Güneş enerjisi ile çalışan motorlu araçta hız, zaman ve güneş radyasyonu değerleri gözetiminde güç optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmada Güneş arabasında, PV (fotovoltaik) panellerden elde edilen ve bataryada bulunan enerjinin verimli kullanımını hedefleyen bir enerji yönetim sistemi yazılım ve donanımı tasarlanmıştır. Bataryada bulunan enerji miktarı ve PV panelin birim zamanda üreteceği enerji miktarı bilinirse, ulaşmak istenen noktaya gitmek için uygun bir hız değeri seçilerek, yol boyunca PV panellerin ürettiği ve bataryalarda bulunan enerji menzile ulaşmayı sağlayacaktır. Doğru hız değerinden daha yavaş bir hızda yolculuğa devam edilirse araç menzile geç ulaşacak ve ulaştığı anda bataryasında ihtiyacından fazla enerjiyi depolamış olacaktır. Doğru hız değerinden daha hızlı bir yolculuk ise bataryadaki enerjinin erken tükenmesine sebep olacağından menzile ulaşamadan yolda kalınacaktır. Doğru hız değeri ile yolculuk sonunda menzile ulaşılmakla birlikte bataryadaki enerji de tüketilmiş olacaktır. Bu çalışmada, modelleme, deney ve uygulamalarda Otomotiv Mühendisliği bünyesinde bulunan Güneş Arabası YILDIZ'dan faydalanılmıştır. 2012 yılında tasarlanan aracın geliştirilmesi ve 2013 yılı TÜBİTAK Formula G yarışlarında veriminin artırılması için çalışmalar yürütülmüştür. Tasarlanan algoritmada daha doğru veriler elde etmek amacıyla Smart PV projesi kapsamında Leuven Katolik Üniversitesi (KU Leuven) - IMEC Araştıma Merkezi Belçika'da 10 ay süre ile görev yapılmıştır. IMEC'de bulunulan sürede, farklı sıcaklık değerlerinde PV panellerden elde edilen enerji değişimi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Hareket halindeki araçta yüzeysel hava akımı rüzgar olarak da tanımlanabileceğinden, rüzgar etkisinin COMSOL Multphysics 4.3 ile simulasyonu yapılmıştır. Güneş arabasının matematiksel modeli geliştirilerek, MATLAB üzerinde eğim (iniş-yokuş), düz yol ve asfalt - beton yol gibi muhtelif yol senaryoları simule edilmiştir. Tasarlanan PIC16F877 mikrokontrolör, sıcaklık, akım, gerilim sensörleri içeren devre ile sürüş esnasında araç üzerinden veriler toplanarak simulasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sürüş boyunca dinamik olarak Ardunio Mega üzerinde hız ve menzil, PV hücrelerden elde edilen enerji göz önünde tutularak DC motorun otomatik hız kontrolü PI-FLC (Oransal İntegral – Bulanık Mantık Kontrol) ile sağlanmıştır. Dinamik değişen hız stratejisine göre tasarlanan yazılımla arabanın hız kontrolü pilot yerine, yarı otomatik kontrol edilen bir sürüş sistemi ile yapılmıştır.

In this study, to manage energy consumption of a solar electric vehicle, Solar Electrical Vehicle (SEV) at different speeds, a system software and hardware were designed with an aim to improve consumption of energy that is produced by PV panels and stored in a battery bank. If the amount of energy already stored in the battery bank and the energy produced by PV panels is known at any time, then an optimal SEV speed, that is energy consumption rate, could be chosen to enable travel to a predetermined destination at shortest possible time. If however, the chosen speed is slower than optimal, the vehicle will reach destination with some redundant energy in the battery bank. Similarly, if the chosen speed is higher than optimal, the stored energy will soon be exhausted and the vehicle will stop until the battery bank is recharged by the PV panels. Ideally, at the optimal speed, the battery bank will be exhausted when the vehicle reach destination.In this study, a SEV named YILDIZ and kept in the Automobile Engineering Department of Karabuk University, was used during modelling, test and run processes. The vehicle designed and build in 2012, was slightly modified to improve performance for the solar race, TUBITAK Formula G 2013.Experience gained while working on a Smart PV project during training at the Catholic Leuven University (KU- Leuven) IMEC Research Center in Belgium for 10 months, helped obtain more accurate data in this study. During this period, relationship between the energy produced by PV panels and the ambient temperature was studied and modelled. Laminar flow of air over the PV panels, which may be accepted as wind effect, was modelled and simulated using the software COMSOL Multphysics 4.3.Mathematical model of YILDIZ was prepared and simulations were performed using MATLAB software for several different road scenarios such as slope (uphill – downhill), flat and asphalt and slab. Data was collected via designed hardware which consisted of PIC16F877 microcontroller, temperature and current sensors, and compared with those obtained by simulation. During the drive, the data such as speed, range, the energy produced by PV panels were evaluated by Ardunio Mega dynamically and the speed of DC motor was controlled with PI-FLC (Proportional Integral – Fuzzy Logic Control). Regarding variable speed strategy, software was developed such that speed control of the SEV could be run by drive system instead of a pilot.