ZAYIFLAMA BİSİKLETİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ

T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ZAYIFLAMA BİSİKLETİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ 228413 Saim PORTAKAL 228425 Sultan Ahmet ADIGÜZEL 228488 Bilal SAYAR Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fatih NUROĞLU Mayıs, 2014 TRABZON

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Saim PORTAKAL, Bilal SAYAR, S. Ahmet ADIGÜZEL tarafından F. Mehmet NUROĞLU yönetiminde hazırlanan Zayıflama Bisikleti ile Elektrik Üretimi başlıklı lisan bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir lisans bitirme projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman Unvanı Adı ve Soyadı Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fatih NUROĞLU Jüri Üyesi 1 Unvanı Adı ve Soyadı Jüri Üyesi 2 Unvanı Adı ve Soyadı Bölüm Başkanı Unvanı Adı ve Soyadı III

ÖNSÖZ Bu tezin ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, kılavuzun son halini almasında yol gösterici olan değerli hocamız Sayın Yrd. Doç. Dr. Fatih Mehmet NUROĞLU a teşekkürlerimizi sunarız. Ayrıca bu çalışma esnasında yardımlarını esirgemeyen Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ Arş. Gör. Yahya DANAYİYEN hocalarımıza ve Ali Kemal BAŞKAN arkadaşımıza da teşekkür ederiz. Her şeyden öte, eğitimim süresince bize her konuda tam destek veren ailemize ve bize hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygılarımızı ve sevgilerimizi sunarız. Mayıs, 2014 Saim PORTAKAL Bilal SAYAR S. Ahmet ADIGÜZEL V

İÇİNDEKİLER LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU... III ÖNSÖZ... V ÖZET... IX SEMBOLLER VE KISALTMALAR... XI 1. GİRİŞ... 1 1.1) Zayıflama Bisikleti ile Elektrik Üretimi... 1 1.2) Çalışma Takvimi... 3 2. TEORİK ALTYAPI VE TASARIM... 4 2.1) Mekanik Kısım... 5 2.2) Elektriksel Kısım... 7 2.2.1) Jeneratör Seçimi... 7 2.2.2) Projemizde Kullanılacak Jeneratörün Seçimi... 10 2.2.3) Elektriksel Frenleme... 12 2.2.4) Doğrultucu Devresi... 13 2.2.5) Regüle Devresi... 14 2.2.6) Akü Şarj Kontrol Devresi... 15 2.2.7) Akümülatör... 16 2.2.8) Telefon şarj devresi... 17 3. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI... 19 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR... 21 4.1) Mekanik Kısım... 21 4.2) Elektriksek kısım... 22 5. SONUÇLAR... 26 6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME... 27 KAYNAKLAR... 28 EKLER... 29 ÖZGEÇMİŞ... 36 VII

ÖZET Günümüzde birçok hastalığın sebebi dengesiz beslenme ve hareketsiz yaşam sonucu oluşan aşırı kilolardır. İnsanlar bu aşırı kilolarından kurtulmak için spor salonlarında vakit geçirirler. Spor salonlarında geçirdikleri bu vakitlerde kimyasal enerjilerini fiziksel enerjiye çevirmektedirler. Bizde projemizde boşa giden bu fiziksel enerjiyi geri kazanımını amaçladık. İnsanların harcadıkları bu fiziksel enerjiyi doğru akım jeneratöründe kullanarak elektrik ürettik. Zayıflama bisikletinin pedallarının çevrilmesiyle üretilen moment, zincir yardımıyla jeneratöre iletilerek jeneratörün rotorunun ω açısal hızıyla dönmesi sağlanır. ω hızıyla dönen rotorda bir gerilim indüklenir. Zayıflama bisikletinin pedalına uygulanan kuvvet sürekli değişeceğinden üretilen elektrik enerjisi de sürekli değişecektir. Ürettiğimiz bu regülesiz doğru gerilimi akü şarj devresi yardımıyla akülerde depoladık. Depoladığımız akünün kapasitesi oranında da elektronik cihazlarda kullandık. IX

SEMBOLLER VE KISALTMALAR Ω : Ohm : manyetik alan yoğunluğu : iletken akımı : iletken boyu : manyetik alan ile akım arasındaki açı : İndüklenen gerilim : Çerçevenin boyu : Çerçevenin hızı µ : Mikro (10-6 ) m : Mili (10-3 ) n : Nano (10-9 ) V A F W : Volt : Amper : Farad : Watt DA : Doğru Akım AA : Alternatif Akım USB :Universal Serial Bus XI

1. GİRİŞ 1.1) Zayıflama Bisikleti ile Elektrik Üretimi Günümüzde insanların yoğun çalışma temposu ve düzensiz beslenmesi sonucu obezite hastalığı günden güne artmaktadır. Dünyada fazla kilosu bulunan insanların sayısı 1.6 milyar, obez sayısı ise 400 milyonu geçerken, dünya genelinde her yıl 2.6 milyon insan obeziteye bağlı yaşamını yitiriyor [1]. Türkiye de yapılan araştırmalara göre toplumun %30,3 ü obez ve %44,7 ü kilolu sınıfına girmektedir, yani obezite önemli sağlık sorunlarından biri haline gelmiştir [2]. Günümüzde bu kadar yüksek oranlara çıkan obezitenin birçok nedeni vardır. Obezitede genetik faktörler çok önemlidir, ailede şişmanlığın yaygınlığı çocuklarında obez olma olasılığını artırır. Psikolojik sorunlar, hormonal ve metabolik bozukluklar da obezitenin oluşumunda önemli nedenleridir. Tüm bunların dışında özellikle son zamanlarda obezitenin en büyük nedeni hareketsiz yaşam tarzıdır. 21. yüzyılda teknolojinin artmasıyla beraber birçok şeyi artık bilgisayar başında oturarak veya cep telefonlarından hiç de enerji harcamadan kolayca yapabiliyoruz ki bu da teknolojinin bize getirdiği kolaylık gibi görünse de aslında insanları tembelliğe itmektedir. Artık insanlar yürüme mesafesindeki yerlere bile arabayla gider duruma geldiler. Obezitenin çözümünde ise beslenme alışkanlıklarının değişmesi ve doktor veya diyetisyenler yardımıyla sağlıklı kilo vermek en etkili çözümdür ama tek başına yeterli değildir. Kilo vermenin en etkili yolu da günlük egzersiz ve spor yapmaktır. Zayıflamak isteyen kişilerin günlük aldıkları ve verdikleri kalori değerleri çok önemlidir. Bir günde; Çizelge 1.1. 80 kg ağırlığındaki bir insanın yaklaşık kalori değerleri [3] Spor Türü Süre (dk) Harcadığı Kalori (cal) Hafif tempolu yürüyüş 30 150 Merdiven çıkmak 15 161 Ağırlık çalışmak 30 135 Yüzmek 30 240 Basketbol (tek pota) 30 330 Bisiklet sürmek (12 km/h) 30 350

Çizelge 1.1 de bulunan verilerden yola çıkarak insanların zayıflamak için bisiklet kullanmalarının önemini gördük. Türkiye de bisiklet kullanım oranı Avrupa ve Amerika ya göre çok düşük olmakla beraber şehir içi bisiklet kullanımı için yeterli altyapımız bulunmamaktadır. Ülkemizde bisiklet kullanımının düşük olması belki de insanlarımızın bisikletin yararları hakkında yeterli bilinçte olmaması ve devletimizin bisiklet için gerekli yatırımları yapmamasından kaynaklanabilir. Ayrıca obezite sorunu olan insanlar zayıflamak için dışarda bisiklet kullanmak yerine kapalı alanlarda zayıflama bisikletini tercih etmektedirler. Bu sebeple ülkemizde de son 5-10 yıldır zayıflama bisikletinin kullanımı spor salonu olsun ev olsun ciddi oranda artmaktadır. Zayıflama bisikletleriyle saatte, kullanım şekline bağlı olarak, 400-600 kalori enerjiyi eğlenceli bir şekilde yakabiliriz [3]. İnsanların yaktığı bu enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek depolamak ve kullanmak projemizin konusunu belirledi. Bu projemiz günümüz için hem alternatif enerji arayışını karşılayacaktır hem de insanları spor yapmaya teşvik edecektir. Bu sistem hakkında kısa bir araştırma yaptığımızda çeşitli kullanım alanları ile karşılaştık. Örneğin, Amerika da bu sistem hapishanelerde kullanılmakta, hapishanedeki mahkûmlar çalıştırılarak ülkenin enerji üretimine katkı sağlanmaktadır. Sayıları azda olsa spor salonlarında bu tür sistemlerle enerji maliyeti düşürülmektedir. Ülkemizde devletin bu konu hakkında herhangi bir çalışması bulunmamaktadır. Bundan dolayı çalışmaların hepsi yapan kişilerin imkânlarıyla kısıtlı kalmış durumdadır. Genel olarak bu çalışmalar maliyetli olduğundan dolayı yaygınlaşmamıştır. Projemizde DA jeneratör kullandığımızdan küçük devirlerde enerji üretimi sağlanacaktır. Kullanılan aygıtların fiyatları bakımından bizim projemiz daha maliyetlidir. Ayrıca zayıflama bisikletlerinde yapılan mekanik frenlemeye ek olarak elektriksel frenlemeye sahiptir. Bu sayede sürtünmeden dolayı oluşan ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülecektir. 2

1.2) Çalışma Takvimi Çizelge 1.2. Çalışma takvimi Çizelge 1.2 deki çalışma takvimine bağlı kalarak projemizi zamanında tamamladık. 3

2. TEORİK ALTYAPI VE TASARIM Sistemimiz iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlar mekanik ve elektriksel kısımlardır. Bisiklet Pedallarının Döndürülmesi Zincir - Dişli ile Motor milinin Döndürülmesi Elektriksel Frenleme 5 Volt DC çıkış Motorun Jeneratör Olarak Çalıştırılması Şarj regüle Devresi Batarya Şekil 2.1.Sistemin şeması Şekil 2.1 de görüldüğü gibi pedal gücünden elektrik üretmeyi amaçlıyoruz. Buradaki pedal gücü jeneratörün miline dişli zincir takımı ile iletilecektir. Dişlilerin yarıçapları jeneratörün üzerine düşen moment hesabıyla bulunacaktır. Buna göre bir dişli zincir sistemi oluşturulacaktır. Zayıflama bisikletlerinde kullanılan mekanik frenlemenin aksine elektriksel frenleme yapılacaktır. Bu elektriksel frenlemeyi jeneratörü elektriksel olarak yükleyerek gerçekleştireceğiz. Jeneratörden elde ettiğimiz değişken elektrik enerjisini şarj kontrol devresi yardımıyla akünün şarj edilebilmesi için gerekli akım ve gerilim değerine çevireceğiz. Aküde depo ettiğimiz bu enerjiyle küçük güçte çalışan elektronik aletleri besleyeceğiz. 4

2.1) Mekanik Kısım Sistemimizin mekanik kısmında bulunan parçalar; Zayıflama bisikleti Dişli zincir takımı Jeneratörü sabitlemek için kullanılan demirler Şekil 2.2. Mekanik kısmın autocad çizimi Şekil 2.2 de görüldüğü gibi zayıflama bisikletinde bulunan dişlinin yarıçapı 8,5 cm, jeneratörün üstünde bulunan dişlinin yarıçapı da 3 cm olarak ayarlanmıştır. Jeneratörümüzün gücü 250 W tır. Jeneratörümüz açık devrede 200 d/d da döndüğünde 30 V gerilim üretmektedir. Kısa devre akımı 2 A dir. Zayıflama bisikletini kullanan kişi kaç N değerinde kuvvet uygulaması gerektiğini bulmak için formüller ve şekil 2.3 de verilen bağlantılar kullanılmıştır. (1) (2) 5

(3) Şekil 2.3. Düz bağlı kasnaklar ve bağıntısı Denklem (1) de w açısal hızı, n devir sayısını temsil etmektedir. Denklem (2) de M momenti, E gerilimi, I akımı ve w açısal hızı temsil etmektedir. Denklem (3) de ise F kuvveti, M momenti ve r yarıçapı temsil etmektedir. Şekil 2.3 de verilen bağlantıyı kullanarak jeneratör dişlisinin devir sayısı 200 d/d olduğundan pedal dişlisinin devir sayısı 70 d/d olur. Denklem (1) de n yerine 70 d/d değerini yazarsak pedal dişlisinin açısal hızı 7,33 rad/sn olur. Bulduğumuz bu açısal hızı denklem (2) de yerine koyarsak (EI= 60 W) pedal dişlisinin moment değerini 8,2 Nm olarak buluruz. Dişlinin üzerine uygulanan kuvveti ise denklem (3) de moment değerine 8,2 Nm, yarıçap değerine 8,5 cm yazarak 96 N buluruz. Pedal dişlisinin merkezi ile pedalın başlama noktası eş olmasından yararlanarak pedalın üstüne düşün kuvveti bulabiliriz. Kuvvet, kuvvet koluna ters orantılı olarak değer aldığından dişlinin yarıçapı olan 8,5 cm karşılık 96 N ise pedal kollunun 15 cm uzunluğuna düşen kuvvet 54 N olur. Gerekli olan bu kuvvet değerine ulaşabilmesi için 5,4 kg uygulanması gerekir. Bulduğumuz kuvvet değerlerine baktığımızda bisiklet kullanımı ve elektrik üretimi için uygundur. 6

2.2) Elektriksel Kısım 2.2.1) Jeneratör Seçimi Mekanik enerjiyi doğru akımdan üreten makinelere elektrik motoru başka bir ifadeyle DA motor denir. Tam tersi işlevi gören makinelere ise doğru akım jeneratörü denir. Elektrik aygıtları iki ana kısımdan oluşur. Bunlar sabit olan stator ile diğeri hareketli kısım olan rotordur. Makineden enerji elde edebilmek için bir manyetik alanda akım taşıyan iletkenlere ihtiyaç vardır. Lorentz yasasına göre manyetik alan içinde akım taşıyan iletkene kuvvet etkiler. Bu kuvvet; (4) Denklem (4) den görüleceği gibi manyetik kuvvet uygulanan akım ile doğru orantılıdır. Rotorun dönüş yönü ise akımın yönü ve manyetik alan yönü ile alakalıdır. Rotor iletkenlerinden akan akım ile hareketlenen rotorda moment çifti oluşur. Makine jeneratör olarak çalıştırılması esnasında manyetik alana tekrar ihtiyaç duyulur. Faraday yasasına göre indüklenen gerilim; (5) İndüklenen gerilimin büyüklüğü denklem (5) den görüldüğü gibi rotorun dönme hızı, manyetik alan yoğunluğu ve rotorun özellikleri ile alakalıdır. İndüklenen gerilim kendisini oluşturan kaynağa karşı yönde etki edecek şekilde oluşur. Denklem (5) de bulunan manyetik alan doğal mıknatıslar veya elektromıknatıslar ile sağlanır. 2.2.1.A) Doğru Akım Makineleri Çeşitleri Serbest Uyartımlı Doğru Akım Makineleri: Bu makinelerde manyetik alanı oluşturacak uyartım gerilimi başka bir kaynak tarafından sağlanır. 7

Şekil 2.4. Serbest uyartımlı DC makine eşdeğer devresi (6) Denklem (6) dan görüldüğü gibi şekil 2.4 makinenin eşdeğer devresinin çıkış gerilimi makinenin devir sayısı ( ) ve uyartım akımına ( ) ye bağlıdır. Kendinden Uyartımlı Doğru Akım Makineleri: Bu makinelerde ise uyarma devresi endüvi devresine bağlıdır. Bu bağlanış şekillerine göre üçe ayrılır. Seri Jeneratör: Uyartım sargıları endüvi devresine seri bağlı olan jeneratördür. Şönt Jeneratör: Uyartım sargıları endüvi devresine paralel bağlı olan jeneratördür. Kompound Jeneratör: Bu jeneratörde iki adet uyartım sargısı bulunur. Bu uyartım sargılarının biri seri ve diğeri paralel olarak bağlanır. 2.2.1.B) Alternatif Akım Makineleri Çeşitleri Asenkron makineler Üç Fazlı Asenkron Makineler Sincap kafesli Rotoru sargılı Tek Fazlı Asenkron Makineler Seri (universal) makineler Gölge kutuplu makineler Kapasitör tip makineler 8

hız) Genel olarak devir ( ), moment ( ) karakteristiği şekil 2.5 deki gibidir. ( : senkron Şekil 2.5. Asenkron makine karekteristiği Senkron Makineler Yuvarlak Rotorlu Rotoru Çıkık Kutuplu Stator Çıkık Kutuplu Genel olarak devir ( ) moment ( ) karakteristiği şekil 2.6 daki gibidir [4]. Şekil 2.6. Senkron makine karakteristiği 9

2.2.2) Projemizde Kullanılacak Jeneratörün Seçimi İlk olarak alternatif akım üreten mi veya doğru akım üreten mi jeneratör sorusuna karar vermek gerekir. Burada jeneratörleri incelediğimizde Senkron makine kullanmayı düşündüğümüzde, şekil 2.6 daki senkron makine momentdevir karakteristiğinin bize uygun olmadığı görülmektedir. Çünkü senkron makine sabit hız gerektireceğinden bizimde bu sabit hızı elde edemeyeceğimizden senkron makineden vazgeçtik. Asenkron jeneratörü düşündüğümüz zaman farklı hızlarda gerilim indükleyebilmesi bizim için avantajdır. Fakat asenkron makineyi jeneratör olarak kullanmak için makinenin senkron hızı geçebilmesi gerekir, şekil 2.5 ten görüldüğü gibi. Bu da makineni jeneratör olarak çalışabilmesi için yüksek bir hız gerekir. Sistemde kullanacağımız bisiklet ile jeneratör senkron hızın üzerine çıkarılabilir fakat sürekli şekilde yüksek hızda döndürülemez. Piyasada buna benzer örnekler olmasına rağmen üretilen enerjiyi depolamak için doğrultucu kullanımı da gerekeceğinden asenkron jeneratörden de vazgeçtik. Doğru akım üreten jeneratörlere baktığımızda ise burada ilk olarak serbest uyartımlı doğru akım makinesini değerlendirdiğimizde bu makinenin şekil 2.4 deki eşdeğer devresine uyarma için ayrı bir kaynağa ihtiyaç duyduğu gözükür. Dışarıdan kullanılacak kaynak bizim projemizde istenilen bir durum olmadığından serbest uyartımlı doğru akım makinesinden de vazgeçtik. Kendinden uyartımlı doğru akım jeneratörlerinden şönt jeneratör üzerinde durduğumuzda, şönt jeneratör devresinde moment ayarını rahat şekilde yapılabilmesi bu makine için avantajdır. Fakat şönt jeneratörün artık mıknatıslığa ve kritik direnç ayarından yani jeneratör olarak çalışma koşullarını sağlamak zor olduğundan dolayı vazgeçtik. Sabit mıknatıslı jeneratörü (SMDA) kullanmak istediğimizde bu jeneratörün uyartım için ayrı bir kaynağa ihtiyaç duymaması ve DA üretmesi bu makineyi seçmemizde etkili olacaktı. Fakat bu makineyi piyasada bulamamız sebebiyle piyasada daha kolay bulunan fırçasız DA makinesini jeneratör olarak kullanmaya karar verdik. 10

Fırçasız DA jeneratörüne baktığımızda; Rotorunda sürekli mıknatıs bulunur Statoru DA sargılarının toplu veya dağılımlı sarılması için saç nüvelerinin birleştirilmesinden oluşur. Fırçalı jeneratörlerde bulunan komütatör ve fırçadan dolayı oluşan mekanik ve elektriksel olumsuz etkiler fırçasız doğru akım makinelerinde bulunmamaktadır. Sessiz ve yüksek hızda çalışabilir. Bu makineler elektrikli bisikletlerde, fanlarda, bilgisayarlarda kullanımı yaygındır [5]. Şekil 2.7. Jeneratörümüzün izometrik görüntüsü Şekil 2.7 deki jeneratörümüzün etiket değerleri; Gücü 250 W Kısa devre akım 8 A Açık devre gerilim 30-35 V arasındadır Çapı 20 cm 3 adet güç ile 5 adet kontrol çıkışı bulunmaktadır. 11

2.2.3) Elektriksel Frenleme Elektriksel frenleme olayı makinenin çalışması esnasında endüvi sargılarından yüksek akım çekilmesi ile oluşur. Çekilen yüksek akım üretilen momenti artırıp makineyi yavaşlatacaktır [6]. Elektriksel frenleme 3 yöntemle yapılır; Rejeneratif frenleme Dinamik frenleme (Reosta ile ) Ters akım ile frenleme Jeneratör olarak kullanacağımız doğru akım makinesinden elektrik üretmenin yanı sıra ters moment üretmesini istiyoruz. Bu ters momenti üretebilmek için frenleme yapılacaktır. Bu frenleme ile makine mili zorlanacaktır. Bu zorlama işlemini dinamik frenleme ile yapacağız. Dinamik frenleme için jeneratörü elektriksel olarak yüklememiz gerekiyor. Elektriksel olarak yükleme sonucunda yüksek akımla orantılı yüksek moment oluşur. Yükleme işlemi küçük değerli, yüksek güçlü dirençlerin paralel bağlanması ile yapıldı. Bu sayede her bir direnç devreye girdiğinde toplam direnç değeri düşecek ve çekilen akım arttı. Paralel bağlama sayesinde de moment kademeli bir şekilde ayarlandı. Dinamik frenlemenin karakteristiğine baktığımız da; Şekil 2.8. Dinamik frenleme karakteristiği 12

Şekil 2.8 deki karakteristiğe göre frenleme dirençleri birkaç deneme yaparak 22 Ω, 10Ω ve 6,8 Ω olarak belirledik. Bu dirençler yüksek akım çekeceğinden 50 W gücünde seçilmiştir. Şekil 2.9. Seçilen frenleme dirençleri Burada şekil 2.9 daki girişe yakın direnç değerini 22 Ω almamızın sebebi belli bir miktar akım çekerek ilk kademeyi oluşturması daha sonrasında 10 Ω ile ikinci kademe için 6,6 Ω direnç oluşturur. En son kademe içinde 6,8 Ω direnci devreye alarak 3,4 Ω direnç değeri elde edilir. Direnci kademe kademe küçülterek jeneratörümüzden çekilen akım artar ve uygulanan kuvvetin artırılması istenir. 2.2.4) Doğrultucu Devresi Fırçasız DA jeneratörümün çıkışında AA aldığımızdan dolayı bu akımı akü şarjı için doğrultmamız gerekir. Jeneratörümüz 3Φ çıkış olduğundan 3Φ tam doğrultucu devre ile doğrultulur. Bu doğrultma işlemini şekil 2.10 daki konjektör devresi ile sağladık. Şekil 2.10. Doğrultma devresi 13

2.2.5) Regüle Devresi Jeneratörümüzün çıkışını doğrulttuktan sonra çıkışımızdan değişken DA gerilimi üretilmektedir. Bu regülesiz DA gerilimini akü şarjında kullanabilmek için regüle etmemiz gerekmektedir. Regülatörler, değişken giriş gerilimini sabit bir çıkış gerilimi şeklinde veren devrelerdir. Cihazlar sabit bir gerilim altında çalıştığından regülatör devreleri sıkça kullanılan devrelerdendir. Regüle devremiz; Şekil 2.11. Regüle devremizin proteus gerçeklemesi Şekil 2.11 deki devrede B1 girişi jeneratörümüzün ürettiği gerilimdir. B2 tarafı ise regüle edilmiş gerilimin aküye aktarıldığı bağlantıdır. Devre elemanları; 3*2N3055 Güç transistörü TIP122 Transistör 1N4743A Zener Diyot 13V 2*1 kω, 10 kω, 330 Ω, 3*10 Ω Potansiyometre 1 kω Girişten aldığımız değişken gerilim 13 V zener diyot ile sabitlenmeye çalışılmıştır. Çıkışı arzulanan gerilim değerinde tutmak için zener diyota seri potansiyometre 14

eklenmiştir. Çıkıştan çekilebilecek akımı sağlayabilmek için transistör kat kat bağlanmıştır. Bu güç transistörlerinin bazlarını beslemek için TIP122 transistörü kullanılmıştır. 2.2.6) Akü Şarj Kontrol Devresi Regüle devremizin yanında kontrol devresi kullanmamızın sebebi akü dolduğunda pedallarda meydana gelecek kasılmayı önlemek içindir. Akü dolduğunda kontrol devremiz sayesinde ürettiğimiz gerilimi otomatik olarak yüke aktaracaktır. Akünün değeri düştüğünde ise devremiz otomatik olarak şarj konumuna alacaktır. Kontrol devremiz; Şekil 2.12. Kontrol devremizin proteus gerçeklemesi Şekil 2.12 de kullanılan devre elemanları; 2*4001 mantık denetleyici 2*LM339 entegresi LM7809 entegresi Röle 12 V 2 Adet buton 15

Fan 2*MOSFET IRFZ44N 2*10uF Kapasite OP-AMP ların iki adet ucu bulunmaktadır. Bunlar eviren (-) ve evirmeyen (+) uçlarıdır. Birinci OP-AMP ımızın eviren ucuna trimpot, evirmeyen ucuna ise karşılaştıracağımız gerilimi bağladık. Bu karşılaştırma için iki adet seri direnç bağladık bu sayede akü gerilimini yarı yarıya paylaştırmış olduk. İkinci OP-AMP ımızda ise eviren ve evirmeyen uçlarını ters bağladık bu şekilde trimpotlar ile alt ve üst sınırımızı belirlemiş olduk. OP- AMP çıkışlarımıza iki adet değil kapısı bağladık. Bu değil kapılarının girişlerine 0-0 işareti geldiğinde çıkışından 1 işareti üretir. Devremiz şarjda iken birinci OP-AMP ımızın eviren ucu evirmeyen ucundan büyük olacak şekilde trimpotu ayarlanır ve çıkışından 0 işareti üretir. Aynı şekilde ikinci OP- AMP ımızın çıkışından da 0 işareti üretilir. Çıkıştaki değil kapısı da bu işaretleri alarak 1 işaretini üretir. Fan çalışır ve şarj ledi yanar. Röle bu sırada normalde açık konumdadır. Devremiz yükte iken birinci OP-AMP ımızın eviren ucu direnç voltajından düşük olacağından çıkışında 1 işaretini üretecektir. Bu işaret değil kapısına gelerek röleyi sürerek yüke geçişi sağlayacaktır. Devre üzerinde bulunan butonlar ise istenildiği zaman yüke ve şarja geçmek için yerleştirilmiştir. 2.2.7) Akümülatör Akü, kimyasal olarak depo edilmiş enerjiyi elektrik enerjisi olarak bize sunan araçtır, yani aküler birer doğru akım kaynağıdır. Akülerin dolmasına şarj, boşalmasına ise deşarj olayı denir. Akülerin içyapısında birden fazla hücre bulunur. Her hücrede de pozitif ve negatif plakalar mevcuttur. Tüm negatif ve pozitif plakalar kendi içlerinde birbirine bağlıdır. Bu plakalarda aktif materyaller yani elektronların hareketini sağlayan malzemeler bulunur. Negatif kutupta kurşun, pozitif kutupta ise kurşun dioksit bulunur. Akü hücrelerinde bulunan pozitif ve negatif elektrotlar sülfürik asit (elektrolitik sıvı) çözeltisinde birbirine temas etmeden bulunurlar. Aküyü şarj etmek için elektrik enerjisi uygulandığında elektrotlar arasında oluşan kimyasal tepkimeyle elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüşür ve akü hücrelerinde depo edilir. Akülere ise dışarıdan bağlanan yük 16

üzerinden kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüşerek deşarjı sağlanır. Akülerin küçük birimleri olan hücrelerden her birinde yaklaşık 2 volt nominal gerilim üretilir.(kurşun-asitli akü). İçerdiği hücre sayısına göre akünün voltajı belirlenir. Örnek olarak 6 hücreli bir akünün voltajı 12 volttur. (6*2=12) Genellikle aküler 6V, 12V, 24V, 36V, 48V ve 80V değerlerinde yaygın olarak kullanılır. Önemli olan akünün voltajı değil, kapasitesidir. Akülerde kapasite amper-saat olarak tanımlanır ve akünün ömrünü ve verebileceği akım değerini gösteren değerdir. Akülerin birçoğu 12V gerilimine sahiptir fakat amper-saat değerleri farklıdır. Fiziksel boyutları birbirinden çok farklı aküler aynı gerilim seviyesine sahip olmasına rağmen sağladıkları akım değerlerinin büyüklerine göre tercih edilmelidir. Örneğin 12V 4Ah, 12V 7.5Ah, 12V 8Ah olabilir, buradaki en önemli fark 1 saat boyunca 4A, 7.5A, 8A değerlerini kullanıcıya sunmasıdır. Aküleri seri bağlayarak toplam gerilim seviyesi artırılabilir fakat kapasite değiştirilemez. Aküleri paralel bağlarsak toplam gerilim sabit kalır ancak toplam kapasite artar. Ayrıca paralel bağlamak bize herhangi arıza durumunda da yedek besleme sağlar. Aküyü şarj ederken bazı hususlara dikkat etmek gerekir. Aküyü şarj ederken akünün amper-saat değerine bakıp, aküyü en fazla bu amper-saat değerinin %10 u ile şarj etmek gerekir. Gerilim olarak da mesela 12 voltluk bir aküyü 13-14 voltluk bir gerilim ile şarj edilmelidir. Projemizde kullandığımız kurşun asitli akünün parametreleri; 12 Volt akü 4,2 Amper/saat 2.2.8) Telefon şarj devresi Telefon şarj devresi için 12 V luk akümüzden 5 V luk çıkış elde etmek için regülatör gereklidir. Bunun için piyasada bulunan azaltan çeviriciden temin ettik. Çeviricimiz üzerinde LM2576 entegresi bulunmaktadır. Bu entegre 3A akıma kadar iletimi sağlamaktadır. Geri besleme pini bulunan entegrenin potansiyometre ile çıkış gerilimini istenilen değere ayarladık. Bunun çıkışına telefon şarj olabilmesi için dişi USB port bağladık. 17

Şekil 2.13. USB dişi port Şekil 2.13 deki numaralar; 1.) Vcc - Kırmızı +5 V 2.) D- Beyaz Data 3.) D+ Yeşil Data + 4.) GND - Siyah Toprak Şekil 2.14. Telefon şarj devremizin simulink modeli Şekil 2.14 deki modelimiz azaltan çevirici mantığı ile çalışır. Telefon şarjının başlaması için DATA çıkışları ilk tetiklemeyi sağlaması gerekir. 18

3. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI Devremizi gerçekleştirmeden önce simülasyonda gerçekleştirerek sanal ortamda sağlamasını yaptık. Şekil 3.1 de regüle devremizin modellemesi bulunmaktadır. Şekil 3.1. Regüle devremizin proteusta gerçekleştirilmesi 19

Giriş gerilimi (V) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 12,3 13 13,5 13,9 14,3 Çıkış gerilimi (V) Şekil 3.2. Regülatörün giriş-çıkış grafiği Şekil 3.2 deki giriş gerilimine karşılık çıkış gerilimini göstermektedir. Elde ettiğimiz değerlere baktığımızda akümüzü doldurmak için ideal gerilim aralığına sahiptir. Telefon şarj devremizi de temin etmeden önce modelin sonuç çıktıları şekil 3.3 deki gibidir. Şekil 3.3. Telefon şarj devremizin giriş (Vin) çıkış (Vo) gerilimleri 20

4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneysel çalışma bölümümüz iki kısımda oluşmaktadır. Bunlar mekanik ve elektriksel kısımdır. 4.1) Mekanik Kısım Şekil 4.1 de projemizin mekanik kısmı bulunmaktadır. Tasarım kısmında yaptığımız hesaplamaya göre gerekli uzunlukları baz alarak montajını gerçekleştirdik. Jeneratörümüzü, temin ettiğimiz zayıflama bisikletine, sabitleme işlemini gerçekleştirdik. Şekil 4.1. Projemizin mekanik kısmı 21

4.2) Elektriksek kısım Jeneratörden sonraki ilk girişte doğrultma elemanımız bulunuyor. Şekil 4.2 deki gibi 1 numaralı kutuda jeneratörden gelen giriş, 2 numaralı kutuda doğrultulmuş çıkış kabloları bulunmaktadır. Şekil 4.2. Doğrultma elemanı Doğrultma elemanımızdan gelen değişken değerli doğrultulmuş gerilimi istediğimiz değere çevirebilmemiz için regüle devresi oluşturduk. Şekil 4.3. Regüle devresi Şekil 4.3 de gösterilmiş regüle devremizde 1 numaralı kutucuk güç transistörlerini göstermektedir. 2 numaralı kutucuk zener diyottur. 3 numaralı kutucuk giriş-çıkış bağlantı noktalarıdır. 4 numaralı kutuda ise potansiyometremizi göstermektedir. 22

Bu devremiz değişken DA gerilimini potansiyometre ile ayarladığımız çıkış geriline sabitlemektedir. Akünü doluluk durumunu algılayarak akü dolu ise yük moduna, akü boş ise şarj modunu ayarlayan devremiz şekil 4.4 de gösterilmektedir. Şekil 4.4. Akü şarj kontrol devresi Şekil 4.4 de 1 numaralı kutucuk regüle devresinden gelen girişi göstermektedir. 2 numaralı kutucukta yük veya şarj moduna aktaran rölemiz bulunmaktadır. 3 numaralı kutuda akü çıkış bağlantısı vardır. 4 numarada karşılaştırma için sabit gerilim üreten ve OP-AMP larımızı besleyen LM7809 entegresi bulunmaktadır. 5 numaradaki kutucukta istenildiğinde yük veya şarj moduna ayarlayan butonlar vardır. 6 numarada, karşılaştırmayı gerçekleştiren OP-AMP larımız bulunmaktadır. 7 numarada, referans değerleri ayarlamak için potansiyometreler vardır. 8 numarada, soğutma işlemimizi gerçekleştiren fan bulunmaktadır. 23

Sistemimizin frenleme yaparak uygulanan kuvvete kademe oluşturması için şekil 4.5 deki direç devresi oluşturuldu. Şekil 4.5. Dinamik frenleme devresi Sistemimizi birleştirdikten sonra yaptığımız ölçümler sonucu tablo 4.1 deki değerler elde edilmiştir. Çizelge 4.1. Deneysel giriş - çıkış gerilim değerleri Regüle Giriş Gerilimi (V) Regüle Çıkış Gerilimi (V) Kademe 1 Kademe 2 Kademe 3 19,2 23,2 27,3 16,4 20,2 24 14,2 18,3 20 12,7 13,1 13,8 12,3 12,9 13,3 11,9 12,4 12,8 Çizelge 4.1 deki deneysel çalışma sonucu aldığımız ölçüler simülasyona çalışmamızla elde ettiğimiz veriler ile uyuşmaktadır. Yani akümüzü şarj edebilecek ideal aralıktadır. 24

Akünün çıkışından telefonu şarjı için istenilen 5 V gerilim elde edecek devremiz şekil 4.6 da gösterilmiştir. Şekil 4.6. Telefon şarj devresi Şekil 4.6 daki 1. kutuda telefonun USB den beslenmesini sağlayan dişi port bulunmaktadır. 2. kutuda şarjın başlaması için gerekli olan data dirençleri bulunmaktadır. 3. Kutuda ise azaltan çeviricimiz vardır. 25

5. SONUÇLAR Bu çalışmada, pedal enerjisinden elektrik enerjisi dönüşümü yapılmıştır. Dönüşüm işleminde gerekli pedal gücünü piyasada bulunan kilo verme bisikletinden sağladık. Pedal gücünü elektrik enerjisine dönüşümünü de bir jeneratör yardımıyla gerçekleştirdik. Jeneratörümüzden elde ettiğimiz enerjiyi saklamak için regüle devrelerini kullanarak aküye aktardık. Aküde depoladığımız enerjiyi cep telefonu, tablet, MP3 vb. elektronik aletlerin şarjı etmek amacıyla kullandık. Sistemimizi çalıştırarak elde ettiğimiz değerler sonucunda enerji dönüşümünü sağlayıp akümüzü depolamayı başarıyla gerçekleştirdik. Yapmış olduğumuz sistemle boşa giden mekanik enerjiyi kullanılarak enerji kazanımı sağladık. Sistemimizin geliştirilerek, yaygınlaşması soncunda alternatif enerji kaynaklarına bir yenisi daha eklenebilir. Sonuç olarak bizim derdimiz az da olsa enerji üretimine katkıda bulunarak ceplerinden çıkacak para miktarını azalmak ve insanların sağlıklı bir yaşam sürmesini sağlamaktır. 26

6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME Günümüzde insanoğlu petrol, kömür gibi kaynaklarını kullanarak enerji ihtiyacını gidermektedir. Bu kaynakların tükenmesiyle insanoğlunun yaşam standarttı oldukça düşecektir. Gelecekteki bu enerji kısıtlılığı insanları yeni enerji kaynaklarına yönlendirecektir. Bu yöneliş insanların ihtiyaç duydukları enerjiyi kendileri üretmesini sağlayacaktır. Projemizde kullandığımız pedal gücü de bu üretimin temellerini oluşturacak yöntemlerden biridir. Sistemimizin yaygınlaşmasıyla insanların daha sağlıklı bir yaşam sürmesi ve temiz enerji üretimini sağlayacaktır. Üretilen enerjinin miktarı az olsa da enerji tüketimini azaltacaktır. Sistemin maliyetine göre üretilen enerji zamanla kendini amorti edecektir, fakat sistemin ilk kuruluş maliyeti biraz masraflıdır. 27

KAYNAKLAR [1]. WHO (World Health Organization) web sitesi link: http://www.who.int/countries/tur/en/ [2]. (2013) Türkiye Halk Sağlık Kurumu web sitesi link: http://www.beslenme.gov.tr/index.php?lang=tr&page=40 [3]. Compendium of physical activities: Classification of energy costs of human physical activities, Medicine and Science in Sports and Exercise. Sayı: 25. [4]. A. S. Akpınar, Elektrik Makinaları Ders Notları, basılmamış notlar, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, 2010. [5]. G. Bal, Özel Elektrik Makinaları, Teknik Bilimler Dizisi 9, Ankara, 2006. [6]. M. H. Rashid, Power Electronics Circuits, Devices and Applications, Prentice Hall, 1993 28

EKLER Ek-1 29

Ek-2 Disiplinler Arası Çalışma Projemizin öncelikle mekanik kısmını oluşturmak için Trabzon oto sanayinde bulunan Hassas El Torna isimli tornacıda jeneratörümüzü ve çarklarımızı kaynak yaptırarak sabitleştirdik. Zayıflama bisikletimizi http://www.hepsiburada.com/ dan, jeneratörümüzü http://www.sahibinden.com/ dan ve çarklarımızı ve zincirlerimizi hurdacıdan aldık. Gerekli elektronik malzemelerimizi de http://www.direnc.net/ den temin ettik. Elektronik kısmın birleştirirken üniversitemizde elektronik dalında görev yapan hocalarımızdan yardım aldık. 32

Ek -3 Tasarım Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Projemizde kullanacağımız bisikletten alacağımız mekanik giriş gücünü jeneratöre ileterek elektrik ürettik. Ürettiğimiz bu elektrik enerjisini akümüze depolamak için regülatör devre yardımıyla istediğimiz değere çevirdik. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Sistemin gerçekleştirilmesi aşamasında kullanılacak devreler formüle edilerek gerekli simulasyon çalışmaları yapılmıştır. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Devre tasarımı, çözümü ve modellemesi bilgi ve becerilerini kullandık. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Yapılan işlerde IEC 61643-12 Ed. 2.0 b:2008, IEC 61643-321 Ed. 1.0 b:2001, ISO 23570-3:2009, ASTM D4538-13, ASTM E2022-11 standartları dikkate alınmıştır. 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Projenin uygulanması aşamasında kullanılacak olan malzemelerin en uygun olanı en düşük fiyat etiketiyle seçilmeye özen gösterilmiştir. b) Çevre sorunları: Bu projede çevreye zarar verecek herhangi bir malzeme kullanılmayacaktır. Sistem aktif olarak çalışma anında da çevreye herhangi bir zarar vermemesine dikkat edilmiştir. c) Sürdürülebilirlik: Sistemimizde kullandığımız malzemelerin kontrolü basit olduğundan herhangi bir arıza durumunda kolay müdahale etme şansımız vardır. d) Etik: 33

Sistemin tasarlanması tüm etik kurallar dikkate alınmış, gerçekleştirilmesi aşamasında ise alınmaya devam edecektir. e) Güvenlik: Sistemin güvenlik açısından herhangi bir riski bulunmamaktadır. f) Sosyal ve politik sorunlar: Sistemin sosyal ve politik açıdan herhangi bir olumsuz bir etkisi bulunmamaktadır. 34

Ek-4 MALİYET HESABI Çizelge E4.1. Sistemimizin maliyet hesabı 35

ÖZGEÇMİŞ Bilal SAYAR, 28 Ağustos 1990 tarihinde Eskişehir de doğdu. İlköğretimini Eczacıbaşı ilköğretim okulunda okudu. Liseyi Yüksel-İlhan Alanyalı Anadolu Öğretmen lisesinde okudu. 2009 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik- Elektronik Mühendisliği bölümünde lisans öğrenimine başladı. Halen aynı üniversitenin son sınıfında lisans öğrenimine devam etmektedir. Saim PORTAKAL, 21 Mart 1991 tarihinde Çorum da doğdu. İlköğretimini Bayındır İlköğretim okulunda okudu. Liseyi Recep Tanrıverdi lisesinde okudu. 2009 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünde lisans öğrenimine başladı. Halen aynı üniversitenin son sınıfında lisans öğrenimine devam etmektedir. S. Ahmet ADIGÜZEL, 9 Ağustos 1990 tarihinde Trabzon da doğdu. İlköğretimini Cumhuriyet İlköğretim okulunda okudu. Liseyi Tevfik Serdar Anadolu Lisesinde okudu. 2009 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünde lisans öğrenimine başladı. Halen aynı üniversitenin son sınıfında lisans öğrenimine devam etmektedir. 36