Solar Enerji Sistemleri için Güneş Radyasyon Hesaplama Yazılımı Emrah Aslan 1, Mehmet Emin Tenekeci 2, Nurettin Beşli 1, Abdülkadir Gümüşçü 1 1 Harran Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Şanlıurfa 2 Harran Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği, Şanlıurfa easlan@gapgreentech.com.tr, etenekeci@harran.edu.tr, nbesli@harran.edu.tr, agumuscu@harran.edu.tr, Özet: Günümüzde hızla artan enerji tüketimi insanları yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Güneş en temel yenilenebilir enerji kaynağıdır. Temelde güneşten ısıl sistemler, fotovoltaik sistemler ve yoğunlaştırılmış güneş sistemleri (CSP) ile enerji üretilmektedir. Bu teknolojilerin çalışma prensipleri birbirinden ayrı olmasına rağmen güneş ışınım değerleri baz alınarak verimlilik ve üretim potansiyeli hesaplanır. Bu nedenle güneş enerjisi sistemlerinin tasarımında güneş ışınım bilgilerinin doğru bilinmesi önemlidir. Güneş ışınımı, konum, tarih ve günün saatine ve iklimsel şartlara bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Belirlenen parametreler kullanılarak güneş ışınımı değerleri hesaplanmaktadır. Güneş ışınım değerlerinin hesaplanması için kullanılan farklı matematiksel modeller bulunmaktadır. Modelleme de sadece genel katsayılar ve bilgilerin kullanımı yanlış sonuçlar doğurmaktadır. Sonuçların doğruluk oranını arttırmak için bölgeye özgü denklem katsayıları belirlenmelidir. Bu katsayılar hesaplama yapılacak bölgenin gerçek coğrafik ve meteorolojik verilerine göre değişiklik göstermektedir.yapılan bu hesaplamaların doğruluğu bilimsel çalışmalar sonucunda görülmektedir. Güneş ışınımı verileri yenilenebilir enerji alanında güneş enerjisinden faydalanmak isteyen tüm ticari ve akademik çalışmalarda kullanılmaktadır. Bir bölgeye güneş enerjisi santrali kurulacaksa o bölgenin güneş ışınım bilgilerinin bilinmesi gerekir. Bu ışınım bilgileri ile enerji üretim potansiyeli hesaplanabilir. Bu çalışma kapsamsında geliştirilen online sistem ile kullanıcı dünya haritası üzerinde istediği bir bölgeyi seçebilmektedir. Seçilen bölgeye ait güneş ışınım değerleri hesaplanmakta ve bu değerlere ait görsel çıktılar sunulmaktadır. Bu şekilde, kullanıcı bölgenin güneş ışınım değerlerini analiz ederek, güneş enerjisi kullanımı için uygunluğunu belirler. Anahtar Sözcükler: Güneş Radyasyon Modellemesi, Güneş Pozisyon Belirleme, Görselleştirme Veri Solar Irradiant Calculation Software for Solar Energy Systems Abstract: In our modern time, rapidly increasing energy consumption has made people look for renewable energy resources. The sun is the most important renewable energy resource. Energy from the sun is produced by means of thermal systems, photovoltaic systems and concentrated solar power (CSP). Even though working principles are different of these systems, based upon the sun radiation values, efficiency and production potential is calculated. Just for this reason, it is important to know the sun
radiation values correctly for the reason of thermal energy systems.radiation varies according to the location, date, time and climatic conditions. Sun radiation values are computed by using determined parameters. These are different mathematic models for calculating the radiation values. In modelling, using only coefficients and the information in cause wrong results. So as to increase the accuracy rate of the results, coefficients exclusive for the region should be determined. These coefficients may vary based on the real geographic and meteorological data of the region that is of our interest.the correctness of these calculations can be seen in the end of this scientific work. The sun radiations data can be used in all commercial and scientific areas that want to utilize it. If a solar energy station is to be built in some place, the sun radiation data of that region has to be known. With the help of this radiation information, energy production potential can be calculated. In the developed online system, a user can select any point on the world map. Upon selection, the sun radiation values that belong to the selected region are calculated and visualized. In this manner, the sun radiation values of the region are analyzed, and it determined how suitable it is for the use of solar power. Keywords: Solar Irradiant Modelling, Sun Position Algorithm, Online Data Visualization 1. Giriş Günümüzde artan enerji maliyetleri ülkeleri yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Son yıllarda fosil kaynakların azalması ve bu kaynakların çevreye olan zararları nedeniyle insanlar yenilenebilir enerji kaynaklarına daha çok önem vermiş ve bu alanda araştırmalar yapmaya başlamıştır[1]. Güneş enerji sistemleri temiz ve yenilenebilir enerji kaynağı olması bakımından geleceğin temel enerji üretim bileşenidir. Güneş enerjisinden yararlanma teknolojileri Isıl Teknolojiler ve Fotovoltaik Sistemler olarak iki başlık altında toplanabilir [8]. Bu teknolojilerin çalışma prensipleri birbirinden ayrı olmasına rağmen verimlilik ve üretim potansiyeli güneş ışınım değerlerine göre hesaplanır. Bu nedenle güneş enerjisi sistemlerinin tasarımında güneş ışınım bilgilerinin doğru bilinmesi önemlidir. Güneş ışınımı pyranometre adı verilen pahalı bir cihaz ile ölçülmektedir. Cihaz maliyeti yüksek olmasından güneş ışınımı ölçümü sadece belirli yerlerde yapılabilmektedir. Ülkemizde bu ölçümler Meteoroloji Genel Müdürlüğü, Elektrik İşleri Etüt İdaresi, bazı üniversite ve araştırma merkezleri tarafından yapılmaktadır [4-7]. Ölçülmüş verilerin mevcut olmadığı yerler için, güneş ışınımı modellerinin kullanımı güneş enerjisi sistemleri için gerekli verilerin tahmininde yaygın olarak kullanılan bir uygulamadır. Güneş ışınımı hesaplamalarında çeşitli ampirik modeller kullanılmaktadır [9-16]. Kullanılan parametreler dünya dışı radyasyon, güneşlenme süresi, ortalama sıcaklık, bulutluluk, buharlaşma, bağıl nem, gün sayısı, yükseklik, enlem, boylam, tarih ve saattir [1,3] Hesaplama yoluyla belirlenen değerler ve meteorolojik veriler arasında çok az fark olduğu gözlenmiştir. Bölgesel iklim farklılıkları bulunan bölgelerde hesaplama sonuçlarında fark miktarı artmaktadır. Yapılan çalışmalarda, hesaplanan değerler ile gerçek veriler arasındaki farklılıkları ortadan kaldırmak için hesaplamada kullanılan katsayılar bölgeye göre belirlenmiştir. Bu katsayılar hesaplama yapılacak bölgenin gerçek coğrafik ve meteorolojik verilerine
göre değişiklik göstermektedir. Yapılan bu hesaplamaların doğruluğu arttırdığı görülmektedir. Çalışmada, güneş ışınımı hesaplama yazılımı geliştirmiştir. Erişim kolaylığından ve kurulum gerektirmemesinden dolayı yazılımın çevrimiçi erişimi sağlanmıştır. Kullanıcı web adresinden sisteme bağlanabilmektedir. Haritadan istediği bir noktayı seçerek güneş ışınım değerleri saatlik, günlük, aylık olarak hesaplanmaktadır. Bu değerler grafikler ve tablolarla kullanıcıya rapor edilebilmektedir. Bu şekilde, kullanıcı bölgenin güneş ışınım değerlerini analiz ederek, güneş enerjisi sistemi kurulumu için uygunluğunu belirleyebilmektedir. 2. Materyal-Yöntem Güneş ışınım hesaplanmasında kullanılan denklemler ve sabitlerin belirlenmesi yazılımın gerçeklenmesi için önemlidir. Atmosfer dışında güneş ışınlarının birim dik yüzeye birim zamanda aktardığı enerji güneş ışınımı olarak adlandırılır. Atmosferin hemen dışında ölçülen ışınım şiddetine güneş sabiti(gsco) denir. Güneş sabiti yapılan son araştırmalara göre %1 hata payı ile 1367 W/m2 olarak kabul edilir. Yeryüzüne gelen güneş ışınımı atmosfer dışındaki güneş ışınımına dayanılarak bulunur. Hesaplamalarda kullanılan güneş sabiti düzeltme faktörü (1) denklemi ile hesaplanır. n değeri 1 Ocaktan itibaren gün sayısıdır. f=1+0,33cos[(360*n)/365] (1) Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıya Deklinasyon Açısı(d) denir. Deklinasyon açısı (2) denklemi ile hesaplanır. d= 23,45 x sin[(360/365)x(284+n)] (2) Dünya üzerindeki bir noktayı dünya merkezine birleştiren yarıçapın ekvator düzlemi ile yaptığı açıya Enlem açısı(e) denir. Bu açı ekvatorda 0 derece, kuzey kutbunda +90 derece, güney kutbunda -90 derece alınmaktadır. Güneş ışınlarının bulunduğu boylam ile göz önüne alınan yerin boylamı arasındaki açıya Saat açısı(h) denir. (3) denklemi ile hesaplanır. Cos h=-tan d*tan e,h=arccos(-tan d*tan e) (3) Güneşlenme süresi (tg) ise gün uzunluğudur. 15 derece 1 saat olduğundan saat biriminde tam günlük güneşlenme zamanını bulmak için (4) eşitliğinden faydalanırız. S0= (2/15) arccos (-tan d*tan e),s0=(2/15)*h (4) Zenit açısı(z), güneş ışını ile yatay yüzeyin dikeyi arasında kalan açıdır. (5) ile (6) denklenmeleri ile hesaplanır. cos z=cos d*cos e* cos h + sin d * sin e (5) z=arccos(cos d*cos e*cos h+sin d*sin e) (6) Yükseklik açısı(y), güneş ışınlarının yatay yüzey ile yaptığı açıdır. (7) denklemi ile hesaplanır. y= 90-z (7) Güneş azimut açısı(ag), güneş ışınlarının kuzeye göre, saat dönüş yönünde sapmasını gösterir. (8) ile (9) denklenmeleri ile hesaplanır. cos ag=(cos d*sin e*cos h sin d*cos e)/cos y (8) ag = arccos [(cos d * sin e *cos h sin d * cos e) / cos y ] (9) Atmosfer dışında yatay yüzeye gelen anlık ışınımı (H0) hesaplamak için (10) eşitliği yardımı ile bulabiliriz. H0 = [(24*3600* Gsco ) / pi] * f * sin d * sin e * [((pi*h)/180) tan h] (10) Burada Gsco güneş sabiti, f düzeltme katsayısı, e enlem, d deklinasyon açısı, h saat açısı, pi sayısını ifade eder.
Lineer model veya Angstrom-Prescott-Page (Anstrong, 1924) modeli olarak adlandırılan model (11) denkleminde verilmektedir. H=H0 * a + b*(s/s0) (11) Burada H aylık ortalama günlük güneş radyasyonu, H0 aylık ortalama günlük dünya dışı radyasyonu, S gün uzunluğunu, S0 maksimum mümkün güneşlenme süresini, a ve b katsayıları göstermektedir. bilgilerini öğrenmek istediği yeri Şekil 1 de gösterilen ara yüz yardımı ile dünya haritası üzerinden seçebilir. Seçilen yerin hangi gün ve saatteki ışınım bilgileri isteniliyorsa o tarih ve saat değeri seçilir. Belirlenen parametrelere göre hesaplamalar yapılır ve Şekil 2 de gösterildiği şekilde sonuçlar kullanıcıya gösterilir. 3 Uygulama Bu projedeki amaç istenilen bir bölgenin güneş enerji santrali yatırım ve çalışmalarına uygunluğunun araştırmak ve bir ön değerlendirme sunmaktır. Seçilen bölgeye ait atmosfer dışı yatay yüzeye gelen ışınım miktarını bu sistem ile kolayca hesaplanabilmektedir. Çalışma çevrimiçi bir sistem olup tüm kullanıcılara açıktır. Geliştirilen uygulamanın kolay erişimi için çevrimiçi bir yazılım geliştirilmiştir. Bu şekilde kurulum gerektirmeyecektir. Ayrıca değişik platformlardan erişim imkânı olacaktır. Bu şekilde mobil cihazlar üzerinden kullanılması sağlanmıştır. Geliştirilen yazılım ASP.Net ve Visual Studio 2010 ile yazılmıştır. Şekil 2 Hesaplama Sonuç Ekranı Hesaplanan bu değerler Şekil 3 ve 4 te gösterildiği gibi grafik olarak kullanıcıya rapor edilir. Şekil 1 Yazılımın giriş sayfa ara yüzü Sistemin kullanımı oldukça kolaydır. Kullanıcı sisteme girdikten sonra ışınım Şekil 3. Sonuçların Grafiksel Gösterimi 1
Modeling Based on Meteorological Data, Solar Energy, 84, 1468 1480. [3] Şencan A, Bezir N Ç, 2003; Ölçülebilen Meteorolojik Verilerle Güneş Radyasyonunun Yapay Sinir Ağları Metoduyla Tayini, TMMOB Makine Mühendisleri Odası,Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu, Mersin, 235 239. Şekil 4. Sonuçların Grafiksel Gösterimi 2 4. DEĞERLENDİRME ve SONUÇ Sürdürülebilir enerjinin en temel kaynağı olan güneş enerjisi sistemlerinin dizaynı ve projelendirilmesinde o bölgeye ait güneş ışınım verilerine bilinmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, global güneş ışınım değerleri, ölçüm yapılmadan elde edilebilecek online bir yazılım geliştirilmiştir. Hesaplama yapılacak olan bölgeye ait bölgesel parametreler kullanılarak doğruluğu arttırılmıştır. Ölçülen ve hesaplanan değerler karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma sonucu, elde edilen sonuçlar, ölçülen değere uygunluğundan proje fizibilitesi için kullanılabileceği görülmüştür. Bu nedenle çalışmamız yatırımcılara bir ön fikir verebilecek sonuçlar üretmektedir. 5. Kaynaklar [1] Öztürk, M., Bezir, N.C., özek, N. 2009. Hydeopower-Water and Renewable Energy in Turkey: Source and Policy. Renewable and Sustainable Energy Reviews. (13), 605-615. [2] Behrang M A, Assareh E, Ghanbarzadeh A, Noghrehabadi A R, 2010; The Potential of Different Artificial Neural Network (ANN) Techniques in Daily Global Solar Radiation [4] Rehmana S ve Mohandes M, 2008; Artificial Neural Network Estimation of Global Solar Radiation Using Air Temperature and Relative Humidity, Energy Policy, 36, 571 576. [5] Jiang Y, 2009; Computation of Monthly Mean Daily Global Solar Radiation in China Using Artificial Neural Networks And Comparison with Other Empirical Models, Energy, 34, 1276 1283. [6] Atik K, Deniz E ve Yıldız E, 2007; Meteorolojik Verilerin Yapay Sinir Ağları ile Modellenmesi, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 10, 148-152 [7] Özek N, Bezir N Ç, 2004;Isparta- Yalvaç a Ait Yatay Yüzeye Gelen Güneş Radyasyonu, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 8 2, 151 153. [8] Sevim C, 2011. Enerji Teknolojilerindeki Anlayış Model Değişimi Ve Hızlı İklim Değişikliği, Journal of Yasar University 21(6) 3515-3522 [9] DMİ, Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü, http://www.dmi.gov.tr [10] EİE, Türkiye güneş ışınımı ve güneşlenme süresi değerleri, Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü, Ankara, 2001. http://www.eie.gov.tr [11] BULUT, H., BÜYÜKALACA, O., YILMAZ, T., 1999. Bazı iller için güneş ışınımı, güneşlenme süresi ve berraklık
indeksinin yeni ölçümler ışığında analizi, Güneş Günü Sempozyumu Bildiler Kitabı, 22-29, Kayseri [12] BULUT, H., BÜYÜKALACA, O., 2003. Diyarbakır ili için güneş verilerinin analizi ve tipik güneş ışınım değerlerinin türetilmesi, III. GAP ve Sanayi Kongresi Bildiriler Kitabı, 337-343, Diyarbakır. [13] BULUT, H., 2004. Typical solar radiation Year for Southeastern Anatolia, Renewable Energy, 29(9), 1477-1488 [14] KILIÇ, A.. ÖZTÜRK, A., 1983. Güneş Enerjisi, Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul. [15] UYAREL, A.Y., ÖZ, E.S., 1987. Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen yayınevi, İstanbul. [16] Anstrong, A. 1924. Solar and terrestrial radiation. Quart J Roy Met Soc. (50), 121-125..