50 MV kurulu güçteki güneş kulesi santralinin tasarımı ve modellenmesi
Design and modelling of solar power tower plant with nameplate capacity of 50 MW
Yazar: YUSUF KARAKAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAN KARABETOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Kapasite kestirimi = Capacity estimation ; Modelleme = Modelling

Özet:
Geçmişten günümüze insan faaliyetlerinin sürdürülebilmesini sağlamak amacıyla kullanılan enerji, uygarlığın sürdürülebilirliğinin bileşeni olup, bilimin ve teknolojinin  gelişiminde vazgeçilmez bir araçtır. Bugün sahip olunan teknolojik ve bilimsel birikimlerin geliştirilmesi ve yeni bilimsel, teknolojik buluşların ortaya çıkması için direkt veya dolaylı enerji ihtiyacı bulunmaktadır. Enerji miktarı aynı zamanda ülkelerin gelişmişlik düzeyinin bir göstergesi olup, enerji gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerin ana ihtiyaçlarından biridir ve dünya genelinde enerji tüketimi sürekli olarak artmaktadır.
Fosil yakıtlar günümüzde ihtiyaç duyduğumuz enerjinin büyük bir kısmının üretildiği kaynaklar olup, geri kalan kısmı nükleer ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılarak üretilmektedir. Fosil yakıtların yakılmasıyla ortaya çıkan sera gazlarının atmosferdeki yoğunluğunun artmasıyla küresel ortalama yıllık sıcaklık artışı gibi küresel iklim değişikliği sonuçları gözle görülür nitelikte ivme kazanmıştır. Bu da neredeyse tüm canlı ekosistemlerini barındıran habitatları olumsuz etkilemekte ve devasa miktarda CO2' in çok kısa sürede atmosfere salınımı sebebiyle canlı türlerinde ölümler hatta soy tükenmesi gibi sonuçları beraberinde getirmektedir. 
Çevre ve canlılara zarar veren fosil yakıtların kullanımı sürdürülebilinir değildir. Önlem alınmadığı takdirde bu zararların bedelinin çok büyük boyutlara ulaşacağı göz ardı edilmemelidir. Bundan dolayı fosil enerji kaynaklarının alternatifi olan yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak üretilen enerjinin artırılması ve sıfır emisyona ulaşılması zorunluluğu gün geçtikçe daha iyi fark edilmesi sağlanmalıdır.
Yenilenebilir enerji kaynakları arasında en çok bulunan ve jeotermal enerji hariç diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının kaynağı güneş enerjisidir. Güneş enerjisinden faydalanılarak direkt veya dolaylı olmak üzere iki metotla enerji üretimi gerçekleştirilir. Direkt yöntemle elektrik üretimi gerçekleştiren fotovoltaik hücreler yarı iletken malzemelerden yapılır ve bir diyot gibi çalışarak güneş ışığında bulunan enerjiyi fotoelektrik etkiden yararlanarak elektrik enerjisine dönüştürür. Yoğunlaştırılmış güneş güç (YGG) sistemlerinde ve yoğunlaştırılmış fotovoltaik güneş enerjisi (YFV) sistemlerinde termal enerji kullanılarak dolaylı yöntemle elektrik üretimi gerçekleştirilir. Güneş enerjisinden enerji üretilmesini sağlayan YGG sistemler güneş ışınlarını büyük alandan görece daha küçük bir alana kollektörler vasıtasıyla yoğunlaştırılarak termal enerji elde edilir. Sonrasında ise elde edilen termal enerji geleneksel enerji sistemlerinde olduğu gibi türbine bağlı jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisi üretilmektedir.
YGG sistemleri arasında güneş kulesi olarak da adlandırılan kule tipi yoğunlaştırılmış güneş güç santralleri, güneş ışınlarını heliostatlarda bulunan aynalar aracılığıyla kulenin tepesinde bulunan alıcıya aktarır. Alıcı yüzeyi tarafından emilen termal enerji ısı transfer akışkanına aktarılarak, buhar üretimi gerçekleştirilir. Üretilen buhar, buhar türbinine gönderilerek ve pompa, kondenser gibi elemanların eklenmesiyle birlikte Rankine çevrimi oluşturulur. Buhar kullanılan enerji santrallerinde Rankine çevrimi vardır.
Bu tez çalışmasında bahsedilen kule tipi YGG santral bileşenlerinin, tasarımı, modellenmesi, analizleri ve değerlendirilmesinde Türkiye' de kurulacak erimiş tuzla çalışan güneş kulesi santralleri için bir alt yapı oluşturulması amaçlanmıştır.
Türkiye coğrafi konum itibariyle (36 ̊-42 ̊ kuzey paralelleri) güneş enerjisi teknolojilerinin uygulanması için oldukça uygundur. Türkiye' nin güneş enerjisi potansiyeli, yıllık ortalama güneşlenme süresi 2741 saat ve yıllık ortalama güneş ışınımı şiddeti 1527,46 kWh/m2yıl' dır. Güneş ışınım şiddeti değeri güney ve güneydoğunun bazı yerlerinde 2000 kWh/m2yıl' a kadar erişebilmektedir. Güneş kulesi santralinin konumu Türkiye' nin doğrudan normal ışınım haritasına bakılarak, güneydoğu bölgesinde bulunan Gaziantep ili seçilmiştir.
Güneş kulesi santralinin tasarımı ve modellenmesi için analitik ve sayısal yöntem yapılmıştır. Analitik yaklaşımla santral tasarım modeli oluşturulurken, sonuçlar lineer olmayan sayısal çözüm yazılımı olan EES (Engineering Equation Server) yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. EES yazılımında güneş kulesinin ana tasarım parametrelerine ait denklemler ve fonksiyonlar (kodlar) yazılmış ve ana tasarım parametrelerinin değerleri bulunmıştur. Analitik yaklaşım yapılarak güneş kulesi santraline ait ana tasarım parametrelerinin analizi ve optimizasyonu sağlanır. Sayısal yaklaşımla modelleme yapılabilmesi için SolarPILOT ve SAM yazılımlarında simülasyonlar oluşturulmuştur. Gemasolar ve Gaziantep güneş kulesi santrali uygulaması olmak üzere yazılımlarla iki uygulama yapılmıştır. 
SolarPILOT ve SAM yazılımlarında Gemasolar ve Gaziantep güneş kulesi santrallerinin konumları için kullanılan iklim özellikleri Fotovoltaik Coğrafi Bilgi Sistemi internet sitesinden alınarak, 2007-2016 yılları arasında 10 yıl boyunca ölçülen meteorolojik ortalama değerlerin TMY (Tipik Meteorolojik Yıl) isminde .epw dosyası formatında indirilmesi sağlanmış ve bu .epw dosyası yazılımların kütüphanesine yüklenmiştir.
19,9 MW' lık kurulu güce sahip Gemasolar güneş santralinin kule koordinatları Google-Earth Pro programında tanımlanarak, seçilen alan için kule konumu olarak seçilmiştir. Santralin toplam arazi alanı programda bulunan çokgen şekiller kullanılarak arazi sınır çizgisi programdaki Gemasolar santraline ait toplam arazi alanı görüntüsüyle aynı olacak şekilde toplam arazi sınır çizgisi belirlenir.
SolarPILOT yazılımı Gemasolar güneş kulesi santralinin heliostat sahasındaki heliostatların düzenini oluşturur. Heliostat sahasında bulunan tüm heliostatların konumları, heliostatların alıcı yüzeyine hedeflediği noktaların koordinatları ve heliostat optik verim değerleri .csv dosyası formatında SAM (System Advisor Model) yazılımına aktarılmaktadır. SolarPILOT' da oluşturulan heliostat sahası düzeni SAM' de görüntülenebilir ve heliostat sahası, alıcı ve güç bloğu bileşenleriyle ilgili kısımlar literatürde bulunan Gemasolar güneş santraline ait proje bilgilerinden yararlanılarak santral tasarım değerleri girilmiştir. SAM yazılımı belirlenen güneş kulesi konumu için modelleme, performans ve mali danışma modelidir. SAM benzetimi yapılarak, güneş kulesi santraline ait kapasite faktörü, birinci yıl sonunda üretilen enerji miktarı ve toplam santral maliyeti bulunur.
Gemasolar güneş kulesi santrali proje bilgilerinin ve gerçek işletme değerlerinin literatürdeki çalışmalardan alınmasının amacı kullanılan yazılımların doğrulanmasını sağlamaktır. Bu nedenle Gemasolar santraline ait proje bilgileri ve işletim değerleri yazılımlardan bulunan ana tasarım parametrelerinin değerleriyle karşılaştırılıp, yazılımlarla elde edilen değerlerin gerçek değerlerle arasındaki bağıl hatadan yola çıkılarak yazılımların doğrulanması sağlanmıştır.
Eğer Gemasolar santrali uygulamasından farklı olarak inşa edilmiş bir güneş kulesi santrali dikkate alınarak yapılmıyorsa, ilk önce EES yazılımı aracılığıyla analitik yaklaşım sonuçları iteratif yöntemle hesaplanmakta ve elde edilen ana tasarım parametrelerinin değerleri SolarPILOT ve SAM yazılımlarında ilgili kısımlara girilmektedir. Yazılımlar benzetim yapılarak santralin performans ve işletim değerleri bulunabilmektedir. 
Gaziantep güneş kulesi santrali uygulaması tezin ana uygulaması olup, analitik yaklaşımla kurulu gücü 50 MW olan Gaziantep güneş kulesi santralinin temel bileşenleri heliostat sahası toplam alanı, alıcı boyutları, kule yüksekliği, güç bloğu ve termal depolama sistemine ait tasarım değerleri EES yazılımıyla bulunur. Analitik yaklaşımla bulunan santrale ait ana tasarım parametrelerinin değerleri SolarPILOT ve SAM yazılımlarında santral bileşenleriyle ilgili kısımlara girilir. SolarPILOT ve SAM yazılımları kullanılarak Gaziantep güneş kulesi için sayısal yaklaşım yapılmaktadır.  
Ayrıca analitik yaklaşımla heliostatlardan alıcıya ulaşan toplam termal güç, heliostat sahası alanı, pompa gücü ve ısı transferi termal gücünün güneş çarpanı değerine, kurulu güce, depolama süresine ve doğrudan normal ışınım değerlerine bağlı değişimlerin gösteren grafikler verilmiştir. Bu grafiklerde ana tasarım parametrelerinin halihazırdaki verileri girilerek belli bir aralıkta gözlenen değişimleri içermektedir.
Gaziantep güneş kulesi santrali için sayısal yaklaşımla bir güneş kulesi santralinin modellenmesi amacıyla Gaziantep iklim özelliklerini içeren dosyası Gemasolar santralinde yapıldığı gibi yazılımların kütüphanesine yüklenerek, santralin tasarım parametrelerinin değerleri girilmiştir.
Santralin kule konumu 37° 4′ 4,25″ K enleminde ve 37° 9′ 16″ D boylamında olacak şekilde belirlenmiştir. SolarPILOT yazılımında heliostat sahası düzeni oluşturulurken, güneş kulesi santraline ait toplam arazi alanı için analitik yaklaşımda bulunan toplam arazi alanı değeri Google Earth Pro programında Gaziantep santrali kulesinin konumu ortada ancak heliostat sahasında bulunan heliostatlardan mümkün olan en fazla termal enerjiyi elde edebilmek için alanın merkezinde olmayacak şekilde çevrili heliostat alanı sınırı belirlenir. Heliostat sahası sınır değerlerini içeren .kml dosyası SolarPILOT yazılımına aktarılarak, Gaziantep güneş kulesi santralinin heliostat saha düzeni meydana getirilir. Heliostat sahası düzeninde bulunan heliostatların konumları ve güneş ışınlarının alıcı yüzeyindeki odak noktalarının koordinatlarını içeren .csv dosyası oluşturulur. Santrale ait .csv dosyası SAM' e aktarılarak, SAM yazılımında benzetim yapılmıştır. Simülasyon sonucunda heliostat sayısı, toplam arazi alanı, alıcı verimliliği, toplam santral maliyeti, kapasite faktörü, ilk yılda üretilen enerji miktarı ve toplam santral verimliliği gibi tasarım, performans ve işletim değerleri hesaplanmıştır. Analitik ve sayısal yaklaşımla bulunan ana tasarım parametrelerinin değerleri karşılaştırılmış ve bağıl hata yüzdeleri bulunmuştur.

Abstract:
Energy, which is used to ensure the continuation of human activities from the past to the present, is one of the most important components of our civilization. It is an indispensable tool in the development of science and technology. There is a need for direct or indirect energy consumption in order to develop the technological and scientific accumulations that are available today and to emerge new scientific and technological inventions. Energy consumption is also an indicator of the level of development of countries. It is one of the main needs of developed and developing countries and energy consumption is constantly increasing worldwide.
Most of today's energy production is provided by fossil fuels and the rest comes from nuclear and renewable energy resources. As the concentration of greenhouse gases increase in the atmosphere caused by the burning of fossil fuels, the results of global climate change like mean annual temperature rise considerable accelerates. Therefore, habitats including nearly all kinds of living ecosystems negatively affects like deaths or even extinctions due to release of massive CO2 to the atmosphere in a very short time.
The use of fossil fuels that harm the environment and living beings is unsustainable. It should not be overlooked that the cost of these losses will reach a very large extent if no measures are taken. Therefore, the necessity of increasing the energy produced using renewable energy sources, which is an alternative to fossil energy sources, and reaching zero emissions can be better discerned day by day.
Solar energy is the most common energy source which is the driving force of the other renewables energy except geothermal energy. Solar energy production is carried out by two methods, direct or indirect. Photovoltaic cells that produce electricity by direct method are made of semiconductor materials and work like a diode, converting the light energy into the electrical energy based on the  photoelectric effect. Electricity generation is carried out indirectly using thermal energy in concentrated solar power (CSP) systems and concentrated photovoltaic solar energy (CPV) systems. CSP system, which generates energy from solar energy, concentrates the sun's rays from a relatively small area to a relatively small area by means of collectors to obtain thermal energy. Afterwards, this thermal energy is used to utilize electrcity by means of the generator coupled the turbine, like convential  power plants.
Tower type concentrated solar power plants, also called solar towers, transfer the sun's rays to the receiver located at the top of the tower through heliostat mirror. The thermal energy absorbed by the receiving surface is transferred to the heat transfer fluid and steam production is carried out. The Rankine cycle is created by sending the generated steam to the steam turbine and adding elements such as pumps and condensers. Power plants that use steam have a Rankine cycle.
In this thesis, it is aimed to create an infrastructure for the solar tower plants working with molten salt to be established in Turkey for the design, modeling, analysis and evaluation of the tower type CSP plant components.
Turkey is well suited for the application of solar energy technologies in terms of geographical location (36 ̊- 42 ̊ northern parallels). As a solar energy potential, Turkey has an average annual insolation time of 2741 hours and an average annual solar radiation intensity of 1527,46 kWh/m2year. The value of solar radiation intensity can reach up to 2000 kWh/m2year in parts of the south and southeast. The location of the solar tower plant was selected as Gaziantep province in the southeastern region by looking at the direct normal radiation map of Turkey.
Analytical and numerical method was made for the design and modeling of the solar tower plant. When creating a central design model with an analytical approach, EES (Engineering Equation Server) software, which is nonlinear numerical solution software, was used. In the EES software, equations and functions (codes) of the main design parameters of the solar tower are written and the values of the main design parameters are found. Analytical approach is made to analyze and optimize the main design parameters of the solar tower plant. Simulations have been created in SolarPILOT and SAM software for modeling with a numerical approach. Two applications were made with software including Gemasolar and Gaziantep solar tower plant implementations.
The climate characteristics used for the locations of Gemasolar and Gaziantep solar power tower plants in SolarPILOT and SAM software were taken from the Photovoltaic Geographic Information System website and the meteorological average values measured for 10 years between 2007 and 2016 were downloaded in the form of an .epw file called TMY (Typical Meteorological Year) and this .epw file was uploaded to the software library.
The tower coordinates of the Gemasolar solar plant with an nameplate capacity of 19.9 MW are defined in the Google-Earth Pro program and selected as the tower location for the selected area. The total land area of the plant is determined using the polygonal shapes in the program, and the land boundary line is determined to match the total land area image of the Gemasolar plant in the program.
SolarPILOT software creates the layout of heliostats of the Gemasolar solar power tower plant. The locations of all heliostats in the heliostat field, the coordinates of the points targeted by heliostats to the receiving surface, and the heliostat optical efficiency values are transferred to SAM (System Advisor Model) software in .csv file format. The heliostat field layout created in SolarPILOT can be viewed in SAM. Project values of the Gemasolar solar plant, which are included in the literature on heliostat field, receiver and power block components, were entered. SAM software is a modeling, performance and financial advisory model for the designated solar tower location. After SAM is simulated, the capacity factor of the solar tower plant, energy produced at the end of the first year and the total power plant cost are found.
The purpose of obtaining the Gemasolar solar power tower plant project information and actual operating values from the studies in the literature is to verify used softwares. For this reason, the project information and operating values of gemasolar plant are compared with the values of the main design parameters found in the softwares. The software is verified based on the relative error between the values obtained with the softwares and actual values.
If solar power tower design is not made based on a solar tower plant example (Unlike Gemasolar plant implementation), the results of analytical approach is first obtained by iterative method through EES software and the values of the main design parameters in the analytical approach are given as inputs into the relevant sections in SolarPILOT and SAM software. The performance and operating values of the plant can be found by simulating the softwares.
Gaziantep solar power tower plant application is the main purpose of this thesis. The total area of the heliostat field, receiver dimensions, tower height, power block and design values of the thermal storage system, which are the basic components of Gaziantep solar power tower plant with nameplate power of 50 MW with an analytical approach, are found with EES software. A numerical approach is made for Gaziantep solar power tower plant using SolarPILOT and SAM.
Gaziantep solar tower plant implementation is the main implementation of the thesis, the basic components of Gaziantep solar power tower plant with an nameplate capacity of 50 MW with analytical approach are heliostat field total area, receiver dimensions, tower height, power block and design values of thermal storage system are found with EES software. The values of the main design parameters of the plant found with the analytical approach are entered into the sections related to the plant components in SolarPILOT and SAM software. A numerical approach is made for Gaziantep solar tower using SolarPILOT and SAM software.
In addition, the results have been plotted that contain changes of total thermal power, heliostat field area, pump power and heat transfer thermal power from heliostats to receiver depending on solar multiplier value, nameplate capacity, storage time and DNI (Direct Normal Irradiation) values with analytical approach. These charts include changes observed in a certain range by entering the existing data of the main design parameters.
In order to model a solar power tower plant with a numerical approach for Gaziantep solar power tower plant, the file containing Gaziantep climate characteristics was uploaded to the library of softwares as made at Gemasolar implementation. The values of the design parameters of the plant were entered on SolarPILOT and SAM.
The tower position of the plant is determined to be at a latitude of 37° 4′ 4.25" N and a longitude of 37° 9′ 16" E. When creating a heliostat layout in SolarPILOT software, the Google Earth Pro program uses the total land area value calculated by analytical approach for the total land area of the solar power tower plant. The location of the tower of Gaziantep power tower plant is in the middle, but the boundary of the surrounded heliostat field is determined so that it is not in the center of the area in order to obtain the most thermal energy possible from the heliostats located in the heliostat field. The .kml file containing the heliostat field boundary values is transferred to SolarPILOT software, creating the heliostat field layout of Gaziantep solar power tower plant. A .csv file is created that contains the locations of heliostats in the heliostat field layout and the coordinates of the focal points on the receiver surface of the sun's rays. The .csv file of the plant was transferred to SAM and simulated in SAM software. As a result of the simulation, design, performance and operating values such as number of heliostats, total land area, reciever efficiency, total plant cost, capacity factor, amount of energy produced in the first year and total plant efficiency were calculated. The values of the main design parameters found with analytical and numerical approach were compared. Relative error percentages were found.