1. Üniversite ring servisinin direnç analizi araştırması ve rejeneratif frenlemenin etkileri
- Author
-
Tekin, Mehmet Ercan, Şen, Osman Taha, and Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Subjects
Mechanical Engineering ,Makine Mühendisliği - Abstract
Ulaşım ihtiyaçları dolayısıyla yükselen araç sayıları ve fosil yakıt kullanımları otomotiv sektörü için büyük problemler yaratmaktadır. Gerek fosil yakıt rezervlerinin tükenmesi, rezervlerin tükenmeye devam etmesinden kaynaklı olarak fiyatların yükselmesi, gerekse araçların kullanıldığı şehir içi ortamlarda hava kirliliğine sebebiyet vererek yaşam kalitesini düşürmesi otomotiv sektörünü alternatif güç kaynaklarına çalışmalar yapmaya yönlendirdi.Şu anda alternatif çalışmalar arasında en yaygın çalışmalar ise elektrikli araçlar üzerine yapılıyor. Elektrikli araçlar basitçe batarya gibi bir enerji depolayabilen güç kaynağından aldığı enerjiyi elektrik motoru üzerinde hareket enerjisine çevirerek araçların hareket etmesini sağlamaktadır. Ancak batarya teknolojilerinin istenilen seviyede gelişememesi, hızlı şarj desteği olmaması menzilinin düşük olmasına ve kullanım kolaylığı sağlayamamasına sebep oluyor. Bu yüzden elektrikli araçların geliştirilmesi üzerine en çok pil ve enerji verimliliği çalışmaları yapılıyor.Elektrikli araçların enerji verimliliğini arttırabilmek adına kullanılan yöntemlerden biri rejeneratif frenlemedir. Bu yöntemin esas amacı içten yanmalı motora sahip araçlarda sürtünme ile sağlanan frende kaybedilen enerjiyi pile geri depolayabilmektir. Bunun için elektrik motorunun bağlı olduğu tekerlerde frenleme esnasında elektrik motoru tarafından ters tork uygulanır ve elektrik motoru jeneratör olarak çalışmaya başlar. Böylelikle tekerleğin sahip olduğu kinetik enerji elektrik motorunun vasıtasıyla pile kimyasal enerji olarak geri depolanır. Bu olayların sonucunda ise araç yavaşlar.Rejeneratif frenleme yönteminin kullanılması ile menzil sorunu yaşayan araçların menzili aracı fişe takmadan bir miktar daha uzatmayı sağlar ve verimliliği arttırır. Ancak bu bütün fren enerjisinin geri kazanılacağı anlamına gelmez. Arada bulunan komponentlerin verimleri ve düzensizlikler bu geri kazanımın kayıplara uğramasına sebep olur.Bu çalışmada İstanbul Teknik Üniversitesi içerisinde bulunan ring servisinin yol bilgileri toplanarak detaylı güç tüketimi analizi yapılmıştır ve olası bir elektriklileştirme uygulaması sonrasında rejeneratif frenleme ile kazanılabilecek enerji miktarı hesaplanmıştır.Çalışmanın en önemli süreçlerinden biri yol verisinin ve araç sürüş verilerinin toplanması esnasında oluşmuştur. Bu aşamada bir mobil telefon kullanılmıştır. Matlab Mobile uygulaması üzerinden cihazın üzerinden bulunan GPS alıcısından veriler kayıt edilmiştir. GPS üzerinden enlem, boylam, yükseklik ve hız bilgileri toplanabilmiştir. Mobil cihazın kullanılması daha fazla verinin toplanmasına ve daha gerçekçi sonuçlara ulaşılmasında fayda sağlamıştır. Bu cihazdan toplanan verilerl 1Hz frekansında toplanmıştır. Dolayısıyla her saniye için bir kayıt alınmıştır.Veri toplaması esnasında enlem,boylam ve hız verilerinde bir tutarsızlık gözlenmemişken yükseklik verisinde tutarsızlıklar tespit edilmiştir. Bu durum GPS alıcılarının yükseklik ölçümlerinde problem oluşturduğunu göstermektedir. Bu durumu çözümlemek adına Google Elevation API kullanılmıştır. Google Elevation API enlem, boylam bilgilerinin verilmesi karşılığında o enlem ve boylamın bulunduğu noktanın yüksekliğinin edinilebildiği bir internet servisidir. Matlab üzerinden oluşturulan bir kod ile bu bilgiler toplanarak yol için edindiğimiz enlem, boylam noktaları için güvenilir yükseklik noktalarına sahip olunmuştur.Bu çalışma kapsamında yolun coğrafi bilgileri, servisin hız bilgisi ölçüm cihazı ile toplanmış, bunun üzerine Matlab üzerinde yolun ivme haritası, sürtünme direnci haritası, yuvarlanma direnci haritası, yokuş direnci ve atalet kuvvetleri hesaplamaları yapılmıştır. Burada yapılan hesaplamalar sayesinde de aracın bir servis rotası esnasında anlık ve toplam olarak güç hesaplamaları yapılmıştır. Burada elde edilen atalet kuvvetlerinin analizi sayesinde aracın frenleme esnasındaki güç tüketimine ulaşılmıştır. Bu bilgi sayesinde de bazı varsayımlar kabul edilerek rejeneratif frenleme ile geri kazanılabilecek enerji miktarı hesaplanmıştır.Yapılan hesaplamalar doğrultusunda, 12 durağa sahip bu rotada oluşan farklı sürüş karakteristikleri, servisin doluluğu ve trafik durumundaki farklılıklar çalışmanın farklı koşullarda da ölçüm yapmasını sağlamıştır. Böylelikle kampüsün daha yoğun veya daha tenha olduğu zamanlarda ring süreleri arasındaki farklar ve farklı sürüş karakteristiklerini gözlemlemek daha gerçekçi sonuçlar elde edilmesini sağlamıştır.Yapılan ölçüm ve hesaplamaların sonucunda ise servisin yaklaşık olarak bir yöne gittiği zaman toplamda 4.5kWh güç tükettiği ölçülmüştür. Sahadan alınan dizel yakıt tüketimine göre yapılan hesaplamalarda bütün rota boyunca 16kWh güç üreten motorun verimlilikler dolayısıyla yaklaşık ölçülen miktara denk geldiği görülmüştür. Bu durum neredeyse dirençlerin tamamının hesaplandığını ancak kayıpların hesaplanamadığını göstermektedir.Servis aracının rota boyunca en çok atalet ve yokuşa enerji harcadığı görülmüştür. Bu durum aracın çok yüksek bir kütleye sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Binek araçlarda yüksek olarak görülen sürtünme direnci, gerek servisin hızlı gitmemesi gerekse binek araçların daha az kütleye sahip olmasından dolayı çok yüksek değerlere ulaşmamıştır.Atalet kuvvetlerinin çok yüksek olmasından dolayı aracın frenlemeleri esnasında da çok yüksek miktarda güç harcanmaktadır. Bu durum sürtünme ile frenleme yapıldığında tamamen ısı enerjisine dönüşüp kullanılamaz hale geldiği için verimi düşürmektedir. Ancak elektrikli otobüs kullanımında rejeneratif frenleme ile geri kazanılarak menzil arttırılabilir ve bu durum verimliliği yükseltecektir.Bu çalışmada yapılan varsayımlar üzerinde hesaplanan rejeneratif frenleme miktarı aracın toplamda harcadığı gücün en kötü senaryoda %26'sı en iyi senaryoda ise %33'ünün geri kazanılacağını göstermiştir. Burada sürüş esnasında yapılan ani frenlemeler çok yüksek fren kuvvetlerine sahip olduğundan dolayı, durmaya yakın esnadaki frenlemelerde motor üzerinde düzenli bir akım oluşturamadığından dolayı yok sayılarak hesaplanmıştır. Dolayısıyla, sürüş esnasında yapılan hızlıca frenlemeler hem hızlı tepki alabilmek adına hem de motorun bu gücü tamamen sağlayamamasından dolayı rejeneratif frenleme metodunu uygulamaya uygun değildir. Ölçüm farklılıkları da farklı yoğunluk koşullarında ve farklı sürüş karakteristiklerinden dolayı farklılıklar göstermektedir.Bu çalışmanın sonucunda, kısa mesafeli rotaya sahip bir servis aracının elektriklileştirilmesinin uygun olabileceğini göstermiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda çıkan yüksek rejeneratif frenleme oranı da aracın menzilini daha fazla uzatarak tek şarj ile daha fazla yol alabileceğini göstermiştir. Son duraklara koyulabilecek şarj istasyonlarıyla da bütün servisler elektrikli servislere dönüştürülebilir. Servis içi kampüslerin elektriklileştirilmesi kampüs içi hava kirliliğini azaltarak kampüs içinde yaşayan insanların daha rahat nefes almasını ve doğayı korumaya yardımcı olmasını sağlayacaktır. Emission problems and depletion of fossil fuel reserves led the automotive sector to find alternative solutions. Electrification of the vehicles is one of the alternative solution to these problems and it is trying to be implemented by most of the automotive companies.Despite of its performance and emission advantages, electric vehicles also have some some problems that prevent people from using it widely.This problem is the range of the electric vehicle. One of the system that can extend electric vehicle's mileage is regenerative braking systems. This system simply aims to convert braking energy of the vehicle into the chemical energy that can be stored in battery system and can be used as a energy source to be ready when vehicle will be accelerated. Electric vehicle application can be also applied on buses and regenerative braking can be a good opportunity to save brake energy into the batteries.In this study, the road information of the shuttle bus within the Istanbul Technical University was collected and a detailed power consumption analysis was performed and the amount of energy recovered by regenerative braking after a possible electrification application was calculated.As a result of the measurements and calculations, the shuttle consumed 4.5kWh in total when the service went in first direction. In the calculations made according to the diesel fuel consumption, it was seen that the engine which produced 16kWh power along the whole route corresponded to the measured amount due to the efficiency. This situation shows that almost all of the resistances are calculated but the minor losses cannot be calculated.It was observed that the shuttle bus spent most of the energy on inertia and slope along the route. This is because the vehicle has a very high mass. The high drag resistance in passenger cars has not reached very high values due to the fact that the shuttle does not go fast and the passenger cars have lower mass.The amount of regenerative braking calculated on the assumptions made in this study has shown that the power consumed in the total route will be recovered by 26% in the worst case scenario and 33% in the best scenario. Therefore, rapid braking during the driving process is not suitable for the quick response and the regenerative braking method because the motor cannot provide this power completely. The differences in measurement also vary due to different crowd-density conditions and different driving characteristics.As a result of this study, it has been shown that electrification of a service shuttle with a short distance route is appropriate. The high regenerative braking rate resulting from the calculations has shown that the vehicle can reach more distance with a single charge by extending the range further. All shuttles can be converted into electrical services with the charging stations that can be put at the last stops. The electrification of shuttle will help reduce the on-campus air pollution, help people breathe more comfortably and help to preserve nature. 155
- Published
- 2019