Metro ve hafif raylı ulaşım araçları için süperkapasitör depolamalı frenleme enerjisi geri kazanımı sistemi geliştirilmesi
Development of a regenerative braking energy storage system using supercapacitors for metro and light rail vehicles
Yazar: MEHMET HAKAN AKŞİT
Danışman: PROF. DR. IŞIK ÇADIRCI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Enerji tasarrufu = Energy saving ; Frenleme = Breaking ; Kondansatör = Capacitor ; Raylı sistemler = Railway systems ; Şehiriçi ulaşım = Urban transport

Özet:
Bu tez çalışmasında, süperkapasitör tabanlı enerji depolama sisteminin metro ve hafif raylı araçlarda frenleme enerjisinin geri kazanılması amacıyla geliştirilmesi, laboratuvar ortamında kurulumu ve gerçekleştirmesi sunulmuştur. Enerjinin boşa harcanması, hem ülkemiz hem de dünyamız için ciddi bir kayıp oluşturmaktadır. Bu bağlamda, genellikle boşa harcanan frenleme enerjisinin depolanıp yeniden kullanılması ciddi bir önem taşımaktadır. Süperkapasitörler güç yoğunluğu yüksek, enerji yoğunluğu ise görece düşük aygıtlar olup, sürekli dur-kalk yapan şehiriçi raylı ulaşım sistemlerinde enerjiyi verimli olarak depolamaya uygun ürünlerdir. Raylı ulaşım sistemlerinde frenleme, çoğunlukla mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ve bu enerjinin frenleme dirençlerinde ısı enerjisine dönüştürülmesi şekilde olmaktadır. Bu tez çalışmasında, yeni nesil silisyum karbür (SiC) tabanlı metal oksit yarı-iletkenli alan etkili güç tranzistörü

(güç MOSFET'i) kullanılan, yüksek verimli, uzun ömürlü ve işitsel gürültüsü düşük çift yönlü güç aktarımı yapabilen düşük hacimli bir çevirgeç tasarlanarak süperkapasitör enerji depolama sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu sistem yine aynı labortuvarda geliştirilen ve kurulan, katener ve raylı çekiş simülatörlerine entegre edilerek test edilmiş ve doğrulanmıştır. Bu üç sistemin geliştirilmesinde SiC güç MOSFET'lerinin yenilikleri, olası problemleri, ve etkileri üzerinde çokça durulmuş ve bunlarla ilgili çalışmalar da yürütülmüştür. Bunun yanında süperkapasitörlerin frenleme enerjisi geri kazanımını daha etkin hale getirmeyi hedefleyen algoritmalar ve çalışma yöntemleri üzerinde araştırma ve geliştirme yapılmıştır. Standart yöntemleri uygulayarak düz yolda yaklaşık % 31 olan enerji tasarrufu geliştirilen algoritma ile % 38 olmuş, hafif negatif eğimli yolda ise yaklaşık %33 olan enerji tasarrufu yine bu algoritma ile % 43'e yükseltilmiştir. Bu algoritma bütün bir parkura uygulandığında ise enerji tasarrufunu % 31'den % 39 seviyesine çıkarmıştır. Çalışılan bu yöntemler laboratuvar ortamında kurulu tüm sistem çalıştırılarak doğrulanmıştır.

Abstract:
In this thesis study, development, laboratory setup and realization of a energy storage system based on supercapacitor which aims to recover braking energy in metro and light rail vehicles is presented. In this context, storage and reuse of the energy that would be wasted while braking, has a significant meaning. Supercapacitors are devices with high power density and relatively low energy density where they are suitable for efficiently storing the energy in urban rail transportation systems that halts and speeds up again and again. Braking in rail transportation systems is mostly in the form of converting mechanical energy into electrical energy and converting this energy into heat energy in braking resistors. In this thesis, a supercapacitor energy storage system has been developed by designing a new generation silicon carbide (SiC) metal oxide semiconductor field effect power transistor (power MOSFET) based a low volume bidirectional power converter which has high efficiency, long life and less audible noise. This system has been integrated and verified with the catenary and railway traction simulators developed and set up in the same laboratory. In the development process of these three systems, the innovations, potential problems and effects of SiC power

MOSFETs have been emphasized and thus studies have been carried out. In addition, research and development has been carried out on algorithms and working methods aimed at using supercapacitors more effectively for the braking energy recovery. By applying the standard methods, the energy saving, which was about 31% on the straight road, was 38% with the developed algorithm, and the energy saving, which was about 33% on the slightly negative slope, was increased to 43% with this algorithm. When this algorithm is applied to a whole rail track, the energy savings increased from 31% to 39%. These methods have been verified by running the whole system installed in the laboratory environment.