TMMOB Makina Mühendisleri Odası

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