Güneş Arabasının İncelenmesi

Güneş arabaları temel olarak enerjisini güneşten karşılayan araba türü olarak tanımlanır. Kullanılan malzeme ve tasarım farklılık gösterse de çalışma prensibi tüm yapılan araçlarda hemen hemen aynıdır. Araba; enerjiyi sağlamak için güneş panelleri, motor, kullanılmayan enerjiyi saklamak ve gerektiğinde kullanmak için akü, sürücü bölümü ve bu elemanları birbirine bağlayan ve denetleyen çeşitli elektrik ve elektronik mekanizmalardan oluşur. Her üretilen güneş arabası farklı özelliklere sahip olsa da temel olarak 6 farklı bölümden oluşmaktadır.

GÜNEŞ PANELİ

Güneş panelleri, üzerinde güneş enerjisini soğurmaya yarayan bir çok güneş hücresi bulunduran enerji üretim aracıdır. Güneşten aldığı ışımaları elektrik enerjisine dönüştürme verimi şuan ki teknolojide oldukça düşük seviyelerdedir. Sanayide bu sorun devasa alanlar kullanılarak çok sayıda güneş panelleri ile çözülmüştür. Ancak güneş arabalarının çok kısıtlı alanları olması nedeniyle yüksek verimli paneller tercih edilmektedir.Yüksek verimli panellerin maliyeti oldukça fazladır.
 

Güneş panellerinin elektriği üretmesi şu şekildedir; Panel üzerine birleştirilmiş güneş hücreleri yarı iletken olan silikon malzemeden üretilmektedir ve yine yarı iletken olan silisyum elementini içeriğinde bulundururlar. Işımalar, hücrelerdeki bu maddeler tarafından emildiğinde madde içerisindeki elektronlar bulundukları atomlardan ayrılarak serbest kalırlar. Böylece bir elektrik akımı oluşur. Ancak belirli dalga boyundaki ışımalar elektrik enerjisine dönüştürülebilir, diğer ışımalar yansıtılırlar. Bu yüzden verim oldukça düşüktür.

Güneş arabalarında güneş panelleri en önemli elemandır. Ancak hem veriminin düşük olması hem de maliyetinin çok yüksek olması güneş arabalarının yapımındaki en büyük problemdir. Dünya güneş arabaları yarışı(WSC) 2007 yılı birincisi Nuna4 adlı araç %34 verimliliği olan paneller kullanmıştır.WSC 2003 üçüncüsü olan MIT’nin aracı Tesseract’da %25 verimli paneller kullanılmıştır.

MOTOR

Güneş panelleri sayesinde elde edilen elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirmek motorun görevidir. Elektrik motorlarının bir çok çeşidi bulunmasına rağmen çalışma prensipleri benzerdir.Ancak güneş arabalarında daha çok tercih edilen motor tipi dc fırçasız motordur.Fırçasız dc motor, komütasyon işlemini mekanik olarak değil elektronik olarak sağlayan bir motor türüdür. Fırçalı DC motorlarda ise rotordaki sarımlara elektrik iletimi fırça-kollektör yapısı ile sağlanır. Dilimli bir yapıda olan kollektör düzeneği sayesinde, rotor sarımlarından geçen akımın yönü motor dönerken kendiliğinden değişir. Bu sistemin kıvılcım oluşturma, bakım gerektirme ve fırçalarda aşınma gibi problemleri vardır. Fırçasız doğru akım motorlarında fırça-kollektör düzeneğinin görevini elektronik bir denetleyici (kontrolör) üstlenir. Denetleyicide, yüksek akımı anahtarlama görevini yürüten yarı iletken devre elemanları ve anahtarlama ile ilgili zamanlamayı sağlayan mikrodenetleyici bulunur.

Fırçasız dc motorların güneş arabalarındaki tercih sebepleri şöyle sıralandırabiliriz; En önemli özelliği yüksek verime sahip olması, fırça-komitatör bulunmaması ve daha az bakırdan imal edilmesi sebebiyle ağırlığının düşük olması, fırça kullanılmadığından motordan kıvılcım çıkma riskinin olmaması, mikrodenetleyiciler sayesinde motorun dönüşünde aksama olmaması, diğer motor tiplerine göre daha küçük boyutlu olmasıdır.

Ancak motorun doğru seçilmesi pistte de bağlıdır. Pistteki çeşitli eğimler motorun verimini düşürebilir. Pist analizi ve motor analizi birlikte yapılmalıdır.

MPPT (Maksimum Güç Noktası İzleyicisi)

Maximum Power Point Tracker yani maksimum güç noktası izleyicisidir. İki sistem arasında güç aktarımı yapılırken sistemden her zaman maksimum gücü çekerek verim elde etmemize yarayan elektronik mekanizmadır.
 

Güneş arabalarında kullanılma sebebi; Araç üzerindeki güneş panelleri çeşitli parçalara ayrılmış şekildedir. Dolayısıyla bu parçalar üzerinde üretilen elektrik enerjileri sıcaklığa, ışık şiddetine ve açısına göre farklılık göstermektedir. MPPT devresi ise bu üretilen farklı elektrik enerjilerini izler ve sürekli en yüksek voltajı veren birimi baskın hale getirerek elde edilebilecek enerjiyi en verimli hale getirir. Sisteme uygun bir MPPT, verimi %10-30 oranlarında arttırabilir.MPPT kullanılmazsa; araç yalnızca güneşten o anda gelen verimsiz ve düzensiz enerjiyi kullanmak zorunda kalır.

AKÜMÜLATÖR

Akümülatör, elde edilecek güneş enerjisinin fazlasını depo etmek ve gerektiğinde geri vermek görevini yapısındaki kimyasallar sayesinde sağlayan mekanizmadır. Bir çok akü yapısı vardır.Ancak kurşun-asit, lityum-iyon ve lityum-polimer aküler en çok kullanılan çeşitlerdir.

Kurşun-asit akü; araçlar, alarm sistemleri ve kesintisiz güç ihtiyacı olan tüm yerlerde kullanılır. Güneş arabaları için oldukça ağır bir akü olduğundan genellikle tercih edilmezler.
Lityum-iyon akü; tüm elektronik cihazlarda kullanılırlar. Ağırlık ve büyüklük oranı olarak aktarabildikleri yüksek enerji ile en iyi akü çeşitlerinden biridir.Ancak kimyasal yapısı nedeniyle yüksek ısıya ya da doğrudan güneş ışığına maruz bırakılırlarsa kolayca tutuşabilir ya da patlayabilir.Güneş arabalarında bu sebepten tercih edilmezler.
Lityum-polimer akü; lityum-iyon akünün devamı özelliğindedir. Fakat lityum-iyon akülerde elektrolit, bir organik çözeltinin içindeyken, lityum-polimer akülerde polyacrylonitrile veya polyethylene oxide gibi polimerlerin içindedir. Lityum-iyon akülerde bir metal kılıf, elektrotlar ve ayraç katmanlar üzerinde basınç yaparak onları bir arada tutar. Lityum-polimer akülerde böyle bir basınca gerek yoktur, çünkü elektrotlar ve ayraç katmanlar birbirine lamine edilmiştir. Ortada metal bir kılıf olmadığı için lityum-polimer aküler daha hafiftir, daha ince üretilebilir, daha esnektir ve güç vereceği aygıta göre özel olarak şekillendirilebilir. Patlama tehlikesi lityum-iyona göre daha azdır. Bu sebeplerden güneş arabalarında lityum-polimer akü kullanımı tercih edilir.

2007 dünya güneş arabaları yarışı birincisi Nuna4 adlı güneş arabasında lityum-polimer akü tercih edilmiştir. 2003 üçüncüsü olan MIT’nin aracı Tesseract’da 512 adet lityum-iyon pil kullanılmıştır. 

MEKANİK TASARIM

Bir araba için kullanılan çoğu mekanik aksam güneş arabalarında da kullanılır. Buradaki sorun mekanik aksamların güneş arabaları için oldukça ağır olmasıdır. Bu sebeple mukavemeti yüksek ama ağırlığı daha az malzemeler tercih edilir. Bu malzemeler oldukça maliyetlidirler aynı zamanda. Ağırlığı optimum seviyeye düşürmek önemlidir ancak aracın aynı zamanda tasarım olarak da aerodinamik bir yapısı olmalıdır.

Dünya güneş arabaları yarışını bir çok kez kazanan Hollanda’lı Nuon Solar Team ekipinin yeni yarışlar için tasarladığı Nuna5 adlı güneş arabasının neredeyse tüm mekanik aksamı karbon fiber ve karbon elyaf malzemelerinden oluşmaktadır. Bu sayede aracın ağırlığı sürücü hariç 160kg kadar düşmektedir. Bunun yanı sıra ekibin bu araba için geliştirdiği uçak kanadı tasarımı sayesinde 2007 yılında WSC kazanan Nuna4 isimli kendi araçlarından %25 daha aerodinamik bir mekanik yapıyı oluşturmuşlardır.

SÜRÜCÜ PANELİ

Sürücünün yarış esnasında yarış strateji belirlemesinde ve güvenlik için oluşturulmuş elektronik aksamdır. Motor kontrolü, güvenlik için zorunlu kılınmış bölümler, hız göstergesi ve akım ölçümü gibi çeşitli sayıda elemanlardan oluşur.
 

Bugüne kadar üretilen tüm güneş arabaları belirli bir zaman ve belirli bir güzergahda ki yarışmalar için tasarlanmıştır.Yani dünyadaki en verimli güneş arabası dahi herhangi bir zaman aralıgında veya herhangi bir güzergahda hareket etmeye hazır değildir.Günümüzde, küçük bir kitlenin kullanımına sunulan elektrikli arabaların verim ve performansı tartışılırken güneş arabalarının yarışmaların dışına çıkıp binek araç olarak kullanılmasına ‘hayal’ demek daha doğru olur.