Zamana bağlı sulama talebi altında fotovoltaik su pompalama sistemlerinin güvenilirlik odaklı maliyet optimizasyonu
Reliability-oriented cost optimization of photovoltaic water pumping systems under time-dependent irrigation demand
- Tez No: 1008230
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPASLAN DEMİRCİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Fotovoltaik (FV) tabanlı su pompalama sistemleri tarımsal sulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu sistemlerin güvenilirliği ve ekonomik performansı çoğu zaman güneş üretiminin zamansal değişkenliği ile sulama talebi arasındaki uyumsuzluk tarafından sınırlandırılmaktadır. Literatürdeki çalışmaların çoğu bileşen boyutlandırmasına veya yıllık enerji dengesine odaklanırken, talep zamanlamasının sistem güvenilirliği, depolama gereksinimi ve enerji kullanım verimliliği üzerindeki etkisi yeterince nicel olarak incelenmemiştir. Bu tezde, bağımsız FV tahrikli su pompalama sistemleri dört farklı talep yapısı altında karşılaştırmalı olarak analiz edilmektedir: sürekli talep (S1), sabah odaklı talep (S2), sabah–akşam bölünmüş talep (S3) ve sera uygulamalarına özgü darbeli sulama talebi (S4). Bu amaçla, yük kaybı olasılığı (LLP ≤ 0.01) ve yıllık kesinti gün sayısı ile tanımlanan güvenilirlik kısıtları altında maliyet açısından en uygun FV kurulu gücü ile su depolama kapasitesini belirlemek üzere bütünleşik bir simülasyon–optimizasyon çerçevesi geliştirilmiştir. Pareto tabanlı ödünleşim analizi, Monte Carlo benzetimleri ve tank-durumuna duyarlı güvenilirlik değerlendirmesi kullanılarak yıllık performans göstergeleri saatlik depolama dolum ve boşalım dinamikleri ile ilişkilendirilmiştir. Sonuçlar, sürekli talep senaryosunda güvenilirlik koşullarının (LLP ≈ 0.01) ancak yaklaşık 29 m3 depolama hacmi ve 2.7–3 kW FV kapasitesi ile sınırda sağlanabildiğini; buna karşılık yüksek su maliyeti ($1.88/m3) ve kalıcı FV enerji kısıntısı (∼44%) oluştuğunu göstermektedir. Talep zamanlamasının dikkate alındığı senaryolarda performans belirgin biçimde iyileşmektedir. Sabah odaklı talep depolama gereksinimini yaklaşık 27 m3'e indirerek kesinti süresini yaklaşık 1 gün/yıl seviyesine düşürmektedir. Bölünmüş talep yapısı akşam tüketimleri nedeniyle depolamaya bağımlılığı artırırken, sera tipi darbeli sulama elektriksel enerji depolamasına ihtiyaç duymadan su deposunu kısa süreli hidrolik tampon olarak kullanarak yalnızca 1.6 gün/yıl kesinti süresi ve en düşük su maliyeti ($1.82/m3) ile güvenilir bir işletim sağlamaktadır. Bu bulgular, sulama talep zamanlamasının FV tabanlı su pompalama sistemlerinde kritik bir tasarım degişkeni olduğunu göstermektedir. Sulama zamanının etkin yönetimi, kapasite artısına dayalı aşırı boyutlandırmaya kıyasla daha güvenilir, ekonomik ve kaynak verimli sistem tasarımlarına olanak tanımaktadır.
Özet (Çeviri)
Photovoltaic (PV)-powered water pumping systems are widely used in agricultural irrigation; however, their reliability and economic performance are often constrained by the temporal mismatch between solar generation and irrigation demand. While most studies focus on component sizing or annual energy balance, the influence of demand timing on system reliability, storage requirements, and energy utilization efficiency remains insufficiently quantified. This study comparatively analyzes stand-alone PV-driven water pumping systems under four demand structures: uniform demand (S1), morning-oriented demand (S2), split morning–evening demand (S3), and pulsed irrigation typical of greenhouse applications (S4). An integrated simulation–optimization framework is developed to determine the cost-optimal PV capacity and water storage volume under reliability constraints defined by the loss of load probability (LLP ≤ 0.01) and annual interruption days. Pareto-based trade-off analysis, Monte Carlo simulations, and a tank-state-aware reliability assessment are employed to link annual performance indicators with hourly storage charging and discharging dynamics. Results indicate that under uniform demand the reliability requirement (LLP ≈ 0.01) can only be marginally satisfied with about 29 m3 of storage and 2.7–3 kW PV capacity, leading to a high water cost ($1.88/m3) and persistent PV curtailment (∼44%). When demand timing is considered, system performance improves significantly. Morning-oriented demand reduces storage requirements to approximately 27 m3 and limits interruption duration to about one day per year. In contrast, the split demand structure increases dependence on storage due to evening consumption. The greenhouse-type pulsed irrigation scenario achieves reliable operation without electrical energy storage by using the water tank as a short-term hydraulic buffer, resulting in only 1.6 days of annual interruption and the lowest water cost ($1.82/m3). These findings show that irrigation demand timing is a critical design variable in PV-powered water pumping systems. Effective demand scheduling enables more reliable, economical, and resource-efficient system designs compared with capacity oversizing alone.
Benzer Tezler
- Barajların buharlaşma ve sediment etkisi altında işletme performanslarının değerlendirilmesi
Evaluation of operation performance of dams under the evaporation and sediment impacts
MURAT PINARLIK
Doktora
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZELİHA SELEK
- Şırnak Silopi Ovası yeraltı suyu potansiyelinin coğrafi bilgisistemi ile belirlenmesi
Determination of the underground water potential of Şırnak Silopi Plain with geographical information system
ZİLAN KARATOPRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiŞırnak Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ŞİMŞEK
- GIS for watershed management
Havza yönetimi için CBS
RAWAA A.FATAH ABDULHUSSEIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU
- Future projections of streamflow and groundwater level in the Küçük Menderes River Basin, Turkiye
Türkiye Küçük Menderes Nehir Havzasında akış ve yeraltısuyu seviyesinin gelecek projeksiyonları
SİNA SAFADOUST
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÖZGER