İç Anadolu Bölgesi İçin Güneye Bakan Eğimli Yüzeye Gelen Günlük Global, Direkt Ve Difüz Radyasyonun Hesaplanması

Abstract

ÖZET Enerji en genel anlamıyla iş yapma kabiliyeti, iş ise bir güç etkisiyle sistemde hareket oluşturmak ve yer değiştirmektir. İlk çağlarda insanlar iş yapabilmek için kendi vücut enerjilerini kullanırlarken, zamanla hayatlarını daha kolay sürdürebilmeleri için hayvan gücünden istifade etmeye başladılar. Bunu 1600’lü yıllarda Avrupalıların ormanları kullanmaya başlaması ve kömürü keşfetmeleri takip etti. 1700’lü yıllarda İngiltere’de başlayan sanayi devrimi neticesinde yeni makinelerin icat edilip kullanılmaya başlaması ile birlikte enerjiye olan talep de aynı oranda arttı. 1776 yılında, James Watt, Newcomen’ın daha önce bulduğu buhar makinesini geliştirerek, kömür madenlerindeki su baskınlarını önlemek amacıyla kullanılan su pompasını sanayide kullanılır hale getirdi ve kömür madenlerinin rahatlamasını sağlayan bu buluş, başta tekstil olmak üzere sanayi devriminin daha hızlı gelişimini sağladı. Bu yüzyılın dünya enerji tarihinin gelişimini yakından ilgilendiren siyasi gelişmelere de bakacak olursak, 1776’da Amerika’nın kurulması ve Rusya ve Fransa’nın gittikçe dünya siyasetinde önem kazanmaya başlamalarından söz edebiliriz. Çünkü bu ülkeler enerji tarihini değiştiren, geliştiren çok önemli çalışmalara, olaylara, keşiflere yol açmışlardır. Yine aynı dönemlerde Edison tarafından (1882) elektriğin bulunması, enerji alanındaki en büyük adımlar biridir. 1800’lü yıllar enerjiye olan talebin daha da arttığı, bu konuda özellikle Almanya ve Fransa arasında çatışmaların yaşandığı ve artık yoğun olarak yeni kaynak araştırmalarının hızlandığı dönemdir. Özellikle yüzyılın ikinci yarısında, 1861’de Amerika’da petrolün bulunması ve bunu daha sonra Rusya ve dünyanın pek çok yerinde bulunan petrol reservlerinin takip etmesi bu yüzyılın enerji bakımından en önemli olaylarındandır. 1900 yılların ilk yarısı enerji kaynaklarının paylaşımı konusunda savaşların yaşandığı bütün dünya ve insanlık tarihi için en zor dönemlerden biridir. Bu dönemde aynı zamanda petrol araştırmaları hızlanmış ve önce İran olmak üzere sırasıyla Irak, Kuveyt ve Arabistan ve daha sonra Ortadoğu bölgesinin büyük bir kısmında yeni petrol rezervleri tespit edilip üretim faaliyetleri arttırılmıştır. Yeni makinelerin icatlarına devam edilmiş, içten yanmalı motorlar keşfedilmiş ve ilk otomobil üretilmiştir. Bu yüzyılda bilimsel araştırmalar da çok yoğundur; özellikle Einstein’ın çalışmaları ve keşifleri neticesinde, atom çekirdeğinin parçalanmasıyla kütlenin enerjiye dönüşümü açıklanmış, ve bu durum enerji alanında yeni bir çığır açarak nükleer enerjiyi gündeme getirmiştir. Bu çalışma daha sonra İtalyan bilim adamı Enrica Ferni ile başlayan ve birçok bilim adamının değişik zamanlardaki katkıları ile 1942 yılında Amerika’da ilk nükleer reaktörün kurulmasına kadar uzanan bir süreçtir. Bizim ülkemiz açısından enerji gelişimine baktığımızda, dünyadaki gelişmenin tersine 1800 yıllar Osmanlı imparatorluğunun büyük sorunlar yaşadığı ve küçülmeye başladığı bir süreçtir. Sanayi devriminden uzak kalışı ve 1900’lü yılların başlarında keşfedilen petrol rezervine sahip toprakların kaybedilişi söz konusudur. Dünyada 1882 yılında kullanılmaya başlanan elektriğin bizim ülkemize ilk gelişi 1914 yılındadır. Birinci dünya savaşının en çok etkilediği ülkelerden biri olarak İmparatorluk dağılmış ve Türkiye Cumhuriyeti kurulmuş ve yeni kurumlar oluşturulup enerji alanında çalışmalar başlamış ve bu konuda ilk olarak İzmir’de 9 Eylül Üniversitesi Enerji Enstitüsü kurulmuş ve enerji politikaları oluşturulmaya başlanmıştır. Ülkelerin gelişmişlik seviyesi kişi başına düşen enerji miktarına göre belirlenmektedir. Kendi kaynaklarının büyük bir bölümünü ilerki dönemlerde kullanmak üzere saklayarak, Ortadoğu’daki büyük petrol kaynaklarına yönelen gelişmiş ve sanayileşmiş ülkeler 1973 yılında yaşanan enerji krizi, 1979 İran devrimi, 1980 İran-Irak savaşlarının başlaması ve 1990 Körfez savaşı gibi çalkantılı dönemlerin arda arda gelmesi ve bu durumun petrol fiyatlarında da büyük çalkantılara neden olmasıyla sarsılmışlar ve artık gelecek 100 yılı kapsayan enerji politikalarını oluşturmaya başlamışlardır. Bu politikalar, büyük ölçüde ülkelerin kendi öz kaynaklarının durumuna ve çeşitliliğine, coğrafi konumlarına, nüfus artış hızları ve yoğunluklarına, ekonomilerine göre belirlenir. Milyonlarca yılda güneş enerjisi sayesinde oluşmuş olan fosil kaynakların tükenme tehlikesi taşıması ve hem fosil yakıtların ve hem de nükleer enerji reaktörlerinin çevreye verdikleri zararlar ve yan etkileri nedeniyle ülkeler ve bilim insanları kaynağı kendilerinde olan, kolay temin edilebilecek temiz yeni kaynak arayışlarına girmişler ve böylece yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmişlerdir. Yukarıda saydığımız özelliklerin hepsini taşıyan yenilebilir enerji kaynakları hidrolik, güneş, biyokütle, rüzgar, jeotermal, dalga gel-git ve hidrojen olmak üzere sıralanabilir. Bu kaynakların bazıları zaten ilk çağlardan beri farkedilmiş ve az miktarda da olsa kullanılmaktaydı. Mesela, rüzgar enerjisi çok eski zamanlardan itibaren keşfedilmiş ve yelkenli gemilerde ve yel değirmenlerinde kullanılıyordu. Aynı şekilde M.Ö 100. yıllarda nehir kenarlarına kurulan su değirmenleri vardı. Bu gün artık bütün dünyada ve ülkemizde bu kaynakların hepsi çok geniş bir uygulama içerisinde, çok ileri yöntemlerle yoğun olarak kullanılmakta ve bu alanların daha da genişlemesi için gerekli her türlü çalışmalar yapılmaktadır ve geleceğin en temiz ve sürdürülebilir enerji yakıtı olarak yenilenebilir bir kaynak olan Hidrojen gösterilmektedir. Bu tezin konusu olan Güneş enerjisi, yenilenebilir kaynakların temelini oluşturmaktadır. Çünkü aslında bütün enerjilerin kaynağı olan ve enerjisinin yaklaşık olarak gelecek 1030 yıl boyunca bitmeyeceği hesaplanan güneş, aynı zamanda tabiatın ve yaşamın da kaynağıdır ve dünyamız bu enerjiyle beslenmektedir. Güneş enerjisinin insanlar tarafından farkedilip çeşitli sebeplerle kısmen kullanılması M.Ö 212 yıllarında Arşimet’in bu enerjiyi keşfedip Roma ordusuna karşı kulanmasına kadar geriye gitmektedir. 1839 yılında Fransız fizik profesörü Edmond Becquerel’in ilk fotovoltaik etkiyi tespit etmesi ve yine 1860’da Fransa’da su ısıtmak amacıyla kullanılan kollektörler sanayideki ilk uygulamalardır. O zamanlardan günümüze ışık veya ısı enerjisi veya elektrik enerjisi üretiminde kullanılmak suretiyle güneş enerjisinin uygulama alanları çok gelişmiş ve yaygınlaşmıştır. Güneşten enerji temin etmenin negatif bir yönü olarak, güneş radyasyonu bileşenlerinin ölçümünün ve başlangıçtaki kurulum maliyetlerinin yüksek oluşu ve kesintili bir kaynak olması nedeniyle enerjinin depolanması durumu karşımıza çıkmaktadır. Fakat teknolojik gelişimlerle doğru orantılı olarak yapılan çalışmalar bu maliyetleri önemli ölçüde düşürmeye başlamıştır. Bu konuda daha iyi neticelere ulaşmak için yapılan araştırmalar nano teknolojik düzeyde sürdürülmektedir. Bu durum Güneş enerjisinin gelecek yıllarda gittikçe artan bir şekilde daha da fazla kullanılacağının en önemli göstergesidir. Güneş enerjisi, güneşin merkezindeki hidrojen gazının füzyon nedeniyle helyuma dönüşmesi neticesi ortaya çıkan çok yüksek miktardaki radyasyonun yeryüzüne ulaşması ile temin edilir. Bu radyasyonun atmosfer dışına gelen miktarı sabittir, fakat yeryüzüne ulaşması çok değişik faktörlerin etkisiyle azalarak olmakta ve şartlara bağlı olarak değişmektedir. Güneşten enerji üretebilmek için, bu radyasyon miktarlarının ölçümü veya ölçülemeyen bileşenlerinin hesaplanması çok önemlidir. Güneş radyasyonu ölçümlerinin her yerde yapılamaması ve çok pahalı oluşu, aynı şekilde enerji üretecek sistemlerin kurulumunun maliyetinin de çok yüksek olması fizibilite çalışmalarının ne kadar önemli olduğunu gösterir. Bu konuda Güneş radyasyonu tahminleri ve potansiyel çalışmaları gerekmektedir. Eğimli yüzeye gelen güneş radyasyon miktarı yatay yüzeye göre yüksektir. Fakat yatay yüzeye gelen güneş radyasyonu değerlerinin ölçülebilmesine karşılık, eğimli yüzeye gelen radyasyon bileşenleri ölçülemez, ancak yatay yüzeye gelen ölçüm değerleri kullanılarak çeşitli modeller sayesinde hesaplanabilir. Ayrıca, güneş geometrisi, dünyanın kendi ekseni ve güneşin yörüngesindeki hareketleri sebebiyle radyasyon miktarında meydana gelen değişiklikler nedeniyle, en uygun açı ve yön tespiti de güneş enerjisi sistemlerinin kurulumu, tasarımı ve güneşten maksimum enerji elde edilmesi için çok önemlidir. 1800’lü yıllardan bu yana, çok fazla sayıda bilim adamı bu konuda çok önemli çalışmalar yapmışlar ve birçok modeller geliştirmişlerdir. Bu modeller sayesinde, ülkeler ve bölgeler bazında güneş enerjisi potansiyellerini tespit etmek üzere yapılan analizler çok gelişmiştir ve iyi bir güneş enerjisi potansiyeli analizi sayesinde hem güneşten maksimum enerji elde etmek hem de çok büyük maliyetleri olan bu sistemlerin planlanıp hayata geçirilmesi daha kolay ve verimli olur. Tezde çalışma alanı olarak Türkiye’nin üçüncü büyük güneş enerjisi potansiyeline sahip olan ve güneş enerjisi tarlaları kurulmak üzere teşvik almış bulunan İç Anadolu Bölgesi seçilmiştir. Bu bölgedeki enlem sırasına göre kuzeyden güneye sırasıyla Ankara, Kayseri, Aksaray ve Karaman illeri için güneye bakan 10-90 derece eğimli yüzeylerde izotropik ve anizotropik saçılma koşullarında güneş radyasyonu bileşenleri hesaplanarak bu değerler analiz edilmiştir. Meteoroloji Genel Müdürlüğü’nden temin edilen ‘Toplam Güneşlenme Şiddeti’ verilerinden hareketle, bu illerde eğimli yüzeylere gelen radyasyon değerleri 10, 20, 30 ,40, 50, 60, 70, 80 ve 90 derece açılar için hesaplanmıştır. Veriler, Ankara için; 2010, 2011, 2012, 2013, Kayseri için; 2007, 2008, 2009, 2010, Aksaray için; 2007, 2008, 2009, 2010, 2012, 2013 ve Karaman için; 2007, 2008, 2009, 2010, 2012, 2013 yıllarına aittir. Yatay düzleme gelen radyasyon direkt ve difüz olmak üzere iki bileşenden, eğik düzleme gelen radyasyon ise direkt, difüz ve yansıyan olmak üzere üç bileşenden oluşmakta ve bu bileşenlerin toplamı gobal değerleri vermektedir. Tezde, her saat başı ölçülmüş olan günlük global radyasyon değerlerinden (H) hareketle her bir istasyon için önce atmosfer dışına gelen radyasyon (H0) ve açıklık indeksi (KT=H/H0) ve buradan hareketle de yatay ve eğik düzlemlere gelen global değerler bulunmuştur. İşlemleri 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ve 90 derece açılar baz alınarak ve difüz bileşenleri hesaplamak için izotropik ve anizotropik modeller kullanılarak, Excel programı ile her bir açı için güneş radyasyonu bileşenleri ayrı ayrı hesaplanmış ve sonuçlar görselleştirilerek yorumlanmıştır.

SUMMARY In general, energy is defined as the ability to do work. Work is any activity that produces change or movement within a system. Originally, human activity was fueled exclusively by our own physical energy. But in time, humanity began to cultivate external energy sources, learning to employ work animals, firewood, hydraulic mills, and wind power. In the 1700s, for the first time in human history, fossil fuels became a significant energy source, thanks to England’s Industrial Revolution. In 1776, Englishman James Watt perfected the steam engine, based on Thomas Newcomen’s earlier invention for draining coal mines. The Watt engine removed a significant barrier to coal production and defined a new era of mechanical innovation. Access to coal fuel was central to the development of machine-based production and to the industrialization of Great Britain and other growing nations, namely the USA, Russia, and France. In the 1800s, global energy demands continued to increase. Political quarrels erupted as a growing number of industrialized countries --France and Germany at the forefront-- searched for new sources of energy. In 1859, commercial oil drilling began in the USA. Oil reserves were subsequently discovered in Russia and other places. And Thomas Edison’s 1882 discovery of electricity further increased the interest in energy production. Energy production and consumption continued to expand in the first part of the 20th Century. New inventions like the automobile and engine fire provided new applications for electric and mechanical energy, and the search for fossil fuel reserves intensified. Oil was discovered in Iran, Iraq, Kuwait, and Saudi Arabia, among other places, and the growing market for these fuels continued to provoke wars and territorial disputes. Also in the early 20th Century, Einstein discovered his famous E=mc2 formula, suggesting that energy could be produced from mass. This revelation opened a new epoch in the history of energy: the field of nuclear energy. Enrico Fermi became a key figure in this field when he produced the first controlled nuclear reaction in 1942 in Los Alamos, USA. Per-capita energy use remains a key indicator of a country’s level of development. The most developed countries can also be seen to practice fundamentally similar energy policies. These global superpowers have tended to eschew exploiting their own natural energy reserves in favor of importing oil from abroad, particularly from the Middle East. However, reliance on imported energy has proven to be a dangerous strategy in recent years due to a succession of crises abroad: the OPEC embargo in 1973, the Iranian Revolution in 1979, the Iran-Iraq wars in 1980s, and two Gulf Wars in the 1990s. These events had crippling effects on the world’s energy-importing superpowers, prompting them to rethink their existing energy portfolios. Shifting energy policies are also motivated by other factors: For one thing, fossil fuels are environmentally damaging. Also, humans are consuming fossil fuels at a much faster rate than these fuels can be formed in nature. Thus, the dawn of the 21st Century has prompted intense investigation of new ways to obtain, store, and deliver energy. Forward-thinking countries have identified a need to pursue and procure new energy sources that will be cheap, continuous, accessible, and clean. These alternative, renewable energies range from ancient sources such as wind and hydraulic energy to new developments like hydrogen power and biofuel, and also include solar, geothermal, and tidal power. Today, all of these alternative energy sources are gaining popularity in the world at large and in Turkey specifically. Research continues to improve both theoretical and practical approaches to alternative energy systems. Within this context, hydrogen fuel systems have garnered the most attention. But solar energy has also proved significant in terms of its popularity and practical potential. This thesis focuses on solar energy, acknowledging solar radiation as the planet’s most fundamental source of fuel (and the original source of fossil fuel). Solar is also the quintessential renewable fuel, since we can expect the sun to continue producing energy for about 1030 years. Because solar energy fuels all biological life, it is also the energetic motor of the natural world. Humans have been channeling solar energy for millennia. In 212 BC Archimedes channeled solar energy to create an apparatus for incinerating Roman ships. In 1839, the French physician Edmond Becquerel discovered the photovoltaic effect, by which a material exposed to light generates an electric current. Also in France, the first solar-powered engine was introduced in 1860, constituting the first commercial use of solar energy. In intervening centuries, solar energy has frequently been used to create heat energy and light energy. Of course, there are some problems with solar energy. Notably, it is very expensive to establish the infrastructure required for mass production and adoption of solar power. And while solar energy is guaranteed to last for millions of billions of years, the availability of solar energy changes according to the seasonal and circadian intervals. Thus, the capture and storage of solar energy is a major problem. Technological progress has addressed many of these issues, however. Costs have been reduced thanks to the discovery of new materials and the scaling of PV production. And progress in related fields, including that of nanotechnology, will continue to increase the viability of solar energy, allowing it to become the most useful alternative fuel going forward. Solar energy is a byproduct of the nuclear fission reactions that occur in the center of the sun. Fission refers to the transformation of hydrogen into helium, which happens via a massive exothermal reaction. The resulting radiation reaches earth’s atmosphere as extraterrestrial radiation. The levels of extraterrestrial radiation that reaches out atmosphere is constant. However, the presence of clouds and other atmospheric elements affects the level of radiation that reach earth’s surface. The radiation we receive depends on atmospheric conditions. In addition, the level of radiation on a given surface changes according to the degree of tilt. The radiation that strikes a tilted surface is more intense than the radiation on a horizontal plane. In order to successfully implement solar energy systems, we need to the precise values of solar radiation at different locations, and to understand how these levels of radiation change over time. All of this knowledge is necessary to design solar energy systems to maximize energy production, minimize costs. But not all of these vital details can be measured directly. For instance, while it is possible to directly measure the amount of solar radiation hitting a horizontal surface, it is not possible to directly measure the level of radiation on a tilted surface. Instead, these values must be calculated based on radiation values of a horizontal surface at the same location. Such is the purpose of this thesis. The data and calculations provided herein can be used to understand the optimal tilt and orientation of photovoltaic collectors in Middle-Anatolia. Since the 1800s, successive scientists have made extensive work of exploring and calculating the relationship between radiation levels and surface level tilts. Thus, there exist established algorithms for calculating radiation levels, and using mathematical models has proved to be a cost-efficient way to measure solar radiation. In fact, countries often use these models to understand the potential production of solar energy at specific sites within their territories. Middle-Anatolia ranks third in Turkey in terms of its potential as a solar energy hotspot. Recognizing this potential, the Turkish government recently earmarked funds to establish solar fields in Middle-Anatolia. To understand the region’s potential for producing solar energy, we chose to analyze four cities in this region: Ankara, Karaman, Aksaray , and Kayseri. For each of these cities, we used Measured Global Solar Radiation data from MGM to calculate levels of solar radiation at various degrees of tilt, under both isotropic and anisotropic conditions. Ultimately, we calculated radiation levels for tilted surfaces in all four cities, looking at various degrees of tilt: from 30 to 90 degrees in 10-degree increments. While radiation on a horizontal surface has two components (direct radiation and diffuse radiation), radiation on a tilted surface has three components (direct, diffuse, and reflected components). In both cases, the sum of the values of the component radiation types gives the overall value of radiation on a particular surface. The MGM data used in this work consists of hourly measure surface radiation in all four cities over the span of several years. This includes data from Ankara for the years 2010-2013, Karaman for the years 2007-2013, Aksaray for the years 2007- 2013, and Kayseri from 2007 to 2010. MGM uses hourly data to calculate the levels of extraterrestrial radiation and the clearness index (Kr=H/H0). This thesis expands upon MGM’s existing radiation data to analyze the specific levels of radiation on tilted surfaces, using formulas developed over time by a number of different scientists. We calculate global radiation values on tilted surfaces in all four cities, and examine seven degrees of tilt: 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90. Because the radiation values change according to isotropic and anisotropic conditions, we provide calculations for both conditions. Finally, we visualize this data, using this analysis as a point for our conclusion.