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.