Afyon Kocatepe Üniveritei Fen Bilimleri Dergii Afyon Kocatepe Univerity Journal of Science AKÜ FEBİD 12 (212) 2521 (1-5) AKU J. Sci. 12 (212) 2521 (1-5) Farklı Yüzey Açılarındaki Işınım Şiddetlerinin Afyonkarahiar Bölgei İçin Karşılaştırılmaı ve Güneş Panellerinden Elde Edilebilecek En Yükek Elektrik Enerjii Üretimi İçin Uygun Açıların Tepiti Murat Orhun 1,*, Yavuz Bahadır Koca 2, Fatih Onur Hocaoğlu 3,*, Said Mahmut Çınar 3,* 1 Afyon Kocatepe Üniveritei, Fen Bilimleri Entitüü, Makine Mühendiliği Bölümü, Afyonkarahiar. 2 Afyon Kocatepe Üniveritei, Fen Bilimleri Entitüü, Yenilenebilir Enerji Sitemleri Bölümü, Afyonkarahiar. 3 Afyon Kocatepe Üniveritei, Mühendilik Fakültei, Elektrik Mühendiliği Bölümü, Afyonkarahiar. * Afyon Kocatepe Üniveritei, Güneş ve Rüzgar Enerjii Uygulama ve Araştırma Merkezi, Afyonkarahiar. e-pota: muratorhun@windowlive.com 1, yavuzbkoca@hotmail.com 2, fohocaoglu@gmail.com 3, mcinar@gmail.com 4 Geliş Tarihi: 17 Temmuz 212; Kabul Tarihi: 25 Eylül 212 Anahtar kelimeler Afyonkarahiar; Yenilenebilir Enerji; PV Sitem; Elektrik Enerjii; Güneş Panel Açıı; Özet Güneş enerjiinden elektrik enerjii üreten itemler, gelenekel enerji itemlerinin yakıt maliyetlerinin ve enerji ihtiyacının artmaı onucu oldukça popüler hale gelmiştir. Fakat güneş enerjiinden elektrik enerjii üreten itemlerin (PV itemlerinin) de ilk kurulum maliyetleri oldukça yükek ve verimleri düşüktür. Bu nedenle PV itemlerinden en iyi verimle faydalanabilmek oldukça önemlidir. PV itemleri genellikle abit bir açı ile yerleştirilmektedir. Hiç şüphe yok ki en iyi verimin ağlanmaı güneşin anlık olarak takip edilmei ile mümkündür. Ancak güneş takip itemleri de elektrik tüketir ve maliyetleri yükektir. Dolayııyla, güneş enerjii itemlerinin tei edilecekleri bölgeye hangi açı ile yerleştirilmeleri gerektiğinin tepit edilmei önem arz eder. Bu çalışmada güneş panellerin Afyonkarahiar bölgeine bir PV iteminin 212 yılı Nian ayında hangi açı ile yerleştirilmei durumunda makimum verimin elde edilebileceği, Afyon Kocatepe Üniveritei ANS Kampu ünden ölçülüp kaydedilmiş olan aatlik ışınım verileri kullanılarak tepit edilmiştir. Çalışmada unulan yöntem kullanılarak farklı aylara ait güneş ışınım verilerinin değerleri farklı açılarla yerleştirilmiş yüzeylere dönüştürülebilir. Ayrıca, çalışmada unulan yöntem kullanılarak dünyanın herhangi bir bölgei için en iyi yüzey panel açıları tepit edilebilir. Comparion of Solar Radiation Value at Different Surface Angle and Determination of Convenient Angle to Maximize Electricity Generation of PV Module for Afyonkarahiar Region Key word Afyonkarahiar; Renewable energy; PV Sytem; Electrical Energy; Solar Panel Angle; Abtract Since the fuel cot of conventional energy ource get incredibly high and the energy requirement i increaed the ytem that produce electrical energy from the un become coniderably popular. However, firt contruction cot of ytem that produce electricity from un (PV ytem) are high and their efficiencie are low. Therefore it i coniderably important to benefit from thee ytem. PV ytem place with contant angle, in general. Certainly implet way to enure thi i to track the un intantly. However un tracking ytem conume electricity and their cot are high. Therefore it i important to determine the correct angle that the PV module mut be placed. In thi tudy the angle of PV module that are conidered to be placed at Afyonkarahar for April of 212 to get aximum efficiency from the un i determined uing olar radiation data collected from the region. It i poible to convert the olar radiation value into urface with different tilt angle. Furthermore, it i poible to ue the propoed method for any region in the world imply altering the parameter to find optimum tilt angle. Afyon Kocatepe Üniveritei
Farklı Yüzey Açılarındaki Işınım Şiddetlerinin Afyonkarahiar Bölgei İçin Karşılaştırılmaı, Orhun ve ark. 1. Giriş Elektrik enerjiine olan ihtiyacın giderek artmaı ve foil kaynakların ömürlerinin giderek tükenmei günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmaını zorunlu hale getirmiştir. Günümüzde en ık kullanılan yenilenebilir enerji itemleri: Güneş ve Rüzgâr enerjiidir. Ancak bu tür itemlerin de maliyetleri oldukça yükektir ve bu itemlerden elde edilecek olan enerji ürekli değildir. Bu tür dezavantajlar göz önüne alındığında bu itemlerin tei edilmeinden evvel ciddi bir fizibilite çalışmaının yapılmaı gerekliliği aşikardır. Literatürde farklı bölgeler için gerçekleştirilmiş pek çok fizibilite çalışmaı mevcuttur. Aşağıdaki çalışmalar bu tür çalışmalara örnek olarak verilebilir: Sözen ve ark. (25) çalışmalarında Türkiye için güneş ışınım potaniyelini araştırmışlardır. Bir başka çalışmada Raja ve Abro (1994) Pakitan ın çeşitli bölgelerindeki güneş ışınım potaniyelini analiz etmişlerdir. Ayrıca Syafawati ve ark. (212) güneş ışınlarını kullanarak Ulu Pauh, Perli ve Malezya için güneş enerji potaniyelini analaiz etmişlerdir. Diğer taraftan literatürde güneş ışınım şiddeti verilerini modellemeye yönelik çalışmalar da bulunmaktadır. Örneğin Fadere (29) Nijerya ya ait verileri yapay inir ağları ile modellemiştir. Bir diğer çalışmada Hocaoğlu ve ark. (28) iki boyutlu bir yaklaşım kullanarak yıllık ışınım şiddeti verilerini doğrual filtreler ve yapay inir ağları ile tahminleyen yeni bir yaklaşım geliştirmişlerdir. Mellit ve ark. (26) ie güneş ışınım verilerini adaptif bir wavelet modeli kullanarak modellemişlerdir. Diğer taraftan literatürde güneş panellerinin güneşi takip etmeleri için geliştirilmiş birçok algoritma mevcuttur. Kelly ve Gibon (29), Arbab ve ark. (29), Abdallah ve Nijmeh (24) tarafından gerçekleştirilen çalışmalar bu tür çalışmalara örnek olarak verilebilir. Literatürde de mevcut olan bu tür güneşi takip eden itemler kullanılarak güneşten makimum verimin elde edilmei mümkündür. Ancak bu tür itemler çok yer kaplarlar ve ilk kurulum maliyetleri yükektir. Ayrıca bakıma gerekinim duyarlar. Bu nedenle özellikle kıral uygulamalarda kullanımları yaygın değildir. Bu çalışmada Bölüm 2 de bahedildiği gibi Afyonkarahiar ilinde Nian 212 de ölçülüp kaydedilmiş olan veriler kullanılmıştır. Bölüm 3 te unulan yönteme göre güneş panellerinin yüzeye farklı açılarda yerleştirilmei onucunda panel yüzeyindeki ışınım şiddetleri aatlik olarak heaplanmış ve tartışılmıştır. Son olarak onuçlar Bölüm 4 te elde edilen onuçlar yorumlanmıştır. 2. Materyal ve Metot 2.1. Bölgeden güneş ışınım şiddeti verilerin ölçümü Güneş ışınım şiddeti verileri 38.73 Enlem ve 3.51 boylamında yer alan Afyonkarahiar ilinden Nian 212 tarihinden itibaren ölçülmeye başlamıştır. Veriler kalibrayonlu KippZonen marka pironometre kullanılarak yapılmıştır. Pironometre etrafında gölge etkii yapacak herhangi bir engelin bulunmadığı bir direk üzerine yerleştirilmiştir. Veriler dakikalık ıklıklarda ölçülmekte, onar dakikalık aralıklarda makimum minimum ve ortalamaları heaplanmaktadır. Ölçülen veriler Meteon markalı bir kayıt cihazı üzerine yazılmakta ve belirli aralıklarla bilgiayar ortamına aktarılarak aklanmaktadır. Nian ayında ölçülmüş olan bu veriler ilk olarak aatlik verilere dönüştürülmüştür. Verilerin minimum, makimum ve ortalamalarının aatlik değişimleri ıraıyla Şekil 1-3 te unulmuştur. AKÜ FEBİD 12 (212) 2521 2
Güneş Işınım şiddeti (W/m 2 ) Güneş Işınım Şiddeti (W/m 2 ) Güneş Işınım Şiddeti (W/m 2 ) Farklı Yüzey Açılarındaki Işınım Şiddetlerinin Afyonkarahiar Bölgei İçin Karşılaştırılmaı, Orhun ve ark. 1 8 6 4 2 12 1 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 1. Aylık verilerin minimumlarının aatlik değişimi 1 8 6 4 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 2. Aylık verilerin makimumlarının aatlik değişimi 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 3. Aylık verilerin ortalamalarının aatlik değişimi AKÜ FEBİD 12 (212) 2521 3
Günlük Toplam Işınım Şiddetleri (W/m 2 ) Farklı Yüzey Açılarındaki Işınım Şiddetlerinin Afyonkarahiar Bölgei İçin Karşılaştırılmaı, Orhun ve ark. 9 8 7 6 5 4 3 Enlem (38.81 o ) 2 5 1 15 2 25 3 Gün Şekil 4. Günlük toplam ışınım şiddetlerinin farklı açılardaki değerleri 2.2 Verilerin farklı yüzey açılarına dönüştürülmei 2 o 3 o 4 o 5 o 6 o Ölçülüp kaydedilmiş olan verilerin ortalama değerleri kullanılarak günlük ortalama toplam ışınım şiddetleri heaplanmıştır. Daha onra bu ışınım verilerini kullanarak farklı açılardaki ışınımlar heaplatılmıştır. Bu aşamada ilk olarak apma açıları eşitlik 1 yardımıyla heaplanmıştır (Duffie and Beckman, 1982 ). 36 284 n 23.45in [1] 365 Eşitlik 3 te bulunan β yüzeyle panelin yaptığı açıyı götermektedir. Güneşten direk gelen ışınım şiddeti çarpanı Eşitlik 1-3 ve Eşitlik 4 kullanılarak heaplanmıştır. R B co L co inh ' h'in L in 18 [4] co Lco inh hin Lin 18 Eşitlik 1 de yer alan n Ocak 1 den itibaren kaçıncı günde olunduğunu götermektedir. Örnek olarak 1 Nian 212 deki apma açıını heaplamak için formülde n yerine 92 yazılmalıdır. Bu şekilde her gün için apma açıı heaplanmıştır. Eşitlik 2 ve Eşitlik 3 kullanılarak güneş doğuş açıları heaplanmıştır. Daha onra Toplam ışınım şiddeti faktörü ie eşitlik 5 kullanılarak heaplanmıştır. R Hd Hd 1 co 1 co 1 RB g [5] H H 2 2 h ' min h,arcco tan L tan [2] h arcco tan Ltan [3] Son olarak itenilen eğimli yüzeye karşılık gelen ışınım şiddeti Eşitlik 6 kullanılarak heaplanmıştır. AKÜ FEBİD 12 (212) 2521 4
Farklı Yüzey Açılarındaki Işınım Şiddetlerinin Afyonkarahiar Bölgei İçin Karşılaştırılmaı, Orhun ve ark. Ht HR [6] Eşitlik 1-6 yardımıyla farklı açılar için ışınım şiddetleri heaplanmış ve Şekil 4 te unulmuştur. Ayrıca Şekil-4 te bölgenin enleminin panel ve yüzeyler araındaki açı kabul edilmei durumunda günlük toplam ışınım şiddeti verilerinin naıl değişeceği görülmektedir. 3. Bulgular ve Tartışma Şekil-4 incelendiğinde Nian ayı için güneş panellerinin yer yüzeyi ile yaptığı açının 2⁰ ye ayarlanmaı durumunda diğer açı değerlerine kıyala daha verimli bir elektrik enerjii elde edileceği onucuna varılabilir. Diğer taraftan panellerin açıının yörenin enlemine ayarlanmaı durumunda 2,3 derecelere göre daha az enerji elde edilecek iken 4,5 ve 6 derecelere nazaran daha yükek elektrik elde edilmei mümkün olacaktır. Şekil 4 ten elde edilecek bir diğer onuç ie bölgede nian ayındaki topla ışınım miktarının açıların 2⁰ ye ayarlanmaı durumunda 18216W/m 2 olacağıdır. Elde edilen toplam ışınım miktarına göre farklı güçteki ve teknolojideki panellerin elektrik enerji üretim miktarları heaplanabilir. Bu tür çalışmalar ileride yapılacak çalışmalar araındadır. 4. Sonuç Bu çalışmada Afyonkarahiar bölgeinden 212 yılı Nian ayında elde edilebilecek toplam ışınım miktarlarının farklı yüzey açılarındaki değerleri heaplanmış, karşılaştırılmış ve tartışılmıştır. Paneller ile yüzey araındaki açının 2⁰ ye ayarlanmaı durumunda diğer açılara nazaran daha yükek elektrik enerjii elde edilebileceği onucuna varılmıştır. Çalışmada her ne kadar Afyon Bölgei için bir heaplama yapılmış ola da unulan yöntem kullanılarak farklı bölgelerin ışınım şiddeti verileri ve enlem bilgileri ile farklı bölgelerdeki ve/veya farklı aylardaki eğimli yüzeylere gelen ışınım şiddeti verileri heaplanabilir. 11.ARŞ.MER.1 numaralı Afyon Kocatepe Üniveritei BAPK tarafından deteklenmiştir. Kaynaklar Abdallah, S., Nijmeh, S., 24. Two axe un tracking ytem with PLC control. Energy Converion and Management. 45, 1931-1939. Arbab, H., Jozi, B., Rezagholizadeh, M., 29.A computer tracking ytem of olar dih with two-axi degree freedom baed on picture proceing of bar hadow. Renewable Energy. 34, 1114-1118. Duffie, J.A., Beckman, W.A., 1982. Solar Engineering of thermal Procee. Solar Energy. 28, 85 Fadare, D.A., 29. Modelling of Solar Energy Potential in Nigeria uing an artificial neural network model. Applied Energy. 86, 141-1422. Hocaoğlu, F.O., Gerek, Ö.N., Kurban, M., 28. Hourly olar radiation forecating uing optimal coefficient 2-D linear filter and feed-forward neural network. Solar Energy. 82, 714-726. Keliy, N.A., Gibon, T.L., 29. Improved photovoltaic energy output for cloudy condition with a olar tracking ytem. Solar Energy. 83, 292-212. Melit, A., Benghanem, M., Kalogirou, S.A., 26. An An adaptive wavelet-network model for forecating daily total olar-radiation. Applied Energy. 83, 75-722. Raja, I.A., Abro, R.S., 1994. Solar and Wind EnergyPotential and Utilization in Pakitan. Renewable Energy, 5, 583-586. Sözen, A., Arcaklioğlu, E., Özalp, M., Kanıt, E.G., 25.S Solar-energy potential in Turkey. Applied Energy. 8, 367-381. Syafawati, A.N., Daut, I., Irwanto, M., Farhana, Z., Razliana, N., Arizadayana, Z., Shema, S.S., 212. Potential of Solar Energy Harveting in Ulu Pauh, Perli, Malayia Uing Solar Radiation-Analyi Studie. Energy Procedia, 14, 153-158. Teşekkür Bu çalışma 111E134 numaralı TUBITAK ve AKÜ FEBİD 12 (212) 2521 5