Güneş ışınım verilerinin analitik yöntemler ile yatay düzlemden eğimli düzleme çevrilmesi, deneysel doğrulanması ve fotovoltaik uygulaması

Abstract

Güneş enerjisi, alternatif enerji kaynakları arasında en verimli ve en kullanışlı olan enerji kaynağı olarak bilinmektedir. Güneş enerjisi fotovoltaik hücreler aracılığı ile elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu çalışmada Bolu Abant İzzet Baysal Üniversitesi Makine Mühendisliğine ait 40°42'52.2`K, 31°31'29.8`D koordinatlarında hali hazırda kurulu bulunan 36 hücreli polikristal tür bir güneş paneli ve sisteminden elde edilen veriler kullanılmıştır. Piranometreler ve veri kaydedici kullanılarak, hazırlanan deney düzeneğinde eğik düzlemdeki ışınım, yatay düzlemdeki ışınım, akım, voltaj hücre sıcaklığı ve çevre sıcaklığı değerleri dakikalık olarak kaydedilmiştir. Bu çalışma ile yatay bir yüzeye gelen güneş ışınım verilerinin iki farklı analitik model kullanılarak eğimli yüzeye çevrilmesi ve analitik modellerden elde edilen sonuçların deneysel sistemden alınan ölçüm değerleri ile karşılaştırılması hedeflenmiştir. Buna ilaveten, eğimli ve yatay yüzeyler üzerine düşen ışınım şiddetlerinin farklı olmasının fotovoltaik panellerden elde edilen güç ve enerji üzerindeki etkisinin nicel olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Eğik düzleme düşen güneş ışınımı izotropik ve anizotropik modeller kullanılarak hesaplanmış ve deney düzeneğinde eğimli yüzeyde ölçülmüş olan ışınım değerleri ile karşılaştırılmıştır. Modellerden hesaplanan ışınım değerleri ile ölçülen ışınım değerleri arasındaki fark R2, RMSE ve MBE olmak üzere üç farklı istatistiksel parametre kullanılarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca 4 parametreli model kullanılarak yılın farklı günlerinde fotovoltaik panelin ürettiği akım-voltaj ve güç-voltaj karakteristikleri hesaplanmıştır. Bu yolla, eğimli yüzeydeki hesaplanan ve ölçülen ışınım verileri ile akım-voltaj ve güç-voltaj değerleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, eğimli ve yatay olarak konumlandırılmış fotovoltaik panellerden elde edilen güç ve enerjinin mevsimsel olarak değişimi de irdelenmiştir.

Solar energy is known as one of the most productive and sustainable alternative energy sources. Solar energy is converted into electrical energy through photovoltaic cells. In this study, data obtained from the polycrystalline type solar panel with 36 cells and the system already established at coordinates of 40°42'52,2` N, 31°31'29,8` E by the Department of Mechanical Engineering have been used. Thorough the outdoor experimental test facility incorporating pyranometers, sensors and data loggers, the irradiance in inclined surface, the irradiance in horizontal surface, current, voltage and temperature values were collected at 1 minute intervals. The purpose of this study is the conversion of the solar irradiance from the horizontal surface to that on the inclined surface by using two different models and to compare the results to the measured solar irradiance on the inclined surface. The measured irradiance values on horizontal surface was converted into the inclined surface values through isotropic and anisotropic models, and the converted values were compared with the measured values on the inclined surface. The difference between the measured and calculated values were calculated by using three different statistical parameters, namely R2, RMSE and MBE thus the accuracy of the models was comparatively analyzed. Besides, the current-voltage and power-voltage characteristics were obtained for some selected days by using the analytical 4-parameter photovoltaic model. The current-voltage and power-voltage characteristics were then calculated on the inclined surface using the measured and calculated irradiance values and compared to each other. Furthermore, the power and energy values calculated both on the horizontal and inclined surfaces for different seasons were compared to show the seasonal effect of inclination.