Kule tipi güneş santrallerinin heliostat saha optimizasyonu
The heliostat field optimization of solar tower power plants
Yazar: TOLGA AKIŞ
Danışman: PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
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:
Dünyamızda fosil enerji hala yüksek oranda kullanılmasına rağmen, çevreye verdikleri zarar ve gittikçe pahalı olmaları nedeniyle yerine alternatiflerin daha çok arandığı söylenebilir. Bu alternatiflere verilebilecek en iyi örnek güneş enerjisidir. Bunun için fotovoltaik ve ısıl yollar mevcut olup, ısıl yollar daha çok kullanılmaktadır.
Isıl yöntemler çok eski çağlardan beri bilinmektedir. Antik Yunan ve Çin medeniyetlerinde görülmüştür. Isıl yollar arasında güneş kaynaklı ısıl enerjiden elektrik enerjisi eldesi yöntemleri mevcuttur. Bu yöntemlerde güneş enerjisinin yoğunlaştırılması esastır. Bu yöntemler arasında bulunan ve bu tezin konusu olan yöntem ise güneş kulesi santralleri yöntemidir. 
Güneş kulesi santralleri, merkezi bir kule etrafında konuşlandırılan ve adına heliostat denilen bir çok ayna içeren sistemin, güneşten gelen ışımayı kulede bulunan bir alıcıya yönlendirmesiyle elde edilen ısıyı elektrik elde etmek için kullanmaktadır. Bu santraller yaklaşık 1960'lı yıllarda ilk kez ortaya atılmıştır. Bundan sonrasında Avrupa'da ve Amerika'da konsorsiyumlarla beraber ilk örnekleri kurulan santraller, buralardan öğrenilen dersler ile geliştirilmiş, bazı durumlarda hibrit kullanım yapılmış ve şu andaki teknoloji seviyesine gelmiştir.  
Güneş kulesi santralleri temel olarak depolamalı veya depolamasız santraller olarak ikiye ayrılabilir. Bu santrallerde daima bulunması gereken elemanlar ise; heliostatlar, kule, alıcı, pompa veya kompresör, türbin ve ısının atıldığı  yoğuşturucu veya soğuk ısı eşanjörüdür. Depolamalı santrallerde bunlara ek olarak, depolama akışkanı, depolama tankı, depolama akışkanı pompası, ve depolama akışkanı ile çalışma akışkanı arasında ısı transferi için bir ısı eşanjörü eklenmektedir. Bu kısımda eklenebilecek isteğe bağlı elemanlar da mevcuttur. Bunlara örnek olarak hibritlenme için yedek ısıtıcı veya kojenerasyon, desalinasyon vb. için elemanlar eklenebilir. 
Güneş kulesi santrallerinin en önemli kısımlarından biri de heliostat sahasıdır. Bu kısımda enerjinin toplanması ve ısının eldesi olayları gerçekleşmektedir. Bu alandaki verimsizlikler, santrallerde ciddi enerji kayıplarının temelini oluşturmakta, istenen güç için normalden daha çok heliostat yerleştirmeye, bu nedenle hem kurulum hem de işletme maliyetlerinin artmasına sebep olabilmektedir. Dolayısıyla iyi bir heliostat sahası tasarımı, santral kayıplarının azaltımında önemli bir rol oynamaktadır. Bir heliostat için önemli olan, sürekli değişken olan güneşin konumundan gelen ışımanın, kule referansına göre sabit olan heliostata gelerek, buradan yansıtılarak kuledeki alıcıya iletilmesidir. 
Bir çok heliostatın bir arada bulunduğu bir heliostat sahasında optik kayıpların da göze alınması gerekmektedir. Bu kayıpların azaltımı için heliostatların yerleştirilmesi önem arzetmektedir. Bu amaçla Radial Stagger, Cornfield, Fermat Spiral vb. pek çok güneş tarlası dizilim şekli geliştirilmiştir. Dizilimler için günümüzde, pek çok alanda olduğu gibi, bilgisayar programlarından yararlanılmıştır.
Bu programlar, santralin konumu ve ilgili konumun iklimi vb. değişkenleri girerek istenen alanın oluşturulmasını ve sonrasında gün, saat, birim alana gelen güneş ışınımı gibi değerlerin girilmesi ile alanın beznetiminin yapılmasını sağlar. Sahanın simülasyonunu sağlarken analitik model veya Monte Carlo Işın Takibi Metodu'nu kullanarak alıcı üzerindeki akı dağılımını meydana getirebilir. Optimizasyon için ise türevsiz lineer optimizasyon algoritması kullanılır. Değişkenlerde sınırın olmadığı durumlarda, değişkenlerin lineer şekilde belli sınırlar altında değiştirilmesi ile bir fonksiyonda isteğe göre maksimum veya minimum değeri yakalamaya çalışır. 
Analitik model, güneş ışınlarının belli bir fonksiyonla, Gauss fonksiyonları, modellenmesi ile ortogonalite kavramının kullanılmasından meydana gelir. Monte Carlo Metodu ise bilgisayarlar aracılığı ile yapılan istatistiksel bir deneme yöntemidir. Çok sayıda deneme yapılarak istenen değere ulaşılmaya çalışılır.
Işın Takibi ise ilk etapta görüntü oluşturmak amacı ile ortaya çıkmıştır. Işının kaynaktan hedefe veya hedeften kaynağa takibi yapılabilir. Monte Carlo Işın Takibi Metodu'nda ise ideal yansımaya Monte Carlo Metodu ile elde edilen belli bir katsayı eklenerek bazı ışınların kaybolması veya sapması sağlanarak ışın takibi yapılmaktadır. 
Çalışmada kullanılan diğer program da, Monte Carlo Işın Takibi Metodu'nu kullanan bir tasarım ve simülasyon programıdır. Bu programda güneş konumu yüzeyler vb. elle oluşturulmalı veya dışarıdan bir dosya ile alınmalıdır. Bu işlemler tamamlandıktan sonra yaratılacak ışın sayısı ve istenen isabet sayısı verilerek program çalıştırılır. Sonrasında kaçan ve hedefe isabet eden ışınlar görülür. İlgili yüzeydeki akı dağılımı incelenebilir.  
Bu çalışmada Fas'ta bulunan Noor III Santrali'nin asıl heliostatı ve iki farklı heliostat ile benzetimi ve bu santralle aynı ısıl güce sahip bir santralin Konya Karapınar'da biri ilçenin kuzeyi, biri de güneyi olmak üzere iki ayrı sahada üç farklı heliostat çeşidi ile uygulaması ve kulenin farklı konumlarda olması durumlarının incelemesi yapılmıştır. Bu çalışmayı takiben optimizasyon için bazı parametreler seçilmiş ve lineer optimizasyon iterasyon adımları uygulanarak programın optimizasyon kısmı kullanılmıştır.
Bu çalışmanın sonucunda kule boyu ile heliostat boyutlarının birbiri ile bağlantılı olması gerektiği, güneş kulesi santrallerinin heliostat saha dizilimi alanındaki kodlama bilgisinin önemi görülmüştür. Son kısmında güneş kulesi santrallerinin optik alanında çalışmalarının artırılması, kodlama alanına eğilinmesi önerilmiştir.

Abstract:
Despite being the main source of energy, fossil fuels are to be replaced by alternative sources due to hardships in reaching them and increasing prices. The most renovned form of the alternative sources is the solar energy. Solar energy has two main ways to get the advantage of, thermal ways and direct conversion. Thermal ways are known for a longer time than direct conversion, which also needs lower technology than the direct conversion.
Thermal ways are used since very old times. There are samples of these applications in Ancient Greek and Chinese civilizations. Among these ways, the methods of generating electricity from solar thermal power is present. In these methods, concentrating solar power for generating heat energy for electricity is a norm. One of the concentrated solar power methods is solar thermal power plants, included within the subject of this thesis.
Solar tower power plants are the plants that contains a tower having a receiver, surrounded by many large area mirrors called heliostats, sending the solar radiation to the receiver, to be used to generate electricity. This concept was offered very first in 1960's. Then, in Europe and North America, some power plants formed via consortiums formed for this purpose, improvements done via lessons learned from the operations and outcomes of these plants, hybridizations implemented in some cases. Finally, today's technology has been reached.
In basics, solar thermal power plants can be separeted by two groups, plants with storage and without storage. All solar thermal power plants, regardless of their group, contains the elements to be mentioned next; heliostat field, tower, receiver, compressor which can be a pump or a compressor with respect to the working fluid, turbine and heat exchanger for heat rejection. In the plants with storage, there are also stages to be mentioned next; storage fluid, storage tank, storage fluid pump, and a heat exchanger for heat transfer between storage fluid and working fluid. There are also optional elements that can be given examples as auxillary heater for hybridization or elements are used for cogeneration, desalination etc. 
One of the most important parts of the solar thermal power plants is heliostat field. The heat will be used for the purpose of electricity generation is gained via this part. The losses in the efficiency of this part creates a basis for serious energy losses, which means more heliostats than the necessary to be placed for the demanded power, resulting more cost both in installation and operation. This means that a decent heliostat field serves a key role for better performance, efficiency and less energy losses. The important feature for a heliostat is to reflect the changing solar ray in vector to the receiver located in tower, a vector which is constant. Heliostats can be manufactured as one piece when small enough. As for the bigger ones, manufacturing in parts are more common. In manufacturing parts, there is a term,canting, comes in effect. Canting means giving the parts of heliostats some angles rather than keeping in flat, to imitate the focusing in focal mirors, resulting less light miss during the reflection if the receiver is small but heliostat is bigger. For a heliostat, there are losses that can be called as; losses due to manufactural mistakes, losses based on reflectivity, losses due to soiling, and losses due to atmospheric effects.  
In a heliostat filed containing many heliostats, there are more optical loss sources that needs to be taken into account. These losses are shading-blocking, cosine losses, and losses due to canting. To reduce these losses, a good placing of heliostats in a field is a must. For this purpose, many types of heliostat field layouts such as Radial Stagger, Cornfield, Fermat Spiral etc. are proposed. While using the layout in the thesis, like in many study field, computer prorgamms were widely used. 
One of the programs used is a computer programm which creates a layout with the conditions entered as; position and climate, thermal power desired from the heliostat field, solar representative profile, heliostat features, blocking situation, clear or hazy day, the parameter required to be seen, layout type, layout parameters etc. After that, the programm can run a simulation by entering the day, month, local hour, direct normal irradiation for simulation etc. The simulation of the heliostat can be done either via Hermite Analytical Model or Monte Carlo Ray Tracing Method, to create the flux distribution on the receiver. To do optimization, the programm uses Constrained Linear Optimization Algorithm, which means derivative-free optimization with constraints. This algorithm uses linear approximation, where there is no limit to the variables in change. With respect to the constraints given, this algorithm tries to reach an extremum, minimum or maximum, value of the function.  
Hermite Analytical Model is a model that assumes the solar rays as a function. This function will be used because the model works in orthogonality principle. The orthogonal functions of Gaussian functions are Hermite functions. Expansion of the Gaussian functions with Hermite functions are the main way of using this model. On the contrary, Monte Carlo Method is a statistical model with numerous tries, applied via computers.
Ray tracing is a process of creating a 2-D image of a 3-D world. There are types of ray tracing; forward ray tracing and backward ray tracing,with respect to the starting point chosen, either the source or the object. All these processes are done with computer. If the Monte Carlo Ray Tracing Method is mentioned, the ideal reflection equation should be multiplied by a constant which has been created by Monte Carlo Methods.
There is another computer programm that employs Monte Carlo Ray Tracing Method, having the capabilities of designing and analysing. Although it seems simpler than the program mentioned before in the first place, it has its own complexities. To start with, the type and position of the sun is defined. The Sun's position can be defined by cartezian coordinates or day, month, hour values, requiring more experience. Then, optical surfaces should be defined in absorptivity, reflectivity and transmissivity values, same goes to the back surface. After that, defining the stages is the step. Here with the surfaces created before, shapes, surface types, dimensions of the element of the stages need to be defined. This goes to the positions and aim points of the stages, which requires significant time and patience. Creating the field and tower within another programm may be considered. Here, care must be taken that light rays are subject to go through all stages. In the end, the simulation can be started with creating maximum rays, required ray interactions, including or excluding the errors. After the simulation, the ray interactions on the requested surface and ray data is able to be seen.
In this study, Noor III Solar Thermal Power Plant located in Morocco, chosen as the main subject for investigation. This plant has been taken to two same squaremeter square fields in  Konya, Karapınar, one in the south, one in the north. Tower height also remained constant. The original heliostats and two other heliostats have been chosen for this study, and in both fields, nine points have been picked for tower locations. One is in the middle, four on the corners, four in the middle of the sides. Layout type chosen as radial stagger, on whose parameters some changes done for parametric analysis. Following this study, layout parameters and heliostat mirror gap values in some heliostats have been chosen for the optimization part of the program.   
In the end of this study, it has been seen that heliostat dimensions and tower height need to be coherent, and the importance of coding skills and knowledge for heliostat optics due to work needed to be done. As final, increasing the studies focused on the optical aspect of solar thermal power plants and focusing on coding skills are reccomended.