MEDİKAL MOBİLİTE ARAÇLARINDA ENERJİ KAYNAKLARI

ENERGY SOURCES FOR MEDICAL MOBILITY EQUIPMENT

*Yavuz SOYDAN, *Akın Oğuz KAPTI, **Selman HIZAL

*Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 54187, Esentepe, Sakarya ***Tagem Kopisan Ltd.Şti. Proje Gurubu, Çıracılar Cad,8/D,54100, Sakarya

ÖZET Medikal mobilite araçlarının ve diğer küçük elektrikli araçlarının en temel ihtiyaçlarından birisi yenilenebilir ve taşınabilir enerji depolama sistemleridir. Günümüzdeki eğilim, kurşun-asit bataryaların olumlu özelliklerini de bünyesinde barındıran boyut ve ağırlığı azaltılmış, uzun ömürlü, kullanımı kolay ve çevrim sayısı artırılmış alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesi ve bunların sisteme uygulanmasıdır. Bu çalışmada medikal ekipmanlarda konvansiyonel bataryaların yerine kullanılabilecek alternatif batarya sistemlerinin (yakıt hücreleri, elektro-mekanik bataryalar vb.) uygulanabilirliği incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Biyomekanik ekipmanlar, Bataryalar, Mobil enerji kaynakları, Yakıt pili, Volan.

ABSTRACT

One of the most important requirements of the medical mobility equipment and the other small electric-powered vehicles is the renewable and movable energy storage systems. The present tendency is to develop an alternative power source by reducing the size and weight, long life, useful, and by extending the cycle life, while retaining the other attractive features of the lead-acid batteries. In this study, the applicability of the alternative battery systems, (i.e. fuel-cell batteries, flywheels and others) for medical mobility equipment is reviewed as a promising renewable power source, which can be utilized instead of the conventional batteries. Key words: Energy Source, Mobility, Battery, Fuel Cell, Flywheel,

1. GİRİŞ

Mobilite (hareketlilik), insanoğlunun fizyolojik, psikolojik, sosyal, kültürel ve bilimsel

gelişiminde en önemli faktörlerden birisidir. Bu önem, mobilite sınırlamaları olan engelli

insanlar ve yakınları tarafından daha iyi kavranmaktadır. Engelli insanların ve yaşlıların bu

mobilite ihtiyaçlarını karşılamak için günümüzde oldukça yoğun çalışmalar

yürütülmektedir. Elektrikli mobilite araçlarının en yaygın olanları tekerlekli sandalyeler,

protezler, ortezler ve diğer yürüme destek cihazları şeklinde sayılabilir. Bu cihazların en

güncel örneklerden birisi, robot ASIMO’nun teknolojisinden faydalanılarak, yaşlılar ve

ayak kaslarında zayıflama olan kişiler için Honda Motor tarafından geliştirilen Barrier Free

2008 isimli yürüme destek cihazıdır (Şekil 1.). Cihaz, 24 V ve 1 Ah’lik Lityum İyon bir

batarya kullanmaktadır. 3 farklı boyut için üretilmiştir ve toplam ağırlığı 2.8 Kg

civarındadır. Elektrikli tekerlekli sandalyeler ise (ETS), felçli hastalar, yürüme kabiliyetini

değişik nedenlerle geçici veya sürekli olarak kaybetmiş kişiler ve yaşlılar tarafından yaygın

olarak kullanılan araçlardır. Ülkemizde ve dünyada fiziksel özürlülerin sayısının oldukça

yüksek olması bu araçların önemini artırmaktadır. Yapılan bir çalışma, ülke nüfusunun %

1.25’inin fiziksel özürlü olduğunu ve bu grup içinde yardımcı cihaz kullanım oranının %

19.65 olduğunu göstermiştir [1]. ABD’de yapılan benzer çalışmalar, iki milyon insanın

yardımcı araç kullandığını [2], ve bunlar içinde ETS kullanıcılarının sayısının 100.000 den

fazla olduğunu göstermiştir [3]. ETS kullanıcılarıyla yapılan anket çalışmaları sonucunda,

bu kullanıcıların genel olarak araçlarının yeni şarj gerektirene kadar kat edebileceği

mesafenin artmasını, güç kaynağı boyutlarının ve ağırlığının azalmasını, şarj periyodunun

uzamasını, şarj süresinin kısalmasını ve güç kaynağının doluluk seviyesinin

görüntülenebilmesini istedikleri belirlenmiştir [4]. Bu isteklerin güç kaynağı özellikleriyle

yakından ilişkili olmaları dolayısıyla, batarya ünitesinin ETS performansı ve diğer

özellikleri üzerinde en etkili olan faktörlerden birisi olduğu söylenilebilir.

Şekil 1. Honda Motor Tarafından Geliştirilen Yürüme Destek Cihazı (Barrier Free 2008).

Boyut, ağırlık, emniyetli çalışma, ömür, uygunluk ve maliyet başlıca güç kaynağı

tasarım kriterleridir. Bataryanın, başlangıçta öngörülen şarj-deşarj çevrim adedini

sağlayabilmesi ve kullanımda olduğu sürenin şarj, tamir ve bakımda geçen süreye oranının

yüksekliği de önemli kriterlerdir. ETS uygulamaları söz konusu olduğunda, koltuk

altındaki kullanılabilir alanın sınırlı olması dolayısıyla, batarya ünitesinin boyut ve ağırlığı

daha da önem kazanmaktadır. ETS’lerde uygulanabilecek teknolojiler arasında enerji ve

güç yoğunlukları açısından karşılaştırmalı bir değerlendirme Şekil 2’de verilmiştir. Bu

şekil incelendiğinde, düşük enerji yoğunlukları nedeniyle ultrakapasitör ve akülerin

kullanılabilirliklerinin zayıf olduğu görülmektedir. Yakıt pillerinin yüksek enerji

yoğunluğu ve düşük güç yoğunluğu şeklinde karakteristik özellik gösterdiği, elektro-

kimyasal bataryaların ise buna zıt özellikte olduğu görülmektedir. Bu durum, yakıt pili ve

elektro-kimyasal bataryaların birlikte kullanılmalarıyla oluşturulacak hibrit güç kaynağı

sistemlerinin önemli kazanımlar sağlayabileceğini düşündürmektedir. ETS

uygulamalarında kullanılmaya aday olan ihtimallerin elektro-kimyasal bataryalar, yakıt

pilleri, volanlı enerji depolama sistemleri ve bunların bir araya getirilmesiyle oluşturulacak

hibrit sistemler olduğu söylenebilir.

Şekil 2. Farklı güç kaynaklarının performans özellikleri [4].

2. ETS KULLANICILARININ SÜRÜŞ KARAKTERİSTİKLERİ

ETS kullanıcılarının gerçek sürüş karakteristiklerine ilişkin bilgiler ETS ve batarya

sistemleri tasarımında oldukça önemlidir. Cooper ve ar. [5] tarafından, bu alandaki bilgileri

elde etmeye yönelik olarak yapılan bir çalışmanın Tablo 1’de verilen sonuçları batarya tasarım

ve seçimi için bazı önemli ip uçları sunmaktadır. Bu çalışmada, araçları sensörler ve data

kaydedicilerle donatılmış 17 ETS kullanıcısının 5 gün boyunca yaptıkları tüm aktiviteler

izlenmiş ve elde edilen hız, mesafe ve süre verileri üzerinde çalışılmıştır. Kullanılan ETS’lerin

maksimum hızlarının ortalaması 2.7 m/s olmasına karşın, gerçek hızların ortalaması 0.45 m/s

olarak belirlenmiştir. Çalışmanın yapıldığı 5 gün boyunca, günün her saati için kat edilmiş olan

maksimum mesafeler toplanarak, bir güne ait teorik maksimum mesafe 8 km olarak

belirlenmiştir. Buna karşılık günlük ortalama mesafenin 2.4 km olduğu görülmüştür. ETS’lerin

ortalama 5 yılda bir değiştirildikleri, bu süre sonunda faydalı ömürlerinin bittiği,

değiştirilmelerinin daha emniyetli ve daha ucuz olduğu rapor edilmiştir. Buna göre, bir ETS 5

yılın sonunda değiştirildiğinde ortalama 4380 km yol kat etmiş olmaktadır.

Bu çalışmada katılımcılara bataryalarını şarj alışkanlıklarıyla ilgili sorular da sorulmuştur.

Büyük çoğunluğun bataryalarını günlük olarak şarj ettikleri, şarj için akşam ve gece saatlerini

seçtikleri görülmüştür. Bu durum, çalışma sırasında akşam ve gece saatlerinde gözlemlenen

aktivite azalmasını da açıklamaktadır. Ayrıca, katılımcılara bir ETS’de aradıkları özelliklerin

neler olduğu sorulmuş ve genellikle güvenilirlik, dayanıklılık, uyumluluk, mali olarak güç

yetirebilirlik, montaj ve bakım kolaylığı, kullanıcı tarafından tamir edilebilirlik, verimlilik,

esneklik, öğrenilebilirlik, kullanım kolaylığı, portatiflik, emniyet ve konfor özelliklerinin

arandığı belirlenmiştir [5].

Tablo 1. ETS kullanıcılarının sürüş karakteristikleri [5]. Katılımcı ETS’lerinin maksimum hızlarının ortalaması

2,7 m/s

Ortalama hız 0.45 m/s Teorik maksimum mesafe 7970 m/gün Katedilen ortalama mesafe 2400 m/gün Menzil 24 - 58 km ETS yenileme periyotu 5 yıl (4380 km) Batarya türü Kurşun-asit Batarya şarj Katılımcıların büyük çoğunluğu bataryalarını günlük

olarak, akşam ve gece saatlerinde şarj ettiklerini ifade etmişlerdir.

3. ELEKTRO-KİMYASAL BATARYALAR

Klasik batarya sistemleri içinden kurşun asit, nikel-kadmiyum, nikel-metal hidrit,

lityum-demir disülfit ve lityum-iyon bataryalar ETS uygulamaları için

kullanılmaktadırlar. Bu bataryaların performans özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.

Kurşun-asit bataryalar ETS uygulamaları için günümüzde yaygın olarak

kullanılmaktadırlar. Bu bataryaların enerji yoğunlukları 30-40 W-hr/kg ve çevrim

ömürleri, % 60 deşarj derinliğinde, 500-800 çevrimdir. Kapasitelerinin sonuna kadar deşarj

olabilen bataryalardır. Genellikle 12 V luk iki bataryadan oluşan setler halinde

kullanılırlar. Şarj süresinin uzunluğu, boyut ve ağırlığının büyüklüğü, ömrünün kısalığı,

kullanıcının ve ETS yüzeylerinin asidik elektrolitten zarar görme ihtimali gibi

dezavantajları vardır [4].

Nikel ve lityum esaslı bataryalar, kurşun-asit bataryalara uygun alternatifler

sunmaktadırlar. Nikel-kadmiyum ve nikel-metal hidrit bataryaların enerji yoğunlukları

kurşun-asit bataryaların iki katı kadardır. Çevrim ömürleri uzundur ve bu özellikleri

fiyatlarının fazla olmasını tolere etmektedir. Nikel-kadmiyum batarya hızlı şarj edilebilir

ve bir saatlik şarjla kapasitesinin % 50 sini verebilir. Lityum-demir disülfit ve lityum-iyon

bataryalar kurşun-asit bataryaya nazaran altı-sekiz kat daha fazla enerji yoğunluğuna

sahiptir. Özellikle lityum-iyon batarya, yüksek enerji ve güç yoğunluğu, yüksek voltaj,

uzun ömür, makul fiyat ve bakım gerektirmeme gibi olumlu özellikleri nedeniyle, tüm

elektro-kimyasal bataryalar içinde en dikkat çekici olanıdır [4, 6]. Nikel-demir, nikel-

çinko, çinko-brom, çinko-hava, sodyum-sülfür ve sodyum-nikel klorit bataryalar, emniyet,

bakım, çinkonun alkalin elektrolit içinde çözünerek batarya ömrünü kısaltması, zehirli

hidrojen sülfit gazı oluşumu gibi bir takım sebeplerden dolayı, ETS uygulamaları için uygun

çözümler sunamamaktadırlar [4].

Tablo 2. ETS’ler için uygun olan elektro-kimyasal bataryaların özellikleri [4, 6-8]. Batarya

Türü Voltaj

(V) Enerji

Yoğunluğu (Wh/kg)

Güç Yoğunluğu (W/kg)

Çalışma Sıcaklığı

(oC)

Çevrim Ömrü

Maliyet ($/kWh)

Kurşun-asit 2 30-40 150-300 -20…50 500-800 150 Ni-Cd 1.2 40-60 260 -40…60 2000 400-800

Ni-MH 1.2 30-80 180-220 -10…40 1500 250 Li/FeS2 1.7 160 250 400 1000 1200 Li-iyon 3.6 180 200-300 -20…45 1200 300

4. YAKIT PİLLERİ

Yakıt pilleri yüksek enerji yoğunluğu, düşük emisyon, yakıtın esnek kullanılabilmesi,

sessiz çalışma, hızlı şarj (yakıt tankı değişimi) gibi özellikleri nedeniyle gelecek için ümit

veren ve yoğun araştırmalara konu olan bir alanı oluşturmaktadır. Son on yıllık dönemde, bu

alanda ortaya konulan çabalar sonucunda ilk prototipler üretilmiş ve yakıt pilleri ticari

ürünler olarak markette yerini almıştır. Altı farklı yakıt pili tipine ait özellikler Tablo 3’ de

verilmiştir. Bunlar içinde küçük ölçekli elektrikli araçlar için en popüler olanı PEM (proton

exchange membrane) tipi yakıt pilleridir.

Yakıt pillerinin sağladığı en önemli avantaj enerji depolama ve güç üretme birimlerini

birbirinden ayırmış olmasıdır. Böylece düşük maliyetlerle yüksek enerji depolanabilmesi

mümkün olmaktadır. Yakıt pili elektrolizer ve jeneratör olarak işletilebilir. Elektrolizer

olarak, yakıttaki kimyasal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren bir elektro-

kimyasal cihaz gibi işlev görür. Bu anlamda elektrot ve elektrolitten oluşan bir çeşit batarya

gibi düşünülebilir. Jeneratör gibi kullanıldığında, kurşun-asit bataryalarda 10 saate kadar

uzun süreler alan şarj işlemi, yakıt pili için, hidrojen depolama tankının değiştirilmesi

şeklinde, çok hızlı olarak gerçekleştirilebilir. Hidrojen gazının basınçlı tanklarda (350-700

bar) depolanması en yaygın olarak kullanılan yöntemdir [6].

Tablo 3. Yakıt pili türleri [9]. Yakıt Pili Tipi Elektriksel

verim Çalışma sıcaklığı

Reaksiyon

PEMFC

Proton Geçirgen Membran Yakıt

Pili

50 %

20-80 oC

Anot: 2H2→4H++4e-

Katot: O2+4H++4e-→2H2O (2H2+O2→2H2O)

AFC

Alkalin Yakıt Pili

65 %

20-90 oC

Anot: 2H2+4OH-→4H2O+4e- Katot: O2+2H2O+4e-→4OH-

(2H2+O2→2H2O)

DMFC

Direk Metanol Yakıt Pili

25 %

20-130 oC

Anot: 2CH3OH+2H2O→2CO2+12H++12e-

Katot: 3O2+12H++12e-→6H2O (2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O)

PAFC

Posforik Asit Yakıt Pili

55 %

160-220 oC

Anot: 2H2→4H++4e-

Katot: O2+4H++4e-→2H2O (2H2+O2→2H2O)

MCFC

Erimiş Karbonat Yakıt Pili

65 %

620-660 oC

Anot: 2H2+2CO32-→2H2O+2CO2+4e-

Katot: O2+2CO2+4e-→2CO32-

(2H2+O2→2H2O)

SOFC

Katı Oksit Yakıt Pili

65 %

800-1000 oC

Anot: 2H2+2O2-→2H2O+4e-

Katot: O2+4e-→2O2- (2H2+O2→2H2O)

Yakıt pilinin kendi kendine deşarj olma oranı kapalı olması durumunda sıfır, kapalı

olmaması durumunda ise yardımcı ekipmanların çalışmasından dolayı % 2-3

seviyelerindedir. Bu oran kurşun-asit bataryalar için ayda % 4-10 mertebesindedir. Yakıt

pilleri çoğunlukla prototip ürünler olduğundan ve ticari olarak yeterince yaygınlaşmamış

olmasından dolayı yakıt pilinin ömür değeri için net veriler bulunmamaktadır. Bununla

beraber, hareketli parça içermemesi açısından uzun ömürlü olmasının beklenebileceği

söylenebilir. Yakıt pilinin voltaj seviyesi teorik olarak 1.3 V dur. Bu voltaj seviyesi ideal

performansa ve kimyasal enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesinde % 100 verime tekabül

eder. Yakıt pillerinin ideal verimi farklı tipler için % 83-95 seviyesindedir. Fakat, kimyasal

reaksiyonun yavaşlığı, elektrolit ve elektrotların elektron akışına karşı gösterdiği direnç,

çalışma sıcaklığı, akım şiddeti, iletim kayıpları gibi etkenlerden dolayı verimde dramatik

düşüşler ortaya çıkmaktadır. PEM tipi yakıt pilinin verimi % 32-40 olarak rapor

edilmektedir. Bu değer, kurşun-asit bataryaya nazaran daha düşük bir değerdir [6].

Yardımcı ekipmanlardaki güç tüketiminin yüksekliği ve veriminin düşüklüğünün yanı

sıra, yakıt pilleri hala oldukça pahalı elemanlardır. Devreye alma gecikmesi ve anlık güç

taleplerini karşılamadaki yetersizliği de yakıt pillerinin olumsuz yönleri arasında

sayılabilir. Ayrıca, hidrojen tankını beraberinde taşıma gereksinimi yakıt pili sistemini

hacimli ve kompleks hale getirmekte ve özellikle küçük ölçekli uygulamalarda enerji ve

güç yoğunluğu değerlerini azaltmaktadır. Minibüs, otobüs gibi büyük araçlarda, yakıt

pillerinin avantajlarından yararlanmak için boyut dezavantajı karşılanabilir. Ancak, hacimli

bir güç kaynağı sisteminin ETS kasası içine yerleştirilebilmesi pratik olmayacak ve yüksek

maliyet gerektirecektir [6].

Şekil 3. Yakıt pilli ETS’ler için bir örnekler

a) HYCHAIN projesi tarafından 0.5 kW yakıt pili kullanılarak prototip olarak üretilmiş ve Hannover 2006 fuarında sergilenmiştir.

b) SUZIKI tarafından prototip olarak üretilen yakıt hücreli Scooter 5. VOLANLI ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİ

Volanlı enerji depolama sistemi, enerjiyi dönen bir kütle üzerinde kinetik enerji

formunda depolar. Depolanan enerjinin miktarı rotor kütlesine, atalet momentine ve dönme

hızına bağlıdır. Şekil 4’de görüldüğü gibi, rotorun dönme hızına göre düşük ve yüksek hızlı

sistemler olarak iki ana grupta incelenebilirler. Düşük hızlı sistemler 6000 d/d nın altındaki

hızlarda çalışırlar. Çelik rotor ve klasik yataklama elemanları içerirler. 10-50 s boyunca güç

verebilirler. Yüksek hızlı sistemler ise 100.000 d/d gibi yüksek hızlara kadar çıkabilirler.

Kompozit rotor ve manyetik yataklama elemanı içerirler. Büyük miktarlarda enerji

depolayabilir ve bir sistemin güç gereksinimine saatler boyunca cevap verebilirler [6, 10-12].

Şekil 4. Düşük (a) ve yüksek hızlı volanlı enerji depolama sistemleri [6, 12].

Volanlı enerji depolama sisteminin temel prensibi; şarj modunda, bir motorla volanın

dönme hızının belirli bir değere kadar çıkarılması (elektrik enerjisinin mekanik enerjiye

dönüştürülmesi), ve deşarj modunda ise, aynı motor jeneratör olarak kullanılarak, depolanan

enerjiyle bir sistemin güç gereksiniminin karşılanması (mekanik enerjinin elektrik enerjisine

dönüştürülmesi) şeklindedir. Sistemin verimi % 90-96, ve enerji yoğunluğu 50-250 Wh/kg

seviyelerindedir [13]. Rüzgar ve sürtünme kayıplarını gidermek için volan ve motorun

tamamı vakum ortamında manyetik yataklarla yataklanır. Vakum ortamı oluşması için

kullanılan dış muhafazanın diğer işlevi ise, yüksek devir sayısından dolayı volanda ortaya

çıkması muhtemel parçalanmaya karşı bariyer vazifesi görmektir. Dış muhafaza kütlesi

dikkate alındığında enerji yoğunluğu düşmektedir. Volanlı enerji depolama sisteminin

özellikleri, kurşun-asit batarya ve yakıt piliyle karşılaştırmalı olarak Tablo 4’de

verilmektedir. Yüksek verimli bir sistemdir. Dönme hızı artırılarak depolanan enerji

artırılabildiğinden dolayı enerji yoğunluğu yüksektir. Ömrü 20 yıl olarak verilmektedir.

Sistem maliyeti yüksek olmakla beraber, ömrünün uzun olması çevrim başına maliyetini

makul seviyelere düşürmektedir. Devir sayısına bağlı olarak ne kadar enerji depolandığı

kesin olarak bilinebilir. Dış ortama kapalı ve bakım gereksinimi düşüktür. Performansı

sıcaklık değişimlerinden etkilenmez. Zararlı kimyasallar içermez ve herhangi bir zararlı gaz

üretmez. Enerji depolama kapasitesi elektro-kimyasal bataryalarda olduğu gibi zamanla

azalmaz [11-14]. Sahip olduğu olumlu özellikler bu sistemin ETS uygulamalarında

kullanılabileceğini göstermektedir.

Tablo 4. Kurşun-asit batarya, yakıt pili ve flywheel özelliklerinin karşılaştırılması [6, 11]. Karakteristik Kurşun-asit Yakıt Pili Flywheel

Enerji yoğunluğu (Wh/kg)

35-40 Yüksek enerji yoğunluğu mümkün

< 100

Güç yoğunluğu (W/kg)

< 400 300 (mW/cm2) < 1600

Güç < 10 MW < 100 kW < 100 kW Kapasite < 6000 Ah Tank hacmine bağlı Rotor kütlesine ve şekline

bağlı Verim (%) 81-94 30-60 80-96 Çevrim ömrü 100-1500 çevrim

3-15 yıl < 50 000 saat 100.000 çevrim

20 yıl Şarj özellikleri Elektriksel şarj

(8 saat) H2 tankı değişimi (bir kaç dakika)

Elektriksel şarj

Kendiliğinden deşarj (%/ay)

1-4 2-3 72

Maliyet ($/kWh) 65-200 5000-5500 1000-1500 Maliyet ($/kWh) (2010)

50-130 1000-1500 < 150

Teknoloji Basit Karmaşık Karmaşık Emniyet Düşük risk

(elektriksel, kimyasal) Düşük risk (H2 depolama)

Düşük risk (rotorun parçalanması tehlikesi)

Devreye alma gecikmesi

Gecikme yok Bir kaç dakika Gecikme yok

6. YAKIT PİLİ/BATARYA HİBRİT SİSTEMİ

Kurşun-asit batarya, yakıt pili ve volanlı enerji depolama sistemine ait özelliklerin

karşılaştırmalı olarak verildiği Tablo 4 incelendiğinde, yakıt pillerinin düşük verim, devreye

girme gecikmesi, yüksek fiyat gibi dezavantajlarının bulunduğu görülmektedir. Dolayısıyla,

bu alanda yapılmakta olan çalışmaların daha olumlu sonuçları ortaya çıkıncaya kadar, yakıt

pillerinin ETS uygulamalarında tek başlarına güç kaynağı olarak kullanılmaları çok uygun

gözükmemektedir. Bu nedenle, bu alandaki çalışmaların, mevcut batarya sistemleriyle yakıt

pillerinin bir arada kullanıldıkları hibrit sistemlere yönelmesi gerekmektedir. Hibrit

sistemler, yakıt pili ve bataryaların tek başlarına kullanıldıkları uygulamalara kıyasla önemli

avantajlar sağlama potansiyelini taşımaktadır. Gao ve ar. [16] bu alanda yaptıkları bir

çalışmada, 35 W yakıt pili ve sekiz adet lityum-iyon batarya kullanarak oluşturdukları hibrit

sistemle 135 W pik güç elde etmişlerdir. Bu sonuç, ağırlıktaki % 13 lük artışın, 3.4 katlık bir

güç artışına tekabül ettiğini göstermektedir.

Yakıt pili/batarya hibrit sistemi her iki teknolojinin avantajlarını birleştirme ve

dezavantajlarından korunma imkanı vermektedir. Genel olarak hibrit sistemin iki farklı

şekilde uygulanabileceği söylenebilir. Bunlardan birincisi, yüksek pik güç talebinin yanı sıra

daha düşük ortalama güç durumunda uygulanan yakıt pili tahrikli hibrit sistem dir. Yüksek

pik gücü karşılama yeteneği olan küçük bir batarya yakıt piliyle birlikte kullanılır. Bu

batarya aynı zamanda yakıt pilinin devreye alınma fazını da destekler. Güç gereksinimi

maksimum yakıt pili gücü kadar olduğunda yakıt pili sistemi tek başına destekler. Güç

gereksinimi maksimum yakıt pili gücünden fazla olduğunda batarya yakıt piline yardımcı

olur (batarya için deşarj modu). Güç gereksinimi maksimum yakıt pili gücünden az

olduğunda ise yakıt pili bataryayı şarj eder (batarya için şarj modu). Bu tip yakıt pili/batarya

hibrit sisteminde, yakıt pili uzun dönemde ortalama güç gereksinimini karşılayacak şekilde

kontrol edilirken, batarya aralıklarla ortaya çıkan yüksek ve kısa süreli güç gereksinimlerinin

karşılanmasını destekler. Bataryanın tamamen deşarj olmaması için yakıt pili gücü ortalama

güç ihtiyacına eşit veya daha büyük olacak şekilde seçilmelidir [6, 15-17]. Yakıt pili/batarya

hibrit sisteminin ikinci uygulanış şekli, orta ve yüksek güç talepleri olmakla beraber, uzun

süreli düşük güç gerektiren durumlarda uygulanan batarya tahrikli hibrit sistem dir. Bu tip

uygulamada yük batarya tarafından karşılanır ve yakıt pili ise sadece bataryayı şarj etmek

için kullanılır. Bataryanın periyodik olarak şarj edilmesi batarya ömrünü uzatır. Bataryanın

yakıt pili kullanılarak şarj edilmesinin verimi, batarya ve yakıt pili boyutuna, ve bekleme

modundaki yakıt pili kayıplarına bağlıdır. Genel olarak, yakıt pilinin batarya şarjı için iyi ve

verimli bir güç kaynağı olduğu söylenebilir [15].

Portatif elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar gibi pek çok uygulamada benzer

yük profilinin olduğu gözlenmektedir. Bu uygulamalardaki ortak özellik pik gücün

ortalama güce oranının yüksek olmasıdır. Bu ortak karakteristik özelliğin, farklı sürüş

koşullarında farklı güç seviyeleri gerektiren ETS uygulamaları içinde geçerli olduğu

söylenebilir. Bir ETS’nin eğimsiz, engebesiz ve sert bir zemin üzerinde düşük hızlarla

seyretmesi düşük güç gerektirirken; seyir hızının artması, yokuş kat edilmesi ve zemin

şartlarının değişmesi (halı yüzeyi, kumlu veya toprak zemin gibi) güç gereksinimini

artıracaktır. Dolayısıyla, ETS uygulamalarında yakıt pili/batarya hibrit sisteminin

kullanılması, bu elemanların tek başlarına kullanıldıkları durumlara nazaran daha elverişli

olacaktır. ETS düşük güç gerektirdiğinde yakıt pili yükü karşılarken aynı zamanda

bataryayı da şarj edecek; yüksek güç talebi söz konusu olduğunda ise bu talebi karşılamak

için batarya gerekli olan oranda deşarj moduna geçerek yakıt pilini destekleyecektir.

Böyle bir sistemde; bataryanın aşırı şarj veya aşırı deşarj olmaması için batarya voltajı

ayarlanmalı, batarya şarj akım şiddeti emniyetli maksimum değerin altında olmalı, ve

yakıt pili akım şiddeti de yüke uygun gücü veya batarya şarjını sağlamak üzere

ayarlanmalıdır. Yakıt pili/batarya hibrit sisteminin şematik yapısı Şekil 4’de

verilmektedir. Sistem elemanları arasındaki enerji akışını kontrol etmek için enerji

yönetim sistemi gereklidir. Yakıt pili ve batarya arasındaki güç akışının aktif kontrolüyle

yüksek güç ve yüksek enerji yoğunluklarını elde etmek, batarya şarj prosesini kontrol

etmek ve daha stabil yakıt pili çıkış voltajı sağlamak için sisteme konvertör konulmalıdır.

Bu konfigürasyonda, yakıt pili çıkış akımı, batarya akımı ve batarya voltajı güç

konvertörüyle ayarlanmakta ve yakıt pili yük artışlarından izole edilmektedir [15-17].

Şekil 4. Yakıt pili/batarya hibrit sisteminin şematik yapısı [6, 15].

6. SONUÇLAR

ETS uygulamalarında yakıt pilinin tek başına güç kaynağı olarak kullanılması çok

uygun gözükmemektedir. Yaygın olarak kullanılmakta olan kurşun-asit bataryaların da

önemli dezavantajları bulunmaktadır. Bu iki sistemin özellikleri incelendiğinde birbirlerini

tamamladıkları görülmektedir. Dolayısıyla, ETS uygulamaları için ideal güç kaynağı

çalışmaları hibrit sistemlere yönelmelidir. Hibrit sistemler, bu elemanların tek başlarına

kullanıldıkları durumlara kıyasla önemli avantajlar sağlamaktadır. Hibrit sistemin

uygulanmasıyla her iki sistemin avantajlarının birleştirilmesi, yüksek güç ve yüksek enerji

yoğunluklarının elde edilmesi ve ETS gereksinimlerinin daha iyi karşılanabilmesi imkanı

doğmaktadır. Aktif hibrit sistem daha yüksek güç yoğunluğu sağlamasının yanı sıra, çıkış

voltajının daha esnek kılınması ve daha iyi ayarlanması, sistem hacminin ve ağırlığının

daha düşük olması, güç talebi değişimlerine daha hızlı cevap verilmesi gibi avantajlar da

sağlamaktadır. ETS uygulamalarında güç kaynağı olarak kullanılabilecek üçüncü bir

ihtimal olarak volanlı enerji depolama sistemlerinden de söz edilebilir.

7. TEŞEKKÜR

Bu çalışma, Avrupa Birliği destekli, «An Educational Platform for Physically Disabled

People in Designing/Manufacturing of Supporting Equipment, EPDP » başlıklı ve «LLP-

LdV-TOI-2007-TR-064» numaralı proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Katkı ve

desteklerinden dolayı T.C. Başbakanlık Devlet Planlama Müsteşarlığı, Avrupa Birliği

Eğitim ve Gençlik Programları Merkezi Başkanlığı’na (Ulusal Ajans) teşekkür ederiz.

(www.epdp.eu)

KAYNAKLAR [1] ÖZİDA, TÜBİTAK, DPT, “Türkiye Özürlüler Araştırması 2002 İkincil Analizi Son

Gelişme Raporu”, 2006. [2] JONES, M.L. and SANFORD, J.A., “People with Mobility Impairment in the United

States Today and in 2010”, Assistive Technology, Vol. 8, 1996. [3] BAYLES G.A., New power sources technologies for electric wheelchairs, RERC on

Wheelchair Technology 10, 51-60 (1994). [4] BAYLES G.A., New power sources technologies for electric wheelchairs, RERC on

Wheelchair Mobility, Technical Report, University of Pittsburgh, 1-21 (1994). [5] COOPER R.A., THORMAN T., COOPER R., DVORZNAK M.J., FITZGERALD

S.G., AMMER W., FENG G.S. and BONINGER M.L., Driving characteristics of electric-powered wheelchair users: how far, fast, and, often do people drive?, Arch. Phys. Med. Rehabil. 83, 250-255, 2002.

[6] IEA PVPS T3-18, International Energy Agency, Evaluation of energy storage devices in stand-alone photovoltaic power systems, Technical Report, 2004.

[7] http://www.mpoweruk.com/specifications/compa risons.pdf [8] LATHAM R., LINFORD R. and SCHLINDWEIN W., Biomedical applications of

batteries, Solid State Ionics 172, 7-11, 2004. [9] VOIGT C., HOELLER S. and KUETER U., Fuel cell technology, Books on Demand

GmbH, Norderstedt, 2005. [10] JENSEN, J. and SORENSEN, B., Fundamentals of Energy Storage, John Wiley &

Sons, NY, pp. 55-63, 1984. [11] BOYES J. D. and CLARK N., Flywheel Energy Storage and Super Conducting

Magnetic Energy Storage Systems, IEEE PES Sandia National Laboratories Seattle, Washington, July 19, 2000.

[12] ROJAS A., Flywheel Energy Matrix Systems-Today’s Technology, Tomorrow’s Energy Storage Solution, Applications Engineering Beacon Power Corp. Wilmington, MA 01887, 2002.

[13] 3. Proceedings of the Flywheel Energy Storage Technology Workshop, Oak Ridge TN., November 2-4, 1993.

[14] COOPER R. A., and TAİ T., Feasibility of Flywheel Batteries for Electric Powered Wheelchairs, Proceedings of the 20th Annual International Conference-IEEE/EMBS, Hong Kong, pp. 2261-2263, 1998.

[15] JOSSEN J., GARCHE H., DOERING M., GOETZ W., KNAUPP and JOERISSEN L., Hybrid system with lead-acid battery and proton-exchange membrane fuel cell, Journal of Power Source 144, 395-401, 2005.

[16] GAO L., JIANG Z. and DOUGAL R.A., An actively controlled fuel cell/battery hybrid to meet pulsed power demands, Journal of Power Source 130, 202-207, 2004.

[17] JIANG Z., GAO L., BLACKWELDER M.J. and DOUGAL R.A., Design and experimental tests of control strategies for active hybrid fuel cell/battery power sources, Journal of Power Source 130, 163-171, 2004.

[18] http://www.epdp.eu/images/edergi/dergi-sayi2.pdf, EPDP Magazin, sayı 1, 2008.