Fotovoltaik Enerji Sistemleri

Temel Kavramlar ve Örnek Projelerle Fotovoltaik Güneş Enerjisi Sistemleri

Yazı Dizisi-14

4. PVGIS ve ESRA haritalarında doğruluk değerlendirmesi

ESRA veri bankası Avrupa da 566 ölçüm istasyonlarından alınmış verilere dayanılarak oluşturulmuştur. PVGIS oluşturulmasında kullanılan yöntemler ile ESRA arasındaki veri farklılıkları incelenerek gerçeğe yakın modeller oluşturmaya devam edilmektedir.



Buraya kadar anlatılanlar PVGIS sayfasından alınarak sizlere bu yazılımda baz alınan kriterleri tanıtmak amacıyla verilmiştir. PVGIS sayfasından alacağımız meteorolojik veriler ile fotovoltaik sistem tasarımda kullanacağımız ışınım değerlerine ulaşılmış olunur.

Avrupa’nın birçok ülkesi ve Türkiye için PVGIS tarafından hazırlanmış haritalar mevcuttur. Bu haritaları genel bir değerlendirme için kullanmak oldukça yararlı olmaktadır. Bunun dışında koordinat bazında ışınım değerlerini kurmayı düşündüğümüz sistemi boyutlandırırken kullanmaktayız. [12]

PVGIS ışınım veri bankası 

PVGIS web sitesinde hesaplamalar yapabilmek PV sistemlerin performansları ve üretilebilecek elektrik konusunda güneş ışınım verilerine ihtiyaç duyar. PVGIS, bu veriler ile yukarıda anlatılan hesaplamaları ve yaklaşımları kullanmaktadır. Hesaplama işlemleri benzer adımları içermesine karşın hangi veri bankasındaki güneş ışınım verisini kullandığına göre üretilen sonuç değerler farklılıklar göstermektedir. Bununla birlikte veri bankasındaki bilgilerin güncelliği de önemlidir. İklim değişikliğinin etkileri ışınım değerlerini de etkilediğinden eski verilerden sağlıklı sonuçlar üretilememektedir.

Birçok kaynaktan güneş ışınım değerlerine ulaşmak mümkün olsa da, doğruluk oranları çoğunda tartışmalıdır. Bu verilerin incelenmesi, karşılaştırmaların yapılması, güçlü ve zayıf yönlerinin belirlenmesi oldukça önemlidir. PVGIS web sayfasında 2010 da yürürlüğe giren yeni veri işlemleri ile eski veriler birlikte verilmektedir. Bazı bölgelerde henüz değerlendirmeler
eksik olduğu için eski veri bankasının kullanılması gerekmiştir. [12]

Burada eski versiyon olan PVGIS-3 ile yeni verilerle oluşturulmuş olan PVGIS-CMSAF arasındaki karşılaştırma daha detaylı olarak incelenecektir.

Tiplerine göre güneş ışınım veri kaynakları 

Dünya yüzeyinde güneş ışınım verisi iki tipte elde edilmektedir:
• Yeryüzü ölçümleri
• Hesaplamalı uydu verileri

Yeryüzü ölçüleri ile elde edilen güneş ışınımı verileri 

Yeryüzünde güneş ışınım değerini direk olarak ölçmek için farklı ölçüm cihazları kullanılmaktadır. En çok kullanılan ölçüm cihazı Şekil 2.14 de gösterilen pirometredir. Tipik olarak güneşten gelen ışınım değerini ölçer ve belirli bir bölgeden değer alınması isteniyorsa kolayca montajının yapılması ve yüksek veri sıklığı ile bilgilerin depolanabilmesinden dolayı tercih edilmektedir.

Ortaya çıkabilecek ana problemler, verileri toplayan sensörün bozulmuş olması, yüzeyinin kirlenmesi, karla kapanmış olması ve etraftaki binaların veya ağaçların yılın belirli zamanlarında gölge etkisi yapması olarak sıralanabilir. Düzenli bakımlar ile ölçüm istasyonundaki verilerin doğruluğu arttırılabilir. Buna karşın eksik bakım ve ihmaller nedeniyle alınmış kayıtların veri bankasına işlenmiş olması nedeniyle verilerin sağlıklı olup olmadığı konusu belirsizliklere neden olmaktadır.

Ölçüm istasyonu ile fotovoltaik sistemin kurulacağı bölge birbirlerinden farklı olduğunda yaklaşımlarla güneş ışınım değeri belirlenmeye çalışılır. Bu yaklaşımların kalitesi ölçüm istasyonundan uzaklaştıkça düşmeye başlar. Bununla birlikte kurulacak fotovoltaik sistemin uzaklıklarına göre çevrede olan diğer ölçüm istasyonlarının verileri de değerlendirilerek yaklaşımlar yapılmaktadır. [12]

Güneş ışınımı değerlerinin uydu verilerinden hesaplatılması 

Yeryüzünde güneş ışınım değerini uydulardan ölçmek için birçok yöntem vardır. Tipik olarak uydular dünyadan gelen ışığın görünür ve kızıl ötesi kısımlarını ölçebilmektedir. Bu ışık genel olarak yeryüzünden veya bulutlardan yansıyarak uyduya gelmektedir. Bu nedenle yeryüzü için yapılan güneş ışınımı hesaplamaları atmosferin absorbe ettiği ve bulutların yansıttığı kısımları dikkate alınarak yapılmaktadır.

Ölçümler farklı uydulardan alınan verilere göre oluşturulmaktadır. Geostationary hava durumu verileri toplamak için gönderilmiş bir uydu olup 15 ila 30 dakika aralıklarla dünyayı fotoğraflamaktadır. Bu sayede yüksek veri kalitesi sağlanabilmektedir. Buna karşın çekilen fotoğraflardaki her bir piksel birkaç km ye karşılık gelmektedir. Polar-orbiting uydusu dünyaya daha yakın yörüngede dönmektedir ve bu nedenle çektiği fotoğraflardaki pikseller daha detaylı veriler taşımaktadır. Buna karşın uydular sabit olmadıklarından belirli bir bölgeden gün içerisinde birkaç fotoğraf çekebilmektedir. PVGIS de kullanılan veriler çoğunlukla Geostationary uydusunda üretilmiş verilere dayanmaktadır. Uydular ile güneş ışınım değerlerinin hesaplanması geniş alanların hesaplatılmasında yer tipi ölçüm istasyonlarına göre büyük avantajlar sağlamaktadır. [12]

Buna karşın uydu ile yapılan ölçümlerinde kendine has problemleri vardır:

• Karla kaplı yüzeyler uydulardan bulut olarak algılanmaktadır. Bu durumun üstesinden gelmek için farklı metotlar üzerinde çalışılmasına karşın karla kaplı alanlarda belirsizlikler yaşanmaktadır.
• Uydudan yapılan ölçümlerde dağlık bölgelerde yükselti farklarını algılama sorunu yaşanmaktadır. Uydu tabanlı yapılan hesaplamalarda güneş ışınım değerinin yükseklikle olan bağıntısı tam olarak yansıtılamamaktadır.
• Özellikle kış aylarında yüksek enlemlerde güneş ışınlarının yere daha yakın gelmesinden dolayı yükseklikten kaynaklı uydudan yapılan hesaplamalarda zorluklar yaşanmaktadır.

Uydu verilerinin yerde ölçüm alan istasyonlar ile karşılaştırmalarının yapılması önemlidir.

PVGIS tarafından kullanılan ışınım veri bankası 

PVGIS Avrupa 

Avrupa için kullanılan orijinal veri bankası yeryüzü ölçüm istasyonlarından toplanan verilerin enterpolasyonu ile hazırlanmıştır. İstasyonlardan alınan veriler uzun dönem aylık ortalama global ve yaygın ışınım değerinin yatay düzlemdeki değerini vermektedir. Temel alınan verileri Avrupa Güneş Işınım Atlasından (European Solar Radiation Atlas - ESRA) dan alınmış olup 1982 - 1990 yılları arasındaki 10 yıllık dönemi içermektedir.

PVGIS Afrika 

Afrika için üretilen veriler uydu tabanlı olarak MINES ParisTech tarafından yapılmış olup Meteosat uyguları ile yapılmıştır. Veriler 1985-2004 arasını içermektedir.

Avrupa ve Kuzey Afrika için yeni PVGIS-CMSAF veri  bankası 

Elde edilen veriler CM-SAF uydusunun çektiği fotoğraflar üzerinden yapılan hesaplamalar sonucunda oluşturulmuştur. Veri bankası 12 yıllık verilere dayanılarak oluşturulmuştur. İlk yollanan Meteosat uydusu (Meteosat 5-7), 1998-2005 yılları arında çalışmıştır ve MFG olarak tanınmaktadır. İkinci nesil Metrosat uydusu MSG olarak bilinir ve 2006-2010 yılları arasındaki verileri içermektedir. [12]

PVGIS- den PVGIS-CMSAF:CM:SAF verileri kullanılarak  oluşturulan yeni haritaların eski veri bankası ile aralarındaki farklar 

CM-SAF verileri ile yapılan hesaplamalar sonucunda oluşturulan yeni haritaların eski PVGIS-3 verileri ile oluşturulan haritalardan farkını Avrupa için Şekil-2.24 de Afrika için Şekil-2.25 de gösterilmektedir. Sarı ve kırmızı PVGIS-CMSAF haritasının daha yüksek değerler ürettiğini, mavi olan değerler ise PVGIS-CMSAF in PVGIS-3 e göre daha az değerler hesaplatıldığının bir göstergesidir. [12]

]

Eski veriler ile yeni veriler arasındaki farklılıkların Avrupa ölçeğinde değerlendirecek olursak;

PVGIS-3 haritaları ölçüm istasyonlarında alınan verilerin enterpolasyonu ile farklı noktalardaki ışınım değerleri bulunarak oluşturulmuştur. Enterpolasyonun yeterince iyi olmaması ve ölçüm istasyonlarındaki verilerin durumuna göre farklılıklar yaşanmaktadır.

Ölçüm istasyonlarından kaynaklı problemin sebebi aşağıdakiler olabilir:

• Ölçümler hatalıdır
• İklimlerin değişmesi nedeniyle ışınım düzeyi artmıştır. Yeni veriler 1998-2010 ölçümleri sonucunda elde edilmişken eski veriler 1981-1990 yılları arasında alınmıştır.

Yukarıda bahsedilen iki nedenden ötürü değerler arasında farklar yaşanmaktadır. Işınım verileri alırken çok farklı etkilerden ötürü hatalı ölçümler yapılabilir. Ölçüm yapan sensörün üzerinde pislik birikmiş olabilir, kar veya don ile kapanmış olabilir. Bunun dışında ölçüm istasyonları çevresinde binalar inşa edilmesi veya ağaçların zaman içinde büyüyerek gölge yaratacak etmenlerin oluşması sonucu ölçülmesi gereken ışınım değerinden daha düşük verilerin toplanmasına neden olmaktadır.

Bunun dışında yapılan araştırmalar sonucunda Avrupa genelinde güneş ışınım değerinin son 30 yıl içerisinde arttığını göstermektedir. İklim değişikliğinin bu etkisi eski veriler ile oluşturulmuş PVGIS-3 ile yeni verilere sahip olan PVGIS-CMSAF arasındaki farkları ortaya koymaktadır.

Kuzey Afrika haritalarında yaşanan temel sorun ise yeterli ölçüm istasyonunun bulunmaması nedeniyle yapılan enterpolasyonun kalitesinin düşük olmasından kaynaklanmaktadır.

Şekil-2.24 de Türkiye deki ışınım değerleri görülmektedir. Bu durumda yeni verilere göre Türkiye’nin daha fazla güneş ışınımına maruz kaldığı görülmektedir. Güneş potansiyelimizineskiye oranla daha fazla olduğunu görmek hem yatırımcılar için hem de güneş enerjisi alanında çalışan mühendisler için önemli bir bilgidir. Işınım değerinin yüksek olması kurulması olası fotovoltaik sistemlerin daha çok elektrik üretmesi ve daha kısa zamanda ilk kurulum maliyetlerini çıkarması anlamına gelmektedir.

Özellikle yatırımcıları yakından ilgilendiren geri dönüş sürelerinin olabildiğince kısalmasıdır. Güneş ışınım değerlerinin artması ile bu süre kısalmaktadır. Bu noktada güneş enerjisi alanında çalışan mühendislerin yatırımcılara güncel bilgiler vermesi ve yatırım olanaklarını doğru açıklaması gerekmektedir.

PVGIS web sayfasında birçok Avrupa ülkesi için oluşturulmuş güneş ışınım haritaları bulunmaktadır. Bu haritalar yatayda yerleştirilmiş güneş panelleri ile üretilebilecek elektrik enerjisi ile optimum açıda yerleştirilmiş güneş panelleri ile üretilebilecek olan enerjiyi göstermektedir. Fakat bu haritalar henüz yenilenmemiş olup 1981-1990 (kWh/m2) değerini almaktadır. Örnek olması açısından Türkiye için oluşturulmuş dosyaları Şekil 2.26 ve Şekil 2.27 de verilmiştir. [12]

Şekil 2.26 da verilen Türkiye haritasında global ışınımın yataya yerleştirilmiş bir fotovoltaik panelden üretilebilecek elektrik enerjisi potansiyelinin yıllık toplam değerini kWh/m2 cinsinden vermektedir.

Bununla birlikte Şekil 2.27 de verilen Türkiye haritasında fotovoltaik panellerin yatayda değil optimum açı ile yerleştirilmesi durumunda yıllık toplam üretilebilecek elektrik enerji kWh/m2 cinsinden vermektedir.

İki haritadan da görüldüğü gibi güneye inildikçe FV sistemlerden üretilebilecek elektrik enerjisi potansiyeli artmaktadır. Bu haritalarda yatayda ve optimum açı ile kurulumu gerçekleştirilmiş, 1kWp gücündeki FV sistemden 0,75 performas oranına göre üretilebilen yıllık toplam elektrik enerjisi potansiyeli gösterilmiştir.[12]





Bundan sonraki yazı dizimizde “ PVGIS ile 1 kWp Gücündeki Bir Fotovoltaik Sistemin Enerji Üretim Değerlerinin Hesaplatılması   ” anlatılacaktır.

Bu kitabın yayını için izin veren  Sn. Haluk Özgün ve GÜNDER ‘e  ( Uluslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü)  Elektrik Tesisat Portalı olarak  içtenlikle teşekkür ederiz