Akıllı şebekelerde şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız hibrit yenilenebilir enerji sistemlerinin tekno-ekonomik karşılaştırmalı analizi ile akıllı ev uygulamaları
Techno-economic comparative analysis of grid-connected and islanded hybrid renewable energy systems and smart home applications in smart grids
Yazar: ONUR AYAN
Danışman: PROF. DR. BELGİN EMRE TÜRKAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı binalar = Intelligent buildings ; Akıllı şebekeler = Intelligence networks ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu tez çalışmasında akıllı şebekeler kapsamında meskenlere yönelik "Hibrit Yenilenebilir Enerji Sistemlerinin (Hybrid Renewable Energy System, HRES)" bölgelere göre karşılaştırmalı analizine ve akıllı bina uygulamalarına yer verilmiştir. Bu kapsamda ilk olarak Türkiye'nin 7 bölgesindeki en düşük, ortanca ve en yüksek güneş radyasyonu değerleri göz önüne alınarak toplam 21 il; teknik, ekonomik ve çevresel açıdan HOMER Pro yazılımı kullanılarak birbirleriyle karşılaştırılmıştır.
Her bir ildeki sistem bileşenlerinin büyüklüğü dikkate alınarak en optimum çözümün bulunması amaçlanmıştır. Analizler hem şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız olarak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, birçok ile yönelik şebekeye bağlı HRES için en optimum sistem konfigürasyonunun Grid/PV/WT olduğunu gösterirken şebekeden bağımsız HRES göz önüne alındığında test kapsamındaki bütün iller için en uygun sistem konfigürasyonunun PV/WT/DG/BESS olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte şebekeden bağımsız ve şebekeye bağlı HRES için en düşük ve en yüksek "Net Bugünkü Maliyetin (Net Present Cost, NPC)" sırasıyla Marmara Bölgesi'ndeki Çanakkale ili ve Karadeniz Bölgesi'ndeki Artvin ili olduğu görülmüştür.
Rüzgâr hızının düşük olduğu illerde rüzgâr türbinleri kurulumunun gerçekleştirilememesine bağlı olarak NPC değerinin oldukça yükseldiği görülmüştür. Coğrafi özellikler dikkate alındığında, rüzgâr hızı 3,8 m/s'nin altında olan iller için rüzgâr türbinlerinin, şebekeye bağlı HRES konfigürasyonunda HOMER Pro yazılımı tarafından dahil edilmediği görülmüştür.
Değişken parametreleri içeren analizlere ek olarak belirsizliklerin yenilenebilir enerji sistemlerini nasıl etkilediğini incelemek amacıyla ekonomik ve çevresel açıdan duyarlılık analizleri de gerçekleştirilmiştir. PV panellerinin ve rüzgâr türbinlerinin değişen sermaye maliyetlerinin etkileri göz önüne alındığında şebekeden bağımsız HRES için Artvin ve Çanakkale ilinde optimum sistem konfigürasyonun değişmediği gözlemlenmesine rağmen, şebekeye bağlı HRES için Artvin ve Çanakkale ilinde sistem konfigürasyonun değiştiği gözlemlenmiştir.
Çevresel açıdan duyarlılık analizleri göz önüne alındığında ise güneş radyasyonu ve rüzgâr hızı parametrelerinin hem Artvin hem de Çanakkale ilinde artmasına bağlı olarak NPC değerinde önemli düşüşler olduğu ve Çanakkale ilinde gerçekleşen düşüşün Artvin iline kıyasla daha fazla olduğu görülmüştür.
Tez kapsamında, akıllı şebekelere yönelik Teknoloji Kabul Modeli (TAM) temel alınarak, akıllı ev sistemlerinin benimsenmesini etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu araştırma Türkiye'de internet tabanlı bir anket çalışması yoluyla gerçekleştirilmiştir ve toplamda 386 katılımcının verileri kullanılmıştır. Toplanan veriler, keşfedici faktör analizi ve çok değişkenli regresyon analizi yöntemleriyle irdelenmiştir. 
Araştırma sonucunda, keşfedici faktör analizi ve güvenilirlik analizi kullanılarak toplanan 40 ifadenin 13 ayrı faktör altında gruplandığı tespit edilmiştir. Ayrıca, çok değişkenli faktör analizi ile oluşturulan 14 hipotezden 11'i araştırma verileri ile uyumlu olarak kabul edilirken, 3 hipotez reddedilmiştir. Sonuçlar algılanan faydanın, tutum ve niyet üzerinde en etkili yordayıcı/gösterge olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte kullanma niyeti üzerinde tutum, algılanan fayda, algılanan yenilikçilik ve algılanan maliyetin önemli bir etkisi olduğu ortaya çıksa da en fazla etkiyi algılanan fayda ve tutum sergilemiştir. Diğer bulgulardan biri de her ne kadar akıllı ev sistemlerinin pahalı olduğu bilinse de algılanan maliyetin kullanma niyeti üzerinde bir etkisi olduğu ama diğer faktörlerden daha düşük seviyede olduğu görülmüştür. Katılımcılar açısından akıllı evlerin benimsenmesinde bu sistemlerin yenilikçi olması maliyetin getirmiş olduğu dezavantajdan daha önemlidir.
Akıllı ev sistemlerinde IoT tabanlı cihazlar kullanılmaktadır. Akıllı aydınlatma sistemleri de IoT tabanlı sistemlere örnektir. Bu sebeple meskenlerde aydınlatma kaynağı olarak kullanılan halojen, CFL, LED ve akıllı LED lambaların güç kalitesi ve termal etkileri de tez kapsamında araştırılmıştır. Halojen lambaların mevcut dalga formlarının büyük ölçüde sinüzoidal olduğu, CFL ve LED lambaların ise mevcut dalga formlarının sinüzoidal bir dalga formundan büyük ölçüde uzaklaştığı görülmüştür. Farklı balast teknolojilerine sahip bazı LED lambaların diğer test edilen LED ve akıllı LED lambalara göre daha düşük harmonik akımlar oluşturduğu gözlemlenmiştir.
Çeşitlilik faktörlerinin harmonik bozunumlar üzerindeki etkilerini analiz etmek için farklı lamba gruplarıyla ölçümler yapılmıştır. Ölçümler, lamba sayısının artmasına bağlı olarak çeşitlilik faktörünün azaldığını göstermiştir. Buna ek olarak CFL lambalarla LED lambalar birlikte kullanıldığında çeşitlilik faktörünün daha da azaldığı gözlemlenmiştir.
Lambaların harmonik özelliklerine ek olarak ısı dağılımları da test edilmiştir. Termal kameradan elde edilen sonuçlar, maksimum sıcaklığın halojen ve CFL lambaların cam yüzeyinde üretildiğini göstermiştir. LED lambalar da ise maksimum sıcaklığın soğutucu ünitesinde üretildiği görülmüştür. Halojen ve CFL lambaların aksine, LED ve akıllı LED lambaların cam yüzeyinin en düşük ısı seviyesine sahip olduğu görülmüştür.
Son olarak akıllı evlerde kullanılan IoT tabanlı cihazlardan biri olan akıllı LED lambaların performanslarına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir.
Akıllı LED lambaların kullanılmaması durumunda bile Wi-Fi modüllerine sahip oldukları için yaklaşık olarak 1 W güç harcadıkları gözlemlenmiştir. Bu sebeple akıllı LED lambaların etkinlik faktörlerinin standart LED lambalardan daha düşük olduğu ve kullanım sürelerine bağlı olarak enerji tüketimlerinin daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Akıllı bir LED lambanın renk sıcaklığına göre güç tüketiminin değiştiği gözlemlenmiştir. Kırmızı, yeşil veya mavi rengin seçilmesine bağlı olarak enerji tüketiminin azaldığı görülürken; turuncu veya mor rengin seçilmesiyle enerji tüketiminin arttığı gözlemlenmiştir. Beyaz ışık, görünür spektrumun tüm dalga boylarını içerdiğinden en fazla enerji tüketimi beyaz renkte meydana gelmiştir.
Enerji tasarrufu açısından halojen, CFL, LED ve akıllı LED karşılaştırıldığında en düşük güç tüketiminin LED lamba tarafından sağlandığı görülmüştür. Akıllı LED lambaların loşlaştırılma ve uzaktan kontrol edilme özelliklerinin kullanımı birlikte sağlandığında ve diğer lambalarla kıyaslandığında en düşük güç tüketimi sağladığı sonucuna varılmıştır. Akıllı LED lambaların enerji tasarrufundan ziyade kullanıcılara daha fazla konfor sunabilen ve ek faydalar sağlayabilen cihazlar olduğu söylenebilir.

Abstract:
This thesis focuses on a comparative analysis of Hybrid Renewable Energy Systems (HRES) for residential area under the scope of smart grids, and smart building applications. In this context, 21 provinces in Turkey were compared with each other in terms of technical, economic, and environmental aspects using the HOMER Pro software, considering the lowest, median, and highest solar radiation values in the 7 regions of Turkey.
HRES were designed and simulated using the HOMER Pro Software in order to meet the daily energy demand of 13.26 kWh/day of a household. The findings for each province were compared taking into account factors such as renewable fraction (RF), net present cost (NPC), optimum system configuration, greenhouse gas emissions, and the cost of energy.
The aim was to find the most optimal solution considering the size of the system components in each province. The analyses were carried out both stand-alone and grid-tied HRES. The results showed that the most optimal system configuration for grid-tied HRES for many provinces was Grid/PV/WT, while for stand-alone HRES, the most suitable system configuration for all provinces was PV/WT/DG/BESS. The NPC range for islanded HRES was between $ 23,372.00 to $ 40,858.00, whereas for grid-connected HRES, the NPC ranged from $ 2,540.00 to $ 8,951.00. Additionally, it was observed that the lowest and highest Net Present Cost (NPC) for both stand-alone and grid-tied HRES were in Çanakkale in the Marmara region and Artvin in the Black Sea region, respectively.
In the Marmara region, Çanakkale has the lowest NPC value for stand-alone HRES, which comprises a 3.76 kW PV array, a 6.90 kW diesel generator (DG), a 1.80 kW wind turbine (WT), and 22.6 kWh batteries. On the other hand, in the Black Sea Coast Region, Artvin has the highest NPC value for stand-alone HRES, which includes a 5 kW PV array, two 1.80 kW WT units, a 6.90 kW DG, and 40.2 kWh batteries. Similarly, the grid-connected HRES for Çanakkale is optimally sized with a 5 kW PV array, a 1.80 kW WT, and a 3 kW converter. However, grid-tied HRES for Artvin only consists of a 5 kW PV array and a 3 kW converter.
Upon analyzing geographical features, it was observed that grid-connected HRES systems in provinces with a wind speed of less than 3.8 m/s did not include wind turbines. The absence of wind turbines in certain provinces results in higher values for NPC, COE, and CO2 emissions compared to other provinces.
From an economic standpoint, NPC value exhibits a decreasing trend from east to west in both grid-connected and stand-alone HRES in Turkey. Additionally, the NPC values for both grid-tied and stand-alone HRES tend to decrease from north to south across the country. In addition to the analyses including variable parameters, sensitivity analyses from an economic and environmental perspective were also carried out to examine how uncertainties affect renewable energy systems. It was found that the system configuration for a stand-alone HRES remains unaffected by any changes in the capital cost of PV and WT. The PV/WT/DG/BESS systems are technically feasible for all provinces. On the other hand, it is shown that the system configuration of grid-connected HRES undergoes significant changes based on fluctuations in the capital costs of WT and PV. When the capital cost of both PV panels and WT were altered, the NPC of the islanded HRES varied between $37,518.11-$51,939.00 for Artvin. However, for Çanakkale, it ranged from $21,402.27 to $29,978.89.
Moreover, it was observed that the NPC and COE values decreased as the capital cost of BESS decreased for stand-alone HRES. Considering the projected reduction in battery costs in the near future, it is expected that the investment costs of battery-based renewable energy systems will also decrease.
Furthermore, in both grid-connected and stand-alone HRES, the NPC value of the optimal systems decreases across all provinces as solar radiation and wind speed increase. As solar radiation and wind speed increased, the findings revealed that NPC decreased by 9.30% and CO2 emissions decreased by 9.23% for Çanakkale. For Artvin, the results indicated a more significant reduction, with NPC decreasing by 25.58% and CO2 emissions decreasing by 66.95%. According to the sensitivity analysis of the simulation results, it was observed that provinces with higher wind speed and solar energy potential were less susceptible to the impact of parameter changes.
The proportion of renewable energy and CO2 emissions also varies based on the location, geographical characteristics, wind speed, solar radiation, and clearness index of the provinces being analyzed. Due to the absence of a utility grid in islanded HRES, the renewable fraction required to fulfill the energy demand is higher compared to grid-connected systems.
Secondly, The factors that impact the adoption of smart home systems were examined using the Technology Acceptance Model (TAM) for smart grids. To achieve this, an online survey was carried out in Turkey, and the gathered data (N=386) were analyzed through exploratory factor analysis and multivariate regression analysis.
Based on the outcomes of the reliability analysis and exploratory factor analysis, 40 items were found to be grouped under 13 factors. Additionally, 11 out of 14 hypotheses generated from the multivariate factor analysis were accepted while 3 were rejected.
According to the findings, perceived usefulness has the most significant impact on the intention to use and attitude. While attitude, perceived usefulness, perceived innovativeness, and perceived cost also have a significant effect on intention to use, results showed that perceived usefulness and attitude have shown the most impact. One of the other findings was that although smart home systems are known to be expensive, they have an effect on the intention to use, but at a lower level than other factors. For the participants, the innovativeness of these systems is more important than the disadvantage of the cost in the adoption of smart homes.
Thirdly, The power quality and thermal effects of halogen, CFL, LED, and smart LED lamps used as lighting sources in residential area were compared within the scope of the thesis.
Halogen lamps were found to exhibit the lowest total harmonic current distortion (THDi) since they function as resistive loads. Conversely, LEDs have the highest THDi. However, LED lamps have lower energy consumption compared to CFLs and halogen lamps, but they produce higher levels of harmonics.
The results indicated that halogen lamps produced current waveforms that closely resembled a sinusoidal wave, whereas the current waveforms of CFLs and LEDs exhibited significant distortion from a sinusoidal wave. The total harmonic current distortion percentages for halogen lamps ranged from 1.7 to 1.8. However, the tested CFLs and LEDs generated considerably high levels of harmonics, leading to non-compliance with the IEC61000-3-2:2019 standard for class C lighting equipment. The THDi percentages for CFLs ranged between 101.5 and 103.4, while for LEDs, they varied from 121.6 to 103.4.
Despite all tested lamps having CE certification, they surpass the harmonic limits set by IEC61000-3-2:2019, except for halogen lamps. It was also found that, certain LEDs utilizing different ballast technologies display lower harmonic currents in comparison to other tested LEDs. Additionally, it was shown that lamps of the same brand share similar harmonic characteristics. Moreover, it was observed that power quality for lamps with the same brand and power rating are not influenced by different color temperatures.
Experimental tests were conducted with various groups of lamps to examine the impact of diversity factors on harmonic current emissions. The results revealed that as the number of lamps increased, the diversity factor decreased. Group-A, consisting of 3 LED lamps, had a diversity factor of 0.769, while Group-F, comprising 7 LED lamps, had a diversity factor of 0.595. Consequently, it was deduced that Group-A produced higher harmonics compared to Group-F. Furthermore, the combination of CFLs with LEDs was found to result in lower current distortion.
Various types of lamps were subjected to heat dissipation tests. The results obtained from the thermal camera revealed that halogen lamps and CFLs generated the maximum heat at their glass surfaces, while LEDs produced the maximum heat at the surface of their heat sinks. The maximum temperature recorded for halogen lamps ranged from 123.6°C to 124.3°C. In contrast, CFLs emitted heat within the range of 95.3°C to 114.2°C, and LEDs released heat between 64.8°C to 92.9°C. Unlike halogen lamps and CFLs, it was observed that the glass surface of LEDs exhibited the lowest level of heat. The use of heat sinks to cool LEDs results in LEDs producing less heat in comparison to halogen lamps and CFLs.
Furthermore, it was shown that, at the end of 1 hour, halogen lamps increased the internal temperature of a sphere with a diameter of 1 meter by 5°C to 7°C, while CFLs and LEDs did not cause significant changes in the internal temperature of the sphere.
Finally, studies were conducted on the performances of smart LED lamps, which are one of the IoT-based devices used in smart homes.
Based on the measurements conducted on two smart LED bulbs, it was observed that both devices consumed approximately 1 W of power when turned off, due to the presence of Wi-Fi modules in both lamps.
It was also observed that the power consumption of a smart LED bulb is dependent on the adjusted color setting. Based on the findings, when the smart LED bulb was set to red, green, or blue colors, its power consumption was approximately 4.3 W. However, when the orange, purple, or white were chosen, the power consumption of the smart LED bulb increased to 4.77 W, 6.76 W, and 9.71 W, respectively. Due to the fact that white light encompasses all the wavelengths of the visible spectrum, it consumes the highest amount of power.
Three case studies were conducted to comprehensively compare the energy-saving capabilities of halogen, CFL, LED, and smart LED lamps. According to the findings, when the smart LED bulb was dimmed and remotely controlled, it provided an additional energy saving of approximately 57.44% compared to conventional LED lamps. Furthermore, when the smart LED bulb was remotely controlled and dimmed, it achieved energy savings of 91.32% and 75.55% compared to halogen and CFL, respectively.