BİLİM

>>> Burak Demirel - İ.T.Ü. Makina ve Kontrol Mühendisliği 4. Sınıf Öğrencisi

Güneş Panelli Otomobiller

Otomobille ulaşımın yoğun olarak kullanıldığı büyük yerleşim merkezlerinde hava kirliliği ve buna bağlı olarak sağlık sorunları artarken, yaşam kalitesi de düşüyor.

Yeryüzünde bulunan rastgele iki nokta arasında yolculuk ederken asıl olarak yaptığımız iş, gravitasyon (yerçekimi) kaynaklı potansiyel enerjimizi değiştirmekten başka bir şey değildir. Fakat bu iş içten yanmalı motora sahip bir otomobil ile yapılırsa, motorun üretebileceği mekanik enerjinin sadece %10 kadarı bu amaç için tüketilebilir. Kalan kısmı ise genel olarak sürtünme kuvvetlerine karşı yapılan iş olup boşa harcanır. Ayrıca içten yanmalı bir motorun, kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye çevirme verimi de yaklaşık olarak %20'ler mertebesindedir; yani oldukça düşüktür. Bunun sebebi yanma süreci sırasındaki tersinmezlikler ve termodinamik yanma sürecinden elde edilebilecek maksimum enerjinin sınırlı olmasıdır. Dolayısıyla, eğer yolculuğun bitiş noktasının yüksekliği başlangıç noktasındakinden fazla ise; içten yanmalı motorda yakıt olarak kullandığımız benzinin içerdiği kimyasal enerjinin yalnızca %2 kadarlık bir kısmı potansiyel enerjimizdeki artışa dönüştürülmüş olur. Bu durumda hem mevcut potansiyel enerjimizden hem de harcadığımız yakıttaki kimyasal enerji kullanılamaz. Hâlbuki benzini damıtarak elde ettiğimiz petrol tükenmeye yüz tutmuş bir kaynaktır... Kimi bilim adamları elli kimileri ise en fazla yüz yıllık bir ömür biçmektedir.

Yarışmada dereceye giren güneş panelli otomobiller

Mevcut verim düşüklüğü, beraberinde ek yakıt maliyetini getirmesinin yanısıra çevre kirliliğine de yol açmaktadır. İçten yanmalı motorları kullanımı, fosil yakıtlarının kullanımının yol açtığı çevre sorunlarını da misliyle katlıyor, çünkü bilindiği üzere, atmosfere verilen egzoz gazının içerisinde kükürtoksit, nitroksit ve karbondioksit gibi kirletici ve sera etkisi yapıcı gazlar bulunmaktadır. Otomobille ulaşımın yoğun olarak kullanıldığı büyük yerleşim merkezlerinde hava kirliliği ve buna bağlı olarak sağlık sorunları artarken, yaşam kalitesi de düşüyor. Sonuç olarak, konvansiyonel kara taşıtları ile ulaşıma önem vermekle, bir bakıma daha fazla çevre sorunu yaratabilmek için daha fazla kaynak tüketmek zorunda kalıyoruz. Dolayısıyla, günümüzde dünyada çevreyle dost otomobil tasarımlarına yoğun arayışlar var.

Bu tasarımlardan birisi yakıt olarak hidrojenin kullanıldığı araçlardır. Gerçi, hidrojen hala içten yanmalı bir motorda yakıldığından, verimlilik açısından pek iyi bir iyileştirme getirmiyor. Fakat yanma ürünü olarak yalnızca su buharı ürettiğinden, aracın çalışması sırasında atmosfere kirletici gazlar salınmamaktadır. Bu sebeple olumsuz çevre katkıları, eğer kullanılan hidrojen temiz yöntemler ile üretilmişse tümüyle ortadan kaldırılmış değilse de en azından otomobil kullanımının yoğun olduğu kentlerden uzaklaştırılıp, söz konusu hidrojenin üretildiği merkezlere kaydırılmış oluyor. Bu tasarımlar şu anda prototip aşamasında olup, hidrojenin dağıtım ve depolama sorunlarının çözülmesini beklemektedir.

Burak Demirel ve arkadaşları İstanbul Park'ta yapılan "Güneş Enerjili Otomobiller" yarışmasında 1.liği kazandılar.

Temiz ulaşım arayışlarındaki bir diğer tasarım ise elektrikli ulaşım araçlarıdır. Elektrikli motorlar diğer motor türlerine göre daha yüksek verimlerde çalışmaktadırlar (Verimi yaklaşık %94' e kadar çıkan elektrik motorları mevcuttur) ve ayrıca da çalışırken atmosfere kirletici maddeler yaymamaktadırlar.

Buna karşın yüksek torklar üretmekte zorlandıklarından, ivmelenmeleri normal araçlara göre daha düşük olmakta ve manevra kabiliyetleri ise biraz daha sınırlı olmaktadır. Halbuki yüksek güce sahip akülerin halen, boşalma süreleri kısa ve yeniden doldurma süreleri ise uzundur. Bu durum tümüyle elektrikli araçların kullanışlılığını azaltan en önemli sorundur.

Yeni tasarımlar

Bu soruna çözüm, aracın gereksinim duyduğu elektriği yolda üretebilmesinde yatmaktadır. Örneğin, hem elektrikle hem de sıvı yakıtla çalışan içten yanmalı birer motoru bulunan "hibrid" (melez) araçlar bunu yapabilir. Bu araçların, şehir içindeyken çoğunlukla elektrikli motorunu, aküsünün zayıfladığı veya hızlı manevra gereksiniminin doğduğu durumlarda ve uzun sürelerle hız yapılan şehirlerarası yollarda da içten yanmalı motorunu kullanması öngörülmektedir. Söz konusu iki motor birbirine seri veya paralel olarak bağlanabilir. Seri bağlanmaları halinde, aracı yalnızca elektrik motoru sürer ve içten yanmalı motor sadece jeneratör olarak çalışır ve aküyü boşaldıkça durur. Paralel bağlanmaları durumunda ise, aracın sürümü için motorlardan biri veya diğeri devreye girebilmektedir. Bu türden melez araçlar, piyasada halen mevcuttur. Ancak bu teknoloji, göreceli olarak pahalı ve yalnızca şehirlerdeki hava kirliliğinin azaltılmasına katkıda bulunmakta; fakat ulaşımın petrole bağımlılığını ortadan kaldıramamaktadır.

İstanbul Park'ta yapılan yarış esnasından görüntüler.

Halbuki, elektrikli bir aracın gereksinim duyduğu elektriği, fotovoltaik gözeler aracılığıyla güneş ışınlarından doğrudan elde etmek de mümkündür. Güneş panelli otomobil tasarımları, bu olasılık üzerinde çalışmaktadır. Böyle bir otomobilin aküsü de olmak zorundadır. 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 içinde barındırır. Burada önemli olan tasarım sorunlarından biri güneşten gelen ışık ışınlarından yüzeye olabildiğince dik düşmesini sağlamaktır. Bir diğeri de araç tasarım aşamasında iken arabanın güneş gözeleri ile kaplı hiç bir yüzeyi üzerinde gölge oluşmamasının sağlanmasıdır ya da minimum büyüklükte gölge oluşmasına sağlanmalıdır; çünkü oluşan bu gölge ile elde edilecek gerilimi %50 ile %75 oranında azaltacaktır. Bunların dışında tasarım sırasında mühendislerin canını sıkan bir diğer sorunda yüksek miktarda enerji elde edebilmek için aracın yüzeyinin mutlaka düze çok yakın olması gerekliliğidir. Bu da aracın aerodinamik yapısını kötü yönde etkilemektedir. Bu sebepten, oluşacak aerodinamik kuvvetin etkisinin en aza indirilmesi için mühendisler çok kafa yormaktadır. Burada bahsedildiği gibi daha düşünülmesi gereken birçok önemli ayrıntı mevcuttur.

Hareket halindeki bir otomobil, üç çeşit kuvvete karşı iş yapabilmek zorundadır. Bunlardan birincisi, havanın ve lastiklerin sürtünme kuvvetine; ikincisi, ivmelenme sırasında maruz kalınan atalet (eylemsizlik) kuvvetine; üçüncüsüyse, bir yokuş tırmanılıyorsa eğer, aracın ağırlığına etki eden yerçekimi kuvvetinin yokuş yüzeyi üzerindeki izdüşümüne karşı yapılan iştir. 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 olabilir. Otomobilin tasarımını yapabilmek için, aracın maruz kalacağı bu kuvvetlerin maksimum miktarlarının önceden bilinmesi gerekir. Buysa, aracın geometrisinin ve kabaca ağırlığının önceden bilinmesini gerektirir. Dolayısıyla, tüm otomobillerin olduğu gibi, güneş panelli bir aracın tasarımında da bilgisayar destekli mühendislikten yararlanılır. Örneğin çizim için Catia, Solidworks gibi, mukavemet analizi için ANSYS, NASTRAN gibi ve aerodinamik analizler için ise FLUEND gibi paket programlar kullanılır. Bu programlar ile aracın dinamik simülasyonu yapılır ve varsa eksiklikleri giderilir. Böylece araç üretime hazır hale getirilir.