New Model And Comperative Study Of correlation Factors With monthly Average Of Daily Global Solar Radiation

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016Enerji, tüm çeşitleriyle dünyaya yön veren, insanlık tarihinin en başından itibaren varolmuş ve olmaya devam edecek önemli bir unsurdur. Dünyanın değişimi, her ne kadar nüfus ve teknolojiyle orantılı olsa da enerji; teknolojiyi ve dünyayı döndüren çarklardan en önemlisidir. Nüfus artışı, sanayileşme ve teknolojideki gelişmeler ile akabinde gelen küreselleşme sonucunda enerjiye olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Dünyada enerji başlangıçta fosil yakıtlara dayansa da, zamanla bu tür yenilenmeyen yakıtların bir başka deyişle başlıca kömür, petrol ve doğalgaz rezervlerinin tükenmesiyle ve fosil yakıtların ekosisteme verdikleri zararın artması sonucunda küresel ısınma probleminin ortaya çıkmasıyla farklı enerji kaynaklarına yönelinmiştir. Her ne kadar, fosil enerji kaynakları Dünya enerji talebinde önemini gelecekte de sürdürecek olsa da, bu tür kaynaklara alternatif olan enerji kaynakları çok eski olmamakla birlikte geçmişten günümüze kadar varlığını devam ettirmiş ve teknolojik gelişmeler, bilimsel çalışmalar ve ekonomik yatırımlar sayesinde gün geçtikçe gelişen, ekosisteme duyarlı ve önü açık enerji sahaları var olacaktır. Bahsi geçen, enerji kaynakları başlıca; rüzgar, güneş, jeotermal, hidrolik enerji ve biyoenerji gibi enerji kaynakları olan bu sürdürülebilir enerji kaynakları gelişmekte olup, ilerleyen teknoloji ile gelecekte fosil yakıtlardan ziyade başvurulan yegane yakıt türü olacaktır. Sürdürülebilir enerji kaynakları içerisinde önemli yere sahip olan güneş enerjisi, teknolojinin de gelişmesine paralel olarak dünya genelinde rağbet görmektedir. Dünya’nın her yerinde konu ile ilgili çeşitli konferanslar, iyileştirme toplantıları yapılmakta ve her yıl devlet kanalları, kuruluşlar, dernekler ve üniversiteler yıllık raporlar sunmaktadır. Bu bağlamda, tezin amaçlarından biri dünya ve Türkiye genelinde güneş enerjisi teknolojisinin yerini tayin etmektir. Öte yandan, geniş kapsamlı bir uygulama alanına sahip bu enerji sahasında, bölgesel ve kısmi projeler yürütülmektedir. Yapılan projelerin ilk kurulum maliyetlerinin yüksek olması gibi sebeplerden ötürü, proje çalışması başlamadan önce çeşitli incelemeler ve analizler yapılmaktadır. Bahsi geçen bu ön değerlendirmenin kapsamı; bölge yapısından, maliyet analizine kadar uzanan geniş bir yelpazeye sahiptir. Öte yandan incelenmesi gereken birincil unsur uygulama bölgesine ait güneş ışınım süreleri ve ışınım özellikleridir. Işınım ölçüm cihazlarının alım ve kalibrasyon maliyetleri yüksek olduğundan gelişmekte olan ülkeler başta olmak üzere dünya genelinde ışınım değerleri tayinine ait modeller ortaya sunulmuş ve sunulmaya devam etmektedir. Modeller, genellikler seçili kısıtlı bölgeleri kapsasa da geniş alanlara yönelik hesaplamalar çıkartılma yönünde de çalışmalar vardır. Bu tezin esas amaçlarından biri, literatürde var olan ve Türkiye özelinde geliştirilmiş yatay düzelme gelen ışınım modellerini ortaya koymak ve Türkiye genelinde belirlenen bölgelerdeki seçilen istasyonlar özelinde literatürden seçilen bu modelleri değerlendirmektir. Modeller için yapılan istatistik analiz sonucunda tez dahilinde en uygun modelleri belirlemek amaçlanmıştır. Öte yandan, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığından alınan veriler dahilinde yeni modeller literatüre kazandırılmak bu tezin en önemli amaçlarından biridir. Tezin ilk bölümünde, güneş enerjisinin Türkiye ve Dünya genelinde gelişimine ve mevcut durumuna yer verilmiştir. Dünya ve Türkiye için yayınlanan kurulu güç ve yapılan/yapılacak olan yatırımlara yönelik devletler, kurum ve kuruluşlar hazırlanan tarafından yıllık raporlar ve mevzuatlar incelenmiştir. Öte yandan, enerji yatırımlarının hukuki ve hükümet açısı incelenmiş, mevcut devlet destekli projeler rakamlarla ifade edilmiştir. Yapılan bu analiz devamında, literatürde yayınlanan güneş enerjisi ile ilgili çalışmalar değerlendirilip tezin literatür kısmında detaylandırılmıştır. Bahsi geçen bu çalışmalar, güneş ışınım değerlerinin tayinine ait literatüre kazandırılan modellerin incelenmesini ve belirli bölgeler için analizlerini kapsamaktadır. Öte yandan, literatüre yeni güneş ışınım modelleri sunan çalışmalar da tezin literatür incelemesi kısmına dahil edilmiştir. Literatür kısmında bahsedilen bu analiz, tez konusu kapsamında olup, bu bağlamda literatürde var olan model çalışmaları ve/veya literatüre sunulan modellerin tarama çalışmaları gözönüne alınmıştır. Tez kapsamında olmayan, farklı meteorolojik parametrelere, bölge coğrafyası ve iklimine bağlı modellerden bahsedilmemiştir. Bunun yanısıra, tezin literatür kısmında incelenen tez konusu kapsamındaki modeller yine tez konusu dahilindeki bölge olan Türkiye için türetilen ve literatürde varolan modellerdir. İlk kısmın akabinde, tezin ikinci bölümünde güneş enerjisi fiziğine değinilmiştir. Güneş enerjisi uygulamaları için yapılacak olan hesaplamalarda, seçilecek bölge için yıllık güneş ışınım değerleri önemli bir yere sahip olmakla birlikte bunun için en önemli ve temel unsur güneşin konumu ve güneşten gelen ışınım açılarıdır. Bu bağlamda, güneş ışınım açılarının fizik bilimi açısından ne ifade ettiği bu bölümde tanımlanmış ve temel bağlantılar verilerek detaylandırılmıştır. Tez kapsamında varolan bu açıların detaylandırılmasının yanısıra bu açıların tez konusu dahilinde olan ışınım hesaplamaları için mevcut önemi ve kullanımı ilerleyen bölümlerde görülmektedir. Öte yandan, tezin ikinci kısımına konu olmuş olan ışınım; ışınımın tanımı ve güneş ışınımının atmosferi geçip yeryüzüne gelene kadarki yolculuğundan bahsedilmiştir. Güneş enerjisi uygulamalarında önemli yere sahip olan anlık ve günlük güneş ışınım hesapları hem atmosfer dışı hem de yeryüzü için irdelenmiştir. Bunun yanısıra, yeryüzüne gelen ışınım, eğik ve yatay düzlem için anlık ve günlük detaylandırılmasının yanı sıra toplam, direk ve yaygın ışınım hesaplamaları olarak da anlatılmıştır. Her ne kadar tez kapsamında, yatay düzlem için günlük toplam güneş ışınım inceleme ve hesaplamalarına yer verilmiş olsa bahsi geçen diğer hesaplamaların teorik bilgisi bu bölüm kapsamındadır. Tezin üçüncü bölümü, deneysel çalışmanın detaylandırılmasını içermektedir. Öncelikle, teze konu olan Türkiye’nin güneş ışınım yapısının anlatılmasının yanı sıra metrekareye düşen ışınım değerleri rakamsal olarak yansıtılmıştır. Akabinde, ışınım değerlerine bağlı olarak ayrılan bölgeler tanımlanmıştır. Tez kapsamında, Türkiye 4 bölgede incelenmiş ve her bölge için yine ışınım değerlerine göre 5’ er istasyon belirlenmiştir. Bahsi geçen bölgeler ve istasyonlar tezin bu bölümünde detaylandırılmıştır. Öte yandan, literatür kısmında bahsedilen ve tez konusu dahilinde Türkiye’ nin belirli bölge ve/veya istasyonları için daha önce literatüre sunulan ve tez dahilinde irdelemek adına seçilen modeller yine bu kısımda detaylandırılmıştır. Modellerin konu olduğu çalışmalardan kısaca bahsedilmiştir. Modellerin formülleri ve formüllerin bağlı olduğu parametreler bu kısımda sunulmuş ve modeller ile ilgili açıklama yapılmış, var ise aynı modele ait alt formüllerin temsil ettiği hesaplama detaylandırılmıştır. Tezin hesaplama bölümü olan dördüncü bölümünde, Türkiye genelinde 4 bölge için seçilen 5’er istasyon görsel olarak sunulmuş ve her bir bölgenin tabii tutulduğu hesaplamalar açıklanmıştır. Detaylandırmak gerekirse, literatürden seçilen modeller 6 set halinde gruplanmış ve her bölgedeki istasyonlar için ayrı ayrı hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda, her bir bölge için temsili bir istasyon seçilmiştir. Tezin bu kısmında seçili istasyonların yanı sıra tez çalışmasının geçtiği istasyon olan İstanbul’ un da hesaplamaları dahil edilmiştir. Seçili istasyonlar ve İstanbul istasyonu için model hesaplamaları grafiksel olarak sunulmuş ve grafiğin ortaya çıkması konusunda uygulanan modeller her bir hesaplama sonucu için tablolar dahilinde detaylandırılmıştır. Dördüncü bölümde, yukarıda anlatılan her bölge için seçili istasyonların literatür modellerinin irdelenmesinin yanı sıra, modellerin her bir bölge ve her bölgedeki her bir istasyon için uygunluk durumlarının irdelenmesi adına literatürde en sık kullanılan istatistiksel analiz metodları altında incelenmiş ve tezin bu kısmına dahil edilmiştir. Her bir bölge için yapılan bu irdelemeler tablolar halinde sunulmuştur. Tezin yine dördüncü bölümünde, İstanbul ve seçili istasyonlar için yatay düzleme gelen günlük güneş ışınımına dair hesaplanan ve ölçülen değerler irdelenmiştir. Bu çalışma akabinde İstanbul ve her bölgenin seçili istasyonuna ait yeni modeller korelasyon faktörü ile ortaya konulmuştur. Tezin son kısmında, yapılan çalışma doğrultusunda ortaya çıkan sonuçlara değinilmiş, varılan nokta tartışmış ve yapılan çalışmaya dair sonuç çıkarılmıştır. Güneş enerjisinin önemine değinilmiş ve teknolojisinin gelişimi yatırımlar açısından rakamlarla kıyaslanmıştır. Öte yandan, ileriye dönük iyileştirme adına öneride bulunulmuştur. Akabinde, yapılan tez çalışması dahilinde her bir bölgede seçilen istasyonlar için makul olan model tayini yapılması adına istatistik açıdan değerlendirilmiş ve modeller kıyaslanmıştır. Öte yandan, tez konusu dahilinde olan Türkiye bölgesi için her bir bölgedeki seçilen istasyonlar ve tezin geçtiği istasyon olması açısından İstanbul istasyonu için ileri sürülen yeni korelasyonlar istatiksel olarak irdeleniş ve yorumlanmıştırEnergy demand led to solar energy and installing photovoltaic facilities become the mainstream power supplier today. Solar energy has become a trending topic not only for scientific researches but also for the governments and companies as well. Therefore, there have been conferences, meetings with regard to improvements of solar technology and science behind, meanwhile anaylsing the yearly situation of solar technology in terms of economic, legal and governmental aspects. However, there are some obstacles for investors that can not be ignored. The most important ones are installment costs and legal regulations. This situation force investors to do the right project before installation. Thereto, building solar plants with suitable setup to the correct geographic areas by utilizing information of solar radiation data is the start point of solar energy facility investment projects. In these premises several solar radiation models have been improved in order to estimate the solar radiation at a given location or larger areas. One of the main objective of this thesis is to review the solar radiation models available in the literature and evaluate for the defined regions and related stations in Turkey in order to develop new models. Therefore, this Master of Science Thesis aims to compares the models for several stations in four regions where the total solar radiation range varies by region. Further, thesis also aims to imply the statistical analysis methods in order to detect the most appropriate model. In the first part of this thesis, the improvements in the solar energy field are explained for Turkey and World. Besides, the current status of solar energy installed capacities are explained with numbers due to the yearly reports that published around the world by governments and solar energy related societies. Furthermore, literature reviewed in this thesis with regard to the models proposed to determine global solar radiation datas for specific or general regions. The studies published for the models, are detailed in the literature part of the first chapter. The investigation for solar plant installations has to be done scientifically for to define the most appropriate facility. Therefore, the physics of solar energy has major role. In this context, in the second chapter this thesis states, theorical knowledge of solar angular and radiation calculations. The descriptions of solar angles are detailed meanwhile the pathway of solar radiation through the atmosphere is explained. Besides the descriptions of physics of solar energy, the related fundamental equations of solar radiation are also defined. The daily extraterrestrial radiation fundamental equations are detailed meanwhile the daily solar radiation on horizontal surface is stated in this chapter that are within the topic of this thesis. Although the hourly fundamental calculations of solar radiation on horizontal and inclined surface are not the topic of this thesis, the global, direct and diffuse solar radiation are also detailed for the knowledge of the physics of solar radiation fundamentals. Further, in the third chapter, experimental study is explained by the description of the region and the global solar radiation calculation by models selected from the literature. The models that are evaluated in the literature are chosen which the studies enlightens as some station(s) within Turkey region. The third chapter summarize briefly the models and the studies that the models are purposed. Furthermore, the chapter defines the field that the thesis evolved. This thesis, includes Turkey region with four different solar radiation ranges which are named under regions. There are 5 stations for each region that are evaluated under the selected models. In the fourth chapter, calculations are detailed and 4 regions each 5 stations illustrated. Each station evaluated for selected models which are grouped by 6 sets of models. On the other hand, models are evaluated for each station of each region, but only Istanbul and one selected station for each region are illustrated by the model results figures. Further, statistical analysis results are shown for regions. By the end of fourth chapter, new models purposed by this Master of Science Thesis is given for selected stations and Istanbul, Turkey according to the measured and calculated data of the monthly average daily global radiation and the monthly average maximum possible daily sunshine duration. In the conclution, the importance of solar energy is stated and the improvements around the world are evaluated by means of report datas. Furthermore, forecasts are given for the improvents of solar energy field. In the following, the models are compared by the statistical analysis results of each selected station. At the end, the purposed models by this thesis are evaluated by the statistical analysis methods.Yüksek LisansM.Sc