OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26-27 Mayıs 2014, BURSA
TAŞIT BATARYALARI İÇİN GÜNEŞ ENERJİLİ ŞARJ SİSTEMİ
Fuat Kartal*, Hasan Gökkaya**
*
Kastamonu Üniversitesi, Kastamonu Meslek Yüksek Okulu, Kastamonu
**Karabük Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Müh. Böl., Karabük
ÖZET
Bu çalışmada, günümüz motorlu taşıtların park veya seyir halindeyken alternatörün devre dışı bırakılarak taşıt
bataryasının güneş enerjisi ile şarj edilmesini sağlayan elektronik kontrollü bir batarya şarj sistem geliştirilmiştir.
Geliştirilen sistem sayesinde taşıt bataryasının motor çalıştırılmadığı durumlarda deşarj kayıpları ortadan kaldırılmıştır.
Uygulama 20 W gücünde iki adet güneş enerjisi paneli ile 12V 60 Ah taşıt bataryasını şarj edebilmiş ve gündüz gün
ışığında alternatör devre dışı bırakılarak batarya beslenebilmiştir. Bir otomobil üzerine kurulan bu sistem ile motor
devrinde %10 kazanç sağlanmıştır. Tamamen boş bir batarya ise üç gün de tam şarj edilebilmiştir.
Anahtar kelimeler: Güneş Enerjisi, Şarj Sistemi, Çevreci, Taşıt Batarya
SOLAR POWERED CHARGER SYSTEM FOR THE VEHICLE BATTERY
ABSTRACT
In this study, the present motor vehicle when driving the park or disabling the vehicle alternator battery charging
with solar energy providing an electronically controlled battery charging system has been developed. With the system
developed in cases where vehicle engine is running battery discharge losses are eliminated. Practice 20 W solar panels
with two 12V 60 Ah battery can charge vehicle in daylight daytime alternator and battery by disabling could be fed.
Founded on a car with this system 10% gain in engine speed is provided. If a completely empty battery could be fully
charged in three days.
Keywords: Solar Power, Charge System, Environment Friendly, Vehicle Battery
Bataryaların kurulum maliyeti güneş paneli ile
karşılaştırıldığı zaman oldukça düşüktür. Ancak
bataryanın uzun vadeli maliyeti, uzun ömürlü olmaması
nedeniyle güneş paneli kurulumu ile karşılaştırıldığında
daha yüksektir [1-3]. Batarya şarj kontrol devresinin
bağımsız güneş paneli sistemlerindeki başlıca işlevi, aşırı
şarj edilmesinin, karanlık saatlerde ve düşük yük
şartlarında tersine akımın önüne geçmektir. Meteoroloji
kurumundan alınan verilere göre güneş dünya yüzeyini
gündüz saatlerinde 120 W/m2 ile aydınlatmaktadır [4].
Günümüzdeki teknolojik ilerlemeler, Dünyaya düşen
solar radyasyonu elektrik enerjisine dönüştürme imkânını
sunmaktadır [4]. Güneş enerjisini elektrikli cihazları
çalıştırmakta kullanılabilecek elektrik potansiyeline
dönüştüren güneş paneli hücreleri gibi çok sayıda cihaz
geliştirilmiştir [5-6]. Güneş paneli boyut, malzeme,
üretim ve tasarımlarındaki mevcut gelişmelere bağlı
olarak kolay erişilebilir ve taşınabilir cihazlardır. Cep
1. GİRİŞ
Alternatif enerji kaynaklarından popüler olanından
biriside güneş enerjisidir. Güneş enerjisini elektrik
enerjisine dönüştürmek için güneş paneli (GP)
kullanılmaktadır. Güneş paneli sistemleri güneş
enerjisinden faydalanmakta kullanılan modern bir
sistemdir. Güneş paneli voltaj gücü özellikleri ile güneşe
maruz kalma oranına ve sıcaklığa bağlı olarak
değişmektedir [1,2]. Güneş paneli sistemlerinin
kurulumlarının maliyetleri düşünüldüğünde, güneş paneli
her zaman maksimum güçte çalıştırmak gerekmektedir.
Bu doğrultuda, güneş paneli ve batarya arasında da
çevirici ara yüzü kullanılması gerekmektedir [1,2].
Çalışma sıcaklığı kapsamının geniş olması, kendi kendine
boşalma oranının düşük olması, uzun ömürlü olması ve
bakım masraflarının düşük olması nedeniyle kurşun-asit
akümülatörler yaygın olarak tercih edilmektedir.
1
telefonları ve taşınabilir bilgisayarların yanı sıra güneş
enerjili taşıtlar da güneş paneli kullanarak çalışmaktadır.
Güneş enerjisi her ne kadar sınırsız olsa da bu enerjiyi
kullanma yöntemleri sınırlı ve maliyetlidir [5-8].
Günümüzde taşıtlar park ve seyir halindeyken gündüz
doğrudan yada dolaylı olarak gün ışığı altında
kalmaktadır. Bu sistem özellikle park halinde iken güneş
enerjisinin boşa gitmemesi için bu enerjiyi taşıt
bataryasında depolayıp gerektiğinde kullanımı amaç
edinilmiştir. Böylelikle motor çalıştırılmadan taşıt
üzerindeki alıcılar beslenebilmektedir.
Bu çalışmada, otomobil park veya seyir halindeyken gün
ışığında güneş panelleri ile gün boyunca taşıt bataryasını
şarj edebilen bir sistem geliştirilmiş ve uygulanmıştır.
2. MATERYAL VE METOD
2.1. Güneş panelleri
Geliştirilen elektronik kontrollü batarya şarj devresiyle
birlikte çalışacak ve sistemin ana elemanını oluşturan
mono-kristal güneş paneli görüntüsü Şekil 1'de, teknik
özellikleri ise Tablo 1’ de gösterilmiştir.
Şekil 2. Şarj kontrolü için tasarlanan elektronik devre
şeması
Şekil 1. Kullanılan mono-kristal güneş paneli [9].
Şekil 3. Şarj kontrolü için yapılan elektronik devre kartı
Tablo 1. Mono-kristal güneş paneli teknik özellikleri [9].
Maksimum Güç
20 W
Güç tolerans değeri
+- %3
Maksimum güçte akım değeri 1.1 A
Maksimum güçte voltaj değeri 18.2 V DC
Kısa devre akımı
1.28 A
Açık devre gerilimi
21.59 VDC
Ağırlık
2.5 Kg
Ebat
550x368mm
2.3. Batarya (Akü)
Bataryalar taşınabilir elektriksel enerji kaynaklarıdır. Bu
çalışmada, standart 12V kurşun-asit batarya tercih
edilmiştir (Şekil 4). Akünün teknik özellikleri Tablo 2’ de
verilmiştir.
2.2. Elektronik şarj devresi
Şarj kontrolü için elektronik devre şeması tasarlanmıştır.
Tasarlanan elektronik şarj devresi diyagramı Şekil 2’de
gösterilmiştir. Bataryaları şarj etmek için gerekli olan
voltajı sağlaması için LM317 voltaj regülatörü
kullanılmıştır. Bu kontrol devresi bataryayı sabit voltaj ile
şarj eder ve aynı zamanda şarj edilmiş bataryayı da
muhafaza eder [4-7]. Şarj kontrolünün sağlanması için
tasarlanan elektronik devre kartı Şekil 3’te verilmiştir.
Şekil 4. Deneylerde kullanılan akü görüntüsü [10]
2
panellerinin gücüne göre bataryanın şarj olma süresi
değişmektedir. Geliştirilen taşıt batarya şarj sistem
modeline ait parçaların araç üzerinde konumunu gösteren
üç boyutlu şematik gösterimi Şekil 6’da yer almaktadır.
Şekil 7’de ise tasarlanan modelin gerçek bir araçta
montajı ve uygulaması görülmektedir. Prototipi
gerçekleştirilen modelde (Şekil 7) 2 adet 20 W gücünde
panel kullanılarak 12 V 60 Ah (Amper saat) kapasiteli
boş bataryayı üç günde park halinde tam şarj edebilmiştir.
Şarj
süresi
hesabı
olarak
bataryanın
gücü,
güç=12x60=720 W, güneş paneli 2x20 W toplam 40 W,
şarj süresi 720 /40=18 saat, günlük etkin güneş süresi 6
saat olduğu varsayımı ile 18/6 =3 gündür. Ayrıca bu
sistem sayesinde ulaşımın zor olduğu bölgelerde veya
askeri dağlık bölgelerde akü şarj etmenin yada alıcıların
çok akım çektiği yerde çevreci şarj sistemi vasıtasıyla
aracın elektrik ihtiyacı karşılanabilmektedir. Gerekirse
inverter devresi yada cihazı ile 220 V AC alternatif
elektrik enerjisine çevrilebilinir. Bataryanın kapasitesine
göre de çeşitli 220 V ile çalışan elektrikli ev aletleri taşıt
içersinde kullanılabilinir. Ölçümler ve gözlemler 1992
model Benzin-LPG ile çalışan 1,3 litre motor hacmine
sahip bir otomobilde yapılmıştır (Şekil 7).
Tablo 2. Akünün teknik özellikleri [9].
Volt
12 V
Amper
60 Ah
Uzunluk (mm)
242
Genişlik (mm)
175
Yükseklik (mm) 190
Sulu Ağırlık (KG) 16,10
3. BULGULAR VE TARTIŞMA
3.1. Sistemin algoritması ve çalışma mantığı
Geliştirilen taşıt bataryaları için güneş enerjili şarj
sisteminin çalışma mantığı taşıtların park veya seyir
halindeyken gündüzleri güneş ışığında yararlanarak
alternatör elektrik besleme kesici yardımıyla fotodiyot
güneş ışığı algılayıcılı kumanda ile alternatörün stator
devre (manyetik alan oluşturulan) sargılarının akımını
kesebilmesidir. Gün ışığı bittiği zaman yada hava
karardığı zaman foto diyot ışık algılayıcı sensör yardımı
ile taşıt park ve seyir halindeyken elektronik devre ile
alternatörü devreye almaktadır. Bu şekilde tam otomatik
sensörlu elektronik devre ile kendi kendine sistem
çalışabilmektedir. Ayrıca bu sistem sayesinde aracın
bataryasının uzun zaman çalıştırılmadığında bataryanın
boşalması deşarj olması da ortadan kaldırılmıştır. Bu
geliştirilen sistemin çalışma algoritması Şekil 5’te
verilmiştir.
Şekil 6. Taşıt batarya şarj sisteminin üç boyutlu
görünümü (1: Alternatör, 2: Akü, 3: Güneş paneli, 4:
elektronik şarj devresi)
Şekil 5. Sistemin çalışma alogritması
Şekil 7. Güneş enerjili taşıt batarya şarj sistemi prototip
modeli
Elektronik devrenin bir diğer fonksiyonu ise gün ışığında
seyir halinde giderken bataryanın şarj durumuna göre de
bataryanın aşırı şarj edilmesi önlemektir. Güneş
3
kaldırılması ile motor devrinde %10 kazanç sağlanmış
dolayısı ile yakıt sarfiyatının bu sistem ile azaltıldığı
söylenebilinir.
3.2 Güneş panellerinin güç ölçümü
Modele ait panellerin gün içersinde ürettikleri güç
ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler Temmuz ayında
Türkiyenin en çok güneş alan illerinden biri olan
Konya’da
gölgesiz
ortamda
otomobil
motoru
çalıştırılmadan yapılmıştır. Ölçümler sonucunda en
yüksek güç değerine saat 11:00 ile 15:00 arasında
ulaşılmıştır . Şekil 8’de Temmuz ayında zamana bağlı bir
günlük Güç-Gerilim-Akım ölçüm değerleri verilmiştir.
TEŞEKKÜR
Bu çalışma Tübitak 1008 patent teşvik kapsamında
desteklenmektedir. Başvuru no: TR 2012-09531. Yazarlar
bu vesile ile, TÜBİTAK'a verdiği desteklerden dolayı
teşekkür eder.
KAYNAKLAR
1. Goswami, Kreith and Kreider. Principles of Solar
Energy. Taylor & Francis. Second Edition. 2000.
2. Gökçe, C., “Modeling and Simulation of a SeriesParallel Hybrid Electrical Vehicle”, Yüksek Lisans
Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Haziran 2005.
3. Titiz, F.K, “Bir Güneş Arabasının Enerji Yönetimi”
Lisans Bitirme Çalışması, İTÜ, 2006.
4. http://www.mgm.gov.tr
5. K. David Huang, Sheng-Chung Tzeng, Wei-Ping
Ma, Ming-Fung Wu, in: Intelligent solar-powered
automobile-ventilation system, Applied Energy
Elsevier Vol. 141–154 (2005)
6. Varınca, Kamil B.: Gönüllü. M. Talha "Türkiye'de
Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin
Kullanım Derecesi. Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine
Bir Araştırma". I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi
Kongresi 21-23 Haziran 2006
7. Muhammad H. Rashid, “Power Electronics –
Circuits, Devices and Applications”, Prentice Hall
Publications.
8. Liuchen Chang, “A solar battery charger with
improved energy utilization”, Canadian Conference
on Electrical and Computer Engineering, 1994
Conference Proceedings. 1994.
9. http://www.portablesolar.co.nz
10. www.mutlu.com.tr
Şekil 8. Bir günlük güneş paneli güç üretim değerleri
3.3. Motor devri ölçümü
Alternatör devrede iken mekanik kayış kasnak ve elektro
motor kuvvetin (EMK) yapmış olduğu yük ile motora artı
bir ilave yük getirmektedir. Bu yükün kaldırılması ile
motor devrinde meydana gelen değişim ölçülmüştür.
Şekil 7’de gösterilen otomobil, vites boşta iken
çalıştırılmış ve alternatör devre dışı bırakılmıştır. Motor
devri rölantideyken 900 dev/dak. değerinden 1100
dev/dak. değerine yükselmiştir. Motorlarda rölanti ayarı
vites boşta iken yapıldığı için normal olarak alternatör
devrede olduğu haliyle ayar yapılmaktadır ve bu ayar
alternatör yükünü de kapsadığı için alternatör devre dışı
bırakıldığında motor devrinde artış meydana gelmiştir.
200 dev/dak. artışın gösterimi Şekil 9’da verilmiştir.
Şekil 9. Motor devri değişimi
4. SONUÇ
Geliştirilen bu sistem sayesinde otomobilin hareketsiz
konumdan ilk harekete geçişleri daha kolay sağlanmıştır.
Ayrıca motor devrinin düşürülmesi ile motor çalışma sesi
azaldığı tespit edilmiştir. Tamamen boş bir batarya ise üç
gün de tam şarj edilebilmiştir. Ayrıca motor çalışmaz
iken alıcıları güneş enerjisi ile beslenilmiştir.
Alternatörün meydana getirdiği kayış kasnak yüklerinin
4
5
Download

taşıt bataryaları için güneş enerjili şarj sistemi