Güneş enerji sistemlerinde verimlilik analizi: Nijer güç sistemi uygulaması

İklim değişikliği ve küresel ısınma, mümkün olan en düşük karbon salınımıyla daha temiz enerji üretimi ve tüketimini tetiklemiştir. Nükleer enerjinin yanı sıra yenilenebilir enerji kaynakları da bu hedefe ulaşmak için uygun yöntemlerdir. Nükleer enerji güvenlik nedeniyle pek çok devlet tarafından rağbet görmese de yenilenebilir enerjiler için bu durum tam tersidir. Yenilenebilir enerjilerin toplam kurulu gücü son yıllarda, özellikle de Kyoto anlaşmasının imzalanması ve "net-sıfır" karbon nötrlüğüne ulaşmayı amaçlayan Paris anlaşmasından bu yana muazzam bir artış göstermiştir. Ancak Nijer gibi ülkeler için yenilenebilir enerjiler ve özellikle de güneş enerjileri sadece elektrik üretmenin en çevre dostu yolu değil, aynı zamanda ulusal enerji üretimlerini en düşük maliyetle artırmanın da en etkili yoludur. Nijer, güneş enerjisi için ideal coğrafi konumuna ve nehri boyunca iyi bir su akışına sahip olmasına rağmen, komşusu Nijerya'nın elektrik ihracatına büyük ölçüde bağımlıdır. Yenilenebilir enerjiler Nijer'in enerji kullanımında çok mütevazı bir paya sahiptir. Güneş ve rüzgâr enerjisi çoğunlukla köylerde ve elektrik şebekesinden uzak bölgelerde merkezi olmayan enerji üretim kaynakları olarak kullanılmaktadır. Nijer'in ilk ve tek güneş enerjisi santrali MALBAZA bölgesinde bulunmaktadır ve 7 MW kapasiteye sahiptir. Güneş enerjisi, elektrik kesintilerinden kaynaklanan enerji açığını kapatmak için elektrik şebekelerine ek olarak çoğunlukla evlerde kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinleri, Nijer'in belirli bölgelerdeki iyi rüzgâr koşullarına rağmen esas olarak su pompalamak ve tarım arazilerini sulamak için kullanılırken henüz elektrik üretimi için kullanılmamaktadır. Buna ek olarak 2025 yılına kadar tamamlanması beklenen ve tahmini toplam 130 MW'lık bir üretime sahip bir hidroelektrik baraj projesi de devam etmektedir. Ayrıca Nijer'de elektrik üretim kapasitesini artırmak için güneş enerjisine olan ilgi giderek artmakta ve ülkede mevcut olan farklı yenilenebilir kaynaklardan yararlanmak için çeşitli projeler yürütülmektedir. Bu tezde, Nijer'in iklim ve çevre koşullarında güneş enerjisi tesislerinin verimliliği üzerine bir çalışma ve analiz gerçekleştirilmiştir. Güneş ışınımı, rüzgâr, gölgeleme ve sıcaklık gibi güneş hücrelerinin verimliliğini etkileyen ana iklim faktörleri analiz edilmiştir. Bir güneş sistemi tasarlanırken, fotovoltaik hücrelerin verimini en üst düzeye çıkarmak için akıllıca bir ekipman seçimi yahücremalıdır. Güneş hücreleri büyük ölçüde güneş ışınımına bağımlıdır. Zayıf bir ışınım, güneş hücreleri tarafından sağlanan toplam gücü azaltacaktır. Tıpkı güneş radyasyonu gibi, toz ve gölgeleme de fotovoltaik hücrelerin verimliliği üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Bu nedenle güneş enerjisi sistemlerinin bu farklı parametreler göz önünde bulundurularak kurulması ve güç çıkışını optimize etmek için ideal yöntemler kullanılması gerekir. Tipik olarak, güneş fotovoltaik sistemlerinde kullanılan kontrolörler, güneş hücrelerinin gün boyunca mümkün olan maksimum miktarda enerji üretmesini sağlayan güç noktası izleme sistemlerini içerir. Her biri kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip çeşitli maksimum güç noktası izleme yöntemleri vardır. Bu tezde maksimum güç noktası takibinin ana yöntemleri incelenmiş ve işleyiş biçimleri açıklanmıştır. Maksimum güç noktasını izlemenin çok yönlü ve en basit yöntemi, güneş enerjisi tesislerinde de en yaygın olarak kullanılan P&O (perturb and observe – değiştir ve gözle) yöntemidir. Dış çevre faktörleri güneş hücrelerinin verimliliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğundan enerji santralinin yeri iyi seçilmelidir. Özellikle güneş ışınımı ve iklim koşullarının gelişimine ilişkin olarak bölgenin teknik açıdan incelenmesi gereklidir. Güneş ışınımı doğrudan çeşitli veri tabanlarından elde edilebilir ancak bu veriler her zaman güneş ışınımının gerçek değerini tam olarak temsil etmez. Güneş panelleri tarafından alınan güneş ışınımını elde etmek için, dağınık güneş fraksiyonu ve/veya dağınık güneş katsayısı gibi bazı parametrelerin güneş ışınımının nihai değerlendirmesine dahil edilmesi gerekir. Parlaklık indeksi, güneş ışınımının bir kesri olarak ifade edilir. Parlaklık indeksi küresel güneş ışınımının (H) dünya dışı güneş ışınımına (H0) bölünmesiyle, güneşlenme oranı güneşlenme saatlerinin (S) maksimum güneş ışınımı saatlerine (S0) bölünmesiyle ve dağınık fraksiyon ise dağınık güneş ışınımının (Hd) küresel güneş ışınımına (H) bölünmesiyle elde edilir. Yaygın radyasyonu belirlemenin en yaygın yöntemlerinden biri (H/H0) veya (S/S0) katsayılarını kullanmaktır. Güneş panellerinin her zaman etkin bir şekilde güneşe doğru yönlendirildiğinden emin olmak da önemlidir. PV panellerin her zaman güneşe doğru yönlendirildiğinden emin olmak için sistem, "Tracker" adı verilen güneş takip sistemleri ile donatılmalıdır. Tracker adı verilen bu sistemler, gün boyunca güneşi doğudan batıya doğru takip eden tek eksenli izleyici, yatay tek eksenli izleyici ve eğik eksenli izleyiciyi içerir. Güneş radyasyonundan gelen maksimum enerji, tek eksenli izleme modunda silindirik antenler gün ortasında güneş ışınlarına dik tutulduğunda korunabilir. Güneş ışınlarının silindirik kabul düzlemine göre eğimi ve kosinüs etkisi nedeniyle güneş radyasyonu enerjisi azalır. Yılın mevsimleri boyunca gün içerisinde güneşi doğudan batıya ve kuzeyden güneye takip eden çift eksenli izleme cihazlarıyla mümkün olur. Çift eksenli takip, güneşi bir derece hassasiyetle takip eden iki doğrusal aktüatör motoru tarafından sağlanır. İhtiyaçlara veya kısıtlamalara bağlı olarak, fotovoltaik tesisler elektrik şebekesine bağlanabilir. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemlerin toplam gücü son yıllarda istikrarlı bir şekilde artmıştır ve şu anda toplam kurulu fotovoltaik gücün büyük bir bölümünü oluşturmaktadır. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemler, kurulu toplam güce bağlı olarak seri veya paralel bağlanmış ve bir veya daha fazla invertöre bağlanmış güneş panellerinden oluşur. Bir fotovoltaik sistem kurulduktan sonra çok az bakım gerektirir ve genellikle arıza sayısı oldukça azdır. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem, önleyici bakım gerektirmediği için en basit teknik işletime sahip yenilenebilir enerji sistemidir. Üretilen elektrik, sahanın tüketimi için elektrik tedarikinde olduğu gibi otomatik olarak şebekeyi besler. Basit izleme sistemdeki herhangi bir arızayı tespit edebilen sensörler, insan müdahalesinin gerekli olabileceği bazı sahalar dışında, rüzgâr ve yağmur tarafından doğal olarak temizlenir. Ancak ortalama ömrü 8 ila 12 yıl olan invertörün takibi yahücrearak değiştirilmesi gerekmektedir. Elektrik şebekesine bağlı olmayan tesislerin kurulumu bağlı olanlara görece daha basittir. Santral elektrik şebekesine bağlanacaksa, şebekeyle frekans senkronizasyonu, reaktif güç kontrolü ve kararlılık kontrolü gibi bir dizi önlemin alınması gerekir. Bu tezde, farklı çevresel faktörler ve güneş radyasyonu dikkate alınarak bir güneş enerjisi santralinin kurulumu adım adım gerçekleştirilmiştir. Kurulumun ekonomik analizi önce matematiksel olarak, daha sonra da Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı tarafından geliştirilen bir yenilenebilir enerji simülasyon programı olan HOMER kullanılarak önerilmiştir. Işınım ve ortam sıcaklığının güneş panellerinin güç ve gerilim çıkışı üzerindeki etkisi, Matlab Simulink'te fotovoltaik hücrelerin matematiksel modellemesi kullanılarak analiz edilmiştir. Fotovoltaik teknolojilerin gelişimi, güneş enerjisi santrallerinin kurulmasını ve elektrik şebekesine entegre edilmesini büyük ölçüde kolaylaştırmıştır. Ancak yeni bir enerji kaynağının mevcut bir elektrik dağıtım şebekesine entegre edilmesi dağıtım şebekesinde bir dizi aksamaya neden olarak kayda değer ölçüde verim kaybına yol açmaktadır. Bu nedenle, bir fotovoltaik güneş enerjisi santrali kurmadan önce, şebekedeki güç kayıplarını ve gerilim transferlerini önlemek için elektrik şebekesinde en uygun konumu belirlemek önemlidir. Niamey bölgesinde merkezi olmayan bir güneş fotovoltaik enerji santralinin entegrasyonu için ideal konumları belirlemek amacıyla elektrik dağıtım şebekesi üzerinde farklı konumlara bağlı iki elektrik jeneratörünün analizi yapılmıştır. Optimum konumun değerlendirilmesi genel optimizasyon algoritmaları kullanılarak gerçekleştirilmiş ve ardından güç aktarımı MATPOWER kullanılarak tahmin edilmiştir. Tüm sistem 34 düğümden oluşan IEEE modeline göre referanslamıştır. Sistem, şebeke gerilimi 0,95 ile 1,05 arasında tutularak 3 farklı düğüm üzerinde simüle edilmiştir. Analiz sonuçları; 16, 23 ve 15 numaralı baralara yeni enerji kaynakları ekleyerek şebeke gerilimini iyileştirmenin mümkün olduğunu göstermektedir.