İstanbul iklim şartlarında meteorolojik parametrelerin pv (fotovoltaik pil) elektrik üretimi üzerindeki etkilerinin incelenmesi
The effect of meteorological parameters on photovoltaics (pv) under climatic conditions of Istanbul
Yazar: BİHTER YERLİ
Danışman: DOÇ. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Fotovoltaik = Photovoltaic ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş paneli = Solar panel ; Güneş pilleri = Solar cells ; Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarına olan yönelme son yıllarda giderek artmaktadır. Bu yöneliş öncelikle potansiyel hesaplamalarıyla başlamış zamanla teknolojilerin uygulamasına geçilmiştir. Teknolojik anlamda güneş enerjisi uygulamaları genelde ısıtma ve elektrik üretme amaçlı olmaktadır. Elektrik üretmede fotovoltaik pil (PV) uygulamaları dünya çapında büyük ivme kazanmıştır. Fotovoltaik teknolojinin en önemli çıkmazı, malzeme özelliklerinden kaynaklanan verim düşüklüğüdür. Buna ilave olarak, uygun yer seçilmemesi bu teknolojideki verimi daha da düşürmektedir. Uygun malzeme özelliklerine sahip fotovoltaiklerin ve yüksek potansiyelli yer seçimlerinin bir araya getirilmesiyle kayıplar en aza indirgenebilir.Bu tez çalışmasında, öncelikle PV pillerin İstanbul iklim şartlarında elektriksel ve ısısal davranışları incelenmek istenmiştir. Bu doğrultuda İTÜ, Meteoroloji Parkına kurulan 750 Wp gücündeki bir sistemde ve çevresinde toplam güneş ışınımı, yayılı güneş ışınımı, atmosfer sıcaklığı, panel yüzey sıcaklığı (hücre sıcaklığı), bağıl nem ve rüzgar hızı değerleri birer dakikalık aralıklarla ölçülmüştür. Belirtilen bu meteorolojik değişkenler ile aynı zamanlı olmak üzere fotovoltaik sistemin ürettiği akım ve gerilim değerleri de depolanmıştır. İstanbul şartlarında PV uygulamalar birçok kişi ve kuruluş tarafından daha önceleri yapılmıştır. Fakat genellikle olaya, sadece elektrik üretimleri veya potansiyel güneş ışınımı uygulamaları şeklinde yaklaşılmıştır. İstanbul iklim şartlarının fotovoltaik elektrik üretimini nasıl ve ne oranda etkilediği net olarak ele alınmamıştır. Aslında bu durum sadece İstanbul değil dünyada da çok az çalışılan bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır. Fotovoltaik pil çalışmalarının genelde teknoloji üretimine yönelik olduğu görülmektedir.Bu tez çalışmasında, öncelikle her bir aya ait olmak üzere PV elektrik üretimleri ortalamadan itibaren 0.5, 1.0 ve 1.5 standart sapma aşağı ve yukarı olacak şekilde parçalara ayrılmıştır. Ortalamanın 0.5 standart sapma altı ve daha küçük değerleri ?düşük üretim bölgesi?, ortalamanın 1.0 standart sapma üstünden yüksek bölgesi ?yüksek üretim bölgesi?, ortalamanın 1.5 standart sapma üstü bölgesi ?ekstra yüksek üretim bölgesi? şeklinde bir sınıflandırma yapılmıştır. Ortalamadan 2.0 standart sapma verileri bulunmakla birlikte bunların sayıları çok az olduğundan değerlendirmeye ayrı bir grup olarak alınmamışlardır.Bu tez çalışmasında, her bir meteorolojik değişkenin yukarıdaki paragrafta anlatılan PV elektrik üretim bölgelerindeki değerler ile ilişkilerine bakılmıştır. Buna göre meteorolojik değişkene bağlı olarak elektrik üretimi ne oranda artmakta veya azalmaktadır? Bu artma veya azaltma etkilerini incelemek ve aynı şeyleri karşılaştırmak amacıyla yeni bir yöntem önerisinde bulunulmıuştur. Bu yöntemde gruplara ayrılan PV elektrik üretim değerlerinin toplam güce bölünmesiyle kapasite faktörleri belirlenmiştir. Bu kapasite faktörlerinin ardışık olarak meteorolojik değişkene bağlı artış ve azalış değişim hızı, ?değişim katsayısı? olarak adlandırılan bir yeni yöntem ile ele alınmıştır. Bu artış ve azalışlar aynı zamanda her bir değişkenin üretime olan katkısını göstermektedir. Her bir değişkenin toplam değişim katsayısı, mutlak değişim katsayısına bölündüğünde ise değişkenin belirlenen gruptaki ?etki katsayısı? elde edilmektedir.Bu çalışmada, daha önce bahsedildiği üzere 750 Wp gücünde, güneş yörünge izlemeli kurulan sistemin elektrik üretim davranışları birer dakikalık arayla ele alınmıştır. Bunun sonucunda toplam güneş ışınımının üretilen elektrik ile olan ilişkisi, şüphesiz ki diğer değişkenlerin önünde gelmektedir. Güneş ışınım değerleri artıkça elektrik üretimi de artmaktadır. Fakat burada dikkat çekilmesi gereken önemli bir nokta, güneş enerjisine bağlı enerji verimliliğinde güneş ışınımı arttıkça verimin artmamasıdır. Bunun temelinde de yüksek potansiyele karşılık üretimin düşük olması yatmaktadır. Toplam güneş ışınımı bu sistemin ve bütün dünyadaki yenilenebilir kaynakların temelini oluşturmaktadır. Bu temel yeterli seviyede olmadığı sürece diğer meteorolojik değişkenler pek önem taşımamaktadırlar. İstanbul şartlarında, özellikle yaz aylarında 1200 W/m2 ye varan toplam ışınım gözlemlenmektedir. Toplam güneş ışınımı ve elektrik üretimi arasında doğrusal bir ilişkiden sadece bütün veriler ele alınırken değil ortalamanın üstündeki değerlerde de söz edilebilir. Bu değişken Şubat ayında % 34 etkili olurken Ağustos ayında % 23 etkili olmaktadır.İkinci meteorolojik değişken olarak yayılı (difüz) ışınım değerleri ele alınmıştır. Bu değişken, toplam ışınıma nazaran daha az etkili olmakta ve doğrusalıkta bozunumlar yaşanmaktadır. Yayılı ışınımın elektrik üretimini genel anlamda sabah, öğlen-ikindi ve akşama doğru olmak üzere farklı gruplarde etkidiği görülmüştür. Ayrıca yayılı ışınıma ait değişim değerleri elde edilmiştir. Bunun sonucunda Şubat ayında % 34 etkili olurken Ağustos ayında ise % 16 etkili olmuştur.Diğer bir değişken atmosfer sıcaklığıdır. Atmosfer sıcaklığı şüphesiz ki toplam güneş ışınımına bağlıdır. Bilindiği üzere PV uygulamalarında, normal test şartları olarak 1000 W/m2 toplam güneş ışınımı ve 25 oC atmosfer sıcaklığı kabulleri vardır. En yüksek verimlilikler bu şartlar altında oluşmaktadır. Bu değerlendirmeler ışığında Ağustos ayı boyunca 25-30 oC ye kadar üretimde artış varken daha sonra sıcaklığın etkisinin sabitlendiği ve yüksek sıcaklıklarda ters etki yaptığı görülmüştür. Şubat ayında ise sıcaklık artıkça üretimin artığı görülmektedir. İlave olarak diğer aylara ait ilişkilendirmeler de yapılmıştır. Bütün seviyeler için değişim değerleri ve etki katsayıları tablolar halinde verilmiştir.Dördüncü değişken olarak hücre sıcaklığı ele alınmıştır. Bu değişken güneş ışınımı, atmosfer sıcaklığı ve malzemenin özellikleriyle ilişkilidir. Özellikle 35-40 oC'ye kadar olan sıcaklıklarda üretimin artığı ve daha yükseklerde ise etkinin tam tersi bir durumun gözlemlendiği görülmüştür. Bu aralıktaki etkiden dolayı yaz aylarında hücre sıcaklığının artışı olumsuz bir özellik olarak ortaya çıkmaktadır. Fakat kış aylarında ise hücre sıcaklığı yüksek değerlere çıkamadığından dolayı üretimi artırıcı bir değişken olmaktadır. Hücre sıcaklığının elektrik üretimini artırıcı ve azaltıcı değişim oranları bulunmuştur. Buna göre Ağustos ayında hücre sıcaklığı % 6 etkili olurken Şubat ayında ise % 24 etkili olmaktadır. Her bir ayın etki katsayıları ayrıca tablolar halinde verilmiştir.Beşinci değişken olarak bağıl nem değerleri hesaba katılmıştır. Bilindiği üzere subuharı gelen güneş ışınımını yayılı ışınıma çevirerek etkisini azaltmaktadır. Bunun yanında, yüzeyden yansıyan uzun dalga boylu ışınım ise sera gazı olarak adlandırılan subuharı tarafından absorbe edilmektedir. Bir anlamda yüzeye çok yakın bir bölgede yüksek subuharı değerleri ısınmayı arttırıcı etki göstermektedir. Yapılan çalışmada düşük bağıl nem durumlarında PV elektrik üretimi artmakta, yüksek değerlerde ise azalmalara sebebiyet vermektedir. Burada şunu ifade etmek gerekir ki, bağıl nem etkisi diğer değişkenler kadar net olamamaktadır. Bu doğrultuda verisi bulunan aylara ait değişim etkileri hesaplanmıştır. Bunun yanında Ağustos ayı için bağıl nem % 19 etkili olurken Şubat ayında % 0.4 etkili olmaktadır.Son değişken ise rüzgar şiddetidir. Aynı zamanda en çok merak edilen değişkenlerden birisidir. Rüzgar şiddetinin hücre sıcaklığını azaltıcı ve böylece üretimi arttırıcı etki göstermesi beklenmekteydi. Aslında yaz aylarında beklendiği gibi oldu, hücre sıcaklığı 25 oC'nin üzerine çıktığında yüksek rüzgar şiddetleri soğutma yapmakta ve bunun sonucunda da üretim artmaktadır. Fakat asıl beklenmeyen kış aylarındaki davranıştır. Rüzgar şiddeti optimum sıcaklık olan 25 oC'den uzaklaştırmaya sebebiyet verdiğinden yüksek şiddette üretimi azaltıcı etki gözlemlenmiştir. Bir anlamda atmosfer ve hücre sıcaklıklarının optimum seviyeye gelmesi rüzgar tarafından engellenmektedir. Rüzgarın arttırıcı veya azaltıcı etki değerleri verisi bulunan her bir ay için hesaplanmıştır. Bunun yanında rüzgarın Ağustos ayında % 15 ve Şubat ayında % 1 etkili olduğu görülmektedir.Meteorolojik değişkenlerin üretime olan katkıları yanında verimle olan ilişkileri de incelenmiştir. Fotovoltaiklerde verim; kapasite faktörü ve enerji verimliliği olarak iki bölümde incelenmiştir. Kapasite faktöründe aylar bazında %20-50 oranında değerler gözlemlenmiştir. Enerji verimliliğinde ise beklenenin altında değerler elde edilmiştir. Özellikle yüksek potansiyel değerlerinde düşük ve düşük potansiyellerde yüksek enerji verimlilikleri yanıltıcı unsurlar olarak görülmüştür.Bütün bunlara ilave olarak FLUENT programında PV yüzeyinin akışı incelenmiştir. Bu incelemede çeşitli yönlerden rüzgar şiddetlerindeki sıcaklık dağılımları ele alınmıştır. Ayrıca fotovoltaik panelin yakın yüzeyi boyunca düşey rüzgar profilleri ve ısı taşınımındaki etkileri ayrıntılı incelenmiştir.

Abstract:
To interest renewable energy sources has been increasing recent years. This interest had begun with the calculation of potential then has continued with the application of the technologies. Solar energy applications by means of technology are usually objected to in the field of heating and electricity generation. PV applications in the world have gained as great increase during last decade. The most important dilemma of the PV technology is low efficiency due to the characteristics of the materials. As well, selecting the unfeasible place cause to decrease the efficiency under expectations. Combining the feasible place with the high capacity convenient material, cause to reduce the losses of the system.During this thesis, the first aim is to analyze the electrical and thermal behaviour of PVs under the climatic conditions of Istanbul. For this aim; global solar radiation, diffuse radiation, atmospheric temperature, PV cell temperature, relative humidity and wind speed are measured with one minute time interval from the 750 Wp PV test system constructed in Meteorology Park of ITU. At the same time, current and voltage of this system are also measured. PV applications in Istanbul has been done by many person and institutions before. But they generally thought as only electricty generation or potential of solar radiation applications. The effect of micro climatic conditions on PV electricty has not been researched not only in Istanbul; but also in the world. PVs searches have been generally focused on the technology production and applications.In this study, first PV electricity generation values have been divided into different groups in each month. The first class in which values are less than mean minus 0.5 standart deviation (µ-0.5?) of total data is called ?low generation area?. The ?high generation area? consists of the values that are higher than mean plus standart deviation (µ+1.0?) of data. Finally values higher than mean plus 1.5 standart deviation (µ+1.5?) of mean could be called as ?extra high generation area?. There are too few data higher than mean plus 2 standart deviation (µ+2?), so they are not divided as another group.In this study, the relationship between PV electricity generation and meteorological parameters which are mentioned above have been considered. A new method is suggested to understand the effects of these parameters on PV electricity generation. In this method, grouped PV electricity generation values are divided to total capacity of PV panel, so different efficiencies are defined. The consecutive increasing and decreasing variations in capacity factors are formed ?variation coefficient?. Each variation coefficient is divided by absolute variation coefficient to find ?coefficient of influence?.The first meteorologic parameter is considered as global solar radiation. As known, high solar radiation leads to high PV electricity generation. But in here, the important issue is that, energy efficincy does not increase with the radiation. This is because the potantial of PV is high but the electricity generation is low. Especially during summer, maximum 1200 W/m2 solar radiation could be observed. However, as expected, this parameter could not generate electricity such as under these conditions efficiency by 34% in February and 23% in August.The second considered meteorologic parameter is known as diffuse radiation. This parameter is less effective than total solar radiation. For electricity generation by PVs there are different groups for this parameter suc as in the morning, noon-afternoon and berfore sunset. For this parameter, the effective rate is 34% in February and 16% in August.The third considered variable is atmospheric temperature. Of course this parameter changes with the total solar radiation. As is known, in PV applications there are some assumptions like the normal test conditions of 1000 W/m2 solar radiation and atmospheric temperature of 25oC. The highest efficiencies are occurred under these conditions. With these assessments during August there is an increase in production up to 25-30 °C and then reached to fixed value. In February, electricity generation increased with increasing temperature. Relations for other months are evaluated according to mentioned procedure. Acceleration values for all levels and influence coefficients are given in tables.The fourth variable is considered as the cell temperature. This parameter is a function of solar radiation, atmospheric temperature and material properties. Especially around 35-40 °C cell temperature electricity generation is increased and higher values caused to opposite situation. As known that cell temperature increases in summer and so negative effect of cell temperature is observed. However, during winter the cell temperature would not increase too much, this parameter becomes a positive variable. Acceleration rates that reduces and increases the electricity generation are found. Accordingly, cell temperature has 6% effect in August while in February this value increases to 24%. Influence coefficients are given as well as tables for each month.As a fifth meteorological variable relative humidity values are taken into account. In this study, the PV electricity generation in cases of low relative humidity increases, giving rise to a decrease in the higher levels. It should be here to express that the effect of relative humidity is not as clear as the other parameters. Effects of the acceleration data was calculated. In addition, relative humidity has 19% effect for August, while this value decreased to 0.4% in February.Last considered parameter in this research is wind speed. At the same time one of the most curious variable. With increasing wind speed, it would cause to reduce the cell temperature and thus increase the higher generation. Positive situations are observed when the cell temperature was higher than 25 °C, the strong wind cool the solar panel and as a result generation increased. But the unexpected situation was occurred in winter. Wind speed cooled solar panel away from the optimum temperature of 25 oC. In a sense, the optimum temperature of the atmosphere and the cell level is hindered by the wind to come. Increase or decrease values of the wind effect is calculated for each month of data. In addition, the wind in August is seen to be effective as 15% and 1% in February.Besides, their contribution to electricity generation, efficiency with meteorological variables are investigated. Photovoltaics efficiency is considered with two sections, these are capacity factor and energy efficiency. Capacity factor values observed in the rate of 20-50% in terms of months. Energy efficiency values are obtained lower than expected. Particularly low efficiency levels of high potential and low potential of high energy efficiency is seen as misleading elements.In addition to all this, the surface flow of the photovoltaic array is investigated in Fluent program. In this study, temperature distributions under different wind directions are discussed. In addition, heat transfer near the surface of photovoltaic panels and vertical wind profiles are examined in detail.