1 st INTERNATIONAL ENGINEERING AND TECHNOLOGY SYMPOSIUM (1 st IETS) May, 2018 BATMAN UNIVERSITY

Transkript

1 1 st INTERNATIONAL ENGINEERING AND TECHNOLOGY SYMPOSIUM (1 st IETS) May, 2018 BATMAN UNIVERSITY

2 GÜNEŞ ARABASI TASARIMININ PERFORMANSA ETKİSİ EFFECT OF SOLAR CAR DESIGN ON PERFORMANCE Selman AYDIN Adem YILMAZ Rifat Yakut Berat Fırat Dalğıç Otomotiv Müh. Enerji Sistemleri Müh. Makine ve İmalat Müh. Otomotiv Müh. Teknoloji Fak./Batman Ünv. Teknoloji Fak./Batman Ünv. Teknoloji Fak./Batman Ünv. Teknoloji Fak./Batman Ünv. Batman/Türkiye Batman/Türkiye Batman/Türkiye Batman/Türkiye Özetçe Güneş enerjisinden yararlanılarak üretilen elektrik enerjisinin kullanımı, karbon salınımlı diğer enerji kaynaklarına göre alternatif olarak göze çarpmaktadır. Güneş enerjisi, temiz, güvenilir ve yenilenebilir olması bakımından büyük önem arz etmektedir. Güneş enerjili arabalar, güneşten aldığı enerjiyi foto voltaik paneller sayesinde elektrik enerjisine çevirip motora vermesiyle aracımızın güneş enerjisiyle çalıştırılmasına olanak sağlanmaktadır. Güneş enerjisinin taşıtlarda kullanılabilmesi her geçen gün artarak devam etmektedir. Bu çalışmada, güneş enerjili araçların tasarımı, üretimi ve testleri yapılarak sürüş performansları araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alternatif enerji, fotovoltaik pil, hub motor, güneş enerjili taşıt, mppt Abstract The use of electric energy derived from solar energy is an alternative to fossil-fueled energy sources. Solar energy is of great importance in terms of being clean, reliable and renewable. Solar powered cars are converted to electricity by using solar energy photovoltaic panels and are powered by solar energy. The use of solar energy in vehicles continues to increase day by day. In this study, driving performance was investigated by designing, producing and testing solar-powered vehicles. Keywords Alternative energy, photovoltaic battery, hub motor, solar-powered vehicle, mppt I. GİRİŞ Petrole ve petrol bazlı enerji kaynaklarının hızla tükenmesi ve doğaya verdiği zararların büyümesiyle, otomotiv sektöründe yenilenebilir enerjinin ne denli kullanılabilir sorusunu gündeme getirmiştir. Bu nedenle otomobil firmaları hibrid araç çalışmalarına başlamışlardır. Hibrid araçlar, düşük hızlarda içten yanmalı motor yerine elektrik motorunu kullanır ve bu sayede karbondioksit salınımını azaltır. Elektrik motorunun enerjisi içten yanmalı motoru ile belirli hıza kadar elektrik motorunu şarj eder buna az da olsa frenleme sırasında çıkan kinetik enerjinin de depolanmasını ekleyebiliriz. elektrik motorunun ihtiyaç duyduğu enerjiyi güneş panellerinden sağlanması fikri, günümüz teknoloji ile daha da destek bulup ilgili ar-ge çalışmaları yapılmıştır. Günümüzde verimi düşül güneş panellerinin veriminin yükseltilmesi için gerekli çalışmalara hız verilmiştir. Şu anda güneş hücrelerinden alınan enerjisi ile bir taşıtı hareket ettirecek bir elektrik motorunun günümüzde kullandığımız motorların güçleri ile kıyaslanması olanaksızdır. Bu nedenle tasarlanacak olan güneş arabasının günümüz otomobillerine göre aerodinamik açıdan çok daha gelişmiş ve çok daha hafif olması gerekmektedir.[1] Güneş enerjisini sürekli aynı seviyede kullanılması ise doğal olarak imkansızdır. Bu konuda ar-ge çalışmalarına ağırlık vererek uygun ağırlık/güç oranı ve enerjiyi depolama ile ilgili çalışmaların geliştirilmesi başka bir araştırma konusudur [2,3]. Sonuç olarak, enerjinin az olmasından dolayı enerjiyi verimli kullanmak için güneş enerjili araçlarda üretilecek şasinin tasarımı çok büyük önem taşımaktadır. Kullanılacak enerjinin az olmasından dolayı verimli kullanılması gerekliliğinden dolayı bunun üzerine enerjiyi verimli kullanımına dayalı yarışların yapılması yolunu açmıştır. [4] Şekil 1. Anka 2013 Yarış Öncesi Bu makalenin konusu ise basite indirgersek güneş enerjisini kullanarak hareket edebilen elektrikli araçlardır, üzerine güneşten gelen ışınları çevirerek elektrik enerjisini elde etmekte kullanılan foto voltaik hücrelerin yerleştirilmesi ile tasarlanan araçlara güneş arabaları (solar car) denilir. Tarihsel gelişimi çok yeni olan güneş araçları ile ilgili çalışmalara hemen hemen 1980 li yıllarda başlanmıştır. Güneş araçlarının düzeni ise tek kişinin yarışabileceği şeklinde olmaktadır. Buna neden olan ise güneşten enerji elde etmekte kullanılan foto voltaik hücrelerin yüzey alanının geniş ve uzun olmasına karşın verimlerinin oldukça az olmasıdır. Bu şekilde aracın hareket edebilmesi için gerekli olan elektrik enerjisini üretebilmek için büyük bir paneli (Foto voltaik hücre grubu) araç üzerine devrelere uygun şekilde yerleştirmek gerekir. Hücrelerden oluşturulan klasik Foto voltaik panellerin yüzey alanına göre üretebildiği güç 0,1-0,2 kw/m² civarıdır. Gelişmiş hücrelerle yapılan panellerde ise güç seviyesi 0,4-0,5 kw/m² seviyelerindedir. Bu durumda ortalama 5 m boylarında, 2 m genişliğinde araç yüzeyinin tamamıyla foto voltaik hücrelerle kaplanılması durumunda üretilen güç hücre çeşidine göre 2 ile 5 kw aralığındadır. Bu nedenle üretilen bu güç normal bir günümüz aracının enerji gereksinimine yeterli değildir, bu nedenle de bu teknoloji şimdilik günümüz binek araçlarda kullanılmamakta, bunun yerine ise günümüzde çeşitli ulusal 80

3 veya uluslararası yarışmalarla araştırma, geliştirme ve tanıtım çalışmaları devam ettirilmektedir buna örnek olarak ülkemizde yapılan Tübitak ın yaptığı Alternatif Enerjili Araç Yarışlarını gösterebiliriz.[5, 6]. Şekil 2. Anka 2013 Yarış Esnası II. GÜNEŞ ARABASININ ÇALIŞMA PRENSİBİ VE TEMEL YAPISI Güneş enerjisinin elektrik enerjisine çevirilerek kullanılması ile, arabalara fosil yakıtlı enejilere alternatif bir hareket gücü kazandırılması hedeflenmektedir. Güneşten alınan elektrik enerjisi bir güneş pilleri içinde depolanmaktadır. Bu pillerden ise depolama akülerine elektrik dolmaktadır. Akülere gelen enerji de elektrik motoruna verilmektedir. Motora verilen enerji miktarını kontrol devresi ayarlamaktadır. Güneş arabasının tasarımı aerodinamik olarak sürtünmesini ve ağırlığını da en aza indirecek şekilde olur. Bir güneş arabası için ağırlık ve dayanıklılık oranını mininize etmek için, titanyum ve çeşitli alaşımlı metaller gibi hafif malzemeler kullanılıyor. Her güneş aracında, birbirinden bağımsız iki fren sistemi bulunmalıdır. Yalnızca güneş araçları için özel olarak tasarlanmış, düşük sürtünmeye sahip hafif lastikler kullanılmaktadır. Güneş arabasının sayılabilecek tek enerji kaynağı güneş panelidir ancak küçükte olsa bazı kullanılan motorlarda (hub) dönme kuvvetinin getirdiği enerjisi de katkı sağlar. Panellerin ürettiği güç hava durumuna, güneşin ve güneş panelinin konumuna bağlıdır. Güneşin açısının en iyi olduğu vakit yani öğle vaktidir, bu vakitte iyi bir güneş paneli 1000 watt ın üzerinde (1,4 bg) güç üretebilir. Şekil 3. Güneş Aracının Çalışma Şekli (şematik gösterim) Bir güneş arabasını temelde güneş panelleri (PV), gövde (şasi), yürüyen aksam, batarya grubu, elektrik motoru, kontrol Devreleri (mppt devresi ve motor sürücü) oluşmaktadır. Güneş pilleri (bir diğer adı photovoltaic piller) elektrik üretir. Üretilen bu elektrik mppt devresi sayesinde düzenli hale getirilerek akülere depolanır. Daha sonra motor sürücüsü ve motor akülerdeki enerjiyi kullanır ve araca bir tork vererek hareket kabiliyeti yaratır. Bu şekilde araç yol almaya başlar. Devamında ise yürüyen halde hem güneşten aldığı enerjiyi direk kullanır fazlasını ise pillere aktararak depolar. Bir güneş arabasının temel çalışma prensibinde bu şekildedir.. A. Gövde (Şasi) Güneş aracının şasisi, güneşten alınacak elektrik enerjisini en iyi şekilde elde etmek için özel bir şekilde tasarlanması gereken ve aynı zamanda aracın yürüyen halde ki hava sürtünmesini minimuma ve de yere sağlam basarak yol tutuşunu en iyi hale getirmek için aerodinamik hesaplara uygun olarak tasarlanması gereken en önemli bölümüdür. Güneşten maksimum enerjiyi alabilmek için aerodinamik kurallara uygun uzun ve geniş olması gereken bu bölümün aynı zamanda da bir düşük güçte bir enerjiyle hareket ettirilebilmesi için mümkün olduğunca hafif olması gereklidir [9] Şekil 4. Anka 2013 Yarış Hazırlıkları 81

4 Güneş arabalarının şasisinde malzeme olarak uçakların da dış gövdesinde kullanılan kompozit malzemelerin kullanılması en sağlıklı en iyi olanıdır. Çok ince katmanlarında, et kalınlıklarında çelik mukavemetine bile yaklaşan bu malzeme istenildiği gibi şekle sokulması en önemli avantajlarındandır. Bu malzemenin dezavantajı ise fiyatı çok yüksek ve ülkemizde üretim olarak henüz çok bilinen bir malzeme olmamasıdır. Güneş araçlarında şasisin de genellikle kullanılan malzemeler ise Karbon Fiber, Plastik, Cam Elyaf, Bez ve Tahtadır. Bu malzemelerden arasından en çok kullanılan ise Karbon Fiber ve Cam Elyaf (fiber glass) dır. Kullanılma yöntemi ise kalıp yapılarak bu yapılan kalıbın üzerine kaplanarak yapılmaktadır buda bilinen kompozit teknolojisindeki gibidir. Bu yapılan işlemler kompozite göre çok daha ucuzdur ancak bu yöntemle yapılan gövde kompozit malzemeyle yapılana göre 2-3 misli ağır olmaktadır. Tahta ve türevi ürünler kullanılıp yapılan gövdeler de ise sağlamlığa rağmen fiber ve türevlerine göre ağır olmakta aynı zamanda üretim de yapılan problemler ortaya çıkmaktadır. Bez ve plastik kalıplar ise mukavemeti ve kullanılabilirliği iyi olmadığı için pek tercih edilmemektedir. B. Yürüyen Aksam Bu kısım aslına bakılırsa bir otomotiv uygulamasıdır. Güneş aracının düzgün bir hareketini ve kontrolünü sağlayan bu kısım araçta kullanılacak tekerlek adedine ve torkun uygulanacağı tekerleklere göre şekillenmektedir. Uluslararası ve ulusal yapılan yarışlar da güneş arabaları genel de önde 2 yön verici arkada ise 1 adet motor olmak üzere 3 tekerlek kullanılmaktadır. Bazı tasarımlarda ise bilinen araçlar gibi 4 tekerlek vardır. Süspansiyon sistemi ise serbest süspansiyon olanları tercih edilmektedir. Elektrik motoru iki adet olursa her bir arka tekerleğin jant içerisine bir hub motoru olacak şekilde olmakta elektronik diferansiyel kulanımı gerektirmektedir. Tek motor kullanıldığında ise tek teker de hub motor kullanılarak araca hareket vermektedir. Bu araçlarda hub motorunun küçük olması nedeniyle tekerlek çaplarının küçük olması gereklidir. Aracın ön iki tekerleğinde disk fren sistemi kullanılırken, arkadaki tek tekerlekte kampana kullanılabilir. Üç fren veya iki fren tek pedaldan kontrol edilirken oranları ve tepki süreleri aynı olmak zorundadır. Kullanılan diskler alüminyum alaşımlı olup ön düzendeki tekerlek yuvalarına cıvata ve somun kullanılarak montaj edilmiştir. Araç 50 km/h süratle seyir halindeyken bir fren yapma durumunda 5 metre de durabilmektedir. Disk frenlerine bağlı 1 adet stop lambası da frenleme yapıldığını arkadan gelen araca dikkat etmesi amacıyla aracın arka bölümüne yerleştirilmiştir. Şekil 5. Yürüyen Aksam (ön düzen fren sistemi) C. Güneş Panelleri (PV) Güneş ışığını kullanılabilir enerjiye dönüştürme verimi şu an ki teknolojide oldukça düşük seviyededir. Sanayide bu sorun geniş ve büyük alanlar kullanılarak çok sayıda güneş panelleri ile çözülmüştür. Ancak güneş arabalarının kısıtlı alanları olması nedeniyle yüksek verimli paneller tercih edilmek zorunda bırakılmış. İşte bundan dolayı hem verimin düşük olması hem de maliyetin yüksek olması sebebi güneş arabalarının yapımındaki en büyük problemdir. Yüksek verimli panellerin maliyeti oldukça fazladır. Enerji kaynağınız ne kadar verimli ise alacağınız güçte o kadar fazla olur. Günümüzde en iyi güneş pillerinin verimleri yaklaşık olarak %24 tür. Bu değer tabi ki de teoride olan değerdir. Pratikte ise bu %17 civarındadır. Güneş panellerinin güneş ışığını elektriğe çevirmesi ise panel üzerine bir biri ardına monte edilmiş güneş hücreleri yarı iletken olan silikon maddeden üretilmektedir ve yine yarı iletken olan silisyum maddesini içeriğinde bulundururlar. Işımalar, hücrelerdeki bu maddeler tarafından emildiğinde madde içerisindeki elektronlar bulundukları atomlardan ayrılarak serbest kalırlar. İşte bu şekilde bir elektrik akımı oluşur. Ancak belli dalga boyundaki ışımalar elektrik enerjisine dönüştürülebilir, diğer ışımalar yüzeyden yansıtılırlar. Bundan dolayı güneş pillerinde verim oldukça düşüktür. Bu piller güneş ışığından gelen fotonları elektrik akımına dönüştüren yarı iletken gruplardan oluşmaktadırlar. Teker teker bir hücre olarak kullanılabileceği gibi, grup halinde de kullanılabilirler. Şekil 6. Panel Dizilimi 82

5 Foto voltaik hücrelerin araç gövdesinin üst tarafına devrelere uygun bir şekilde yerleştirip aralarında paralel ve seri birleştirilmesi ile oluşturulur. D. Batarya (Pil) Grubu Batarya (Pil) grubu, güneş arabalarının en önemli bölümüdür aslında. Bu bölüm üretilen enerjinin depolanması için kullanılmaktadır. Bilinen arabalarda tıpkı yakıt alır gibi bir şarj istasyonunda depoyu doldururuz, güneş arabalarında ise güneş pillerinden gelen enerji regüle edilir ve enerji üretimi olmadığı zamanlarda pillere depolanmış olan gerekli enerjiyi de sağlar. Güneş araçlarında kullanılan pillerin hafif ve fazla enerji depolayabilir olması gereklidir. Şekil 7 de bir pil grubu görülmektedir. Elektrikli araçlarda çoğunlukla kullanılan pil grubu türleri; kurşun-oksit (Lead-Acid), nikel kadmiyum (NiCad), zebra (NaAlCl4), nikel metal hidrid (NiMH), lidyum iyon (Li-Ion) ve lidyum polimer (Li-Poly) dir. Bu pillerden kurşun asit, nikel kadmiyum,nikel metal hidrid, türü piller ise birbirlerine karşı avantajları olmasına karşın Wh/kg oranları düşük seviyede, yani ağırlığı yüksek batarya gruplarıdır. Buna karşılık bu batarya gruplarının fiyatları diğer gruplara göre daha az ve temini daha kolaydır. Li-Poly,Zebra ve Li-Ion pil gruplarının ise Wh/kg oranı diğer gruba göre daha iyi, yani kullanılabilirliği daha iyi ve de daha hafif pil gruplarıdır. Bu avantaj durumlara karşın dezavantajları ise hem fiyatları daha fazla hem temini daha zor hem de güvenilirliği açısından şarj ve deşarjlarının elektronik devreler tarafından çok hassas şekilde kontrol edilmeleri gerekmektedir [2]. fırça düzeneği olmadığı için hem çok yüksek verimli hem de bakım onarım gereksinimleri çok olmaması sebebiyle daha çok tercih edilmektedir [11]. Şekil 2 de güneş arabalarının bir motoru (hub) görülmektedir. Şekil 8. Hub Motor. Fırçasız doğru akım (DC) motorların güneş arabalarındaki avantajları ise şunlardır ; Daha az bakırdan imal edilmesi sebebiyle ağırlığının az olması, fırça olmadığından kıvılcım çıkma riskinin oluşmaması, mikro denetleyiciler sayesinde motorun dönüşlerinde aksama yaşatmaması ve diğer motor türlerine nazaran ufak boyutlu olmasıdır. En önemli özelliği çok yüksek verime sahip olmasıdır. Ancak bu gibi seçenekler yine de motorun doğru seçilmesi ile pistte de bağlıdır. Yoldaki açılı yollar motorun verimini düşürebilir. Motor ve yol analizi birlikte yapılmalıdır Güneş arabalarında kullanılan fırçasız Doğru akım (DC) Şekil 9 da görüldüğü gibi jant içine gömülmektedir. Şekil 7. Akü (pil) Grubu Samsung E. Elektrik Motor Güneş arabalarında çoğunlukla doğru akım (DC) motorları kullanılmaktadır. Alternatif Akım (AC) kullanılan araçlarda mevcuttur ancak bu durumda batarya grubundan gelen doğru akım enerjisini alternatif akıma çevirecek kontrol elemanları gerekmektedir ve bu da hem enerji kaybı hem de maliyeti yükseltmektedir bundan dolayı çoğunlukla kullanılmakta olan Doğru akım motorlar, fırçalı ve fırçasız olarak 2 gruba ayrılmaktadır. Fırçalı Doğru akım motorlar hem veriminin az olması hem de kolektör ve fırça sistemlerinin fazlasıyla bakım onarım gerektirmesi neden ile son zamanlarda pek tercih edilmemekte. Fırçasız Doğru akım motorlar ise kolektör ve Şekil 9. Anka 2014 Hub Motor (2.5 kw). F. Kontrol Elemanları Güneş arabaları fazlasıyla elektronik devre içeren bir yapıdadır. Araba üzerindeki devreler sayesinde enerji üretiminden, enerjinin üretiminden gücün çıkışına ve fren sistemine kadar ki tüm olaylar burada kontrol edilmektedir. 83

6 Araç kontrol devreleri pilden enerji alan korna, uyarı lambası vb. yardımcı elemanlarda de araç üzerinde bulunmaktadır ve bunlarda kontrol devreleri sayesinde kullanılabilir. Şekil 10. Elektronik kontrol devre şeması Bu kontroller devreleri güneşten gelen enerjiyi en yüksek seviyede alınmakta ve alınan bu enerji maksimum verimle kullanılarak harekete enerjisine dönüştürülmektedir [11]. Güneş panellerinde üretilen elektrik enerjisi, Foto voltaik şarj devresinin maximum power point tracke (mppt) kontrolü ile pil grubunu şarj eder. Bu işi yaparken doğrudan besleme de yapar. Şekil 11. Maximum Power Point Tracke (MPPT) Araca hareket sağlayan elektrik motorunun kontrolünü ise motor sürücüsü yapar. Motor sürücüsü pilden aldığı enerjiyi araç kontrol devresinden gelen komutlarla motora ileterek ileri, geri ve frenleme gibi en önemli arabanın ilerleme olayını yapmaktadır. Şekil 12. Motor Sürücü III. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Günümüz arabaları arasında güneş arabalarının kullanımı yenilenebilir bir enerji arzını sağlamak, karbon salınımlı motorlardan kaynaklanan zehirli gazların karbondioksit, azot oksit, yanmamış hidrokarbon ve karbon monoksit gibi insan sağlığına ve çevreye zararlı emisyon ürünlerini azaltmak ve tükenecek fosil yakıtlara alternatif oluşturmaktır. Arabanın ağırlığı yolda giderken ki direncini arttırmaktadır. Yeni güneş araba tasarlayacaklara yapılacak en önemli öneri kullanılacak malzemenin kompozit malzemeden yapılması önerilir. Araba kompozit malzeme olduğunda ağırlık yaklaşık kg kadar azalabilmektedir. Arabadaki güneşten üretilen elektrik enerjisini depolamak amaçlı li-on veya li-po gibi çok yüksek verimi pil grubu kullanıldığın depolanan enerji miktarı fazla olurken pil grubu ağırlığı o oranda da düşecektir. Arabanın yürüyen aksamında kayış kasnak sistemli (cvt) aktarma kullanıldığında motordan alınan tork her türlü yol şartına uygun değerde olacak ve akımı daha dengeli bir şekilde kullanılacak hale gelecek bu ekstra olarak aracın menzil mesafesi artacak ve araba daha ağır şartlarda bile çalışabilecektir. Bir diğer öneri olarak tekerlek boyutları ve jant çaplarının küçük seçilmesi durumunda dönüş direncini azaltacağından verimlilik daha da artacaktır. Aynı zamanda kompozit malzemeler, pil grubu ve güneş pillerindeki ar-ge çalışmaları takip edilmelidir. Özetle güneş enerjisiyle çalışan elektrikli arabalar şu an da değilse bile bu konudaki ar-ge çalışmaları bu şekilde devam ettirildiği vakit yakın bir gelecekte kullanılabilir hale gelecektir. KAYNAKLAR [1] Hoyer, K.G., 2008, The History of Alternative Fuels in Transportation: The Case of Electric and Hybrid Cars, Science Direct, Utilities Policy 16, p [2] Thomas, C.E., 2009, Fuel Cell and Battery Electric Vehicles Compared, International Journal of Hydrogen Energy 34, p [3] Knipping, E., and Duvall, M., 2007, "Environmental Assessment of Plug- In Hybrid Electric Vehicles Volume 2: United States Air Quality Analysis Based on AEO-2006 Assumptions for 2030" Electric Power Research Institute and Natural Resources Defense Council' [4] Sasaki, K., Yokota, M., Nagayoshi, H., Kamisako, K., 1997, Evaulation of Electric Motor and Gasoline Engine Hybrid Car Using Solar Cells, Solar Energy Materials and Solar Cells 47, p [5] Kayegama, Y., "Toyota works in secret on solar vehicle". Associated Press. [6] Shacklock, A., Duke, M., Burgess, M., 1999, The 1998 World Solar Rallye: Akita, Japan, Journal of Power Sources, p [7] Alfred S., 1949, Elements of Electro-Biology, or The Voltaic Mechanism of Man; of Electro-Pathology, Especially of the Nervous System. London: Longman, Brown, Green, and Longmans. [8] Chopra, K.L., Paulson P.D., and Dutta V., 2004, "Thin-film solar cells: An overview Progress in Photovoltaics". Research and Applications 12:

7 [9] Gupta, N., Alapatt, G.F., Podila R., Singh, R., Poole K.F., 2009, "Prospects of Nanostructure-Based Solar Cells for Manufacturing Future Generations of Photovoltaic Modules". International Journal of Photoenergy. [10] Luque, A., Hegedus, S., 2003, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley and Sons. ISBN [11] Yang, Y.P., Pin Lo, C., 2008, Current Distribution Control of Dual Directly Driven Wheel Motors for Elevtric Vehicles, Control Engineering Practice 16, p