Güneş enerji sistemlerinde verimlilik analizi: Nijer güç sistemi uygulaması
Efficiency analysis in solar energy systems: Niger power system application
Yazar: ISSIFA HAMIDOU TINNI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TÜRKER FEDAİ ÇAVUŞ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İklim değişikliği ve küresel ısınma, mümkün olan en düşük karbon salınımıyla daha temiz enerji üretimi ve tüketimini tetiklemiştir. Nükleer enerjinin yanı sıra yenilenebilir enerji kaynakları da bu hedefe ulaşmak için uygun yöntemlerdir. Nükleer enerji güvenlik nedeniyle pek çok devlet tarafından rağbet görmese de yenilenebilir enerjiler için bu durum tam tersidir. Yenilenebilir enerjilerin toplam kurulu gücü son yıllarda, özellikle de Kyoto anlaşmasının imzalanması ve "net-sıfır" karbon nötrlüğüne ulaşmayı amaçlayan Paris anlaşmasından bu yana muazzam bir artış göstermiştir. Ancak Nijer gibi ülkeler için yenilenebilir enerjiler ve özellikle de güneş enerjileri sadece elektrik üretmenin en çevre dostu yolu değil, aynı zamanda ulusal enerji üretimlerini en düşük maliyetle artırmanın da en etkili yoludur. Nijer, güneş enerjisi için ideal coğrafi konumuna ve nehri boyunca iyi bir su akışına sahip olmasına rağmen, komşusu Nijerya'nın elektrik ihracatına büyük ölçüde bağımlıdır. Yenilenebilir enerjiler Nijer'in enerji kullanımında çok mütevazı bir paya sahiptir. Güneş ve rüzgâr enerjisi çoğunlukla köylerde ve elektrik şebekesinden uzak bölgelerde merkezi olmayan enerji üretim kaynakları olarak kullanılmaktadır. Nijer'in ilk ve tek güneş enerjisi santrali MALBAZA bölgesinde bulunmaktadır ve 7 MW kapasiteye sahiptir. Güneş enerjisi, elektrik kesintilerinden kaynaklanan enerji açığını kapatmak için elektrik şebekelerine ek olarak çoğunlukla evlerde kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinleri, Nijer'in belirli bölgelerdeki iyi rüzgâr koşullarına rağmen esas olarak su pompalamak ve tarım arazilerini sulamak için kullanılırken henüz elektrik üretimi için kullanılmamaktadır. Buna ek olarak 2025 yılına kadar tamamlanması beklenen ve tahmini toplam 130 MW'lık bir üretime sahip bir hidroelektrik baraj projesi de devam etmektedir. Ayrıca Nijer'de elektrik üretim kapasitesini artırmak için güneş enerjisine olan ilgi giderek artmakta ve ülkede mevcut olan farklı yenilenebilir kaynaklardan yararlanmak için çeşitli projeler yürütülmektedir.
Bu tezde, Nijer'in iklim ve çevre koşullarında güneş enerjisi tesislerinin verimliliği üzerine bir çalışma ve analiz gerçekleştirilmiştir. Güneş ışınımı, rüzgâr, gölgeleme ve sıcaklık gibi güneş hücrelerinin verimliliğini etkileyen ana iklim faktörleri analiz edilmiştir. Bir güneş sistemi tasarlanırken, fotovoltaik hücrelerin verimini en üst düzeye çıkarmak için akıllıca bir ekipman seçimi yahücremalıdır. Güneş hücreleri büyük ölçüde güneş ışınımına bağımlıdır. Zayıf bir ışınım, güneş hücreleri tarafından sağlanan toplam gücü azaltacaktır. Tıpkı güneş radyasyonu gibi, toz ve gölgeleme de fotovoltaik hücrelerin verimliliği üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Bu nedenle güneş enerjisi sistemlerinin bu farklı parametreler göz önünde bulundurularak kurulması ve güç çıkışını optimize etmek için ideal yöntemler kullanılması gerekir. Tipik olarak, güneş fotovoltaik sistemlerinde kullanılan kontrolörler, güneş hücrelerinin gün boyunca mümkün olan maksimum miktarda enerji üretmesini sağlayan güç noktası izleme sistemlerini içerir. Her biri kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip çeşitli maksimum güç noktası izleme yöntemleri vardır. Bu tezde maksimum güç noktası takibinin ana yöntemleri incelenmiş ve işleyiş biçimleri açıklanmıştır. Maksimum güç noktasını izlemenin çok yönlü ve en basit yöntemi, güneş enerjisi tesislerinde de en yaygın olarak kullanılan P&O (perturb and observe – değiştir ve gözle) yöntemidir.
Dış çevre faktörleri güneş hücrelerinin verimliliği üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğundan enerji santralinin yeri iyi seçilmelidir. Özellikle güneş ışınımı ve iklim koşullarının gelişimine ilişkin olarak bölgenin teknik açıdan incelenmesi gereklidir. Güneş ışınımı doğrudan çeşitli veri tabanlarından elde edilebilir ancak bu veriler her zaman güneş ışınımının gerçek değerini tam olarak temsil etmez. Güneş panelleri tarafından alınan güneş ışınımını elde etmek için, dağınık güneş fraksiyonu ve/veya dağınık güneş katsayısı gibi bazı parametrelerin güneş ışınımının nihai değerlendirmesine dahil edilmesi gerekir. Parlaklık indeksi, güneş ışınımının bir kesri olarak ifade edilir. Parlaklık indeksi küresel güneş ışınımının (H) dünya dışı güneş ışınımına (H0) bölünmesiyle, güneşlenme oranı güneşlenme saatlerinin (S) maksimum güneş ışınımı saatlerine (S0) bölünmesiyle ve dağınık fraksiyon ise dağınık güneş ışınımının (Hd) küresel güneş ışınımına (H) bölünmesiyle elde edilir. Yaygın radyasyonu belirlemenin en yaygın yöntemlerinden biri (H/H0) veya (S/S0) katsayılarını kullanmaktır.
Güneş panellerinin her zaman etkin bir şekilde güneşe doğru yönlendirildiğinden emin olmak da önemlidir. PV panellerin her zaman güneşe doğru yönlendirildiğinden emin olmak için sistem, "Tracker" adı verilen güneş takip sistemleri ile donatılmalıdır. Tracker adı verilen bu sistemler, gün boyunca güneşi doğudan batıya doğru takip eden tek eksenli izleyici, yatay tek eksenli izleyici ve eğik eksenli izleyiciyi içerir. Güneş radyasyonundan gelen maksimum enerji, tek eksenli izleme modunda silindirik antenler gün ortasında güneş ışınlarına dik tutulduğunda korunabilir. Güneş ışınlarının silindirik kabul düzlemine göre eğimi ve kosinüs etkisi nedeniyle güneş radyasyonu enerjisi azalır. Yılın mevsimleri boyunca gün içerisinde güneşi doğudan batıya ve kuzeyden güneye takip eden çift eksenli izleme cihazlarıyla mümkün olur. Çift eksenli takip, güneşi bir derece hassasiyetle takip eden iki doğrusal aktüatör motoru tarafından sağlanır. 
İhtiyaçlara veya kısıtlamalara bağlı olarak, fotovoltaik tesisler elektrik şebekesine bağlanabilir. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemlerin toplam gücü son yıllarda istikrarlı bir şekilde artmıştır ve şu anda toplam kurulu fotovoltaik gücün büyük bir bölümünü oluşturmaktadır. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemler, kurulu toplam güce bağlı olarak seri veya paralel bağlanmış ve bir veya daha fazla invertöre bağlanmış güneş panellerinden oluşur. Bir fotovoltaik sistem kurulduktan sonra çok az bakım gerektirir ve genellikle arıza sayısı oldukça azdır. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem, önleyici bakım gerektirmediği için en basit teknik işletime sahip yenilenebilir enerji sistemidir. Üretilen elektrik, sahanın tüketimi için elektrik tedarikinde olduğu gibi otomatik olarak şebekeyi besler. Basit izleme sistemdeki herhangi bir arızayı tespit edebilen sensörler, insan müdahalesinin gerekli olabileceği bazı sahalar dışında, rüzgâr ve yağmur tarafından doğal olarak temizlenir. Ancak ortalama ömrü 8 ila 12 yıl olan invertörün takibi yahücrearak değiştirilmesi gerekmektedir. Elektrik şebekesine bağlı olmayan tesislerin kurulumu bağlı olanlara görece daha basittir. Santral elektrik şebekesine bağlanacaksa, şebekeyle frekans senkronizasyonu, reaktif güç kontrolü ve kararlılık kontrolü gibi bir dizi önlemin alınması gerekir.
Bu tezde, farklı çevresel faktörler ve güneş radyasyonu dikkate alınarak bir güneş enerjisi santralinin kurulumu adım adım gerçekleştirilmiştir. Kurulumun ekonomik analizi önce matematiksel olarak, daha sonra da Uluslararası Yenilenebilir Enerji Ajansı tarafından geliştirilen bir yenilenebilir enerji simülasyon programı olan HOMER kullanılarak önerilmiştir. Işınım ve ortam sıcaklığının güneş panellerinin güç ve gerilim çıkışı üzerindeki etkisi, Matlab Simulink'te fotovoltaik hücrelerin matematiksel modellemesi kullanılarak analiz edilmiştir.
Fotovoltaik teknolojilerin gelişimi, güneş enerjisi santrallerinin kurulmasını ve elektrik şebekesine entegre edilmesini büyük ölçüde kolaylaştırmıştır. Ancak yeni bir enerji kaynağının mevcut bir elektrik dağıtım şebekesine entegre edilmesi dağıtım şebekesinde bir dizi aksamaya neden olarak kayda değer ölçüde verim kaybına yol açmaktadır. Bu nedenle, bir fotovoltaik güneş enerjisi santrali kurmadan önce, şebekedeki güç kayıplarını ve gerilim transferlerini önlemek için elektrik şebekesinde en uygun konumu belirlemek önemlidir.
Niamey bölgesinde merkezi olmayan bir güneş fotovoltaik enerji santralinin entegrasyonu için ideal konumları belirlemek amacıyla elektrik dağıtım şebekesi üzerinde farklı konumlara bağlı iki elektrik jeneratörünün analizi yapılmıştır. Optimum konumun değerlendirilmesi genel optimizasyon algoritmaları kullanılarak gerçekleştirilmiş ve ardından güç aktarımı MATPOWER kullanılarak tahmin edilmiştir. Tüm sistem 34 düğümden oluşan IEEE modeline göre referanslamıştır. Sistem, şebeke gerilimi 0,95 ile 1,05 arasında tutularak 3 farklı düğüm üzerinde simüle edilmiştir. Analiz sonuçları; 16, 23 ve 15 numaralı baralara yeni enerji kaynakları ekleyerek şebeke gerilimini iyileştirmenin mümkün olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Climate change and global warming have prompted the need for cleaner energy production and consumption, with the lowest possible carbon emissions. Along with nuclear power, renewable energies are the most appropriate methods of achieving this goal. If nuclear energy is not too popular with many countries for security reasons, this is completely the opposite for renewable energies. In fact, the total installed capacity of renewable energies has grown enormously in recent years, especially since the signing of the Kyoto treaty and the Paris agreement aiming for "net-zero" carbon neutrality. However, for countries like Niger, renewable energies, and more specifically solar energies, are not only the most environmentally-friendly means of producing electricity, they are also the most effective way of increasing their national energy production at the lowest cost. Indeed, Niger is heavily dependent on electricity exports from its neighbor Nigeria, despite its ideal geographical position for solar energy and the good hydraulic flow along its river. Renewable energies account for a very modest share of Niger's energy mix. Solar and wind power are mainly used as decentralized sources of energy production in villages and areas far from the power grid. Niger's first and only solar power plant is located in the MALBAZA region and has a capacity of 7 MW. However, solar energy is mainly used in domestic households, in addition to the electricity grids, to make up for the energy deficit caused by power cuts. Wind turbines are not yet used for electricity production, despite the good wind conditions in certain regions of Niger. Wind turbines are mainly used for pumping water and irrigating farmland. A hydroelectric dam project is also underway, with an estimated total output of 130 MW, to be completed by 2025. To increase its electricity production capacity, Niger is increasingly interested in solar energy, and several projects are underway to take advantage of the different renewable resources available in the country.
In this thesis a study and analysis of the efficiency of solar installations in general and in the climatic and environmental conditions of Niger was carried out. The main climatic factors impacting solar cell efficiency such as solar irradiation, wind, shading and temperature were analyzed. Depending on needs or constraints, photovoltaic installations may or may not be connected to the electricity grid. When designing a solar system, it's important to choose the right equipment to maximize the efficiency of the photovoltaic cells. Solar cells are highly dependent on solar radiation. A poor beam will reduce the total power delivered by the solar cells. Like solar radiation, dust and shading have a strong impact on the efficiency of photovoltaic cells. So solar systems need to be installed with these parameters in mind, and methods for optimizing power output need to be employed. Typically, the controllers used in photovoltaic solar systems include power point tracking systems, enabling the solar cells to produce the maximum possible energy on any given day. There are several types of maximum power point tracking, each with its own advantages and disadvantages. The main methods of tracking the maximum power point have been studied and their operation explained in this thesis. The most versatile and simplest method of tracking the maximum power point is the P&O method, which is also the most widely used in solar installations.
It's also important to ensure that the solar photovoltaic panels are always effectively oriented towards the sun. To ensure that the FV panels are always oriented towards the sun, the system must be equipped with solar tracking systems called TRACKERS. The uniaxial tracker, which follows the sun from east to west throughout the day, includes the horizontal uniaxial tracker and the oblique-axis tracker.  In uniaxial tracking mode, maximum solar radiation energy can only be maintained when the cylindrical antennas are kept perpendicular to the sun's rays at midday. Solar radiation energy is reduced due to the inclination of the sun's rays to the cylindrical acceptance plane and the cosine effect. Biaxial tracking devices that follow the sun from east to west during the day and from north to south during the seasons of the year. Biaxial tracking is provided by two linear actuator motors that follow the sun with an accuracy of one degree. During the day, it follows the sun from east to west.
As external environmental factors have a major impact on the efficiency of solar cells, the location of the power plant must be well chosen. In general, a technical study of the area is necessary, especially concerning the evolution of solar irradiation and climatic conditions. Solar irradiance can be obtained directly from various databases, but these data do not always accurately represent the true value of solar irradiance. To obtain the solar irradiance received by solar panels, certain parameters such as the diffuse solar fraction and/or the diffuse solar coefficient need to be introduced into the final solar irradiance evaluation. The brightness index is expressed as a fraction of the solar irradiance. The brightness index is the global solar irradiance (H) divided by the extraterrestrial solar irradiance (H0), the sunshine rate is the number of hours of sunshine (S) divided by the maximum number of hours of solar irradiance (S0) and the diffuse fraction is the diffuse solar irradiance (Hd) divided by the global solar irradiance (H). One of the most common methods of determining diffuse radiation is to use the coefficients (H/H0) or (S/S0).
 Grid-independent systems are simpler to install, and are generally used in locations not close to the electricity grid. They are also widely used in urban areas, and in some countries benefit from subsidies for their installation. They are generally accompanied by batteries to ensure autonomy even in times of poor solar irradiation or at night. The installation of solar power plants is a little more complex and requires a good knowledge of the installation site. If the center is to be connected to the grid, a number of precautions need to be taken, such as frequency synchronization with the grid, reactive power control and stability control. Solar power plants are generally not installed with battery storage because of the high cost and rapid deterioration of batteries. Our results show that for an ideal photovoltaic installation, i.e. without taking environmental factors into account, 7 units of 400W solar panels would be needed to meet the energy requirements of a 14440W/h installation. However, 9 units of 400W photovoltaic panels would be needed for the same installation if shading and dust are taken into account. A 20MW installation under the solar irradiation conditions of the city of Niamey shows good energy efficiency, and the plant can pay for itself in 7 years.
In this thesis, the step-by-step installation of a solar power plant, taking into account the different environmental factors and solar radiation, has been carried out. An economic analysis of the installation was proposed first mathematically and then using HOMER, a renewable energy simulation program developed by the International Renewable Energy Agency. The impact of irradiation and ambient temperature on the power and voltage output of the solar cells was analyzed by mathematical modeling of the photovoltaic cells using Matlab Simulink.