Sabit fotovoltaik sistem uygulamalarında eğim açısının etkisi

Güneş enerjisi, fosil yakıtlara olan bağımlılığımızı azaltmamıza ve iklim değişikliği sorununun bir kısmını çözmemize yardımcı olabilecek temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Güneş teknolojisi ilerledikçe ve daha uygun fiyatlı hale geldikçe, çatı PV panelleri gibi güneş paneli sistemlerinin mümkün olduğunca verimli çalışmasını sağlamak kritik önem taşımaktadır. Bu çalışma, Türkiye'deki Sakarya Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği çatısına inşa edilen güneş enerjisi sistemi gibi sistemlerin verimliliğini optimize etmeye ve en üst düzeye çıkarmaya odaklanmaktadır. Bölgenin genişleyen güneş potansiyeli ile ilgili olarak, kirlenmenin etkisi altında güneş ışınımı ve PV panellerinin çıktısı hakkında sınırlı ölçülmüş ve gözlemlenmiş veri bulunmaktadır. Güneş paneli performansında eğimin etkisini anlamak için kullanabilecek ilk yöntem, optimum eğim açısını tahmin etmek ve hesaplamaktır. Bu optimum açı kritiktir çünkü bir panelin yıl boyunca toplayabileceği güneş radyasyonu miktarını doğrudan etkiler. Optimum eğim açısı, bir güneş panelinin yüzeyinde en fazla toplam güneş enerjisini alabilmesi için eğilmesi gereken açıdır. Bu optimum yönelime ulaşmak, enerji verimliliğini artırmak ve güneş kaynaklarının kullanımını en üst düzeye çıkarmak için kritik öneme sahiptir. Optimum eğim açısını belirlemek için, panele gelen toplam güneş radyasyonunun ayrıntılı bir analizini yapmak gerekir. Bu, doğrudan veya ışın radyasyonu, dağınık radyasyon ve yerden yansıyan radyasyon olmak üzere üç ana bileşenden oluşan toplam güneş radyasyonunun matematiksel modelinin değerlendirilmesini içerir. Bunlar arasında, dağınık güneş radyasyonu, özellikle daha fazla bulut örtüsü veya hava saçılması olan bölgelerde veya mevsimlerde özellikle önemlidir. Güneşten düz bir çizgide ilerleyen doğrudan radyasyonun aksine, dağınık radyasyon atmosferdeki moleküller ve parçacıklar tarafından saçılır ve panele birçok açıdan çarpar. Toplam güneş radyasyonunu tahmin etmenin en iyi yöntemi, doğrudan ölçümler almak için özel araçlar ve sensörler kullanmaktır. Dağınık radyasyon dâhil olmak üzere güneş radyasyonunun her yönü için bu ölçümler güvenilir ve doğru bilgiler sunar. Bu tez çalışması kapsamında ölçüm araçlarına erişim şansı olmadığı için önceki araştırmalara dayanarak yeni dağınık güneş radyasyonu denklemleri oluşturulacak, mevcut denklemlere ve modellere dayanan farklı bir yaklaşım kullanılacaktır. Bu modeller, gözlemlenen veya hesaplanan verilere dayandıkları için gerçek koşullara yakın bir yaklaşım sunar. Güvenilirliği ve doğruluğu artırmak için önceki çalışmalardan 34 model seçerek kapsamlı bir strateji izlenmiştir. Farklı koşullar altında dağınık güneş radyasyonunu tahmin eden çeşitli denklemler. Her modeli kullanarak dağınık güneş radyasyonunu hesaplayarak, çeşitli yaklaşımlar ve varsayımlar arasındaki farklılıkları yakalayarak çeşitli sonuçlar ortaya koymaktadır. Tahmini daha da iyileştirmek için bu 34 sonucun ortalaması hesaplanmıştır. Sakarya şehrindeki dağınık güneş radyasyonu için varsayılan "ölçülen değer" ortalama değer olacaktır. Bunu düzenlemek için, 34 denklem özelliklerine, veri gereksinimlerine veya matematiksel yapılarına göre beş ayrı gruba ayrılmıştır. Bu gruplar modelleri kategorize etmeye, analizi kolaylaştırmaya ve farklı yaklaşımların performansını ve doğruluğunu karşılaştırmaya yardımcı olur. Beş grup, berraklık indeksi (H/ H0) ile hesaplanan dağınık kesir (Hd/H), güneşlenme kesri (S/S0), ile hesaplanan dağınık kesir (Hd/H), güneşlenme kesri (S/S0) ve berraklık indeksi (H/ H0), ile hesaplanan dağınık kesir (Hd/H), berraklık indeksi (H/ H0) ile hesaplanan dağınık katsayı (Hd/H0) ve güneşlenme kesri (S/S0) ile hesaplanan dağınık katsayı (Hd/H0) 'dır. H0 ve S0 sırasıyla dünya dışı güneş radyasyonu ve maksimum güneşlenme saatidir. Dünya dışı güneş radyasyonu ve maksimum güneşlenme saati, dağınık güneş radyasyonu hesaplamadaki ana bileşenlerdir. Aylık ortalama günlük dünya dışı güneş radyasyonu H0 hesaplanmıştır, dünya dışı güneş radyasyonu enerjisinin mevcudiyeti aydan aya değişmektedir. Ocak ayı 4.11 kWh/m²/gün değerini verir, yılın başında düşük güneş ışınımı olduğunu gösterir. H₀ seviyeleri zamanla istikrarlı bir şekilde yükselerek sırasıyla Mart ayında 7.52 kWh/m²/gün ve Şubat ayında 5.51 kWh/m²/gün ile zirveye ulaşır. Nisan ayına gelindiğinde, sayı 9.56 kWh/m²/gün'e çıkarak büyük bir güneş enerjisi potansiyeli gösterir. Güneş ışınımı Haziran ayında 11.60 kWh/m²/gün ile zirveye ulaşır, ardından Temmuz ayında hafifçe düşerek kışın 11.28 kWh/m²/gün'e iner. Değerler yılın ikinci yarısında azalmaya devam ederek Eylül ayında 8.20 kWh/m²/gün'e ve Aralık ayında kademeli olarak 3.68 kWh/m²/gün'e düşer. Bu model, güneş enerjisi mevcudiyetinin mevsimsel yapısını vurgular; en yüksek değerler yaz aylarında, en düşük değerler ise kış aylarında görülür. Aylık ortalama maksimum güneş ışığı saatleri S0 hesaplanmıştır. Sonuçlar, açık bir günde belirli bir yerde erişilebilen teorik maksimum gün ışığı miktarını gösterir. Maksimum değer 14.88 saatle Haziran ayındayken, en düşük değer 9.12 saatle Aralık ayındadır. Bu değişim, Dünya'nın eksen eğikliği ve Güneş etrafındaki yörüngesinden kaynaklanan değişen gün uzunluğunu yansıtır. Veriler, güneş bulunabilirliğindeki mevsimsel değişimleri anlamak için kritik öneme sahiptir. Maksimum güneş ışığı saatleri coğrafi konumdan, özellikle enlemden etkilenir. Dünya dışı güneş radyasyonu ve güneşlenme süresi değerlerini elde ettikten sonra, 34 model kullanarak dağınık güneş radyasyonu hesaplanmıştır. 34 modelin ortalama değeri tahmini ölçülen değer olarak kullanılmış ve MATLAB kullanarak Sakarya için yeni dağınık güneş radyasyonu modelini oluşturmak için regresyon yöntemleri uygulanmıştır. Model dağınık güneş radyasyonunun aylık ortalama günlük değişimlerini vermektedir, en düşük değer Aralık ayında (0.79 kWh/m²/gün) ve en yüksek değer Haziran ayında (2.39 kWh/m²/gün) olmak üzere mevsimsel değişim gözlemlenebilir. Dağınık radyasyon, kıştan yaz başına doğru kademeli olarak artar ve atmosferik saçılmanın en fazla olduğu en güneşli aylarda zirveye ulaşır. Yeni model dağınık güneş ışınımının değerleri dikkate alınarak, bu değerler eğimli yüzeydeki toplam güneş ışınımını hesaplamak için kullanılmıştır. Ocak ayında, ortalama günlük toplam güneş ışınımı 2.15 kWh/m²/gündür ve optimum eğim açısı 57.16 derecedir. Şubat ayında, güneş ışınımı 51.04 derecelik optimum eğim açısıyla 3.20 kWh/m²/güne yükselir. Mart ayında, değer 36.94 derecelik eğim açısıyla 3.86 kWh/m²/güne daha da artar. Nisan ayında, ortalama günlük güneş ışınımı 20.83 derecelik optimum eğim açısıyla 4.63 kWh/m²/güne ulaşır. En yüksek güneş ışınımı, sadece 0.10 derecelik minimum eğim açısıyla Haziran ayında 6.01 kWh/m²/gün olarak gerçekleşir. Haziran ayından sonra değerler kademeli olarak azalmaya başlar; örneğin, Temmuz ayında 3.19 derecede 5.85 kWh/m²/gün, Ağustos ayında ise 16.65 derecede 5.44 kWh/m²/gün kaydedilir. Eylül ayında 33.47 derecelik optimum eğim açısıyla 4.81 kWh/m²/gündür. Ekim ayında 48.65 derecede 3.91 kWh/m²/güne düşer ve Kasım ayında 57.20 derecede 2.61 kWh/m²/güne düşer. Son olarak, Aralık ayında 60.42 derecelik en dik eğim açısıyla 2.10 kWh/m²/gün ile en düşük güneş radyasyonu vardır. Yıllık ortalama optimum eğim açısı 32.64 derecedir. Yıllık ortalama optimum eğim açısı 32,64° olarak belirlenmiştir. PV simülasyon yazılımı olan PVSOL kullanılarak yapılan analizlerde, yıl boyunca güneye bakan paneller için optimum eğim açısının 32° olduğu, doğu ve batı yönelimli paneller için ise optimum eğim açısının 8° ile 9° arasında değiştiği görülmüştür. Bu sonuç, tarafımızca analitik olarak belirlenen 32,64°'lik optimum eğim açısıyla oldukça uyumlu olup, simülasyon sonuçları ile hesaplamalarımız arasında anlamlı bir örtüşme olduğunu göstermektedir. PVSOL yazılımına göre, PV sistemi yıllık bazda şebekeye 5660 kWh enerji vermektedir. PVSOL simülasyon sonuçları ile saha ölçümleri karşılaştırıldığında, yıl boyunca benzer bir eğilim izlendiği görülmektedir. En düşük hata oranları Mayıs ve Haziran aylarında yaklaşık %0,34 fark ile elde edilmiş olup, oldukça yakın sonuçlar sunmaktadır. En yüksek hata oranları ise Şubat ayında %52,13 ve Aralık ayında %29,94 olarak gözlemlenmiştir. En yüksek enerji üretimi ise beklendiği üzere Haziran, Temmuz ve Ağustos gibi yaz aylarında gerçekleşmiştir. Genel olarak PVSOL yazılımı, %0,68 gibi oldukça düşük bir toplam hata oranıyla güvenilir sonuçlar sağlamaktadır. Gerçek saha verilerine dayalı olarak yapılan güney, doğu, batı ve yatay panel karşılaştırmasında, doğu ve batı yönelimli panellerin yatay panellere benzer miktarda enerji üretebildiği, bazı aylarda ise yatay panellerden daha yüksek üretim değerlerine ulaşabildiği tespit edilmiştir. Bu durum, PV*SOL yazılımının önerdiği gibi 8° ile 9° arasında küçük bir eğime sahip doğu veya batı yönelimli panellerin ya da mevcut sitedeki doğu ve batı yönelimli panellerin, düz yerleştirilen panellere kıyasla daha avantajlı bir seçenek olabileceğini göstermektedir. Ayrıca bu panellerin daha az temizlik gerektirmesi ve bakım maliyetlerinin daha düşük olması da uzun vadede ek bir avantaj sağlamaktadır. PVSOL, güneye bakan panellerin farklı yönelimler ve yatay paneller arasında en iyi sonuçları ürettiğini göstermektedir. Güney yönelimli paneller 1645.69 kWh/m² ile en fazla güneş ışınımını almış, %82.56 ile en iyi performans oranına sahip olmuş ve yılda en fazla elektriği 1632.53 kWh üretmiştir. Sıfır derece eğim açısı her yıl 1421.22 kWh enerji üretirken, özgül çıktısı 1184,35 kWh/kWp'dir. Doğuya bakan paneller düz panellerden biraz daha az enerji üretmiştir; sırasıyla 1371.92 kWh/yıl, 1143.27 kWh/kWp ve %81.90 performans oranına sahiptir. Batıya bakan paneller en düşük sonuçları üretmiştir. Yılda sadece 1234.60 kWh ve %79.89'luk en düşük performans oranını üretmişlerdir. Bu bulgular, panellerin güneye yönlendirilmesinin güneşten en fazla enerjiyi yakalamak için en iyi seçenek olduğunu göstermektedir. İstanbul'da yapılan bir deney, temizlenmemiş panellerin 3 gün sonra güçlerinin yaklaşık %0.4'ünü kaybettiğini, ancak yağmursuz geçen 24 günün ardından %3.0'a kadar güç kaybettiğini göstermektedir. PV çatı sisteminde, panellerin eğim açısı kirlenmeyi azaltmada önemli bir etkiye sahiptir. Yatay paneller daha fazla toz toplama eğilimindedir ve daha yavaş bir kar erime hızına sahiptir, bu da temizleme gerksinimini artırır. Uygun bir eğim açısına ayarlanan paneller daha az bakım gerektirir, özellikle Sakarya'da Kasım'dan Mayıs'a kadar yoğun yağışlar görüldüğünden, bu da panellerin doğal olarak daha temiz kalmasına yardımcı olur. Ancak yaz aylarında, kirlenmenin etkilerini azaltmak için tüm paneller için düzenli bir temizlik rutini gereklidir.