Tekerlekten Elektrik Üretimi

Elektrik teknisyeni 57 yaşındaki Abubekir Taşbaşı elektrikli araçlar için kendi şarjını doldurabilen bir sistem geliştirdi. Motosiklet tekerleğinin içine elektronik bir sistem kuran Taşbaşı, tekerleği döndükçe elektrik üretebilir hale getirdi. Sınırsız elektrik üretebilen sistem, telefon, televizyon ve buzdolabı gibi elektronik eşyaları bağlantı kabloları ile çalıştırıp şarj edebiliyor. Akıllı motosiklet deprem çadırlarında yaşanan elektrik eksikliğini kolayca giderebilecek kadar enerji gücüne de sahip.

Araca birtakım elektronik devre yerleştirerek elektrik üretmesini sağladığını belirten, Elektrik Teknisyeni Abubekir Taşbaşı, “İlk etapta bazı projelerim vardı onları tamamladıktan sonra şarj sorunu ortaya çıktı. Daha sonra ben de kendi kendini şarj edebilen bir sistem kurdum. Motor yolda giderken tekerleğinin dönmesiyle kendi şarjını dolduruyor ve kendi elektriğini kendisi karşılıyor. Tatil bölgelerinde elektrik bulamadığınız zaman motora kablo ile televizyon bağlayıp izleyebilirsiniz. Mini buzdolabı çalıştırabilir ve telefonlarınızı şarj edebilirsiniz. Sınırsız elektrik üretimi sayesinde motor gidebildiği yere kadar durmadan gidiyor. Bir yerde durup şarj etmenize gerek yok. Bir takım elektronik devreler kurarak kendi elektriğini üretmesini sağladım. 48 volt elektrik üretiyordu ben normal şebeke elektriğine çevirdim şimdi volt elektrik üretiyor. Bu araç varken şebeke elektriği kullanmanıza gerek yok bu zaten şebeke elektriği üretiyor” dedi.

“Hem spor yapın hem telefonunuzu şarj edin”

Kask takmadan motorun hareket etmediğini söyleyen Taşbaşı, “Deprem olduğu zaman doğal olarak elektriklerde gidiyor. Evlerde jeneratör de olmayabilir. Dışarıda kurulan çadırların yanına bu motoru çektiğiniz zaman. Telefon, Televizyon ve Buzdolabınızı çalıştırabilirsiniz. Karanlıkta mum kullanmanıza gerek yok bu aracı aydınlatma içinde kullanabiliriz. Yangın çıkma ihtimalide yok. Araç ayrıca kask olmadan çalışmıyor. Kask ve motoru birbirine göre dizayn ettim. Kaskı takmadığınız sürece motor gitmiyor. Ayrıca aracı spor aleti olarak ta kullanabilirsiniz. Pedallarını çevirerek hem spor yaparsınız hem de telefonlarınızı şarj edersiniz. Spor yaparak elektriğinizi karşılayabilirsiniz” diye konuştu.

İHA

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ HAREKETLİ ARAÇ ÜZERİNDE ENERJİ ÜRETİMİ SAĞLAYAN TÜRBİN TASARIMI BURAK TAŞDEMİR LİSANS BİTİRME TEZİ Tez Danışmanı: Prof. Dr. Özden AĞRA İstanbul ÖNSÖZ Bu fikrin ortaya çıkmasında 3 senelik DBF Takımı ekip üyeliğimin edindirdiği bilgi ve becerilerden dolayı DBF Takımının tüm üyelerine teşekkürlerimi sunarım. Bu projenin gerçekleşmesinde tez danışmanım Prof. Dr. Özden AĞRA ve Arş. Gör. Atalay YILDIRIM’a yardım ve katkılarından dolayı sonsuz teşekkürlerimi sunarım. İÇİNDEKİLER SİMGE LİSTESİ 3 ŞEKİL LİSTESİ 4 TABLO LİSTESİ 6 ÖZET 7 1. ENERJİ KULLANIMI 8 Dünya da Enerji Kullanımı 8 Yenilenebilir Enerji Kaynakları 9 Rüzgar Enerjisi 10 2. RÜZGAR TÜRBİNİ KULLANIMI 11 Rüzgar Türbini Çeşitleri 11 Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri 11 Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri 13 Hareketli Araçlarda Rüzgar Türbini Kullanımı 14 Araç Aerodinamiği 14 Sürüklenme Kuvveti 16 Kaldırma Kuvveti 17 Sürüklenme Kuvvetini Azaltmak için Yapılan Çalışmalar 17 Hareketli Araçlarda Rüzgar Türbini İle Enerji Üretim Çalışmaları 19 Araç İçerisine Yerleştirilen Türbin Sistemleri 19 Patent No: US 20 Patent No: US 20 Patent No: US 20 Patent No: US 21 Patent No: US 21 Araç Üzerine Yerleştirilen Türbin Sistemleri 22 Patent No: US 23 Patent No: US 24 Patent No: US 24 Patent No: US 25 Patent No: US 25 Patent No: US 26 ~1~ Patent No: US 26 Patent No: US 26 Patent No: US 27 Patent No: US 27 Yapılan Bazı Çalışmalar 28 3. OTOBÜS ÜZERİNE YERLEŞTİRİLECEK TÜRBİN TASARIMI 33 Otobüs Akış Analizi Çalışmaları 33 Otobüs Akış Analizi 36 4. TÜRBİN TASARIMI 40 Türbin Çalışma Mekanizması 40 Türbin Pervanesi Tasarımı 41 Profillerin Geometrik Özellikleri 42 Profillerin Karakteristik Özellikleri 43 Kaldırma Katsayısı(C l) 43 Sürüklenme Katsayısı (Cd) 44 Tutunma Kaybı (Stall) 44 Kalınlık (Thickness) ve Kamburluk (Camber) 45 Profillerin Karakteristik Grafikleri 46 Kaldırma Katsayısı (Cl) – Hücum açısı (α) 46 Sürüklenme Katsayısı (Cd) – Kaldırma Katsayısı (Cl) 47 (Cl/Cd) – Hücum açısı (α) 48 Downwash 49 Kanat Açıklık Oranı (Aspect Ratio) 50 Profil Seçimi 52 Türbin Kanadı Tasarımı 53 SONUÇ 58 KAYNAKÇA 59 EKLER 61 ~2~ SİMGE LİSTESİ FL (L) : Kaldırma Kuvveti (N) FD (D) : Sürüklenme Kuvveti (N) ρ : Hava Yoğunluğu (kg/m3) V : Bağıl Hız (m/s) A : Projeksiyon Alanı (m2) CD : Kanat Sürüklenme Katsayısı Cd : Profil Sürüklenme Katsayısı CL : Kanat Kaldırma Katsayısı Cl : Profil Kaldırma Katsayısı α : Hücum Açısı (Angle of Attack) Clmaks : Profil Maksimum Kaldırma Katsayısı αs : Tutunma Kaybı (Stall) Açısı α0 : Kaldırma Kuvveti Üretilmeyen Açı Cli : İdeal Kaldırma Katsayısı αCli : İdeal Kaldırma Katsayısı Açısı Clα : Kaldırma Katsayısı Grafik Eğimi t : Profil Kalınlığı c : Veter Uzunluğu ω : Downwash ɛ : Downwash Açısı AR : Kanat Açıklık Oranı (Aspect Ratio) b : Kanat Uzunluğu ~3~ ŞEKİL LİSTESİ Şekil : Dünya‟da Yıllara Göre Enerji Üretimi Şekil : Farklı Kanat Sayılarına Sahip Türbin Çeşitleri Şekil : Çok Kanatlı Rüzgar Türbini Şekil : Dikey Rüzgar Türbinleri Şekil : Hareket Halinde Olan Bir Araç Üzerinde Oluşan Kuvvetler Şekil : Akış Ayrılması ile Sürüklenme Katsayısı Değişimi Şekil : Araç Projeksiyon Alanı Şekil : Araç Arkasında Oluşan Akış Hareketi Şekil : (a) Spoiler ve (b) Akış Düzenleyici Aparat Şekil : (a) Araç Üzerindeki Hava Alıkları, (b) Araç İçindeki Türbin Sistemi Şekil : (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi, (b) Araç İçindeki Hava Yolu Şekil : (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi, (b) Türbin Sistemi Pervane Tasarımı Şekil : (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi ve Akış Hareketi, (b) Araç Önündeki Hava Alığı Şekil : (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi, (b) Araç İçindeki Hava Yolu ve Türbin Tasarımı Şekil : Araç Üzerinden Geçen Akışın Oluşturduğu Basınç ve Hız Dağılımı Şekil : (a) Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi, (b) Hava Yolu Tasarımı Şekil : Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı Şekil : Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı Şekil : Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı Şekil : Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı Şekil : (a) Araç Tavanındaki Türbin Sistemi, (b) Türbin Hava Yolu Şekil : Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Şekil : Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Şekil : (a) Araç Tavanındaki Türbin Sistemi, (b) Türbin Sistemi Tasarımı Şekil : Araç Üzerine Yerleştirilmiş Türbin Sistemleri Şekil : Araç Üzerinde Farklı Konumlara Yerleştirilmiş Türbin Sistemleri Şekil : Türbin Sistemi Yerleştirilmemiş Araç Üzerinde Oluşan Hız Dağılımı Şekil : Türbin Sisteminin Araçlar Üzerinde Oluşturduğu Hız Dağılımı Şekil : (a) Araç Üzerine Yerleştirilmiş Türbin Sistemi, (b) Giriş Hava Alığı Tasarımı Şekil : Türbin Sistemi Pervane Tasarımı Şekil : Kamyon Tavanına Yerleştirilen Türbin Sisteminin Oluşturduğu Akış Hareketi Şekil : Kamyon Tavanına Yerleştirilen Türbin Sisteminin Oluşturduğu Basınç Dağılımı Şekil : Aerodinamik Olarak İyileştirilen Farklı Otobüs Tasarım Modelleri Şekil : Akış Analizi Yapılan Otobüs Modellerinin Akış – Hız Dağılımı Şekil : (Model 5) Otobüs Modeli Şekil : Tasarlanan Otobüs Modeli Şekil : Tasarlanan Temsili Türbin Sistemlerinin Monte Edilmiş Otobüs Modelleri Şekil : Akış Analizi İçin Hazırlanan Rüzgar Tüneli Şekil : Elementlere Ayrılmış Rüzgar Tüneli Şekil : Farklı Sayılarda Yapılan Analiz Değerleri Şekil : Polyhedral Mesh Atılmış Rüzgar Tüneli Şekil : (a) 3 Kanatlı Türbin Tasarımı, (b) Türbin Kanatları Konumları Şekil : 3 Kanatlı Türbin Sisteminde Farklı Açılarda Kanatların Bulunacağı Konumlar Şekil : Kanat Üzerinde Oluşan Kuvvet Bileşenleri Şekil : Profil Geometrik Tanımlar Şekil : Hücum Açısı Değişiminde Stall Oluşumu Şekil : Farklı Kamburluğa Sahip Profillerin Sürüklenme ve Kaldırma Katsayısı Değişimi Şekil : Cl-α Grafiği Tanımlar Şekil : Cl-Cd Grafiği Tanımlar ~4~ Şekil : Hücum Açısı - Cl/Cd Değişim Grafiği Şekil : Uçak ve Profil Üzerinde Oluşan Downwash Açısı Şekil : Kanat Açıklığı Oranı ve Kanat Tasarımı Değişimi Şekil : Profil ve Kanat Tasarımlarında CL Katsayısı Değişimi Şekil : Seçilen 11 Adet Profilin Aerodinamik Grafikleri Şekil : Seçilen 3 Adet Profil Kullanılarak Tasarlanan Kanatların Aerodinamik Grafikleri Şekil : Farklı Açılarda Konumlandırılan Türbin Kanatları Şekil : Türbin Kanatlarının Otobüs Üzerine Monte Edilmiş Hali Şekil Türbinsiz Otobüs Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Vektörel ve (b) Streamline Görseli Şekil 30o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil 60o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil 90o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil 30o ve 60o Derecede Konumlandırılan Kanatlarda Akış Hız Dağılımı Şekil 90o ve o Derecede Konumlandırılan Kanatlarda Akış Hız Dağılımı ~5~ TABLO LİSTESİ Tablo Farklı Türbin Yerleşim Yerlerinde Elde Edilen Sürüklenme Katsayıları Tablo Farklı Konumlarda Yapılan Analiz Sonuçları Tablo Analiz Sonucunda Elde Edilen Değerler 1 Tablo Analiz Sonucunda Elde Edilen Değerler 2 Tablo Analiz Sonucunda Elde Edilen Değerler 3 ~6~ ÖZET Günümüzde enerji kullanımı ve ihtiyacı fazla artmış olup sürekli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Gelişen teknoloji ve imkanların artışıyla çeşitli ihtiyaçları karşılamak için enerji kullanımı yaygınlaşmış sosyal hayatın bir parçası olmuştur. Enerji ihtiyacının karşılanmasında fosil yakıt kullanımı büyük orana sahiptir. Fosil yakıtların kısıtlı rezerv ve çevresel etkilerinden dolayı sürdürülebilir enerji kaynağı olarak görülmemektedir. Bu nedenle enerji üretiminde çevreci ve sürdürülebilir enerji kaynakları ortaya çıkmış yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları kullanımı artarken verim artışıyla sosyal hayat içerisinde kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Elektrik enerjisinin üretildiği kaynaklar vasıtasıyla enerji ihtiyacı karşılanmakta olup fosil yakıtlar yerine yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim artmaktadır. Fosil yakıt tüketen araçlarında elektrikle çalışması bu dönüşümde önemli bir yer tutmaktadır. Özellikle şehirlerde araçların gaz salınımıyla yaşam kalitesini düşürdüğü ve havayı kirlettiği bilinmektedir. Elektrik kullanımına geçiş aşamasında elektrikli araç tasarımı ve teknolojisi öne çıkmaktadır. Bu çalışmanın amacı da elektrikle çalışabilen otobüslerde enerji ihtiyacını karşılamak için türbin tasarlamaktır. Toplu taşımada sürekli kullanılan otobüslerin elektrikli olarak kullanılması zararlı gaz salınımında büyük miktarda azalış olacağı düşünülmüştür. Proje kapsamında tasarlanacak türbin otobüs üzerine yerleştirilmiş olup araç hareketi esnasında oluşan akış enerjisinden elektrik üretimi amaçlanmıştır. Otobüslerin ölçülerinin belirli bir büyüklükte olması nedeniyle sürüklenme kuvveti oluşumu daha fazla olmaktadır. Türbin tasarımında elektrik üretimi sağlamanın yanında türbin sisteminin oluşan sürüklenmeyi azaltması hedeflenmiştir. Bu nedenle türbin, otobüs arka-üst bölgesine yerleştirilmiş, akış ayrılmalarından oluşan hareketten enerji üretmesi ve akışı türbülansı azaltacak şekilde aşağı basması düşünülmüştür. Türbin tasarımında iki boyutlu profillerin karakteristik özelliklerinden yararlanılmış olup kanatların aynı hücum açısında hareket etmesi düşünülmüştür. Türbin pervanelerinin dönme hareketi esnasında akışkan havayı aşağı yönlendirmesiyle enerji üretimi sağlanacaktır. Bu tezi kanıtlamak için profil seçilerek tasarlanan 3 adet kanadın farlı konumlarda sürüklenme ve kaldırma kuvveti değişimi araştırılmıştır. Analiz sonuçlarında otobüs toplam sürüklenme kuvvetinin minimum düzeyde değişerek türbin kanatlarında tork elde edebilecek kuvvetlerin oluşması başarı şartıdır. Türbinin dönme hareketi, farklı kanat konumlarında kaldırma kuvveti ve sürüklenme kuvvetinin fazla olması ile sağlanacaktır. Bu çalışmada otobüse türbin eklenmeden önceki ve sonraki modellerde kuvvetlerin nasıl ve ne kadar değişeceği incelenecektir. Hareketli araçlarda türbin kullanılarak araç enerjisinin yine aracın oluşturduğu akış hareketinden sağlanması ve sürdürülebilir enerji kaynağı olarak kullanılması büyük önem taşımaktadır. Türbinden elde edilen enerjinin araç hareketinde yeteli kapasite oluşturması veya mevcut kapasiteden daha uzun süre kullanım sağlanması, araç üzerine türbin yerleştirme mantığının karşılığıdır. Farklı bir türbin tasarımı, elektrikli araçlarda enerji ihtiyacının karşılanmasıyla çevreci ve sürdürülebilir kaynak olarak sektörde yeni bir alan açabilir. Projeden elde edilecek sonuçlar, türbin tasarımlarında, araç enerji ihtiyacının karşılanmasında verimli bir çözüm olarak teknoloji gelişimine katkı sağlayacaktır. Anahtar Kelimeler: Hareketli Araçlarda Türbin Kullanımı, Rüzgar Türbini, Sürdürülebilir Enerji ~7~ 1. ENERJİ KULLANIMI Dünya da Enerji Kullanımı Dünya üzerindeki insan nüfusunun ve teknolojik araçların artmasıyla enerji talebi sürekli olarak artmaktadır. Enerji kullanımı sanayi devriminden sonra hızlı artış göstererek çeşitli enerji üretim yöntemleri keşfedilmiş, yaygınlaşmıştır. Enerji üretiminde uzun süredir fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğalgaz) kullanılmaktadır. Enerji ihtiyacını karşılamak ve üretimi artırmak için çeşitli çalışmalar yürütülmüş, verimlilik artışıyla fosil yakıtlardan elde edilen enerji kullanımı yaygınlaşmıştır. Enerji kullanımında sosyal yaşam içerisinde duyulan ihtiyacın artması ve yaşam standartlarının yükselmesi etkili olmuştur. Özellikle taşımacılık, ısınma ve enerji harcayan makinelerin kullanımı artmıştır. Bireyselleşen ihtiyacı karşılamaya yönelik teknoloji gelişiminin sürdürülmesiyle beraber enerji ihtiyacı daha büyük bir ivme ile artmıştır. Fosil yakıtların kullanımı günümüze dek yaygınlaşmış ve sosyal hayatta vazgeçilmez ihtiyaçları besler hale gelmiştir. Fakat fosil yakıt rezervlerinin sınırlı olması, bazı kaynakların üretilebilir olmaması, kullanıma uygun hale getirilmesinin verimsiz ve zor olması yakıt kullanımının sürdürülebilir olamayacağını göstermektedir. Ayrıca fosil yakıt kullanımından kaynaklı doğaya zarar veren etkiler ortaya çıktıkça yeni enerji üretim teknik ve yöntemlerin keşfedilmesi zorunlu hale gelmiştir. Bu zorunlulukta, fosil yakıt rezervlerinin bulunup ortaya çıkarılmasında işleme maliyetinin giderek artışı önemli bir faktördür. yılında toplam enerji üretimi milyon TEP (milyon ton eşdeğer petrol) olarak hesaplanmıştır. Bu üretimin büyük bir kısmı fosil yakıt kullanımıyla gerçekleştirilmiştir.[1] Fosil yakıtlardan enerji üretimi günümüzde %87‟lik oranla hala büyük paya sahip olup kalan yüzdelik dilim ise nükleer enerji ve yenilenebilir enerji kaynakları kullanımını ifade etmektedir. Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji üretiminde kabul edilmesi ve yaygınlaşmasına rağmen enerji talebinde, %40 oranında fosil yakıtlar için yapılan yatırımlar, %35 enerji verimliliği yatırımları ve %11 oranında yenilenebilir enerji kaynaklarına yatırım yapılmaktadır[2]. Fosil yakıtların uzun süredir kullanımından sonra farklı enerji kaynaklarına yönelim devam etmekte olup üretim maliyetlerinin düşürülmesiyle endüstri çerçevesinde daha fazla yer alacaktır. Bu yenilenebilir kaynaklar arasında ağırlıklı olarak nükleer, rüzgar, biokütle, jeotermal ve dalga enerjisi kullanımı yaygınlaşmaktadır. Teknolojik araştırma ve gelişmeler enerji maliyetini düşürmek, ulaşılabilirliği ve kullanılabilirliği artırmak üzerine yoğunlaşmaktadır.[2,3] ~8~ Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, güneş enerjisi ve biokütle enerjisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Doğal yollarla meydana gelen hareket, kimyasal veya güneş enerjisini kullanılabilir hale getirilmektedir. Bu enerji yöntemlerinin belirli rezerv kaynağı olmaması ve kullanılabilirlik alanlarının geniş olmasından dolayı tercih sebebidir. Yenilenebilir enerji kaynakları doğal yollarla oluşan bazı durum ve enerjilerin kullanılabilir hale getirilmesiyle fosil yakıtların yerini almaktadır. Kısıtlı rezerv ve çevreye zararlı etkilerinin olmamasından dolayı sonsuz enerji veya sürdürülebilir enerji olarak adlandırılırlar. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılabilir hale gelmesinde teknolojik gelişmeler önem arz etmekte ve gelişen teknoloji verimlilik, ulaşılabilirlik ile bireysel kullanıma sunulmaktadır. Günümüz enerji kullanımında, 1 Ocak tarihine kadar Dünya‟da elektrik enerjisi üretim miktarı ,7 Terewattsaat (Twh) olarak kayıtlara geçmiş olup bu miktarın %22,9‟lik oranı yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan üretimi ifade etmektedir.[3,4] Şekil ‟ de yer alan grafik tarihinde OECD tarafından yayınlanmış enerji üretiminin yıllara göre değişimi ve öngörülerini ifade etmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaşması ve teknolojinin gelişmesiyle daha fazla enerji üretimi olacağı öngörülmektedir. Grafikten yılına doğru hidrolik ve rüzgar enerjileri kullanımının daha fazla artacağı anlaşılmaktadır. Şekil Dünya‟da Yıllara Göre Enerji Üretimi (TWh/yıl) Yenilenebilir enerji kaynakları elektrik enerjisine dönüştürülerek depolanmakta ve kullanılmaktadır. Elektrik enerjisi günümüzde kullanılan alet ve makinelerin çalışmasında kullanılmakta olup bunlar ~9~ arasında ısınma, aydınlatma, ulaşım, haberleşme ve sanayi alanlarında ağırlıklı olarak kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi kullanımı diğerlerine göre daha çevre dostu olarak görülmekte, üretim teknik ve verimliliklerini artırma amaçlı çalışmalar yoğunluk kazanmaktadır. Dünya üzerinde farklı sıcaklıklara sahip bölgelerde, sıcaklık farklarından kaynaklı oluşan basınç farkı rüzgar oluşumuna neden olmaktadır. Güneş var oldukça Dünya‟yı ısıtacağı meydana gelen farklı sıcaklıkların rüzgar oluşturacağı bir gerçektir. Güneşin varlığı rüzgar ve güneş ışığından faydalanılarak enerji üretimine olanak sağlamaktadır. Dünya üzerindeki her bölge güneş ve rüzgar enerjisinden faydalanabilir olduğu için bu enerji kaynakları diğerlerine göre daha elverişli ve sürdürülebilir olarak ifade edilmektedir. Kullanım alanlarının ve yaygınlaşmasının öngörülmesi bu kaynaklardan enerji üretim yöntemlerinin hızla artmasına ve farklı çözümler üretilmesine neden olmaktadır[4]. Rüzgar Enerjisi Sıcaklık ve basınç farkından kaynaklı oluşan rüzgar enerjisi, Dünya‟nın her yerinde oluşan ve belirli hızlarda düzenli olarak gerçekleşen bir enerji kaynağıdır. Rüzgar enerjisi atmosfer içerisinde serbest ve bazı bölgelerde düzenli olarak oluşmakta olup çevreye zararlı etkisi bulunmamaktadır. Rüzgar enerjisinden faydalanma uzun süre önce fark edilmiş, yelkenli gemilerde ve yel değirmenlerinde kullanılmıştır. Zamanla rüzgar gücü tahıl öğütme, su pompalama, ağaç kesme işlerinde kullanılmaya başlanmıştır. Günümüz teknolojinde farklı türbin sistemleriyle mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek mümkündür. Rüzgar enerjisi rüzgar türbinleri vasıtasıyla kullanılabilir elektrik enerjisi haline getirilmektedir. Aerodinamik kanat tasarımına sahip türbinler, mekanik enerjinin türbin kanatlarını döndürmesiyle elektrik enerjisi üretirler. Türbin kanadında iki boyutlu profil kullanımıyla kaldırma ve sürüklenme kuvveti oluşur. Oluşan bu kuvvetler türbin kanatlarına hareket sağlayarak dönmesine neden olurlar. Türbin performansı; kanat profili, kanat ve mekanizmaların tasarımıyla değişmekte olup verimlilik için önemli etkenlerdir. [5] ~ 10 ~ 2. RÜZGAR TÜRBİNİ KULLANIMI Rüzgar Türbini Çeşitleri Türbin kullanımının tek düze devam ettiği yüzyıla kadar benzer tasarımlar yerel olarak kullanılmıştır. Sanayi ve endüstri devriminden sonra enerji ihtiyacı artarak çeşitli arayışlara gidilmiş rüzgar enerjisinin potansiyeli fark edildikçe çeşitli çalışmalar ve tasarımlar ortaya çıkmıştır. Günümüzde kullanım ve verimlilik olarak öne çıkan türbin çeşitleri 2 grupta ifade edilmektedir:  Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri  Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri Yatay Eksenli Rüzgar Türbinleri Yatay eksenli rüzgar türbinleri (YERT), rotor ve elektrik üreten bir jeneratöre sahiptir. Dönme ekseni rüzgar yönüne paralel olup kanatlar rüzgar yönüne dik olarak konumlanır. Genel kabul görmüş tasarımlarda kanatlar türbinin üst kısmında bulunarak rüzgardan daha fazla faydalanılmaktadır. Türbin arkasında türbülans oluşumu gerçekleşmektedir. Türbinler yerden belirli bir mesafede bulunarak düzenli akışı yakalamaya çalışır. Akış düzenli oldukça verim artmaktadır. Yükseklik tayininde yerel bölgenin rüzgar durumu doğal etkenler ve akışın düzeni göz önüne alınır. Doğal yaşamın bozulmamasına yönelik kuşların göç yolları gibi yerlere kurulumundan kaçınılmaktadır. Çeşitli etkilere uyarıcı olarak bir takım önlemler ile oluşabilecek kötü sonuçlara karşı tedbir alınmaktadır. Yükseklik ve büyüklük artışında kanat ve türbin yapısal malzemesinin güvenirliği ve sağlamlığı önem arz etmekte olup kanat tasarımlarında esneklik ve sağlamlık öncelikli malzeme seçim kriterleridir. Türbinler akışı karşıdan alıyorsa „upwind‟, eğer kule ekseninin arka kısmından akış alıyorsa „downwind‟ olarak adlandırılmaktadır. Günümüzde kullanılan yatay türbinlerin % aralığında verimlilik ile mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çevrilmektedir. Düzenli akışı yakalamaları için çevre engellerinden yaklaşık 10m yükseklikte konumlandırılırlar. Yerden yaklaşık m yüksekliklere yerleştirilen türbin sistemleri yaygın kullanılmaktadır. ~ 11 ~ Şekil Farklı Kanat Sayılarına Sahip Türbin Çeşitleri Yatay eksenli rüzgar türbin tasarımlarında farklı sayıda kanatlara sahip türbinler üretilmiştir. Kanat sayılarına göre tek kanatlı, çift kanatlı, üç kanatlı ve çok kanatlı rüzgar türbinleri olarak sınıflandırılmaktadır. Şekil ‟ de tek, çift ve üç kanatlı türbinler verilmiştir. Tek kanatlı rüzgar türbinlerinde kanat sayısına göre dönme hızının yüksek olması, makine kütlesinin ve rotorun döndürme momentini azaltmaktadır. Tek kanatlı olması kanat mekanizmasının zorlanmasına neden olur. m/s hıza ulaşan uç kısmından dolayı aerodinamik gürültü seviyesi yüksektir. Çift kanatlı rüzgar türbinleri tek kanatlılara göre daha dengeli ve verimlidir. İki kanatlı rotorun sebep olduğu düzensiz dinamik hareketleri önlemek için teknik güç ve maliyetin artması yaygınlaşmamasında etkilidir. Kanat uç hızlarının yüksek olması gürültüye neden olur. Çeşitli dezavantajlarından dolayı yaygınlaşmayıp belirli sektörlerde kullanılmıştır. Üç kanatlı türbinler en çok yaygınlaşan türbin tasarımıdır. Dönme momentinin düzgün oluşu ve salınım yapan atalet momenti olmadığından hub maliyet için azaltıcı önemli faktörlerdir. Kanat uç hızının düşük olması gürültü azaltıcı etken olarak önemli bir avantajdır. Belirli hız aralıklarında çalışması daha verimli olmakta ve bazı düşük hızlarda güç problemi ortaya çıktığı için belirli hız aralıklarında kullanılmaktadır. Türbin yerleşiminden önce rüzgar rejimi ölçülerek belirlenen hız aralık ve yoğunluklarına sahip yerlere kurulur. Çok kanatlı rüzgar türbinleri, türbinlerin kullanılan en eski halidir. Su pompalamada kullanılan bu türbin sistemleri, moment gereksiniminin fazla olmasından dolayı çok kanatlı türbin olarak kullanılmıştır. Türbinler akışı karşıdan alacak şekilde arkadaki yönlendirici yardımıyla hareket eder, bu sayede verim artırılmış enerji üretimi verimli hale getirilmiştir. ~ 12 ~ Şekil Çok Kanatlı Rüzgar Türbini Dikey Eksenli Rüzgar Türbinleri Dönme eksenleri rüzgar yönüne dik ve düşey olan türbin çeşididir. Rüzgar yönü fark etmeksizin akışı her açıdan alarak hareket ederler. Her yönden akış alabildiği için kullanımı daha yaygın ve geniştir. Küçük ebatlarda kullanımı bireysel kullanımlar ve gereksinimleri karşılamakta olup verimlilik artışı için çalışmalar sürdürülmektedir. Dikey eksenli türbinler arasında 2 yaygın türbin öne çıkmaktadır bunlar Darrieus ve Savonius olarak adlandırılırlar. Darrieus rüzgar türbini verimliliği yüksek, yüksek hızlarda çalışabilen 2 veya 3 kanatlı olarak kullanılabilir. Rotorun kalkınma torku yüksek olduğundan üretilmek istenen enerji miktarına göre maliyet artmaktadır. Kulenin sabit olması verimlilik açısından önemli olup dayanıklı hale getirilmesinde ek önlemler alınmak zorundadır. H rotor türbin sistemi Darrieus türbin sistemlerinin biraz farklı tasarıma sahip çeşididir. Türbin ebadına göre mukavemet ve sağlamlık açısından maliyeti daha düşüktür. Şekil Dikey Rüzgar Türbinleri ~ 13 ~ Savonius rüzgar türbini, iki yatay disk arasına yerleştirilmiş ve merkezleri birbirine göre simetrik olarak kaydırılmış, iki yarım silindirden oluşan kanatlar vasıtasıyla dönme hareketi sağlanmaktadır.[5,6] Hareketli Araçlarda Rüzgar Türbini Kullanımı Araç Aerodinamiği Aerodinamik, hareket halinde olan akışkanın araç üzerinde meydana getirdiği kuvvet ve moment oluşumunu tanımlayan bir alandır. Hareket halinde olan bir araç üzerinde sürüklenme kuvveti (Drag), kaldırma kuvveti (Lift) ve moment (Pitching) oluşmaktadır. Hareket halinde olan araç akışa maruz kaldığı için bu kuvvetlerin oluşumu kaçınılmaz olup araç performansı etkilenmektedir. Şekil Hareket Halinde Olan Bir Araç Üzerinde Oluşan Kuvvetler Araç üzerinde meydana gelen akışkan etkileri Şekil ‟te görselleştirilmiştir. Şekilde aracın rüzgara direk temas ettiği yüzeylerde sürüklenme (Drag) kuvveti oluşumu, kırmızı ve sarı okların yoğunlaşmasıyla gösterilmiştir. Kaldırma kuvvetinin (Lift) ise aracın akışkana karşı direnç göstermeyen yüzeylerde oluştuğu görülmektedir. Aracın arka kısmında kaldırma kuvvetinin ve sürüklenme kuvvetinin arttığı görülmektedir. Arka kısmında oluşan yüksek hız düşük basınç etkisi, sürüklenme ve kaldırma kuvvetlerinin artmasına neden olmaktadır. Araç aerodinamiği, araç geometrisi, şekli ve oluşan kuvvetler ile değişiklik gösterir. Araç aerodinamiğini etkileyen önemli kaynaklar şunlardır: Gövde direnci: Basınç dağılımının yatay bileşeninden dolayı oluşur. Akışın bölgesel olarak hızlanması veya yavaşlamasına neden olan ve akış yönünü değiştiren her yapısal veya hareket gövde direncinin artışına neden olur. ~ 14 ~ Akışkan direnci: Akış ayrılması, türbülans oluşumu ve kaldırma kuvvetinden dolayı meydana gelir. İç hava akımı: Taşıt sistemi içindeki boşluklarda havanın dolaşmasından dolayı oluşur. Tekerleklerin hareketinden dolayı aracın alt kısmından geçen akış bozulur ve direncin artışına neden olur. Akışkan direnci, toplam direnç miktarının yaklaşık %85‟ini oluşturur. Aerodinamik alanındaki çalışmalar, araç tasarımıyla bu direnç miktarının azaltılmasına yöneliktir. Akış direnci, aracın arka tarafındaki kesit alanının ani değişkenlik göstermesinden dolayı oluşan düşük basınç bölgesinde akışın yavaşlayarak bozulması türbülans oluşumuna neden olur. Hava akışının araç üzerinden aniden ayrılmasına Ayrılma Çizgisi (Separation Line) adı verilir. Akış ayrılmasının ani oluşmasıyla akışkan düzeni bozularak türbülansa dolayısıyla sürüklenme kuvvetine neden olur. Akış ayrılmalarının yaşandığı kısımlarda, hareketin daha yumuşak ve düzenli olması sağlanarak türbülans oluşumunun azaltılması amaçlanmaktadır. Şekil ‟te verilen görselde otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan Ahmed Body isimli model üzerinde akış ayrılmasına yönelik yapılan çalışma yer almaktadır. Çalışmada Slant Angle adı verilen bir açı tanımı kullanılarak araştırma gerçekleştirilmiştir. Aracın arka kısmının kesilerek oluşturulan yüzeyin tavan yüzeyi ile arasında kalan açıyı ifade etmektedir. dereceleri arasında farklı tasarımlar analiz edilerek sürüklenme katsayısı (Drag Coefficient) değişimi incelenmiştir. Şekil a‟ da akış ayrılma çizgisi mavi renkte, hava kabarcıkları ise kırmızı renkte ifade edilmiştir. Mavi renkte gösterilen oklar ile akışkan hareketi görselleştirilmiştir. Şekil b‟de ise Slant açısının değişimi ile akış arkasında oluşan akış ayrılması ve hava kabarcıkları görülmektedir. Sürüklenme katsayısı (Drag Coefficient) ile slant açısı grafiğinden anlaşılacağı gibi sürüklenme katsayısı 12 derece slant açısına kadar düşüş göstermiş daha sonrasında açı arttıkça sürüklenme katsayısı da artmıştır. Farklı araç tasarımlarında araç geometrisine göre minimum sürüklenme kuvveti oluşturacak slant açısı farklılık göstermektedir. Slant açısının değişimi ile sürüklenme katsayısı değişimi görsellerle ifade edilmiş olup tek bir açı değişimi ile aerodinamik özelliklerin ne kadar değişiklik gösterebileceği anlaşılmaktadır. Tasarım sürecinde olan araçlarda bu kuvvetlerin oluşma miktarı ve tasarımsal kriterler bilgisayar programları vasıtasıyla analiz edilebilmektedir. En uygun tasarıma ulaşmak için farklı tasarıma sahip modellerin akış analizleri karşılaştırılarak optimum tasarım elde edilmektedir. Araç üretiminden önce seçilen modelden prototip üretilerek rüzgar tünelinde akış testleri yapılmakta ve analizlerin geçerliliği kanıtlanarak doğrulanmaktadır.[7,8] ~ 15 ~ Şekil Akış Ayrılması ile Sürüklenme Katsayısı Değişimi[9] Sürüklenme Kuvveti Sürüklenme kuvveti, aracın hareketine ters yönde araç hareketine karşı direnç oluşturmaktadır. Bu direnç, motorun sağladığı kuvvet ile karşılanmaktadır. Direnç artışı motorun daha fazla kuvvet oluşturması anlamına gelmektedir. Bu nedenle sürüklenme kuvveti artışı yakıt kullanımının artışı ile daha fazla yakıt harcanmasına neden olur. Günümüz araç üretici firmaları bu konuda tasarladıkları araçların, aerodinamik özellikleri daha iyi, yakıt kullanımı ve CO 2 emisyonu daha az ürünler olması için çalışmaktadırlar. Sürüklenme kuvveti Eşitlik bağıntısıyla hesaplanır: FD = (0,5) . ρ . V2 . A . CD () ~ 16 ~ FD : Sürüklenme Kuvveti ρ : Hava Yoğunluğu (1, kg/m3) V : Bağıl Hız CD : Sürüklenme Katsayısı A : Taşıt Kesit (Projeksiyon) Alanı Şekil Araç Projeksiyon Alanı Kaldırma Kuvveti Araç hareketinde oluşan diğer kuvvet ise kaldırma kuvvetidir. Kaldırma kuvveti daha çok uçakların yerçekimine karşı koymakta kullanılan ve fazla olması istenen bir kuvvettir. Fakat araçlarda düşük kaldırma kuvveti istenmekte olup aracın yere basmasıyla araç kontrolünün sağlanması istenmektedir. Negatif kaldırma kuvvetinin fazla olması halinde teker ile yol arasındaki sürtünme kuvvetinin artışı yakıt kullanımını artırmaktadır.[7,33] FL = (0,5) . ρ . V2 . A . CL () CL : Kaldırma Katsayısı FL : Kaldırma Kuvveti Araç hızının artışı ile tavan bölgesinde basınç düşüşü yaşanmaktadır, aynı zamanda aracın alt kısmında oluşan yüksek basınç aracın kaldırma kuvvetini artırmaktadır. Kaldırma kuvvetinin fazla olması yol tutuşunu azalmaktadır. Sürüklenme Kuvvetini Azaltmak için Yapılan Çalışmalar Sürüklenme kuvveti oluşumunda Eşitlik ()‟de A ifadesi projeksiyon alanını (Şekil ) temsil etmektedir. Araçlarda CD‟nin azaltılmasında öncelikli olarak aracın projeksiyon alanını düşürmeye yönelik çalışmalar sürdürülmektedir. Bu çalışmaları kısıtlayıcı olarak kullanıcı (insan) ebatlarının belirli bir yer kaplayacak olması temel faktördür. İnsan faktörü, araç tasarımında ebat olarak belirli bir hacim ve alanın altına inilmesini engellemektedir. Ayrıca güvenlik, taşımacılık ve konfor gereksinimleri etkili olduğu için projeksiyon alanı belirli bir oranda azaltılabilmektedir. Ağırlıklı olarak sürüklenme kuvvetini oluşturan akışkan direncini azalmaya ve C D değerini düşürmeye yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Bu konuda araç arka kısmında oluşan akış ayrılmasını azaltmaya yönelik tasarımsal iyileştirmeler ağırlık kazanmaktadır. Araç arka kısmında tavan ile arka ~ 17 ~ cam arasındaki geçişlerin daha yumuşak ve düzenli olması (Şekil ‟te ifade edilmişti), tampon tasarımında geçişlerin daha yuvarlak olması ve farklı parçaların birleşiminin daha düzenli, akışı bozmayacak şekilde üretilmesi direnci düşürmektedir[7,8]. Şekil ‟ de akış ayrılması yaşanan bölgede yapılan farklı tasarımlarda akışkan hareket değişimi görselleştirilmiştir. Şekil Araç Arkasında Oluşan Akış Hareketi Araç arkası türbülans oluşumu ve akış ayrılmalarına yönelik diğer bir çalışma ise araç arkasına spoiler yerleştirilmesidir. Bu çalışmalarda aracın projeksiyon alanı değişmemiş olup sürüklenme kuvveti azalmakta yol tutuşu artmaktadır. Araç üzerine yerleştirilen bazı ek aparatlar sayesinde daha düzgün akış ile sürüklenme kuvveti düşmektedir. Şekil ‟de (a) spoiler ve (b) akış düzenleyici aparat örnek olarak verilmiştir. Şekil (a) Spoiler ve (b) Akış Düzenleyici Aparat Araç üzerinde çeşitli tasarımsal ve donanımsal düzenlemeler sürüklenme kuvvetini azaltmaktadır. Bunlar arasında; aracın ön tampon tasarımının yuvarlatılmış olması, birleştirilmiş parçaların akışı bozmayacak şekilde üretilmesi ve montajı, ön cam konumu ve tasarımının akışı olabildiğince az engelleyerek tavan kısmına yönlendirebilecek bir tasarıma sahip olması, tekerleklerin etrafına yerleştirilen akış düzenleyici aparatların kullanımı ve aracın taban kısmının olabildiğince düzgün olması önemlidir. [8,9] ~ 18 ~ Hareketli Araçlarda Rüzgar Türbini İle Enerji Üretim Çalışmaları Tez konusu olan hareketli araçlarda rüzgar türbini ile elektrik üretimi konusunda çeşitli çalışmalar yapılmış ve patentler alınmıştır. Literatür araştırması sonucunda genel çalışmaları iki grupta sınıflandırarak açıklanmıştır. Araç içerisine türbin sistemi yerleştirilerek yapılan çalışmalar ve araç üzerine yerleştirilerek yapılan çalışmalar olarak ele alınmıştır. Araç İçerisine Yerleştirilen Türbin Sistemleri Araç içerisine yerleştirilen türbin sistemlerinin ortak mantığı projeksiyon alanının sabit tutarak aracın yapısal parçalarının maruz kaldığı akışı değerlendirmek üzerine kurulmuştur. Aracın ön tampon bölgesi, yan yüzeylerdeki bazı bölgeler ve taban kısmına yerleştirilen farklı tasarımlarda hava alıkları yardımıyla akışın türbin üzerine yönlendirilmesi amaçlanmıştır. Otomobillerin yaygınlaşmasıyla fosil yakıtlardan farklı enerji kullanımı için elektrikli araçlar düşünülmüş ve elektrik üretiminin araç üzerinde bulunan türbin vasıtasıyla araca gelen akıştan elde edilmesi düşünülmüştür. Hareket esnasında üretilen elektrik enerjisinin bataryalarda muhafaza edilerek ihtiyaç süresince kullanılması, araç üzerine türbin yerleşiminin temel mantığıdır. Elektrik ile çalışan araçlara yönelik kullanımın geliştirilmesi ve enerji ihtiyacının sürekli karşılanması düşünülmüştür. Araç hareketinden enerji üretimi sayesinde depolanan enerji kapasitesinden daha fazla kullanım imkânı yaratmaktadır. Bu amaçla başlanan çalışmaların en iyi sonucu, aracın harcadığı enerjiyi türbin ile geri kazanması durumudur. Bu durumda bataryada bulunan enerji miktarının kullanılması aynı zamanda doldurulması ile sonsuz döngü sağlanmaktadır. İlk enerji depolanmasının ardından harici elektrik kullanımı olmadan aracın kendi enerjisini üretmesi anlamına gelmektedir. Fakat araç tasarımları ve verimlilik göz önüne alındığında aracın sürekli ihtiyacını karşılaması yerine harici elektrik ihtiyacının bir kısmını üretmesi muhtemeldir. Literatür araştırmasında bu düşünce ile alınmış patent ve yapılan çalışmalar incelenmiş olup birbirinden farklı türde tasarımlar görseller yardımıyla açıklanmıştır. ~ 19 ~ Patent No: US Şekil a‟ da aracın ön ve yan kısmında bulunan hava alıkları (40,56,52,70c) havanın türbin sistemine girişini sağlamaktadır. Şekil b‟ da akış, ve numaralı hazneye aktarılarak yatay türbin (62) üzerine yönlendirilmektedir. Akış hızını artırmak amacıyla 36 numaralı nozul daralan bir şekilde tasarlanmıştır. Türbin hareketi ile jeneratör de elektrik üretimi gerçekleştirilip bataryalara aktarılmaktadır.[10] Şekil (a) Araç Üzerindeki Hava Alıkları, (b) Araç İçindeki Türbin Sistemi Patent No: US Bu çalışmada araç ön tamponuna geniş bir hava alığı yerleştirilerek havanın türbin üzerine yönlendirilmesiyle enerji üretimi amaçlanmıştır. Şekil ‟da hava kanalının daralarak araç alt kısmından arka kısma uzandığı ve arka tampon kısmında açıldığı görülmektedir. 19 numaralı parça yatay eksenli rüzgar türbini olup hareket enerjisini alacak kanatlara sahiptir. Hava çıkış konumu, türbini hareket ettiren havanın türbülans oluşumunu azaltması amacıyla arka tampon bölgesine yerleştirilmiştir. Bu sayede türbine hareket veren hava aynı zamanda aracın sürüklenme kuvvetini azaltmaktadır.[11] Şekil (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi, (b) Araç İçindeki Hava Yolu Patent No: US Şekil b‟de farklı bir tasarıma sahip rüzgar türbini verilmiştir. Aracın ön tamponuna yerleştirilmiş hava alığından (8A) hava giriş yaparak arka kısımda bulunan rüzgar türbini (9) üzerine yönlendirilmektedir. Türbin tasarımında kanat tasarımı karşıdan gelen hava ile farklı yönlere dönecek şekilde yapılmıştır. Araca gelen akışın türbine yönlendirilmesi için tasarlanan hava ~ 20 ~ tünelinin kabin iç tasarımını etkilediği ve daralttığı görülmektedir. Çıkış alığı ise arka tampona yerleştirilerek türbülans oluşumu azaltılmaya çalışılmıştır.[12] Şekil (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi, (b) Türbin Sistemi Pervane Tasarımı Patent No: US Bu çalışmada hava alığı ve türbin sistemi ön tampon bölgesine yerleştirilerek akışın türbin üzerine bozulmadan yönlendirilmesi sağlanmıştır. Şekil a‟da 20 numaralı hava alığından giren akış ,su çarkı mantığı ile çalışan türbinin yarım alanına yönlendirilerek pervaneyi döndürmektedir. Türbin dönme hareketini 30 numaralı jeneratöre ileterek elektrik üretimi sağlanır. Rüzgar türbinini terk eden hava ön tekerleklerin arka kısmına yerleştirilen hava alığından aracı terk etmektedir.[13] Şekil (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi ve Akış Hareketi, (b) Araç Önündeki Hava Alığı Patent No: US Şekil a‟da görüldüğü gibi araç ön tampon kısmına yerleştirilmiş silindir şeklinde hava alığı mevcuttur. numaralı açıklıktan hava girerek silindir hava tünelinden (Şekil b) pervane üzerine yönlendirilmektedir. Hava tüneli içerisine yerleştirilmiş 2 spiral kanat, akışı düzenlemesi ve pervane verimini artırıcı hareketi sağlaması amacıyla tasarlanmıştır. Üretilen enerji bataryalara iletilerek depolanırken pervaneyi terk eden akış aracın alt arka kısmından aracı terk etmektedir.[14] ~ 21 ~ Şekil (a) Araç İçerisindeki Türbin Sistemi, (b) Araç İçindeki Hava Yolu ve Türbin Tasarımı Yapılan çalışmalar genel olarak ön tampona yerleştirilen hava alıkları ile rüzgarın türbin üzerine yönlendirilmesi üzerine yapılmıştır. Bu tercihin ana sebebi aracın akış ile karşılaştığı ilk bölge olup akışın düzenli halini kullanarak enerji üretme düşüncesidir. Araçların görev misyonu ile kullanım amacını karşılaması için belirli parça ve mekanizmaların araç içerisinde bulunması kaçınılmazdır. Bu nedenle araç tasarımları belirli hacim ve alana sahip olmaları gerekmektedir. Hacim ve alan artışı sürüklenme kuvvetini etkilemekte dolayısıyla yakıt sarfiyatını artırmaktadır. Araç içerisine konumlandırılan sistemlerde, akışı türbine ulaştıran hava yollarının tasarımı akışın bozulmasına neden olmakta ve verimliliği düşürmektedir. Keskin kenarlar, akış yönünü değiştirici tasarımlar ve araç içerisindeki yerleşim yerleri dezavantaj olarak ifade edilmektedir. Türbin verimliliğinin %56 olduğu ve ifade edilen dezavantajlar göz önüne alındığında araç içerisine türbin yerleşim çalışmalarının yoğunluk kazanmaması ve yaygınlaşmaması kaçınılmaz hale gelmiştir. Yapılan çalışmalar ve alınan patentler yılları arasında ağırlıklı olarak gerçekleştirilmiş olup verimsizlik konusunda genel bir düşünce oluşumuna neden olmuştur. Araç Üzerine Yerleştirilen Türbin Sistemleri Araç üzerine yerleştirilen türbinlerin ortak mantığı ise aracın genel aerodinamik yapısından kaynaklı oluşan dezavantajlardan yararlanmak üzerinedir. Daha önce ifade edildiği gibi araç üzerine gelen akış ön tampon üzerinden ön cam ve tavan üzerine yönelmektedir. Bu esnada akışın ani sıkışması, akışkan hızının artarak tavan üzerinde düşük basınç meydana gelmesine neden olmaktadır. Araç üzerinden akan havanın ön cam ve arka cam üzerinde kalan alanda hız artışından faydalanarak elektrik enerjisi üretimi düşünülmüştür. ~ 22 ~ Şekil Araç Üzerinden Geçen Akışın Oluşturduğu Basınç ve Hız Dağılımı Şekil ‟te araç üzerinden geçen akış davranışı verilmiştir. Araç üzerine gelen akışta basınç artışı ile hız düşmüş, tavan bölgesinde ise basınç düşüşü ile hız artışı meydana geldiği ifade edilmiştir. Diğer ağırlık kazanmış düşünce ise akış ayrılmalarının yaşandığı bölgelere türbin sistemi yerleştirilerek akış ayrılmasından kaynaklı türbülans oluşumu azaltmak ve enerji üretimi sağlamaktır. Hareket esnasında üretilen elektrik enerjisinin bataryalarla muhafaza edilmesi ve kullanılması çalışmaların çıkış noktasıdır. Literatür araştırmasında alınan patentler ve yapılan çalışmalar incelenmiş olup birbirinden farklı tasarımlar görseller yardımıyla açıklanmıştır. Patent No: US Bu çalışmada araç tavanında oluşan yüksek hızdan faydalanmak amacıyla türbin sistemi araç tavanına yerleştirilmiştir. Şekil a‟da türbin kapalı bir kutu içerisine alınarak hava kanalına 3 numaralı açıklıktan akışın girdiği ve türbin üzerine yönlendirildiği görülmektedir. Hava girişinin ardından daralan bir tasarım (6) ile akışın hızlandırılmasıyla türbinden daha fazla enerji üretimi amaçlanmıştır. Sistemde 2 adet türbinin çalışması düşünülmüş olup iki türbin arasına jeneratör yerleştirilmiştir. Türbinlere hareket veren akış arka kısımdan (4) hava kanalını terk etmektedir.[15] Şekil (a) Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi, (b) Hava Yolu Tasarımı ~ 23 ~ Patent No: US Bu çalışmada türbin sistemi Şekil ‟da yer alan araç tavanına yerleştirilmiş kapalı kutu () dikey rüzgar türbini tasarlanmıştır. Rüzgar türbinine su çarkı mantığı ile etki eden akış türbinin belirli bölgesindeki kanatlara hareket verip dönmesini sağlamaktadır. Türbin hareketinin verimli olması için () hava alığı türbinin belirli bir kısmına akışı yönlendirmektedir. Türbin üzerine gelen akış kanatları hareket ettirerek arka kısımda bulunan açıklık üzerinden sistemi terk etmektedir. Bu çalışmada araç hareketinde karşıdan gelen akışla beraber farklı yönlerden kuvvetli gelen akışı değerlendirmek için dönebilir bir yatak tasarlanmıştır. Türbin sistemi arka kısımda bulunan kanatçık () ile rüzgarın kuvvetli geldiği yöne doğru hareket ederek hava giriş alığının hareket etmesini sağlar. Bu mekanizma ile araç durgun halde bile olsa türbinin kuvvetli akışı yakalayarak enerji üretmesine olanak sağlamaktadır.[16] Şekil Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı Patent No: US Şekil ‟de minibüs üzerine yerleştirilmiş türbin sistemi, dikey eksenli türbin olarak tasarlanmıştır. Türbin sistemi etrafı açık olarak tasarlanmış ve türbinin verimli bir şekilde çalışması için sistem etrafına kanatçıklar (50) yerleştirilmiştir. 2 kanat olarak tasarlan türbin dönme eksenine uygun olarak akışın yönlendirilmesi ile verimliliğin artışı sağlanmıştır. Düşük hızlarda bataryaların seri bağlı, yüksek hızlarda ise paralel olarak bağlanmasıyla verimliliğin artışı amaçlanmıştır.[17] Şekil Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı ~ 24 ~ Patent No: US Şekil ‟de türbin sistemi yerleştirilen aracın dış tasarımının farklı ve türbin sistemine yönelik olduğu görülmektedir. Türbin sistemi aracın tavan kısmına dikey rüzgar türbini olarak konumlandırılmıştır. Aracın ön tampon ve ön cam etrafındaki tasarımı karşıdan gelen akışın türbin sistemine yönlendirilmesi amacıyla tasarlanmış olup farklı araçlara uygulanabilirliğini azaltmıştır. Türbin hareketi aracın arka kısmında bulunan jeneratöre kayış ile aktarılarak enerji üretimi sağlanmaktadır. Türbin sistemi, kapalı dış kabuk ile korunmakta ve akışın yönlendirilmesinde geniş alandan giren hava dar alandan çıkarak aracı terk etmektedir.[18] Şekil Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı Patent No: US Bu çalışmada kamyon üzerine monte edilmiş türbin sistemi kapalı kafes içerisinde yerleştirilmiştir. Kafes tasarımında hava giriş kısmı geniş, çıkış kısmı ise dar olarak tasarlanmıştır. Bu tasarımda hava girişinin fazla olması ve çıkış kısmında akış hızının artırılması amaçlanmıştır. Yatay eksenli türbinin dönmesiyle hareket jeneratöre aktarılarak elektrik üretimi gerçekleşmekte ve bataryalarda depolanmaktadır.[19] Şekil Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Tasarımı ~ 25 ~ Patent No: US Araç üzerine yerleştirilen türbinler arasında farklı bir tasarıma sahip olan bu çalışmada türbin sistemi (Şekil ) arka tamponda teker arkasına yerleştirilmiştir. Yatay eksenli türbin su çarkı mantığı ile çalışmakta olup hava kanalından yönlendirilen akışın türbin yarım alanına etki ederek mekanik hareket sağlanmaktadır. Bu tasarımda araç tavanı ön kısmında bulunan hava alığı, araç üzerinden arka kısımda türbine yönlendirilmektedir. [20] Bu sistemde dar bir hava kanalında hareket eden akış arka cam bölgesinde türbinlere yönlendirilmektedir. Hava kanalının oluşturduğu türbülans türbin üzerinde verim azaltıcı etkiye neden olmaktadır. Şekil (a) Araç Tavanındaki Türbin Sistemi, (b) Türbin Hava Yolu Patent No: US Bu çalışmada araç üzerine (Şekil ) yatay 3 pervaneli türbin yerleştirilerek tavan kısmında oluşan yüksek hızlı akıştan faydalanmak amaçlanmıştır. Türbin sistemi pervanenin arkasına yerleştirilmiş jeneratör ile pervaneden gelen hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüşmektedir. 14 m/s akışkan hızında elektrik üretimi için uygun olduğu ifade edilmiştir.[21] Şekil Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Patent No: US Bu çalışmada (Şekil ) tavan üzerine yerleştirilmiş 2 adet yatay rüzgar türbini yerleştirilmiştir. Pervaneleri kapalı kutu içerisinde giriş kısmı geniş ve çıkış kısmı dar olarak tasarlanarak türbin sisteminin verimle çalışması sağlanmaktadır. Farklı araçlara monte edilebilir tasarım olarak çalışma yürütülmüş ve farklı ebat, araçlar için test edilmesi gerekliliği belirtilmiştir. Akışın arka kısımdan aracı terk etmesinde türbülans azaltıcı olması için arka tampon üzerine yerleştirilmiştir.[22] ~ 26 ~ Şekil Araç Tavanına Yerleştirilmiş Türbin Sistemi Patent No: US Şekil ‟de kamyon üzerine yerleştirilmiş türbin sistemi yerleştirilmiştir. Sistem su çarkı mantığı ile çalışmaktadır. Kamyon üzerinde bulunan kabuk tasarımı karşıdan gelen akışın türbin pervanesi üzerine yönelmesine neden olmaktadır. Türbin jeneratöre bağlı olarak mekanik enerjiden elektrik üretimi sağlanmaktadır. Aynı zamanda sürüklenme kuvveti azaltıcı kapak tasarımının üzerine türbin koyulması avantaj sağlamaktadır.[23] Şekil (a) Araç Tavanındaki Türbin Sistemi, (b) Türbin Sistemi Tasarımı Patent No: US Bu çalışmada (Şekil ) araç içerisinde ve üzerinde küçük boyutlarda araç ebatlarının izin verdiği sayıda yatay rüzgar türbini yerleştirilmiştir. Araç ön tamponunda ve araç tavan bölgesine yerleştirilen türbinler ayrı küçük jeneratörler kullanılarak enerji üretimi sağlayarak bataryalarda depolamaktadır.[24] Ön tamponda bulunan türbinlerde giriş yapan akış ön tekerlek arkasına yerleştirilen açıklık vasıtasıyla aracı terk etmektedir. Çok sayıda türbin monte edilerek araç hareketi esnasında daha fazla elektrik üretimi amaçlanmıştır. Fakat türbinlerden ayrılan türbülanslı havanın araç üzerinde hareketi esnasında bozularak sürüklenme kuvvetini artırması kaçınılmazdır. ~ 27 ~ Şekil Araç Üzerine Yerleştirilmiş Türbin Sistemleri Araç aerodinamiği göz önüne alındığında türbin sistemlerinin ağırlıklı olarak tavan bölgesine konumlandırıldığı görülmektedir. İfade edilen çalışmaların çeşitli dezavantajları sebebiyle yaygınlaşması ve kullanımı gerçekleşmemiştir. Araç üzerine yerleştirilen sistemlerin projeksiyon alanını artırarak sürüklenme kuvvetini artırması kaçınılmazdır. Aracın maruz kaldığı bu ek kuvveti yenmek için daha fazla motor enerjisi kullanması gereklidir. Fakat üretilen enerji, türbin varlığından dolayı gelen ek kuvvet gereksinimini karşılayamamış veya yeterli enerji üretilememiştir. Bu nedenle fayda maliyet açısından kullanışlı ve sürdürülebilir olarak kabul görmeyip çalışmalar sürdürülmemiştir. Kullanılan türbinlerin verimliliği hakkında detay olmamasına rağmen günümüz türbinlerinin en verimlisi %59 oranında hareket enerjisini elektriğe dönüştürdüğü düşünüldüğünde yarardan çok zarara neden olduğu açıktır. Türbin sistemlerinin enerji üretimi, araç üzerinde oluşturduğu kendi varlığından kaynaklı sürüklenmeyi karşılayamamaktadır. Türbin sistemlerinin kullanılabilir ve sürdürülebilir olması için türbin monte edildikten sonra aracın, önceki sürüklenme katsayısından daha düşük bir değere sahip olması gerekmektedir. Yapılan Bazı Çalışmalar Bu konuda yapılan bazı çalışmalar göz önüne alınarak türbin yerleşiminden kaynaklı sürüklenme kuvveti değişimi incelenecektir. Şekil Araç Üzerinde Farklı Konumlara Yerleştirilmiş Türbin Sistemleri ~ 28 ~ Bu çalışmada Sofian Mohd ve arkadaşları hareketli araçlarda türbin sisteminin farklı yerlere monte edildiğinde sürüklenme katsayısının nasıl değişiklik gösterdiğini incelemişlerdir. Türbin sisteminin araç üzerinde farklı konumlarda bulunmasıyla sürüklenme katsayısının değişimi analiz edilmiştir. Türbin sistemi (Şekil ) araç ön tampon, ön tampon üzerinde ve araç tavanına yerleştirilerek türbin olmaksızın araç özelliklerine göre aerodinamik karakterlerinin değişimi araştırılmıştır. Yapılan çalışmada 4,2 m uzunluk, 1,7 m genişlik ve 1,8 m yükseklik olarak araç ölçüleri alınmıştır. Her modelde 0,2*0,75 metre karelik projeksiyon alanına sahip temsili türbin sistemi kullanılmıştır. Giriş hızı 25 m/s kullanılarak k-Epsilon türbülans modeliyle akış analizleri yapılmıştır. Şekil Türbin Sistemi Yerleştirilmemiş Araç Üzerinde Oluşan Hız Dağılımı Şekil ‟da türbinsiz araç modelinin analiz sonucu hız dağılımı, Şekil ‟ de ise sırasıyla ön tampona monte edilmiş türbin, kaput üzerine monte edilmiş türbin ve araç tavanına monte edilmiş türbin sisteminin yer aldığı araçların analiz sonucunda oluşan akış hız dağılımı contour olarak verilmiştir. Şekil Türbin Sisteminin Araçlar Üzerinde Oluşturduğu Hız Dağılımı Tablo 1‟de ön tampona yerleştirilen türbin sisteminin sürüklenme katsayısını değiştirmediği görülmektedir. Kaput üzerine yerleştirilen türbin sisteminde sürüklenme katsayısı artmış, tavana monte edilen sistemde ise sürüklenme katsayısı daha fazla artmıştır. Şekil ‟de bulunan görsellerden türbinden kaynaklı hız değişimleri görülmektedir. Tavana yerleştirilen türbin sisteminde türbin üzerinde akış hızının artmış olması ve araç arkasında oluşan düşük basınç oluşumu sürüklenmeyi artırmıştır. Bu sonuçlar göz önüne alındığında türbinin ön tampona yerleşimi ~ 29 ~ sürüklenme katsayısında değişiklik oluşturmadığı anlaşılmaktadır. Bunun sebebi olarak projeksiyon alanının değişmemesi ve akış hareketini fazla etkilememesi gösterilebilir. Kaput üzerine yerleştirilen sistemde ise tampon üzerinden yönelen akışın hızlanması ile akışın bozulmasına neden olmuştur. Yüksek hızlı havanın hareket ettiği tavana yerleştirilen türbin sisteminde ise akışın daha fazla engellendiği ve araç arkasında oluşan düşük basınç nedeniyle sürüklenme katsayının daha fazla arttığı görülmektedir. Sürüklenme kuvveti hesabında hız çarpanının karesi alındığı için tavan bölgesinde kullanılacak türbin sisteminin daha fazla sürüklenme oluşturacağı görülmektedir[25]. Tablo Farklı Türbin Yerleşim Yerlerinde Elde Edilen Sürüklenme Katsayıları Yapılan bir diğer araştırma da ise Jain Sumit ve arkadaşları hareket halinde olan kamyon tavanına yerleştirilmiş türbin sistemi ile enerji üretimi amaçlanmıştır. Şekil ‟de verilen tasarımda türbin girişinde geniş alan ile hava türbin üzerine daralan bir tasarımdan nozul yardımıyla türbini döndürmektedir. Türbin tasarımı su çarkı mantığı ile çalışarak akışın çarptığı pervaneden tork elde edilmektedir. Tasarımda, projeksiyon alanının fazla yer kaplamaması için yatay türbin yeterli hacme sahip hava kanalları arasına yerleştirilmiştir. Çalışma da belirtildiği üzere türbin yüksek hızlarda ve karşıdan gelen akışın türbini döndürmesiyle elektrik üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen enerji bataryalarda depolanarak araç hareketinde kullanılacaktır. Şekil (a) Araç Üzerine Yerleştirilmiş Türbin Sistemi, (b) Giriş Hava Alığı Tasarımı Çalışmada; projeksiyon alanının artışı, giriş yapan akışın daralan nozula geçiş bölgesinde sürüklenme kuvveti oluşumu, türbin üzerinde oluşan sürüklenme ve türbülans ile çıkış bölgesinde ~ 30 ~ oluşan akış ayrılması, türbülans etkileri türbin verimliliğini düşürmekte olup yeterli enerji üretilememesine neden olmaktadır[26]. Albert Wen-Long ve Chia-Hui Chiu yaptıkları çalışmada kamyon üzerine yerleştirilen türbin sistemi ile enerji üretimi amaçlanmıştır. Çalışmanın çıkış noktası, geleneksel türbin sistemlerinin Betz‟s Law teorisine göre % oranında verimli enerji üretiminin sağlanmasıdır. Geriye kalan %40,7 oranında enerjinin kaybolduğu ve hareketli araçlarda istenilen üretim düzeyinin altında kalmasına neden olduğu belirtilmiştir. Bu duruma karşı verimliliği artırmak için tasarlanan türbin geleneksel türbin çeşitlerinden farklı olarak su çarkı mantığı ile çalışmaktadır. Türbine karşıdan gelen akış, türbin yarım alanında kalan pervanelere hareket vermektedir. Şekil ‟da burkulmuş türbin tasarımı verilmiştir, akış yarım alanda kalan türbine hareket enerjisini iletmektedir. Çalışmada projeksiyon alanı 0,43 m2 olan ve 0,36 m çapında 3 adet pervaneye sahip türbin kullanılmıştır. Şekil Türbin Sistemi Pervane Tasarımı Türbin yerleşiminde kamyon üst kısmında akış ayrılmaları göz önüne alınmış ve karşıdan gelen akışın, kamyon ön bölgesinden tavan kısmına doğru hızlanarak gelmesinden dolayı türbin araç tavanına yerleştirilmiş. Akış analizi sonrası akışkan hareketi Şekil ‟da hız dağılımı ve akış hareketi vektörel olarak verilmiştir. Şekil Kamyon Tavanına Yerleştirilen Türbin Sisteminin Oluşturduğu Akış Hareketi ~ 31 ~ Türbin arkasında oluşan girdap ve türbülans nedeniyle sürüklenme kuvvetinin artışı gözlemlenmiştir. Bu konuda türbin tasarım ve yerleşiminde değişiklik yapılarak farlı yerlerde kapak dahil edilerek analizler yapılmıştır. Bu analizlerde türbin, kamyon tavanında arka kısma yakın olarak konumlandırılmış ve araç ön-tavan kesişim bölgesine kapak yerleştirilmiştir. Yerleştirilen kapak sayesinde ön bölgeden hızlı olarak gelen akış türbin yarım alanına etki edecek şekilde yönlendirilmiştir. Türbin yerleşimi ve kapak tasarımında yapılan iyileştirmeler ve değişiklikler ile akış hareketi göz önüne alınarak Şekil ‟de verilen model en verimli yerleşim ve tasarım olduğuna ulaşılmıştır[27]. Şekil Kamyon Tavanına Yerleştirilen Türbin Sisteminin Oluşturduğu Basınç Dağılımı Araç üzerine yerleştirilerek yapılan çalışmalarda türbin tasarımlarının ve yerleşiminin farklı araçlar üzerinde farklı sonuçların oluştuğu görülmektedir. Hareketli araçlarda türbin yerleştirilerek yapılan çalışmalarla sürüklenme kuvvetinin artışı, türbinden elektrik üretiminin yeterli olmaması, yerleştirilecek türbinin maliyeti artırarak istenilen faydanın sağlanamayacağı düşüncesi yaygınlaşmıştır. Bu projede tasarlanacak türbin sisteminin sürüklenme kuvveti ve akış ayrılmalarına etkisi incelenecek olup analizlerin yapılacağı hareketli araç olarak otobüs seçilmiştir. Otobüs seçiminde basit geometrik şekil modellenmesi ve otobüs ebatlarının benzer olması düşünülmüştür. Basit şekil üzerinden yapılacak analizler olumlu sonuç verdiğinde daha aerodinamik tasarımlarda da geçerli olacağı düşünülmüştür. ~ 32 ~ 3. OTOBÜS ÜZERİNE YERLEŞTİRİLECEK TÜRBİN TASARIMI Dünya genelinde kullanılan araçların fazlalığı ve çeşitliliği türbin tasarımında, araç geometrilerinin farklı etkileri olması muhtemeldir. Bu çalışma çerçevesinde taşıma amaçlı kullanılan araçların benzer ölçü ve büyüklüklere sahip olması seçim kriteri olarak belirlenmiştir. Kamyon, otobüs ve tren taşımacılıkta yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanım yoğunluğu ve kapasite bakımından otobüslerin kullanımı daha fazla ve yaygın olması zararlı gazların oluşumunda çevreye daha fazla zarar vermesi muhtemeldir. Özellikle şehir merkezlerinde kullanılan toplu taşıma aracı olarak otobüslerin fazla oluşu, şehirdeki kirli havanın oluşmasında etkilidir. Fosil yakıtların kullanımı azaltılması ve çevreye zararsız ulaşım için öncelik olarak otobüslerin elektrikli olması gerekmektedir. Bu sebepler çerçevesinde elektrikli otobüslerde yeterli menzil ve süre kullanım sağlamak için otobüslerde kullanılabilecek türbin sistemi tasarlanacaktır. Otobüs tasarımları farklı marka ve modeller için belirli amaçlarda kullanılmakta belirli ölçü ve büyüklüklerde üretilmektedir. Türbin sistemi tasarımında farklı araçlara yerleştirilebilir olması düşünülerek benzer tasarımlara sahip binek araç olarak otobüs seçimi daha uygundur. Otobüs tasarımlarında kriter olarak insan faktörü bulunduğu için tasarım esnasında insan ebatları, yolcu sayısı, yük miktarı ve ebatları, gerekli mekanizma ve aparatların bulunması gerekliliği düşünülmektedir. Tasarım öncesi maliyet ve verimlilik göz önüne alınarak yolcu sayısı, otobüs yapısalı ve yolcu sayısına bağlı gerekli ekipmanların kullanım sayısı hesaplanmaktadır. Kriterler değerlendirildiğinde belirli ölçü ve büyüklüklerin otobüs tip ve markalarına göre benzer veya yakın ölçülerde üretim gerçekleştirilmektedir. Otobüs Akış Analizi Çalışmaları Otobüs tasarımında sürüklenme kuvvetini azaltmak yakıt sarfiyatının azalmasını sağladığı için farklı tasarımsal iyileştirmeler ve çalışmalar yapılmaktadır. Sürüklenme kuvveti oluşumunun ağırlıklı olarak akış direncinden oluştuğu önceki bölümde belirtilmiştir. Sürüklenme kuvvetini azaltma çalışmaları akış direncinin %85 oranındaki büyük oranın azaltılması etrafında yürütülmekte olup otobüs arka kısmında oluşan türbülans ve akış ayrılmalarının iyileştirilmesi gereklidir. Bu konularda tasarımsal çalışmalar sürüklenmeyi azaltıcı önlemler üzerinde yoğunlaşmaktadır. Tez konusunda otobüs analizi gerekli olup bazı referans çalışmalardan yararlanılarak türbin monte edilmiş otobüs modellerine akış analizi yapılacaktır. ~ 33 ~ Aniket Bhave ve Dr. Hessam Taherian yaptıkları araştırmada şehirlerarası otobüslerin aerodinamik yapısı ve CO2 salınımını azaltmak için farklı iyileştirmeler yapılan otobüslerin analiz sonuçları incelenmiştir. Çalışmada otobüs kullanımının yaygın ve yakıt kullanımının fazla olduğu belirtilerek sürüklenme kuvvetinin azalmasıyla yakıt tasarrufu sağlanacağı belirtilmiştir. Otobüs üzerinde yapılan tasarımsal değişikliklerin incelenerek sürüklenme kuvveti değişimi dolayısıyla yakıt kullanımının azaltılması amaçlanmıştır. Model 0 Model 1 Model 2 Model 3 Şekil Aerodinamik Olarak İyileştirilen Farklı Otobüs Tasarım Modelleri Şekil ‟de verilen otobüs tasarımları ve yapılan iyileştirmeler yer almaktadır. Tasarımsal değişikliklerde keskin köşelerin yuvarlatılması, otobüs üzerine gelen akışın yönlendirilmesi ve aparat eklenerek akış ayrılmasının daha yumuşak sağlanmasıyla sürüklenme kuvveti değişimi araştırılmıştır. Kullanılan model 12 metre uzunluğunda, 2,5 metre genişliğinde ve 2,6 metre yüksekliğinde tasarlanmıştır. Akış analizinde 3 farklı hız değeri kullanılarak artan hıza göre analiz sonuçlarının nasıl değişeceği incelenmiştir. Şekil „de iyileştirme yapılmamış model (Model 0), köşeleri mm yuvarlatılmış model (Model 1), otobüs ön kısmında 15o açı ile kırılmış ve arka-alt kısmında 1/3 oranında kırılma yapılan model (Model 2), otobüs ön kısmında 1,3 m yuvarlatılmış ve arka-üst kısmına yönlendirici ilave edilmiş model (Model 3) bulunmaktadır. Yapılan analizler sonrası oluşan hız değişimi streamline olarak Şekil ‟de görselleştirilmiştir. ~ 34 ~ Şekil Akış Analizi Yapılan Otobüs Modellerinin Akış – Hız Dağılımı Şekil ‟de kırmızı renk-mavi renk geçişi yüksek hız- düşük hız değişimini ifade etmektedir. Görsellerde otobüs arkasında oluşan mavi çizgilerin değişimi türbülans oluşumunun azalması dolayısıyla sürüklenmenin azalmasını ifade etmektedir. Model 0 analizinde ortalama sürüklenme katsayısı 0, değerinde iken Model 3 analiz sonucunda ortalama sürüklenme katsayısı 0, olarak elde edilmiştir. Yapılan çalışmalar sürüklenme kuvvetini azaltıcı etki göstermektedir[28]. Eyad Amen Mohamed Takroni, çalışmasında otobüs üzerinde yapılacak iyileştirmeler ile sürüklenme kuvvetini azaltmayı amaçlamıştır. Çalışmada belirli ölçülere sahip otobüs modelinin arka üst kısmına farklı tasarımlarda yönlendirici olarak aparat monte edilerek sürüklenme kuvveti değişimi araştırılmıştır. Şekil (Model 5) Otobüs Modeli 6 farklı tasarıma sahip otobüs modelleri akış analizi yapılarak sürüklenme kuvveti değişimi incelenmiştir. Aynı hız değerlerinde yapılan analiz sonucunda Model 5 (Şekil ) otobüs tasarımının en verimli olduğu sonucuna ulaşılmıştır[29]. ~ 35 ~ Otobüs tasarımı incelendiğinde ön kısmında akış ayrılmalarının yumuşak ve düzenli olması için cam bölgesi yuvarlatılmıştır. Arka kısımda ise yönlendirici aparat akışı otobüs arka-alt kısmına yönlendirerek düşük basınç oluşmasını engellemektedir. Bu tasarımda otobüs arka-üst birleşiminin yuvarlatılmasıyla akışın aşağı yönlenmesi desteklenmiştir. Otobüs Akış Analizi Tez çalışmasında otobüs akış ayrılmalarının yaşandığı arka üst bölgesi türbin yerleşim yeri olarak belirlenmiş ve analizler otobüs modeli üzerinde türbin sistemini temsil eden farklı modellerde yapılarak sürüklenme kuvveti değişimi incelenecektir. Çalışmada kullanılan otobüs ebatları şu şekildedir: Uzunluk : 12 metre Yükseklik: 2,6 metre Genişlik:2,5 metre Tekerlek çapı: 1 metre Tekerlek Genişliği: 0, metre Zemin ile otobüs arası uzunluk: 0,4 metre İki tekerlek arası mesafe: 6,2 metre Ön tekerlek merkezi ile otobüs ön yüzeyi arası mesafe: 2,59 metre Kullanılan modelde köşeler ve tekerlek yüzeyinde 0,1 m yuvarlatma işlemi yapılmıştır. Tekerlek otobüs alt yüzeyi birleşiminde mesh kalitesini artırmak için 0,05 m yuvarlatma yapılmıştır. Otobüs projeksiyon alanı 6,7 m2 olup sürüklenme katsayısı hesabında kullanılacak değerdir. Şekil Tasarlanan Otobüs Modeli Otobüs üzerine yerleştirilecek türbin sisteminde, akış direncinin oluşmasında etkili olan arka kısımdaki türbülans ve akış ayrılmaları dikkate alınmıştır. Türbin sistemi akış ayrılmasının daha az ve yumuşak gerçekleştirilmesi amacıyla tasarlanmaktadır. Bu sebeple türbin monte edildikten sonra otobüs toplam sürüklenme kuvvetini artırdığı miktardan daha fazla bir katkı beklenmektedir. Bu amaca uygun olarak türbin sistemi yatay olarak konumlandırılmış su çarkı mantığı ile çalışacaktır. ~ 36 ~ Kanatlar iki boyutlu profil kullanılarak profil özelliklerinden faydalanıp akışın aşağı yönlenmesi amaçlanmaktadır. Türbin sisteminin yarım alanı araç projeksiyon alanını etkileyecek olup sürüklenmenin fazla artmaması beklenmektedir. Türbin sistemi yerleşimi ile hava hareketinin otobüs arka kısmında nasıl gerçekleşeceği ve değişimler gözlemlenecektir. Türbin sistemi tasarımında türbin uzunluğu otobüs üzerinde konumlandırılabilecek ölçülere sahip olması gerekmektedir. Türbin uzunluğu 2 m ve çapı 0,3 m olarak belirlenmiş ve çalışmalar bu ölçüler çerçevesinde gerçekleştirilmektedir. Türbin sisteminin otobüs üzerinde etkisi araştırılmasında dikdörtgen (a), köşeleri 10 cm yuvarlatılmış (b), silindir türbin(c) aynı ebatlarda türbin modelleri oluşturularak sürüklenme kuvveti ve akış hareket değişimi incelenecektir. Şekil ‟de türbin sistemini temsil eden tasarımlar verilmiştir. (a) (b) (c) Şekil Tasarlanan Temsili Türbin Sistemlerinin Monte Edilmiş Otobüs Modelleri Akış analizinde rüzgar tüneli ebatları, analizi yapılacak modelin yaklaşık 10 katı uzunlukta, 3 katı yüksekliğinde ve 3 katı genişliğinde olacak şekilde tasarlanmıştır. Rüzgar tünelinin akış analizini etkilememesi için büyük hacme sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Hava tüneli ebatları şu şekildedir: Uzunluk : metre Genişlik: 8 metre Yükseklik 8 metre Otobüs ile hava tüneli giriş yüzeyi arası mesafe: 26 metre Şekil Akış Analizi İçin Hazırlanan Rüzgar Tüneli ~ 37 ~ Şekil ‟de hava tüneli ve otobüs modeli görülmektedir. Mesh kalitesinin otobüs etrafında artırılması ve yoğunlaştırılması için 2 ayrı dikdörtgen prizma katı hacim oluşturulmuştur. Oluşturulan katı hacimlere faklı ebatlarda element atanarak otobüs etrafında oluşan akış hareketini sağlıklı bir şekilde hesaplanması amaçlanmıştır. Mesh sayısının düşürülerek analiz süresi azaltılması amacıyla otobüse uzak olan alanlarda büyük boyutlu elementler kullanılmaktadır.[35] Şekil Elementlere Ayrılmış Rüzgar Tüneli Mesh kalitesi otobüs etrafındaki akış hareketinin doğru çözümlenmesi ve hata payının azaltılması için farklı mesh sayılarında analiz değerleri karşılaştırılmıştır. Element (Mesh) kalitesi tavsiye edilen aralıklarda olacak şekilde element atılmıştır. Element kalitesinde Skewness değerinden düşük ve Orthogonal Quality 0,05 değerinden büyük olması tüm analizlerde sağlanmıştır. Yapılan analizlerde Skewness ortalama değeri ve Orthogonal Quality değeri civarında çıkmıştır. Yapılan analiz sonuçları Şekil ‟de grafik halinde verilmiştir. Yapılacak analizlerde element (mesh) sayısından bağımsız sonuçların elde edilmesi için 3,3 milyon element (y+: 30) kullanımı uygun görülmüştür.[35] Şekil Farklı Sayılarda Yapılan Analiz Değerleri ~ 38 ~ Akış analizi, Ansys/Fluent analiz programı kullanılarak yapılmıştır. Analiz hazırlık aşamasında otobüs modeli „bus‟, türbin sistemi „turbine‟, hava giriş yüzeyi „inlet‟, hava çıkış yüzeyi „outlet‟, yan duvarlar ve üst yüzey „symmetry‟ ve taban yüzeyi „road‟ olarak isimlendirilmiştir. Otobüs, türbin sistemi ve road yüzeyleri (setup) „wall‟ olarak programa tanıtılmıştır. Analiz süresinin azalması ve büyük hacimli analizlerde kullanılan polyhedral mesh yöntemi tercih edilmiştir. Fluent programında oluşturulan polyhedral mesh Şekil ‟da verilmiştir. Türbülans modeli k-Epsilon / Enhanced Wall Treatment modeli seçilerek farklı y+ değerlerinde analiz sonuçlarının tutarlı ve güvenilir olması amaçlanmıştır. Analiz sürecinde parametrik çalışma ile aynı mesh kalite ve sayısında km/sa hızlarında analizler gerçekleştirilmiştir.[35] Şekil Polyhedral Mesh Atılmış Rüzgar Tüneli Yapılan analizler sonucunda metre uzunluğunda iki adet türbinin metre aralarında boşluk bırakılarak yapılan analizlerin daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Analizler çerçevesinde sürüklenme kuvvetinin minimum çıkması ve kaldırma kuvvetinin aynı kalması sonucunu veren en iyi model seçilmiştir. Türbin tasarımında kanat açıklığı önemli olduğu için farklı uzunluk ve sayıda türbin tasarımı yapılarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen analiz sonuçları Ekler bölümünde Tablo olarak verilmiştir. ~ 39 ~ 4. TÜRBİN TASARIMI Türbin Çalışma Mekanizması Otobüs arka-üst kısmına yerleştirilecek türbin dönüş hareketi esnasında otobüs üzerinden gelen akışın arka-alt bölgeye basması ve bu sayede sürüklenme kuvvetinin azalması projenin temel konusudur. Durumun oluşmasında uçak kanadı profili kullanılarak downwash etkisi ile akışın aşağı yöne hareket etmesi beklenmektedir. Bu esnada türbin pervanesine gelen kuvvetlerden tork elde ederek türbinin dönmesi amaçlanmıştır. Bu amaca uygun olması için türbin sisteminin üst yarım alanının gelen akışı karşılaması düşünülmüştür. Şekil ‟ de verilen türbin tasarımında merkezden derece açıya sahip 3 pervaneli türbin sistemi (a) ve türbin hareketinin gerçekleşeceği dairesel alanın 4 parçaya ayrılmış (b) görsel yer almaktadır. Şekil (a) 3 Kanatlı Türbin Tasarımı, (b) Türbin Kanatları Konumları Şekil (b)‟de verilen görselde türbin sistemi gelen akışı ilk olarak 1. bölgede karşıladıktan sonra akış, 2 ve 3. bölgelerden türbini terk etmektedir. Bu mekanizmanın çalışma aşamasında türbin kanatları 1. bölgeden sırasıyla 2,3 ve 4. bölgelere hareket ederek merkez eksene göre dönme hareketi gerçekleşecektir. Dönme hareketi ve akışın aşağı yönelmesi durumlarının aynı anda sağlanması için kanatların diğer türbinlerden farklı olarak akış yönüne göre (Otobüse karşıdan gelen akış) aynı hücum açısında kalması gerekmektedir. Şekil ‟de verilen görselde kanatların 0 o, 30o, 60o, 90o, o açılarındaki konumları verilmiştir. Şekil de 1. ve 3. Bölgelerin kesişim çizgisi üzerinde bulunan (yeşil) kanat 0 o derecede bulunan kanattır. Merkezden 30 o‟ar derecelik açılar ile 12 kanat çizilmiştir. Bu kanatlar analizi yapılacak 4 durumda kanatların konumlarını temsil etmektedir. Şekilden kanat hareketleri esnasında hücum açılarının sabit tutulduğu anlaşılmaktadır. ~ 40 ~ Şekil 3 Kanatlı Türbin Sisteminde Farklı Açılarda Kanatların Bulunacağı Konumlar Dönme hareketi esnasında kanatlar bu hücum açısında sabit kalarak hareket etmesi gerekmektedir. Şekil „de numaralandırıldığı gibi daire, o derecelik üç parçaya ayrılmıştır. 1 numaralı alanda bulunan kanadın, merkez eksende dönmesiyle 2 numaralı alana hareketi gerçekleşmektedir. Aynı anda 2 numaralı alanda bulunan kanadın 3 numaralı alana hareketi gerçekleşmektedir. Birbirini takip eden sayılarda hareket sağlanmakta olup hareket esnasında türbin pervanesi karşıdan gelen akışa (Otobüse karşıdan gelen akış) göre aynı hücum açısında bulunarak dönecektir. Türbin sistemi hareket halinde iken (Şekil ) 1. bölgede pervane hareketi sırasında kaldırma kuvveti, 2. ve 3. bölgelerde ise sürüklenme kuvveti türbinin dönme hareketi için gerekli torku elde etmesini sağlar. 3. bölgede (otobüs içerisinde kalan alandaki) kanat hareketi esnasında 1. bölgeden aşağı yönelerek gelen akışa maruz kalmaktadır. Yönelerek gelen akış kanat üzerinden geçerek 2. veya 3. bölgeden türbini terk etmektedir. Bu hareketin gerçekleşme esnasında (3. bölgedeki kanat hareketi) akışın, kanat dönme eksenine karşı bir direnç göstermemesi veya minimum düzeyde tutulması gerekmektedir. Bu nedenle analizler yapılırken bu hareketin gerçekleşeceği alandaki kanatların üzerine gelecek kuvvetler incelenerek tasarımsal iyileştirmeler yapılacaktır. Türbin Pervanesi Tasarımı Türbin pervanesi, mekanizmanın işlemesi ve hareketin devamlılığı açısından en önemli faktör olarak yer almaktadır. Türbin mekanizma mantığı çerçevesinde pervane tasarımı, gerekli torkun elde edilebilmesi ve akışın aşağı yönde basılması için temel gereksinimdir. Bu konuda profil ~ 41 ~ özelliklerinin incelenmesi ve ifade edilen gereksinimlerin yerine getirilmesinde optimum profil seçimi önemlidir. Profil üzerinde kaldırma kuvveti, sürüklenme kuvveti ve yunuslama momenti oluşmaktadır. Bu kuvvetler profilin aerodinamik merkezi üzerinde oluştuğu varsayılarak işlemler yapılmaktadır. Şekil ‟te profil üzerinde oluşan kuvvetler verilmiştir. V kanat hızı yönünü, L kaldırma kuvvetini, D ise sürüklenme kuvvetini ifade etmektedir. Bu kuvvetlerin değişimi hücum açısıyla mümkün olmaktadır. Hücum açısı (α), karşıdan gelen akışa karşı, yatay eksende profil baş kısmının arka kısmından yüksekte olup arada oluşan açıya verilen isimdir. Şekil Kanat Üzerinde Oluşan Kuvvet Bileşenleri Profillerin Geometrik Özellikleri Profiller iki boyutlu olup farklı nokta tanımları içeren iki farklı çizginin baş ve arka kısımlarının birleşimi ile oluşmaktadır. Profiller belirli noktaların koordinat sisteminde ifade edilmesiyle oluşan iki çizginin baş ve son kısımlardan birleşimi olarak ifade edilir. Profil kullanım amacı verimli çalışma ve istenilen performansın gerçekleştirilmesi sağlamaktır. İki çizginin baş kısımda birleştiği noktaya hücum kenarı, arka kısma ise firar kenarı adı verilmektedir. Profil tanımlanırken şu terimler kullanılmaktadır: Veter çizgisi: Hücum kenarı ile firar kenarını birleştiren çizgidir. Veter uzunluğu, veter çizgisinin boyunu ifade etmektedir. Kamburluk Eğrisi: Alt ve üst çizgi arasında kalan uzunlukların orta kısmından çizilen çizgiyi ifade eder. Kamburluk eğrisini oluşturan noktalar, veter çizgisine dik olacak şekilde alt ve üst çizgilere eşit uzaklıklardaki noktalardır. ~ 42 ~ Kalınlık: Veter çizgisinden en uzak nokta ile veter çizgisi arasındaki uzunluğu ifade etmektedir. Maksimum kalınlık ile veter uzunluğunun oranı kalınlık oranı olarak ifade edilir. Kalınlığı %10‟dan küçük profiller ince profil, kalınlığı % arasında olan profiller orta kalınlıkta profil, %14‟den büyük değerlere sahip profiller kalın profil olarak adlandırılmaktadır. Kamburluk: Kamburluk eğrisi ile veter çizgisi arasındaki maksimum uzaklıktır. Kamburluk oranı ise kamburluk değerinin veter uzunluğuna oranı olarak ifade edilir. Kamburluk oranı %4,5‟den küçük profiller küçük kamburlu profil, %4,5‟den büyük değerlerde büyük kamburlu profiller olarak adlandırılmaktadır. Maksimum kamburluk üst çizgi ile veter çizgisi arasında bulunuyorsa pozitif kamburluk, alt çizgi ile veter çizgisi arasında bulunuyorsa negatif kamburluk olarak adlandırılmaktadır. Hücum Kenarı Yuvarlatma (Radius): Hücum kenarı profilin akışla ilk temas ettiği noktadır ve akışın profil üzerinden hareketinde etkilidir. Genellikle yüksek radius değerlerinde yüksek hücum açılarında daha fazla kaldırma kuvveti üretilir[30,32,33]. Şekil Profil Geometrik Tanımlar Profillerin Karakteristik Özellikleri Kaldırma Katsayısı(Cl) Kaldırma kuvveti matematiksel hesabı Eşitlik ‟de verilmişti. Kaldırma kuvvetinin matematiksel olarak hesabı ile rüzgar tüneli sonuçları arasında farklılık mevcuttur. Bu farklılığın giderilmesi ve hesapların güvenilir olması için kaldırma katsayısı ile ifade çarpılır. Kaldırma katsayısı profilin kaldırma kuvveti üretebilme kabiliyetini ifade eder. Bu nedenle kaldırma kuvvetinin maksimum ~ 43 ~ olması istenilen uçak kanatlarında ve rüzgar türbini pervanelerinde kaldırma katsayısının büyük olması istenmektedir. Sürüklenme Katsayısı (Cd) Sürüklenme kuvveti hesabı Eşitlik ‟de ifade edilmiştir. Rüzgar tüneli test sonuçları ile matematiksel hesap arasındaki farkın giderilmesinde birimsiz olarak sürüklenme katsayısı ile çarpılır. Sürüklenme katsayısı profilin sürüklenme kuvveti oluşturabilme özelliğinin göstergesidir. Uçak kanatlarında ve rüzgar türbinlerinde sürüklenme katsayısının düşük olması istenmektedir. Tutunma Kaybı (Stall) Tutunma kaybı kanadın aerodinamik yapısı ve anlık durumuna bağlı olarak kaldırma kuvvetinin ani düşüş göstermesini ifade edilir. Kanat, yüksek hücum açısı veya düşük hızlarda hareket ederse stall durumuna geçebilir. Stall hızı ve açısı kanat tasarımında önemli yere sahip olup öntasarım aşamasında hesaplamalar ve analizler sonucu belirli değerler aralığı bulunur. Stall durumu hücum açısının fazla olduğu durumlarda kanat üzerinden geçen akışın düzensiz ve türbülans oluşturması nedeniyle ani kaldırma kuvveti kayıplarına neden olur. Cl – α grafiğinde genellikle dereceleri arasında ani düşüşler meydana gelir. Şekil ‟de verilen Cl – α grafiklerinde ani düşüşün meydana geldiği açı stall açısıdır. Hareket halinde iken kanat bu açıyı geçtiği anda ani kaldırma kuvveti düşüşü meydana gelir. Diğer stall durumunda ise akış hızının profil üzerinde hava akışına yeterli olmaması durumudur. Stall hızı kaldırma kuvveti hesabında (Eşitlik ) CL katsayısı yerine CLmaks değeri yerleştirilerek hesaplanır. Şekil ‟de verilen görselde hücum açısı değişimine göre profil üzerindeki hava hareketi ve stall durumu görülmektedir. Hücum kenarı (Leading Edge) ve firar kenarında (Trailing Edge) oluşan akış ayrılmalarının hücum açısı arttıkça oluşan şekiller görselleştirilmiştir[32]. Profil tasarımında hücum ve firar kenarı stall oluşumu kontrol edilerek aerodinamik özellikler ortaya çıkarılır. ~ 44 ~ Şekil Hücum Açısı Değişiminde Stall Oluşumu[32] Kalınlık (Thickness) ve Kamburluk (Camber) Kamburluk profil arkasında oluşan downwash etkisini artırır bu nedenle kaldırma kuvveti artmaktadır. Yüksek kamburluğa sahip profiller maksimum kaldırma sağlar. Bununla beraber kalınlıkta artmakta olup sürüklenme ve stall açısı daha büyüktür. Yüksek kaldırma kuvveti ve yüksek stall açısı istenen durumlarda kamburluğu fazla profil kullanımı uygundur. Fazla kamburluk sürüklenme kuvvetini de artırdığı için belirli uygun aralıklarda kamburlu profiller kullanılır. Optimum değer seçiminde, kriterlerin genel fayda ve zararları istenilen performansı elde edebilecek özelliklere sahip değer aralığı seçilerek hesaplamalar yapılmaktadır.Hücum kenarının yuvarlatılma ölçüsü kaldırma ve sürüklenme kuvvetlerini etkilemektedir. Yüksek radius ile tasarlanan profiller yüksek hücum açısında yüksek kaldırma kuvveti üretmektedir. Bunun yanında sürüklenme kuvveti de kaldırma kuvveti artışıyla bağlantılı artmaktadır. Yüksek hücum açısı değerlerinde hücum kenarında akış ayrılmaları oluştuğu için sürüklenme kuvvetini artırmaktadır. ~ 45 ~ Şekil Farklı Kamburluğa Sahip Profillerin Sürüklenme ve Kaldırma Katsayısı Değişimi[32] Şekil ‟da verilen grafikte profil kamburluğu farklı olan profil çeşitleri için sürüklenme ve kaldırma katsayısı değerlerinin değişimi ifade edilmektedir. Pozitif kamburlu profillerin hücum açısı arttıkça kaldırma ve sürüklenme katsayısı değerlerinin yüksek olduğu anlaşılmaktadır.[31,32] Profiller farklı hücum açısında farklı sürüklenme ve kaldırma katsayısı değerine sahiptir. Profil seçiminde istenilen özelliklerin sağlanacağı optimum açı seçilerek profiller karşılaştırılmaktadır veya profiller analiz edilerek istenilen profil türünde değerler karşılaştırılarak hücum açısı seçilir. Profillerin Karakteristik Grafikleri Kaldırma Katsayısı (Cl) – Hücum açısı (α) Şekil ‟de pozitif kabura sahip profillerin genel Cl - α grafiği verilmiştir. Grafik üzerinde profilin karakteristik performans değerlerini gösteren terimler mevcuttur. Bunlar; stall açısı (α s), maksimum kaldırma katsayısı (Clmax), kaldırma üretilmeyen açı (α0), ideal kaldırma katsayısı (Cli), ideal kaldırma katsayısına karşılık gelen hücum açısı (αCli) ve grafiğin eğimi (Clα) olarak ifade edilmektedir. Stall açısı (αs), profilin stall durumuna girdiği açıyı ifade etmektedir. Bu durumda kaldırma katsayısı hücum açısı arttığında ani düşüşe geçmektedir. Maksimum kaldırma katsayısı (Clmax), stall açısında oluşmaktadır. Uçaklarda stall açısı profil seçiminde güvenlik, stabilize ve kontrol edilebilirlik açısından önemlidir. Rüzgar türbini tasarımında ise maksimum kaldırma kuvveti istendiği için stall açısına yakın değerlerde hücum açısı kullanılacaktır. Stall açısı genel olarak 16o aralığında olup stall açısı yüksek profiller tercih edilmektedir. ~ 46 ~ Şekil Cl-α Grafiği Tanımlar[33] Maksimum kaldırma katsayısı (Clmax) değeri ait olduğu profilin maksimum üretebileceği kaldırma katsayısı değeridir. Tasarım hesaplarında maksimum değer olarak bu değer kullanılmakta olup tasarımlarda tolerans aralığı belirlemede önemlidir. Maksimum kaldırma kuvveti stall hızı ile ilişkili olup Clmax arttıkça stall hızının daha düşük olmasını sağlar. Güvenlik açısından stall hızının düşük olması istenmektedir. İdeal kaldırma katsayısı (Cli) sürüklenme katsayısının minimum olduğu noktayı ifade etmektedir. Bu çalışmada hücum açısı değeri ideal kaldırma katsayısına karşılık gelen açı ile stall açısı arasında seçilmesi öngörülmektedir. Kaldırma katsayısı grafiği eğimi (C lα), hücum açısı değişimine göre kaldırma katsayısı değişimini ifade etmekte olup birimi (1/derece veya 1/radyan) olarak ifade edilir. Profilin (Clα) değerinin yüksek olması fazla kaldırma üretmesi amacıyla tercih edilmektedir. Kaldırma katsayısı grafiği eğimi (Clα) şu ampirik formül ile hesaplanmaktadır; CL α = π (1+(t maks/c)) () Eşitliğinde CL α değerinin yüksek çıkması için kalınlık - veter uzunluğu oranının yüksek olması gerektiği anlaşılmaktadır. Profil seçiminde kalınlık – veter uzunluğu oranının yüksek olması dikkate alınacaktır.[32,33] Sürüklenme Katsayısı (Cd) – Kaldırma Katsayısı (Cl) Şekil ‟de pozitif kambura sahip profillerde genel olarak oluşan C l-Cd grafiği verilmiştir. Bu grafikte profil özelliklerinin tanımlanmasında bazı terimler kullanılmaktadır. Sürüklenme katsayısının minimum olduğu değer (Cdmin) ve karşılığı olan kaldırma katsayısı (Clmin), başlangıç ~ 47 ~ noktasından grafik üzerine çizilen tanjant çizgisinin grafiği kestiği nokta (Cd/Cl)min veya (Cl/Cd)maks olarak tanımlanmaktadır. Yüksek (Cl/Cd)maks ve düşük sürüklenme katsayısı profil seçiminde önemli etkenlerden birisidir. İki ifadenin grafik üzerinde genellikle aynı noktada bulunmamaktadır. Bu durumda profilden istenilen özelliklerin karşılanmasında optimum nokta belirlenmektedir. Şekil Cl-Cd Grafiği Tanımlar[33] Tasarım yapılırken dış etkenlerden kaynaklanan Cdmin değerinden uzaklaşılmasına karşı belirli bir aralık dikkate alınarak herhangi bir değişiklikte belirlenen aralıkta kalınması için önlemler alınmaktadır. Bu proje de profil seçiminde (Cl/Cd)maks değeri yüksek olan profillerin seçilmesi düşünülmektedir. Türbin kanat hareketi esnasında kaldırma ve sürüklenme kuvvetinin fazla olması torku artırması beklenmektedir. (Cl/Cd) – Hücum açısı (α) Şekil ‟ da pozitif kamburluğa sahip profilin genel (C l/Cd) – (α) grafiği verilmiştir. Bu grafik kaldırma katsayısının sürüklenme katsayısına oranının hücum açısına göre değişimini ifade etmektedir. (Cl/Cd) değerinin maksimum açıda seçilmesi uçak kanadı tasarımlarında yakıt kullanımının azalması için yüksek kaldırma ve düşük sürüklenme oluşumunu sağlamaktadır. Grafikte (αl) olarak gösterilen nokta (Cl/Cd) değerinin maksimum olduğu optimum değerdir. Tasarım aşamasında uçak kanadında oluşabilecek ani değişimlerden kaynaklı tepkileri azaltmak için optimum değerin solunda kalan bir hücum açısı seçilmektedir. Bu önlem ani değişimlerde uçağın irtifa kaybetmesi ile kontrolünün kaybedilmesine karşı önemli bir parametredir. (Cl/Cd) değerinin maksimum olması maliyet açısından en verimli tasarımı belirleyen kriterdir. Türbin tasarımında ~ 48 ~ uçak kanadı tasarımı esas alınarak (Cl/Cd) değerinin maksimum noktasına yakın olan hücum açısı seçilecektir. Şekil Hücum Açısı - Cl/Cd Değişim Grafiği Downwash Kanatların kaldırma kuvveti üretmesinde 3 farklı teorem bulunmaktadır. Bu teoremlerden Momentum teoreminde, kaldırma kuvveti kanadın öne hareketinden dolayı kanat üzerinden geçen akışın aşağı yönelmesini ifade eder. Teoremde hava kütlesinin hareketsiz halde iken kanadın etki etmesi ile etki sürecinde akışın 0 olan hızının düşey olarak artması ile açıklanır. Kanat üzerinden geçen akışın aşağı hareketine „Downwash‟ ismi verilmiştir. Downwash ω ile ifade edilir. Downwash açısı ise ɛ ile ifade edilir. Downwash açısı ile hızın çarpımı downwash etkisine eşittir(ω=ɛ.V). Şekil ‟da uçak ve profil üzerinde oluşan Downwash açısı ve akış hareketi görselleştirilmiştir.[30,32] Downwash açısı Eşitlik ‟de ifade edilmiştir. Eşitlikte CL kaldırma katsayısını, AR kanat açıklık oranını ifade etmektedir. Kanat açıklık oranı arttıkça downwash açısının azalacağı ve kaldırma katsayısının artmasıyla downwash açısının artacağı görülmektedir.[32] ɛ = 2CL / π*AR () ~ 49 ~ Şekil Uçak ve Profil Üzerinde Oluşan Downwash Açısı[32] Türbin tasarımında otobüs üzerinden gelen akışın türbin üzerinden aşağı yönelmesi proje kapsamında istenmektedir. Bu hareketin türbin dönmesi ve profilin downwash özelliğinin kullanılması amaçlanmıştır. Otobüs arka kısmında oluşan akış ayrılsının ve türbülans oluşumunu azaltılarak sürüklenme kuvvetinin azalması öngörülmektedir. Kanat Açıklık Oranı (Aspect Ratio) Kanat açıklık oranı, kanat boyunun veter uzunluğuna oranı olarak ifade edilmektedir. Kanat uzunluğu b, veter uzunluğu c olarak ifade edilir. Kanat uçlarındaki veter uzunlukları farklı olan sweep kanatlarda ortalama veter uzunluğu (mean aerodynamic chord) veter uzunluğu alınarak kanat açıklık oranı hesaplanmaktadır. Kanat açılığı Eşitlik ‟te verilmiştir. AR = b/c = b2/ S S=b.c () Eşitlikte kanat açıklık oranı kanat alanı ile olan eşitliği verilmiştir. S, kanat alanını ifade eder. Şekil ‟de kanat alanı oranları ve temsili kanat ebatları verilmiştir. ~ 50 ~ Şekil Kanat Açıklığı Oranı ve Kanat Tasarımı Değişimi[33] Kanat tasarımında profil özellikleri (Cl, Cd, Cl/Cd ) üç boyutlu tasarım ve üretimde değerlerde düşüş oluşmaktadır. Kanat açıklık oranı arttıkça profil özelliklerinin kanat performans özelliklerine (C L, CD, CL/CD ) yaklaşmaktadır[33]. Şekil Profil ve Kanat Tasarımlarında CL Katsayısı Değişimi Kanat açıklığı arttıkça kanadın stall açısı kanat profili açısına yaklaşmaktadır. Kanat açıklığı artışı ağırlık ve üretim gereçlerinden kaynaklı olumsuz etkilere neden olabilir. Kanat açıklığının artışı genel ifadelerde istenen bir özellik olmasına rağmen downwash eşitliğinde azaltıcı etkisinden dolayı kanat açıklığının türbin tasarımında düşük değerlerde kullanılması uygun görülmüştür. ~ 51 ~ Profil Seçimi Profil seçiminde bazı kriterler ve profil özellikleri daha önce ifade edilmiştir. Türbin çalışma mekanizmasında numaralandırılan bölgelerde profil özelliklerinden yararlanarak tork elde edilmesi amaçlanmıştır. Akışı karşılayacak ilk bölge olan Çeyrek Alan 1‟de türbinin kaldırma kuvveti üreterek merkezden 90 derecelik açı kadar yükselerek Çeyrek Alan 2 bölgesine geçiş yapacaktır. Çeyrek Alan 2 ve 3 bölgelerinde tork üretimi için sürüklenme kuvvetinin kanat üzerine etkilemesi gerekmektedir. Bu nedenle bu bölgelerde sürüklenme kuvvetinin fazla olması gerekir. Sürüklenme kuvvetinin fazla olması 2 bölgede (Çeyrek Alan 2 ve 3) tork üretiminde gerekli olduğu için profil seçiminde öncelikli kriter olmaktadır. Profil kalınlığı arttıkça sürüklenme kuvveti artarken kamburluk arttıkça kaldırma katsayısı artmaktadır[ the anatomy of airfoil]. Düşük hızlarda yüksek kaldırma kuvveti üretmek için kalınlık veter uzunluğu oranı % aralığında olmalıdır [M. Sadreay sayfa ]. Bu nedenle kaldırma katsayısı ve sürüklenme katsayısının fazla olacağı kambur kalın profil tipleri seçilmesi uygun görülmüştür. Kalınlık ve kambur değerleri yüksek olan 30 adet profil seçilerek karakteristik grafikleri incelenmiştir. Xflr5 kanat profili analizinde kullanılan program yardımıyla profiller karşılaştırılarak optimum profil seçilmiştir. Profil seçiminde kamburluk ve kalınlığın yüksek değerlerinden yüksek kaldırma ve yüksek sürüklenme kuvvetleri oluşan profiller karşılaştırılmıştır. Eleme aşamasında stall açısının yüksek olması, grafik değerlerinin düzenli ve güvenilir olması ve yüksek hücum açısı değerlerinde kaldırma ve sürüklenme katsayısının yüksek olup (Cl/Cd ) oranının düşük olduğu hücum açısı değerleri karşılaştırılmıştır.[32,33,34] Şekil Seçilen 11 Adet Profilin Aerodinamik Grafikleri[34] ~ 52 ~ Şekil ‟de verilen 11 adet farlı profil belirlenen kriterler kullanılarak elde edilmiştir. Stall açısının yüksek olması, kaldırma ve sürüklenme katsayılarının yüksek olması kriterleri kullanılarak 3 adet profile indirgenmiştir. Kesin profil kararında Xflr5 programında kanat tasarımı yapılarak final profil seçilmiştir. Kullanılacak profil seçiminde, sürüklenme katsayısının, sürüklenme (Fx) ve kaldırma kuvvetinin (Fz) diğerlerinden daha fazla olması nedeniyle FXW profiline karar verilmiştir.[34] Şekil Seçilen 3 Adet Profil Kullanılarak Tasarlanan Kanatların Aerodinamik Grafikleri Türbin Kanadı Tasarımı Türbin ebatlarının belirlenmesinde projeksiyon alanın değişimi ile sürüklenme kuvvetinin artışı ifade edilmişti ve bu nedenle otobüs arka-üst kısmında meydana gelen hız ve akış hareketinin türbin kanadı tarafından yakalanması için türbin çapı 0,3 metre olarak belirlenmiştir. Temsili türbin hacimlerinin farklı sayı ve uzunluklarda analiz yapılarak sonuçların karşılaştırılmasından yararlanılarak türbin sayısı ve uzunluğu belirlenmiştir. Türbin kanadının uzunluğu, temsili türbin hacminin uzunluğu ve otobüs üzerindeki konumu değiştirilerek analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Analiz sonucunda Tablo ‟da bulunan değerler dikkate alınarak 2 adet 0,7 metre uzunluğunda türbin sistemi kullanımı daha az sürüklenme kuvveti oluşturması nedeniyle tercih edilmiştir. Türbin hareketinin iletilmesi için kanatların bağlanacağı diskler göz önüne alınarak kanat uzunluğu 0,6 metre olarak tasarlanmış olup disk kalınlığı 0,05 metredir. Akışın düzgün olarak hareketi için disklerin keskin kenarları yuvarlatılarak aerodinamik özellikleri daha uygun hale getirilmiştir. Türbin tasarımında 3 adet kanat kullanılarak araç hareketine göre aynı hücum açısında dönmesi ile akış aşağı yönlendirilecektir. Bu esnada 1. Bölgede bulunan kanat üzerinden akan akışın 3. Bölgede ~ 53 ~ bulunan kanat üzerine hareketi istenmektedir. Bu sayede direk akışa maruz kalmadan sürüklenme kuvveti oluşturan 3. Bölgedeki kanat türbinin dönmesine zarar vermeyecektir. Kanat uçlarında bulunan diskler vasıtasıyla dönme hareketinin jeneratöre iletilmesi düşünülmüştür. Bu çalışmada türbinin farklı noktalardaki sürüklenme ve kaldırma kuvveti değerleri elde edilerek ortalama otobüs kuvvet değişimi tespit edilecektir. Proje amacı olarak türbinsiz halde otobüsün sürüklenme kuvveti değeri türbin kullanılarak elde edilen sürüklenme kuvvetinden fazla veya yakın olması gerçekleşmesi beklenen durumdur. Bu durumda türbin yerleşiminin otobüse negatif etki etmeyerek dönmesi ve enerji üretmesi sağlanmış olur. Bu amaçla türbin kanatlarının yerleşimi 4 farklı durumda incelenmiştir. 3 kanatlı türbin tasarımında akışı ilk karşılayacak kanadın 30, 60, 90 ve derecelik açı hareketlerinde kanat yerleşimleri tasarlanarak analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Şekil Farklı Açılarda Konumlandırılan Türbin Kanatları Şekil ‟te sırasıyla 0, 30, 60, 90 ve derecelerinde konumlandırılan türbin kanatları verilmiştir. 3 Kanatlı bu türbin sisteminde analizi incelenecek farklı açılarda konumlanan türbin kanatları Şekil „da otobüs üzerine monte edilmiş halde görseller verilmiştir. Şekil Türbin Kanatlarının Otobüs Üzerine Monte Edilmiş Hali Şekil ‟de 30, 60, 90 ve derecelik konumlarında verilen türbin tasarımları 75 km/sa hızda polyhedral mesh kullanılarak k-Epsilon / Enhanced Wall Treatment türbülans modeli ile analizler yapılmıştır.[28,29] Analizlerde önce sadece türbin disklerinin bulunduğu model analiz edilmiştir. Farklı konumlarda bulunan kanatların analizi yapılarak sürüklenme ve kaldırma kuvvetlerinin ne ölçüde değiştiği incelenmiştir. Analizler sonucunda Tablo ‟de verilen değerler elde edilmiştir. ~ 54 ~ Tablo Farklı Konumlarda Yapılan Analiz Sonuçları Elde edilen değerlerde pervane kanatlarının bulunmadığı modelde toplam sürüklenme kuvvetinin N olduğu görülmektedir. Farklı konumlarda bulunan kanatlarla yapılan analizlerde ise toplam sürüklenme farklı değerlere sahip olup ortalama N olarak hesaplanmıştır. Daha önce ifade edildiği üzere herhangi bir tasarım değiştirilmeden otobüs modeli sürüklenme kuvveti [Tablo ] N (75 km/sa) olarak elde edilmişti. Türbin tasarımında arka-üst bölge değişikliği otobüs sürüklenme kuvvetinin artmasına neden olduğu anlaşılmaktadır. Ortalama sürüklenme kuvvetinin N altına inmediği için proje amacını karşılayamamış olup tasarımsal iyileştirmeler sonucunda daha az sürüklenme kuvveti oluşumu öngörülmektedir. Şekil Türbinsiz Otobüs Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Vektörel ve (b) Streamline Görseli ~ 55 ~ Şekil 30o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil 60o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil 90o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli Şekil o‟de Akış Analizi Hız Dağılımı (a) Streamline (b) Vektörel Görseli ~ 56 ~ Şekil 30o ve 60o Derecede Konumlandırılan Kanatlarda Akış Hız Dağılımı Şekil 90o ve o Derecede Konumlandırılan Kanatlarda Akış Hız Dağılımı ~ 57 ~ SONUÇ Yapılan analizler çerçevesinde otobüs arka üst kısmına yerleştirilecek türbinden enerji elde edilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. Elde edilen sonuçlarda türbin kanatlarının farklı bölgelerdeki durumundan beklenen kuvvetlerin oluştuğu ve türbin hareketinde tork sağlayacağı anlaşılmıştır. Fakat proje amacında belirtildiği gibi eklenen kanatlar sayesinde otobüs sürüklenme kuvveti fazla düşmemiştir. 3 kanatlı türbin analizlerinin ortalama sürüklenme kuvveti N olarak elde edilirken türbin takılmaksızın aynı otobüs modeli için sürüklenme kuvveti N olarak elde edilmiştir. Arada oluşan 9 N farkın tasarımsal iyileştirmeler ile kapatılabileceği, otobüs arkasında oluşan türbülansın azaltılabileceği görülmektedir. Türbin kanatları etrafında oluşan akış hareketi incelendiğinde otobüs içerisinde kalan bölgenin (3. bölge) otobüs arka kısmında oluşan düşük basınçtan etkilendiği ve kuvvet değerlerini değiştirdiği anlaşılmaktadır. Arka-üst kısmının daha fazla yuvarlatılarak tasarlanacak otobüs modelinde, düşük basıncın etkilemeyeceği şekilde türbin yerleşimi yapılabilir. Türbin üzerindeki akışın 3. bölgede girdap oluşmasına engel olacak şekilde tasarlanması türbin hareketi için daha elverişli olacağı sonucuna ulaşılmıştır. Otobüs üzerine yerleştirilecek türbin tasarımında türbine gelen akışı artırmaya yönelik otobüs üzerinde yönlendiricilerin kullanımı, profil kalınlığının daha fazla olan bir kanat tasarımı, veter uzunluğunun artırılması, kanat açıklığının azaltılması, otobüs arka-üst kısmının türbin akışını bozmayacak şekilde yuvarlatılması, türbine hava girişi ve çıkışında otobüs yüzeyinde yapılacak iyileştirmelerin türbinden daha verimli enerji üretimi sağlanacağı öngörülmektedir. ~ 58 ~ KAYNAKÇA 1- International Energy Agency, IEA statistics: World energy balances overview (funduszeue.info) 2- Enerji Ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Dünya ve Türkiye Enerji ve Tabii Kaynaklar Görünümü- Sayı 15 3- Dünyada ve Türkiye‟de Enerji Görünümünün Genel Değerlendirilmesi Mühendis ve Makine (Cilt 59 sayı s) 4- M. Can ŞENEL, Erdem KOÇ ‟Dünya‟da ve Türkiye‟de Rüzgar Enerjisi Durumu- Genel Değerlendirme‟ Mühendis ve Makine (Cilt 56, sayı ) 5- Çağrı CENGİZ „Slatlı Kanat Profilinin Etrafındaki Düşük Reynolds Sayılı Hava ve Su Akışlarının İncelenmesi ve Aerodinamik Performans Analizleri‟ () 6-K. Bahadır POTUK „Rüzgar Türbini Kanat Tasarımı ve Analizi‟ Dokuz Eylül Üniversitesi 7-Tayfur Kerem Demircioğlu “Bir Arac Modelinin Aerodinamik Analizi ve Sonlu Elemanlar Yontemi İle Simulasyonu” Balıkesir Üniversitesi – 8- Erkan GÜNPINAR, Umut COŞKUN, Mustafa ÖZSİPAHİ, Serkan GÜNPINAR „A Generative Design and Drag Coefficient Prediction System for Sedan Car Side Silhouettes based on CFD‟ () 9- Haecheon Choi, Jungil Lee, Hyungmin „Aerodynamics of Heavy Vehicles‟ The Annual Review of Fluid Mechanics – (funduszeue.info) John H. Han „Electrically Powered Vehicle‟ Patent No: US () Mario Pena „Wind Powered Battery Charging System‟ Patent No: US () David J. Burns „Electrical Power Generating Apparatus and an Electrical Vehicle Including Such Apparatus‟ Patent No: US () Micheal DePaoli „Vehicle Wind Operated Generator‟ Patent No: US () Anthony M. Baca „Wind Driven Electric Power Generation System‟ Patent No: US () David D. Dutchak „System of Electricity Generation for Motor Driven Vehicle‟ Patent No: US () Christian Stoeckert „Wind Turbine Driven Generator to Recharge Batteries in Electric Vehicle‟ Patent No: US () Milton H. Mater, Robert E. Torley „Wind Powered Generating Systems‟ Patent No: US () R. Dell Hull „Automobile With Wind Driven Generator‟ Patent No: US () ~ 59 ~ Leon Boodman „Wind Turbine Generator for Electrical Powered Vehicles‟ Patent No: US () Jean L. Bussiere „Turbine Air Battery Charger and Power Unit‟ Patent No: US () Philip C. Damron, Jane L. Damron „Propeller Wind Charging System For Electrical Vehicle‟ Patent No: US () Kenneth P. Glynn „Vehicle With Electricity Generating, Braking Wind Turbine‟ Patent No: US () Thomas H. Vu „Wind Energy Capturing Device For Moving Vehicles‟ Patent No: US () Shiang-Huei Wu „Multiple Installation Varie Gated Generators For Fossil Fuel and Electric Powered Vehicles‟ Patent No: US () Sofian Mohd, Nurhayati Rosly, Rexca A. Jamit, Syariful Shamsudin, Aslam Abdullah „An Evaluation of Drag Coefficient of Wind Turbine System Installed on Moving Car‟ () Jain Sumit, Sean D‟silva, Mayur Ingale „Utilizing Kinetic Energy of Wind as a Source of Power in Commercial Vehicles‟ () Albert Wen-Long Yao, Chia-Hui Chiu „Development of a Wind Power System on Trucks‟ () Aniket Bhave, HESSAM taherian „Aerodynamics of Intercity Bus and Its Impact on CO 2 Reductions‟ The Uni. Of Alabama/USA () Eyad Amen Mohamed Takroni „Aerodynamic Characteristics and Drag Reduction of Buses‟ Umm Al-Oura Uni. () Prof. Dr. Serkan Özgen „Estimation of Critical Performance Parameters‟ Aeronautical Engineering Design 1, Orta Doğu Teknik Üniversitesi () Dr. Jan Roskam, Dr. Chuan- Tau Edward Lan „Airplane Aerodynamics ond Performance‟ () Snorri Gudmundsson „General Aviation Aircraft Design‟ The Anatomy of the Airfoil (Chapter 8) () Mohammed H. Sadraey „Aircraft Design‟ Daniel Webster College, New Hampshire, USA () funduszeue.info / Tutorials Ansys- Fluent User Guide and Tutorials ~ 60 ~ EKLER Tablo Analiz Sonucunda Elde Edilen Değerler ~ 61 ~ Tablo Analiz Sonucunda Elde Edilen Değerler ~ 62 ~ Tablo Analiz Sonucunda Elde Edilen Değerler ~ 63 ~

Enerji kesintilerinde ve bazı afet durumlarında en çok iletişim kurmaya duyarız. İlk akla gelen, güç kaynağı sağlayıcısını jeneratör olarak düşünebilirsiniz. Üstüne üstlük pandemiden dolayı herhangi bir iş mevcut ekip sayısı azaltığından çok daha uzun sürüyor dolayısıyla elektrik hatlarının tamiri de uzun sürecektir. Ancak evde enerji üretimi de mümkün.

Eve benzinle çalışan küçük bir jeneratör almak, bazı nedenlerden dolayı sıkıntı yaratabilir. En önemlisi jeneratör yakıtının bulunmasının bazı durumlarda sıkıntılı hale gelebileceğidir. Karanlığı göz ardı etsek bile en önemli iletişim araçlarından olan internet bağlantısının olmaması göz yumulur bir durum değildir. Bir diğer seçenek olaral fotovoltaik pilleri ele alabiliriz. 10TL/W’ dan daha düşük bir fiyata iki adet watt’lık panel satın alınabilir. 35 A’lik DC-DC dönüştürücü kullanılırsa bir sonraki adım olarak -isteğe bağlı- kurşun asit batarya seçilebilir.

 

► İlginizi Çekebilir: Türkiye'de Yerli ve Yenilenebilir Enerji ile Elektrik Üretiminde Rekor Kırıldı

Watt- ölçerde alınan verilere göre -en az- W/h kapasiteli bir bataryanın dört dizüstü bilgisayarı, bir kablolu modemi ve bir kablosuz yönlendiriciyi (wireless router) yaklaşık 4 saat güç verebileceğini aynı zamanda çekirdek bir ailenin telefonlarını ve fenerlerine de şarj edebileceği ortaya kondu. Batarya çekirdek aile karanlık akşamlardan kurtarmalıydı. Bulutlu bir günde daha az yük için de yeterli olabilecek bir batarya seçilmeliydi. Dolayısıyla 12 V’ luk 35 A/h’lik bir batarya seçildi(nominal değerlerde Wh depo edebilen).
 

Hava arka arkaya kapalı olsa bile daha büyük pil depolama alanı almak yerine yedek elektrik kaynağı olan fotovoltaik pillerin, çalışmadığı zamanlarda alternatif bir elektrik enerjisi üretecine ihtiyaç duyulacağı öngörülebilir. Fotovoltaik pillerin verimli olmadığı zamanlarda bataryanın panelle bağlantısı kesip ihtiyacı karşılamak üzere yedekleme kaynağına bağlayarak enerji ihtiyacını karşılamak için iyi bir yoldur. Bir rüzgar türbini bu senaryoya hizmet verebilir ancak onun da devamlılığı oldukça sorgulanabilir. Dolayısıyla elektromekanik enerji dönüşümüyle bisikletten enerji üretmek son derece kullanışlı bir seçenek sunar.

Sistemde, DC-DC dönüştürücü aracılığıyla derin döngülü kurşun-asit bataryayı şarj etmek için öncelikle fotovoltaik panellere güveniliyor. Panelleri kullanmak için yeterli güneş ışığı olmadığında, bir standa monte edilmiş geleneksel bir bisikletin arka tekerleği tarafından tahrik edilen bir jeneratöre geçiliyor. Bu, üretilen ve aküyü besleyen gücü izlemek için gidonlara monte edilmiş bir doğrultucu ve sayaç gerektiriyor.
 
Günde yaklaşık bir saat bisiklete binildiği düşünülürse kaba bir hesapla 80 W üretilir (ortalama bir yetişkinin 1 saatte 22km’ye ulaşması durumunda).  80 Wattlık güneş enerji panellerinin sağlayacağı enerjinin sadece bir kısmına denk olmakla birlikte, dizüstü bilgisayarı birkaç saat internete bağlı kalması ve telefonları şarj etmek için yeterli olabilecek ölçüdedir. Pedal çevirmek, elektrik kesintisi sırasında sağlıklı ve stres azaltıcı bir aktivite olarak sınıflamak doğru olacaktır.
 
Sabit bir bisiklet standını elektrik enerjisi üretmek üzere dönüştürmek zor değildir. Sıradan bir bisiklet standında sıvı dolu bir bölme sürtünme direnci sağlar. Sıvı dolu bir bölme yerine arka tekerleğe bastıran bir şaft üzerinde sürtünme kuvveti oluşturmak için mıknatıs ve “eddy” akımları kullanan sabit bir bisiklet standı daha kullanışlı olacaktır.
 

Bisiklet standında sürüklenmeye neden olan kısımlar sökülüp esnek bir kuplör ve tahta bir ayırıcı kullanarak şafta fırçasız bir motor takılmalıdır. Daha sonra ise motorun üç kablosunu üç fazlı bir köprü doğrultucuya bağlanır. Doğrultucunun çıkışına ise sırayla batarya ve drok ölçer bağlanıfunduszeue.info ölçer, voltajı, akımı, gücü ve üretilen enerjiyi izlemeye olanak sağlar.
 
Çok çaba sarfetmeden bir saat pedal çevrildiği takdirde, güç üreten bisiklet standının 60 W ürettiği gözlenir. Bu durumda güç dönüşümündeki verimsizler dikkate alınmalıdıfunduszeue.infoça önemli bir konudur; motor ve jeneratör bir süreden sonra fazla ısınır W  da iş görür ayrıca bir saatten fazla bisiklet sürülmemesi gibi bir kural yoktur. Aile üyelerinin kışın gri günlerinde elektrik kesintisi olduğu takdirde telefon ve bilgisayar kullanımı için biraz terletmek iyi bir fikir olabilir.
 
Temel olarak kaslarla elektrik gücü üretmek, elektrik kesintisi olsun ya da olmasın çocuklar için değerli bir derstir. Bir ampül veya televizyon açıldığında, harcanan gücü(watt) kaslarla üretmek gerektiği durumda büyük çaba gerektiren bu deneyim, enerji tüketiminin ne anlama geldiğini kavramak için oldukça iyi bir yol olacaktır.
 

Kaynak:

► funduszeue.info