ALTERNATİF ENERJİLİ ARAÇLAR

BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ PROJE KULÜBÜ OLARAK TÜBİTAK FORMULA-G 2012 YARIŞLARINDA 46 ARAÇ İÇERİSİNDE 17.OLDUK.

GÜNEŞ & HİDROJEN ARABASI

Yeryüzünde iki nokta arasında yolculuk ederken asıl yapılan iş,yerçekiminden kaynaklanan potansiyel enerjiyi değiştirmekten ibarettir.Fakat bu iş içten yanmalı motora sahip bir otomobille yapıldığında,motorun ürettiği mekanik enerjinin ancak %10 kadarı bu amaca hizmet eder.Kalanı ise sürtünme kuvvetlerine karşı yapılan iş olarak,bir bakıma ziyan olur.Motorun kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürme verimiyse,zaten %25 civarında düşük bir düzeydedir.Dolayısıyla,eğer bitiş noktasının rakımı başlangıç noktasınınkinden yüksekse;yani eğer yükseklik kazanmışsak,kullandığımız benzinin içerdiği kimyasal enerjinin yalnızca,yaklaşık %2,5 kadarını potansiyel enerjimizdeki artışa dönüştürmüş oluruz.Hele eğer yokuş aşağı bir yolculuk yapıyorsak,hem potansiyel enerjimizden,hem de harcadığımız benzinin içerdiği enerjinin tümünden olmuş oluruz.
Halbuki benzini elde ettiğimiz petrol,tükenmeye yüz tutmuş bir kaynak...
Bu verim düşüklüğü,beraberinde ek bir yakıt maliyeti getirdiği gibi,fosil yakıt kullanımının yol açtığı çevre sorunlarını da misliyle katlıyor.Çünkü bilindiği üzere,egzoz çıktısının içerisinde atmosfere kükürtoksit(SOx),nitrikoksit(NOx) ve karbondioksit(CO2)gibi kirletici veya sera gazlarıyla,parçacık kirleticiler salınıyor.Otomobille ulaşımın yoğun olarak kullanıldığı büyük yerleşim merkezlerinde hava kirliliği ve buna bağlı olarak sağlık sorunları artarken,yaşam kalitesi düşüyor.Sonuç olarak,konvansiyonel kara taşıtlarıyla ulaşıma ağırlık vermekle,bir bakıma adeta daha fazla çevre sorunu yaratabilmek için daha fazla kaynak harcamak zorunda kalıyoruz.Dolayısıyla,temiz otomobil tasarımlarına yönelik yoğun arayışlar var.
Bu tasarımlardan birisi,yakıt olarak hidrojen kullanan araçlar.Gerçi,hidrojen hala içten yanmalı bir motorda yakıldığından verimlilik açısından pek bir iyileştirme getirmiyor.Fakat yanma ürünü olarak yalnızca su buharı ürettiğinden,aracın çalışma sırasında atmosfere kirletici unsurlar salınmıyor.Dolayısıyla olumsuz çevre katkıları,eğer kullanılan hidrojen temiz yöntemlerle elde edilmişse tümüyle ortadan kaldırılmış değilse de en azından otomobil kullanımının yoğun olduğu kentlerden uzaklaştırılıp,söz konusu hidrojenin üretildiği merkezlere kaydırılmış oluyor.Bu tasarımlar prototip aşamasında olup,hidrojenin dağıtım ve depolanma sorunlarının çözümünü bekliyorlar.
Temiz ulaşım arayışlarındaki bir diğer tasarım,elektrikli ulaşım araçları

.Elektrikli motorlar çok daha yüksek verimlerle çalışıyor ve çalışırken atmosfere kirletici yaymıyorlar.Buna karşılık,yüksek güç taleplerinde yanıt vermekte zorlandıklarından,kısa sürelerde hızlanamıyor ve manevra yetenekleri sınırlı kalıyor.Öte yandan,kullandıkları elektriğin önceden depolanmış olması,bunun için de akülerin kullanılması gerekiyor.Halbuki yüksek güce sahip akülerin halen,boşalma süreleri kısa,yeniden doldurma süreleriyse uzun.Bu durum,tümüyle elektrikli araçların kullanışlılığını azaltıyor.
Bu soruna çözüm,aracın gereksinim duyduğu elektriği yolda üretebilmesinde yatıyor.Örneğin,hem elektrikli ve hem de sıvı yakıtla çalışan içten yanmalı bir motoru bulunan "hibrid" araçlar bunu yapabiliyor.Bu araçların,şehir içindeyen çoğunlukla elektrikli motorunu,aküsünün zayıfladığı veya hızlı manevra gereksiniminin doğduğu durumlarda ve uzun sürelerle hız yapılan şehirlerarası yollarda da içten yanmalı motorunu kullanması öngörülüyor.Söz konusu iki motor birbirine seri ya da paralel olarak bağlanabiliyor.Seri bağlanmaları halinde,aracı yalnızca elektrikli motor sürüyor ve içten yanmalı motor yalnızca jeneratör olarak çalışıp,aküyü boşaldıkça dolduruyor.Paralel bağlanmaları halindeyse,aracın sürümü için motorlardan biri veya diğeri devreye girebiliyor.Bu türden "hibrid"araçlar,piyasada halen mevcut.Ancak bu teknoloji,göreceli olarak pahalı ve yalnızca,şehirlerdeki hava kirliliğinin azaltılmasına katkıda bulunuyor.Ulaşım sektörünün petrole olan bağımlılığını azaltmıyor.
Kimyasal enerjiyi doğrudan elektriğe dönüştüren,düşük sıcaklıklı yakıt hücreleri teknolojisi,bu açıdan büyük ümit vaad ediyor.Çünkü söz konusu kimyasal enerjiyi,metanol veya hidrojen gibi çok çeşitli kaynaklardan sağlamak mümkün.Ancak halen,güç düzeyi ve maliyet açılarından çözüme muhtaç sorunları var.Bir de tabii,kimyasal enerji kaynağı olan hidrojen veya etanolu elde etmenin temiz yollarını bulup geliştirmek gerekiyor.
Halbuki,elektrikli bir aracın gereksinim duyduğu elektriği,fotovoltaik gözeler aracılığıyl güneş ışınlarından doğrudan elde etmek de mümkün.Güneş panelli otomobil tasarımları,bu olasılık üzerinde çalışıyor.Böyle bir otomobilin aküsü de olmak zorunda.Göze sisteminin ihtiyaç fazlası elektrik üretebilmesi halinde akü doldurulacak,üretimin yetersiz kaldığı sırada da,aküde depolanmış olan enerji kullanılacaktır.Fikir basit görünmekle beraber,böyle bir tasarım oldukça karmaşık mühendislik sorunları içerir.
Hareket halindeki bir otomobil,üç çeşit kuvvete karşı iş yapabilmek zorunda.Bunlardan birincisi,havanın ve lastiklerin sürtünme kuvvetine,ikincisi,ivmelenme sırasında maruz kalınan eylemsizlik kuvvetine,üçüncüsüyse,bir yokuş tırmanılıyorsa eğer,aracın ağırlığına etki eden yerçekimi kuvvetinin yokuş düzeyi üzerindeki izdüşümüne karşı yapılan iş,yokuş aşağı hareket halinde,bu üçüncü kuvvete karşı yapılan iş negatif olur.Yani otomobil,yerçekiminden kaynaklanan potansiyel enerjisinden kaybederken,kinetik enerji kazanır.Bu istenmiyorsa eğer,yani hızının artmaması isteniyorsa,kaybedilen potansiyel enerjiyi kinetik enerji yerine,fren yapmak suretiyle ısı enerjisine dönüştürmek mümkün.Otomobilin tasarımını yapabilmek için aracın maruz kalacağı bu kuvvetlerin tavan düzeylerinin önceden bilinmesi gerekir.Buysa,aracın geometrisinin ve kabaca ağırlığının önceden bilinmesini gerektirir.
Dolayısıyla,tüm otomobillerin olduğu gibi,güneş panelli bir aracın tasarımı da,bir bakıma sondan başlar:Hangi amaca hizmet edeceğinin kararlaştırılmasından sonra,bu amaç için yeterli olacak bir ağırlık belirlenir.Diyelim ki bizim güneş panelli otomobilimiz,yaklaşık 70 kg ağırlığında bir sürücüyü taşıyacak.Yaklaşık olarak motorun ağırlığının 30 kg,akü ağırlığının da bir o kadar olduğunu varsayarsak,bu,araç gövdesinin kendi ağırlığına kendi ağırlığına ek olarak 130 kg taşıyacağı anlamına gelir.Şimdi,bu unsurları taşıyacak bir gövde tasarlamak ve bunu yaparken de,sürtünme kuvvetlerini en alt düzeye indirgeyecek bir geometri seçmek gerekir.
Havanın sürtünme kuvvetini en aza indiren,yani hava dinamiği açısından en uygun araç profili,uçaklarda da kullanılan kanat geometrisi.Bu geometride aracın profili,ön tarafta kalın bir bombe şeklinde başlar ve arkaya doğru incelerek bir bıçak sırtına dönüşür.Dolayısıyla profile karşıdan gelip çarpan hava,profilin üst kısmında,alt kısmına oranla daha uzun bir yol izler ve sonuç olarak daha fazla kinetik enerji kaybeder.Dolayısıyla profilin arka kenarının üst kısmındaki basınç,alt kısımdakine oranla daha düşük olur.Bu durum,kanat geometrisi üzerinde bir kaldırma kuvveti oluşturur ve aracın ağırlığı,özellikle yüksek hızlarda,ciddi miktarlarda azaltılmış olur.O kadar ki,sürücünün ağırlığı tasarımdakinden yeterince düşükse,araç havalanıp takla atabilir.
Kanat boyutları,sürücüyü,motoru ve diğer asgari donanımı barındırabilecek büyüklükte seçilir.Sıra,gövde üzerine etki edecek olan kuvvetleri hesaplamaya gelmiştir.Bu iş,gerçek veya küçültülmüş model boyutlarıyla,rüzgar tünellerinde simülasyonla veya çok daha ucuz olarak,bu amaçla hazırlanmış özel programları kullanmak suretiyle,bilgisayar simülasyonlarıyla yapılabiir.Gövdeye çarpan havanın hızı olası en yüksek rüzgar hızıyla,aracın hareket hızının toplamıdır.Söz konusu programlar,bu hızın verilmesi ve araç geometrisinin betimlenmesi halinde,gövdeyi oluşturan parçalar üzerindeki yüklerin dağılımını verir.

GÜNEŞ PİLLERİNİN YAPISI

Güneş pilleri ya da fotovoltaik piller, yüzeylerine

gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine

dönüştüren yarı iletken maddeler.Yüzeyleri kare,

dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş

pillerinin alanları genellikle 100 cm2 civarında, kalı

nlıkları ise 0,2-0,4 mm arasında oluyor.

Fotovoltaik etki silisyum gibi yarıiletken maddelerin

içinde oluşur. Fotopil denen fotovoltaik

hücreler, bir P-N denklemi, yani iki katmanlı bir yarı

iletken bölge içerir. Bunların birindeki (“delik”

diye de adlandırılan ve + elektrik yüküyle

sonuçlanan) elektron azlığı ve diğerindeki (- yük

sağlayan) fazlalığı, bu bölgenin her iki tarafında bir

elektrik alanının oluşmasına yol açar. Yarı iletken

tarafından emilen ışık akısının fotonları, yarıiletken

parçanın iki tarafında ayrı ayrı toplanan elektrondelik

çiftlerini oluşturur. Bunun sonucunda, eklemin

aydınlanan yüzüyle ve buraya düşen ışığın yo-

ğunluğuyla orantılı bir elektrik akımı meydana gelir.

Açık, güneşli bir havada 1 desimetre çapında

bir fotopil, yaklaşık olarak 1 watt üretir. Verimi (çı-

kış gücünün gelen ışık gücüne oranı) kullanılan

malzemeye göre değişir.

Fotopiller genellikle çok kristalli ya da amorf

(biçimsiz) silisyumdan yapılır. Çok kristalli silisyum

yüksek güvenilirliğinden ve yüksek veriminden dolayı

(yüzde 10-14) ilgi çekiyor. Buna karşılık amorf silisyumun

verimi daha düşük ( yüzde 7). Bununla birlikte,

daha ince katmanlar halinde kullanılabildiğinden

daha az masraflı. Fotopiller, 1950’lerde uyduları

n elektrik elde etmesi için geliştirilmişti. Günümüzdeyse

elektrik elde etmek için bir alternatif

enerji kaynağı olarak düşünülüyor.

Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan

transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri

de, yarıiletken maddelerden yapılıyor. Yarı iletken

özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili

yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum

arsenit, kadmiyum tellür gibi maddeler. Yarı iletken

maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için

N ya da P tipi katkılanmaları gerekli. Katkılama,

saf yarıiletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin

kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır.

BMW'nin Hidrojen Arabaları

KAYNAK : Teknik bilgiler BİLİM VE TEKNİK DERGİSİ KASIM 2003 Sayısı'ndan alınmıştır.