Fotovoltaik güç sistemleri için coğrafi bilgi sistemleri ve üstsezgisel algoritma kullanarak optimal yer seçimi ve boyutlandırma
Determination of optimal location and size for photovoltaic power systems by using geographical information systems and metaheuristic algorithm
Yazar: RAIMON BA WAZIR
Danışman: DOÇ. DR. NUMAN SABİT ÇETİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Ekonomik krizler ve iklim değişikliği gibi faktörler nedeniyle dünyanın temiz enerjiye yönelimi daha da artmaktadır. Enerji kullanımı onlarca yıl önce başlasa da, bu alandaki araştırma ve gelişmeler eşi görülmemiş bir hızla günümüzde devam etmektedir. Fakat temiz enerji beraberinde bir takım zorluklar da getirmektedir. Teknolojik gelişme ve verimliliğin artırılması sırasında, uygun coğrafi konum seçiminde zorluklar ortaya çıkmaktadır. Günümüzde enerji kaynaklarına göre konum belirlemesi yapmak yeterli olmamaktadır. Sahalar, yakınlık kısıtlaması (örn. elektrik şebekesi, yol ağı ve kentsel alan) ve topografik kısıtlama (örn. eğim, yönlendirme ve yükseklik) dahil olmak üzere başka kısıtlama ve kriterlere tabi tutulmaktadır. Güneş enerjisi, özellikle Fotovoltaik (PV), 1MW'lık bir PV sistemi inşa etmek için 10000 ila 20000 m2 gibi geniş bir alan gerektirdiğinden, bu zorluklarla karşılaşan temel doğal kaynaklardan biridir.
Son zamanlarda, PV sektörü dikkate değer bir küresel büyümeye tanık olmuştur. 2021 yılında, diğer temiz enerji teknolojilerine kıyasla en yüksek kümülatif artışla yıllık yaklaşık 175 GW büyümüştür. Birçok ülkede, ulusal şebekeye bağlı yere monte PV sistemleri henüz yoktur. Bu bağlamda, Yemen güneş enerjisi konusunda en zengin ülkelerden biri olup, ortalama güneş radyasyonu alımı 5-7,22 kWh/m2/gün civarındadır. Yemen'de, 2011-2016 yılları arasında PV yatırımları bir milyar doları aşmıştır. Ancak, ülke bu alanda çalışma ve altyapı eksikliğinden muzdariptir. Bu nedenle, bu tez Yemen'in Aden kentini bir saha çalışması olarak ele almaktadır.
Bu çalışma, PV sistem kurulumu için en uygun coğrafi konumu seçmeyi, Aden'in güç sistemi gereksinimlerini karşılamayı ve sistemi uygun şekilde tasarlamayı amaçlamaktadır. Coğrafi konum için ArcGIS yazılımında bir uygunluk modeli geliştirilmiştir. Bu model, değerlendirme modeli ve kısıtlamalar modelinden oluşmaktadır. Değerlendirme modeli dört gruba dayanmaktadır: iklim kriterleri, yakınlık kriterleri, topografik kriterler ve Arazi Kullanımı ve Arazi Örtüsü (LULC). Burada Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP) ve Coğrafi Bilgi Sistemleri (GIS) ile Ağırlıklı Doğrusal Kombinasyon (WLC) kullanılmaktadır. Bu arada, kısıtlama modeli, istenmeyen alanları hariç tutar ve tampon bölgeler oluşmasını sağlar.
Aden'in sistemi için üç dağıtılmış nesil (PV-Dağıtık Generatörler) MATLAB platformu kullanılarak gerçek güç sistemine optimum şekilde şebekeye verilir. Optimizasyon çalışması, minimum güç kaybıyla ilişkili en uygun yer ve boyutları bulmak için gerçekleştirilir. Bu amaçla yapay Arı Kolonisi (ABC) optimizasyon algoritması kullanılmaktadır. Bundan sonra, PV sistemi tasarlamak için PVsyst yazılımı kullanılmıştır. Tasarım, seçilen coğrafi konum ile güç sistemindeki bara arasındaki mesafeyi dikkate alır. Başka bir deyişle, PV sistemi, kayıpları telafi etmek ve şebeke güç sınırını karşılamak için geniş boyut olarak tasarlanmıştır.
Elde edilen sonuçlara dayanarak, mevcut çalışmanın ulusal şebeke üzerindeki yükü hafifletecek ve böylece bireylerin yaşantısını iyileştirecektır. Ayrıca, önerilen metodoloji, diğer yenilenebilir enerji teknolojilerinin daha sonraki çalışmaları için temellerden biri olarak kabul edilebilir.

Anahtar sözcükler: Analitik Hiyerarşi Prosesi, ağırlıklı doğrusal kombinasyon, yapay arı kolonisi, fotovoltaik, dağıtık üretim, en düşük maliyetli yol

Abstract:
In this thesis, optimal solution for the problem of leveling large pieces of land for various purposes such as irrigation and drainage has been studied. Due to economic crises, and climate change, the world is turning to clean energy more than ever. Although utilizing this energy began decades ago, research and development in this field continue at an unprecedented pace. There are many challenges facing clean energy. Apart from technological development and raising efficiency, another challenge emerges in selecting the proper geolocation. Today, identifying locations based on energy sources is not enough. The sites undergo further constraints and other criteria, including proximity (e.g. power network, road network, and urban area) and topographic (e.g. slope, orientation, and elevation). Solar energy, in particular, Photovoltaic (PV), is one of the essential natural resources facing these challenges since constructing a 1MW PV system requires between 10000 and 20000 m2.
Recently, the PV sector has witnessed remarkable global growth. In 2021, it had an annual increase of about 175 GW, which is the highest value compared with other technologies of clean energies. In many countries, ground-mounted PV system connected to the national grid is not yet. In this context, Yemen is one of the wealthiest countries in solar energy, and the receiving average solar radiation is about 5-7.22 kWh/m2/d. Between 2011 and 2016, the investment in PV reached more than 1 billion dollars. However, the country suffers from a lack of studies and infrastructure in this field. Therefore, this dissertation takes the Aden governorate of Yemen as a case study.
This study stands to select the most suitable geolocation for PV system establishment, meet Aden's power system requirements, and properly design the system. For the geographical location, a suitability model is developed in ArcGIS software. This model comprises of evaluation model and a constraints model. The evaluation model is based on four groups: climate criteria, proximity criteria, topographic criteria, and LULC. Herein, Analytic Hierarchy Process (AHP) and Weighted Linear Combination (WLC) with Geographical Information Systems (GIS) are used. Meanwhile, the constraints model excludes unwanted areas and provides buffer zones. 
For Aden's system, three distributed generations (PV-DGs) are injected optimally into the actual power system using the MATLAB platform. The optimization is performed to find the optimal locations and sizes associated with minimum power loss. The artificial Bee Colony (ABC) optimization algorithm is used for this purpose. After that, PVsyst software is used to design the PV system. The design considers the distance between the selected geolocation and the bus in the power system. In other words, the PV system is designed oversized to compensate for the losses and meet the grid limit of power. 
Based on the results obtained, it is confident that the current study will mitigate the burden on the national grid and thus improve the individual's life. Furthermore, the proposed methodology can be considered one of the bases for further studies of other technologies of renewable energy.

Keywords: Analytic hierarchy process, weighted linear combination, artificial bee colony, photovoltaic, distributed generation, least cost path