Adıyaman İlinde Güneş Verilerinin Analizi ve 1MW lık Güneş Santrali Tasarımı

314

Adıyaman İlinde Güneş Verilerinin Analizi ve 1MW’lık Güneş Santrali Tasarımı

Feride ARSLAN¹. İbrahim SANCAR². İbrahim ÜÇGÜL³

¹Süleyman Demirel Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü

²Adıyaman Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu Makine Bölümü

³Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Tekstil Mühendisliği Bölümü

¹

²

³

Özet

Güneş enerjisi ile elektrik üretiminde kurulacak güneş santrali için bölgenin güneş ışınım verilerinin bilinmesi gerekir. Bu verilerin bilinmediği durumlarda hesaplamak için değişik metotlar kullanılmaktadır. Bu çalışmada. Howell (1982) tarafından küresel güneş ışınımı tahmini için geliştirilen bağlantılar yardımıyla Adıyaman ilinin. güneş ışınımı verileri hesaplanmıştır [1]. Bu veriler kullanılarak 1MW kapasiteli güneş enerjisi santrali için tasarım yapılmıştır. Sonuçta Adıyaman ili için hesaplanan güneş ışınım miktarı değerlerine göre kurulacak 1MW kapasiteli santralde elektrik üretimi veriminin yüksek olacağı kanaatine varılmıştır.

Anahtar kelimeler: Güneş Enerjisi, PV Panel, Güneş Işınımı, Adıyaman.

Abstract

So as to build a solar station via solar energy in production of electric we need to know the regarding area's solar radiation dates. Unless we know these datas different methods can be used. In this search these solar radiation datas of Adıyaman have been calculated whit the help of Howell who developed the connections for the purpose of solar radiation predictions [1]. The desing of solar station has been made whit 1MW capaticy. As a result,it is supposed that this solar station with 1MW capacity,which is to be built depending on Adıyaman's calculated solar radiation amount, will be productive ın electric production.

Keywords: Solar energy, PV panel, Solar Radiation, Adıyaman

1. Giriş

Enerji insanoğlunun varoluşundan itibaren insan yaşamının vazgeçilmez bir unsuru olmuştur. Günümüzde bu önem daha da artmıştır. Yeryüzünde fosil kökenli enerji kaynakları hızla tükenmektedir. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları doğrudan kullanılabileceği gibi enerjinin başka bir şekline de dönüştürülebilir. Güneş enerjisi. rüzgâr enerjisi. jeotermal enerji ve hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji türüdür.

Dünya’daki güneş enerjisinin yoğunluğu atmosferde metrekare başına 1.35 kW değerindedir. Güneş enerjisi yoğunluğu bakımından dünyanın ayak izi alanının ölçüsü 178x106 MW. Dünya’nın tüm yüzeyine denk gelen güneş enerjisi. 1.22x1014 TCE (ton kömür eşdeğeri) veya 0.814x1014 Ton Petrol Eşdeğeri miktarına denk olmaktadır.

Diğer taraftan. bir yılda güneş enerjisinden gelen miktar bilinen kömür rezervlerinin 50 katına. bilinen petrol rezervlerinin 800 katına tekabül etmektedir [2].

Dünya’da 2004 yılında elektrik enerjisi üretimi 17.450 TWh olurken. 2030 yılında bu tüketimin 31.657 TWh’ e ulaşması beklenmektedir. Bu elektrik enerjisi talebinin karşılanması için binlerce yeni güç santralleri inşa edilmelidir [3].

Türkiye temel enerjisini; petrol. linyit. kömür. doğalgaz.

jeotermal ve hidrolik gibi kaynaklardan sağlamaktadır.

Türkiye’nin enerji ihtiyacında büyük oranda dışa bağımlıdır.

Bu bağlamda ülkemiz. mevcut enerjinin daha verimli kullanılması için çalışmalar yürütürken bir yandan da yeni enerji kaynakları arayışı içerisinde araştırmalar yapmaktadır.

Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en baskın olarak kullanılan. son yıllarda yararlanmada önemli bir artış hızına sahip olan. güneş enerjisi kaynağıdır.

315 Güneş enerjisi. yenilenebilir bir enerji kaynağı oluşu yanında.

insanlık için önemli bir sorun olan çevreyi kirletici artıkların bulunmayışı. yerel olarak uygulanabilmesi ve karmaşık bir

teknoloji gerektirmemesi gibi üstünlükleri sebebiyle son yıllarda üzerinde yoğun çalışmaların yapıldığı bir konu olmuştur. Binaların ısıtılması. soğutulması. endüstriyel.

bitkilerin kurutulması ve elektrik üretimi güneş enerjisinin yaygın olarak kullanıldığı alanlardır [4].

Güneş pilleri kullanarak yapılan fotovoltaik uygulamalar Güneş enerjisinin bir uygulama türüdür. Güneş pilleri.

Üzerine düşen güneş ışınımını direkt olarak elektrik enerjisine çeviren doğru akım üreteçleridir. Bu pillerin seri veya paralel bağlanarak. ürettikleri akım ve gerilim değerleri yükseltilebilir. Üretilen akımı depolayabilmek için özel aküler kullanılmaktadır.

Ülkemizin güneş enerjisinden yararlanma potansiyeli İspanya dışındaki tüm Avrupa ülkelerinden fazladır. Türkiye.

ortalama 1000 – 1450 kWh/m².yıl oranlarında güneş enerjisinden faydalanabilme potansiyeline sahiptir. Bu oran da ülkemizin tükettiği elektrik enerjisi ve fosil enerji kaynaklarının 10.000 katından fazladır[5]. Bu nedenle ülkemiz Güneş enerjisinden elektrik üretimi için daha fazla çalışma yapmalıdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde mevcut bulunan 1966–1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak Elektrik İşleri Etüt İdaresi tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7.2 saat). ortalama toplam ışınım şiddeti 1.311 kWh/m²-yıl (günlük toplam 3.6 kWh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye. 110 gün gibi süre bakımından da yüksek bir güneş enerjisi potansiyeline sahiptir ve gerekli yatırımların yapılması halinde ülkemiz. yılda birim metre karesinden ortalama olarak 1.100 kWh’lik güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretilebilir durumdadır [6].

2005 tarihinde 25819 sayılı Resmi Gazete’de yayımlanarak yürürlüğe giren 5346 sayılı “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun” ile yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilecek enerjiye taban fiyat garantisi ve belli bir süre alım garantisi getirilmiştir. Ayrıca bu tesislerin kurulacağı yerlerdeki hazine ve orman arazilerinde kolaylık sağlanması.

yenilenebilir özellikte olması sebebiyle YEK belgesi verilmesi ve aynı kanunla 4628 sayılı yasada yapılan değişiklik ile kendi ihtiyaçlarını karşılamak üzere 500 kW’a kadar tesis kuranlar şirket olma ve lisans almadan muaf tutulmuşlardır [7].

Uluslararası Enerji Ajansı’nın 2008 raporlarına göre 2008 yılı sonunda dünya üzerindeki kurulu güneş enerjisi sistemi 13.44 GW olarak belirtilmektedir. Bununla birlikte 2009 yılı içerisindeki resmi olmayan açıklamalara göre devreye alınan 6.43 GW’lık Kurulu güçle birlikte dünya üzerindeki güneş enerjisi sistemlerinin kurulu gücünün yaklaşık 20 GW olduğu

belirtilmektedir. Bunlardan bazıları çizelge.1 de belirtilmiştir.

[8].

Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı – Elektrik İşleri Etüt İdaresi’nin yapmış olduğu Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası çalışması sonucunda Türkiye’de 56.000 MW termik santral kapasitesine eşdeğer güneş enerji kapasitesi bulunduğu ve bu potansiyelden yararlanılması durumunda yıllık ortalama 380 milyar kWh elektrik enerjisi üretim imkânının olduğu belirlenmiştir. Oysaki bu potansiyelden çok az miktarda yararlanılmakta olup hali hazırda Türkiye’deki toplam güneş pili (PV) kapasitesi yaklaşık olarak 1 MW mertebesindedir [7].

Çizelge 1: Dünya üzerindeki en büyük güneş enerjisi santralleri

Sır

a Kurulu

Güç(MW) Kurulduğu Yer Kurulduğ u Tarih

1 60 Olmedilla/İSPANYA 2008

2 54 Straßkirchen/ALMANY

A 2008

3 53 Turnow-

Preilack/ALMANYA 2009

4 50 Puertollano/İSPANYA 2008

5 46 Moura/PORTEKİZ 2008

6 45 Köthen/ALMANYA 2010

7 42 Finsterwalde/ALMANY

A 2009

8 40 Brandis/ALMANYA 2008

9 34.5 Trujillo/İSPANYA 2008

10 34 Arnedo/İSPANYA 2008

Güneş santrallerinin kurulması için. bilinmesi gereken önemli parametrelerin başında güneş ışınım değerlerinin bilinmesi gerekir. Bu ışınım değerleri gerek piranometre ile ölçülerek gerekse değişik hesap metotları ile hesaplanarak yaklaşık tahmin yapılabilir. Dünya üzerindeki herhangi bir yüzey alanına ulaşan güneş ışınımını hesaplamak için çeşitli ampirik modeller kullanılmaktadır. Bu modellerin kullanılmasındaki sebep düzlem üzerine düşen güneş ışınımı verilerinin olmamasından dolayı. araştırmacıların birçoğu tarafından bölgenin şartlarına göre güneş ışınım modelleri türetilmiştir.

Özetle yukarıdaki çalışmalar incelendiğinde güneş ışınımı tahmini için geliştirilen ilk çalışma 1924 yılında Angström tarafından lineer modelin tanımlanmasıyla ortaya çıkmıştır.

Daha sonraki yapılan çalışmalar ya modele farklı bir boyut kazandırmak ya da belli bir coğrafyaya özgü modeli geliştirmek için oluşturulmuştur. Güneş ışınımı tahmini hesaplanmasında; Glover ve McCulloch enlem değerlerini kullanmış. Barbaro ve arkadaşları yayılı ışınım ölçümüne farklı bir boyut getirmiş. Ogelman ve arkadaşları 2.dereceden

316 polinom bağıntısı ile model oluşturmuş. Benson ve arkadaşları iklim verilerine yer vermiş. Gopinathan a ve b katsayılarının bulunmasında rakımı göz önüne almış.

Newland logaritmik model geliştirmiş. Samuel yatay düzleme gelen güneş ışınımı için 3. Dereceden eşitlik geliştirmiş.

Fakıoğlu ve Ecevit sadece gün sayısı değerini etken yapmış.

Ertekin ve Yaldız dokuz farklı meteorolojik parametreyi kullanmış. Elagib ve Mansell coğrafi parametrelerle üstel bağıntı oluşturmuş. Ülgen ve Hepbaşlı sıcaklık parametrelerini eklemiş ve Bakırcı yeni düzen beşinci dereceden polinom denklemi kullanmıştır. Bütün bu çalışmaların temel gayesi mevcut çalışılan [9].

Toğrul vd. (2000) Türkiye’de aylık günlük ortalama küresel güneş ışıması tahmini için açık gökyüzü ışımasının kullanılabilirliğini araştırmışlardır. Aylık ortalama günlük güneşlenme süresinin. o ay için olabilecek teorik en yüksek güneşlenme süresine oranından yola çıkarak yazlık ve kışlık olmak kaydıyla. farklı regresyon analiz eşitlikleri geliştirmişlerdir. çalışma Ankara. Aydın. Antalya. İzmir.

Adana. Elazığ şehirlerinde Kipp Zonen cm11 piranometresinden alınan ölçümlere dayanarak yapılmıştır.

Şehir bazında çok başarılı olmasa da Türkiye geneli için bu yöntemle küresel güneş ışımasının tahmin edilebileceği sonucuna varılmıştır[10].

Trabea ve Shaltout (2000) Mısır' da 5 farklı meteorolojik şartı temsil edecek. seçilmiş 5 nokta için yatay yüzeye gelen küresel güneş ışıması. günlük ortalama en yüksek sıcaklık.

günlük ortalama nispi nem. günlük ortalama deniz seviyesine indirilmiş basınç. günlük ortalama buhar basıncı ve güneşlenme süresi verilerini tablo ve grafikler vasıtasıyla düzenlemiş ve incelemişlerdir. Bu 5 noktada küresel güneş ışıması ölçümleri ile meteorolojik değişkenler arasındaki ilişkiyi göstermek adına bir bağıntı ortaya çıkarmışlardır. Bu bağıntıya ulaşmak için ilk olarak 1988’de Gopinathan’ın geliştirdiği bir tahmin modeli. ikinci olarak 1994 yılında aynı modelden Abdalla’ nın Bahreyn için dönüştürerek oluşturduğu tahmin modeli ve üçüncü olarak da bu çalışma için geliştirilen yeni bir tahmin modeli kullanılmıştır. Sonuçta elde edilen korelasyon regresyon ve standart hata katsayılarından yararlanılarak Mısır'ın tamamı için güneş ışıması tahmini mj/m2 /gün cinsinden yapabilmek adına.

öncelikle konu edilen her bir nokta için özel modeller türetmişlerdir. Kahire için türetilen model % 99 ile en yüksek korelasyon katsayısını vermiştir. tüm Mısır için korelasyon katsayısı % 89-99 ve tahmin hatası % 1-4 arasında çıkmış ve modellerin uygulanabilir olduğu sonucuna varılmıştır[11].

Liu ve Jordan (1962). eğimli düzleme gelen saatlik doğrudan güneş ışınım şiddetini çalışmaları sonucunda oluşturdukları Liu ve Jordan metodu ile hesaplamışlar[12].

Demirören ve Yılmaz. Türkiye’nin Ege Denizi’nde bulunan en büyük adası olan Gökçeada’nın elektrik ihtiyacının yenilenebilir enerji kaynaklarından (fotovoltaik sistemler ve rüzgar enerjisi sistemleri) nasıl karşılanacağı üzerine bir

çalışma yapmışlardır. Fotovoltaik sistem mimarisinin ve akülerin pahalı olması dolayısıyla Gökçeada için fotovoltaik sistemlerin şimdilik ekonomik olmadığı sonucuna varmışlardır [13].

Kırbaş ve Çiftçi (2013) Burdur ili güneş enerjisi potansiyelinin ve güneşlenme oranının belirlenmesi amacıyla bir çalışma yapmışlar. Sonuçta fotovoltaik teknolojisindeki yeni gelişmeler ile birlikte düşük maliyete sahip güneş pilleri geliştirilerek. Burdur ilinde güneş pili kullanımı yaygınlaştırılabileceği kanaatine varmışlardır [14].

Bu çalışmada. Howell (1982) tarafından küresel güneş ışınımı tahmini için geliştirilen bağlantılar yardımıyla Adıyaman ilinin güneş ışınımı verileri hesaplanmıştır [1]. Bu veriler kullanılarak 1MW kapasiteli güneş enerjisi santrali için tasarım yapılmıştır.

2. Hesaplama Metodu

Howell vd (1982) tarafından. günün saatlerine göre yatay yüzeye gelen anlık toplam güneş ışınımı .

I=Imaksin[^π(GS−Trs)_N ] (1)

Şeklinde hesaplanmıştır. Burada GS güneş saati. N gün uzunluğu. ve T_rs gün doğumu zamanı olup T_rs ve N değeri aşağıdaki gibi hesaplanır [15]:

N= ₁₅²cos^-¹[-tan(δ) tan(φ)] (2)

Trs: (12-N/2) (3)

Burada δ deklinasyon açısı φ enlem (derece) olarak ifade edilir. Yukarıda geçen δ değeri ise :

δ= 23.45sin[^360(n+284)₃₆₅ ] (4)

Eşitliği ile hesaplanmıştır.

Genellikle güneş ışınımı hesapları güneş zamanına göre yapılmaktadır. Her 15^o saat açısı. zaman olarak bir saate tekabül etmekte ve öğleden önceleri pozitif. öğleden sonraları ise negatif değer almaktadır. Güneş saati GS. Kılıç ve Öztürk (1984) tarafından verilen (5) bağıntısı ile hesaplanmıştır.

GS=YS+ET/60-4/60(L_S-L_L) (5)

Burada YS yerel saat. ET. zaman eşitliği. LS. LL sırasıyla standart ve yerel boylamdır. Türkiye saati için standart boylam 45^odoğu boylamıdır. Zaman eşitliği ET. (6-7) bağıntıları ile hesaplanmıştır [16].

ET=9.87sin2B-7.53cosB-1.50sinB (6)

B=^360(N−81)₃₆₅ (7)

317 Adıyaman ili için hesaplanan değerlerin analizi için belirli günler seçilmiştir. Bu amaçla rastgele seçim yerine her ayın 15. günü ile Temmuz ayının bütün günleri seçilerek 06:00- 18:00 saatleri arasında verilerin analizi yapılmıştır. Bu eğik düzleme gelen ışıma miktarı ölçümleri ısıl özellikleri açısından istatistiksel olarak incelenmiştir. Şekil 1’ de Adıyaman İli için hesaplanan eğik düzleme gelen Güneş

Işınım değerleri grafik olarak verilmiştir. Görüldüğü üzere en yüksek değer 15 Haziran tarihinde saat 12:00 ‘ da 999.2 W/m² hesaplanmıştır.

Şekil 1: Adıyaman İli Bütün Aylar İçin Hesaplanan Eğik Düzleme Gelen Güneş Işınımı - Zaman Grafiği

Şekil 2’de ise Adıyaman İli Temmuz ayı için hesaplanan eğik düzleme gelen güneş ışınım değerleri verilmiştir. Temmuz ayı içerisinde en yüksek değer 1Temmuz tarihinde saat 12:00 ‘ da 996.6 W/m² hesaplanmıştır.

Şekil 2: Adıyaman İli Temmuz Ayı İçin Hesaplanan Eğik Düzleme Gelen Güneş Işınımı - Zaman Grafiği 0

200 400 600 800 1000

h:mm h:mm h:mm h:mm h:mm h:mm

Güneş ışınımı ( W m -2 )

Zaman (Saat)

15.Oca 15.Şub 15.Mar 15.Nis 15.May 15.Haz

0 200 400 600 800 1000

hh:mm hh:mm hh:mm hh:mm hh:mm hh:mm

Güneş Işınımı ( W m -2 )

Zaman (Saat)

04.Tem 12.Tem 20.Tem 28.Tem

318

3. Sonuçlar

Güneş enerjisinin kullanıldığı sistemlerin verimliliğinin belirlenmesinde önemli bir faktör olan yeryüzüne gelen güneş ışınımı değerlerinin (anlık, saatlik, günlük) bilinmesi önemlidir. Çalışmanın yapılacağı bölgenin verilerinin bilinmesi gerekir. Bu çalışmada Adıyaman ili için eğik düzleme gelen güneş ışınım şiddeti basit bir hesaplama metodu kullanılarak belirlenmiştir. Adıyaman’ın Çizelge- 2’de gösterilen eğik düzleme gelen güneş ışınım şiddeti ile bir güneş kenti olabileceği çok açık bir şekilde görülmektedir.

Fotovoltaik teknolojisindeki yeni gelişmeler ile birlikte düşük maliyete sahip güneş pilleri geliştirilerek, Adıyaman ilinde güneş pili kullanımı devlet desteği ile yaygınlaştırılabilir.

Kamusal kullanıma açık alanlar, parklar caddeler ve sokaklar, güneş enerjisi ile aydınlatılabilir. Bunun için Adıyaman İlindeki kamu binalarında güneş sistemlerine geçilmesine yönelik çalışmalar yapılmalıdır. Ayrıca Güneş santralleri kurulabilecek araziler araştırılmalı ve gerekli girişimler yapılmalıdır.

4. Kaynaklar

[1] Howell, J., R., Bannerot, R., B. and Vliet, G., C.,

“SolarThermal Energy Systems Analysis and Design”, McGraw-Hill. Inc.. New York, 1982

[2] Özgöçmen, A. , “Electricity Generation Using Solar Cells”, Gazi University in Turkey, MSc Thesis, May 2007.

[3] Güler, Ö., Wind energy status in electrical Energy production of Turkey”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13. (2). pp. 473- 478, February 2009.

[4] Karım, M., A. and Hawlader. M., N., A. , “Development Of Solar Air Collectors For Drying Applications”, Energy Conversion And Management. 45: 329-344, 2004.

[5] Gümüş, B. ve Tüzün, M., N. “Kentlerde Enerji Verimliliği. Van İlinin Enerji Üretim Potansiyeli ve Elektrik Enerjisi Problemleri”, Van Kent Sempozyumu, 1-3 sayfa: 301 – 320, Ekim 2009.

[6] Varınca, K., B. ve Gönüllü M., T., “Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi. Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma”, I. Ulusal Güneş Ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, 21-23 Haziran 2006, Eskişehir.

[7] Gürbüz, A. “Enerji Piyasası İçerisinde Yenilenebilir (Temiz) Enerji Kaynaklarının Yeri ve Önemi”. 5.

Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (Iats’09), 13- 15, Mayıs 2009, Karabük

[8] Girgin, M., H. “Bir Fotovoltaik Güneş Enerjisi Santralinin Fizibilitesi. Karaman Bölgesinde 5 Mw’lık Güneş Enerjisi Santrali İçin Enerji Üretim Değerlendirmesi Ve Ekonomik Analizi” İstanbul Teknik Üniversitesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 2011

[9] Kallioğlu, M., A. “Niğde İli İçin Yatay Düzleme Gelen Günlük Tüm. Yayılı Ve Direkt Güneş Işınımını Hesaplama Modeli Geliştirilmesi” Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014, Niğde

[10] Toğrul, G., T. , Toğrul, H. and Evin. D. “Estimation of küresel solar radiation under clear sky radiation in Turkey”. Renewable Energy, (21); 271-287, 2000.

[11] Trabea, A., A. and Shaltout, M., A., M, “Correlation of küresel solar radiation with meteorological parameters over Egypt”, Renewable Energy. (21); 297-308, 2000.

[12] Lıu, B. and Jordan, R. “Daily insolation on surfaces tilted towards the equator”, Trans ASHRAE, 526-541, 1962.

[13] Demirören, A. , Yilmaz, U., “Analysis of change in electric energy cost with using renewable energy sources in Gökceada. Turkey: An Island example”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14: 323-333, 2010.

[14]Kırbaş, İ., Çifci, A. ve İşyarlar, B. “Burdur İli Güneşlenme Oranı ve Güneş Enerjisi Potansiyeli”, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 4 (2): 20-23 (2013)

[15]Kılıç, A. ve Öztürk, A, “Güneş Enerjisi”, Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983nversion And Management.

45: 329-344, 2004.

[16]Taşdemiroğlu, E. “Solar Energy Utilization:

Technicaland Ekonomic Aspects”, Middle East Technical University, Ankara, 1988.