Analysis of hybrid wind-solar power plant for itu Ayazaga Campus

Abstract

Günümüzde gelişmiş ülkelerin çoğu fosil yakıtlar yerine geçebilecek alternatif enerji kaynakları bulmaya çalışmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları da bu alternatifler içinde önemli bir yer tutmaktadır. Bu arayışa iki temel gerekçe gösterilebilir. Birincisi olayın finansal yönüyle ilgilidir. Son yıllarda fosil yakıt fiyatlarında sık görülen değişimler üreticileri fiyatı stabil enerji kaynakları aramaya yöneltmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları bu anlamda probleme bir çözüm getirmektedir. Rüzgar, güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üreten sistemler kurulduğu takdirde yakıt maliyeti ortadan kalkacaktır. Bu tür sistemler ilk kurulum maliyeti dışında düşük bakım maliyetleriyle 20 – 25 yıl işletilebilmektedir. Ayrıca yenilenebilir enerji santrallarının artması çeşitli alanlarda yeni iş imkanları doğuracağından istihdamı arttıracaktır. Bu avantajlarının yanında yenilenebilir enerji santrallarının maliyetlerinde son yıllarda görülen düşüş de bu yönde tercih yapmaya yönelten bir diğer sebeptir.İkinci olarak çevre açısından ele alındığında, fosil yakıt kullanımın çevre üzerindeki olumsuz etkileri yine işletimleri sırasında çevreye zararlı emisyon yapmayan rüzgar, güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmek için bir diğer sebeptir. Sanayi devriminden sonra sera gazlarında görülen dramatik artış ve bunun sonucu olan iklim değişimi günümüzde ciddiyeti giderek artan bir problem oluşturmaktadır. Bunun dışında fosil yakıtların emsiyonları hava ve su kirliliğine sebep olmakta, solunum problemleri, kronik hastalıklar ve bazı kanser türlerine yakalanma riskini arttırmaktadır. Buna karşın yenilenebilir enerji kaynakları işletimleri sırasında çevreye zararlı emisyon yapmayan dolayısıyla havayı ve suyu kirletmeyen, sera etkisini arttırmayan çevre dostu sistemler olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Yukarıda bahsedilen sebepler nedeniyle, yenilenebilir enerji kaynakları, temiz ve sürdürülebilir bir dünya için, temiz enerji üretimine giden yolda en avantajlı metotlar arasında yer almaktadır.Rüzgar enerjisi zararlı gaz salınımı yapmaz ve bundan dolayı atmosfere zararı yoktur. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olan rüzgar enerjisi, su kirliliği de yaratmaz. Rüzgar santralleri herhangi bir atığa yol açmaz, bu nedenle atık olarak olumsuz etkileri söz konusu değildir. Aşırı büyük oldukları için görüntü kirliliğine neden olurlar, ayrıca gürültülü çalıştıkları için ses kirliliği de oluştururlar. Rüzgar türbinlerinin neden olduğu hava akımı, göç eden kuşları kendine çeker. Bu akımdan kurtulamayan kuşlar türbinlere çarparak ölürler.Güneş enerjisi, atmosfere herhangi bir zararlı gaz salmaz, ancak kurulum aşamasında azımsanacak kadar az bir zararı mevcuttur. Akü destekli olan güneş enerji sistemlerinde, akü içerisinde bulunan sıvının suya karışma ihtimali vardır. Güneş enerjisinin kurulumu yapılırken ambalaj atıkları bulunur, bunun dışında herhangi bir atık söz konusu değildir.Yenilenebilir enerjiler, sağlamış olduğu faydalar nedeni ile oldukça önemlidir. Yenilenebilir enerji teknolojileri çevreyi, fosil enerji teknolojilerinden daha az etkiliyor. Bir kirleticisinin olmaması, kaynağının bitmemesi ve her zaman var olacak olması nedeni ile çevresel olarak oldukça faydalıdır. Ayrıca diğer sonlu ve sınırlı olan enerji kaynakları ile kıyaslandığı zaman hiç tükenmiyor olmaları, gelecek nesillerin de kullanımı için oldukça faydalıdır. Yüksek maliyetli enerji dışı alımlarının yerine, tesislerin kurulması adına malzeme ve insan gücüne yönelik yapılan yenilenebilir enerji yatırımları, yapıldığı yörede kalıyor olup, iş ve ekonomi için de enerji kaynağı oluyor.Gelecek kuşakların enerji gereksinimlerini karşılamak ve çevreye verilen hasarı en aza düşürebilmek için yenilenebilir ya da sürdürülebilir enerji kaynaklarına yönelmek gerekiyor. Yenilenebilir enerji kaynakları, herhangi bir risk olmadan gerekli enerji ihtiyacını karşılamak adına üretilen enerji anlamına gelir.Bu tez çalışmasında İTÜ Ayazağa kampüsünde kurulabilecek bir rüzgar/güneş hibrit enerji santralının optimizasyonu ve yıl içinde bu santraldan elde edilebilecek elektrik enerjisinin hesabı ele alınmıştır. Gelecekte enerji üretiminde büyük öneme sahip olacakları öngörüldüğü ve Türkiye'de anlamlı potansiyellere sahip oldukları için hibrit santral bileşenleri olarak rüzgar ve güneş enerjisi seçilmiştir. Bu iki enerji kaynağına dayanan bir hibrit sistem kurulumunun ele alınmasındaki bir diğer sebep de güneşin potansiyelinin yazın ve rüzgarın potansiyelinin de kışın yüksek olmasıdır. Bu sayede planlanan hibrit santralın yıl içindeki enerji üretimi, tek başına rüzgar veya güneş santralı kullanılması durumuna göre daha homojen olacaktır.Lisanssız üretim sınırları içinde kalması için santralın toplam kurulu gücü 900 kW ile sınırlandırılmıştır. 900 kW kurulu güç sınırı dahilinde kalarak yılın her günü için rüzgar ve güneşten elde edilebilecek elektrik enerjileri hesaplanarak bütün yıl için üretilen enerjiyi maksimize edecek rüzgar-güneş kurulu güç oranı bulumuştur. Elde edilen sonuçlara göre en yüksek enerji üretimi yapacak sistemin kapasite fatörü bulunmuştur. İTÜ Ayazağa kampüsü için rüzgar şartlarının iyi olmadığı görülmüştür.Yapılan çalışmada, İTÜ Ayazağa yerleşkesinde bulunan meteoroloji istasyonunun 2003 yılına ait verleri kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan veriler, saatlik ortlamalar olarak kaydedilmiş; global ışınım, sıcaklık, 2 ve 10 m yüksekliklerde alınmış rüzgar hızı verileridir. Panel yüzeyine gelen ışınım şiddetlerinin hesaplanması için, yılın günü ve saate göre güneşin konumu hesaplanarak, global ışınım değerleri üzerinde açı düzeltmeleri yapılmıştır. İstanbul için optimal sabit panel açısı olarak 31º derece seçilmiştir. Panellerin azimut açıları 0º Güney azimutu olarak seçilmiştir. Panel sıcaklığı verim üzerinde önemli etkiye sahip olduğu için hava sıcaklığı ve ışınım verilerinden panel sıcaklıkları hesaplanarak verim düzeltmeleri yapılmıştır. Enerji üretim hesapları aşağıda verilen 3 panel türü üzerinde ayrı ayrı yapılmıştır:•Mono-kristal•Poli-kristal•Multi-junctionBütün hesaplar 900 kW kurulu güçte PV dizileri üzerinde yapılmıştır. Bunun için her panel tipi için 900 kW kurulu gücü sağlayacak panel sayısı hesaplanarak toplam panel alanları da belirlenmiştir. Rüzgar enerjisi hesapları için yine 900 kW kurulu güce sahip, 3 kanatlı, rotor çapı 44 m ve hub yüksekliği 45 m olan Enercon E-44 rüzgar türbini seçilmiştir. 45 m'deki rüzgar hızlarının hesaplanması için; 2 ve 10 m'deki rüzgar hız verileri, yönlerine göre 12 sektöre ayrılıp bu hızlar kullanılarak her sektör için Hellman üstelleri hesaplanmıştır. Daha sonra bu üstellere göre sektör bazında 10 m'de ölçülen rüzgar hızları Hellman yaklaşımıyla, türbinin hub yüksekliği olan 45 m'ye ekstrapole edilmiştir. Ekstrapole edilen rüzgar hızlarından yararlanarak E-44'ün saatlik enerji üretim hesapları yapılmıştır.Bir sonraki adımda ise rüzgar ve güneş enerjisi sistemlerinin günlük enerji üretimleri üzerinden, hibrit sistemin günlük enerji üretim değerleri, yılın her günü için hesaplanmıştır. Daha sonra, toplam kurulu güç 900 kW değerinde sabit tutulacak şekilde, rüzgar ve güneş sistemlerinin oranları adım adım değiştirilerek günlük yüzde üretimler bulunmuş ve bunların ortalaması alınarak bir yıl için, 900 kW kurulu güce sahip rüzgar/güneş hibrit enerji üretim sisteminin rüzgar ve güneş kurulu güç yüzdeleri belirlenmiştir.Fotovoltaik pil olarak mono-kristal tercih edilmesi durumunda günlük enerji üretim değerlerinden yola çıkılarak yıllık üretimi maksimize etmek için kurulacak sistemin %72.02'sinin PV, %27.98'inin rüzgar enerjisine ayrılması gerektiği görülmüştür. Bu durumda sistem 736.43057 MWh/yıl enerji üretebilecektir. Bu da kurulu güce göre %9.3 kapasite faktörü olduğunu göstermektedir.Fotovoltaik pil olarak poli-kristal tercih edilmesi durumunda, yıllı toplamda maksimum enerji üretimi için sistemin fotovoltaik kısmı %72.02 ve rüzgar kısmı da %27.98 olarak bulunmaktadır. Bu durumda yıllık toplam üretim 726.7068 MWh/yl olmaktadır. Bu da %9.2 kapasite faktörüne karşılık gelmektedir.Fotovoltaik sistemde multijunction ince film seçilmesi durumunda yıllık üretimi maksimize etmek için fotovoltaik ısmın oranı %72.18 ve rüzgar kısmının oranı da %27.82 bulunmuştur. Bu sistemin bir yılda üreteceği hesaplanan enerji 736.22863 MWh/yıl olarak bulunmuştur. Kapasite faktörü de mono-kristal pilde olduğu gibi %9.3 çıkmaktadır.Enerji üretimi açısından elde edilen oranlar ve enerji üretim değerleri birbirine çok yakın çıktığı için böyle bir rüzgar-güneş hibrit sistemi için genel olarak %72 fotovoltaik ve %28 rüzgar bileşeni kullanılmasının uygun olduğu söylenebilir. Bu da kurulu güç olarak yaklaşık 650 kW güneş ve 250 kW rüzgar anlamına gelir.Fotovoltaik pil türünün seçiminde ise mono-kristal veya multijunction ince filmlerin hemen hemen aynı miktarda üretim sağlaması nedeniyle ikisinde biri tercih edilebilirse de panel alanları doalyısıyla fotovoltaik tarlanın kaplayacağı alan, fiyat ve bulunabilirlik verilen kararı etkileyecektir. Bu çalışmada plaka değerleri kullanılan fotovoltaik pillere bakılırsa 230W gücündeki mono-kristal pilin alanı 1.25 m2, 270W gücünde poli-kristal pilin alanı 1.9 m2 ve 145W gücündeki multijunction ince filmin alanı da 1.7 m2 dir.Her ne kadar rüzgar-güneş hibrit santralının kullanımı yıl içinde daha homojen elektrik üretimi sağlasa da İTÜ Ayazağa kampüsü için güneş enerjisinin öncelikli olduğu açıkca görülmektedir. Dolayısıyla kampüs dahilinde binaların çatılarına güneş panelleri kurulması öncelikli olarak önerilebilir. Çatı kurulumlarında yer sorunu öne çıktığı için, en yüksek kurulu gücü sağlamak için verimi en yüksek olan panel tipi olan mono-kristal kullanılması önerilebilir.

Nowadays most of the industrial countries are trying to find alternatives to fossil fuels because of several reasons. It seems that renewable energy can be a true choice for replacing the fossil fuels in these countries. This replacement is justifiable from two aspects. At first, it can be described from the financial side. Various fluctuations in fossil fuels prices during last decade have made the producer to find an energy with certain prices. By choosing renewable energy this problem can be solved because in this by establishing your own power generation system, you will not need to an external energy source to buy. This kind of energies just initial investment for establishment after that will operate at very low cost. Furthermore, renewable energy can provide various job opportunities in various fields directly and indirectly. Decreasing the cost of renewable energy equipment in recent years is another reason for choosing this kind of energy. Moreover, fossil fuels can cause different environmental problems. After the industrial revolution, the greenhouse gasses emission increased dramatically under this condition we can see climate change in the world. Also, fossil fuels cause air and water pollution and it linked to different breathing problems, chronic diseases and types of cancers. However, renewable energies are environmentally friendly, and air pollution is zero in this case also there is no greenhouse gasses emission. According to these reasons which are mentioned above the renewable energies are going to be future of power generation for a sustainable and clean world. In this thesis, we consider a hybrid wind/solar power plant which is located in ITU Ayazaga Campus. The main purpose of choosing this type of hybrid system is to show the complementary feature of solar and wind energy. It is obvious that a solar energy system reaches to its peak generation in summer. On the other hand, the maximum generation of a wind energy system occurs in winter because of the strong wind at this season. By adding the generation of these two systems, we can see the output power of a hybrid system is more consistent than stand alone. At first, we have collected the weather data from a meteorology station which was located in ITU. These data belong to a one-year duration which had started at 00:00 in 1st January 2003 and ends at 23:59 on 31 December 2003. These data consist hourly average of solar irradiances, temperature and, wind speed at 2 meters and 10meters heights. For calculating the amount of solar irradiance reaching the PV panels, we have calculated the incidence angle hourly. According to the incidence angle equation, we have calculated declination of the sun in every hour and hour angle by considering panel tilt angle 31 degrees. After that, we have obtained the panel temperature from the equation which estimates the photovoltaic modules operating temperature by using simple correlation. The temperature of panels was used for obtaining the efficiency of the panels which is depended to temperature. This calculation is done for three type of PV panels: •Monocrystalline •Polycrystalline •Multijunction In the next step by considering the nominal output power 900 kW the number of the panels is computed. Also, the total panel area is obtained for each type. By multiplying this area to solar irradiances and panel efficiency, the annual solar power generation is calculated. In wind power generation we have chosen Enercon E-44 wind turbine which has 900 kW nominal output power and 45meters height. For computing wind speed the Hellman equation is used in a way that the Hellman exponent is obtained by using the wind speed at given heights. Then it is calculated in 45 meter which is the height of the turbine's hub. We have driven an equation according to the curve of the wind speed and output power characteristic. Finally, we have used the calculated wind speed at 45 meters as an input of this equation so we can extract the generation of the wind system during a year. At the last step, we have computed the daily energy generation of each system. By adding solar and wind system outputs we obtained the total energy generation of the hybrid system for each day, then we have computed the solar system proportion and wind system proportion in percent for each day. By calculating the daily average proportion of wind system and solar system and multiplying annual average of these percent to the output power of each system the optimal power generation capacity is obtained and the nominal established is 900 kW.