doğançay, Karaçam, Kumbaşı, Otoban, D100 Sakarya, Eski Ankara Yolu, Adatepe, Tuzla ve Yeni Mahalle Köprüleri) verileri tanımlanmıştır (Şekil 6-8) [3]. Bu veriler, köprülerin yüksek ve alçak platform bilgileri, ayaklarının eni ve boyları, ayaklar arası mesafe, köprü eni, köprü türüne göre modelleme bilgileri gibi veriler olup, köprülerin mimari projelerinden ve 2012 yılı arazi ölçümlerinden elde edilmiştir.

Şekil 7. Adatepe Köprüsü (Adatepe Bridge)

Şekil 8. Eski Ankara Yolu Köprüsü (Old Ankara Road Bridge)

Şekil 6. Kumbaşı Köprüsü (Kumbası Bridge)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013

367


E.Doğan, v.d.

A. Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

Şekil 9. Karaçam Demiryolu Köprüsü (Karacam RailRoad Bridge)

• Geometrik verilerin veri girişi tamamlandıktan sonra, modellemenin yapılacağı alanda bulunan akarsu ve uzantılarına taşkın sıklık analizleri ile hesaplanan 100yıl tekerrürlü taşkın sıklığına ait akım girilmiştir. Bu verilerden Doğançay AGİ’ ye ait olan değerler Sakarya Nehri 113+825’inci km’sinden, Botbaşı-Ferizli AGİ’ ye ait olan veriler Sakarya Nehri 44+250’inci km’sinde akım verileri (kararlı akım verisi olarak) sisteme girilmiştir (Şekil 10-13).

Şekil 11. Yenice Barajı’nın yıkılması durumu (Yenice Dam Break Study)

Şekil 12. T=100

Şekil 10. T=100 Şekil 13. Yenice Barajı’nın yıkılması durumu (Yenice Dam Break Study)

368

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013


A. Sakarya Nehrinde taşkın yayılım haritalarının elde edilmesi

7. SONUÇLAR (CONCLUSION) Bu çalışmada, ArcGIS, HEC-GeoRAS ve HEC-RAS yazılımlarının birlikteliği, projeksiyon ve dosya dönüşümleri ile üretilen taşkın haritaları Sakarya Nehri’nin Doğançay’dan Karasu’ya kadar olan kısmına (Sakarya Nehri’nin Karadeniz’e döküldüğü yer 0+000 km olarak alınarak belirlenen 146 enkesitin bulunduğu bölgede) uygulanmıştır. Sakarya Nehrinde bulunan Doğançay ve Botbaşı-Ferizli akım gözlem istasyonlarında ölçülen Maksimum Anlık Feyezan Akımları (MAFA) kullanılmıştır. Bu iki farklı verilerin istatistiksel sonuçları kullanılarak elde edilen sonuçlar; 100 yıllık tekerrür aralığı ve Yenice Barajı’nın yıkılması durumu için taşkın yayılım haritalaması gerçekleştirilmiştir. Taşkın analizi sonucunda Yenice Barajı’nın herhangi bir sebepten dolayı yıkılması durumunda sular oldukça geniş bir mecraya yayılmakta, Sakarya Nehri’nin yatak değiştirmesi bile söz konusu olabilmektedir. Barajın yıkılması halinde Sakarya Nehri'nde taşkında en yüksek su derinliğinin 9.14 metre olacağı, Adapazarı Toyota Otomobil Fabrikası'nın da aralarında bulunduğu 1'inci Organize Sanayi Bölgesi, Hanlı Beldesi, Adapazarı'nın bir bölümünün de sular altında kalması edinilen bulgular içerisinde yer almıştır. Aşağı Sakarya Nehri taşkın yatağında bulunan yaşam alanları, konutlar, sanayi ve tarım alanları taşkın riski ile karşı karşıyadır. Bundan dolayı sahadaki planlamalar açısından meydana gelebilecek farklı taşkın senaryoları oluşturulmuştur. Maksimum risk açısından değerlendirilen bu senaryolara ait modeller, gelmesi muhtemel taşkın ve baraj yıkılmasıyla oluşacak taşkın modelleridir. Bunların içerisinden risk açısından en fazla etkiye sahip olan senaryo, baraj yıkılmasıyla ortaya çıkan taşkın modelidir. Meydana gelme olasılığı çok az olduğundan risk derecesi az olarak nitelendirilen bu modelde, sonuçlar saha için katastrofik bir boyut kazanmaktadır. Yenice Barajı çekirdek kısmı toprak dolgu baraj olduğundan çeşitli sebeplerden dolayı (taşkın anında dip ve dolu savakların yetersiz kalması gibi durumlarda savaklanması, depreme maruz kalması sonucunda çatlakların oluşması ve zamanla oluşacak borulanmalar… vb.) barajın yıkılma ihtimali kayda değer ölçüdedir. Barajda 10000 yıllık gelmesi muhtemel debiye göre savak kapasiteleri hesaplanmıştır. Fakat yağışların ve kar erimelerinin ardı ardına gelmesi ya da olası bir depremde barajın yıkılması durumu da ayrı bir risk içermektedir ki bilindiği üzere Sakarya 1. derece deprem bölgesidir. Yenice Barajı’nın yıkılması durumunda 50752.11 m3/sn’lik bir debi oluşmaktadır.

E.Doğan, v.d.

100 yılda bir gelmesi muhtemel taşkında 261,13 km2 (26113 ha) alan sular altında kalacağı görülmüştür. Aşağı Sakarya Havzası; yerleşim alanlarını, sanayi bölgelerini ve verimli tarım arazilerini önemli ölçüde etkileyen taşkın risk potansiyeline sahiptir. Taşkın risk analizi çalışmalarında, havzanın fiziksel özellikleri ve bunlara bağlı parametrelerin kısa sürede güncellenmesi zordur.Taşkın tahmini ve su yönetimi için yeterli veri ihtiyacının karşılanmasında hidrometrik ve meteorolojik ağların geliştirilmesi gerekmektedir. Uydu görüntüleri, meteoroloji radarları ve LIDAR görüntüleri kullanılarak taşkın risk yönetimi geliştirilebilir. Modern afet yönetimi sistemi dahilinde taşkın için kayıp ve zarar azaltma, hazırlıklı olma, tahmin ve erken uyarı, afetler ve etki analizi gibi afet öncesi korumaya yönelik çalışmalara öncelik verilmelidir. Küresel iklim değişimi, plansız yerleşimler ve yetersiz altyapı nedeniyle taşkın afetleri can ve mal kaybına neden olmaktadır. Bunun için de akarsu havzaları içinde büyüyen yerleşimler, açılan yeni yollar ve kurulan yeni tesisler, elverişsiz tarım yöntemleri ile toprakların yoğun bir şekilde kullanılması, akarsu ve derelerin yatakları içinde veya mücavirindeki taşkın riski taşıyan alanların iskâna açılması, daha önce inşa edilmiş taşkın tesislerinin üzerlerinin kapatılması, açık mecraların kapalı mecralara dönüştürülmesi sonucunda büyük boyutlarda taşkın zararlarına neden olunması engellenmelidir. Taşkın yataklarındaki yerleşimler daha uygun yerlere taşınarak imar planları yenilenmelidir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2] [3]

Özdemir H., Taşkınların Haritalanmasında HecGeoRAS ve Hec-RAS’ın Kullanımı: Havran Çayı Örneği (Balıkesir), TMMOB Harita Ve Kadastro Mühendisleri Odası Ulusal Coğrafi Bilgi Sistemleri Kongresi, Trabzon, 2007 Bayazıt M., Oğuz B:, Mühendisler İçin İstatistik, ISBN 975-511-102-6, Birsen, İstanbul, Haziran 1994 Işık S., ŞaşaL M., Doğan E., Sakarya Nehrinde Barajların Mansap Etkisinin Araştırılması, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Dergisi, Ankara, 2006

Bu modelde ortaya çıkan sonuç, 5000 yıllık taşkın tekrarlama sıklığından da fazladır.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 363-369, 2013

369


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 371-379, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar İsmail Osmanoğlu, Deniz Tokat* Nevşehir Hacı Bektaş Veli Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Matematik Bölümü, Nevşehir 15.05.2012 Geliş/Received, 13.12.2012 Kabul/Accepted

ÖZET Bu makalede ilk olarak esnek çoklu küme kavramı hatırlatılmıştır. Daha sonra esnek çoklu kümeler üzerinde elde ettiğimiz bazı sonuçlar verilmiştir. Ayrıca bu çalışmada esnek çoklu topoloji kavramı tanıtılmış ve esnek çoklu topoloji üzerinde elde ettiğimiz bazı sonuçlar ve esnek çoklu baz kavramı sunulmuştur Anahtar Kelimeler: esnek çoklu küme, esnek çoklu topoloji, esnek çoklu baz, esnek çoklu alt uzay

Some results on soft multi topology ABSTRACT In this article, at first we recall the concept of soft multiset. Then some results which we obtained on soft multisets were given. Moreover, in this paper, the notion of soft multi topology was introduced and some results on soft multi topology and the concept of the soft multi base were presented* Keywords: soft multiset, soft multi topology, soft multi base, soft multi subspace

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Molodtsov [1] tarafından ortaya atılan esnek çoklu küme teorisi, içerdikleri belirsizlikler yüzünden klasik metotlarla çözülemeyen karmaşık ekonomi, mühendislik ve çevre problemlerinin çözümüne yardımcı olacak matematiksel bir araçtır.

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

2.ESNEK ÇOKLU KÜMELER (SOFT MULTISETS) 2.1. Esnek Çoklu Kümeler (Soft Multisets) Tanım 2.1.1 [1] evrensel küme ve parametrelerin bir kümesi olsun. , nun kuvvet kümesini ve , nin boştan farklı bir alt kümesini göstersin. , sıralı ikilisi üzerinde bir esnek küme olarak adlandırılır.

Molodtsov [1,2] ilk çalışmalarında esnek kümeler teorisini bir fonksiyonun pürüzsüzlüğü, oyun teorisi, Riemann integrali, Perron integrali ve ölçü teorisi gibi birçok alana başarıyla uygulamıştır. Molodtsov'un çalışmalarından sonra bir çok yazar [3-7] esnek küme teorisini diğer alanlara ve gerçek hayatta karşılaştığımız problemlere uygulamamışlardır. Shabir ve Naz [8] esnek kümelerin topolojik yapılarını ve esnek topolojik uzaylardaki ayırma aksiyomlarını çalıştılar. Daha birçok yazar [9-14] esnek topoloji üzerinde çalışmalardır.

Bir başka deyişle, üzerinde bir esnek küme, evrensel kümesinin alt kümelerini parametrize edilmiş bir ailesidir. ∈ için , , esnek kümesinin yaklaşık elemanlarının kümesi olarak düşünülebilir.

Klasik küme teorisinde kümenin elemanlarının tekrarına izin verilmez. Ancak bazı durumlarda elemanların tekrarı kullanışlı olabilmektedir. Eğer bir kümenin elemanlarının tekrarına izin verilirse bu küme teorisi çoklu küme olarak bilinir. Bu metot, güncel hayatta bilgisayar bilimleri, tıp, bankacılık, mühendislik, bilgi depolama ve bilgi analizi gibi bir çok konuda kullanılabilmektedir.

Bu durumda bir esnek küme tanımlamak, pahalı evler, güzel evler ve diğerlerini belirtmek anlamına gelir.

Burada , :

şeklinde bir dönüşümdür.

Örnek 2.1.2 Kabul edelim ki, , göz önüne alınan şartlar altındaki evlerin kümesi ve , parametrelerin kümesi olsun. Her bir parametre bir kelime ya da cümledir. , ü , ş , , ç , , , ö ü

, esnek kümesi Mr. X in satın alacağı "evlerin çekiciliği" ni belirtiyor.

Çoklu küme teorisi, Cerf ve arkadaşları [15] tarafından ortaya konulmuştur. Peterson [16] ve Yager [17] çoklu küme teorisinin ilerlemesinde katkı sağlamışlardır ve birçok sonuç ortaya koymuşlardır. Bu çalışmışlar Jena ve arkadaşları [18] tarafından sürdürülmüştür. Manjunath ve John [19] çoklu küme bağıntısında ilk çalışma yapanlardır. Girish ve John [20] çoklu küme bağıntısı ve çoklu küme fonksiyonunu tanımlamışlardır. Bu yazarlar [21] çoklu küme bağıntılarını kullanarak çoklu kümeler üzerinde topoloji ve bazı topolojik yapıların tanımlarını vermişlerdir.

, , , , , ile verilen Kabul edelim ki, evrenselinde 6 ev olsun ve ʻ ʼ parametresini, ʻ ü ʼ parametresini, ʻ ş ʼ parametresini, ʻ ʼ parametresini, ʻ ç ʼ parametresini , , , , şeklinde göstermek üzere, verilsin. Kabul edelim ki, , , , , , , , , , , olsun. , esnek kümesi kümesinin alt kümelerinin ∶ 1,2, … ,5 parametrize edilmiş bir ailesidir ve bir nesnenin yaklaşık tanımlarının bir koleksiyonunu verir.

Esnek küme ve çoklu küme kavramlarını birleştirerek esnek çoklu küme kavramı ilk olarak Babitha ve John [22] tarafından tanımlanmıştır. [23] de esnek çoklu küme kavramının daha genel bir tanımı yapılarak bu küme üzerinde esnek çoklu topoloji inşa edilmiştir.

Bu nedenle, biz , esnek kümesini aşağıdaki gibi yaklaşımların bir koleksiyonu olarak gösterebiliriz:

Biz bu çalışmada esnek çoklu kümeler üzerinde bazı yeni sonuçları, esnek çoklu kümenin içi, kapanışı, yığılma noktası ve esnek çoklu baz gibi esnek çoklu topolojinin önemli topolojik yapılarını inceleyeceğiz.

,

,

, ,

,

,

ş ,

ç

,

,

, ü ,

Tanım 2.1.3 [18] kümesinden alınan bir : → fonksiyonu ile temsil edilir. kümesi

çoklu

, ,…, kümesinde bir çoklu kümesi / , / ,…, / şeklinde gösterilir. Burada , nin tekrar sayısıdır. Bu ∈ şeklinde gösterilir.

372

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

, çoklu kümesindeki in tekrar sayısını gösterir. çoklu kümesinin elemanı olmayan elemanlar için sıfır olarak yazılır. Yani, ∉ U için 0 dır. Örnek 2.1.4 çoklu kümesi Burada

, , kümesinden alınan bir 3/ , 2/ , 5/ şeklinde verilsin. 2, 5 dir.

3,

Eşitlik: , , ⊆ ,

Tanım 2.1.6 [23] bir çoklu küme evrenseli, parametrelerin kümesi ve ⊆ olsun. , ikilisine bir esnek çoklu küme denir. Burada dönüşümü : → ∗ şeklinde tanımlıdır. Ayrıca ∀ ∈ için çoklu kümesi ∶ ∗→ fonksiyonu ile temsil edilir. çoklu küme evrenseli, çoklu kümelerin oluşturduğu ∗ kümedir. kümesi kümesinin destek kümesini göstermektedir. Herhangi bir 1/ , 2/ , 3/ , 4/w esnek kümesinin destek kümesi ∗ , , , w şeklinde ifade edilir. ∗

2/ , 4/ , 1/ , 3/w ve dönüşümü

, ,

şeklinde tanımlansın. O halde , bir esnek çoklu ∶ ∗→ kümedir. ∀ ∈ için çoklu kümesi fonksiyonu ile

, , 3/ , 1/ , 2/w dır.

1, 0, 1,

,

0, 2, 2

1/ , 2/ , 1/ , 2/w ,

,

Tanım 2.1.8 [23] U üzerindeki çoklu kümeleri için, eğer ,∀ ∈

ve

,

,

Birleşim: ve dir.

,

Kesişim : ve dir.

,

Fark : max

⇔ ,

, ∪

max ,

Tümleyen : , dönüşümü ∀ ∈ , ve

,

∩ ,

,

,

Burada ,∀ ∈

,

Burada ,∀ ∈

,

min ,

\ , Burada , 0 , ∀ ∈ ∗, ∀ ∈ ,

∪ ,∀ ∈

∩ , ∀ ∈

dır.

Burada : → ∗ \ şeklinde tanımlıdır , ∀ ∈ ∗ , ∀ ∈ dır.

Tanım 2.1.10 [23] Eğer ∀ ∈ için ∅ ise U üzerindeki , esnek çoklu kümesine boş esnek çoklu küme denir ve Φ şeklinde gösterilir.

1/ , 2/ , 1/ , 2/w , 3/ , 1/ , 2/w ,

1, 2, 0, 0, 0, 3, şeklinde tanımlıdır. O halde

Eğer ise , , ∀ ∈ ∗, ∀ ∈ esnek çoklu kümesine , esnek çoklu kümesinin tam esnek çoklu alt kümesi denir. Tanım 2.1.9 [23] üzerinde herhangi iki esnek çoklu küme , ve , olsun.

Tanım 2.1.5 [18] ve , kümesinden alınan iki çoklu küme olsun. O halde her ∈ için ise dir. ise ⊆ dir. max , ise ∪ dir. min , ise ∩ dir.

Örnek 2.1.7 olsun. : →

ise , esnek çoklu kümesine , esnek çoklu kümesinin esnek çoklu alt kümesi denir ve , ⊂ , şeklinde gösterilir.

esnek

Tanım 2.1.11 [23] , , üzerinde bir esnek çoklu olması demek ∀ ∈ için küme ve ∈ ∗ . ∈ , ∈ olması anlamına gelir. Yani, ∈ , ⇔ ∀ ∈ için ∈ dır. Ancak bazı ∈ için ∉ ise ∉

,

dır.

Not 2.1.12 ∀ ∈ ve ∈ ∗ için 1 şeklinde yazılır. Aksi belirtilmediği ise ∈ ifadesinin yerine ∈ ifadesi sürece ∈ kullanılacaktır. Tanım 2.1.13 [23] çoklu küme evrenselinin boştan farklı bir alt kümesi olsun. ∀ ∈ için ise , esnek çoklu kümesi şeklinde gösterilir. Açıkça , esnek çoklu kümesi şeklinde gösterilir. esnek çoklu kümesi üzerinde tanımlanan en geniş esnek çoklu kümedir.

,∀ ∈

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013

373


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

Tanım 2.1.14 [23] ∈ ∗ olsun. O zaman esnek çoklu kümedir. Burada ∀ ∈ için dır.

,

bir

Örnek 2.1.15 4/ , 3/ , 2/ ve , , , olsun. , esnek çoklu kümesi , 1/ , 1/ , 1/ , 1/ , , , şeklinde tanımlıdır. Aslında , esnek çoklu kümesi bir esnek kümedir. Tanım 2.1.16 [23] , , üzerinde bir esnek çoklu küme ve çoklu küme evrenselinin boştan farklı bir alt kümesi olsun. V üzerinde , esnek çoklu , şeklinde kümesinin alt esnek çoklu kümesi gösterilir ve ∀ ∈ için ∩ şeklinde tanımlanır.Burada , ∀ ∈ ∗ dır. , V∩ ,

, Başka bir ifadeyle

dir.

2.2. Esnek Çoklu Kümelerde Bazı Sonuçlar (Some Results on Soft Multisets)

Önerme 2.2.1 üzerinde bir esnek çoklu küme olsun. O halde aşağıdakiler sağlanır. 1 2 3 4 5 6

, , , , , ,

, ⊆ , ∪ , ∩ , ∪ , ∩

⊆ , ∪ , ∩ , ∪ , ∩ ,

ve

,

,

, ∪ ,

,

, ∩

,

,

,

,

, ,

[24].

İspat : Burada sadece 1 ifadesinin ispatını vereceğiz. Diğerleri aşikardır. 1 , ⊆ , ve , ∀ ∈ ∗ ve ∀ ∈ için ∗ ve ∀ ∈ için

374

olduğunu gösterir.

Sonuç 2.2.3 üzerinde bir esnek çoklu küme , ve , ∈ esnek çoklu küme ailesi olsun. O halde aşağıdakiler sağlanır. 1 , 2 , [24].

∪ ∩∈ ∩ ∪∈

Önerme 2.2.4 , ve , 1 , ⊆ 2 , ⊆ 3 , ∩ 4 , ⊆

, ,

, ,

∪ ∩

∪ ∩

, ,

,

[24] üzerinde iki esnek çoklu küme olsun. O halde aşağıdakiler sağlanır. , ⇔ , ∪ , , , , , , ⇔ , ∩ , , , Φ⇒ , ⊆ , ⊆ , . , ⇒ ,

Önerme 2.2.5 [23] küme , ve , sağlanır. 1 2

, ,

∩∈ ∪∈

üzerinde iki tam esnek çoklu olsun. O halde aşağıdakiler , ,

, ,

∩ ∪

, ,

, .

Tanım 3.1 [23] çoklu küme evrenseli ve parametrelerin kümesi olsun. üzerinde tanımlı bütün esnek çoklu kümelerin koleksiyonuna esnek çoklu sınıf ile gösterilir. denir ve Yani, çoklu küme evrenselinden alınan çoklu kümeler ile kümesinden alınan parametrelerin oluşturduğu sınıfının içerisinde kalır. bütün esnek çoklu kümeler

,

∪ ∪

,

,

,

, ,

,

TOPOLOGY)

,

∩ ∩

ve ∀ ∈ için dır. Bu da , ⊆

3.ESNEK ÇOKLU TOPOLOJİ (SOFT MULTI

üzerinde üç esnek çoklu küme , , olsun. O halde aşağıdakiler sağlanır. , ,

Sonuç 2.2.6 üzerinde tam esnek çoklu küme ailesi , ∈ olsun. O halde aşağıdakiler sağlanır. 1 ∪∈ , ∩∈ , , , ∪∈ , . 2 ∩∈

∪ , , , ∩ , , , ∪Φ , [24], ∩ Φ Φ [24], ∪ [24], ∩ , [24].

Önerme 2.2.2 , ve , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ,

,

∀ ∈

,

olsun. O halde ve ∀ ∈ dır. Dolayısıyla

Tanım 3.2 [23] ⊆ ve ⊆ olsun. Aşağıdaki şartları sağlayan sınıfına üzerinde bir topoloji ve , ikilisine de üzerinde bir topolojik uzay denir. . Φ, ∈ . . sınıfındaki sonlu sayıda esnek çoklu kümenin kesişimi sınıfına aittir. Yani, dır.

,

, ... ,

,

,

,

için ∩

,

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

. sınıfındaki esnek çoklu kümelerin birleşimi sınıfına aittir. , ∈ dır. Yani, ∀ ∈ , , ∈ için ∪ ∈ , topolojik uzayında sınıfının her bir elemanına esnek çoklu açık küme ve tümleyeni açık olan esnek çoklu kümeye esnek çoklu kapalı küme denir. Örnek 3.3 [23] 2/ , 3/ , 4/ , 5/ , , , , , , , , , , , ve Φ, , , , , , , , , , , olsun. Buradaki esnek çoklu kümeleri aşağıdaki şekilde tanımlıdır. 1/ , 2/ 2/ 3/

, 2/ , 3/ ,

4/ 1/ , 5/ 1/ , 4/ 2/ 1/ , 4/

, 3/ , 3/ , 1/ , , , 3/ , 1/ ,

O halde sınıfı üzerinde bir esnek çoklu topoloji , bir esnek çoklu topolojik uzaydır. tanımlar ve Örnek 3.4 [23] Φ, olsun. sınıfı üzerinde bir esnek çoklu topoloji tanımlar. sınıfına esnek çoklu ayrık olmayan topoloji denir. ise sınıfına esnek çoklu ayrık topoloji

Eğer denir.

Tanım 3.5 , bir esnek çoklu topolojik uzay ve esnek çoklu açık kümelerin bir sınıfı olsun. sınıfının her elemanı sınıfına ait olan bir takım kümelerin birleşimi olarak yazılabiliyorsa sınıfına topolojisinin bir esnek çoklu bazı denir.Yani [B1] ⊆ . [B2] Her , , şekilde Not 3.6

∈ için , ∈ vardır. ise Φ

∪ ∈∅

,

∪∈ ,

olacak

olur.

Örnek 3.7 1/ , 2/ , 4/ , , ve , , , , , , , , , , , Φ, , olsun. Buradaki , , , , , , , , , , , esnek çoklu kümeleri aşağıdaki şekilde tanımlıdır. 1/ 2/ 4/ 1/ , 2/ 1/ , 4/ 2/ , 4/

, , , , , ,

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013

1/ 2/ 4/ 1/ , 2/ 1/ , 4/ 2/ , 4/

O halde sınıfı üzerinde bir esnek çoklu topoloji tanımlar ve , bir esnek çoklu topolojik uzaydır. Φ, , , ,

∪ ∪

,

,

, ,

,

, , ,

,

alalım.

, ,

, ,

∪ ∪

, ,

, ,

,

olur. Yani sınıfı esnek çoklu topolojisi için bir esnek çoklu bazdır. Gerçekten sınıfının her bir elemanı sınıfının elemanlarının birleşimi olarak yazılabilir. Önerme 3.8 Eğer sınıfı üzerindeki ve esnek çoklu topolojileri için ayrı ayrı birer esnek çoklu bir baz ise bu topolojiler aynıdır. İspat : , ∈ olsun. sınıfı esnek çoklu topolojisi için bir esnek çoklu baz olduğundan , , olacak şekilde , ∈ vardır. sınıfı ∪∈ aynı zamanda esnek çoklu topolojisi için de bir esnek , ∈ olup çoklu baz olduğundan her bir ∈ için , ∈ den ⊆ dır. Benzer şekilde ⊆ gösterilir. Buradan elde edilir. , bir esnek çoklu topolojik uzay ve Tanım 3.9 esnek çoklu açık kümelerin bir sınıfı olsun. sınıfındaki elemanların sonlu arakesitinden oluşan sınıfı topolojisi için bir esnek çoklu baz ise sınıfına topolojisinin bir esnek çoklu alt bazı denir O halde sınıfı topolojisi için bir esnek çoklu alt bazıdır ancak ve ancak topolojisindeki her esnek çoklu açık küme sınıfındaki kümelerin sonlu arakesitlerinin keyfi birleşimi olarak yazılır. Not 3.10

ise X

∩ ∈∅

,

olur.

,

)

Önerme 3.11 Eğer sınıfı üzerindeki ve esnek çoklu topolojileri için ayrı ayrı birer esnek çoklu bir alt baz ise bu topolojiler aynıdır. İspat : Önerme 3.8. ve esnek çoklu alt baz tanımını kullanılarak ispatlanabilir. Tanım 3.12 [23] , bir esnek çoklu topolojik uzay ve çoklu küme evrenselinin boştan farklı bir alt kümesi olsun. O zaman , ∶ , ∈ sınıfına üzerinde bir esnek çoklu topoloji ve , esnek çoklu topolojik uzayına , esnek çoklu topolojik uzayının esnek çoklu alt uzayı denir.

375


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

Örnek 3.13 Örnek 3.3. deki , esnek çoklu topolojisini göz önüne alalım ve 1/ , 2/ , 3/ olsun. O halde Φ, , , , , , , , , , , esnek çoklu topolojisi , , , , , , , , , ve esnek çoklu kümeleri aşağıdaki şekilde tanımlıdır. 1/ 1/ 1/ 2/ 2/

, 2/ , 2/ , 2/ , , 3/

, 3/ , , 3/ , , 3/ ,

∅ 1/ , 2/ , 3/ 1/ ∅ 1/

,

, olduğundan Burada Φ, , , , , , , , , şeklinde yazılır ve görüldüğü üzere , esnek çoklu topolojik uzayı , esnek çoklu topolojik uzayının esnek çoklu alt uzayıdır. Örnek 3.14 [23] Herhangi esnek çoklu ayrık topolojik uzayın alt uzayı da esnek çoklu ayrık topolojik uzaydır. Ayrıca herhangi esnek çoklu ayrık olmayan topolojik uzayın alt uzayı da esnek çoklu ayrık olmayan topolojik uzaydır. Önerme 3.15 , bir esnek çoklu topolojik uzay ve çoklu küme evrenselinin boştan farklı bir alt kümesi olsun. Eğer sınıfı esnek çoklu topolojisi için bir esnek çoklu baz ise , ∩ ∶ , ∈ esnek çoklu topolojisi için bir sınıfı da üzerindeki esnek çoklu bazdır. İspat : , , ∩ ∈ ise , ∈ dır. sınıfı esnek çoklu topolojisi için bir esnek çoklu baz olduğundan , ∪∈ , olacak şekilde , ∈ vardır.Buradan , ∪∈ , ∩ olacak şekilde , ∩ ∈ vardır. , bir esnek çoklu topolojik uzay Tanım 3.16 [23] de bir esnek çoklu küme olsun. , ve , , esnek çoklu kümesini kapsayan bütün esnek çoklu kapalı kümelerin kesişimine , esnek çoklu şeklinde gösterilir. kümesinin kapanışı denir ve , Yani, , esnek çoklu kümesini kapsayan esnek çoklu kapalı kümelerin sınıfı , olmak üzere ,

,

,

,

, esnek çoklu kümesini dır. Açıkça , , kapsayan en küçük esnek çoklu kapalı kümedir.

376

Önerme 3.17 , bir esnek çoklu topolojik uzay ve , ve , , de iki esnek çoklu küme olsun. Aşağıdaki ifadeler doğrudur. 1 2 3 4 5 6 7 8

Φ Φ ve , ⊆ , , kapalıdır , kapalı kümedir ⇔ , , , ⊆ , , ⊆ , ⇒ , , ∪ , , ∪ , ⊆ , ∩ , , ∩ ,

,

İspat : Tanım 3.16. den 1 , 2 ve 3 ifadeleri açıktır. nın 4 Eğer , esnek çoklu kapalı küme ise , ⊆ , dır. Diğer yandan 2 den tanımından , , dır. , ⊆ , dır. O halde , Tersine , , kapalıdır. Dolayısıyla kümedir.

ise 3 den dolayı , , da esnek çoklu kapalı

esnek çoklu kapalı küme olduğundan ve 4 5 , den dolayı , , dır. 6 Eğer halde ∩

,

,

,

,

ise

,

⊆ ∩ ⇔

,

,

,

,

,

,

,

dır. O

dır. 7 , ⊆ , ∪ , , ∪ , , ∪ , Tersine ⊆ , , den , , ∪ , 8 , ∩ , ∩ , den , , ∩ ,

, ⊆ ⊆ ⊆

,

⊆ , olduğundan , dır. Buradan , , ∪ , ⇔ , dır. , ∪ , den ve , ⊆ , ∪ , ∪ , dır. Buradan ∪ , elde edilir. , den ve , ∩ , ⊆ , dır. Buradan ⊆ , ∩ , elde edilir.

ve , , ,

, ∪ , ⊆ , ⊆ , , ⊆ ⊆ , ∩ , ⊆ ,

∪ ∪ ∪ ⊆

Tanım 3.18 [23] , bir esnek çoklu topolojik uzay, de bir esnek çoklu küme ve ∈ ∗ olsun. , , Eğer ∈ , ⊆ , olacak şekilde , ∈ esnek çoklu açık kümesi varsa noktasına , esnek çoklu kümesinin bir iç noktası denir. , esnek çoklu kümesinin bütün esnek çoklu iç noktalarının kümesine

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

, esnek çoklu kümesinin içi denir ve şeklinde gösterilir.

°

,

, bir esnek çoklu topolojik uzay ve Önerme 3.19 , , de bir esnek çoklu küme olsun. O halde , ° ∪ , ⊆ , : , ∈ dır. İspat : Eğer ∈ , ° ise Tanım 3.18. den ∈ , ⊆ , olacak şekilde , ∈ vardır. O halde ∈ ∪ , ⊆ , : , ∈ . , ⊆ , : Tersine eğer ∈ ∪ , ⊆ , olacak şekilde bulunduğundan ∈ , ° dır.

, ∈ bir

ise ,

, bir esnek çoklu topolojik uzay ve Önerme 3.20 de iki esnek çoklu küme olsun. , ve , , Aşağıdaki ifadeler doğrudur. 1 2 3

°

, , ,

⊆ , açıktır açıktır ⇔

°

°

,

,

esnek çoklu kümesinin kapsadığı en 4 , °, , geniş esnek çoklu açık kümedir 5 6 7 8

° °

, , , ,

⊆ ∪ ° ∩ °

, , ,

⇒ ⊆

,

° °

°

⊆ , , ∪ , , ∩ ,

7 , , , ,

° °

,

°

∪ , den ° ∪ , ve , ∪ , den ° , ∪ , dır. Buradan ° ° , ⊆ , ∪ , elde edilir.

⊆ ⊆ ° ⊆ ° ∪

,

,

8 , ∩ , ⊆ , den ° ⊆ , ° ve , ∩ , , ∩ , ⊆ , den ° ⊆ , ° dır. , ∩ , Tersine , °⊆ , ve , °⊆ , ° ° ∩ , ⊆ , ∩ , ve olduğundan , ° , ∩ , elde buradan da , ° ∩ , ° ⊆ ° , ∩ , edilir. Buradan , °∩ , ° elde edilir. , bir esnek çoklu topolojik uzay ve Teorem 3.21 , , de bir tam esnek çoklu küme olsun. O zaman,

°

,

6 , ⊆ , olsun. Eğer ∈ , ° ise ∈ , ⊆ , olacak şekilde , ∈ vardır. Buradan ∈ , ⊆ , ⊆ , ve de ∈ , ° olup , ° ⊆ , ° dır.

, ,

,

, esnek çoklu 2 Önerme 3.19 den , °, kümesini içerdiği açıkların birleşimi olduğundan açıktır. , ⊆ , : , 3 , ° ∪ ∈ olduğundan , esnek çoklu kümesi açık ise , dır. , °

∩ , ∪ , , ∪ ,

, ise , esnek çoklu kümesi Tersine , ° açıktır. Çünkü , ° esnek çoklu kümesi açıktır. , esnek çoklu , ° esnek çoklu kümesi kümesinin kapsadığı en geniş esnek çoklu açık kümedir.

∪ , : , : , ∩ , ,

°

4 , ∪ , ⊆ , : , ∈ olduğundan , ⊆ , olacak şekildeki her , esnek çoklu açık kümesi için , ⊆ , ° dır. O ° , , esnek çoklu kümesinin kapsadığı halde , en geniş esnek çoklu açık kümedir °

,

açık ise , ° dır.

,

,

°

,

,

°

: : :

, , ,

ü , ü , ç ü ,

⊆ ⊆ ⊆

, , ,

°

ç ü , ⊆ , ü , ⊆

,

elde edilir. Tanım 3.22 [23] , bir esnek çoklu topolojik uzay, , , de bir esnek çoklu küme ve ∈ ∗ olsun. Eğer ∈ , ⊆ , olacak şekilde , ∈ esnek çoklu açık kümesi varsa , esnek çoklu kümesine noktasının bir esnek çoklu komşuluğudur denir. noktasının bütün esnek çoklu komşuluklarının kümesi şeklinde gösterilir. Yani, ,

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013

, .

İspat : Sonuç 2.2.6, Tanım 3.16, Önerme 3.19 kullanılarak,

°

İspat : 1 Tanım 3.18 den açıktır.

5 , ° açık ve olduğundan , °

°

, °

,

∈ ,

, 377


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

Önerme 3.23 , bir esnek çoklu topolojik uzay ve , , de bir esnek çoklu küme olsun. , esnek çoklu açık kümedir ancak ve ancak , esnek çoklu kümesi her noktasının bir esnek çoklu komşuluğudur. İspat : Eğer , , alındığında komşuluğu olur.

açık ve ∈ , ise , , kümesi in bir esnek çoklu

Tersine eğer her ∈ , için ∈ , ⊆ , olacak şekilde , ∈ esnek çoklu açık kümesi varsa , olup esnek çoklu açık , ∪ ∈ , kümelerin keyfi birleşimleri açık olacağından , esnek çoklu kümesi açıktır. , bir esnek çoklu topolojik uzay, Tanım 3.24 , , de bir esnek çoklu küme ve ∈ ∗ olsun. Eğer noktasının her , esnek çoklu açık komşuluğu için , \ , ∩ , Φ ise ∈ ∗ noktasına , esnek çoklu kümesinin bir yığılma noktası denir. , esnek çoklu kümesinin bütün esnek çoklu yığılma noktalarının kümesi , ile gösterilir. , bir esnek çoklu topolojik uzay ve Önerme 3.25 , ve , , de iki esnek çoklu küme olsun. Aşağıdaki ifadeler doğrudur. 1 2 3

,

, ,

⊆ ∪ ∩

,

, ,

, ⊆

, ,

İspat : 1 Eğer , ⊆ , ⊆ , olduğu açıktır. , 2 , , , ,

, ⊆ ⊆ , ⊆ , ⊆ , ∪ ,

,

∪ ∩

, ,

,

,

∪ ,

⊆ ,

, ⊆

ise Tanım 3.24. den

3

,

,

∩ , ∩ , , ∩ , ⊆ , ∩ , , ∩ ,

,

,

⊆ , ise ⊆ , ve , ise ⊆ , olduğundan ⊆ , ∩ , dır.

4.SONUÇ (CONCLUSION) Bu çalışma kapsamında esnek çoklu kümeler hatırlatılarak esnek çoklu kümelerde bazı yeni sonuçlar elde edildi. Esnek çoklu kümeler yardımıyla tanımlanan esnek çoklu topolojide bir esnek çoklu kümenin içi, kapanışı ve esnek çoklu bir kümenin yığılma noktalarıyla ilgili önemli teoremler incelendi. Ayrıca esnek çoklu baz kavramı ilk defa bu çalışmada tanımlandı. Bu çalışmanın devamı olarak, esnek çoklu topolojik uzaylar arasında sürekli fonksiyonlar tanımlanabilir. Ayrıca esnek çoklu topolojik uzayların çarpımı, kompaktlığı ve bağlantılılığı araştırılabilir.

[1]

[3]

[4] ∪

,

olduğundan , ∪ , ⊆ , ∪ , ifadesini ispat etmek için sağ tarafın doğru olduğunu gösterelim. Bunun için ∉ , ∪ , olsun. ve ∉ , olacağından Buradan ∉ , ∩ , ⊆ , ve , olacak şekilde in , , ∩ , ⊆ , ve , esnek çoklu açık komşulukları vardır. Burada , ∩ , in bir esnek çoklu açık komşuluğu olup 378

,

∩ , ∪ , ∩ , ∪ , ∩ ∩ , ∪ , ∩ ,

den , ∩ , ∩ , ∪ , ⊆ , olup ∉ , ∪ , dır. Bu sağ tarafın dolayısıyla 2 deki ifadenin ispatını tamamlar.

[2]

, ,

,

KAYNAKLAR (REFERENCES)

, ∪ , ve ∪ , olup 1 den ∪ , ve ∪ , olduğundan ⊆ , ∪ , dır.

, ∪

, ∩

⊆ ⊆

Diğer yandan ⇔

∩ ,

[5] [6] [7]

Molodtsov, D.A. (1999) ‘Soft set theory-first results’, Computers and Mathematics with Applications, vol. 37, pp. 19-31. Molodtsov, D.A., Leonov, V.Y., Kovkov, D.V. (2006) ‘Soft sets technique and its application’, NechetkieSistemyiMyagkieVychisleniya, vol. 1, no. 1, pp. 8-39. Maji, P.K., Biswas, R., Roy, R. (2002) ‘An application of soft sets in a decision making problem’, Comput.Math.Appl. vol. 44, pp. 10771083. Maji, P.K., Biswas, R., Roy, R. (2003) ‘Soft set theory’, Comput.Math.Appl. vol. 45, pp. 555562. Chen, D. (2005) ‘The parametrization reduction of soft sets and its applications’, Computers and Math. with Appl. vol. 49, pp. 757-763. Pie D., Maio, D. (2005) ‘From soft sets to information systems’, Granular computing, IEEE Inter. Conf. pp. 617-621. Aktaş H., Çağman, N. (2007) ‘Soft sets and soft groups’, Inf. Sci. vol. 177, pp. 2726-2735.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013

,


İ. Osmanoğlu, D. Tokat

Esnek çoklu topolojide bazı sonuçlar

[8] [9] [10]

[11] [12]

[13] [14] [15]

[16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25]

Shabir, M., Naz, M. (2011) ‘On soft topological spaces’, Computers and Mathematics with Applications vol. 61, pp. 1786-1799. Min, W.K. (2011) ‘A note on soft topological spaces’, Comput. Math.Appl. vol. 62, pp. 35243528. Çağman, N., Karataş, S. and Enginoğlu, S. (2011) ‘Soft topology’, Computers and Mathematics with Applications vol. 62, pp. 351358. Aygünoğlu, A., Aygün, H. (2012) ‘Some notes on soft topological spaces’, Neural Comput&Applic vol. 21, pp. 113-119. Zorlutuna, I., Akdağ M., Min, W.K. and Atmaca, S. (2012) ‘Remarks on soft topological spaces’, Ann. Fuzzy Math. Inform. vol. 3, no. 2, pp. 171185. Varol, B.P., Aygün, H. (2012) ‘On soft Hausdorff spaces’, Annals of Fuzzy Mathematics and Informatics vol. 5(1), pp. 15-24.4 Peyghan, E., Samadi, B. and Tayebi, A. (2012) ‘On Soft Connectedness’, arXiv:1202.1668. Cerf, V., Fernandez, E., Gostelow, K., Volausky, S. (1971) ‘Formal control and low properties of a model of computation’, Report ENG 7178, Computer Science Department, University of California, Los Angeles, CA, December, p. 81. Peterson, J. (1976) ‘Computation sequence sets’, Journal of Computer System Science vol. 13, no. 1, pp. 1-24. Yager, R.R. (1986) ‘On the theory of bags’, International Journal General System vol. 13, pp. 23-37. Jena, S.P., Ghosh, S.K., Tripathy, B.K. (2001) ‘On the theory of bags and lists’, Information Sciences vol. 132, pp. 241-254. Manjunath, A.S., Jhon, S.J. (2006) ‘On bag relations’, Bulletin of Kerala Mathematics Association vol. 3, no. 2, pp. 15-22. Girish, K.P., Jhon, S.J. (2009) ‘Relations and functions in multiset context’, Information Sciences vol. 179, pp. 758-768. Girish, K.P., Jhon, S.J. (2012) ‘Multiset topologies induced by multiset relations’, Information Sciences vol. 188, pp. 298-313. Babitha, K.V., Jhon, S.J. (2013) ‘On soft multi sets’, Annals of Fuzzy Mathematics and Informatics vol. 5, no. 1, pp. 35-44. Tokat, D., Osmanoğlu, İ. ‘Soft multiset and soft multi topology’, submitted. Tokat, D., Osmanoğlu, İ. (2013) ‘Connectedness on soft multi topological spaces,J New Results Sci vol. 2, pp. 8-18. Koçak, M. (2011) Genel topolojiye giriş ve çözümlü alıştırmalar, Eskişehir : Kampüs yayıncılık.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 371-379, 2013

[26]

Mucuk, O. (2010) Topoloji ve kategori, Ankara: Nobel yayın dağıtım.

379


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 381-397, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri Ali Osman Adıgüzel* Mersin Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Mersin 29.04.2013 Geliş/Received, 30.07.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Son yirmi yıldır bilim ve teknoloji hızla gelişmiş ve tüm olanaklarıyla insanlığın hizmetine sunulmuştur. İnsanlık birtakım sorunlarını gelişen teknoloji yardımıyla çözebilse de artan nüfus ve tüketimden kaynaklı çevresel tahribat, enerji ve hammadde kıtlığı, besin yetersizliği ve atık yönetimi gibi temel problemlerle karşı karşıyadır. Bundan dolayı, çalışmamızın ana temasını tarımsal, ormansal ve kentsel atıkların katma değeri yüksek bir ürün olan biyoetanole dönüştürülmesi sırasında kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri oluşturmaktadır. Anahtar Kelimeler: biyoetanol, ön-muamele, hidroliz, biyokütle

Pre-Treatment and hydrolysis methods for bioethanol production from lignocellulosic material ABSTRACT Science and technology has rapidly expended and used for human benefits over the last 20 years. Humanity can solve some problems with the help of developing technology. But, they faced with fundemantal problem such as environmental distortion from increasing population and consumption of energy, raw material acarcity, nutrient deficiency, and waste management. Therefore, the main theme in our research covers the pre-treatment and hydrolysis methods use during production bioethanol from agricultural, forestry and municipal wastes. Keywords: bioethanol, pre-treatment, hydrolysis, biomass

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Lignoselülozik biyokütleden biyoetanol elde edilmesi için birçok farklı dönüştürme teknolojisi mevcuttur. Biyokimyasal dönüşüm prosesleri ve tamamen biyolojik olmayan metodlarla dönüştürme işlemi (termokimyasal) iki ana prosestir. Biyokimyasal dönüşüm prosesinin temeli katalizörlere dayanmaktadır. Bu biyokatalistler ise enzimler ve mikrobiyal hücreler olabilirler. Bununla birlikte, biyokimyasal proseslerde proses aşamalarından hepsinin tamamen biyolojik ajanlar (enzim yada mikrobiyal hücreler) yardımıyla yapılması zorunlu değildir. Termokimyasal dönüşüm teknolojileri ise ısı, sıcaklık ve/veya fiziksel katalistlere dayanmaktadır. Termokimyasal teknolojiler yakıt üretimi açısından 2 temel grup altında toplanabilirler. Bunlardan biri “gazifikasyon”, diğeri ise “pirolizis” dir. Gazifikasyon, yüksek sıcaklık ve oksijen yokluğunda biyokütlenin tamamen depolimerizasyonudur. Uygulanan sıcaklık 850 0 C dolaylarındadır. Pirolizis işleminde ise biyokütlenin depolimerizasyonu daha yumuşaktır. Buradaki koşullar; düşük sıcakık ve oksijen yokluğunu gerektirmektedir. Bu proseste uygulanan sıcaklık yaklaşık olarak 400-600 0C arasında değişmektedir [1]. Biyokimyasal olarak lignoselülozdan etanol üretim prosesi dört temel operasyon bölümüne ayrılır. Bunlar; ön-muamele, hidroliz, fermantasyon, ürünlerin ayrıştırılması ve saflaştırılmasıdır [2]. Bazı yayınlarda ise lignoselülozik materyalden etanol eldesi için gerekli proses fermente edilebilir şekerlerin oluşumu, fermantasyon ve saflaştırma olmak üzere üç ana basamağa ayrılmaktadır [3]. 2. ÖN-MUAMELE (PRE-TREATMENT) Biyoetanol üretimi için biyokütlenin ön-muameleden geçmeden önce sıcak hava ile kurutma, güneşte kurutma, vakumla kurutma gibi işlemlerle depolanması gerekmektedir [4]. Ön-muamele teknolojilerinin temel amacı, hidroliz işlemi için yapısal ve içeriksel engelleyicileri biyokütleden ayırmak, lignoselülozik yapıyı gevşetmek ve böylece enzimatik hidroliz oranını ve selüloz ya da hemiselülozdan fermente edilebilir şeker oluşumu miktarını arttırmaktır (Şekil 1). Bu metodlar bu amacı başarmak için bitki biyokütlesinde fiziksel ve kimyasal değişiklikler gerçekleştirirler.

Şekil 1. Ön-muamelenin lignoselülozik yapıya potansiyel etkisinin şematik görüntüsü (Schematic view of potential impact of pre-treatment to lignocellulosic structure) [5]

Ön-muamele işlemi sırasında dikkat edilmesi gerekenler şunlardır; selülazların enzimatik hidroliz için selüloz yüzey alanına ulaşılabilirliğin arttırılması, karbonhidrat kaybının en düşük seviyede tutulması, hidroliz ve fermantasyon işlemi sırasında mikroorganizmalara ya da enzimlere karşı inhibitör etki yaratan yan-ürünlerin oluşumundan kaçınılması ve bunları yaparken maliyetin düşük olmasına önem vermektir. Ön-muamele yönteminin seçimi ve uygulanmasındaki bir diğer etkili faktör ise kullanılacak lignoselülozik materyalin içeriğidir. Her ne kadar türden türe değişiklik gösterse de selüloz, hemiselüloz ve ligninden meydana gelen yapının genel olarak %50-60’ı karbonhidratlar, % 30’u ise ligninden oluşmaktadır (Tablo 1). Türler arasındaki ana bileşenlerin oranlarına ek olarak bunların içerikleri dahi farklılık göstermektedir. Örneğin; yumuşak odunlarla karşılaştırdığımızda tarımsal ürünler ile sert odunların lignoselülozik yapısında pentoz şekerler daha fazladır [6]. Ön-muamele, elde edilen ürün miktarının arttırılması için önemli bir basamaktır. Ortalama olarak proses maliyetinin %18’e yakını bu basamak için harcanmaktadır. Ön-muamele metodları ise fiziksel, kimyasal, biyolojik ve termo/fiziko kimyasal olarak 4 sınıf içinde katagorize edilebilir. Tercihen, bu önmuamele yöntemlerinden herhangi biri ya da birkaç tanesi beraberce kullanılabilir. Ek olarak, ön-muamele metodları asidik, bazik ve nötral ön-muameleler olarak da sınıflandırılabilir. 2.1. Fiziksel Ön-Muamele (Physical Pre-Treatment) Yaygın olarak fiziksel ön-muamele iki şekilde gerçekleştirilir. Birincisi çeşitli araçlar yardımıyla öğütme şeklinde mekanik olarak, diğeri ise pirolizis ile gerçekleşir. Mekanik ezme, çeşitli şekillerde yapılan öğütme ve parçalama işlemi yardımıyla biyokütleyi ince bir toz haline dönüştürmelidir. Sonuçta oluşan parçalar kullanılan öğütme metoduna göre genellikle ya 10-30

382

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

mm ya da 0,2-2 mm arasında olmaktadır. Bu metod ulaşılabilen yüzey alanı oranını arttırmakta, polimerizasyonu azaltmakta, biyokütlenin parçalara ayrılmasını sağlamaktadır [9]. Piroliz daha çok biyokütleden ikincil yakıtların ve kimyasal ürünlerin üretiminde başvurulan bir yöntemdir ve nikel dolamit ve toprak alkali, toprak alkali ve geçiş metali tuzları katalizör olarak kullanılır [10]. Prolizis işleminde, materyaller 300 0C’den daha yüksek sıcaklığa maruz bırakıldığında selüloz gaz şeklinde ürünler ve atık kömür oluşturmak için hızla parçalanır [11]. Şayet bu işlem düşük sıcaklıkta gerçekleştirilirse, parçalanma daha yavaş olur ve buharlaşabilen ürün miktarı azalır. Pirolizis uygulamasından sonra atıklar seyreltik asit ile hidrolize olurlarsa selülozun glukoza dönüşüm oranı %80-85 oranındadır [12]. Bu proses oksijen varlığında gerçekleştirilir. Eğer proses sırasında çinko klorit veya sodyum karbonat ilave edilirse, saf selülozun yıkımı daha düşük sıcaklıklarda da gerçekleştirilebilir [13]. Sıklıkla olmasa da fiziksel ön-muamele işlemlerinde kullanılan bir diğer metod da “sıkma” dır. Bu yöntemle inhibitörlerin karıştırılması amaçlanmaktadır. Metodun sonunda yıkama işlemiyle birlikte bu inhibitörlerin bir kısmı fermantasyondan önce süzülür. Bu yöntem daha çok lignoselülozik biyokütlelerde kullanışlıdır [9]. Tablo 1. Bazı lignoselülozik materyallerin selüloz, hemiselüloz ve lignin içerikleri (Cellulose, hemicellulose and lignin content of some lignocellulosic materials [7, 8]

Ham Materyal Sertodunlar Huş ağacı Ak kavak Kızıl akçaağaç Melezkavak Eucalyptus viminalis Yumuşakodunlar Pinus banksiana Pinus pinaster Köknar Tarımsal atıklar Mısır koçanı Şeker kamışı küspesi Buğday samanı Pirinç samanı Mısır sapı Arpa samanı Soya sapı

Selüloz

Hemiselüloz

Lignin

41 50,853,3 44,1 41,7 41,7

36,2 26,2- 28,7 29,2 20,2 14,1

18,9 15,516,3 24 29,3 31

41,6 42,9 43,9

25,6 17,6 26,5

28,6 30,2 28,4

33,741,2 40-41,3

31,9-36 27-37,5

6,115,9 10-20

32,9-50

24-35,5

36,2-47 35-39,6 33,837,5 34,5

19-24,5 16,8-35 21,9-24,7 24,8

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

8,917,3 9,9-24 7-18,4 13,815,5 19,8

Pamuk sapı Muz atığı Kahve hamuru Fındık kabuğu Sorgum samanı Yulaf samanı Diğer Bambu Okaliptus Çim Gazete kağıdı Zeytin ağacı Dallı darı

38,442,6 13 33,736,9 25-30 32-35 31-35

20,9-34,4

21,45

15 44,2-47,5 22-28 24-27 20-26

14 15,619,1 30-40 15-21 10-15

40-50 45-51 25-40 40-55 25,2 35-40

18-20 11-18 25-50 24-39 15,8 25-30

23 29 10-30 18-30 19,1 15-20

2.2. Kimyasal Ön-Muamele (Chemical Pre-Treatment) Kimyasal yöntem, ön-muamele için kullanılan en yaygın metodlardandır. Proses maliyeti düşük ve etkili bir uygulama şeklidir. Alkali ve asidik olmak üzere iki sınıfa ayrılır. Ayrıca, ozon ile ön-muamele (ozonolizis) de bu başlıkta incelenebilir. Ozon, suda çözünebilir ve hızla kullanılabilir güçlü bir oksidanttır. Ozonolizis son 10 yıldır liginin degredasyonu ve hemiselülozun yavaşca ayrışmasını sağlamak amaçlı, kağıt üretiminde beyazlatma ajanı olarak kullanılmıştır [14]. Bu prosesle ilgili temel avantaj hidroliz ve fermentasyon basamaklarında ara ürün oluşumunun çok az olması ve prosesin oda sıcaklıklarında gerçekleşebilmesidir [15]. Ozon ile ligninin parçalanma çalışmalarından birinde ise şu sonuçlar elde edilmiştir: (i) α karbonil yapılar ozon karşısında benzil alkol yapılara karşı daha kararlıdır, (ii) guaykil çekirdekler veratril asitlere göre ozon ile daha hızlı reaksiyona girerler, (iii) bifenil ve fenilkumaranlar ozon ile hızlı reaksiyona girerler. Fakat, veratril çekirdeğin bifenil yapısı ozon karşısında daha kararlıdır [16]. Alkali metotta, biyokütle sodyum hidroksit (NaOH) gibi bazik çözelti içerisinde ıslatılır ve daha sonra belirli bir süre daha ısıtılır [17, 18]. Bu proses sırasında çözünme ve sabunlaşma reaksiyonları meydana gelir. Bu reaksiyonlar ise hemiselülozlar ve diğer bileşenler arasındaki çapraz bağların koparılmasını sağlar. Materyalin gözenekliliği arttırılır ve böylece ulaşılabilen yüzey alanı genişletilmiş olur. Bu proses ile selülozun kristalinitesi ve polimerizasyon derecesi azaltılır. Bu yöntem daha çok yapısında yoğun lignin içeren hammaddeler için kullanılır. Bir C4 bitkisi olan Miscanthus’un çift-helozonlu ekstruder kullanılarak NaOH ile ön-muamelesi ve 383


A. O. Adıgüzel

enzimatik hidrolizi optimize edilmiş en uygun reaktör sıcaklığı 95 0C. NaOH çözeltisinin molaritesi 0,4 M, helozon hızı 80 rpm, akış oranı 120 ml/dk, hidroliz enzimi aktivitesi 30 FPU/g olarak tespit edilmiştir. Bu koşullar altında 1 ton Miscanthus’tan 180 kg etanol elde edilmiştir [19]. Şeker kamışı küspesinin %1’lik NaOH ile 600 W’lık mikrodalgada 4 dk ön-muamelesi ve ardından enzimatik hidrolizi (30 FPU/g’lık selülaz, Zytex India Private Limited) sonucunda 1 gr kuru biyokütleden 0,665 g indirgenmiş şeker elde edilmiştir [20]. Sodyum hidroksitle ön-muamele yönteminin etkisi ilave çözeltiler ve maddelerle arttırılabilir. Tatlı sorgum küspesinin enzimatik hidroliz oranını arttırmak için yapılan bir çalışmada seyreltik NaOH ile otoklavlama yoluyla önmuamele, yoğun NaOH ile ön muamele, seyreltik NaOH ile otoklavlama ardından H2O2 ile ön-muamele, alkalin peroksit ile ön-muamele ve sadece otoklavlama ile önmuamele yöntemleri karşılaştırılmıştır. En iyi verim seyreltik NaOH ile otoklavlama ardından H2O2 ile önmuamele yönteminden elde edilmiştir [21]. Bir başka çalışmada ise bir yumuşakodun olan ladin ve sertodun olan huş ağacı parçalarının 15 0C, atmosferik basınçta NaOH/üre, NaOH/tiyoüre, NaOH/tiyoüre/üre ve NaOH/polietil glikol (PEG) ile ön-muamelesi gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan solüsyonlardaki NaOH, üre, tiyoüre, PEG yüzdeleri sırasıyla 7, 12, 5,5 ve 1’dir. Sonuçta, enzimatik hidroliz ve ürün oluşumu için en iyi sonuç NaOH/tiyoüre çözeltisinden elde edilmiştir [22]. Alkali ön-muamelerin bir çeşiti ise kireç muamelesidir. Kireçle ön-muamele işleminin temeli lignoselülozik biyokütleden önemli derecede karbonhidrat kaybı olmadan lignini ayrıştırmak. Yani amaç, seçici olarak lignini azaltmaktır [23]. Bu ön-muamele yönteminde biyokütle kalsiyum hidroksit ve çeşitli sıcaklık ve basınçtaki suya maruz bırakılır. Genel olarak kireçle önmuamele 3 şekilde yapılır; kısa süreli ön-muamele (6 saat, 100-160 0C, oksijensiz, 200 psi basınç), uzun süreli ön-muamele (8 hafta, 55-65 0C, havasız), basit önmuamele (biyokütle hava basıncı ya da oksijensiz ortamda bir saat kaynamış suyun içinde bekletme). Kireç ile ön-muamele işlemi diğer ön muamele işlemleri ile karşılaştırılacak olursa; daha az şiddetli olması, selüloz ve hemiselüloz kaybını ciddi oranda azaltması, maliyetin az olması, güvenli ve başa çıkılabilir olması açısından önemlidir [24]. Bir başka alkali muamele metodu ise sulu amonyak (amonyum hidroksit) ile ön-muameledir. Biyokütleye yapılan amonyak uygulamasının temel etkisi biyokütlenin delignifikasyonu, yani lignoselülozun fraksiyonlanmasıdır. Biyokütledeki lignin içeriği istenilen seviyeye düşürülür. Ayrılan lignin daha sonra yakıtlara ve polimerlere ilave olarak, yapıştırıcı olarak ve asfalt yapımında kullanılmak amaçlı pazarlanabilir. 384

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

Delignifikasyon ile biyokütlenin yapısı açılır, enzimatik hidroliz için selüloz kullanılabilir hale getirilir. Bu uygulama, özellikle tarım atıkları ve otçul hammaddeler gibi düşük lignin içerikli substratlar açısından oldukça etkilidir. Amonyak temelli ön-muamele kendiliğinden sakkarifikasyon ve ko-fermantasyon için çok uygundur. Yapılan çalışmalar göstermiştir ki; bu ön-muamele yönteminin diğer biyoethanol üretim prosesleriyle kullanılmasıyla mısır sapından biyokütlenin %75’i oranında biyoethanol elde edilmiştir. Mısır sapının %29,5’lik sıvı amonyakla (1/10-15 katı/sıvı) 10 gün oda sıcaklığı ve atmosferik basınçta ön-muamelesi sonucunda ligninin %75’inin giderildiği, bunula birlikte glukanın %100’e yakını ve ksilanın %85’inin zarar görmediği rapor edilmiştir [25]. Sulu amonyak temelli ön-muamele işleminin 2 tipi mevcuttur: (1) ARP (yüksek yoğunluk, düşük temas zamanı), (2) SAA (düşük yoğunluk, yüksek muamele zamanı). Sulu amonyak ön-muamelesi önemli derecede karbonhidrat kaybına neden olmaz. Sulu amonyak, diğer delignifikasyon yöntemlerine göre biyokütle içerisinde önemli morfolojik değişiklikler meydana getirmede uygun bir kimyasal etkinleştiricidir. Amonyağın oldukça uçucu oluşu, sıvı karışımlardan ayrılmasını kolaylaştırmaktadır. Buharlaştırma yoluyla elde edilen kullanılmış amonyak ise daha sonra tekrar tekrar kullanılabilir. Amonyak, pahalı değildir ve akut sağlık sorunlarına sebep olmaz. Endüstriyel bir kimyasal olduğundan yaygın olarak bulunur ve lignoselülozik biyokütle ile kullanıldığında herhangi bir zararlı yanürün oluşumuna sebep olduğu gözlenmemiştir. Yöntemin uygulandığı kaba aşındırıcı etkisi yoktur ve molar temelde fiyatı sülfürik asitin dörtte biri kadardır [26]. Kanola samanının sulu amonyakla ön-muamelesi yüzey yanıt yöntemi ile optimize edilmiştir. Çalışma sonucunda en yüksek %60,7 oranında glukoz kazanımı sağlayan parametreler %19,8 sulu amonyak (1/10, katı/sıvı), 14,2 saat ön-muamele süresi ve 69 0C ön muamele sıcaklığı olarak hesaplanmıştır [27]. Asit ile ön-muamele işleminde biyokütle, hem konsantre (yoğun) hem de seyreltilmiş asit ile muamele yapılabilir [28]. Konsantre asit ile ön-muamele yönteminin avantajı prosesin düşük sıcaklıklarda gerçekleşebilmesidir. Bu durum prosesin maliyetini de düşürmektedir. Bazı durumlarda konsantre asit ile muamele sonucunda ek bir enzimatik hidroliz basamağına gerek kalmayabilir. Fakat, sülfürik asit ve hidroklorik asit gibi konsantre asitler genellikle toksik, zarar verici ve aşındırıcıdır. Aşındırıcı özelliğinden dolayı ilave ekipmanlara ihtiyaç duyulur. Bu ilave ekipmanlar ise prosesin maliyetini arttırmaktadır. Konsantre asit, prosesten sonra iyileştirilerek kullanılabilir. Yoğun sülfirik asit (%65-80) ile yapılan bir çalışmada sıcaklık (30-60 0C), asit/biyokütle değeri (1/1, 2/1) ve sürenin (10- 40 dk) yan SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

A. O. Adıgüzel

ürün oluşumu üzerine etkisi araştırılmıştır. Buna göre, temel yan ürün olarak furfural ya da 5 hidroksimetilfurfural yerine organik asitler tespit edilmiştir. Sıcaklıktaki değişimin levunilik asit ve formik asit oluşumuna etki ettiği, asetik asit oluşumuna etki etmediği belirlenmiştir. Ayrıca, asit/biyokütle değeri glukoz geri kazanımına etki ederken toplam şeker kazanımına etki etmemiştir [29]. Yoğun inorganik asitler (sülfirik asit, hidroklorik asit, nitrik asit gibi) selüloz çözücüsü olarak bilinirler [30]. Örneğin selüloz yoğun sülfirik asit ve fosforik asit ile muamele edildiğinde, kristalin yapısını kaybeder. Bu yöntemin uygulanmasında 3 adet sınırlayıcı etmen bulunmaktadır. Bunlar; asitle çözünür şekerlerin ayrıştırılması, asitlerin tekrar kullanımı ve asitin yeniden yoğunlaştırılmasıdır. Hemiselülozlarda bulunan şeker oranı %70-90 arasında değişmektedir. Özelliklede mikroalglerde bulunan hemiselülozlardaki şekerlerin parçalanabilmesi için kullanılan en verimli metotlardan biri seyreltilmiş asit ile ön-muameledir. Asit konsantrasyonu genellikle %1-10 arasında olmaktadır. Isı miktarı ise ılımlı olup, genellikle 100-110 0C’dir. Asit ile ön-muamele diğer hidroliz tipleri ile kıyaslandığında birkaç avantaja sahiptir. Örneğin, hidroliz hızı daha fazladır ve glukozun parçalanmasına öncülük edebilir. Lignoselülozik yapıda gözenekliliği arttırır (Şekil 2). Bununla birlikte, proses fermantasyon basamağında inhibitör etki yaratabilecek furfural ve 5hidroksimetilfurfural (HMF), karboksilik asitler gibi maddelerin ortaya çıkmasını da sağlayabilir. Yüksek sıcaklık ve yüksek asit konsantrasyonlarında bu inhibitör maddelerin ortaya çıkma oranı artar. Bu maddelerin toksik etkisini yok etmek için kimyasal ilaveler (dithiyonit ve sülfit gibi redükte edici ajanlar), enzimatik müdahaleler (peroksidaz ve lakkaz) başta olmak üzere ısıtma ve buharlaştırma, sıvı-sıvı ekstraksiyon, sıvı-katı ekstraksiyon gibi ilave işlemler gerçekleştirilmelidir [31]. Asitlerle muamele yöntemlerinde bir diğer önemli nokta ise asitin nötralize edilmesi ve fermantasyondan önce uzaklaştırılmasıdır [32].

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

Şekil 2. Dallı darının asit ile ön-muamelesi sonucunda artan gözenekliliğin Taramalı Elektron Mikroskobu ile gösterimi ( View of increasing porasity with Scanning Electron Microscopy as a result of pre-treatreatment with acid of switchgrass [33]

Adi yonca, delice, çayır otu, çavdar samanı, buğday samanı, yem bitkileri seyreltik asit ile ön-muameleye (1500C, H2SO4, 15dk) tabi tutulmuş sonuçta hemen hepsinden %95-99 oranında selüloz, %81-91 oranında ise hemiselüloz geri kazanılmıştır. Çalışma sonucunda en iyi biyoetanol üretim potansiyeli ayrık otu (292 l/ton) ve buğday samanından (308 l/ton) elde edilmiştir [34]. Şeker kamışı samanının seyreltik asit (HCl, H2SO4) ile ön-muamelesi optimize edilmiş ve her bir gram biyokütleden 0,685 g indirgenmiş şeker elde edilmiştir [35]. Şeker pancarı küspesinin optimum koşullarda seyreltik sülfürik asit(%0,66) ile ön-muamele, enzimatik hidroliz ve fermentasyonu sonucunda 1 g kuru biyokütle başına 0,4 g etanol elde edilmiştir [36]. Ayçiçeği sapının sülfirik asitle ön-muamelesinin optimizasyonu sonucunda en uygun muamele sıcaklığı 167 0C, asit yoğunluğu ise %1,3 olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda, 100 g kuru biyokütleden 33 g glukoz ve ksiloz elde edilmiştir [37]. Yapılan çalışmalar sonunda %81’lik fosforik asitin de ideal selüloz çözücülerinden olduğu bulunmuştur. Çünkü; fosforik asitle çözünme düşük sıcaklıkta meydana gelmekte, su bulunan ortamda selülozu çözebilmekte, muamele edilen selüloz hidroliz işlemi için uygun bir amorf yapı oluşturmakta, fosforik asit atığı ise hidroliz ve fermantasyon basamaklarında inhibitör etki yapmamaktadır. Fosforik asitle ön-muamele sonrasında genelikle reaksiyonu durdurmak için bir miktar aseton kullanılır. Kullanılan aseton basit bir buharlaştırma yöntemi ile geri kazanılır [38]. Muamele edilmiş selülozun yüksek derecede reaktif olduğu belirtilmiştir. Benzer sonuçlar iyonik sıvılarda da gözlemlenmiştir [39].

385


A. O. Adıgüzel

2.3.

Termal/Fiziko-Kimyasal

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

Ön-Muamele

(Thermal/Physico-Chemical Pre-Treatment)

Termokimyasal dönüşüm proseslerinin 2 temel prensibi mevcuttur. Birincisi, biyokütlenin gazlaştırılması ve hidrokarbona dönüşümünü sağlamaktır. İkincisi yüksek sıcaklık, yüksek basınç sıvılaştırması, ultra sıvılaştırma yada süperkritik ekstraksiyon ile direkt olarak sıvılaştırmadır [40]. Fiziksel ve kimyasal metotların bir tür kombinasyonuyla oluşan metotlar genellikle, parçalanmış ya da öğütülmüş biyokütlenin yüksek basınçlı doygun buhar, sıvı amonyak ya da CO2 ye maruz bırarakılarak basıncın aniden düşürülmesi ile gerçekleştirilirler [41]. Bu tür metotlardaki temel avantaj ise proseste yoğun kimyasal kullanımının olmamasıdır [42]. Bu durum proseste kullanılacak olan ekipman sayısında ve proses için yapılacak masrafta düşüşe neden olmaktadır. Ayrıca çevresel açıdan da etkili metotlardır. Otohidroliz, buhar patlama, AFEX, karbondioksit patlaması metotları bu tip ön-muamele işlemlerinin en önemlilerine örnek oluşturmaktadır. Otohidroliz prosesinde, biyokütle basınçlı su ile muamele edilir. Bu tip ön-muamele yöntemine hidrotermal ön-muamele de denilmektedir. Yöntemin temel avantajı çoğunlukla harici bir kimyasal ya da katalist kullanılmaması ve bundan dolayı görece düşük yürütme maliyetinin olmasıdır [43]. Proses, seyreltik asit ile muamele metoduna benzer şekilde gerçekleştirilir. Bazı durumlarda hidronyum (H3O) iyonu gibi bileşenler proses içerisinde katalist olarak kullanılabilir. Yöntemin uygulama sıcaklığı 150-230 0C, uygulama süresi 15-180 dk arasında değişmektedir. Ön-muamele sırasındaki sıvı/katı oranı genellikle 15’tir [44]. Proses sırasında, seçici olarak hemiselülozlar hidrolize olur. Dönüşüm, %55-84 arasında sağlanır ve oluşan inhibitör madde ise çok azdır. Buhar patlama metodu ticari ürünlerin elde edilmesi için hemiselülozun hidrolizini gerçekleştirmek amacıyla uygulanmaktadır (Masonite prosesi). Odun parçaları geniş bir tanka taşınır ve herhangi bir kimyasal eklenmeksizin yüksek basınçlı buhar ile muamele edilir. Uygun bir zaman sonra, basıncın azaltılması için reaktör/tank hızlıca havalandırılır ve içeriği başka bir tanka konularak soğutulur. Buhar patlama yöntemi herhangi bir kimyasal kullanmadan lignoselülozik biyokütlenin yüksek-basınçlı buhar ile hızlı bir şekilde ısıtılmasına dayanmaktadır. Biyokütlenin yüksek basınçlı buhara maruz kalması hemiselülozun hidrolizini sağlar [45]. Hemiselülozun bu ön-muamele işlemi esnasında salınan asetik asit ve diğer bazı asitlerce hidrolize olduğu düşünülmektedir. Bu işlem biyokütle üzerinde dolaylı da olsa kimyasal bir etki içermektedir. Bu işlem sırasında lignoselülozik parçaların boyutlarındaki azalma ise dikkate değer bir boyutta 386

değildir. Proses sırasında H2SO4 (ya da SO2) ya da CO2 ilavesi, enzimatik hidrolizi etkili bir şekilde arttırır, ket vurucu etki yaratan bileşiklerin oluşumunu azaltır ve hemiselülozun tamamen uzaklaştırılmasına olanak sağlar [46]. İtalya’nın ENEA (İtalian National Agency for New Technologises) laboratuarlarında yapılan Buhar patlama ünitesinin şematik görüntüsü Şekil 3’de gösterilmektedir [47].

Şekil 3. Şematize edilmiş pilot buhar patlama ünitesi (Schematized pilot steam explosion unit)

Buhar patlama ön-muamele yönteminin enerji gereksinimi mekanik ön-muamele yöntemiyle karşılaştırıldığında daha düşüktür. Ön-muamele yöntemleri arasında en çevreci olanlarındandır [48]. Geleneksel mekaniksel metodlar buhar patlama metoduyla karşılaştırıldığında %70 daha fazla enerji gereksinimine ihtiyaç duyar [49]. Buhar patlama yöntemi daha çok sert odunlar ve tarımsal atıklar üzerinde etkilidir. Yumuşak odunlar üzerindeki etkisi ise daha azdır [50]. Dezavantajları ise ksilan fraksiyonlarının yıkımının az olması, lignin-karbonhidrat matriksinin kısmi yıkımı, etanol prosesinde kullanılan mikroorganizmalara olumsuz etki eden ürünlerin oluşabilmesidir [51]. Proses sırasında mikrobiyal büyümeyi, enzimatik hidrolizi, fermantasyonu engelleyen ürünlerin oluşabilmesinden kaynaklı olarak ön-muamele yapılmış biyokütle su ile yıkanır. Böylece istenmeyen bileşikler su ile uzaklaştırılır. Su ile yıkamanın dez avantajı ise istenmeyen ürünlerle birlikte, suda çözünebilen hemiselüloz parçalarının da uzaklaşmasıdır. Tipik olarak kuru maddenin %20-25’i su ile yıkama sırasında kaybedilir [52]. Maksimum şeker kazanımı amacı ile bazı araştırmacılar buhar patlama metodunu iki adımlı şekilde önermektedirler. Buna göre, ilk adım düşük sıcaklıkta gerçekleştirilirken, ikinci adım 0 ise 210 C’den daha yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilmektedir [53]. Farklı metotlar da buhar patlama metoduyla eşleştirilerek kullanılabilir. Alkalin peroksit uygulaması sonrası buhar patlama ön-muamele SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

metodu, iyonik sıvılarla birlikte buhar patlama önmuamele metodu, organik çözücü ekstraksiyonu ile birlikte buhar patlama ön-muamele metodu, buhar patlama metodu öncesi öğütme metodu, buhar patlama metodu sonrası taraklama metodları bunlara örnek olarak verilebilir. Buğday samanının buhar patlama ile ön-muamelesi ve ardından enzimatik hidrolizi sonucunda (30 FPU/g selülaz) 300 g/kg’dan daha fazla glukoz açığa çıkarılmıştır. Elde edilen şekerin fermentasyonu ile de 120-140 g/kg etanol elde edilmiştir [54]. Kargının (Arundo donax) 0,07 M H2SO4 ile 200 0C’de 48 saat asit katalizli buhar patlama ön-muamelesi (ACSE) ve enzimatik hidrolizi sonucunda (0,28 g Ctec2/g) 91 g/l şeker (glukoz + ksiloz) elde edilmiştir [55]. Şeker kamışı küspesinin 215 0C’de 5 dk buhar patlama ile önmuamelesi (2L-SE pilot reaktör, Masonite Technology), enzimatik hidroliz (Selülaz, β-glukosidaz, ksilanaz/ Novozymes) ve S. cerevisiae ile fermentasyonu sonucunda en fazla 56 g/L etanol elde edilmiştir [56]. AFEX (Amonyak Lif Patlaması, Ammonia Fiber Explotion), lignoselülozik yapıda ultra ve makro yapıda fizikokimyasal değişiklik yaratır. AFEX, lignoselülozik materyalin yüksek sıcaklık ve basınçta sıvı amonyağa maruz bırakılıp ardından basıncın hızlıca azaltıldığı

fizikokimyasal ön muamelelerin bir biçimidir. Proses genellikle yaklaşık olarak 1-2 kg amonyak/kg kuru biyokütle, 90 0C sıcaklık ve 30 dk süre koşullarında gerçekleştirilir [57]. AFEX uygulamasının temel avantajı proses sırasında kullanılan amonyağın geri dönüştürülebilir ve yeniden kullanılabilir olmasıdır. Diğer bir avantajı ise proses sonucunda hidroliz ve fermentasyon basamakları sırasında kullanılacak olan mikroorganizmaların gelişimine ket vurucu madde oluşmamasıdır [58]. AFEX ön-muamelesi lignoselülozik biyokütlede enzimatik sindirimi arttırır. AFEX önmuamelesi selülozun dekristalizasyonuyla sonuçlanır, hemiselülozun depolimerizasyonu sağlanır. Bazı substratların farklı koşullarda AFEX ile ön-muamelesi ve enzimatik hidrolizi sonucunda dönüştürülebilen selülozun yüzdesi Tablo 2’de belirtilmektedir [59]. AFEX ile hemiselüloz üzerindeki asetil grupları çıkarılır ve lignin lignoselülozdan ayrıştırılır. AFEX, yapısal parçalanmadan dolayı lignoselülozik yüzeye erişimi kolaylaştırır. AFEX yönteminde, amonyak biyokütleye sulu ortamda nüfuz ettiği zaman reaksiyon sonucunda amonyum hidroksit oluşmaktadır. Bu hidroksil iyonları ise lignoselülozik materyal içerisinde birkaç termokimyasal reaksiyonu katalizlemektedir. AFEX önmuamelesindeki anahtar değişkenler; uygulama zamanı, sıcaklık, amonyak /

Tablo 2. Farklı substrat ve farklı ön-muamele ve hidroliz koşullarında dönüştürülebilen selülozun yüzdesi (Percentage of cellulose that can be converted in different substrate and different pre-treatment and hydrolysis condition)

Substrat

Ön-muamele koşulu

Hidroliz koşulu

Dallı darı

100 0C, 1/1 (amonyak/biyokütle) %80 nem, 54 dk 90 0C, 1/1 (amonyak/biyokütle), %60 nem, 5 dk 100 0C, 1/1 (amonyak/biyokütle), %60 nem, 5 dk 80 0C, 1/1 (amonyak/biyokütle), %60 nem, 30 dk 90 0C, 1/1 (amonyak/biyokütle), %60 nem, 5 dk 90 0C, 1/1 (amonyak/biyokütle), %60 nem, 5 dk

15 FPU selülaz (spezyme CP) ve 40 IU/g β-glukosidaz (Novazyme 188), 168 saat 30 FPU/g selülaz (Trichoderma reesei), 48 saat 30 FPU/g selülaz (Trichoderma reesei), 48 saat 30 FPU/g selülaz (Trichoderma reesei), 48 saat 60 FPU/g selülaz (Spezyme CP), 168 saat 31 mg/g selülaz proteini (Spezyme CP) ve 33 mg/g β-glukosidaz (Novazyme 188), 168 saat 125 mg/g selülaz proteini (Spezyme CP) ve 33 mg/g β-glukosidaz (Novazyme 188), 168 saat

Bermuda çimeni

Mısır sapı

Kavak

180 0C, 2/1 (amonyak/biyokütle), %233 nem, 30 dk

biyokütle oranı ve nem içeriğidir. Bu değişkenlerin optimum kombinasyonu ise lignoselülozun dirençliliğine bağlı olarak değişmektedir. Herhangi bir biyokütle için

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

Selüloz dönüşüm yüzdesi 93,0

optimum koşulları bulabilmenin yolu değişkenleri farklı değerlerde denemekten

87,1 89,0 97,3 93,0 93,0 93,0

ise

tüm

geçmektedir. Geleneksel olarak, AFEX önmuamelesinde yüksek sıcaklık, kısa uygulama süresi 387


A. O. Adıgüzel

uygulanırken son yıllardaki bazı araştırmacılar maliyeti azaltmak amacıyla düşük sıcaklıkta daha uzun uygulama süresinin kullanıldığı ön-muamele koşullarını optimize etmeye çalışmaktadır [60]. Karbondioksit patlama yönteminde ise karbondioksit ile karboksilik asit oluşumu gerçekleştirilir ve lignoselülozik yapının parçalanabilirliği arttırılır. Bu metot ligninin giderimi için CO2’nin süperkritik akışkan olarak kullanımına dayanmaktadır ve temel dez avantajı yüksek basınç gerektirmesidir [61]. Buhar patlama yöntemi ile karşılaştırıldığında daha fazla ürün elde edilmekte ve daha az toksik yan ürün oluşumu gözlemlenmektedir [62]. Bir çok ön-muamele metodları ile karşılaştırıldığında çok zayıf kalmaktadır [63]. Aynı zamanda, diğer termo/fiziko kimyasal ön-muamele metodlarına oranla da daha fazla maliyet gerektirmektedir. 2.4. Biyolojik Ön-muamele (Biological Pre-Treatment) Biyolojik ön-muamele işlemlerinde kahverengi, beyaz ve yumuşak çürükçül mantarlar gibi mikroorganizmalar lignin ve hemiselülozun parçalanması için kullanılabilir [64]. Kahverengi çürükçül funguslar selüloza etki ederken, beyaz çürükçüller hem selüloza hem de lignine etki etmektedir. Beyaz çürükçül mantarlardan en etkilisi ise Basidiomisetlerdir. Bunlar lignini tamamen mineralize edebilirler [65]. Değişik çalışmaların sonuçlarına göre Pleurotus ostreatus, Phanerocaete sordida 37 ve Pycnoporus cinnabarinus 115 gibi mikroorganizmaların samanı 4-5 haftada %30-50 oranında şekere parçalayabildiği ortaya çıkmıştır. Diğer bir çalışmada ise odun parçalarındaki ligninin daha fazla parçalanarak selüloz eldesini arttırmak için değişik mutant suşlar geliştirilmiştir. Bermuda çimeninin biyolojik parçalanması ise 6 haftada Ceriporiopsis subvermispora ile %29-32 oranında, Cyathus stercoreus ile ise %63-77 oranında gerçekleştirilmiştir [66]. Beyaz çürükçül funguslardan Phanerochaete chrysosporium karbon ve azotun olmadığı koşullarda sekonder metabolit olarak lignin degredasyon enzimi, lignin peroksidazlar ve manganaz bağımlı peroksidazlar üretirler [67,68]. Bu enzimler odunlarda hücre duvarının parçalanmasını sağlar. Bunların dışında polifenol oksidazlar, lakkazlar, hidrojen peroksit üretici enzimler gibi lignini parçalayabilen başka enzimler de vardır [69]. Fungal ön-muamele sırasında lignoselülozik materyalin içerdiği nem oranı ve parça boyutu, ilave katkılar (Mn, Cl, Cu ya da H2O2 …vb), sıcaklık, havalandırma, zaman gibi parametreler önemlidir. Ligninin parçalanması ve beyaz çürükçül mantarların ligninolitik aktivitesi için substratın içerdiği nem oranı %70-80 olmalıdır. Substratın yüksek parça boyutu ön-muameleyi olumsuz 388

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

etkilemektedir. Mn+2 varlığı lignin parçalanmasında rol alan enzimlerin sentezini arttırmaktadır. Ligninin parçalanması oksidatif bir proses olduğundan dolayı fungusun oksijene ulaşabilirliği sıkça denetlenmelidir [70]. Fungusların yanı sıra biyolojik ön-muamele için kullanım potansiyeli olan bakteri grubu ise aktinobakterilerdir. Fungus benzeri prokaryot olan aktinobakterilerden özellikle bazı Streptomyces sp. türlerinin sahip olduğu ligninolitik aktivite ligninin gideriminde kullanılabilmektedir [71]. 3. HİDROLİZ (HYDROLYSIS) Ön-muamele işlemi bittikten sonraki aşama hidrolizdir. Hidroliz, bir molekülün su ekleyerek parçalanması anlamına gelmektedir ve aşağıdaki formüller (1, 2) ile ifade edilebilir. (C6H10O5)n + nH2O → n C6H12O6 ve 2CH3CH2OH + 2CO2 [72]

C6H12O6

→ (1)

Lignoselülozik materyal içerisindeki karbonhidrat polimerleri fermantasyon işleminden önce, hidroliz olarak adlandırılan bir prosesle basit şekerlere dönüştürülmelidir. Lignoselülozun hidrolizi için ise birkaç olası proses mevcuttur. Bu hidroliz metotlarını kimyasal hidroliz ve biyolojik hidroliz olarak ikiye ayırabiliriz. Reaksiyon sonunda lignin yan-ürün olarak kalırken selüloz ve hemiselüloz ise hidroliz ve fermantasyon prosesleri ile biyoetanole dönüştürülebilir. Yukarıdaki iki hidroliz yöntemine ilaveten, gama ya da elektron ışıma ve mikrodalga ışıma gibi başka hidroliz metodları da bulunmaktadır. Fakat bu proseslerin ticari açıdan uygulaması bulunmamaktadır. Selülozun tamamen hidrolizi glukoz eldesi ile sonuçlanırken, hemiselülozun hidrolizi ile pentoz ve heksoz şekerler elde edilir. Yumuşak odunlu materyallerdeki hemiselülozlar temel olarak mannoz içerirken, sert odunlularda ise baskın bileşen ksilozdur [73]. 3.1. Kimyasal Hidroliz (Chemical Hydrolysis) Asitlerin selülozu parçalaması, derişime bağlı olarak genellikle iki aşamada olur. İlk aşamada asitler, kolayca ulaşabildiği amorf bölgeleri parçalarlar ve uzaklaştırırlar. Amorf bölgesi uzaklaşan selüloz, hidroselüloz olarak isimlendirilir. Bu nedenle, bozulmadan kalan selülozun kristallik derecesi artar. Derişik asitlerin kullanılması ve reaksiyon süresinin uzatılması sonucu selüloz monomerik yapıtaşı olan glikoza dönüşebilir. Asit ile hidroliz yöntemi ikiye ayrılır: derişik asit ile hidroliz ve seyreltik asit ile hidoliz. Hidroliz işlemi için genellikle seyreltik asit ile hidroliz yöntemi SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerdenbiyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

kullanılmaktadır. Bu yöntem, genellikle ya fermentasyonu destekleyen bir basamak olarak ya da direkt lignoselülozik materyalden şekerlerin eldesi için gerçekleştirilir. Derişik ya da seyreltik asit ile önmuamelenin avantaj ve dezavantajları Tablo 3’de belirtilmiştir. Fakat enzimatik hidroliz ile karşılaştırıldığında seyreltik asit ile hidrolizin verimliliği daha düşüktür [74]. Asitler ile hidroliz kesikli bir prosestir. İstenmeyen yan-ürünlerin oluşumundan kaçınmak için ise genellikle iki basamaklı bir yöntem tercih edilir. Buna göre, ilk basamakta ılımlı koşullar uygulanırken, ikinci basamakta ağır koşullar uygulanır. Birinci basamakta düşük sıcaklıkta hemiselülozdan maksimum ürün elde edilirken, ikinci basamakta ise daha çok selülozun hidrolizi gerçekleştirilir [75]. Hindistan, Suidi Arabistan ve ABD’de yaygın olarak görülen ve karbonhidrat içeriği %67,4 ± 1,6 olan Prosophis juliflora’nın %2’lik sodyum ditiyonit (Na2S2O4) ile önmuamelesi ve iki basamaklı asit ile hidrolizinden sonra holoselülozun %40,09 ± 1,22’si hidroliz edilmiştir. Ortama salınan fenol ve furanların miktarı ise sırasıyla 1,04 ± 0,022 g/l ve 0,41 ± 0,012 g/l’dir. Birinci basamakta hidroliz %1’lik sülfirik asit ile 110 0C’ de 20 dk boyunca gerçekleştirilirken ikinci basamaktaki hidroliz %2’lik sülfirik asit ile 121 0C’de 30 dk süresince yapılmıştır [76].

Tablo 3. Asit ile hidroliz metodlarının avantaj ve dezavantajları (Advantage and disadvantage of hydrolysis methods with acid)

Lignoselülozik materyalin asit ile hidrolizini etkileyen parametreler ise kullanılan substratın özelliği, sistemin asiditesi ve hidroliz sırasında ürünlerin ayrışma oranıdır. Kullanılan substratın özelliklerini; nötralizasyon kapasitesi, selüloz ve hemiselülozun kolay hidrolize olma özelliği, zor hidroliz edilen materyallerin oranı, makromoleküllerin uzunluğu, selülozun polimerizasyon derecesi, selüloz zincirlerinin konfigürasyonu ve selülozun lignin, pektin, hemiselüloz, proteinler, mineraller, elementler gibi bitki hücre duvarı içinde bulunan diğer koruyucu polimerik yapılarla ilişkisi belirler. Sistemin asiditesi kullanılan asit derişimi, asit çözeltisinin miktarı, hidroliz sırasında biyokütleden salınan asit miktarı, lignoselülozun nötralleşme kapasitesi, sıvı-katı oranı ve ısıtma sırasında çözeltinin hareketine bağlıdır [77]. Hidroliz sırasında ürünlerin parçalanma oranı ise sıcaklık, asidite, reaksiyon zamanı ve şeker derişimine bağlıdır.

Hidrolizatlar, içerisinde birçok inhibitör madde barındırırlar. Bu maddelerin oluşumu daha önceki bölümde de bahsedildiği üzere lignoselülozik materyalin tipine ve içeriğine, ön-muamele ve hidroliz yöntemlerine bağlıdır. Hemiselülozlardan elde edilen hidrolizatlarda ise sadece heksozlar yoktur. Aynı zamanda ksiloz gibi pentozlar da bulunurlar. Ksiloz sert odunlu hammaddelerde hemiselülozun baskın parçalanma ürünüdür. S. cerevisiae etanol üretimi için ticari olarak en çok kullanılan mikroorganizmadır. Fakat ksilozu fermente edemez [78].

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

Hidroliz Metodu

Derişik asitile hidroliz

Seyreltik asit ile hidroliz

Avantajlar

İşlem düşük sıcaklıkta gerçekleştirilir. Yüksek şeker ürünü elde edilir.

Düşük asit tüketimi. Kısa direnç zamanı

Dezavantajlar Asit tüketimi fazladır. Ekipmanlarda paslanma meydana gelebilir. Kullanılan asidi tekrar döngüye katmak için yüksek oranda enerji sarf edilir. Daha uzun bekleme süresi. İşlem yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir. Düşük şeker ürünü elde edilir. Ekipmanlarda paslanma meydana gelebilir.. İstenmeyen yanürünler oluşabilir.

Asetik asit ve levulinik asit ise hidrolizatlar içerisinde en bol bulunan karboksilik asitlerdir. Asetik asit, sadece hidroliz için değil aynı zamanda fermantasyon prosesi için de iyi bilinen bir yan-üründür. Bununla birlikte, proses sırasında asetik asitin 10 g/L oranında var oluşu doğal karşılanmaktadır. Genel olarak fermantasyon sırasında mayalardaki asetik asit tolerans oranı ise 5 g/L’dir [74]. Fenolik/aromatik bileşiklerin birçoğu seyreltik asit hidrolizatları arasında bulunmuştur [79]. Bunların hidroliz esnasında ligninin parçalanma ürünü olduğu düşünülmektedir. Aynı zamanda, aromatik bileşiklerin şeker yıkımının bir sonucu olarak da oluşabileceği düşünülmektedir. Fenolik bileşikler arasından vanilin ve şiringaldezin en önemli inhibitör maddelerdendir. Fakat bunlar fermantasyon işlemi esnasında S. cerevisiae tarafından asimile edilebilirler. Yayınlanan bir rapora göre, fenolik/aramotik bileşiklerin 389


A. O. Adıgüzel

miktarının litrede birkaç miligram olabileceği söylenmiştir. Bu ise fenolik bileşiklerin suda çözünürlüğü ile ya da hidroliz prosesinde lignin parçalanmasının sınırlandırılmasıyla giderilebilir. Bir diğer kimyasal hidroliz yöntemi de alkali hidrolizdir. Bu tür hidrolizde ön-muameleden geçmiş/geçmemiş biyokütle bazik maddelerle reaksiyona sokulur. Kullanılan kimyasal ise genellikle NaOH’tır. 3.2. Enzimatik Hidroliz (Enzymatic hydrolysis) Lignoselüloz doğada bakteri ve funguslar tarafından parçalanır. Lignoselülozun değredasyonunda temel olarak selülaz, ksilanaz, peroksidaz ve lakkazlar rol oynarken β-ksilosidaz, α-L-arabinofuranosidaz, α-Dglukuronosidaz, asetil ksilan esteraz ve hidroksisinnamil asit esteraz gibi aksesuar enzimlerde rol almaktadırlar. Enzimler, mikroorganizmadan izole etmek ya da enzim kokteyli olarak kullanılmakla birlikte Novazyme, Zytex India Private Limited gibi firmalardan ticari olarak ta temin edilebilir. 3.2.1 Selülazlar (Cellulases) Selülozun glukoza enzimatik olarak parçalanmasında 3 farklı sınıf enzimin sinerjistik etkisi rol oynamaktadır [80, 81, 82] (Şekil 4). Endo-1,4-β-glukanaz ya da 1,4-βD-glukan 4-glukanohidrolazlar (E.C. 3.2.1.4) çözünür ya da çözünmez 1,4-β glukan substratlar üzerine etkilidir (β1,4-glikozidik bağlara etki eder) [83]. Aktivitesi CMC (karboksimetilselüloz)’den salınan redükte gruplar yardımıyla tespit edilir. Ekzo-1,4-β-D-glukanazlar ise hem 1,4-β-D-glukanlardan 1,4-β-D-glukozu serbest bırakan 1,4-β-D-glukan glikohidrolozları (E.C.3.2.1.74) hem de 1,4-β-glukanlardan D-sellobiyozu koparan 1,4-βD-glukan sellobiyohidrolazları (E.C.3.2.1.91) içerir. 1,4β-D glukan glikohidrolazlar aynı zamanda Dsellobiyozun yavaşça hidrolizini de katalizler. β-Dglukozid glukohidrolazlar (E.C. 3.2.1.21) glikozid dizileri, çözünür sellodekstrinler ve sellobiyozdan Dglukoz birimlerini koparır. β-glukosidaz ise sellobiyozu glukoza parçalar [83]. Literatürde selülaz enzimlerini üreten birçok mikroorganizma bulunabilmektedir. Funguslardan Aspergillus niger, A. nidulans, A. oryzae, A. terreus, Fusarium solani, F. oxysporum, Humicola insolens, H. grisea, Melanocarpus albomyces, Penicillium brasilianum, P. occitanis, P. decumbans, Trichoderma reesei, T. longibrachiatum, T. harzianum, Chaetomium cellulyticum, C. thermophilum, Neurospora crassa, P. fumigosum, Thermoascus aurantiacus, Mucor circinelloides, P. janthinellum, Paecilomyces inflatus, P. echinulatum, Trichoderma atroviride, Coniophora puteana, Lanzites trabeum, Poria placenta, Tyromyces palustris, Fomitopsis sp, Phanerochaete chrysosporium, 390

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

Sporotrichum thermophile, Trametes versicolor, Agaricus arvensis, Pleurotus ostreatus, Phlebia gigantea selülolitik aktiviteye sahipken bakterilerde Acinetobacter junii, A. amitratus, Acidothermus cellulolyticus, Anoxybacillus sp., Bacillus subtilis, B. pumilus, B. amyloliquefaciens, B. licheniformis, B. circulan, B. flexus, Bacteriodes sp., Cellulomonas biazotea, Cellvibrio gilvus, Eubacterium cellulosolvens, Geobacillus sp., Microbispora bispora, Paenibacillus curdlanolyticus, Pseudomonas cellulosa, Salinivibrio sp., Rhodothermus marinus, Acetivibrio cellulolyticus, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium thermocellum, C. cellulolyticum, C. acetobutylium, C. papyrosolvens, Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus selülolitik aktivite göstermektedir. İlave olarak, Cellulomonas fimi, C. bioazotea, C. uda, Streptomyces drozdowiczii, S. lividans, Thermomonospora fusca, T. curvata gibi aktinobakterilerde de selülolitik sistem mevcuttur [84, 85]. Mikrobiyal kökenli selülazlar biyoetanol üretimi için saflaştırılarak ya da duruma özgün olarak enzim kokteli şeklinde kullanılabilir. Fakat bazı araştırmacılar selüloz parçalanmasında sinerjistik etki gösteren selülolitik enzimleri kodlayan genlerin fermentasyon mikroorganizmasında ifadesine ilişkin çalışmalar gerçekleştirmektedir. Böylece, enzimin ürtilmesi ve saflaştırıma/kısmi saflaştırma gibi ek basamaklara ihtiyaç kalmaksızın mikroorganizma hem selülozu asimile edebilecek hem de asimilasyon ürününü fermentasyonla etanole dönüştürebilecektir [86].

Şekil 4. Selülazlar (Cellulases)

Günümüzde glikozil hidrolazlara (GH) ait 90 enzim ailesi belirlenmiştir. Sınıflandırma sistemi enzim mühendisliği çalışmaları için glikozil hidrolazların kullanımını kolaylaştırmaktadır. Selüloz degredasyonunda rol oynayan önemli GH aileleri 1, 3, 5, 6, 7, 9, 10, 12, 16, 44, 45, 48, 51, 61 ve 74’tür. Bu selülolitik enzimler protein sekans dizi algoritimlerinin Hidrofobik Cluster Analizi ile gerçekleştirilmektedir. Selülozların bulunduğu GH aileleri oldukça farklı katlanmalara sahip üyeler içerir. Bu katlanma biçimleri

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerdenbiyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

TİM-fıçı, β/α-fıçı, β sandöviç ve α-heliks şeklinde olabilir [87]. Selülazlar genel olarak β-1,4-glikozidik bağları hidroliz eder. “Gerçek selülaz” olarak adlandırılan enzimler yalnızca çözünmeyen selüloz üzerine aktivite gösterirler. GH7 ve GH61 aileleri yalnızca funguslarda, GH44 ailesi yalnızca bakterilerde bulunur. GH7 (sellobiyohidrolaz) en aktif ekzoglukanaz olarak bilinmektedir ve tek selüloz zinciri üzerine aktivite göstermektedir. GH7 ve GH6 ailesi hem endo- hem de ekzo-glukanazları içermektedir. GH9, GH48 ve GH74 aileleri yalnızca bakterilerde gözlemlenen ekzoglukanazları da içermektedir. Mikroorganizmalar tarafından üretilen ekstraselüler selülolitik enzimlerin tümü selülozomlar olarak adlandırılan çoklu-protein kompleksleri şeklinde bulunabilir. Selülozomlar selülazların substrat üzerinde birikmesi ve pozisyon alması ile meydana gelmektedir. Selülozomun fonksiyonel birimlerine scaffoldin denir. Koenzimleri içeren, katalitik olmayan proteinlerdir. Koenzimler ise dockerin olarak adlandırılan diğer protein domainleriyle özgün bağlantı kurmaktadır. Selülozomal enzimler bir katalitik bir de bağlanma (dockerin) bölgesi içerir. Scaffoldinler karbonhidrat bağlayan modül bulundurur. İlk scaffoldin Clostridium cellulovorans’dan sekanslanmıştır. Bugün, birçok scaffoldin geni Clostridium thermocellum, Clostridium josui, Bacteroides cellulosolvens, Acidothermus cellulolyticus ve Ruminococcus flavefaciens’ten izole edilmiş, sekanslanmış ve karakterize edilmiştir. 3.2.2 Endo-1,4-ksilanaz (Endo- 1,4-xylanase) Temel olarak ksilan zincirindeki β-1,4 bağlarının kırılmasında rol oynar. Çoğu ksilanaz ekstraselülerdir ve Sec bağımlı metabolik yol ile üretilir. Fakat periplazmik olan ksilanalara da rastlanılmıştır. Bu tür ksilanazlar Cellvibrio mixtus gibi bakterilerde görülmektedir [88]. Ksilanaz enzimlerinin periplazmik olarak lokasyonu proteazlardan korunmak amaçlı olabilir. Bir başka ksilanaz ise Paenibacillus barcinonensis’te stoplazmik olarak tanımlanmıştır [89]. Fizikokimyasal özelliklerine göre düşük moleküler ağırlıklı (≤30 kDa), bazik ve yüksek moleküler ağırlıklı, asidik olarak 2 gruba ayrılırlar. Yaygın olarak glikozid hidrolaz ailesinin 10. ve 11. ailesinde bulunurlar [90]. Farklı mikroorganizmalardan izole edilen enzimlerin optimum pH, sıcaklık ve tuzluluk istekleri farklıdır. 3.2.3 β-Ksilosidazlar (β-xylosidases) Ksilanların etkin şekilde degredasyonunda endo-1,4ksilanazla birlikte β-ksilosidazlar da rol oynamaktadır [91]. β-ksilosidazlar (β-1,4-ksilosidaz, EC 3.2.1.37) ksilanazlar tarafından üretilen ya da ksilanların SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

indirgenmemiş uçlarından salınan ksilobiyoz ya da kısa ksilooligosakkaritlerin hidrolizini sağlar [92]. βglikosidazların afinitesi oligosakkaritlerin polimerizasyon derecesinin artışını azaltır. Bu enzimler direkt olarak ksilanın hidrolizi için kullanılmaz fakat pnitrofenil- β-D-ksilopiranosid gibi yapay substratların hidrolizinde kullanılır [93]. Bu gibi substratlar βksilosidaz aktivitesinin rutin kolorimetrik analizinde kullanılır. Bu enzimler glikozid hidrolazların 3., 39., 43. ve 52. ailelerinde sınıflandırılır. Birçok β-ksilosidaz transksilosidaz aktivitesi de gösterir, başlangıç substratlarından yüksek moleküler ağırlıklı ürünler oluşturabilirler. Bu özellikten faydalanılarak özgül oligosakkaritlerin üretimi gerçekleştirilir. Bu enzimlerin çoğunun ekstraselüler olduğu düşünülmektedir. 3.2.4. α-L-arabinofuranosidaz (α-L-arabinofuranosidase)

α-L-arabinofuranosidaz (E.C. 3.2.1.55) ekzo enzim olup, ksilan ve diğer arabinoz içeren polisakkaritlerin yan zincirlerinden arabinoz kalıntılarının kesilmesini katalizler [94]. Glikozid hidrolazlar arasında 43., 51., 54. ve 62. aileler içinde sınıflandırılırlar. Kolorimetrik tayini için substrat olarak p-nitrofenil-α-L-arabinofuranosid kullanılır. Ksinolitik reaksiyon sonucu ortamda bulunan arabinozların aslında ksilanazdan değil α-Larabinofuranosidazlardan kaynaklandığı nettir. 3.2.5. α-D-glukuronosidaz ( α-D-glucronosidase) α-D-glukuronosidaz (E.C. 3.2.1.131) glukuronoksilanda bulunan ksiloz kalıntıları ve 4-O-metil glukuronik asit arasındaki bağları koparır [95]. GH67 ailesi içerisinde sınıflandırılır. Bazıları yalnızca kısa ksilooligomerler ya da küçük model moleküller üzerine aktivite gösterirlerken diğerleri polimerik ksilandan glukuronik asitin salınımını sağlayabilir. 3.2.6. Mannanazlar (Mannanases) β-Mannanazlar gilkozid hidrolazların 5. ve 26. ailelerinde sınıflandırılırlar. Yumuşak odunlardan elde edilen hemiselülozların degredasyonunda önemli rol oynarlar. Mannan degrade eden enzimler β-mannanaz (1,4-β-D-mannan mannohidrolaz, E.C. 3.2.178), ßmannosidaz (1,4-ß-D-mannopiranosid hidrolaz, E.C. 3.2.1.2) ve ß-glukosidazdır (1,4-ß-D-glukosid glikohidrolaz, E.C. 3.2.1.21). Mannan degredasyonuna yardımcı enzimler ise asetil manan esteraz (E.C. 3.1.1.6) ve α-glukosidaz (1,6-α-D-galaktosid galaktohidrolaz, E.C. 3.2.1.22) dir. β-mannanaz endo enzimdir ve mannan omurgasındaki ß1,4 bağlarını koparır [96]. Doğada endo-1,4-ß-mannanaz, galaktomannan ana zincirini parçalayarak 391


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

oligosakkaritleri ve mannobiyozu meydana getirir [97]. Daha sonra ise 1,4-ß-mannosidaz (E.C. 3.2.1.25) aktivitesi ile mannoz serbest kalır. ß-mannosidaz ise ekso tip enzimdir ve mannosidler arasındaki ß-1,4 bağlarını kopararak mannan ya da mannooligosakkaritlerin indirgenmemiş uçlarından mannozun serbest kalışını katalizler. ß-glukosidaz ise ekso tip enzimdir ve glukomannan ve galaktoglukomannandan ß-mannanaz aktivitesi sonucu salınan oligosakkaritlerin indirgenmemiş uçlarında 1,4-ß-D-glukopiranoz hidrolizi yapar. α-Galaktosidaz, galaktomannan ve galaktoglukomannanların α-1,6 bağlı D-galaktopiranosil yan zincirlerinin hidrolizini katalizler. Asetil mannan esterazlar galaktoglukomannanlardan asetil gruplarının serbest kalmasını sağlar [98].

oksidasyonunu katalizler [106]. Kateşol ve hidrokuinon gibi basit difenoller oksidasyon için uygun substratlardır fakat guaikol ve 2,6 dimetoksifenol çok daha iyi okside edilir. Bununla birlikte; lakkazlar substrat olarak pfenilenediamin, şiringaldezini [SGZ: N, N’-bis(3,5dimetoksi-4-hidroksibenzilidin hidrozin; Є525: 65000M1 cm-1) de okside edebilirler [107, 108]. Lakkazlar 4 bakır atomu içerir ve bu bakır atomları T1, T2 ve T3 olarak adlandırılan 3 redoks bölgesinde bulunur. Bu bölgeler spektroskopik ve paramagnetik özelliklere göre belirlenmiştir. Azid, halid, siyanid, tiyosiyanid, florid, hidroksid, yağ asitleri, bazı metal iyonları, sülfidril ajanları, hidroksiglisin, kojik asit ve katyonik amonyum deterjanları tarafından inhibe edilebilirler.

3.2.7. Ferulik asit esterazlar (Feruloil esterazlar)

redox potential peroxidases)

3.2.9. Yüksek redoks potansiyelli peroksidazlar (High (Feruloyl esterases)

Ferulik asit esterazlar (FAE, E.C. 3.1.1.73) karboksilik ester hidrolazların alt grubudur ve ksilan ya da pektinlerin temel zinciri içindeki polisakkaritlerle monomerik ve dimerik ferulik asit arasındaki ester bağlarını koparır. Feruloil esterazlar fenolik şeker esterlerinin enzimatik sentezi için kilit moleküldür. Ferulik asit ester bağları arabinoksilanlar ile lignin arasında kurulan temel köprüdür. Ferulik asit ve arabinoz arasındaki bağları kopardığı için hemiselülozların ligninden ayrıştırılmasını sağlamak suretiyle bitki hücre duvarı degredasyonunda dolaylı rol oynar [99]. FAE’ler hem tek kataltik modüle sahip proteinler olarak hem de çok modüllü protein yapılarının bir parçası olarak bulunurlar. 3.2.8 Lakkazlar (Laccases) Lakkazlar (benzenediol: oksijen oksidoredüktaz, E.C. 1.10.3.2) ekstraselüler, çoklu bakır enzimleridir [100]. Çeşitli aromatik ya da aromatik olmayan bileşikler moleküler oksijen kullanılarak radikal katalizleyen reaksiyon mekanizması ile okside edilir. Reaksiyon sırasında moleküler oksijen suya indirgenir [101]. Lakkaz terimi, Japon vernik ağacı Rhus vernicifera’dan köken almaktadır. Lakkazlar bitki, böcek ve bakteriler tarafından sentezlenebilse de funguslarda daha yaygın üretilmektedir [102]. Şimdiye kadar yaklaşık 60 fungal türde lakkaz aktivitesi analiz edilmiştir. Moleküler oksijenin 4 elektronunun suya redüksiyonu ile redükte substratın 1 elektronunun oksidasyonunu katalizler [103]. O- ve p-difenoller, aminofenoller, metoksifenoller, benzenetioller, polifenoller, poliaminler, hidroksiindoller, bazı aril daiminler ve başka bileşikler lakkazlar tarafından dönüştürülebilir [104]. Fakat tirozini okside edemezler [105]. Bilinen tüm lakkazlar askorbik asit ve fenolik substratların 392

Daha çok bazidiyomisetler tarafından salınan yüksek redoks potansiyelli peroksidazlar lignin degredasyonunda merkezi rol oynar [109]. Enzimatik yıkım olarak adlandırılan bu proseste lignini meydana getiren aromatik birimler, hidrojen peroksitin salınımıyla mangan (MnP) peroksidaz, lignin peroksidaz (LiP) gibi peroksidazlar tarafından okside edilir [110]. Lignin peroksidaz ve mangan peroksidaz 1983-84’te Phanerochaete chrysosporium’dan izole edilmiştir ve dimerik lignin model bileşiklerini okside edebildikleri için bu enzimlere genel olarak ligninaz denilmiştir. 4. SONUÇLAR (CONCLUSION) Biyoetanol üretimi sırasında kullanılabilen ön-muamele ve hidroliz yöntemleri oldukça çeşitlilik göstermektedir. Bunun temelinde hammadde kaynağı olarak oldukça farklı yapı ve içeriğe sahip biyokütlelerin kullanılması yatmaktadır. Bundan dolayı farklı ön-muamele ve hidroliz koşulları, kullanılacak hammadde çeşiti ve fermentasyon prosesi göz önüne alınarak proses basamakları ve gerekleri deneysel yöntemlerle tespit edilmelidir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2]

[3]

Foust, T.D., Aden, A., Dutta, A., Phillips, S., An Economic and Environmental Comparison of A Biochemical and A Thermochemical Lignocellulosic Ethanol Conversion Processes, Cellulose, 16, 547-565, 2009. Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y.Y., Holtzapple M., Ladisch M., Features of Promising Technologies for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass, Bioresource Technol., 96, 673-686, 2005. Alvira, P., Pejó E.T., Ballesteros, M., Negro, M.J., Pretreatment Technologies for An Efficient SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerdenbiyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

[4] [5] [6] [7]

[8]

[9]

[10] [11] [12] [13]

[14]

[15]

[16] [17]

Bioethanol Production Process Based on Enzymatic Hydrolysis: A Review, Bioresource Technol., 101, 4851-4861, 2010. Üçgül. İ., Akgül. G., Biomass Technology, Journal of Yekarum, 1(1), 3-11, 2010. http://www.ucl.ac.uk/chemeng/people/academicresearchers/ramirez Galbe, M. Zacchi, G., Pretreatment: The Key to Efficient Utilization of Lignocellulosic Materials, Biomass Bioenerg., 46, 70-78, 2012. Conde-Mejía, C., Jiménez-Gutiérrez, A., ElHalwagi, M., A Comparison of Pretreatment Methods for Bioethanol Production from Lignocellulosic Materials, Process. Saf. Environ., 90, 189-202, 2012. Menon, V. and Rao, M., Trends in Bioconversion of Lignocellulose: Biofuels, Platform Chemicals & Biorefinery Concept, Prog. Energ. Combust., 38, 522-550, 2012. Harun, R., Jason, W.S.Y., Cherrington, T., Danquah, M.K., Microalgal Biomass AS A Cellulosic Fermentation Feedstock for Bioethanol Production, Renew. Sust. Energ. Rev., 2010. Sultan. D., Kelleher. B., Ross. J.R.H., Review of Literatüre on Catalysts for Biomass Gasification, Fuel. Process. Technol., 73, 155-173, 2001. Kilzer, F.J., Broido, A., Speculations on The Nature of Cellulose Pyrolysis, Pyrodynamics, 2, 151-163, 1965. Fan, L.T., Gharpuray, M.M., Lee, Y.-H., Cellulose Hydrolysis Biotechnology Monographs. Springer, 110(11), 211-230, 1987. Shafizadeh, F., Lai, Y.Z.,. Thermal Degradation of 2-Deoxy-Darabino-Hexonic Acid and 3Deoxy-D-Ribo-Hexono-1,4-Lactone, Carbohyd. Res., 42, 39-53, 1975. Mvula. E., Naumov. S., Sonntag. C.V., Ozonolysis of Lignin Models in Aqueous Solution: Anisole, 1,2-Dimethoxybenzene and 1,3,5-Trimethoxybenzene”, Environ. Sci. Technol. 43, 6275-6282, 2009. Garcia-Cubero M. T., Gonzalez-Benito G., Indacoechea I., Coca M., Bolado S., Effect of Ozonolysis Pretreatment on Enzymatic Digestibility of Wheat and Rye Straw, Bioresource Technol., 100, 1608-1613 2009. Kaneko H., Hosoya S., lyama K., Nakano J., Degredation of Lignin with Ozone, J. Wood. Chem. Technol., 3(4), 1983. Wu L., Arakane M., Ike M., Wada M. Takai T., Gau M., Tokuyasu K., Low Temperature Alkali Pretreatment for İmproving Enzymatic Digestibility of Sweet Sorghum Bagasse for Ethanol Production”, Bioresource Technol., 102, 4793-4799, 2011.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24] [25]

[26]

[27]

[28]

[29]

Eggeman, T., Elander. R.T., Process and Economic Analysis of Pretreatment, Technologies Bioresource Technol., 96, 20192025, 2005. Kang, K. O., Han, M., Moon, S. K., Kanh, H. W., Kim, Y., Cha, Y. L. and Choi, G. W., Optimization of alkali-extrusion pretreatment with twin-screw for bioethanol production from Miscanthus, Fuel, 109, 520-526, 2013. Binod, P., Satyanagalakshmi, K., Sindhu, R., Janu, K. U., Sukumaran, R. K. and Pandey, A., Hort Duration Microwave Assisted Pretreatment Enhances The Enzymatic Saccharification and Fermentable Sugar Yield from Sugarcane Bagasse, Renew. Energ., 37, 109-116,2012. Cao, W., Sun, C., Liu, R., Yin, R. and Wu, X., Comparison of The Effects of Five Pretreatment Methods on Enhancing The Enzymatic Digestibility and Ethanol Production from Sweet Sorghum Bagasse, Bioresource Technol., 111, 215-221, 2012. Karimi, K., Taherzadeh, M.S., Alkali Pretreatment of Softwood Spruce and Hardwood Birch by NaOH/Thiourea, NaOH/Urea, NaOH/Urea/Thiourea, and NaOH/PEG to İmprove Ethanol and Biogas Production, J. Chem. Technol. Biotechnol., 87, 1209-1214, 2012. Rabelo S.C., Filho R.M., Costa A.C., Lime Pretreatment of Sugarcane Bagasse for Bioethanol Production, Appl. Biochem. Biotechnol., 153, 139–150, 2009. Mielenz J.R., “Biofuels: Methods And Protocols”, Springer New York Dordrecht Heidelberg London, ISBN: 978-1-60761-214-8. Thompson, D.N., Campbell, V., Bals, B., Runge, T., Teymouri, F. and Ovard, L.P., Chemical Preconversion: Application Of Low-Severity Pretreatment Chemistries For Commoditization Of Lignocellulosic Feedstock, Biofuels, 4(3), 323-340, 2013. Zhang, C., Pang, f., Li, b., Xue, s. and Kang, y., Recycled Aqueous Ammonia Expansion (RAAE) Pretreatment to İmprove Enzymatic Digestibility of Corn Stalks, Bioresource Technol., 138, 314320, 2013. Kang, K. E., Jeong, G.T., Sunwoo, C. and Park, D. H., Pretreatment of Rapeseed Straw by Soaking İn Aqueous Ammonia, Bioprocess Biosyst. Eng., 35, 77-84, 2012. Talebnia, F., Karakashev, D. and Angelidaki, I., Production of Bioethanol from Wheat Straw: An Overview on Pretreatment, Hydrolysis and Fermentation, Bioresource Technol., 101, 47444753, 2010. Liu, Z. S., Wu, X. L., Kida, K. and Tang, Y. Q., Corn stover saccharification with Concentrated 393


A. O. Adıgüzel

[30]

[31]

[32]

[33] [34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

394

Sulfuric Acid: Effects of Saccharification Conditions on Sugar Recovery and By-Product Generation, Biosource Technol., 119,224233,2012. Wyman, C. E. Ethanol from Lignocellulosıc Biomass: Technology, Economics, and Opportunities, Bioresource Technol., 50, 3-16, 1994. Jönsson, L.J., Alriksson, B. and Nilvebrant, N. O., Bioconversion of Lignocellulose: İnhibitors and Detoxification, Biotechnol. Biofuels., 6:16, 2-10, 2013. Ferreira, S., Gil, N, Queiroz, J. A., Duarte, A. P. and Domingues, F. C. Bioethanol from the Portuguese Forest Residue Pterospartum tridentatum –An Evaluation of Pretreatment Strategy for Enzymatic Saccharification and Sugars Fermentation, Bioresource Technol., 101, 7797-7803, 2010. http://walkerlab.bee.cornell.edu/Pretreatment.ht ml Njoku, S.I., Ahring, B.K. and Uellendahl, H., Pretreatment As The Crucial Step For A Cellulosic Ethanol Biorefinery: Testing The Efficiency Of Wet Explosion On Different Types Of Biomass, Bioresource Technol., 124, 105–110, 2012. Sindhu, R., Kuttiraja, M., Binod, P., Janu, K.U., Sukumaran, R.K. and Pandey, A., Dilute Acid Pretreatment and Enzymatic Saccharification of Sugarcane Tops For Bioethanol Production, Bioresource Technol., 102, 10915-10921, 2011. Zheng, Y., Lee,C., Yu,C., Cheng, Y.S., Zhang, R., Jenkins, B.M. and VanderGheynst, J.S., Dilute Acid Pretreatment And Fermentation Of Sugar Beet Pulp To Ethanol, Appl. Energ., 105, 1–7, 2013. Ruiz, E., Romero, I., Moya, M., Cara, C., Vidal, J.D. and Castro, E., Dilute Sulfuric Acid Pretreatment of Sunflower Stalks for Sugar Production, Bioresource Technol., 140, 292-298, 2013. He, M. X., Li, Q., Liu, X., Hu, Q., Hu, G., Pan, K., Zhu, Q., and Wu, J., Bio-ethanol Production from Bamboo Residues with Lignocellulose Fractionation Technology (LFT) and Separate Hydrolysis Fermentation (SHF) by Zymomonas Mobilis, Am. J. Biomass Bioenergy, 1, 1-10,2013. Hsu, W-H., Lee, Y-Y., Peng, W-H. and Wu, K.CW. Cellulosic Conversion in İonic Liquids (Ils): Effects Of H2O/Cellulose Molar Ratios, Temperatures, Times, and Different Ils on The Production of Monosaccharides and 5Hydroxymethylfurfural (HMF), Catal. Today, 174, 65-69, 2011.

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

[40]

[41]

[42]

[43]

[44]

[45]

[46]

[47]

[48]

[49]

[50]

Kurtuluş M., Lignoselülozik Materyallerden Termokatalitik İşlemle Suda Çözündürülen Polisakkaritlerin Moleküler Yapılarının İncelenmesi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 2010. Mtui, G. Y. S., Recent Advances in Pretreatment of Lignocellulosic Wastes and Production of Value Added Products, Afr. J. Biotechnol., 8(8), 1398-1415, 2009. Kristensen, J. B., Thygesen, L. G., Felby, C., Jørgensen, H., and Elder, T., Cell-Wall Structural Changes in Wheat Straw Pretreated for Bioethanol Production, Biotechnol. Biofuels., 1(5), 1-9, 2008. Chandra, R., Takeuchi, H. and Hasegawa, T., Hydrothermal Pretreatment of Rice Straw Biomass: A Potential and Promising Method for Enhanced Methane Production, Appl. Energ., 94, 129-140, 2012. Nitsos, C.K., Matis, K.A. and Triantafyllidis, K.S., Optimization of Hydrothermal Pretreatment of Lignocellulosic Biomass in the Bioethanol Production Process, Chem.Sus.Chem., 6, 110122, 2013. Zhang, Y., Lu, C., Tang, J., Yu, X., Lu, J., Meng, Q., Liu, D., Zheng, X. and Lin, F., Enhanced Saccharification of Steam Explosion Pretreated Corn Stover by The Supplementation of Thermoacidophilic Β-Glucosidase from a Newly İsolated Strain, Tolypocladium cylindrosporum syzx4, Afr. J. Mıcrobıol. Res., 5(17), 2413-2421, 2011. Morjanoff, P.J. and Gray, P.P., Optimization of Steam Explosion as Method for İncreasing Susceptibility of Sugarcane Bagasse to Enzymatic Saccharification, Biotechnol. Bioeng., 29: 733– 741, 1987. Chiaramonti, D., Prussi, M., Ferrero, S., Oriani, L., Ottonella, P., Torre, P. and Cherchi, F., Review of Pretreatment Processes for Lignocellulosic Ethanol Production, and Development of An İnnovative Method, Biomass Bioenerg., 46, 25-35, 2012. Scott, F.; Quıntero, J.; Morales, M.; Conejeros, R.; Cardona, C., And Aroca, G. (2013). Process Design and Sustainability in the Production of Bioethanol from Lignocellulosic Materials. Electron. J. Biotechn., vol. 16, no. 3. http://dx.doi.org/10.2225/vol16-issue3-fulltext-7 Holtzapple, M.T., Humphrey, A.E. and Taylor, J.D., Energy Requirements for The Size Reduction of Poplar and Aspen Wood, Biotechnol. Bioeng., 33, 207-210, 1989. Clark, T.A. and Mackie, K.L., Steam Explosion of The Soft-Wood Pinus Radiata with Sulphur

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


A. O. Adıgüzel

Lignoselülozik materyallerdenbiyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

[51]

[52] [53] [54]

[55]

[56]

[57]

[58]

[59] [60]

[61]

[62]

[63]

[64]

Dioxide Addition, J. Wood Chem. Technol., 7, 373-403, 1987. Mackie, K.L., Brownell, H.H., West, K.L. and Saddler, J.N., Effect of Sulphur Dioxide and Sulphuric Acid on Steam Explosion of Aspenwood, J. Wood Chem. Technol., 5, 405425, 1985. Dale, B.E. and Moreira, M.J., A Freeze-Explosion Technique for İncreasing Cellulose Hydrolysis”, Biotechnol. Bioeng. Symp., 12, 31-43, 1982. Sun Y. and Cheng J., Hydrolysis of Lignocellulosic Materials for Ethanol Production: A Review, Bioresource Technol., 8,: 1-11, 2002. Eisenhuber, K., Jäger, A., Wimberger, J. and Kahr, H., Comparison of Different Pretreatment Methods for Straw for Lignocellulosic Bioethanol Production, Agron. Res, 11(1), 173-182, 2013. Bari, I.D., Liuzzi, F., Villone, A. and Braccio, G., Hydrolysis of Concentrated Suspensions of Steam Pretreated Arundo donax, Appl. Energ., 102, 179189, 2013. Amores, I., Ballesteros, I., Manzanares, P., Sáez, F., Michelena, G. and Ballesteros, M., Ethanol Production from Sugarcane Bagasse Pretreated by Steam Explosion, Electronic Journal of Energy & Environment, 1(1), 2013. Vlasenko. E. Yu., Ding. H., Labovitch. J.M. and Shoemaker. S.P., Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Rice Straw, Bioresource Technol., 59, 109-119, 1997. Dale, B.E., Henk, L.L. and Shiang, M., Fermentation of Lignocellulosic Materials Treated by Ammonia Freze-Explosion, Dev. Ind. Microbiol., 26, 223-233,1984. Hu, F., Ragauskas, A., Pretreatment and Lignocellulosic Chemistry, Bioenerg. Res., 5,1043-1066, 2012. Bals, B. D., Teymouri, F., Campbell, T., Jin, M. and Dale, B. E., Low Temperature and Long Residence Time AFEX Pretreatment of Corn Stover, Bioenerg. Res., 5, 372-379, 2012. Saritha, M., Arora, A. and Lata., Biological Pretreatment of Lignocellulosic Substrates for Enhanced Delignification and Enzymatic Digestibility, Indian. J. Microbiol., 52(2),122130, 2012. Sarkar, N., Ghosh, S. K., Bannerjee, S. and Aikat, K., Bioethanol Production From Agricultural Wastes: An Overview, Renew. Energ., 37, 19-27, 2012. Zheng Y.Z., Lin H.M. and Tsao G.T., Pretreatment for Cellulose Hydrolysis by Carbon Dioxide Explosion, Biotechnol. Prog., 14, 890896, 1998. Temp, U., Eggert, C. and Eriksson, K. L., A Small-Scale Method for Screening of Lignin-

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

[65]

[66]

[67]

[68]

[69] [70] [71]

[72] [73]

[74]

[75] [76]

[77]

Degrading Microorganisms, Appl. Environ. Microb., 60(4), 1548-1549, 1998. Henriksson, G., Johansson, G. and Pettersson, G., A Critical Review of Cellobiose Dehydrogenases”, J. Biotechnol., 78, 93-113, 2000. Mosier, N., Wyman, C., Dale, B., Elander, R., Lee, Y.Y., Holtzapple M. and Ladisch M., Features of Promising Technologies for Pretreatment of Lignocellulosic Biomass, Bioresource Technol., 96, 673-686, 2005. Wariishi, H., Akileswaran, L. and Gold M.H., Manganese Peroxidase from The Basidiomycete Phanerochaete chrysosporium: Spectral Characterization of The Oxidized States and The Catalytic Cycle, Biochemistry, 27, 5365-5370, 1988. Sayadı S. and Ellouz R., Roles of Lignin Peroxidase and Manganese Peroxidase from Phanerochaete Chrysosporium in The Decolorization of Olive Mill Wastewaters, Appl. Environ. Microb., 61(3), 1098-1103, 1995. Blanchette, R.A., Delignification by Wood-Decay Fungi, Annu. Rev. Phytopathol., 29, 381-398, 1991. Wan, C., Li, Y., Fungal Pretreatment of Lignocellulosic Biomass, Biotechnol. Adv., 30, 1447-1457, 2012. Saritha, M., Arora, A., Singh, S. and Nain, L., Streptomyces griseorubens Mediated Delignification of Paddy Straw For İmproved Enzymatic Saccharification Yields, Bioresource Technol., 135, 12-17, 2012. Kalia V.C. and Purohit H.J., Microbial Diversity and Genomics in Aid of Bioenergy, J.Ind. Microbiol. Biotechnol., 35, 403-419, 2008. Karimia, K., Kheradmandiniaa, S. and Taherzadeh, M.J., Conversion of Rice Straw to Sugars by Dilute-Acid Hydrolysis, Biomass Bioenerg., 30, 247-253, 2006. Taherzadeh, M.J., Eklund, R., Gustafsson, L., Niklasson, C. and Liden, G., Characterization and Fermentation of Dilute Acid Hydrolyzates from Wood, Ind. Eng. Chem. Res., 36(11), 4659-4665, 1997. Balat, M., Balat, H. and Öz, C., Progress in Bioethanol Processing, Prog. Energ. Combust., 34: 551-573, 2008. NaseeruddiN, S., Yadav, K. S., Sateesh, L., Manikyam, A., Desai, S. and Rao, L. V., Selection of The Best Chemical Pretreatment For Lignocellulosic Substrate Prosopis juliflora, Bioresource Technol., 136, 542-549, 2013. Kosaric, N., Wieczorirek, A., Cosentono, G.P., and Magee, R.J., Ethanol Fermentation in

395


A. O. Adıgüzel

[78]

[79]

[80]

[81]

[82]

[83] [84]

[85] [86]

[87]

[88]

[89]

396

Biotechnology: A Comprehensive Treatise, Verlag. Chemie., 257-386, 1983. Björling, T., and Lindman, B., Evaluation of Xlose-Fermenting Yeastfor Etanol Production from Spent Sulfite Liquor”, Enzyme Microb. Technol., 11(4), 240-246, 1989. Kuhad, R. C., Gupta, R., Khasa, Y. P. and Singh, A., Bioethanol Production from Lantana camara (Red Sage): Pretreatment, Saccharification and Fermentation, Bioresource Technol., 101, 83488354, 2010. Ziegler, M. T., Thomas, S. R. and Danna, K. J. Accumulation Of A Thermostable Endo-1,4 -DGlucanase in The Apoplast Of Arabidopsis thaliana Leaves, Mol. Breeding, 6, 37-46, 2000. Leonowicz, A., Matuszewska, A., Luterek, J., Ziegenhagen, D., Wojtas´ -Wasilewska, M., Cho, N., Hofrichter, M. and Rogalski, J., Biodegradation of Lignin by White Rot Fungi”, Fungal Genet. Biol., 27, 175-185, 1999. Dashtban, M., Maki, M., Leung, K. T., Mao, C. and Qin, W., Cellulase Activities in Biomass Conversion: Measurement Methods and Comparison, Crit. Rev. Biotechnol., 1-8, 2010. Gilbert, H. J. and Hazlewood, G. F., Bacterial Cellulase and Xylanases, J. Gen. Microbiol., 139, 187-194, 1993. Mathew, G. M.,Sukumaran, R. K., Singhania, R. R. and Pandey, A., Progress in Research on Fungal Cellulases for Lignocellulose Degradation, J. Sci. Ind. Res. India., 67, 897907,2008. Kuhad, R. C., Gupta, R. and Singh, A., Microbial Cellulases and Their Industrial Applications, Enzyme Research, 1-10, 2011. Yamada, R., Nakatani, Y., Ogino, C. and Kondo, A., Efficient Direct Ethanol Production from Cellulose by Cellulase- and Cellodextrin Transporter-Co-Expressing Saccharomyces cerevisiae, AMB Express, 3(34), 2-7, 2013. Xu, Q., Adney, W. S., Ding, S.-Y. and Himmel, M. E. Cellulases for Biomass Conversion, Industrial Enzymes, (Editör: Polaina. J., MacCabe, A. P.), Springer, Dordrecht, 35-50, 2007. Fontes, C.M.G.A., Gilbert, H.J., Hazlewood, G.P., Clarke, J.H., Prates, J.A.M., McKie, V.A., Nagy, T., Fernandes, T.H. and Ferreira, M.A., A Novel Cellvibrio mixtus Family 10 Xylanase That İs Both İntracellular and Expressed Under Nonİnducing Conditions”, Microbiology, 146, 19591967, 2000. Gallardo, O., Pastor, F. I. J., Polaina, J., Diaz, P., Tysek, R., Vogel, P., Isorna, P., Gonzales, B. and Sanz-Aparicio, J., Structural Insights into the Specificity of Xyn10B from Paenibacillus

Lignoselülozik materyallerden biyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

barcinonensis and Its Improved Stability by Forced Protein Evolution, J. Biol. Chem., 285( 4), 2721-2733, 2010. [90] Biely, P., Vrsanska, M., Tenkanen, M. and Kluepfel, D. “Endo-P - 1,4-xylanase families: differences in catalytic properties”, J. Biotechnol. 57: 151-166, 1997. [91] Wainø, M. and Ingvorsen, K., Production of βXylanase and β -Xylosidase by The Extremely Halophilic Archaeon Halorhabdus utahensis, Extremophiles, 7, 87-93, 2003. [92] Martínez, G. A., Chaves, A. R. and Civello, P. M., β -Xylosidase Activity and Expression of a β Xylosidase Gene During Strawberry Fruit Ripening, Plant. Physiol. Bioch., 42, 89-96, 2004. [93] Tuncer. M.,, Characterization of ß-Xylosidase and α-L-Arabinofuranosidase Activities from Thermomonospora Fusca BD25, Turk. J. Biol., 2, 753-767, 2000. [94] Gılead, S. and Shoham, Y., Purification and Characterization of α-L-Arabinofuranosidase from Bacillus stearothermophilus T-6, Appl. Environ. Microbiol., 60(1), 170-174, 1995. [95] Bronnenmeier, K., Meissner, H., Stocker, S. and Staudenbauer, W. L., α -D-Glucuronidases from The Xylanolytic Thermophiles Clostridium stercorarium and Thermoanaerobacterium saccharoticum, Microbiology, 141, 2033-2040, 1995. [96] Shallom, D. and Shoham, Y., Microbial Hemicellulases, Curr. Opin. Microbiol., 6, 219228, 2003. [97] Zakaria, M. M., Ashiuchi, M. and Yamamoto, S., Optimization for β Mannanase Production of A Psychrophilic Bacterium, Flavobacterium sp., Biosci. Biotechnol, Biochem., 62(4), 655-660, 1998. [98] Howard, R.L., Abotsi E., Jansen van Rensburg E.L. and Howard S., Lignocellulose Biotechnology: İssues of Bioconversion and Enzyme Production, Afr. J. Biotechnol., 2(12), 602-619, 2003. [99] Tabka, M. G., Herpoel-Gimbert, I., Monod, F., Asther, M. And Sigoillot, J. C., Enzymatic Saccharification Of Wheat Straw for Bioethanol Production by a Combined Cellulase Xylanase and Feruloyl Esterase Treatment, Enzyme Microbial. Technol., 39, 897-902, 2006. [100] Fang, Z., Li, T., Wang, Q., Zhang, X., Peng, H., Fang, W., Hong, Y., Ge, H. and Xiao, Y., A Bacterial Laccase from Marine Microbial Metagenome Exhibiting Chloride Tolerance and Dye Decolorization Ability, Appl. Microbiol. Biotechnol., 8,: 1103-1110, 2011. [101] Ruijssenaars, H. J. and Hartmans, S., A Cloned Bacillus halodurans Multicopper Oxidase SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013


Lignoselülozik materyallerdenbiyoetanol üretimi için kullanılan ön-muamele ve hidroliz yöntemleri

[102]

[103]

[104]

[105]

[106]

[107]

[108]

[109]

[110]

A. O. Adıgüzel

Exhibiting Alkaline Laccase Activity, Appl. Microbiol. Biotechnol., 65, 177-182, 2004. Lakshmipathy, D. T. and Kannabiran, K., A Morphological, Biochemical and Biological Studies of Halophilic Streptomyces sp. Isolated from Saltpan Environment, Am. J. Infect. Dis., 5(3), 200-206, 2009. Reiss, R., Ihssen, J. and Thöny-Meyer, L., Bacillus pumilus Laccase: A Heat Stable Enzyme with A Wide Substrate Spectrum”, B.M.C. Biotechnology, 11(9), 1-11, 2011. Liu, Z., Zhang, D., Hua, Z., Li, J., Du, G. and Chen, J., A Newly İsolated Paecilomyces sp. WSH-L07 for Laccase Production: İsolation, İdentification, and Production Enhancement by Complex İnducement, J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 36, 1315-1321, 2009. Durán, N., Rosa, M. A., D’Annibale, A. and Gianfreda, L., Applications of Laccases and Tyrosinases (Phenoloxidases) İmmobilized on Different Supports: A Review, Enzyme Microb. Tech., 31, 907-931, 2002. Lante, A., Crapisi, A., Krastanov, A. and Spettoli, P., Biodegradation of Phenols by Laccase İmmobilised in a Membrane Reactor, Process Biochem., 36, 51-58, 2000. Suzuki, T., Endo, K., Ito, M., Tsujibo H., Miyomoto, K. and Inamorİ, Y., A Termostable Laccase from Streptomyces lavendulae REN7: Purufication, Characterization, Nucleotid Sequence, Expression, Biosci. Biotechnol. Bioschem., 67(10), 2167-2175, 2003. Suresh, P. S., Kumar, A., Kumar, R. and Singh, V. P., An Insilco Approach to Bioremediation: Laccase as a Case Study, J. Mol. Graph. Model., 26, 845-849, 2008. Ramachandra, M., Crawford, D. L. and Hertel, G., Characterization of an Extracellular Lignin Peroxidase of the Lignocellulolytic Actinomycete Streptomyces viridosporust, Appl. Environ. Microb., 54(12), 3057-3063, 1988. Narayana, K. J. P., Prabhakar, P., Vijayalakshmi, V., Venkateswarlu, Y. and Krishna, P. S. J., Biologycal Activity of Phenylpropionic Acid İsolated from a Terrestrial Streptomyces, Pol. J. Microb., 56(3), 191-197, 2007.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 381-397, 2013

397


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 399-405, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi Esma Hande Alıcı1* Gülnur Arabacı1 1

Sakarya Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Sakarya ealici@sakarya.edu.tr 18.01.2013 Geliş/Received, 01.08.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Yaptığımız çalışmada Polifenol oksidaz enzimi Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisinden ekstrakte edilmiştir ve elde edilen ham enzim ekstraktı analizler için kullanılmıştır. Enzimin 4-metil katekol substratı için optimum pH değeri 5,0, optimum sıcaklık değeri 5 °C ve Km sabiti 4,55 mM olarak bulunmuştur. Metal etkisi sonuçlarına göre Fe+3, Mg+2, Zn+2, Cu+2, Ca+2, K+1 enzimi aktive ederken, Hg+2, Mn+2, Ni+2, Sn+2 ve Na+1 inhibe etmiştir. Ba+2, Al+3 ve Pb+2 metalleri ise enzim üzerinde hem aktivasyon hem inhibisyon etkisi göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Trachystemon orientalis, Polifenol oksidaz, metal etkisi, enzim kinetiği

The metal effect on the polyphenol oxidase enzyme from borage (Trachystemon orientalis) plant ABSTRACT In this study, Polyphenol oxidase was extracted from Borage plant (Trachystemon orientalis) and the crude extract was used for the assays. Its pH and temperature optima for 4-methyl cathecol were 5.0 and 5°C, respectively. Km of this enzyme was 4.55 mM for 4-methyl cathecol. We also found that the enzyme was activated by Fe3+, Mg2+, Zn2+, Cu2+, Ca2+, K+, but inhibited by Hg2+, Mn2+, Ni2+, Sn2+, Na+. Ba2+, Al3+ and Pb2+ metal ions both activated and inhibited the enzyme at different concentrations. Keywords: Trachystemon orientalis, Polyphenol oxidase, metal effect, enzyme kinetics

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


E. H. Alıcı, G. Arabacı

1. GİRİŞ (INTRODUCTION)

Endüstriyel gelişmenin bir sonucu olarak çevre, ağır metallerle gittikçe kirlenmektedir. Ağır metaller sular, topraklar ve tortullar için potansiyel bir tehlike teşkil etmektedir. Ağır metallerin belirli konsantrasyonlarda ekosisteme uzun süreli toksik etkisi olduğu yapılan çalışmalarla ortaya konmuştur [1, 2]. Metal iyonları sınırlı düzeylerde iken yaşam süreçleri için gereklidir. Gerekli metal iyonlarının konsantrasyonu hücre içerisinde enzimler tarafından düzenlenen bir transport mekanizmasıyla kontrol edilir. Aşırı, kullanılmayan metal iyonları hücre dışına atılır. Bununla birlikte normalde biyolojik sistemler, hücre için gerekli olmayan metal iyonları (safsızlık) için bir transport mekanizmasına sahip değildir. Bu metal iyonları biyolojik sisteme nüfuz eden, herhangi bir biyolojik rolü olmayan ve normalde biyolojik sistemde bulunmayan metal iyonlarıdır. Bu sebeple safsızlık metal iyonlarının aşırısı zehirlenme ya da hastalık etkisi yaratır. Bu metal iyonları toksik kabul edilir. Toksik metal iyonları şu şekilde sınıflandırılabilir; • Gerekli metal iyonlarının aşırısı: Enzimlerin olağan aktiviteleri için eser miktarda gerekli olan metal iyonları, aşırı miktarda bulunduğunda toksik etki yaratabilir. Magnezyum, mangan, krom, çinko, demir, bakır, kobalt ve nikel örnek verilebilir. • Gerekli olmayan metal iyonları: Bu metal iyonları organizma için gerekli değildir ve eğer vücuda alınırsa toksik etki gösterir. Bu grubun örnekleri üçüncü geçiş serisinin ağır metal iyonları ve f blok elementleridir. Bu metal iyonları biyokimyasal sistemler için gerekli değildir fakat biyokimyasal moleküllere bağlanmaya kuvvetli bir eğilimleri vardır. Bu sebeple organizmaya alındıklarında toksik etki gösterirler. Metal iyonları şu yollarla toksik etki yaratabilir; • Safsızlık metal iyonu, esansiyel metal iyonlarının bağlanma bölgesi olan, enzim proteininin koordinasyon bölgesine bağlanabilir. Ayrıca iyon kanalı, membran ya da polisakkaritlere de bağlanabilir. • Enzimin aktivite kaybı, enzimin yapısında aktivitesi için gerekli olan metal iyonunun dışarıdaki toksik metal iyonuyla yer değiştirmesinden kaynaklanabilir. • Yeni metal iyonunun biyomoleküle girişi, onun konformasyonunu ve dolayısıyla biyolojik aktivitesini değiştirir. • Metal iyonu DNA’ya bağlanabilir ve bu bağlanma baz sırasında değişmeye neden olabileceği için kusurlu protein ve enzimlerin üretilmesiyle sonuçlanabilir. • Toksik metal iyonunun DNA’ya bağlanması replikasyonunu stimüle eder. Böylece kontrolsüz hücre 400

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi

bölünmesi ve kanser oluşumuna neden olabilir [3] ayrıca bu durumun doğurganlığı azalttığı da bilinmektedir [4]. Volkanlar, erozyon, kaynak suları gibi doğal süreçlerin [5] yanında ağır metaller ekolojik çevreye madencilik, döküm, çamur ve atıksu arıtımı, pestisidlerin kullanımı, inorganik gübre ve atmosferik birikim gibi insan kaynaklı yollardan da girebilir [6,7]. İz elementlerin aşırı konsantrasyonları (Cd, Co, Cr, Hg, Mn, Ni, Pb ve Zn) toksiktir ve büyümenin engellenmesi, biyokütlede azalma ve bitkilerin ölümüne neden olur. Ağır metaller solunum, fotosentez, hücrelerin boyuna uzaması, bitkisu ilişkisi, N-metabolizması ve mineral beslenmesi gibi fizyolojik süreçleri inhibe eder [1]. Ağır metaller hayvanların bağışıklık sistemi üzerinde çeşitli etkilere sahiptir. Örneğin Cd, Hg, Pb gibi bazı ağır metallerin düşük dozları bağışıklık sistemi fonksiyonunu geliştirebilirken yüksek dozları baskılayıcıdır. Pekçok çalışma bağışıklık sisteminin düzenlenmesinin çevredeki ya da laboratuvar ortamındaki öldürücü dozun altındaki metal maruziyeti ile ilgili olduğunu göstermiştir [5,8]. Belirli bir organik kirleticinin etkileri geçicidir, mikroorganizmaların onun varlığına adapte olma ve onu parçalama yeteneğine bağlıdır. Buna karşın toksik metaller toprakta kalabilir ve topraktaki mikrobiyal topluluğa uzun süreli hasar verip çeşitli biyotik ve abiyotik süreçleri olumsuz etkileyebilir [9]. Toksik metaller toprak enzim aktivitelerini de değiştirir. Toprak enzim aktiviteleri doğal ve insan kökenli karışıklıkların hassas ve erken indikatörleri olarak kabul edilmektedir [2,6]. Toprakta uzun süre kalan, doğada dirençli olan metaller, bitki kökleri tarafından absorbe edilirler ve bitkinin yapraklarına ve yenilebilir kısımlarına taşınırlar. Bitkinin farklı kısımlarındaki metal birikimi toprakta bulunan metalin kimyasal formu, ulaşılabilirliği, bitkinin türü ve olgunluk düzeyine bağlıdır [10]. Metal ve metaloidlerin tehdidi altında bulunan canlı toplulukları içerisinde bitkiler, hareketsiz ve yerleşik varlıkları sebebiyle, değişen çevresel koşullar altında toksik metal ve metaloitlere karşı en savunmasız olan organizmalardır. Toksik metal ve metaloidlerin doğrudan ya da dolaylı olarak reaktif oksijen türlerinin aşırı oluşumuna sebebiyet vermesi bitkilerde oksidatif strese neden olur [11]. Aerobik koşullarda, ağır metaller tekli oksijen (1O2 ), süperoksit anyonu (•O2-), hidroksi (•OH), peroksi (ROO•) ve alkoksi (RO•) radikalleri gibi reaktif oksijen türlerine neden olabilir. Bitkilerde reaktif oksijen türleri hücre membranları, proteinler, DNA replikasyonu ve onarımında hasara neden olmakla birlikte kloroplast pigmentlerinin redüksiyonuna neden olabilir [7, 10,12]. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013


E. H. Alıcı, G. Arabacı

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi

Böylece fotosentetik aktivitenin azalması besin zincirindeki ilk seviye olduğu için mahsül veriminin azalmasına neden olabilir. Bitkiler iki çok etkili antioksidan savunma sistemine sahiptir; • Enzimatik yol (katalaz, peroksidaz, polifenol oksidaz, süperoksit dismutaz, glutatyon oksidaz)

karakterizasyonu çalışmalarında çokça yer verilen bir konudur. Biz de yaptığımız bu çalışmada Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisinden ekstrakte edilen Polifenol oksidaz enziminin optimum pH ve optimum sıcaklık gibi karakteristik özelliklerinin yanısıra enzimi, hem enzim aktivitesi için gerekli hem de gerekli olmayan metal iyonları ile etkileştirip meydana gelen değişimleri inceledik. 2. MATERYAL VE METOD (MATERIAL AND

• Enzimatik olmayan yol (askorbat, glutatyon, αtokoferol ve karotenoidler) Bu yolların her ikisi de reaktif oksijen türlerinin süpürülmesine izin verir ve bitki hücrelerini oksidatif hasardan korur [12,13]. Oksidatif stres durumlarında bitkilerde antioksidan savunma sistemleri aktive olduğundan antioksidan bir enzim olan Polifenol oksidaz seviyesinde artışlar gözlenmektedir [14]. Polifenol oksidazlar (PPO) bakır içeren yaygın enzimlerdir. Bu enzimler fenolik bileşikleri kinonlara oksitler ve bu reaksiyonda moleküler oksijeni kullanırlar. PPO’lar tarafından üretilen kinonlar yüksek derecede reaktiftirler ve kendileri biraraya gelip bağlanarak ve ayrıca proteinleri çapraz bağlayarak veya alkilleyerek hasar görmüş bitki dokularında ve ekstraktlarında genellikle gözlenen kahverengi pigmentlerin oluşmasına neden olurlar [15]. Trachystemon orientalis (L.) G. Don (Boraginaceae) türü 30-40 cm yükseklikte, rizomlu, çok yıllık otsu bir bitkidir. Yaprakları sert tüylü, yürek biçiminde, her mevsim yeşildir ve çiçekleri mavi renklidir. Türkiye’de Kuzey Anadolu bölgesinde, kayın ormanları altında ve Karadeniz bölgesinin değişik habitatlarında, ayrıca doğu Bulgaristan ve batı Kafkasya’da dağılım gösterir. İdrar arttırıcı, kan temizleyici, yumuşatıcı ve ateş düşürücü etkilere sahiptir. Dahilen infüzyon halinde kullanıldığı gibi ilkbaharda çiçek tomurcuklu ve yapraklı gövdeleri sebze olarak da tüketilmektedir. Ülkemizde halk arasında Kaldirik, Balıkotu, Hodan, Ispıt, Acı hodan, Doğu hodanı, Burğı, Tamara, Zılbıt adlarıyla bilinmektedir. Tanen, uçucu yağ, nitrat tuzları, müsilaj, saponin ve rezin taşımaktadır [16, 17]. Antioksidan fenolik bileşikler açısından zengin bir bitki olduğundan [18], yaptığımız çalışmada Polifenol oksidaz enzimi için kaynak bitki olarak seçilmiştir. Spesifik enzim sistemleri ile farklı ilaçlar, metal iyonları ve kimyasallar arasındaki etkileşimler son yıllarda geniş ölçüde çalışılmaktadır. Bu çalışmalar, ilaç tasarımı ve enzim mekanizmalarının aydınlatılması açısından çok önemlidir [19].

METHOD)

2.1. Kullanılan materyal (The materials used) Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi Sakarya’nın Hendek ilçesindeki köylü pazarından mart ayının sonunda taze olarak temin edilmiştir. Temininden hemen sonra bitkinin çiçek, yaprak ve tomurcuk kısımları ayrılıp gövde kısmından ayrı halde derin dondurucuya alınarak kullanılana kadar -20°C’de muhafaza edilmiştir. Kullanılan kimyasallar SigmaAldrich, Merck firmalarından temin edilmiştir. Enzim aktivite çalışmaları Shimatzu UV-2401 PC UV-VIS model UV-Vis spektrofotometre ile gerçekleştirilmiştir. 2.2. Ham enzim özütünün hazırlanması (Preparation of crude extract)

Dondurucuda depolanmış kaldirik bitkisinin çiçek, tomurcuk ve yaprak kısımlarından 10 gram alınarak ince ince doğranmıştır. % 0,5 polivinil pirolidon (PVP), % 4 triton x-100 ve 0,001 M askorbik asit içeren 30 ml 0,1 M fosfat tamponu (pH 7,0) ile hazırlanan çözelti ile blender kullanılarak 5 dakika boyunca parçalanmıştır. Elde edilen homojenat üç kat tülbentten süzülmüş ve 5.000 rpm’de 15 dk süresince santrifüjlenmiştir. Elde edilen süpernatant ham enzim ekstraktı olarak enzim karakterizasyon çalışmalarında kullanılmıştır. 2.3.

Polifenol

oksidaz

aktivite

tayini

(Activity

measurement of Polyphenol oxidase)

Polifenol oksidaz (PPO) enziminin aktivitesi pH 7,0 fosfat tamponu, 4-metil katekol substrat çözeltisi ve ham enzim ekstraktı karıştırılarak oda sıcaklığında, 420 nm’de 1dk süre ile absorbansdaki artış ölçülerek saptanmıştır. Toplam reaksiyon hacmi her ölçüm için 3 mL olarak sabit tutulmuştur. Zamana karşı absorbans değerleri grafiğe geçirilerek elde edilen grafiğin eğiminden ilk hız değerleri hesaplanmıştır. Her aktivite tayininde ölçümler 3 kez tekrarlanmıştır.

Bütün bu sebeplerden dolayı gerekli ya da toksik metal iyonlarının enzim aktivitesi üzerine etkisi, enzim SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013

401


E. H. Alıcı, G. Arabacı

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi

2.4. PPO enzimine substrat konsantrasyonunun etkisi (The effect of substrate concentration on PPO activity)

Enzimin maksimum hızının (Vmax) ve Michaelis-Menten sabitinin (Km) bulunması için gerçekleştirilen kinetik çalışmada 1,0 mM ile 10,0 mM arasında değişen 4-metil katekol substrat çözeltisi kullanılmıştır. Enzimin maksimum hızı ve Km değeri tayin edilirken spektrofotometrik olarak 420 nm’de 60 s aktivitesi izlenmiştir. Daha sonra absorbans-zaman grafiğinden ilk hızları hesaplanmıştır. Bu ilk hız değerleri MichaelisMenten ([S]’a karşı V) ve Lineweaver-Burk grafiğinde (1/[S]’ye karşı 1/V) yerine konularak Km ve Vmax değerleri bulunmuştur. 2.5. Optimum pH çalışması (Optimum pH assay) PPO enzimi aktivitesine pH etkisinin incelenmesi çalışmasında 3,0 ile 9,0 arasında değişen pH’larda hazırlanmış tampon çözeltiler kullanılmıştır. pH 3,0-6,0 aralığında 0,1 M sitrat tamponu, pH 6,0-8,0 aralığında 0,1 M fosfat tamponu ve pH 8,0-9,0 aralığında 0,1 M Tris tamponu hazırlanmıştır. Enzimin 4-metil katekol substratına karşı gösterdiği aktivite farklı pH değerlerinde ölçülmüştür. Enzim aktivite tayinleri, önceki bölümde anlatıldığı gibi, spektrofotometrik yöntemle 60 s süresince 420 nm’de absorbans artışları izlenerek gerçekleştirilmiştir. Substrat konsantrasyonu 5 mM’da sabit tutulmuştur. pH değişkenine karşı yüzde aktivite grafiği çizilmiş ve enzimin 4-metil katekol substratına karşı en yüksek aktiviteyi gösterdiği pH değeri saptanmıştır. 2.6.

Optimum

sıcaklık

çalışması

olacak şekilde ayarlanmıştır. pH 7,0 fosfat tamponu içerisinde hazırlanmış enzim çözeltileri metallerle birlikte 4°C’de 30 dakika inkübe edilmiştir. Daha sonra 4-metil katekol sabit konsantrasyonda reaksiyon ortamına eklenerek reaksiyon başlatılmıştır. Çalışmada Fe+3, Cu+2, Zn+2, Mg+2, Hg+2, Ba+2, Ca+2, Mn+2, Al+3, Pb+2, Sn+2, Na+1, K+1, Ni+2 metallerinin etkisi incelenmiştir. Sonuçlar metalsiz ortamda gerçekleştirilen kontrol reaksiyonun hızıyla mukayese edilmiştir. 3. BULGULAR (FINDINGS) Yapılan çalışma sonucunda kaldirik PPO enziminin bazı karakteristik özellikleri belirlenmiştir. Optimum pH denemesi sonuçlarına göre enzim 4-metil katekol substratı için 2 farklı pH optimumu vermektedir. Enzim en yüksek aktiviteyi pH 5,0’de göstermiştir fakat pH 7,5’da da aktivite pH 5,0’dekine çok yakındır. Enzim en yüksek aktiviteyi 5°C’de gösterdiğinden enzimin optimum sıcaklık değeri 5°C’dir. Çizilen LineweaverBurk grafiğinden enzimin 4-metil katekol substratı için Km değeri 4,55 mM, Vmax değeri ise 0,0334 EÜ/mL olarak bulunmuştur.

(Optimum

temperature assay)

PPO enziminin optimum sıcaklığını belirlemek için 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 oC’lerde enzim aktivitesine bakılmıştır. Bunu belirlemek için farklı sıcaklık değerlerinde, daha önceki gibi 60 s boyunca 420 nm’de absorbanstaki artış izlenmiştir. Yüksek sıcaklıklar için su banyosu ve düşük sıcaklıklar için ise buz banyosu kullanılmıştır. 4-metil katekol substrat konsantrasyonu 10 mM’da sabit tutulmuştur. Enzimin 4-metil katekol substratına karşı en yüksek aktiviteyi gösterdiği sıcaklık değeri saptanmıştır.

Şekil 1. 4-metil katekol substratı için PPO optimum pH grafiği optimum pH graph for 4-methylcatechol)

(The

2.7. PPO enzimine metallerin etkisi (The effect of metal ions on PPO activity)

Kaldirik PPO enzimine metal etkisinin incelenmesi amacıyla standart koşullarda aktivite ölçümü yapılmış yalnız farklı olarak ortama sabit konsantrasyonda metal çözeltilerinden eklenmiştir. Bu amaçla metallerin son konsantrasyonu 0,5 mM (bazıları için), 1 mM ve 5 mM 402

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013


E. H. Alıcı, G. Arabacı

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi

Tablo 1. Kaldirik PPO enzimi için elde edilen bazı karakteristik değerler (Some characteristic values obtained for borage PPO)

Km (mM) Vmax (EÜ/mL) Opt. pH Opt. Sıcaklık (°C)

Kaldirik PPO 4,55 0,0334 5,0 5,0

Tablo 2. Çeşitli metallerle etkileştirilen PPO enziminin % kalan aktivite değerleri (The relative remaining activity values for metalaffected PPO)

Şekil 2. 4-metil katekol substratı için PPO optimum sıcaklık grafiği (The optimum temperature graph for 4-methylcatechol)

Şekil 3. 4-metil katekol substratı için PPO Michaelis-Menten grafiği (The Michaelis-Menten graph for 4-methylcatechol)

PPO % Kalan Aktivite Metal Son Konsantrasyonu Metal (mM) 0,5 mM 1 mM 5 mM 100 100 Metalsiz 100 109,1 81,81 Ba+2 113,64 115,91 Fe+3 65 65 0 Hg+2 100 104,55 Mg+2 95,45 0 Mn+2 87,80 101,14 103,41 Pb+2 85,37 95,12 100 Sn+2 102,27 117,04 Zn+2 87,78 87,78 Ni+2 105 97,5 Al+3 112,5 107,5 K+1 100 68,75 Na+1 107,14 135,71 Cu+2 100 101,94 Ca+2 PPO enzim aktivitesine metal etkisinin incelendiği çalışmada, bazı metallerin enzim aktivitesini arttırdığı, bazı metallerin azalttığı ve bazılarının ise belli konsantrasyonlarda arttırıp belli konsantrasyonlarda azalttığı tespit edilmiştir (Tablo 2). Sonuçlara göre Fe+3, Mg+2, Zn+2, Cu+2, Ca+2, K+1 PPO aktivatörü iken, Hg+2, Mn+2, Ni+2, Sn+2 ve Na+1 PPO enziminin inhibitörüdür. Ba+2, Al+3 ve Pb+2 metalleri ise reaksiyon ortamındaki son konsantrasyonlarına göre enzim üzerinde hem aktivasyon hem inhibisyon etkisi göstermiştir. Ba+2 ve Al+3 1mM düzeyinde kullanıldığında enzimi düşük düzeyde de olsa aktive etmiş, 5 mM düzeyinde kullanıldıklarında ise inhibisyon etkisi göstermiştir. Pb+2 0,5 mM düzeyinde enzimde belirgin bir inhibisyon yaratmış, 1 ve 5 mM düzeylerinde ise enzim metalsiz aktivitesinin çok az üzerine çıkmıştır. 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION)

Şekil 4. 4-metil katekol substratı için PPO Lineweaver-Burk grafiği (The Lineweaver-Burk graph for 4-methylcatechol)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013

Kaldirik PPO enzimi 4-metil katekol substratını 4,55 mM’lık Km ve 0,0334 EÜ/mL’lik Vmax değerleriyle dönüşüme uğratmıştır (Tablo 1). Bu değerler diğer bitki kaynaklı PPO enzimleri ile benzerlik göstermektedir fakat farklandığı çalışmalar da mevcuttur. Örneğin biberiye bitkisinden izole edilen PPO enziminin 4-metil 403


E. H. Alıcı, G. Arabacı

katekol substratı için Km değeri 17 mM ve Vmax değeri 11720 EÜ/mL’dir [23]. Polifenol oksidaz enziminin meyve ve sebzelerde aktivasyon gösterdiği optimum sıcaklık aralığı 25-30°C’dir. Bitki polifenol oksidazı için pH profili çalısmalarında optimum pH aralığının ise 4,58,0 olduğu bulunmuştur [20]. Kaldirik PPO enzimi için 4-metil katekol substratıyla elde edilen optimum pH değeri olan pH 5,0 bu genellemeye uyarken optimum sıcaklık değeri genele göre daha düşük kalmaktadır (5°C). Yapılan çalışmada kaldirik PPO enziminin bazı metal iyonlarının varlığından fazlasıyla etkilendiği, bazı metal iyonlarının etkisini ise rahatlıkla tolere edebildiği görülmüştür. Enzim Sn+2 ve Pb+2 gibi toksik metal iyonlarına karşı son derece dayanıklıdır; 0,5 mM Sn+2 varlığında %15 inhibe olmuş fakat metal konsantrasyonu 1 ve 5 mM düzeyine arttırıldığında duruma adapte olarak metalsiz ortamdaki etkinliğiyle aktivite gösterebilmiştir. Pb+2 iyonu da Sn+2 ile tamamen benzer bir etki göstermiştir. Oysaki Sn+2 ve Pb+2 gibi iyonlar enzimleri şiddetle inhibe edebilmektedir. Örneğin çağla meyvesinden izole edilen PPO enziminin 10 mM Sn+2 varlığında aktivitesini tamamen kaybettiği [20], örümcek çiçeği PPO enziminin ise 5 mM Pb+2 varlığında aktivitesinin % 65’ini kaybettiği bildirilmiştir [21]. Hg+2, kaldirik PPO enzimi için kuvvetli bir inhibitördür. 0,5 mM Hg+2 konsantrasyonunda enzim aktivitesi %65’e düşerken, 5 mM Hg+2 konsantrasyonunda enzim aktivitesini tamamen kaybetmiştir. Mn+2 da 5 mM’da enzimi tamamen öldürmüştür. Muz PPO enziminin ise 10 mM Mn+2 varlığında halen aktivitesinin % 94’ünü koruduğu görülmektedir [22]. Ni+2 ve Na+1 metal iyonları da kaldirik PPO enzimi üzerinde belirgin bir inhibisyon etkisi yaratmıştır. Fe+3, Mg+2, Zn+2, Cu+2, Ca+2 ve K+1 metal iyonları enzim için aktivatör görevi görmüşlerdir. Mg+2, Zn+2, Ca+2 ve K+1 iyonları enzim aktivitesinde çok az bir değişim yaratırken 5 mM düzeyindeki Fe+3 %15,91, Cu+2 %35,71’lik bir aktivite artışı meydana getirmiştir. Biberiye bitkisinden izole edilen PPO enziminin metallerle etkileştirildiğinde kaldirik PPO ile benzer özellikler sergilediği görülmüştür [23]. Kırmızı pazı yaprağı PPO enzimi ile bir karşılaştırma yaptığımızda ise K+1 iyonunun benzer şekilde enzimi aktive ettiği, Cu+2 ve Ca+2 iyonlarının farklı olarak enzimi inhibe ettiği görülmektedir [24]. Sn+2 ve Pb+2 metal etkilerinin şaşırtıcı sonuçları eşliğinde, sonuçlar genel olarak incelendiğinde pek çok ağır metalin PPO enzim aktivitesi üzerinde önemli bir değişim yaratmadığı hatta enzim aktivitesini arttırdığı 404

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi

gözlenmiştir. PPO enziminin antioksidan savunma enzimlerinden biri olduğu düşünüldüğünde bu durum beklenen bir sonuçtur. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

Michalak A., Phenolic Compounds and Their Antioxidant Activity in Plants Growing under Heavy Metal Stress, Polish J. of Environ. Stud., 15 (4), 523-530, 2006. [2] Pe´rez-de-Moraa A., Burgosa P., Madejo´na E., Cabreraa F., Jaeckelb P., Schloterb M., Microbial Community Structure and Function in a Soil Contaminated by Heavy Metals: Effects of Plant Growth and Different Amendments, Soil Biology & Biochemistry, 38, 327-341, 2006. [3] Bhattacharya P. K., Metal Ions in Biochemistry, Alpha Science, London, 190-194, 2005. [4] Majer B. J., Tscherko D., Paschke A., Wennrich R., Kundi M., Kandeler E., Knasmüller S., Effects of Heavy Metal Contamination of Soils on Micronucleus Induction in Tradescantia and on Microbial Enzyme activities: a Comparative Investigation, Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis, 515, 111–124, 2002. [5] Dubovskiy I.M., Grizanova E.V., Ershova N.S., Rantala M.J., Glupov V.V., The Effects of Dietary Nickel on The Detoxification Enzymes, Innate Immunity and Resistance to The Fungus Beauveria bassiana in The Larvae of The Greater Wax Moth Galleria mellonella, Chemosphere, 85, 92-96, 2011. [6] Shen G., Lu Y., Zhou Q., Hong J., Interaction of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons and Heavy Metals on Soil Enzyme, Chemosphere, 61, 1175–1182, 2005. [7] Xu H., Song P., Gu W., Yang Z., Effects of Heavy Metals on Production of Thiol Compounds and Antioxidant Enzymes in Agaricus bisporus, Ecotoxicology and Environmental Safety, 74, 1685-1692, 2011. [8] Kazımírova M., Slovák M., Effects of Heavy Metals and Fluorine on Phagocytosis and Phenoloxidase Activity in Mamestra brassicae, Eur. J. Entomol., 93, 467-473, 1996. [9] Gianfreda L., Ruggiero P., Soil Biology, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 257-311, 2006. [10] Nayeka S., Guptaa S., Sahab R.N., Metal Accumulation and Its Effects in Relation to Biochemical Response of Vegetables Irrigated with Metal Contaminated Water and Wastewater, Journal of Hazardous Materials, 178, 588–595, 2010.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013


E. H. Alıcı, G. Arabacı

Kaldirik (Trachystemon orientalis) bitkisi polifenol oksidaz enzimi üzerine metallerin etkisi

[11]

Anjum N.A., Ahmad I., Mohmood I., Pacheco M., Duarte A.C., Pereira E., Umar S., Ahmad A., Khan N.A., Iqbal M., Prasad M.N.V., Modulation of Glutathione and Its Related Enzymes in Plants’ Responses to Toxic Metals and Metalloids, Environmental and Experimental Botany, 75, 307–324, 2012. [12] Saffar A., Najjar M.B.B., Mianabadi M., Activity of Antioxidant Enzymes in Response to Cadmium in Arabidopsis thaliana, Journal of Biological Sciences, 9 (1), 44-50, 2009. [13] Israr M., Jewella A., Kumarb D., Sahia S.V., Interactive Effects of Lead, Copper, Nickel and Zinc on Growth, Metal Uptake and Antioxidative Metabolism of Sesbania drummondii, Journal of Hazardous Materials, 186, 1520–1526, 2011. [14] Jaleel C.A., Jayakumar K., Chang-Xing Z., Azooz M.M., Effect of Soil Applied Cobalt on Activities of Antioxidant Enzymes in Arachis hypogaea, Global Journal of Molecular Sciences, 3 (2), 42-45, 2008. [15] Constabel C.P., Barbehenn R., Induced Plant Resistance to Herbivory, Springer, Dordrecht , 253-269, 2008. [16] Karagöz A., Cevahir G., Özcan T., Sadıkoğlu N., Yentür S., Kuru A., Bazı Yüksek Bitkilerden Hazırlanan Sulu Ekstrelerin Antiviral Aktivite Potansiyellerinin Değerlendirilmesi, Bitkisel İlaç Hammaddeleri Toplantısı-Bildiriler, Eskişehir, 318-321, 2002. [17] Akçin Ö.E., Kandemir N., Akçin Y., A Morphological and Anatomical Study on a Medicinal and Edible Plant Trachystemon orientalis (L.) G.Don (Boraginaceae) in the Black Sea Region, Turk J Bot, 28, 435-442, 2004. [18] Özen T., Antioxidant Activity of Wild Edible Plants in The Black Sea Region of Turkey, Grasas y Aceıtes, 61 (1), 86-94, 2010. [19] Ceyhun A.B., Şentürk M., Yerlikaya E., Erdoğan O., Küfrevioğlu Ö.İ., Ekinci D., Purification and Characterization of Carbonic Anhydrase from The Teleost Fish Dicentrarchus labrax (European seabass) Liver and Toxicological Effects of Metals on Enzyme Activity, Environmental Toxicology and Pharmacology, 32, 69-74, 2011. [20] Güngör K., Çağla Badem (Prunus dulcis) Bitkisinden Polifenol Oksidaz Enziminin Saflaştırılması ve Karakterizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2008. [21] Gao Z.J., Liu J.B., Xiao X.G., Purification and Characterisation of Polyphenol Oxidase from

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 399-405, 2013

[22]

[23]

[24]

Leaves of Cleome gynandra L., Food Chemistry, 129, 1012-1018, 2011. Yang C.P., Fujita S., Ashrafuzzaman M.D., Nakamura N., Hayashi N., Purification and Characterization of Polyphenol Oxidase from Banana (Musa sapientum L.) Pulp, J. Agric. Food Chem., 48, 2732-2735, 2000. Aydemir T., Selected Kinetic Properties of Polyphenol Oxidase Extracted from Rosmarinus Officinalis L., International Journal of Food Properties, 13 (3), 475-485, 2010. Gao Z.J., Han X.H., Xiao X.G., Purification and Characterisation of Polyphenol Oxidase from Red Swiss Chard (Beta vulgaris subspecies cicla) Leaves, Food Chemistry, 117, 342-348, 2009.

405


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 407-425, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası Meryem Sümeyye Yılancı1* Mehmet Sağıroğlu1 1

Sakarya Üniversitesi, Fen- Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, 54187, Serdivan, Sakarya msyilanci@hotmail.com 15.05.2012 Geliş/Received, 13.12.2012 Kabul/Accepted

ÖZET Bu çalışmada Yalakdere (Karamürsel\Kocaeli) ve çevresinin damarlı bitkiler çeşitliği araştırılmıştır. Bölgede yapılan arazi çalışması sonucunda 712 bitki örneği toplanmıştır. Bu örneklerin değerlendirilmesi sonucunda; araştırma alanında 79 familyaya ait 258 cins, 409 tür ve türaltı seviyede takson belirlenmiştir. Florayı oluşturan 409 taksondan 87 takson Avrupa-Sibirya, 64 takson Akdeniz, 7 takson İran -Turan fitocoğrafik bölgesine aittir, 79 takson çok bölgelidir ve 144 taksonun fitocoğrafik bölgesi bilinmemektedir. Araştırma alanında belirlenen taksonlardan 17’si kültür, 3’ü kozmopolit ve 7’si endemik olup bölgedeki endemizm oranı % 1,71’dir. Rhaponticoides pythiae (Azn. & Bornm. ) M.V.Agab. & Greuter gibi uzun süredir toplanamayan endemik takson toplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Flora, Karamürsel, Yalakdere, Kocaeli, Türkiye

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere town and surrounding flora ABSTRACT In this study, Yalakdere (Karamürsel\Kocaeli) and the surrounding diversity of vascular plants were investigated. At the end of the field study which were conducted in the region, 712 plant specimens were collected. As a result of the diagnosis of these samples; 409 taxa included in 258 genera and 79 families were identified in research area. According to the taxa phytogeographic region distributions are as follows; 87 taxa the Euro- Siberian; 64 taxa Mediterranean; 7 taxa Iran –Turanian, 79 taxa of the multi phytogeographical region and 144 taxa unknown region.17 cultivated, 3 cosmopolitan, 7 endemic taxa were identified in the study area also the rate of endemism was 1,71 % in the region. Rhaponticoides pythiae ( Azn. & Bornm. ) M.V.Agab. & Greuter was collected which haven’t been collected for a long time. Keywords: Flora, Karamürsel, Yalakdere, Kocaeli, Turkey

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Çalışma alanı olan Yalakdere, Karamürsel ilçe merkezine 17 km, Kocaeli il merkezine 54 km uzaklıkta olup Karamürsel-İznik karayolu üzerindedir. Araştırma sahası Avrupa-Sibirya fitocoğrafik bölgesinde ve Davis’in Türkiye florası için kullandığı A2 karesinde bulunmaktadır. Beldede, işlenen 1.780 hektar tarım arazisi mevcuttur. Ormanlık alanı ise 124,2 hektardır [1]. Yalakdere beldesi güneyinde Kızderbent beldesi, doğusunda Akçat beldesi, batısında Semetler köyü ve kuzeyinde Karamürsel ilçesi sınırları arasında kalmaktadır. Çalışma alanının çevresinde Avcıköy (Merdigöz), Çamdibi, Fulacık, Hayriye, İhsaniye, İnebeyli, Kadriye, Karaahmetli, Karapınar, Nusretiye, Oluklu, Osmaniye, Safiye, Semetler, Senaiye, Suludere, Tahtalı köyleri bulunmaktadır [1]. Çalışma alanında yarı-nemli Marmara iklimi hakim olup, bu iklim tipi Karadeniz sahil kesimi hariç bütün Marmara Bölgesini etkiler. Yaz sıcakları Akdeniz Bölgesindeki kadar yüksek değildir. En sıcak ay olan Temmuz ayı ortalama sıcaklığı yaklaşık 23-24°C dir. Sıcaklığın bu seviyelerde olması alanda bazı bitkilerin normal yetişme zamanı dışında çicek açmalarına neden olmaktadır. En soğuk ay olan Ocak ayı ortalaması ise 35°C civarındadır. En fazla yağış Kasım, Aralık, Ocak ve Şubat aylarındadır. Yaz yağışlarının yıllık toplama oranı %10-15 arasındadır. Ortalama yıllık yağış miktarı 500 - 700 mm arasında değişir. Don olayı Akdeniz Bölgesine göre daha sık görülür [2]. Karamürsel ve çalışma alanındaki toprak tipleri; alüvyal topraklar, kovülyal topraklar, kahverengi orman toprakları, kireçsiz kahverengi orman toprakları ve rendzina topraklardır [3]. Çalışma alanının uydudan çekilmiş fotoğrafı Şekil 1.’de görülmektedir.

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

(Forsk.) Woynar., Carex pendula Huds., Euphorbia macroclada Boiss., Euphorbia amygdaloides L. var. amygdaloides, Cornus mas L., Arbutus unedo L., Sambucus ebulus L., Anthemis cotula L., Ranunculus neapolitanus Ten., Ranunculus repens L., vb. türler yer almaktadır. Yörenin yüksek rakımlarında (900-1000 m) bir Karadeniz elemanı olan Fagus orientalis Lipsky, yörenin asli ağaç türlerinden biridir [4]. 2. MATERYAL METOT (METERIAL AND METHOD)

Araştırma alanına 2010 yılı Mayıs - Kasım ayları ve 2011 yılı Haziran - Temmuz ayları arasında belirli periyotlarda on iki kez gidilmiştir. Bu zaman içerisinde 712 bitki örneği toplanmıştır. Toplanan örnekler bitki presleme tekniklerine uygun olarak kurutulup herbaryum materyali haline getirilmiştir [5]. Bu örnekler Sakarya Üniversitesi herbaryumunda saklanmaktadır. Bu örneklerin teşhisi sonucunda tür ve türaltı seviyede 409 takson tespit edilmiştir. Teşhisler sırasında Flora of Turkey and East Aegean Islands Vol. 1-9 [6], Flora of Turkey and East Aegean Islands (suppl. 1) Vol. 10 [7], Flora of Turkey and East Aegean Islands (suppl. 2) Vol. 11 [8] kaynaklarından yararlanılmıştır. Ayrıca kültür bitkilerinin teşhisinde Türkiye’ nin Ağaçları ve Çalıları [9], Süs Bitkileri ve Yer Örtücüleri [10], Kültürpark’ın (İzmir) Ağaç ve Çalı Türleri [11], Ankara'nın Egzotik Ağaç ve Çalıları [12] adlı kitaplardan ve bitki adları otörlerinin kontrolü için Authors of Plant Names [13]’ den yararlanılmıştır. Makalede bitki toplanan istasyonlar bir liste halinde verilmiştir. Floristik listede kullanılan tür ve tür altı taksonlardan sonra, sırası ile istasyon numarası, tarih, toplayıcı ve örnek numarası, hayat formları [14], endemizm durumu, fitocoğrafik bölgesi bilinenlerden ait oldukları fitocoğrafik bölgeler, varsa tehlike kategorileri (Tablo 1) [15] belirlenmiştir. Listedeki bitkilerden yetiştirme (kültür formu) olanlar (*) ile işaretlenmiştir.

Şekil 1.Çalışma alanın uydu fotoğrafı (Picture of working area)

İnceleme alanı bitki florası yönünden bir homojenlik göstermez. Karadeniz florası yanında, Akdeniz florası elemanlarını da içermektedir. Dere vadilerinde dominant tür olan, Carpinus betulus L.’un yanı sıra, Alnus glutinosa (L.) Gaertner subsp. glutinosa, Platanus orientalis L., Acer campestre L. subsp. campestre, Corylus avellana L. var. avellana, Populus nigra L. subsp. nigra, açık alanlarda; Polystichum setiferum 408

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Tablo 1. IUCN Red Data Book Kategorileri [15] (Categories of IUCN Red Data Books)

Kategori Sembolü EX EW

7. 8.

Türkçe Adı

Tehlike Kategorisi

Tükenmiş Doğada Tükenmiş

Extinct Extinct in the wild Critically endangered Endangered

CR EN

Vulnerable

VU

Near threatened

NT

13.

Least concern Not evalueted Data deficient

LC DD NE

14.

Çok Tehlikede Tehlikede Zarar Görebilir Tehlike altına girebilir En az endişe verici Veri Yetersiz Değerlendirilemeyen

3. KULLANILAN KISALTMALAR (ABBREVIATIONS) Akd. : Akdeniz elementi Avr.-Sib. : Avrupa-Sibirya elementi CR : p.Çok tehlikede End. : Endemik Fa. : Fanerofit Hkrp. : .Hemikriptofit İr.-Tur. : İran-Turan elementi Kam. : Kamerofit Krp. : Kriptofit LC : En az endişe verici NT : Tehdit altına girebilir Ök. : Öksin Te. : Terofit Vp. : Vasküler parazit VU : Zarar görebilir

9. 10. 11. 12.

15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.

4. BULGULAR (FINDINGS)

25.

4.1. Bitki Toplanan İstasyonlar (Collected plants stations)

26.

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Karamürsel, Senaiye köy yolu, 3km. yol kenarı 50 m. Karamürsel, Senaiye köy yolu, Yeni mah, yol kenarı, taşlık alan, 350 -400 m. Karamürsel, Senaiye - Sofular, köy yolu 1. km güney yamaç, meşe ormanlığı 100 m. Karamürsel, Senaiye köy yolu 400 m., yol kenarı, taşlık alanlar 200 300m. Karamürsel, Senaiye- Tahtalı köy yolu 400m., meşelik orman 200 m. Karamürsel, Senaiye köy girişi, ormanlık alan, 400500 m.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

27. 28. 29. 30. 31. 32. 33.

Karamürsel, Senaiye köyü 2 km. sonraki viraj, dağlık alan 300-400 m. Karamürsel, Senaiye köyü yol kenarı, taşlık ve açık alanlar 200-300m. Karamürsel, Ereğli beldesi, dağ yolu 5 km. kuzeyi, deniz yamacı 400-500 m. Karamürsel, Ereğli beldesi, 400 m. kuzeyi, yol kenarı, taşlık alan 200 -300 m. Karamürsel, Ereğli beldesi, 3 km kuzeyi, taşlık alan, yol kenarı 200 m. Karamürsel, Ereğli beldesi, 1,5 km kuzeyi, taşlık alan, yol kenarları 300 - 400 m. Karamürsel, Tepeköy mah., kestane ormanlık alanı (piknik ve mesire yeri) 300-400m. Karamürsel, Tepeköy mah., Suludere köy yolu, 300 m., yol kenarı, meşe ormanlığı 200-300 m. Karamürsel, Tepeköy mah., 4 km.doğusu, meşe açıklıkları 300 m. Karamürsel, Tepeköy mah., Sunni baba türbesinden (piknik ve mesire yeri) 1 km. sonra ormanlık yamaç, taşlık alan 300-400 m. Karamürsel, Tepeköy mah., Suludere köyü arası, yol kenarı 200-300m. Karamürsel, Tepeköy mah., 2 km. kuzeyi, ormanlık alan 250 m. Karamürsel, Tepeköy mah., Sunni baba türbesinden (piknik ve mesire yeri) varmadan kestane ormanlık alanı 300-400 m. Karamürsel, İnebeyli köyü - Karaahmetli köy yolu, 2km., meşe ormanlığı 300 m. Karamürsel, İnebeyli köyü, köy merkezi, yol kenarı, 320m. Karamürsel, İnebeyli köyü - Karaahmetliköy yolu 3. km, yol kenarı, taşlık alan, 200 m. Karamürsel, İnebeyli köyü, Taşağıl mahallesi, meşelik ormanlığı 600 m. Karamürsel, Tahtalı köyü - Çamdibi köy yolu arası, Fulacık köyü, orman içi, 200 m. Karamürsel, Tahtalı köyü - Avcılar (Merdigöz) köy yolu arası,tarla kenarı 100 m. Karamürsel, Tahtalı köyü, Hürriyet mahallesi arası 3 km., Avcılar köyü, orman içi, 400 m. Karamürsel, Karapınar köy yolu, 3 km., yol kenarı, taşlık alan 200 -300 m. İznik - Karamürsel - Orhangazi yolu, Karaahmetli köy mezarlığı 320 m. İznik- Karamürsel - Orhangazi yolu, Semetler köyü, Gaziosmanpaşa mah., yol kenarı 150- 200 m. Karamürsel, İznik yolu caddesi, 5km., 100 m. Karamürsel, Yalakdere beldesi, Valide köprü mah., Bağdat yolu 1 km. 50-100 m. Karamürsel, Fulacık- Çamdibi köy yolu, gölet kuzeyi 50 m. Karamürsel, Fulacık köy girişi, yol kenarı, 100 200 m.

409


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

34. Karamürsel, Fulacık köy girişi, ormanlık alan 300 m. 35. Karamürsel, Osmaniye - Mecidiye köy yolu1 km., kestane ormanlığı 250 m. 36. Karamürsel, Suludere- Safiye köy yolu arası 3 km., ormanlık alan, 250-300m. 37. Karamürsel, Safiye - Suludere köy yolu 2 km., taşlık alan 320 m. 38. Karamürsel, Safiye - Suludere köy yol kenarı, meşelik orman, 200 m. 39. Karamürsel, Oluklu köyü 4.km, güney yamacı 200300 m. 40. Karamürsel, Oluklu köyü, oluklu tepesi, deniz yamacı, 200-300 m. 41. İzmit- Yalova yolu üzeri, Kaytazdere beldesi, kestane ormanlığı, deniz yamacı, 30- 50 m. 42. Karamürsel, Hayriye köyü, Hayriye köyü camisinin kuzeydoğusu, tarla kenarı, 150 m. 43. Karamürsel, Kadriye- Tahtalı köyü arası, 150 m., köy girişi, 200 m. 44. Karamürsel, Avcılar (Merdigöz) köy içi, yol kenarı ve taşlık alan 200-300 m. 45. Karamürsel, Avcılar (Merdigöz)- Akçat köyü arası, taşlık alan, yol kenarları 150 m. 46. Karamürsel, Lütfiye - Senaiye köy yolu arası 3 km., Sofular köyü, ormanlık ve taşlık alan 200- 300 m. 47. Karamürsel, İhsaniye - Semetler köy yolu arası 5 km., yol kenarı, 100 m. 48. Karamürsel, Tokmak - Oluklu köy yolu güneyi, Karamürsel Anadolu Lisesi çevresi 150 m. 49. Karamürsel, Nusretiye - Suludere köy yolu arası, Safiye köyü 2.km, ormanlık alan, 100 m. 50. Gölcük ilçesi, Gözlementepe mesire alanı, su deposu 50 m. güneyi 100 m. 4.2. Bitki Listesi (List of plants) PTERIDOPHYTA EQUISETACEAE Equisetum telmateia Ehrh., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1096; 27, 19.05.2010, MS. YILANCI 1223. Krp. CRYPTOGRAMMACEAE Cryptogramma crispa (L.) R.Br. ex.Hook., 01.07.2010, MS. YILANCI 1648. Krp. Avr -Sib.

1,

HYPOLEPIDACEAE Pteridium aquilinium (L.) Kuhn,13, 07.05.2010, MS. YILANCI 1135;28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1205; 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1230; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1726. Krp, Geniş yayılışlı. ASPIDIACEAE Polystichum setiferum (Forsk.) Woynar., 20.09.2010, MS. YILANCI 1722;1723. Krp. 410

2,

SPERMATOPHYTA GYMNOSPERMAE PINACEAE Pinus sylvestris L. var. hamata Steven, 3, 100 m. 01.07.2010, MS. YILANCI 1618. Fa. Avr. – Sib. P. pinea L., 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1597. Fa. CUPRESSACEAE Cupressus sempervirens L.,10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1462. Fa. *C. arizonica Greene, 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1603. Fa. Akd. EPHEDRACEAE Ephedra campylopoda C.A.Meyer, 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1215. Fa. ANGIOSPERMAE DICOTYLEDONES RANUNCULACEAE Helleborus orientalis Lam., 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1745. Krp. Ök. Nigella arvensis L. var. glauca Boiss., 31, 01.07.2010 MS. YILANCI 1614. Hkrp. Geniş yayılışlı. N. sativa L., 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1553; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1240. Hkrp. Delphinium peregrinum L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1248. Hkrp. Consolida regalis S.F.Gray. subsp. paniculata (Host) Soo var. paniculata,31, 01.07.2010 MS. YILANCI 1588. Te. Geniş yayılışlı. Clematis vitalba L., 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1749. Kam. C. viticella L., 21, 19.05.2010, MS. YILANCI 1196; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1581. Kam. C. cirrhosa L., 14, 13.06.2010 MS. YILANCI 1507; 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1461. Kam. Akd. Adonis flammea Jacq., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1120. Te. Geniş yayılışlı. Ranunculus neapolitanus Ten., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1324. Krp. R. repens L., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1276. Hkrp. Geniş yayılışlı. Thalictrum flavum L., 31, 01.07.2010 MS. YILANCI 1590. Krp. PAPAVERACEAE Papaver hybridum L.,15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1119; 27,19.05.2010. MS. YILANCI 1228; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1258. Te. Fumaria parviflora Lam., 4, 26.05.2010, MS. YILANCI 1379. Te. *Brassica oleracea L., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1769. Hkrp. B. nigra (L.) Koch., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1141. Hkrp. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Eruca sativa Mill., 37, 13.06.2010. MS. YILANCI 1514. Te. Geniş yayılışlı. Raphanus raphanistrum L., 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1213. Te. Rapistrum rugosum (L.) All., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1237. Te. Conringia orientalis (L.) Andrz., 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1482. Te. Neslia apiculata Fisch., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1311. Te. Geniş yayılışlı. Alyssum umbellatum Desv., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1177. Te. Akd. Erysinum repandum L., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1322. Hkrp. Geniş yayılışlı. Sisymbrium irio L., 30, 19.05.2010, MS. YILANCI 1182. Te. RESEDACEAE Reseda lutea L. var. lutea, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1292,1308, 1331. Hkrp. Geniş yayılışlı. CISTACEAE Cistus salviifolius L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1102; 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1156; 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1193; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1300; 38, 21.11.2010, MS. YILANCI 1737. Kam. Helianthemum nummularium (L.) Mill. subsp. nummularium, 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1454. Hkrp. VIOLACEAE Viola alba Besser, subsp. dehnhardtii (Ten.) Becker, 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1729. Hkrp. Geniş yayılışlı. POLYGALACEAE Polygala comosa Schkuhr, 36, 13.06.2010, MS. YILANCI 1539. Hkrp. P. vulgaris L., 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1455. Hkrp., Avr. – Sib. CARYOPHYLLACEAE Arenaria leptoclados (Reichb). Guss., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1357; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1708. Te. Minuartia hamata (Hausskn). Mattf, 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1349. Kam. Cerastium glomeratum Thuill., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1098. Te., Kozmopolit. Moenchia mantica (L.) Bartl. subsp. mantica, 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1173; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1580. Te. Dianthus artwinensis Schischk., 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1575; 33, 01.07.2010, MS. YILANCI 1591. Hkrp., End., LC

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

D. giganteus d’Urv., 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1467. Hkrp., Avr. - Sib. Petrorhagia prolifera (L.) Ball & Heywood, 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1428; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1358. Te. Silene italica (L.) Pers., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1366; 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1390. Hkrp. S. vulgaris (Moench) Garcke var. vulgaris, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1316; 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1404. Hkrp. S. vulgaris (Moench) Garcke var. macrocarpa (Turril) Coode&Cullen, 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1344. Hkrp. S. compacta Fischer, 31, 01.07.2010 MS. YILANCI 1589; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1638; 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1475. Te. S. alba (Miller) Krause subsp. eriocalycina (Boiss.) Walters, 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1214; 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1224; 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1464. Hkrp. S. dichotoma Ehrh. subsp. dichotoma ,7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1424. Hkrp. S. dichotoma Ehrh. subsp. sibthorpiana (Reichb.) Rech., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1261. Hkrp. S. macrodonta Boiss., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1429. Te. S. bellidifolia Jacq., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1118. Hkrp., Akd. Lychnis caronaria (L.) Desr., 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1604. Te. Avr. - Sib. Agrostemma githago L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1250; 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1434. Te. ILLECEBRACEAE Scleranthus annus L.subsp. verticilliatus (Tausch) Arc., 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1626; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1425. Te. POLYGONACEAE Rumex acetosella L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1348; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1427. Hkrp. Kozmopolit. R. cristatus DC., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1243. Hkrp. R. pulcher L., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1172. Hkrp. CHENOPODIACEAE Chenopodium murale L., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1714. Te. C. album L. subsp. album var. album, 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1372. Te. TAMARIACACEAE Tamarix tetrandra Pallas ex. Bieb., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1299,1304. Kam.

411


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

GUTTIFERAE HYPERICUM L. Hypericum calycinum L., 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1189. Hkrp.,Ök. H. hirsutum L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1105. Hkrp., Avr. - Sib. H. montanum L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1364. Hkrp. Avr. – Sib. H. perforatum L., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1327; 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1503; 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1599. Hkrp. H. elegans L., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1411. Hkrp. Avr. – Sib. MALVACEAE Malva sylvestris L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1241,1264; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1318. Hkrp. M. parviflora L., 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1569. Hkrp. Alcea biennis Winterl, 18, 13.06.2010, MS. YILANCI 1534. Hkrp. TILIACEAE Tilia argentea Desf. ex. DC., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1770. Fa. Avr. – Sib. LINACEAE Linum nodiflorum L., 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1551. Te., Akd. L. corymbulosum Reichb., 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1477. Te., Akd. L. trigynum L., 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1634. Te. Akd. L. bienne Miller, 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1202. Kam., Akd. GERANIACEAE Geranium purpureum Vill., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1281. Te. G. rotundifolium L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1354. Te. G. dissectum L., 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1209. Te. G. tuberosum L. subsp. tuberosum, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1323. Krp. G. asphodeloides Burm. Fil. subsp. asphodeloides, 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1128. Krp., Avr. – Sib. G. pyrenaicum Burm., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1084; 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1109. Krp. OXALIDACEAE Oxalis corniculata L., 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1699. Te. Kozmopolit. O. articulata Savigny in Lam., 12, 13.06.2010, MS. YILANCI 1528. Te.

412

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

ACERACEAE Acer campestre L. subsp. campestre, 36, 13.06.2010, MS. YILANCI 1541. Fa. VITACEAE-(AMPELIDACEAE) Vitis sylvestris Gmelin, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1328. Fa. RHAMNACEAE Paliurus spina-christi Miller, 47, 13.06.2010, MS. YILANCI 1567. Fa. ANACARDIACEAE Pistacia terebinthus L. subsp. palaestina (Boiss.) Engler, 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1471. Fa. Akd. FABACEAE (LEGUMINOSAE) Chamaecytisus austriacus (L.) Link, 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1124. Kam. Avr. – Sib. Teline monspessulana (L.) C. Koch, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1557. Fa., Akd. Genista tinctoria L., 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1502. Fa., Avr. – Sib. G. lydia Boiss var. lydia., 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1619. Kam. Spartium junceum L., 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1221.; 24, 26.05.2010, MS. YILANCI 1457. Kam., Akd. Argyrolobium biebersteinnii Ball., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1284. Kam. Colutea cilicia Boiss.& Bal., 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1679. 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1226. Fa., Geniş yayılışlı. Astragalus hamosus L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1365. Te. Psoralea bituminosa L., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1297,1325; 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1479. Hkrp., Akd. Vicia cracca L. subsp. stenophylla Vel., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1101. Hkrp. Geniş yayılışlı. V. villosa Roth subsp. eriocarpa ( Hausskn.) P.W. Ball, 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1252A. Te. V. ervilia (L.) Willd., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1291. Te., Geniş yayılışlı. V. pannonica Crantz, var. purpurascens (D C.) Ser., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1112. Te. V. hybrida L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1254. Hkrp. Geniş yayılışlı. V. sativa L. subsp. nigra (L.) Ehrh. var. nigra, 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1252B. Te. V. sativa L. subsp. nigra (L.) Ehrh. var. segetalis (Thuill.) Ser. ex D C., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1252C. Te. Lathyrus laxiflorus (Desf.) O.Kuntze subsp. laxiflorus, 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1190, 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1204. Hkrip. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

L. undulatus Boiss., 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1195. Hkrp. Ök. End.,VU. L. cicera L., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1410. Te. L. hirsutus L., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1280. Te. L. nissollia L., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1170; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1266;1269; 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1392; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1406. Te. Geniş yayılışlı. Ononis viscosa L. subsp. breviflora (D C.) Nyman., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1242. Kam. O. spinosa L. subsp. leiosperma (Boiss.) Širj., 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1596. Hkrp., Geniş yayılışlı. Trifolium speciosum Willd., 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1191; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1576. Te. T. boissieri Guss. ex. Boiss., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1169; 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1598. Te. Akd. T. stellatum L. var. stellatum.,15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1113; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1263; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1418. Te. T. affine C. Presl, 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1417. Te. T. purpureum Lois. var. purpureum, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1145; 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1212; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1415; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1572; 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1600. Te. Geniş yayılışlı. T. pauciflorum d‘Urv., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1160. Te., Akd. Melilotus alba Desr., 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1677; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1754. Te. Geniş yayılışlı. Medicago falcata L., 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1474,1478. Hkrp. M. minima (L.)Bart. var. minima, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1137. Te. Geniş yayılışlı. M. granadensis Willd., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1162. Te., Akd. Dorycnium graecum (L.) Ser., 30, 19.05.2010, MS. YILANCI 1183; 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1194; 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1225; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1345. Hkrp. Ök. Anthyllis hermanniae L., 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1389. Fa., Akd. A. vulneraria L. subsp. pulchella (Vis.) Bornm., 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1447; 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1543. Hkrp. A. vulneraria L. subsp. praepropera (Kerner) Bornm., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1150; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1294. Hkrp., Akd. Securigera securidaca (L.) Degen & Dörf., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1262. Te.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Coronilla scorpioides (L.) Koch, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1159. Te. C. cretica L., 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1229. Te., Akd. C. varia L. subsp. varia., 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1646. Kam. Geniş yayılışlı. Scorpiurus muricatus L. var. subvillosus (L.) Fiori , 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1302, 1306. Kam., Akd. Onobrychis oxyodonta Boiss., 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1450. Hkrp. Geniş yayılışlı. ROSACEAE Prunus spinosa L. subsp. dasyphylla (Schur) Domin, 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1728. Fa., Avr. – Sib. P. divaricata Lebed. subsp. divaricata, 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1609. Fa., Geniş yayılışlı. Cerasus avium (L.) Moench, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1771. Fa. *C. vulgaris Miller, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1773. Fa. *Persica vulgaris Miller, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1772. Fa. Filipendula vulgaris Moench, 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1445. Hkrp., Avr. – Sib. Rubus caesius L., 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1573. Fa., Geniş yayılışlı. R. discolor Weihe & Nees, 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1484; 25, 01.07.2010, MS. YILANCI 1617. Fa. R. canescens DC. var. canescens, 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1383; 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1678. Fa., Geniş yayılışlı. R. hirtus Waldst & Kit., 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1486. Fa., Avr. – Sib. Potentilla anserina L. subsp. anserina,.41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1275. Hkrp. P. recta L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1371. Hkrp. P. aurea L. subsp. chrysocraspeda (Lehm.) Nyman, 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1489. Hkrp. P. reptans L., 50, 05.05.2010, MS. YILANCI 1079; 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1176; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1637. Hkrp., Geniş yayılışlı. Fragaria vesca L., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1431. Hkrp. Agrimonia eupatoria L., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1516. Krp., Geniş yayılışlı. A. repens L., 47, 13.06.2010, MS. YILANCI. Krp. Sanguisorba minor Scop. subsp. minor, 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1114; 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1151; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1256; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1277. Hkrp. Rosa gallica L., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1314; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1340. Fa. R. canina L., 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1669. Fa. Mespilus germanica L., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1730; 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1743. Fa. Ök. 413


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Crataegus monogyna Jacq. subsp. monogyna, 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1719. Fa. C. monogyna Jacq. subsp. azarella (Gris.) Franco, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1139. Fa. *Cydonia oblonga Miller, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1774. Fa. Malus sylvestris Miller, subsp. orientalis (A.Uglitzkich) Browicz, comb.et stat. nov.var. orientalis, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1775. Fa. Pyrus communis L. subsp. communis, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1771. Fanerofit. P. elaeanifolia Pallas subsp. elaeanifolia, 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1610. Fa. PUNICACEAE Punica granatum L., 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1504. Fa. ONAGRACEAE Epilobium angustifolium L., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1515; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1705,1706. Krp., Geniş yayılışlı. E. parviflorum Schreber, 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1337. Krp. CUCURBITACEAE Ecballium elaterium (L.) A.Rich., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1776. Te. Akd. *Cucurbita pepo L., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1777. Te. CRASSULACEAE Sedum sediforme (Jacq.) Pau, 8, 26.05.2010 MS. YILANCI 1377. Kam.,Akd. S. tenellum Bieb., 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1623; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1642. Kam. S. pallidum Bieb. var. pallidum,17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1498. Kam. GROSSULARIACEAE *Ribes rubrum L., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1778. Fa. APIACEAE (UMBELLIFERAE) Eryngium creticum Lam., 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1664. Hkrp. Akd. Chaerophyllum byzantium Boiss., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1526. Hkrp. Ök. Anthriscus nemorosa (Bieb.) Sprengel, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1301. Kam., Geniş yayılışlı. Scandix pecten-veneris L., 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1396. Te., Geniş yayılışlı. Oenanthe silaifolia Bieb., 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1574. Kam., Geniş yayılışlı. Ferulago galbanifera (Miller) W.Koch., 14, 13.06.2010 MS. YILANCI 1512. Hkrp. Avr. – Sib. 414

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

F. sylvatica (Besser) Reichb., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1414. Hkrp. Avr. – Sib. F. confusa Velen., 8, 26.05.2010 MS. YILANCI 1378. Hkrp. Avr. – Sib. Tordylium apulum L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1111. Te. Akd. Torilis nodosa (L.) Gaertner, 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1168. Te. T. leptophylla (L.) Reichb., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1420; 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1441. Te., Geniş yayılışlı. Daucus carota L. , 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1305; 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1691; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1757. Hkrp. D. broteri Ten., 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1622. Hkrp. Akd. ARALIACEAE Hedera helix L., 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1136; 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1692. Fa. CORNACEAE Cornus sanguinea L. subsp. sanguinea., 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1666. Fa. C. mas L., 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1201; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1307; 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1675. Fa., Avr.- Sib. CAPRIFOLIACEAE Sambucus ebulus L., 36, 13.06.2010, MS. YILANCI 1536. Hkrp. Avr. - Sib. Lonicera etrusca Santi var. etrusca, 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1238. Kam.,Akd. DIPSACACEAE Cephalaria transsylvanica (L.) Schrad., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1317. Te. C. syriaca (L.) Schrader, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1315; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1422; 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1436; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1761. Te. Knautia orientalis L., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1081. Hkrp. Akd. Scabiosa atropurpurea L. subsp. maritima, 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1459; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1767. Hkrp. Pterocephalus plumosus (L.) Coulter, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1286. Te., Geniş yayılışlı. ASTERACEAE (COMPOSITAE) Pallenis spinosa (L.) Cass., 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1546. Te., Akd. Inula graveolens (L.) Desf., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1274. Krp. Akd. Pulicaria dysenterica (L.) Bernh., 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1698. Krp., Geniş yayılışlı. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Filago vulgaris Lam., 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1394; 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1621. Te. *Conyza canadensis (L.) Cronquist, 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1713. Te. *C. bonariensis L., 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1750. Te. Bellis perennis L., 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1127; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1346; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1578. Hkrp. Avr. – Sib. Senecio aquaticus Hill subsp. erraticus (Bertol.) Matthews, 31, 25.07.2010, MS. YILANCI 1654. Te., Avr. – Sib. S. vernalis Waldst. & Kit., 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1380. Te., Geniş yayılışlı. Tussilago farfara L., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1720. Krp. Avr. – Sib., Geniş yayılışlı. Eupatorium cannabinum L., 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1672. Kam. Avr. – Sib. Anthemis cretica L. subsp. pontica (Willd.) Grierson, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1544. Hkrp. A. kotschyana Boiss. var. radians Bornm., 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1760. Hkrp. A. auriculata Boiss., 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1639. Hkrp. Akd. A. cotula L., 1, 19.05.2010. MS. YILANCI 1282. Hkrp., Geniş yayılışlı. A. tinctoria L.var. discoidea (All.) DC., 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1387. Hkrp. A. altissima L., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1083. Hkrp., Geniş yayılışlı. Achillea coarctata Poir., 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1607. Hkrp. Geniş yayılışlı. *Santolina chamaecyparisus L., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1523; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1570. Kam. Akd. Tanacetum parthenium (L.) Schultz Bip., 18, 13.06.2010, MS. YILANCI 1530. Hkrp., Geniş yayılışlı. Cirsium hypoleucum DC., 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1192. Hkrp. Ök. C. creticum (Lam.) d’Uru subsp. creticum, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1157; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1419; 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1625. Hkrp. Akd. C. arvense (L.) Scop. subsp. arvense, 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1583; 31, 25.07.2010, MS. YILANCI 1652. Hkrp. C. arvense (L.) Scop. subsp. vestitum (Wimmer & Grab.) Petrak, 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1627. Hkrp. Picnomon acarna (L.) Cass., 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1468. Te. Akd., Geniş yayılışlı. Jurinea consanguinea DC., 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1449. Hkrp. Centaurea inermis Velen., 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1595. Kam. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

C. diffusa Lam., 31, 01.07.2010 MS. YILANCI 1611. Kam.,Akd., Geniş yayılışlı. C. thracica (Janka) Hayek., 14, 13.06.2010 MS. YILANCI 1508. Kam. C. solstitialis L. subsp. solstitialis, 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1608; 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1682. Te.,Geniş yayılışlı. C. iberica Trev. ex. Sprengel., 27, 9.05.2010. MS. YILANCI 1232. Te., Geniş yayılışlı. C. cyanus L., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1423; 3, 01.07.2010, MS. YILANCI 1624. Te,., Geniş yayılışlı. Rhaponticoides pythiae ( Azn. & Bornm. ) M.V.Agab. & Greuter, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1547. Hkrp. End.,CR Crupina vulgaris Cass., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1265. Te. Cnicus benedictus L. var. benedictus, 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1412. Te. Carthamus lanatus L., 31, 01.07.2010 MS. YILANCI 1612.Te., Geniş yayılışlı. Echinops ritro L., 20, 25,07.2010, MS. YILANCI 1662. Hkrp. Cichorium intybus L., 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1762. Hkrp., Geniş yayılışlı. Scorzonera cana (C.A. Meyer) Hoffm. var. cana, 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1165; 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1206. Hkrp., Geniş yayılışlı. Tragopogon longirostris Bisch. ex Sch. Bip. var. longirostris, 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1116. Hkrp. Leontodon crispus Vill. subsp. asper (Waldst.&Kit.) var. asper, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1140. Hkrp., Geniş yayılışlı. Urospermum picroides (L.) F.W. Schmidt, 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1494. Te., Akd. Rhagadiolus stellatus (L.) Gaertner var. leiocarpus DC., 15, 300 m. 07.05.2010 MS. YILANCI 1122. Hkrp., Akd. Sonchus arvensis L. subp. uliginosus (Bieb.) Bég., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1095; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1273. Hkrp. Pilosella hoppeana (Schultes) C.H. & F.W. Schultz subsp. cilicica (NP.) Sell & West, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1542. Kam. P. piloselloides (Vill.) Soják subsp. piloselloides, 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1363. Kam. P. cymosa (L.) C.H. & F.W. Schultz, 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1179. Kam. Avr.- Sib. Lactuca saligna L., 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1753. Hkrp. Lapsana communis L. subsp. adenophora (Boiss.) Rech., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1283; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1338. Hkrp. Taraxacum serotinum (Waldst. & Kit. ) Poiret, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1779. Hkrp., Geniş yayılışlı. 415


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Chondrilla juncea L. var. juncea, 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1707. Hkrp., Geniş yayılışlı. Crepis alpestris (Jacq.) Tausch, 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1519. Te.,Avr. – Sib. C. symrnaea DC. ex. Froehlich, 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1695.Te. Akd. C. foetida L. subsp. rhoeadifolia (Bieb.) Čelak., 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1548; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1751. Te., Geniş yayılışlı. CAMPANULACEAE Campanula latifolia L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1115; 30, 19.05.2010, MS. YILANCI 1186. Hkrp., Avr. – Sib. C. rapunculoides L. subsp. cordifolia (C.Koch) Damboldt, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1278,1298; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1355. Hkrp. C. glomerata L. subsp. hispida (Witasek) Hayek, 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1606. Hkrp., Avr. – Sib. ERICACEAE Rhododendron ponticum L., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1158; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1336. Fa. Ök. Erica arborea L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1362. Fa. Arbutus unedo L., 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1766. Fa. A. andrachne L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1334; 38, 21.11.2010, MS. YILANCI 1732. Fa. Vaccinium myrtillus L., 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1670. Hkrp., Avr.- Sib. PRIMULACEAE Lysimachia punctata L., 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1483. Hkrp., Avr. – Sib. L. verticillaris Sprengel, 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1630. Hkrp., Ök. Anagallis arvensis L. var. arvensis, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1147; 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1234; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1289; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1347,1368; 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1496. Te. EBENACEAE Diospyros lotus L., 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1694. Fa. OLEACEAE Jasminum fruticans L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1103. Fa. Akd. Fraxinus ornus L. subsp. ornus, 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1469. Fa. Avr.- Sib. F. angustifolia Vahl, subsp. oxycarpa (Bieb. ex. Willd.) Franco & Rocha Afonso , 43, 01.07.2010, MS. YILANCI 1605. Fa., Avr.- Sib. 416

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Ligustrum vulgare L., 30, 19.05.2010, MS. YILANCI 1184; 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1476, 1488. Fa.,Avr. – Sib. *Olea europaea L. var. europaea, 11, 13.06.2010 MS. YILANCI 1585. Fa. Akd. Phillyrea latifolia L., 38, 21.11.2010, MS. YILANCI 1734.Fa., Akd. APOCYNACEAE Nerium oleander L., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1780. Fa., Akd. ASCLEPIADACEAE Cionura erecta (L.) Griseb., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1527. Hkrp., Akd., Geniş yayılışlı. GENTIANACEAE Blackstonia perfoliata (L.)Hudson, subsp. perfoliata, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1288A; 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1485; 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1674. Hkrp. Centaurium erythraea Rafn. subsp. turcicum (Velen.) Melderis, 50, 20.06.2010, MS. YILANCI 1587; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1636. Hkrp. C. pulchellum (Swatz) Druce., 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1594; 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1663. Hkrp., Geniş yayılışlı. CONVOLVULACEAE Convolvulus cantabrica L., 21, 19.05.2010, MS. YILANCI 1200; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1249; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1279,1320; 33, 26.05.2010, MS. YILANCI 1395. Hkrp. C. pentapetaloides L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1267. Hkrp., Akd. C. arvensis L., 22, 19.05.2010, MS. YILANCI 1216. Hkrp. Calystegia silvatica (Kit.) Griseb., 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1222. Hkrp. BORAGINACEAE Heliotropium europaeum L., 23, 25.07.2010, MS. YILANCI 1661. Te., Akd. H. dolosum De Not., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1716. Te. Myosotis arvensis (L.) Hill subsp. arvensis, 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1211; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1239; 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1398. Te., Avr. – Sib. M. alpestris F.W., 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1403. Krp., Geniş yayılışlı. M. lithospermifolia (Wild.)Hornem., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1339. Te. Lithospermum purpurocaeruleum L., 21, 19.05.2010, MS. YILANCI 1199; 20, 19.05.2010, MS. YILANCI

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

1210; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1287,1293; 36, 13.06.2010, MS. YILANCI 1535. Krp., Avr. – Sib. Echium plantagineum L., 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1399,1400. Hkrp., Akd. Moltkia coerulea (Wild.) Lehm., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1178. Hkrp., İr. – Tur. Onosma bracteosum Hausskn. & Bornm., 8, 6.05.2010, MS. YILANCI 1382. Hkrp., İr. – Tur., End., LC Cerinthe minor L. subsp. auriculata (Ten.) Domac, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1288B. Hkrp. Trachystemon orientalis (L.) G. Don, 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1133. Hkrp., Ök. Anchusa officinalis L., 18, 13.06.2010, MS. YILANCI 1532. Hkrp. A. undulata L. subsp. hybrida (Ten.) Coutinho, 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1107; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1236; 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1460. Hkrp., Akd. A. azurea Mill. var. azurea, 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1227. Hkrp. SOLANACEAE Solanum nigrum L. subsp. schultesii (Opiz) Wessely, 23, 25.07.2010, MS. YILANCI 1659. Te. S. dulcamara L., 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1470; 31, 25.07.2010, MS. YILANCI 1655; 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1697; 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1739. Hkrp. Avr. – Sib. Datura stramonium L., 49, 13.06.2010 MS. YILANCI 1768. Kam., Avr. – Sib., Geniş yayılışlı. SCROPHULARIACEAE Verbascum speciosum Schrader, 47, 13.06.2010, MS. YILANCI 1565. Hkrp. Scrophularia peregrina L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1359. Hkrp., Akd. Antirrhinum majus L. subsp. majus, 37, 13.06.2010. MS. YILANCI 1513. Kam. Linaria genistifolia (L.) Miller subsp. genistifolia, 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1688; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1711. Hkrp., Avr. – Sib. L. dalmatica (L.) Miller, 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1752. Hkrp. Linaria simplex (Wild.) DC., 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1635; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1702. Te., Akd., Geniş yayılışlı. Digitalis ferruginea L. subsp. ferruginea, 45, 25.07.2010, MS. YILANCI 1649. Hkrp., Avr. – Sib. Veronica persica Poiret., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1099. Te. V. chamaedrys L, 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1082; 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1106; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1350. Hkrp., Avr. – Sib. Bellardia trixago (L.) All., 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1577. Te. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

OROBANCHACEAE Orobanche minor Sm., 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1408. Vp. O. hederae Duby, 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1130; 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1446. Vp. O. elatior Sutton., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1518. Vp. GLOBULARIACEAE Globularia trichosantha Fisch. & Mey., 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1452. Kam., Geniş yayılışlı. VERBENACEAE Verbena officinalis L., 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1676. Krp., Geniş yayılışlı. LABIATAE (LAMIACEAE) Ajuga laxmannii (L.) Bentham., 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1384; 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1448. Hkrp., Avr. – Sib. Teucrium chamaedrys L. subsp. lydium O.Schwarz., 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1520; 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1552. Kam., Akd. T. polium L., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1143. Kam., Geniş yayılışlı. Lavandula angustiolia Miller, subsp. angustifolia., 45, 01.07.2010, MS. YILANCI 1616. Hkrp. Phlomis russeliana (Sims) Bentham, 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1402. Hkrp., Ök., End., LC Lamium purpureum L. var. purpureum, 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1781. Te. Avr. – Sib. Sideritis montana L. subsp. remota (D’Urv.) P.W. Ball. ex Heywood, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1550. Te., Akd. Stachys germanica L. subsp. bithynica (Boiss.) Bhattacharjee, 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1439. Te. Avr. – Sib. S. cretica L. subsp. anatolia Rech., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1181. Hkrp., İr.- Tur., End., LC S. thirkei C.Koch, 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1397. Hkrp. S. annua (L.) L. subsp. annua var. annua, 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1100. Hkrp., Geniş yayılışlı. Nepeta italica L., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1727. Hkrp., Geniş yayılışlı. Prunella vulgaris L., 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1207; 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1473. Hkrp., Avr.- Sib., Geniş yayılışlı. P. orientalis Bornm., 32, 01.07.2010, MS. YILANCI 1601,1602. Hkrp. P. laciniata (L.) L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1353; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1579. Hkrp., Avr.- Sib. Origanum vulgare L. subsp. hirtum (Link) Ietswaart, 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1466; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1640,1647. Hkrp., Akd. 417


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Calamintha sylvatica Bromf. subsp. ascendes (Jordan) P.W.Ball., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1718. Hkrp. Clinopodium vulgare L. subsp. arundanum (Boiss.) Nyman, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1319; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1360; 7, 26.05.2010, MS. YILANCI 1407; 10, 3.06.2010 MS. YILANCI 1480; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1643,1644; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1758. Hkrp., Geniş yayılışlı. Thymus thracicus Velen. var. longidens (Velen.) Jalas, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1154. Hkrp. T. longicaulis C. Presl subsp. longicaulis var. longicaulis, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1153; 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1456. Hkrp. Mentha longifolia (L.) Hudson, subsp. typhoides (Briq.) Harley var. typhoides, 31, 25.07.2010, MS. YILANCI 1653; 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1700. Krp., Geniş yayılışlı. Lycopus europaeus L., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1090. Hkrp., Avr. – Sib. Salvia viridis L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1268. Te., Akd. S. forskahlei L., 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1631,1645; 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1683; 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1738. Hkrp., Ök. S. virgata Jacq., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1253; 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1497; 23, 25.07.2010, MS. YILANCI 1657. Hkrp., İr. – Tur. PLANTAGINACEAE Plantago lanceolata L., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1142. Hkrp. P. lagopus L., 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1433. Hkrp., Akd. LAURACEAE Laurus nobilis L., 23, 25.07.2010, MS. YILANCI 1658; 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1673. Fa., Akd. SANTALACEAE Osyris alba L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1104; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1309; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1703. Fa., Akd. EUPHORBIACEAE Euphorbia macroclada Boiss., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1152. Hkrp., İr.- Tur., Geniş yayılışlı. E. amygdaloides L. var. amygdaloides, 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1087; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1374. Hkrp., Avr.- Sib. BUXACEAE Buxus sempervirens L., 42, YILANCI 1782. Fa., Avr.- Sib.

418

25.06.2011, MS.

URTICACEAE Urtica dioica L., 36, 13.06.2010, MS. YILANCI 1540. Hkrp., Avr.- Sib., Geniş yayılışlı. MORACEAE *Morus alba L., 36, 13.06.2010, MS. YILANCI 1538. Fa. ULMACEAE Ulmus glabra Hudson, 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1784. Fa., Avr.- Sib. JUGLANDACEAE Juglans regia L., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1785. Fa. PLATANACEAE Platanus orientalis L., 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1786. Fa., Geniş yayılışlı. FAGACEAE Fagus orientalis Lipsky, 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1787. Fa., Avr.- Sib. Castanea sativa Mill., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1341; 12, 13.06.2010. MS. YILANCI 1529; 46, 20.09.2010, MS. YILANCI 1693. Fa., Avr.- Sib. Quercus robur L. subsp. robur., 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1712. Fa., Avr.-Sib. Q. cerris L. var. cerris, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1556. Fa., Akd. Q. cerris L. var. austriaca (Willd. ) Loudon , 30, 19.05.2010, MS. YILANCI 1185; 27, 19.05.2010. MS. YILANCI 1220. Fa., Avr.- Sib. CORYLACEAE Carpinus betulus L., 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1788. Fa., Avr.- Sib. Corylus avellana L. var. avellana, 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1789. Fa., Avr.- Sib. BETULACEAE Alnus glutinosa (L.) Gaertner subsp. glutinosa 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1343; 2, 20.09.2010, MS. YILANCI 1721. Fa., Avr.- Sib. SALICACEAE Salix alba L., 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1790. Fa., Avr.- Sib., Geniş yayılışlı. Populus nigra L. subsp. nigra., 26, 05.07.2011 MS. YILANCI 1791. Fa. RUBIACEAE Sherardia arvensis L., 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1148; 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1166; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1369. Te., Akd.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Asperula involucrata Wahlenb., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1121. Fa., Ök., Geniş yayılışlı. A. arvensis L., 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1187; 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1451. Fa., Akd., Geniş yayılışlı. Galium elongatum C.Presl, 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1463; 1, 01.07.2010, MS. YILANCI 1641. Fa., Avr.- Sib. G. verum L. subsp. verum, 14, 13.06.2010 MS. YILANCI 1511. Fa., Avr.- Sib. G. trojanum Ehrend., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1125; 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1175; 40, 19.05.2010. MS. YILANCI 1188; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1361. Fa., Akd., End., CR G. album Miller subsp. pycnotrichum (H.Braun) Krendl., 8, 26.05.2010 MS. YILANCI 1376. Fa., Avr.Sib. ARACEAE Arum italicum Miller, 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1671. Krp. LILIACEAE Smilax excelsa L., 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1667; 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1747. Krp., Ök. Ruscus aculeatus L. var. aculeatus, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1155. Krp. R. aculeatus L. var. angustifolius 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1744. Krp. R. hypoglossum L., 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1134; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1303; 35, 21.11.2010, MS. YILANCI 1746; 11, 21.11.2010 MS. YILANCI 1759. Krp., Avr.- Sib. Asparagus aphyllus L. subsp. orientalis (Baker) P. H. Davis, 22, 25,07.2010, MS. YILANCI 1668. Krp., Akd. *Allium cepa L, 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1245. Krp. A. commutatum Guss., 34, 26.05.2010, MS. YILANCI 1401; 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1584. Krp., Akd. A. atrovialaceum Boiss., 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1180. Krp., Geniş yayılışlı. A. guttatum Steven subsp. sardoum (Moris) Stearn, 31, 25.07.2010, MS. YILANCI 1650. Krp., Akd. Ornithogalum sphaerocarpum Kerner, 36, 13.06.2010 MS. YILANCI 1555. Krp., Geniş yayılışlı. O. narbonense L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1247. Krp., Akd., Geniş yayılışlı. IRIDACEAE Iris spuria L. subsp. musulmonica (Fomin) Takht., 5, 26.05.2010, MS. YILANCI 1444. Krp., İr.- Tur. I. sintenisii Janka., 21, 19.05.2010, MS. YILANCI 1197; 28, 19.05.2010, MS. YILANCI 1203. Krp., Avr.Sib.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Gladiolus atroviolaceus Boiss., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1246. Krp., İr.- Tur. ORCHIDACEAE Cephalanthera rubra (L.)L.C.M.Richard, 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1310; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1352; 14, 13.06.2010 MS. YILANCI 1509. Krp., Geniş yayılışlı. C. longifolia (L.) Fritsch, 19, 07.05.2010, MS. YILANCI 1131. Krp., Avr.- Sib. Limodorum abortivum ( L.) Swartz., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1295; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1335. Krp., Geniş yayılışlı. Ophyrs apifera Hudson, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1138; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1313. Krp. Anacamptis pyramidalis (L.)L.C. M.Richard, 10, 13.06.2010 MS. YILANCI 1481; 14, 13.06.2010 MS. YILANCI 1510. Krp., Geniş yayılışlı. CYPERACEAE Cyperus serotinus Rottb., 29, 13.06.2010 MS. YILANCI 1571. Te. Carex pendula Hudson, 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1086. Krp., Avr.- Sib. C. flacca Schreber subsp. serrulata (Biv.)Greuter, 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1085. Krp., Akd. POACEAE (GRAMINEAE) Brachypodium sylvaticum (Hudson) P.Beauv., 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1505; 47, 13.06.2010, MS. YILANCI 1560. Hkrp., Avr.- Sib., Geniş yayılışlı. Aegilops neglecta Req., 21, 19.05.2010, MS. YILANCI 1198. Te., Akd. Secale cereale L. var. cereale., 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1437. Hkrp., Geniş yayılışlı. Hordeum marinum Hudson var. marinum, 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1217; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1330. Te. H. bulbosum L., 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1432; 47, 13.06.2010, MS. YILANCI 1563,1564. Hkrp., Geniş yayılışlı. *H. vulgare L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1108. Hkrp. Bromus japonicus Thunb. subsp. japonicus, 39, 19.05.2010, MS. YILANCI 1174. Te., Geniş yayılışlı. B. sterilis L., 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1218. Te., Geniş yayılışlı. *Avena sativa L., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1259; 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1329. Te. *A. byzantina C. Koch, 47, 13.06.2010, MS. YILANCI 1561. Te. Holcus lanatus L., 10, 13.06.2010, MS. YILANCI 1458,1472; 47, 13.06.2010, MS. YILANCI 1559, 1562, 1566. Hkrp., Avr.- Sib. Milium effusum L., 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1342. Hkrp., Avr.- Sib. 419


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Phalaris arundinacea L., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1094. Te. P. minor Retz., 41, 19.05.2010. MS. YILANCI 1333; 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1492. Te., Akd. P. paradoxa L., 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1499. Te. Akd. Alopecurus aequalis Sobol., 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1244. Te., Avr.- Sib. A. pratensis L., 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1097. Hkrp., Avr.- Sib. Phleum alpinum L., 10, 13. 06.2010, MS.YILANCI 1487; 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1490; 47, 1306.2010, MS. YILANCI 1558. Hkrp., Avr.-Sib. P. pratense L.31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1260. Kam., Avr.- Sib. Lolium multiflorum Lam., 20, 19.05.2010, MS. YILANCI 1219. Hkrp. L. rigidum Gaudin, var. rigidum, 16, 07.05.2010, MS. YILANCI 1149, 8, 26.05.2010, MS. YILANCI 1386.Te. Poa nemoralis L., 10, 13. 06.2010, MS. YILANCI 1465. Hkrp., Geniş yayılışlı Dactylis glomerata L. subsp. glomerata, 9, 07.05.2010, MS. YILANCI 1080; 31, 19.05.2010 MS. YILANCI 1257; 44, 26.05.2010, MS. YILANCI 1442. Krp., Avr.Sib. Briza maxima L., 15, 07.05.2010 MS. YILANCI 1110; 6, 26.05.2010 MS. YILANCI 1356,1367. Te. Stipa bromoides (L.) Dörfler, 17, 13.06.2010 MS. YILANCI 1491. Hkrp., Akd. Cynodon dactylon (L.) Pers. var. villosus Regel., 42, 25.06.2011, MS. YILANCI 1783. Krp. Echinochloa crus-galli (L.) P.Beauv., 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1680. Te. *Coix lacryma- jobi L., 48, 25.07.2010, MS. YILANCI 1681. Te.

420

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

5. TARTIŞMA VE SONUÇ (DISCUSSION AND RESULT)

5.1. Araştırma Alanının Floristik (Floristic Analysis of Research Areas)

İncelenmesi

Yapılan floristik çalışmada toplanan bitki örneklerin değerlendirilmesi sonucu 79 familyaya ait 258 cins, 409 tür ve türaltı seviyede takson belirlenmiştir. Bu taksonlardan 4’ü Pterophyta bölümüne, 405’i ise Spermatophyta bölümüne aittir. Spermatophyta bölümüne ait olan taksonlardan 5’i Gymnospermae ve 400 Angiospermae alt bölümüne dahildir. Angiospermae alt bölümüne ait taksonlardan 349’u Dicotyledonae, 51’i ise Monocotyledonae sınıfına dahildir. Araştırma alanında belirlenen taksonlardan 17’si kültürdür. Çalışma alanında Türkiye için 7 endemik takson tespit edilmiş olup endemizm oranı % 1,71’dir. Endemizm oranı kültür bitkileri sayısının toplam takson sayısından düşülmesi ile elde edilen doğal takson sayısına göre hesap edilmiştir. Araştırma alanında tespit edilen toplam 409 taksondan fitocoğrafik bölgesi belli olanların sayısı 158’dir. Fitocoğrafik bölgesi bilinenlerin 87’si Avrupa-Sibirya, (%21,02) , 64’ü Akdeniz (%15,89), 7 tür İran-Turan (% 1,71), elementidir. ksin elementi olarak tespit edilen taksonlar Avrupa-Sibirya fitocoğrafik bölgesine dahil edilmiştir. Toplam 409 takson içerisinde Türkiye florasında hangi fitocoğrafik bölge elementi olduğu belirtilmeyen takson sayısı ise 251 ( % 61,36) dir. Çalışma alanında AvrupaSibirya fitocoğrafik bölgesi elementlerinin 87 takson ile ilk sırada yer alması, 64 takson ile de Akdeniz fitocoğrafik bölgesinin ikinci sırada yer alması, alanda ekotonun varlığını göstermektedir. Fitocoğrafik bölgesi belirlenemeyen veya çok bölgeli olan takson sayısının fazla olmasında, ülkemizin coğrafik konumu sebebiyle, bazı yerlerde üç fitocoğrafik bölgenin birbirinden kesin olarak ayrılamaması verilebilir. Çalışma alanındaki taksonların hayat formlarına göre, sayısal ve tüm floraya göre oransal dağılımları ise şöyledir; 149’u Hemikriptofit (% 36,43), 106’sı Terofit (% 25,91), 45’i Kriptofit (% 11,02), 34’ü Kamefit (%8,31), 72’si Fanerofit (% 17,60), 3’ü Vasküler parazittir. (% 0,73) (Tablo 2.)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Tablo 2. Araştırma Alanının Floristik Analizi (The Floristic Analysis of Research Area)

Angiospermae Pteridophyta Gymnospermae

Monocotyledonae Dicotyledonae

Toplam

Familya

4

3

6

66

79

Cins Tür ve Türaltı Takson Saysı

4

3

33

218

258

4

5

51

349

409

Alandaki Toplam Takson Sayısına Oranı/%)

Taksonların Fitocoğrafik Bölgelere Göre Dağılımı Avrupa- Sibirya

1

1

13

72

87

21,02

Akdeniz

-

İran- Turan

-

1

9

54

64

15,89

-

2

5

7

Diğerleri

3

1,71

3

27

218

251

61,36

Endemizm ve Risk Kategorileri Endemik Takson

-

-

-

8

8

1,95

VU

-

-

-

1

1

0,24

CR

-

-

-

2

2

0,48

LC

-

-

-

4

4

0,97

Hayat Formları Hemikriptofit

-

-

11

138

149

36,43

Terofit

-

-

91

106

25,91

Fanerofit

-

67

72

17,6

Kriptofit

4

5 -

15 24

17

45

11,02

Kamefit

-

-

1

33

34

8,31

Vasküler Parazit

-

-

-

3

3

0,73

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

421


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

5.2. Tür ve Tür Altı Seviyede En Çok Takson İçeren Cinsler ve Oranları (Most species and subspecies level taxon Including Type and Rates) Çalışma alanında en çok cins içeren familyalar; Asteraceae (35), Fabaceae (20), Poaceae (19), Lamiaceae (16), Rosaceae (15), Apiaceae (9), Brassicaceae (9), Caryophyllaceae (9), Boraginaceae (9), Ranunculaceae (8), Scrophulariaceae (7) dir. Türkiye Florasında ise en çok cins içeren familyalar sırasıyla Poaceae, Asteraceae ve Apiaceae’dir (Tablo 3.) Tablo 3. En çok cins içeren 11 familya ve oranları (%)(11 families containing most genera and rates)

Tablo 4. Tür ve tür altı seviyede en çok takson içeren familyalar ve oranları (%) (Families containing the most taxa in species and sub species level and rates) Takson sayısı

Toplam Takson Sayısına Oranı (%)

Asteraceae

54

13,20

Fabaceae

43

10,51

Poaceae

28

6,84

Rosaceae

27

6,60

Lamiaceae

25

6,11

Caryophyllaceae

18

4,40

Boraginaceae

14

3,42

Apiaceae

13

3,17

Ranunculaceae

12

2,93

Liliaceae

11

2,68

Familya

Cins Sayısı

Toplam Cins Sayısına Oranı (%)

Asteraceae

35

13,51

Fabaceae

20

7,72

Poaceae

19

7,33

Brassicaceae

10

2,44

Lamiaceae

16

6,17

Scrophulariaceae

10

2,44

Rosaceae

15

5,79

Diğerleri

144

35.26

Apiaceae

9

3,47

Brassicaceae

9

3,47

Caryophyllaceae

9

3,47

Boraginaceae

9

3,47

Ranunculaceae

9

3,47

Scrophulariaceae

8

3,08

Familya

Çalışma alanında en fazla tür ve tür altı taksonu Asteraceae (54), Fabaceae (43), Poaceae (28), Rosaceae (27), Lamiaceae (25), Caryophyllaceae (18), Boraginaceae (14), Apiaceae (13), Ranunculaceae (12), Liliaceae (11), Brassicaceae (10), Scrophulariaceae (10) familyalarını içerir. Geriye kalan 144 takson ise diğer familyalara aittir. Tablo 4.’de en çok tür ve tür altı takson içeren 11 familya ve toplam tür ve türaltı takson sayısına oranları verilmiştir. Buna göre alanımızda en zengin familya Asteraceae familyasıdır. Türkiye Florası’nda da en çok tür içeren familya da Asteraceae’dir. Bu familya üyeleri değişik ekolojik ortamlarda kolayca yetişebildikleri için çok fazla çeşitliliğe sahiptir. Ekolojik toleransları geniş ve çiçek özellikleri sayesinde hızlı dağılabilen diaspor bu familyanın, alanımızda en zengin familya olması doğaldır.

422

Silene 9 türle araştırma alanında en fazla türe sahip cinslerdir. Vicia 7, Trifolium, Geranium, Anthemis, Centaurea 6, Hypericum, Lathyrus 5, Allium, Galium, Stachys, Rubus, Linum, Potentilla cinsleri 4’er taksonla bunları takip eder. Tablo 5.’te tür ve tür altı seviyede en çok takson içeren cinsler ve oranları verilmiştir. Tablo 5. Tür ve tür altı seviyede en çok takson içeren cinsler ve oranları (%)(Families containing the most taxa in species and sub species level) Silene

9

Toplam Takson Sayısına Oranı (%) 2,20

Vicia

7

1,71

Trifolium

6

1,46

Cins

Takson Sayısı

Geranium

6

1,46

Anthemis

6

1,46

Centaurea

6

1,46

Hypericum

5

1,22

Lathyrus

5

1,22

Potentilla

4

0,97

Linum

4

0,97

Rubus

4

0,97

Stachys

4

0,97

Galium

4

0,97

Allium

4

0,97

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

5.3. Cins ve Takson Sayısı Bakımından Zengin Olan Familyaların Çevrede Yapılan Çalışmalarla Karşılaştırılması (The comparison of families that have rich taxa and genera in research area with the near research areas) Türkiye Florası’na göre en fazla cins içeren ilk 10 familya Poaceae, Asteraceae, Apiaceae, Brassicaceae, Fabaceae, Lamiaceae, Caryophyllaceae, Boraginaceae, Liliaceae ve Rosaceae’dir. Tablo 6.’te çalışma alanında ilk üç sırada Asteraceae, Fabaceae ve Poaceae familyaları yer almaktadır. Çalışma alanına yakın yapılmış diğer flora çalışmaları olan Oğuzhan Aslan’ın ‘Arslanbey (İzmit) Çevresi İle İzmit Şehir Florasının tespiti’[16], Galip Akaydın, Gözde Çalışkan ve Emine Burcu Yılmaz’ın ‘Beşkayalar Vadisi (GölcükKocaeli)’nin Florası’[17], G. Kaynak - Armutlu Yarımadası Florası I, II, III [18-20], O. Koyuncu, Ö.K. Yaylacı, D. Öztürk, S.Tokur –Vascular Plant Diversity in Geyve Gorge (Sakarya/Turkey) and its Environs [21] ile çalışma alanındaki cins sayısı bakımından zengin olan familyaların çevredeki çalışmalarla karşılaştırılması Tablo 6.’te verilmiştir. ‘Arslanbey (İzmit) Çevresi İle İzmit Şehir Florasının tespiti’ çalışmasında toplam cins sayısı 344; ‘Beşkayalar Vadisi (Gölcük-Kocaeli)’nin Florası’ çalışmasında toplam cins sayısı 193; Armutlu Yarımadası Florası I, II, III’ nın çalışmasında toplam cins sayısı 429; Vascular Plant Diversity in Geyve Gorge (Sakarya/Turkey) and its

Environs çalışmasında toplam cins sayısı 537’ dir. İlgili çalışmaların hepsinde cins sayısı bakımından en zengin familyanın Asteraceae olduğu görülmektedir. Türkiye Florası’na göre tür sayısı bakımından zengin familyalar Asteraceae, Fabaceae, Lamiaceae, Brassicaceae, Poaceae, Caryophyllaceae, Scrophulariaceae, Apiaceae, Liliaceae ve Boraginaceae’dir. Tablo 7.’da çalışma alanında ilk üç sırada Asteraceae, Fabaceae ve Poaceae familyaları yer almaktadır. Çalışma alanına yakın yapılmış diğer flora çalışmaları olan ‘Arslanbey (İzmit) Çevresi İle İzmit Şehir Florasının tespiti’, ‘Beşkayalar Vadisi (GölcükKocaeli)’nin Florası’ , Armutlu Yarımadası Florası I, II, III’, ‘Vascular Plant Diversity in Geyve Gorge (Sakarya/Turkey) and its Environs ile çalışma alanındaki tür sayısı bakımından zengin olan familyaların çevredeki çalışmalarla karşılaştırılması Tablo 7.’da verilmiştir. ‘Arslanbey (İzmit) Çevresi İle İzmit Şehir Florasının tespiti’,ın çalışmasında toplam takson sayısı 489; ‘Beşkayalar Vadisi (GölcükKocaeli)’nin Florası’ çalışmasında toplam takson sayısı 293; Armutlu Yarımadası Florası I, II, III çalışmasında toplam takson sayısı 906; Vascular Plant Diversity in Geyve Gorge (Sakarya/Turkey) and its Environs çalışmasında toplam takson sayısı 1150’dir. İlgili çalışmalarda tür sayısı bakımından zengin familyalara bakıldığında hepsinde takson sayısı bakımından en zengin familyanın Asteraceae olduğu görülmektedir.

1. M.S.Yılancı - Yalakdere ve çevresinin florası 2. O. Aslan – Arslanbey (İzmit) Çevresi ile İzmit şehir Florasının Tespiti[12] 3. G. Akaydın, G. Çalışkan, E. B. Yılmaz – Beşkayalar Vadisi (Gölcük-Kocaeli)’ nin Florası) [13] 4. G. Kaynak - Armutlu Yarımadası Florası I, II, III.[14,15,16] 5. O. Koyuncu, Ö.K. Yaylacı, D. Öztürk, S.Tokur –Vascular Plant Diversity in Geyve Gorge (Sakarya/Turkey) and its Environs [18] Tablo 6. Çalışma alanında cins sayısı bakımından zengin olan familyaların çevredeki çalışmalarla karşılaştırılması (The comparison of families that have rich genera in research area with the near research areas.) Araş. Alanları Familya

Asteraceae

Cins Sayısı 35

1 Toplam Cins Cins Sayısına Sayısı Oranı (%) 13,51 36

2 Toplam Cins Cins Sayısına Sayısı Oranı (%) 10,46 27

3 Toplam Cins Cins Sayısına Sayısı Oranı (%) 13,98 61

4 Toplam Cins Cins Sayısına Sayısı Oranı (%) 14,21 63

5 Toplam Cins Sayısına Oranı (%) 11,73

Fabaceae

20

7,72

23

6,68

8

4,14

29

6,75

26

Poaceae

19

7,33

24

6,97

10

5,18

29

6,75

48

8,93

Lamiaceae

16

6,17

15

4,36

8

4,14

22

5,12

29

5,40

Rosaceae

15

5,79

23

6,68

10

5,18

17

3,96

20

3,72

Apiaceae

9

3,47

16

4,65

7

3,62

24

5,59

37

6,89

Brassicaceae

9

3,47

16

4,65

4

2,07

34

7,92

38

7,07

Caryophyllaceae

9

3,47

8

2,32

10

5,18

14

3,26

18

3,35

Boraginaceae

9

3,47

8

2,32

5

2,59

13

3,03

19

3,53

Ranunculaceae

8

3,08

6

1,74

3

1,55

8

1,86

9

1,67

Scrophulariaceae

7

2,7

8

2,32

5

2,59

10

2,33

13

2,42

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

4,84

423


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

Tablo 7. Çalışma alanında takson sayısı bakımından zengin olan familyaların çevredeki çalışmalarla karşılaştırılması (the comparison of families that have rich taxon in research area with the near research areas.) Araş. Alanları Familya

1 Takso n Sayısı

2

Toplam Takson Sayısına Oranı (%)

Takson Sayısı

3 Toplam Takson Sayısına Oranı (%)

Takson Sayısı

4 Toplam Takson Sayısına Oranı (%)

Takson Sayısı

5 Toplam Takson Sayısına Oranı (%)

Takson Sayısı

Toplam Takson Sayısına Oranı (%)

Asteraceae

54

13,20

47

9,61

41

13,7

123

13,6

124

10,78

Fabaceae

43

10,51

42

8,58

14

4,7

91

10,0

80

6,96

Poaceae

28

6,84

34

6,95

12

4

45

5,0

76

6,61

Rosaceae

27

6,60

37

7,56

13

4,4

37

4,1

32

2,78

Labiatae

25

6,11

24

4,90

12

4

44

4,9

84

7,30

Caryophyllaceae

18

4,40

22

4,49

16

5,4

28

3,09

37

3,22

Boraginaceae

14

3,42

11

2,24

7

2,38

32

3,5

38

3,30

Apiaceae

13

3,17

18

3,68

7

2,38

38

4,2

52

4,52

Ranunculaceae

12

2,93

11

2,24

7

2,38

24

2,64

27

2,35

Liliaceae

11

2,68

11

2,24

7

2,38

34

3,8

45

3,91

Brassicaceae

10

2,44

21

4,29

8

2,73

49

5,4

57

4,96

Scrophulariaceae

10

2,44

10

2,04

8

2,73

32

3,5

41

3,57

424

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013


M S. Yılancı, M. Sağıroğlu

Kocaeli-Karamürsel-Yalakdere beldesi ve çevresinin florası

5. SONUÇ (RESULT) Çalışma alanında tarım yoğun olarak yapılmakta olup bu da ormalık alanların kesilip tarıma açılmasına sebep olmuştur. Ayrıca köy halkının tarlasını sulamak için yapılmış olan Çamdibi göleti de doğal alan tahribine maruz kalmıştır. Geçim kaynağı hayvancılık olan çalışma alanında hayvan yemi üretmek için doğal bitki örtüsünün yetişmesi engellenmekte, kimyasal ve zirai ilaç kullanımı biyoçeşitliliği etkilemektedir. Körfez geçis köprüsüyle yapılacak olan İstanbul-İzmir otobanı çalışması ile çalışma alanın tahrip edilmesi ve doğal ekosistemin zarar görmesi beklenmektedir. Doğal alanlar yerleşim alanı yapılmak için şimdiden insanlar tarafından satışa sunulmuştur. Yol çalışmasının ardından yapılacak olan imar çalışmalarıyla da alan tahribi söz konusudur. Sonuç olarak, çalışma alanında taşocağı, plansız otlatma, yerleşim alanı oluşturmak ve tarla için doğal ortam bozulmakta bu da alanın ekosistemine fazlasıyla zarar verilmektedir. Rhaponticoides pythiae (Azn. & Bornm. ) M.V.Agab. & Greuter gibi uzun süredir toplanamayan endemik takson toplanmıştır. Bu çalışmamızın konuyla ilgili diğer çalışmalara yardımcı olacağı kanaatini taşımaktayız.

[7] [8]

[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

[16]

KAYNAKLAR (REFERENCES) [17] [1] [2] [3] [4] [5]

[6]

www.yalakdere.net/index.php/genel-bilgiler Erişim Tarihi: 20.08.2012 http://www.cedgm.gov.tr/CED/Files/icd_raporlar i/kocaeliicd2009.pdf, Erişim Tarihi: 18.07.2012 SENSOY, S., ‘Türkiye İklim Sınıflandırması’, Devlet Meteoroloji İşleri, T.C.Çevre ve Orman Bakanlığı Genel Müdürlüğü, Ankara, 2007. SAVAŞ, A., ‘Samanlı Dağlarının Doğusu’, İ.Ü., Coğrafya Enstitüsü Yayınları, No: 210, İstanbul, 1987. SEÇMEN, Ö., GEMİCİ, Y., GÖRK, G., BEKÂT, L., LEBLEBİCİ, E., ‘Tohumlu Bitkiler Sistematiği’, Ege Üniversitesi Yayınları, Fen Fakültesi Kitaplar Serisi, No: 116, Ege Üniversitesi Basımevi, Bornova-İzmir, 2011. DAVIS, P.H., ‘Flora of Turkey and the East Aegean Islands’, Edinburgh, a.Univ. Press., Edinburgh, Vol.1-9, 1965-1985.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 407-425, 2013

[18] [19] [20] [21]

DAVIS, P.H., MİLL, R.R., TAN, K., ‘Flora of Turkey and the East Aegean Islands’, Edinburgh Univ. Press., Edinburgh, Vol. 10, 1988. GÜNER, A., ÖZHATAY, N., EKİM, T., BAŞER, K.H.C., ‘Flora of Turkey and the East Aegean Islands’, (supple. 2), Edinburgh Univ. Press., Edinburgh, Vol. 11, 2000. MAMIKOĞLU, N. G., ‘Türkiye‟nin Ağaçları ve Çalıları’, NTV Yayınları, İstanbul, 2010. ACARTÜRK, R., ‘Süs Bitkileri ve Yer Örtücüleri', Ankara, 2001. GEMİCİ, Y., SEÇMEN, Ö., ACAR, İ., GÖRK, G., ÖZEL, N., ‘Kültürpark’ın (İzmir) Ağaç ve Çalı Türleri’, İZFAŞ, 1992. ARSLAN, M., ÇELEM, H., ‘Ankara’nın Egzotik Ağaç ve Çalıları’, Ankara, 2001. BRUMMITT, R.K., POWELL, C.E., ‘Authors of Plant Names’, The Royal Botanic Gardens, Kew, USA, 1-732, 1999. DÖNMEZ, Y, ‘Bitki Coğrafyası’, İstanbul Üniversitesi Yayınları, İstanbul, 1985. IUCN, “IUCN Red List Categories: Version 3.1”, Prepared by the IUCN Species Survival Commission, IUCN, Gland, Switzerland and Cambridge,1-23, UK 2010. ASLAN, O., ‘Arslanbey (İzmit) Çevresi ile İzmit şehir Florasının Tespiti’, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniv., Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2010. AKAYDIN, G., ÇALIŞKAN, G., YILMAZ, E. B., ‘Beşkayalar Vadisi (Gölcük-Kocaeli)’nin Florası’, Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi, 18 a. (4), 459-469, 2006. KAYNAK, G., a. ‘Armutlu Yarımadası Florası I’, Selçuk Üniv. Fen Derg., Sayı 13,152164,1997. KAYNAK,G., b. ‘Armutlu Yarımadası Florası II’, Selçuk Üniv. Fen Derg.,iSayı 13, 165179,1997. KAYNAK, G., c. ‘Flora of Armutlu Peninsula III’, Lagascalia, 20(1), 63-98, 1997. KOYUNCU, O., YAYLACI, Ö.K., ÖZTÜRK D., TOKUR, S., ‘Vascular pPlant Diversity in Geyve Gorge (Sakarya/Turkey) and its Environs’, Biological Diversity and Conservation, 5;3, 2012

425


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 427-436, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013

Çift cidarlı cephelerdeki etkin mimari tasarım kararları Tuğba İnan1*, Tahsin Başaran1 1*

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Bölümü, İzmir 02.07.2013 Geliş/Received, 21.08.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Enerji kayıplarını minimuma indirmeyi ve kullanılan enerjiden maksimum düzeyde faydalanmayı hedefleyen yapı kabuğu sistem arayışı üzerine yapılan araştırmalar mimari söylemde gittikçe önemli bir yer kazanırken, yapı sektöründe çift cidarlı ccidarlı cephe sistemlerinin kullanımı küresel ölçekte yaygınlaşmıştır. Çift cidarlı cephe (ÇCC) sistemleri, dünya üzerinde yaygın bir uygulama alanına sahiptir. Ülkemizde ise bu sistemler henüz yeni ve üzerinde çok fazla uygulama ve araştırma bulunmayan bir konudur. Bu nedenle mimarlar ve mühendisler tarafından bu sistemlerden enerji kazanımları sağlayan tasarım çözümleri araştırılmalıdır.Çift cidarlı cephe sistemlerinin tasarımı birçok mimari tasarım kararına dayanmaktadır. Bu çalışmada, çift cidarlı cephe sistemlerinin enerji performansı üzerinde etkili olan tasarım kararları belirlenerek, kapsamlı bir biçimde irdelenecektir. Anahtar Kelimeler: çift cidarlı cepheler, enerji performansı, mimari tasarım kararları

Effective architectural design decisions in double skin facades ABSTRACT In architectural discourse, it is possible to notice a rising interest in building skin configurations which promise to help minimizing the loss of energy while maximizing its gain. In parallel, it is possible to see that the use of doubleskin glass facades globally pervades. All over the world double-skin facade applications multiply day by day. This technology is still quite new in Turkey and it is not possible to find many applications or researches done on this subject. For this reason, architects and engineers should be focused on the designs solutions providing energy savings. The design of DSF depends on various architectural decisions. In this study, effective design decision parameters on energy performance of DSF systems will be discussed in a comprehensive way in architectural perspective by reviewing previous studies. Keywords: double skin façades, energy performance, architectural design decisions

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


T. İnan, T. Başaran

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) 1970 enerji krizinden bu yana dünya çapında sürdürebilirlik, enerji etkinlik gibi kavramlara eğilim bulunmaktadır. Bu da dünya üzerinde hızla artmakta olan enerji gereksinimlerine rağmen tüketilebilir enerji kaynaklarının hızla azalmasının sonucunda ortaya çıkan bir durumdur. Dünyada olduğu gibi ülkemizde de toplam enerjinin büyük bir kısmı ısıtma, soğutma, havalandırma ve aydınlatma amaçlı olarak kullanılmaktadır. Türkiyede yaklaşık olarak toplam enerjinin % 20’si ulaşım, %43’ü endüstri ve %37’si binalarda kullanılmaktadır [1]. Bu da binaları yaşam evreleri boyunca daha az enerji tüketen binalar olarak tasarlamayı zorunlu kılmaktadır. Bu nedenle sürdürülebilir, enerji etkin bina arayışı, mimaride gün geçtikçe önemli bir rol kazanmaktadır. Bu yaklaşım mimari tasarım kararlarının gözden geçirilmesini gerektirmektedir. Tipik bir binada enerji kayıplarının %40’ı dış duvarlardan, %30’u pencerelerden %17’si kapılardan, %7’si çatıdan ve %6’sı döşemelerden olmaktadır. Bu bağlamda enerji kayıplarını minimuma indirmeyi ve kullanılan enerjiden maksimum düzeyde faydalanmayı hedefleyen yapı kabuğu sistem arayışı üzerine yapılan araştırmalar mimari söylemde gittikçe önemli bir yer kazanırken, yapı sektöründe çift cidarlı cam cephe sistemlerinin kullanımı küresel ölçekte yaygınlaşmıştır. Avrupa ve Kuzey Amerika’da yaygın kullanım alanına sahip olan çift kabuk cephelerin ülkemizde uygulama alanı yok denecek kadar az sayıdadır. Soğuk iklim bölgelerinde uygulandığında binanın enerji performansını arttırmada etkili rol oynayan çift cidarlı cephe sistemleri ülkemizdeki bazı bölgelerde olduğu gibi sıcak ve ılıman iklim bölgelerinde fazla uygulama alanına sahip değildir. Bir yapının enerji performansını arttırmak sonradan entegre edilen iyileştirmelerden ziyade, tasarım evresinin başlangıcında verilmiş olan etkili mimari tasarım kararlarına bağlıdır. Çift cidarlı cephe sistemlerde de tasarım aşamasında karar verilmesi gereken birçok parametre vardır. Bunlardan en etkili olanları; çift cam cephenin geometrik konfigurasyonu ve binadaki oryantasyonu, çift cidarlı cephenin yüzeylerinde kullanılan cam tipleri, iki cam cephe arasında kalan hava kanalının boyutları, menfezlerin cephedeki konumları, havalandırma modları ve güneş kırıcıların hava kanalındaki konumlarıdır. Bu çalışmada sürdürülebilir, enerji etkin bir yapı kabuğu olarak dünyada kendine geniş bir uygulama alanı bulmuş çift cidarlı cephe sistemleri üzerinde etkili olan tasarım kararlarının üzerine odaklanılacaktır. Çift cidarlı 428

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

cephe sistemleri üzerinde etkili olan tasarım kararları irdelenerek bu sistemlerin kullanılabilirliğini arttırmak adına problem odaklı çözümler üzerinde durulacaktır. 2. ÇİFT CİDARLI CEPHELER (DOUBLE SKIN FACADES)

Çift cidarlı cephe sistemleri literatürde çeşitli adlarla anılmaktadır. Bunlardan en sık rastlanan ifadeler “çift cidarlı cepheler”, “çift cam cepheler”, “aktif cepheler”, “enerji etkin cepheler”, “havalandırılmış çift cidarlı cepheler” ve“havalandırmalı cepheler” dir. Literatürde farklı adlarla nitelendirilen bu cephe sistemleri çeşitli kaynaklarda farklı şekillerde tanımlanmıştır. Saelens vd. [2], Çift cidarlı cephe sistemini hava kanalı gibi davranan bir boşluk ile birbirinden ayrılmış, şeffaf iki yüzeyden oluşan bir kabuk olarak ifade etmiştir. Bu hava kanalı içinde güneş kırıcı elemanlarının konumlanabilmesi ile kötü hava koşullarına karşı bu elemanların korunumu sağlanabilmektedir. Bu tanımlamada bina kabuklarının yapımı, yüzeylerdeki şeffaflık ve boşluğun hava akışındaki rolü vurgulanmıştır. Loncour vd. [3] havalandırılmış çift cidarlı cephe sistemini, klasik tek cephenin ikinci bir cam cephe yüzeyi ile çift cephe haline gelmesi olarak ifade etmektedir. Bu yüzeyler cidar olarak adlandırılmış ve havalandırılmış boşluk bu iki cidar arasında konumlanmaktadır. Jiru vd. [4], çift cidarlı cepheleri iki camdan oluşan ve bu camlar arasında bir hava kanalı olan yapı kabuğu olarak tanımlamıştır. Güneş kırıcı elamanlar bu hava boşluğuna yerleştirilmiştir. Havalandırılmış boşluk bir termal tampon bölge gibi çalışmaktadır. Bu boşluk soğutma döneminde istenmeyen ısı kazançlarını, ısıtma döneminde ise istenmeyen ısı kayıplarını azaltmaktadır. Bu sistemler güneşin neden olduğu kamaşma sorununu kontrol edilebilir hale getirmekte ve gün ışığından maksimum düzeyde yararlanmayı sağlamaktadır. Çift cidarlı cepheler ikinci bir yapı kabuğuna sahiptir ve genellikle bir dış cam cephe ve cam veya kısmen cam malzemeden oluşan bir iç cam cepheden oluşur. Dış cam genellikle tek saydam bir camdan oluşur. İç cam ise genellikle çift camdır ve low-e veya güneş kontrollü camlardan oluşur (Şekil 1). Bu yapı kabukları birbirinden boyutları 20cm ile 2 m arasında değişebilen, hava kanalı olarak adlandırabileceğimiz bir boşluk ile ayrılır. Bir termal tampon bölge gibi davranan bu boşluk doğal ve/veya mekanik olarak havalandırılabilir. Tampon bölge oluşturan bu hava kanalı binayı yüksek hızdaki rüzgarlardan ve rahatsız edici gürültüden binayı

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013


Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

korur. Güneş kırıcı elemanlar da bu hava boşluğuna yerleştirilerek olumsuz hava koşullarından etkilenmez.

T. İnan, T. Başaran

3. ÇİFT CİDARLI CEPHELERDE ETKİLİ TASARIM KARARLARI (EFFECTIVE DECISIONS ON DOUBLE SKIN FACADES)

Şekil 1. Çift cidarlı cephe sistemi (Double skin facade system)

Çift cidarlı cephelerin enerji performansı üzerinde aktif rol oynayan belirli parametreler bulunmaktadır. Bu parametrelerin problem odaklı çözümler üretebilmek için bilinmesi önemlidir. Mimari tasarımın ilk evrelerinden itibaren bu etkili tasarım kararlarının seçiminde dikkatli olunmalıdır. Bu tasarım kararları da ısı, güneş ışığı, ses, rüzgar, yangın, estetik vb. gibi birçok tasarım etmenine bağlıdır. Bu etmenlere bağlı olarak çift cidarlı cephelerin enerji performansını desteklemek için mimari tasarımın ilk evrelerinde verilmesi gereken bazı tasarım kararları bulunmaktadır. Bu çalışmada bu etmenlere bağlı olan kararları mimari bağlamda irdelenecektir.

Çift cidarlı cephelerde ısı geçişleri; iletim, taşınım ve ışınım yoluyla olmaktadır. Güneş ışınlarının absorbe edilmesi ile boşuğa alınan havadaki sıcaklık yükselir (Şekil 2). Bu hava kanalı olarak da adlandırılan boşlukta hava akımı olduğu sürece ısı hava akışıyla uzaklaştırılır ve aşırı ısınma problemi önlenebilir [5]. Aksi durumda ise boşluk içindeki sıcaklık artar; binanın termal konforu olumsuz etkilenir ve ilave soğutma yükü oluşur. Isı geçişlerinin kontrolü ile her iki cephenin yüzey sıcaklıkları arasındaki fark azaltılarak bu yapı kabukları ile enerji etkinliğine katkı sağlanabilir.

Şekil 2. Çift cam cephedeki ısı transfer mekanizması (Heat transfer mechanism at double skin facade)

Çift cidarlı cephe sistemleri kışın iç ortamın ısıtma ihtiyacını, iç cam cephenin dış sıcaklığını güneş ışığı ile arttırarak azaltır. Yazın ise hava boşluğundaki havalandırma ile iç ortamdaki soğutma gereksinimleri azaltılır. Hava giriş ve çıkış menfezleri hava boşluğunda aşırı ısınma problemlerinin artmasını önlemek amacı ile yazın açılır. Yaz gecelerinde bu hava kanalında depolanan soğuk hava gün içerisinde binanın soğutma enerjisine katkı sağlar [6]. Kışın ise hava boşluğunda güneş ışığından gelen ısıyı depolamak için hava giriş çıkış menfezleri kapatılır. Bu ısı, iç cam cephe ile iç ortama aktarılır. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013

Şekil 3. Çift cidarlı cephelerdeki etkin tasarım kararları ( Effective design factors on double skin facades)

3.1. Çift cidarlı cephede bina geometrisi ve yönlenme (building geometry and orientation on double skin facades)

Çift cidarlı cephe sistemleri komplike bir yapıya sahiptir. Çünkü tasarım sürecini, çift cidarlı cephe sistemlerinin geometrik, termofiziksel, ışıksal ve aerodinamik özellikler gibi çeşitli bileşenlerinin özellikleri belirler. Binanın geometrisi başlı başına önemli bir etkendir [7]. Mimari tasarım kararları binaların performansında belirleyici bir role sahiptir. 429


T. İnan, T. Başaran

Çift cidarlı cephenin yönlenmesinin yıllık soğutma yükleri üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Güney, güneydoğu ve güneybatı yönlerinin en etkili yönler olduğunu belirten çalışmalar bulunmaktadır [8-9]. Öte yandan doğu yönüne uygulanan çift cidarlı cephe sistemlerinin klasik tek cam cepheli sistemlere göre ısıtma enerjisi gereksinimlerini yaklaşık %16 oranında düşürdüğü görülmüştür. Ayrıca soğutma enerjisi gereksinimlerinin de artmadığı bulunmuştur [10]. Wong vd. [11], binanın doğu ve batı yönlerine yerleştirilen çift cidarlı cephe sistemlerinin, binayı güneş ışınımlarından koruyarak ve doğal havalandırma ile ısıyı hava kanalından uzaklaştırarak soğutma enerjisi gereksinimlerini arttırmadığını belirtmiştir. Gratia ve Herde [12] yaptıkları çalışmada çift cidarlı cephede, iki cephe arasında kalan boşlukta oluşan hava sıcaklıklarını incelemiş ve çift cidarlı cephenin güneye yönlendirildiğinde sera etkisinin oluştuğunu ve diğer yönlerde ise bu etkinin görülmediğini belirtmiştir. Bu durum tüm dünyada olduğu gibi özellikle kuzey yarım kürede de geçerli bir durumdur. Bu iki cephe arasındaki boşlukta oluşabilecek aşırı ısınma problemleri çift enerji performansını kötü yönde etkileyebileceği için özellikle kuzey yarım kürede bu cephe sistemlerinin dikkatli tasarımı büyük önem teşkil etmektedir. Bina yüksekliğinin havalandırma stratejilerinde ve hava kanalı üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır [3]. Binanın bulunduğu dış ortam koşulları da tasarımı etkiler. Örneğin bir bina trafik yoğunluğuna sahip bir yerde olsa akustik önlemler göz önüne tasarım evresinde mutlaka alınmalıdır. Diğer yandan kırsal alanda bu önemli bir sorun teşkil etmez. Uygun bir cephe tasarımı ile yazın ısı kazançlarında maksimum %40 gibi bir indirgeme görülürken, kışın ise %80 ısı kazanımı sağlarlar. Bu da çift cidarlı cephelerin enerji performansının, kış döneminde yaz dönemine göre iki kat daha iyi olduğunu gösterir [13]. Kim ve Song [14]çift cidarlı cephelerin ısıtma enerji kazanımında, cephenin yön faktörünün ve doğal havalandırmanın bu kazanıma olan etkilerini araştırmışlardır. 3 katlı bir binanın doğu ve batı cephelerine çift cidarlı cepheler uygulanmış ve kış mevsimi için ölçümler ve simulasyonlar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda batı cephesinde doğal havalandırma ile boşluktan binanın içine hava beslemesi yapıldığında enerji kazanımı sağlandığı görülmüştür. Doğu cephesinin ise düşük güneş ışınımlarına maruz kalmasından dolayı doğal havalandırma yoluyla enerji kazanımına katkı sağlanmadığı görülmüştür. David Stribling ile Byron Stigge [15] Londra’daki bazı çift cidarlı cepheli binalarda cephenin 8 farklı yöne göre ısıtma, soğutma ve havalandırma (işletim giderleri) için olan enerji tüketimlerini karşılaştırdığında çift cidarlı 430

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

cepheli sistemlerinin enerji tüketimlerinin klasik tek cepheli sistemlerden daha az olduğu görülmüştür (Şekil 3). Ayrıca yönlere bakıldığında güney, güneydoğu ve güneybatı yönlerinin daha avantajlı yönler olduğu görülür.

K

K

D

G

G

G

B

KB

Şekil 4. Çift ve tek cidarlı cephenin yönlere göre enerji tüketimleri (Energy consumption of double and one facades based on orientation)

Bu cephe sistemleri enerji etkinlilik ve termal konfor bakımında diğer cephelere nazaran daha iyi performans göstermektedirler. Fakat yine de opak cephelerle yarışamazlar. Çift cidarlı cephe sistemlerinde soğutma döneminde gözlenen aşırı ısınma problemleri ile ilgili olarak önlemler alınması gerekmektedir [16]. 3.2. Gün ışığı ve cam (Daylight and glass) Çift cidarlı cephelerin enerji kazanımı ile ilgili yararları dışında önemli özelliklerinden biri de doğal ışıktan yararlanabilme olanağıdır. Aydınlatma için gerekli olan enerji miktarlarından kazanç sağlarlar [17]. Öte yandan Hoseggen vd. [10] ise çift cidarlı cephe sistemlerinin, ilave cepheden dolayı mekan içinde günışığı aydınlık düzeylerini düşürdüğünü belirtmiştir. Çift cephe sistemleri iç mekanın görsel konforuna katkı sağlar. Fakat, gün ışığının temel gereksinimi sadece doğal ışığın miktarını maksimum düzeye getirmek değil, aynı zamanda mekana alınan ışığın kalitesini arttırmaktır [18]. Bu durum göz önüne alındığında, iç mekana alınan ışığın parlaklık düzeyinin konfor koşullarını bozmaması gerekir [19]. Tasarımcılar cam seçerken camın sadece güneş ışığına ilişkin, fiziksel ve termofiziksel özelliklerini düşünerek değil, aynı zamanda güneş ışığının etkisi altındaki malzemenin iç mekana verdiği ısı miktarını göz önünde bulundurması gerekmektedir [20]. Tek klasik cephelerle çift cidarlı cephe sistemleri karşılaştırıldığında; gün ışığının bina içine alınması ek cam cepheden dolayı çift cidarlı cephelerde daha az orandadır. Eğer eklenen dış cam cephe tek camdan oluşuyorsa azalma en az %10 oranındadır. Saydamlığı yüksek bir camsa azalma yaklaşık %7-8 oranındadır [6]. Ayrıca iki cephe arasındaki boşluğa yerleştirilen

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013


Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

güneş kırıcı elemanlar oda içindeki ışık düzeyini azaltabilir [8]. Çift cidarlı cephe sistemleri güneş ışığından ısı kazanımını düşürmeye olanak sağlayabilir. Bina kabuğundaki ısı kazanımı binanın saydam bileşenleri olan cam yüzeylerinden ısının geçişi ile olur [9]. Çift cidarlı cephelerdeki uygun cam seçimleri ile soğutma yükleri önemli derecede düşürülebilir [21]. Türkiye’de üretilen ve kullanılan camların başlıcaları; berrak camlar, renklendirilmiş camlar, yansıtıcı camlar, güneş kontrol camları, low-E camlar, temperlenmiş camlar ve enerji üreten fotovoltaik camlardır.

Şekil 5. İç ve dış cidarda güneş kontrol camları (solar control glasses indoor and outdoor skin)

Çift cidarlı cephelerde dış cephe genelde tek camdan oluşurken iç cephe çift camlıdır. Camdaki yansımalardan dolayı oluşabilecek ışığın istenmeyen etkilerini azaltmak için dış cephe genelde renksiz şeffaf tek camdan oluşur [23]. İçteki cephede ise genellikle low-E cam türleri kullanılır. Bu cam düzenlemelerinin aksine bazı çalışmalarda içteki cephede tek cam kullanılırken dıştaki cephede çift cam kullanılmıştır [4,9,24]. Hatta bu düzenlemenin binanın soğutma enerji yüklerini düşürdüğü de görülmüştür. Araştırmacılar yaptıkları çalışmada iç cepheye tek berrak cam, dışarıdaki cepheye ise çift yansıtıcı cam yerleştirmişlerdir. Bunu klasik tek emici camlı cephe ile karşılaştırdıklarında çift cidalı cephenin binanın soğutma enerji gereksinimlerini %26 azalttığını bulmuşlardır [9]. Haase vd. [8] güney cephesine yerleştirilmiş bir çift cidarlı içinyaptıkları çalışmada pencere-duvar oranının da soğutma yüküne olan önemli katkısına değinmişler ve iç cepheye yerleştirdileri berrak camlar soğutma yükü bakımından en yüksek değerleri aldığını göstermişlerdir. Yansıtıcı camlarla güneş camları arasında benzer özellikler görülmüştür.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013

T. İnan, T. Başaran

3.3. Güneş kırıcı elemanlar (Solar shading devices) Güneş kırıcı elemanlar, güneşten gelen ışınlara karşı binayı aşırı ısınmadan koruyan, özellikle yaz döneminde yapının dış kabuğundan bina içine geçmesi istenmeyen güneş ışınlarını yansıtarak veya bir kısmını absorbe ederek binadan uzaklaştıran elemanlardır. Binanın soğutma yüküne olumlu yönde etki etmektedirler. Genel olarak panjur, jaluzi ve stor olarak üç çeşit güneş kırıcı eleman kullanılmaktadır. Bunlar boşluğun iç yüzeyinde, dış yüzeyinde veya ortasında kullanılabilir. Jaluziler genellikle içteki cephenin dış veya iç yüzeyine konumlandırılır. Binanın kullanım ömrü boyunca bakım ve onarımının daha rahat olabilmesi için genellikle bu elemanlar iç ya da dış cepheye daha yakın konumlandırılırlar [25]. Bazı tasarımcılara göre güneş kırıcı elemanların cephenin dışına konumlandırılması bakım ve estetik kaygılar yönünden olumsuzdur. Güneş kırıcı elemanların iç cepheye yerleştirilmesi, güneş enerjisi kazanımlarının kontrolü bakımından etkili bir çözüm olarak görülmemektedir [3]. Bu elemanların iki cephe arasındaki boşluğa yerleştirilmesi durumunda absorbe edilmiş güneş enerjisi ısı kazanımlarının uzaklaştırılmasında zorluklar oluşabilmektedir [26]. Bu görüşün aksine Haase [27] güneş kırıcı elemanların dış cepheye veya boşluğun ortasına yerleştirilmesinin güneş enerjisinden olan ısı kazanımlarını azalttığını belirtmiştir. Güneş kırıcı elemanlar ile dış cephe arasındaki mesafe, çift cidarlı cephe arasındaki boşluk içindeki hava hız profilleri bakımından önemli bir etkiye sahiptir [28]. Güneş kırıcı elemanların konumu çift cidarlı cephenin ısıl performansı üzerinde belirleyici role sahiptir. Eğer güneş kırıcı elemanlar dış cepheye daha yakın konumda yerleştirilirse, bu durum doğal havalandırmaya katkıda bulunur ve iki cephe arasındaki boşlukta oluşabilecek aşırı ısınma problemlerini azaltır. Güneş kırıcı elemanlar en az dış cepheden 150 mm mesafe bulunacak şekilde boşluğun dış cephe yönünde ilk 1/3’lük kısmına yerleştirilmelidir [6]. Güneş kırıcı elemanların rengi ve açısı çift cidarlı cephelerin performansını belirleyen diğer önemli paremetrelerdir. Siyah renkli güneş kırıcı elemanlar boşlukta aşırı ısınmaya neden olur. Beyaz renkli olanlar boşluktaki sıcaklığı düşürür ve aşırı ısınma sorununu azaltmaya katkı sağlar [27]. Gavan vd. [29] yılında yaptıkları çalışmada çift cidarlı cephe içerisindeki sıcaklık profillerini bir deney düzeneği aracılığıyla incelemişlerdir. Çalışmaların sonucunda hava boşluğu içerisindeki sıcaklığın ve cephelerdeki yüzey sıcaklığının güneş kırıcı elemanların açısına bağlı olduğunu tespit etmişlerdir. Güneş kırıcı elemanlar 431


T. İnan, T. Başaran

tamamen kapalı olduğu durumda, elemanların açık olduğu duruma göre güneş kırıcı elemanın dış cepheye bakan hava boşluğunda ve güneş kırıcı elemanlarda aşırı yüksek sıcaklıklar görülmüştür. Bir başka çalışmada ise hava boşluğunda iç cam cepheye daha yakın yerleştirilen güneş kırıcı elemanların yazın olan ısı kazanımını % 40 oranında azalttığı görülmüştür [30]. Bu da çift cam cephe arasındaki hava boşluğunda gözlenebilecek aşırı ısınma problemlerine doğal havalandırmanın olumlu etkileri olduğunu göstermektedir. Güneş kırıcı elemanlarla ilgili bir diğer önemli konuda malzeme seçimidir. Güneş kırıcı elemanların yüzeyleri güneş ışınımından dolayı yüksek sıcaklıklara maruz kalmaktadır. Güneş kırıcı elamanların yüzey sıcaklıklarını azaltmak için alüminyum profiller yerine fotovoltaik paneller kullanılabilir. Bu çift cidarlı cephenin enerji performansına katkı sağlar [31]. Stec vd. [32] yaptıkları çalışamada bitkileri güneş kırıcı olarak kullanmışlar ve iki cephe arasında kalan boşluk sıcaklığında ve binanın soğutma enerji gereksinimlerinde azalma sağlamışlardır. 3.4. İklimsel ve mevsimsel durumlar (Climatical and seasonal conditions) Çift cidarlı cephelerin her iklim koşulundaki bölgelerde inşa edilebilmesi için tasarımının dikkatli yapılması gereklidir. Fakat bu cephe sistemlerinin her binada ve her konumda en iyi seçim olmadığını belirten çalışmalar da bulunmaktadır [33]. Her binanın birbirinden bağımsız düşünülmesi gerektiği durumu ortaya çıkmaktadır. Günümüzde ise çift cidarlı cephe sistemleri ile ilgili yapılan araştırmalar sadece soğuk iklim bölgeleri için değil; sıcak-nemli, sıcak-kuru, ılımannemli gibi diğer iklim bölgeleri içinde yapılmaktadır. Mimari tasarım kararları çift cidarlı cephenin enerji performansını belirlemede büyük önem arz etmektedir. Özellikle yaz mevsiminde sıcak nemli iklimlerde soğutma yüklerini azaltmak çok önemlidir. Bu da ancak çift cidarlı cephenin enerji etkinliğini sağlayacak tasarımlarla olmaktadır [8]. Çift cidarlı cephe sistemleri sert kış mevsim koşullarının olduğu soğuk iklim bölgelerinde binayı dış ortam koşullarından yalıtarak ısıtma için olan enerji tüketimlerini azaltırlar [24]. Yılmaz ve Çetintaş [34] yaptıkları çalışmada tek klasik cepheler ile çift cidarlı cepheleri karşılaştırmış ve çift cidarlı cephenin kış mevsiminde binanın ısıtma enerji gereksinimini azalttığını belirtmiştir. Saelens vd. [26] yaptıkları çalışmada çift cidarlı cephe sistemlerinin İstanbul için kış mevsiminde binanın enerji performansını olumlu yönde etkilediğini;yaz mevsiminde ise kullanışlı olmadığını vurgulamıştır. Bu çalışmanın aksine, Asdrubalı and Baldinelli [18] çift 432

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

cidarlı cephe sistemleri ile hem kış hem de yaz mevsiminde enerji kazanımı sağlanabileceğini belirtmişlerdir. Kış mevsiminde % 28’lere kadar bir ısıtma enerjisinden kazanç söz konusu olabilirken; yaz mevsiminde ise soğutma yüklerinde % 14 civarında bir indirgemenin olabildiğini yaptıkları çalışmalar sonucunda gözlemlemişlerdir. Çift cidarlı bir cephenin enerji performansı ısıtma kazanç ve kayıplarına bağlı olmakla birlikte bunların haricinde de önemli faktörler bulunmaktadır. Cephe yüzeyleri arasında kalan havadaki entalpi değişimi ve tüm binanın enerji analizi çift cidarlı cephenin enerji performansını belirleme bakımından önemlidir [2]. 3.5. Hava kanalının boyutu (Dimension of air channel) Çift cidarlı cephede, iki cephe arasında kalan boşluğun boyutu birçok parametreye bağlı olarak genelde 20 cm ile 200 cm arasında değişebilmektedir. Bunlardan bazıları, estetik faktörler, güneş kırıcı eleman türleri, temizlik/bakım gibi ihtiyaçlar ve havalandırma stratejileridir. Havalandırma ve çift cidarlı cephe içindeki sıcaklık üzerinde iki cephe arasında kalan boşluğun boyutunun önemli etkileri bulunmaktadır [35]. Boşluğun eni daraldıkça boşlukta önemli basınç kayıpları oluşmaktadır. Bu durum boşluktaki hava akışının cephenin boyutu ve formu ile ilişkili olduğunu göstermektedir. Zöllner vd. [36] yaptıkları çalışmada çift cidarlı cephedeki kanal boyutunun eninin 0.3-1.5 m arasında değişebileceğini belirtmiştir. Ayrıca tipik kat yüksekliği 4 m olarak kabul ederek boyutsuz oranlar belirlemiştir. Kat yüksekliği (H) ile iki cephe arasında kalan boşluğun eni (S) arasında ilişki kurularak 3< H/S< 15 aralığında olan bir boyutsuz aralık belirlenmiştir. Boşluğun bölümlere ayrımı ile bu bölüm boyutları (B) ile boşluğun eni arasında 0.5< B/S <500 aral��ğında olan boyutsuz bir oran belirlenmiştir.

Şekil 6. Hava kanal boyut örneği (An example of air channel) [37]

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013


T. İnan, T. Başaran

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

Yuan vd. [30], çift cidarlı cephenin enerji performansına katkısını arttırmak için eğer boşluğun eni 1 m’den küçükse bunun arttırlması gerektiğini ya da havalandırılan yüksekliğin azaltılması gerektiğini belirtmişlerdir. Diğer yandan yangın faktörü göz önüne alındığında bazı deneysel incelemeler sonucunda boşluğun eninin önemli bir faktör olduğu gözlenmiştir [38]. Boşluğun yatayda bölümlere ayrılması kadar boşluğun eni de binanın yangın güvenliği bakımından önem teşkil etmektedir. 3.6. Çift cidarlı cephe ve menfez boyutları (Double skin facades and vent sizes) Binanın dışında bulunan ikincil cephe, dışardan gelen gürültüye karşı sesi sönümleyici bir perde görevi görür. Dış cephede bırakılan boşluklar bu duruma önemli derecede etki eder. Dış cephede düzenlenen doğal havalandırmaya katkı sağlayan menfezler, diğer yandan binanın ses yalıtımını olumsuz etkileyebilir. Bu durumlar göz önüne alınarak, binanın bulunduğu yerin gereksinimine göre dış cephenin ses yalıtımı sağlanmalıdır. Dış cephede sağlanan bu ses yalıtımı sayesinde içteki cephede bulunan pencereler dış ortamın gürültüsüne maruz kalınmadan açılabilir [6]. Cam cephenin sağlaması gereken ses yalıtımı bölgenin gürültü durumuna ve binanın kullanımına göre değişebilmektedir. Gerekli ses yalıtımı camın kalınlığının arttırılması yada çift camın kullanılması ile sağlanmaktadır [39]. Binanın ana cephesinin önüne yerleştirilen hava giriş çıkış açıklıkları olan cam cephe basınç dalgalanmalarını azaltır ve 10 m/s rüzgar hızlarına kadar dış cephedeki açıklıklar yoluyla doğal havalandırmaya olanak sağlar [36]. Mingotti vd. [40] cephe yüksekliği ve menfez boyutlarına ilişkin yaptıkları çalışmada çift cidarlı cephenin herbir akış moduna göre optimize edilebileceği sonucuna varmıştır. Deneysel çalışmalar ve sayısal model analizleri sonucunda; küçük menfezlerin kış mevsiminde ısı kayıplarını azaltması bakımından etkili olduğu, öte yandan geniş menfezlerin özellikle yaz döneminde oluşabilecek aşırı ısınma problemlerini gidermede etkili olacağını tespit etmişlerdir. Ayrıca çift cidarlı cephenin alt kısmına yaz mevsiminde faaliyette bulunması şartı ile hava giriş menfezleri ilave edilebilir. Hava giriş ve çıkış menfezlerinin boyutları ve cephedeki konumları çift cidarlı cephenin enerji performansını ciddi oranda etkilemektedir [6]. Zhou ve Xue [23] yaptıkları çalışmada 2 hava giriş menfezi ve 3 hava çıkış menfezi olan cephenin 3 hava giriş menfezi ve 2 hava çıkış menfezi olan cepheye göre daha iyi enerji performansı sergilediği sonucuna varmışlardır. 2 hava giriş menfezi bulunan modelde ters akış alanı daha SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013

fazladır. Her iki tarafta da olan ters akış bölgesi iç mekanın ısıl ışınımını azaltmaya yardımcı olur. Böylece enerji kazanımına katkı sağllanmış olur. Menfez boyutları genişledikçe havalandırma hızı artmasına rağmen bu durum üst katlarda oluşan basınç farklılıkları bakımından elverişsizdir. Üst katlarda uygun bir havalandırma sağlamak için açıklıklar 2 m2’den az olmamalıdır [41]. Compagno [5] yaptığı calisma sonucunda hava giriş-çıkış menfezlerinin cephedeki konumları, bina cephesindeki rüzgar basınç durumlarına ve açıklıkların baca etkilerine bağlı olduğunu ifade etmiştir. Ayrıca iki boşluk arasındaki hava akışını belirlemede en önemli etkenin hava giriş ve çıkış menfezleri arasındaki basınç farkı olduğunu vurgulamışlardır. Mevsimsel ve iklimsel koşullara göre ayarlanabilir hava menfezleri daha işlevseldir. Yazın iki cephe arasında kalan boşluk mümkün olduğunca havalandırılmalıdır. Bu durum ısı geçişleri ile olan kazanımı azaltır ve dolayısıyla soğutma yüklerini düşürür. Eğer cephelerin arasındaki bu boşlukta havalandırma olmazsa soğutma yükleri artar [26]. 4. TARTIŞMA (DISCUSSION) 

1990’lı yıllardan günümüze kadar uzanan süreçte çif cidarlı cephe sistemleri giderek artan bir ivme ile farklı disiplinler tarafından birçok çalışmaya konu olmuştur ve olmaya da devam etmektedir. Bu baımdan, özellikle Avrupa ve Kuzey Amerika’da eneri etkin yapı kabuğu olarak önerilen çift cidarlı cehe sistemlerinin ülkemizin iklim koşulları göz önnde bulundurularak, enerji etkinliği sorgulaması gereken önemli bir konudur.

Çift cidarlı cephe sistemlerinin enerji performansı üzerinde belirleyici rol oynayan ve tasarımın başlangıç aşamasında mutlaka dikkate alınması gereken mimari tasarım kararları büyük önem teşkil etmektedir (çift cidarlı cephenin geometrik konfigürasyonu, cephenin yönü, cephede kullanılan cam türleri, iki cephe arasında kullanılan hava kanalının boyutu, hava kanalı içindeki akış mod türleri, menfezlerin cephedeki konumu ve boyutları vb) (Şekil 3)

Bina geometrisinin tasarımı ve bu geometriye göre şekillenen çift cidarlı cephe sistemi başlı başına enerji performansını metkileyen önemli bir mimari tasarım kararıdır. Bina geometrisi ve çift cidarlı cephe etkileşimi belirlenen mimari tasarım faktörleri (Şekil 3) ile varyasyonları geliştirilerek analiz edilmelidir.

433


T. İnan, T. Başaran

Son on yılda çift cidarlı cephe sistemleri ile yapılan tüm çalışmalar incelendiğinde, araştırmacıların bu sistemler hakkında hemfikir oldukları ortak avantaj doğal havalandırmaya olanak sağlamasıdır. Araştırmacıların büyük bir yüzde ile kabul gördükleri dezavantaj ise çift cidarlı cephe arasında oluşan aşırı ısınma probleminin mekanın ısıl konforunu olumsuz etkilemesidir [42].

Çift cidarlı cephe yüzeylerinde uygun cam seçimi ve güneş kırıcı elemanların bu iki cephe arasında kalan hava kanalına yerleştirilmesi ile bu elemanların enerji etkinliği üzerinde olan belirleyici rolünün dısında, dış ortamın olumsuz iklim koşullarından korunması da sağlanabilmektedir. Ayrıca literatürde yapılan araştırmalarda, güneş kırıcı elemanların çift cidarlı cephede bulunan hava kanalında uygun şekilde konumlandırılması durumunda, araştırmacıların çoğunluğunun en büyük dezavantaj olarak kabul ettikleri aşırı ısınma probleminin önüne geçilebileceği görülmektedir.

Isıtma döneminde enerji tüketiminde kazanım sağlayarak enerji etkin yapı kabuğu olarak önerilen çift cidarlı cephe sistemlerinden, soğutma döneminde de aşırı ısınmadan dolayı olan enerji tüketiminde artışın uygun mimari tasarım kararları ile önüne geçilmesi gerekmektedir. Yani ısıtma sistemindeki kazançtan ziyade özellikle sıcak nemli bölgelerde soğutma enerji tüketimindeki kazançlar tasarım aşamasında dikkate alınması gereken önemli bir tasarım kararıdır.

Çift cidarlı cepheli sistemler için belirlenen tek bir tasarım modeli olamaz. Yani mimari tasarım parametlerinin (Şekil 3) kombinasyonları ile çeşitli varyasyonlar türetilebilir ve bunlarında biri diğerinden farklı bir iklim bölgesi için daha uygun olabilir. Bu nedenle bu çalışmada çift cidarlı cephe sistemlerinin tasarımında etkin olan tasarım kararları (Şekil 3) deney ve simülasyonlarla kapsamlı bir biçimde irdelenmelidir. 5. SONUÇLAR (CONCLUSIONS)

Çift cidarlı cephe arasında bulunan hava kanalı tampon bir bölge görevindedir. Isıtma döneminde istenmeyen ısı kayıplarını önlemektedir. Soğutma döneminde ise cephede konumlandırılan hava menfezleri ile doğal havalandırmaya olanak sağlayarak istenmeyen ısı kazançlarını dışarıya tahliye edebilmektedir. Yüksek yapılarda bile rüzgar hızlarını sönümleyerek doğal havalandırmaya olanak sağlayabilmesi çift cidarlı cephe sistemlerinin önemli bir avantajıdır.

Çift cidarlı cephe sistemleri her ne kadar doğal havalandırmaya olanak sağlayarak soğutma döneminde istenmeyen ısı kazançlarını dışarı tahliye edebilme özelliğine sahip olsada, çift cidarlı cephe sisteminin yapıldığı ülkenin iklim koşullarına göre mimari tasarımında etkili olan parametrelerin seçimine (Şekil 3), özellikle sıcak-nemli ülkelerde dikkat edilmesi gerekmektedir. Çünkü incelenen literatür taraması sonucunda özellikle sıcak-nemli ülkelerde hava kanalındaki doğal havalandırmanın yetersiz olmasından dolayı iki cephe arasında aşırı ısınma problemleri görülebilmektedir. Çift cidarlı cephelerde en büyük tehlike oluşturan sorun aşırı ısınma problemidir. Aşırı ısınma problemi kullanıcının ısıl konforunu olumsuz etkilemekle beraber yapının enerji maliyetini de olumsuz etkilemektedir. Doğal havalandırma ile bu aşırı ısınma probleminin önüne geçilmeye çalışılması gerekmektedir. Bunun etkin olabilmesi için çift cidarlı cephedeki hava menfezlerinin boyutu ve cephedeki konumu irdelenmesi gereken önemli bir mimari tasarım kararıdır.

434

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

Tüketilebilir enerji kaynaklarının azalması ile binalarda enerji korunumunu sağlamak amacıyla ekolojik, sürdürülebilir, çevre dostu bina çözümü arayışına gidilmiştir. Çift cidarlı cephe sistemleri değişen çevre koşullarına uyum sağlayabilen enerji etkin yapı kabuklarıdır. Bu sistemler sadece soğuk iklimlerde değil sıcak iklime sahip bölgelerde de yani her iklim koşulunda kullanılabir. Fakat, mimari tasarım aşamasında verilmesi gereken birtakım tasarım kararları bu sistemlerin enerji performasında belirleyici rol oynar. Binanın formu, iki cephe arasında kalan boşluğun boyutları, çift cidarlı cephenin binadaki yönlenmesi, havalandırma açıklıklarının cephedeki konumu ve boyutları, cephelerde kullanılan cam tipleri, güneş kırıcı elemanların türü, rengi, ve konumu, uygun havalandırma türü ve akış modları tasarım aşamasında göz önünde bulundurulması gereken önemli parametrelerdir. Bu paremetrelerle ilgili tasarım kararları alınırken çift cidarlı cephenin inşa edileceği yerin iklimsel ve mevsimsel durumları da göz önünde bulundurulmalıdır. Bu çalışmada çift cidarlı cephelerin enerji performansında etkili olan tasarım parametreleri yapılan literatür taraması ile belirlenmiştir. Isıtma döneminde ısı kayıplarını azaltma, soğutma döneminde ısı kazançlarını azaltma iddasında olan bu sistemlerin enerji etkinliklerinin, bu çalışmada belirlenen mimari tasarım ölçütleri ile çift cidarlı cephe varyasyonları geliştirilerek, teorik ve deneysel çalışmalar eşliğinde kapsamlı olarak analiz edilip değerlendirilmelidir. Halen devam eden çalışma kapsamında, belirlenen tasarım parametreleri doğrultusunda oluşabilecek çift cidarlı cephe varyasyonlarının enerji etkinliklerinin, ülkemizin

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013


T. İnan, T. Başaran

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

iklim bölgeleri için varyasyonları geliştirilerek enerji etkinlikleri irdelenecektir.

[12] [13]

Bu çalışma Tübitak 1001-Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Projelerini Destekleme Programı tarafından 112M170 numaralı proje kapsamında desteklenmektedir.

[14]

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] [2]

[3]

[4]

[5] [6] [7]

[8]

[9]

[10]

[11]

Yılmaz, Z. (2006) ‘Akıllı Binalar ve Yenilenebilir Enerji’, Tesisat mühendisliği dergisi, sayi. 91, s. 7-15. Saelens, D., Roels, S. & Hens, H. (2008) ‘Strategies to improve the energy performance of multiple-skin facades’, Building and Environment, vol. 43, no. 4, April, pp. 638-650. Loncour, X., Deneyer, A., Blasco, M., Flament, G. and Wouters, P. (2004) Ventilated Double Skin Façades. Belgian Building Research Institute (BBRI), Contributed Report 03. Jiru, T.E., Tao, Y.X. & Haghighat, F. (2011) ‘Airflow and heat transfer in double skin facades’, Energy and Buildings, vol. 43, no. 10, October, pp. 2760–2766. Compagno, A. (2002) Intelligent Glass Facades: Material, Practice, Design, Basel: Birkhauser. Oesterle, E. and Lieb, R.L. (2001) Double-skin Façades – integrated planning. Munich, London: Prestel Verlag. Hensen, J., Bartak, M. and Drkal, F. (2002) ‘Modeling and simulation of a double-skin facade system/discussion’, Conference Proceedings, ASHRAE Transactions Symposia, pp. 1243-1251. Haase, M., Marques da Silva, F. & Amato, A. (2009) ‘Simulation of ventialated facades in hot and humid climates’, Energy and Buildings, vol. 41, no. 4, April, pp. 361-373. Chan, A.L.S., Chow ,T., Fong, K.F. & Lin, Z. (2009) ‘Investigation on energy performance of double skin facade in Hong Kong’, Energy and Buildings, vol. 41, no. 11, November, pp. 1135– 1142. Høseggen, R., Wachenfeldt, B.J. & Hanssen, S.O. (2008) ‘Building simulation as an assisting tool in decision making, case study: with or without a double-skin facade?’, Energy and Buildings, vol. 40, no. 5, pp. 821–837. Wong, P.C., Prasad, D. & Behnia, M. (2008) ‘A new type of double-skin façade configuration for the hot and humid climate’, Energy and Buildings, vol. 40, no. 10, pp. 1941-1945.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22] [23]

[24]

Gratia, E. & Herde, A. (2007) ‘Greenhouse effect in double-skin facade’, Energy and Buildings, vol. 39, no.2, February, pp. 199–211. Hamdan M.A. (1994) ‘Thermal gains through windows’, Energy Convers Manage, vol. 35, no. 6, June, pp. 861-872. Kim, S.Y., and Song, K.D. (2007) ‘Determining photosensor conditions of a daylight dimming control system using different double-skin envelope configurations’, Indoor and Built Environment, vol. 16, no.5, October, pp. 411425. Stribling, D. and Stigge, B. A critical review of the energy savings and cost payback issues of double facades [Online], Available: http://www.cibse.org/pdfs/8cstribling.pdf. [15 Aug 2013]. Perino, M. and Serra, V. (2006) Advanced Integrated Façades:An Overview based on Advanced integrated façades state of the art, Final Report of Subtask A, IEA- ECBCS- 4th ANNEX 44. Gratia, E. & Herde, A. (2007) ‘Guidelines for improving natural daytime ventilatioin an office building with a double-skin facade’, Solar Energy, vol. 81, no. 4, April, pp. 435–448. Asdrubalı, F. and Baldinelli, G. (2007) ‘A new double skin facade with integrated movable shading systems: numerical analysis and evaluation of energy performance Energy, climate and indoor comfort in mediterranean countries’, Conference Proceedings, CLIMAMED 2007, pp. 259- 272. Çetiner, İ. (2002) Çift Kabuklu Cam Cephelerin Enerji ve Ekonomi Etkinliğinin Değerlendirilmesinde Kullanılabilecek Bir Yaklaşım, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Eşsiz, Ö. (2004) ‘Teknolojinin Cam Cephe Panellerine Getirdiği Yenilikler’, Sempozyum Bildirisi, 1. Ulusal Çatı & Cephe Kaplamalarında Çağdaş Malzeme ve Teknolojiler Sempozyumu, ÇATIDER, s.73.82. Singh, M.C., Garg, S.N. and Jha, R. (2008) ‘Different glazing systems and their impact on human thermal comfort-Indian scenario’, Building and Environment, vol. 43, no. 10, October, pp. 1596-1602. Poirazis, H. (2006) Double Skin Façades, Report of IEA SHC Task 34 ECBCS Annex 43. Zhou, C. & Xue, N. (2012) ‘The study of vent form of double-skin facade based on CFD’, Advanced Materials Research, vols. 374-377, October, pp.440-444. Park, C.S., Augenbroe,G., Messadi, T., Thitisawat, M. & Sadegh, N. (2004) ‘Calibration 435


T. İnan, T. Başaran

[25] [26]

[27] [28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35] [36]

[37]

436

of a lumped simulation model for double-skin facade systems’, Energy and Building, vol. 36, no.11, November, pp.1117-1130. Özler, M.E. (2003) Akıllı Binalarda Enerji Etkin Tasarım Parametreleri, Yüksek Lisans Tezi, ITU. Fen Bilimleri Enstitüsü , Istanbul. Saelens, D., Carmeliet, J. & Hens, H. (2003) ‘Energy Performance Assessment of MultipleSkin Facades’, Hvac & Research, vol. 9, no. 2, February, pp. 167-185. Haase, M. (2008) Double-skin facades for Hong Kong, PhD Thesis, University of Hong Kong. Safer, N., Woloszyn, M. & Roux, J.J. (2005) ‘Tree-dimensional simulation with a CFD tool of the airflow phenomena in single floor doubleskin facade equipped with a venetian blind’, Solar Energy, vol.79, no.2, August, pp. 193-203. Gavan, V., Woloszyn, M., Kuznik, F. & Roux, J.J. (2010) ‘Experimenatal study of a mechanically ventilated double-skin facade with venetian sun-shading device: A full-scale investigation in controlled environment’, Solar Energy, vol. 84, no. 2, February, pp. 183-195. Yuan, Y., Zeng, J., Zhu, Y. & Lin, B. (2007) ‘A lumped model of double skin facade with cavity shading’, Conference Proceedings, Building Simulation, pp. 211-216. Infield, D., Mei, L. & Eicker, U. (2004) ‘Thermal performance estimation for ventilated PV façades’, Solar Energy, vol. 76, no. 1-3, January- March, pp. 93-98. Stec, W.J., Van Paassen, A.H.C. & Maziarz, A. (2005) ‘Modelling the double skin facade with plants’, Energy and Buildings, vol. 37, no.5, May, pp. 419-427. Pasquay, T. (2004) ‘Natural ventilation in highrise buildings with double facades, saving or waste of energy’, Energy and Buildings, vol. 36, no.4, April, pp. 381–389. Yılmaz, Z. & Çetintas, F. (2005) ‘Double skin facade’s effects on heat losses of office buildings in Istanbul’, Energy and Buildings, vol. 37, no. 7, July, pp. 691–697. Balocco, C. (2002) ‘A simple model to study ventilated facades energy performance’, Energy and Buildings, vol. 34, no.5, June, pp. 469-475. Zöllner, A., Winter, E.R.F. & Viskanta, R. (2002) ‘Experimental studies of combined heat transfer in turbulent mixed convection fluid flows in double skin facades’, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 45, no. 22, October, pp. 4401-4408. Nikolaus, N. (2007) The need for Multi-Skin Facades in Buildings, Master Thesis, Leeds Metropolitan University, Leeds, UK.

Çift Cidarlı Cephelerdeki Etkin Mimari Tasarım Kararları

[38]

[39]

[40]

[41]

[42]

Chow, W.K., & Hung, W.Y. (2006) ‘Effect of cavity depth on smoke spreading of double-skin façade’, Building and Environment, vol. 41, no.7, July, pp. 970-979. Ünal, M. (2006) Çift Kabuk Cephelerin Sistematik Analizi ve Uygulama Örneklerinin İncelenmesi, Yüksek lisans tezi, Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, İstanbul. Mingotti, N., Chenvidyakarn, T. & Woods, A.W. (2011) ‘The fluid mechanics of the natural ventilation of a narrow-cavity double-skin facade’, Building and Environment, vol. 46, no.4, April, pp. 807-823. Ding, W., Hasemi, Y. & Yamada, T. (2005) ‘ Natural ventilation performance of a double-skin facade with a solar chimney’,. Energy and Buildings, vol. 37, no.4, April, pp. 411-418. İnan, T., ve Başaran, T. (2012) ‘Çift Cidarlı Cephe Sistemlerinin İncelenmesi’, Yapı Dergisi, sayi 370, Eylül, 122-126.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 427-436, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 437-446, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Ünal Çavuşoğlu1* , M. Muhammed Öztürk1 , Uğur Özbek2 , Ahmet Zengin1 1*

Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, Sakarya 2 Sakarya Üniversitesi, Uzaktan Eğitim Merkezi, Sakarya 25.12.2012 Geliş/Received, 22.08.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Bu makalede bilgisayar ağlarında trafik akışının düzenlenmesinde önemli bir yere sahip olan kuyruk yönetimi konusu ele alınmıştır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan kuyruk yönetim algoritmaları tanıtılarak kısaca çalışma prensipleri anlatılmıştır. Kuyruk yönetim algoritmalarının başarım karşılaştırması için NS-3 ağ simülatör programı kullanılmıştır. NS-3 ağ simülatörü üzerinde RED ve DROP TAIL kuyruk yönetim algoritmaları çeşitli topolojiler üzerinde test edilmiş ve performans değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca elde edilen sonuçlar kuyruk yönetimi konusunda daha önce yapılmış olan çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Yapılan uygulamalar sonucu elde edilen veriler ve yapılmış olan çalışmalar değerlendirildiğinde, olasılıksal yöntemler ve eşik değerlerini kullanan RED algoritmasının DROP TAIL kuyruk algoritmasından daha başarılı olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: NS-3, RED, DROP TAIL, Kuyruk yönetim algoritmaları, bilgisayar ağ trafiği yönetimi

Performance analysis of queue management algorithms in Ns-3 network simulator ABSTRACT In this article, which has an important role in the regulation of the flow of traffic in computer networks is discussed queue management. Queue management algorithms are widely used today introduced the working principles are described briefly. NS-3 network simulator program was used for queue management algorithms comparison of performance. On NS-3 network simulator, DROP TAIL and RED queue management algorithms have been tested on various topologies and performance evaluations were made. Furthermore, the studies are compared with results obtained previously. The data obtained from these tests and studies those evaluated, RED algorithms that use probabilistic methods and threshold values have been found to be more successful.

Keywords: NS-3, RED, DROP TAIL, quque management algorithms, computer network traffic management

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

1. GİRİŞ (INTRODUCTION)

İnternet üzerinde yüksek düzeyli paket kayıp oranından kaçınmak önemlidir [1]. Bir paket kaynaktan hedefe ulaşmadan kaybolursa iletim için kullanılan kaynaklar boşa harcanmış olur. Bu kaynak kayıp düzeylerinin çok yüksek olması tıkanıklık çöküşlerine neden olur. Tıkanıklık ve paket kayıp sorunlarına çözüm olarak kuyruklama algoritmaları geliştirilmiştir. Bilgisayar ağlarında kuyruk yönetimi konusu oldukça önemli yer tutmakta, doğru algoritmanın seçimi bütün bir ağın başarımına doğrudan etki edebilmektedir [2]. Aktif kuyruk yönetim algoritmaları kuyruk üzerindeki işlemleri gerçekleştirirken, kuyruk uzunluğuna bakarak algılama gerçekleştirmektedirler. Aktif kuyruk yönetiminin amacı yönlendirici üzerindeki ortalama kuyruk uzunluğunu azaltmaktır [3]. Böylece paketlerdeki uçtan uca gecikmeler azaltılmış olur [4] ve ağ kaynakları verimli kullanılır. Kuyrukta oluşan birikme sistemler veya uç noktalar arasında tıkanıklığa yol açmadan önce bazı paketler düşürülerek tıkanıklığın önüne geçilmeye çalışılmaktadır. Kullanılan aktif kuyruk yönetim algoritmasının yapısına göre uç sistemler üzerinde tıkanıklığı engelleyecek tedbirler alınmasına yardımcı olunmaktadır. Aktif kuyruk yönetim algoritmalarının tasarımında bağlantı tıkanıklıklarının derecesinin belirlenmesi ve paket düşüşlerinin analiz, göz önüne alınması gereken konulardır [5]. Ağların deneysel olarak gözlemlenmesinin en kolay ve etkili yollarından biri, çok farklı alanlarda da kullanılan simülasyon yöntemidir. Bu yöntem ile ağdaki düğümler, bağlantılar ve ağ trafiği gerçek dünyaya benzer şekilde tasarlanarak farklı durumlar kolaylıkla denenebilmektedir. Gerçekte elde edilmesi maddi veya diğer kısıtlarla imkansız olabilecek durumlar da ağ simülatörlerinde kolaylıkla gözlenebilir. Özellikle donanım olarak bulunan düğümler üzerindeki cihazların içerisindeki kuyruk yönetim algoritmalarını değiştirerek deneyler yapmak çok maliyetli ve zahmetli olabileceğinden bu durumlar ağ simülatörleri ile test edilebilir. NS-3 ağ araştırmaları için altyapı sağlayan açık kaynaklı bir ağ simülatörüdür. Bu simülatör ile çeşitli kuyruk yönetim algoritmaları modellenebilmekte ve gerekli deneyler yapılabilmektedir [6]. Günümüzde kullanılan birçok kuyruk yönetim mekanizması vardır. Genelde hangi kuyruklamanın seçileceği sistem yöneticisi tarafından belirlenir, ancak yapılan çalışmalar bazı kuyruk yöntemlerinin diğerlerinden daha iyi olduğunu ortaya konmaktadır. Bu üstünlük belli servis sınıfları için iyi olabilirken bazıları için iyi bir yöntem de oluşturmayabilir. Ağ üzerindeki uygulamalara göre karar verilmelidir. Bu çalışmada NS438

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

3 içerisinde bulunan DROP TAIL ve RED algoritmalarının özellikle paket kaybı değerleri üzerinden başarımları analiz edilecektir. Makalede, giriş bölümünün ardından, 2. Bölümde kuyruk yönetim algoritmaları hakkında bilgi verilmiş, 3. Bölümde ağ simülasyon teknolojileri ve NS-3 ağ simülatörü tanıtılarak, NS-3 ağ simülatöründeki kuyruk yapısı açıklanmış, 4. Bölümde NS-3 ağ simülatörü üzerinde RED ve DROP TAIL kuyruk algoritmaları ile ilgili testler gerçekleştirilmiş, son bölümde ise yapılan testler sonucu kuyruk yönetim algoritmalarının karşılatırılması yapılmıştır. 2. KUYRUK YÖNETİM ALGORİTMALARI (QUEUE MANAGEMENT ALGORITHMS) Günümüzde bilgisayar ağları üzerinde artan trafik yoğunluğunu rahatlatmak ve tıkanıklık sorunlarını azaltmak için birçok kuyruk algoritması geliştirilmiştir. Ses ve gerçek zamanlı uygulamaların bulunduğu ağlarda en yaygın olarak kullanılan kuyruk algoritmaları geleneksel ve düşük gecikmeli yöntemlerdir. Geleneksel kuyruk yönetim algoritmaları tüm paketlerde yer alan öncelik alanları ile paketleri sınıflara ayrılmış olan kuyruklara atar. Her kuyruk kendine atanan servis kadar önceliklidir. Dolayısıyla bu kuyrukta paket varsa her zaman öncelikli gönderilmeye hazırdır. Ayrıca bu kuyruk için sabit bir bant genişliği atanabilmektedir. Az gecikmeli kuyruk yönetim algoritmalarının en belirgin farkı ise en yüksek öncelikli paketi kuyruğa sokmadan direkt olarak gideceği yere iletilmesi için ağ cihazının iletim portuna yönlendirmesidir. Böylece ağ içinde en kritik uygulamada gecikmelerden dolayı oluşabilecek sorunların önüne geçilmeye çalışılmıştır. Diğer trafikler ise yine sınıflarına ve önceliklerine ayrılarak kuyruklandırılırlar . 2.1. İlk Gelen İlk Çıkar Algoritması (First In First Out Algorithm)

Bu yöntem ağ cihazlarının geleneksel olarak kullandığı bir yöntemdir. Ağ cihazlarına gelen paketler tek bir kuyruğa konulur ve kuyruğa daha önce gelen paket daha önce hizmet alır. Bu kuyruklama yöntemi gecikmeye duyarlı hizmetlerin iletilmesi için uygun değildir. Küçük boyutlu paketler büyük paketlerin ardında kalarak yüksek gecikme değerleriyle iletilirler. Ayrıca bu tek kuyruğu kullanan trafik kaynaklarından birisi daha yüksek iletim hızlarında paket yolladığında diğerlerinin aleyhinde olacak şekilde kuyruğu doldurabilir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013


Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Şekil 1.İlk gelen ilk çıkar yöntemi (First in first out method) [7]

Şekil 1’de farklı sistemler tarafından gerçekleşen trafik akış diagramı üzerindeki gelen paketlerin işleme alınması işlemi gerçekleştirilmektedir. Gelen trafik hatları üzerinde paketler geliş önceliğine göre işleme alınmaktadır. 2.2.

Adil Kuyruklama Algoritması (Fair Queueing

Algorithm)

FIFO algoritmasında trafik kaynaklarındaki paketlerin işleme alınması için tek bir kuyruk yapısı bulunması işlemlerin sadece tek bir kuyruğa bağlı olarak yürütülmesi zorunluluğunu getirmektedir. Bu zorunluluğun giderilmesi için tek bir kuyruk yapısı yerine birçok kuyruk kullanılarak adil kuyruklama yapısı[8] John Nagle tarafından ortaya atılmıştır. Nagle'ın algoritması FIFO için basit bir çözüm getirmiştir. Algoritma pseudo kodu aşağıda görülmektedir. 1. Yeni bir veri varsa gönder 2. Pencere büyüklüğü >= maksimum bölüm büyüklüğü ve veri >maksimum bölüm büyüklüğü ise maksimum bölümün gönderimini tamamla. 3. Değilse ve kuyrukta onaylanmamış veri varsa kabul gelene kadar verileri kuyrukla. 4. Değilse verileri gönder. Bu yapıda her bir trafik kaynağı için bir kuyruk yapısı kullanılması öne sürülmüştür. Kuyruk sayısı trafik kaynakları kadar olabileceği gibi daha az sayıda da olabilmektedir. Bu algoritma her bir trafik kaynağından sırasıyla paket çekilerek kuyruktaki paketlerin azaltılması esasına göre çalışmaktadır. Fakat adil kuyruklama yönteminin pratikte kullanımı sırasında sıkıntılar ortaya çıkmaktadır. Kuyruk sayısı trafik kaynaklarından az olduğu durumlarda trafik kaynakları arasında kuyruklardaki işlemleri gerçekleştirme için olasılık hesaplamaları kullanılarak dağıtım gerçekleştirilmektedir [9] .

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013

Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

Şekil 2.Olasılıksal adil kuyruklama (Stochastic Fairness Queueing ) (SFQ) [10]

Şekil 2’de gelen trafik hatları üzerinde gerçekleşen kuyruk yapılanması görülmektedir. Şekil 2’deki örnekte hat sayısı kadar kuyruk mevcuttur. Paketler kuyruk sayısı baz alınarak ilgili iş kuyruğuna sırası ile alınarak trafik kaynakları üzerinde işlem görmesi sağlanmaktadır. 2.3. Ağırlıklı Adil Kuyruklama Algoritması (Weighted Fair Queueing Algorithm) Ağırlıklı adil kuyruklama algoritması olasılıksal adil kuyruklama algoritmasına ağırlık ve paket boyu algılama kavramlarının eklenmesiyle meydana gelen bir kuyruklama algoritmasıdır. Bu kuyruklama algoritmasının çalışma mantığı incelendiğinde, sistemde birden fazla kuyruğun bulunduğu görülmektedir. Kuyruklara kendi aralarında öncelikler ve ağırlıklar verilerek sistemin işleyişi sağlanmaktadır. Paketlerin kuyruğu terk etme zamanları göz önüne alınarak gerektiğinde adil kuyruklamanın sıralı mantığı terk edilir. Böylece kuyruğa gelen uzun bir paketin ardındaki kısa paketin iletim zamanını etkilemesinin önüne geçilmeye çalışılır. Gerek Sınıf Tabanlı Kuyruklama, gerekse de Ağırlıklı Adil Kuyruklama birer Öncelikli kuyruklama yöntemidir.

Şekil 3.Oncelikli kuyruklama (Priority Queuing) [11]

439


Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

Şekil 3’te trafik kaynakları üzerindeki paketlerin, sistemde öncelik sırası esasına göre yapılandırılmış olan üç adet kuyruk üzerindeki paket ilerleyişleri görülmektedir. Yüksek önceliğe sahip olan kuyrukta bulunan paketler işlemini tamamladıktan sonra sırasıyla diğer önceliğe sahip kuyruktaki paketlerin iletimi gerçekleştirilecektir. 2.4. Kuyruk Düşürme Algoritması (DROP TAIL Algorithm) Yönlendirici kuyruk uzunluklarını yönetmenin geleneksel tekniği, her kuyruk için maksimum uzunluğunu ayarlayarak, kuyruk maksimum uzunluğa erişinceye kadar kuyruğa gelen paketleri dahil ederek bundan sonra gelen paketleri reddeder. Kuyruk üzerinden bir iletim gerçekleştiğinde kuyrukta yer açıldığından dolayı gelen paketler kuyruğun sonuna eklenir. Bu yöntem “DROP TAIL” olarak bilinir. Çok iyi bilinen ve kullanılan bir algoritma olmasının yanında, iki önemli sakıncası vardır[12]. Bu sakıncalardan ilki kuyruğun bir veya birkaç bağlantı tarafından kontrol altına alınması ve diğer bağlantıların yapılmasının engellenmesidir. Kuyruğu etkisi altına alan bu bağlantılar başka bir iletimin gerçekleşmesini engellerler ve diğer uygulamalar için senkronizasyon ve zaman aşımı gibi sonuçlar ortaya çıkarırlar. Ortaya çıkan diğer bir problem ise kuyruk yapısı dolduğunda kuyruğun dolu olduğunun terminallere iletimi için gönderilen kuyruk dolu sinyalinin iletimidir. Bu sinyalin en önemli etkisi düzgün iletildiği durumda kuyruk boyutunu azaltmasıdır.

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Ağ üzerindeki sıkışıklığı algılamak için, her bir paket geldiğinde öncelikle ortalama kuyruk boyu hesaplanır. Eğer hesaplanan ortalama kuyruk boyu belli bir sınırın üzerinde ise gelen paket hemen düşürülür. Belli bir sınırın altında ise paket bekletilmeksizin iletilir. Eğer yukarıda anılan iki sınır arasında bir boyutta ise ortalama kuyruk uzunluğuna göre hesaplanan bir olasılığa göre gelen paketin düşürülüp düşürülmeyeceğine karar verilir [15]. RED kuyruk yönetim algoritmasına ait akış diyagramı Şekil 4'te görülmektedir [16]. Şekil 5’teki grafikte, TCP bağlantı için anlık hız ve ortalama hız değerleri görülmektedir. Bir TCP bağlantı oluşturulduğunda örneğin http ile dosya indirdiğimizde TCP olabilecek en yüksek hızı deneyecektir. Bu denenmekte olan hız, yönlendirici sınırlarının üzerinde olacaktır. Bu durumda FIFO'dan gelen fazla paketin düşürülmesinden başka bir seçenek kalmamaktadır. TCP bağlantıda sistem paket kaybını gördüğünde, olabildiğinden daha hızlı aktarım yapmaya çalıştığını fark edecek fakat çok büyük paket kayıplarında ne kadar hızlı aktarım yapması gerektiğini tespit edemeyecektir. Sonuç olarak hız sağlanabilecek değerin çok daha altına inecektir. Bir süre sonra TCP yeniden en yüksek değeri deneyecek ve aynı şey tekrar tekrar yaşanacaktır. İndirme hızlandırıcılarının genel olarak yaptıkları birden çok bağlantı açarak en az değerlerin görüldüğü yerlerde başka bir TCP bağlantının daha hızlı transfer yapmasını sağlayıp, bu değerlerin ortalamasını yükseltmek olur.

Kısaca DROP TAIL’de etkin olarak yönetim yoktur. Ağ sistemlerinin kullanımı arttıkça ağ cihazları üzerindeki kuyruk yapısının boyutları büyümekte ve yönetimi çok daha zor ve karmaşık bir hal almaktadır [13]. Veri iletimini yönetmek için ilk gerçek aktif kuyruk yönetim algoritması olan RED geliştirilmiştir. 2.5. Rastgele Erken Algılama Algoritması (Random Early Detection Algorithm)

RED algoritması [14] ağ kuyruğundaki tıkanıklıkları tespit eden ve ağ trafik yükleme seviyesini ortalama kuyruk büyüklüğünü kullanarak ölçen bir algoritmadır. Ağ üzerinde bir sıkışıklık durumu ortaya çıktığında ortalama paket gecikmesi, gecikmedeki değişme miktarı ve iletim hızındaki değişme artacaktır. Dolayısıyla ağ üzerinde ortalama gecikme ve iletim hızı açısından daha iyi bir başarım elde edilmesi isteniyorsa ağ sıkışıklığı azaltılmalıdır. RED algoritması kuyruk yönetim algoritmaları içerisinde en çok tercih edilen algoritmalardan birisidir. RED algoritmasının çalışma mantığı kısaca şu şekildedir:

440

Şekil 4.RED algoritması akış şeması (RED algorithm flow diagram)

RED algoritmasının kuyruk yönetimi üzerinde oluşturmuş olduğu olumlu etki Şekil 5 ve Şekil 6’da görülmektedir. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013


Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

sistemin davranışını anlayabilmek veya değişik stratejileri değerlendirebilmek için deneyler yürütülmesi sürecidir. Modelleme ve benzetim tasarımcılara, sistemi gerçekleştirmeden önce sistemin çalışırlığının görülmesini ve giriş parametrelerinin değişiminde sistemin göstereceği davranışın tespit edilmesini sağlar. Benzetim sonuçlarının doğruluğu, modelin gerçek sisteme yakınlığı ile doğru orantılıdır. Bilgisayar benzetimi, sistemin yapısına bağlı olarak iki grupta toplanabilir:

Şekil 5.Rasgele erken algılama algoritması zamana bağlı kuyruk boyu değerleri (Random early detection algorithm, time-dependent queue length values) [17]

Şekil 6 RED algoritmasının bu faydasını açık olarak göstermektedir. Şekil 6’da kontrol edilmeyen trafiğin durumunu, RED uygulanmış bir bağlantının değerlerini ve kesik çizgilerle belirtilmiş ortalama değerlerini göstermektedir. RED algoritmasının yaptığı rastgele olarak önceden paketleri düşürmek olsa da, kayıplar kontrolsüz trafikteki kayıplardan çok daha az olduğu için verimi arttırmaktadır.

-

Sürekli Olay (continuous-event) olaylar zamana bağlı olarak bir süreklilik arz eder. Zaman doğrusal olarak arttıkça, prosesler de zaman içerisinde doğrudan değişirler.

-

Ayrık olay (discrete-event) sayısal veri iletişim sistemleri ve bilgisayar ağları, mesajların üretimi ve dağıtımı gibi durumlar gerçekleştiğinde modüllerin çalıştırıldığı ve benzetim saatinin ilerlediği ayrık olay benzetim yöntemi ile modellenir.

3.2. NS-3 Ağ Benzetim Simülatörü ( NS-3 network simulator)

Network Simulator 3 (NS-3) ayrık olaylı bir ağ simülatörüdür [20]. NS-3 genellikle multicast protokol ve yönlendirme simülasyonlarında aynı zamanda ad-hoc ağların araştırmasında da kullanılır. NS-3, yaygın ağ protokollerini destekler, kablolu ve kablosuz ağlar için simulasyon sonuçları sunar. Ayrıca sınırlı işlevsellik ağ emülatörü olarak kullanılabilir. NS (Network Simulator), ağ simülasyonu oluşturmak ve gerçekleştirmek için ilk olarak 1989 yılında geliştirilmeye başlanmış, akademik araştırmalar için büyük öneme sahip açık kodlu bir simülatörüdür. NS kullanımı, 1995 yılında DARPA’nın sponsorluğunda ivme kazanmıştır ve günümüzde de simülatörün geliştirilmesi gönüllüler tarafından sürdürülmektedir.

Şekil 6.RED zaman aşımı değerleri (RED time-out values)[18]

3. AĞ BENZETİM TEKNOLOJİLERİ (NETWORK SİMULATION TECHNOLOGIES) 3.1. Benzetim (simulasyon) Nedir? (What is simulation ?)

Benzetim, gerçek bir dünya süreci veya sisteminin işletilmesinin zaman üzerinde taklit edilmesidir [19]. Sistem objeleri arasında tanımlanmış ilişkileri içeren sistem veya süreçlerin bir modelidir. Benzetim gerçek bir sistemin taklit edilerek yapılmasıdır. Benzetim, taklit edilen gerçek bir olayın genelde bilgisayar yardımıyla modellenmesi, gerçek sistemin modelinin tasarımı ve bu model ile amacına yönelik olarak sistemin işletilmesi, SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013

NS ile, bir kablolu ya da kablosuz ağlarda istenilen miktarda düğümler ve bu düğümler arası linkler tanımlanabilir, yönlendirme algoritmaları ile çoklu gönderim protokolleri kullanılabilir ve ad-hoc network, WiFi, WiMax, vb. gibi bir takım popüler kablosuz ağ uygulamalarının modellemeleri ve simülasyonu gerçekleştirilebilir. NS simülatörü, ağ araştırma ve eğitimini destekleyerek protokol tasarımı, trafik araştırması sağlamakta, ücretsiz açık kaynak kodu ile karşılaştırmalı ve model paylaşımlı güvenilir bir deney ortamı sunmaktadır. NS programlama, yapılan çalışmalarda belli bir algoritmaya uygun olarak oluşturulmaktadır. Öncelikle olay programlayıcısı kurulur, izleme açılır ve kapanır, ağ modeli oluşturulur, 441


Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

ilgili yönlendirme protokolü kurulur, sisteme hatalar girilir, iletim bağlantısı ile trafik oluşturulur ve uygulama gerçekleştirilerek veriler iletilir. NS simülatörünün ikinci versiyonu NS-2 olarak adlandırılmaktadır [21]. NS, C++ tabanlı bir simülatördür ve Tcl dilinin objeye yönelik bir versiyonu olan OTcl ile bir simülasyon arayüzü vasıtasıyla ağ simülasyonu gerçekleştirmek mümkündür. C++, her paket işlemi için hızlı, detaylı bir kontrol sağlarken, Otcl ise mevcut C++ nesnelerini kullanarak simülasyon senaryo ayarları, periyodik veya tetiklemeli tahrik ve kolay yazılım imkanlarıyla öne çıkmaktadır. NS-2, Linux platformunda çalışmaktadır ve Cygwin programı vasıtasıyla Microsoft Windows ortamında da simülasyonlar gerçekleştirilebilmektedir. NS-2’nin son sürümü 2.35, Haziran 2011’den itibaren kullanılmaya başlanmıştır. NS-2’nin ağ modellemesindeki en önemli dezavantajı düz evren modeli kullanmasıdır. Ancak, gerçek ağlar engebeli yeryüzü şekilleri, yükselti, yansıma, gecikme ve gölgeleme gibi etkiler nedeniyle idealden uzak bir görünüme sahiptir. Bu duruma çözüm olarak oluşturulan gölgeleme etkisi modelinin ise çok etkin çalışmadığı görülmüştür. NS-3 simülatörü, NS simülatörünün yeni versiyonu olarak 1 Temmuz 2006 tarihinden itibaren geliştirilmeye başlanmıştır ve projenin tamamlanması için 4 yıllık bir süre öngörülmüştür[22]. Günümüzde tasarımı devam etmekte olan NS-3 simülatörü, University of Washington, Georgia Institute of Technology, ICSI ve INRIA gibi kurumlar tarafından geliştirilmeye devam etmektir. NS-3 simülatörü araştırma geliştirme ve akademik faliyetlerde kullanılmak üzere özellikle internet tabanlı sistemler için geliştirilen bir ayrık olay ağ simülatörü olarak tanımlanmaktadır. GNU GPLv2 (general public license) lisanslı yani bedelsiz ve açık kaynak kodlu bir yapıya sahiptir. NS-3, C++ ve Python dilleri kullanılarak yazılabilmektedir. Yine NS-2 simülatöründe olduğu gibi Linux işletim sistemi üzerinde çalıştırılmaktadır ve Cygwin programı vasıtasıyla Windows tabanlı sistemlerde de kullanılabilmektedir. NS-3’te kod yapıları Doxygen isimli bir yazılım dökümantasyon program vasıtasıyla uygulanmaktadır. Şekil 7’de, 2006 yılından bugüne kadar artan kod satır sayısı gösterilmektedir.

442

Şekil 7.NS-3 kümülatif kod satır sayısı değişimi cumulative code lines number in NS-3) [23]

(The change of

NS-3 simülatörünün 14 farklı sürümü mevcuttur. İlk stabil sürüm olan NS-3.1, Temmuz 2008’de kullanıma sunulmuştur. Bu sürümde simülatör çekirdeği, TCP/IPv4 trafiği, noktadan noktaya CSMA ve WiFi modelleri mevcuttur. İkinci sürüm NS-3.2, Eylül 2008’te kullanıma sunulmuş ve Python bağlayıcıları, gerçek zaman programlama, IEEE 802.1D, istatistik oluşturulmuştur. NS-3.3, Aralık 2008’de hazırlanmış ve emülasyon özelliği, ilk IPv6 ve ICMP standartları simülatöre kazandırılmıştır. Nisan 2009’da devreye alınan NS-3.4 sürümünde ise simülatöre obje isimlendirme, yeni WiFi modelleri ve kuyruk listeleme fonksiyonları kazandırılmıştır. Temmuz 2009’da çıkartılan NS-3.5 sürümünde, IEEE 802.11e MAC EDCA, 802.11n AMSDU, 802.11b PHY, Nakagami kayıp modeli, Gamma, Erlang ve Zipf rasgele değişken yapıları sisteme ilave edilmiştir. Ekim 2009’daki son NS-3.6 sürümünde ise, akış izleme, 5/10 MHz kanal ve WiFi fonksiyon eklemeleri, ICMP, IPv6 radvd, yeni test çerçevesi ve 802.11s mesh yapı ilaveleri gerçekleştirilmiştir. NS 3.7 ve NS 3.12 sürümleri arasında IPv4 broadcast datagram 1 den 64’e kadar değiştirilmiştir. Topoloji başlıkları eklenmiş, IPv6 desteği geliştirilmiş. AODV uzaklık vektöründe RFC 3561 geliştirilmiştir. Wimax modelinde Point-to-Multipoint (PMP) mod ve WirelessMAN-OFDM PHY katmanıyla birlikte 802.16 özelliğinin MAC ve PHY gerçekleşimi sağlanmıştır. Kuyruk davranışları değiştirilmiştir. OFDM modülasyon tipi için Wifi hata oranı değiştirilmiştir. Wi-Fi iletim oranlarının adı ve yapısı değiştirilmiştir. C++’ın desteklediği 64 bitlik sayı yapısını da desteklemeye başlamıştır. En son çıkan sürüm olan NS-3.14 de hareketlilik modülü iki nesneyle birlikte eklenmiştir. Bu modül Model::GetRelativeSpeed() metodudur. Yeni

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013


Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Ipv6AddressGenerator sınıfı ön ek ve arabirim kimliği tabanıyla birlikte ardışıl adres üretmek için eklenmiştir. NS-3 kütüphanesi bir takım modüllerin birleşiminden oluşmaktadır. Bu modüller; core (çekirdek), simulator , common (ortak-yaygın kullanım alanı), node (düğüm) ve devices (araçlar) olarak sıralanabilir.  Core: src/core dizini altında bulunmaktadır ve başka hiçbir modüle bağlı kalmadan kullanılabilen bir dizi hizmetler sunmaktadır. Bu hizmetlerin bir kısmı işletim sistemine bağlı olarak çalıştırılabilir.  Simulator: src/simulator dizini altında bulunmaktadır ve olay zamanlamalı hizmetler sunmaktadır.  Common: src/common dizini altında bulunmaktadır ve ağ simülasyonlarına özel hizmetler içermektedir.  Node: src/node dizini altında bulunmaktadır. Başta ipv4 düğümleri olmak üzere her düğümlere ait arayüzlerin tanımlanmasından sorumludur.  Devices: src/devices dizini altında bulunmaktadır ve fiziksel katman (MAC) seviyesindeki modelleri içerir. 3.2.1.

Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

class Queue.PriorityQueue(maxsize) : Bir priority queue kuyruğunu düzenlemek için. Maxsize, kuyruğa yerleştirilebilir öğelerin sayısı en yüksek sınırını ayarlayan bir tamsayıdır. Kuyruktaki öğeler tüketilene kadar, bir kez ulaşılan büyüklükler engellenecektir. exception Queue.Empty&Full : İstisna olarak engelleme olmadığında get(), put() (veya get_nowait ()veya put_nowait ()) boş veya dolu iken boş veya dolu kuyruk nesnesi olarak adlandırılır. 3.2.2. NS-3 Kuyruk reference)

Referansları

(NS-3

queue

Şekil 8 ve Şekil 9’da NS-3 ağ simülatörünün yapısında kuyruk yönetim algoritmalarının kalıtsal diagram tasarımı ve bu sınıftan türetilen DROP TAIL kuyruk algoritmasının nesne ve bağlantı digramları görülmektedir.

NS-3’ de Kuyruk Modülünün Çalışması

(Operation of the tail module in NS-3)

NS’de kuyruk modülü multi-producer, multi-consumer kuyrukları gerçekleştirir. Özellikle bilgilerin çoklu iş parçaçıkları arasında güvenle değiştirilmesi gerektiğinde iş parçacığı programlama kullanılır.

Şekil 8. NS-3:kuyruk kalıtsal diagramı (NS-3 queue inheritance diagram) [24]

Giriş noktası ve alımlardaki farkları üç tip kuyruk gerçekleştirir. Bir FIFO kuyruğunun görevi ilk eklenenleri ilk olarak almaktır. Bir LIFO kuyruğu, son olarak eklenen girişi ilk olarak (bir yığın gibi) işleme alır. Öncelikli kuyrukla girişler sıralanır ve (heapq modul kullanılarak) en düşük değerli giriş ilk alınır. Kuyruk modülü aşağıdaki sınıfları ve durumları tanımlar: class Queue.Queue(maxsize) : Bir FIFO kuyruğunu ifade eder. Maxsize, kuyruğa yerleştirilebilir öğelerin sayısı en yüksek limitini ayarlayan bir tamsayıdır. Kuyruktaki öğeler tüketilene kadar, bir kez ulaşılan büyüklükler engellenecektir. Eğer maxsize sıfır veya sıfırdan daha az ise kuyruk boyutu sonsuzdur. class Queue.LifoQueue(maxsize) : Bir LIFO kuyruğunu ifade eder. Maxsize, kuyruğa yerleştirilebilir öğelerin sayısı en yüksek sınırını ayarlayan tamsayı bir değerdir. Kuyruktaki öğeler tüketilene kadar, bir kez ulaşılan büyüklükler engellenecektir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013

Şekil 9. NS-3 DROP TAIL sınıf diagramı (DROP TAIL class diagram) [25]

443


Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

4. NS-3 KUYRUK YÖNETİMİ SİMÜLASYONU (NS-3 QUEUE MANAGEMENT SIMULATION)

Bu çalışmada diğer algoritmalardan performans olarak daha yüksek başarıma sahip olan RED ve DROP TAIL algoritmaları üzerinde testler gerçekleştirilecektir. NS3’te ön tanımlı olarak DROP TAIL algoritması bulunmaktadır. NS-3 üzerinde bunun haricinde sadece RED algoritması geliştirilmiştir. Bu iki algoritmanın NS3 ağ simülatöründe karşılaştırılması için gerekli simülasyon hazırlanmış ve testler gerçekleştirilmiştir.

Şekil 12. Yönledirici 1 DROP TAIL ve RED paket sayıları (DROP TAIL and RED algorithm number of packet in Router 1)

Şekil 10. Deney ağı topolojisi (test network topology)

Şekil 13. Kuyruk ağ çıkış değerleri (the tail of the output values of the network)

paket kayıp oranı

NS-3’te ön tanımlı olarak DROP TAIL algoritması bulunmaktadır. NS-3 üzerinde bunun haricinde sadece RED algoritması geliştirilmiştir. Bu iki algoritmanın NS3 ağ simülatöründe karşılaştırılması için gerekli simülasyon hazırlanmış ve testler gerçekleştirilmiştir.

0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

red drop-tail

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.1 zaman (sn)

Şekil 11.DROP TAIL ve RED algoritmalarında oluşan kuyruk paket sayıları (the number of packet queuing in DROP TAIL and RED)

444

Şekil 14. Kuyruk algoritmaları paket kayıp oranları (packet loss ratios of queue algorithms)

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013


Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Şekil 11, 12, 13 ve 14’teki testler sonucu elde edilen grafikler incelendiğinde, Şekil 11’de işlem süresi boyunca belirli aralıklarda RED ve DROP TAIL algoritmalarının kullanımı sonucu oluşan ortalama kuyruk boyu görülmektedir. Ortalama kuyruk boyu değerlerine bakıldığında her iki algoritma için, zamanın ilerledikçe, kuyruk boyunun azaldığı görülmektedir. Değerlendirme yapılan her zaman aralığı için, DROP TAIL algoritmasının kuyruk boyunun RED algoritmasına göre daha uzun olduğu tespit edilmiştir. Şekil 12’de ise işlem süresi boyunca RED ve DROP TAIL algoritmalarının kullanımı sonucu ortalama toplam paket sayıları, TCP ve UDP protokol bağlantılarındaki ortalama paket sayıları görülmektedir. RED algoritması için yapılan testte, yönlendirici 1 üzerinde toplam 800 paket geçişi gerçekleşmiş ve bu paketlerin 200 adeti UDP, 600 adet TCP paketi olduğu görülmektedir. DROP TAIL algoritması için gerçekleştirilen uygulamada, 1200 paket geçişinin 800 adeti TCP, 400 adeti UDP paketi olarak tespit edilmiştir. Şekil 13’de değerlendirme yapılan zaman aralığında kuyruklar üzerindeki ağ çıkış değerleri görülmektedir. DROP TAIL algoritmasının ağ çıkış değerinin RED algoritmasından daha iyi sonuçlar ürettiği görülmektedir. Şekil 14’te farklı zaman aralıklarında farklı paket kayıp olasılıksal değerleri görülmektedir. Grafiksel değerlere bakıldığında DROP TAIL algoritmasında RED kuyruk yönetim algoritmasından daha fazla paket kaybı olduğu görülmemektedir. RED algoritmasının kuyruk boyu uzunluğu, DROP TAIL algoritmasına göre daha az olmasına rağmen paket kayıp oranları birbirine çok yakındır. Paket kayıp oranları değerlendirmesinde RED kuyruk yönetim algoritmasınındaha iyi bir performans sağladığı söylenebilir.

Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

bunların içerisinden bir kısmının düşürülme zorunluluğunu ortaya çıkarmaktadır. Doğru seçilmiş ve sağlıklı çalışan bir kuyruk yapısı ağ trafiğini rahatlatarak ve tıkanıklıkları engellemede çok büyük bir rol oynayacaktır. RED algoritması klasik yöntemlerin aksine düşürülecek olan paketlerin seçiminde olasılıksal ve istatiksel verileri kullanarak düşürülecek olan paketin seçimine olanak tanımaktadır. Yapılan testler ve bu konu üzerinde daha önce yapılmış olan çalışmalar birlikte değerlendirildiğinde, RED algoritmasının sağladığı olasılıksal yöntemler ve iki farklı eşik değeri belirlemesinin klasik DROP TAIL yönteminden daha başarılı sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. KAYNAKLAR (REFERENCES) [1]

[2] [3]

[4]

[5]

5. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME (CONCLUSION AND EVALUATION) Literatürde kuyruk yönetim algoritmalarının karşılaştırılması ile ilgili yapılmış olan çalışmalar bulunmaktadır [26] [27]. Bu makalede literatürde tanımlı ve trafik ağ yoğunluğunun kontrol altına alınmasında ve düzenlenmesine büyük öneme sahip olan kuyruk yönetim algoritmaları tanıtılmıştır. Ağ simülatör programları içerisinde yaygın bir kullanım alanına sahip olan NS-3 ağ simülatöründeki kuyruk yönetim yapısı incelenmiştir. NS-3 ağ simülatörü üzerinde hazırlanmış olan ağ topolojisi üzerinde RED ve DROP TAIL kuyruk algoritmaları ile TCP ve UDP bağlantılar üzerinde değişik parametreler kullanılarak testler gerçekleştirilmiştir. Sistem üzerinde tanımlı kuyruk yapılandırması ne kadar mükemmel olursa olsun, gün geçtikçe artan internet kullanımı ve büyüyen ağ yapıları neticesinde kuyruklarda paketlerin birikimine sebep olmakta ve SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013

[6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]

W. Feng, D. D. Kandlur, D. Saha, and D. G. Shin, “BLUE: A New Class of Active Queue Management Algorithms”, Technical Report CSE-TR-387-99, Dept. of EECS, University of Michigan, April 1999. Blake, S., Black, D.L., Carlson, M.A., Davies, E., Wang Z. and Weiss, W. , “ An architecture for differentiated services”. 1998. R. Fengyuan et al., “A Robust Queue Mana gement Algorithm Based on Sliding Mode Variable Structure Control,” Proc. IEEE INFOCOM’02,New York, NY, July 2002, vol. 1. S. Floyd and V. Jacobson, “Random early detection gateways for congestion avoidance,” IEEE/ACM Trans. Netw., vol. 1, no. 4, pp. 397– 413, Aug. 1993. Santhi V., Natarajan A. M., Active Queue Management Algorithm for TCP Networks Congestion Control, European Journal of Scientific Research, Vol.54 No.2 (2011), pp.245257. NS3, http://www.nsnam.org/docs/release/3.14 /tutorial/single html/index.html, 2012. FIFO, http://opalsoft.net/qos/DS-22.htm , 2012. Peterson L. L., Davie B. S., Computer Networks: A Systems Approach, Morgan Kaufmann, p. 402–403. McKenney, P., ”Stochastic fairness queuing”, internetworking : research and experience, vol.2 pp.113-131, 1991. SFQ, http://opalsoft.net/qos/DS-25.htm ,2012. WFQ, http://opalsoft.net/qos/DS-23.htm ,2012. Braden B., Clark D., Crowcroft J., Davie B., Deering S., Estrin D., Floyd S., Jacobson V., Minshall G., Partridge C., Peterson L., Ramakrishnan K. K., Shenker S., and Wroclawski J. “Recommendations on queue management and congestion avoidance in the internet”, Internet Draft, (1998) 445


Ü.Çavuşoğlu, M.M.Özturk,U.Ozbek,A.Zengin

[13]

[14]

[15]

[16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27]

446

Ns-3 ağ simülatöründe, kuyruk yönetim algoritmalarının performans analizi

Wydrowski B., Zukerman M., "GREEN: An Active Queue Management Algorithm for a Self Managed Internet", Proceedings of ICC 2002, New York, Vol. 4, 2368-2372 , 2002. S. Floyd and V. Jacobson, “Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance,” IEEE/ACM Trans. Net., vol. 1, no. 4, Aug. 1993, pp. 397–413. Sally Floyd and Van Jacobson ; “Random Early Detection Gateways for Congestion Avoidance” , IEEE/ACM Transactions on Networking , August 1993. David l.,Ashok Kumar, A Dot to DDoS Attack on Cloud Computing Environment Using Adaptive WRED Congesiton Control Algorithm. RED, http://opalsoft.net/qos/DS-26.htm ,2012. RED, http://www.cisco.com/networkers/nw00/ pres /2808_6-28.pdf , 2012. J.Banks,S.Carson, “Applying the Simulation Process”, proceedings of the 1988 winter simulation conference ,1988. NS-2, http://www.isi.edu/NSnam/NS/ , 2012. NS-2, http://www.NSnam.org/docs/tutorial/ tutorial.html , 2012. NS-3, http://www.nsnam.org/overview/what-isNS-3/ , 2012. NS-3, http://www2.NSnam.org/ ,2012. NS-3 Kuyruk yapısı , http://netdb.cis.upenn.edu /rapidnet/doxygen/html/classNS-3_1_1_queue .html , 2012. DROP TAIL, http://netdb.cis.upenn.edu/rapidnet /doxygen/html/classNS-3_1_1_drop_tail_queue .html ,2012. M.WANG, “Comparison between drop tail and AQM-red in wireless network”, master thesis,2012. V. Jacobson. Congestion Avoidance and Control. In Proceedings of ACM SIGCOMM, pages 314– 329, August 1988.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 437-446, 2013


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 447-455, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013

Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma M. Deniz Turan1, Hasan Arslanoğlu2*, H. Soner Altundoğan3 1

Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği, Elazığ 2 Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği, Elazığ 3 Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Biyomühendislik, Elazığ 05.08.2013 Geliş/Received, 11.11.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Bu çalışmada, Küre kalkopirit konsantresinden metallerin amonyum persülfat liçi bir yüksek basınç reaktöründe, cevap yüzey yöntemleri (RSM-Response Surface Methodology) kullanarak incelendi. Merkez kompozit dizayn (CCD-Central Composite Design) yöntemi ile tüm faktöriyel düzen kullanılarak 10 tanesi merkez noktada olmak üzere toplam 86 adet deney tasarlandı. Sonuç üzerindeki etkisi araştırılan parametrelerin tamamı bağımsız değişken olarak tanımlandı. Kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine etkisi incelenen parametreler; amonyum persülfat (APS) konsantrasyonu, liç sıcaklığı, karıştırma hızı, sıvı/katı oranı, reaktör doluluk kesri ve liç süresidir. Liç deneyleri 300 ml hacimli bir basınç reaktöründe kesikli olarak gerçekleştirildi. Farklı şartlarda yapılan deneylerden elde edilen veriler ışığında, en yüksek bakırın yanı sıra demirin en düşük miktarda çözeltiye geçtiği deney şartları optimize edildi ve her iki cevap değeri için model denklemi oluşturuldu. Bakır ve demir ekstraksiyonu için elde edilen model denklemlerinin ikinci derece modele uyduğu belirlendi. Optimum liç şartları altında farklı çözüm noktaları belirlendi ve bu çözüm noktalarında yapılan deneyler sonucunda bakırın yaklaşık olarak %55’i çözeltiye alınırken demirin yaklaşık %15’nin çözeltiye alındığı belirlendi. Anahtar Kelimeler: Kalkopirit, Basınç liçi, Amonyum persülfat, Metal ekstraksiyonu

A research on the extraction of metals from kure chalcopyrite concentrate in the pressure reactor system ABSTRACT In this study, ammonium persulfate leaching of metals from Küre chalcopyrite concentrate was investigated in the pressure reactor by using response surface methodology (RSM). Experiments were planned with all factorial array of central composite design (CCD) as total 86 experiments, so that 10 experiments in centre. The all of investigating parameters having affected on the results were defined as independent variable. The investigating parameters that effect on the metal extraction yield in the chalcopyrite leaching are concentration of ammonium persulfate (APS), leaching temperature, stirring speed and ratio of liquid-solid, reactor occupancy and leaching time. Leaching experiments were performed as batch in the 300 ml pressure reactor. The data obtained from different experimental conditions were optimized that optimizing criteria is maximum copper and minimum iron passing into leach solution, and model equation were formed for both response values. The obtained model equations for copper and iron extraction were determined as second order model. Under the optimum leaching conditions, some model solution points were determined. According to results of performed experiments in these solution points, copper extraction yield is 55% while iron is about 15%. Key Words: Chalcopyrite, Pressure leaching, Ammonium persulfate, Metal extraction *

Sorumlu Yazar/Corresponding Author


M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

1. GİRİŞ (INTRODUCTION)

sergilerler ve ortam şartlarına bağlı olarak oksijen ve/veya hidrojen peroksit vermek suretiyle bozunabilirler. Kuvvetli yükseltgen özellikleri, bu bileşiklerin özellikle sülfürlü cevher ve konsantrelerden metallerin ekstraksiyonu amacıyla kullanılabileceğinin mümkün olduğunu göstermektedir.

Sülfürlü cevher ve konsantrelerden bakır üretimi, önemli ölçüde yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen izabe işlemlerini içeren pirometalurjik tekniklerle yapılmaktadır. Artan çevresel duyarlılık ve çeşitli ekonomik faktörler nedeniyle, sülfürlü cevherlerden bakır üretimi için sürekli olarak alternatif yöntemler araştırılmaktadır. Kalkopirit dünya bakır ihtiyacını karşılayan önemli sülfürlü bakır materyalidir ve oksidatif liç yöntemleriyle bakır üretiminin amaçlandığı pek çok çalışmaya konu edilmiştir. Sülfürlü konsantrelerden bakırın ekstraksiyonu için geliştirilmiş olan ticari hidrometalurjik prosesler mevcut olup, bu prosesler mekanik aktifleştirme, etkin oksidatif liç kademesi ve liç sonrası elde edilen çözeltilerin arıtımı gibi yüksek maliyetli adımlara ihtiyaç duyan yöntemlerdir [1]. Hidrometalurjik proseslerle kompleks sülfürlü bakır konsantrelerinin işlenmesi sırasında karşılaşılan en önemli problemler düşük ekstraksiyon verimi ve elde edilen liç çözeltilerinin bakır yanında yüksek konsantrasyonlarda demir içermesidir. Ekstraksiyon veriminin düşük oluşunun en önemli nedeni, oksidatif liç işlemi sırasında kalkopirit yapısındaki sülfür kükürdünün önemli ölçüde metalik kükürde yükseltgenmesi sonucu partikül yüzeyinde meydana gelen pasifleşme etkisidir. Diğer taraftan asidik şartlarda yürütülen bir liç prosesinde çözeltiye geçen demir miktarlarının yüksek oluşu da kaçınılmaz bir durumdur. Bu problemlerin aşılabilmesi için en uygun yol, liç işleminin yüksek sıcaklık ve basınç altında oluşturulan etkin oksidasyon şartlarında gerçekleştirilmesidir. Zira etkin oksidasyon şartları altında sülfür kükürdünün sülfata kadar yükseltgenmesi mümkün olabilmekte ve çözeltiye geçen demirin de yüksek sıcaklık-basınç şartlarında asidik ortamda jarosit, hematit veya geotit formunda uzaklaşması mümkün olabilmektedir [2]. Kalkopiritten bakırın kazanımı için birçok hidrometalurji çalışması yapılmış olup, bu çalışmalarda çeşitli liç materyallerin ve yöntemlerinin kullanılabilme imkânları araştırılmıştır. Bu amaçla kalkopiritten bakırın liçi için temel reaktifler olarak, sülfürik asit [3-8], nitrik asit [9], hidroklorik asit [1011], amonyak [12-13] gibi liç vasıtalarının kullanılabilmesi yönünde çalışmalar yapılmıştır. Diğer taraftan oksidatif liç [12, 14-16] ortamının oluşturulmasında kullanılan konvansiyonel yöntem, basınçlı bir reaktöre [17-20] dışarıdan beslenen oksijen ile yapılan çalışmalardır. Ancak oksijenin basınçlı bir ortama beslenmesi yoluyla yükseltgen bir ortamın oluşturulması oldukça güç ve masraflıdır. Persülfatlar yükseltgeme kabiliyeti en yüksek bileşikler arasında yer alan ve pek çok kimyasal proseste oksidasyon vasıtası olarak kullanılan kimyasallardır [21]. Sulu çözeltide asidik özellik 448

(NH4)2S2O8 + 2H2O  2NH4HSO4 + H2O2

(1)

+ 2H2O  4HSO4 + O2

(2)

2-

2S2O8

-

2S2O82- + 4e-  4SO42-

(3)

CuFeS2  Cu2+ + Fe2+ + 2S0 + 4e-

(4)

3 ve 4’den elde edilen net reaksiyon; CuFeS2 + 2S2O82-  Cu2+ + Fe2+ + 2S0 + 4SO42-

(5)

Bu çalışmada, yüksek basınç reaktöründe amonyum persülfatın kullanılabilme imkânları araştırıldı. Amonyum persülfatın basınç liçi sisteminde kalkopirit konsantresinin liçi amacıyla oksidasyon vasıtası olarak kullanılması durumunda, çözünmüş materyallerin bozunmasıyla açığa çıkan doğum halindeki oksijenin etkin bir oksidasyon sağlaması, oluşan liç ortamının tamamen sülfatlı bir ortam gibi önemli avantajlara sahip olduğu düşünülmektedir. 2. MATERYAL VE METOT (MATERIALS AND METHODS) 2.1. Kalkopiritin

Hazırlanması

ve

Analizi

(Chalcopyrite’s Preparation and Analysis)

Küre kalkopirit konsantresi, Samsun’da bulunan Karadeniz Bakır İşletmesi’nden 2007 yılında temin edildi. Tesis sahasında bulunan yığınlardan örnekleme usulleriyle alınan yaklaşık 25 kg ağırlığındaki ve % 90’ı 200 meshlik elekten geçebilen kalkopirit konsantresi, içerdiği nemin giderilmesi amacıyla önce oda sıcaklığında daha sonra 80 ºC’ye ısıtılmış etüvde 12 saat süreyle kurutulduktan sonra deneylerde kullanılmak üzere, kapaklı kaplarda muhafaza edildi. Örneklerin kimyasal analizleri mikrodalga parçalama ünitesinde uygun bir çözünürleştirme yöntemi kullanarak, kalkopirit konsantresinin tamamının çözeltiye alınmasını takiben elde edilen çözeltilerin atomik absorbsiyon spektrofotometresinde analiz edilmesiyle gerçekleştirildi. Metal analizleri bu şekilde gerçekleştirilirken, konsantredeki kükürt içeriği gravimetrik olarak BaSO4 yöntemi ile tayin edildi [22] Kalkopirit konsantresinin kimyasal analizi Tablo 1’de görülmektedir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013


Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

Kalkopirit konsantresinin mineralojik analizleri Xışını difraktometresi ve partikül boyut dağılımı ölçümleri ise lazerli partikül boyut dağılımı analiz sistemiyle yapıldı. Elde edilen sonuçlar sırasıyla Şekil 1 ve 2’de görülmektedir. Tablo 1. Kalkopirit konsantresinin kimyasal analizi

Bileşen

Bileşim (Ağırlıkça %)

Cu

22.02

Fe

28.85

Mn

0.44

Pb

1.44

S

27.50

Si

0.57

Zn K.K*

M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

ile sürekli olarak karıştırmaya uygun, sıcaklık ve basıncın uygun bir bilgisayar yazılımı vasıtasıyla kontrol ve ölçümüne olanak sağlayan PID kontrollü bir sisteme sahiptir. Kullanılan yüksek basınç reaktörünün yapısı Şekil 3’de görülmektedir. Liç deneyleri bu reaksiyon sisteminde kesikli olarak gerçekleştirildi. Tartılan kalkopirit örnekleri ve hazırlanan çözeltiler reaktöre konulduktan sonra, ön görülen sıcaklıklarda ve sürelerde deneyler gerçekleştirildi. Deneyler süresince reaktör sıcaklığı ve basıncı bilgisayar aracılığıyla takip edildi. Liç süresi sonunda reaktör hızlı bir şekilde soğutuldu ve reaktörden alınan karışımlar mavi bant süzgeç kâğıdından süzüldü. Elde edilen çözeltiler analize kadar muhafaza edilmek üzere kapaklı kaplara alındı ve metal analizleri yapıldı.

0.66 24.88

* Kızdırma kaybı (900 ºC)

Şekil 2 .Kalkopirit konsantresinin tane boyut dağılımı analiz sonuçları

3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA (RESULTS AND DISCUSSION) Şekil 1. Kalkopirit konsantresinin X-ışını difraktogramı ve mineral fazları.

2.2. Deneylerin Yapılışı (Experimentation) Deneylerde kullanılan basınç reaktörü 300 ml hacminde olup titanyum alaşımından imal edilmiştir (Parr Model No:4561). Reaktör kabının bir ceketli ısıtıcı yardımı ile endirekt olarak ısıtılma ve reaktör kabı içerisinde bulunan ısı değiştirici borulardan su geçirilmesi suretiyle soğutma olanağı bulunmaktadır. Ayrıca reaktör bir pervane yardımı SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013

Küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyon verimi üzerinde etkin olan parametreler, amonyum persülfat (APS) konsantrasyonu, liç sıcaklığı, liç süresi, karıştırma hızı, sıvı/katı oranı ve reaktör doluluk kesri olarak sıralanabilir. Deneysel çalışmada dizayn modeli olarak merkez kompozit dizaynı (CCD) kullanıldı. CCD dizaynının en önemli özelliği merkez ve dizayn noktaların dışında uç noktalarda da deney tasarımının yapılmasına olanak vererek dizayn düzlemine döndürülebilirlik kazandırmasıdır.

449


M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Etkin parametrelerin inceleme aralıkları Tablo 2’de görülmektedir. Tablodan da görüldüğü üzere her bir faktörün alt ve üst limit değerleri CCD’de tanımlandı. Etkinliği araştırılan parametrelerin bağımsız değişken olarak tanımlandığı bir CCD modelinde merkez noktadan α kadar uzaklıkta yıldız noktalarda deney dizaynının oluşturulması, parametrelerin oldukça geniş bir aralıkta incelenmesine olanak vermektedir. Sonuç üzerinde etkin olan parametrelerin tamamı bağımsız değişken olarak tanımlandıktan sonra on

Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

tanesi merkez noktada olmak üzere toplam 86 adet deney yapıldı. tanesi merkez noktada olmak üzere toplam 86 adet deney yapıldı. Yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar, RSM dizaynı için kullanılan programa veri olarak aktarıldı ve model analizleri gerçekleştirildi. Elde edilen sonuçların yazılım programında değerlendirilmesi sonucu her bir parametrenin birbiri ile etkileşimi belirlendi ve ANOVA (Analyis of variance-değişken analizi) tabloları ile ortaya konuldu. Oluşturulan ANOVA

Şekil 3. Deneylerde kullanılan yüksek basınç reaktörünün yapısı

tablolarında bulunan prob > F değerinin 0.05’den küçük olan bağımsız değişkenlerin sonuç üzerindeki etkisinin fazla olduğu belirtilmektedir [23]. Elde edilen deneysel verilere göre bakır ve demir ekstraksiyonu için istatistiksel değerlendirmelerin özeti Tablo 3’de görülmektedir. Tabloda görüldüğü üzere CCD kullanılarak yapılan deneysel çalışmaların sonucuna göre bakır ve demir cevap değerleri için modelin ikinci dereceden (Quadratic) modele uyduğu anlaşılmaktadır. Amonyum persülfat varlığında yüksek basınç reaktör sisteminde yapılan liç

450

çalışmasında ekstrakte edilen bakır miktarı üzerinde APS konsantrasyonu ve liç süresi birinci dereceden ve lineer etki göstermektedir. APS konsantrasyonu, liç sıcaklığı ve sıvı/katı oranı sonuç üzerinde ikinci dereceden bir etkiye sahip olup bu parametrelerdeki değişim sonuç üzerinde karesi şeklinde yansıdığı, ayrıca APS konsantrasyonu-liç sıcaklığı parametrelerin arasındaki etkileşimin sonuç üzerinde etkin olduğu söylenebilir.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013


Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Tablo 2. Altı faktörlü CCD’de kullanılan bağımsız değişkenlerin incelenen etkinlik aralığı.

Parametre

Sembol

-1

0

+1

APS Kons., (g/l)

x1

11.30

185.00

280.00

375.00

548.70

Karıştırma Hızı, (dev/dk)

x2

54.73

265.00

380.00

495.00

705.27

Liç Sıcaklığı, (°C)

x3

83.43

120.00

140.00

160.00

196.57

Sıvı/katı oranı, (ml/g)

x4

1.86

11.00

16.00

21.00

30.14

Reaktör doluluk kesri (çözelti/300 ml)

x5

0.17

0.39

0.50

0.61

0.83

Liç süresi, (dk)

x6

10.15

65.00

95.00

125.00

179.85

Tablo 3. Bakır ve demir ekstraksiyonu için elde edilen istatistiksel sonuçların özeti.

Cevap

R2

Temsili model

Standart sapma

Sonuç üzerinde etkin olan parametreler

Cu

0.5201

İkinci derece

7.51

x1, x6, x12, x32, x42, x1x3

5.24

x1, x2, x3, x4, x6, x12, x22, x32, x42, x52, x1x3, x1x4, x1x6, x2x3, x3x4, x4x5, x5x6

Fe

0.8772

İkinci derece

Diğer taraftan çözeltiye geçen demir açısından liç parametrelerinin tamamımın etkin olduğu görülmektedir. İstatistiksel değerlendirmelerin sonuçlarına göre bakır için model uyumunu gösteren parametrelerden biri olan R2’nin düşük, demir için ise yüksek olduğu görülmektedir.

elde edilen sonuçların model uyumunun azaldığı düşünülmektedir.

RSM yöntemleri esasen istatistiksel değerlendirmeler sonucu belirli bir modelin oluşturulması temeline dayanmaktadır. Diğer taraftan yükseltgen liç vasıtaları ile yapılan çalışmalarda pek çok özel noktanın göz ardı edilmemesi gerekmektedir. Örneğin, ortamın oksidatif potansiyeline de bağlı olarak belirli bir sıcaklık ve APS konsantrasyonunda sülfür kükürdünün elementel kükürde yükseltgenmesi sonucu, partikül yüzeyini kaplamakta ve oluşan metalik kükürt partikül yüzeyinde difüzyon hızını düşürerek pasifleşme etkisi oluşturmakta ve metallerin ekstraksiyon verimini düşürmektedir. RSM yöntemleri kullanılarak yapılan hidrometalurjik bir çalışmada bu gibi özel nedenlerden dolayı model uyumunda bazı sıkıntıların olacağı düşünülmektedir. Hidrometalurjik bir çalışmada kullanılacak RSM yönteminde bu tip özel hususlara dikkat edilmesi ve bu özel durumların ayrıca incelenmesinin daha doğru olacağı düşünülmektedir. Model uyumunu etkileyen diğer önemli faktör ise tanımlanan bağımsız değişkenlerin sayısıdır. Değişken parametre sayısının artması ile birlikte tasarlanan deney sayısı artmakta ve

%

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013

Sonuç üzerinde etkinliği araştırılan parametrelerden oluşan tahmini model denklemleri, bakır ve demir ekstraksiyonu için şu şekilde elde edildi. 137.90 2.23 ∗ 10 8.44 ∗ 10 7.59 ∗ 10 0.05x2 x5 ∗ 10 4 x3 x6

0.33x1 0.10x2 1.85x3 4.47x4 18.14x5 0.23x6 x1 2 3.96 ∗ 10 5 x2 2 4.62 ∗ 10 3 x3 2 0.09x4 2 62.87x5 2 4 2 x6 3.02 ∗ 105 x1 x2 1.23 ∗ 10 3 x1 x3 1.65 ∗ 10 3 x1 x4 3 x1 x5 3.11 ∗ 104 x1 x6 4.38 ∗ 10 4 x2 x3 1.29 ∗ 10 4 x2 x4 4.33 ∗ 10 4 x2 x6 6.76 ∗ 10 3 x3 x4 0.44x3 x5 6.49 0.83x4 x5 6.19 ∗ 10 3 x4 x6 0.13x5 x6 4

% 229.83 1.51 ∗ 10 7.34 ∗ 10 0.08x1 x5 0.07x2 x5 2.93x4 x5

0.28x1 0.23x2 2.03x3 2.77x4 42.95x5 0.22x6 x1 2 1.47 ∗ 10 4 x2 2 5.72 ∗ 103 x3 2 0.06x4 2 158.66x5 2 4 2 x6 8.02 ∗ 10 5 x1 x2 1.19 ∗ 10 3 x1 x3 3.63 ∗ 10 3 x1 x4 6.17 ∗ 104 x1 x6 5.96 ∗ 10 4 x2 x3 1.81 ∗ 10 3 x2 x4 3.60 ∗ 10 4 x2 x6 0.01x3 x4 0.47x3 x5 6.50 ∗ 10 4 x3 x6 1.45 ∗ 10 3 x4 x6 0.46x5 x6   4

Elde edilen sonuçlara göre normal olasılık grafikleri oluşturuldu. Bakır ve demir için elde edilen normal olasılık grafikleri sırasıyla Şekil 4 ve Şekil 5’de görülmektedir. Şekillerde görüldüğü üzere bakır için oluşturulan grafikte artıkların normalden bir miktar saptığı buna karşın demir için elde edilen grafikte artıkların normal dağılım gösterdiği anlaşılmaktadır [24]

451


M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

Şekil 5. Bakır ekstraksiyonu için optimum şartlarda etkin parametrelerin sonuç üzerinde etkisi Şekil 3. Bakır ekstraksiyonunda artıklar için normal olasılık grafiği.

Şekil 6’da liç sıcaklığı ile APS konsantrasyonu etkileşiminin bakır ekstraksiyonu üzerindeki etkisi görülmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere grafiğin alt kısmında bulunan elips halkaların varlığı bu iki terimin etkileşiminde optimum bölgenin yakalandığını göstermektedir. Diğer taraftan, 130–180 °C liç sıcaklığı aralığında ve APS konsantrasyonunun 100–250 g/l aralığında yapılacak deneylerde en yüksek bakır ekstraksiyonunun elde edilebileceği anlaşılmaktadır. Amonyum persülfatın bozunmasının liç sıcaklığı ile yakından ilgili olduğu bilinmektedir. Yüksek sıcaklıklarda amonyum persülfatın tamamının bozunarak doğum halinde oksijen verdiği, buna karşın düşük liç sıcaklıklarında yapılacak çalışmalarda APS’nin kısmen bozunmasından dolayı ortamda yeterli miktarda oksijenin olmamasından dolayı metal ekstraksiyonunu düşürdüğü söylenebilir. Nitekim söz konusu grafikte düşük liç sıcaklığı ve düşük APS konsantrasyonunda yapılacak çalışmalarda bakırın hemen hemen hiç çözeltiye geçmediği görülmektedir. Şekil 4. Demir ekstraksiyonunda artıklar için normal olasılık grafiği.

Deneysel verilerin ışığında optimum liç şartları belirlendi. Optimum liç şartları belirlenirken maksimum bakır ekstraksiyonunun yanı sıra minimum miktarda demirin çözeltiye geçtiği şartlar belirlenmeye çalışıldı. Bu şartlar altında bakır ve demir ekstraksiyonu için elde edilen üç boyutlu grafikler her bir parametrenin etkileşimini göstermektedir ve toplam 30 adet grafik oluşmaktadır. Bundan dolayı sadece sonuç üzerinde etkin olan parametrelerin etkileşimini gösteren grafikler burada verilmiştir. Bakır ve demir ekstraksiyonu için elde edilen üç boyutlu grafikler sırasıyla Şekil 6 ve 7’de görülmektedir. 452

Şekil 7’de çözeltiye geçen demir açısından oldukça fazla sayıda parametrenin etkin olduğu görülmektedir. Şekil 7 a, c, d ve g ile temsil edilen grafiklerde optimum bölgelerin var olduğu anlaşılmaktadır. Söz konusu şekilde yüksek APS konsantrasyonunda yapılacak deney şartlarında çözeltiye yüksek miktarda demir geçeceği anlaşılmaktadır. Aynı durum yüksek liç sıcaklığında yapılacak deneylerde de benzer olmakla birlikte, liç sıcaklığının yüksek olduğu deney şartlarında özellikle asidik liç ortamında çözeltiye geçen demirin fazla olması esasen beklenen bir durumdur. Ayrıca liç süresi kısa tutulmak üzere düşük

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013


Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Şekil 6. Demir ekstraksiyonu için parametrelerin etkileşimi ve sonuç üzerindeki etkisi

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013

453


M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

sıvı/katı oranı ve reaktör doluluk kesrinde yapılacak deneylerde çözeltiye geçen demirin oldukça sınırlı miktarda olacağı anlaşılmaktadır. Son olarak, elde edilen veriler ışığında model üzerinde çözüm noktaları belirlendi. Söz konusu çözüm noktalarında tahmini bakır ve demir ekstraksiyonunda yapılacak deneylerle ne kadar yaklaşılabileceğini ortaya koymak için seçilen 2 çözüm noktasında deneyler

yapılarak test edildi. Elde edilen sonuçlar Tablo 4’de görülmektedir. Tablodan da görüleceği üzere bakır ve demir ekstraksiyonu tahmini ekstraksiyon değerlerine yakın olduğu anlaşılmaktadır. Diğer taraftan önerilen liç süresinin kısa olması (~ 10dk) ve bu sürede elde edilen bakır ekstraksiyon değerinin %54 civarında olması oldukça önemlidir. Zira basınç reaktöründe yapılan çalışmada liç hızının oldukça yüksek olduğunu söylemek mümkündür.

Tablo 4. CCD modeline göre elde edilen çözüm noktaları ve deneysel sonuçların karşılaştırması.

Çözüm No 1

x1

x2

x3

x4

x5

x6

230.73

349.79

145.89

9.27

0.17

10.10

2

195.32

380.69

149.22

9.80

0.17

10.10

Tahmini % Cu % Fe 54.00 12.60 53.99

12.91

Deneysel % Cu % Fe 50.01 12.41 54.44

14.99

Tablo 5. Küre kalkopirit konsantresinin farklı şartlarda liçi sonrası elde edilen örneklerin XRD analizi sonuçları.

Liç Sıcaklığı (°C) 90 110 150 175 200

Kalkopirit (CuFeS2) • • • • •

Pirit (FeS2) • • • • •

4. SONUÇ (CONCLUSION) Amonyum persülfat (APS) varlığında yüksek basınç reaktör sisteminde Küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu cevap yüzey yöntemi kullanılarak incelendi. Metallerin ekstraksiyon verimi üzerinde etkin olan parametreler bağımsız değişken olarak merkez kompozit dizaynı deney düzeni oluşturarak tanımlandı ve altı faktörlü deney tasarımı yapıldı. Belirlenen deney şartlarında 10 tanesi merkez noktada olmak üzere toplam 86 adet deney gerçekleştirildi ve elde edilen veriler ışığında sonuçların istatistiksel değerlendirmesi yapıldı. Cevap değerlerinin model uyumunu gösteren parametrelerden biri olan R2 değerinin demir için yüksek, bakır için düşük değerlere sahip olduğu belirlendi. R2’nin düşük olmasının muhtemel nedeni ara sıcaklıklarda meydana gelen ve elementel Çözeltiye geçen demir iyonları açısından bakıldığında Cu/Fe seçimlilik oranının ümit verici olduğu görülmektedir. Yapılan deneysel çalışmalar sonrası, liç mekanizmalarının açıklanmasına katkıda bulunmak amacıyla farklı liç sıcaklıklarında elde edilen bakiyelerin XRD ile mineralojik analizleri gerçekleştirildi. Belirlenen mineral fazları Tablo 5’de görülmektedir. Tablodan görüldüğü üzere çeşitli sıcaklıklarda yapılan liç deneyleri sonucu elde edilen bakiyelerin tamamında kalkopiritin varlığını

454

Kovellit (CuS) • • • • •

Kuvars (SiO2) • • • • •

Kalsit (CaCO3) • • •

koruduğu anlaşılmakla birlikte bir kısmının kovellite dönüştüğü görülmektedir. Ayrıca orijinal kalkopirit konsantresinin mineralojik analizinde tespit edilemeyen çeşitli mineral fazlarının (kuvars, kalsit) liç bakiyesinde görülmesi dikkat çekicidir ve ayrıca incelenmesi gereken bir husustur. kükürtten kaynaklanan pasifizasyon etkisi olduğu düşünülmektedir. Ayrıca çok sayıda parametrenin bağımsız değişken olarak tanımlanarak parametrelerin inceleme aralığının çok geniş tutulmasın da R2 değerini olumsuz etkilediği düşünülmektedir. Bu nedenlerden dolayı aynı çalışmanın cevap değerlerinin transforme edilmesi veya daha az sayıda bağımsız değişken tanımlayarak ve parametrelerin inceleme aralığını azaltarak yapılması halinde, model uyumunun artacağı düşünülmektedir. Liç şartlarının optimizasyonu yapılırken ekstrakte edilen bakırın maksimum olmasına karşın çözeltiye geçen demirin minimum olduğu şartlar hedef alındı. Elde edilen çözüm noktalarından iki tanesi seçildi ve belirlenen şartlarda deneyler yapılarak tahmini cevap değerleri ile karşılaştırıldı. Buna göre 195.32 g/l APS konsantrasyonu, 380.69 dev/dk karıştırma hızı, 149.22 ºC liç sıcaklığı, 9.80 çözelti/g kalkopirit konsantresi, 0.17 çözelti/300 ml reaktör doluluk kesrinde ve 10.10 dk liç süresi şartlarında bakırın yaklaşık % 55’i ekstrakte edilirken çözeltiye geçen demirin % 15 olduğu belirlendi.

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013


Yüksek basınç reaktör sisteminde küre kalkopirit konsantresinden metallerin ekstraksiyonu üzerine bir araştırma

M. D. Turan, H. Arslanoğlu, H. S. Altundoğan

Teşekkür (Acknowledgements) Bu çalışma TÜBİTAK tarafından 106M177 nolu araştırma projesi kapsamında desteklenmiştir. Yazarlar TÜBİTAK Mühendislik Araştırma Gurubu Başkanlığı’na teşekkürlerini sunmaktadır.

[12]

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1] [2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

Prasad, S., Pandey, B.D. (1998) ‘Alternative processes for treatment of chalcopyrite’, Minerals Engineering, Vol. 11, pp. 763-781. Stott, M.B., Watling, H.R., Franzmann, P.D., Sutton, D. (2000) ‘The Role of iron-hydroxy precipitates in the passivation of chalcopyrite during bioleaching’, Minerals Engineering, Vol. 13, pp. 1117-1127. Hiroyoshi, N., Hirota, M., Hirajima, T., Tsunekawa, M. (1997) ‘A case of ferrous sulfate addition enhancing chalcopyrite leaching’, Hydrometallurgy, Vol. 47, pp. 3745. Hiroyoshi, N., Miki, H., Hirajima, T., Tsunekawa, M. (2001) ‘Enhancement of chalcopyrite leaching by ferrous ions in acidic ferric sulphate solutions’, Hydrometallurgy, Vol. 60, pp. 185-197. Lu, Z.Y., Jeffrey, M.I., Lawson, F. (2000) ‘The effect of chloride ions on the dissolution of chalcopyrite in acidic solutions’, Hydrometallurgy, Vol. 56, pp. 189-202. Dreisinger, D., Abed, N. (2002) ‘A fundamental study of the reductive leaching of chalcopyrite using metallic iron part: kinetic analysis’, Hydrometallurgy, Vol. 66, pp. 3757. Han, K.N., Meng, X. (2003) ‘Recovery of copper from its sulphides and other sources using halogen reagents and oxidants, Minerals & Metallurgical Processing, Vol. 20, pp. 160164. Koleini, J.S.M., Aghazadeh, V., Sandstrom, A. (2011) ‘Acidic sulphate leaching of chalcopyrite concentrates in presence of pyrite’, Minerals Engineering, Vol. 24, pp. 381-386. Bjorling, G., Faldt, I., Lindgren, E., Toromanov, I. (1976) ‘A nitric acid route in combination with solvent extraction for hydrometallurgical treatment of chalcopyrite’, In Extractive Metallurgy of Copper, AIME, Vol. 2, pp. 725-737, New York. Maurice, D., Hawk, J.A. (1998) Ferric chloride leaching of mechanically activated chalcopyrite, Hydrometallurgy, Vol. 49, pp. 103-123. Tamagawa, T., Tabaian, S.H., Fu, N.X., Kobayashi, M., Iwasaki, I. (2000) ‘Extraction of copper from chalcopyrite concentrates

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 447-455, 2013

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19] [20]

[21] [22] [23] [24]

without sulphuric acid generation via chlorination, Part 1: gaseous chlorination of sulphide concentrates’, Minerals and Metallurgical Processing, Vol. 17, pp. 259263. Sarvesware, K., Rao, K., Ray, H.S. (1998) ‘A new look at characterisation and oxidative ammonia leaching behaviour of multimetal sulphides’, Minerals Engineering, Vol. 11, pp. 1011-1024. Feng, D., Van Deverter, J.S.J. (2002) ‘Leaching behavior of sulphides in ammoniacal thiosulphate systems 2, Hydrometallurgy, Vol. 63, pp.189-200. Havlik, T., Miskufova, A., Tatarka, P. (2001) ‘Modern methods of oxidative chalcopyrite leaching’, Acta Metallurgica Slovaca, Vol. 4, pp. 62-68. Ting-Sheng, Q., Guang-Hua, N., Jun-Feng, W., Li-Feng, C. (2007) ‘Kinetic process of oxidative leaching of chalcopyrite under low oxygen pressure and low temperature’, Transaction of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 17, pp. 418-422. Mcdonald, R.G., Muir, D.M. (2007) ‘Pressure oxidation leaching of chalcopyrite. Part I. Comparison of high and low temperature reaction kinetics and products’, Hydrometallurgy, Vol. 86, pp. 191:205. Padilla, R., Pavez, P., Ruiz, H. (2008) ‘Kinetics of copper dissolution from sulfidized chalcopyrite at high pressure in H2SO4-O2’, Hydrometallurgy, Vol. 91, pp. 113-120. Akçıl, A. (2002) ‘A preliminary research on acid pressure leaching of pyritic copper ore in Küre copper mine Turkey’, Minerals Engineering, Vol. 15, pp. 1193-1197. Touro, F.J. (1976) ‘Oxidation-leaching of chalcopyrite, United States Patent, 3 962 402. Padilla, R., Vega, D., Ruiz, M. C. (2007) ‘Pressure leaching of sulfidized chalcopyrite in sulfuric acid-oxygen media’, Hydrometallurgy, Vol. 86, pp. 80-88. Jackson, E. (1986) ‘Hydrometallurgicall extraction and reclamation’, Ellis Harwood Ltd., pp. 56-61 , Newyork, Vogel, A.I. (1989) ‘Vogel’s textbook of quantitative chemical analysis’, 5th edition, ISBN:0-582-44693-7, London. Montgomery, C. D. (2001) ‘Design and Analysis of Experiments’, 5th Edition, A.B.D. Kul, S. (2004) ‘Cevap Yüzey Yöntemleri, Yüksek Lisans Tezi’, Mersin Üniversitesi Sağlık Bilimleri Enstitüsü Biyoistatistik Anabilim Dalı, Mersin.

455


SAÜ. Fen Bil. Der. 17. Cilt, 3. Sayı, s. 457-470, 2013

SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 457-470, 2013

Dağıtık kontrol ile akıllı şebekelerde geniş-alan yönetimi ve geleceğe dönük projeksiyonlar Murat Akçin1*, B. Baykant Alagöz1, Cemal Keleş1, Abdulkerim Karabiber2, Asım Kaygusuz1 1* 2

İnönü Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Malatya Bingöl Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Bingöl 05.08.2013 Geliş/Received, 11.11.2013 Kabul/Accepted

ÖZET Artan nüfus ve bireylerin enerji taleplerinin sonucu olarak, enerjiye olan talep her geçen gün artmaktadır. Bu talebin mevcut şebeke yapısı ile karşılanması oldukça zor ve verimsiz olacaktır. Yüksek iletim kayıplarının neden olduğu verimsiz iletim, yenilenebilir kaynakların şebekeye entegrasyonunda yaşanan sorunlar, esnek olmayan talep ve ücretlendirme gibi problemler, geleneksel şebeke yapıları ile artan talebin karşılanmasını verimsiz ve sürdürülemez kılmaktadır. Arz-talep dengesinin sağlanması açısından mevcut şebekelerin verimli, çevre-dostu, esnek ve güvenilir olması beklentileri, akıllı şebekeler uygulamalarını gündeme getirmektedir. Akıllı şebeke uygulamaları, enerjinin üretim, iletim, dağıtım ve tüketim süreçlerinin her aşamasının gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir olmasını, dolayısı ile etkin yönetilebilir olmasını amaçlamaktadır. Bu çalışmada, dağıtık kontrol uygulamaları ile akıllı şebekelerde geniş alan yönetimi irdelenmekte ve geleceğe dönük öngörüler sunulmaktadır. Anahtar Kelimeler: akıllı şebekeler, dağıtık kontrol, haberleşme, akıllı şebeke yönetim mimarisi

Wide-area management of smart grid by distributed control and near future projections ABSTRACT Due to increasing of world population and personal energy demand, overall energy demand rises day to day and therefore, it will be very difficult and inefficient to meet this increasing demand by conventional electrical grid structure in near future. The conventional electrical grids do not well suit for efficient and sustainable solutions related to reducing transmission losses, integrating renewable energy sources, flexible demand and energy pricing. Today, there is an urgent need for smart grid in order to balance energy demand and generation more efficient, more environmentally friendly, more flexible and reliably. For these proposes, smart grid should provide observable and controllable network structure from energy generation, transmission, distribution to consumption and thus it provides smart management of energy systems. This study presents methodologies and technologies developed for distributed control and wide-area smart management in smart grids. The paper also presents projections for the near future of smart grid applications. Keywords: smart grids, distributed control, communication, smart grid management architecture

*

Sorumlu Yazar / Corresponding Author


M. Akçin v.d.

Dağıtık Kontrol ile Akıllı Şebekelerde Geniş-Alan Yönetimi ve Geleceğe Dönük Projeksiyonlar

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Dünya nüfusunun artması, fosil yakıta dayalı enerji rezervlerinin azalması, teknolojik ve sosyal gelişim sonucunda bireyin gündelik yaşamında enerjiye olan bağımlılığının artması, yoğun sanayileşmenin ve verimsiz enerji tüketiminin çevresel etkilerinin görülmeye başlaması gibi etmenler, akıllı enerji yönetimini gündeme getirmiştir. Enerjinin üretim aşamasından başlayarak, iletim, dağıtım ve tüketime kadar uzanan bütün süreçleri kapsayan elektrik şebekesinin, gelişen teknolojik imkânlar ile daha verimli, daha güvenli, daha çevre dostu ve daha yönetilebilir kılınması çabaları akıllı şebeke kavramını doğurmuştur. Mevcut şebekelerin yetersiz kalması nedeni ile ortaya çıkan bu kavram, şebekelerin tam otomasyonu ve yüksek verimliliğini hedeflerken, haberleşmeden bilgi teknolojilerine, kontrol sistemlerinden yarı iletken teknolojilerine kadar birçok teknolojiyi bir araya getiren yeni bir model olarak karşımıza çıkmaktadır. Son zamanlarda, akıllı şebekelere olan ihtiyacın farkına varılmış ve haberleşme, bilgi teknolojileri, kontrol sistemleri, yarıiletken teknolojileri gibi birçok sahada akılı şebeke uygulamalarına dönük çalışmalar hız kazanmıştır [1-5]. Artan enerji ihtiyacının karşılanması için teknolojik gelişmeler kullanılarak, enerji potansiyelinin, verimli ve sürdürebilir olarak kullanılması hedeflenmektedir. Bu amaçla geliştirilen daha yönetilebilir şebeke sistemleri, “akıllı şebekeler” ifadesi ile kavramsallaştırılmıştır. Akıllı şebekeler yenilenebilir enerji kaynaklarının (YEK) kullanımını kolaylaştırarak, alternatif ve çevredostu kaynaklar için fırsatlar sunmaktadır [6]. Fosil yakıt rezervlerinin tükenme noktasına yaklaşması nedeni ile petrol zengini ülkeler dahil olmak üzere bütün dünya, YEK’lerden daha fazla istifade edebilme yollarını aramaktadır [6,7]. YEK’lerin daha verimli ve daha yaygın kullanılabilmesi, şebeke ile entegrasyon problemlerinin giderilmesine [8-10] ve depolama üniteleri gibi ikincil kaynaklarla desteklenmesine [11] bağlıdır. Günümüz elektrik şebekeleri bu ihtiyaca cevap vermemesine rağmen, kontrol ve haberleşme alanında yaşanan teknolojik gelişmeler şebekeyi daha yönetilebilir kılarak yakın gelecek için umut vadetmektedir. Günümüzde akıllı şebeke uygulamaları üç temel alt başlıkta toplanabilir: (i) Dağıtık üretim (Distributed generation) uygulamaları: Dağıtık üretim uygulamaları; enerji verimliliği, güvenilirliği ve YEK'lerin kullanımı için büyük öneme sahiptir. Akıllı şebekeler, küçük ölçekli enerji üretiminden yüksek güçlü enerji santrallerine 458

kadar çok geniş bir yelpazeye yayılan enerji kaynaklarının dağıtım şebekesi üstünde entegrasyonuna imkân sağlamalıdır [12-14]. Böylece YEK’lerin hane düzeyine kadar yaygınlaşmasına ve hanelerin kendi enerjisini üretmesine imkân sağlanacaktır. Bu durumda yerinde üretim ve tüketim ile iletim kayıplarının düşürülmesi sağlanarak enerji verimliliği arttırılabilecektir. Klasik şebekede statik tüketici durumunda olan hanelerin dağıtık üretim imkanları ile üretken-tüketiciler (prosumers) haline dönüşmeleri beklenmektedir [15,16]. (ii) Dağıtık depolama (Distributed storage) uygulamaları: Enerji üretim fazlasının şebekeye dağılmış depolama sistemlerinde depolanması ve gerektiğinde enerji talebini karşılamak üzere kullanılabilmesi hedeflenir [17]. Yüksek hacimli enerji depolama sistemlerinden hane tipi depolama sistemine kadar çok geniş ölçekte depolama sisteminin şebekeye dağıtılması YEK’ler gibi enerji sürekliliği olan kaynakların daha etkin kullanımı için önem arz etmektedir [18]. (iii) Talep taraflı yük yönetimi (Demand side load management) uygulamaları: Dağıtık üretim ve depolama olanaklarına sahip şebekelerde üretim-talep dengesi ve enerji fiyatları daha akıllı yönetilebilir. Enerji tüketiminin fazla olduğu zaman aralığı, şebeke elemanlarını zorlamaktadır. Tüketici yardımıyla bu sorun çözülmekle beraber enerji fiyatları ve enerji verimliği arttırılabilir [16]. Talebe bağlı olarak yürütülecek enerji üretim ve depolama stratejileri enerji verimliliğini önemli ölçüde arttırabilecektir. Yukarıda bahsedilen üç amaca yönelik uygulamalar etkin haberleşme ve kontrol araçları ile mümkündür. Güç sisteminin, anlık değişimlere cevap verebilmesi ve optimal çalışma durumlarını koruyabilmesi için şebeke durumlarının gerçek-zamanlı olarak gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir olması gerekmektedir. Bunun için akıllı şebeke bileşenleri veri alma, veri işleme ve veri iletme kabiliyetine sahip olmalıdır. Bu, söz konusu güç bileşenlerin haberleşme ve programlanabilme kabiliyetine sahip akıllı sistemleri (mikroişlemcileri) içermesi ile mümkün olabilecektir. Bu birimlerin birbiri ile iletişiminin ve etkileşiminin yönetilmesi için haberleşme protokollerine (TCP/IP, ATM, SDH/SONET gibi), haberleşme altyapılarına (Modemler, yönlendiriciler, kablosuz haberleşme) ve sunuculara (Uygulama ve veri tabanları) ihtiyaç duyulacaktır [19, 20]. Akıllı şebekeler, dağıtık kontrol uygulamalarının enerji üretim, iletim ve tüketim süreçlerine verimli ve akıllı çözümler getirmektedir [21]. Bu uygulamalar ile hem SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 457-470, 2013


Dağıtık Kontrol ile Akıllı Şebekelerde Geniş-Alan Yönetimi ve Geleceğe Dönük Projeksiyonlar

tüketiciler hem de enerji üreticileri, gerçek zamanlı enerji yönetimi araçları ile enerji tasarrufu, enerji güvenilirliği ve enerji sürekliliği avantajlarına kavuşabileceklerdir. Akıllı şebekeler ile gerçek zamanlı ölçme ve fiyatlandırma, akıllı yük atma (aşırı yükü kaldırmak için belirli bölgelerde kısa süre elektriği kesme) veya kaydırma, tüketim yönetimi, fiyat optimizasyonu ve enerji verimliliği için tüketiciyi aktif hale getirme, hibrit elektrikli araçların enerji şebekesine entegrasyonu, fotovoltaik sistem ve rüzgar türbinleri gibi alternatif ve dağıtık üretim kaynaklarının entegrasyonu gibi birçok yeni enerji kavramları literatüre kazandırılmıştır. Bu çalışmada, akıllı şebekelerde haberleşme ve kontrol alanında elde edilen gelişmeler özetlenecek, bu gelişmeler ile sağlanabilecek dağıtık kontrol ve genişalan şebeke yönetimi konusunda değerlendirmeler yapılacaktır. Bu değerlendirmeler ışığında yakın geleceğin olası akıllı şebeke mimarisi ve uygulamalar için projeksiyon tutulacaktır.

M. Akçin v.d.

bileşenlerinin ve süreçlerinin durumlarını ve elektriksel parametrelerini gözlemleyebilir ve uzaktan kontrol edebilir olmalıdır. Bunun için bileşenlere ait dağıtık kontrol yapılarının programlanabilir, yerel-alan ve geniş-alan haberleşme kabiliyetine sahip kontrol birimleri olarak tasarlanması gerekmektedir. Bu birimler, Şekil 2’de komşu haberleşme (H) ve kontrol (K) birimleri ile gösterilmiştir. Burada kontrol işlevleri, güç şebekesi bileşenleri (G) ile haberleşme ağı bileşenleri arasında ara yüz görevi görmektedir. Şekilde komşu KS ve HS yapıları ile temsil edilmiş olan geniş alan yönetim sistemi, geniş alan haberleşme ağı aracılığı ile dağıtık kontrol birimleri (H-K) ile irtibatlanmaktadır. Geniş alan yönetim sisteminden (KS-HS) gelen mesajlar dağıtık kontrol birimlerinin H birimleri tarafından alınır, K birimleri tarafından değerlendirilir ve G birimlerine uygulanarak şebeke üzerinde geniş-alan yönetimi sağlanır.

2. AKILLI ŞEBEKELERDE DAĞITIK KONTROL MİMARİSİ (DISTRIBUTED CONTROL ARCHITECTURE IN SMART GRIDS) Bir önceki bölümde değinilen beklentilerin geleceğin akıllı şebeke mimarilerinden karşılanabilmesi için şebeke ve güç bileşenlerinin durumlarının gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir olması gerekmektedir. Çünkü sadece gözlemlenebilir ve kontrol edilebilir olan dinamik sistemler, yönetilebilirdir. Çok sayıda bileşenden oluşan karmaşık şebeke yapısının yönetilebilir olması, akıllı şebeke altyapısının şu üç temel teknoloji katmanına sahip olmasını zorunlu kılar: (i) (ii) (iii)

Haberleşme Katmanı Kontrol Katmanı Güç Katmanı Şekil 1. Akıllı şebeke teknoloji katmanları (Smart grid technology layers)

KS

Geniş-alan Yönetim Uygulamaları

HS

Güç sistemleri katmanı Haberleşme sistemleri katmanı Kontrol sistemleri katmanı

Şekil 1’de bu üç teknoloji katmanı ayrı ayrı betimlenmiştir. Şekil 2’de bu katmanları oluşturan bileşenlerin iç içe geçmesi sonucu açığa çıkan işlevsel ilişkileri tasvir edilmiştir. Bu katmanlara dayalı olarak sağlanan geniş-alan yönetim kabiliyeti dağıtık kontrol imkanları ile sağlanabilir. Dağıtık kontrol, akıllı şebekenin güç katmanları bileşenlerinin bağımsız yerel kontrol birimlerine sahip olması durumudur. Şebekeye yayılmış kontrol yapılarının birbiri ile uyumlu ve sistem bütününde optimal çalışabilmesi geniş-alan yönetimi ile sağlanabilir. Akıllı şebeke geniş-alan yönetimi; şebekeyi oluşturan üretim, iletim, dağıtım, tüketim güç SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 457-470, 2013

H K G Lokal Uygulamalar

H K G

H K G

H K G G: Güç bileşenleri K: Kontrol bileşenleri H: Haberleşme bileşenleri KS: Kontrol sunucusu HS: Haberleşme sunucusu

Şekil 2. Katman bileşenlerinin birbiri ile olan işlevsel bağlantıları (Functional connections of layer components with each other)

Akıllı şebeke mimarisinin kontrol edilebilir ve gözlemlenebilir olabilmesi için geniş alan yönetim sistemlerinin, Şekil 2’de tasvir edilen üç yapısal 459


M. Akçin v.d.

Dağıtık Kontrol ile Akıllı Şebekelerde Geniş-Alan Yönetimi ve Geleceğe Dönük Projeksiyonlar

bileşene (H-K-G) sahip olan cihazlardan ve sistemlerden oluşması gerekmektedir. Bu cihazların işlevsel mimarisi, Şekil 3’de gösterilmiştir.

Haberleşme Birimi: - Yakın-alan haberleşme - Uzak-alan haberleşme

Kontrol Birimi: - Programlanabilir - Analog ve dijital giriş-çıkış portları

Sensörler

Analog Sürücü

Güç Sistemi

Şekil 3. Yönetilebilir bir güç sisteminin işlevsel mimarisi (Functional architecture of a manageable power system)

Kontrol biriminin programlanabilir olması, işlemci ve bellek içeren kontrol kartları ile sağlanabilmektedir. Bu kartların analog ve dijital giriş-çıkış portlarının olması, sensörlerin ve güç sistemlerinin bu kartlara bağlanabilmesine imkan sağlamaktadır. Ayrıca, kart üzerinde haberleşme modülleri de sağlanarak, Ethernet, USB, RS-32, Wi-Fi, GSM/GPRS komple bir çözüm sunabilmektedir. 2.1. Akıllı Şebekeler İçin Haberleşme Sistemleri (Communications Systems For Smart Grids)

Günümüz kablolu ve kablosuz haberleşme teknolojilerinde kaydedilen gelişmeler, akıllı şebekelerin haberleşme katmanının inşasına ivme kazandırmıştır. Akıllı şebekelerin mimarilerinde haberleşme ihtiyacı yakın-alan (Bina ve tesis içi) ve uzak-alan (Şehir içi ve şehirlerarası) haberleşmelerinin her ikisini de kapsamaktadır. Milyonlarca kullanıcıya hizmet veren bir akıllı güç dağıtım altyapısının kendi içinde uyumlu çalışabilmesi ve haberleşebilmesi için yüksek bant-genişliklerine sahip yüksek hızlı veri iletim altyapısına ihtiyaç duyacaktır. Bu altyapı günümüzde gerek fiber teknolojisi ile gerekse kablosuz iletişim imkanları ile mümkün olmaktadır. IEEE tarafından akıllı şebeke uygulamaları için önerilmiş başlıca haberleşme teknolojileri ZigBee, WiMAX ve Kablosuz LAN (Wi-Fi) teknolojileri, GSM/GPRS, DASH 7 ve güç hatları üzerinden haberleşme ( PLC)’dir. 460

Akıllı şebekelerin en büyük avantajlarından biri enerji kaynakları ile tüketiciler arasında çift yönlü bir haberleşme ağının kurulmasıdır [22]. Çift yönlü haberleşme, akıllı şebekelerin uygulanmasında önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Akıllı şebekelerin gerçek zamanlı haberleşme yeteneği kazanması, elektrik şebekelerinin modernizasyonu için bir dönüm noktası teşkil edecektir. Bu durumda veri merkezleri, üreticitüketici tabanlı yazılımlar, dağıtık kontrol birimleri, geniş alan yönetim uygulamaları bu altyapı üzerinden haberleşebileceklerdir. Bu haberleşme altyapısı; bugün için fiber optik kablo, güç hattı üzerinden geniş bant iletim ve kablosuz teknolojiler içeren çeşitli iletişim yollarını barındıracak şekilde inşa edilebilmektedir [23]. Günümüz haberleşme teknolojilerinin akıllı şebekelerde kullanılma durumu, Tablo 1’de özetlenmiştir. Bu tablo var olan haberleşme teknolojilerinin farklı akıllı şebeke uygulamaları için mevcut durumunu ortaya koymaktadır. Bu tablo ayrıca, mevcut haberleşme çözümlerini ve bu alanda devam eden araştırmaları da göstermektedir [24]. İhtiyaca dönük olarak geliştirilen teknoloji ve yöntemlerin akıllı şebeke haberleşme sistemlerindeki yeri aşağıda kısaca özetlenmiştir. Geleneksel ve yeni nesil haberleşme sistemlerinde GSM/GPRS teknolojisi önemli bir yer tutmaktadır [25]. Bunun temel nedeni GSM/GPRS teknolojisi kullanılarak elde edilen çözümlerin hedeflenen noktalara kablosuz erişim sağlayabilmesidir. GSM, tüm dünyada uygulanan en popüler devre anahtarlamalı hücresel ağdır. Bu ağ, (900-1800) MHz aralığında çalışır. Mimarisi dört temel bileşenden oluşur: mobil cihazları, baz istasyonu trafo merkezi, ağ anahtarlama trafo merkezi, ve işletim destekleme trafo merkezi. GSM, sabit hat telefon ağından sonra dünyanın en konuşlanmış haberleşme teknolojisi olma avantajına sahiptir. Bu durum, akıllı şebeke uygulamaları için bir avantaj sağlamaktadır. Bunun yanında GSM, en güvenli haberleşme ağları arasında kabul edilmektedir [26]. GPRS, devre anahtarlamalı GSM ağı üzerinden paket tabanlı veri transferi sağlar. Böylece, GSM ağı üzerinden IP tabanlı ağ uygulamalarının gerçekleşmesine olanak tanır. GSM ile karşılaştırıldığında veri hızı çok daha yüksektir. Standardizasyon ve uyumlu çalışabilme sorunu halen mevcut olmasına rağmen, akıllı şebeke uygulamalarında GSM/GPRS kullanım alanı bulabilmektedir. GSM/GPRS’in, akıllı şebeke uygulamalarında uzaktan izleme amaçlı kullanımı daha yaygındır. Örneğin, GPRS teknolojisi ile trafo merkezinin uzaktan izlenmesi önerilmiştir [27]. Aynı zamanda yine GPRS tabanlı SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 457-470, 2013


Dağıtık Kontrol ile Akıllı Şebekelerde Geniş-Alan Yönetimi ve Geleceğe Dönük Projeksiyonlar

çevrim içi güç kalitesi izleme yöntemi tartışılmıştır [28,29]. Tablo 1. Günümüz haberleşme teknolojilerinin akıllı şebekelerde kullanılma durumu; a:mevcut durumda kullanılan sistemler, b:kullanılması için araştırmaların sürdüğü sistemler, c:henüz kullanılmayan ancak çözüm geliştirilebilecek sistemler (Using situation of today's communication technologies in smart grids; a:the systems used in the present case, b:the researched systems for use, c:the systems not used yet but solution wil be developed) [24]

M. Akçin v.d.

WiMAX teknolojisi sabit, taşınabilir ve mobil erişimleri destekleyen bir geniş bant kablosuz erişim teknolojisidir. Görüş hattında olan veya olmayan, bir noktadan bir noktaya, bir noktadan çok noktaya ve çok noktadan çok noktaya uygulamaları desteklemektedir. Daha geniş alanlarda dağıtık enerji kaynakları arasındaki iletişim için uygun bir seçenek olarak kabul edilebilir. İdeal şartlarda 50 km’lik kapsama alanı içerisinde 70 Mbps hızlarda ses, veri ve görüntüyü hizmet kalitesi ve güvenlik gerekliliklerinde taşıyıp dağıtabilmektedir. WiMAX teknolojisi, düşük toplam kurulum maliyeti ve akıllı şebeke uygulamaları için geniş kapsama alanı ile birlikte güvenilir, yüksek veri hızı ve otomatik ağ bağlantısı sağlar. [30]. Wi-Fi teknolojisi, uyumlu cihazların kablosuz erişim noktaları aracılığıyla yerel alan ağına bağlanabilmeyi sağlamaktadır. Akıllı şebekeler için IEEE 802.11 (WiFi) ve IEEE 802.16 (WiMAX) gibi standartlar getirilmiş olup bu standartların geliştirilmesi ve olgunlaştırılması yolunda çalışmalar devam etmektedir. IEEE 802.11 (Wi-Fi) ağlarında haberleşme için maksimum veri hızı 150 Mbps ve maksimum haberleşme mesafesi 250 m olarak belirlenmiştir. IEEE 802.16 standardında ise 50 km mesafede 100 Mbps hızında veri transferi sağlanabilmektedir [23, 31,32]. Şekil 4'te kablosuz haberleşme sistemleri için akıllı şebeke mimarisinin temsili yapısı görülmektedir. Bu yapıda internet ve internet servis sağlayıcı (ISP), dağıtık alt ağları (enerji santrali, akıllı şebekeye bağlı elektrikli cihazlara sahip akıllı evler, otomatik sayaç okuma altyapısına sahip haneler vb.) birbirine bağlarken omurga görevi görmektedir [23]. Tüketici sistemlerine kablosuz erişim

GSM/GPRS, ev alan ağı (Home Area Network-HAN) ortamında çok sayıda uygulama alanı bulmuştur. GSM/GPRS yoluyla ev izleme ve yük kontrolü kolaylıkla yapılabilmektedir. Cihazların yük kontrolü ve otomasyonu, çeşitli alanlarda uygulanmaktadır. Yerel kullanıcı cep telefonu sayesinde her an ev ile iletişim halindedir. GSM/GPRS ile birlikte, cihazların kısa mesaj servisi (SMS) tabanlı uyarı ve kontrolü, yine GSM teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilebilir [26]. Kablosuz ağ teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte cihazlar arası kablolu haberleşme, yerini kablosuz haberleşmeye bırakmıştır. Genel olarak kablosuz sinyaller, iletim zayıflamasına ve gürültüye önemli ölçüde maruz kalmaktadır. Bu nedenle, kablosuz ağlar genellikle nispeten düşük veri hızları ile kısa mesafe bağlantıları sağlar [23]. SAU J. Sci. Vol 17, No 3, p. 457-470, 2013

Güç üretim ve dağıtım sistemleri

Yönetim

Ev-içi dağıtık kontrol uygulamaları Şekil 4. Akıllı şebekelerde internet üzerinden (TCP/IP tabanlı) kablosuz haberleşme altyapısı (Wireless communication infrastructure via internet (TCP/IP-based) in smart grids) [23]

Güç hatları üzerinden haberleşme (Power Line Communication-PLC), enerji dağıtım hattı ile birlikte enerji iletim hattı üzerinden veri paylaşımı için geliştirilen bir teknolojidir. Elektrik hattı üzerinden 461


M. Akçin v.d.

Dağıtık Kontrol ile Akıllı Şebekelerde Geniş-Alan Yönetimi ve Geleceğe Dönük Projeksiyonlar

haberleşme teknolojisi, çift yönlü iletişim için mevcut güç hattı kablo altyapısı üzerinden modüle edilmiş taşıyıcı bir sinyalin bilgisini içerir. PLC teknolojisi, en eski ve yaygın kullanılan etkili bir yöntemdir [33]. PLC, dar bant PLC ve geniş bant PLC olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Dar bant PLC, (3-500) kHz olan bir haberleşme aralığına sahiptir. Geniş bant PLC teknolojisi, birkaç yüz Mbps veri hızı ile (2-250) MHz bant aralığı olan çalışma potansiyeline sahiptir. Dar bant PLC teknolojisi, yakın-alanda ölçümleme ve kontrol uygulamaları için daha uygundur. Geniş bant PLC ise, akıllı şebeke uygulamalarına ek olarak son kullanıcı multimedya ve internet hizmetleri için iletişim imkanı sunar [33]. Şekil 5 ve 6, bu konuda örnek uygulama ve sistemleri resmetmiştir.

Şekil 6'da PLC teknolojisi ve donanımları gösterilmiştir. Bu teknolojide AG trafo merkezinde Head-End kullanılarak ses ve veri, AG trafosu atlatılarak doğrudan elektrik hattına verilmektedir. Elektrik sayaçlarının yanında bulunan tekrarlayıcı ile alınan sinyal yinelenerek kuvvetlendirilmekte ve binadaki prizlere dağıtılmaktadır. Bina içi mevcut elektrik şebekesi, ev ve ofislerde ses, görüntü ve yüksek hızlı veri dağıtımı için hazır altyapı demektir. PLC yapı içi ağları, kullanıcıların veya tüketicilerin meskenlerde kullanmış oldukları akıllı elektrikli aygıtları birbirine ve internete, dahili elektrik tesisatı üzerinden bağlayabilen yeni teknolojilerdendir. Yapı-içi ağında, aynı elektrik prizi hem elektrik akımı sağlamakta, hem de ağa