GÜNEŞ ENERJĐSĐ ĐLE ÇALIŞAN GEMĐ PROTOPĐNĐN GERÇEKLENMESĐ A PROTOTYPE IMPLEMENTATION OF SOLAR POWERED SHIP Ömür AKYAZI, K.T.Ü Sürmene Abdullah Kanca M.Y.O, Trabzon M. Orhan BOZDAĞ, K.T.Ü Sürmene Abdullah Kanca M.Y.O Mekatronik Programı, Trabzon Fatih YILMAZ, K.T.Ü Sürmene Abdullah Kanca M.Y.O Mekatronik Programı, Trabzon ÖZET Bu çalışmada; güneş enerjisiyle çalışan gemi protopi tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen uygulamada geminin hareketini sağlamak ve yönünü belirleyen dümeni kontrol etmek için elektrik motoru kullanılmıştır. Gemide kullanılan elektrik motorlarının beslemesi, güneş enerjisinden faydalanılarak şarj edilen aküler tarafından sağlanmaktadır. Dünyadaki fosil yakıtlarının rezervlerinin sınırlı olması, çevreyi kirletmesi ve büyük bir hızla tükenmeleri neticesinde günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilginin artmasına sebep olmaktadır. Bu bakımdan gemi için gerekli olan enerjinin deniz şartları da göz önüne alındığında, yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinin doğada bol miktarda bulunması, kolay ulaşılabilir olması v.b avantajlarından dolayı diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre bir adım öne çıkarmaktadır. Ayrıca sistemin çalışması ve denetimi için gerekli olan elektronik devreler tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. ABSTRACT In this study, a prototype of solar-powered ship was designed and realized. In order to determine the direction of the ship, an electric motor is attached to the ship s rudder. Power need of the electric motors used on the ship is provided by batteries charged via solar energy utilizing. Because of the limited reserves of fossil fuels in the world, polluting the environment and rapidly depleted, the interest in renewable energy is increased. By considering the sea conditions the energy need for the ship can be met by solar energy. Since it is easily accessible and presented abundantly in the nature, the solar energy is more prefareble than the other renewable energy sources. The electronic circuits required for operation and control of the system is designed and implemented. 1
1. GĐRĐŞ Günümüzde fosil yakıtı rezervlerinin sınırlı olması, çevreyi kirletmesi, küresel ısınmaya yol açması, enerjiye olan talebin sürekli olarak artması v.b gibi nedenlerden dolayı yenilenebilir ve alternatif enerjileri kullanabilen sistemler üzerindeki çalışmaların artmasına neden olmuştur[1,2]. Bu çalışmalarda taşıtların hareketleri, güneş enerjisinden faydalanılarak şarj edilen akülerin beslediği elektrik motorları vasıtasıyla sağlanmakta ve sistemlerin kontrollerinin gerçekleştirilmesi amaçlanmaktadır. Yapılan bu çalışmada tasarımı ve prototipi gerçekleştirilen geminin kuru yük gemisi olduğu ve sabit bir hızla hareket ettiği düşünülmüştür. Bu bakımdan gemi için gerekli olan enerjinin yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisinden sağlanmıştır[3]. Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için fotovoltaik veya güneş pilleri kullanılır[4]. Elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada güneş pilleri kullanılabilir. Bu pillerin yapısı basitçe p ve n yarı iletken malzemeden oluşan diyotlara benzer, çalışması; fotoelektrik olay prensibine dayanarak pilden fotonlar tarafından kopartılan elektronlar hareketi esnasında bir elektrik akımı oluşturur prensibine dayanır. Fotovoltaik piller birbirleriyle seri veya paralel olarak bağlanabilir, bu sayede çıkış gücünü artırır[5]. Fotovoltaik veya güneş pilleri uygulamaya bağlı olarak akümülatörler, invertörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik devreler ile birlikte kullanılarak güneş pili sistemi veya fotovoltaik sistemi oluştururlar. Bu sistemlerin kurulum masrafları pahalı olduğundan elektrik şebekesi olan yerlerde pek tercih edilmezler. Özellikle son yıllarda teknolojide ve güç elektroniğindeki gelişmelere paralel olarak bu sistemlerin maliyetlerinin azalmasıyla birlikte günlük hayatımız da kullanımları artmıştır[6,7]. Bu çalışmada; yenilenebilir ve alternatif enerjileri kullanabilen sistemler üzerinde yapılan çalışmalara katkı sağlamak için, tasarımı ve sistemleri bize ait olan güneş enerjisiyle çalışan yük gemisi protopinin gerçeklenmesi amaçlanmaktadır. 2. GEMĐNĐN TASARIMI VE GERÇEKLENMESĐ Bu çalışmada geminin sabit bir hızla hareket ettiği ve yük gemisi olduğu düşünülerek gerekli tasarımlar yapılmıştır. Tasarımı gerçekleştirilen gemi, temel olarak iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlar gövde ve elektronik aksamlardır. 2.1. Gemi gövdesinin yapımı Gövdeyi oluşturmak için kullanmayı düşündüğümüz ağaç ürünler, polyester ve strafor gibi malzemelerin birbirlerine göre avantaj ve dez avantajlarını belirlemek için küçük denemelerde bulunduk. Bu denemeler sonucunda gemi için en uygun malzemenin, kolay işlenebilirliği, hafif olması, ucuz olması, yapılan hataların düzeltilmesine olanak vermesi ve daha pek çok üstünlüğünden dolayı strafor olmasına karar verdik. Gövdeyi yapacağımız malzemeyi belirledikten sonra geminin kalıbını oluşturmaya başladık. Kalıp oluşturma esnasında en önemli sorunumuz geminin dengesi ve dalgaları kırıp ilerleyebilmesini sağlayan alt yüzeyinin oluşturulmasıydı. Bu hususlar dikkate alınarak gerçeğine olabildiğince yakın olacak şekilde gemi parçalarını oluşturulmaya başladık. Geminin bütün parçaları hazırlandıktan sonra sıra bu parçaların birleştirilmesine gelmişti. Parçaları birleştirmek için yapı sektörünün vazgeçilmezi olan köpük kullandık. 2
Hazırlanan parçaları alt yüzeyden başlayarak sırayla birleştirmeye başladık. Birleştirme olayı tamamlandıktan sonra geminin mukavemetinin artırılması ve estetik açıdan güzel görünmesi için strafor yüzeyi macunla kaplandı. Daha sonra zımpara kullanılarak gemi yüzeyindeki pürüzler ortadan kaldırılmıştır. Şekil 1 de geminin gövdesinin tasarım ve oluşum aşamaları gözükmektedir. Şekil 1. Gemi gövdesinin oluşum aşamalar 2.2. Geminin kontrolü için tasarlanan elektronik aksamlar Tasarımı gerçekleştirilen sistemin hareketi 6 adet max 9 volt veren güneş pillerinden beslenen 12 volt 2500 rpm redüktör lü elektrik motoru tarafından sağlanmaktadır. Ayrıca geminin yönünü belirleyen dümeni kontrol etmek içinde, aynı sistemden beslenen bir redüktör lü elektrik motoru kullanılmıştır. Sistemin çalışmasını ve denetimini gerçekleştiren devre şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. Sistemin çalışmasını ve denetimini gerçekleştiren devre Şekil 2 incelendiğinde sistemin çalışması ve denetimi için tasarlanan elektronik devre 7 bölümden oluşmaktadır. Bunlar; 2.2.1. Güç paylaştırma, şarj ve batarya kontrol devresi Bu kısım aküleri şarj etmek ve akülerin sistemi beslemesini kontrol etmek için güneş panellerinden gelen gerilimi data sinyallerine göre akülere paylaştırmada kullanılan bir sürücü devresidir. Devrede data sinyallerini mikroişlemci kısmından yalıtmak için optokuplör kullanılmıştır. Ayrıca sinyalin geldiğini gösteren ledler ve akımları anahtarlamak için mosfet kullanılmıştır. Devre genel olarak işlemciden gelen sinyale göre bağlı bulunduğu akünün şarj edilmesini veya akü dolu ise şarj gerilimini kesip, akünün sistemi beslemesini sağlar. Bu işlem iki akü için tekrarlanır. Yani, akülerin biri boş diğeri dolu ise dolu olanı devreye boş olanı şarja verir. Eğer aküler dolu ise, bu durumda şarj akımını kapatıp aküleri devrenin kullanımına sunar. Diğer bir olasılıkta iki akünün de boş olması, bu durumda güneş panellerinden gelen gerilimi akülere pay ederek akülerin en kısa zamanda dolmaları sağlanır. Böyle bir durum söz konusu olduğun da güneş panellerinden gelen gerilim ve akım değişken olduğundan devremizin 3
kararsız çalışmasına yol açabilir. Bu yüzden güvenlik önlemi olarak sistemimizde üçüncü bir akü daha bulunmakta ve diğer aküler şarj olurken bu aküde şarj edilmektedir. Böylece devre her olasılık ve durumda çalışmasını sürdüre bilmektedir. 2.2.2. Gerilim sabitleyici (Boost Converter) Bu devre güneş panellerinden gelen değişken gerilim ve akımı sabitlemek ve yükseltmek için boost converter görevini görmektedir. Devrenin çalışması, güneş panellerinden gelen gerilim diyottan geçerek akımın geri dönmesi engellenir. Gelen gerilim trafo ve trimpot üzerinden mosfeti iletime sokar. Trafo üzerinde bir gerilim indükler, bu indükleme sonucunda bobindeki ters emk mosfeti yalıtıma sokar ve böylece bir osilasyon yaparak gerilim yükseltilir. Yükseltilen gerilim çıkış diyotu üzerinden kondansatörlere ulaşır ve gerilimdeki parazitlerden kurtulmak için bobinden geçirilir. Böylece değişken gerilim ve akımda sabit 40 volt çıkış elde edilir. Şekil 3 de gerilim sabitleyici devre ve güç paylaştırma şarj kontrol devre tasarımı gözükmektedir. Şekil 3. a) Gerilim sabitleyici devre b) Güç paylaştırma, şarj ve batarya kontrol devresi 2.2.3. Akü şarj sinyal devresi Bu kısım akülerin şarj kısımlarını kontrol eder. Akülerin her biri için iki ayrı devre kullanılmıştır. Bu kısımda aküleri şarj eden güneş panelleri hakkında bilgi verecek olursak; devrede her biri max 9 volt verebilen 6 adet güneş paneli kullandık. Güneş panellerinden yeterli miktarda akım alabilmek için birbirleriyle paralel bağladık. Şekil 4 de sistemde kullanılan güneş panelleri gözükmektedir. Şekil 4. Sistemde kullanılan güneş panelleri 2.2.4. Mc 145026 encoder devresi ve Mc 1450276 decoder devresi Bu kısımda geminin uzaktan kontrolünü gerçekleştirmek için tasarlamış olduğumuz kumandadan göndermiş olduğumuz kodlanmış sinyalleri bilgiye dönüştürmektedir. Burada iki adet dekoder entegresi bulunmaktadır. Bu entegrelerden her biri 4 kanal olmak üzere iki entegreden toplam 8 kanal elde edilmiştir. Bu 8 kanalın 4 ü ileri-gerisağ-sol komutları için diğer 4 komut ise opsiyonel olarak transistör çıkışı olacak şekilde tasarlanmıştır. Devrede sinyallerin algılanıp iletilmesi için de mini rf modüller kullanılmıştır. 4
Kumanda devresinden de bu bölümde bahsedecek olursak, devrede 1 adet enkoder entegresi ve rf modül bulunmaktadır. Burada ileri-geri-sağ-sol komutlarını butonlarla algılayıp, kodlayarak rf modülle iletip, haberleşmeyi sağlamaktadır. Şekil 5 de kumanda devresi görülmektedir. Şekil 5. Geminin uzaktan kontrolünü gerçekleştiren kumanda devresi 2.2.5. Motor Sürücü devresi Devrede dijital olarak verdiğimiz komutlarla kullanmış olduğumuz dc motorları kontrol etmek için içerisinde iki adet H köprüsü barındıran entegre bulunmaktadır. Motorlarda oluşabilecek ters emklardan kurtulmak için motor kutuplarına diyotlar bağladık. Devrenin çalışması, dekoder entegresinden gelen ileri-geri-sağ-sol sinyallerini ilgili motorlara iletir. Yani ileri-geri sinyallerini arkadaki pervaneyi döndüren motora ve sağsol sinyallerini de dümeni kontrol eden motora iletir. Devrede kullanılan H entegresi motorların toplamda 4 amper akım çekmelerine izin verir ayrıca motorlar için parazit engelleyici görevini de yapar. Devre akülerden beslenirken voltaj sıkıntısı yaşamamak için devreye 7805 dahil ettik. Bu kısımda motorun yönünü belirleyen dümen kısmından da bahsedecek olursak; dümen çark sitemi ve çarkı döndürmeye yarayan dc motordan oluşmaktadır. Dümeni kontrol edecek olan motoru seçerken mümkün olduğunca düşük voltaj ve yeterli güce sahip motor seçmeye çalıştık. Daha sonra motorumuza uygun ve bize yeterli torku verebilecek redükdör hazırladık ve çarkı döndürmek için çelik tel kullandık. Çelik tele istediğimiz güçte asılarak dümeni hareket ettirebiliyoruz. Dümen 360 derece dönemeyeceğinden ve fazla akım çekmemesi için iki adet limit anahtarı ve bir diyottan oluşan devre tasarladık. Şekil 6 da dümen sisteminin yapısı ve çalışması gözükmektedir. 2.2.6. PIC kontrol devresi Şekil 6. Dümen sistemin yapısı ve çalışması Bütün sistemlerin beyni olan mikroişlemci bu bölümde bulunmaktadır. Sistemin çalışmasını gerçekleştiren PIC programı tasarlanmış ve sisteme uygulanmıştır. 5
2.2.7. Regüle devresi Bu devre dc 5 volt gerilim elde etmemizi sağlar. Bu gerilimle devrede 5 voltla çalışan elemanlar beslenir. Devredeki kondansatörler motorlardan dolayı oluşabilecek parazitleri bastırmak için kullanılmıştır. Tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilen geminin yapısı ve çalışması hakkında vermiş olduğumuz bilgilerden sonra sistemin gerçeklenmiş hali şekil 7 de gösterilmektedir. Şekil 7. Sistemin gerçeklenmiş hali 3. SONUÇ Enerjiye olan talebin sürekli olarak artığı günümüzde fosil yakıtlarının sınırlı olması, çevreyi kirletmesi v.b gibi nedenlerden dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanabilen sistemler üzerindeki çalışmaların artmasına neden olmuştur. Bu bakımdan bu çalışmada tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilen kuru yük gemisi için gerekli olan enerji, yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisinden sağlanmıştır. Sonuç olarak güneş enerjisiyle çalışan bir yük gemisi tasarlanıp, uygulaması için gerekli olan mekanik ve elektronik aksamlar oluşturulmuştur. Ayrıca sistemin denetimini gerçekleştiren PIC programı da yazılmıştır. Gerçekleştirilen bu uygulama ile sabit hızla hareket eden yük gemilerinde güneş enerjisinin kullanımının son derece uygun olacağı anlaşılmıştır. KAYNAKÇA [1]Bayrak G., Cebeci M., Güneş pilinden beslenen scada kontrollü hidrolik seviye ölçüm sistemi, VIII Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES 10, 1-5 Aralık 2010, Bursa [2]Demir B, Yıldız M.N., Formula-G Güneş Arabaları Yarışı Đçin Güneş Enerjili Bir Aracın Mekanik Tasarımı ve Üretimi, Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi,2009 (3), 31-42 [3]Güneş, M., Fotovoltaik Sistemin Sağladığı Elektrik Enerjisi Đle Çalışan Bir Uygulama Sisteminin Tasarımı, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,1999, Elazığ [4]Gençoğlu M.T., Cebeci M., Güneş M., Güneş Enerjisi Đle Çalışan PLC Kontrollü Su Pompası Sistem Tasarımı, 3e Electrotech Dergisi, 2002 (94), s. 90-96. [5]Altaş Đ.H., "Fotovoltaj Güneş Pilleri: Eşdeğer Devre Modelleri ve Günışığı ile Sıcaklığın Etkileri", Aylık 3e (Enerjı, Elektrik, Elektromekanik) Dergisi, Mart 1998 (46), s.86-91. [6]Demirtaş M., Sefa Đ., Irmak E., Çolak Đ., Güneş enerjili sistemler için mikrodenetleyici tabanlı DA/DA yükselten dönüştürücü, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 23, No 3, 2008, s.719-728 [7]Karamanav M., Güneş enerjisi ve güneş pilleri, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Mayıs 2007, Sakarya 6