Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Bir Aracın Mekanik Tasarımı ve Üretimi

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) 2009 (3) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) 2009 (3) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Bir Aracın Mekanik Tasarımı ve Üretimi Bülent DEMİR*, M. Necdet YILDIZ** *Ege Üniversitesi Ege Meslek Yüksekokulu Otomotiv Teknolojisi Programı, Bornova/İZMİR ** Ege Üniversitesi Ege Meslek Yüksekokulu Elektronik Teknolojisi Programı, Bornova/İZMİR Özet Günümüzde, çevre kirlenmesi, küresel ısınma, fosilli enerji rezervlerinin azalması, enerjiye olan talebin artması vb. gibi nedenler yenilenebilir ve alternatif enerjileri kullanabilen sistemler üzerindeki çalışmaları arttırmıştır. Taşıtların elektrik motorları ile tahrik edilmesi ve bununla beraber akülerin güneş enerjisinden yararlanarak şarj edilmesi bu sistemlerden biridir. Bu çalışmada, TÜBİTAK ın düzenlediği güneş arabası yarışlarında yarışabilecek bir prototip güneş aracı tasarlanmış ve üretilmiştir. Güneş arabası yarışları, sürdürülebilir yol ulaşımına olan ihtiyaca dikkat çekmenin yanı sıra yeşil teknolojiler ile onların kapasitelerinin gösterimi için fırsatların ortaya çıkarılmasını sağlamaktadır. Prototip güneş aracı, kapasitesi 2,5 kw olan bir elektrik motoruna ve kapasitesi 1 kw olan aküye sahip bulunmakta ve güneş enerjisi ile şarj edilmektedir. 1,5 kw a kadar güç elde edebilecek güneş paneli (fotovoltaik) alanı 9 m 2 dir. Maksimum şarj akımı ve maksimum taşıt hızı, sırasıyla 17 amper ve 95 km/h olarak ölçülmüştür. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji, Güneş Arabası, Elektrikli Araç, Yarış Aracı, Formula-G. Mechanic Design And Producing Of A Solar Car For Formula- G Solar Car Racing Abstract Nowadays, environmental reasons such as pollution, global warming, lack of fossil reserves, increasing of the energy demand have increased studies on systems converting renewable and alternative energy sources to power. The fact that the vehicles are moved by the electric motors and the accumulators are charged by making use of solar energy is one of the systems. In this study, a prototype of a solar car which is able to race in a solar car competition that the scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK) organizes was designed and constructed. The solar car racing not only draws worldwide attention to the need for sustainable road transportation, but also provides emerging green technologies with opportunities for the demonstration of their capabilities. The prototype of a solar car has a electric motor with capacity of 2,5 kw and a accumulator capacity of 1 kw and it is charged by solar energy. The surface field of the solar panel which can get a power up to 1,5 kw is 9 m 2. Its solar panel (photovoltaic) space, which can supply a power up to 1,5 kw, are 9 m 2. The maximum charging current and maximum vehicle speed of the prototype solar vehicle was measured to be 17 Amper and 95 km/h, respectively. Keywords: Renewable Energy, Solar Car, Electric Vehicle, Racing Car, Formula-G Bu makaleye atıf yapmak için Demir. B, Yıldız M.N., Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Bir Aracın Mekanik Tasarımı Ve Üretimi Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2009 (3) How to cite this article Demir. B, Yıldız M. N Mechanic Design And Producing Of A Solar Car For Formula-G Solar Car Racing Electronic Journal of Vehicle Technologies, 2009 (3) 31-42

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili 1. GİRİŞ Lastik tekerlekli ulaşım araçları günümüz dünyasının vazgeçilmezleridir. Bilindiği gibi bu araçlarda enerji kaynağı olarak petrol ürünleri kullanılmaktadır. Petrol kaynaklarının ise kısa bir süre sonra tükenecek olması ve çevre kirliliğine neden olması, sayıları çığ gibi artan lastik tekerlekli ulaşım araçlarında farklı enerji kaynaklarının yaygın olarak kullanılması konusunu şiddetle gündeme getirmiştir. Bu durumda ön plana çıkan iki farklı enerji kaynağı bulunmaktadır, bunlardan birincisi hidrojen enerjisi, ikincisi ise elektrik enerjisidir [1]. Ulaşım araçlarında hidrojen enerjisi kullanımı, hidrojenin doğrudan yakılması veya yakıt pilleri aracılığı ile elektrik enerjisine dönüştürülerek kullanılması olarak iki farklı uygulamaya imkan vermektedir ve bu konudaki araştırmalar büyük bir hızla devam etmektedir. Burada sıkıntı oluşturan konu, hidrojenin araç içinde güvenli bir şekilde depolanabilmesidir. Depolama problemi güvenli bir şekilde aşılabildiği ve yakıt pili teknolojisinin gelişerek yaygınlaşması durumunda, hidrojenin elektrik enerjisine dönüştürülerek kullanılmasının ön plana çıkması beklenmektedir [2]. Arabalarda elektrik enerjisi kullanımı ise, şebekeden alınan elektrik enerjisinin akümülatörlere depolanarak kullanılması, hidrojenden elektrik enerjisi elde edilerek kullanılması ve güneşten elektrik enerjisi elde ederek kullanılması olarak üç farklı yoldan mümkün olmaktadır. Bu yöntemlerden birincisi ile ilgili olarak aslında çok uzun yıllardan beri çalışmalar yapılmaktadır. Tarihte ilk elektrikli araba (Electric Vehicle) prototipi, 1828 yılında Macaristan da Anyos Jedlik tarafından yapılmıştır. Oyuncak araba büyüklüğündeki bu prototipte çok basit yapıda bir doğru akım (DC) elektrik motoru kullanılarak hareket sağlanmıştır lü yılların başlarına kadar yapılan çalışmalar sonucunda özellikle ABD de çeşitli firmalar tarafından, akümülatörlerinde enerji depolanan ve bu akümülatörlerden beslenen dc motorlarla yürütülen ilk elektrikli arabalar kullanıma sunulmuştur. Fakat bu arabalar, elektrik enerjisinin uzun süre yetecek kadar verimli ve ucuz olarak depolanması sağlanamadığı için istenildiği şekilde profesyonel kullanımda yaygınlaşamamıştır [1]. Günümüzde ise küresel ısınma ve petrolün tükenme riskleri nedeniyle elektrikli araba geliştirme çalışmalarına hız verilmiştir. Özellikle son 20 yıl içinde yapılan yoğun çalışmaların sonucunda hem benzin hem de elektrikle çalışabilen hibrit araçlar profesyonel kullanıma sunulmuş durumdadır ve her geçen gün yeni bir model piyasaya girmektedir. Toyota, Honda, Mitsubishi, Nissan ve Huydai gibi Uzak Doğu firmalarının başı çektiği hibrit araba pazarına Chrysler, Ford ve GM gibi Amerikan firmaları ve Renault, Daimer-Mercedes, VW, Peugeot ve Citroen gibi Avrupa firmaları da girmektedir. Yakın gelecekte Cherry ve Tata gibi Çin ve Hindistan firmaları da bu pazarda etkin hale gelebileceklerdir. Hatta bu firmalardan bazıları hibrit yapıdan vazgeçip tamamen elektrikli modelleri üretme yoluna da girmiş durumdadırlar. İlk üretimleri piyasaya verilen tamamen elektrikli arabaların elektrik fişi doğrudan şebeke prizine takılarak 6-8 saat gibi sürelerde şarj edilebilmekte ve bu şarj ile km civarında yol alabilmektedirler [3, 4]. Bu makalenin konusu olan çalışma ise güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edebilen ve elde edilen bu elektrik enerjisini kullanarak hareket edebilen elektrikli araçlardır. Çok basit bir tanım olarak, temel elektrikli araba yapısı üzerine güneşten elektrik enerjisi elde etmekte kullanılan PV hücrelerinin yerleştirilmesi ile elde edilen bu araçlara güneş arabaları (solar car) denilmektedir. Tarihsel gelişimi henüz çok yeni olan güneş arabaları ile ilgili çalışmalara 1980 li yıllarda başlanmıştır. Güneş arabalarının dünyadaki gelişimi binek arabaları yerine genellikle tek kişinin binebildiği yarış arabaları şeklinde olmaktadır. Bunun nedeni ise güneşten elektrik elde etmekte kullanılan PV hücrelerinin yüzey alanlarının büyük olmasına rağmen verimlerinin oldukça düşük olmasıdır. Bu durumda aracın hareket etmesi için gerekli elektrik enerjisini sağlayabilmek için oldukça büyük bir güneş panelini (PV hücre grubu) araç üzerine uygun şekilde yerleştirmek gerekmektedir. Klasik hücrelerden oluşturulan PV panellerin yüzey alanına göre verebildiği elektriksel güç 0,2 kw/m² civarındadır. Daha gelişmiş hücrelerle yapılan PV 32

3 Demir. B, Yıldız M. N Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) panellerde ise bu güç seviyesi ancak 0,5 kw/m² seviyesine kadar çıkabilmektedir. Bu durumda 5 m boyunda, 2 m genişliğinde bir aracın yüzeyinin tamamen PV hücreleriyle kaplanması durumunda bile elde edilen elektriksel güç hücre türüne göre 2-5 kw aralığında olmaktadır. Dolayısıyla elde edilen bu güç normal bir binek aracının gereksiniminden çok düşüktür, bu nedenle de teknoloji şimdilik binek araçlarında kullanılamamakta, bunun yerine günümüzde Avrupa, Amerika, Avustralya ve Uzak Doğu da düzenlenen çeşitli ulusal veya uluslar arası yarışmalarla araştırma, geliştirme ve tanıtım çalışmaları devam ettirilmektedir [5, 6]. Ülkemizde de güneş enerjisini ve güneş arabalarını tanıtmak ve geliştirmek amacıyla Türkiye Bilimsel Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 2005 yılından beri, ulusal düzeyde, üniversiteler ve üniversitelerle ortaklaşa çalışan kuruluşların katılabildiği, Formula-G güneş Arabaları Yarışı düzenlenmektedir ve 2006 yıllarında İstanbul da, 2007 yılında Ankara da, 2008 ve 2009 yıllarında ise İzmir de düzenlenen bu yarışlar TÜBİTAK ın öncülüğünde önümüzdeki yıllarda da devam edecektir. Bu yarışlarda başarılı olan bazı üniversite takımları Amerika Birleşik Devletleri, Japonya ve Avustralya da düzenlenen uluslar arası yarışlara da katılmışlardır. Pist yarışı ve yol yarışı olmak üzere iki farklı formatta düzenlenebilen bu yarışlar ülkemizde şimdilik pist yarışı şeklinde yapılmaktadır. Ege Üniversitesi de üniversiteye bağlı çeşitli Enstitü, Fakülte ve Yüksekokul ve Meslek Yüksekokulları ndan öğrenci ve öğretim elemanlarının katılımı ile kurmuş oldukları Ege Üniversitesi Güneş Enerjili Araçlar Yarış Takımı EGEFE ile 2006 yılından beri bu yarışlara katılmaktadır. Bu çalışmanın amacı bu yarışlarda yarışabilecek bir güneş aracı tasarlayıp gerçekleştirmektir. 2. GÜNEŞ ARABASININ TEMEL YAPISI ve ÇALIŞMA PRENSİBİ Şimdilik profesyonel kullanımı olmayan ve düzenlenen yarışlarla geliştirilmesi sağlanmaya çalışılan güneş arabası temel olarak 6 bölümden oluşmaktadır. Bunlar; 1) Gövde (Şasi) 2) Yürüyen Aksam 3) Güneş Panelleri, (PV) 4) Batarya Grubu 5) Motor(lar) 6) Kontrol Devreleri Bu bölümler daha önce belirtildiği gibi normal bir elektrikli araçta bulunan bölümlerdir. Güneş arabasında ilave olarak güneş panelleri ve bu panellerden elde edilen elektrik enerjisinin kullanımını ve depolanmasını sağlayan kontrol devreleri bulunmaktadır. Bu kısımda güneş arabasının bölümleri ayrıntılı olarak incelenmeye çalışılacaktır Gövde (Şasi) Güneş arabasının gövdesi, güneşten olabilecek en yüksek elektrik enerjisini elde edebilmek için özel olarak şekillendirilmesi gereken, aynı zamanda aracın hava ile sürtünmesini en az ve yere basmasını en uygun hale getirmek için aerodinamik kurallara uygun olarak yapılandırılması gereken bir bölümdür. Güneşten en yüksek enerjiyi alabilmek için mümkün olduğunca geniş üst yüzeye sahip ve yayvan olması gereken bu bölümün aynı zamanda da düşük güçlü bir enerjiyle hareket sağlanabilmesi için olabildiğince hafif olması gerekmektedir [9]. Şekil 1 de yarışlarda kullanılan tipik bir güneş arabası gövdesi görülmektedir. 33

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Şekil 1. Güneş Arabası Tipik Gövde Yapısı. Şekil 1 de görüldüğü gibi güneşten elektrik enerjisi üretmek için kullanılan güneş panellerinin yerleştirileceği yer olan aracın üst yüzeyi, güneşten en üst seviyede yararlanabilmek için mümkün olduğunca geniş ve düz yapılmaktadır. Pilot kabini ve tekerleklerin çıktığı yerlerin kenarları ise hava ile sürtünmeyi en aza indirgeyecek şekilde kapatılmaktadır. Burada gövdenin uzunluk, genişlik ve yüksekliği ise katılınacak olan yarışın koşullarına göre belirlenmektedir. Daha geniş güneş paneli yerleştirebilmek için boyutları mümkün olduğunca büyük tutulmak zorunda olan gövdenin aynı zamanda da hafif olabilmesi gerekmektedir. Bu amaçla güneş arabalarında gövde malzemesi olarak uçakların gövde yapımında kullanılan kompozit malzemesinin kullanılması en uygun olmaktadır. Çok ince et kalınlıklarında çelik sağlamlığını yakalayan bu malzeme istenildiği gibi şekillendirilebilmektedir. Bu malzemenin dezavantajı ise çok pahalı olması ve ülkemizde henüz çok yaygınlaşmamış olmasıdır. Güneş arabalarında gövde malzemesi olarak kullanılan diğer malzemeler ise Polyester, Plastik, Bez ve Tahta dır. Bu malzemelerden en çok kullanılanı polyester olup kompozit teknolojisinde olduğu gibi bir kalıp hazırlanarak bu kalıbın üzerine kaplama şeklinde yapılmaktadır. Kompozite göre çok daha ucuz olan bu yöntem kullanılarak yapılan gövde kompozit malzemeyle yapılana göre en az 3 kat daha ağır olmaktadır. Tahta veya sunta kullanılarak yapılan gövde ise sağlam olmasına rağmen polyesterden çok daha ağır olmakta aynı zamanda şekillendirme problemleri ortaya çıkmaktadır. Plastik veya bezden yapılan gövdeler ise dayanımı düşük olduğu için pek tercih edilmemektedir Yürüyen Aksam Güneş arabasının güvenli bir şekilde hareketini ve kontrolünü sağlayan bu bölüm aslında bir otomotiv uygulamasıdır. Bu bölüm, araçta kullanılacak tekerlek sayısına ve gücün uygulanacağı tekerlek veya tekerleklere göre şekillenmektedir. Yarış amaçlı yapılan güneş arabalarında genellikle önde 2 arkada da 1 olmak üzere 3 tekerlek kullanılmaktadır. Bazılarında ise normal binek araçlara daha yakın olarak 4 tekerlek kullanılmaktadır. Bu araçlarda genel olarak serbest süspansiyon sistemi tercih edilmektedir. Elektrik motoru iki tane kullanılırsa, her bir arka tekerleğin jant içerisine bir elektrik motoru olacak şekilde kullanılmaktadır. Tek motor kullanıldığında ise motor arka kısma monte edilerek arka tekerlek veya tekerleklere hareket vermektedir. Bu araçlarda genellikle tekerlek çaplarının küçük olması tercih edilmektedir. Bu aksam ile ilgili detaylar ileriki bölümlerde verilecektir Güneş Panelleri (PV) Güneş panelleri güneş arabasının enerji kaynağıdır. PV hücrelerinin araç gövdesinin üzerine uygun şekilde yerleştirilip kendi aralarında seri ve paralel bağlanmasıyla oluşturulan güneş panelleri güneş olduğu sürece elektrik enerjisi üreten güneş olmadığında ise tüketici konumuna geçen ışığa duyarlı yarıiletken malzemelerdir. Şekil 2 de bir güneş hücresi, hücrelerin birleştirilmesiyle oluşan güneş paneli ve panellerin birleştirilmesiyle oluşturulan bir panel dizisi görülmektedir. 34

5 Demir. B, Yıldız M. N Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Şekil 2. Güneş Hücresi, Güneş Paneli, Panel Dizisi. İlk olarak 1839 yılında Fransız fizikçi A.E. Becquerel tarafında keşfedilen fotovoltaik etki 1883 yılına kadar değerlendirilememiştir yılında Charles Fritts tarafından selenyum ve altın kullanılarak ilk güneş (PV) hücresi yapılmıştır. Yapılan bu hücreden ancak % 1 verim sağlanabilmiştir. O zamandan sonra pek çok fizikçi tarafından üzerinde çalışılan güneş hücresinin verimi ancak 1950 li yıllarda % 6 ya ulaşabilmiştir li yıllarda Galyum-Arsenit (GaAs) teknolojisinin geliştirilmesiyle yapılan güneş hücrelerinin verimliliği hızla artmaya başlamış, 80 li yılların sonunda % 19 lara, 90 lı yılların sonunda ise % 22 lere ulaşılmıştır. Bugün ise yüksek kaliteli güneş hücrelerinin verimi % 30 seviyesine ulaşmıştır [7, 8]. Şekil 3 de sözü edilen güneş hücrelerinin güneş arabasının üzerine döşenmesiyle oluşturulan güneş paneli görülmektedir. Şekil 3. Güneş Arabası Üzerinde Oluşturulan Güneş Paneli. Giriş bölümünde belirtildiği gibi şimdilik en büyük sıkıntı bir araç üzerine döşenen güneş panellerinin yüzey alanlarının büyük olmasına rağmen elde edilen elektriksel gücün 3-5 kw larda kalması istenilen seviyelere ulaşamamasıdır. İleriki yıllarda güneş hücrelerinin verimlerinin daha da artmasıyla birim alandan elde edilen güç de artacak ve güneş arabaları da profesyonel kullanıma sunulabilecektir [9, 10] Batarya (Akümülatör) Grubu Batarya (Akümülatör) grubu, elektrikli araçların dolayısıyla da güneş arabasının en önemli bölümlerinden birisidir. Bu bölüm elektrik enerjisinin depolanması için kullanılmaktadır. Normal elektrikli arabalarda bir şarj istasyonunda şarj edilip bitene kadar kullanılan batarya grubu, güneş arabalarında ise hem güneş panellerinden gelen gerilimin regüle edilmesinde hem de güneş olmadığı zamanlarda gerekli olan enerjiyi sağlamakta kullanılmaktadır. Güneş arabalarında kullanılan bataryaların, düşük güçlerde çalışma gerektiği için, mümkün olduğunca hafif ve mümkün olduğunca fazla enerji depolayabilir olmaları gerekmektedir. Şekil 4 de güneş arabalarında kullanılan bir batarya grubu görülmektedir. 35

6 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Şekil 4. Güneş Arabalarında Kullanılan Bir Batarya Grubu. Elektrikli araçlarda yoğunlukla kullanılan batarya türleri; kurşun-ksit (Lead-Acid), nikel metal hidrid (NiMH), nikel kadmiyum (NiCad), zebra (NaAlCl4), lidyum iyon (Li-Ion) ve lidyum polimer (Li- Poly) dir. Bunlardan kurşun asit, nikel metal hidrid, nikel kadmiyum türü batarya grupları birbirlerine karşı üstünlükleri olmasına rağmen Wh/kg oranları düşük, yani ağırlığı fazla batarya gruplarıdır. Buna karşılık bu batarya gruplarının fiyatları diğerlerine göre daha düşük ve bulunabilirlikleri daha fazladır. Zebra, Li-Ion ve Li-Poly batarya gruplarının ise Wh/kg oranları diğerlerine göre daha yüksek, yani daha hafif batarya gruplarıdır. Buna karşılık hem fiyatları daha yüksek hem bulunabilirlikleri daha az hem de güvenlik açısından şarj ve deşarjlarının çok hassas elektronik devreler tarafından kontrol edilmeleri gerekmektedir [2] Motor(lar) Elektrikli araçlarda ve güneş arabalarında genellikle doğru akım (DC) motorları kullanılmakla birlikte çok az da olsa AC motorlarda kullanılabilmektedir. Fakat bu durumda batarya grubundan gelen DC elektrik enerjisini AC ye çevirerek kontrol etmek gerekmektedir. Güneş arabalarında yoğunlukla kullanılmakta olan DC motorlar, fırçalı ve fırçasız olmak üzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Fırçalı DC motorlar önceleri kullanılmakla birlikte, hem verimlerinin daha düşük olması hem de fırça ve kolektör sistemlerinin bakım gerektirmeleri nedeniyle son yıllarda çok fazla tercih edilmemektedir. Fırçasız DC motorlar ise fırça ve kolektör düzenekleri olmadığı için hem daha yüksek verimli hem de bakım gereksinimleri daha az olması nedeniyle daha yoğun olarak tercih edilmektedir [11]. Şekil 5 de güneş arabalarında kullanılan bir motor görülmektedir. Şekil 5. Güneş Arabalarında Kullanılmakta Olan Bir Motor. Güneş arabalarında tercih edilen fırçasız DC motorlar, boyut ve ağırlık olarak da fırçalı motorlara göre daha avantajlı durumdadır. Bu tip motorlar kullanımın da kolay olması açısından Şekil de görüldüğü gibi jant içine gömülmektedir. Hub motor olarak isimlendirilen bu tip motorların kontrolü, genellikle üretici tarafından sağlanan ve motorun özelliklerine uygun şekilde tasarlanmış bir elektronik kontrol devresi yardımıyla yapılmaktadır. 36

7 Demir. B, Yıldız M. N Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Kontrol Devreleri Güneş arabası aslında çok yoğun elektronik içeren bir yapıdır. Araç üzerine yerleştirilen elektronik kontrol devreleri sayesinde enerji girişinden güç çıkışına ve frenlemeye kadar pek çok olay elektronik olarak kontrol edilmektedir. Şekil 6. Güneş Arabası Elektrik-Elektronik Kontrol Devreleri Blok Şeması. Bu kontroller sayesinde güneşten en yüksek seviyede enerji elde edilebilmekte ve elde edilen bu enerji mümkün olan en yüksek verimle kullanılarak harekete dönüştürülmektedir [11]. Şekil 6 da güneş arabasında kullanılan elektronik kontrol devrelerinin blok şeması görülmektedir. Şekil 6 da görüldüğü gibi güneş panelinden elde edilen elektrik enerjisi, PV şarj devresinin (MPPT) kontrolü altında batarya grubunu şarj ederek aynı zamanda gerektiğinde doğrudan besleme de yapabilmektedir. Aracın hareketini sağlayan elektrik motorunun kontrolü ise motor sürücü bloğu tarafından yapılmaktadır. Motor sürücü devresi bataryadan aldığı enerjiyi araç kontrol ünitesinden gelen komutlar çerçevesinde motora ileterek ileri hareket, geri hareket ve frenleme gibi işlemler yapılabilmektedir. Araç kontrol ünitesi, koruma amaçlı geri besleme devreleriyle desteklenmiş ve pilotun tüm araca hakimiyetini sağlayan elektronik bir kontrol devresidir. Pilot bu blok üzerinden hem şarjı ve deşarjı hem de hareketi ve frenlemeyi istediği gibi kontrol edebilmektedir. Ayrıca batarya grubundan enerjilenen korna, uyarı lambası vb. yardımcı düzenekler de araç üzerinde bulunmaktadır. 3. EGEFE GÜNEŞ ARABASININ GÖVDE TASARIMI ve ÜRETİMİ Güneş arabasının tasarlanmasında yüksek verimlilik oldukça önemlidir. Bunu başarmak için arabadaki tüm sistemler tek tek verim gözeterek tasarlanmalıdır. Arabayı tasarlayan kimse arabadaki sürüklenmeyi en düşük seviyede tutmalı buna karşılık enerji unsurlarının tüm kaynaklarını en yüksek seviyeye çıkarmalı ve bunlara öncelik vermelidir. Bir nesnenin aerodinamik özelliklere sahip olabilmesi için üzerinden ve etrafından geçen hava akışının en düşük sürtünme ile geçmesi ve nesnenin hızı, ivmelenmesi ve hareketi üzerinde büyük bir etki yapmaması gerekmektedir. Tüm bu hususlar dikkate alınarak tasarlanan EGEFE güneş arabasının çizimleri SolidWorks mekanik parça çizim programında çizilmiş ve geliştirilmiştir. Çizimde aracın boyu 5 m genişliği 1,8 m olarak gerçekleştirilmiştir. SolidWorks programında öncelikle dış kabuğun şekli ve boyutları ile ilgili tasarım yapılmıştır. Şekil 7 de yapılan tasarımdan bir çizim görülmektedir. 37

8 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Şekil 7. EGEFE Güneş Arabası Gövde Tasarım Resmi. Modellemede aracın boyutları belirlenmiş, daha sonra kullanılacak malzemeler ve ağırlıkları üzerinde çalışmalar yapılmıştır. İmalat sırasında kompozit malzemenin kullanılması sağlamlık ve hafiflik açısından çok avantajlı olması nedeniyle öncelikle tercih edilmiş, fakat bu malzemenin temininde ve maliyetinin karşılanmasında sıkıntı çekilmesi nedeniyle üretimde polyester malzeme kullanılmak zorunda kalınmıştır. Şekil 8 de EGEFE güneş aracının gövde tasarım boyutları verilmiştir. Şekil 8. EGEFE Güneş Arabasının Gövde Alt Bölümü Boyutları. Şekil 9 da EGEFE aracına ait güneş pillerinin de yerleştirileceği gövde üst kısmı tasarım resmi görülmektedir. Şekil 9. EGEFE Güneş Arabasının Gövde Üst Bölümü Boyutları. 38

9 Demir. B, Yıldız M. N Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Tasarlanan aracın boyutları belirlendikten sonra köpük malzeme kullanılarak bire bir kalıp yapılmıştır. Yapılan köpük malzemenin görünümü Şekil 10 da verilmiştir. Şekil 10. Tasarlanan Güneş Arabasının Alt Kısım Kalıp Görünümü. Kalıbın oluşturulmasından sonra aracın gerçek dış kabuğunun üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu üretim polyester malzemeden gerçekleştirildikten sonra aracın şasesi ve diğer yürüyen ve mekanik aksamları üzerine monte edilmiştir. Şekil 11 de aracın şase ve yürüyen aksamlarının alt gövdeye bağlanması görülmektedir. Şekil 11. Tasarlanan Güneş Arabasının Yürüyen Aksamlarının Alt Gövdeye Bağlanması. 4. EGEFE GÜNEŞ ARABASININ MEKANİK TASARIMI ve GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Güneş arabasının mekanik tasarımı, şasenin yapılması, üzerine mekanik sistemlerin ve parçalarının montajları, imkanlara bağlı olarak Ege Üniversitesi Ege Meslek Yüksekokulu Otomotiv Teknolojileri ve Makine Teknolojileri Programında gerçekleştirilmiştir. Aracın alt ve üst gövdesinin montajı ana destekçimiz olan Say Reklam A.Ş. tesislerinde gerçekleştirilmiştir. EGEFE güneş arabasının mekanik sistemi, süspansiyon, frenler, direksiyon, tekerlekler ve lastiklerden oluşmaktadır. Araç önde 2 arkada bir olmak üzere üç tekerleklidir. Güvenliğin son derece önemli bir konu olması nedeniyle güneş arabaları standart frenleme performansını mutlaka yakalanması planlanmıştır. Bu nedenle fren sistemi, ön ve arka kısımda birbirinden bağımsız çalışabilen iki bağımsız hidrolik fren sistemi şeklinde yapılandırılmıştır. Şekil 12 de görüldüğü gibi, güneş aracının öncelikle kare profilden ana şase oluşturulmuştur. Ardından üzerine diğer tüm mekanik aksamların montajı yapılmıştır. Direksiyon sistemi olarak toplam 3 kg ağırlığındaki Fiat UNO mekanik direksiyon pompası kullanılmıştır. Rot, Rot Başı, Rotil, Deve Boynu gibi mekanik direksiyon pompası dışındaki hareket kontrol elemanları, ATV 150 arazi taşıtının sistemi tercih edilmiştir. Süspansiyon sisteminde çift salıncaklı sistem tercih edilmiş ve yine amortisörler de dahil olmak üzere ATV 150 arazi taşıtının sistemi kullanılmıştır. Araçta kullanılan fren sistemi için piyasada yoğun olarak bulunan Kanuni motosikletlerin hidrolik fren sistemi kullanılmıştır. 39

10 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili Şekil 12. Güneş Arabası Şase, Hareket Kontrol ve Süspansiyon Sistemi Aracın mekanik yapısında, fren sisteminin disklerini ve hidrolik silindirlerini, ön tekerlekler de kullanılan 14 inç Bisan marka motosiklet jantına monte etmek için makine atölyemizde üretilen özel aparatlar yardımıyla yapılmıştır. Arka tekerlekte ise Şekil 13 de görüldüğü gibi içine elektrik motoru gömülmüş olan jantın üzerinde bulunan fren diski üzerinde uygulama yapılmıştır. Üç adet fren disk ve sistemi, ayak pedalı ile kontrol edilebilecek şekilde tek bir merkez pompası ile bağlanmış ve pilot tarafından rahat kontrol edilebilecek hale getirilmiştir. Ayrıca yine Şekil 13 de görüldüğü gibi süspansiyon sistemi de arka tekerlek tutucuları üzerine yerleştirilmiştir. Şekil 13. Güneş Arabası Şase, Hareket Kontrol ve Süspansiyon Sistemi. Tablo 1 de ise tasarımı ve gerçekleştirmesi sponsorlarımız desteğinde takım elemanlarımız tarafından yapılan EGEFE aracının mekanik teknik özellikleri verilmiştir. Tablo 1. EGEFE Güneş Aracı Mekanik Teknik Bilgileri Max Hız 95 km/h Araç Ağırlığı 230 kg Şase Demir Profil Gövde Polyester Amortisörler ATV 150 Direksiyon UNO Salıncak Sistemi ATV 150 Fren Disk Tekerlek Sayısı 3 Tekerlek Boyutu 14 x 2,25 inç Emniyet Kemeri 5 Nokta Bağlantılı Rot Rotil ATV 150 Rollbar 42x2,5 mm ST37 40

11 Demir. B, Yıldız M. N Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) SONUÇ ve DEĞERLENDİRME Ulaşım araçlarında yenilenebilir enerjilerin kullanım amacı, sürdürülebilir bir enerji arzını sağlamak, içten yanmalı motorlardan kaynaklanan özellikle karbondioksit, azotoksit, sülfürdioksit gibi çevreye zararlı emisyon ürünlerini ve çevreye olan etkilerini azaltmak ve tükenecek fosil yakıtlara alternatif oluşturmaktır. Günümüzde sadece içten yanmalı motorlarla çalışan taşıt sayısı 1 milyara ulaşmıştır. Fosil yakıtlara biçilen ömrün 100 yılın altında olması dolayısıyla taşıtlara alternatif enerjiler ve bu enerjilerin kullanılabileceği motorların kullanılabilir hale gelmesi büyük önem kazanmaktadır. Bu motorlardan biri taşıtlarda kullanımı hızla artan elektrik motorlarıdır. Ulaşım araçlarında kullanılacak elektrik motorlarını besleyecek elektrik enerjisinin temini için birkaç farklı yol kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi, şebekeden elde edilen elektrik enerjisinin bir batarya grubuna depolanması ve bitene kadar buradan kullanılması, bittiği zaman da durarak tekrar şarj edilmesidir. İkinci yol, araç üzerine depolanan hidrojen ve yakıt pilleri kullanılarak elektrik enerjisi üretilmesi ve kullanılmasıdır. Üçüncü yol ise bu çalışmada da tercih edilen güneş panelleri aracılığı ile elde edilen elektrik enerjisinin doğrudan ve batarya grubuna depolanarak kullanılmasıdır. Bu yöntem şimdilik profesyonel araçlarda kullanılamamaktadır. TÜBİTAK ın 2005 yılından beri her yıl düzenlemiş olduğu üniversitelerarası güneş enerjili araba yarışları (Formula-G) dikkatin, güneş enerjisi gibi sonsuz ve yenilenebilir kaynağına çekilmesi açısından büyük önem arz etmektedir. Formula-G yarışı için tasarlanan EGEFE güneş arabasının gövde malzemesinin polyester olması nedeniyle ağırlık problemi ortaya çıkmıştır. Taşıtın ağırlığı taşıta ait yuvarlanma direncini arttırmaktadır. Yeni araç tasarlayacaklara kullanılacak malzemenin kompozit malzeme olması önerilir. Kompozit malzeme olması durumunda araç ağırlığı yaklaşık kg kadar azalabilecektir. Araçta elektrik enerjisini depolamak için lityum iyon veya lityum polimer gibi daha verimli batarya grubu kullanılması durumunda depolanan enerji miktarı artarken batarya ağırlığı da düşebilecektir. Ayrıca aracın mekanik aksamında CVT elektronik değişken devirli aktarma organı kullanılması durumunda, tork değeri her türlü yol şartına ve yüke bağlı optimal şartlarda kullanılacağından, akım daha dengeli kullanılacak, aracın gidiş menzili daha da artacak ve araç daha ağır şartlarda çalışabilecektir. Son olarak tekerlek jant çapı ve tekerlek boyutların daha küçük seçilmesi durumunda yuvarlanma direncini azaltacağından verimlilik artacaktır. Kısacası güneş enerjisiyle beslenen elektrikli araçlar şimdi olmasa bile bu konudaki çalışmalar, araştırmalar ve Formula-G türü teşvik edilici yarışmalar devam ettirildiği taktirde yakın bir gelecekte profesyonel anlamda kullanılabilir hale gelebilecektir. Kompozit malzeme, batarya ve güneş pillerindeki gelişmeler büyük önem arzetmektedir. 6. 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 Thomas, C.E., 2009, Fuel Cell and Battery Electric Vehicles Compared, International Journal of Hydrogen Energy 34, p 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

12 Teknolojik Araştırmalar: TATED 2009 (3) Formula-G Güneş Arabaları Yarışı İçin Güneş Enerjili 5. Kayegama, Y., "Toyota works in secret on solar vehicle". Associated Press Shacklock, A., Duke, M., Burgess, M., 1999, The 1998 World Solar Rallye: Akita, Japan, Journal of Power Sources, p 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: 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 Yang, Y.P., Pin Lo, C., 2008, Current Distribution Control of Dual Directly Driven Wheel Motors for Elevtric Vehicles, Control Engineering Practice 16, p