Güneş arabası nasıl çalışır?

e-Posta Yazdır PDF

barracuda

Güneş arabası hafif, düşük güçte tasarlanmış ve özel yarışlar için yapılan bir araçtır. Tıpkı Formula 1 yarış araçları gibi güneş arabaları da pratik anlamda ulaşım amaçlı değildir. Güneş arabalarında koltuk sayısı sınırlıdır (genellikle 1, nadiren 2 tanedir), çok ufak bir yük kapasiteleri vardır. Ancak güneş arabaları gelecekte kullanılacak olan pratik uygulamaları geliştirmek adına çok iyi bir imkân sağlar.

Belirtmek gerekir ki, güneş arabası hafif, düşük güçte tasarlanmış ve özel yarışlar için yapılan bir araçtır. Tıpkı Formula 1 yarış araçları gibi güneş arabaları da pratik anlamda ulaşım amaçlı değildir. Güneş arabalarında koltuk sayısı sınırlıdır (genellikle 1, nadiren 2 tanedir), çok ufak bir yük kapasiteleri vardır. Ancak güneş arabaları gelecekte kullanılacak olan pratik uygulamaları geliştirmek adına çok iyi bir imkân sağlar.

Belirtmek gerekir ki yukarıdaki güneş arabası tanımı Formula-G, WSC gibi yarışlar için üretilen araçlar içindir. Başka amaçlar için üretilen araçlar değişik karakteristikler gösterebilirler.

BİR GÜNEŞ ARABASINDAKİ ENERJİ AKIŞI

Güneşten gelen enerji tam gün boyunca yeryüzüne çarpar. Ancak enerji miktarı gün içerisindeki zamana, havanın durumuna ve geometrik konuma göre değişir. Kullanılabilir güneş enerjisi miktarı güneş ışınımı olarak bilinir ve genelde birim alana düşen güneş gücü (W / m²) olarak ölçülür. Şekil-1’de gün boyunca güneş ışınım miktarı örnek bir grafik ile gösterilmiştir.
1

ŞEKİL-1
Türkiye’de güneşli bir günde öğlen vaktinde ışınım yaklaşık 1,000 W / m² olarak ölçülür fakat sabah, akşam ya da kapalı bir havada bu ölçüm neredeyse 0 W / m² ye kadar düşecektir. Takımların güneş enerjisinden maksimum seviyede yararlanmak için oluşturulan düzende ışınımın etkisini göz önünde bulundurmaları gerekmektedir.
2

ŞEKİL-2
Şekil 2’de bir güneş arabasındaki genel enerji akışı görülmektedir. Güneş ışığı güneş panelindeki elektrik akımı üreten hücreler tarafından soğurulur. Enerji (akım) piller üzerinde depolanabilir, direk olarak aracı beslemek için motor kontrol devresine gönderilebilir ya da bu iki durumun kombinasyonu şeklinde kullanılabilir.
Tipik olarak araç hareket halindeyken güneş ışınlarından elde edilen enerji direk olarak motor kontrol devresine verilir. Fakat bazen güneş panelleri motor kontrol devresinin ihtiyacı olandan daha fazla enerji üretebilir. Bu durumda üretilen fazla enerji daha sonra kullanmak amacıyla pillerde depo edilir.
Güneş panelleri motoru arzu edilen hızda sürmek için gerekli olan enerjiyi üretemediği zamanlarda, panellerden gelen enerji bataryada depolanan olan enerjiyle desteklenir. Araç hareket halinde değilken panellerden gelen enerjinin tamamı pillerde depo edilir.
Araç sürüşü esnasında bir miktar enerji geri kazanma adına bir yöntemden bahsedilebilir. Araç frenlemesinde normal mekanik fren yerine, motoru generatör olarak kullanarak oluşan enerji motor kontrol devresi üzerinden pillerde depolanabilir. Bu yöntem rejeneratif frenleme (regenerative braking) olarak bilinir.

GÜNEŞ HÜCRELERİ

Güneş hücreleri genel anlamda güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirirler. Güneş ışığındaki fotonlar elektronları yarı iletken metalik silikon plakanın bir katmanından diğerine hareket ettiren enerjiyi sağlarlar. Elektron hareketleri ise elektrik akımını oluşturur.
Günümüzde yaygın olarak silikon ve galyum arsenit olmak üzere iki tip hücre kullanılır. Bunlar farklı sınıfta ve değişken etkinliktedirler. Yeryüzündeki uygulamalarda yaygın olarak silikon hücreler kullanılırken, uzay sanayinde (uydularda) galyum arsenit hücreler kullanılır.
3 ŞEKİL-3
Şekil 3’te bir güneş hücresinin nasıl çalıştığı gösterilmiştir. Güneş hücresinin en üstteki katmanları yüksek geçirgenli koruyucu katmanlardır. Güneş hücreleri çok kırılgandır, bu yüzden çatlama ve kırılmalara karşı korumaya ihtiyaç vardır (bu esnada mutlaka bir miktar güç kaybı olur). Bu katmanlara gelen ışık, silikon veya galyum arsenit’e çarpar. P ve N tabakalarının farklı özelliklerinden dolayı güneşten gelen enerji hücreye temas ettiği anda P tabakasından N tabakasına doğru elektron hareketi oluşur. P ve N uçlarına birer kablo bağlanırsa artık güneş hücresi artı ve eksi kutupları olan, güç kaynağı gibi kullanılabilen bir pil gibidir.
“Stock Class” arabalar ticari olarak uygun olan doğal silikon hücreler kullanırlar. Birçok sayıda güneş hücresi (yaklaşık 1,000 adet) birleştirilerek güneş panelleri oluşturulur. Motor kullanımına bağlı olarak bu paneller 50-200 V arasında gerilim ve 2,000 Watt civarında güç üretirler. Güneşin yoğunluğu, bulutların durumu ve sıcaklık panelin çıkışını etkiler.
“Open Class” araçlarda her tipte hücre kullanımına izin verilir. Bu seçim esnekliğinden dolayı birçok takım uydu tipi hücreler kullanır. Bu hücreler genellikle sıradan hücrelerden daha ufak boyutlu ve daha pahalıdırlar. Bununla birlikte daha etkilidirler. “Stock” tipi ve “Open” tip paneller arasında güç olarak yaklaşık 1,000 watt kadar fark varken fiyat konusunda aralarında yaklaşık 10 kat fark vardır.
Fotovoltaik hücreler nispeten yeni bir teknolojidir. Bu hücrelerin gelişimi ve kullanımı uzay turizminin ve haberleşme uydularının bir parçası olarak başlamıştır.

ELEKTRİKSEL SİSTEM

Bir güneş arabasının kalbi, pilleri ve güç elektroniği devrelerini kapsayan elektriksel sistemdir. Elektriksel sistem sisteme giren ve çıkan bütün gücü kontrol eder ve yönetir.
Pil gurubu normal arabalardaki benzin deposu gibidir. Pil grupları enerjiyi daha sonra kullanmak amacıyla depolarlar. Güneş arabaları yarışlara tam dolu pillerle başlarlar fakat yarış başladıktan sonra piller sadece panellerden elde edilen enerjiyle tekrar doldurulabilirler. Bir pilin maksimum kapasitesi pilin tipine göre değişir. Takımların yarışlarda kullandığı bazı pil tipleri şunlardır:
** Lead-Acid
** Nickel-Metal Hydrid (NiMH)
** Nickel-Cadmium (NiCad)
** Lithium Ion
** Lithium Polymer
NiCad, NiMH, ve Lityum piller yaygın olarak kullanılan Lead-Acid pillere göre daha fazla güç üretirler fakat bu piller titiz bir bakım ister ve maliyetleri de daha fazladır.
Pil grupları istenilen gerilimi elde edecek şekilde birbirine bağlanmış birkaç adet pilden oluşur. Tipik olarak takımlar kurdukları sisteme göre değişmek üzere 84-108 V arasında bir gerilim seviyesini kullanırlar. Bazı takımlarsa daha düşük sistem gerilimi kullanırlar. Şekil-4’de batarya paketleri (sarı paketler) ve elektrik bağlantıları görülmektedir.
4
ŞEKİL-4
Güç elektroniği en karışık ve araçtaki en teferruatlı elemanları içeren sistemdir. Güç elektroniği sistemleri, MPTT (Maximum Power Point Tracker), motor kontrol devresi ve veri toplama sistemini içerir. Güç elektroniğinin başlıca işlevi sistem içindeki elektrik akışını izlemek ve kontrol etmektir. Çoğu takım güç elektroniği donanımlarını hazır olarak satın almalarına rağmen birkaç takım kendilerinin geliştirdikleri donanımlara sahiptirler.
MPPT güneş panellerinden gelen elektriği maksimum güç için gereken seviyeye getirir ve sürüş için motor kontrol devresine ya da depolamak için pil grubuna iletir. Güneş panelleri pilleri şarj ederken, MPPT pilleri aşırı şarj nedeniyle zarar görmeye karşı korur. Bir güneş arabasındaki MPPT sayısı takımların tasarımlarına göre değişir. MPPT’ler çok hafif cihazlardır ve genelde %95 in üzerinde verimle çalışırlar. Şekil 5’te bir MPPT örneği görülmektedir.
5
ŞEKİL-5
Motor kontrol devresi sürücünün gaz pedalından gelen sinyalle elektriğin motora verilmesini idare eder. Motor kontrol devresinin elektriği nasıl kontrol ettiği bu yazının kapsamının ötesindedir. Her tip motorun kendi özel kontrol devresi olması gerekir. Motor satın alacak olan takımlar genelde motor kontrol devresini de motorla birlikte alırlar. Takımlar birkaç tipte motor kontrol devresi kullanırlar ve bu devreler %90’ın üzerinde verimliliğe sahiptirler.
Birçok güneş arabasında bütün elektriksel sistemi (güneş panelleri, pil grupları, motor kontrol devresi ve motor) görüntülemek için çok karmaşık veri toplama sistemleri kullanılır. En azından bir takım kendi sistemindeki pillerin gerilim ve akımını görmek ister. Veri toplama sisteminden alınan bilgi, yarışlarda strateji geliştirmek ve araçta meydana gelebilecek herhangi bir problemi tespit etmek için kullanılır. Bilgi sürücü tarafından gözlemlenir ve kablosuz iletişim kullanarak araç dışına da gönderilebilir. Son yıllarda kullanılan sistemlerde bütün bilgiler telemetre ile araç dışına gönderilir, sürücü sadece kritik bilgileri alır.

I-ELEKTRİK SİSTEMİ

Güneş arabasının en önemli bölümü pillerden ve güç ünitesinden oluşan elektrik sistemidir. Elektrik sistemi, sisteme giren ve çıkan gücü kontrol eder ve yönlendirir.
Piller konvensiyonel araçların yakıt deposunun yaptığı göreve benzer olarak enerjiyi daha sonra kullanmak üzere depo eder. Güneş arabaları yarışa tamamıyla şarj olmuş piller ile başlarlar; fakat yarış başladıktan sonra piller sadece solar donanımın ürettiği enerji ile şarj edilirler. Bir takımın kullanabileceği pilin maksimum kapasitesi her pil tipi için belirlenmiş ağırlık ile sınırlıdır. Yarışlarda kullanılabilecek piller TÜBİTAK tarafından belirlenecektir. Yarışlarda kullanılması muhtemel piller ise;
• Pb/Asit
• NiMH
• NiCad(nikel kadmiyum)
• Standart Li-Ion
• Plastil Li-Ion2 şeklinde sıralandırılabilir.
NiCad, NiMH ve Li-Ion pilleri, Pb/Asit pillerine oranla yüksek güç/ağırlık oranına sahiptirler ve bu tarz pilleri dış etmenlerden korumak daha az önlem gerektirir. Fakat oldukça pahalıdırlar.
Pil paketi (battery pack), sistem için gerekli voltajı üreten, birbirlerine kablolarla bağlanmış münferit elemanlardan oluşmaktadır. Genellikle takımlar elektrik sistemlerine bağlı olarak 84-108 V arası sistem voltajı kullanmaktadırlar. Bazı takımlar sistemlerinde daha düşük voltajda kullanabilmektedir.
Güneş arabasındaki bir diğer önemli bileşende güç ünitesidir. Bu ünite MPPT'lerden, motor kontrol ünitesinden ,veri toplama sisteminden oluşmaktadır. Güç ünitesinin birincil görevi sistemdeki elektriği izleyip, kontrol etmektir. Çoğu takım güç ünitesini oluşturan bileşenleri hazır olarak satın almaktadır .Fakat bazı takımlar araçları için gerekli olan elektronik aksamları kendileri üretmektedir.
MPPT'nin görevi solar donanımından gelen elektriği maksimum güç elde edecek şekilde koşullandırarak, her bir pile depolamak veya motor kontrol ünitesine motoru tahrik için göndermektir. Solar donanım pilleri şarj ederken, MPPT'ler pilleri fazla yüklemeden dolayı gelecek hasarı önler. Kullanılacak kuvvetlendirici sayısı, her takımın dizaynına göre farklılık gösterir. MPPT'ler çok hafif olmakla beraber, yaklaşık %95 verimle çalışmaktadırlar.
Motor kontrol ünitesi sürücünün gaz pedalına basması ile motora gönderilen elektriği kontrol eder. Güneş arabalarında bir çok tip motorla kullanılan motor kontrol ünitesi vardır. Takımlar araçları için motor alırken aldıkları motor için dizayn edilen kontrol ünitesini de genellikle almaktadırlar. Günümüzde kullanılan motor kontrol üniteleri en iyisi %90’dan fazla verimle çalışmaktadır.
Çoğu güneş arabası solar donanım dahil olmak üzere tüm elektrik sistemini, pilleri, motor kontrol ünitesini ve motoru denetleyen veri toplama sistemini kullanmaktadır. En azından her takım pil voltajını ve akımı denetlemek zorundadır. Veri toplama sisteminden gelen veriler problemin oluşma esnasında iken çözümlenmesini ve yarış stratejilerinin değiştirilmesine neden olmaktadır. Veriler kokpitteki sürücü tarafından izlenmektedir. Bazı uygulamalarda ise telemetri (kablosuz veri aktarımı) teknolojisi ile pitteki görevlilere iletilmektedir.

II-SOLAR DONANIM (SOLAR PANELLER)
Solar donanım aracın yarış esnasında gücünü sağlayan birimdir. Panellerden oluşmaktadır. Solar paneller güneş enerjisini elektriğe dönüştüren birçok (genellikle yüzlerce) fotovoltaik hücrelerin bir araya gelmesi ile oluşmaktadır. Takımlar solar panellerini oluştururken piyasadaki yüzlerce solar hücre teknolojisinden yaralanmaktadırlar. Hücre tipleri ve modelleri aracın ölçülerine ve klasmanına göre değişmekle birlikte bu bilgiler yarışma kurallarında yer almaktadır.

Hücreler birbirlerine kablolar ile bağlıdırlar. Bu kablolar da birbirlerine pillerin voltajına göre belirli formlarda bağlanmaktadır. Hücreleri biribirine bağlamanın birçok yolu vardır. Burada önemli olan yüzlerce hücrenin araç üzerinde konumlanabileceği bir alan oluşturmaktır. Solar hücreler çok kırılgandır ve kolayca zarar görebilirler. Takımlar hücreleri hava koşullarından ve çatlaklardan korumak için kaplamaktadırlar. Hücreleri korumanın birçok yolu vardır. Burada önemli olan hücrelerin ağırlığını koruyarak bu işlemi yapabilmektir. Solar paneller tarafından üretilen güç hava durumuna, güneşin pozisyonuna ve güneş panelinin kendisine göre değişmektedir. Açık bir günde kaliteli bir solar panel 1000Watt (1.3HP) güç üretir. Güneş panellerinden alınan güç motora veya depolanmak üzere pillere gönderilir.
Alternatif Enerjili Sistemler Kulübü (AESK) 2011 - 2012 sezonu yeni üye alımına başlamıştır. Sizlerde ekibimize katılıp okulumuzu bu alanda en iyi şekilde temsil etmek istiyorsanız bize katılın!... Başvuru için site iletişim bölümümüze başvurularınızı yapabilirsiniz...

 
mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter