Güneş Çantası: Çok Amaçlı Şarj Cihazı

6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey
Güneş Çantası: Çok Amaçlı Şarj Cihazı
E. B. Şanlı1, M. R. Canal2, F. Duran3
1
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi, Ankara, Türkiye, E-posta:[email protected]
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected]
3
Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi, Ankara, Türkiye, E-posta: [email protected]
2
Solar Bag: Multipurpose Charger
Abstract—Nowadays, although using technology widely
makes life easy, it increases dependence on energy fast. Mobile
devices take their energy from batteries and these batteries are
these batteries are generally charged from grid. In spite of the
mobility of these devices, they make the user dependent a place
while charging process in this regard. This implomented study
makes possible to charge independently the music player and
mobile devices which make easy life and communication. The
needed energy for the system is supplied with the solar panels
used in the system by converting the energy to electrical energy.
The battery of the mobil devices is charged with the designed
system. The dependence on a place is removed with this design.
Keywords—Solar cells , Boost converter, solar bag.
I. GİRİŞ
Bilinçsizce kullanılan doğal kaynakların her geçen gün
biraz daha azalması, bizleri ister istemez alternatif enerji
kaynakları kullanmaya mecbur bırakmaktadır. Günümüzde en
yaygın kullanılan alternatif enerji kaynaklarından en önemlisi,
enerjisini daha milyonlarca yıl koruyacak olan ve çevreye
hiçbir zararı olmayan, dünyanın da yaşam kaynağı olan
Güneş’ tir.
Ceplerimizde taşınan elektronik cihazların enerji ihtiyacı
dünya genelinde megawatt’ları aşmaktadır. MCKS’nin (Mobil
Cihazlar Kayıt Sistemi)[1] yaptığı açıklamaya göre, 2009
yılında ülkemizdeki kayıtlı cep telefonu sayısı 104 milyona
ulaşmış durumdadır. Bu cep telefonlarından beşte biri’nin
aktif halde çalıştığını varsayarsak, şarj adaptörlerinin ortalama
2 watt’lık bir enerji harcadığını ve cep telefonlarının da
ortalama yarım saatte şarj olduğunu göz önünde
bulundurursak bu cep telefonlarının bir defa da hepsinin şarj
olması yaklaşık olarak 3 mega watt’lık (3mega watt, 50
watt’lık bir ampülü altmış bin saat yakmaya yeterlidir.) bir
tüketime sebep olur. Bu tüketim bir defalık şarj içindir ve
diğer elektronik cihazlar(örneğin müzik çalar… vb) bu
hesabın içerisinde yer almamaktadır. Bir cep telefonunun
ortalama maksimum üç günde bir şarj olduğunu düşünürsek,
yıllık tüketim miktarı 1/3 giga watt’a çıkar ki bu da ülkemizde
2008 yılındaki enerji tüketiminin (161947,6 giga watt [2]) altı
yüzde birinden fazladır. Onbin cep telefonundan bir tanesi
dahi bu ürün ile şarj oluyor olsa, ülkemizde yıllık ortalama 30
kilo watt’lık bir enerji tasarrufu sağlanmış olur. Elektronik
aletler için gereken bu enerjiyi de Güneş’ ten karşılamak
bizlere orta ve uzun vadede birçok fayda sağlayacaktır.
Gündelik yaşantımızda yanımızdan ayırmadığımız ve artık
temel ihtiyaçlarımız haline dönüşen, elektronik cihazlarımızın
şarjlarının bitmesi sık karşılaşılan istenmeyen bir durumdur.
Bu gibi cihazları yeniden şarj etme masrafı ve hızına
yetişemediğimiz günümüz dünyasında, cihazın şarj olmasına
ayıracağımız zaman küçük bir maliyet gibi görülmekle birlikte
yıllar içinde gittikçe artmaktadır.
Bu çalışmanın amacı gündelik yaşantıda kullanılan
cihazların prizlerden bağımsız, temiz ve maliyetsiz enerji
kaynağı olan Güneş ile şarj etmektir. Gerçekleştirilen çalışma
ile yürürken, seyahat ederken, parkta otururken ya da
herhangi bir anda cep telefonlarının, müzik çalarların v.b.
cihazların şarj edilebilmesine imkan sağlamaktır.
Güneş Enerjisi, ülkemizde çoğunlukla ısınma ve ısıtma
amaçlı kullanılmakta olup, elektrik üretmek için çalışmalar
son yıllarda bilim kuruluşlarının da desteği ile artan bir ivme
yakalamıştır. Dünyada güneş pili sistemleri ise uygulamada,
şebekeye bağlı (on grid) ve şebekeden bağımsız (off grid)
sistemler olarak iki tiptir. Şebekeden bağımsız olarak
kullanılan uygulama alanlarından bazıları ise; [3]
Orman gözetleme kuleleri
Deprem ve hava gözlem istasyonları
Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon
sistemleri
Dağ evleri ya da yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV,
radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması.
Kullanım alanlarında da görüldüğü gibi şehir merkezinden
uzak veya elektrik hattının ulaşamadığı yerlerde
kullanılmaktadır. Bu proje ile güneş enerjisini günlük enerji
ihtiyacının karşılanması amacıyla düşük maliyetli bir sistem
tasarlanmıştır.
II. SİSTEM T ASARIMI
Gerçekleştirilen sistem tasarımı güneş pili modülü, denetim
sistemi, batarya ve dc çıkış olmak üzere 4 bloktan
oluşmaktadır. Bu bloklar Şekil 1 de gösterilmiştir.
Güneş hücreleri; ışığı doğrudan elektrik akımına
dönüştüren
(fotovoltaik)
bir
araçtır.
Yarı
iletken bir diyot olarak çalışan güneş hücresi, güneş ışığının
taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak
doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.
Yapılan çalışmada kullanılan güneş pili; Cep telefonu gibi
Dc yükleri besleyecek güçte olmalıdır. Şarj edilecek
cihazlarda genel olarak 3.7 V gerilimine sahip bataryalar
bulunmaktadır.
İhtiyaçlar doğrultusunda incelenen güneş pillerinden boyut
ve yeterlilik açısından; 5V 400mA olan 2W lık tek bir güneş
pili kullanılmaktadır. Kullanılan panel Şekil 2’de görüldüğü
gibidir.
388
E. B. Şanlı, M. R. Canal, F. Duran
Projemizde Şekil 3’te görülen boost konvertörü içeren
denetim sistemi kullanılmıştır.
Şekil 1-Sistemin Blok Diyagramı
Şekil 3 - Buck-Boost Konvertör
Denetim sisteminde yer alan boost konvertörün çıkışı
batarya gerilim değeri 4.8V un %20 fazlası olan 5.76V’a
ayarlanmıştır.
Güneş panelinde elde edilen gerilim değerine bağlı boost
konvertörün çıkış değeri Tablo 2’de gösterilmiştir.
Tablo 2 - Panel ve Konvertör Çıkış Gerilim Değerleri
Panel Çıkış Gerilimi(V)
5,37
5,00
4,50
4,00
3,75
1,70
1,60
1,50
1,35
Şekil 2 - Güneş Paneli
Sistemde kullanılan panelden elde edilen enerjinin gün
içindeki çıkış değerleri Tablo 1’de gösterilmiştir.
Tablo 1- 27.01.2011 Tarihinde Ankara'da Ölçülen Güneş Paneli Çıkış
Değerleri
Saat
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
Gerilim(mV)
3,17
4,02
4,10
4,21
5,16
5,90
5,21
2.60
2,34
Akım(mA)
1,92
5,15
6,08
10,20
60,32
80,00
2,01
1,26
0,31
Güç(mW)
6,09
20,70
24,93
42,94
311,25
472,00
10,47
3,27
0,72
Güneş pillerinin aldıkları ışınımlara bağlı olarak
çıkışlarında değişken gerilim ve akım değerleri görülmektedir.
Bu değişken değerleri bataryanın şarj olabileceği düzeye
getirmek ve gerilimi sabitlemek için denetim sistemine ihtiyaç
duyulmuştur. Bu konu hakkında bir çok çalışma
yapılmaktadır;
 Sıfır voltaj anahtarlamalı rezonans çevirici ile
yüksek verimli pil şarj cihazı[4]
 Arttırılmış enerji kullanımı ile güneş pili şarjı[5]
Bütün yöntemler incelenerek boost konvertör kullanılmıştır.
Boost konvertör; çıkış voltajının, giriş voltajından daha fazla
olabileceği yerlerde kullanılır. Temel olarak seri bobin, diyot
ve kondansatörün bağlanması ile oluşur.
Boost Çıkış Gerilimi(V)
5,76
5,76
5,76
5,76
5,76
5,00
3,90
3,12
1,29
Güneş çantasının geceleri ve güneş ışığının bulunmadığı
yerlerde kullanılmasını sağlamak için harici batarya
eklenmiştir. Kullanılan batarya, cihazlar şarj konumunda
kullanılmıyor iken elde edilen enerjiyi depolar. Depolanan
enerji geceleri veya güneş ışığının yetersiz olduğu yerlerde
bile sistemin aynı verimde çalışmasını sağlamaktadır.
Batarya güneş panellerinden elde edilen enerji ile çabuk şarj
olabilmesi için düşük akımlı olması tercih edilmiştir. Sistemde
kullanılan 4.8V 400mA değerlerine sahip batarya Şekil 4 te
görüldüğü gibidir.
Şekil 4 - Batarya
Nickel Metal Hydride bataryanın sahip oldukları bazı
özellikler Tablo 3 de gösterilmiştir.[6]
389
Güneş Çantası: Çok Amaçlı Şarj Cihazı
Tablo 3 - Nikel- Metalhidrit Pilin Özellikleri
Nominal Gerilim(V)
Ortalama Deşarj Gerilimi (V)
Nihai Gerilim
Yıllık Şarj Kaybı (%)
Çalışma Sıcaklıkları
Çevrim Ömrü
Enerji Yoğunluğu (W-saat/Kg)
Enerji Yoğunluğu (W-saat/L)
İlişkin Kanun[7]‖un 1. maddesindeki amaca da uygun
olacaktır. Çevre dostu bu ürün ile kullanım yaygınlığına bağlı
olarak mega watt düzeyinde tasarruf edilebilir.
Nikel-Metalhidrit
1.2
1.2
1-1.75
10 – 15
-20°C - +60°C
500
80-110
75-140
Bu çalışma ―TÜBİTAK 2209 Üniversite Öğrencileri Yurt
İçi/ Yurt Dışı Araştırma Projeleri Destekleme Programı‖
kapsamındadır.
KAYNAKLAR
[1]
[2]
Sistem çıkışı, cep telefonları, mp3 çalarlar, taşınabilir oyun
konsolları gibi küçük gerilim veya usb ile şarj edilebilen tüm
cihazlardır.
Bütün blokların içinde bulunduğu sistem tasarım
uygulaması Şekil-5 de görüldüğü gibi gerçekleştirilmiştir.
Mobil Cihaz Kayıt Sistemi, http://imei.tk.gov.tr/
TEİAŞ Türkiye Elektrik Üretim - İletim istatistikleri,
http://www.tuik.gov.tr/PreIstatistikTablo.do?istab_id=129
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Şekil 5
III. SONUÇ
Güneşten faydalanarak, elektrik enerjisi üretecek bir cihaz
yapılmış ve bu cihaz çoğu zaman yanımızdan ayırmadığımız
çantalarımıza monte edilebilir olarak tasarlanmıştır. Çantanın
yanı sıra evimizde arabamızda kısacası güneş ışığının olduğu
her yerde kullanılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Cihaza
eklenen batarya sayesinde gece/gündüz her zaman elektronik
cihazlarımızı şarj etme imkânı sağlanmıştır.
Gerçekleştirilen tasarım ile problem haline dönüşen enerji
sıkıntıları çözümlenmiştir.
 Yapılan
uluslar
arası
seyahatlerde
şebeke
uyumsuzluklarından dolayı ek dönüştürücüler
gerekebilmektedir. Bu dönüştürücülere gerek
kalmadan güneş ışığı ile şarj edilebilir.
 Özellikle kamp yapanlar için şebekeye erişim
olanakları bulunmamaktadır. Bu durumda sırt
çantalarına ya da çadırlarına monte ederek taşınabilir
cihazlarını şarj edebilirler.
 Prizlerden bağımsız gece ve gündüz her yerde
kullanıma uygundur.
Aynı zamanda proje sonucunda çıkan ürün ―Yenilenebilir
Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Amaçlı Kullanımına
390
http://www.eie.gov.tr/turkce/yek/gunes/gunespv.html
Ying-Chun Chuang and Yu-Lung Ke, Senior Membe,‖ A Novel HighEfficiency Battery Charger With a Buck Zero-Voltage-Switching
Resonant Converter‖, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY
CONVERSION, VOL. 22, NO. 4, DECEMBER 2007
Liuchen Chang and Cecilia Ng,‖ A solar battery charger with
improved energy utilization‖, 1994 Canadian Conference on
http://www.solar-academy.com/menuis/pil-nedir%C3%A7e%C5%9Fitleri013004.pdf
Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının ( YEK ) Elektrik Enerjisi Üretimi
Amaçlı
Kullanımına
İlişkin
Kanun,
http://www.eie.gov.tr/duyurular/YEK/YEKKanun_Temmuz2008.pdf