Geri Dön

İnsansız hava aracıyla sağlanan fotoğraflar, CBS ve PVSYSTkullanımı ile bina çatısına kurulacak güneş paneli için uygunluk analizi

Suitability analysis for installing solar panels on building roofs using uav-sourced photos, GIS, and PVSYST

PDF İndir

  1. Tez No: 905475
  2. Yazar: CAHİDE USAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAYRİ HAKAN DENLİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Yönetim Bilişim Sistemleri, Management Information Systems
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Bilişim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Coğrafi Bilgi Teknolojileri Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 200

Özet

Dünyada ve Türkiye'de Enerji ihtiyacı durmadan artmaktadır. Artan enerji ihtiyacına verilen cevaplar fosil yakıt veya türevleri kaynaklardan gelmeyi sürdürdükçe enerji alanında çevresel, ekonomik ve siyasi problemler yaşanmaya devam edecektir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının arttırılması hem dünyada hem de Türkiye'de temiz ve çevreci bir gelecek sağlar. Ayrıca, bu kaynakların yaygınlaşması dışa bağımlılığı azaltma potansiyeline sahiptir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının alternatif olarak kullanılması tamamen yenilenebilir bir sistem veya hibrit sitemler şeklinde kendini göstermektedir. Günümüzde ve gelecekte enerji kaynaklarına olan talebin artmasıyla birlikte, ülkeler hem politik hem de çevreci yaklaşımlarla sürdürülebilir enerji kaynaklarına yönelmektedir. Bu bağlamda, Türkiye için temiz, yenilenebilir ve tükenmeyen enerji kaynakları bulmak büyük önem taşımaktadır. Türkiye'nin bu konudaki en etkili adımı, güneş enerjisinden yararlanmaktır. Güneş enerjisi, çevre dostu bir seçenek olmasının yanı sıra, Türkiye'nin coğrafi konumu nedeniyle büyük bir potansiyele sahiptir. Güneş enerjisine yapılan yatırımlar hem enerji bağımsızlığını artıracak hem de karbon salınımını azaltarak çevrenin korunmasına katkı sağlayacaktır. Bu nedenle, güneş enerjisi Türkiye'nin enerji stratejisinde önemli bir yer tutmalı ve bu alandaki çalışmalar hızlandırılmalıdır. Yenilenebilir enerji adına Türkiye'nin kendi kaynaklarının potansiyelini incelendiğinde rüzgâr ve güneş potansiyeli çevre ülkelere ve hatta dünya sıralamasında üst sırada kaynak miktarına sahiptir. Var olan bu kaynakların kullanımını teşvik eden bir dizi çalışma mevcuttur. Bu çalışma ve araştırmalardan da anlaşılmaktadır ki Türkiye'nin elektrik enerjisini neredeyse %90'ını güneş enerjisinden sağlayan ülkelerin çoğundan daha fazla potansiyeli ve kaynağı bünyesinde barındırmaktadır. Önümüzdeki yıllarda hem planlanan 10 yıllık çalışmalar hem de gerçekleştirilmiş 15 yıllık çalışmaların neticesi olarak ülkede kurulu güç ve bireysel veya işletme adına kullanılan güneş enerjisi sistemleri payını hızla arttıracağı ön görülmektedir. Araştırma sonuçları güneş enerjisinden yüksek verimin, güneş enerjinin elektrik enerjisine dönüşümü üzerinden sağlandığını göstermektedir. Bu dönüşüm sistemleri genelde Güneş Enerjisi Santrali (GES) ve Photovoltaic (PV) sistemleri olmakla beraber GES sistemleri hektar boyutunda geniş arazi denebilecek boyuttaki alanlarda kurulabilirken, PV sistemleri ise 1 veya 2m2'lik alanlar gibi küçük boyutlarda dahi kurulumlarının yapılabilmesi sebebiyle kullanım yaygınlığını elinde bulundurmaktadır. Her ne kadar PV sistemlerinin avantajları bu kadar yüksek olsa da PV kurulumun henüz çok uygun fiyatlı olmaması nedeniyle PV kurulumu yapılmadan önce kurulum yapılacak alanın uygunluğu incelenmelidir. Araştırmalar, birçok PV kurulumunun verimliliğini artıracak şekilde gerçekleştirilmediğini ve kurulum öncesi yeterli analiz yapılmadığını göstermektedir. Bu durum, kurulumların kendi maliyetini amorti edemeden kullanım ömrünü tamamlamasına neden olmaktadır. Bu çalışma bu konuya ışık tutmakta ve yüksek verimle temiz enerjinin sağlanabilmesi için güneş enerjisini kullanarak, PV kurulumu öncesi yapılan incelemeler sonucunda yapmaktadır. Yapılan diğer araştırmalardan öğrenildiği üzere PV kurulumu için alanın yeterli güneş ışığına xxii maruz kalması, eğim değeri, bakı değeri, meteorolojik değerleri ve en önemlisi güneş ışığının kurulum alanına düşen miktarını hesaplanması için güneş radyasyonu veya potansiyeli hesabının yapılması gerekmektedir. Bu çalışmanın asıl amacı seçili alandaki bir binaların çatılarının PV kurulumu adına uygunluk analizinin PVsyst yazılımı kullanılarak yapılmasıdır. PVsyst, güneş enerjisi sistemlerinin tasarımı, simülasyonu ve analizi için kullanılan bir yazılımdır. Güneş panelleri, invertörler, bataryalar gibi sistem bileşenleri seçilerek, bu sistemlerin farklı koşullardaki performansı değerlendirilebilmesine olanak tanıyan bir yazılımdır. Yazılım, çeşitli modelleme araçlarıyla enerji üretimi, gölgeleme etkileri, kayıplar ve ekonomik değerlendirmeler gibi analizleri yaparak, optimum sistem tasarımı ve verimliliği için rehberlik etmektedir. Kurulumlarının verim artış yolları incelendiğinde önemli kurulum analizlerinden biri de PV kurulumunun seçildiği yöntem ve bu yönteme uygun donanım ve açılar olmaktadır. PV kurulum açısı güneş ışınının panele ulaşımını etkilemesinden ötürü sabit açıda PV kurulumu PVsyst çevrimiçi programı kullanılarak simülasyonda incelenmiş rapor elde edilmiştir. Bu sabit açı için literatür çalışmasından elde edilen bir formülle 32°'lik sabit açıda kurulum uygun görülmüştür. Bu çalışmada sadece bina çatısının güneş potansiyeli değil aynı zamanda alana ulaşan güneş potansiyeli miktarı üzerinden ortalama bir PV sisteminin verim ve koşulları kullanılarak, kurulum için uygun seçilmiş bina çatısının PV sisteminden üretilecek elektrik enerjisi miktarı da hesaplanmıştır. Bu işlemi gerçekleştirebilmek adına İnsansız Hava Aracı (İHA) ile çalışma alanı çekimi gerçekleştirilmiştir. DroneDeploy adlı fotogrametrik yazılıma yüklenmesi sonrası yüksek çözünürlüklü ortofoto ve nokta bulutu verileri üretilmiştir. Bu aşama sonrası işlemler Environmental Systems Research Institute Inc. (ESRI) Haritalama Uygulaması çözümünü Arc Geographical Information System (ArcGIS) yazılımlarından (ArcMap)'te gerçekleştirilmiştir. Çalışma alanına etkiyen güneş potansiyelinin hesaplanması için nokta bulutu verisi Arcmap üzerinden Sayısal Yüzey Model'ine (SYM) dönüştürülmüştür. Üretilen SYM güneş potansiyeline dönüştürülmüştür. Bu işlem sırasında, nokta bulutu verisi sınıfları incelenmiş ve yanlış sınıfa ait olan nokta verileri doğru sınıfa manuel olarak yönlendirilmiştir. Dönüştürülen nokta bulutu verisi, SYM verisine ArcMap üzerinden dönüştürülmüştür. Ayrıca, binalara ait öznitelik verilerini inceleyebilmek için Fatih Belediye'sine ait TKGM (Tapu Kadastro Genel Müdürlüğü) bina şekil verisi kullanılmış ve ortofoto verisi ile üst üste getirilmiş, ortofotoda bulunmayan alanlar silinmiştir. Bu veri aynı zamanda çalışma alanının sınırlarını ve alandaki bina alanı miktarını doğrulamak için de kullanılmıştır. Ortofoto verisinde bulunmayan binaların, şekil verisinden silinmesi sağlanmıştır. SYM verisi, alan güneş radyasyonu verisine ArcMap üzerinden dönüştürülmüş ve yüksek verime sahip alanların belirlenmesi amacıyla kullanılmıştır. Bu veri en yüksek güneş radyasyonu değeri veren çatılardan birinin seçimi için kullanılmıştır. Belediyeden alınan veri ve ArcMap üzerinden elde edilen hesaplama ile Belirtilen çalışma alanındaki tüm binaların çatılarına bir yıl içinde ulaşan radyasyon değerinin ortalaması hesaplanmıştır. 963 m² alanlı seçili bina çatısına ortalama m² başına 1 052 kWh, çatının tamamına ise toplamda 1 014 550 kWh enerji ulaştığı bulunmuştur. Literatür araştırması sonucunda birçok PV kurulum simülasyon yazılımı incelenerek aralarından PVsyst sürüm 7.4.8 30 günlük demosu seçilmiştir. Hazırlanan sistemin şebekeye bağlı öz tüketimli sistem olması ve de lisanssız üretim sınırı olan 10kWh sınırını aşmaması sağlanmıştır. Bu sayede fazla enerji önce aküde doldurulacak ve gerektiğinde kullanılacak hem panel hem aküde enerji bittiğinde ise şebekeden enerji alınması sağlanmış olacaktır. Simülasyonda, panel, inverter, optimizer ve akü uyumu sağlanmış ve yönlendirme, sistem bilgileri, detaylı kayıplar, öz tüketim, depolama, ufuk, yakın gölgelemeler ve modül düzeni gibi bölümler xxiii doldurulmuştur. Simülasyon sonucunda, enerji yönetimi ve ekonomik değerlendirme bölmeleri tamamlanmıştır. Şebekeye bağlı öz tüketimli hibrit sistem için 10 kW'lık kurulu güç sınırı belirlenmiştir. Seçilen bina çatısının konumu 41.01°N enlem ve 28.93°E boylamda, 59 m rakımda yer almaktadır. Saat dilimi UTC+3'tür. Meteonorm 8.1 yazılımı tarafından sentetik olarak oluşturulan hava durumu ve radyasyon verileri doğrultusunda, kolektör düzlemi açısı 32° olarak belirlenmiştir. Panel olarak LG NeON® 2 300W, optimizer olarak SolarEdge P401, inverter olarak SolarEdge SE10000H-EU, batarya olarak LG Chem RESU 10H kullanılmıştır. Sistem, 8.98 kW sabit yük kapasitesine sahiptir ve toplamda 10.00 kWp nominal güçte 25 panel bulunmaktadır. İnvertör olarak 9.00 kW kapasiteli bir cihaz kullanılmış ve 8.30 kW şebeke güç sınırı belirlenmiştir. İki adet 51V 593Ah kapasiteli akü takımı mevcut olup, toplam enerji depolama kapasitesi 24.6 kWh'dir. Şebekeye bağlı bir sistemde, fazla enerjinin depolanması sağlanmıştır. Yıllık 13 126.65 kWh enerji üretimi ve 78 699.84 kWh enerji tüketimi gerçekleşmektedir. Verimlilik olarak, 1.313 kWh/kWp/yıl, PO %81.08 ve güneş oranı %16.68 olarak hesaplanmıştır. Enerji kayıpları raporunda, sistem panel yüzeyindeki kirlenmeden dolayı %3 oranında enerji kaybı yaşadığı belirtilmiştir. Modül sıcaklık kayıpları, ışınıma bağlı olarak 29.0 W/m²K olarak hesaplanmıştır. DC kablolama kaybı %1.5 olup, diğer kayıplar modüllerin ışık kaynaklı degradasyonu %2, kalite kaybı %0.8 ve uyumsuzluk kaybı %0.0'dır. Ortalama modül degradasyonu yıllık %0.4 olarak belirlenmiştir. Sistemin Performans Oranı (PO) %81 olarak hesaplanmıştır. Yıllık üretilen enerji miktarları P50 için 13 126.65 kWh, P90 için 12 418.70 kWh ve P95 için 12 219.51 kWh olarak belirlenmiştir. Şebekeye enjekte edilen enerji miktarı 0 kWh olarak kaydedilmiştir. Yıllık toplam yatay güneş ışınımı 1 467.6 kWh/m², yatay difüz ışınım 676.99 kWh/m² olarak hesaplanmıştır. Raporla elde edilen yıllık 13 126.65 kWh enerji üretimi ile şebekeden tasarruf edilen yıllık miktar 37 720.80TL olmaktadır. PV sistemi 10 kW kurulu güçte olmakla beraber öz tüketimlidir. PV sisteminin ayda %38 zamlı ücretlendirilmesi durumunda kendini amorti etme süresi 6 yıla yakın bir değerdir. Zam işlemi uygulanmaksızın 578 476TL yatırım maliyetli PV sisteminin kendini amorti süresi ise hesaplamalar sonucunda 16. yılın başı olarak hesap edilmiştir. Sonuç olarak zamlı üretim maliyeti değerlendirmesi ile 6. Yılda zamsız değerlendirme durumunda ise 16. yılda kendini amorti eden 578 476TL yatırım maliyetli PV sistemi kurulmuştur. Çalışma sonucundan elde edilen bulgulara göre İstanbul ve Fatih'in konumları nedeniyle Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası (GEPA) analizinde de görünür olan güneş potansiyelinin yüksek olmayışı bu sonucun oluşmasına başlıca etmendir. Binalara PV kurulumu bina sakinleri açısından olumlu bir dönüşümdür, özellikle bu çalışma sayesinde zarar edilmeyecek şekilde kurulumunun yapılması küçük ölçekte Fatih, büyük ölçekte Türkiye için bilinç dalgası oluşturması açısından değerlidir.

Özet (Çeviri)

Energy demand is continuously increasing both globally and in Turkey. As long as the growing energy needs are met through fossil fuels or their derivatives, environmental, economic, and political problems in the energy sector will persist. Increasing the use of renewable energy sources can ensure a cleaner and more environmentally friendly future for both the world and Turkey. Moreover, the widespread use of these resources has the potential to reduce dependency on foreign energy sources. Renewable energy sources can be utilized as an alternative either in fully renewable systems or in hybrid systems. With the growing demand for energy today and in the future, countries are turning to sustainable energy sources, driven by both political and environmental considerations. In this context, it is of great importance for Turkey to identify clean, renewable, and inexhaustible energy sources. One of the most effective steps Turkey can take in this regard is to harness solar energy. In addition to being an environmentally friendly option, solar energy holds great potential due to Turkey's geographic location. Investments in solar energy will not only enhance energy independence but also contribute to environmental protection by reducing carbon emissions. For these reasons, solar energy should occupy a significant place in Turkey's energy strategy, and efforts in this area should be accelerated. When examining the potential of Turkey's own resources for renewable energy, the country ranks high both regionally and globally in terms of wind and solar energy potential. Several initiatives encourage the utilization of these existing resources. From these studies and research, it is evident that Turkey possesses greater potential and resources than many countries that generate nearly 90% of their electricity from solar energy. It is projected that in the coming years, both the installed power and the share of solar energy systems used individually or commercially will rapidly increase, based on the outcomes of both 10-year plans and 15-year completed studies. Research results indicate that high efficiency from solar energy is achieved through the conversion of solar energy into electricity. These conversion systems are generally Solar Power Plants (GES) and Photovoltaic (PV) systems. While GES systems are installed on large-scale lands measuring hectares, PV systems have a widespread use due to their ability to be installed even in small areas like 1 or 2 square meters. This study sheds light on this issue by focusing on how, through pre-installation analyses, high-efficiency clean energy can be achieved using solar power. According to other studies, in order to maximize the efficiency of PV installations, it is crucial to assess the amount of solar radiation available at the site, the slope and orientation of the area, meteorological conditions, and most importantly, the amount of sunlight that will reach the installation site. The main objective of this study is to analyze the suitability of rooftops of selected buildings for PV installation using the PVsyst software. PVsyst is a software tool used for the design, simulation, and analysis of solar energy systems. xxvi By selecting system components such as solar panels, inverters, and batteries, the software allows for the evaluation of the performance of these systems under various conditions. The software provides guidance for optimal system design and efficiency by performing analyses such as energy production, shading effects, losses, and economic evaluations. One of the key factors in improving the efficiency of installations is the selection of appropriate methods, equipment, and angles for the PV installation. Since the angle of the PV installation affects how sunlight reaches the panels, a fixed-angle PV installation was simulated using the PVsyst online program, and a report was generated. Based on a formula derived from a literature review, a fixed installation angle of 32 degrees was deemed suitable. To calculate the solar potential affecting the study area, the point cloud data was converted into a Digital Surface Model (DSM) through ArcMap. This DSM was then converted into solar potential data. During this process, the point cloud data classifications were reviewed, and incorrect point data were manually reassigned to the correct class. The point cloud data were converted into DSM data using ArcMap. Additionally, to examine the attribute data of the buildings, a building shapefile from Fatih Municipality's General Directorate of Land Registry and Cadastre (TKGM) was used and overlaid with the orthophoto data, with non-matching areas being removed. This data was also used to verify the boundaries of the study area and the amount of building space in the area. Buildings not present in the orthophoto were removed from the shapefile. The DSM data was converted into solar radiation data via ArcMap and used to identify areas with high solar radiation values. This data was then used to select one of the rooftops with the highest solar radiation values. The average annual radiation value reaching the rooftops of all buildings in the specified study area was calculated using data obtained from the municipality and ArcMap. It was determined that the selected rooftop, with an area of 963 m², receives an average of 1 052 kWh per m², and a total of 1 014 550 kWh of energy reaches the entire roof. After reviewing the literature, multiple PV installation simulation software tools were analyzed, and the 30-day demo of PVsyst version 7.4.8 was selected. The designed system is a grid-connected selfconsumption system that does not exceed the 10 kWh limit for unlicensed production. This ensures that excess energy is first stored in a battery and used when needed, with energy drawn from the grid when both the panel and battery are depleted. The simulation confirmed the compatibility of panels, inverters, optimizers, and batteries, and sections such as orientation, system details, detailed losses, self-consumption, storage, horizon, near-shading, and module arrangement were completed. As a result of the simulation, the energy management and economic evaluation sections were finalized. A 10 kW installed power limit was set for the grid-connected self-consumption hybrid system. The selected rooftop is located at a latitude of 41.01°N, longitude of 28.93°E, and an altitude of 59 meters. The time zone is UTC+3. Based on synthetic weather and radiation data generated by the Meteonorm 8.1 software, the collector plane tilt angle was set at 32°. The system components selected were the LG NeON® 2 300W solar panel, SolarEdge P401 optimizer, SolarEdge SE10000H-EU inverter, and LG Chem RESU 10H battery. The system has a fixed load capacity of 8.98 kW and a total nominal power of 10.00 kWp, with 25 panels. xxvii An inverter with a capacity of 9.00 kW was used, and a grid power limit of 8.30 kW was set. Two battery packs with a capacity of 51V and 593Ah were installed, with a total energy storage capacity of 24.6 kWh. In this grid-connected system, excess energy is stored. The system is projected to produce 13 126.65 kWh annually, with 78 699.84 kWh of energy consumption. The system's efficiency was calculated as 1.313 kWh/kWp/year, with a performance ratio (PR) of 81.08%, and a solar fraction of 16.68%. The report on energy losses indicates that the system experiences a 3% energy loss due to panel surface soiling. Module temperature losses are calculated at 29.0 W/m²K based on irradiation. DC cabling losses are 1.5%, while other losses include 2% light-induced degradation, 0.8% quality losses, and 0% mismatch losses. The average module degradation was determined to be 0.4% per year. The system's performance ratio (PR) was calculated at 81%. The annual energy production values were 13 126.65 kWh for P50, 12 418.70 kWh for P90, and 12 219.51 kWh for P95. The amount of energy injected into the grid was recorded as 0 kWh. The total annual horizontal solar irradiation was calculated to be 1467.6 kWh/m², and the horizontal diffuse irradiation was 676.99 kWh/m². With the annual energy production of 13 126.65 kWh obtained from the report, the annual amount saved from the grid is 37 720.80 TL. The PV system has an installed power of 10 kW and is self-consumptive. If the PV system is charged with a 38% increase per month, the amortization period is close to 6 years. As a result of the calculations, the payback period of the PV system with an investment cost of 578 476 TL without any increase is calculated as the beginning of the 16th year. As a result, a PV system with an investment cost of 578 476 TL was established, which was amortized in the 6th year with an increased production cost evaluation and in the 16th year in case of an evaluation without an increase. According to the findings obtained from the study, the main reason for this result is that the solar potential, which is also visible in the Solar Energy Potential Atlas (GEPA) analysis, is not high due to the locations of Istanbul and Fatih. Installation of PV in buildings is a positive transformation for the residents of the building. Especially thanks to this study, the installation in a way that does not cause any damage is valuable in terms of creating a wave of awareness for Fatih on a small scale and for Turkey on a large scale.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    886111

    Kültürel mirasın 3 boyutlu belgelenmesinde dijital ikiz teknolojisinin kullanımı

    Digital twin technology in 3D documentation of cultural heritage

    ERTUĞRUL AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERDAR BİLGİ

  2. Tez No

    289972

    Dönerkanat tipinde bir insansız hava aracıyla video tabanlı üst düzey işlevlerin tasarlanması

    Design of video based high level functions for a quadrotor type unmanned aerial vehicle

    NEVREZ İMAMOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ÖNDER EFE

  3. Tez No

    705480

    Conceptual design of unmanned aerial vehicle

    İnsansız hava aracı kavramsal tasarımı

    HEYZEM DOĞUKAN DELİBAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR

  4. Tez No

    252029

    Design of an autopilot system for a micro-air vehicle

    Küçük bir hava aracı için otopilot sistemi tasarımı

    SERDAR ATEŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GÖKHAN İNALHAN

  5. Tez No

    766401

    Sabit kanatlı İHA için uyarlamalı daldırma ve değişmezlik yöntemiyle sabit bozucuların kestirici tasarımı

    Disturbance estimator design with adaptive immersion and invariance method for fixed wing UAV

    BESTE SEZEN YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YAPRAK YALÇIN

Geri Dön