ÖZET. Doktora Tezi. Levent YALÇIN. Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı. DanıĢman: Prof. Dr.

Transkript

1

2 ÖZET Doktora Tezi ANKARA ÜNĠVERSĠTESĠ ZĠRAAT FAKÜLTESĠ HAYMANA ARAġTIRMA VE UYGULAMA ÇĠFTLĠĞĠ NĠN GÜNEġ ENERJĠSĠ POTANSĠYELĠNĠN BELĠRLENMESĠ VE GÜNEġ ENERJĠSĠNDEN YARARLANABĠLME OLANAKLARI Levent YALÇIN Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı DanıĢman: Prof. Dr. Ramazan ÖZTÜRK Bu çalıģma kapsamında, Haymana AraĢtırma ve Uygulama Çiftliği nin teorik, saha ve teknik güneģ enerjisi potansiyeli belirlenmiģ, saatlik detayda yıllık elektrik tüketim veri seti oluģturulmuģ ve elektrik tüketiminin 2 farklı iģletim tipinde ve 3 farklı fotovoltaik yapıda simülasyonu yapılmıģ, fotovoltaik güç elektriği sistemleriyle karģılanma durumu değerlendirilmiģtir. Bölgenin yıllık toplam güneģlenme süresi 2607 saat ve saha güneģ enerjisi potansiyeli 1743 kwh/m 2 olarak hesaplanmıģtır. Yıllık toplam teorik güneģ enerjisi potansiyeli 2918 kwh/m 2 olan bu tarımsal iģletmede yatayda tam güneye bakan ve dikeyde 15 derece açıyla yerleģtirilen fotovoltaik panellerle kurulacak bir güneģ elektriği üretim sisteminin teknik güneģ enerjisi potansiyeli 1891 kwh/m 2 /yıl bulunmuģtur. Kurulu gücü 400 kw olan iģletmenin yıllık elektrik tüketimi 334 MWh olarak belirlenmiģtir. Bu yükü karģılayabilecek, Ģebeke bağlantılı tek kristalli silisyum yapıda FV modül kullanılan sitemin performans oranı 0.85 iken çoklu kristal silisyum FV modülde 0.83, ince film amorf silisyum FV modülde 0.89; Ģebeke bağlantısız, akülü, tek kristalli silisyum FV modüllü sistemde performans oranı 0.65, çoklu kristal silisyum FV modülde 0.64 ve ince film amorf silisyum FV modülde 0.65 olarak hesaplanmıģtır. ġebeke bağlantılı ince film amorf silisyum FV modül kullanan FV sistemlerin, tarımsal iģletme tüketim davranıģlarına ve çevre Ģartlarına en uygun donanım olduğu sonucuna varılmıģtır. 2010, 203 sayfa Anahtar Kelimeler: GüneĢlenme süresi, güneģ ıģıması, güneģ enerjisi potansiyeli, tarımda güneģ enerjisi kullanımı, enerji denetimi, tarımsal iģletmelerde enerji tüketimi, FV güneģ elektriği, FV sistem tasarımı i

3 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... v ŞEKİLLER DİZİNİ... viii ÇİZELGELER... xi 1. GİRİŞ Dünyada Enerji, Yenilenebilir Enerji ve Güneş Enerjisi Türkiye de Enerji, Yenilenebilir Enerji ve Güneş Enerjisi Tarımda Enerji Güneş Enerjisi ve Potansiyeli Güneş Enerjisi Türevleri Güneş Elektriği Türkiye de Güneş Elektriği Fotovoltaik Güneş Elektriği Sistemleri Denge bileşenleri Ekonomik durum Geleceğe Hazırlık Yapılan Çalışmanın Amacı KAYNAK ÖZETLERİ MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Haymana Araştırma ve Uygulama Çiftliği Meteorolojik veri PVSYST yazılımı Yöntem Güneş enerjisi potansiyelinin belirlenmesi Elektrik enerjisi tüketim analizi Güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümü BULGULAR Güneş Enerjisi Potansiyeli Teorik güneş enerjisi potansiyeli Saha güneş enerjisi potansiyeli Teknik güneş enerjisi potansiyeli Elektrik Enerjisi Tüketim Analizi FV Tasarım Şebeke bağlantılı FV güneş elektriği üretim sistemi tasarımı Bağımsız FV güneş elektriği üretim sistemi tasarımı TARTIŞMA VE SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ iv

4 ŞEKİLLER DİZİNİ ġekil 1.1 Dünya elektrik üretiminde yakıtların payı... 5 ġekil 1.2 GüneĢ enerji dengesi... 7 ġekil yılı Türkiye birincil enerji kaynakları arzı... 9 ġekil 1.4 Elektromanyetik tayf ġekil 1.5 Yön (A), yükseklik (h) ve geliģ (z) açılarının gösterimi ġekil 1.6 GüneĢ enerjisi dağılımı ve kullanımı ġekil 1.7 Fotovoltaik etki ġekil 1.8 Silisyum FV zinciri ġekil 1.9 Hücreler modülü, modüller dizeyi oluģturur ġekil 1.10 Bir hücrenin örnek akım-gerilim grafiği ġekil 1.11 Tipik bir FV modül etiketi ġekil 1.12 ġebeke bağlantılı FV sistem diyagramı ġekil 1.13 Bataryalı FV sistem diyagramı ġekil 1.14 Panel kurulumunda gölgelemenin etkisi ġekil 1.15 GüneĢi çift eksende takip eden A. Sun Company FV düzeneği ġekil 2.1 Türkiye yıllık ıģınım Ģiddeti haritası ġekil 2.2 Türkiye güneģ enerjisi alansal ve zamansal dağılımı ġekil 2.3 Ölçülen ve iliģkilendirilen küresel ve yayınık güneģ ıģıması ġekil 2.4 Arap ülkeleri aylık ortalama güneģlenme süresi haritası ġekil 2.5 Arap ülkeleri ortalama küresel toplam güneģ ıģıması haritası ġekil 2.6 Açılı yerleģtirilmiģ güneģ toplayıcısına gelebilecek saatlik ıģıma ġekil 2.7 Tek bir katmanda 5 sinir hücresi kullanan YSA mimarisi ġekil 2.8 Türkiye güneģ enerjisi potansiyeli Haziran tahmini ġekil 2.9 Telefon hatlı bilgisayarlı su pompaj kontrol sistemi ġekil 2.10 FV sistem değiģkenlerinin değerlendirilmesi ġekil 2.11 FV su pompaj sistemi donanım düzeni ġekil 2.12 Tek kristalli silisyum FV modül için ölçülen ve tahmin edilen I-V eğrisi ġekil 2.13 Elektronik ölçüm ve hidrolik sistem bileģenleri viii

5 ġekil 2.14 FV sistem diyagramı ġekil 2.15 NIST ve SNL nin geliģ açısı-akım grafiği ġekil 2.16 Yazılımın ve geleneksel yöntemin FV tasarım akıģ Ģeması ġekil 2.17 Lizbon ve Helsinki için elektrik yük talebi ve FV üretim seyri ġekil kwp/hane doğu-batı doğrultulu yazlık ortalama tüketim ve FV üretim ġekil 2.19 Aylık FV performans oranları ġekil 2.20 Öngörülen iģletim programı deneme sonuçları ġekil 3.1 HAVUÇ genel görünüm ġekil 3.2 HAVUÇ A paftası idari kısım genel görünümü ġekil 3.3 HAVUÇ boyutlandırılmıģ A paftası idari kısım genel görünümü ġekil 3.4 HAVUÇ boyutlandırılmıģ B paftası genel görünümü ġekil 3.5 HAVUÇ boyutlandırılmıģ C paftası iģletmeler kısmı genel görünümü ġekil 3.6 HAVUÇ D paftası iģletmeler kısmı genel görünümü ġekil 3.7 HAVUÇ boyutlandırılmıģ D paftası iģletmeler kısmı genel görünümü ġekil 3.8 HAVUÇ boyutlandırılmıģ E paftası genel görünümü ġekil 3.9 HAVUÇ organizasyon Ģeması ġekil 3.10 EĠE HAVUÇ otomatik meteoroloji gözlem istasyonu ġekil 3.11 Kipp&Zonen marka CMP11 modeli piranometre ġekil 3.12 Campbell-Stokes helyograf ġekil 3.13 Solpos Calculator arayüzü ġekil 3.14 PVSYST baģlangıç arayüzü ġekil 3.15 PVSYST araçlar arayüzü ġekil 3.16 FV tasarımı belirleyen ana ve alt unsurlar ġekil 3.17 PVSYST yazılımında yeni coğrafi mevki (HAVUÇ) tanımlanması ġekil 3.18 Saatlik meteorolojik verinin giriģi için PVSYST arayüzü ġekil 3.19 PVSYST yazılımında albedo katsayısının girilmesi ġekil 3.20 HAVUÇ yıllık saatlik elektrik tüketim verisinin PVSYST e aktarılması ġekil 4.1 HAVUÇ GüneĢ yolu kartı ġekil 4.2 HAVUÇ, Culuk, Etimesgut ve Ankara istasyonları uydu görüntüsü ġekil 4.3 HAVUÇ, Culuk, Etimesgut ve Ankara meteoroloji istasyonları haritası ġekil 4.4 Teorik güneģ enerjisi potansiyeli ve meteorolojik güneģ ıģıması ix

6 ġekil 4.5 HAVUÇ faturalı yıllık elektrik tüketim seyri ġekil 4.6 FV tasarıma esas yük talep verisi ile küresel güneģ ıģıması grafikleri ġekil 4.7 ġebeke bağlantılı ve bataryalı FV sistem Ģeması ġekil 4.8 ġebeke bağlantılı FV güneģ elektriği üretim sistemi tasarımı ġekil 4.9 Yaz mevsimi için optimum FV panel açısı belirleme ġekil 4.10 Tüm bir yıl için optimum FV panel açısı belirleme ġekil kw güç talebi için tek kristalli silisyum FV sistem donanımı ġekil kw güç ve saatlik tüketim için tek kristalli yapılı FV elektrik üretimi 171 ġekil 4.13 ġebeke bağlantılı tek kristalli FV sistemde güneģ ıģıması-enerji grafiği ġekil 4.14 ġebeke bağlantılı tekli kristal yapıda FV sistem kayıp akıģ Ģeması ġekil kw güç talebi için çoklu kristal silisyum FV sistem donanımı ġekil kw güç ve saatlik tüketim için çoklu kristal FV elektrik üretimi ġekil 4.17 ġebeke bağlantılı çoklu kristal FV sistemde güneģ ıģıması-enerji grafiği ġekil 4.18 ġebeke bağlantılı çok kristalli yapıda FV sistem kayıp akıģ Ģeması ġekil kw güç talebi için amorf silisyum ince film FV sistem donanımı ġekil kw güç ve saatlik tüketim için ince film amorf FV elektrik üretimi ġekil 4.21 ġebeke bağlantılı ince film amorf kristal FV sistemde ıģıma-enerji grafiği 182 ġekil 4.22 ġebeke bağlantılı ince film amorf silisyum FV sistem kayıp akıģ Ģeması ġekil 4.23 Bağımsız tek kristalli FV sistem tasarımı için akü ve modül seçimi ġekil 4.24 Bağımsız tek kristalli FV sistem tasarımı ġekil 4.25 Bağımsız tek kristalli FV sistem tasarımı ana sonuçları ġekil 4.26 Bağımsız çoklu kristal FV sistem tasarımı için akü ve modül seçimi ġekil 4.27 Bağımsız çoklu kristal FV sistem tasarımı ana sonuçları ġekil 4.28 Bağımsız çoklu kristal FV sistemde güneģ ıģıması-enerji grafiği ġekil 4.29 Bağımsız çoklu kristal FV sistem tasarımı yük talebi ve üretilen enerji ġekil 4.30 Bağımsız ince film amorf kristal FV sistem için akü ve modül seçimi ġekil 4.31 Bağımsız ince film amorf kristal FV sistem tasarımı ana sonuçları ġekil 4.32 Bağımsız ince film amorf kristal FV sistem tasarımı yük-enerji grafiği x

7 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1 Türe göre gerçekleģen ve beklenen dünya enerji talep artıģı... 3 Çizelge 1.2 Dünya sektörel enerji tüketimleri ve değiģim oranları... 4 Çizelge 1.3 Yenilenebilir enerji kullanımı ve potansiyeli... 6 Çizelge itibariyle UEA FVGS üyelerinin FV güç kapasiteleri... 8 Çizelge 1.5 Türkiye nin enerji hammaddeleri ve doğrudan enerji ithalatı... 9 Çizelge 1.6 Türkiye de bazı sektörlerin enerji tüketim seyirleri Çizelge 1.7 Türkiye'nin aylık ortalama güneģ enerjisi potansiyeli Çizelge 1.8 Türkiye coğrafi bölgeler güneģlenme süresi ve güneģ ıģıması Çizelge 1.9 Tarımda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı Çizelge 1.10 FV dize performansına etki eden ikincil değiģkenler ve etkileri Çizelge 1.11 Tipik bir evsel FV sistemde donanımın toplam maliyetteki payı ve ömrü 37 Çizelge 2.1 Türk tarımındaki uygun fiziksel güç kaynakları Çizelge 2.2 Türk tarımında tahmini fiziksel enerji girdisi Çizelge 2.3 Türk tarımında gübre enerji girdisi Çizelge 2.4 Yıllık yataya ve açılı yüzeye günlük toplam ıģıma ve enerji üretimi Çizelge 3.1 HAVUÇ daki tesislerin yön açıları ve boyutlandırması Çizelge 3.2 HAVUÇ bitkisel üretim seyri Çizelge 3.3 HAVUÇ hayvansal üretim seyri Çizelge 3.4 Kipp&Zonen marka CMP11 modeli piranometre özellikleri Çizelge 3.5 HAVUÇ meteorolojik veriler Çizelge 4.1 HAVUÇ için açısal konum bilgisi Çizelge 4.2 HAVUÇ 2010 yılı gün doğumu ve batımı ile gün süresi Çizelge 4.3 HAVUÇ 2010 yılı teorik güneģ ıģıması Çizelge 4.4 HAVUÇ günlük güneģlenme süreleri Çizelge 4.5 HAVUÇ meteorolojik güneģ ıģıması ortalaması Çizelge 4.6 HAVUÇ yataya doğrudan güneģ ıģıması Çizelge 4.7 HAVUÇ yataya yayınık güneģ ıģıması Çizelge 4.8 HAVUÇ berraklık indeksi Çizelge 4.9 HAVUÇ saha güneģ enerjisi potansiyeli xi

8 Çizelge 4.10 HAVUÇ teknik güneģ enerjisi potansiyeli Çizelge 4.11 HAVUÇ un kurulu gücünü oluģturan elemanlar Çizelge 4.12 Gece ve gündüz enerji tüketimine esas aylık süre dağılımı Çizelge 4.13 HAVUÇ enerji denetimi Çizelge 4.14 ĠĢletmelerin günlük ortalama elektrik tüketimi ve toplamdaki payı Çizelge 4.15 ĠĢletmelerin gündüz ortalama elektrik tüketimi ve toplamdaki payı Çizelge 4.16 ĠĢletmelerin gece ortalama elektrik tüketimi ve toplamdaki payı Çizelge 4.17 HAVUÇ yıllık elektrik enerjisi tüketimi Çizelge 4.18 HAVUÇ elektrik tüketimi enerji denetimi sonuçları Çizelge 4.19 HAVUÇ fatura bazlı ortalama elektrik tüketim Çizelge 4.20 Fatura, ölçüm ve denetim sonuçlarının değerlendirilmesi Çizelge 4.21 Tasarıma esas teģkil eden enerji tüketim dönemi için açı seçimi Çizelge 4.22 HAVUÇ FV tasarıma esas elektrik tüketim verisi Çizelge 4.23 FV sistem donanım ve iģçilik ücret tarifesi Çizelge 4.24 ġebeke bağlantılı tek kristalli sabit açılı FV sistem göstergeleri Çizelge 4.25 ġebeke bağlantılı çoklu kristal sabit açılı FV sistem göstergeleri Çizelge 4.26 ġebeke bağlantılı ince film amorf kristalli FV sistem göstergeleri Çizelge 4.27 ġebeke bağlantılı merkezi evirici nitelikleri Çizelge 4.28 ġebeke bağlantılı FV sistem değiģkenlerinin karģılaģtırılması Çizelge 4.29 Bağımsız FV sistem değiģkenlerinin karģılaģtırılması xii