Akıllı şebekelerde şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız hibrit yenilenebilir enerji sistemlerinin tekno-ekonomik karşılaştırmalı analizi ile akıllı ev uygulamaları

Abstract

Bu tez çalışmasında akıllı şebekeler kapsamında meskenlere yönelik "Hibrit Yenilenebilir Enerji Sistemlerinin (Hybrid Renewable Energy System, HRES)" bölgelere göre karşılaştırmalı analizine ve akıllı bina uygulamalarına yer verilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak Türkiye'nin 7 bölgesindeki en düşük, ortanca ve en yüksek güneş radyasyonu değerleri göz önüne alınarak toplam 21 il; teknik, ekonomik ve çevresel açıdan HOMER Pro yazılımı kullanılarak birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Her bir ildeki sistem bileşenlerinin büyüklüğü dikkate alınarak en optimum çözümün bulunması amaçlanmıştır. Analizler hem şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız olarak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, birçok ile yönelik şebekeye bağlı HRES için en optimum sistem konfigürasyonunun Grid/PV/WT olduğunu gösterirken şebekeden bağımsız HRES göz önüne alındığında test kapsamındaki bütün iller için en uygun sistem konfigürasyonunun PV/WT/DG/BESS olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte şebekeden bağımsız ve şebekeye bağlı HRES için en düşük ve en yüksek "Net Bugünkü Maliyetin (Net Present Cost, NPC)" sırasıyla Marmara Bölgesi'ndeki Çanakkale ili ve Karadeniz Bölgesi'ndeki Artvin ili olduğu görülmüştür. Rüzgâr hızının düşük olduğu illerde rüzgâr türbinleri kurulumunun gerçekleştirilememesine bağlı olarak NPC değerinin oldukça yükseldiği görülmüştür. Coğrafi özellikler dikkate alındığında, rüzgâr hızı 3,8 m/s'nin altında olan iller için rüzgâr türbinlerinin, şebekeye bağlı HRES konfigürasyonunda HOMER Pro yazılımı tarafından dahil edilmediği görülmüştür. Değişken parametreleri içeren analizlere ek olarak belirsizliklerin yenilenebilir enerji sistemlerini nasıl etkilediğini incelemek amacıyla ekonomik ve çevresel açıdan duyarlılık analizleri de gerçekleştirilmiştir. PV panellerinin ve rüzgâr türbinlerinin değişen sermaye maliyetlerinin etkileri göz önüne alındığında şebekeden bağımsız HRES için Artvin ve Çanakkale ilinde optimum sistem konfigürasyonun değişmediği gözlemlenmesine rağmen, şebekeye bağlı HRES için Artvin ve Çanakkale ilinde sistem konfigürasyonun değiştiği gözlemlenmiştir. Çevresel açıdan duyarlılık analizleri göz önüne alındığında ise güneş radyasyonu ve rüzgâr hızı parametrelerinin hem Artvin hem de Çanakkale ilinde artmasına bağlı olarak NPC değerinde önemli düşüşler olduğu ve Çanakkale ilinde gerçekleşen düşüşün Artvin iline kıyasla daha fazla olduğu görülmüştür. Tez kapsamında, akıllı şebekelere yönelik Teknoloji Kabul Modeli (TAM) temel alınarak, akıllı ev sistemlerinin benimsenmesini etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu araştırma Türkiye'de internet tabanlı bir anket çalışması yoluyla gerçekleştirilmiştir ve toplamda 386 katılımcının verileri kullanılmıştır. Toplanan veriler, keşfedici faktör analizi ve çok değişkenli regresyon analizi yöntemleriyle irdelenmiştir. Araştırma sonucunda, keşfedici faktör analizi ve güvenilirlik analizi kullanılarak toplanan 40 ifadenin 13 ayrı faktör altında gruplandığı tespit edilmiştir. Ayrıca, çok değişkenli faktör analizi ile oluşturulan 14 hipotezden 11'i araştırma verileri ile uyumlu olarak kabul edilirken, 3 hipotez reddedilmiştir. Sonuçlar algılanan faydanın, tutum ve niyet üzerinde en etkili yordayıcı/gösterge olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte kullanma niyeti üzerinde tutum, algılanan fayda, algılanan yenilikçilik ve algılanan maliyetin önemli bir etkisi olduğu ortaya çıksa da en fazla etkiyi algılanan fayda ve tutum sergilemiştir. Diğer bulgulardan biri de her ne kadar akıllı ev sistemlerinin pahalı olduğu bilinse de algılanan maliyetin kullanma niyeti üzerinde bir etkisi olduğu ama diğer faktörlerden daha düşük seviyede olduğu görülmüştür. Katılımcılar açısından akıllı evlerin benimsenmesinde bu sistemlerin yenilikçi olması maliyetin getirmiş olduğu dezavantajdan daha önemlidir. Akıllı ev sistemlerinde IoT tabanlı cihazlar kullanılmaktadır. Akıllı aydınlatma sistemleri de IoT tabanlı sistemlere örnektir. Bu sebeple meskenlerde aydınlatma kaynağı olarak kullanılan halojen, CFL, LED ve akıllı LED lambaların güç kalitesi ve termal etkileri de tez kapsamında araştırılmıştır. Halojen lambaların mevcut dalga formlarının büyük ölçüde sinüzoidal olduğu, CFL ve LED lambaların ise mevcut dalga formlarının sinüzoidal bir dalga formundan büyük ölçüde uzaklaştığı görülmüştür. Farklı balast teknolojilerine sahip bazı LED lambaların diğer test edilen LED ve akıllı LED lambalara göre daha düşük harmonik akımlar oluşturduğu gözlemlenmiştir. Çeşitlilik faktörlerinin harmonik bozunumlar üzerindeki etkilerini analiz etmek için farklı lamba gruplarıyla ölçümler yapılmıştır. Ölçümler, lamba sayısının artmasına bağlı olarak çeşitlilik faktörünün azaldığını göstermiştir. Buna ek olarak CFL lambalarla LED lambalar birlikte kullanıldığında çeşitlilik faktörünün daha da azaldığı gözlemlenmiştir. Lambaların harmonik özelliklerine ek olarak ısı dağılımları da test edilmiştir. Termal kameradan elde edilen sonuçlar, maksimum sıcaklığın halojen ve CFL lambaların cam yüzeyinde üretildiğini göstermiştir. LED lambalar da ise maksimum sıcaklığın soğutucu ünitesinde üretildiği görülmüştür. Halojen ve CFL lambaların aksine, LED ve akıllı LED lambaların cam yüzeyinin en düşük ısı seviyesine sahip olduğu görülmüştür. Son olarak akıllı evlerde kullanılan IoT tabanlı cihazlardan biri olan akıllı LED lambaların performanslarına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Akıllı LED lambaların kullanılmaması durumunda bile Wi-Fi modüllerine sahip oldukları için yaklaşık olarak 1 W güç harcadıkları gözlemlenmiştir. Bu sebeple akıllı LED lambaların etkinlik faktörlerinin standart LED lambalardan daha düşük olduğu ve kullanım sürelerine bağlı olarak enerji tüketimlerinin daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Akıllı bir LED lambanın renk sıcaklığına göre güç tüketiminin değiştiği gözlemlenmiştir. Kırmızı, yeşil veya mavi rengin seçilmesine bağlı olarak enerji tüketiminin azaldığı görülürken; turuncu veya mor rengin seçilmesiyle enerji tüketiminin arttığı gözlemlenmiştir. Beyaz ışık, görünür spektrumun tüm dalga boylarını içerdiğinden en fazla enerji tüketimi beyaz renkte meydana gelmiştir. Enerji tasarrufu açısından halojen, CFL, LED ve akıllı LED karşılaştırıldığında en düşük güç tüketiminin LED lamba tarafından sağlandığı görülmüştür. Akıllı LED lambaların loşlaştırılma ve uzaktan kontrol edilme özelliklerinin kullanımı birlikte sağlandığında ve diğer lambalarla kıyaslandığında en düşük güç tüketimi sağladığı sonucuna varılmıştır. Akıllı LED lambaların enerji tasarrufundan ziyade kullanıcılara daha fazla konfor sunabilen ve ek faydalar sağlayabilen cihazlar olduğu söylenebilir.