HİBRİT SİSTEMLER ve UYGULAMA

Hibrit sistemlerin temel düşüncesi sürekliliği olmayan enerji kaynaklarının birlikte kullanımından doğmaktadır. Bilindiği gibi yenilenebilir enerji kaynaklarında en büyük sorun sürekliliğin olmamasıdır. Bundan dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımında sürekliliğin sağlanabilmesi için hibrit sistemler en başta gelen çözüm olarak görülmektedir.

Temelde Hibrit sistemleri 2 gruba ayırmak gerekir.

• Şebekeye bağlı sistemler

• Şebekeden bağımsız sistemler

Hibrit bir sistem hazırlamak tek bir enerji kaynağına bağımlı olan bir sisteme göre çok daha zor bir iştir. Çünkü güneşin ve rüzgârın durumu, elektrik üretimi, üretilen elektriğin depolanması ve yükün(load) durumu çok karışıktır. Rüzgâr türbininin ebadı, güneş panellerinin açısı ve akülerin kapasitesi en uygun şekilde hesaplanmalıdır. Bu hesaplanma yapılırken göz önünde bulundurulan önemli 2 kıstas; üretilen gücün güvenilirliği yani sürekliliği ve maliyetidir.

Hibrit sistemlerin büyüklüğünü hesaplamak için birçok metot sunulmuştur. 2006 yılında yükün ve kaynağın dalgalanmasını düzeltmek için kıvrım tekniğine dayalı olasılık yaklaşımı getirilmiştir. Böylece performansı belirleyebilmek için geçmiş yıllara ait verileri kullanmaya gerek kalmamaktadır. 1996 yılında en iyi kombinasyonu bulmak için grafiksel bir yapı tekniği sunulmuştur. Bu teknikte bir çok hibrit kombinasyon denenerek sonuçlardan bir grafik elde edilmiş bu grafiklerden ise optimum sistem bulunur. 1996 yılında başka bir grafiksel teknik ortaya atmıştır. Bu teknikte aylık rüzgâr enerji değerleri ile PV değerleri ortalamaları alınır bunlarla grafik oluşturulur. Bu grafiğe bakılarak en uygun hibrit sistem belirlenir. Yang ve diğ. iteratif optimizasyon tekniğini kullanarak en uygun ve en düşük maliyetli hibrit sistemi bulmak için bir teknik sunmuşlardır (Yang, 2007).

Daming Xu ve diğ. (2005) yaptıkları simülasyonda lojistik model kullanılmıştır. Lojistik model uzun dönemli performans tahminleri, sistemin hacmini belirlemek ve ekonomik analizler için kullanılmaktadır. Bu çalışmada simülasyon periyodu 1 yıl, zaman aralığı ise 1 saat ve yükü sabit seçmişlerdir. Modellemede ise genetik algoritma ve güç kaynağı kaybı olasılığını kullanmışlardır.

3.1 Bölge ve İklim Özellikleri

Bu bitirme çalışmasında İstanbul Kumköy Meteoroloji İstasyonunun bulunduğu bölgede kurulacak farklı güçlerdeki rüzgar-güneş (PV) sistemlerinin üretimi, karşılayabilme oranları ve sürekliliği detaylı ele alınacaktır.

Kumköy Meteoroloji İstasyonu İstanbul’un Karadeniz kıyısında bulunmakta olup enlemi 41,25 ve boylamı 29,04’ dır. Bu istasyonun en önemli özelliği Karadeniz rüzgarlarına açık olmasıdır.

Ayrıca çalışmamızda İstanbul’un Kumköy mevkiinde bulunan meteoroloji istasyonunun Ocak 1996 yılından Mart 2001 yılına kadar olan güneş ışınımı (W/m²) verisi ile Ocak 1996 yılından Ocak 2007 yılına kadar olan rüzgâr, nem, sıcaklık verileri kullanılmıştır. Yapılan hesaplarda kullanılmak üzere İstanbul şartlarında bir evin günlük ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisi tüketimi toplamının 8-10 KWh olduğu BEDAŞ yetkililerinden öğrenilmiştir. Uygulamada piyasadan kolayca temin edilebilmesi bakımından fotovoltaik sistem için Kyocera KC170GHT–2 güneş paneli, rüzgâr türbini olarak Unitron Enerjinin UE6, UE15, UE33 ve UE42 modelleri tercih edilmiştir. Kullanılan güneş paneli ve rüzgar türbinlerinin teknik özellikleri Tablo 3.2 ve 3.3’de verilmiştir.

Tablo 3. 1 Rüzgâr Türbinlerinin Özellikleri

Tablo 3. 2 Kyocera KC170GHT–2 Fotovoltaik Panelin Özellikleri

Rüzgar türbinlerine ait güç eğrilerinin sayısal değerleri Tablo 3.4’ te verilmiştir.

Tablo 3. 3 Rüzgâr Türbini Güç Eğrisi Değerleri

Öncelikle Tablo 3.3 yardımıyla her bir rüzgar türbini için güç üretim denklemleri elde edilmiştir. Elde edilen bu denklemler istasyon ölçüm değerlerine uygulanmıştır.

Kumköy meteoroloji istasyonunda ölçülen sıcaklık değerlerinin zaman serisi Şekil 3.1 de gösterilmektedir. Ölçülen değerler doğrultusunda hesaplanan günlük ortalama sıcaklık 15^o derecedir. Saatlik ortalama sıcaklık grafiği ise Şekil 3.2 de gösterilmektedir. Bir anlamda bu değerler fotovoltaik piller için ideal verimlilik şartlarına yakın sıcaklıklardır.

Şekil 3. 1 Kumköy Meteoroloji İstasyonunun Günlük Ortalama Sıcaklık Grafiği

Şekil 3. 2 Kumköy Meteoroloji İstasyonunun Saatlik Ortalama Sıcaklık Grafiği

Kumköy Meteoroloji istasyonunun rüzgar gülü tablosu Tablo 3.4 te rüzgar gülü grafiği ise Şekil 3.3 te verilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi tek bir hâkim yön yoktur. Ancak kuzey kuzeybatı ve güney güneydoğu yönleri çok az bir farkla da olsa öne çıkmaktadır. Ancak bizim çalışmamızda hâkim yönün pek fazlada önemi yoktur. Kullanılan rüzgâr türbinleri küçük çapta olduğu için yön değişimlerine çok çabuk bir şekilde tepki verebilmektedir.

Tablo 3. 4 Kumköy Meteoroloji İstasyonunun Rüzgâr Gülü Tablosu

Şekil 3. 3 Kumköy Meteoroloji İstasyonunun Rüzgâr Gülü

Çalışmada izlenen yol; öncelikle her bir kaynağın tek başına farklı güçlerde üretebileceği elektrik enerjileri ele alınmıştır. Ayrıca bu kaynakların 1 kWh, 1.5 kWh, ve 1.8 kWh’lik elektrik miktarlarını karşılama oranları verilmiştir. İkinci adım olarak hibrit sistemlerin ürettikleri elektrik miktarları ve bunların farklı seviyelerdeki ihtiyaçlar için karşılama oranları detaylı ele alınmıştır.

Yapılan çalışmanın neticesinde önce rüzgâr türbinlerinin ürettiği elektriğin saatlik ortalamasını ve 1 kWh’yi karşılama durumuna göre yüzdesini göreceğiz.

3.2 Kullanılan Rüzgâr Türbinleri ve Güç Eğrileri

10 m’deki 650’W lık rüzgar türbinin günlük ürettiği toplam elektriğin ortalaması 2 kWh, 30 m’deki 650 W’lık rüzgar türbinin günlük ürettiği toplam elektriğin ortalaması ise 2.6 kWh’tır. Buradanda anlaşılıyor ki 650 W’lık türbin bir evin ihtiyacını karşılamada oldukça yetersiz kalmaktadır. Ancak küçük çapta ki ihtiyaçları karşılamaya yönelik kullanım söz konusu olabilir.

Şekil 3. 4 10 m’deki 650 W lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 5 30 m’deki 650 W lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 6 10 m’deki 650 W lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 7 30 m’deki 650 W lık Türbinin Kapasite Faktörü

Genelde 10 ve 30 m’lerde üretilen elektriğin ikindi saatlerine doğru arttığı gözlenmektedir (Şekil 3.4 ve 3.5). Benzer şekilde kapasite faktörleri de aynı saatlerde maksimum değerlerde olacaktır (Şekil 3.5 ve 3.7). Kapasite faktörü olarak 30 m’de üretim % 22’lere ulaşmaktadır. Yerleşim alanları içinde kalan bir bölge için bu değer anlamlı olmaktadır (Şekil 3.7).

10 m’deki 1.5 kWh’lık rüzgar türbinin günlük toplam ürettiği elektriğin ortalaması 4.6 kWh, 30 m’deki 1.5 kWh’lık rüzgar türbinin günlük toplam ürettiği elektriğin ortalaması ise 6.2 kWh’ tır. Buradanda anlaşılıyor ki 1.5 kWh’lık türbin bir evin ihtiyacını karşılamada yetersiz kalmaktadır. Ancak birden fazla türbinden teşekkül eden bir sistem ile ihtiyaçları karşılamaya yönelik kullanım söz konusu olabilir. Mevcut haliyle sistem aydınlatmada ve ısıtmada kullanılabilir.

Şekil 3. 8 10 m’deki 1500 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 9 30 m’deki 1500 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 10 10 m’deki 1500 W’lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 11 10 m’deki 1500 W’lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 12 10 m’deki 1500 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin 1 kWh yı Karşılama Oranı

Şekil 3. 13 30 m’deki 1500 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin 1 kWh yı Karşılama Oranı

Bu bitirme çalışmasında düşünülen sistemlerin belirli bir elektrik üretim miktarlarını karşılama oranları hesaplanmıştır. Bu yaklaşım ile sistemlerim tek başına veya birlikte kullanımının istenilen seviyedeki elektriği üretme miktarları bulunmuştur. Bu durumda rüzgar türbininin 1kWh’yı karşılama oranı %5-6 arasında bulunmaktadır (Şekil 3.12). Benzer şekilde bu verimin 30m’ye yükseltilmesiyle 1 kWh’yı karşılama oranları % 10 seviyesine çıkmaktadır (Şekil 3.13).

10 m’deki 3.3 kWh’lık rüzgâr türbinin günlük toplam ürettiği elektriğin ortalaması 9.3 kWh, 30 m’deki 3.3 kWh’lık rüzgâr türbinin günlük toplam ürettiği elektriğin ortalaması ise 12.5 kWh’tır. Buradanda anlaşılıyor ki 3.3 kWh’lık türbin bir evin ihtiyacını karşılama yetmektedir.

Şekil 3. 14 10 m’deki 3300 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 15 30 m’deki 3300 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 16 10 m’deki 3300 W’lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 17 30 m’deki 3300 W’lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 18 10 m’deki 3300 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin ihtiyacı Karşılama Oranı

Şekil 3. 19 30 m’deki 3300 W’lık Türbin Ürettiği Elektriğin ihtiyacı Karşılama Oranı

3.3 kWh’lık rüzgar türbininin yaklaşık olarak 1kWh’lık ihtiyacı yıl boyunca %15 oranında tek başına karşılayabildiği görülmektedir. Bu değer 1.8 kWh’ta %7’ ye ulaşmaktadır (Şekil 3.18). bu değerler 30 m için % 6 oranında artmaktadır (Şekil 3.19).

10 m’deki 4.2 kWh’lık rüzgar türbinin günlük ürettiği elektriğin ortalaması 117 kWh, 30 m’deki 4.2 kWh’lık rüzgar türbinin günlük ürettiği elektriğin ortalaması ise 15.7 kWh tır. Buradanda anlaşılıyor ki 4.2 kWh’lık türbin bir evin ihtiyacını karşılamaya yetmektedir.

Şekil 3. 20 10 m’deki 4200 kWh’lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 21 30 m’deki 4200 kWh’lık Türbin Ürettiği Elektriğin Saatlik Ortalaması

Şekil 3. 22 10 m’deki 4200 kWh’lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 23 30 m’deki 4200 kWh’lık Türbinin Kapasite Faktörü

Şekil 3. 24 30 m’deki 4200 kWh’lık Türbin Ürettiği Elektriğin ihtiyacı Karşılama Oranı

Şekil 3. 25 30 m’deki 3300 kWh’lık Türbin Ürettiği Elektriğin ihtiyacı Karşılama Oranı

30 m’de kurulu 4.2 kW’lık bir türbinin 1 kWh’lık elektriği yıl içinde karşılama oranı % 25’ler civarındadır. Aynı türbinin 1.8 kWh’ı karşılama oranı ise maksimum % 14’e ulaşmaktadır (Şekil 3.25). 10 m’de ise bu durum % 6 civarında azalmaktadır (Şekil 3.24).

3.3 Kullanılan Fotovoltaik Sistem ve Özellikleri

Düşünülen sistemin diğer bir elektrik üretim elemanı fotovoltaik pil sistemidir. Daha öncede belirtildiği gibi Kyocera KC170GHT–2 marka fotovoltaik piller kullanılmıştır. Rüzgar türbinlerinde olduğu gibi fotovoltaik pillerde de istasyonun verilerine göre üretilebilecek elektrik enerjisi miktarları bulunmuştur. 1,3,5 ve 30 m² PV panellerin toplam ürettiği elektrik günlük olarak sırasıyla 0.5, 1.6, 2.7 ve 16.6 kWh’tır.

Şekil 3. 26 1 m²’de Saatte Üretilen Ortalama Elektrik

Şekil 3. 27 3 m²’de Saatte Üretilen Ortalama Elektrik

Şekil 3. 28 5 m²’de Saatte Üretilen Ortalama Elektrik

Şekil 3. 29 30 m2’de Saatte Üretilen Ortalama Elektrik

Şekil 3. 30 PV Panelin Kapasite Faktörü

Daha öncede belirtildiği gibi tercih edilen fotovoltaik pil sistemi 1 m²’lik alanda maksimum 170 Wp elektrik üretebilmektedir. Başka bir deyişle bu sistemin maksimum verimliliği % 17 olmaktadır. Bu çalışmada ise kapasite faktöründen kasıt maksimum üretilebilecek elektriğe ulaşabilme oranıdır (Şekil 3.30). Seçilen bölgede güç artırımında bulunma için sistemler 1,3,5 ve 30 m²’lik alanlara kurulmuştur. Böylece üretilebilecek elektrik miktarı da artacaktır (Şekil 3.26-29). 5 m²’lik alana döşenen fotovoltaik pil sistemi önemli oranda elektrik üretmesine rağmen yaklaşık olarak bir evin çatısının güneye bakan alanını temsil eden 30 m²’ye döşenen PV’ler ile üretilen elektrik miktarı yüksek oranlara çıkmaktadır (Şekil 3.28-29).

Yukarıdaki şekillerden de görüldüğü gibi 1, 3, 5 m² paneller bir evin ihtiyacını karşılamada yetersiz kalmaktadır. Ancak bunlar aydınlatma sistemlerinde kullanılabilir. Çatının güneye bakan kısmına kurulacak akülü 30 m² panelle bir evin ihtiyacı karşılanabilmektedir.

3.4 Hibrit Sistemler

Bu bitirme tezinde şu ana kadar anlatılan ve yapılan bütün hesapların temel hedefi bir hibrit sistemin elemanlarının ayrık ve birlikte üretebilecekleri durumları görmektir. Daha önceki bölümlerde de görüldüğü gibi ne rüzgar ne de güneş PV panelleri tek başına belirli bir orandaki elektrik miktarını karşılayamamaktadır. Bu durumda bu süreksizliği ortadan kaldırmak için iki sistemin birlikte yani hibrit olarak düşünülmesi gerekmektedir.

Bu sistemlerde yapılan hesaplamalar 1996–2001 yılları arasında yapılmıştır. Hibrit sistemler daha önce bahsettiğimiz farklı güçlerdeki rüzgâr türbinleri ve değişik alanları kaplayan PV panellerinden meydana gelmiştir. Bu hibrit sistemler oluşturulurken teoriden ziyade pratikte uygulanabilirlik göz önüne alınmıştır. Mesela 30 m² seçilirken çatının güneye bakan kısmı, anten, baca vs. gibi yer işgal eden parçalardan artan kısım olarak kabul edilmiştir. Bu şekilde hibrit sistem kullanmak isteyen kişilere bir takım çözümler sunulmuştur. Bu açıklamadan sonra Tablo 3.5 ve Şekil 3.31-33 den de görüldüğü gibi günlük bir evin tüketimini 8-10 kWh kabul ettiğimizde, 1.5 kW’lık rüzgar türbini ve 3 m² lik PV hibrit sisteminin dışındaki tüm hibrit sistemler akü yardımıyla bu ihtiyacı karşılamada başarılı olduğu gözükmektedir. Ek-A da ayrıntılı bir şekilde verilen muhtelif hibrit sistem yapılandırmaları ile elde edilen elektrik ile aydınlatma ve ısıtma gibi ihtiyaçlar karşılanabilmektedir.

Tablo 3. 5 Hibrit Sistemlerin Günlük Ürettiği Elektrik

Şekil 3. 31 30 m² PV ile 10 m’deki 4200 kWh’lık türbinin 1 kWh yı karşılama oranı

Şekil 3. 32 30 m² PV ile 30 m’deki 4200 kWh’lık türbinin 1 kWh yı karşılama oranı

Şekil 3. 33 30 m²’ lik PV ile 30 m’deki 3300 kWh’lık türbinin 1 kWh yı karşılama oranı

SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Ülkemizde ve diğer ülkelerde sürekli artan bir elektrik tüketimi görülmektedir. Fosil kaynaklardan elektrik tüketimi aynı zamanda küresel iklim değişiminin temelini oluşturmaktadır. İstanbul’da artan bu elektrik tüketiminden dolayı elektrik kesintileri ile karşılaşılmaktadır. Büyük şehirlerde yaşayan insanların geleneksel elektrik üreten sistemlere bağımlılığı azaltılmalıdır. Önceki bölümlerde bahsedildiği gibi teknolojinin gelişimi ile daha verimli rüzgâr türbinleri ve fotovoltaik hücreler üretilmektedir. Bilim insanları çalışmalarında rüzgâr türbini ve PV hücrelerdeki verimi arttırmak için çeşitli çözümler üretmektedirler. Bunların yardımıyla üretilecek hibrit sistemler ile büyük şehirlerdeki insanların tükettikleri elektriği programlamasıyla şebeke elektriğine duyulan ihtiyaç azaltılabilmektedir. Mesela rüzgârın ve güneşin bol olduğu vakitlerde her evin ihtiyacı olan çamaşır makinesi, bulaşık makinesi, fırın vs. gibi aletler çalıştırılarak şebeke elektriğine olan bağımlılık azaltılabilir. Şehirlerde o şehrin yenilenebilir enerji kaynaklarının özelliklerine göre binaların üzerine yerleştirilecek hibrit sistemler ile büyük ölçüde yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanılabilir.

Bu bitirme çalışması güneş-rüzgar hibrit sistemlerini ele alması açısından gelecekte bu konuda çalışacaklar için önemli bir kaynak olacaktır. Bundan dolayı anlatımlar ve hesaplamalar temel bir çalışmanın bakışıyla gerçekleştirilmiştir. Uygulamanın sonuçları iyi programlanmış bir elektrik harcama düzeniyle İstanbul da şebekeye bağımlılığın oldukça azaltılabileceğini göstermektedir. Özellikle 30 m² alana döşenmiş olan PV sistemi ve 4.2 kW’lık rüzgar türbininin 1 kW’lık elektrik üretim miktarını % 90’lara kadar karşıladığı görülmüştür. Daha modern ölçüm aletlerinin kullanılmasıyla elde edilecek verilerin kullanılmasıyla daha iyi neticelere ulaşılabileceği beklenmektedir.