Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
ZAYIFLAMA BİSİKLETİ İLE
ELEKTRİK ÜRETİMİ
228413 Saim PORTAKAL
228425 Sultan Ahmet ADIGÜZEL
228488 Bilal SAYAR
Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fatih NUROĞLU
Mayıs, 2014
TRABZON
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
ZAYIFLAMA BİSİKLETİ İLE
ELEKTRİK ÜRETİMİ
228413 Saim PORTAKAL
228425 Sultan Ahmet ADIGÜZEL
228488 Bilal SAYAR
Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fatih NUROĞLU
Mayıs, 2014
TRABZON
II
III
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU
Saim PORTAKAL, Bilal SAYAR, S. Ahmet ADIGÜZEL tarafından F. Mehmet
NUROĞLU yönetiminde hazırlanan “Zayıflama Bisikleti ile Elektrik Üretimi “ başlıklı
lisan bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir lisans
bitirme projesi olarak kabul edilmiştir.
Danışman Unvanı Adı ve Soyadı Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fatih
NUROĞLU
Jüri Üyesi 1 Unvanı Adı ve Soyadı
Jüri Üyesi 2 Unvanı Adı ve Soyadı
Bölüm Başkanı Unvanı Adı ve Soyadı
IV
V
ÖNSÖZ
Bu tezin ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, kılavuzun son halini
almasında yol gösterici olan değerli hocamız Sayın Yrd. Doç. Dr. Fatih Mehmet
NUROĞLU ‘a teşekkürlerimizi sunarız. Ayrıca bu çalışma esnasında yardımlarını
esirgemeyen Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ Arş. Gör. Yahya DANAYİYEN hocalarımıza
ve Ali Kemal BAŞKAN arkadaşımıza da teşekkür ederiz.
Her şeyden öte, eğitimim süresince bize her konuda tam destek veren ailemize ve bize
hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygılarımızı ve sevgilerimizi sunarız.
Mayıs, 2014
Saim PORTAKAL
Bilal SAYAR
S. Ahmet ADIGÜZEL
VI
VII
İÇİNDEKİLER
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU ............................................................................... III
ÖNSÖZ .............................................................................................................................................. V
ÖZET................................................................................................................................................. IX
SEMBOLLER VE KISALTMALAR ............................................................................................... XI
1. GİRİŞ ............................................................................................................................................. 1
1.1) Zayıflama Bisikleti ile Elektrik Üretimi ................................................................................. 1
1.2) Çalışma Takvimi ..................................................................................................................... 3
2. TEORİK ALTYAPI VE TASARIM .............................................................................................. 4
2.1) Mekanik Kısım ....................................................................................................................... 5
2.2) Elektriksel Kısım .................................................................................................................... 7
2.2.1) Jeneratör Seçimi ............................................................................................................... 7
2.2.2) Projemizde Kullanılacak Jeneratörün Seçimi ................................................................ 10
2.2.3) Elektriksel Frenleme ...................................................................................................... 12
2.2.4) Doğrultucu Devresi ........................................................................................................ 13
2.2.5) Regüle Devresi ............................................................................................................... 14
2.2.6) Akü Şarj Kontrol Devresi .............................................................................................. 15
2.2.7) Akümülatör .................................................................................................................... 16
2.2.8) Telefon şarj devresi ........................................................................................................ 17
3. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI ............................................................................................... 19
4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ...................................................................................................... 21
4.1) Mekanik Kısım ..................................................................................................................... 21
4.2) Elektriksek kısım .................................................................................................................. 22
5. SONUÇLAR ................................................................................................................................ 26
6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME ...................................................................................... 27
KAYNAKLAR ................................................................................................................................ 28
EKLER ............................................................................................................................................. 29
ÖZGEÇMİŞ ..................................................................................................................................... 36
VIII
IX
ÖZET
Günümüzde birçok hastalığın sebebi dengesiz beslenme ve hareketsiz yaşam sonucu
oluşan aşırı kilolardır. İnsanlar bu aşırı kilolarından kurtulmak için spor salonlarında vakit
geçirirler. Spor salonlarında geçirdikleri bu vakitlerde kimyasal enerjilerini fiziksel
enerjiye çevirmektedirler. Bizde projemizde boşa giden bu fiziksel enerjiyi geri kazanımını
amaçladık. İnsanların harcadıkları bu fiziksel enerjiyi doğru akım jeneratöründe kullanarak
elektrik ürettik.
Zayıflama bisikletinin pedallarının çevrilmesiyle üretilen moment, zincir yardımıyla
jeneratöre iletilerek jeneratörün rotorunun ω açısal hızıyla dönmesi sağlanır. ω hızıyla
dönen rotorda bir gerilim indüklenir. Zayıflama bisikletinin pedalına uygulanan kuvvet
sürekli değişeceğinden üretilen elektrik enerjisi de sürekli değişecektir. Ürettiğimiz bu
regülesiz doğru gerilimi akü şarj devresi yardımıyla akülerde depoladık. Depoladığımız
akünün kapasitesi oranında da elektronik cihazlarda kullandık.
X
XI
SEMBOLLER VE KISALTMALAR
Ω : Ohm
: manyetik alan yoğunluğu
: iletken akımı
: iletken boyu
: manyetik alan ile akım arasındaki açı
: İndüklenen gerilim
: Çerçevenin boyu
: Çerçevenin hızı
µ : Mikro (10-6
)
m : Mili (10-3
)
n : Nano (10-9
)
V : Volt
A : Amper
F : Farad
W : Watt
DA : Doğru Akım
AA : Alternatif Akım
USB :Universal Serial Bus
XII
1. GİRİŞ
1.1) Zayıflama Bisikleti ile Elektrik Üretimi
Günümüzde insanların yoğun çalışma temposu ve düzensiz beslenmesi sonucu obezite
hastalığı günden güne artmaktadır. Dünyada fazla kilosu bulunan insanların sayısı 1.6
milyar, obez sayısı ise 400 milyonu geçerken, dünya genelinde her yıl 2.6 milyon insan
obeziteye bağlı yaşamını yitiriyor [1]. Türkiye’de yapılan araştırmalara göre toplumun
%30,3’ü obez ve %44,7‘ü kilolu sınıfına girmektedir, yani obezite önemli sağlık
sorunlarından biri haline gelmiştir [2]. Günümüzde bu kadar yüksek oranlara çıkan
obezitenin birçok nedeni vardır. Obezitede genetik faktörler çok önemlidir, ailede
şişmanlığın yaygınlığı çocuklarında obez olma olasılığını artırır. Psikolojik sorunlar,
hormonal ve metabolik bozukluklar da obezitenin oluşumunda önemli nedenleridir. Tüm
bunların dışında özellikle son zamanlarda obezitenin en büyük nedeni hareketsiz yaşam
tarzıdır. 21. yüzyılda teknolojinin artmasıyla beraber birçok şeyi artık bilgisayar başında
oturarak veya cep telefonlarından hiç de enerji harcamadan kolayca yapabiliyoruz ki bu da
teknolojinin bize getirdiği kolaylık gibi görünse de aslında insanları tembelliğe itmektedir.
Artık insanlar yürüme mesafesindeki yerlere bile arabayla gider duruma geldiler.
Obezitenin çözümünde ise beslenme alışkanlıklarının değişmesi ve doktor veya
diyetisyenler yardımıyla sağlıklı kilo vermek en etkili çözümdür ama tek başına yeterli
değildir. Kilo vermenin en etkili yolu da günlük egzersiz ve spor yapmaktır. Zayıflamak
isteyen kişilerin günlük aldıkları ve verdikleri kalori değerleri çok önemlidir. Bir günde;
Çizelge 1.1. 80 kg ağırlığındaki bir insanın yaklaşık kalori değerleri [3]
Spor Türü Süre (dk) Harcadığı Kalori (cal)
Hafif tempolu yürüyüş 30 150
Merdiven çıkmak 15 161
Ağırlık çalışmak 30 135
Yüzmek 30 240
Basketbol (tek pota) 30 330
Bisiklet sürmek (12 km/h) 30 350
2
Çizelge 1.1’de bulunan verilerden yola çıkarak insanların zayıflamak için bisiklet
kullanmalarının önemini gördük. Türkiye’de bisiklet kullanım oranı Avrupa ve
Amerika’ya göre çok düşük olmakla beraber şehir içi bisiklet kullanımı için yeterli
altyapımız bulunmamaktadır. Ülkemizde bisiklet kullanımının düşük olması belki de
insanlarımızın bisikletin yararları hakkında yeterli bilinçte olmaması ve devletimizin
bisiklet için gerekli yatırımları yapmamasından kaynaklanabilir. Ayrıca obezite sorunu
olan insanlar zayıflamak için dışarda bisiklet kullanmak yerine kapalı alanlarda zayıflama
bisikletini tercih etmektedirler. Bu sebeple ülkemizde de son 5-10 yıldır zayıflama
bisikletinin kullanımı spor salonu olsun ev olsun ciddi oranda artmaktadır. Zayıflama
bisikletleriyle saatte, kullanım şekline bağlı olarak, 400-600 kalori enerjiyi eğlenceli bir
şekilde yakabiliriz [3]. İnsanların yaktığı bu enerjiyi elektrik enerjisine çevirerek
depolamak ve kullanmak projemizin konusunu belirledi. Bu projemiz günümüz için hem
alternatif enerji arayışını karşılayacaktır hem de insanları spor yapmaya teşvik edecektir.
Bu sistem hakkında kısa bir araştırma yaptığımızda çeşitli kullanım alanları ile
karşılaştık. Örneğin, Amerika’da bu sistem hapishanelerde kullanılmakta, hapishanedeki
mahkûmlar çalıştırılarak ülkenin enerji üretimine katkı sağlanmaktadır. Sayıları azda olsa
spor salonlarında bu tür sistemlerle enerji maliyeti düşürülmektedir. Ülkemizde devletin bu
konu hakkında herhangi bir çalışması bulunmamaktadır. Bundan dolayı çalışmaların hepsi
yapan kişilerin imkânlarıyla kısıtlı kalmış durumdadır. Genel olarak bu çalışmalar
maliyetli olduğundan dolayı yaygınlaşmamıştır.
Projemizde DA jeneratör kullandığımızdan küçük devirlerde enerji üretimi
sağlanacaktır. Kullanılan aygıtların fiyatları bakımından bizim projemiz daha maliyetlidir.
Ayrıca zayıflama bisikletlerinde yapılan mekanik frenlemeye ek olarak elektriksel
frenlemeye sahiptir. Bu sayede sürtünmeden dolayı oluşan ısı enerjisi elektrik enerjisine
dönüştürülecektir.
3
1.2) Çalışma Takvimi
Çizelge 1.2. Çalışma takvimi
Çizelge 1.2’deki çalışma takvimine bağlı kalarak projemizi zamanında tamamladık.
4
2. TEORİK ALTYAPI VE TASARIM
Sistemimiz iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlar mekanik ve elektriksel kısımlardır.
Şekil 2.1.Sistemin şeması
Şekil 2.1’de görüldüğü gibi pedal gücünden elektrik üretmeyi amaçlıyoruz. Buradaki
pedal gücü jeneratörün miline dişli zincir takımı ile iletilecektir. Dişlilerin yarıçapları
jeneratörün üzerine düşen moment hesabıyla bulunacaktır. Buna göre bir dişli zincir
sistemi oluşturulacaktır. Zayıflama bisikletlerinde kullanılan mekanik frenlemenin aksine
elektriksel frenleme yapılacaktır. Bu elektriksel frenlemeyi jeneratörü elektriksel olarak
yükleyerek gerçekleştireceğiz. Jeneratörden elde ettiğimiz değişken elektrik enerjisini şarj
kontrol devresi yardımıyla akünün şarj edilebilmesi için gerekli akım ve gerilim değerine
çevireceğiz. Aküde depo ettiğimiz bu enerjiyle küçük güçte çalışan elektronik aletleri
besleyeceğiz.
Bisiklet
Pedallarının
Döndürülmesi
Zincir - Dişli ile
Motor milinin
Döndürülmesi
Şarj regüle
Devresi
Batarya
5 Volt DC
çıkış
Motorun Jeneratör
Olarak
Çalıştırılması
Elektriksel
Frenleme
5
2.1) Mekanik Kısım
Sistemimizin mekanik kısmında bulunan parçalar;
Zayıflama bisikleti
Dişli zincir takımı
Jeneratörü sabitlemek için kullanılan demirler
Şekil 2.2. Mekanik kısmın autocad çizimi
Şekil 2.2’de görüldüğü gibi zayıflama bisikletinde bulunan dişlinin yarıçapı 8,5 cm,
jeneratörün üstünde bulunan dişlinin yarıçapı da 3 cm olarak ayarlanmıştır.
Jeneratörümüzün gücü 250 W’tır. Jeneratörümüz açık devrede 200 d/d ‘da döndüğünde 30
V gerilim üretmektedir. Kısa devre akımı 2 A’dir.
Zayıflama bisikletini kullanan kişi kaç N değerinde kuvvet uygulaması gerektiğini
bulmak için formüller ve şekil 2.3’de verilen bağlantılar kullanılmıştır.
(1)
(2)
6
(3)
Şekil 2.3. Düz bağlı kasnaklar ve bağıntısı
Denklem (1)’de w açısal hızı, n devir sayısını temsil etmektedir. Denklem (2)’de M
momenti, E gerilimi, I akımı ve w açısal hızı temsil etmektedir. Denklem (3)’de ise F
kuvveti, M momenti ve r yarıçapı temsil etmektedir.
Şekil 2.3‘de verilen bağlantıyı kullanarak jeneratör dişlisinin devir sayısı 200 d/d
olduğundan pedal dişlisinin devir sayısı 70 d/d olur.
Denklem (1)’de n yerine 70 d/d değerini yazarsak pedal dişlisinin açısal hızı 7,33 rad/sn
olur. Bulduğumuz bu açısal hızı denklem (2)’de yerine koyarsak (EI= 60 W) pedal
dişlisinin moment değerini 8,2 Nm olarak buluruz. Dişlinin üzerine uygulanan kuvveti ise
denklem (3)’de moment değerine 8,2 Nm, yarıçap değerine 8,5 cm yazarak 96 N buluruz.
Pedal dişlisinin merkezi ile pedalın başlama noktası eş olmasından yararlanarak pedalın
üstüne düşün kuvveti bulabiliriz. Kuvvet, kuvvet koluna ters orantılı olarak değer
aldığından dişlinin yarıçapı olan 8,5 cm karşılık 96 N ise pedal kollunun 15 cm uzunluğuna
düşen kuvvet 54 N olur. Gerekli olan bu kuvvet değerine ulaşabilmesi için 5,4 kg
uygulanması gerekir.
Bulduğumuz kuvvet değerlerine baktığımızda bisiklet kullanımı ve elektrik üretimi için
uygundur.
7
2.2) Elektriksel Kısım
2.2.1) Jeneratör Seçimi
Mekanik enerjiyi doğru akımdan üreten makinelere elektrik motoru başka bir ifadeyle
DA motor denir. Tam tersi işlevi gören makinelere ise doğru akım jeneratörü denir.
Elektrik aygıtları iki ana kısımdan oluşur. Bunlar sabit olan stator ile diğeri hareketli kısım
olan rotordur. Makineden enerji elde edebilmek için bir manyetik alanda akım taşıyan
iletkenlere ihtiyaç vardır. Lorentz yasasına göre manyetik alan içinde akım taşıyan iletkene
kuvvet etkiler. Bu kuvvet;
(4)
Denklem (4) den görüleceği gibi manyetik kuvvet uygulanan akım ile doğru orantılıdır.
Rotorun dönüş yönü ise akımın yönü ve manyetik alan yönü ile alakalıdır. Rotor
iletkenlerinden akan akım ile hareketlenen rotorda moment çifti oluşur.
Makine jeneratör olarak çalıştırılması esnasında manyetik alana tekrar ihtiyaç duyulur.
Faraday yasasına göre indüklenen gerilim;
(5)
İndüklenen gerilimin büyüklüğü denklem (5)’den görüldüğü gibi rotorun dönme hızı,
manyetik alan yoğunluğu ve rotorun özellikleri ile alakalıdır. İndüklenen gerilim kendisini
oluşturan kaynağa karşı yönde etki edecek şekilde oluşur. Denklem (5)’de bulunan
manyetik alan doğal mıknatıslar veya elektromıknatıslar ile sağlanır.
2.2.1.A) Doğru Akım Makineleri Çeşitleri
Serbest Uyartımlı Doğru Akım Makineleri: Bu makinelerde manyetik alanı oluşturacak
uyartım gerilimi başka bir kaynak tarafından sağlanır.
8
Şekil 2.4. Serbest uyartımlı DC makine eşdeğer devresi
(6)
Denklem (6)’dan görüldüğü gibi şekil 2.4 makinenin eşdeğer devresinin çıkış gerilimi
makinenin devir sayısı ( ) ve uyartım akımına ( ) ye bağlıdır.
Kendinden Uyartımlı Doğru Akım Makineleri: Bu makinelerde ise uyarma devresi
endüvi devresine bağlıdır. Bu bağlanış şekillerine göre üçe ayrılır.
Seri Jeneratör: Uyartım sargıları endüvi devresine seri bağlı olan jeneratördür.
Şönt Jeneratör: Uyartım sargıları endüvi devresine paralel bağlı olan jeneratördür.
Kompound Jeneratör: Bu jeneratörde iki adet uyartım sargısı bulunur. Bu uyartım
sargılarının biri seri ve diğeri paralel olarak bağlanır.
2.2.1.B) Alternatif Akım Makineleri Çeşitleri
Asenkron makineler
Üç Fazlı Asenkron Makineler
Sincap kafesli
Rotoru sargılı
Tek Fazlı Asenkron Makineler
Seri (universal) makineler
Gölge kutuplu makineler
Kapasitör tip makineler
9
Genel olarak devir ( ), moment ( ) karakteristiği şekil 2.5’deki gibidir. ( : senkron
hız)
Şekil 2.5. Asenkron makine karekteristiği
Senkron Makineler
Yuvarlak Rotorlu
Rotoru Çıkık Kutuplu
Stator Çıkık Kutuplu
Genel olarak devir ( ) moment ( ) karakteristiği şekil 2.6’daki gibidir [4].
Şekil 2.6. Senkron makine karakteristiği
10
2.2.2) Projemizde Kullanılacak Jeneratörün Seçimi
İlk olarak alternatif akım üreten mi veya doğru akım üreten mi jeneratör sorusuna karar
vermek gerekir. Burada jeneratörleri incelediğimizde
Senkron makine kullanmayı düşündüğümüzde, şekil 2.6’daki senkron makine moment-
devir karakteristiğinin bize uygun olmadığı görülmektedir. Çünkü senkron makine sabit
hız gerektireceğinden bizimde bu sabit hızı elde edemeyeceğimizden senkron makineden
vazgeçtik.
Asenkron jeneratörü düşündüğümüz zaman farklı hızlarda gerilim indükleyebilmesi
bizim için avantajdır. Fakat asenkron makineyi jeneratör olarak kullanmak için makinenin
senkron hızı geçebilmesi gerekir, şekil 2.5’ten görüldüğü gibi. Bu da makineni jeneratör
olarak çalışabilmesi için yüksek bir hız gerekir. Sistemde kullanacağımız bisiklet ile
jeneratör senkron hızın üzerine çıkarılabilir fakat sürekli şekilde yüksek hızda
döndürülemez. Piyasada buna benzer örnekler olmasına rağmen üretilen enerjiyi
depolamak için doğrultucu kullanımı da gerekeceğinden asenkron jeneratörden de
vazgeçtik.
Doğru akım üreten jeneratörlere baktığımızda ise burada ilk olarak serbest uyartımlı
doğru akım makinesini değerlendirdiğimizde bu makinenin şekil 2.4’deki eşdeğer
devresine uyarma için ayrı bir kaynağa ihtiyaç duyduğu gözükür. Dışarıdan kullanılacak
kaynak bizim projemizde istenilen bir durum olmadığından serbest uyartımlı doğru akım
makinesinden de vazgeçtik.
Kendinden uyartımlı doğru akım jeneratörlerinden şönt jeneratör üzerinde
durduğumuzda, şönt jeneratör devresinde moment ayarını rahat şekilde yapılabilmesi bu
makine için avantajdır. Fakat şönt jeneratörün artık mıknatıslığa ve kritik direnç ayarından
yani jeneratör olarak çalışma koşullarını sağlamak zor olduğundan dolayı vazgeçtik.
Sabit mıknatıslı jeneratörü (SMDA) kullanmak istediğimizde bu jeneratörün uyartım
için ayrı bir kaynağa ihtiyaç duymaması ve DA üretmesi bu makineyi seçmemizde etkili
olacaktı. Fakat bu makineyi piyasada bulamamız sebebiyle piyasada daha kolay bulunan
fırçasız DA makinesini jeneratör olarak kullanmaya karar verdik.
11
Fırçasız DA jeneratörüne baktığımızda;
Rotorunda sürekli mıknatıs bulunur
Statoru DA sargılarının toplu veya dağılımlı sarılması için saç nüvelerinin
birleştirilmesinden oluşur.
Fırçalı jeneratörlerde bulunan komütatör ve fırçadan dolayı oluşan mekanik ve
elektriksel olumsuz etkiler fırçasız doğru akım makinelerinde bulunmamaktadır.
Sessiz ve yüksek hızda çalışabilir.
Bu makineler elektrikli bisikletlerde, fanlarda, bilgisayarlarda kullanımı yaygındır
[5].
Şekil 2.7. Jeneratörümüzün izometrik görüntüsü
Şekil 2.7’ deki jeneratörümüzün etiket değerleri;
Gücü 250 W
Kısa devre akım 8 A
Açık devre gerilim 30-35 V arasındadır
Çapı 20 cm
3 adet güç ile 5 adet kontrol çıkışı bulunmaktadır.
12
2.2.3) Elektriksel Frenleme
Elektriksel frenleme olayı makinenin çalışması esnasında endüvi sargılarından yüksek
akım çekilmesi ile oluşur. Çekilen yüksek akım üretilen momenti artırıp makineyi
yavaşlatacaktır [6].
Elektriksel frenleme 3 yöntemle yapılır;
Rejeneratif frenleme
Dinamik frenleme (Reosta ile )
Ters akım ile frenleme
Jeneratör olarak kullanacağımız doğru akım makinesinden elektrik üretmenin yanı sıra
ters moment üretmesini istiyoruz. Bu ters momenti üretebilmek için frenleme yapılacaktır.
Bu frenleme ile makine mili zorlanacaktır. Bu zorlama işlemini dinamik frenleme ile
yapacağız.
Dinamik frenleme için jeneratörü elektriksel olarak yüklememiz gerekiyor. Elektriksel
olarak yükleme sonucunda yüksek akımla orantılı yüksek moment oluşur.
Yükleme işlemi küçük değerli, yüksek güçlü dirençlerin paralel bağlanması ile yapıldı.
Bu sayede her bir direnç devreye girdiğinde toplam direnç değeri düşecek ve çekilen akım
arttı. Paralel bağlama sayesinde de moment kademeli bir şekilde ayarlandı.
Dinamik frenlemenin karakteristiğine baktığımız da;
Şekil 2.8. Dinamik frenleme karakteristiği
13
Şekil 2.8’deki karakteristiğe göre frenleme dirençleri birkaç deneme yaparak 22 Ω, 10Ω
ve 6,8 Ω olarak belirledik. Bu dirençler yüksek akım çekeceğinden 50 W gücünde
seçilmiştir.
Şekil 2.9. Seçilen frenleme dirençleri
Burada şekil 2.9’daki girişe yakın direnç değerini 22 Ω almamızın sebebi belli bir
miktar akım çekerek ilk kademeyi oluşturması daha sonrasında 10 Ω ile ikinci kademe için
6,6 Ω direnç oluşturur. En son kademe içinde 6,8 Ω direnci devreye alarak 3,4 Ω direnç
değeri elde edilir. Direnci kademe kademe küçülterek jeneratörümüzden çekilen akım artar
ve uygulanan kuvvetin artırılması istenir.
2.2.4) Doğrultucu Devresi
Fırçasız DA jeneratörümün çıkışında AA aldığımızdan dolayı bu akımı akü şarjı için
doğrultmamız gerekir. Jeneratörümüz 3Φ çıkış olduğundan 3Φ tam doğrultucu devre ile
doğrultulur. Bu doğrultma işlemini şekil 2.10’daki konjektör devresi ile sağladık.
Şekil 2.10. Doğrultma devresi
14
2.2.5) Regüle Devresi
Jeneratörümüzün çıkışını doğrulttuktan sonra çıkışımızdan değişken DA gerilimi
üretilmektedir. Bu regülesiz DA gerilimini akü şarjında kullanabilmek için regüle etmemiz
gerekmektedir.
Regülatörler, değişken giriş gerilimini sabit bir çıkış gerilimi şeklinde veren devrelerdir.
Cihazlar sabit bir gerilim altında çalıştığından regülatör devreleri sıkça kullanılan
devrelerdendir.
Regüle devremiz;
Şekil 2.11. Regüle devremizin proteus gerçeklemesi
Şekil 2.11’deki devrede B1 girişi jeneratörümüzün ürettiği gerilimdir. B2 tarafı ise
regüle edilmiş gerilimin aküye aktarıldığı bağlantıdır.
Devre elemanları;
3*2N3055 Güç transistörü
TIP122 Transistör
1N4743A Zener Diyot 13V
2*1 kΩ, 10 kΩ, 330 Ω, 3*10 Ω
Potansiyometre 1 kΩ
Girişten aldığımız değişken gerilim 13 V zener diyot ile sabitlenmeye çalışılmıştır.
Çıkışı arzulanan gerilim değerinde tutmak için zener diyota seri potansiyometre
15
eklenmiştir. Çıkıştan çekilebilecek akımı sağlayabilmek için transistör kat kat bağlanmıştır.
Bu güç transistörlerinin bazlarını beslemek için TIP122 transistörü kullanılmıştır.
2.2.6) Akü Şarj Kontrol Devresi
Regüle devremizin yanında kontrol devresi kullanmamızın sebebi akü dolduğunda
pedallarda meydana gelecek kasılmayı önlemek içindir. Akü dolduğunda kontrol devremiz
sayesinde ürettiğimiz gerilimi otomatik olarak yüke aktaracaktır. Akünün değeri
düştüğünde ise devremiz otomatik olarak şarj konumuna alacaktır.
Kontrol devremiz;
Şekil 2.12. Kontrol devremizin proteus gerçeklemesi
Şekil 2.12’de kullanılan devre elemanları;
2*4001 mantık denetleyici
2*LM339 entegresi
LM7809 entegresi
Röle 12 V
2 Adet buton
16
Fan
2*MOSFET IRFZ44N
2*10uF Kapasite
OP-AMP’ların iki adet ucu bulunmaktadır. Bunlar eviren (-) ve evirmeyen (+) uçlarıdır.
Birinci OP-AMP’ımızın eviren ucuna trimpot, evirmeyen ucuna ise karşılaştıracağımız
gerilimi bağladık. Bu karşılaştırma için iki adet seri direnç bağladık bu sayede akü
gerilimini yarı yarıya paylaştırmış olduk. İkinci OP-AMP’ımızda ise eviren ve evirmeyen
uçlarını ters bağladık bu şekilde trimpotlar ile alt ve üst sınırımızı belirlemiş olduk. OP-
AMP çıkışlarımıza iki adet değil kapısı bağladık. Bu değil kapılarının girişlerine 0-0 işareti
geldiğinde çıkışından 1 işareti üretir.
Devremiz şarjda iken birinci OP-AMP ‘ımızın eviren ucu evirmeyen ucundan büyük
olacak şekilde trimpotu ayarlanır ve çıkışından 0 işareti üretir. Aynı şekilde ikinci OP-
AMP’ımızın çıkışından da 0 işareti üretilir. Çıkıştaki değil kapısı da bu işaretleri alarak 1
işaretini üretir. Fan çalışır ve şarj ledi yanar. Röle bu sırada normalde açık konumdadır.
Devremiz yükte iken birinci OP-AMP’ımızın eviren ucu direnç voltajından düşük
olacağından çıkışında 1 işaretini üretecektir. Bu işaret değil kapısına gelerek röleyi sürerek
yüke geçişi sağlayacaktır.
Devre üzerinde bulunan butonlar ise istenildiği zaman yüke ve şarja geçmek için
yerleştirilmiştir.
2.2.7) Akümülatör
Akü, kimyasal olarak depo edilmiş enerjiyi elektrik enerjisi olarak bize sunan araçtır,
yani aküler birer doğru akım kaynağıdır. Akülerin dolmasına şarj, boşalmasına ise deşarj
olayı denir. Akülerin içyapısında birden fazla hücre bulunur. Her hücrede de pozitif ve
negatif plakalar mevcuttur. Tüm negatif ve pozitif plakalar kendi içlerinde birbirine
bağlıdır. Bu plakalarda aktif materyaller yani elektronların hareketini sağlayan malzemeler
bulunur. Negatif kutupta kurşun, pozitif kutupta ise kurşun dioksit bulunur. Akü
hücrelerinde bulunan pozitif ve negatif elektrotlar sülfürik asit (elektrolitik sıvı)
çözeltisinde birbirine temas etmeden bulunurlar. Aküyü şarj etmek için elektrik enerjisi
uygulandığında elektrotlar arasında oluşan kimyasal tepkimeyle elektrik enerjisi kimyasal
enerjiye dönüşür ve akü hücrelerinde depo edilir. Akülere ise dışarıdan bağlanan yük
17
üzerinden kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüşerek deşarjı sağlanır. Akülerin küçük
birimleri olan hücrelerden her birinde yaklaşık 2 volt nominal gerilim üretilir.(kurşun-asitli
akü). İçerdiği hücre sayısına göre akünün voltajı belirlenir. Örnek olarak 6 hücreli bir
akünün voltajı 12 volttur. (6*2=12) Genellikle aküler 6V, 12V, 24V, 36V, 48V ve 80V
değerlerinde yaygın olarak kullanılır. Önemli olan akünün voltajı değil, kapasitesidir.
Akülerde kapasite amper-saat olarak tanımlanır ve akünün ömrünü ve verebileceği akım
değerini gösteren değerdir. Akülerin birçoğu 12V gerilimine sahiptir fakat amper-saat
değerleri farklıdır. Fiziksel boyutları birbirinden çok farklı aküler aynı gerilim seviyesine
sahip olmasına rağmen sağladıkları akım değerlerinin büyüklerine göre tercih edilmelidir.
Örneğin 12V 4Ah, 12V 7.5Ah, 12V 8Ah olabilir, buradaki en önemli fark 1 saat boyunca
4A, 7.5A, 8A değerlerini kullanıcıya sunmasıdır.
Aküleri seri bağlayarak toplam gerilim seviyesi artırılabilir fakat kapasite
değiştirilemez. Aküleri paralel bağlarsak toplam gerilim sabit kalır ancak toplam kapasite
artar. Ayrıca paralel bağlamak bize herhangi arıza durumunda da yedek besleme sağlar.
Aküyü şarj ederken bazı hususlara dikkat etmek gerekir. Aküyü şarj ederken akünün
amper-saat değerine bakıp, aküyü en fazla bu amper-saat değerinin %10 ‘u ile şarj etmek
gerekir. Gerilim olarak da mesela 12 voltluk bir aküyü 13-14 voltluk bir gerilim ile şarj
edilmelidir.
Projemizde kullandığımız kurşun asitli akünün parametreleri;
12 Volt akü
4,2 Amper/saat
2.2.8) Telefon şarj devresi
Telefon şarj devresi için 12 V’luk akümüzden 5 V’luk çıkış elde etmek için
regülatör gereklidir. Bunun için piyasada bulunan azaltan çeviriciden temin ettik.
Çeviricimiz üzerinde LM2576 entegresi bulunmaktadır. Bu entegre 3A akıma kadar iletimi
sağlamaktadır. Geri besleme pini bulunan entegrenin potansiyometre ile çıkış gerilimini
istenilen değere ayarladık. Bunun çıkışına telefon şarj olabilmesi için dişi USB port
bağladık.
18
Şekil 2.13. USB dişi port
Şekil 2.13’ deki numaralar;
1.) Vcc - Kırmızı +5 V
2.) D- Beyaz Data –
3.) D+ Yeşil Data +
4.) GND - Siyah Toprak
Şekil 2.14. Telefon şarj devremizin simulink modeli
Şekil 2.14’deki modelimiz azaltan çevirici mantığı ile çalışır. Telefon şarjının başlaması
için DATA çıkışları ilk tetiklemeyi sağlaması gerekir.
19
3. SİMÜLASYON ÇALIŞMALARI
Devremizi gerçekleştirmeden önce simülasyonda gerçekleştirerek sanal ortamda
sağlamasını yaptık. Şekil 3.1’de regüle devremizin modellemesi bulunmaktadır.
Şekil 3.1. Regüle devremizin proteusta gerçekleştirilmesi
20
Şekil 3.2. Regülatörün giriş-çıkış grafiği
Şekil 3.2’ deki giriş gerilimine karşılık çıkış gerilimini göstermektedir. Elde ettiğimiz
değerlere baktığımızda akümüzü doldurmak için ideal gerilim aralığına sahiptir.
Telefon şarj devremizi de temin etmeden önce modelin sonuç çıktıları şekil 3.3’deki
gibidir.
Şekil 3.3. Telefon şarj devremizin giriş (Vin) – çıkış (Vo) gerilimleri
0
5
10
15
20
25
30
35
40
12,3 13 13,5 13,9 14,3
Gir
iş g
eri
limi (
V)
Çıkış gerilimi (V)
21
4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Deneysel çalışma bölümümüz iki kısımda oluşmaktadır. Bunlar mekanik ve elektriksel
kısımdır.
4.1) Mekanik Kısım
Şekil 4.1’de projemizin mekanik kısmı bulunmaktadır. Tasarım kısmında yaptığımız
hesaplamaya göre gerekli uzunlukları baz alarak montajını gerçekleştirdik. Jeneratörümüzü,
temin ettiğimiz zayıflama bisikletine, sabitleme işlemini gerçekleştirdik.
Şekil 4.1. Projemizin mekanik kısmı
22
4.2) Elektriksek kısım
Jeneratörden sonraki ilk girişte doğrultma elemanımız bulunuyor. Şekil 4.2’deki gibi 1
numaralı kutuda jeneratörden gelen giriş, 2 numaralı kutuda doğrultulmuş çıkış kabloları
bulunmaktadır.
Şekil 4.2. Doğrultma elemanı
Doğrultma elemanımızdan gelen değişken değerli doğrultulmuş gerilimi istediğimiz
değere çevirebilmemiz için regüle devresi oluşturduk.
Şekil 4.3. Regüle devresi
Şekil 4.3’de gösterilmiş regüle devremizde 1 numaralı kutucuk güç transistörlerini
göstermektedir. 2 numaralı kutucuk zener diyottur. 3 numaralı kutucuk giriş-çıkış bağlantı
noktalarıdır. 4 numaralı kutuda ise potansiyometremizi göstermektedir.
23
Bu devremiz değişken DA gerilimini potansiyometre ile ayarladığımız çıkış geriline
sabitlemektedir.
Akünü doluluk durumunu algılayarak akü dolu ise yük moduna, akü boş ise şarj
modunu ayarlayan devremiz şekil 4.4’de gösterilmektedir.
Şekil 4.4. Akü şarj kontrol devresi
Şekil 4.4 ‘de 1 numaralı kutucuk regüle devresinden gelen girişi göstermektedir. 2
numaralı kutucukta yük veya şarj moduna aktaran rölemiz bulunmaktadır. 3 numaralı
kutuda akü çıkış bağlantısı vardır. 4 numarada karşılaştırma için sabit gerilim üreten ve
OP-AMP’larımızı besleyen LM7809 entegresi bulunmaktadır. 5 numaradaki kutucukta
istenildiğinde yük veya şarj moduna ayarlayan butonlar vardır. 6 numarada, karşılaştırmayı
gerçekleştiren OP-AMP’larımız bulunmaktadır. 7 numarada, referans değerleri ayarlamak
için potansiyometreler vardır. 8 numarada, soğutma işlemimizi gerçekleştiren fan
bulunmaktadır.
24
Sistemimizin frenleme yaparak uygulanan kuvvete kademe oluşturması için şekil
4.5’deki direç devresi oluşturuldu.
Şekil 4.5. Dinamik frenleme devresi
Sistemimizi birleştirdikten sonra yaptığımız ölçümler sonucu tablo 4.1’deki değerler
elde edilmiştir.
Çizelge 4.1. Deneysel giriş - çıkış gerilim değerleri
Kademe 1 Kademe 2 Kademe 3
Regüle
Giriş
Gerilimi
(V)
19,2 23,2 27,3 16,4 20,2 24 14,2 18,3 20
Regüle
Çıkış
Gerilimi
(V)
12,7 13,1 13,8 12,3 12,9 13,3 11,9 12,4 12,8
Çizelge 4.1’deki deneysel çalışma sonucu aldığımız ölçüler simülasyona çalışmamızla
elde ettiğimiz veriler ile uyuşmaktadır. Yani akümüzü şarj edebilecek ideal aralıktadır.
25
Akünün çıkışından telefonu şarjı için istenilen 5 V gerilim elde edecek devremiz şekil
4.6’ da gösterilmiştir.
Şekil 4.6. Telefon şarj devresi
Şekil 4.6’daki 1. kutuda telefonun USB’den beslenmesini sağlayan dişi port
bulunmaktadır. 2. kutuda şarjın başlaması için gerekli olan data dirençleri bulunmaktadır.
3. Kutuda ise azaltan çeviricimiz vardır.
26
5. SONUÇLAR
Bu çalışmada, pedal enerjisinden elektrik enerjisi dönüşümü yapılmıştır. Dönüşüm
işleminde gerekli pedal gücünü piyasada bulunan kilo verme bisikletinden sağladık. Pedal
gücünü elektrik enerjisine dönüşümünü de bir jeneratör yardımıyla gerçekleştirdik.
Jeneratörümüzden elde ettiğimiz enerjiyi saklamak için regüle devrelerini kullanarak aküye
aktardık. Aküde depoladığımız enerjiyi cep telefonu, tablet, MP3 vb. elektronik aletlerin
şarjı etmek amacıyla kullandık.
Sistemimizi çalıştırarak elde ettiğimiz değerler sonucunda enerji dönüşümünü sağlayıp
akümüzü depolamayı başarıyla gerçekleştirdik. Yapmış olduğumuz sistemle boşa giden
mekanik enerjiyi kullanılarak enerji kazanımı sağladık. Sistemimizin geliştirilerek,
yaygınlaşması soncunda alternatif enerji kaynaklarına bir yenisi daha eklenebilir.
Sonuç olarak bizim derdimiz az da olsa enerji üretimine katkıda bulunarak ceplerinden
çıkacak para miktarını azalmak ve insanların sağlıklı bir yaşam sürmesini sağlamaktır.
27
6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME
Günümüzde insanoğlu petrol, kömür gibi kaynaklarını kullanarak enerji ihtiyacını
gidermektedir. Bu kaynakların tükenmesiyle insanoğlunun yaşam standarttı oldukça
düşecektir. Gelecekteki bu enerji kısıtlılığı insanları yeni enerji kaynaklarına
yönlendirecektir. Bu yöneliş insanların ihtiyaç duydukları enerjiyi kendileri üretmesini
sağlayacaktır. Projemizde kullandığımız pedal gücü de bu üretimin temellerini oluşturacak
yöntemlerden biridir.
Sistemimizin yaygınlaşmasıyla insanların daha sağlıklı bir yaşam sürmesi ve temiz
enerji üretimini sağlayacaktır. Üretilen enerjinin miktarı az olsa da enerji tüketimini
azaltacaktır. Sistemin maliyetine göre üretilen enerji zamanla kendini amorti edecektir,
fakat sistemin ilk kuruluş maliyeti biraz masraflıdır.
28
KAYNAKLAR
[1]. WHO (World Health Organization) web sitesi link:
http://www.who.int/countries/tur/en/
[2]. (2013) Türkiye Halk Sağlık Kurumu web sitesi link:
http://www.beslenme.gov.tr/index.php?lang=tr&page=40
[3]. Compendium of physical activities: Classification of energy costs of human physical
activities, Medicine and Science in Sports and Exercise. Sayı: 25.
[4]. A. S. Akpınar, Elektrik Makinaları Ders Notları, basılmamış notlar, Karadeniz
Teknik Üniversitesi, Trabzon, 2010.
[5]. G. Bal, Özel Elektrik Makinaları, Teknik Bilimler Dizisi 9, Ankara, 2006.
[6]. M. H. Rashid, Power Electronics Circuits, Devices and Applications, Prentice Hall,
1993
29
EKLER
Ek-1
30
31
32
Ek-2
Disiplinler Arası Çalışma
Projemizin öncelikle mekanik kısmını oluşturmak için Trabzon oto sanayinde bulunan
Hassas El Torna isimli tornacıda jeneratörümüzü ve çarklarımızı kaynak yaptırarak
sabitleştirdik.
Zayıflama bisikletimizi http://www.hepsiburada.com/ ‘dan, jeneratörümüzü
http://www.sahibinden.com/ ‘dan ve çarklarımızı ve zincirlerimizi hurdacıdan aldık.
Gerekli elektronik malzemelerimizi de http://www.direnc.net/ ‘den temin ettik.
Elektronik kısmın birleştirirken üniversitemizde elektronik dalında görev yapan
hocalarımızdan yardım aldık.
33
Ek -3
Tasarım Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki
soruları cevaplayınız.
1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.
Projemizde kullanacağımız bisikletten alacağımız mekanik giriş gücünü jeneratöre
ileterek elektrik ürettik. Ürettiğimiz bu elektrik enerjisini akümüze depolamak için
regülatör devre yardımıyla istediğimiz değere çevirdik.
2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?
Sistemin gerçekleştirilmesi aşamasında kullanılacak devreler formüle edilerek gerekli
simulasyon çalışmaları yapılmıştır.
3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?
Devre tasarımı, çözümü ve modellemesi bilgi ve becerilerini kullandık.
4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?
Yapılan işlerde IEC 61643-12 Ed. 2.0 b:2008, IEC 61643-321 Ed. 1.0 b:2001,
ISO 23570-3:2009, ASTM D4538-13, ASTM E2022-11 standartları dikkate
alınmıştır.
5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?
a) Ekonomi
Projenin uygulanması aşamasında kullanılacak olan malzemelerin en uygun olanı en
düşük fiyat etiketiyle seçilmeye özen gösterilmiştir.
b) Çevre sorunları:
Bu projede çevreye zarar verecek herhangi bir malzeme kullanılmayacaktır. Sistem aktif
olarak çalışma anında da çevreye herhangi bir zarar vermemesine dikkat edilmiştir.
c) Sürdürülebilirlik:
Sistemimizde kullandığımız malzemelerin kontrolü basit olduğundan herhangi bir arıza
durumunda kolay müdahale etme şansımız vardır.
d) Etik:
34
Sistemin tasarlanması tüm etik kurallar dikkate alınmış, gerçekleştirilmesi aşamasında
ise alınmaya devam edecektir.
e) Güvenlik:
Sistemin güvenlik açısından herhangi bir riski bulunmamaktadır.
f) Sosyal ve politik sorunlar:
Sistemin sosyal ve politik açıdan herhangi bir olumsuz bir etkisi bulunmamaktadır.
35
Ek-4
MALİYET HESABI
Çizelge E4.1. Sistemimizin maliyet hesabı
36
ÖZGEÇMİŞ
Bilal SAYAR, 28 Ağustos 1990 tarihinde Eskişehir’de doğdu. İlköğretimini Eczacıbaşı
ilköğretim okulunda okudu. Liseyi Yüksel-İlhan Alanyalı Anadolu Öğretmen lisesinde
okudu. 2009 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-
Elektronik Mühendisliği bölümünde lisans öğrenimine başladı. Halen aynı üniversitenin
son sınıfında lisans öğrenimine devam etmektedir.
Saim PORTAKAL, 21 Mart 1991 tarihinde Çorum’da doğdu. İlköğretimini Bayındır
İlköğretim okulunda okudu. Liseyi Recep Tanrıverdi lisesinde okudu. 2009 yılında
Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği
bölümünde lisans öğrenimine başladı. Halen aynı üniversitenin son sınıfında lisans
öğrenimine devam etmektedir.
S. Ahmet ADIGÜZEL, 9 Ağustos 1990 tarihinde Trabzon’da doğdu. İlköğretimini
Cumhuriyet İlköğretim okulunda okudu. Liseyi Tevfik Serdar Anadolu Lisesinde okudu.
2009 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik
Mühendisliği bölümünde lisans öğrenimine başladı. Halen aynı üniversitenin son sınıfında
lisans öğrenimine devam etmektedir.