UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR Eğik Yüeye Gelen Güneş şınımı Değerlerinin Deneysel Olarak İncelenmesi Hüsamettin Bulut, Asım Fatih Durma ve Bülent Yeşilata Harran Üniversitesi Mühemislik Fakültesi Makina Mühenisliği Bölümü, Şanlıurfa E-mail: hulut@harran.eu.tr, afurma@harran.eu.tr, yesilata@harran.eu.tr Öet Güneş enerjisi genellikle eğimli yüeyler yarımıyla toplanmaktaır. Eğik yüeye gelen güneş ışınımı eneysel amaçlar ışına oğruan ölçülmemekteir. Eğik üleme gelen güneş ışınımı, yatay üleme gelen ölçüm eğerlerinen veya çeşitli moelleren ele eilen eğerleren yararlanarak tespit eilmekteir. Güneş enerjisi sistemlerinin tasarımı ve ısıl analii oğruan mevcut verilere ayanığınan, güneş enerjisi verilerinin oğru, uygun ve kullanışlı olması gerekir. Bu çalışmaa, eğik yüeye gelen güneş ışınımı eneysel olarak ölçülmüş ve mevcut yöntemlerle karşılaştırılmıştır. 5 o, 30 o, 45 o, 60 o ve 90 o eğik yüeylere gelen güneş ışınım şieti, ir piranometre ve veri kayeicisi ile ilgisayar ortamına aktarılmıştır. Ölçümler Şanlıurfa iklim şartlarına her ayı temsil eecek ortalama günlere alınmıştır. Ölçülen eğik yüey ışınım eğerleri, literatüreki eğişik yöntemlere göre hesaplanan eğerlerle karşılaştırılmıştır. Ölçüm verileri ve hesap yöntemlerine göre ulunan eğerler arasına önemli farklılıklarının oluğu gölenmiştir. Anahtar Kelimeler: Saatlik güneş ışınımı; ifü ışınım; eğik yüey, güneş ışınım moelleri.. Giriş Güneş enerjisi uygulamaları ve sistemlerinin anali ve tasarımı için sağlıklı, güvenilir ve kolay ulaşılailir güneş ışınımı verilerine ihtiyaç varır. Ölçme aletlerinin pahalı olması, ölçüm teknikleri ile ilgili prolemler ve ölçümün elirli kuruluşlar tarafınan yapılması, güneş ışınımı verilerine ulaşmayı orlaştırmaktaır. Çoğunlukta hesaplamara, güneş ışınımı ile ilgili moeller kullanılmaktaır. Türkiye e güneş ışınımı ile ilgili ölçümler, aşta Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müürlüğü (DMİ), Elektrik İşleri Etüt İaresi Genel Müürlüğü (EİE) ve araştırma amaçlı olarak sınırlı sayıa aı üniversiteler tarafınan yapılmaktaır. Baı öel uygulamalar için yapılan ölçümler ışına genellikle yatay üleme gelen toplam güneş ışınımı ölçülmekteir. Ancak güneş enerjisinen aha fala yararlanmak için kullanılan kollektörler eğimli ir şekile yerleştirilmekteirler. Dolayısıyla eğik üleme gelen güneş ışınımının ilinmesi gerekir. Bunan aşka öellikle, inalara toplam soğutma yükünün %30-50 sini oluşturan penceleren geçen güneş ışınımının irekt ve ifü ileşenlerinin elirlenmesi e eğik ülem verilerine ağlıır. Eğik ülem hesaplamaları için literatüre eğişik moeller önerilmiştir [-5]. Bu çalışmanın temel amacı, 5 o, 30 o, 45 o, 60 o ve 90 o eğik yüeylere gelen güneş ışınım şietinin eneysel olarak analiini yapıp, literatüreki mevcut moellerle karşılaştırılmasını yapmaktır. Ölçümler Şanlıurfa iklim şartlarına her ayı temsil eecek ortalama günlere ir veri toplayıcısına ağlı Kipp&Zonen CM piranometresi ile yapılmıştır. Ölçülen eğik yüey ışınım eğerleri, literatüreki eğişik yöntemlere göre hesaplanan eğerlerle karşılaştırılmıştır. 43
UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR. Materyal ve Meto Eğik üleme gelen saatlik ışınım, irekt, ifü ve yansıyan ışınımların toplamı olarak; = + + (),, r, eşitliği ile hesaplanır [6]. Buraa, eğik yüeye gelen saatlik irekt ışınımı, eğik yüeye, gelen saatlik ifü ışınımı, r, eğik yüeye gelen saatlik yansıyan ışınımı ifae etmekteir. Eğik üleme gelen saatlik güneş ışınımı moelleri aha çok, irekt ve ifü ışınımlara yeni yaklaşımlar getirilerek oluşturulmuştur. Bu çalışmaa kullanılan moeller aşağıa verilmiştir [-5,7];,, =.. Liu ve Joran Moeli Bu moele eğik üleme gelen saatlik irekt güneş ışınımı aşağıaki enklem ile ifae eilir. * r () yatay üleme gelen saatlik irekt güneş ışınımıır. r irekt ışınım önüşüm katsayısı olup; r cosθ = (3) cosθ enklemi ile ifae eilir. θ enit açısı olup aşağıaki enklemle hesaplanır. cos θ = sinδ sinφ + cosδ cosφ cosω (4) δ eklinasyon açısı, φ enlem açısı, ω ise saat açısıır. θ ise güneş yükseklik açısı olup güneye yöneltilmiş eğimli yüeyler için aşağıaki eşitlik ile ifae eilir. ( φ ) + cosδ cos( φ ) cosω cosθ = sinδ sin (5) Buraa eğim açısıır. Eğik üleme gelen saatlik ifü güneş ışınımı, = ( + cos ) (6) enklemi ile ulunailir. yatay üleme gelen saatlik ifü ışınımı göstermekteir. Eğik üleme gelen saatlik yansıyan güneş ışınımı ise aşağıaki enklem ile tespit eilir. 44
UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR r, = ρ ( cos ) (7) ρ yüey yansıtma oranı, ise yatay üleme gelen saatlik toplam güneş ışınımıır... Koronakis Moel Koronakis eğik üleme gelen saatlik ifü ışınımı moifiye eerek aşağıaki enklemi ortaya koymuştur., = ( + cos ) (8) 3.3. Jimene ve Castro Moel Jimene ve Castro eğik üleme gelen saatlik ifü ışınımın eğik üleme gelen saatlik toplam ışınımın %0 sine eşit oluğunu göstermiştir. Bu moel yatay üleme gelen saatlik güneş ışınımının fonksiyonu olarak ikkat çekmekteir. cosθ =, 0.8 (9) cosθ.4. Circum Moel Bu moele ifü güneş rayasyonu irekt ışınım önüşüm katsayısının fonksiyonuur. *, = r (0).5. Bugler Moel Bugler, Liu ve Joran moelineki enklemi aniotropik olarak eğiştirmiştir., + cos, = 0.05 + 0.05, cosθ cosθ ().6. Temps ve Coulson Moel Temps ve Coulson, Liu ve Joran enklemine iki anisotropik terim eklemişler ve aşağıaki enklemi ulmuşlarır. 45
UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR 3 ( ) P = + cos θ sin θ () 3 P = + sin (3), = ( + cos ) P P (4).7. Klucher Moel Klucher, Temps ve Coulsen moelini kısmen ulutlu ir gün için eğiştirmişlerir. F = ( / ) (5) 3 [ F cos ( θ ) ( θ )] 3, = 0.5 + cos F sin + + sin (6).8. Orjinal Moel, eğik üleme gelen saatlik ifü ışınımı, yatay üleme gelen saatlik güneş ışınımının ve isotropik F hay katsayısının fonksiyonu olarak vermiştir. F = (7) = 0 0 cosθ + cos, = F + (8) cosθ ( F ).9. Ma ve qal Moel Ma ve qal eğik üleme gelen saatlik ifü ışınımı farklı ir kolerasyonla ifae etmişlerir., = M T r + T (9) ( M ) cos M T ; saatlik erraklık ineksiir. 46
UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR Eğik üleme gelen saatlik güneş ışınımı, Şanlıurfa iklim şartlarına her ayı temsil een ortalama güne veya ona yakın günlere ( 005: 6, 7, 6 Hairan, 8, 6 Temmu, 3 Ağustos, 5 Eylül, 7 Ekim, 4 Kasım, 9 Aralık, 006: 7 Ocak, 6 Şuat ve 6 Mart), eğim açısı ayarlanailinen ir platform üerine ırakılan ir veri kayeicisine ağlı Kipp&Zonen CM piranometresi ile ölçülmüştür. Şekil e eğim açısı ayarlanailinen platform, piranometre ve veri kayeicisi gösterilmiştir. -a- -- Şekil. a- Eğimi ayarlanailen platform ve piranometre, - Veri Kayeicisi ve ataryası 3. Bulgular ve Tartışma Talo e eğik üleme gelen saatlik güneş ışınımı eğerleri ve moelleren ele eilen sonuçlar, yer arlığınan olayı saece aı ortalama günler için verilmiştir. 47
UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR Talo. Eğik üleme gelen saatlik güneş ışınımı ölçüm eğerleri ve moelleren ele eilen sonuçlar Saat Eğim Açısı Ölçüm Lui ve Joran Koronaki s Jimene ve Castro Circum Bugler Temps ve Coulson Klucher Ma ve qal 5 Eylül 005 :00 5 574 609 60 637 638 605 633 633 75 609 :00 30 548 95 953 976 976 95 96 967 976 95 4:00 45 55 006 007 0 03 99 009 0 09 006 5:00 60 538 943 939 98 98 90 934 95 937 98 6:00 90 794 46 455 454 455 4 45 43 443 455 6 Mart 006 0:00 5 9 830 830 840 840 804 836 837 84 830 :00 30 696 986 988 008 009 977 994 998 000 987 :00 45 63 964 968 00 00 97 975 986 99 963 4:00 60 68 84 847 87 87 845 853 867 869 84 5:00 90 8 390 406 44 43 430 43 46 475 389 Taloan ölçülen güneş ışınımı ile mevcut moellerle hesaplanan güneş ışınımı eğerleri arasına fark oluğu görülmekteir. Değişik moellerle hesaplanan güneş ışınım eğerleri genel itiari ile ölçülen güneş ışınımınan aha üyük oluğu tespit eilmiştir. Ölçüm yapılan günün iklim şartları u farkın oluşmasına üyük rol oynamaktaır. Bunun yanına moeller arasına ir uyum sö konusu olup aı moeller arasına çok küçük farkların oluğu saptanmıştır. Ölçüm ve moellerin karşılaştırılması şekil e verilmiştir. Şekilen öellikle 800 W/m lik eğerlerin üstüne moellerin aha üşük sonuçlar veriği görüleilir. Genel olarak moelleren alınan sonuçların aha üyük eğerler oluğu ve eğişimlerinin aha fala oluğu şekil en rahatlıkla gölemleneilir. Moellerin istatisteksel analii için, ortalama ağıl hata (MBE), ağıl stanart hata (RMSE), ve korelasyon katsayısı (CC) [] hesaplanmış olup, eğerler talo e verilmiştir. İstatiksel ölçülere göre eğik ülem güneş ışınmı için Bugler ve Ma ve qmal moelleri en uygun moeller olarak göükmekteirler. Moel [W/m ] 00 000 800 600 400 00 Lui ve Joran Koronakis Jimene ve Castro Circum Bugler Temps ve Coulson Klucher Ma ve qal 0 0 00 400 600 800 000 00 Ölçüm [W/m ] Şekil. Eğik üleme gelen güneş ışınım eğerlerinin moelleren ele eilen eğerlerle karşılaştırılması 48
UGHEK 006:. ULUSAL GÜNEŞ VE HİDROJEN ENERJİSİ KONGRESİ -3 HAZİRAN 006, ESOGÜ, ESKİŞEHİR Talo. Moellerin ortalama ağıl hata (MBE), ağıl stanart hata (RMSE) ve korelasyon katsayısı (CC) eğerleri Temps ve Coulson Klucher Ma ve qal İstatiksel Lui ve Jimene Ölçü Joran Koronakis ve Castro Circum Bugler MBE 0.95 0.300 0.30 0.36 0.67 0.36 0.34 0.38 0.78 RMSE 0.59 0.589 0.578 0.576 0.534 0.589 0.584 0.67 0.546 CC 0.074 0.07 0.040 0.038 0.06 0.077 0.078 0.09 0.06 4. Sonuç 5 o, 30 o, 45 o, 60 o ve 90 o eğik yüeylere gelen güneş ışınım şieti, Şanlıurfa iklim şartlarına her ayı temsil eecek ortalama günlere ir veri toplayıcısına ağlı Kipp&Zonen CM piranometresi ile ölçülmüştür. Ölçülen eğik yüey ışınım eğerleri, literatüreki mevcut eğik ülemler için olan moellere göre hesaplanan eğerlerle karşılaştırılmıştır. Ölçülen güneş ışınımı eğerleri ile moeller arasına elirgin ir fark gölenmiş olup, eğik güneş ışınımı eğerlerinin gerektiği urumlara güneş ışınımı eğerlerinin ölçülerek tespit eilmesi aha uygunur. Ölçüm yapılamaığı takire o ölge için en uygun moelin elirlenerek o moele göre hesaplamaların yapılması, analilerin güvenirliği ve hassasiyeti açısısınan aha net sonuçlar ortaya çıkaracaktır. 5. Kaynaklar [] G. Notton, C. Cristofari, P. Poggi, Performance evaluation of various hourly slope irraiation moels using meiterranean experimental ata of Ajacco, Energy Conversion an Manegement 47, 47-73 (006). [] G. Notton, P. Poggi, C. Cristofari, Preicting hourly solar irraiations on incline surfaces ase on the horiontal measurements: performances of the association of well-known mathematical moels, Energy Conversion An Manegement 47, 86-89 (006). [3] D. H.W. Li, J. C. Lam, Evaluation of slope irraiance an illuminance moels against measure Hong Kong ata, Builing an Environment 35, 50-509 (000). [4] C. Rensheng, L. Shihua, K. Ersi, Y. Jianping, J. Xiin, Estimating aily gloal raiation using two types of revise moels in China, Energy Conversion an Management 47, 865-878 (006). [5] E. Vartiainen, A new approach to estimating the iffuse irraiance on incline surfaces, Renewale Energy 0, 45-64 (000). [6] J. S. Hsieh, Solar Energy Engineering, Prentice-Hall, 54s (986). [7] M. Die-Meiavilla, A. e Miguel, measurement an comparison of iffuse solar irraiance moels on incline surfaces in Vallaoli (Spain), Energy Conversion An Manegement, 46, 075-09 (005). 49