Hız tümseklerinden enerji üretimi sistemi, yenilenebilir enerji kaynaklarına alternatif bir çözüm sunan yenilikçi bir projedir. Geleneksel enerji üretim yöntemlerinin çevresel etkilerini azaltmak ve sürdürülebilir bir enerji geleceği için adımlar atmaya yönelik bir yaklaşım sunmaktadır. Bu sistem, yollarda bulunan hız tümseklerinin trafiğin geçişi sırasında oluşan kinetik enerjisini geri kazanarak elektrik enerjisine dönüştürme prensibine dayanır. Hız tümsekleri, araçlar üzerinden geçerken oluşan kinetik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürür ve bu enerjinin yakalanarak elektrik enerjisine çevrilmesiyle sistemin çalışması sağlanır. Bu yöntem sayesinde, günlük trafik akışıyla oluşan enerji potansiyeli yakalanarak çevreye dost bir şekilde elektrik enerjisi üretilir. Bu sistem, sürdürülebilirlik, enerji verimliliği ve çevre koruma gibi alanlarda önemli katkılar sağlamayı hedeflemektedir. Bu projenin amacı, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmak ve enerji üretiminde daha sürdürülebilir bir yol izlemektir.
Yenilenebilir enerji sistemleri üzerinde önemli çalışmalar yapılmış olsa da, bunlar hala öngörülemez (örneğin rüzgar enerjisi) ve gün boyunca mevcut olamayabilir (örneğin güneş enerjisi). Heyecan verici bir alternatif olan bu sistemde, mekanik hız tümsekleri generatorler kullanılarak araç hareketinden kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilir.
Tümseklerinden Enerji Üretimi
Tümsek yapıya etki eden yük, dişli ve kasnak düzeneklerine iletilir. Burada tümseğin aşağı – yukarı hareketi, dişli ve kasnak düzenlemesi kullanılarak döner harekete dönüştürülür. Bu döner hareket bir generator yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülerek uygun enerji depolama ekipmanlarıyla depolanabilir.
1 ton ağırlığındaki bir aracın hız tümseği üzerinde 10 cm yüksekliğe çıkması yaklaşık olarak 0,98 kW güç üretir. Dolayısıyla, her dakikada yaklaşık 10 aracın geçtiği yoğun bir otoyolda, 1 dakikada yaklaşık 10 kW elektrik üretilebilir. Bu sayı gün sonunda büyük olacaktır. Bu elektriği depolamak için her bir tümsek üzerine bir inverter ve bir depolama modülü takılmalıdır.
Temel Metodoloji
Hız tümseğinin üst kısmının altına sabitlenmiş bir kremayer dişli takımı, bir dişli ile sürekli olarak birleştirilir. Farklı büyüklükteki dişlilerin dönmesi ile, devir hızını yaklaşık 16 kat artıran bir dişli düzeneğinin dönmesini sağlar. Bir DC motoru, enerji çıkarıldıktan sonra son duraktır, böylece bir araç tümsek üzerinden geçtiğinde motor dönecek ve doğru akım üretecektir.
Dişli Oranı
Sistemdeki kritik noktalardan biri de dişli oranının seçimidir. Doğru dişli oranının seçilmesiyle birkaç avantaj elde edilebilir. Dişli oranının sistemin boyutu, çevresel faktörler doğru verimlilik hesaplamaların yapılması sayesinde mekanizma daha fazla dönme sağlayabilir. Bu yüksek hızlı dönme sayesinde, jeneratörün ana hareketini daha hızlı bir şekilde döndürmeye yardımcı olacaktır. Bu şekilde güç üretme verimliliği daha da artacaktır.
Hesaplama
Dişli dişinin dayanımı, Fs = бb * b * y * Pc şeklinde ifade edilir.
бb = tasarım bükülme gerilmesi
b = diş genişliği = 10m
m = modül
y = şekil faktörü
dairesel adım, Pc = 3.14m
y = .154 – .912/64 = 0.13975
Fs = бb * 10m * 0.13975 * 3.14m
Her iki yöne de uygulanır.
Бb = kbl/n * Kб * б^-1 burada kbl = bükülme için ömür faktörü
kbl = 1 için >10^7 (çevrim sayısına göre ömür)
n = güvenlik faktörü sünek çelik için n = 2
Kб = köşe yoğunluğu = 1.2 (sünek çelik için)
Б^-1 = dayanım sınırlaması = .35 бu + 1200
Бu = maksimum dayanımı EN8 için Бu = 600 N/mm^2 = 6009.8 = 5886 Kgf/cm^2
Б^-1 = 0.355886+1200 = 3260.1 Kgf/cm^2= 332.324 N/mm^2
Бb = 0.51.2332.324 = 138.46 N/mm^2 Şimdi Fs = 138.46 * 10m * 0.13975 * 3.14m= 607.89 m^2
Ft = 1960 N ile karşılaştırıldığında 1960 = 607.89m^2 Bu, m = 1.79 olduğunu gösterir.
Hesaplama Sonucunda:
Üretim kolaylığı için dişlilerde modül değeri olarak 2 yaygın olarak kullanılır.
Blok Diyagram 1
- Kremayer Dişli Mekanizması
- İletici Dişliler
- Generator
- Doğrultma, Filtre ve Regülasyon
- Anahtarlama Cihazı
- Depolama Modülü
Sistemde kullanılabilecek temel mekanizmalar:
- Krank – Biyel Mekanizması
- Kremayer Dişli Mekanizması
- Dişli Mekanizmaları
Şekil 1’ de görülen Kremayer dişli mekanizmalı bir modeldir. Kremayer dişli mekanizması yerine Şekil 2’de belirtildiği gibi krank – biyel mekanizması da kullanılabilir.
Deneysel Çalışmalar, Hesaplamalar ve Sonuçları
Çalışma 1
Proje senaryosunu gerçekleştirmek için bir prototip oluşturulmuştur. Hız tümseği sistemine sırasıyla 41 kg, 65 kg ve 80 kg kütleler uygulanmış ve voltaj, akım ve dönme hızı gibi deneysel büyüklükler ölçülmüştür.
Gözlemlendiği üzere, kütle arttıkça üretilen voltajın doğrusal olarak arttığı görülmüştür. Örneğin, 41 kg kütlede üretilen voltaj 5.0 V’dir. Bu voltaj, 65 kg kütlede 15.6 V’ye ve 80 kg kütlede 21.5 V’ye ulaşır.
Ayrıca beklenildiği gibi, ölçülen akımın eğilimi, ölçülen voltajı etkilemektedir. Kütle 41 kg’den 80 kg’ ye çıkarken akımın 1.6 A’dan 2.6 A’ya yükseldiğini göstermektedir. Ölçülen akım ve voltaj değerleri, çıkış gücünü hesaplamak için kullanılmıştır.
41 kg, 65 kg ve 80 kg kütleler sırasıyla 6.5 W, 26.2 W ve 44.7 W üretir. Bu nedenle, çıkış gücünün kütle ile doğrusal olarak değiştiğini açıkça göstermektedir. Bununla birlikte, yukarıda hesaplanan güçler sırasıyla 0.16 W/kg, 0.40 W/kg ve 0.56 W/kg üretmektedir. Dolayısıyla, hız kesici sistemine uygulanan kütle arttıkça birim kütle başına üretilen güç miktarının arttığı söylenebilir. Sonuç olarak, birim kütle başına 0.37 W/kg ortalama güç üretimi, hız kesici sistemlerin performansı açısından potansiyele sahip olduğunu göstermektedir, bu nedenle mevcut araçların geçtiği yollara böyle sistemlerin kurulması incelenmeye değerdir.
Bu sistemlerin yollara uygulanması önerisi, bir aracın ortalama kütle değerinin yaklaşık 1500 kg olduğu gerçeğine dayanmaktadır. Bu nedenle, bu kütleye karşılık gelen beklenen güç, yaklaşık olarak her araba için 0.56 kW olarak tahmin edilmektedir. Sonuç olarak, üretilen gücün gece boyunca yollara ışık sağlamak için gereken elektrik talebini karşılamak ve kameralar, sensörler ve radarlar gibi yollara kurulu elektrikli cihazlara güç sağlamak için yeterli olacağına kesinlikle inanılmaktadır.
Deney sonucunda 65 kg ve 80 kg kütlelerin uygulandığı durumlarda sistem yaklaşık 26.2 ila 44.7 W güç üretilebildiği ortaya çıkmıştır. Bu nedenle, 0.37 W/kg ortalama bir güç, böyle sistemlerin gerçek uygulamalardaki performansı için umut verici bir işaret oluşturmaktadır. Gerçek bir fiziksel sisteme yapılan gözleme dayalı tahminler, her geçen araç için 0.56 kW’lık bir ortalama güç üretilebileceğini göstermektedir. Yani, sistemin yol üzerine kurulması, şehir sokaklarını aydınlatmak, bulvarlara güç sağlamak veya kameralara ve hız sensörlerine düşük gerilimli güç sağlamak için kullanılabilecek bir güç sağlayacaktır.
Çalışma 2
Hidrolik Press kullanılan bir model ile de çalışma yapılmıştır. Bu modelde ise çalışma metodolojisi şu şekildedir:
Araç, hız tümseği sistemi üzerinden geçtiğinde yük kremayer dişli mekanizmasına iletilir. Aracın ağırlığı nedeniyle tümsek aşağı doğru hareket eder. Basınç çubuğu, bir tarafı hız tümseğinin altına diğer tarafı hidrolik presin küçük pistonuna bağlıdır. Hidrolik press, küçük piston ile büyük piston arasındaki kuvveti 4 katına çevirir. Büyük pistonun üzerine üç adet dişli takılmıştır.
Her dişli, 2 tek yönlü dişli ile bağlıdır. Her dişli, baskı düşük olduğunda enerjiyi emen ve ihtiyaç duyulduğunda serbest bırakan bir volanla bağlantılıdır. Volan, büyük bir dişliye bağlıdır ve büyük dişli ise bir generatore bağlı küçük bir dişliye bağlanmıştır. generator, dönme enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür.
Bir araç hız tümseğinden geçtiğinde, yayların genişlemesi hız kesiciyi önceki durumuna getirir ve sistemi tersine çevirir.
Şarj devresi bir pili şarj eder. Inverter devresi, pilin DC voltajını AC voltaja dönüştürür ve bir yükseltici transformatör voltajı daha da yükseltir. Gece koşullarını algılamak için bir karanlık algılama devresi kullanılır ve sokak lambalarını buna göre aktive eder.
Yapılan bu model çalışmasında ise şu veriler elde edilmiştir:
Hız tümseği üzerinden geçen örnek aracın kütlesi = 350 kg (Yaklaşık olarak)
Tümsek yüksekliği = 15 cm Cismin ağırlığı = 350 kg × 9.8 = 3430 N
Kat edilen mesafe = Hız tümseğinin yüksekliği = 15 cm
Yapılan iş = cismin ağırlığı × aracın baskısıyla kat edilen mesafe
Güç = Yapılan iş / Saniye = (3430 × 0.15) / 60 = 8.58 Watt
Hız tümseği üzerinden geçen 1 araç için geliştirilen çıkış gücüc60 dakika (1 saat) için geliştirilen güç = 514.5 watt
24 saat için geliştirilen güç = 12.35 kW Bu sistem, 250 V ve 24 amper sağlayabilir.
100W’lık bir ampul kullanıldığında: Bir kilometrede 60 ampul gerekiyor.
Toplam watt = 60×100 = 6000 watt = 6 kW
Hız tümseği üzerinden geçen bir aracın enerji üretim sisteminden elde edilen gücün hesaplamaları ve değerlendirmeleri göz önüne alındığında, elde edilen gücün oldukça kullanışlı olduğu görülmektedir. Bir araç için geliştirilen çıkış gücü, saatlik olarak 514.5 watt ve günlük olarak 12.35 kW’tır. Bu güç, 250 V ve 24 amperlik bir enerji sağlayabilecek kapasitededir.
Bir kilometrede 60 adet 100 watt’lık ampul kullanıldığında toplamda 6 kW’lık bir güç ihtiyacı ortaya çıkar. Bu da hız tümseği enerji üretim sisteminin bu gereksinimi karşılayabileceği anlamına gelir. Gerçek hayatta, bu üretilen güç sayesinde geceleyin dört sokak lambasının rahatlıkla çalıştırılabilmesi mümkün olur.
Bu bilgilere dayanarak, hız tümseği enerji üretim sisteminin gerçek bir uygulama için oldukça verimli olduğunu söyleyebiliriz. Yükseklikten kaynaklanan potansiyel enerji, aracın geçişi sırasında kinetik enerjiye dönüşerek elektrik enerjisi üretimi sağlar. Bu sayede, çevreye zarar vermeden ve yenilenebilir bir enerji kaynağı kullanılarak elektrik ihtiyacının karşılanması mümkün hale gelir. Hız tümseği enerji üretim sistemi, enerji verimliliği ve sürdürülebilirlik açısından olumlu bir çözüm sunmaktadır.
Genel Süreç Hakkında Bilgi
İlk adım, bu sistemin dayanıklı, hafif ve uygun maliyetli olması için doğru malzemenin seçilmesidir. Malzeme seçimi, yüksek mukavemet, düşük ağırlık, korozyon direnci gibi özellikleri dikkate alarak yapılır.
Ardından, CAD tasarımı kullanılarak enerji üretim sistemi detaylı bir şekilde modellenebilir. Bu aşamada, tümseğin geometrisi, sistem bileşenlerinin konumu, bağlantı noktaları ve diğer tasarım parametreleri belirlenir. Tasarım incelenmesi, yapılan CAD modelinin analiz edilmesini ve sistemin performansının değerlendirilmesini içerir. Burada, enerji üretimi, verimlilik, dayanıklılık gibi faktörler göz önünde bulundurulur ve gerekli iyileştirmeler yapılır.
İmalat süreci, sistem elemanlarının üretimini kapsar. Bu aşamada, CAD modeli kullanılarak parçaların imalatı gerçekleştirilir. Hassas ölçümler yapılır ve istenen toleranslara uygun olarak parçalar üretilir. Yüzey taşlama ve tezgah işlemleri, parçaların pürüzsüz hale getirilmesi ve istenen geometrik özelliklere ulaşması için gerçekleştirilir.
Sistem elemanlarının kaynaklanması ve montajı, enerji üretim sisteminin bir araya getirilmesi aşamasını ifade eder. Bu süreçte, parçalar doğru şekilde kaynaklanır ve birleştirilir. Montaj işlemi sırasında, sistem elemanları uygun şekilde yerleştirilir ve bağlantıları sağlanır.
Sonuç olarak, hız tümseğinden enerji üretim sistemi tasarım süreci, malzeme seçimi, CAD tasarımı, tasarım incelenmesi, ölçüm ve sistem elemanlarının imalatı, yüzey taşlama ve tezgah işlemleri, sistem elemanlarının kaynaklanması ve montajı gibi aşamalardan oluşur. Bu süreç, enerji üretim sisteminin güvenilir, etkili ve verimli bir şekilde çalışmasını sağlamak için önemli adımlar içerir.
İmalat Süreci
Ark Kaynağı
Ark kaynağı, benzer veya benzer olmayan iki metalin birleştirilmesinde kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem, metalleri eritmek için yeterli ısıyı üretmek için elektrik gücü kullanır. Soğutulduğunda, metaller birleşir. Kaynak güç kaynağı, katot ve taban malzemesi arasında dairesel bir bölge oluşturarak kaynak noktasında metalleri eritmek için kullanılır. Kaynak bölgesini kaplayan farklı gaz formları etrafında cüruf oluşturur.
Tezgah İşlemleri
Bir iş parçasını iki sert destek noktası olan merkezler veya yüksek hızda dönen bir yüz plakası üzerinde tutan bir makineye torna denir. Kesici takım, dönen iş parçasına karşı beslenen bir takım aparatında tutulur ve desteklenir. Tornada kesme işlemleri, kesici takımın iş parçasına paralel veya dik bir açıyla beslenerek gerçekleştirilir. Konikler ve açılar, takımın işin ekseniyle bir açı oluşturarak iş parçasına beslenmesiyle oluşturulabilir.
Torna işlemi, bir iş parçasının dış çapından metalin kaldırılmasıdır. Torna, çapı belirli bir ölçüye indirmeye yardımcı olur. Metal iş parçasında istenen bir yüzey elde etmeye yardımcı olur.
Model Görselleri
Avantajlar
- Kirlilik olmadan enerji üretimi sağlanır.
- Çok karmaşık bir yapıya sahip değildir.
- Teknoloji inovatif bir şekilde kullanılmıştır.
- Enerji yıl boyunca mevcuttur.
- Yakıt taşıma sorunu yoktur.
- Yenilenebilir olmayan bir enerji kaynağı olan fosil yakıt tüketimi yoktur.
- Enerji üretimi için harici bir kaynağa ihtiyaç yoktur.
- Bu konsept, iyi verimliliği ve enerji geri kazanımı kriterleri nedeniyle oldukça umut vaat edicidir.
Dezavantajlar
- Sistemi, kargo kamyonları ve yolcu otobüsleri gibi ağır araçları işlemek için tekrardan tasarlamak gerekebilir.
- Gerekli önlemler dikkatli bir şekilde alınmazsa yer altı suları ve yağmur suları sistem için kritik sorunlar oluşturabilir.
- Üretilen enerjinin depolanması için bir batarya gereklidir ve bakım gerektirir.
- Sistem periyodik bakım gerektirir.
- Birçok hareketli parça bulunur.
Sonuç olarak, hız tümseğinden enerji üretim sistemi birçok avantaja sahiptir, ancak dezavantajları da göz önünde bulundurulmalıdır. Bu sistem, temiz ve sürdürülebilir enerji üretimine katkıda bulunurken, uygun bakım ve önlemler alınarak potansiyel sorunların minimize edilmesi gerekmektedir.