Volanlı enerji depolama sistemleri için 2 kademeli alternatör tasarımı

Günümüzde enerjinin geri kazanımı önemli bir çalışma konusu haline gelmiştir. Enerjinin geri kazanımı için en çok çalışılan alanlar süper kapasitörler ve volanlardır. Volanlar, enerjiyi kinetik olarak depo eden elemanlardır. Yapılan çalışmalarda volanlar yüksek çevrim ömürleri ve sağladıkları yüksek güç yoğunluğu açısından ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada da volanlı enerji depolama sistemleri için çok kutuplu ve çok sargılı alternatör yapısı tasarlanmıştır. Tasarlanan alternatör yapısı kompakt tasarımı, yüksek güç yoğunluğu ve yüksek verime sahip olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı (EASM) alternatördür. Böylece kompakt yapı çerçevesinde tasarlanan EASM alternatör yapısı ile maksimum enerjinin elde edilmesi amaçlanmıştır. Volanlı enerji depolama sistemleri (VEDS) incelendiğinde enerjinin kısa sürelerde depolaması açısından çok uygun olduğu görülmektedir. VEDS sistemleri yüksek hız ve düşük hız kademesi olarak ikiye ayrılmaktadır. Düşük hız kademesi 10000 d/dk hıza kadar olan kademedir. Volan hızı 10000 d/dk üstüne çıktığında ise yüksek hız kademesi olarak isimlendirilir. Literatürde VEDS'leri üzerine yapılan çalışmalara bakıldığında ise; yenilenebilir enerji sistemlerinde oluşabilecek enerji dalgalanmalarının giderilmesinde, elektrikli araçların fren enerjisinin geri kazanılmasında, enerji nakil hatlarında meydana gelen dalgalanmalarda, uzay uygulamalarında ve bobinli manyetik fırlatıcılara enerji sağlanmasında kullanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada düşük hız kademesinde (460 d/dk hızda) mekanik rulmanlar ile yataklama yapılarak volanın kinetik enerjiyi depolaması sağlanmıştır. Volan için alüminyumdan yarıçapı 15cm olan disk şeklinde bir yapı kullanılmıştır. Volanın deneylerin yapıldığı 460d/dk hızda depolayabildiği enerji 493 joule olarak hesaplanmıştır. Tasarlanan EASM alternatör yapısında çift özdeş sargı kullanılmıştır. Kullanılan bu sargı yapısı ile amaç farklı durumlarda kademeli olarak enerjinin geri kazanılmasıdır. Elde edilen deneysel sonuçlar tek sargı, seri bağlı durum ve paralel bağlı durumlar için alınmıştır. Tasarlanan EASM alternatör yapısı üretim kolaylığı açısından açık oluklu yapıya sahiptir. İkizkenar yamuk sargı yapısı, tam kalıp olarak kullanılmıştır. Rotor ise 12 kutuplu yapıya sahiptir. Dikdörtgen tip neodyum mıknatıslar kullanılmıştır. Tasarlanan EASM alternatör A ve B sargısından oluşmaktadır. A sargısı için faz değerleri 125 ve 459 d/dk da sırasıyla 24.9 ve 91 volttur. B sargısı için elde edilen faz değerleri 126.6 ve 457 d/dk da sırasıyla 24.8 ve 90.2 volttur. Değerler göz önünde tutulduğunda aynı devir sayıları için sargıların özdeş olduğu görülmektedir. Fren enerjisinin geri kazanılması (rejeneratif modda) 6 kademeli yük kullanılarak 0,5sn içerisinde elde edilen enerjiler hesaplanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar A sargısı için maksimum 332 joule, sargıların seri bağlı durumu için 474 joule ve paralel bağlı durumu için 463 joule enerji elde edilmiştir. Volandan 460d/dk için hesaplanan enerji 493 joule'dür. Bu durumda 460 d/dk'da en yüksek enerji seri sargından elde edilmiştir. Seri sargıdan elde edilen enerji toplam enerjiden %3,8 daha azdır.