Flywheel’in Yapısı

Şekil 4.1’de manyetik yataklara entegre edilmiş Flywheel sisteminin basit yapısı görülmektedir. Disk tipi geometriye sahip motor, generatör tek bir elektrik makinasında bir araya getirilmiştir ve rotor iki stator arasında yer almaktadır. Her bir stator sinüsoidal akımlar ile beslenen üç fazlı bakır bobinleri taşır. Ayrıca rotorun her iki eksenel yüzleri, yüzeyler altında gömülü nadir toprak elementleri sürekli mıknatıslar içerir. Yüzeyler altındaki elektromıknatısın sekiz çiftinden oluşan radyal manyetik yataklar oyuk merkezinin etrafına inşa edilmiştir. Aktif ve pasif manyetik yatakların kombinasyonu rotorun dönüşünü ve manyetik kaldırmanın yapılmasını sağlar. Bu tür sistemin normal olarak kontrolü iki aşamayı içerir. İlk olarak dönme hızı ve rotorun eksenel yer değiştirmesi uygun şekilde düzenlenmiş olur. İkincisi, dış parazitlerden kaynaklanan rotorun jiroskopik dönüşünü bastırmak için bir senkronizasyon kontrolü getirilmiştir [32-34].

Şekil 4.1. Flywheel enerji depolama sistemi

Flywheel’ler enerji depolamak için kullanılan cihazlardır. Kendi etrafında dönen düzlemsel bir disk basit bir Flywheel’e örnek olacaktır. Dönen diskteki kinetik enerji ortaya çıkınca Flywheel yavaşlar. Şekil 4.2’de görüldüğü gibi diske doğrudan elektrik generatörü bağlayarak enerji elde edilir. Generatör çıkışının araç motorunda sürülebilir hale getirmek için güç elektroniği gerekmektedir [35].

Şekil 4.2. Flywheel/generatör bağlantısı

Alternatif olarak Flywheel araç tekerleklerine vites kutusu ve debriyaj vasıtasıyla bağlanabilir. Şekil 4. 3‘te Pary People Mover üzerinde kullanılan Flywheel ve tamamen mekanik şanzıman fotoğrafı görülmektedir. Bu iletim tekerleklerdeki Flywheel’in dönme hızı yavaşlayarak Flywheel’in dışa verdiği enerji ile eşleşir [35].

Şekil 4.3. Parry People Mover ana gövdesi

Depolanan enerjinin toplam miktarı: E=0.5 I w² E: Enerji (joule)

I: Atalet momenti

w: Saniyede radyan olarak dönme hızı

w1 ‘den w2 ye azaldığında (rad s-1) Flywheel ’in enerji formülü

𝐷𝐸 = 0.5𝐼(𝑤₁²− 𝑤₂²) (4.1)

Eğer Flywheel yeterince güçlü yapılabilseydi sonsuz enerji depo edebilirdi. Flywheel’in çevresel hızı gibi atalet momentinin büyük olması ve kütleden dolayı Flywheel ışık hızına yaklaşabilirdi.

Ne yazık ki Flywheel’ deki dönme hızından dolayı malzemedeki gerilmeler artar. Bunun sonucu olarak Flywheel’deki enerji depolama kapasitesi Flywheel’in yapıldığı malzemenin germe dayanımı ile sınırlıdır.

Flywheel’in ana avantajı, yüksek özgül bir güce sahip olması ve Flywheel’den bu enerjiyi elde etmenin nispeten kolay olmasıdır. Hava sürtünme kayıplarını azaltmak için manyetik rulmanlar kullanarak veya vakumda çalıştırarak özgül enerjiyi artırmaya yönelik girişimler yapılmıştır.

Flywheel’lerin dezavantajı ise düşük özgül enerji dışında, patlama riski nedeniyle güvenlik konusunda endişelerin olmasıdır. Flywheel’in parçalanması durumunda kaza enerjisi neredeyse anında serbest bırakılır ve Flywheel etkili bir bomba gibi davranır. Ayrıca, eğer Flywheel hızlı hareket ediyorsa kendi montajı dışında gerçek hasarlara neden olabilir.

Flywheel’in düşünülmesi gereken başka bir yönü yüksek hızda dönen diskin jiroskopik etkisidir.

Öncelikle dış müdahale olmadan bir pozisyonda kalma eğilimi gösterirler ve hali hazırda bir dönüş ekseni dışındaki bir eksen üzerinde hareket etmezler. Tork ve moment bir eksen etrafında devinir. Yine kaza durumundaki davranışı dikkatli bir şekilde incelenmesi gerekmektedir ve araç dinamikleri üzerindeki etkisi ele alınmalıdır. Bununla birlikte, birçok durumda bu etkilerin zararsız olabileceği ve araç sürüşü üzerinde pürüzsüz bir etkiye sahip olabileceği unutulmamalıdır. Flywheel’i otobüs ve tramvaylarda üretmek için birkaç girişimde bulunulmuştur. Parry people mover ticari amaçla piyasada mevcut tek Flywheel olduğunu biliyoruz. Şekil 4.3’ te aracın ana gövdesinde Flywheel cihazı görülmektedir.

Hemen hemen tüm içten yanmalı motorlarda küçük Flywheel’ler var, özellikle problemleri ispat edilememiştir. Elektrikli araçlarda kullanılan basit küçük Flywheel’lerin rejeneratif bir frenleme sistemi olarak kullanılması göz ardı edilmemelidir. Flywheel kırılma noktasının altında kullanılması, nispeten küçük ve iyi muhafaza edilmesi koşuluyla elektrikli taşıtların, özellikle de hibrit araçların geleceğinde yararlı bir rol oynayabilir [35].

4.1.1. Rotor: Hız ve kütle

Bir Flywheel’de saklanan kullanılabilir kinetik enerji, bunu çalıştırmak için izin verilen aşırı hız aralığı şudur:

𝐸 = 1

2𝐽𝛥𝑤² =𝑤_𝑚𝑎𝑥² − 𝑤_𝑚𝑖𝑛²

2 ʃ𝑟²𝑑𝑚 (4.2)

burada J dönme ekseni etrafında atalet momenti; ω dönme hızı ve dm belirli mesafede ki küçük kütle unsuru, r dönme ekseninden belli bir mesafedir.

Ağır çelik rotor yüksek atalet için optimize edilmiştir; daha fazla enerji ekstra ağırlık ekleyerek doğrusal bir şekilde elde edilir. Çelik rotorlar genellikle katı rotorlar izotropik malzemeler için bir enerji yoğunluğu anlamında en uygunu olarak gösterilebilir. Yüksek güce, yüksek ataletli makinelerde ulaşmak oldukça basittir.

Kinetik enerji hızın karesi ile büyür; dönen bir gövde için şu anlama gelir, bir kütle elemanı için enerji, yarıçap ve dönme hızı ile karesel olarak büyür. Tek yönlü sarılmış karbon kompozitler bir yönde aşırı güç sergileyen merkezkaç gerilmeler çerçevesinde geliştirilmiştir. Bu yüzden dış kabuk için uygun olduğunu gösterir.

Kütle çevreye, dış yüzeye yakın yerleştirilerek daha fazla fayda sağlanır. Daha büyük yarıçap daha yüksek bir hız sonucunda kütle başına daha fazla kinetik enerji demektir.

Yüksek hızda güç aktarma yeteneklerini engelleyebilir olmasına rağmen Flywheel yüksek hızda çalışması için en uygun hale getirilmiş enerji yoğunluğuna sahiptir [36].

4.1.2. Yataklar: Mekanik ve manyetik

Mekanik ve manyetik yataklı arasında seçim yapmak uygulamaya bağlıdır; Çizelge 4.1’de görüldüğü gibi: Hacim ve ağırlık kısıtlamalarından dolayı mekanik yatakların kullanımını tercih edilirken, vakum kullanımı ve düşük kayıplı gereksinimleri bakımından manyetik yatakların kullanımını önerilmektedir. Manyetik yatakları havaya kaldırma olaylarını işlemek için yedek sistemleri gerektirir, bunların olmasına rağmen endüstriyel standartlar henüz oluşmamıştır [37,38].

Çizelge 4.1. Mekanik ve manyetik yatakların karşılaştırılması

Mekanik yataklar Manyetik yataklar

Hacim başına yüksek sertlik Belirli bir sertlik için daha büyük yer kaplama

Bilinen teknoloji Endüstriyel standartlar henüz olgun değil Yüksek hızlarda dengesiz kuvvetler için

puan olması gerekir

Rotor yüksek hızlarda nötr ekseni etrafında dönmeye izin verebilir

Yüksek hızlarda daha yüksek bekleme kayıpları

Çok düşük bekleme kayıpları

Yağlar vakum işlemi sırasında buharlaşır Vakum uygulamaları için iyi

Aktif soğutma sistemleri gerektirebilir Pratik tam bir manyetik kaldırmada aktif kontrol gerektirir