Determination of Solar Collector Optimum Tilt Angle for Ankara and Districts

Abstract

This study that is Ankara province and districts based deals with the determination of the optimum tilt angle to maximize the performances of solar collector and solar panel. In Ankara, fixed solar collectors are usually placed at slope of 40°. In this study, annual optimum tilt angle for Ankara province and districts was calculated as 34°±1 however the optimum angles during the year were calculated between 1° and 67°. The results of this study are compared with similar studies in the literature they were found to be consistent with the results of similar studies. Also, the tilt angle was calculated for the six months periods as 15° and 56°, for seasonal periods (winter, spring, summer, autumn) as 62°, 23°, 6° and 49°, respectively and solar radiation for optimum angles of inclination were found. When the tilt angle is changed only twice a year, due to increasing the amount of energy per unit area, according to the annual tilt angle fixed product they provides energy efficiency by about 5%. On the other hand, when the tilt angle is changed every month this ratio can be reached approximately 8%. For increasing the utilization efficiency of solar collectors and panels, it is recommended adjusting of the tilt angle once a month or at least twice a year.

Keywords

• Solar collector, PV panel, optimum tilt angle, solar radiation, efficiency, Ankara.

ANKARA VE İLÇELERİ İÇİN GÜNEŞ KOLEKTÖRÜ OPTİMUM EĞİM AÇISININ BELİRLENMESİ

Abstract

Ankara merkez ve ilçeleri bazlı olan bu çalışma, güneş kolektörü ve güneş paneli performanslarını en üst düzeye çıkarmak için optimum eğim açısının belirlenmesi ile ilgilidir. Ankara ilinde sabit güneş kolektörleri genellikle yaklaşık 40° eğim açısında yerleştirilmektedir. Bu çalışmada, Ankara il ve ilçeleri için yıllık optimum eğim açısı 34°±1 olarak hesaplanmış buna karşın yıl içerisindeki optimum eğim açılarının 1-67° arasında değiştiği hesaplanmıştır. Bu çalışmanın sonuçları literatürdeki benzer çalışmalar ile karşılaştırıldığında benzer çalışmaların sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca, altı aylık periyotlar için 15° ve 56°, mevsimlik (kış, ilkbahar, yaz, sonbahar) periyotlar için ise sırasıyla 62°, 23°, 6° ve 49° olarak hesaplanmıştır ve optimum eğim açıları için güneş ışınım değerleri bulunmuştur. Sadece yılda iki kez eğim açısı değiştirildiğinde birim alana düşen enerji miktarı arttırıldığından yıllık eğim açısı sabit olanlara göre yaklaşık % 5 verim artışı sağlar. Diğer taraftan eğim açısı her ay değiştirildiğinde ise bu oran yaklaşık % 8’e ulaşabilir. Güneş kolektörleri ve panellerin kullanım verimliliğini arttırmak için, eğim açısını ayda bir kez veya yılda en az iki kez ayarlanması tavsiye edilir.

Keywords

• Güneş kolektörü, PV panel, optimum eğim açısı, güneş ışınımı, verim, Ankara.

References

1. Çakmanus, İ. (2001) Türkiye’nin enerji problemleri ve çözüm önerileri, Mühendis ve Makine, 492, 29-34.
2. Şevik, S. (2011) Isı pompası ve güneş kolektörünün birlikte kullanıldığı, ısıtma ve kurutma amaçlı sıcak hava üretim sisteminin tasarımı, imalatı ve deneysel incelenmesi, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü (Yayımlanmamış), Ankara.
3. Güngör, A., Koçer, A., Demirci, E. (2013) Güneş enerjisi kullanımında optimum tilt açısının önemi, 6. Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, 6-7 Aralık 2013, Mersin.
4. Duffie, JA., Beckman, WA. (1982) Solar engineering of thermal processes, New York: Wiley.
5. Heywood, H. (1971) Operational experience with solar water heating, J Inst Heat Vent Energy, 39, 63–9.
6. Doğan, İ. (1995) Optimum tilt angle for solar collectors used in Cyprus, Renewable Energy, 6-7, 813-819, doi:10.1016/0960-1481(95)00070-Z
7. Benghanem, M. (2011) Optimization of tilt angle for solar panel: case study for Madinah, Saudi Arabia, Applied Energy, 88(4), 1427–33, doi:10.1016/j.apenergy.2010.10.001
8. Koçer, A., Güngör, A. (2013) Future of solar collectors: Tilt angle optimization for maximum performance, 3rd International Exergy, Life Cycle Assessment, and Sustainability Workshop & Symposium (ELCAS3), 395-403, Nisyros, Greece.

9. Tiris, M., Tiris, C., Ture, I.E. (1996) Correlations of monthly-average daily global, diffuse and beam radiations with hours of bright sunshine in Gebze, Turkey, Energy Conversion and Management, 37(9), 1417–21, doi:10.1016/0196-8904(95)00227-8
10. Bakirci, K. (2009) Correlations for estimation of daily global solar radiation with hours of bright sunshine in Turkey, Energy, 34(4), 485–501, doi:10.1016/j.energy.2009.02.005
11. Zuhairy, AA., Sayigh, A.A.M. (1995) Simulation and modeling of solar radiation in Saudi Arabia, Renewable Energy, 16(2), 107–18, doi:10.1016/0960-1481(94)00056-C
12. Ulgen, K., Hepbasli, A. (2003) Comparison of the diffuse fraction of daily and monthly global radiation for Izmir, Turkey, Energy Sources, 25, 637–49, 2003, doi:10.1080/00908310390212444
13. Bakirci, K. (2009) A simple calculation method for estimation of instantaneous global solar radiation on horizontal surface, Journal of Thermal Science and Technology, 29(2), 53–8.
14. Runsheng, T., Tong, W. (2004) Optimal tilt-angles for solar collectors used in China, Applied Energy, 79, 239–48, doi:10.1016/j.apenergy.2004.01.003
15. Şenpınar, A. (2006) Güneş açılarına bağlı olarak optimum sabit güneş paneli açısının hesaplanması, Doğu Anadolu Bölgesi Araştırmaları.
16. Bulut, H. (2008) Adana ilinde eğik yüzeylere gelen güneş ışınım miktarının belirlenmesi, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi 30.Yıl Sempozyumu, 16-17 Ekim 2008, Adana.
17. Gunerhan, H., Hepbasli, A. (2007) Determination of the optimum tilt angle of solar collectors for building applications, Building and Environment, 42, 779–83, doi:10.1016/j.apenergy.2010.10.001
18. Moghadam, H., Tabrizi, FF., Sharak, AZ. (2011) Optimization of solar flat collector inclination, Desalination, 265(1–3), 107–11, doi:10.1016/j.desal.2010.07.039
19. Mehleri, ED., Zervas, PL., Sarimveis, H., Palyvos, JA., Markatos, NC. (2010) Determination of the optimal tilt angle and orientation for solar photovoltaic arrays, Renewable Energy, 35(11), 2468–75, doi:10.1016/j.renene.2010.03.006
20. Ghosh, HR., Bhowmik, NC., Hussain, M. (2010) Determining seasonal optimum tilt angles, solar radiations on variously oriented, single and double axis tracking surfaces at Dhaka, Renewable Energy, 35(6), 1292–7, doi:10.1016/j.renene.2009.11.041
21. Maatallah, T., El Alimi, S., Nassrallah, SB. (2011) Performance modeling and investigation of fixed, single and dual-axis tracking photovoltaic panel in Monastir city, Tunisia, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(8) 4053–66, doi:10.1016/j.rser.2011.07.037
22. Kaldellis, J., Zafirakis, D. (2012) Experimental investigation of the optimum photovoltaic panels tilt angle during the summer period, Energy, 38(1), 305–14, doi:10.1016/j.energy.2011.11.058
23. Siraki, AG., Pillay, P. (2012) Study of optimum tilt angles for solar panels in different latitudes for urban applications, Solar Energy, 86(6), 1920–8, doi:10.1016/j.solener.2012.02.030
24. Lave, M., Kleissl, J. (2011) Optimum fixed orientations and benefits of tracking for capturing solar radiation in the continental United States, Renewable Energy, 36(3), 1145–52, doi:10.1016/j.renene.2010.07.032
25. Lubitz, WD. (2011) Effect of manual tilt adjustments on incident irradiance on fixed and tracking solar panels, Applied Energy, 88(5), 1710–9, doi:10.1016/j.apenergy.2010.11.008
26. Cooper, PI., (1969) The Absorption of solar radiation in solar still, Solar Energy, 12(3), 333–46, doi:10.1016/0038-092X(69)90047-4
27. Duffie, JA., Beckman, WA., “Solar engineering of thermal
28. processes”, Wiley, 2nd Edn. pp. 234–67, New York, USA, (1994).
29. Liu, B., Jordan, R. (1962) Daily insolation on surfaces tilted towards the equator, Trans ASHRAE 67.
30. Kumar, A., Thakur, NS., Makade, R., Shivhare, MK. (2011) Optimization of tilt angle for photovoltaic array, International Journal of Engineering Science and Technology, 3:4.
31. Sensoy, S., Ulupınar, Y., Demircan, M., Alan, I., Bostan, PA. (2010) Modeling solar energy potential in Turkey, BALWOIS, Republic of Macedonia: Ohrid, 25, 29.
32. Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü (YEGM), T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, http://www.eie.gov.tr.
33. Yılmaz, T., Memlük, Y. (2008) Vadilerde rüzgâr ve güneş hareketlerine bağlı planlama ve tasarım olanakları, Ankara Büyükesat vadisi örneği, Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 21(2), 193–04, Antalya.
34. Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM), T.C. Orman ve Su İşleri Bakanlığı http://www.mgm.gov.tr.
35. Kaçan, E., Ülgen, K. (2012) Güneş enerjisi toplayıcılarında eğim ve yönlendirmenin yararlanabilirliğe etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 27(4), 837-846.