- PDF Free Download

Transkript

1 T.C. ANKARA ÜNİVERSİTESİ BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJESİ KESİN RAPORU GÜNEŞ ENERJİLİ ARAÇ PROJESİ Proje Yürütücüsü Prof. Dr. Ayşe Kaşkaş Yardımcı Araştırmacılar Doç. Dr. Hüseyin Sarı-Doç. Dr. Mustafa Hayvalı-Tayfun Hüyük Mahmut Bilgin-Birhan Uğuz-Ayşe İlden Ak Burak Karakaş-Kubilay Süzer 09A Başlama Tarihi: Bitiş Tarihi: Rapor Tarihi: Ankara Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Ankara 2010

2 I. Projenin Türkçe ve İngilizce Adı ve Özetleri: Projenin Türkçe Adı: Güneş Enerjili Araç Projesi Özet: Alternatif enerji kaynakları konusunda kamuoyunda farkındalığı arttırmak, alternatif enerji teknolojilerinin yaygın kullanımı için gerekli beyin gücü ve bilgi birikiminin oluşmasını sağlamak, üniversite öğrencilerinin teorik bilgilerini uygulamaya dönüştürerek takım çalışmasıyla temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla çalışacak ürünler ortaya koymaya özendirmek üzere güneş enerjili araba yarışları başta Avustralya ve Japonya da olmak üzere birçok ülkede yıllardır profesyonel olarak düzenlenmektedir. Ülkemizde ise bu yarışmalar 2005 yılından bu yana TÜBİTAK tarafından organize edilmektedir. Bu proje ile ulusal ve uluslar arası yarışmalarda üniversitemizi temsil etmek üzere bir adet güneş enerjili araç üretilmiştir.

3 Projenin İngilizce Adı: Solar Car Projects Özet: Solar car racing contests have organized professionally in lots of counties and in particular in Japan and the USA for a long time so as to increase awareness about alternative energy sources, provide to form essential knowledge and brain power for widespread use of alternative energy technologies and encourage university students to develop vehicles which run on clean and renewable energy sources as a team by using theoretical information learned at school. As regards Turkey, TUBITAK has organized these races since With this project, a solar car has developed in order to represent our university at national and international solar car races.

4 II. Amaç ve Kapsam Dünyadaki fosil yakıtı rezervlerinin sınırlı olmasından dolayı insanlar artık petrole dayalı ekonomiden yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı ekonomiye geçmeyi düşünmeye başlamıştır. Petrol türevlerinin yanması sonucu başlıca karbondioksit olmak üzere pek çok yanma ürünü oluşur. Bu yanma ürünlerinin birçoğu çevre ve insan sağlığı açısından zararlı etki göstermekle birlikte, sera etkisine de yol açmaktadır. Kullanılabilecek diğer bir enerji kaynağı ise elektriktir, ancak hidroelektrik enerji kaynakları dışında diğer enerji kaynaklarının üretim maliyeti oldukça yüksektir. Alternatif bir enerji kaynağı da güneştir. Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için güneş pilleri (fotovoltaik hücreler) gereklidir. Güneş pilleri, dünyaya ulaşan güneş ışınlarını, yapısına göre bünyesindeki yarıiletkenler veya organik boyar maddeler aracılığıyla, elektrik enerjisine dönüştürür. Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, invertörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (fotovoltaik sistem) oluştururlar. Güneş enerjisi sistemleri ulaşımdan aydınlanmaya yaşamın birçok alanında kullanılabilir. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olduğundan ülkemizin enerji ihtiyacı yönünden dışa bağımlılığını azaltma potansiyeline sahiptir. Bu nedenle her yıl birçok ülkede ulaşımda alternatif enerji uygulamalarının geliştirilmesine yönelik yarışmalar düzenlenmektedir. Ülkemizin enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla her alanda alternatif enerji kaynaklarına yönelmek gerekmektedir. Projenin ulaşım alanında petrole bağımlı araçlar yerine, güneş enerjili araçların ülkemizde kullanımının yaygınlaştırılmasına katkıda bulunacağı düşünülmektedir. III. Materyal ve Yöntem 1. Güneş Arabası Güneş arabası hafif ağırlıkta olup orta güçte çalışan, enerjisini güneşten alan arabalardır. Kısıtlı sayıda (genelde bir bazen iki kişilik) oturma yeri, çok az taşıma kapasiteleri vardır ve sadece gündüz kullanılabilirler. Ancak gelecekte teknolojik gelişmelere katkıda bulunacak uygulamalar açısından önemli olanaklar sağlayabilirler. Güneşten gelen enerji yerküreye bütün gün boyunca çarpar. Ancak enerjinin miktarı günün hangi saati olduğuna, hava koşullarına ve coğrafi konum sebebiyle değişiklik

5 gösterir. Kullanılabilir güneş enerjisi miktarı güneş ışınımı olarak bilinir ve genellikle metrekare başına düşen güç miktarı ile ölçülür. Güneş ışığı, bir elektrik akımı üreten güneş panellerinin her bir hücresi tarafından emilir. Enerji depolanmak üzere pillere, araca güç vermek için direkt olarak motor kontrolörüne veya ikisine birden aktarılabilir. Genel olarak eğer araba hareket halindeyse elektrik akımına çevrilmiş güneş ışığı direkt olarak motor kontrolörlerine iletilir. Bu durumda artan enerji sonraki kullanımlar için pillerde depolanır. Güneş panelleri motoru istenilen hızda çalıştırmaya yetecek enerjiyi üretemediğinde panelin enerjisi pillerde depolanan enerjiyle desteklenir. Araba hareket halinde değilken güneş panelinden gelen bütün enerji pillerde depolanır. Güneş arabasını hareket ettirmek için kullanılanın enerjinin bir kısmını yerine koymak için, arabanın normal mekanik frenlerini kullanmak yerine, motor frenini kullanarak motorun jeneratör halini alması sağlanır ve enerji motor kontrolörü vasıtasıyla pillere tekrar aktarılır. Bu metoda rejenaratif frenleme denir (yeniden üretici frenleme). 2. Sürücü Kabini Sürücü kabinleri normalde tek kişiliktir ve çok az araçta yolcu için ikinci bir koltuk bulunur. Güneş panellerinden dolayı ortam oldukça sıcaktır ve normal bir otomobile göre oldukça az konfora sahiptir. Normal otomobillerin sahip olduğu frenler, gaz pedalı, sinyaller, havalandırma gibi bazı özelliklere sahiptir. Araçlar geleneksel motorlu araçlarda bulunan göstergelerle donatılmıştır ve sürücülerin asıl önceliği olası problemleri tespit edebilmek için bu göstergeleri izlemektir. Ürettiğimiz araç tek kişiliktir ve sürüş güvenliği ön planda tutulmuştur. Pilotu çevreleyen alüminyum bir koruma kafesi (rollbar) araç üzerine eklenmiştir. Pilotun rahatça görebileceği yerde araç ile ilgili anlık teknik verilerin okunabileceği göstergeler bulunmaktadır. Bu göstergeler; hız, motor akım, akü şarj, akü ve kabin sıcaklık göstergeleridir. Pilot kabinin üzeri pleksi-glass ile kaplanmıştır. Bu şekilde pilot, yolu rahatça görebilirken, dışarıdaki gürültülerden en az şekilde etkilenecektir.

6 3. Elektrik Sistemi 3.1. Akü: Güneş arabalarının kalbi piller ve güç sisteminden oluşan elektrik aksamıdır. Elektrik sistemi sisteme giren ve sistemden çıkan bütün gücü denetler ve idare eder. Pil grubu normal bir arabadaki benzin depoları gibidir. Güneş arabasındaki bu pil gurubu enerjinin daha sonraki kullanımlar için saklanmasını sağlar. Araç hareket etmeye bu dolu pil grubuyla başlar ancak harekete başladıktan sonra sadece güneş panellerinde üretilen enerji, pilleri yeniden doldurmak için kullanılır. Pilin kapasitesinin maksimum miktarı pilin tipine göre değişiklikler gösterir. Yarış sırasında sürekli olarak sabit bir akım çekebilmemiz için en uygun akü çeşidi olarak 30 Adet Pb-Acid akü belirlenmiştir. Ulusal ve uluslar arası yarış kuralları gereği 30 adet 12 V-7,5 Ah akü kullanılmıştır Motor ve Motor Sürücü Devresi: Güneş arabamız doğru akımla çalışan bir elektrik motoru ve motoru sürmemizi sağlayan bir motor sürücü devresiyle hareketini sağlamaktadır. Aracın ağırlığı gereği motorumuz ortalama 7kW gücünde seçilmiştir ve motor sürücü devremizde 200 Ampere kadar akım çekebilmektedir. Yarışlar sırasında yaşanabilecek her türlü teknik aksaklıklar nedeniyle çabuk yıpranabilen bu malzemelerden iki adet alınmıştır. Şekil 1. Güneş Arabası Devre Şeması

7 4. Mekanik Sistemler 4.1. Sürüş Takımı: Sürüş takımı elektrik motorunun gücünün tekerleklere iletilmesini sağlayan ve dolayısıyla arabayı hareket ettiren araçlardan oluşmaktadır. Güneş arabasının sürüş takımı normal bir arabadan oldukça farklıdır. Üretilen düşük enerji miktarı sebebiyle güneş arabaları genellikle tek çekişli olur. Aracımızın ön iki tekeri yönlendirmeyi sağlarken, arka tek tekeri motor yardımıyla çekişi sağlamaktadır. Üçteker için de ayrı ayrı amortisör ve A kolu sistemi tasarlanmıştır. Bu sayede yoldaki sarsıntılar büyük ölçüde soğurulmaktadır. Ayrıca aracımızda düşük sürtünme katsayılı özel yarış lastikleri kullanılmıştır Gövde ve Şasi: Güneş arabaları, oldukça farklı şekillere sahiptir ve tasarım için belirli bir standart yoktur. Tasarımcılar sürtünmeyi ve ağırlığı en aza indirip, güneşe maruz kalmayı ve güvenliği olabildiğince yüksek tutmayı hedeflemektedir. Aracımızda karbon fiber kumaşla desteklenmiş alüminyum profil malzemeden kafes örgü tekniğiyle birleştirilmiş şasi kullanılmıştır. Örgü tasarımında burulma ve mukavemetin yanı sıra ağırlık da göz önünde tutulmuştur. Olası darbelerde sürücünün en az zararı görmesi için, aracın pilot kabini, soğuk çekimli dikişsiz alüminyumdan, 38mm çapında, 2.5mm et kalınlığında rollbar lar ile korumaya alınmıştır. Gövde malzemesi olarak, dayanıklılık ve ağırlık bakımından avantajlarından dolayı, karbon fiber malzeme kullanılmıştır. Aracımızın tasarım ve yapım aşamasında yukarıda belirtilen yöntemler ve malzemelerin kullanılması nedeniyle 100 kg ağırlığa sahiptir.

8 5. Güneş Panelleri Güneş panelleri, güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren yüzlerce fotovoltaik güneş pilinden oluşur. Araçlar çeşitli güneş pili teknolojilerini kullanabilirler. Polikristal silikon, tek kristal silikon ve galyum-arsenür piller bunların başında gelmektedir. Piller bir araya getirilerek paneller oluşturulur. Paneller, anma akü gerilimine yakın gerilime sahiptir. Asıl hedef az alana mümkün olduğunca çok hücre sığdırmaktır. Piller açık hava ve kırılmaya karşı korunacak şekilde kapsüllenir. Güneş panelleri ile üretilen güç miktarı, hava koşulları, güneşin konumu ve güneş panellerinin kapasitesine bağlıdır. Aracımızda kullandığımız paneller, monokristal hücrelerin oluşturduğu %20 verimle çalışan yarı esnek panellerdir. IV. Analiz ve Bulgular 1- DC Motorundan Elde Edilen Veriler Yarış sırasında en yüksek verimde çalıştırmak üzere araçta kullanılan DC motorun farklı gerilimlerde akım, güç, devir, tork, atalet, indüktans ve direnç değerlerini Tablo 1. de verimliştir. Gerilim 24 V 36 V 48 V 60 V 72 V Akım 110 A 110 A 110 A 110 A 110 A Güç 2,5 kw 3,5 kw 4,74 kw 5,97 kw 7,22 kw Rpm 1080 min min min min min-1 Tork 20 Nm Atalet 0,025 kgm² İndüktans 0,019 mh Direnç 16 mohm Tablo 1. Motor Verileri

9 2- Akü Paketinden Elde Edilen Veriler Akü paketi motor ve güneş panellerinin çalışma değerlerine uygun olarak Tablo 2. de belirtilen değerlere sahiptir. Bu bilgilere göre 12V luk aküler 6x12V şeklinde paketlenmiştir. Çalışma Gerilimi Nominal Kapasitesi Çalışma Frekansı 12 V 20 saatte 7.0 A 10 saatte 6.65 A 5 saatte 5.95 A 3 saatte 5.25 A 16.7 Hz Tablo 2. Akü Verileri 3- Güneş Pillerinden Elde Edilen Veriler Güneş panelini oluşturan güneş pillerinin ölçülen değerleri Tablo 3. de verilmiştir. Bu verilerden yararlanarak 25 0 C de güneş panelinin ortalama gücü 1200 W olarak ölçülmüştür. Belirlenen akım ve gerilim değerleri kullanılarak şarj kontrol cihazı hazırlanmış, akülerin güvenli bir şekilde şarj edilmesi sağlanmıştır. Verim %20 Güç W Maksimum Gerilim 0.51 V Maksimum Akım 5.21 A Hücre Yüzeyi cm 2 Tablo 3. Güneş Hücre Verileri

10 V. Sonuç ve Öneriler Bu projede Hitit Güneşi Formula G takımı ulusal ve uluslar arası yarışmalarda üniversitemizi temsil edebilecek özelliklere sahip bir araç üretmeyi amaçlanmıştır. Bu sayede üniversitemiz öğrencileri alternatif enerji ve ulaşım teknolojileri konusunda geniş bir bilgi birikimine sahip olmuş, bu doğrultuda üniversite eğitimleri sırasında aldıkları teorik bilgileri hayata geçirme fırsatı yakalamışlardır. Ekibimize, her yıl Japonya da düzenlenen Suzuka Dream Cup etkinliğine 2010 yılı yarışları için en üst kategoride yarışması teklifi gelmiştir. Geleceğin ulaşım teknolojisi olarak kabul gören güneş arabaları için her yıl yenilenen bir çalışma planı oluşturulacak ve üniversitemiz öğrencileri bu planın parçası olarak mühendislik becerilerini geliştirmeye devam edeceklerdir. VI. Kaynaklar VII. Ekler a) Mali Bilanço ve Açıklamaları Gelir: ,00 TL Harcanan: ,00 TL Güneş Paneli: ,00 TL Motor, Motor Sürücü ve Akü: ,00 TL Alüminyum Şasi ve Hareketli Aksam Üretimi: ,00 TL Karbon Fiber Kabuk Üretimi: ,00 TL Yurtiçi Yolluk: 2.500,00 TL Kalan: 7.360,00 TL

11 b) Makine ve Teçhizatın Konumu ve İlerideki Kullanımına Dair Açıklamalar Alınan malzemeler Fen Fakültesi Mekanik-Elektrik Laboratuarında yer almaktadır. Fizik Araştırma Topluluğu ve bünyesindeki Hitit Güneşi Formula-G Takımı öğrencileri tarafından yeni projelerin geliştirilmesi amacıyla kullanılacaktır.