TMMOB Makina Mühendisleri Odası 11. Otomotiv Sempozyumu 8-9 Mayıs 2009 GÜNEŞ HİBRİD HAVA ARACI Özet: Tasarlanan Aracın adı MC^2 dir. Hibrid araçlarda, elektrik motorunun çalışması için gerekli enerji benzin motoru çalıştırıldığı zamanlarda ya da frenleme sırasında akülere şarj edilir. Bu şarj etme yöntemlerinden birini yani benzinli motor çalıştığı zaman akülerin şarj olması durumu ortadan kaldırılır. Yerine güneş panelleri ile akülerin şarj edilmesi mantığını yerleştirdiğimizde ortaya Güneş Hibrid Arabası (Solar Hybrid Car (SHC)) çıkar. MC^2 güneşin olduğu her zaman aralığında şarja devam eder. Akülerimiz tamamen dolu iken güneş panellerinden gelen elektrik ise boşa gitmez ve araçta bulunan küçük bir kompresör vasıtası ile hava tankına hava doldurur. Bu hava ise tüm fosil yakıt bittiğinde, devreye girer, aracın kalkışında ve hızlanmasında yardımcı olur. Ayrıca gece yolculuklarında yakıtımız bittiğinde bir müddet daha akülerle birlikte yola devamı sağlar. Eğer araçta havalı ilerleme sistemi de kullanılırsa arcın adı Güneş Hibrid Hava Aracı (Solar Hybrid Air Car (SHAC)) olarak değişir. Tabiî ki ilk etapta SHC projelendirilir. Gerek görülürse SHAC ye geçiş yapılır. Tasarım geçişi kolaylaştırmaya yönelik değişikliklerle yapılır. MC^2 nin gerekli verim tabloları ve teknik detayı tasarım ve analiz sonuçlarından sonra açıklanacaktır. Ama aracın şehir ortamına uygun ve aileye yönelik olduğunu belirtmemizde yarar vardır. 1. Giriş Amerika da ortalama gelir sahibi bir ailenin benzin deposu için yaptığı harcama, haftalık olarak yaklaşık 60 dolara mal olmaktadır. Hibrid araçlar da ise bu maliyet yarı yarıyadır. Peki ya sadece birkaç dolara mal edilebilmesi mümkün olabilir mi? MDI(Motor Development International) dünyada ki ilk, havayla çalışan araç, üzerinde çalışmaktadır. Gelecek için hayalleri ise, gelişmiş araçlarla hiç durmaksızın sadece bir depo yakıtla inanılması güç olan 4500 km yolu kat etmektir. Bu konu ufkumuzu açan bir yol gösterici olmuştur. Bazı bilgilerin ve yapılabilirliklerin ulaşılmaz olmadığını göstermiştir. Günümüz otomobillerinde kullandığımız fosil yakıtların çevreye verdikleri zararlar, bu yakıtlar ile çalışan araçların enerji dönüşümündeki düşük verimleri ve fosil yakıtların bir gün mutlaka tükenecek olması insanoğlunu yeni arayışlar içine sürüklemiştir. Bu arayış içerisinde akıllara önce güneş enerjisi gelmiştir. Ama güneş arabalarının çoğu, sürücüye çok az konfor imkânı sunan tek kişilik oturma alanına sahiptirler. Çok nadir olarak yolcu taşımaya elverişli olarak tasarlanırlar. Sürücüler daha çok kenetlenme pozisyonunda, yüksek kokpit sıcaklığında çalışmak zorundadırlar. İlerleyen konu başlıklarında tasarımından bahsedilen araçta ise, üç tane çevreye duyarlı sistemin kombine edilmiş hali anlatılacaktır. Bu sistemler; güneş arabası, hibrid araba ve basınçlı hava ile çalışan arabadır. Araç şehir ortamına uygun olarak ve yolcu taşımacılığına yönelik tasarlanacaktır.
2. Basınçlı Hava Araçları (BHA) MDI ın ürettiği prototipler kısaca, konvansiyonel bir motorda olduğu gibi sıkıştırılmış havanın pistonları aşağı ve yukarı hareket ettirmesi ve yakıtın(fosil yakıt) küçük patlamalarıyla (Çift enerji barındıran motor tipi için) çalışmaktadır. Bu işin, zorlukları olmakla birlikte en önemli kazançlarından birisi, aracın egzoz borusundan çıkan havanın temiz ve solunabilir olmasıdır. Hava ile güçlendirilmiş lokomotifler yani buharlı lokomotifler geçtiğimiz yüzyılın ilk çeyreğinde, belirgin avantajları nedeniyle ulaşımda en üst düzeyde kullanılıyordu belirgin özellikleri ise: basitlik, güvenlik, ekonomiklik ve temizliktir. Hava-motorlarının ticari ve rutin olarak kullanımı ilk olarak maden taşımacılığı ve şehir taşımacılığı ile başlamıştır. Hava Motoru teriminin, 1930 lar ve 2. dünya savaşından sonra önemi giderek azalmaya başlamıştır. Bu durumun ortaya çıkmasındaki sebep, gaz ile çalışan motorların kullanılabilir hale getirilmesi ve petrol sanayisinin kurulup, motorlar için gerekli yakıtın (gazın) çok ucuza satılmaya başlanmasıydı. Hava araçlarına(air Engine) olan ilgi 1970'lerdeki enerji krizinden sonra tekrar ortaya çıktı. Petrol fiyatlarındaki yükseliş tüketiciyi tekrar alternatif yönler bulmaya itmiştir. Mucitlerin de düzinelerce hibrid, kapalı döngü, gibi birçok çalışmaları olmuş ve normal mevcut motor ve tasarımlar yanında araçların hava ile çalışabilmeleri için dönüşümlerle uğraşmışlardır ayrıca yakıt sarfiyatını azaltmayı amaçlamışlardır. 2.1. BHA Motoru Geleneksel bir araçta ki gibi, havayla çalışan aracın motoru da 4 silindir ve 4 pistonludur. Ancak çok belirgin farklar da göze çarpmaktadır. Öncelikle havayla çalışan aracın motoru, geleneksel motorlara göre yarı orandan daha az ağırlıktadır. Çünkü motorun birçok bileşeni alüminyumdan yapılmıştır. Motorun çalışması durumunda dahi, motora insan eli değdiğinde yakmamaktadır, sadece hafif bir sıcaklık hissi verir. Bunun nedeni ise motorun yanmalı sistemle değil, basınçlı hava (Tek enerji barındıran motor tipi) ile çalışmasıdır. Burada motorun yanma odasında oluşan sıcaklık, alüminyumun erime sıcaklığının oldukça altındadır.
Şekil 1 Havalı Motor ve Havalı Hibrid Sistemin Çalışması [11] Sonuç olarak, motor yaklaşık %80 düşük ağırlıklı malzemeden yapılmıştır. Alışılagelmiş yanmalı motorlardaki gibi, petrolün küçük patlamalarla pistonları aşağı ve yukarı hareket ettirmesinin aksine, havayla çalışan motorlarda yapılan iş süresince kullanılan yakıt havadır. Bu tarzdaki bir hibrid araç motoru havayı sıkıştırabilmek için çok az miktarda yakıta ihtiyaç duyar. Ve sadece bir depo yakıt ile yaklaşık 3932 km yol kat edebilir. Şekil 2 - Havalı Hibrid Motor [7] MDI in ürettiği bu araçlar 2, 4 ve 6 silindirlidir. Hibrid bir hava aracında motor, arka aksların bulunduğu kısımdadır. Bunun nedeni ise bu şekilde enerji tasarrufunun yapılabilme imkânıdır. Enerjiden tasarruf edilebilmesi yönündeki bir diğer adım ise, daha önce belirtildiği gibi kullanılan bütün malzemelerin hafif olmasıdır. Havayla çalışan hibrid araçlarda yakıt tüketimi olması durumunda, yine geleneksel içten yanmalı motorlara göre çok daha az emisyon gözlenir. Çünkü yanma motorun dışında gerçekleşir ve yine bu yüzdendir ki verim çok yüksektir. Bir diğer önemli özellik ise, aracın ivme ve hızı ne olursa olsun verimi sabittir. Geleneksel içten yanmalı motorlarda ise durum böyle değildir. Havayla çalışan hibrid araçların en çok göze batan kötü özelliklerinden bir tanesi aracın gürültülü çalışmasıdır.
2.2. BHA nın Çalışma Sistemi Saatteki hız yaklaşık olarak 56 kilometreye ulaşınca ya da daha düşük hızlarda sadece sıkıştırılmış havanın kullanıldığı araç bu aşamada mono enerjiyle çalışmaktadır, daha yüksek hızlarda, havayı daha fazla sıkıştırabilmek adına çok az miktarda yakıt kullanmaya başlar. Şekil 2 de ise sistem Dual enerji safhasına geçmiştir. Mono enerji sisteminden Dual enerji sistemine geçiş ise otomatik olarak gerçekleşmekte ve herhangi manüel bir buton yada aracıya gereksinim duyulmamaktadır. Yakıt olarak bio-dizel, petrol ya da gaz kullanılabilir ancak gaz kullanılması verim açısından tavsiye edilir. 2.3. BHA nın Şasesi Aracın genel iskelet yapısına bakılacak olursa; Şasinin hemen iç kısmında, motora iletilmek üzere sıkıştırılan havanın bulunduğu basınçlı hava tankları bulunmaktadır. Bu hava tankları şaseye paralel olarak 3 adet yan yana yerleştirilmiştir. Şekil 3 Hava Tankları [10] Tanklar 300 bar sıkıştırılmış hava içerdiklerinden oldukça yüksek basınç ve aynı zamanda risk taşırlar. Eğer tanklar sadece metal malzemeden yapılırsa, bir kaza anında patlama ve önemli ölçüde zarara yol açabilirler. Bunun önüne geçmek ise, tankların karbon-fiber malzemesiyle kaplanması suretiyle mümkün olmaktadır. Kaza anında metal tanklar patlayıp zarara yol açarken, karbon-fiber malzemeyle takviye edilmiş tanklar ise sadece çatlarlar veya patlamanın önüne geçecek şekilde yarılırlar. Şasenin kendisi alüminyumdan yapılmıştır. Buradaki esas amaçlardan bir tanesi aracın mümkün olduğunca hafif üretilmesidir. Vites sistemi butonlarla idare edilmektedir. Aracın ulaştığı maksimum hız saatte 110 kilometredir. Şekil 4 Alüminyum Şase [10] Şekil 5 Hava Dolum İşlemi [10]
Basınçlı hava istasyonlarında aracın hava deposunun doldurulması sadece 3 dakika sürmektedir. Aracın kendi hava çıkışlı depoları kullanılmak suretiyle ise yaklaşık 4 saatlik bir çalışma performansı elde edilebilmektedir. Ortaya çıkan elektrik maliyeti ise 2 Dolar civarındadır. 3. Hibrid Araçlar Elektrikli taşıtların uzun bir seyahat sağlamaması, bataryaların ağır ve verimlerinin düşük olması yeni arayışları başlatmıştır. Bu arayışlar sonucunda melez bir (hem içten yanmalı motor hem de elektrik motoru) motoru olan hibrid taşıtlar üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Şekil 6 Hibrid Araç [3] İstenildiğinde benzinli istenildiğinde elektrik motoruyla ilerleyebilen ilk aracı 27 yaşındayken Ferdinand Porsche yapmıştır. 1902 yılında MixteWagen adını verdiği aracı tanıtmıştır. Viyanalı bir fayton üreticisi olan Ludwig Lohner ile birlikte çalışan Porsche 4 silindirli bir Daimler motoruna aküler, bir jeneratör ve elektrik motorları eklemiştir. Bu haliyle Mixte benzinli motor stop edildiğinde bile akülerin çalıştırdığı elektrikli motorla ilerlemeye devam edebilmekteydi. Şekil 7 Mixte-Wagen [4] Toyota'nın Toyota Prius modeli, Honda'nın Honda Insight ile başladığı günümüzde Honda Civic Hybrid ile devam eden serileri hibrid otomobillere örnek olarak verilebilir. 3.1. Hibrid Araç Motoru Hibrid araçlarda melez motor sistemi kullanılmaktadır. Bu sistemler birbirini takviye eden iki motor ile çalışmaktadır. Yani bir içten yanmalı motor ve bu motorun krank miline yekpare monte edilmiş bir DC merkezlenmiş (Hub) elektrik motoru vardır. Bu elektrik motoru frenleme özelliğine de sahiptir ve frene basıldığında öncelikli amaç bataryaların dolmasıdır ve
elektrik üreterek bataryaları doldurur. Yani bu motorlar hem dönüş hareketi sağlarlar hem de dönüş hareketini elektrik enerjisine dönüştürebilirler. Bu motorlarda genellikle CVT denilen değişken vites sistemi kullanılmaktadır. Bu sistem kayış kasnak mekanizması ile çalışmaktadır ve ağırlıktan büyük tasarruf edilmesini sağlamaktadır. Şekil 8 Hibrid Motorları [12], [3] 3.2. Hibrid Araç Çalışma Sistemi Otomobil benzinli motoru sadece arabanın kalkışında ve yüksek hızda kullanılır. Yani 0-12km/s ve 80 km/s üstü hızlarda araba benzinli motoru kullanırken 12 ile 80 km/s lik dilimde ise elektrikli motoru kullanır. Elektrik motoru düşük hızlarda araca hareket verir ve ekstra güç gerektiğinde benzin motoruna yardımcı olur. Şekil 9 Hibrid Araç Çalışma Sistemi [9] Güç Dağıtım Cihazı (Power Split Device) : Benzin motoru, jeneratör ve elektrik motoruna bağlıdır. Motorun ihtiyacına göre tekerleklere, bataryaya ve elektrik motoruna gücü iletir.
Şekil 10 Hibrid Araç Çalışma Modları [3] Honda Civic Hybrid in Çalışma Sistemi: Sabit durumda (Kırmızı ışıkta durduğunda) benzinli motor devre dışı ve yakıt tüketimi sıfırdır. Çalıştırma ve hızlanmada, benzinli motor, elektrik motoru desteği ile düşük hız supap ateşlemesi modunda çalışır. Ani hızlanmada, benzinli motor elektrik motor desteği ile yüksek hız supap ateşlemesi modunda çalışır. Düşük hızda seyirde, benzinli motorun dört silindirinin de supapları kapalıdır ve ateşleme yoktur. Bu durumda Araç sadece elektrik motoru ile çalışır. Kademeli hızlanma ve yüksek hızda seyirde, benzinli motor düşük hız supap ateşlemesi modunda çalışır. Frenlemede benzinli motorun dört silindirinin supapları kapalıdır ve ateşleme yoktur. Elektrik motoru hızlanma sırasında açığa çıkan enerjiyi maksimum oranda geri kazanır ve aküde depolar. Şehir içi-(lt) 5.2 Şehir dışı-(lt) 4.3 Birleşik (lt) 4.6 Şekil 11 Hibrid Araç Tahrik Sistemi [8] 1. Seri Hibrid Tahrik Düzeneği: Genel olarak elektrikle tahrik edilen bir aracın bataryalarını gerektiğinde araç üzerine monte edilmiş bir içten yanmalı motor ve jeneratör ikilisiyle şarj edilmesidir. Bu düzenleme tekerleklere bağlantılı olamayan ancak bir batarya paketi şeklinde bir elektrik depolama sistemini şarj eden bir alternatörü tahrik eden bir içten yanmalı motora sahiptir. Akü bundan dolayı daima bir elektrik motoru ya da elektrik motorları kombinasyonları aracılığı ile taşıta güç verir. Yapılan konfigürasyon da içten yanmalı motorun ürettiği enerji motorun arkasında bulunan jeneratör tarafından elektrik enerjisine bu enerji ise jeneratörün arkasında bulunan elektrik motoru tarafından hareket enerjisine döndürülür. Bu dönüşümler esnasında toplam kayıpların fazla oluşundan toplam verim düşüktür. Seri hibrid düzenekli taşıtların hız ve güç karakteristikleri içinde yapılan deneylerde motorun sadece sabit hızda çalıştırılması gerekli olduğundan bu sistemin minimum emisyonlarda ve yüksek verim seviyelerinde çalıştırılabilmektedir.
2. Paralel Hibrid Tahrik Düzeneği: Genel olarak taşıt üstünde bulunan elektrik motoru hem elektrik motoru görevi hem de jeneratör olarak yapılmıştır. Paralel hibrid tahrik düzeneğine sahip taşıtın IC motoruna (içten yanmalı motor) ve aynı zamanda çalışan bir elektrik motoruna enerji vermektedir. Şehir merkezinde IC motoru ayrılabilmekte ve taşıt tek başına elektrik motorunu boşaltabilmektedir. O zaman şehir sınırlarından ayrılırken güç IC motorundan temin edilir, güçlendirilmiş taşıtlar klasik IC motoruna benzer performans seviyelerini verir. Bu hız yapılabilecek yollarda kabul edilebilir performansı önerebilmekte ve ayrıca bataryaları tekrar şarj edilebilmesini de olanak sağlayabilmektedir. Şekil 12 Hibrid Araç Karşılaştırma Tablosu [3] 4. Güneş Arabası Güneş arabaları, çalışma enerjisinin büyük bölümünü güneş enerjisi ile sağlayan bir otomobil türüdür. Bundan dolayı dış yüzeyi, güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren güneş gözeleri ile kaplıdır. Genellikle elektrik enerjisini saklamak için akümülatör'e sahiptirler. Böylece bulutlu veya güneşsiz hava şartlarında, en azından belli bir süre kullanılması mümkündür. Hans Tholstrup ve Larry Perkins in 1983 yılında Avustralya da Perth ten Sydney e kadar Güneş enerjili bir otomobille gitmesiyle gözler bir anda bu otomobillere çevrilmiştir. Bu otomobiller geleceğin otomobilleri olabilir miydi? O tarihten günümüze dek pek çok kişi güneş arabaları üzerinde çalışmayı sürdürdü. Her yıl yapılan çeşitli yarışlarda bu otomobiller geliştiriliyor. Şekil 13 Uygulama: SAGUAR Güneş Aracı [2] Yüksek kapasiteli güneş gözesi modülleri ile 10 metrekarelik bir yüzeyden 2,25 kw'lık güç sağlanabilmektedir. 4.1. Güneş Arabası Motoru
Araçta güç iletimi doğru akım (DC) motoru ve motordan gelen torku tekerleklere ileten elemanlardan oluşur. Güneş arabalarında genellikle çift sarımlı fırçasız (dual winding burshless) DC motorları kullanılır. Bu motorlar hem hafif olmaları hem de belirli devirlerde %98 verime ulaşmaları nedeniyle tercih edilirler. Fakat diğer modellere göre pahalıdırlar. Sarımların değiştirilmesi ile hız oranı kontrol dilebilmektedir. Bu sistemde tekerlek mili direkt olarak motor çıkış miline monte edilmiştir. Transmisyon elemanları azaldığı için bu sistemde iletim oranı yüksektir. Bu motorlar frenleme ile şarj yapma özelliğine sahiptir. Şekil 14 Merkez motor sistemini. (Hub Motor) [1] 4.2. Güneş Arabası Şasesi ve Gövdesi Sistemin verimli çalışabilmesi için hassas dizayn yapılmalıdır. Gövdede ise düşük ağırlık sağlamak için kullanılan titanyum ve kompozitleri, mukavemet/ağırlık oranını arttırırlar. Süspansiyonları ise aracı rahat ve sarsıntısız şekilde maksimum verimle kullanabilecek şekilde dizayn edilmelidir. Disk frenler kullanılabilirlik ve yüksek fren güçleri nedeni ile tercih edilmektedir. Disk frenler hub motoru aracı durduramadığı zaman kullanılır. Direksiyon sistemi hassasiyetle yerleştirilmek zorundadır. En ufak bir sapma kayıplara neden olarak, tekerleklerin aşınmasını arttıracaktır. Bisiklet tekerleği ve lastiği düşük ağırlığı ve düşük yuvarlanma direnci nedeni ile tercih edilmektedir. Ama şimdilerde özel tekerlekler kullanılmaktadır. Şekil 15 Güneş Arabası Gövdesi ve Şasesi [6] Güneş arabalarının en önemli ayırt edici özelliklerinden biri de aracın dış görünüşüdür. Bu araçların düzgün ve yabancı şekli hemen ilgi çeker. Araç üretilirken öncelikli amaç, aerodinamik sürüklemeyi ve ağırlığı minimum, güneşten en verimli faydalanmayı ve güvenliği maksimum yapmaktır. Karbon fiber, kevlar ve fiber glass sıklıkla kullanılan yapısal birleşik materyallerdir. 4.3. Güneş Enerjili Araçların Çalışma Sistemi Şekil 16 da bir güneş arabasında enerjinin izlediği yol kabaca verilmiştir. Güneş ışığı aracın Fotovoltaik (PV) yüzeyine gelir ve burada elektrik akımı oluşturur. Akım direkt olarak bataryalara ya da motor kontrolüne gidebilir veya ikisi birden olabilir. Kontrolöre giden enerji ile arabaya hareket veren tekerlek motorun (hub motor) dönmesi sağlanır. Genel olarak, eğer araba hareket halinde ise üretilen elektrik direkt olarak motor kontrolörüne gider ama bazen bu üretim ihtiyaç duyulan miktardan fazla olur ve bu fazlalık kısım depolanmak üzere aküye gönderilir.
Şekil 16 Güneş Arabaları nın Çalışma Şematiği [3] Bir güneş arabasının elektrik sistemi can damarı olarak tanımlanabilir. Aracın hareketini sağlayan asıl parçalar bu sistemdedir. Bu sistemin genel olarak şeması Şekil 17 de görülmektedir. Sistemin ana bileşenleri: motor kontrolörü, maksimum güç noktası izleyicileri (MPPT), elektrik pilleri (aküler), elektrik motoru, gerekirse DC-DC çevirici ve güneş hücreleridir. Şekil 17 - Bir güneş arabasının elektrik sistemi [3] Genel olarak paneller güç üretip aküyü şarj eder. Bu yöntem ile yaklaşık olarak %75 verim elde edilebilecektir. Basitliği ve düşük maliyeti sebebiyle birçok araçta kullanılabilmektedir. 1. Eğer panellerin gerilimi ile akünün gerilimi eşit ise, sistem neredeyse %100 e yakın verim ile çalışır. 2. Eğer akü voltajı panellerin voltajından daha düşük ise, verim voltajların oranı kadar olacaktır. 3. Eğer akü gerilimi panellerin gerilimden yüksek ise, verim çok ciddi olarak düşecektir. 4. Eğer akü voltajı, açık devre voltajından ( sıfır akımda hücrenin verdiği gerilim ) büyük ise, güç üretilemeyecektir.
Öyle ise bu basit tasarımda ilk hedef elde edilen gerilimi her zaman akü geriliminden yüksek tutmaktır. Hücre dizisi gerilimini yüksek tutmak her zaman güç üretileceğinden emin olmak manasına gelse de doğru çözüm olamayacaktır çünkü bu şartlarda üretilen güç miktarı az olacaktır. Optimum nokta bulunarak bu değerlerde çalışılacaktır ve verim % 75 civarında olacaktır. Maksimum güç noktası izleyicilerinin (MPPT), kullanım amacı hücre dizisinin ideal olarak en fazla gücü üretebilecek gerilimde çalışmasını sağlamaktır. Motor Kontrolörü: Motora ne kadar elektrik gideceğini ayarlar, enerji akışını düzenler. Motor: Otomobilin hareket etmesini sağlayan bölümdür. Ayrıca Kullanılan elektrik motoru DC (Doğru Akım) ile çalışmaktadır. Şekil 18 Sevcon Millipak Motor Kontrolörü Enerjiyi düzenleyen birim (maximum point power tracker, Mppt): Bu parça güneş aksamından gelen enerjiyi en üst düzeye ulaştırır. Aracın üzerindeki güneş aksamı çeşitli bölümlere ayrılmıştır ve her bölüm Mppt ye bağlıdır. Bu birim her biri farklı oranlarda elektrik üreten birimlerin verimliliğini en üst noktaya çıkarır. Bu birim olmasa, otomobil yalnızca güneşten o anda gelen verimsiz bir enerjiye mahkûmdur. Piller: Burada elektrik depolanır. Bu piller olmasaydı güneş enerjili otomobillerin makul bir performans sergilemesinden söz edemezdik. Güneş enerjisiyle hareket eden bir otomobil, saatte ortalama olarak 70-120 km hıza ulaşabilir. Otomobil bu hızı, kullandığı pillerine borçludur. Araç, piller sayesinde ortalama hızını bulutlu havalarda, tünelde ya da yağmur altında koruyabilir. Oysa bu piller olmasaydı otomobillerin hızı saatte yalnızca 10-20 kilometre olabilirdi. Şekil 19 Out Back Mppt [1] DC DC Çevirici: Elde edilen doğru akımı istenilen doğru akım değerine düzenler. Örnek olarak Sevcon DC to DC Converters verilebilir. Bu aparat gerekirse kullanılır. Güneş Hücreleri: Güneş ışığı ile elektrik üretebilen sistemlerdir. Belli bir alandaki güneş gözesinin ürettiği gücün alanına oranına o güneş panelinin verimi denir. Kısaca watt/m^2 dir. Bu verimin % ile ifade edilen miktarı ise maliyet ile doğru orantılıdır. Hatta logaritmik olarak artan bir grafiğe sahiptir desek daha doğru olur. Öyle ki %13 verimli panelin m^2 si 500-1000$ arasında iken %30 verimli bir panelin m^2 si 100.000$ civarındadır. Şekil 20 Güneş Panelleri [3] Şekil 21 e göre günlük ihtiyaçlarımızda 2,4 tonluk bir makinenin kullanımının alternatifsiz olup olmadığını iyi hesap etmek gerekecektir, zira tablodan görülebildiği gibi aradaki enerji tüketim maliyeti farkının yanında daha önemli olarak ön plana çıkabilecek çevresel farklar da mevcuttur.
Şekil 21 Güneş Arabası Karşılaştırma Tablosu [5] ***Konutlarda uygulanan 2006 yılı şebeke elektrik satış fiyatları göz önüne alınmıştır, vergiler hariçtir. 13 lt/100 km yakıt sarfiyatı, ortalama 2,5 YTL/lt yakıt ücretine göre hesaplanmıştır. 5. Güneş-Hibrid-Hava Aracı (Solar Hybrid Air Car(SHAC)) Üst konu başlıklarında anlatılan ve çevreye duyarlı 3 temel araç sisteminin birleştirilmesi ile oluşan sistem kısaca SHAC dir. Bu sistemde asıl amaç, diğer 3 sistemdeki dezavantajları yok etmek için 3 sistemin avantajlarını bir araçta toplamaktır. Bunun için öncelikle 3 sistemin ortak noktalarını belirlemek gerekir. Hibrid sistemde ve güneş sisteminde DC motor, batarya ve motor kontrolörü bulunmaktadır. Bu ortak parçalar tek kullanıldıklarında hem hibrid aracın hem de güneş arabasının temellerini oluştururlar. Motor açısından bakıldığında hibrid araçta birde içten yanmalı motor bulunmaktadır, basınçlı hava ile çalışan araçlarda ise hava motoru bulunmaktadır. Bu iki sistemi de tasarımla birleştirirsek, araç 3 sistemin kombinesi haline gelmiş olur. 5.1. SHAC nın Motorları Sistem iki motora sahiptir. Biri DC elektrik motoru, ikincisi ise Uzay ismini verdiğimiz motordur. Uzay, istenildiğinde içten yanmalı istenildiğinde de basınçlı hava ile çalışabilen bir motordur. DC Motor: 4.1. konu başlığında anlatılan motor tipidir. Bu motor normalde direkt tekerleğin merkezine takılmaktadır. Ama bu sistemde direkt Uzay ismini verdiğimiz motorun rotoruna takılmaktadır. DC elektrik motoru aynı zamanda frenleme özelliğine sahiptir ve frenleme esnasında bataryalara elektrik yüklemesi yapmaktadır. Uzay: Bu sistem aşağıda gördüğünüz parçalardan oluşmaktadır. Motorun çalışması için gerekli bazı aparatların katı modellemesi şuan için yapılmamıştır, ama genel çalışma prensibinin anlaşılması için çizim sadeleştirilmiş ve anlaşılır hale getirilmiştir. Resimlerdeki numaralanmış parçalar sırasıyla tanımlanacaktır ve motorun çalışma prensibi anlatılacaktır. Söylendiği gibi bu motor hem benzin hem de hava ile çalışmaktadır. Bunu sağlamak için motor malzemesi basınca ve sıcaklığa dayanıklı olmalıdır. Ayrıca hava girişi ve benzin girişlerinde açılıp kapanan sistemler bulunmalıdır. Çünkü benzinle çalışırken, benzin bittiğinde havalı sisteme geçiş sırasında benzin akış kanalından, hava, benzin deposuna gidebilir. Bunun tam terside söz konusu olabilir. Yani benzin ile çalışırken benzinin hava kanalına kaçması gibi. Bu sorunların önüne belirli standart ürünleri kullanarak geçmek mümkündür. Örneğin valfler kullanılabilir.
5.2. SHAC ın Çalışma Sistemi Araç DC motorunu çalıştırmak için gerekli elektrik enerjisini frenleme sırasında elde edilen enerjiden ve güneş panellerden gelen elektrik enerjisi ile sağlamaktadır. Hibrid araçlarda bulunan 4 çalışma modundan biri olan içten yanmalı motor çalışırken jeneratör vasıtasıyla bataryaların doldurulması modu, yakıt sarfiyatını azaltmak için iptal edilmiştir. Bu modun yerine sisteme güneş panelleri eklenmiş ve bataryaların dolumu güneş panelleri ile sürekliğe kavuşmuştur. Bataryalar dolduğunda ise sistem küçük bir komprosörü çalıştırılarak basınçlı hava tanklarını besleyecektir. Uzay isimli motor, araca hız gerektiğinde ve kalkışlarda kullanılacaktır. Aracımız hibrid araçlardaki gibi, 0-12 km/s hızları ile 80 km/h hızından sonraki hızlarda Uzay ile çalışacaktır. 12-80 km/s hızları arasında ise hem elektrik motoru hem de destek olarak basınçlı hava sistemi ile çalışacaktır. Araçta Uzay ile DC motor arasına bir vites ve debriyaj sistemi koyulmalıdır. Tekerlekler normal araçlara göre biraz daha ince tasarlanmalıdır. Aracın şasesi ise alüminyum ve karbon-fiber kompozitleri ile yapılmalıdır. Bu şase hem dayanımlı hem de hafif olmaktadır. 5.3. Uzay ın Parçaları ve Çalışma Sistemi Şekil 21 Uzay Genel Görünüş 1. Üst Kapak: Egzoz çıkışlarını barındıran ve motorun üst kısmını kapatan kısımdır. 2. Motor Üst Gövdesi: Bu kısımda basınçlı hava giriş kanalları bulunur. Bu kısmın üst görünüşüne baktığımızda pistonların uç kısmında bulunan silindirlerin yuvarlanarak taradığı, üç dairenin oluşturduğu bir boşluk vardır. Bu boşluk basınçlı hava ile fosil yakıt tarafından doldurulur. Piston itme kuvveti yakıtın yanması ve basınçlı hava sayesinde oluşmaktadır.
3. Motor Alt Gövdesi: Bu kısımda da motor üst kapağındaki gibi bir boşluk bulunur ve genel olarak aynı görevi icra eder. Ama bu kısımda benzin giriş kanalları ve bujiler yer alır. Şekil 22 Uzay Üst Görünüş Şekil 23 Uzay Üst Görünüş 2 4. Rotor: Rotor, motor gövdesinin içine yerleştirilir. Yerleştirme sırasında rulmanlar kullanılır. Rotorda bulunan 4 kanalda sistemin pistonları diyebileceğimiz aparatlar bulunur. Ayrıca bu pistonların ileri geri gitmesini sağlayan ikişer yay barındırmaktadır. Rotor pistonların sağ ön tarafındaki fosil yakıt patlamalarından veya basınçlı hava itme kuvvetinden dönme hareketi almaktadır. Rotora eklenecek aparatlar sayesinde, motora basınçlı hava girişi veya hava yakıt karışımı girişi ayarlanabilmektedir. 5. Piston: Pistonun uç kısmındaki silindir sayesinde sürütme azalmaktadır. Pistonun arka kısmında yay sabitleyici iki delik bulunmaktadır. Piston uç kısmı motor gövdesindeki boşluğu tarayarak hareket etmektedir. Bu tarama işlemi çok hassas yaylar ile sağlanmaktadır. 6. Piston Silindiri: Bu kısım sürtünmeyi azaltmak için tasarlanmıştır. 7. Yaylar: Yaylar pistonların yüzeyi taramasını sağlamaktadır. Ama bu görevi yerine getirirken hassas yapısını kullanmaktadır, şöyle ki yay sadece maksimum yüzey uzaklığının 5-6 mm uzaklığına kadar uzamaktadır. Bu uzama yayın artı bir direnç oluşturmasını bir nebze azaltmaktadır. 8. Cıvatalar: Motoru bir arada tutan bağlama elemanlarıdır. Bu cıvataların sıkılıkları çok önemlidir çünkü motorda sızdırmazlık en önemli konudur. 9. Basınçlı Hava Giriş Kanalı: Bu kanaldan basınçlı hava, rotorun ayarladığı belli zaman aralıklarında gelmektedir. Havalı sistem çalıştığında bu kısım görev yapmaktadır. Benzin ile çalışma olduğunda ise bu kısım ısıya dayanıklı valfler sayesinde kapalı duruma geçmektedir. 10. Egzoz Çıkışları: Egzoz çıkışından hem hava çıkar hem de yanma sonrası gazlar çıkar. Bu çıkış pistonların taradığı son noktalara koyulmuştur, bu ise yanma haznesinde hiç kirli gaz kalmayacağı anlamına gelmektedir. Bu da fosil yakıtlar kullanıldığında verimi arttıran bir yeniliktir. 11. Yanma Odaları: Yanma odasında hem fosil yakıtlar yanar, basınçlı sisteme geçildiğinde de basınçlı hava bu kısımda pistonları iter. Pistonlar bu kısmı tararlar.
12. DC Elektrik Motoru, Debriyaj ve Vites Kutusu Bağlama Yeri: Bu kısım rotorla yekparedir. DC motor, debriyaj ve vites kutusu bu kısma monte edilir ve DC Hub motorun gövdesi sabitlenir ve DC motorun rotor kısmı yani sabitlenmesi gereken kısmı dönme görevi yapar ve frenleme sırasında elektrik depolar. 13. Benzin Girişi ve Buji Kanalı: Benzin girişi ve bujinin yerleştirildiği kısımdır. Benzin girişi ve buji ateşlemesi rotor hareketi ile zamanlanır. Şekil 24 Uzay Tüm Parçalar Şekil 25 Uzay Perspektif Şeffaf Görünüş 6. Sonuçlar Bu sistem çevreye uyumlu çalışan üç temel sistemin kombinasyonu olduğu için diğer üç sisteme göre çevreye daha uyumlu bir sistemdir. Uzay ismini verdiğimiz çift enerjili motor ise içten yanmalı çalışırken yanma odasında kirli gaz bırakmamaktadır. Bunun sonucu olarak ta motorun verimi artmaktadır. Araç basınçlı hava ile de gidebildiğinden belli aralıklarda yakıt maliyeti sıfır olmaktadır, aynı olay güneş enerjisini kullandığı aralıkta da olmaktadır. Basınçlı hava ile giden benzer araçlar gibi hava tanklarımız, karbon-fiber kompozit malzeme ile kaplanacaktır. Bunun sonucu olarak kaza anında veya yüksek basınç olduğunda oluşabilecek patlamaların önüne geçilmiş olacaktır. Araçta her türlü sürtünmenin önüne geçmek için tasarımda değişikliklere gidilmiştir. Örneğin tekerlekler olabildiğince ince tasarlanmış, direksiyon sistemi hafif ve hassas tasarlanmış, aerodinamik yapı kuralları ölçüsünde aracın dış
gövdesi şekillendirilmiş ve güç aktarım organları olabildiğince sadeleştirilmiştir. Sonuç olarak bu tarz araçların çoğalması fosil yakıtlara bağlı olmadığımızı bir kez daha kanıtlamaktadır. Umuyoruz ki gelecekte herkesin bir basınçlı hava aracı, güneş aracı, hibrid aracı ve kimilerine göre yapılması imkânsız olan uçan arabası olacaktır. 7. Referanslar [1] http://www.electricmotorsport.com [2] http://www.saitem.org [3] http://www.google.com (Görseller) [4] http://www.hybrid-cars-guide.com/first-hybrid-car.html [5] http://www.mekenpro.com/makale/foto.pdf [6] http://www.sett.sakarya.edu.tr [7] http://greenhome.huddler.com/wiki/air-car-introduction [8] http://www.kirpit.com/hibrit-motor-hev-hybrid-electric-vehicle.html [9] http://www.buzlu.org/images/2009/03/hibrit.jpg [10] http://www.mdi.lu [11] http://www.cartype.com/pages/1197/energine [12] http://www.hybridexperience.ca