Şebekeden bağımsız güneş enerjisi ve hidrojen enerjisine dayalı hibrit elektrik/sıcak su üretim sisteminin modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of hybrid off-grid electric/hot water generation system based on solar and hydrogen energy
Yazar: GAMZE SOYTÜRK
Danışman: PROF. DR. ÖNDER KIZILKAN ; DOÇ. DR. MEHMET AKİF EZAN
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Hidrojen enerjisi = Hydrogen energy ; Yakıt pili = Fuel cell ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu tez çalışmasında İzmir ilinde şebekeden bağımsız bir evin elektrik ve sıcak su ihtiyacının karşılanması amaçlanmıştır. Bu amaçla öncelikle 300 m2 taban alanına sahip 5 kişilik bir ailenin yaşadığı iki katlı bir ev tasarlanmıştır. Dinamik analizlerin yürütülmesi ve sistem bileşenlerinin modellenmesi amacıyla İzmir iline ait meteorolojik veriler elde edilmiştir.  Bir yıl boyunca kesintisiz olarak elektik ve sıcak su ihtiyacının karşılanması amacıyla güneş-hidrojen enerjisine dayalı hibrit bir sistem tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem temel olarak, PV/T panel, batarya, PEM elektrolizör, hidrojen depolama tankı, PEM yakıt pili ve sıcak su depolama tankından oluşmaktadır. Tasarlanan sistemin her bir bileşeni için MATLAB ortamında 0-D matematiksel modeller oluşturulmuş, oluşturulan matematiksel modeller literatürde bulunan mevcut çalışmalar ile doğrulanmıştır. Modelleme ve doğrulama çalışmaları tamamlanan sistem elemanlarının birbirine entegrasyonu için enerji yönetim stratejisi geliştirilmiştir. Geliştirilen enerji yönetim stratejisine göre bir yıl boyunca kesintisiz olarak elektrik ve sıcak su sağlamak amacıyla sistem bileşenlerinin minimum kapasiteleri/sayıları belirlenmiştir. Yapılan dinamik analiz sonuçlarına göre 139 adet PV/T panel, 110 adet batarya, 13 adet PEM-FC ve 126 kg kapasiteli hidrojen depolama tankı (30 adet) kullanılması durumunda evin elektrik ihtiyacı bir yıl boyunca kesintisiz olarak karşılanmaktadır. Evin sıcak su ihtiyacı ise sıcak su depolama tankı ile karşılanmaktadır. Sıcak su depolama tankı ile sıcak su ihtiyacının karşılanamadığı durumlarda depolama tankı çıkışında bulunan yardımcı ısıtıcı ile sıcak su ihtiyacı karşılanmaktadır. Bu tez çalışmasında sıcak su ihtiyacını karşılamak amacıyla 132 litre hacminde sıcak su depolama tankı ve maksimum kapasitesi 4.13 kW olan yardımcı ısıtıcı kullanılmıştır.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to meet the electricity and hot water needs of a house off-grid of the mains in İzmir. For this purpose, first, a two-floored house with a 300 m2 floor area and a with a family of 5 people is designed. Meteorological data of İzmir province are obtained to carry out dynamic analyzes and model system components. A hybrid system based on solar-hydrogen energy has been designed to meet the electricity and hot water needs continually for a year. The designed system basically consists of PV/T panel, battery, PEM electrolyzer, hydrogen storage tank, PEM fuel cell and hot water storage tank. For each component of the designed system, 0-D mathematical models are established in the MATLAB environment, and the mathematical models created are verified with the existing studies in the literature. An energy management strategy has been developed for the integration of the system elements whose modeling and verification studies have been completed. According to the developed energy management strategy, the minimum capacities/numbers of the system components have been determined to provide electricity and hot water uninterruptedly for one year. Based on the results of the dynamic analysis, if 139 PV/T panels, 110 batteries, 13 PEM-FC and 126 kg capacity hydrogen storage tanks (30) are used, the electricity need of the house is met uninterruptedly for one year. The hot water need of the house is supplied by the hot water storage tank. In cases where the need for hot water cannot be met with the hot water storage tank, the hot water need is met with the auxiliary heater located at the outlet of the storage tank. In this thesis, a 132-liter hot water storage tank and a backup heater with a maximum capacity of 4.13 kW are used to meet the hot water need.