bilgi sayfası

bilgi sayfası
GELİŞMİŞ ENEEJİ SİSTEMLERİ
KÜÇÜK ÜNİTELER
Richard B.
Çeviren:
Peterson
Mustafa
ODTÜ
YALÇIN
"Enerji sistemlerinin mezoskobik ölçeğe lorta ölçek) düşürülmesi, günün birinde elektrik arabalarının reformuna,
taşınabilir enerji pillerinin 20 kat güçlenmesine veya belki Mars' a gitmeye olanak sağlayabilir."
Oregon State Üniversitesi araştırmacıları yeni
sistemlerini Mikroteknoloji tabanlı Enerji ve Kimyasal
Sistemler (MECS) olarak adlandırmışlardır. Battelle'deki
Pacific Northwest National Laboratory'de mikrokimyasal ve termal sistemler (Micro-CATS) adında bir
Şiiı' : ı
*•
m.....,•. ' .
r--,---'•
çıkan ısı 0.5 mm3 hacimde yaklaşık 5 Watt lir.
nşkatalitik
iyor. Açığa
program yürütülmektedir. Bu sistemler için diğer benzer
isimler ve kısaltmalar da kullanılmaktadır. Terminoloji
ne olursa olsun, bu çalışmaların hedefi gelişmiş enerji
ve kimyasal sistemler için gerekli olan bileşenlerin
küçültülmesi ve entegre edilmesidir.
Bu alandaki araştırmacılar bu fikre yeni
uygulamalardaki zorluklan aşacak yeni bir enerji sistemi
olarak bakmaktadırlar. Bu hedef önceleri ayrık
yerleştirilmiş olan elektronik parçaların daha sonra aynı
baskı üzerine toplanması şeklindeki gelişmeye benzer.
Bu fikir enerji sistemleri ve kimyasal proseslere
uygulandığında, pillerin yenilenmesi ve tehlikeli atıkların
etkisiz hale getirilmesi gibi birçok problemi de çözecektir.
Mühendis ve Makina- Cilt: 42 Sayı: 502
Minyatürleştirme özellikle portatifiliğin, hafifliğin ve az
yer kaplamanın istendiği alanlarda önemlidir.
Mikro ölçekli sistemlere aşina olan birçok mühendis
mikroelektromekanik sistemlerdeki (MEMS) hızlı
gelişmeler hakkında bilgi sahibidir. MEMS' lerin 1 mm
civarındaki boyutları gibi karakteristik özellikleri vardır.
MEMS, silikon e n t e g r e devrelerin prosesi için
geliştirilmiş olan geniş bir bilgi tabanını kullanır. Birçok
MEMS silikondan farklı bir malzemeden yapılsa bile IC
işlem adımları kullanılarak üretilir.
Mikroelektromekanik sistemler, isimlerinden de
anlaşılacağı üzere, algılama veya harekete geçirme için
mekanik ve elektronik özelliklerin entegre edilmesidir.
Bugün tek uygulaması olan MEMS'ler otomobil hava
yastıklarındaki ivme sensörleridir. Ancak yeni
uygulamaları ile MEMS'ler her geçen yıl yeni bir alana
yayılmaktadır. Mikroteknoloji tabanlı Enerji ve Kimyasal
Sistemleri (MECS) boyutları ve beklenen etkiyi
oluşturmada kullandığı fiziksel işlemleri gibi birkaç
yönden MEMS'lerden farklıdır.
MECS' 1er tipik olarak mezoskobik'tir, yani bir küp
şeker ile y u m r u k ölçüleri a r a s ı n d a d ı r . K ü ç ü k
parçaların biraraya getirilmesiyle oluşturulan büyük
sistemlerdir. P a r ç a ölçüleri M E M S ' lerde
b u l u n a n l a r d a n daha büyük olup 25 m i k r o n d a n
milimetrelere ulaşan boyutlardadır.
BOYUTLARIN KÜÇÜLME SINIRI
Minyatür enerji ve kimyasal sistemler için bu küçük
ölçüler önemlidir. Çünkü ısı ve kütle transfer hızları
uzaklığın karesi ile ters orantılıdır, yani boyutların
küçülmesi ısı ve küde transfer hızlarını artırır. Bununla
birlikte, minyatür bir sistemde akışkanların transferi
ve ısı farklarının korunması gittikçe zorlaşacağından
31
bilgi sayfası
dolayı boyudar sınırsızca küçültülemez. Minyatür bir
enerji sistemi geliştirirken aşırı basınç düşmeleri,
parazitik iç ısı iletkenlikleri ve mekanik sürtünme
mühendislerin başa çıkmak zorunda oldukları birkaç
problemdir. Fakat araştırmacılar heyecan verici bazı
fikirlerin uygulanması için mezoskobik ölçekte çok
verimli alanlar bulmuşlardır.
malzemeler işlenmelidir. Bu tür bir kaynak prosesi, en
iyi şekilde, çok sayıdaki küçük araçların gerekli gücü
üretmek için çabşmalarıyla ve doğal kaynakların kimyasal
işlenmesini gerçekleştirmeyle yapılabilir.
Bu iki örneğin (ve diğerlerinin) gerçekleştirilmesi
birkaç yıl daha sürecektir ve bunlann geliştirilmesi MECS
alanındaki itici güçlerden biridir.
MECS parçalan geleneksel araçlarda kullanılanlardan
çok daha küçüktür. Akış kanalları, ısı eşanjörleri, vanalar,
pompalar milimetre boyutunda veya daha fazla
küçültülmesi gereken parçalardan sadece birkaçıdır.
Enerji sistemlerinin minyatürieştirilmesi alanındaki iki
öncü olan Robert Wegend ve Kevin Drost Pacific North­
western National Laboratory'de mikro kanal ısı
eşanjörlerin geliştirilmesi ile ilgili ilk çalışmaları
yönetmişlerdir. Oregon State University MECS çalışmalan
başkanı olan Drost' a göre bu ısı eşanjörlerindeki ısı
transferi hızlan macroscopic sistemlerdekinden bir derece
fazla olabilir. Bu ölçekte basınç kayıplan, ısı iletimleri ve
üretim toleransları dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir.
Elde edilen sonuç 10" W/cm 3 hacimsel ısı transfer hızına
sahip etkileyici bir minyatür cihazdır.
Şekil 2. University of Washington 'da tasarlanan mikro pompada
sabit geometrili valfier kutlanılır. Bit pompa piezoelektrik bir tahrik
elemanına ve silikon kalıpla üretilmiş bîr çift giriş ve çıkış vanasına
sahiptir.
Buradaki "enerji sistemleri" terimi genellikle enerji
üretimini, kullanımını, dağıtımını veya bir formdan diğer
bir forma dönüşümünü kapsar. Bu sistemler mobilitenin,
az yer kaplamanın, ağırlığın veya noktasal uygulamalann
önemli olduğu alanlarda kullanılacaktır. Güvenilirlik,
belirli bir görevi gerçekleştirirken küçük basit parçaların
büyük diziler halinde kullanılmasıyla da artırılabilir.
Bu teknolojinin uygun olduğu iki alan küçük ölçekli
güç üretimi ve kaynak prosesidir. Örneğin likit
hidrokarbonda depolanmış olan kimyasal enerji %20
veya daha yüksek bir verimle elektriğe dönüştürülebilir.
Taşınabilir güç jeneratörlerindeki depolanmış enerji
yoğunluğu şimdiki pil teknolojisinden 10 ila 100 kat daha
fazladır. Bu sistem tüm gerekli bileşenlerin entegre
edildiği "güç istasyon cipi" gerektirir.
insanlı bir Mars görevi gerçekleştirilirken yakıt, hava
ve su elde etmek için gezegen yüzeyindeki doğal
32
Diğer önemli bir MECS uygulaması ise valflerdir.
Tasarımlar kapaklı ve toplu valilerden, hareketli parçası
olmayan valflere kadar geniş bir alanı kapsar. Orta
ölçekteki pratik bir ü r ü n için genelde basitlik,
performansa tercih edilir.
DİYOT BOYUTUNDA VALF
Gerçekte zayıf bir performans makroskobik
tasarımların mesoscopic boyudara küçültülmesiyle ortaya
çıkar. Kapaklı bir vana tasarımı buzdolaplarındaki
kompresör için uygun olabilir ancak bunu milimetrenin
alandaki boyutlarda tasarlamak ölçekle ters orantılı olan
bazı performans yasalanndan dolayı problemler doğurur.
University of Washington'daki araştırmacılar
hareketli parça gerektirmeyen sabit geometrili valfler
geliştiriyorlar. Üniversitenin makina mühendisliği
bölümü doçentlerinden ve proje grubunun başkanı olan
Fred Foster bu küçük valflerin performansı için
"diodicity" terimini kullanmaktadır. Foster' a göre bu
vanalar temelde akışkan diyotlarıdır, kanal şeklindeki yapı
ileri yöndeki akış direncini minimize eder ve geri yöndeki
akışı da engeller. Laminar akışın boyuda ters orantılı
olması nedeniyle valf, küçük boyudarda performans
Mühendis ve Makina- Cilt 42 Sayı: 502
bilgi sayfası
kaybına uğrar, ancak mikro ölçekte çakşabilir bir pompayı
oluşturmak için yeterli diodicite'ye sahiptir.
Bazı tip minyatür enerji sistemleri için diğer bir gerekli
bileşen de küçük bir yakım hücresi (combustor) dır.
Çünkü sıvı hidrokarbon formundaki kimyasal enerji
konvansiyonel kaynaklar için bilinen en yüksek enerji
yoğunluğuna sahiptir. Çok kullanılan hidrokarbon
yakıtlarından mümkün olan en küçük ısı kaynağını
geliştirmek için son birkaç yıldır O r e g o n Eyalet
Oniversitesi'nde bir program yürütülmektedir.
Ortak bir projede, Aberdeen, Md.' deki Ordu
Araştırma Laboratuarında John Vanderhoff ve bu
makalenin yazan 0.5 mm 3 hacminde 1 Wattan düşük ısı
ı^ıl »
_
'west National Laboratory 'ııin microlamination
prosesinde geliştirdiği paslanmaz çelikten yapılmış mikrokanal
dizileri görülmektedir. Kanalların genişliği yaklaşık WO mikrondur.
yayma hızında minyatür bir katalitik yakım hücresi
geliştirmişlerdir. Araştırmacılar bu küçük ölçekli yakım
hücrelerinin geliştirilmesinde ısı kaybı yönetiminin en
önemli unsur olduğunu ortaya çıkarmışlardır.
Araştırmacılar ileri termal yönetim tekniklerinin
kullanılmasıyla daha da küçük aletlerin yapılabileceği
olasılığını görmüşlerdir.
SİSTEM ENTEGRASYONUNU SAĞLAMAK
Parça seviyesinde yapılacak birçok iş bulunsa da,
mühendisleri asıl heyecanlandıran güç üretimi, kimyasal
dönüştürme, soğutma ve diğer özel uygulamalar için
entegre sistemlerinin oluşturulabilmesi potansiyelidir.
Parça ve sistem s e l e s i n d e bu tür projeleri sürekli
destekleyen Savunma İleri Araştırma Projeleri Kurumu
Mühendis ve Makina- Cilt 42 Sayı: 502
(DARPA) bu çalışmaların başarılı ürünleri görmeyi çok
istemektedir.
Arlington' daki DARPA, Savunma Bilimleri Ofisinde
çalışan William Warren ASME'nin 1999 Uluslararası
Makina Mühendisliği Kongresi ve sergisine katılarak,
minyatür ve microscale enerji sistemleri hakkında bilgi
aldı. Warren'in orta ölçekteki (mesoscale) makinalar
alanındaki görüşü "bu makinaların görevlerini daha hızlı,
daha iyi, daha verimli ve daha ucuza gerçekleştirebileceği"
şeklindedir. Hem askeri hem ticari alanlardaki bu
kapasitede bir potansiyelle bu yeni uygulamaların sonuç
vermesi kısa sürecektir.
Birçoğuna göre bu keşiflerden ilki, benzin ve dizelin
güç yakıt hücrelerine (power fuel cell) kimyasal
dönüşümü ile gelebilir. Buradaki vizyon mikrokanal
dizileri kullanılarak yakıtın hidrojen gazına katalitik
d ö n ü ş ü m ü n ü n artırılmasıdır. Eğer katalizör
mikrokanalların yüzeyine gömülürse, dönüşüm hızları
daha büyük cihazlannkinden 10 kat fazla olabilir.
Küçük bir yakım hücresini kimyasal reaksiyonları
gerçekleştirecek bir d ö n ü ş t ü r ü c ü (reformer) ile
birleştirmek, eğer dönüştürücü, bir entegre sisteme dayalı
ise çok uygun olacaktır. Mikrokanal mimarisi ve küçük
boyutta bir konfigürasyon olması nedeniyle hem ısı
transferine hem de basınca dikkat edilmelidir. Mikrokanal
sıralarının uygun tasanmlan ve yüksek sıcaklıkta süper
yalıtımları ile bu zorluklar çözülmektedir. Battelle Me­
morial Institute ve Argonne National Laboratory gibi
kuruluşlar küçük yakıt dönüştürücüleri geliştirmektedirler.
MİNYATÜR ISI MOTORLARI
Güç üretimi ve propulsion (itici güç) için minyatür ısı
motorlarının geliştirilmesi için de araştırma programlan
yürütülmektedir. Bu çerçevede yürütülen bazı çalışmalar
Stirling çevrimli (devir) makinaları, Wankel dönel
motorları ve sıra dışı ısı motorları üzerinedir. Birkaç yıldır
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde (MİT) gaz
türbinleri üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır.
Araştırmacılann hedefi, gömlek düğmesi büyüklüğünde
bir gaz türbini geliştirmektir. MİT çalışmalarının en önemli
yönü minyatürleştirme sürecinde karşılaşılabilecek
problemlerin keşfedilmesidir. Pratik tasarımların ortaya
çıkabilmesi için rulmanlar, küçük geçişlerdeki akışkan
sürtünmesi, çok küçük toleranslar ve motordaki ısı
transferi gibi olaylar çözülmelidir.
33
bilgi sayfası
Berkele/deki Kaliforniya Oniversitesi'nde görevyapan
profesör Carlos Fernandez Pello başkanlığındaki bir projede
Wankel m o t o r u n u n minyatürleştirilmesi üzerinde
çalışılmaktadır. Pello' ya göre Wankel' in özel bir tasannu,
cihazın üretimini basitleştiren İM boyutlu bir imalat prosesine
izin vermektedir. Ayrıca Wankel tasarımı ile valflerin
yapılması da kolaylaşır. Isı motodarı üzerine yapılan birçok
çalışmadaki gibi burada da keçeler(conta), iç ısı transferi
gibi problemler çalışma grubunu zorlamaktadır.
National Science Foundation tarafından desteklenen
XYZ on-a-chip projesi tamamen küçültme bakış açısıdan
gerçekleştirilen bir ısı motoru geliştirilmesini hedeflemiştir.
Bu proje alışılageldiği gibi bir ısı motorunu alıp boyutlarını
küçültme çabası göstermektedir. Washington Eyalet
Oniversitesi'ndeki projeyi profesör Robert Richards
yönetmektedir. Bu orijinal tasarımda minyatür bir Carnot
çevrimli ısı motoru yaratmak için esnek zarlar, akışkanın
faz değişimini ve piezoelektrik etkileri kullanılır.
Isı pompaları ve soğutucular da, sistem boyudarının
küçültülmesi projelerinin hedeflediği konulardır. Bu
projelerden kısmen başarıya ulaşmış olan bir tanesi Pa­
cific Northwestern Laboratories'in portatif bir soğutucu
için soğurma ısı pompası çalışmasıdır. P N N L programı,
combustion (yanma) ile yaratılan bir soğutma şeması
geliştirilmesi açısından önemli bir çabaydı. Sistem ab­
sorption (soğurma) ve desorbsiyon için mekanik olarak
tutulmuş ince (thin) sıvı (likit) filmlere dayanmaktaydı.
The Oniversity of Central Florida da minyatür enerji
sistemleri olarak adlandırılan bir programla farklı minyatür
enerji sistemlerini araşürmaktadır. Profesör Louis Chow
ve profesör Jay Kapat başkanlığındaki programda portatif
soğutma uygulamaları için bir buhar sıkıştırmalı bir
soğutucu projesi vardır. Lockheed Martin Füze ve Atış
Kontrol bölümü tarafından kısmen desteklenen bu sistem
santrifüj kompresörü, ileri geri (reciprocating) çalışan
kompresör ve Wankel kompresörü gibi farklı birkaç me­
soscale kompresörler üzerinde çalışmıştır.
R134a soğutucu içeren 2 cm çapındaki santrifüj
kompresörün 100.000 rpm de dönerken 1.35 basınç
oranını üretebileceği beklenmektedir. Şu anda bu
kompresör, soğutma sistemindeki ısı eşanjörünün hava
tarafı için hava üfleyicisi olarak yeniden tasarlanmaktadır.
Üfleyicinin performans testleri yakın bir zamanda
başlayacaktır.
Yakıt hücrelerinde, diğer enerji dönüşüm cihazlarında
ve solid state cooling (katı faz soğutma) da geliştirilecek
minyatür enerji sistemleri için ilave programlar
bulunmaktadır. Bu farklı alanların herbirisi kendi
başlarına bir makale oluşturabilir.
Burada sunulan örnekler ve fikirlerle, okuyucunun
enerji sistemlerinin minyatürleştiriîmesi çalışmalarıyla
ilgili daha geniş bilgiye sahip olacağı amaçlanmışür.
KÜÇÜK KOMPRESÖRLER
T h e Illinois Oniversitesi'nde özellikle kimyasal
biyolojik ve yangın koruma amaçlı elbiselerde
kullanılmak üzere bir soğutma sistemi geliştirmek için
bir program yürütmektedir. Programın hedefi minyatür
bir buhar kompresörü ve diğer ısı pompası parçalarını
üretip bir yama içerisine entegre ederek elbisenin üzerine
uygulamakur. Bu sistemin ana parçası ince esnek bir zar
üzerinde elektrostatik olarak harekete geçirilen bir
kompresördür.
Cryocoolingiçin sadece birkaç projede soğutucunun
mesoscale seviyesine küçültülmesi düşünülmüştür.
Arizona Eyalet Oniversitesi'nde Patrick Phelan
tarafından yürütülen bir projede pulse tube soğutucunun
küçültülmesi çalışılmaktadır. P h e l a n atım t ü p ü
kullanılmak üzere mesoscale'de gaz sıkıştırması
gerektiren diğer soğutucuları araştırmaktadır.
Elektrostatik olarak harekete geçirilen kompresörlere
muhtemel bir alternatif ise elektrostriksiyon temellidir.
34
Şekil 4. Yukarıda buhar sıkıştırmalı soğutucularda kullanılmak üzere
University of Central Florida 'da geliştirilen 2 cm. çapında impeller 'a
sahip olan mesoscopic santrifiijlü kompresör görülmektedir. Beklenen
çalışma hızı 100.000 rpm dir ve 23 Watt güç gereksinimi vardır.
M E C S teknolojisi geliştikçe, burada sunulan
kavramlar ve fikirler, akaryakıt yerine yakıt hücreleri ile
güçlendirilmiş arabalar veya portatif elektronik cihazlar
için şu anki pillerden 10 kat daha uzun ömürlü güç
kartuşları gibi heyecan verici sonuçlar doğurabilecektir.
Bu örnekler rninyatürleştirme teknolojisinin gelişimini
bekleyen birçok örnekten sadece ikisidir.
Mühendis ve Makina- Cat: 42 Sayı: 502