Türkiye'de farklı güneş karakteristikleri için güneş takip sistemlerinin incelenmesi ve ekonomik analizi
Technical and echonomical analysis of solar trackers with the different solar characteristics in Turkey
Yazar: MUHAMMED FATİH YAZAR
Danışman: PROF. DR. ÖNDER GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerjiye olan ihtiyacın küreselleşmeye paralel olarak her gün artış gösterdiği 21. yüzyıl dünyasında fosil yakıtların doğaya verdiği zararın yanısıra konvansiyonel bir yakıt türü olması, bu doğrultuda artan ihtiyaca karşın yakın gelecekte yetersiz kalma riski, yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyacı arttırmaktadır. Bu bağlamda enerji arzının çeşitliliği ve sürekliliği, istikrarlı büyümeyi sürdürmek isteyen ülkeler için vazgeçilmez öncelik haline gelmiştir.
Türkiye, büyümede istikrarı sağlamayı hedefleyen ülkelerden biri olarak yenilenebilir enerjiye yönelimi özellikle son 10 yıl içerisinde hızlandırmıştır. Bu kapsamda yalnızca enerjide vergi muafiyetleri ile kalmayıp, bunun yanısıra
yenilenebilir enerji teknolojilerinin ülke içerisinde üretimine yönelik de çeşitli düzenlemeler ve destek paketleri açıklamıştır. Yapılan bu düzenlemeler ve teşvikler doğrultusunda, son yıllarda özelikle rüzgar ve güneş enerjisi yatırımlarında önemli artışlar yaşanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerji sistemlerine yönelik literatürde bir çok çalışma bulunmaktadır. Söz konusu çalışmalarda genellikle, belirli bir bölgeye yönelik olası güneş radyasyon miktarının hesaplanmasına, belirli bir alan içerisinde güneş paneline düşen radyasyon miktarını iyileştirmeye ya da aynı oranda düşen güneş radyasyon miktarından daha fazla enerji üretmeye yönelik çalışmalar
bulunmaktadır. Güneş enerji sistemlerinde panel üzerine düşen ışınım miktarını arttırmak, bu sayede üretilen enerji miktarını da arttırmak amacıyla güneş takip sistemleri geliştirilmektedir. Güneş takip sistemleri, eksenlerine göre tek eksenli ve çift eksenli olmak üzere iki ana başlıkta incelenmektedir. Güneş enerjisine yönelik projelerde üretilmesi muhtemel enerji miktarı, sistemin maliyet analizi ve verimliliği gibi hususlar kurulacak sistem türü/büyüklüğü için oldukça önem arz etmektedir. Bu doğrultuda hazırlanan tez çalışmasında Türkiye'de İstanbul, İzmir ve Antalya gibi, ülkenin kuzeyinden güneyine üç farklı şehire yönelik güneş ışınım verileri incelenmiştir. Farklı güneş karakteristiklerine sahip söz konusu şehirlere ilişkin güneş radyasyon verileri TARBİL projesinden temin edilmiş olup, matematiksel hesaplamalar ve grafikler MATLAB programında gerçekleştirilmiştir. Temin edilen saatlik güneş radyasyon ve sıcaklık verileri kullanılarak, öncelikle her bölge için yıl içerisinde sabit eksenli güneş paneli üzerine düşen ışınım miktarları ve üretilmesi öngörülen enerji değerleri tespit edilmiştir. Daha sonra söz konusu hesaplamalar FV panelin manuel aylık, mevsimsel ve yarı yıllık periyotlarla optimum eğim açısına ayarlandığı sistemler ile yatay eksende günlük takip (YEGT), yatay eksende sürekli takip (YEST) ile gerçekleştiren tek eksenli takip sistemleri ve çift eksenli takip (ÇET) sistemleri için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Hesaplamaların 28 sonuçları sabit panele göre ayrı ayrı kıyaslanmıştır. Diğer taraftan elde edilen tahmini enerji üretim değerleri baz alınarak her sistem için ayrı ayrı seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCoE), karlılık endeksi (PI) ve sistemlerin geri ödeme süreleri analiz edilmiştir. Çalışma neticesinde GTS'lerin sabit sistemlere göre elektrik üretiminde önemli avantajlar sağladığı görülmektedir. Fakat mevcut durumda ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması bu sistemlerin yatırım ihtimallerini azaltmaktadır. Diğer taraftan alan kısıtlamasının olduğu ya da maliyetlerinin yüksek olduğu yerlerde düşünülebilecek sistemlerdir. GTS'lerin olmadığı durumlarda ise elle ayarlanabilir sistemler sabit sistemlere alternatif olarak düşünülebilir.

Abstract:
Energy sources can defined under two categories like renewable and non-renewable (conventional) sources. Renewable energy resources are basicly non consumable and reusable. For example, solar energy can used to convert it into energy again as long as its source is the sun and wind energy can produced while the wind continues to blow on the earth. On the other hand, non-renewable resources cant be reusable after use. Fossil fuels such as oil, natural gas and coal can counted as examples of non-renewable energy resources. Importance of energy increases every day in parallel with globalization. In addition, the environmental damage of fossil fuels, the risk of being insufficient in the near
future, and increasing energy demand enhance the importance of renewable energy resources. In this context, the diversity and continuity of energy supplies has become an indispensable priority for countries, which aim to maintain stable growth. Sustainability of an energy source related with the equal amount of energy produced and consumed from the energy source per unit time, and obtaining the energy from its natural environment. Wind energy, solar energy, geothermal energy, biogas energy, biomass energy, wave-current energy and hydroelectric energy are the common known renewable energies at present. With the developing technology, providing energy for all sectors without any trouble
is crucial for almost all countries. As a developing country, Turkey also has highly demand of energy, which continuously rises everyday. To secure sustainablity and durability of energy supply, Turkey gives high importance of renewable energy technologies. Because Turkey imports almost all nonrenewable energy sources from other countries. That is the one of the main problem, which triggers the current deficit for the country. Turkey has a considerable geographical location in terms of solar radiation and sunshine duration. The latitude of country also convenient for solar plants or different solar applications. In last few years there is a significant and dramatic rise of using solar energy systems in Turkey. It has been determined that Turkey's average annual total sunshine duration is 2737 hours (total 7.5 hours per day), average total radiation intensity is 1527 kWh/m²-year (total daily 4.2 kWh/m²). Black Sea region with the lowest sunshine duration in Turkey has approximately 2000 hours of sunshine a year, which is higher than most of the European countries. The highest insolation is in the Southeastern Anatolia region, with approximately 1460 kWh of solar energy per square meter per year, and the annual sunshine duration is approximately 3000 hours. The amount of energy produced in solar energy systems are related to the amount of sunlight falling on the panel. For this reason, photovoltaic panels are evaluated with parameters such as the geographical position of their location, solar potential and positioned with a certain tilt angle. So that the solar radiation falls on the panel optimally. However, in these systems, the angle of incidence of the solar radiation does not always fall perpendicular to the panel. Since this varies according to the position of the sun during the year, the deviation from the optimal angle value increases at certain times and causes a decrease in production. In order to reduce this effect, the inclination angles of the panels are changed at certain periods throughout the year (such as semi-annually, seasonally, monthly) to approach the optimal values. Another alternative is the systems that automatically track the sun. Solar tracking systems are electro-mechanical systems that follow the sun continuously throughout the day. Solar tracking systems defined under "single axis" or "dual axis" solar trackers. In this thesis, solar radiation data provided by TARBİL (Agricultural Monitoring and Information System) is analysed to evaluate the technical and economic performance of fixed-angle, manually adjustable tilt mechanisms and different solar tracker structures for İstanbul, İzmir and Antalya cities. These cities have different latitudes from north to south in Turkey and they have different solar characteristics. According to simulation results, some distinct results obtained which follow as; dual axis solar tracker systems aim to get higher solar radiation by following sun continuously and they may achieve 30-35% more solar energy compared to fixed systems. On the other hand, initial and operational cost of dual axis tracking systems is too high to be investable. The results show that Levelized Cost of Energy (LCoE) is 9.47 (İstanbul), 8.48 (İzmir) and 8.03 (Antalya) USD-cent/kWh. Likewise,
payback period of systems also calculated between 16 and 24 years which is too long to be profitable. For a plane with a fixed to the optimum tilt angle rotated about a vertical axis (SEDET) systems also has been examined in the study and they also have similar results with dual axis trackers, may achieve 22-24% more solar energy compared to fixed systems. Because of the single motor use, it is cheeper and less initial cost. That results with 13 to 18 years payback period from Antalya to İstanbul. Similar to all tracking systems, SEDETs can be much profitable with some tax reductions or
other governmental supports. For a plane rotated about a horizontal east-west axis with a single daily adjustment(YEGT) and for a plane rotated about a horizontal east-west axis with continuous adjustment (YEST) systems also assessed which they classified as one axis trackers and they calculations show that they achive 3-5% more energy gain compared to fixed systems. However, this energy gain is very low if we consider its initial and operating cost increase. The calculations in thesis shows that YEGT and YEST systems are not effenctive and profitable to utilize. The calculations also show that monthly, seasonal or semi-annual manually adjusted photovoltaic panels are maintained similar energy gain compared with YEGT and YEST systems. The most important advantage of manually adjusted system is almost no initial investment cost compared to fixed panels. This is the reason why manually adjusted systems have less payback periods compared with YEGT, YEST or any other solar tracking systems. It has seen that lowest payback period is 12-13 years in a fixed-tilt solar tracking system, on the other hand manually adjusted systems achived below 10 years payback period. Fixed panels are the most common used photovoltaic systems in the world due to cost of solar tracking systems. Payback periods of fixed panels calculated between 10.2 and 13.3 years with current economical parameters. As a result, it is obvious that solar trackers achive more electric power production. On the other hand, because of high initial costs, trackers cant be cost effective with current economic parameters. They are useful if there is space problem or the places which produced electricity is more important than price such as off-grid zones.