Finding the best locations for photovoltaic panel installation in urbanized areas
Kentsel alanlarda fotovoltaik panel kurulumu için en uygun konumların belirlenmesi
- Tez No: 485272
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Enerji devriminden beri enerjiye duyulan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Gelişen toplumlarda yaşam standartlarında kaliteyi sağlamak enerji ile üretimi ile doğrudan bağlıdır. Günümüzde enerji ihtiyaçlarının karşılanması kömür, doğalgaz gibi fosil yakıtlara dayanmaktadır. Fosil yakıtlar tüketime bağlı rezervi azalan sonlu yakıtlar olarak tanımlanabilir. Bu yakıtların ürettikleri enerji yüksek ve göreceli olarak kurulum maliyetleri yenilenebilir enerji sistemlerine göre uygundur. Fakat çevreye olan olumsuz etkileri, olumlu olarak görülen etkileri ile kıyaslanarak değerlendirilmelidir. Havadaki sera gazı emisyonunu arttırarak küresel ısınmaya ve hava kirliliğine etkisinin yadsınamayacak kadar çok olduğu çeşitli çalışmalarda belirtilmektedir. Sosyal ve ekonomik kalkınma teknoloji ve dolayısıyla enerji ile bağlantılı olarak gerçekleşebilmektedir. Kalkınmayı durduramayacağımızdan, enerji üretim şekline doğa dostu alternatifler kullanarak kalkınırken çevreye saygılı, sürdürülebilir kalkınma gerçekleştirebiliriz. Sürdürülebilir kalkınma, temiz enerji denildiğinde dereye yenilenebilir enerji kaynakları girmektedir. Güneş, rüzgar, jeotermal enerji, hidroelektrik, dalga, biyokütle yenilenebilir enerji kaynakları olarak sıralanabilir. Bu çalışmada yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş, doğrudan güneş enerjisini elektriğe dönüştüren hücrelerden oluşan olan fotovoltaik teknolojisi ele alınmıştır. Fotovoltaik hücreler yarı iletken malzemeler olup, seri veya paralel bağlanarak voltaj ve akım üretirler. Monokristal silikon, polikristal silikon, silikon ve ince film teknolojileri ticari olarak kullanılan fotovoltaik materyalleridir. Silikon temelli hücreler yaygın olarak kullanılmaktır. Bunu başlıca nedenleri, silikonun kolaylıkla temin edilebilmesi ve yüksek enerji dönüşümü yeteneğine sahip olmasıdır. Bu çalışmada fizibilite analizleri yapılırken, hesaplamalarda silikon polikristalin panel kullanılmıştır. Enerji üretimi gerek enerji kaynağının yeri ve kurulması gereken tesisin büyüklüğü bakımında gerekse insan sağlığına olan olumsuz etkileri azalmak adına şehir merkezlerinden uzağa kurulmaktadır. Bu tesislerde üretilen enerjinin iletim hatlarıyla taşınarak kullanımı sağlanmaktadır. Enerjiye en çok ihtiyaç olan şehir merkezlerinde ise esas sorun kurulum yapılacak alan kısıtıdır. Nüfus artışına bağlı bina yapımının arttığı düşünüldüğünde, boş alan olarak inşaa edilmiş binaları değerlendirmek gerekmektedir. Binalarda göze çarpan en atıl alanlar ise çatılar ve bina cepheleridir. Fotovoltaik teknolojinin ve güneşin enerji kaynağı olarak kullanılmasıyla, bu alanlar değerlendirilerek üretilen enerjinin üretildiği yerde tüketilmesi sağlanabilir. Aynı zamanda fosil yakıtların kullanımdan elde edilen enerji üretimini düşüreceği için çevreye olan zararı da azaltacaktır. Çatıların panel kurulumuna uygun boş alan olarak alındığı bu çalışmada esas değinilmek istenen nokta çatılardaki hangi bölgelerin ne kadar uygunluğa sahip olduğunun derecelendirilmesidir. Böylece doğru yerlere kurulum yapılarak, pahalı bir teknoloji olarak görülen fotovoltaik sistemlerden maksimum verimde fayda sağlanabilir. Çatıların konumsal olarak değerlendirilmesi işlemi, konuma dayalı karar vermeyi süreçlerini destekleyici, depolama, analiz, veri toplama araçlarını içeren Coğrafi Bilgi Sistemleri'nden faydalanılarak yapılmıştır. Coğrafi verilerin temel bileşenleri mekansal veriler ve öznitelikeridir. Mekansal veri, Dünya üzerindeki coğrafi referanslı veriler demektir. Öznitelik veri ise mekansal veriyle bağlantılı bilgi anlamına gelmektedir. Mekansal verinin vektör ve raster olmak üzere iki tür gösterimi vardır. Raster veri, piksellerden oluşur ve her bir piksel konumsal bilgiye sahiptir. Vektör veri, nokta, çizgi ve poligon olmak üzere koordinatlı geometrik unsurlardan oluşur. Bu çatı alanları vektör veri tipinde poligon olarak, raster veri tipinde ortofotolardan sayısallaştırılmıştır. Vektör veri tipinde nokta bulutu verisinden, raster veri formatında Sayısal Yüzey Modeli (SYM) oluşturulmuştur. CBS'de uygulanan mekansal analizler, ham verilerin faydalı bilgiler haline getirildiği süreçlerdir. Kullanılan mekansal analiz işlemleri; yeniden sınıflama, çakıştırma, komşuluk ve yüzey analizleri olarak temel sınıflara ayrılabilir. Yeniden sınıflandırma işlemi, hücre değerlerini alternatif değerlere göre yeniden sınıflandırır veya mevcut değeri değiştirir. Çakıştırma işlemleri, mekansal ve öznitelik verileri iki veya daha fazla uzaysal veri katmanı ile birleştirerek yeni unsurların oluşturulmasını sağlar. Çakıştırma analizi, belirli bir kullanıma uygun yerleri veya risklere duyarlı yerleri bölgeleri belirlemek için sıklıkla kullanılır. Komşuluk analizleri, belirli bir bölgedeki komşu alanların özelliklerini göz önüne alarak işlem yapmayı sağlar. Bunlar tampon ve enterpolasyon işlemlerini içerir. Tampon işlemi, orijinal nesnelerden belirli bir mesafede tampon bölge oluşturma işlemi olarak tanımlanabilir. Yüzey analizleri, eğim ve bakı işlemlerini içerir. Eğim analizi, arazinin eğiminin büyüklüğünü belirtmek için kullanılır ve eğimin yönünün belirlenmesi bakı analizi ile gerçekleştirilir. Çok kriterli karar verme yöntemleri uygulanabilir alternatiflerden çoklu kriterlere ve çelişen hedeflere dayalı mümkün olan en uygun alternatifleri seçmeyi sağlayan bir prosedürdür. Karar verme mekanizması olarak çok kriterli karar verme metotlarından ağırlıklı çakıştırma yönteminden yararlanılmıştır. Puanlama ve ağırlıklı yüzdelere dayalı bu sistemde, her bir faktöre sonuca etkisine göre yeni değerler atanır. Atanan bu değerler coğrafi bilgi sistemleri tabanlı araçlar yardımıyla, her bir faktörün sonuca etkisi yüzde olarak belirlenir ve çakıştırma işlemi gerçekleştirilir. Sonuç ürün olarak uygunluk derecelerine göre sınıflanmış tek bir katman elde edilir. Fotovoltaik sistemlerin kurulumu için uygun yer seçiminde hesaplanması gereken faktörler; çatı alanı, çatının eğimi, bakısı ve güneş radyasyonu. Girdi olarak kullanılan temel veri ASCII formatında fotogrametrik yöntemlerle elde edilmiş nokta bulutudur. Çatı alanları ortofotodan sayısallaştırılmış olup, her bir binaya bir ID atanmıştır. Analizler yapılırken girdilerin ve çalışma alanının seçildiği bir ara yüz oluşturulmuş olup, analizlerin her adımı çıktı olarak kullanıcıya sunulmamaktadır. Amaç kullanıcının sonuç ürünü görmesi, ara analizlerin gösteriminin isteğe bağlı yapılmasıdır. Model oluşturulurken ArcGIS 10.2 yazılımının analiz araçları kullanılmıştır. Hesaplamaları yapmak için kullanılması gereken analiz araçları zincir şeklinde birbirine eklenerek oluşturulmuştur. Bu işlemler için yazılımın ModelBuilder aracı kullanılmıştır. ModelBuilder, mekansal analiz iş akışları oluşturmak için görsel bir programlama dilidir. Model de ilk olarak nokta bulutu verisinden, çatı tipi sınıflaması yapmak için eğim analizi yapıldı. Ortalama eğimi 0-25 derece arasında olan çatılar düz, 25 dereceden yüksek olan çatılar eğimli çatı olarak sınıflandırıldı. Çatı tipine göre analizler iki ayrı koldan ilerleyip, iki ayrı uygunluk haritası oluşturuldu. Nokta bulutundan 2 farklı SYM oluşturuldu. Eğim ve bakı analizleri için çatı alanlarına göre kesilmiş SYM ile güneş radyasyonu hesabı yapmak için tüm veri SYM'ne dönüştürüldü. Çatı alanları kadar kesilen SYM'lerden eğim ve bakı analizleri yapıldı. Eğimli çatılar için, eğim analizi sonuçları 4 sınıfa ayrıldı. Eğimin en uygun olduğu değer, çalışma bölgesinin enlemidir. Bu nedenle, çalışma bölgesinin enlem derecesini içeren aralık en uygun değer olarak seçildi ve bu aralığa 4 değeri atandı. 60 dereceden yüksek eğimler kuruluma uygun değil şeklinde sınıflandı ve 1 değeri atandı. 0-30 derece arası 3, 45-60 derece aralığına ise 2 değeri atanarak yeniden sınıflama işlemi gerçekleştirildi. Bakı analizinde çatıların yönelim yönlerine göre sınıflama yapıldı. Güney, güney doğu, güney batı yönleri en uygun yönler olarak seçilirken, kuzeye bakan yüzeyler en az uygun olan yönelimler olarak seçilerek, bakı analizi sonuçları da 3 sınıfa ayrılacak şekilde yeniden sınıflandırma işlemi gerçekleştirildi. Eğimli çatılarda karar verme analizi olan ağırlıklı çakıştırma işlemine girecek olan son analiz olarak güneş radyasyonu hesaplamaları yapıldı ve analiz sonuçları 3 sınıfa ayrıldı. Bu çalışmada güneş radyasyonun yüksek olduğu bölgeleri hesaplamak için radyasyon analizi yapılmıştır. Elektrik üretime doğrudan etkisi hesaplanmayacaktır. Ağırlıklı çakıştırma işleminde, en yüksek yüzde bakıya verilmiş olup, eğim ve güneş radyasyonu eşit yüzde de değerlendirilmiştir. Bakının ağırlığı %60 olup, eğim ve güneş radyasyonu %20'şer ağırlığı paylaşarak çakıştırma hesaplaması gerçekleştirilmiştir. Bu işlemin sonucunda eğimli çatılar için uygunluk haritası oluşturulmuştur. Bir adet panelin alanı yaklaşık 2m2'dir. Kurulum alanlarının hesaplanması için, alanı panelin kapladığı alandan küçük çatı segmentleri seçilip çıkartılarak, her bir çatı için uygunluk derecelerine göre kurulum yapılabilir alanlar belirlenmiştir. Düz çatılarda durum biraz daha farklıdır. Düz çatılarda sadece eğim analizi yapılmış olup, düz alanlar belirlenmiştir. Verimliliği arttırmak için gerekli eğim ve yönelimin sağlanması için çatının halihazırdaki yapısının dışında bir yerleşim gerekecektir. Bu yüzden fizibilite analizlerinde düz çatılar değerlendirilmeyecektir, çünkü panel yerleşimin nasıl yapılacağına dair araştırma bu çalışmanın kapsamına girmemektedir. Fizibilite çalışmalarında 270 Wp panel üzerinde hesaplamalar yapılmış olup, tek bir modülün fiyatı 146,1 $ olarak üreticiden öğrenilmiştir. Panelin standart koşullardaki elektrik üretimi değerleri fizibilite çalışmalarında kullanılmıştır. Bu yüzden uygunluk derecesi yüksek çıkan alanlara panel kurulumu yapıldığı düşünülerek fizibilite hesaplamaları yapılmıştır. 7 adet binaya ait eğimli çatıda yapılan uygunluk analizi sonuçlarına göre; yüksek uygunlukta toplam kullanılabilir alan 653,25m2 olup, tüm uygun alanların %24'ünü oluşturmaktadır. Kullanılması gereken panel sayısı 335 adet olarak hesaplanmıştır. Her bir çatının yüksek uygunluğa sahip alanı %17 - %33 aralığında çıkmıştır. Düz çatılarda kurulum yapılabilecek düz alanlar çatıların %60 - %70'ni kapsamaktadır. 65 daireden oluşan bir bina için diğer binalara göre daha detaylı fizibilite hesaplamaları yapılmıştır. Temmuz ayındaki elektrik tüketimi 3208 kWh'dir. Temmuz ayındaki güneşlenme süresi 10,72 saattir. 105 m2'lik çatı alından, 52 tane panel yerleştirileceği düşünüldüğünde 25 kWp kurulu gücün aylık üretiminin 4515 kWh olacağı hesaplanmıştır. Fakat unutulmaması gerekir ki, panellerin verimliliği, gelen güneş radyasyonuna bağlı gün içerisinde değişmekte olup, iletimden kaynaklı olarak da kayıplar yaşanmaktadır. Bunlar göz önüne alınarak %50 verimlilikle elektrik üretildiği düşünülürse %70 oranında binanın elektrik tüketimini karşılayabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Energy is an indispensable necessity in today's conditions. Social and economic development is proceeding in parallel with energy production. At the same time, the resource used in energy production also influences this progress. The air pollution is created by the widespread use of highly efficient fossil energy fuels has negative impacts on developments, especially social development. The use of renewable energy sources should be increased by reducing the use of fossil fuels to achieve sustainable development. Electricity production can be divided into two according to their sources. Those are renewable energy plants and fossil fuel plants. The use of renewable energy sources should be increased to reduce the effects of greenhouse gases and to achieve sustainable development. The urban area is places where the human population is intensive, and therefore energy consumption is high. With the solar energy plants that can be installed spare area of an urban area like rooftops, it is possible to reduce the electric power transmission costs and the air pollution caused by carbon dioxide emissions. Rooftop solar photovoltaic applications are classified as a small-scale source of electricity generation. Large-scale electricity plants are generally constructed outside of the urban area. Hydroelectric plants need to be located near rivers with high water flow velocity; nuclear stations need to be near huge water resources to provide cooling of the system and wind turbines are required to be in upland locations with high wind potential. Fossil fuel energy stations produce emissions so they might be located away from residential area. As it is seen, there are binding barriers that prevent most power plants from being installed into the urban area. Solar photovoltaic applications are independent as to other electricity production plants. It is because of the source of electricity production. The Sun is covering all around the Earth, and its efficiency of incoming radiation depends on latitude. In the same latitude, the effect of solar radiation might be considered the same as the center of the city or rural area. This functionality of installation is essential to make use of an opportunity the spare area of rooftops. Geographic information systems have the ability to analyze spatial data by associating it with attribute data. The ideal way expanding the use of solar energy in city centers will be geographic information systems. In order to maximize utility from solar energy, it is necessary to identify the location that can be used efficiently. This location can be identified with orientation and tilt angle. Other factors affecting productivity are solar radiation and photovoltaic type. Geographic information systems can combine all the factors mentioned above to measure the most efficient location for the rooftop-PV application. This study aims to come up with a Geographic information systems-based model to estimate the most efficient and usable idle locations of the rooftops to generate electricity by photovoltaic panels. The weighted overlay analysis is one of the Multi-Criteria Decision Making methods which was used in this study. The Geographic information systems tools enabled the location-based weighted overlay process. This analyses based on scores and weighted percent of the factors. The primary factor as input for rooftop photovoltaic applications, slope, aspect and solar radiation. The fundamental inputs for analysis were point cloud data in ASCII format and rooftop area in vector format. The model is created with ModelBuilder extension of ArcGIS 10.X. The used analyses were selected from the toolbox and combined in ModelBuilder. There is an interface for the user to select input and output locations. The moderate analyses stay in the background; only the results share with the user. In the model, first, the roofs were classified two class according to their average slope degree. The feasibility calculation includes only pitched roofs. For pitched roofs, the slope, aspect and solar radiation analyses were implemented and reclassified as their significance level. The results of reclassification were processed weighted overlay with their influence percent. The flat roofs examined only to find the plain regions. Only the slope analysis and the slope reclassification was implemented to find suitability areas. The reason of the differences of the analyses are the cost of installations. It is anticipated that extra cost will be required to provide proper slope and aspect on flat roofs. As feasibility analysis, according to the building ID and its suitability ranks, the suitability areas were calculated. The 270 Wp photovoltaic panel was used for energy calculations. The price of a single module has been learned from the manufacturer as $ 146.1. The feasibility analyses were made considering that the panels were installed in areas with the high rank of suitability. The results of suitability analysis made on the pitched roof of 7 units; the total available space at high suitability rank is 653.25m2, making up 24% of all eligible areas. The number of panels to be used is calculated as 335 pieces. 17% to 33% of each roof is in high suitability. The plain areas that can be done installation different from the structural shape of rooftop in flat roofs are 60% -70% of the surface. The feasibility results were shown, in one building with 105 m2 roof area, could cover 70% of electricity consumption from PV rooftop applications.
Benzer Tezler
- Agrivoltaik sistemler ile elektrikli traktörleri şarj etmek için doğru arazilerin saptanması
Determining the right lands to charge electric tractors with agrivoltaics
SAMED PEKDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
- Optimal site selection of wind power plants using geographic information systems and best worst method: A case study in İzmir
Coğrafi bilgi sistemleri ve en iyi-en kötü yöntemi kullanılarak rüzgar enerjisi santralleri için optimal yer seçimi: İzmir örneği
ABDULLAH DORUK GÖKKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURAN ERDEN
- Elektrikli araçların bataryaları için sürdürülebilir döngüsel tedarik zinciri ağ tasarımı
Sustainable closed loop supply chain network design for electric vehicle batteries
MEHMET SAMET ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞEYDA SERDAR ASAN
- Baz istasyonları için uygun saha seçiminde yeni bir model
Site selection for base stations based on a new method
MERT MARANGOZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEBİYE MUSAOĞLU