ADVISOR PROGRAMIYLA YAKIT PİLLİ ARAÇ ANALİZİ ANALYSIS OF FUEL CELL VEHICLES WITH ADVISOR SOFTWARE

Transkript

1 ADVISOR PROGRAMIYLA YAKIT PİLLİ ARAÇ ANALİZİ Anıl Can TÜRKMEN 1, Salim SOLMAZ 2, Yrd. Doç. Dr. Cenk ÇELİK 3, Prof. Dr. Halil İbrahim SARAÇ 4 Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü 41380, Kocaeli, 1 anilcan.turkmen@hotmail.com, 2 salim.solmaz@hotmail.com, 3 cenkcelik@kocaeli.edu.tr, 4 sarac@kocaeli.edu.tr Özet: Bu çalışma da otomobillerdeki yakıt pili sistemleri, ADVISOR programı kullanılarak modellenmiş ve yapılan modeller karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Yakıt pili sistemleri tüm taşıt sistemi içerisinde kritik önem taşıyan ana unsurlardandır. Bu nedenle bir taşıtta yakıt pili sisteminin; tesis edilmesinden önce, sisteme uyumluluğunun analizinin yapılması, maliyet ve güvenlik bakımından oldukça önemlidir. Amerikan Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) tarafından geliştirilen ADVISOR programı bu tür sistemlerin mukayesesinin yapılmasını sağlamaktadır. Bu makalede de özellikle bu programın nasıl kullanılacağı örnek bir uygulama ile tanıtılmakta, yakıt pili çeşitleri karşılaştırılarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmektedir. Anahtar Kelimeler: Yakıt pilli araçlar, Hidrojen, ADVISOR. ANALYSIS OF FUEL CELL VEHICLES WITH ADVISOR SOFTWARE Abstract: In this study, automotive fuel cell systems are simulated by using ADVISOR program and comparatively analyzed with a case study. Full cell system of vehicles is the most important part of the entire system. Therefore, fuel cell system of the vehicle should to be tested with software before its construction due to cost and safety issue. ADVISOR program developed by American National Renewable Energy Laboratory (NREL) is widely used for simulation of the vehicle systems as mentioned in literature. ADVISOR program is introduced with an application, and the obtained results are evaluated by comparing kind of fuel cell in this article as well. Keywords: Fuel cell vehicle, Hydrogen, ADVISOR GİRİŞ Günümüzde bir yandan çevreye karşı duyarlılığın, diğer yandan enerji ihtiyacının giderek artması otomobil üreticilerini yeni arayışlara itmektedir. Fosil enerji kaynaklarının azalması, enerjinin verimli kullanımını ön plana çıkarmış ve yeni alternatif enerji kaynaklarına yönelimi artırmıştır. En önemli enerji kaynağı olan petrolün giderek azalması ve fiyatının zaman zaman aşırı artması en çok ulaşım sektörünü etkilemektedir. Bu aşırı artışlar bu araçlara ilişkin AR&GE faaliyetlerinin ve çalışmalarının artmasını sağlamıştır. Bu gelişmeler gelecekte yakıt pilli araçların daha çok ticari hale gelmesine ve yaygın kullanılmasına yol açacaktır. Bu araçlar geleneksel fosil yakıtlı araçlar ile karşılaştırıldığında performanslarına göre önemli yakıt ekonomisi sağladığı görülmektedir (Amaç vd, 2008; Hauer, 1990; Johnson, 2002). Yakıt pilli araçların en önemli bileşeni yakıt pilidir. Günümüzde çok çeşitli yakıt pili sistemleri mevcuttur ve bunların gösterdikleri performanslar ile sağladığı üstünlükler kullanım durumları için oldukça önemlidir. Bununla beraber yakıt pilli sistemlerde kullanılan yakıtın kaynağı da bir hayli önemlidir. Bu değişkenlerin gerçek araçta denenmesi maliyetli olması nedeniyle ADVISOR programı kullanılarak bir mukayese yapılmıştır. Advanced Vehicle Simulator (ADVISOR), 1990'ların sonlarında ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı(NREL) tarafından programlanmış ve geliştirilmiştir. İlk olarak hibrit tahrik sistemlerinin araştırılmasında, ABD Enerji Bakanlığı desteklemek

2 için geliştirilmiştir. Resmi olarak hem ileriye hem de geriye dönük modelleme yapmak üzere tasarlanmış olmasına rağmen, geriye dönük bir modelleme yaklaşımı ile kurulmuştur. ADVISOR yaygın olarak dünya çapında otomobil üreticileri, üniversite ve enstitü araştırmacıları tarafından kullanılmaktadır. Birçok kullanıcı ADVISOR kitaplığına yeni bileşenler ve veri sağlamıştır (Feroldi vd, 2009). Program internet üzerinden serbestçe kullanılabilmektedir. Kullanıcı dostu bir arayüze sahip olan ADVISOR, MatLab programının modelleme, simülasyon, dinamik sistemlerin analizini yapabilen modülü olan MatLab/Simulink ile yapılmıştır. Program, zaman içerisinde, zamana bağlı ve anlık, doğrusal ve doğrusal olmayan sistemleri ve melez sistemleri destekleyecek şekilde geliştirilmiştir. ADVISOR ın Simulink/MatLab ortamında kullanılmasının önemli bir avantajı, araç modeli oluşturmanın esnekliği, kontrol stratejisi, rejeneratif frenleme algoritması gibi modellerin kolayca değiştirilebilmesidir. MatLab, araç konfigürasyonlarının detaylı analizlerini kolayca yapar ve grafik çizdirebilir (Markel vd, 2003). ADVISOR verilen sürüş grafiğinden yola çıkarak, gereken araç ve tork için tekerlek hızı ve tekerlekler ile enerji kaynağı arasındaki bütün bileşenlerin hızlarını bulmaya yönelik çalışır. Burada bahsedilen enerji kaynağı bataryadaki elektrik ya da hibrit güç ünitesindeki yakıt olabilir. Modelin doğruluğu ve diğer araç simülatörleriyle ilişki, modelin güvenilirliği saptamak açısından son derece önemlidir. NREL, daha geçerli bileşen modellerini bünyesine katmak için üniversitelerin başarılı bir şekilde hibrit araç yapan ve test eden takımları ile sözleşmeler yapmıştır. Bu arada, genel taşıt modelleri ile kurulan ilişkiye ek olarak otomotiv endüstrisindeki tescilli modelleri ile bir ilişki gerçekleştirilmiştir. Böylece, endüstrideki algoritmalar sayesinde, ADVISOR sonuçlarındaki minimum belirsizlik elde edilmiş ve giriş verisindeki belirsizlik, ADVISOR sonuçlarındaki belirsizliğin birincil kaynağı olmuştur (Katrašnik, 2010). ADVISOR ın en önemli artılarından biri, araç yapılandırmalarına kurulum ve geniş bir analiz sağlayan detaylı bir kullanıcı arayüzü grafiğine sahip olmasıdır. Kullanıcı önceden tanımlanmış 9 tane sürüş sistemi arasından seçim yapabilir. Her bir düzenleme içinde ise 19 elektrik motoru, 9 batarya ve 7 yakıt pili sistemi arasından seçim yapılabilme imkanı sağlar. Bu bileşenler ölçeklendirilebilir ve bir araç olarak kombine edilebilir. Kullanıcı arayüzü, eğitimli kullanıcı için modelin yeteneklerine hızlı erişim imkanı sağlar. Analiz süresi oldukça kısa olan program, kişisel olarak tasarlanmış bir sisteme ait deney verileri olduğu takdirde bu sistemide bünyesine dahil edebilme özelliğine sahiptir. Buna karşılık programla beraber gelen dökümantasyonun azlığı ve niteliksizliğinden dolayı yeni model eklemek ya da var olan modeli modifiye etmek oldukça zordur (Amaç vd, 2011; Zhou 2005). ADVISOR da sürüş çevrimleri gerçek hayattakine paralel geliştirilmiştir ve genellikle hız zaman grafiği olarak seçim yapılır. Bu hız grafikleri farklı araçların aynı yol düzeninde karşılaştırılması noktasında kullanılabilir ve gerçek sürüşü yansıtabilir. Bu sürüş çevrimlerinden çoğu çeşitli uluslararası kuruluşlar tarafından belirli amaçlar için standardize edilmiştir. Örneğin yeni otomobiller için şehir ve otoyol kilometre rakamları iki farklı standart hız grafiği kullanılarak gerçekleştirilir. Sürüş çevrimleri, içerisinde New York City nin günlük banliyosu, Madras-Hindistan otoyolu gibi çeşitli bölgelerin deneysel olarak elde edilmiş halidir. Simülasyon tamamlandıktan sonra, sonuçlar, bir bütün olarak ya da alt-sistemleri bağımsız olarak elde edilebilir. Simülasyon sırasında bireysel süreler veya toplu sonuçlardan alınan bilgiler toplanır ve mukayese edilebilir (Ogburn vd, 2000). ADVISOR KULLANICI ARAYÜZÜ (GUI) ADVISOR programının kullanıcı dostu bir arayüzü bulunmaktır. Program, 3 farklı ana ekrandan oluşmaktadır. İlk ekran Şekil-1 de görülmektedir. Kullanıcı ilk olarak araç tipini seçer. Böylece; kullanılacak Simulink blok diyagramı da seçilmiş ve araç alt sistemleri arasındaki bağlantı tanımlanmış olur. Taşıt düzeneği Şekil-1 de verilen ilk ekranın sol üst köşesinde grafiksel olarak gösterilmiştir. Bu ekranda taşıtın diğer bütün bileşenleri de tanımlanmıştır. Burada program içerisinde tanımlı olan

3 Şekil 1. ADVISOR programının ilk ekranı FUELCELL_default_in taşıt modeli seçilmiştir (Gonçalves vd, 2009). Daha sonra kullanıcı; araç üzerinde hangi tür testleri yapmak istiyorsa, test parametrelerinin yer aldığı ekrandan (Şekil-2) bunları seçer. Bu ekranda kullanıcının seçebileceğine ek olarak çok fazla türde özel test ve sürüş hattı mevcuttur. Sürüş hattı araç hızının zamanla nasıl değiştiğini göstermektedir. Örneğin şehir içi sürüş planı Şekil 2 de sol üst köşede gösterilmektedir. Şekil 2. ADVISOR programının test parametre ekranı

4 Ayrıca kullanıcı, özel bir sürüş hattı ekleyerek, problemli bir sürüş planı için araç analizi gerçekleştirebilir (Folkesson vd, 2003). Şekil 3 te ADVISOR modelinin temelini oluşturan Simulink blok diyagramı gösterilmiştir. Blok diyagramın her bir bloğu, belirli bir alt sistemin parametrelerini tanımlayan, kendi içerisinde yardımlaşan bir Matlab (m-dosyası) dosyasına sahiptir[8]. Kullanıcı ihtiyacına göre; blokla yardımlaşan m-dosyalarının yanı sıra bloğun içerisindeki modeli de değiştirme olanağına sahiptir. Örneğin, kullanıcı elektrik motor bloğu için daha kesin bir modele ihtiyaç duyabilir. Girişler ve çıkışlar aynı olduğu sürece, var olan bir model farklı bir modelle yer değiştirebilir. Ya da, kullanıcı modele dokunmaz ve yalnızca blok diyagramla ortaklaşa çalışan m-dosyasını değiştirebilir (Wipke vd, 1996). Ayrıca ilk ekranda taşıtta kullanılan bazı temel bileşenlerin diyagramları da gösterilmektedir (Şekil 4). Üçüncü ekran ise analizlerin grafiklerinin çizdirildiği sonuç ekranıdır (Şekil 6). YAKIT PİLİ ÇEŞİTLERİNİN GÜÇ VE YAKIT CİNSİ BAKIMINDAN MUKAYESESİ Bu çalışmada ANL50 (ANL50: Argonne Ulusal Laboratuvarının geliştirdiği optimum gücü 50 kw olan PEM yakıt pili) yakıt pili iki farklı güç ve iki farklı yakıt çeşidi kullanılarak analiz edilmiş ve aralarında mukayese yapılmıştır. Kullanılan yakıt pili, doğrudan hidrojen ve benzinden elde edilen hidrojen ile beslenecek şekilde dizayn edilmiştir. Yakıt pilinin bu özelliği göz önüne alınarak, yapılan mukayeselerde doğrudan hidrojen ve benzin kullanılmıştır. Yapılan analizlerde yakıt pili güçleri günümüzde en çok kullanılan araçlar dikkate alınarak 30kW ve 50kW olarak seçilmiştir. Yakıt pili analizlerinde batarya grubu, motor çeşidi ve motor gücü gibi aracın performansında direkt etkisi olan parametreler sabit tutulmuştur. Batarya grubu olarak 25kW gücünde NiMH (Nikel Metal Hidrit), motor çeşidi olarak ise 59kW gücünde alternatif akım indüksiyon motoru seçilmiştir. ADVISOR da araç analizi yapılabilmesi için teknik parametreler belirlendikten sonra, sürüş koşullarının belirtilmesi gerekmektedir. Bu amaçla ADVISOR programının içerisinde bulunan 59 adet sürüş çevrimi içerisinden New York City sürüş çevirimi seçilmiştir. Bu sürüş çevrimine ve araca ait veriler Tablo 1 de verilmiştir. Şekil 4. Yakıt sarfiyatı - güç grafiği Şekil 3. Blok Diyagramı

5 Şekil 6. Sonuç ekranı ADVISOR programı yapılan analiz sonuçlarını grafik biçiminde kullanıcıya sunmaktadır. Toplamda yaklaşık 150 farklı grafik elde edilebilmesine rağmen, bu çalışmada yakıt pillerinin mukayesesi için 5 farklı grafik seçilmiştir. Bu grafiklerin seçiminde yakıt pili performansına doğrudan etki koşulu göz önünde bulundurulmuştur. Bu grafikler anlaşılması daha kolay olması açısından tablo haline getirilmiştir (Tablo 2). Tablo 1. New York City sürüş çevrimi özellikleri Zaman (s) 598 Mesafe (km) 1.9 Maksimum hız (km/h) Ortalama hız (km/h) Maksimum ivme (m/s 2 ) 2.68 Maksimum yavaşlama ivmesi (m/s 2 ) Ortalama ivme (m/s 2 ) 0.62 Ortalama yavaşlama ivmesi (m/s 2 ) Tablo 2. Yapılan analiz sonuçları Güç 30kW 50kW Yakıt tipi H 2 Benzin H 2 Benzin Atılan gazın ısı (W) Atılan gazın sıcaklığı ( o C) Yakıt pili çıkış 48,8 35,2 48,8 35,2 verimi (%) Yakıt tüketimi 0,08 0,35 0,13 0,62 (g/s) Yakıt pili sıcaklığı ( o C) Tablodan anlaşılacağı üzere, doğrudan hidrojen kullanılan yakıt pili, benzinden elde edilen hidrojenin kullanıldığı yakıt piline göre çok daha verimlidir. Düşük yakıt pili sıcaklığı, yakıt pilinin ömrünü arttırmakta, düşük yakıt tüketimi ise ekonomik anlamda avantaj sağlamaktadır. Yakıt tüketimiyle ilgili ayrıntılı veriler Tablo 3 de gösterilmiştir. Aynı yakıtı kullanan yakıt

6 pilleri güçleri bakımından kıyaslandığında yüksek güçlü olanda yakıt tüketiminin arttığı görülmüştür. Bununla bağlantılı olarak yakıt pili sıcaklığının ve egzozla atılan ısının değeri de artmıştır. Tablo 3. Yakıt tüketimi Güç 30kW 50kW Yakıt tipi H 2 Benzin H 2 Benzin Yakıt tüketimi (l/100km) Benzin karşılığı Doğrudan hidrojen kullanılan yakıt pillerinde, her iki güç seçeneğinde de daha az yakıt kullandığı görülmüştür. Birim hacim başına hidrojenin enerjisi benzine göre çok daha düşük olduğundan, hidrojenin ancak yüksek hacimli depolama yapıldığında verimli kullanılabileceği anlaşılmıştır. SONUÇ Bu çalışma da ADVISOR programı kullanılarak ANL50 yakıt pili üzerinde yakıt pili gücünün ve yakıt çeşidinin etkisi analiz edilmiştir. Yapılan analizde günümüzde en çok kullanılan yakıt pilleri dikkate alınarak, yakıt pili güçleri bu koşullar altında seçilmiştir. Aracın performansını etkileyen diğer bütün bileşenler sabit tutulup sadece analiz sonucu amaçlanan bileşenler değiştirilmiştir. ADVISOR programı analiz sonuçlarını kullanıcıya grafikler halinde sunmaktadır. Elde edilen grafikler yorumlanarak araç performansına doğrudan etkisi olan sonuçlar tablo haline getirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre yakıt pili gücünün ve yakıt çeşidinin araç performansına etkisinin oldukça fazla olduğu görülmüştür. KAYNAKÇA Amaç A., Aras F., Gürcan Y., ADVISOR ile Otomotiv Elektrik Sistemlerinin Benzetisimi ve Analizi, ELECO 2008, , Amaç A., Aras U. T., Şahin Y. G., Yörükeren N., Hibrit Araçlarda Kullanılan Bataryaların Karşılaştırmalı Performans Analizi, III. Enerji Verimliliği ve Sempozyumu, Feroldi D., Serra M., Riera J., Design and Analysis of Fuel-Cell Hybrid Systems Oriented to Automotive Applications, IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 58, No. 9, Folkesson A., Andersson C., Alvforsa P., Alakulab M., Overgaardc L., Real life testing of a Hybrid PEM Fuel Cell Bus, Journal of Power Sources , Gonçalves, G. A., Bravo, J. T, Baptista P. C., Silva C. M. and Farias T.L., Monitoring and Simulation of Fuel Cell Electric Vehicles, World Electric Vehicle Journal Vol. 3 - ISSN , Hauer K., Analysis Tool for Fuel Cell Vehicle Hardwareand Software (Controls) with an Application to Fuel Economy Comparisons of Alternative System Designs, Doktora tezi, University of Braunschweig, Germany, Johnson V. H., Battery performance models in ADVISOR Journal of Power Sources , Katrašnik T., Fuel Economy of Hybrid Electric Heavy- Duty Vehicles Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering 56 12, , Markel T., Wipke K., Haraldsson K., Kely K., Vlahinos Fuel Cell Vehicle Systems Analysis, DOE Hydrogen and Fuel Cell 2003 Annual Merit Review Berkeley, California, Ogburn, M., Nelson, D., Wipke, K., and Markel, T., Modeling and Validation of a Fuel Cell Hybrid Vehicle, SAE Technical Paper , Wipke K., Cuddy M. R., Using an Advanced Vehicle Simulator (ADVISOR) to Guide Hybrid Vehicle Propulsion System Development National Renewable Energy Laboratory, 1996 Zhou Y. L., Modeling and Simulation of Hybrid Electric Vehicles, Yüksek lisans tezi, University of Science & Tech. Beijing, 2005.