Doğrusal programlama yöntemiyle seralarda enerji kaynağı çeşitlendirme optimizasyonu
Diversification of energy sources optimization in greenhouses with linear programing method
Yazar: SEMİH GENCER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURETTİN BEŞLİ
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Optimizasyon = Optimization ; Seralar = Greenhouses

Özet:
Seralar, özel örtü elemanları ve iklimlendirme sistemleriyle oluşturulmuş, meteorolojik şartların elverişsiz olduğu dönemlerde bitkilerin yetiştirilebilmesi için uygun çevre koşulları sağlayan bitki üretim tesisleridir. Örtü altı yetiştiriciliğinde en büyük işletme maliyetleri arasında ısıtma ve elektrik enerjisi giderleri gelmektedir. Seraların mevsimsel olarak enerji ihtiyacı ve tüketimlerinin değişmesi, bölgesel olarak farklı ve çeşitli enerji kaynaklarına erişim olması, enerji sistem tasarım ve yönetimini karmaşık hale getirmektedir. Kurulum aşamasında uygun tasarlanmamış bir serada gereksiz ilk kurulum maliyetleri ve sonrasında yüksek işletme maliyetleri problemleri ortaya çıkmaktadır. Çeşitli enerji kaynaklarının bir arada aynı ekosistem içerisinde ekonomik, güvenli ve sürdürülebilir bir şekilde kullanılabilmesi, uygun optimizasyon yöntemleriyle tasarlanmış enerji yönetim sistemleriyle mümkündür. Günümüzde klasik fosil yakıtlı enerji kaynakları yanında kullanımı hızla artan yenilenebilir enerji kaynaklarından FV (Fotovoltaik) sistemler ve jeotermal sistemlerde seralarda kullanılmaktadır. Bu çalışmada, DP (Doğrusal Programlama) yöntemi kullanılarak seralarda elektrik ve ısıtma sistemleri için gerekli enerjinin erişilebilir kaynaklar, arazi boyutu ve yatırım maliyeti gibi belirlenen kısıtlar altında enerji çeşitliliği, maliyet ve CO2 salınımı açısından optimize edilmesi amaçlanmıştır.  FV sistemin kullanım ömrü dikkate alınarak, üretilebilecek olan toplam enerji miktarı, amortisman süresi ve sistem maliyeti hesaplanmıştır. FV sistemin kurulu gücü; panellerin kurulabileceği alan, tesisin enerji tüketimi ve trafo gücü gibi kısıtlar altında DP yöntemi kullanılarak optimize edilmiştir. Farklı kısıt senaryolarıyla yapılan optimizasyon işlemleri sonucunda tesisin ihtiyacını karşılayabilecek ve optimum maliyete sahip FV sistem önerilerinde bulunulmuştur. Ayrıca kurulumu planlanan seranın ısı yükü hesaplaması yapılmış, elde edilen ısı yükünün fosil yakıt türleri ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla karşılanması durumunda oluşan ısıtma maliyeti ve CO2 salınımı hesaplanmıştır. DP yöntemi ile kullanılan ısı kaynaklarının miktarları optimize edilmiş ve kurulumu yapılacak olan sera için optimal ısıtma sistemi tasarlanmıştır. Ayrıca geliştirilen uygulamada CO2 salınım miktarı optimize edilerek kurulumu yapılacak olan seranın henüz proje aşamasındayken minimum karbon maliyetine sahip olacak şekilde tasarlanması sağlanmıştır. Bu çalışma sayesinde çeşitli enerji kaynaklarının bir arada kullanıldığı, faklı boyut ve amaçlarda kurulan seralar için bölgesel iklim ve coğrafik verilere göre analiz yapılabilen optimizasyon yöntemi geliştirilmiştir.

Abstract:
Greenhouses are plant production facilities created with special cover elements and climate control systems, providing suitable environmental conditions are created for the cultivation of plants during periods when meteorological conditions are unfavorable. Heating and electrical energy costs are among the biggest operating costs in greenhouse cultivation. The seasonal changes in energy needs and consumption of greenhouses, and the availability of regionally different and diverse energy sources complicate energy system design and management. Unnecessary initial installation costs and then high operating costs problems arise in an improperly designed greenhouse during the installation phase. It is possible to use various energy sources together in the same ecosystem in an economical, safe and sustainable way, with energy management systems designed with appropriate optimization methods. Today, PV (Photovoltaic) systems and geothermal systems, which are among the renewable energy sources whose use is increasing rapidly, are used in greenhouses as well as classical fossil fuel energy sources. In this study, it is aimed to optimize the energy required for electricity and heating systems in greenhouses in terms of energy diversity, cost and CO2 emissions under the certain constraints such as accessible resources, land size and investment cost by using the DP (Linear Programming) method. Considering the lifetime of the PV system, the total energy amount that can be produced, the depreciation period and the system cost are calculated. The installed power of the PV system has been optimized using the DP method under the area where the panels can be installed, the energy consumption of the facility and the transformer power constraints. As a result of the optimization processes made with different constraint scenarios, PV system suggestions have been made that can meet the needs of the facility and have the optimum cost. In addition, the heat load calculation of the greenhouse planned to be installed was made, and the heating cost and CO2 emission were calculated in case the heat load obtained was met with various fossil fuel types and renewable energy sources. The amount of each heat source used has been optimized with the DP method and an optimal heating system has been designed for the greenhouse to be installed. In addition, the amount of CO2 emission was optimized in the developed application, and it was ensured that the greenhouse to be installed was designed to have a minimum carbon cost while it was still in the project phase. Through this study, an optimization method, which can analyze according to regional climate and geographical data, has been developed for greenhouses established in different sizes and purposes, where various energy sources are used together.