Güneş Enerjili Arabalar için Menzil Hesabı Nasıl Yapılır?

Güneş enerjili elektrikli araçlar (Solar Electric Vehicles) ile ilgili yaygın sorunlardan biri menzildir. Gelecekte bu araç teknolojisini yaygın bir gerçeklik haline getirmek için hangi tasarım engellerinin aşılması gerekiyor? Detayları yazımızın devamında.

A- A+

22.03.2021 tarihli yazı 5328 kez okunmuştur.

Gelişen teknolojiyle beraber artan enerji ihtiyacı ile dünyada temiz enerji kaynakları üzerinde daha fazla düşünülmesi zorunlu hale getirmiştir. Bir çok ülkenin yenilenebilir enerjiye yöneliminin artmasıyla, en zararsız enerji üretim yöntemlerinden biri olan güneş pillerinin üzerine de araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmalar sonucunda son on yılda güneş pil teknolojisinin verimliliği artarken, maliyeti düşmüştür. Bir çok büyük otomobil üreticisi arasında da güneş panelli araçlar kavramı ortaya çıkmıştır. Örneğin, Hyundai geçtiğimiz yılın şubat ayında tanıtımını yaptığı Sonata Hybrid modelinin tavanında bulunan güneş tavanı sistemiyle günde 6 saat şarj ile yılda 1.300 kilometre ekstra menzil sağladığını açıkladı. Toyota da aynı şekilde "Prius Prime" ı güneş panelleriyle donatmak için güneş enerjisi üreticisi Panasonic ile işbirliği yaptı.

Şekil 1: Hyundai Sonata Hybrid Modeli

► İlginizi çekebilir: Hibrit Otomobiller Nasıl Çalışır?

Geçen yılın sonunda ise, San Diego merkezli Aptera Motors şirketi, "şarj gerektirmeyen ilk güneş enerjili elektrikli aracı (SEV)" duyurdu. Aptera’nın Asla Şarj Etme Teknolojisi sloganıyla duyurduğu bu araç yalnızca güneş enerjisiyle günde 64 kilometre, yılda ise 17.000 kilometre gidebiliyor.

Şekil 2: Aptera Motors'un SEV prototipi

İnce film güneş pilleri ve araca entegre fotovoltaikler, son yıllarda önemli ölçüde ilerlemiş olsa da, bazı tasarım zorlukları SEV'lerin "güneş menzilini" ve yaygın olarak kullanımını engelliyor.

VIPV Nedir?

İnce film güneş pil teknolojisinin ilerlemesi ile güneş pillerinin aracın bazı elektronik ekipmanlarına güç sağlamak için kullanıldığı "araca entegre fotovoltaik konseptine" VIPV (Vehicle Integrated Photovoltaic Systems) denir. Üretilen güç; elektronik kontrol ünitelerine, ekranlara, klima ünitelerine vb. güç sağlamak için kullanılabilir.

Şekil 3: VIPV bir ICE aracına güç sağlar

► İlginizi çekebilir: Şarj Ağları ve İstasyonları Terminolojisi

Yukarıda gösterildiği gibi, VIPV konsepti bir içten yanmalı motorlu (ICE) araca uygulanabilir. Ayrıca elektrikli araçlarda yaşanan menzil kaygısı, elektrikli şarj istasyonunun azlığı göz önüne alındığında artık elektrikli araç üreticileri de solar sistemlere yönelmekte.

Güneş Menzilini Etkileyen Faktörler

VIPV sistemi tarafından üretilen elektrik enerjisi; güneş menzili, sürüş şekli, elektrikli araç tüketimi, tavan alanı, araç konumu ve iklim koşulları gibi birkaç farklı faktöre bağlıdır. En önemlisi de güneş ışınlarını direkt olarak elektrik enerjisine çeviren güneş pillerinin araçtaki sayısı ve konumunun belirlenmesidir. Araçların çatısı, güneş pillerini entegre etmek için ilk seçenektir. Kaç adet güneş pilinin araca kolayca entegre edilebileceği çatı alanına göre hesaplanır. Elektrikli araçlarının çatı alanı yaklaşık 1,7 ila 2,3 m² aralığında olabilir. Enerji tüketimi (kWh/km cinsinden), aracın mevcut enerjiyi ne kadar verimli kullandığını belirler. Bugünün elektrikli araçlarında enerji tüketimi 13-24 kWh/100 km aralığındadır.

Şekil 4: Güneş panelleri ile kaplı tasarım araç

Güneş menzilini etkileyen bazı önemli faktörler; güneş modüllerinin maximum gücü, inverter verimliliği ve akü şarj verimliliğidir.

Günümüz şartlarında ortalama bir aracın park süresi 8 saattir. Pilin yüksek verimle şarjı için bu sürenin güneşlenmenin olduğu zaman aralığında gerçekleşmesi gerekir. Ayrıca, güneşlenmenin olduğu saatlerde enerjiyi depolayabilmek için pilin tam şarj durumunda olmaması gerekir.

Güneş Menzilinin Teorisi

Maximum gücü 250 W/m² olan bir güneş pilini 2 m² tavan alanına sahip bir elektrikli araca entegre edersek, araç maksimum 500 W güç elde edebilir. 40 kWh pil kapasitesiyle SEV'in pili tamamen şarj etmesi için 80 saate ihtiyacı vardır. Peki güneş modülleri gün boyu maksimum güneş ışığı alabilecek mi?

Bu sorunun cevabı için New Jersey’in Newark şehrinde, yılın üç farklı ayında günlük güneş ışığı yoğunluğunun nasıl değiştiğini gösteren bir çalışmayı inceleyelim. Çalışmada elde edilen aşağıdaki grafikte görüldüğü gibi en yüksek verimin temmuz ayında yaşandığı, ocak ayı ile karşılaştırıldığında da ışınım verilerinin yarı yarıya düştüğü görülüyor.

Şekil 5: Dunbar P. Birnie tarafından Newark şehrinde yılın üç farklı ayında günlük güneş ışığı yoğunluğu ölçüm çalışması

► İlginizi çekebilir: Lux ve Lümen Nedir?

Günlük toplam güneş ışığı yoğunluğunun piranometre cihazıyla verilerini toplayıp analizleyen bir çalışma da ülkemizde Osmaniye ilinde yapılmıştır. Açık bir günde zamana bağlı olarak yatay bir yüzeye gelen dakikalık olarak toplam ışınım verileri mv ve W/m2 cinsinden değişimi kayıt altına alınıp grafiklendirilmiş.

Şekil 6: Yatay bir yüzeye gelen dakikalık olarak mV ve W/m² cinsinden alınan toplam ışınım ışınımın verileri

Ayrıca bir yıl boyunca toplanan veriler bir bilgisayar yardımıyla saatlik, günlük ve aylık olarak W/m² cinsinden enerji birimine dönüştürülmüş. Haziran ayında 528.33 W/m² değerleri ile en fazla olduğu gözlenirken aralık ayında en düşük (201.23 W/m² ) olduğu görülmüştür. İki çalışmada da güneş modüllerinin gün boyu ve ay bazlı maksimum ve stabil güneş ışığı almayacağını gösteriyor.

VIPV sisteminin performansını dünyanın farklı yerlerinin yerel bilgileri hesaba katarak değerlendiren birkaç çalışma daha var mevcut. Bu çalışmalara göre, bir VIPV sistemi tarafından üretilen güç, tipik bir kullanıcının yıllık ortalama sürüş mesafesinin yalnızca yaklaşık %13-23' ünü oluşturabilir.

Güneşin Menzilini Arttırmak için Yöntemler

Güneş menzilini artırmak için iki ana seçenek vardır. Bunlardan ilki güneş pillerini araç gövdesinin diğer yüzeylerine (çatısına ek olarak) entegre etmektir. İkincisi ise daha yüksek verimlilikle yeni güneş pili teknolojileri geliştirmektir.

2019 yılında tanıtılan ve elektrikli bir güneş arabası prototipi olan Lightyear One’ın tasarım farklılıklarına ve bu farklılıkların kazançlarına bakalım.

Lightyear One üreticileri şu anda piyasada bulunan elektrikli araçlardan iki ila üç kat daha fazla enerji verimine sahip (83 Wh / km) olduğunu ve büyük güneş panellerinin saatte 12 kilometre menzil ekleyebildiğini ve böylece kullanıcıların günlük olarak şarja ihtiyaç duymayacağını iddia ediyor. Peki nasıl?

Şekil 7: Lightyear One'ın temel özellikleri

Lightyear One pil hücrelerini aracın tavanı ve kaputuna entegre ederek 5 m²alan sağlıyor. Bu rakam geleneksel elektrikli araçlarda ortalama 2.3 m²'dir. Yani Lightyear One bu tasarımıyla, geleneksel elektrikli araçların alan bakımından nerdeyse 2 katına çıkmış durumda. Lightyear One aracının kapılarında herhangi bir güneş hücresi bulunmasa da, bu alanları bir elektrikli aracın güneş menzilini daha da genişletmek için kullanmak mümkün. Lightyear, arabanın üretim karmaşıklığını artırabileceği sebebiyle güneş kapılarını sistemine dahil etmemeyi seçti. Güneşin konumu düşünüldüğünde de her seferinde arabanın sadece bir tarafı güneş ışığına maruz kalacağı için de güneş kapılarının enerji verimliliği düşüktür. Ayrıca bu hücreler dikeydir ve maksimum güneş ışığına maruz kalma için uygun bir yönelime sahip değildir.

Kavisli Güneş Panellerinin Zorlukları

Bu tür araçların gövdesine entegre edilen güneş panellerinin kavisli olduğu unutulmamalıdır. Kavisli bir panel ile, hücreler tek tip bir ışıma yaşamaz. Bu kısmi gölgeleme, hücreler arasında elektriksel bir uyumsuzluğa yol açar ve fotovoltaik hücrelerinin verimliliğini düşürür.

Eğimli güneş panelleriyle, optimize edilmiş performans için elektrik veriminin dikkatli bir şekilde araştırılması gerekir. Bu, aracın gövdesinin tasarımını daha da karmaşık hale getirebilir. Gelecekteki güneş enerjili elektrikli araçlarda, gelişmiş kontroller ve yapay zekalı güneş enerjisi tahminleri gerekebilir.

Fosil yakıtlara bağımlılığın azaltılmasına büyük katkı sağlayacak SEV’ler için tasarım engellerini aşan otomotiv üreticilerinin, güneş enerjisi araç pazarının büyüme hızını artırması bekleniyor. Eğer bu tasarım engelleri aşılırsa km başına toplam maliyet düşeceği için SEV’lere olan talep artacaktır. SEV’lerin yaygın kullanımı ile de son yıllarda artan petrol fiyatlarında düşüş olması beklenecektir.

Kaynak:

► allaboutcircuits.com
► aptera.us
► Şekil 6'nın kaynağı için; Şahan, M., Tokat, Ö.,”Osmaniye’de Günlük Toplam Güneş Işınım Ölçümleri”. SDÜ Fen Dergisi, 2015

YAZAR: Cemre AÇIKGÖZ