Fotovoltaik sistemlerde optimum eğim ve yönlendirme açılarının belirlenmesi
Determination of optimum tilt and orientation angles in photovoltaic systems
Yazar: MUSTAFA ARSLAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇUNKAŞ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, güneş enerjisinden elektrik elde etmek için fotovoltaik (PV) panellerin en uygun azimut ve eğim açılarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Literatürdeki çalışmalar genellikle sabit bir panel üzerine gelen ışınımı maksimize etmeye odaklanmıştır. Ancak bu çalışmada, farklı azimut ve eğim açılarına sahip PV paneller üzerine düşen toplam ışınım değeri üzerinden bir toplam ışınım modeli geliştirilmiştir.  Çalışmada, Konya ili için optimum eğim ve azimut açısı hesaplanarak PV panellerden en yüksek düzeyde elektrik enerjisi elde edilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla, Matlab ortamında optimum eğim ve yönlendirme açıları hesaplanmıştır. Işınım, güç ve sıcaklık verilerini ölçmek için bir deney düzeneği kurulmuştur. Deney düzeneğindeki PV panellerin ürettiği elektrik enerjisi anlık olarak hesaplanmış ve piranometre ile küresel ışınım değeri ölçümleri yapılmıştır. Panel çıkış gücü üzerindeki etkileri incelemek için PV panellerin karakteristik değerleri olan açık devre gerilimi Voc ve kısa devre akımı Isc ölçülmüş ve eş zamanlı olarak kaydedilmiştir. Aynı zamanda atmosferik koşulların farklı yönde ve eğimdeki PV panellerin güç çıktısı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Elde edilen teorik ve deneysel sonuçlara göre Konya ili için yatay düzlemde en uygun eğim açısı 32,08° ve en uygun azimut açısı 0° olarak önerilmiştir. Bu tez çalışmasında kullanılan meteorolojik veriler ve deney düzeneğinden ölçülen değerler Konya Selçuk Üniversitesi Kampüs alanı ve çevresine aittir.
Ayrıca, Konya için dağınık ışınım verilerini tahmin etmek için dağınık fraksiyon ve açıklık indeksi arasındaki ilişkiyi temel alan dağınık ışınım modelleri geliştirilmiştir. İki farklı yaklaşım kullanılarak dağınık ışınımın tahmini yapılmıştır. İlk yaklaşımda, NASA-SSE verileri ile dağınık ışınım tahmini için ampirik korelasyonlar önerilmiştir. İkinci yaklaşımda ise literatürdeki 12 ampirik model kullanılarak yeni dağınık ışınım modelleri geliştirilmiştir. Bu modellerin geçerliliği sekiz istatistiksel yöntemle test edilmiş ve en uygun üç model seçilerek kullanımı önerilmiştir. 
Bir diğer çalışma olarak farklı eğimlere sahip fotovoltaik panellerin yıl boyunca değişen azimut açıları dikkate alınarak ürettiği elektrik enerjisi tahmin edilmiştir. Kurulan bu sistemde, sonbahar ve kış aylarında yaklaşık ortalama 9 saat, ilkbahar ve yaz aylarında ise ortalama 13 saat üretim yapıldığı tespit edilmiştir. 8760 saatlik bir yıla ait verilerde sadece 4475 saatlik üretim verisi, elektrik enerjisi üretimi tahminlerinde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar farklı eğim ve azimut açısına sahip fotovoltaik güneş santrallerinin enerji üretiminin başarılı bir şekilde tahmin edilebildiğini göstermiştir. Elde edilen sonuçlara göre yapılan tahmin metodu elektrik üreticileri, dağıtım şirketleri ve şebeke yöneticisi için önerilebilir.

Abstract:
In this thesis study, the aim is to determine the optimal azimuth and tilt angles of photovoltaic (PV) panels to obtain electricity from solar energy. Previous studies in the literature have generally focused on maximizing the incoming radiation on a fixed panel. However, in this study, a total radiation model has been developed based on the incident radiation on PV panels with different azimuth and tilt angles. The goal of the study is to calculate the optimum tilt and azimuth angles for the Konya province to maximize the electricity generation from PV panels. For this purpose, optimum tilt and orientation angles were calculated using Matlab. An experimental setup was established to measure radiation, power, and temperature data. The electricity generated by the PV panels in the experimental setup was calculated in real-time, and global radiation values were measured with a pyranometer. The characteristic values of PV panels, open-circuit voltage Voc, and short-circuit current Isc were measured and recorded simultaneously to examine their effects on panel output power. Furthermore, the impact of atmospheric conditions on the power output of PV panels at different orientations and tilts was also investigated. According to the theoretical and experimental results obtained, the optimum tilt angle for horizontal surfaces in Konya province is recommended to be 32.08°, and the optimum azimuth angle is 0°. The meteorological data used in this thesis study and the measured values from the experimental setup are specific to the Konya Selçuk University Campus area and its surroundings.
Additionally, diffuse radiation models were developed based on the relationship between diffuse fraction and clearness index to estimate diffuse radiation data for Konya. Two different approaches were used to predict diffuse radiation. In the first approach, empirical correlations were proposed for diffuse radiation estimation using NASA-SSE data. In the second approach, new diffuse radiation models were developed using 12 empirical models from the literature. The validity of these models was tested using eight statistical methods, and the three most suitable models were recommended for use.
Another study involved predicting the electricity generation from photovoltaic panels with varying tilt angles throughout the year, considering changing azimuth angles. In this system, it was determined that an average of approximately 9 hours of production occurred during the autumn and winter months, while an average of 13 hours of production occurred during the spring and summer months. Only 4475 hours of production data from a total of 8760 hours of annual data were used in the electricity production predictions. The results showed that the prediction method successfully estimated the energy production of photovoltaic solar power plants with different tilt and azimuth angles. Based on the results obtained, the prediction method can be recommended for electricity producers, distribution companies, and grid operators.