İstanbul İklim Şartlarında Rüzgar Ve Güneş Sistemlerinin Modellenmesi Ve Ekserji Analizi

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bununla beraber yenilenebilir enerji kaynaklarının kendi içinde büyük problemleri bulunmaktadır. Bunların başında süreksizlik gelmektedir. Özellikle yenilenebilir enerjiler içinde en fazla uygulama alanı bulan rüzgar ve güneş enerjilerinde bu problem en üst seviyededir. Bu süreksizliklere en iyi (optimum) çözüm bu iki enerjinin birlikte kullanımını sağlayan hibrit sistemlerdir. Uygun alanların seçilmesi ile zaman ve alana bağlı olarak bu enerji kaynaklarındaki süreksizlikler en aza indirgenebilmektedir. Bu çalışmada, ortalama bir evin bütün enerji ihtiyaçlarını karşılayacak bir hibrit enerji sistemi İstanbul Teknik Üniversitesinin Meteoroloji Parkında kurulmuştur. Bu sistemden elde edilen meteorolojik parametrelerin alana ve zamana bağlı modellemesi gerçekleştirilmiştir. Bu modelleme çalışmasında, noktasal toplam yarıvaryogram yöntemi rüzgar şiddetinin alansal temsilinde kullanılmıştır. Ayrıca belirlenen sekiz ölçüm noktasında rüzgar enerji ve ekserji çalışmaları gerçekleştirilecektir. Benzer yöntemler güneş ışınımının modellemesinde de kullanılmıştır. Alansal modellerde bilindiği üzere haritalar büyük önem taşımaktadır. Son yılllarda Weather Research Forecasting (WRF) modeli sayısal hava tahmininde en fazla kullanılan model olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında İstanbul ve civarını kapsayacak şekilde bütün alan 3 km x 3 km boyutlara sahip bölgelere ayrılmıştır. Bu gridlere dayalı olarak alansal ve zamansal tahminler gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmanın ikinci adımı olarak, hem rüzgar hemde fotovoltaik pillerde oluşan enerji kayıpları hesaplanmıştır. Enerji kayıplarının sistemin neresinde olduğunu anlayabilmek ve bunların hesaplamalarında termodinamik açıdan son yıllarda gittikçe önem kazanan ekserji analizi yöntemleri uygulanacaktır. Rüzgar enerjisinde sistemin kurulacağı bölge ve meteorolojik faktörler kayıplarda önemli rol oynarken, fotovoltaik pillerde ise ısıl kayıplar etkilidir. Bundan dolayı tip sistemlere etki eden meteorolojik ve ekserji analizi yapmak için gerekli diğer parametreleri hem alansal hem de zamansal olarak ele elmak gerekmektedir. Kayıpların belirlenmesinden sonra sistemin herbir bileşeni ve toplamı için ekserji verimlilik modelleri gerçekleştirilmiştir. Bu modellerin gerçekleştirilmesi sonucunda sistemin kayıpları belirlenmiş ve bu kayıpların azaltılması için öneriler getirilmiştir. Kısacası bu tez çalışmasında rüzgar-güneş hibrit sistemleri baştan sona kadar ayrıntılı incelenmiş ve İstanbul şartlarında uygunlukları ele alınmıştır. Başka bir ifade ile bu sistemler ile ilgili olarak bütün adımları içine alan bir model ve program geliştirilmiştir.

There has been high interest and increasing need for new and renewable energy sources in the world. However, renewable energy sources have many unsolved problems. The main problem is the discontinuity of renewable energy sources with time and space. Especially, discontinuity problems are very high for solar and wind energies that are very important parts of renewable energies. In other words, wind speed that could generate electricity by wind turbines doesn’t occur all the day, and there is no solar irradiation during night and overcast weather conditions. The main solution for these discontinuities is to use hybrid systems. In other words, different energy sources are used together. As a result of selecting proper high potential regions, these discontinuities could be minimized. In this study, a hybrid energy system is installed that could generate total consumption of a standard house, in the meteorological park of Istanbul Technical University. Firstly, spatial and temporal modeling of measured meteorological parameters is evaluated. In the spatial modeling, point cumulative semivariogram (PCS) is applied for wind speed simulation. In addition, for selected eight stations wind energy and exergy properties are searched. The same methods is used for solar irradiation modeling. Photovoltaic solar cells need two parameters that are total solar irradiation and sunshine duration for each selected area. As known that, maps have very important roles for spatial models. Recent years, Weather Research Forecasting (WRF) numerical weather forecast model has been used as a most known model in the literature. In this thesis, for all around İstanbul a grid system that has 3 km x 3 km resolution, is considered and based on these grids outputs spatial temporal estimations results are evaluated. In the second stage of this study, energy irreversibilities of solar photovoltaic cells and wind turbines are estimated. In thermodynamic perspective, it is very important to know irreversibilities of each component of the system and as a result of these, system could be improved via minimizing energy losses. These losses, in other words irreversibilities of each component of the system, could be evaluated with exergy methods which have been discussed frequently during the last three decades. Problems at installation place and meteorological parameters restrictions are the main reasons of losses for a wind turbine. In addition, Betz limit is the main limitation of wind turbine power generation. Like wind turbine power generation limit, materials of solar cells also could not convert solar irradiation to electricity with high efficiency but in contrast to wind turbine, the main factor of irreversibilities of photovoltaic cell system is the heat losses that depend on considered climatological properties. As a result of using measurement and estimation values irreversibilities of each component of the system totally, energy and exergy efficiencies are estimated. For the system designers to know detailed properties of each component this methodology gives chance to minimize losses. In short, in this thesis all of the components and parameters of a wind-solar hybrid system are considered and its convenience to İstanbul climatic conditions is discussed. In other words, models and measurements are compared for all stages of the wind-solar hybrid system.