Adana da Global Aylık Ortalama Günlük Güneş Işınımının Modellenmesi

Transkript

1 Adana da Global Aylık Ortalama Günlük Güneş Işınımının Modellenmesi Recep KÜLCÜ 1, Cihannur CİHANALP 1,Ahmet SÜSLÜ 1,Deniz YILMAZ 1 1 Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Bölümü, 32260, Isparta recepkulcu@sdu.edu.tr Özet:Türkiye, coğrafi konumu nedeniyle güneş enerjisi potansiyeli açısından oldukça zengindir. Türkiye nin yıllık güneşlenme süresi 2737 saat ve ortalama güneş enerji potansiyeli 1527 kwh/m²yıl seviyesindedir. Türkiye nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı incelendiğinde, en fazla güneş enerjisi alan Güneydoğu Anadolu Bölgesini, Çukurova Bölgesinin de içinde bulunduğu Akdeniz Bölgesi nin izlediği görülmektedir.bu bağlamda Adana Türkiye nin en fazla güneş ışınımı alan illeri içerisinde yer almaktadır. Atmosferlerden yeryüzüne gelen güneş ışınımlarını etkileyen faktörlerin tamamının hesaplanması büyük bir iş yükü oluşturmakta ve elde edilen sonuçlar yeterli doğrulukta olamamaktadır. Bu sebeple yeryüzüne gelen güneş ışınımını hesaplayan modeller geliştirilmektedir. Bu çalışmada Türkiye ve bazı ülkeler için güneş ışınımın tahminine yönelik geliştirilen modeller Adana ili güneş enerjisi verileri için uygulanarak değerlendirilmiştir. İncelemesi yapılan modellerin istatistiksel açıdan uyumluluğu test edilerek ölçümlere en yakın değerleri tahmin eden model tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, ışınım hesapları, ışınım modelleme, Adana. Modeling of Global Monthly Average Daily Solar Radiation in Adana Abstract:Turkey is rich in solar energy potential due to its geographical location. Turkey's average annual sunshine duration is 2737 hours and the solar energy potential is 1527 kwh/m 2 year. Turkey s total annual solar energy potential according to the region of distribution were examined, the more solar energy is exploring the South-East Anatolia Region, followed by the Mediterranean Region including the Çukurova.In this context, Adana province is located in the provinces of maximum solar radiation in Turkey. Calculations of all the factors affecting the solar radiation from the atmosphere to the earth; creates a huge workload and the results cannot be obtained with sufficient accuracy. Therefore calculating the solar radiation coming to the earth models has been developed. In this study, the models for the prediction of solar radiation for Adana city were evaluated using measured solar radiation data. Statistical aspects compliance of studied models were tested and validated which models the closest predicting to measured value. Key Words: Solar Energy, solar radiation calculations, modeling of solar radiations, Adana. Giriş Enerji, günümüz teknolojisinin, sosyo-ekonomik refahının ve ileriye dönük gelişmenin temel girdisidir.artan nüfus, şehirleşme, teknolojinin yaygınlaşması, sanayileşme ve refah artışına paralel olarak enerji tüketimi hızla büyümektedir. Bu sebeple; yeterli, güvenilir, kaliteli ve çevreye en az zarar verecek şekilde temin edilmesi için bölge ve ülkeler bazında enerji politika ve strateji alternatifleri geliştirilmektedir. Bu konu Türkiye için ayrı bir önem ve özellik taşımaktadır. Çizelge 1 de görüldüğü gibi, 1990 dan 2013 e birincil enerji talebi %127.39, ithalat % artarken, yerli üretimdeki artış %24.78 ile sınırlı kalmıştır. Çizelge 1.TürkiyeGenel Enerji Dengesi( )(Türkyılmaz, 2015). Enerji Verileri Değişim Toplam Enerji Talebi Toplam Yerli Üretim Toplam Enerji İthalatı Yerli Üretimin Talebi Karşılama Oranı % % % %48 % %40.63 Günümüzde artan enerji gereksinimi, gün geçtikçe azalan, kısıtlı geleneksel enerji kaynaklarıyla karşılanamamaktadır. Bu bağlamda baktığımız zaman Türkiye nin de içine dâhil olduğu çoğu ülkede enerji için ağırlıklı olarak kömür, petrol ve doğalgaz kullanılmaktadır. Fosil yakıtlar denilen bu

2 kaynaklar yenilenebilir özelliğe sahip değillerdir. Fosil yakıtlar hem sınırlıdır bir gün bitebilir, hem de rezervler azaldıkça fiyatı pahalanacak olan kaynaklardır (Altınöz, 2008). Yenilenebilir enerji kaynakları dışarıdan ithal edilmediklerinden dolayı ulusal ve güvenilir kaynaklardır. Ayrıca yenilenebilir olduklarından dolayı tükenmezler ve konvansiyonel yakıtların tersine çevre ve insan sağlığı için tehdit unsuru oluşturmazlar. Güneş enerjisi; potansiyeli, kullanım kolaylığı, temizliği, yenilenebilirliği ve çevre dostu olması gibi nedenler ile diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre daha kolay bir şekilde yaygınlaşabilme özelliğine sahiptir. Diğer enerji kaynaklarına göre kurulum maliyetlerinin yüksekliği, düşük verim, düşük kapasite faktörü ve benzeri bazı teknolojik ve ekonomik zorlukların aşılması, güneş enerjisini gelecekte daha da elverişli hale getirecektir. Türkiye, coğrafi konumu itibarıyla güneş kuşağı içerisinde yer almakta olup, güneş enerjisinden yararlanma potansiyeli, Doğu Karadeniz Bölgesi dışında tüm bölgeleri için önemle ele alınması gereken bir büyüklüktedir. Şekil 1.Adana, Mersin, Türkiye Güneşlenme Süresi (saat) (ÇKA, 2012). Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü tarafından hazırlanan, Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlasına (GEPA) göre, yıllık toplam güneşlenme süresi 2737 saat (günlük toplam 7,5 saat), yıllık toplam gelen güneş enerjisi 1527 kwh/m²yıl (günlük toplam 4,2 kwh/m²) olduğu tespit edilmiştir. GEPA projesi kapsamında ülkemizin güneş enerjisi potansiyelinin dağılımı gösteren bir atlas oluşturulmuştur (EİE, 2014). Şekil 2.Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası Türkiye de güneş enerjisinden yaygın olarak; sıcak su üretilmesinde, elektrik üretiminde, seraların ısıtılmasında, zirai ürünlerin kurutulmasında ve binaların ısıtılmasında yararlanılmaktadır. Güneş enerjisinin kullanıldığı sistemlerin tasarımı ve verimliliğinin belirlenmesinde önemli faktör olan yeryüzüne gelen güneş ışınımının bilinmesi önem arz etmektedir. Yeryüzüne gelen güneş ışınımı değerleri (anlık, saatlik ve günlük) meteoroloji istasyonlarındaki güneş ışınımı ölçüm cihazları ile ölçülerek veya bu bölge için geliştirilen matematiksel bağıntılar yardımı ile hesaplanabilmektedir. Güneş ışınımı hesaplarının amacı belirlenen bir koordinata istenilen tarih aralıklarında gelen güneş enerjisi miktarının hesaplanmasını sağlamaktır. Atmosfer dışına gelen güneş enerjisi miktarı, güneş ve dünya atmosferi arasında ışınımı etkileyen çok az etmen olmasından dolayı yüksek doğrulukta hesaplanabilmektedir. Ancak atmosfer dışındaki ışınımın yeryüzüne ulaşan kısmının hesaplanması hayli zordur ve hesaplamalarda tahmin yapan modeller kullanılmaktadır. Geliştirilen modeller araştırmacının kullandığı verilerin kaynağına, ölçüm yapılan koordinata göre değişim göstermektedir. Bu sebeple aynı modellerin veya modellerde kullanılan katsayıların farklı coğrafi koordinatlarda kullanılması halinde tahmin yetenekleri azalmaktadır (Külcü, 2015). Bu çalışmada Adana koşullarında atmosfer dışına gelen ışınım ile global aylık ortalama günlük ışınım arasındaki ilişkilerin belirlenmesi ve tahminlenmesi amacıyla kullanılacak modeller irdelenmiştir.çalışmada literatürde yer alan 6 modelkullanılarak hesaplamalar yapılmış ve modellerden elde edilen veriler ölçülmüş değerlerle karşılaştırılarak hangi modelin daha başarılı tahmin yaptığı belirlenmeye çalışılmıştır.çalışma kapsamında kullanılan modeller değişken olarak; güneşlenme süresi, gün uzunluğuve saat açısı değerlerini kullanmaktadır. Materyal ve Yöntem Çalışma kapsamında Adana ilinde yeryüzüne ulaşan güneş ışınımı miktarının modellenmesi hedeflenmiştir. Kuramsal hesaplamalar iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada bir yıl boyunca Adana da atmosfer dışına gelen ışınımın aylara göre değişimi hesaplanırken, ikinci aşamada bu ışınımın yeryüzüne ulaşan kısmını tahmin eden modeller kullanılmıştır. Modellerden elde edilen veriler, T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı Meteoroloji Genel Müdürlüğü tarafından yılları arasında yapılan güneş rasatları ile karşılaştırılmıştır. Adana da atmosfer dışına gelen güneş ışınımı miktarının hesaplanması Atmosfer dışına bir günde gelen ışınım miktarı 1 ve 2 numaralı eşitlikler kullanılarak hesaplanmıştır (DuffieveBeckman, 2006;Mengecve ark., 2006) Gsc π H o = f Cosλ Cosδ Sinωs + ωs Sinλ Sinδ π (1)

3 360n f = Cos 365 (2) H o değerinin hesaplanabilmesi için öncelikledeklinasyon ve saat açılarının hesaplanması gerekmektedir. Deklinasyon açısı dünyanın güneş etrafında döndüğü düzlem ile ekvatoral eksen arasındaki açıyı ifade etmektedir. Bu değer 21 Haziranda maksimum, 21 Aralıkta minimum değeri alırken 21 Mart ve 21 Eylül günlerinde sıfır olmaktadır. Yılın gün sayısına göre değişen deklinasyon açısı 3 numaralı eşitlik kullanılarak hesaplanmıştır (Ertekin ve Yaldız, 2000; Bakırcı, 2009; Duffieve Beckman, 2006). n δ = Sin (3) Saat açısı güneş ışınlarının bulunduğu enlem ile hesaplama yapılan enlem arasındaki açıyı ifade etmektedir. Saat açısı 4 numaralı eşitlik kullanılarak hesaplanmıştır (Ertekin ve ark., 2008). ww ss = aaaaaaaaaaaa[ tttttt(φφ)tttttt(δδ)] (4) Adana da global aylık ortalama günlük güneş ışınımı miktarının hesaplanması Adana da yeryüzüne gelen güneş ışınımının hesaplanmasında literatürde yer alan modeller ve çalışma kapsamında geliştirilen modeller kullanılmıştır. Literatürde yer alan modellerde değişken olarak S/S 0 (Bulutluluk katsayısı) katsayısı kullanılmaktadır. Burada S hesaplama yapılan tarihte ve koordinatta o güne ait güneşlenme süresini, S 0 ise aynı gün ve aynı yerdeki toplam gün uzunluğunu ifade etmektedir. S değeri meteorolojik veriler ölçümlere göre belirlenirken, S 0 değeri 5 numaralı eşitlikle hesaplanmıştır (DuffieveBeckman, 2006). s 0 2 = Arc cos 15 ( tgδ tgλ) (5) (1 = SS ) (9) 0 Model 5 (Külcü, 2015) Lewis modelinden ülkemizkoşullarına göre modifiye edilmiştir. 0 = SS SS (10) Model 6(Külcü, 2015). Araştırmacı tarafından ülkemiz koşularına göre geliştirilmiştir ve literatürde yer alan diğer modellerden farklı olarak saat açısını da değişken olarak kullanmaktadır. SS SS0 = ww ww ss (11) ss Modellerin tahmin başarısını test etmekte kullanılan istatistiksel parametreler Çalışma kapsamında incelenen modellerin tahmin yeteneklerinin karşılaştırılmasında MPE (ortalama yüzde hata), MBE (ortalama sapma hatası) ve RMSE (karekök hatası) parametreleri hesaplanmıştır. Hata parametrelerinin düşük olması modellerin tahmin ettiği verilerin ölçülen değerlere yakınlığını ifade etmektedir (Khahro ve ark., 2015). MPE = 1 N N H ip H io i=1 x100 (12) H io MBE = 1 N H N i=1 ip H io (13) RMSE = 1 N H N ip H io 2 i=1 (14) Sonuçlar ve Tartışma Literatürde yer alan modeller: Model 1 Lewis modelinden (Lewis, 1984)ülkemiz koşullarına göre modifiye edilmiştir (Tiris ve ark., 1983). = SS (6) 0 SS 0 Model 2 (Louche ve ark., 1991). = SS (7) 0 SS 0 Model 3 (Elagib ve Mansel, 2000); = SS (8) 0 SS 0 Model 4 (El-Metwally,2005). Şekil 3. Model 1 tarafından tahmin edilen ve Tiris ve ark. (1983) tarafından ülkemiz koşullarına göre geliştirilen modelin yaz ayları için yapılan tahmin değerlerinin ölçülen değerlerden çok yüksek olduğu, kış ve ilkbahar aylarında daha yakın tahminler yapıldığı, fakat en yakın tahminlerin Ocak, Şubat ve Mart aylarında yapıldığı görülmektedir (Şekil 3).

4 Şekil 4. Model 2 tarafından tahmin edilen ve Model 2 için yapılan analiz; yaz ayları için yapılan tahmin değerlerinin ölçülen değerlerden çok yüksek olduğu, kış ve ilkbahar aylarında daha yakın tahminler yapıldığı, fakat en yakın tahminlerin Ocak, Şubat ve Mart aylarında yapıldığı ve gerçek değere Aralık ayında yaklaşıldığını göstermiştir (Şekil 4). Şekil 7. Model 5 tarafından tahmin edilen ve Çalışma kapsamında geliştirilen Model 5 in tahmin edilen ve ölçülen değerlerin gerçek değerlere yakın değerler olduğu, kimi zaman birebir örtüştüğü ancak Ağustos ve Eylül aylarında tahmin değerlerinin gerçek değerlerin biraz altında kaldığı görülmüştür (Şekil 7). Şekil 5. Model 3 tarafından tahmin edilen ve Ülkemiz koşullarına göre geliştirilen Model 3 tarafından yaz ayları için yapılan tahmin değerlerinin ölçülen değerlerden yüksek olduğu ancak Model 1 ve 2 ye göre daha yakın değerler olduğu, kış ve ilkbahar aylarında gerçek değerlere yakın tahminler yaptığı görülmektedir (Şekil 5). Şekil 6. Model 4 tarafından tahmin edilen ve Model 4 tarafından yaz ayları için yapılan tahmin değerlerinin ölçülen değerlerden çok yüksek olduğu, kış ve ilkbahar aylarında tahmin değerlerinin ölçülenin altında kalmasına rağmen daha yakın tahminler olduğu görülmektedir (Şekil 6). Şekil 8. Model 6 tarafından tahmin edilen ve Çalışma kapsamında geliştirilen Model 6 Adana iline gelen güneş ışınımı değerlerini oldukça başarılı bir şekilde tahmin etmiştir. Ayrıca Model 6 diğer modellerden farklı olarak saat açısını da parametre olarak kullanmaktadır. Modelin tüm mevsimler boyunca tahmin ettiği değerlerin ölçülen değerlere yakın olduğu, kimi zaman birebir örtüştüğü fakat Ocak, Şubat, Mart ve Nisan aylarında tahmin değerlerin ölçülen değerlerden bir miktar düşük görülmüştür (Şekil 8). Çizelge 2 de modellerin tahmin ettiği veriler ve ölçülmüş veriler kullanılarak gerçekleştirilen istatistiksel analiz sonuçları gösterilmiştir. MPE ve MBE değerlerinin mutlak değerleri değerlendirilmelidir, çünkü bu değerlerin negatif veya pozitif olması hatanın yönünü ifade etmektedir. En düşük MPE, MBE ve RMSE değerleri Model 6 için hesaplanmıştır. Model 5 için hesaplanan istatistiksel gösterge parametreleri Model 6 ya yakın değerlerdir.

5 Çizelge 2. Modellerin istatistiksel analiz sonuçları Model No Model Number MPE Meanperce ntageerror MBE Meanbias error RMSE Rootmeans quareerror Model Model Model Model Model Model Sonuç Çalışma kapsamında Adana ilinde atmosfer dışına gelen güneş ışınımı ile yeryüzüne gelen ışınım arasındaki ilişkilerin modellenmesi amaçlanmıştır.literatürde yer alan 6 model kullanılarak hesaplamalar yapılmış ve modellerden elde edilen veriler ölçülmüş değerlerle karşılaştırılarak hangi modelin daha başarılı tahmin yaptığı belirlenmeye çalışılmıştır.çalışma kapsamında geliştirilen Model 6 diğer modellerden faklı olarak saat açısını da tahmin işleminde kullanmaktadır. Modeller tarafından tahmin edilen veriler ve ölçülen değerler istatistiksel analizlere tabi tutulmuş ve modellerin tahmin yetenekleri karşılaştırılmıştır. İstatistiksel analizler çalışma kapsamında geliştirilen Model 6 nın diğer modellerden daha başarılı tahmin yaptığını göstermiştir. Simgeler G sc - Güneş sabiti 1367 W/m 2 H-Global aylık ortalama günlük ışınım (J/m 2.gün) H 0 - Atmosfer dışına yatay düzleme bir gün boyunca gelen ışınım (J/m 2.gün) H io -Ölçülmüş H değeri H ip - Tahmin edilen H değeri MBE- Ortalama sapma hatası MPE- Ortalama yüzde hata n-gün sayısı RMSE- Karekök hatası w s - Güneş batış saat açısı δ- Deklinasyon açısı λ- Hesaplama yapılan yerin enlem derecesi S- Güneşlenme süresi (sa) S 0 - Gün uzunluğu (sa) Literatür Listesi Bakırcı, K Correlationsforestimation of dailyglobal solar radiationwithhours of brightsunshine in Turkey. Energy 34, ÇKA, Yenilenebilir Enerji Raporu ). Duffie, J.A.,Backman, W.A Solar engineering of thermalprocesses. 3rd ed. New York: John Wiley& Son. EİE, Elektrik işleri etüd idaresi yenilenebilir enerji kaynakları müdürlüğü GEPA projesihttp:// spx.(erişim: 03/06/2015). Elagib, N.,Mansell, M.G., New approachesforestimating global solar radiationacross Sudan. EnergyConvers. Manage.41, El-Metwally, M Sunshineandglobal solar radiationestimation at differentsites in Egypt. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 67 (14), Ertekin, C., Yaldız, O Comparison ofsomeexistingmodelsforestimating global solarradiationfor Antalya (Turkey). EnergyConversion&Management 4, Ertekin, C.,Külcü, R., Evrendilek, F Techno- Economic Analysis of Solar WaterHeatingSystems in Turkey. Sensors 8, Khahro, S.F.,KavitaTabbassum, K., Talpur, S., Alvi, M.B., X., Dong, L Evaluation of solar Energyresourcesbyestablishingempiricalmodelsfo rdiffuse solar radiation on tiltedsurfaceandanalysisfor optimum tiltanglefor a prospectivelocation in southernregion of Sindh, Pakistan. ElectricalPowerandEnergySystems 64, Külcü, R Isparta ili İçin Yeryüzüne Ulaşan Güneş Işınımının Modellenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 10 (1), Louche, A.,Notton, G., Poggi, P., Simonnot, G., Correlationsfordirect normal and global Horizontalirradiation on a French Mediterranean site. Sol. Energy 46, Tiris, M.,Tiris, C., Erdalli, Y Waterheatingsystemsby solar energy. Marmara ResearchCentre, Institute of EnergySystemsandEnvironmentalResearch, NATO TU-COATING, Gebze, Kocaeli, Turkey. Türkyılmaz, O Ocak 2015 İtibarıyla Türkiye nin Enerji Görünümü Raporu. Makine Mühendisleri Odası Dergisi 56 (661): 7. Altınöz, O Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Türkiye Yansıması /yenilenebilirenerj.htm (Erişim:03/06/2015).