İşletme halindeki bir rüzgar enerjisi santraline güneş enerjisi santrali entegre edilmesiyle oluşturulacak bir hibrit enerji santralinin modellemesi ve optimizasyonu
Modelling and optimisation of a hybrid power plant by integrating a solar power plant into an operational wind power plant
Yazar: ALİ KAAN UZUNSOY
Danışman: DOÇ. DR. HASAN KÖTEN
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre ve Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Hibrit enerji = Hybrid energy ; Rüzgar enerjisi = Wind energy ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarının elektrik enerjisi üretiminde kullanılması gittikçe popülerlik kazanmakta ve bu tesislerde üretilen elektrik enerjisinin toplam üretim içindeki payı giderek artmaktadır. Yenilenebilir kaynaklar arasında olan rüzgar ve güneş kaynaklarından elektrik enerjisi üreten tesislerin elektrik arzında saatlik, günlük ve dönemsel dalgalanmalar yaşanmaktadır. Bu kaynaklardan elde edilecek elektrik, iklim şartlarına, meteorolojik olaylara ve gece-gündüz döngüsüne bağlı olarak değişkenlik gösterdiğinden rüzgar enerjisi santralinin (RES) ve güneş enerjisi santralinin (GES) her an tam kapasitede çalışması mümkün olmamaktadır. 
Şebekeye aynı noktadan bağlanan, elektrik üretimi için birden fazla enerji kaynağını birlikte kullanan tesislere hibrit enerji santrali denmektedir. Mevcutta işletmede olan lisanslı RES'lerin hibrit enerji santraline dönüşümü ile tesisin elektrik arzındaki dalgalanmasının azaltılabileceği ve mevcut lisans kapasitelerinin en yüksek oranda kullanılabileceği öngörülmektedir. Bu çalışmada, işletme halindeki Süloğlu Rüzgar Enerjisi Santrali'nin bir hibrit enerji santraline dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Yardımcı kaynak olarak fotovoltaik güneş seçilmiş olup, meteorolojik veri seti için SolarGIS programı, tasarım için PVsyst programı kullanılmış, hesaplamalar içinse excel programında "Hibrit Enerji Santrali Modeli" oluşturulmuştur.
Teknik ve finansal varsayımlar belirlenerek, PVsyst üzerinden 1 MWp referans GES (35° & dizi inverter) tasarlanmıştır. 1 MWp GES saatlik üretim verisi modele eklenerek, 5, 10, 15, 20 ve 25 MWp güçte GES içeren senaryolar oluşturulmuştur. Her senaryo için "GES Dahil Şebekeye Verilen Toplam Enerji", "GES'in Üretime Katkısı" ve "GES Kullanılmayan Enerji miktarı" hesaplanmıştır. Geri ödeme süresi ve LCOE (Levelized Cost Of Energy – Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti) değerleri en düşük senaryonun 15 MWp GES senaryosu olduğu tespit edilmiştir. Optimizasyon senaryolarında kullanmak üzere 15 MWp GES için PVsyst üzerinden tasarım yapılmıştır. 
Hibrit tesisin fizibilitesini iyileştirmek için tilt (panel eğim) açısı değişimi ve inverter tipi değişimi ile optimizasyon imkanları incelenmiştir. İlk olarak 35, 25, 14 ve 7 derece tilt açısına sahip GES tasarımı PVsyst ile yapılmış ve saatlik üretim değerleri hibrit model senaryosuna eklenmiştir. Geri ödeme süresi ve LCOE değerleri karşılaştırılan senaryolarda, optimum senaryonun 25 derece tilt açısına sahip "Opt-1b" senaryosu olduğu tespit edilmiştir. Akabinde bu senaryodaki varsayımlar aynı kalma koşulu ile dizi inverter yerine merkezi inverter içeren yeni bir senaryo oluşturulmuş ve bu iki senaryo geri ödeme süresi ve LCOE değerleri üzerinden kıyaslanmıştır. Kıyaslama sonucu nihai optimum senaryo "Opt-2b" (25° tilt açısı & merkezi inverter) olarak tespit edilmiştir. Bu iki aşamalı optimizasyon sonrasında geri ödeme süresinin 0,26 yıl kısalması, LCOE değerinin ise %2 (0,68 $/MWh, 18,38 TL/MWh) düşmesi sağlanmıştır.
Son olarak nihai optimum senaryo için degradasyonu (%0,6) hesaba katarak 25 yıllık üretim verisi ve satış verisi hesaplanmıştır. Bu değerler üzerinden hibrit enerji santrali modeli ile geri ödeme süresi 9,45 yıl, LCOE değeri ise 35,54 $/MWh (959,63 TL/MWh) olarak hesaplanmıştır. İşletmede olan Süloğlu RES'e 15 MWp GES entegre edilmesiyle hibrit tesisin kurulu gücü 81 MWm / 66 MWe olacaktır.

Abstract:
The use of renewable energy sources in the production of electrical energy is becoming increasingly popular and the share of electrical energy produced in these facilities in total production is gradually increasing. There are hourly, daily and periodic fluctuations in the electricity supply of facilities generating electricity from wind and solar resources, which are among the renewable resources. Since the electricity to be obtained from these sources varies depending on climatic conditions, meteorological events and day-night cycle, it is not possible for the wind power plant (WPP) and solar power plant (SPP) to operate at full capacity at any time. 
Facilities that are connected to the grid from the same point and use more than one energy source together for electricity generation are called hybrid power plants. It is predicted that the fluctuations in the electricity supply of the facility can be reduced and the existing licence capacities can be used at the highest rate by converting the currently operating licensed WPPs into hybrid power plants. In this study, it is aimed to convert the operating Suloglu Wind Power Plant into a hybrid power plant. Photovoltaic solar was selected as auxiliary source, SolarGIS software was used for meteorological data set, PVsyst software was used for design and "Hybrid Power Plant Model" was created in excel software for calculations.
Technical and financial assumptions were determined and 1 MWp reference SPP (35° & array inverter) was designed via PVsyst. 1 MWp SPP hourly production data was added to the model and scenarios with 5, 10, 15, 20 and 25 MWp SPP were created. For each scenario, "Total Energy Supplied to Grid Including SPP", "Contribution of SPP to Generation" and "Unused Energy of SPP" were calculated. It was determined that the scenario with the lowest payback period and LCOE (Levelized Cost Of Energy) values was the 15 MWp SPP scenario. A design for 15 MWp SPP was made on PVsyst for use in optimisation scenarios. 
In order to improve the feasibility of the hybrid plant, optimisation possibilities were examined by changing the tilt angle and inverter type. Firstly, PVsyst was used to design SPPs with 35, 25, 14 and 7 degree tilt angles and hourly production values were added to the hybrid model scenario. The payback period and LCOE values were compared and the optimum scenario was found to be the "Opt-1b" scenario with a tilt angle of 25 degrees. Subsequently, a new scenario with a central inverter instead of a string inverter was created with the same assumptions in this scenario and these two scenarios were compared in terms of payback period and LCOE values. As a result of the comparison, the final optimum scenario was determined as "Opt-2b" (25° tilt angle & central inverter). After this two-stage optimisation, the payback period was shortened by 0.26 years and the LCOE value was reduced by 2% (0.68 $/MWh, 18.38 TL/MWh).
Finally, for the final optimum scenario, 25-year production data and sales data were calculated by taking into account the degradation (0.6%). Based on these values, the payback period with the hybrid power plant model was calculated as 9.45 years and the LCOE value as 35.54 $/MWh (959.63 TL/MWh). With the integration of 15 MWp SPP to the operating Suloglu WPP, the installed capacity of the hybrid plant will be 81 MWm / 66 MWe.