Transpozisyon modellerinin incelenmesi, türkiye illerinde sabit ve güneş takipli güneye bakan fotovoltaik yüzeyler için eğim açılarının ve güneş radyasyon yoğunluğunun optimizasyonu

Güneş enerjisi günümüz dünyasında giderek artan bir önem kazanmış ve son on yılda uygulanabilir bir birincil enerji kaynağı haline gelmiştir. Fotovoltaik (PV) yüzeylerdeki toplam güneş ışınımı (TSR) yoğunluğunun tahmini, farklı coğrafi konumlarda ve iklimlerde çalışan güneş PV tesislerinin tasarımı, performans optimizasyonu ve ekonomik değerlendirmesi için çok önemlidir. PV yüzeyleri tarafından toplanan TSR yoğunluğunu optimize etmek için güneş takip ekipmanı uygulanabilir. Öte yandan, optimum şekilde eğimli PV yüzeylerinin kullanılmasıyla enerji kazancı önemli ölçüde artırılabilir. PV yüzeylerindeki TSR yoğunluğunun tahmininde ve PV tesislerine yönelik performans hesaplamalarında çeşitli aktarım modellerinden yararlanılabilir. Bu tezin amaçlarından biri, Liu-Jordan, Hay-Davies, Klucher, Reindl, HDKR ve Perez aktarım modellerini uygulayarak, sabit yapılı (SFS) ve güneş takipli (STS) PV santralları için optimal eğim açısı (OPTA) değerleri ve TSR yoğunluklarının güvenilir bir tahminini Türkiye'de belirli bir dönemde gerçekleştirmektir. Bu tez Türkiye için güneş enerjisi santrallerinin performanslarını ve optimizasyon yöntemlerini araştırmaktadır. Türkiye'deki büyük ölçekli güneş PV santralleri, bölgenin yüksek güneş enerjisi potansiyeli nedeniyle son birkaç on yılda dikkat çekici bir oranda artıyor. Ancak Türkiye illerinde PV santrallerinin TSR yoğunluğunu maksimuma çıkarmak için OPTA konusunda halen sınırlı sayıda araştırma olduğu literatür incelemesinden anlaşılmaktadır. Bu nedenle bu tez kapsamında Türkiye'nin çeşitli il ve bölgelerine yönelik örnek olay çalışmaları, uygulama çalışmaları ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu bağlamda, seviyelendirilmiş enerji maliyetine (LCOE) dayalı güneş PV tesisi maliyet analizi yapılmıştır. Bunun yanında, taşınabilir, izole mikro şebeke tasarımı, küçük ölçekli PV enerji üretimi için sürdürülebilir bir çözüm sağlayan, zaman, çaba ve maliyetleri azaltmak amacıyla kırsal ve uzak bölgelerde insani amaçlar için tasarlanmıştır. Ayrıca enerji depolama (ES) ile güç yönetimi için optimal bir çözüm yaklaşımı sunulmaktadır. Tasarlanan sistemin fayda-maliyet analizinin yanı sıra ömrü, geri ödeme süresi, batarya performansı, enerji üretimi gibi önemli kriterler de değerlendirilmiştir. 24 saatlik senaryoda yük akışı ile dağıtılmış enerji kaynakları (DER) modellenip simüle edilmiş, ayrıca sayısal modellemenin yanı sıra finansal, bölgesel ve teknik parametreler açısından bulgular sunulmuştur. Türkiye'deki farklı küresel güneş ışınımı (GSR) verileri koleksiyonları kullanılarak güneye bakan PV yüzeylerinin OPTA değerlerinin ve optimum şekilde eğimli ve takip edilen PV yüzeyleri tarafından toplanan TSR yoğunluğunun niceliksel bir analizine odaklanılmıştır. Türkiye'nin 81 ilinde ve 7 coğrafi bölgesinde optimum eğimli ve takip edilen PV yüzeylerinde TSR değerleri ve enerji kazanımları tahmin edilmektedir. Güneş enerjisi santrallerinin kurulabileceği tüm iller için Türkiye OPTA değer haritası oluşturulmuştur. Tüm il ve bölgelerin OPTA değerlerinin Türkiye enlem değerlerinin (36°'K - 42°'K) altında olduğu tespit edilmiştir. Güneye bakan PV yüzeyleri için yıllık OPTA değerleri, izotropik bir aktarma modeli uygulanarak yıl boyunca 28° ila 36° arasında tahmin edilmektedir. SFS'lerin OPTA'sından eğim açısının 5° kayması nedeniyle yıllık TSR'deki kaybın %0,5'i aşmadığı ortaya çıkmıştır. Türkiye'de yakın enlem değerlerine sahip coğrafi konumlar arasında bile PV yüzeylerindeki TSR değerlerinin coğrafi ve iklimsel özelliklerden önemli ölçüde etkilendiği görülmektedir. Bu araştırmanın ışığında, güneş enerjisinden maksimum düzeyde yararlanmak için Güneş STS'lerinin (STS) kurulmasıyla Türkiye coğrafi konumlarının güneş enerjisi potansiyelinin önemli ölçüde artırılabileceği önerilmektedir. Bir STS'nin yokluğunda, bir PV yüzeyinin yıllık OPTA ayarı tipik bir strateji olabilir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçların son on yılda yapılan çalışmaların sonuçlarıyla iyi bir uyum içinde ve benzer olduğu açıktır. Önceki çalışmalarda kullanılan aktarım modelleri ve güneş veri setlerindeki farklılıklar nedeniyle OPTA değerlerinin tahmin edilen farklılığının tüm iller için ±1° ile ±3° arasında olduğu tespit edilmiştir. Orta Anadolu için farklı aktarma modelleri uygulanarak tahmin edilen değerlerdeki farklılıklar ortalama olarak SFS için %4,78, tek eksenli STS için %8,55 ve iki eksenli STS için %10,01 olarak belirlenmiştir. Güneş sapması ile enerji kazanımı arasındaki korelasyonun hem gerçek hem de tahmin edilen verilerde ters olduğu anlaşılmaktadır. Teorik tahminler ile gerçek enerji üretimleri arasında oldukça küçük uyumsuzluklar bulunmuştur ve bu da tahmin için önerilen aktarma modellerini açıkça doğrulamaktadır. Gerçek verilerle yapılan çalışmada, uydu tabanlı Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi, Yüzey Meteorolojisi ve Güneş Enerjisi (NASA-SSE) aylık GSR verilerinin doğruluğunun oldukça yüksek olduğu ve güneş santrali projelerinde güvenle kullanılabileceği belirlenmiştir. Ayrıca METEONORM tahmin değerlerinin her zaman NASA-SSE tahmin değerlerinden yüksek olduğu anlaşılmıştır. Coğrafi lokasyonda, fiili üretim verimliliğindeki azalmanın iklim değişikliklerinden kaynaklandığı gözlemlenmiştir. Tek eksenli yatay STS, SFS'den (2021 ve 2022 yıllarının ortalama yıllık PV enerji üretimi) %22,34 daha fazla yıllık PV elektrik verimi üretmiştir. Gerçekleşen üretim verileriyle karşılaştırıldığında, gerçekleşen ve tahmin edilen üretimler arasındaki sapma oranlarının SFS'de ortalama %0,98, STS'de ise ortalama %4,46 olduğu görülmektedir. Uygulanan tek eksenli STS için yıllık enerji kaybının ortalama %13,89, SFS için ise ortalama %14,00 olacağı tahmin edilmektedir. Döndürmenin ±60°'den ±90°'ye (±30°) kadar devam etmesi durumunda tek eksenli yatay STS'de TSR yoğunluğundaki artışın %0,63 olduğu bulunmuştur. Net PV elektrik üretimindeki artış ise %1,36 olmuştur. Tez aynı zamanda Türkiye'nin istenen coğrafi konumlarında yıllık, mevsimsel ve aylık güneş enerjisi kazanımı için daha sağlam tahminler sağlamak üzere çoklu aktarım modellerinin kullanılması potansiyelini de vurgulamaktadır. Öte yandan bu tez, transpozisyon modellerinde yer alan bazı güneş anizotropi parametrelerinin tahmin sonuçlarının kalitesini önemli ölçüde etkilediğini ortaya koymaktadır. Model çıktılarının doğruluğunun büyük ölçüde güneş enerjisi girdi veri setlerinin yoğunluğuna ve kalitesine bağlı olduğu vurgulanmaktadır. TSR tahmin modeli saha ölçümüyle iyi bir uyum içindedir. Gerçek üretim sonuçları, güneş enerjisi üretim tahminlerinde aktarım modellerinin eğilimlerini doğrulamaktadır. Doğrulanmış aktarım modellerinin, düşük hesaplama maliyeti sayesinde Türkiye'nin herhangi bir yerinde ve dünyanın herhangi bir yerindeki büyük ölçekli bir PV santralinin çeşitli uygulamalarında güvenli bir şekilde uygulanabileceği anlaşılmıştır. Bu tezde elde edilen bulguların Türkiye literatürüne destek sağlayacağı ve güneş PV santralleri ile uğraşan araştırmacılara, yatırımcılara, tasarımcılara ve mühendislere faydalı bilgiler sağlayacağına inanılmaktadır. Elde edilen güneş enerjisi verilerinin, Türkiye illerinde güneş PV santrallerinin kurulumu için coğrafi konumun ve uygun teknolojilerin ve metodolojilerin belirlenmesi konusunda fikir vermesi beklenmektedir. Elde edilen bu veriler, gerçek PV elektrik üretimine dayalı olarak güneş PV tesislerinin operasyonel faydalarının değerlendirilmesinde faydalı olacaktır. Güneş PV tesislerinin ürettiği veriler ve uygulama deneyimi, gelecekteki güneş enerjisi bazlı projelere uygulanabilir. Bu nedenle, bu uygulama çalışması yalnızca Türk PV endüstrileri ve araştırmacıları için çok değerli bilgi ve araçlar sağlamakla kalmayacak, aynı zamanda diğer ülkelerdeki PV uygulamaları için de yararlı tahmin metodolojileri sunacaktır.