Farklı azimut açılarındaki teras çatı fotovoltaik sistemlerinin karşılaştırmalı optimizasyonu
Comparative optimization of terrace roof photovoltaic systems in different azimuth angles
Yazar: CÜNEYT KARANİ CÖCEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK BARUTÇU
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: Azimut açıları = Azimuth angles ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Teras çatılar = Flat roofs

Özet:
Dünyadaki petrol kaynaklı yakıtların hızla tükenmesi ve giderek bir sona yaklaşması, ayrıca bu yakıtların çevre üzerindeki olumsuz etkileri insanlığın yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmesine sebep oldu. Bu kaynakların çevreci ve tükenmez özellikte olmaları enerji problemleri çözme konusunda onları çözüm odakları haline getirdi.
Yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneş enerjisinin önemi son yıllarda giderek arttı. Güneşin dünyamız için sonsuz bir kaynak olması ve güneş enerjisi sistemlerinin maliyetlerinin son yıllarda büyük oranda düşmesi güneş enerjisi teknolojilerini piyasada kuvvetli bir hâle getirdi. İlerleyen yıllarda iklim değişikliğinin önüne geçilmesi ve emisyonların azaltılması gibi nedenlerle enerji üretimindeki payının da giderek artacağı aşikârdır.
Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmede kullanılan fotovoltaik paneller, fotovoltaik etki yoluyla elektrik üretmek için güneşten gelen ışık enerjisini kullanırlar. İçlerindeki yarı iletken malzemeler yardımıyla güneş ışığını elektrik enerjisine çevirirler. Bu ilk kez Edmond Becquerel'in 1839'da fotovoltaik etkiyi keşfetmesiyle başladı ve Charles Fritts tarafından ilk güneş pillerini icat edildi. 
Güneş enerjisinin Türkiye' deki kullanımı 1970'li yılların sonundan başladı. 2017 yılında Türkiye, Avrupa enerji pazarında en yüksek kapasite artışı gösteren ülke oldu. İlk laboratuvar ölçekli güç santrali Didim'de Elektrik İşleri Etüt İdaresi öncülüğünde tesis edilmiştir. 2019 yılında; Türkiye'nin en büyük GES'i olması planlanan YEKA-1 projesi başlatılmıştır.
Güneş pilleri birinci, ikinci ve üçüncü nesil hücreler olarak sınıflandırılabilir. Birinci nesil hücreler geleneksel veya gofret bazlı hücreler olarak da adlandırılırlar. Kristal silikondan yapılmış çok kristal silikon ve tek kristal silikon gibi malzemelerdir. Amorf silikon, CdTe ve CIGS hücreleri içeren ince film güneş pilleri ikinci nesil hücrelerdir. Hâlâ araştırma veya geliştirme çalışmaları devam eden ve bir dizi ince film teknolojisini içeren üçüncü nesil güneş pilleri, gelişmekte olan fotovoltaikler olarak tanımlanırlar.
Fotovoltaik paneller çevreyi kirletmez ve düşük işletme maliyetleri ile 20-30 yıl ömre sahiptirler. Fotovoltaik modüller zemine, çatıya kurulabilir veya binaların pencere ve cephelerine entegre edilebilir. Yere monte fotovoltaik sistemine erişim kolaydır ve bakım maliyetleri daha düşüktür, ancak kentsel alanlarda arazinin mevcudiyeti ve maliyeti, yere monte fotovoltaik sistemleri için önemli bir sorundur. Kentsel ortamlardaki çatı alanları, güneş enerjisi kolektörleri ve fotovoltaik panelleri dâhil olmak üzere güneş enerjisi cihazlarının kurulumu için uygun yerler olarak kabul edilir. Binaların en çok güneşe maruz kalan yüzeylerinin çatılar olması ve diğer bölümlere göre, performanslarını olumsuz etkileyen etkenlerin az olması sebebiyle, fotovoltaik paneller daha çok enerji üretimi için genellikle çatı yüzeylerinde kullanılmaktadır. Ayrıca çatı fotovoltaik sistemleri arazi maliyeti içermez.
Fotovoltaik güç sistemleri, genellikle şebekeye bağlı (on grid), şebekeden bağımsız (off grid) ve karma (hibrit) sistemlerdir. Şebekeye bağlı olmayan veya şebekeden bağımsız sistemler; sisteminde dışarıdan bir elektrik bağlantısı bulundurmadan tasarlanan sistemlerdir. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemlerde ise şebeke ile bir alışveriş söz konusudur. Bu sistemlerde, fotovoltaik sistemden üretilen enerji ihtiyaçtan fazla ise depolama yapılmaksızın şebekeye iletilir. İhtiyaçtan az enerji üretildiği zamanlarda ise şebeke bağlantısından enerji alınır. İki farklı sistemin ortak kullanımı ile oluşturulan sistemlere ise karma veya hibrit sistemler denilmektedir. 
Güneş radyasyonunun değişken doğası nedeniyle, fotovoltaik güneş enerjisinden güç üretimi, geleneksel enerji santrallerine kıyasla dalgalanır, bu yüzden güç maliyeti artar. Elektrik üretimi panelin üzerine düşen güneş radyasyonu ile doğru orantılı olacak şekilde ne kadar fazla olursa o kadar artacaktır. Bu sebeple, panel yerleşimleri fotovoltaik sistemlerin tasarımında ilk sıralarda gelen başlıklardan biridir.
Güneş takibi yapan sistemler yardımıyla %20-40 oranında daha fazla güneş enerjisi yakalanabilmesine rağmen, takip sistemlerinin maliyeti ve takip için fazladan enerji ihtiyacı duyması sebebiyle, uygulamaları sınırlıdır. Bu nedenle, güneş kolektörünü sabit bir optimum eğim açısı değerine ayarlamak genellikle daha uygundur. Ancak kullanıcıların sabit güneş panelleri tarafından toplanan güneş enerjisini maksimize etmek için güneş panellerinin eğimi ve yönüne ilişkin doğru hesaplamalara ihtiyacı vardır. Bunun yerine uzun yıllar boyunca, güneş ışınımının yatay bileşenlerini saatlik, günlük ve aylık olarak tahmin etmek için farklı ampirik modeller kullanılmıştır.
Bu modeller ile zaman, mevsim ve konum gibi farklı faktörler temelinde eğim açısını ve oryantasyon açısını değiştirerek güç üretim maliyetini iyileştirmek mümkündür. Ancak fotovoltaik modüllerinin bu eğim açısı, paralel fotovoltaik modüllerinin karşılıklı gölgelenmesine neden olur. Bu gölgeleme, fotovoltaik sisteminin verimliliğini azaltır. Paralel fotovoltaik modüllerinin artan sıra arası mesafesi ile karşılıklı gölgeleme azalır, ancak çok büyük bir mesafe, zemine monte konfigürasyon durumunda arazi maliyetinde bir artışa ve çatı konfigürasyonu durumunda çatı kullanım alanında bir azalmaya neden olur. Bu nedenle, enerji verimini en üst düzeye çıkarmak amacıyla optimize edilmiş bir sıra arası mesafe belirlenir.
Güneş enerjisi sistemlerinin doğru kullanılması verim açısından önemlidir. Doğru kullanım ancak doğru fizibilite, doğru dizayn ve doğru kurulumdan geçer. Bu çalışmada da İstanbul ili için teras çatı sistemlerinin karşılaştırmalı optimizasyonu yapılmıştır. Hesaplamalar yapılırken üç senaryo üzerinde çalışılmıştır ve ayrı ayrı bu senaryolar için Matlab programı kullanılarak hesaplamalar yapılmış elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. İlk senaryo çatının solar azimut yönünde olduğu ve panellerin bu yönde çatının kenarlarına paralel olarak yerleştirildiği senaryodur. İkinci senaryo çatının solar azimut ile sabit bir açı yaptığı ve yine panellerin çatı kenarlarına paralel olduğu senaryodur. Üçüncü senaryo ise çatının solar azimut ile sabit bir açı yaptığı ama panellerin solar azimut yönünde olduğu senaryodur. 
Tüm bu senaryolardaki yerleşimler İstanbul ili için yılın herhangi bir tarih ve saati için, farklı eğim ve azimut açılarında çatı sisteminden elde edilen maksimum sistem güç miktarları hesaplanmıştır. Hesaplamalarda Bölüm 8 ve Bölüm 9'da verilen denklemler kullanılmıştır. Karşılaştırma yapılırken farklı azimut açılarındaki teras çatılardaki panel yerleşimleri; bina azimutu ve solar azimuta göre yerleştirildiği için bu farklı yerleşim şekillerinin sonucunda, panellerin konumlarında, sayılarında ve güneş açılarında dolayısıyla toplam elde edilen güçlerde farklılıklar olmuştur.
Sonuç olarak bir sistem kurulumu yapmak için ilk önce binanın solar azimut açısının bilinmesi ve bu açıya göre değişkenlerin tespit edilmesi gerekmektedir. Farklı açılar ve parametreler altında farklı sonuçlar elde edilmektedir. Optimum sistem kurulumunun yapılabilmesinin ise değişkenler tespit edildikten sonra mümkün olacağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The rapid depletion and coming to an end of petroleum-based fuels in the world, as well as the negative effects of these fuels on the environment, have caused humanity to turn to renewable energy sources. The environmental and inexhaustible nature of these resources has made them the focus of solutions in solving energy problems.
The importance of solar energy among renewable energy sources has increased in recent years. The fact that the sun is an endless resource for our world and that the costs of solar energy systems have decreased greatly in recent years have made solar energy technologies strong in the market. In the coming years, it is obvious that its share in energy production will gradually increase due to reasons such as preventing climate change and reducing emissions.
There is an increase in the use of photovoltaic systems that produce electricity from solar energy in urban areas. With the use of these systems on the roofs of buildings, research and studies in this field have been made and continue to be done. In this study, a comparative optimization of terrace roof systems has been made for Istanbul, Turkey.
In the first chapter, energy and energy-related environmental problems in the world, the place of renewable energy sources in conventional energy sources, the importance of the sun and solar energy for the world are mentioned, the future status of solar energy use and its contributions to the environment are mentioned. In addition, the aim of the thesis and the hypothesis are explained and the literature research is summarized.
In the second chapter, photovoltaic systems and how these systems work, their use, costs and advantages are mentioned. Information about photovoltaic systems in Turkey, Turkey's solar energy potential, Turkey's installed power and distribution are given.
In the third chapter, information about the history and future of photovoltaics in the world and in Turkey is given. It is shown how the installed power and its distribution in Turkey have changed over the years.
In the fourth chapter, information is given about the working mechanism of solar cells, how solar cells are classified, first, second and third generation solar cells, their costs, lifetimes and warranty periods and criteria. Also, detailed explanations were given and comparisons were made about monocrystalline solar cells, polycrystalline solar cells, thin film solar cells, cadmium telluride (CdTe) solar cells, copper indium gallium selenide (CIGS) solar cells, amorphous silicon (a-Si) solar cells, gallium arsenide (GaAs) solar cells, dye sensitized solar cells (DSSC), concentrated photovoltaics (CPV), multi-junction solar cells, PERC solar cells, PERL solar cells, their basic features, general structures, manufacturing processes, and efficiencies.
In the fifth chapter, information about photovoltaic system applications integrated into buildings is given. The magnitude of the energy requirement in the buildings and the active and passive utilization methods of solar energy in buildings are mentioned. Roof and facade applications and how they can be applied to buildings are explained. The convenience and difficulties encountered in the application of building and roof systems to buildings, the advantages and disadvantages of these applications are mentioned.
In the sixth chapter, off grid, grid connected (on grid) and mixed (hybrid) photovoltaic system types are given. The definitions of these system types and where and how they are used are explained. The importance of synchronization with the network is mentioned.
In the seventh chapter, it has been mentioned that the fluctuation of power generation from photovoltaic solar energy due to the variable nature of solar radiation increases the cost, the more solar radiation falling on the panel surface will occur the greater the electricity generation, and therefore the panel layout must be precisely calculated for the photovoltaic system design.
Although 20-40% more solar energy can be obtained in solar tracking systems, it has been discussed that the systems are high cost and complex, therefore it is more appropriate to set the solar collector to a fixed optimum tilt angle value.
It has been explained that for many years, different empirical models have been used to estimate the horizontal components of solar radiation hourly, daily and monthly regarding the inclination and direction of solar panels to maximize the solar energy collected by fixed solar panels.
It has been explained that the tilt angle of the photovoltaic modules causes mutual shadowing of the parallel photovoltaic modules and this shading reduces the efficiency of the photovoltaic system. It is described that parallel photovoltaic modules should increase the row spacing for mutual shading reduction, but this increase should be optimized so that this increase does not increase the cost.
In the eighth chapter, concepts such as latitude, declination, inclination angle, hour angle, azimuth angles, elevation and zenith angles, sunrise and sunset times, day length and panel row spacing used in the determination of photovoltaic panel layout are explained. And equations showing how these concepts are calculated are given.
In the ninth chapter, the information about the solar radiation reaching the earth and how the radiation can be calculated with empirical formulas and air mass correction are explained. For this, the solar radiation reaching the extraterrestrials was calculated with an empirical formula and then subjected to air mass correction.
In the tenth chapter, the comparative optimization of the terrace roof systems has been made for the province of Istanbul. For this, first, roof and panel selections were made, and separate calculations were made using the Matlab program according to the three scenarios determined, and the results were compared.
The first scenario is the one where the roof is in the solar azimuth direction and the panels are placed parallel to the edges of the roof in that direction. The second scenario is the one where the roof is at a fixed angle with the solar azimuth and the panels are parallel to the roof edges. The third scenario is the one where the roof is at a fixed angle with the solar azimuth but the panels are in the solar azimuth direction. The maximum system power amounts obtained from the roof system at different slope and azimuth angles at any date and time of the year for the settlements in all these scenarios were calculated for the province of Istanbul.
The equations given in Chapter 8 and Chapter 9 were used in the calculations. As the panel layouts on the terrace roofs at different azimuth angles were placed according to the building azimuth and solar azimuth, there were differences in the positions, numbers and sun angles of the panels, and thus the total power obtained, as a result of these different layouts. In order to support the findings obtained from the calculations, charts and graphs are included.
Finally, the second and third scenarios were compared among themselves in order for this optimization study to be more effective.
As the result, in order to install a system, first the solar azimuth angle of the building should be known and all the variables should be determined according to this angle. Different results can be obtained under different angles and parameters. It has been concluded that the optimum system setup will be possible after all the variables have been determined.