Rejeneratif frenleme, hareket eden bir aracı veya nesneyi kinetik enerjisini hemen kullanılabilecek veya potansiyel enerjisini anında kullanılabilecek veya ihtiyaç duyulana kadar depolanabilecek gerek duyulana kadar saklanabilecek hale dönüştürerek yavaşlatan bir enerji geri kazanım mekanizmasıdır.

Genellikle rejeneratif frenler, aksi takdirde frenlemede ısı olarak kaybolacak olan enerjiyi yeniden geri kazanmak için elektrik motorunu ters yönde çalıştırarak çalışır ve çekiş motorunu etkili şekilde jeneratöre dönüştürür. Gücün sistem üzerinden bu şekilde geriye doğru beslenmesi, yavaşlamadan toplanan enerjinin batarya kondansatör grupları gibi bir enerji depolama çözümünü yeniden beslemesine olanak tanır. Bu güç depolandıktan sonra daha sonra ileri itişe yardımcı olmak için kullanılabilir. Bu güç depolandıktan sonra ileri itişe yardımcı olmak için kullanılabilir. Böyle bir fren sistemi için gerekli olan elektrikli araç yapısı nedeniyle, otomotiv rejeneratif frenleri en çok hibrit ve elektrikli araçlarda bulunur.

Bu yöntem aşırı kinetik enerjinin frenlerde sürtünme nedeniyle istenmeyen ve boşa harcanan ısıya dönüştürüldüğü geleneksel fren sistemleriyle tezat oluşturur. Benzer şekilde, reostatik frenlerde enerji, elektrik motorlarının jeneratör olarak kullanılmasıyla geri kazanılır ancak dirençlerde ısı olarak hemen dağıtılır.

Rejenerasyon, aracın genel verimliliğini artırmanın yanı sıra, fren sisteminin ömrünü de önemli ölçüde uzatabilir. Bunun nedeni, rejeneratif frenlemenin aracı güvenli şekilde durdurmak için tek başına yeterli olmadığı durumlar için dahil edilen diskler, kaliperler ve balatalar gibi geleneksel mekanik parçaların yalnızca geleneksel frenlere dayanan bir araçta olduğu kadar çabuk aşınmayacak olmasıdır.

Genel prensip[değiştir | kaynağı değiştir]

Rejeneratif frenin en çok görülen biçiminde elektrik jeneratörü olarak çalışan bir elektrik motoru kullanılır. Elektrikli demiryollarında üretilen elektrik cer güç kaynağına geri verilir.

Batarya elektrikli ve hibrit elektrikli araçlarda, enerji kimyasal olarak batarya'da elektriksel olarak kondansatör kümesinde veya mekanik olarak dönen volanda depolanır.

Hidrolik hibrit araçlar, enerjiyi basınçlı havada depolamak için hidrolik motorlar kullanır.

Hidrojen yakıt hücresi ile çalışan bir araçta, motor tarafından üretilen elektrik enerjisi, akülü ve hibrit elektrikli araçlara benzer şekilde kimyasal olarak bir aküde depolanır.^[2]

Pratik rejeneratif frenleme[değiştir | kaynağı değiştir]

Rejeneratif frenleme, bir aracı güvenli bir şekilde durma noktasına getirmenin veya gerektiğinde yavaşlatmanın tek yolu olarak tek başına yeterli değildir. Dolayısıyla, sürtünmeli frenleme gibi başka bir fren sistemiyle birlikte kullanılmalıdır.

• Rejeneratif frenlemenin etkisi düşük hızlarda azalır ve mevcut teknolojiyle aracı hızlı şekilde tam durduramaz. Ancak, Chevrolet Bolt gibi bazı arabalar sürücü aracın rejeneratif frenleme mesafesini bildiğinde aracı düz eminlerde tam durdurabilir. Buna tek pedalla sürüş denir.
• Mevcut rejeneratif frenler sabit bir aracı hareketsiz yapmaz. Fiziksel kilitleme araçların yokuş aşağı gitmesini önlemek için gereklidir.
• Rejeneratif frenlemeli birçok karayolu taşıtının tüm tekerleklerinde tahrik motorları olmaz (İki tekerlekten çekişli arabada olduğu gibi); Rejeneratif frenleme normalde yalnızca motorlu tekerleklere uygulanabilir. Güvenlik açısından tüm tekerlekleri frenleyebilme özelliği gereklidir.
• Mevcut rejeneratif frenleme etkisi sınırlıdır ve önemli hız azaltma, aracı durdurmak veya aracı sabit tutmak için mekanik frenleme hala gereklidir.
• Gerçek trafik hızlarına sahip tepelerde, aracın son hızından daha yavaş bir hızda yavaşlamasında geri kazanılabilecek potansiyel enerjinin büyüklüğü, aracın son hızdan tamamen durmasıyla elde edilebilecek olandan daha fazladır. Bisikletçiler tarafından kullanılan bir örnek, bir tepeden inerken yaklaşık üç saç kurutma makinesinin gücü veya yaklaşık iki beygir gücünün son hızlarda hava direnci nedeniyle harcanmasıdır.

Rejeneratif ve sürtünmeli frenlemenin her ikisinin de birlikte kullanılması gereklidir. Bu ise gerekli toplam frenlemeyi yapmak için bu frenlerin kumanda edilmesi ihtiyacını doğurur. GM EV-1 bunu yapan ilk ticari otomobildi. 1997 ve 1998'de mühendisler Abraham Farag ve Loren Majersik'e bu telli fren teknolojisi için iki patent verildi.^[3][4]

İlk uygulamalar genellikle ciddi güvenlik tehlikesiyle karşı karşıyaydı: Rejeneratif frenlemeli ilk elektrikli araçların çoğunda, güç vermek ve rejeneratif freni çalıştırmak için aynı kumanda konumları kullanılıyordu ve işlevler ayrı elle çalışan anahtarla değiştiriliyordu. Bu durum 1948'de İsviçre'nin Wädenswil'de kentinde yirmi bir kişinin ölümüne neden olan kontrolden çıkan tren kazası gibi, sürücülerin fren yapmak isterken kazara hızlandığı birçok ciddi kazaya yol açtı.

Elektrik enerjisine dönüşüm: jeneratör olarak motorun kullanılması[değiştir | kaynağı değiştir]

Elektrik motorları ters yönde kullanıldığında jeneratör görevi yapar ve mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Elektrik motorlarıyla tahrik edilen araçlar, rejeneratif frenlemeyi kullanırken, mekanik enerjiyi tekerleklerden bir elektrik yüküne aktararak frenleme yaparken bunları jeneratör olarak kullanır.

Tarihçe[değiştir | kaynağı değiştir]

1886'da Frank J. Sprague tarafından kurulan Sprague Elektrikli Demiryolu ve Motor Şirketi, sabit fırçalı, sabit hızlı, kıvılcım çıkarmayan motor ve rejeneratif frenleme olarak iki önemli buluşu tanıttı.

Karayolu taşıtlarında bu sistemin ilk örnekleri, 1890'larda Paris'te Louis Antoine Krieger tarafından atlı taksilerin önden çekişli dönüşümleriydi. Krieger elektrikli kara aracının ön tekerleklerinde, rejeneratif frenleme için ikinci bir dizi paralel sargılı (çift telli bobin) tahrik motoru vardı.^[5] Birinci Dünya Savaşında İngiltere'de Ransomes, Sims & Jefferies tarafından tanıtılan Orwell Elektrikli kamyonu, sürücü tarafından devreye alınan rejeneratif frenlemeyi kullanıyordu. İngiltere'de, John S. Raworth'un Çekiş Patentleri 1903–1908 tarafından tramvay işletmecilerine "otomatik rejeneratif kontrol" tanıtıldı ve oğlu Alfred Raworth tarafından ayrıntılı olarak açıklandığı gibi işletmecilere ekonomik ve işletme faydaları^[6][7][8] sunuldu. Bunlar arasında Devonport (1903), Rawtenstall, Birmingham, Crystal Palace-Croydon (1906) ve daha birçoklarındaki tramvay sistemi vardı. Vagonların hızını yavaşlatan veya yokuş aşağı inişlerde kontrolü elinde tutan motorlar, jeneratör görevi yaparak araçları frenledi. Tramvay vagonlarında ayrıca elektrikli fren sistemlerinin arızalanması durumunda tramvayı durdurabilecek tekerlek frenleri ve paletli kızak frenleri de vardı. Bazı durumlarda tramvay vagonlarının motorları seri sargı yerine şönt sargılıydı ve Crystal Palace hattındaki sistemler seri-paralel kumandaları kullanıyordu.^[9] Rawtenstall'da yaşanan ciddi bir kazanın ardından 1911'de bu çekiş sistemi yasaklandı^[10] rejeneratif fren sistemi yirmi yıl sonra yeniden kullanılmaya başlandı.^[8]

Rejeneratif frenleme onlarca yıldır demiryollarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bakü-Tiflis-Batum demiryolu (Transkafkasya Demiryolu veya Gürcistan demiryolu) 1930'ların başında rejeneratif frenlemeyi kullanmaya başladı. Bu özellikle dik ve tehlikeli Surami geçidi'nde etkili oldu.^[11] İskandinavya'da, İsveç tarafında Malmbanan ve Norveç tarafında Ofoten hattı olarak bilinen Kiruna'dan Narvik'e uzanan elektrikli demiryolu, bugüne kadar demir cevherini İsveç'in kuzeyindeki Kiruna'daki madenlerden Norveç'teki Narvik limanına kadar dik kademeli bir rotada taşır. Narvik'e giden demiryolu vagonları binlerce ton demir cevheri ile doludur ve bu trenler, maksimum 750 kN'luk geri kazanılmış frenleme kuvvetiyle, rejeneratif frenleme yaparak büyük miktarlarda elektrik üretir. Ulusal sınırdaki Riksgränsen'den Narvik limanı'na kadar, trenler^[12] yeniden geri kazandıkları gücün yalnızca beşte birini kullanır. Geri kazanılan enerji ulusal sınıra kadar boş trenlere güç vermek için yeterlidir.^[13] Demiryolundan gelen fazla enerji, bölgedeki evlerin ve işyerlerinin ihtiyacını karşılamak için elektrik şebekesine verilir ve demiryolu net bir elektrik üreticisidir.

Elektrikli otomobiller ilk deneylerden bu yana rejeneratif frenlemeyi kullanıyordu ancak bu, başlangıçta sürücünün bunu kullanabilmesi için çeşitli çalışma modları arasında anahtarları değiştirmesini gerektiriyordu. Baker Electric Runabout ve Owen Magnetic, elektrik sistemlerinin bir parçası olarak pahalı bir "kara kutu" veya "tambur anahtarı" tarafından kumanda edilen birçok anahtar ve modu kullanan ilk örneklerdi.^[14][15] Bunlar, Krieger tasarımı gibi pratikte yalnızca yolculuğun yokuş aşağı kısımlarında kullanılabiliyordu ve elle devreye alınmaları gerekiyordu.

Elektronikteki gelişmeler, 1967'deki AMC Amitron deneysel elektrikli otomobilinden başlayarak bu sürecin tamamen otomatikleştirilmesine olanak sağladı.^[16] Gulton Industries^[17] tarafından tasarlanan motor kumanda cihazı, fren pedalına basıldığında otomatik olarak aküyü şarj etmeye başladı. Pek çok modern hibrit ve elektrikli araç, özellikle AC aktarma organı kullananlar (önceki tasarımların çoğu DC gücü kullanıyordu) batarya grubunun menzilini genişletmek için bu tekniği kullanır.

Geri kazanılan enerjiyi depolamak için batarya yerine AC/DC doğrultucu ve çok büyük kondansatör kullanılabilir. Kondansatörün kullanılması enerjinin çok daha hızlı ve daha yüksek voltajlarda depolanmasına olanak tanır. Mazda bu sistemi i-ELOOP model bazı 2018 otomobillerinde kullandı.

Elektrikli trenler[değiştir | kaynağı değiştir]

Frenleme sırasında, cer motor bağlantıları elektrik jeneratörlerine dönüştürülecek şekilde değiştirilir. Motor alanları ana cer jeneratörüne (MG) ve motor armatürleri yüke bağlanır. MG artık motor alanlarını uyarır. Dönen lokomotif veya çoklu ünite tekerlekleri motor armatürlerini döndürür ve motorlar, üretilen akımı yerleşik dirençler (dinamik frenleme) aracılığıyla veya tekrar kaynağa (rejeneratif frenleme) göndererek jeneratör görevi yapar. Elektro-pnömatik sürtünmeli frenlerle karşılaştırıldığında, cer motorlarıyla frenleme, tekerlek kayma koruma performansını artırarak daha hızla ayarlanabilir.

Belirli bir hareket yönü için, frenleme sırasında motor armatürlerinden geçen akımının akış yönü, sürüş sırasındakinin tersidir. Bu nedenle motor, dönme yönünün tersi yönde tork uygular. Frenleme kuvveti, alan sargılarının manyetik kuvvetinin armatür sargılarınınkiyle çarpımı ile orantılıdır.

British Rail Class 390'lar için %17 oranında tasarruf edildiği ve sürtünmeli frenleme bileşenlerinde daha az aşınma olduğu iddia edilmektedir.^[18]

2004 ile 2007 arasında Delhi metrosu, rejeneratif fren sistemleri kullanarak 112.500 megawatt saat elektriği yeniden üreterek atmosfere salınan karbondioksit (CO₂) miktarını yaklaşık 90.000 ton azalttı. Delhi metrosu'nun rejeneratif frenleme kullanılarak II. Aşama tamamlandığında emisyonlarını yılda 100.000 tonun üzerinde CO₂ azaltması bekleniyordu.^[19]

Rejeneratif frenlemeyle üretilen elektrik, cer güç kaynağına geri beslenebilir. Elektrik, ya o an ağdaki diğer elektrik talebine karşı dengelenir, kafa ucu güç yükleri için kullanılır veya daha sonra kullanılmak üzere hat kenarındaki depolama sistemlerinde depolanır.^[20]

Londra metrosu'nun bazı kısımlarında rejeneratif frenleme olarak tanımlanabilecek bir düzen kullanılır ve istasyonlardan yukarı ve aşağı doğru giden küçük eğimler elde edilir. Tren tırmanışla yavaşlar ve ardından bir yokuştan aşağı iner, böylece kinetik enerji istasyonda yerçekimi potansiyel enerjisine çevrilir.^[21] Bu normalde ağın derin tünel bölümlerindedir ve genellikle yer üstünde veya Büyükşehir ve İlçe Hatlarının aç-kapa bölümlerinde bulunmaz.

Dinamik ve rejeneratif frenlerin karşılaştırılması[değiştir | kaynağı değiştir]

Elektrikli çekiş sistemlerinde dinamik frenler (İngiliz İngilizcesinde "rheostatic brakes" (reostatik fren) olarak tanımlananlar, rejeneratif frenlerin aksine akımı büyük direnç gruplarından geçirerek elektrik enerjisini kullanmak yerine ısıya çevirerek dağıtır. Bu ısı aracın içini ısıtmak için kullanılabilir veya direnç gruplarını barındırmak için büyük radyatör benzeri kaportalar tarafından dışarıya dağıtılabilir.

Forklift'ler, Dizel-elektrik lokomotif'ler ve tramvay'lar, dinamik fren kullanan araçlar arasındadır.

General Electric'in deneysel 1936 buhar türbin lokomotifleri gerçek rejeneratif özellikliydi. Bu iki lokomotif, çoğu dinamik frende kullanılan hava soğutmanın aksine buhar suyunu direnç paketleri üzerinden çalıştırıyordu. Bu enerji normalde suyu sıcak tutmak için yakılan yağın yerini aldı ve böylece tekrar hızlanmak için kullanılabilecek enerjiyi geri kazandı.^[22]

Rejeneratif frenlerin dinamik frenlerle karşılaştırıldığında ana dezavantajı, üretilen akımı besleme özellikleriyle yakından eşleştirme ihtiyacı ve hatların artan bakım maliyetidir. DC kaynaklarda bu, voltajın yakından kontrol edilmesini gerektirir. AC güç kaynağı ve frekans dönüştürücünün öncüsü Miro Zorič ve ilk AC güç elektroniği de bunun AC kaynaklarla mümkün olmasını sağladı. Besleme frekansı da eşleştirilmelidir (bu esasen AC beslemesinin DC motorlar için düzeltildiği lokomotifler için geçerlidir).

Elektrikli trenin ısıtılması veya iklimlendirme gibi aracın hareket ettirilmesiyle ilgisi olmayan sürekli güce gerek duyulan alanlarda bu yük gereksinimi, modern AC çekiş sistemleri aracılığıyla geri kazanılan enerji için bir havuz olarak kullanılabilir. Bu yöntem, baş uç güç yüklerinin tipik olarak yılda 500 kW civarında olduğu Kuzey Amerika yolcu demiryollarında popüler yaptı. HEP yüklerinin bu şekilde kullanılması, ALP-46 ve ACS-64 gibi yeni elektrikli lokomotif tasarımlarının dinamik fren direnç ızgaralarının kullanımını ortadan kaldırmasına ve aynı zamanda güç geri kazanımını sağlamak için herhangi bir harici güç altyapısına olan ihtiyacı da ortadan kaldırarak kendi kendine çalışan araçların da rejeneratif frenlemeyi kullanmasına olanak tanır.

Az sayıda dik eğimli demiryolları 3 fazlı güç kaynakları ve asenkron motorları kullanmıştır. Bu motorlar hem sürüş hem de frenleme sırasında besleme frekansıyla döndüğünden, tüm trenler için neredeyse sabit bir hız elde edilmesini sağlar.

Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]