Geri Dön

Investigation of transposition models, optimization of tilt angles, and solar radiation intensity for fixed and tracked south-facing solar photovoltaic surfaces in provinces of türkiye

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

PDF İndir

  1. Tez No: 876866
  2. Yazar: BATUR ALP AKGÜL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA SADETTİN ÖZYAZICI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Hasan Kalyoncu Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 289

Özet

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.

Özet (Çeviri)

Solar energy has gained increasing importance in today's world and become a viable primary energy source in the recent decade. The estimation of total solar radiation (TSR) intensity on photovoltaic (PV) surfaces is crucial for the design, performance optimization, and economic assessment of solar PV plants operating in different geolocations and climates. Solar tracking equipment can be applied to optimize the TSR intensity gathered by solar PV surfaces. On the other hand, energy gain can be considerably increased with the use of optimally tilted PV surfaces. Various transposition models can be utilized in performance calculations for PV plants in the estimation of TSR intensity on PV surfaces. One of the aims of this thesis is to perform a reliable estimation of optimal tilt angle (OPTA) values and TSR intensities for solar fixed systems (SFS) and solar tracking systems (STS) by applying Liu-Jordan, Hay-Davies, Klucher, Reindl, HDKR, and Perez transposition models over a specific period in Türkiye. So, this thesis investigates solar PV plant performances and optimization methods for Türkiye. The large-scale solar PV plants in Türkiye have been increasing at a remarkable rate in the last few decades because of the region's high solar energy potential. However, it is understood from the literature review that there is still limited research on the OPTA to maximize the TSR intensity of the PV plants in the provinces of Türkiye. Therefore, case studies, application studies, and experimental studies have been conducted for various provinces and regions of Türkiye within the scope of this thesis. In this context, solar PV plant cost analysis based on levelized cost of energy (LCOE) is investigated. Besides, transportable, isolated microgrid design is carried out in rural and remote areas for humanitarian purposes to reduce time, effort, and costs, which provides a sustainable solution for small-scale PV power production. Additionally, an optimal solution approach for power management with energy storage (ES) is presented. Aside from the designed system's cost-benefit analysis, important criteria such as lifespan, payback period, battery performance, and energy production have been evaluated. The distributed energy resources (DER) with the load flow in a 24-hour scenario is modeled, and simulated, also the findings are presented in terms of financial, regional, and technical parameters as well as numerical modeling. It is focused on a quantitative analysis of the OPTA values of south-oriented PV surfaces, and the TSR intensity collected by optimally tilted and tracked PV surfaces using different collections of global solar radiation (GSR) data in Türkiye. TSR values and energy gains on optimally tilted and tracked PV surfaces in 81 provinces and 7 geographical regions of Türkiye are predicted. OPTA values map of Türkiye has been created for all provinces where solar plants could be established. It is found that the OPTA values of all provinces and regions are below the latitude values of Türkiye (36º'N - 42º'N). Annual OPTA values for south-facing PV surfaces are predicted between 28º to 36º throughout the year by applying an isotropic transposition model. It is revealed that the loss in annual TSR does not surpass 0.5% due to the 5° offset of the tilt angle from the OPTA of SFSs. It is observed that the TSR values on PV surfaces are considerably affected by the geographical and climatic characteristics even between the geolocations with close latitude values in Türkiye. In light of this research, it is recommended that the solar energy potential of Türkiye geolocations be significantly enhanced by installing Solar STSs (STS) for maximal utilization of solar energy. In the absence of an STS, the annual OPTA setting of a PV surface can be a typical strategy. It is evident that the results obtained from the present study are in good agreement and similar to the results of previous studies in the last decade. It is found that the predicted discrepancy of the OPTA values is between ±1º and ±3º for all provinces due to differences in transposition models and solar datasets used in the previous studies. The differences in predicted values for Central Anatolia by applying the different transposition models are determined to be 4.78% for an SFS, 8.55% for a one-axis STS, and 10.01% for a two-axis STS on average, respectively. It is understood that the correlation is inverse between solar declination and energy gain, both in the actual and predicted data. Reasonably small mismatches have been found between the theoretical predictions and the actual energy productions, which validates the proposed transposition models for prediction. In the study conducted with actual data, it has been determined that the accuracy of the satellite-based National Aeronautics and Space Administration, Surface Meteorology and Solar Energy (NASA-SSE) monthly GSR data is quite high and that it can be used safely in solar plant projects. In addition, it has been understood that the METEONORM prediction values are always higher than the NASA-SSE prediction values. It has been observed in the geolocation that the reduction in actual production efficiency was sourced by climatic variations. The one-axis horizontal STS has produced PV electricity annual yield of 22.34% more than the SFS (average annual PV energy production for 2021 and 2022 years). In comparison with actual production data, It is seen that the deviation rates between actual and predicted productions occurred at an average of 0.98% in SFS, and an average of 4.46% in STS. The annual energy loss for the implemented one-axis STS is estimated to be 13.89% on average, and for SFS it is estimated to be 14.00% on average. It is found that the increase in TSR intensity on one-axis horizontal STS is 0.63% in the case of the continued rotation from ±60° to ±90° (±30°). The increase in net PV electricity production is 1.36%. The thesis also highlights the potential of using multiple transposition models to provide more robust estimates for the annual, seasonal, and monthly solar energy gain in the desired geolocations of Türkiye. On the other hand, this thesis reveals that some solar anisotropy parameters involved in transposition models significantly influence the quality of the estimation results. It is emphasized that the accuracy of model outputs strongly depends on the density and quality of the solar input data sets. The TSR estimation model is in good agreement with the field measurement. The actual production results confirm the trends of the transposition models in solar energy production estimations. It is well understood that the validated transposition models can be securely applied in various implementations of a large-scale PV plant in any location of Türkiye, and around the world thanks to low computational cost. It is believed that the findings of this thesis will support the literature for Türkiye and will provide useful knowledge for researchers, investors, designers, and engineers dealing with solar PV plants. It is expected that derived solar data will provide insight into identifying the geolocation and suitable technologies and methodologies for the deployment of solar PV plants in the provinces of Türkiye. This derived data will be useful in assessing the operational benefits of solar PV plants based on their actual PV electricity production. The produced data and implementing experience of solar PV plants can be applied to future solar-based projects. Therefore, this implementation study will not only provide invaluable information and tools for Turkish PV industries and researchers but also offer helpful prediction methodologies for PV implementations in other countries.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    639030

    Analitik hiyerarşi prosesi ve mekansal enterpolasyon yöntemlerinin yolculuk talebi belirleme yaklaşımı olarak kullanılabilirliğinin incelenmesi

    Investigation of the use of analytical hierarchy process and spatial interpolation methods as a travel demand forecasting approach

    BİLGE YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UĞUR ALGANCI

  2. Tez No

    331672

    Gazi Eğitim Fakültesi Müzik Eğitimi 3. sınıf öğrencilerinin okul şarkılarını eşlikleme ve transpoze becerilerinin geliştirilmesinde grup piyano öğretiminin etkisi

    The effects of group piano instruction on development of harmonization and transpozition skills of junior students of music education department at Gazi University

    DEMET AYDINLI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Eğitim ve ÖğretimGazi Üniversitesi

    Güzel Sanatlar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BELİR TECİMER

  3. Tez No

    593866

    The effects of cross-morphemic letter transpositions on morphological processing in Turkish: A psycholinguistic ınvestigation

    Türkçe sözcüklerde biçimbirim sınırındaki harf yer değişikliklerinin biçimbilimsel işlemlemeye etkisi:Ruhdilbilimsel bir inceleme

    OZAN CAN ÇAĞLAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    DilbilimOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İngiliz Dili Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BİLAL KIRKICI

  4. Tez No

    349779

    Tedarik zinciri sistemlerinin çoklu ölü zamanlı modellenmesi ve kararlılık analizi

    Modeling supply chain systems with multiple time delays and stability analysis

    GÖRKEM ARASIL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ

  5. Tez No

    429928

    Çok fonksiyonlu tarım okuryazarlığı: Bir model önerisi

    Multi-functional agricultural literacy:A model proposal

    NACİYE SOMUNCU DEMİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Eğitim ve ÖğretimAbant İzzet Baysal Üniversitesi

    İlköğretim Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BAHAR

Geri Dön