Farklı azimut açılarındaki teras çatı fotovoltaik sistemlerinin karşılaştırmalı optimizasyonu

Abstract

Dünyadaki petrol kaynaklı yakıtların hızla tükenmesi ve giderek bir sona yaklaşması, ayrıca bu yakıtların çevre üzerindeki olumsuz etkileri insanlığın yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmesine sebep oldu. Bu kaynakların çevreci ve tükenmez özellikte olmaları enerji problemleri çözme konusunda onları çözüm odakları haline getirdi. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneş enerjisinin önemi son yıllarda giderek arttı. Güneşin dünyamız için sonsuz bir kaynak olması ve güneş enerjisi sistemlerinin maliyetlerinin son yıllarda büyük oranda düşmesi güneş enerjisi teknolojilerini piyasada kuvvetli bir hâle getirdi. İlerleyen yıllarda iklim değişikliğinin önüne geçilmesi ve emisyonların azaltılması gibi nedenlerle enerji üretimindeki payının da giderek artacağı aşikârdır. Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmede kullanılan fotovoltaik paneller, fotovoltaik etki yoluyla elektrik üretmek için güneşten gelen ışık enerjisini kullanırlar. İçlerindeki yarı iletken malzemeler yardımıyla güneş ışığını elektrik enerjisine çevirirler. Bu ilk kez Edmond Becquerel'in 1839'da fotovoltaik etkiyi keşfetmesiyle başladı ve Charles Fritts tarafından ilk güneş pillerini icat edildi. Güneş enerjisinin Türkiye' deki kullanımı 1970'li yılların sonundan başladı. 2017 yılında Türkiye, Avrupa enerji pazarında en yüksek kapasite artışı gösteren ülke oldu. İlk laboratuvar ölçekli güç santrali Didim'de Elektrik İşleri Etüt İdaresi öncülüğünde tesis edilmiştir. 2019 yılında; Türkiye'nin en büyük GES'i olması planlanan YEKA-1 projesi başlatılmıştır. Güneş pilleri birinci, ikinci ve üçüncü nesil hücreler olarak sınıflandırılabilir. Birinci nesil hücreler geleneksel veya gofret bazlı hücreler olarak da adlandırılırlar. Kristal silikondan yapılmış çok kristal silikon ve tek kristal silikon gibi malzemelerdir. Amorf silikon, CdTe ve CIGS hücreleri içeren ince film güneş pilleri ikinci nesil hücrelerdir. Hâlâ araştırma veya geliştirme çalışmaları devam eden ve bir dizi ince film teknolojisini içeren üçüncü nesil güneş pilleri, gelişmekte olan fotovoltaikler olarak tanımlanırlar. Fotovoltaik paneller çevreyi kirletmez ve düşük işletme maliyetleri ile 20-30 yıl ömre sahiptirler. Fotovoltaik modüller zemine, çatıya kurulabilir veya binaların pencere ve cephelerine entegre edilebilir. Yere monte fotovoltaik sistemine erişim kolaydır ve bakım maliyetleri daha düşüktür, ancak kentsel alanlarda arazinin mevcudiyeti ve maliyeti, yere monte fotovoltaik sistemleri için önemli bir sorundur. Kentsel ortamlardaki çatı alanları, güneş enerjisi kolektörleri ve fotovoltaik panelleri dâhil olmak üzere güneş enerjisi cihazlarının kurulumu için uygun yerler olarak kabul edilir. Binaların en çok güneşe maruz kalan yüzeylerinin çatılar olması ve diğer bölümlere göre, performanslarını olumsuz etkileyen etkenlerin az olması sebebiyle, fotovoltaik paneller daha çok enerji üretimi için genellikle çatı yüzeylerinde kullanılmaktadır. Ayrıca çatı fotovoltaik sistemleri arazi maliyeti içermez. Fotovoltaik güç sistemleri, genellikle şebekeye bağlı (on grid), şebekeden bağımsız (off grid) ve karma (hibrit) sistemlerdir. Şebekeye bağlı olmayan veya şebekeden bağımsız sistemler; sisteminde dışarıdan bir elektrik bağlantısı bulundurmadan tasarlanan sistemlerdir. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemlerde ise şebeke ile bir alışveriş söz konusudur. Bu sistemlerde, fotovoltaik sistemden üretilen enerji ihtiyaçtan fazla ise depolama yapılmaksızın şebekeye iletilir. İhtiyaçtan az enerji üretildiği zamanlarda ise şebeke bağlantısından enerji alınır. İki farklı sistemin ortak kullanımı ile oluşturulan sistemlere ise karma veya hibrit sistemler denilmektedir. Güneş radyasyonunun değişken doğası nedeniyle, fotovoltaik güneş enerjisinden güç üretimi, geleneksel enerji santrallerine kıyasla dalgalanır, bu yüzden güç maliyeti artar. Elektrik üretimi panelin üzerine düşen güneş radyasyonu ile doğru orantılı olacak şekilde ne kadar fazla olursa o kadar artacaktır. Bu sebeple, panel yerleşimleri fotovoltaik sistemlerin tasarımında ilk sıralarda gelen başlıklardan biridir. Güneş takibi yapan sistemler yardımıyla %20-40 oranında daha fazla güneş enerjisi yakalanabilmesine rağmen, takip sistemlerinin maliyeti ve takip için fazladan enerji ihtiyacı duyması sebebiyle, uygulamaları sınırlıdır. Bu nedenle, güneş kolektörünü sabit bir optimum eğim açısı değerine ayarlamak genellikle daha uygundur. Ancak kullanıcıların sabit güneş panelleri tarafından toplanan güneş enerjisini maksimize etmek için güneş panellerinin eğimi ve yönüne ilişkin doğru hesaplamalara ihtiyacı vardır. Bunun yerine uzun yıllar boyunca, güneş ışınımının yatay bileşenlerini saatlik, günlük ve aylık olarak tahmin etmek için farklı ampirik modeller kullanılmıştır. Bu modeller ile zaman, mevsim ve konum gibi farklı faktörler temelinde eğim açısını ve oryantasyon açısını değiştirerek güç üretim maliyetini iyileştirmek mümkündür. Ancak fotovoltaik modüllerinin bu eğim açısı, paralel fotovoltaik modüllerinin karşılıklı gölgelenmesine neden olur. Bu gölgeleme, fotovoltaik sisteminin verimliliğini azaltır. Paralel fotovoltaik modüllerinin artan sıra arası mesafesi ile karşılıklı gölgeleme azalır, ancak çok büyük bir mesafe, zemine monte konfigürasyon durumunda arazi maliyetinde bir artışa ve çatı konfigürasyonu durumunda çatı kullanım alanında bir azalmaya neden olur. Bu nedenle, enerji verimini en üst düzeye çıkarmak amacıyla optimize edilmiş bir sıra arası mesafe belirlenir. Güneş enerjisi sistemlerinin doğru kullanılması verim açısından önemlidir. Doğru kullanım ancak doğru fizibilite, doğru dizayn ve doğru kurulumdan geçer. Bu çalışmada da İstanbul ili için teras çatı sistemlerinin karşılaştırmalı optimizasyonu yapılmıştır. Hesaplamalar yapılırken üç senaryo üzerinde çalışılmıştır ve ayrı ayrı bu senaryolar için Matlab programı kullanılarak hesaplamalar yapılmış elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. İlk senaryo çatının solar azimut yönünde olduğu ve panellerin bu yönde çatının kenarlarına paralel olarak yerleştirildiği senaryodur. İkinci senaryo çatının solar azimut ile sabit bir açı yaptığı ve yine panellerin çatı kenarlarına paralel olduğu senaryodur. Üçüncü senaryo ise çatının solar azimut ile sabit bir açı yaptığı ama panellerin solar azimut yönünde olduğu senaryodur. Tüm bu senaryolardaki yerleşimler İstanbul ili için yılın herhangi bir tarih ve saati için, farklı eğim ve azimut açılarında çatı sisteminden elde edilen maksimum sistem güç miktarları hesaplanmıştır. Hesaplamalarda Bölüm 8 ve Bölüm 9'da verilen denklemler kullanılmıştır. Karşılaştırma yapılırken farklı azimut açılarındaki teras çatılardaki panel yerleşimleri; bina azimutu ve solar azimuta göre yerleştirildiği için bu farklı yerleşim şekillerinin sonucunda, panellerin konumlarında, sayılarında ve güneş açılarında dolayısıyla toplam elde edilen güçlerde farklılıklar olmuştur. Sonuç olarak bir sistem kurulumu yapmak için ilk önce binanın solar azimut açısının bilinmesi ve bu açıya göre değişkenlerin tespit edilmesi gerekmektedir. Farklı açılar ve parametreler altında farklı sonuçlar elde edilmektedir. Optimum sistem kurulumunun yapılabilmesinin ise değişkenler tespit edildikten sonra mümkün olacağı sonucuna varılmıştır.