Sürdürülebilir bir gelecek istiyorsak, yenilenebilir kaynakların gücünden aktif bir şekilde yararlanmamız gerekmektedir. Bu kaynakların başında güneş enerjisi yer almaktadır. Fakat güneş enerjisinin değişken doğasından dolayı enerji verimini doğru tahmin etmek oldukça zordur. Bahsettiğimiz belirsizlik sadece inovasyonu engellemekle kalmıyor, aynı zamanda güneşin enerji üretiminde kullanımını gereksiz yere geciktiriyor.
Güneş pillerinin dönüşüm verimliliği, kontrol edilemeyen hava koşullarının ölçümlerde önemli sapmalara neden olabileceği dünyamızın değişken atmosferinden etkilenir. Enerji sağlayıcıları gibi paydaşlar için asıl endişe, hücrenin verimlilik yüzdesi değil, belirli bir konumdaki yıllık enerji üretimini anlamaktır. Bu durum (finansal) getiri belirsizliği sebebiyle, güneş panellerinin tam potansiyeli ve bunların bina, araç çatısı veya tarımsal uygulamalarda kullanımından yararlanılmayabilir.
Kesin ölçüm kaçınılmaz ihtiyaç
Çeşitli fotovoltaik (PV) teknolojilerinde doğruluğu ve uygulanabilirliği artırmayı amaçlayan tahmin üzerine kurulu enerji verimliliği üzerine modeller mevcuttur. Ancak ‘gri kutu’ adı verilen modeller genellikle geçmiş verilere ve deneysel içgörülere dayanır ve bu yüzden güneş enerjisi kurulumlarını optimize etmek için gereken doğruluğu (hassasiyeti) tam olarak sağlayamaz.
Sözü edilen acil hassasiyet ihtiyacına yanıt olarak IMEC’in EnergyVille, Belçika’da bulunan Enerji Sistemleri ekibi, 2017’de kendi modelini sundu. Geleneksel yaklaşımların aksine, model kapsamlı bir yaklaşımı benimsiyor; güneş panelleri içindeki ışık, sıcaklık ve elektrik dinamikleri arasındaki karmaşık etkileşimleri fizik tabanlı bir modelle inceliyor. Bu kapsamlı yaklaşım, özellikle yenilenebilir enerji ortamının, altyapı entegrasyonu ile göz önüne alındığında çok önemlidir.
Enerji verimi modelini anlamak için fizik tabanlı bir simülasyon
Sistem modeli birbirine bağlı optik, termal ve elektriksel üç bileşeni bir araya getirir.
- Optik model; güneş modüllerinin optik olarak nasıl tepki verdiğini simüle eden aynı zamanda karmaşık “ışın izleme” tekniklerini kullanıyor. Farklı dalga boylarında, açılardaki yansıma veya emilimi de göz önüne alan model, farklı panel teknolojileriyle güneş ışığı etkileşimini yakalamada kendini gösteriyor.
- Termal model; ısı değişimlerini hesaba katarak güneş panelleri için küresel modül sıcaklık tahminlerinde bulunuyor. Yerel ‘baca’ etkilerini anlamak, doğru sıcaklık modellemenin temelidir ve daha ayrıntılı tahminler sağlar.
- Elektrik model; elektrik üretiminin derinliklerine iner. Spesifik güneş pili türü ve (akustik) emici malzemenin varlığı gibi çeşitli etkenleri dikkate alır. Üretilen akım hakkında bilgi sağlar ve potansiyel verimlilik kaybını belirler.
Bu üç model titiz meteorolojik veriler ve konumlandırma gibi çevresel girdilere yanıt olarak kapsamlı bir 3D resim çiziyor. Güneş ışığının doğrudan etkisinin yanı sıra, yükselen sıcaklıklar ve azalan rüzgâr akımları güneş paneli verimliliğini olumsuz bir şekilde etkileyebilir.
Prof. Michaël Daenen, “Modelin meteorolojik karmaşıklıklara odaklanması, dünya koşullarının daha doğru ve dinamikliğini sağlayarak, modelin değişen meteorolojik ve ışınlama koşulları altında güneş pillerinin günlük veya yıllık enerji verimini tahmin etmesine olanak sağlıyor.” diye vurguluyor.
Teoriden gerçeğe
Enerji verimi modeli, PV entegrasyonunu optimize etmek için pratik bir kılavuz olarak çalışıp deneysel enerji verimlerini simüle edilenlerle karşılaştırıldı.
Örnek olarak Interreg Rolling Solar projesi, PV sistemlerinin kamu altyapısına entegre edilmesine odaklandı ve ek bir araziye ihtiyaç duymadan büyük ölçekli elektrik üretimi öngördü. Belçika’nın EnergyVille kentinde ise yeni geliştirilen güneş modüllerinin birkaç yıl boyunca enerji verimlerini ölçmek için beton gürültü bariyeri duvarı inşa edildi.
Şekil 1: Genk’teki EnergyVille’in Thor Park’ında bulunan PV’li gürültü bariyeri.
Imo-imomec/EnergyVille Departman Direktörü Prof. Ivan Gordon, enerji verimi sonuçlarını şu şekilde dile getirdi. “Fizik tabanlı modelimiz, özellikle kristalin silikon güneş panelleri, 15 dakikalık bir süre zarfında son derece doğru tahminler verdi. Mevcut PV kurulumlarının %95’inden fazlası silikon bazlı olduğundan bu kadar doğru tahminlerin önemini düşünebilirsiniz.”
“Tahminleri bakır indiyum galyum diselenid (CIGS) modülleri gibi ince film teknolojilerine genişlettiğimizde zorluklar açığa çıktı. Sorunu çözmek için ince film malzemelerine göre ayrı bir elektrik modeli geliştirdik ve ampirik düzenlemeleri dahil ettik. Tekrarlanan birkaç iyileştirmeyle hatayı önemli miktarda azaltarak farklı malzeme ve teknolojilere uyarlanabilir duruma getirdik.”
Rolling Solar projesinin ikinci aşamasında duvara modüler çift yüzeyli güneş panelleri dahil edilerek modelin kapsamı alanı genişletildi. Çift yüzeyli PV sistemleri fotonları her iki yönlü alabildiğinden, tek yüzeyli PV sistemlerine göre %20’ye kadar daha fazla elektrik üretmektedir. Bu model çevreye bağımlıdır ve gün boyu değişiklik gösterir. Bu zorluklar optik modeldeki değişikliklerle giderilmiştir.
Dr. Arnaud Morlier: “Enerji Verimi modelinin temel gücü esnek çerçevesi olmasıdır.” diye vurguladı. “Bu özellik, modelimizin dünyadaki deneylerle güneş paneli teknolojileri ve uygulamalarındaki ilerlemeyle birlikte gelişmesini sağlıyor. Farklı koşullar altında enerji üretimine ilişkin öngörüler sağlayan farklı malzeme ve uygulamaları içerecek şekilde genişletilebilecek temel bir çerçeve görevi görüyor.”
Optimizasyonunun ötesinde bir model
Belirli bir uygulamanın enerji veriminin kesin olması çok sayıda avantaj sağlar: Bir modül mühendisi, fiziksel üretime gerek duymadan güneş pillerinde yapılan teknik ayarlamaların dünyadaki etkisini değerlendirebilir. Ek olarak sanal sunum, açı ayarlamaları gibi faktörleri göz önüne alarak güneş paneli yerleştirme senaryolarının optimize edilmesine ve test edilmesine yardımcı olabilir. Enerji Verimi Modeli, PV entegre çözümlerinde tasarımdan belirli bir konumdaki enerji veriminin tahmin edilmesine ve yatırım stratejilerinin optimize edilmesine kadar tüm aşamalar boyunca yol gösterici olabilir.
Imec, yazılım şirketi olan PVcase ile beraber tahmine dayalı bu modeli, güneş enerjisi istasyonları için, özel olarak tasarlanmış, piyasada satılan bir simülasyon yazılımına dönüştürdü. Yapılan yazılım çok yönlüdür. İki yüzeyli ve diğer son teknolojileri içerir ve PV enerji santrallerinde enerji veriminin kolay tasarlanmasına, doğru tahmin edilmesini sağlar.
Tahmine dayalı model, araba tavanları için kavisli güneş panellerinin tasarlanması ve optimize edilmesinde önemli rol oynamaya devam ediyor. Mevcut güneş enerjili çatıların sürüş menzilinde yalnızca sınırlı bir artış sağladığını kabul eden SNRoof projesi, yüksek verimli güneş panellerini araba çatılarına entegre etti. Aynı zamanda HighLite projesi, rekabetçi bir AB PV imalat endüstrisine katkıda bulunmayı amaçlayan uygun maliyetli güneş enerjisi araba çatı modüllerinin geliştirilmesini araştırdı. Şu anda Enerji Sistemleri ekibi, tamamen otonom elektrikli araçların geliştirilmesini kolaylaştırmak için güneş pillerinin en uygun yerleşimini değerlendiriyor.
Yakın zamanda Rolling Solar’ın SolarEMR projesi başarılı bir şekilde tamamlandı. 18 aylık çalışma, hem bina hem de altyapı entegrasyonu için uygun maliyetli otomatik PV modül üretimi ve güneş pillerinin elektrik ara bağlantısını göstermeye odaklandı. İlginçtir ki, proje aynı zamanda düzenleyici çerçeveler ve iş sürdürülebilirliği gibi teknik ve finansal optimizasyonun ötesindeki hususları da dikkate alarak büyük ölçekli PV projelerinin önünü açmıştır.
Enerji piyasası sağlayıcıları ile iş birliği yapılarak simülasyon modeli, yalnızca daha verimli güneş pilleri oluşturmak için değil, aynı zamanda kurulum tekniklerini ve mikro şebeke stabilitesini geliştirmek için de kullanıldı.
Sürdürülebilir yarınlar için
PV ile entegre uygulamalarında tasarım ve optimizasyonun ötesinde, işletim ve bakım için de bu yazılım yardımcı olabilir. Deneysel bir enerji verimi simüle edilen değere ulaşmadığında, güneş panellerindeki hasara veya kesilmesi gereken aşırı büyüyen çimlere işaret edebilir ve anormallikleri tespit etmek için bir yol sunar. Bu, merkezi bir işletim sistemi sağlayarak güneş enerjisi sahasını ziyaret etme ihtiyacını azaltır; uzak veya izole güneş enerjisi çiftlikleri için faydalıdır.
Tahmin modelini kullanan projeler, gökyüzü görüntüleyicileri ve yapay zeka (AI) yardımıyla doğru hava tahminlerinin geliştirilmesini sağlayabilir. Hassas güneş enerjisi modellemesine yönelik beklentiler, bireysel kurumlardan tüm enerji ağlarına kadar uzanan büyük bir umut vaat ediyor.
İstikrarı garanti altına almak için arz ve talebin her zaman dengeli olması gerekmektedir. Enerji verimlerini 15 dakikalık bir doğruluk aralığıyla tahmin eden bir simülasyon modeli yalnızca büyük üretim tesisleri veya kentsel alanlar için şebeke yönetimine yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda ülkelerin uluslararası pazarda daha verimli enerji ticareti yapmasına da olanak tanır.
Leyla Karakaya
Kaynak
https://techxplore.com/news/2024-03-energy-yields-photovoltaic.html