Exergy Analysis of Global Solar Radiation Based on Measurement Data: The Case of Erzurum Province

Year 2023, Volume: 1 Issue: 2, 94 - 104, 31.12.2023

Galip Kaltakkıran

https://doi.org/10.5281/zenodo.10445102

Abstract

In this study, the solar radiation exergy potential of Erzurum province was investigated using real measurement data such as average temperature and global solar radiation measured by the Turkish State Meteorological Service between 2010 and 2021. Three different exergy models (Jeter, Spanner and Petela) were used to estimate the global solar radiation exergy values of the region. As a result of the analysis, the monthly average global solar radiation values of the region were calculated as lowest in December with 6.92 MJ/m2-day and highest in July with 24.36 MJ/m2-day. Model-based long-term monthly average exergy-energy ratio has been determined as 0.952897 for the Jeter model, 0.937196 for the Spanner model and 0.937198 for the Petela model. Among all models, the highest monthly and annual average global solar radiation exergy values were obtained with the Jeter model. Solar radiation exergy values of Spanner and Petela models were the same. The monthly and annual average global solar radiation exergy difference between the Jeter model and other models is maximum 1.75% and 1.68%, respectively. Finally, linear models based on radiation intensity have been developed to easily estimate solar radiation exergy values according to each exergy model of the province.

Keywords

Solar radiation, Exergy analysis, Linear model

Ölçüm Verilerine Dayalı Global Güneş Radyasyonunun Ekserji Analizi: Erzurum İli Örneği

Abstract

Bu çalışmada 2010-2021 yılları arasında Devlet Meteoroloji Genel Müdürlüğü’ tarafından ölçümü gerçekleştirilen ortalama sıcaklık ve global güneş ışınımı gibi gerçek ölçüm verileri kullanılarak Erzurum ilinin güneş ışınım ekserji potansiyeli araştırılmıştır. Bölgenin global güneş ışınım ekserji değerlerini tahmin etmek için üç farklı ekserji modeli (Jeter, Spanner ve Petela) kullanılmıştır. Analizler neticesinde bölgenin aylık ortalama global güneş ışınım değerleri en düşük 6,92 MJ/m2-gün ile Aralık ayında ve en yüksek 24,36 MJ/m2-gün ile Temmuz ayında hesaplanmıştır. Model bazlı uzun yılların aylık ortalama ekserji-enerji oranı Jeter modeli için 0,952897, Spanner modeli için 0,937196 ve Petela modeli için 0,937198 olarak tespit edilmiştir. Tüm modeller içerisinde en yüksek aylık ve yıllık ortalama global güneş ışınım ekserjisi değerleri Jeter modeli ile elde edilmiştir. Spanner ve Petela modellerinin güneş ışınım ekserji değerleri aynı olmuştur. Jeter modeli ile diğer modeller arasındaki aylık ve yıllık ortalama global güneş ışınım ekserji farkı sırasıyla maksimum %1,75 ve %1,68’dir. Son olarak ilin her bir ekserji modeline göre güneş ışınım ekserji değerlerini kolayca tahmin edebilmek için ışınım şiddetine bağlı doğrusal modeller geliştirilmiştir.

Keywords

Güneş radyasyonu, Ekserji analizi, doğrusal model

References

• G. Kaltakkıran and K. Bakırcı, “Yüzey Eğimlerinin Güneş Enerjisi Potansiyeline Etkisi,” Tesisat Mühendisliği, no. 175, pp. 30–38, 2020.
• N. Arslanoglu, “Empirical modeling of solar radiation exergy for Turkey,” Appl. Therm. Eng., vol. 108, pp. 1033–1040, 2016, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.08.002.
• K. Bakirci, “Correlations for estimation of daily global solar radiation with hours of bright sunshine in Turkey,” Energy, vol. 34, no. 4, pp. 485–501, 2009.
• G. Kaltakkıran and K. Bakırcı, “Ardahan İlinde Enerji Uygulamaları için Meteoroloji ve İklim Verilerinin Analizi,” J. Inst. Sci. Technol., vol. 13, no. 3, pp. 2026–2041, 2023.
• A. Çevik, “Uzun süreli verilere dayalı güneş radyasyonunun ekserji ve enerji analizi,” Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi, 2021.
• S. Bilgen and İ. Sarıkaya, “Exergy for environment, ecology and sustainable development,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 51, pp. 1115–1131, 2015.
• S. Kabelac, “Exergy of solar radiation,” Int. J. energy Technol. policy, vol. 3, no. 1–2, pp. 115–122, 2005.
• R. Petela, “Exergy of undiluted thermal radiation,” Sol. Energy, vol. 74, no. 6, pp. 469–488, 2003, doi: 10.1016/S0038-092X(03)00226-3.
• S. Edalati, M. Ameri, M. Iranmanesh, and H. Tarmahi, “Modelling and drawing energy and exergy of solar radiation,” Int. J. Exergy, vol. 19, no. 4, pp. 544–568, 2016, doi: 10.1504/IJEX.2016.075890.
• N. İ. Beyazıt, H. Bulut, and F. Ünal, “Diyarbakır İli İçin Uzun Dönemli Güneş Radyasyonunun Ekserji Analizi,” Harran Üniversitesi Mühendislik Derg., vol. 4, no. 2, pp. 1–6, 2019.
• Y. Kurtgoz, E. Deniz, and I. Turker, “Solar radiation exergy and enviroeconomic analysis for Turkey,” Int. J. Exergy, vol. 24, no. 2–4, pp. 281–300, 2017, doi: 10.1504/IJEX.2017.087675.
• İ. Uçkan, “Exergy analysis of solar radiation based on long term for Van city,” Politek. Derg., vol. 20, no. 3, pp. 579–584, 2017.
• M. Yeşilbudak, M. Çolak, and R. Bayındır, “Ankara İlinin Uzun Dönem Global Güneş Işınım Şiddeti, Güneşlenme Süresi ve Hava Sıcaklığı Verilerinin Analizi ve Eğri Uydurma Metotlarıyla Modellenmesi,” Gazi Üniversitesi Fen Bilim. Derg. Part C Tasarım ve Teknol., vol. 6, no. 1, pp. 189–203, 2018, doi: 10.29109/http-gujsc-gazi-edu-tr.336830.
• Y. Kurtgoz and E. Deniz, “Global solar radiation estimation using artificial neural network by the addition of nearby meteorological stations’ solar radiation data and exergy of solar radiation: A case study,” Int. J. Exergy, vol. 21, no. 3, pp. 315–330, 2016, doi: 10.1504/IJEX.2016.079309.
• A. Hepbasli and Z. Alsuhaibani, “Estimating and comparing the exergetic solar radiation values of various climate regions for solar energy utilization,” Energy Sources, Part A Recover. Util. Environ. Eff., vol. 36, no. 7, pp. 764–773, 2014, doi: 10.1080/15567036.2010.545807.
• A. S. Joshi, I. Dincer, and B. V Reddy, “Development of new solar exergy maps,” Int. J. energy Res., vol. 33, no. 8, pp. 709–718, 2009.
• D. Alta, C. Ertekin, and F. Evrendilek, “Quantifying spatio-temporal dynamics of solar radiation exergy over Turkey,” Renew. Energy, vol. 35, no. 12, pp. 2821–2828, 2010, doi: 10.1016/j.renene.2010.05.004.
• S. X. Chu and L. H. Liu, “Analysis of terrestrial solar radiation exergy,” Sol. Energy, vol. 83, no. 8, pp. 1390–1404, 2009, doi: 10.1016/j.solener.2009.03.011.
• Y. Candau, “On the exergy of radiation,” Sol. Energy, vol. 75, no. 3, pp. 241–247, 2003, doi: 10.1016/j.solener.2003.07.012.
• GEPA, “Türkiye Güneş Radyasyon Dağılımı,” 2023. https://gepa.enerji.gov.tr/MyCalculator/pages/25.aspx (accessed Oct. 25, 2023).
• R. Petela, “Exergy of heat radiation,” J. Heat Transf., vol. 2, pp. 187–192, 1964.
• R. Petela, “Exergy of radiation of a perfect gray body,” Energetyka, vol. 5, pp. 33–45, 1961.
• S. M. Jeter, “Maximum conversion efficiency for the utilization of direct solar radiation,” Sol. energy, vol. 26, no. 3, pp. 231–236, 1981.
• D. C. Spanner, Introduction to thermodynamics. London: London and New York: Academic Press, 1964.