ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter www.hmfdergisi.com ISSN: 2148-4783 İÇİNDEKİLER PD-BULANIK MANTIK DENETLEYİCİ VE PD KİLİS 7 ARALIK ÜNİVERSİTESİ KAMPÜS ALANI DENETLEYİCİ KULLANARAK TERS SARKAÇ SİSTEMİNİN DİNAMİK PERFORMANS ANALİZİ AYDINLATMASI İÇİN HİBRİD BİR SİSTEMİN 1-13 TASARIMI Ahmet GANİ, Hakan AÇIKGÖZ, Erdal KILIÇ, 52-65 Hakan AÇIKGÖZ, Hacer ÇOLAK, Mustafa ŞEKKEL Hasan Rıza ÖZÇALIK İKİ KAMERA İLE CİSMİN MESAFESİNİ VE ANADOLU TARİHİ SU YAPILARINDA YAŞANAN DÖNÜŞÜM SÜREÇLERİNİN İNCELENMESİ BOYUNU TESPİT EDEN GERÇEK ZAMANLI 14-26 GÜVENLİK UYGULAMASI TASARIMI Yunus ÖZTÜRK, Nurdan BAYKUŞ, Sevil AY Emre ERKAN, Hasan Rıza ÖZÇALIK, Şaban YILMAZ LEVENBERG-MARQUARDT (LM) VE RESILIENT TEK FAZLI MATRİS ÇEVİRİCİ TABANLI BACKPROPAGATION (RBP) YAPAY SİNİR AĞI ELEKTRONİK GÜÇ TRANSFORMATÖRLERİNİN ALGORİTMALARININ KIRŞEHİR İLİ RÜZGÂR PERFORMANS ANALİZİ HIZI TAHMİNİNDE UYGULANMASI VE KARŞILAŞTIRILMASI 66-74 75-85 Hakan AÇIKGÖZ, Gülsade KALE, Mustafa ŞEKKELİ 27-37 YAŞLANDIRILABİLİR ALÜMİNYUM Esra ZORLU, Murat LÜY, Ertuğrul ÇAM, Necaattin BARIŞÇI ALAŞIMLARINDA MEKANİK ÖZELLİKLERİN ZEOLİTİK TÜF KATKISININ BETONARME ÇELİĞİ İYİLEŞTİRİLEBİLMESİ İÇİN YAPILAN BİR KOROZYON ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN ÇALIŞMA ELEKTROKİMYASAL EMPEDANS Hasan DEMİRTAŞ, Çağdaş FİLİZ SPEKTROSKOPİSİ (EIS) YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ 38-51 Hadaan TABAN, Hacer ÇOLAK II 86-95 BAŞ EDİTÖR Mümin ŞAHİN BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ Hidayet TAKÇI BAŞ EDİTÖR YARDIMCILARI Murat KORKMAZ Hakan AÇIKGÖZ ENDÜSTRİ MÜHENDİSLİĞİ Tamer EREN İzzetin TEMİZ YAZI İŞLERİ MÜDÜRÜ Ali Serdar YÜCEL HARİTA MÜHENDİSLİĞİ Ömer YILDIRIM TEKNİK EDİTÖR Burhan MADEN JEOFİZİK MÜHENDİSLİĞİ Oya PAMUKÇU İNGİLİZCE DİL EDİTÖRÜ Gökşen ARAS Gülten GÖKDEMİR KİMYA MÜHENDİSLİĞİ Mehtap ERŞAN TÜRKÇE DİL EDİTÖRÜ Gülsemin HAZER Mustafa TALAS MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ Orhan ÇAKIR EKONOMİ EDİTÖRÜ Ayhan AYTAÇ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ Osman KARA Veli SÜME İnan KESKİN HUKUK EDİTÖRÜ Av. Onur BAYKAN ZİRAAT MÜHENDİSLİĞİ Şerafettin ÇELİK ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Saliha ALTIPARMAK Gökhan DELİCEOĞLU Işıl BAYRAKTAR Aylin ZEKİOĞLU LİF ve KAĞIT TEKNOLOJİSİ Derya USTAÖMER İLETİŞİM ve MEDYA EDİTÖRÜ / SEKRETERLİK Michael KUYUCU Ali Murat KIRIK BİYOMÜHENDİSLİĞİ Bilge Hilal ÇADIRCI ALAN EDİTÖRLERİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ Ülker Aslı GÜLER ELEKTRİK ve ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ Hakan AÇIKGÖZ GIDA MÜHENDİSLİĞİ Aslı UÇAR Bedia ŞİMŞEK MADEN MÜHENDİSLİĞİ Çağatay PAMUKÇU MOLEKÜLER ve GENETİK MÜHENDİSLİĞİ Ömür BAYSAL Ayşegül ÜNAL ORMAN ENDÜSTRİ MÜHENDİSLİĞİ Hülya KALAYCIOĞLU YER BİLİMLERİ MÜHENDİSLİĞİ / JEOLOJİ MÜHENDİSLİĞİ Mustafa KUMRAL Hüseyin YALÇIN GEOTEKNİK MÜHENDİSLİĞİ İnan KESKİN YAYIN KURULU Mümin ŞAHİN Ayhan AYTAÇ Murat KORKMAZ Veli SÜME Aslı UÇAR Bilge Hilal ÇADIRCI Bedia ŞİMŞEK Derya USTAÖMER Osman KARA Mehtap ERŞAN Oya PAMUKÇU Ömer YILDIRIM Tamer EREN Hidayet TAKÇI Hülya KALAYCIOĞLU Çağatay PAMUKÇU ÜlkerAslı GÜLER İzzettin TEMİZ İnan KESKİN Hakan AÇIKGÖZ Ömür BAYSAL Ayşegül ÜNAL Mustafa KUMRAL Şerafettin ÇELİK Orhan ÇAKIR Av. Onur BAYKAN Av. Bülent YILMAZ III BİLİM VE DANIŞMA KURULU DR. Anıl AKIN BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DR. Ayşegül ÜNAL MUĞLA SITKI KOÇMAN ÜNİVERSİTESİ DR. Bahattin GÜLLÜ AKSARAY ÜNİVERSİTESİ DR. Bedia ŞİMSEK SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ DR. Bilge Hilal ÇADIRCI GAZİOSMANPAŞA ÜNİVERSİTESİ DR. Çağatay PAMUKÇU DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ DR. Derya USTAÖMER KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DR. Elif TOPALOĞLU GİRESUN ÜNİVERSİTESİ DR. Erdoğan ÖZBAY MUSTAFA KEMAL ÜNİVERSİTESİ DR. Erkan KANTAR CELALBAYAR ÜNİVERSİTESİ DR. Eylem DİZMAN TOMAK BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DR. Hakan AÇIKGÖZ KİLİS ÜNİVERSİTESİ DR. Hidayet TAKCI CUMHURİYET ÜNİVERSİTESİ DR. Hülya KALAYCIOĞLU KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DR. Hüseyin YALÇIN CUMHURİYET ÜNİVERSİTESİ DR. Mehlika ALPER MUĞLA SITKI KOÇMAN ÜNİVERSİTESİ DR. Mehtap ERŞAN CUMHURİYET ÜNİVERSİTESİ DR. Mustafa KUMRAL İTÜ DR. Mümin ŞAHİN TRAKYA ÜNİVERSİTESİ DR. Orhan ÇAKIR YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DR. Osman KARA GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİTESİ DR. Osman ÜNAL AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ DR. Oya PAMUKÇU DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ DR. Sakine UĞURLU KARAAĞAÇ KARABÜK ÜNİVERSİTESİ DR. Sema ARIMAN ONDOKUZ MAYIS ÜNİVERSİTESİ DR. Tamer EREN KIRIKKALE ÜNİVERSİTESİ DR. Veli SÜME RECEP TAYYİP ERDOĞAN ÜNİVERSİTESİ DR. Ülker Aslı GÜLER CUMHURİYET ÜNİVERSİTESİ DR. İnan KESKİN KARABÜK ÜNİVERSİTESİ DR. İzzettin TEMİZ GAZİ ÜNİVERSİTESİ DR. Ömer YILDIRIM GAZİOSMANPAŞA ÜNİVERSİTESİ DR. Ömür BAYSAL MUĞLA SITKI KOÇMAN ÜNİVERSİTESİ DR. Şenel ÖZDAMAR İTÜ DR. Şerafettin ÇELİK HARRAN ÜNİVERSİTESİ IV V DİĞER DERGİLERİMİZ 1. BESLENME ALIŞKANLIKLARI 2. KADIN HASTALIKLARI VE JİNEKOLOJİ 3. ORTOPEDİ TRAVMATALOJİ 4. PAZARLAMA VE PAZAR ARAŞTIRMALARI 5. İKTİSAT VE EKONOMİ YÖNETİMİ 6. MULTİDİSİPLİNER SOSYAL BİLİMLER 7. SPOR SAĞLIĞI TIP BİLİMLERİ 8. EDEBİYAT VE İLETİŞİM ARAŞTIRMALARI 9. OKUL ÖNCESİ EĞİTİM ARAŞTIRMALARI 10. HEMŞİRELİK 11. MİMARLIK VE TASARIM 12. PSİKİYATRİ VE PSİKOLOJİ ARAŞTIRMALARI 13. MÜZİK VE SAHNE SANATLARI 14. EKONOMİ YÖNETİMİ VE ARAŞTIRMALARI VI http://www.dbhadergisi.com http://www.jacsdergisi.com http://www.otshdergisi.com http://www.uhpadergisi.com http://www.iibdergisi.com http://www.uhbabdergisi.com http://www.sstbdergisi.com http://www.uhedergisi.com http://www.aceddergisi.com http://www.khsdergisi.com http://www.mtddergisi.com http://www.uhpdergisi.com http://www.uhmadergisi.com http://www.uheyadergisi.com Hakan AÇIKGÖZ Baş Editör Yardımcısı Değerli Bilim İnsanları., “Uluslararası Hakemli Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi” 2014 yılında Türkçe ve İngilizce olarak yayım hayatına başlayan ve 4 ayda bir yayımlanan akademik ve bilimsel nitelikli uluslararası hakemli bir dergidir. Dergimizde Mühendislik ve Fen alanından hazırlanan araştırma ya da sorunları ele alıp inceleyen, bilimsel ve özgün nitelikli çalışmalar yer almaktadır. “Uluslararası Hakemli Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisinin” ilk sayısının 2014 Ağustos ayında çıkmasıyla büyük bir mutluluğu sizlere birlikte yaşadık. İlk sayımız Elektrik, Elektronik, İnşaat ve Kimya Mühendisliği alanında birbirinden değerli 5 yayından oluşmuştur. Bilindiği gibi akademik camiada yeni paylaşımlarla bilimi canlı tutmak çok önem verilen bir düşüncedir. Biz bu düşünceyle multi-disipline sahip yenilikçi ve çağdaş bir ekiple ilk sayımızı sunmanın sevincini yaşadık. Dergimizin 2014 Aralık sayısını oluştururken çok kıymetli hocalarımızın engin bilgi ve tecrübelerinden en üst seviyede yararlanmaya gayret göstererek her bölümden disiplinler arası ekip çalışmasıyla bir ürün ortaya koymaya çalıştık. Bu çalışma sırasında manevi yardımlarını esirgenemeyen tüm hocalarıma teşekkürü borç bilerek şükranlarımı sunarım. Dergimizin daha yeni olmasına rağmen 5 indeks tarafından taranması ise bizleri daha da mutlu etmektedir. Aralık 2014 sayısıyla birlikte “Uluslararası Hakemli Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi” çağdaş ve yenilikçi düşünceyi benimseyen bir dergi yolunda emin adımlarla ilerlemeye devam edecek ve bilime katkı vermeyi gelenek haline getirecektir. Siz değerli araştırmacıları da dergimizde hakem ve yazar olarak görmekten mutluluk duyarız. Dergimize göstermiş olduğunuz ilgiden dolayı teşekkür ederim. Saygılarımla. (Dergimizde etik kurul raporu gerektiren her türlü çalışmada yazar(lar) editörlüğe ve derginin sistemine yayın yüklerken gerekli etik kurul rapor bilgilerini girmekle yükümlüdür. Hiçbir koşul ve şartlarda oluşan ya da oluşacak bir sorunda – problemde dergimiz, yayın kurulu, imtiyaz sahibi, yazı işleri, hakem ve bilim kurulları sorumluluk kabul etmez. Yazar(lar) bu bilgiyi dergiye yazılı olarak vermekle yükümlüdür. Bu konuda tüm sorumluluk yazar(lar) a aittir). Basın Yayın Kanunun “5187” gereğince basılı eserler yoluyla işlenen fiillerden doğan maddi ve manevi zarar m-13-14 kapsamında dergimizde yayınlanan yayınların içeriği ve hukuki sorumluluğu tek taraflı olarak yazar(lar) a aittir. Dergimiz, yönetim, hakem, editör, bilim ve imtiyaz sahibi bu yü¬kümlülükleri kabul etmez. Dergimizde bilimsel içerikli, literatüre katkı yapan, bilimsel anlamda değer ifade eden çalışmalar kabul edilir ve yayınlanır. Bunun dışında siyasi, politik, hukuki ve ticari içerikli fikri sınai haklar kanununa aykırılık içeren yayınlara yer verilmez. Olası bir olumsuzluk durumunda yazar(lar) doğabilecek her türlü maddi ve manevi zararı peşinen kabul etmiş ve yüklenmiştir. Bu nedenle ikinci üçüncü ve diğer şahıs ile kurumlar konusunda dergimiz yönetimi ve kurulları hiçbir sorumluluğu kabul etmez. Bu yönde dergimiz ve kurulları üzerinde bir hukuki yaptırım uygulanması söz konusu olamaz. Eserlerin içeriği ve mevcut durumu yazar(lar) ait olup dergimiz bu yayınların sadece yayınlanması ve literatüre kazandırılması aşamasında görev üstlenmiştir. Tüm okuyucu, ka¬muoyu ve takipçilerine ilanen duyurulur. VII Dear Academicians, “International Refereed Journal of Engineering and Natural & Applied Sciences” (UHMFD) started to publish articles as of 2014 in Turkish and English. The journal is an international refereed academic journal, published quarterly in a year. The journal includes high quality and original articles which focus on studies in engineering and natural & applied sciences. We are happy to have published the first issue in August 2014. The first issue contains 5 academic papers in the field of Electrical and Electronics Engineering, Civil Engineering and Chemistry Engineering. We are also pleased to have provided an intellectual platform for scholars to exchange the latest scientific and multi-disciplinary data thanks to the innovative and succesful members of the journal. We were able to publish the first issue in August 2014 with the help of our distinguished lecturers’ knowledge and experiences and the team work in multidisciplinary fields. We are grateful to all our lecturers who have encouraged us in this study. Though the journal is a recently published one, it has already been included in 5 indexes. “International Refereed Journal of Engineering and Natural & Applied Sciences” (UHMFD) will be one of the high quality journals which aims at contributing to the development of academic studies in engineering and natural & applied sciences in its following issues. We would be grateful If distinguished researchers and academicians could be both referees and authors in our journal. I would like to thank you all for your interest in our journal. (In any kind of study requiring ethical board report in our journal, author(s) is/are obliged to enter the data of necessary ethical board report while uploading their publication in editorship and journal system. Our journal, publication board, grant holder, editorial office, referee and science boards do not undertake any responsibility for a problem to occur under any circumstances and conditions. Author(s) is/are obliged to give this information to journal in written. All liability in this issue belongs to author(s)). As per the “5187” of Press Law, material and emotional damage arising from the actions via pub-lished works, the content and legal responsibility of the publications published in our journal within the scope of m-13-14 unilaterally belong to author(s). Our journal, executive board, referees, editor, science board and publisher don’t accept these obligations. The scientifically valuable papers with scientific content which contribute to literature are accepted and published in our journal. Apart from this, the papers with political, legal and commercial content which are against the intellectual property rights are not accepted. in case of a possible negative situation, author(s) is/are regarded as accepting and undertaking all kinds of possible material and emotional damage beforehand. Therefore, our journal’s management and other boards don’t accept any responsibility regarding the second, third and other per¬sons and institutions under any condition. in this sense, a legal sanction on our journal and its boards is out of question. The content and the current status of the papers belong to author(s) and our journal only takes part in the publication of these papers and contribution to literature. Respectfully announced to all readers, public and followers by publication. VIII ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ PD-BULANIK MANTIK DENETLEYİCİ VE PD DENETLEYİCİ KULLANARAK TERS SARKAÇ SİSTEMİNİN DİNAMİK PERFORMANS ANALİZİ DYNAMIC PERFORMANCE ANALYSIS OF INVERTED PENDULUM SYSTEM BY USING PD-FUZZY LOGIC CONTROLLER AND PD CONTROLLER Ahmet GANİ1, Hakan AÇIKGÖZ2, Erdal KILIÇ3, Hasan Rıza ÖZÇALIK1 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 2 Kilis 7 Aralık Üniversitesi, Elektrik-Enerji Bölümü 3 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Elektrik Programı Bölümü 1 Özet: Ters sarkaç sistemi, denetleyici tiplerini test etmek için literatürde bilinen klasik materyallerdendir. Ters sarkaç birçok denetim uygulamalarında örnek sistem olarak kullanılmaktadır. Sistem yapısı kararsız, hızlı ve minimum olmayan evreli yapıdadır ve ayrıca güçlü doğrusal olmayan bozucu unsurlar da içermektedir. Sistemin doğrusal olmayan dinamik yapısından dolayı bulanık mantık esaslı denetim klasik denetim yöntemlerine göre daha çok tercih edilmektedir. Son yıllarda PID denetleyici ile bulanık mantık denetleyicinin birlikte kullanıldığı hibrit denetim yöntemleri popüler hale gelmiştir. Bu çalışmada, PD-bulanık ve PD denetleyici kullanılarak ters sarkaç sisteminin denetimi ve kullanılan denetleyicilerin dinamik performans karşılaştırması yapılmıştır. Abstract: The inverted pendulum system is known conventional materials in the literature for testing types of controller. The inverted pendulum is used as sample system in many control applications. System structure is unstable, fast and non-minimum-phase structure, and also includes powerful non-linear disturbance elements. Due to non-linear dynamic structure of the system fuzzy logic based control is more preferred than conventional control methods. Hybrid control methods that is used the PID controller in combination with a fuzzy logic controller has become popular in recent years. In this study, the control of inverted pendulum system has been done by using PD-fuzzy and PD controller and comparison the dynamic performance of the used controllers Anahtar Kelimeler: Ters Sarkaç, Bulanık Mantık Denetleyici, PD Denetleyici Key Words: Inverted Pendulum, Fuzzy Logic Controller, PD Controller 1 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ kullanılmaya başlanmıştır ve doğrusal olmayan sistemlerde klasik (PID) denetleyiciye göre oldukça iyi sonuçlar vermektedir (Cheung vd., 1996; Akar 2005; Özçalık vd., 2008; Yazıcı ve Karamancıoğlu, 2008). Ters sarkaç sistemi, kontrol teorisinde denetim sistemlerinin üzerinde test edildiği, özellikle eğitim amaçlı kullanılan bir sistemdir. Araştırma literatüründe ters sarkaç sistemleri konusunda oldukça yoğun çalışmalar vardır. Ters sarkacın doğrusal olmayan modeli, kararlı ve kararsız denge noktaları ve yetersiz uyarımlı yapısı yeni kontrol yöntemlerinin testi sırasında önemli bir dinamik zenginlik sağlamaktadır. Ters sarkaç sistemlerinin roket, uçak, tek-link robot kolu (Yeung Ve Chen,1990), yürüyen robot (Seven vd., 2008) gibi başka sistemlerde alt model oluşturması araştırma amaçlı tercih edilmesinin önemli nedenlerinden biridir. Bu uygulamalarda, fiziksel sistemin modellenmesi, modelin test edilmesi, belli çalışma noktaları etrafında modelin doğrusal yaklaşığının bulunması, sistemin yapısal kısıtları ve denetim girdileri ile ilgili kısıtların belirlenmesi gibi konuların önemi büyüktür (Hovland, 2008). Literatürde farklı yapılarda ters sarkaç sistemleri bulunmaktadır. Hareketli arabaya bağlı tek çubuklu sistemler (Chatterjee, 2002; Yazıcı ve Karamancıoğlu, 2008), hareketli arabaya bağlı çift çubuklu sistemler, dönel tek kollu sistemler (Awtar, 2002), üçlü ters sarkaç sistemleri (Su ve Woodham, 2003) literatürde araştırma konusu olan sarkaç tabanlı sistemlerden bazılarıdır. Bunlardan en yaygın olanı araç ve çubuktan oluşan türdür. Bu çalışmanın takip eden kısımlarında araç ve çubuktan oluşan ters sarkaç sistemi ve bulanık mantık esaslı denetim yöntemlerinin denetim performansına etkileri araştırılacaktır. Amaç: PD bulanık mantık denetleyici ve PD denetleyici ile ters sarkaç sistemi denetlenerek bu iki denetleyicinin ters sarkaç sistemi üzerindeki dinamik performansları karşılaştırılmıştır. Ters sarkaç sisteminin denetimi için çeşitli denetim yöntemleri bulunmaktadır. PID, LQR, Kayma kipli denetim ve kural tabanlı algoritmalar üzerine birçok çalışmaya rastlamak mümkündür. Yukarıda belirtilen çalışmaların büyük bir kısmı, sistemin fiziksel modeli üzerinden hesaplamalar ile transfer fonksiyonu elde edilmek suretiyle simüle edilmiştir, bir kısmı ise hem simülasyon hem de gerçek sistem üzerinde test edilmiştir (Yüce ve Tan, 2013). Kapsam: Oluşturulan ters sarkaç sistemi sadece PD bulanık mantık denetleyici ve PD denetleyici ile denetlenmiştir. Yöntem: Mevcut ters sarkaç sistemlerinden faydalanılarak ve diğer çalışmalardan farklı olarak PD denetleyici ve PD bulanık mantık denetleyici tabanlı bir sistem oluşturulmuştur. 1965 yılında Lotfi A.Zadeh (Zadeh, 1965) tarafından ileri sürülen bulanık mantık denetleyici (BMD) tekniği kontrol edilen sistemin herhangi bir matematiksel modeline ihtiyaç duymadan tamamen uzman kişinin bilgi ve becerisine dayandığı için endüstride yaygın bir şekilde 2. TERS SARKAÇ SİSTEMİ MODELİ Ters sarkaç sistemi şekil 1‘deki gibi uzunluğu l, kütlesi m olan uç noktasında yoğunlaştırılmış kabul edilen çubuğun, M kütleli bir aracın üzerine P noktasından monte edilmesinden oluşmaktadır. 2 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com Çubuğun P noktasından geçen dikey doğrultu ile yaptığı açı Ɵ ve yatay eksende belirli bir referans noktasına olan uzaklığı x değişkenleri ile temsil edilmektedir. Çubuk hareketi xy düzlemine kısıtlanmış olup monte edildiği araç sadece x ekseni boyunca hareket edebilmektedir. Bu kısımda, ters sarkacın doğrusal olmayan modeli newton yasaları kullanılarak bulunmakta ve tanımlanan çalışma noktası etrafında doğrusallaştırılmaktadır (Su ve Woodham, 2003). d 2 xG d 2x M 2 +m =u dt dt 2 (3) Eşitlik 3’teki diferansiyel denklem ve aşağıdaki eşitlikler kullanılırsa; . d sin θ = cos(θ ) θ dt (4) . d2 sin θ = −(sin θ )θ 2 + (cos θ ) θ 2 dt (5) . d cos θ = −(sin θ ) θ dt (6) . d2 2 cos θ = − (cos θ ) θ + (sin θ ) θ dt 2 (7) Şekil 1. Ters Sarkaç Sistemi Eşitlik (8) aşağıdaki gibi yazılabilir. .. Ters sarkaç sisteminin matematiksel modelini bularak çözümlemeye başlayabiliriz. Çubuğun kütlesinin ağırlık merkezi (x,y) koordinat düzleminde eşitlik 1 ve eşitlik 2’deki gibi ifade edilebilir (Chatterjee, 2002; Yazıcı ve Karamancıoğlu, 2008). . ( M + m) x − m l (sin θ )θ 2 + m l (cos θ ) θ = u (8) İkinci olarak m kütlesinin P noktası etrafındaki hareketine Newton’un ikinci kuralı uygulandığında eşitlik 9’daki diferansiyel denklem elde edilir (Chatterjee, 2002; Yazıcı ve Karamancıoğlu, 2008). x G = x + l sin θ (1) y G = l cos θ (2) d 2 xG d 2 yG l cos θ − m l sin θ = mgl sin θ dt 2 dt 2 (9) M Newton’un ikinci kuralı x yönündeki harekete uygulandığında eşitlik 3’teki diferansiyel denklem elde edilir. Eşitlik 1, 2, 4’teki bilgiler eşitlik 6’da yerine yazılırsa; 3 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com . . .. m x − l (sin θ )θ 2 + l (cos θ ) θ l cos θ − m − l (cos(θ )θ 2 − l (sin θ ) θ l sin θ = mgl sin θ (10) Gerekli sadeleştirmeler yapılırsa eşitlik 11 elde edilir. .. denklemlerdir. Ters sarkaç sisteminde kontrol amacı sarkacı dikey konumda tutmaktır. θ(t) ve (t)’deki küçük değişiklikler aşağıda verilen . m x cos θ + m l θ =m g sin θ (11) varsayımlar neticesinde eşitlik 8 ve 11 doğrusallaştırılmıştır. Eşitlik 5 ve eşitlik 8 ile verilen doğrusal olmayan sistem modeli durum uzayı formunda aşağıdaki şekilde yazılabilir: . . sin θ = ≅ 0, cos θ ≅ 1, θ 2 ≅ 0 .. x1 = θ , x 2 = θ , x 3 = x, x 4 = x (12) . (17) . m x+ m l θ =m g θ . θ x1 x1 . . d d x 2 d θ x 2 x= = = . dt dt x 3 dt x x . .3 4 x x 4 . ( M + m) x + m l θ = u . (16) θ(t) ve (18) (t) küçük kabul edildiği sürece yapılan doğrusallaştırma geçerlidir. Yapılan doğrusallaştırma neticesinde eşitlik 17 ve 18’de ters sarkaç sisteminin doğrusal matematik modeli tanımlanmıştır. (13) .. x 1 = x 2 . (19) u cos x1 − ( M + m) g sin x1 + m l (sin x1 cos x1 ) x 22 x2 = m l cos 2 x1 − ( M + m)l . M +m 1 x2 = gx 1 − u (14) M M l . 2 . u+m l (sin x1 ) x 2 cos x1 + m g sin x1 cos x1 (20) x4 = 2 M + m − m cos x1 . x 3 = x4 (15) (21) Doğrusal sistemlerin analizi ve bunlar için de. m 1 netleyici tasarımı belirli bir olgunluğa erişmiş x4 = − gx 1 + u M M ve iyi anlaşılmış bir konu olduğundan, sarkacı dikey konumunda dengeleme tasarımında siste (22) min doğrusal yaklaşığından faydalanılmaktadır. . Eşitlikler 8 ve 11 doğrusal olmayan diferansiyel Bu ifadeler matris şeklinde ifade edilirse; 4 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com olarak yazılabilir. Tablo 1’de tipik bir ters sarkaç sistemi parametre değerleri vardır. 0 0 1 0 0 −. 1 ( M + m) g 0 0 0 M l l u X = X + M 0 0 0 1 0 m g . − 0 0 0 1 M M (23) Tablo 1. Ters Sarkaç İçin Kullanılan Parametrik Değerler Parametreler Sembol Değeri Birimi Aracın Kütlesi M 2.4 kg Ters Sarkacın Kütlesi m 0.23 kg Ters Sarkacın Uzunluğu l 0.36 m Yerçekimi İvmesi g 9.8 m/sn2 Pist Uzunluğu L 0.5 m 3. BULANIK MANTIK DENETLEYİCİ yapısıyla bulandırma, bulanık çıkarım, durulama ve bilgi tabanı olmak üzere dört temel bileşenden oluşmuştur (Zadeh, 1965). Bir bulanık mantık denetleyici (BMD) blok diyagramı şekil 2’de verilmiştir. BMD, genel BİLGİ TABANI VERİ TABANI KURAL TABANI BULANDIRMA ÇIKARIM DURULAŞTIRMA ÇIKIŞ GİRİŞ Şekil 2. Genel BMD Yapısı Bulandırma birimi, sistemden alınan giriş bilgilerini dilsel niteleyiciler olan sembolik değerlere dönüştürme işlemidir. Bulanık çıkarım birimi, bulandırma biriminden gelen bulanık değerleri, kural tabanındaki kurallar üzerinde uygulayarak bulanık sonuçlar üretilmektedir. Bulanık çıkarım yöntemleri içerisinde en 5 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com yaygın kullanılanı ve bu çalışmada da kullanılan yöntem Mamdani yöntemidir. Küçük), PM(Pozitif Orta), PL(Pozitif Büyük) olmak üzere yedi değişken kullanılmıştır. Durulama birimi, karar verme biriminden gelen bulanık bir bilgiden bulanık olmayan ve uygulamada kullanılacak gerçek değerin elde edilmesini sağlar. Durulama, bulanık bilgilerin kesin sonuçlara dönüştürülmesi işlemidir. Sisteme verilen her bir giriş için üyelik fonksiyonlarının seçimi tamamen keyfi olmakla birlikte üçgen, yamuk, sinüsoid, cauchy, çan, sigmoid, gaussian tiplerde olabilmektedir. Bu çalışmada gaussian biçimli üyelik fonksiyonu kullanılmıştır. Arabanın konumu ve ters sarkacın açısı için kullanılan gaussian biçimli üyelik fonksiyonuna ait hata, hata değişimi ve çıkışa ait şekiller şekil 3-8’de gösterilmiştir. Bilgi tabanı, denetlenecek sistemle ilgili bilgilerin toplandığı bir veri tablosundan ibarettir. Girişler ve çıkışlar arasındaki bağlantılar, kural tabanındaki kurallar kullanılarak sağlanır. Bir sistem için kural tabanı geliştirilirken, sistem çıkışını etkileyebilecek giriş değerleri tespit edilmelidir. Bulanık kontrol kuralları genellikle uzman bilgisinden türetilir (Şekkeli vd., 2007; Özek vd., 2004; Öztop ve Altaş, 2007; Arulmozhiyal ve Baskaran, 2009). Bu çalışmada tasarlanan denetleyici için iki tane giriş seçilmiştir. Bu girişler hata ve hata değişimidir. Hata (e), istenen seviye değeri (r) ile gerçek seviye değeri (y) arasındaki farktır. Hata değişimi de(k), mevcut hata e(k) ile önceki hata e(k-1) arasındaki farktır. k benzetim programındaki iterasyon sayısını göstermek üzere hata ve hata değişiminin ifadesi eşitlik 24 ve 25’deki gibi olacaktır. Şekil 3. Arabanın Konumu için Hata e(k)=r(k)-y(k) (24) de(k)= e(k)-e(k-1) (25) BMD’nin bulandırma işleminde giriş ve çıkış değişkenleri sembolik ifadelere dönüştürülmektedir. Tasarlanan denetleyicide kullanılan dilsel değişkenleri NL (Negatif Büyük), NM (Negatif Orta), NS (Negatif Küçük), Z(Sıfır), PS(Pozitif Şekil 4. Arabanın Konumu için Hata Değişimi 6 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com Şekil 5. Arabanın Konumu için Çıkış Şekil 8. Ters Sarkacın Açısı için Çıkış Denetleyicinin bulanık çıkarım biriminde girişlerin çıkış ile olan ilişkisi uzman bilgisinden faydalanılarak belirlenen kurallarla sağlanır. Çalışmada kurallar belirlenirken AND (ve) bulanık operatörü kullanılmıştır. Bu kurallar “Eğer e NL ve de Z ise u NM” şeklinde oluşturulmuştur. Bu çalışmada tüm dilsel değişkenler kullanılarak 49 kural oluşturulmuştur. Ters sarkacın açı denetimi ve arabanın konum denetiminde kullanılan kural tablosu tablo2’de verilmiştir. Durulama biriminde, her kural için hata ve hata değişiminin üyelik ağırlık değerleri bulunarak, bu iki değerin en az üyelik ağırlığı ve buna göre çıkış üyelik (u) değerleri tespit edilir. Durulama biriminin çıkışında elde edilen sayısal değer sisteme uygulanır (Gani vd., 2014; Açıkgöz vd., 2013). Şekil 6. Ters Sarkacın Açısı için Hata 3.1. PD-BULANIK MANTIK DENETLEYİCİ TASARIMI PD-bulanık mantık denetim sistemi klasik PD denetim sistemi referans alınarak oluşturulmuş ve iki girişli tek çıkışlı bir bulanık denetim sistemidir. Bir PD doğrusal denetleyici, oransal ve türev alıcı kazanç faktörlerinden oluşur. PD denetleyici denetim sistemlerinde sistemin yükselme zamanını, aşma ve kararsızlığını en Şekil 7. Ters Sarkacın Açısı için Hata Değişimi 7 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com aza indirgemek için kullanılır (Gani vd., 2014; Açıkgöz vd., 2013). = u ( t ) K p .e ( t ) + K d . PD denetleyicinin çıkışı eşitlik 26’da, PD-bulanık denetleyicinin Matlab/Simulink diyagramı şekil 9’da verilmiştir. d e (t ) dt (26) Şekil 9. PD-Bulanık Denetleyici Matlab/Simulink Blok Diyagramı Tablo 2. Ters Sarkacın Açı Ve Arabanın Konum Denetimi Için 7x7 Kural Tablosu de u e NL NM NS Z PS PM PL NL NL NL NL NL NM NS Z NM NL NL NL NM NS Z PS NS NL NL NM NS Z PS PM Z NL NM NS Z PS PM PL PS NM NS Z PS PM PL PL PM NS Z PS PM PL PL PL PL Z PS PM PL PL PL PL 4. BENZETİM ÇALIŞMASI SONUÇLARI değeri Kp=1.25,türevsel kazanç değeri Kd=3.6 olarak ayarlanmıştır. Bozucu etki PD denetleyiciler tarafından oluşturulan denetim işaretlerine eklenerek sisteme giriş olarak verilmiştir. Denetim işareti u=[-1,1] aralığında sınırlandırılarak ters sarkaç sistemine uygulanmıştır. Ters sarkaç için referans açı değeri 0 radyan, arabanın konumu için referans konum 0.1m alınmıştır. Ters sarkaç sisteminin doğrusal modeli durum uzayı formu kullanılarak Matlab/Simulink ortamında modellenmiştir. Modellenen ters sarkaç sistemine PD ve PD bulanık denetleyiciler uygulanmıştır. Ters sarkacın açı denetiminde PD denetleyici için oransal kazanç değeri Kp=40,türevsel kazanç değeri Kd=8 olarak ayarlanmıştır. Arabanın konum denetiminde ise PD denetleyici için oransal kazanç 8 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com Ters sarkacın PD-bulanık mantık denetleyici ile denetiminde arabanın konumu ve sarkacın açısı için 49 kurallı bir kural tablosu oluşturulmuştur. Ters sarkacın açı denetiminde PD-bulanık mantık denetleyici için oransal kazanç değeri Kp=40, türevsel kazanç değeri Kd=8 olarak ayarlanmıştır. Arabanın konum denetiminde ise PD-bulanık mantık denetleyici için oransal kazanç değeri Kp=1,türevsel kazanç değeri Kd=4 olarak ayarlanmıştır. Bozucu etki PD-bulanık denetleyiciler tarafından oluşturulan denetim işaretlerine eklenerek sisteme giriş olarak verilmiştir. Denetim işareti u=[-1,1] aralığında sınırlandırılarak ters sarkaç sistemine uygulanmıştır. Ters sarkaç için referans açı değeri 0 radyan, arabanın konumu için referans konum 0.1m alınmıştır. Sistemde kullanılan bozucu etki band-limited beyaz gürültü tipindedir. Band-limited beyaz gürültü bloğunun güç spektral yoğunluğu 0.1, gürültü korelasyon süresi 0.1, rastgele sayı üreteci için başlangıç tohum değeri 23341 alınmıştır. Tasarlanan sistem için PD ve PD-bulanık denetleyici için Matlab/ Simulink ortamında tasarlanan sistem modelleri şekil 10-11’de verilmiştir. Şekil 10. PD Denetleyici için Sistemin Matlab/Simulink Modeli Şekil 11. PD-Bulanık Denetleyici için Sistemin Matlab/Simulink Modeli 9 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com Matlab/Simulink ortamında PD denetleyiciye ait ters sarkacın açı ve arabanın konum denetimine ait benzetim sonuçları şekil 12-13’de verilmiştir. PD-bulanık denetleyiciye ait ters sarkacın açı ve arabanın konum denetimine ait benzetim sonuçları ise şekil 14-15’de verilmiştir. Açı(Radyan) 0.01 0 -0.01 -0.02 0 10 20 30 40 50 Zaman(sn) 60 70 80 90 100 Şekil 12. Ters Sarkacın PD Denetleyici ile Açı Denetimi 0.15 Konum(metre) 0.1 0.05 0 -0.05 0 10 20 30 40 50 Zaman(sn) 60 70 80 90 100 Şekil 13. Arabanın PD Denetleyici ile Konum Denetimi Açı(Radyan) 0.01 0 -0.01 -0.02 0 10 20 30 40 50 Zaman(sn) 60 70 80 90 100 Şekil 14. Ters Sarkacın PD-Bulanık Denetleyici ile Açı Denetimi 10 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com Konum(metre) 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 0 10 20 30 40 50 Zaman(sn) 60 70 80 90 100 Şekil 15. Arabanın PD-Bulanık Denetleyici ile Konum Denetimi 5. SONUÇLAR Ters sarkaç sisteminin kontrol edilmesi için yapılan çalışmalar genellikle sistemin fiziksel modeli üzerinden hesaplamalar ile transfer fonksiyonu elde edilmek suretiyle simüle edilmiştir, bir kısmı ise hem simülasyon hem de gerçek sistem üzerinde test edilmiştir. Ters sarkaç sistemi tek girişli çok çıkışlı SIMO (ing: Single Input Multiple Output) bir sistemdir. Referans girişe karşın sadece arabanın konumunun, ya da referans girişe karşın sadece sarkacın açısının birbirlerinden bağımsız olarak kontrol edildiği çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmada SIMO model üzerinde, yani aynı anda hem arabanın konumu hem de sarkaç açısının denetimi için PD ve PD-bulanık denetleyici tasarımı yapılmıştır. Şekil 12’deki PD denetleyici ile yapılan arabanın yatay konumda [0.07 0.15] aralığında küçük salınımlarla dengede kaldığı görülmektedir. Şekil 15’de PD-bulanık denetleyici ile yapılan denetimde arabanın yatay konumda [0.07 0.13] aralığında daha küçük salınımlarla daha kararlı bir şekilde dengede kaldığı görülmektedir. Elde edilen grafiklerden görüldüğü üzere, ters sarkacın açı ve arabanın konum denetimi için bulanık mantık denetimin, kontrol stratejisinin kural tabanına dayalı ve uzman kişinin karar verme yeteneğine sahip olmasından dolayı PD denetime bulanık mantık eklenmesiyle oluşturulan PD-bulanık denetleyicinin çok daha iyi sonuçlar verdiği görülmektedir. PD-bulanık denetim PD denetime göre daha iyi bir dinamik performans sağlamıştır. KAYNAKLAR denetimde ters sarkacın dikey konumda [-0.012 AÇIKGÖZ, H., ŞEKKELİ, M., (2013). 0.009] açı aralığında küçük salınımlarla dengede Bulanık Mantık Denetleyici ile Doğrudan kaldığı görülmektedir. Şekil 14’teki PD-bulanık Moment Denetim Yöntemi Uygulanan Asenkdenetleyici ile yapılan denetimde ise ters sarkacın ron Motorun Hız Denetim Performansının dikey konumda [-0.0025 0.0025] açı aralığında çok İncelenmesi, Akademik Platform Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi (APJES), Cilt küçük salınımlarla dengede kal dığı görülmektedir. 1, Sayı 2 Şekil 13’de PD denetleyici ile yapılan denetimde 11 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com AKAR, M., (2005). Bulanık Mantık Yöntemiyle Transactions on Education, v. 51, Issue 1, s.114 -122 Bir Servo Motorun Kontrolü Ve Geleneksel Yöntemlerle Karşılaştırılması, Marmara ÜniOGATA, K., (1990). Modern Control Engineering, versitesi Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Prentice-Hall Inc. ARULMOZHİYAL, R., BASKARAN, K., (2009). ÖZÇALIK, H.R., TÜRK, A., YILDIZ, C., KOCA, Space Vector Pulse Width Modulation Based Z., (2008). Katı Yakıtlı Buhar Kazanında Speed Control of Induction Motor using Fuzzy Yakma Fanının Bulanık Mantık Denetleyici PI Controller, International Journal Computer ile Kontrolü, KSÜ Fen Bilimleri Dergisi, 11(1) and Electrical Engineering, Vol.1, No.1 ÖZEK, A., SİNECEN, M., (2004). Klima Sistem AWTAR, S., KİNG, N., ALLEN, T., BANG, I., Kontrolünün Bulanık Mantık ile Modellenmesi, HAGAN, M., SKİDMORE, D., CRAİG, K., Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi (2002). Inverted Pendulum Systems:Rotary Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt:10,Sayı:3, and Arm-Driven a Mechatronic System Design Sayfa: 353-358 Case Study, Mechatronics, s. 357-370 ÖZKOP, E., ALTAŞ, İ.H., (2007). Bulanık Mantık CHATTERJEE, D., PATRA, A., JOGLEKAR, Denetleyici ile Aktif Otomobil Süspansiyon H.K., (2002). Swing- up and StabilizaDenetimi, XII. EEBB Mühendisliği Ulusal tion of aCart– Pendulum System Under Kongresi Ve Fuarı, Eskişehir Osmangazi Restricted Cart Track Length, Systems & Üniversitesi, Eskişehir Control Letters, v. 47, s. 355–364 SEVEN, U., TASKİRAN, E., KOCA, Ö., ERCHEUNG, J.Y.M, CHENG, K.W.E, KAMAL, BATUR, K., (2008). Ters Sarkaç Modeli ve A.S., (1996). Motor Speed Control by Using Salınan Bacak Telafisi ile Oluşturulan Yürüyen a Fuzzy Logic Model Reference Adaptive Robot Referans Yörüngeleri, Otomatik Kontrol Controller, 6th International Conference on Türk Milli Komitesi, Otomatik Kontrol Ulusal Power Electronics and Variable Speed Drives, Toplantısı TOK’08, İstanbul: İstanbul Teknik pp.430- 435 Üniversitesi GANİ, A., ÖZÇALIK, H.R., AÇIKGÖZ H., KI- SU, H., WOODHAM, C.A., (2003). On the UnLIÇ, E., KEÇECİOĞLU Ö.F., (2014). Farklı controllable Damped Triple Inverted PenduKural Tabanları Kullanarak PI-Bulanık Mantık lum, Journal of Computational and Applied Denetleyici ile Doğru Akım Motorunun Hız Mathematics, v.151, s.425–443 Denetim Performansının İncelenmesi, AkadeŞEKKELİ, M., YILDIZ, C., ÖZÇALIK H.R., mik Platform Fen ve Mühendislik Bilimleri (2007). Bulanık Mantık ve PI Denetimli Dergisi (APJES), Cilt 2, Sayı 1 DC-DC Konvertör Modellenmesi ve Dinamik HOVLAND, G, (2008). Evaluation of an Online Performans Karşılaştırılması, 4. Otomasyon Inverted Pendulum Control Experiment, IEEE Sempozyumu, Samsun 12 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:06 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity –Electronics) www.hmfdergisi.com YAZICI, A., KARAMANCIOĞLU, A., (2006). YEUNG, K. S., CHEN, Y. P., (1990). Sliding-Mode A Linear Programming Based Sliding Mode Controller Design of a Single Link Flexible Control design for Stabilization of a DoubManipulator Under Gravity, Int. J. Contr., v. le Inverted Pendulum, Proceedings of the 52, no. 1, s.101–117 Institution of Mechanical Engineers, Part I, YÜCE, A., TAN, N., (2013). Ters Sarkaç Sistemi Journal of Systems and Control Engineering, için Lag/Lead Kontrolör Tasarımı, Otomatik v. 220, no.4,s.315-321 Kontrol Ulusal Toplantısı (TOK2013), Malatya YAZICI, A., KARAMANCİOGLU, A., (2008). ZADEH, L. A., (1965). Fuzzy sets, Inform Control, A Nonlinear Programming Approach For Vol.8, pp.338-353 The Swing-Up Control Problem, Journal of Engineering and Architectural Faculty of Eskişehir Osmangazi University, v. .XXI, no. 2, s.107-122 13 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ ANADOLU TARİHİ SU YAPILARINDA YAŞANAN DÖNÜŞÜM SÜREÇLERİNİN İNCELENMESİ INVESTIGATION OF TRANSFORMATION PROCESSES IN WATER STRUCTURES OF ANATOLIAN HISTORY Yunus ÖZTÜRK1, Nurdan BAYKUŞ1, Sevil AY2 1 Kilis 7 Aralık Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü 2 Fırat Üniversitesi, Yapı Eğitimi Bölümü Özet: Birçok uygarlığın yaşamış olduğu Anadolu’da, evrensel kültür mirası niteliği taşıyan su yapılarının günümüze değin nasıl şekillendiğini konu edindiğimiz bu çalışmada, Hitit Dönemi, Urartu Dönemi, Helenistik Dönemi, Roma Dönemi, Bizans Dönemi, Selçuklu Dönemi, Osmanlı Dönemi ve Cumhuriyet döneminden kalma çeşitli su yapılarının tarihsel gelişimlerinden bahsedilmiştir. Özellikle bazı önemli su yapılarının fiziki şartları, malzeme tercihi ve kullanımı ile mimarisi gibi özellikleri incelenmiş zaman içerisinde bu özelliklerin nasıl bir dönüşüme uğradığı yorumlanmaya çalışılmıştır. Ayrıca çalışmada, günümüz su kullanımına ilişkin ‘su bilinci yaratılması’ hakkında özel değerlendirmelerde bulunulmuştur. Abstract: In this study that we have a book on how to form the water structure which have characteristics of universal cultural heritage in Anatolia where many civilizations have lived until today, it is mentioned in the historical development of the various water structure dating back to the Hittite Period, Urartu Period, the Hellenistic Period, Roman Period, Byzantine Period, Seljuk Period, Ottoman Period and the Republican Period. In particular, characteristics of some important water structures such as physical conditions, architecture, choice and use of the materials is examined. In addition, it is interpreted how these characteristics were subjected to transformation. In the study, special assessment is also made about “creating water awareness” regarding the current water use. Anahtar Kelimeler: Su Yapıları, Tarihsel Süreç, Mimari, Anadolu Tarihi, Barajlar Key Words: Water Structures, Historical Perspective, Architecture, Anatolian History, Dams 14 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ yapılarına etkisinin araştırılması ve bu değişimi lineer olarak sunmak ise ancak medeniyetlerin ve uygarlıkların tarih boyunca geçirdikleri evreleri analiz etmekle mümkün olacaktır. Suyu eşsiz fiziksel ve kimyasal özelliği ile bilinen, tüm canlıların hayati fonksiyonlarını sürdürmelerini sağlayan en önemli içecek olarak tanımlamak mümkündür (Anonim-1, 2012). Nitekim bu durum insanlığın yaşam biçimlerini şekillendirmeleri açısından da vazgeçilmez bir olgu olmuştur. Bilindiği üzere tarihten günümüze baktığımızda, insanların yaşam alanlarını oluşturmaları ve tercih etmelerinin başlıca nedenleri arasında, ‘su açısından zenginlik’ ve ‘su kaynaklarına yakınlık’ mevcuttur. Bu durum da insanların doğal ihtiyacını yani suyu kullanma gereksinimlerinin, yapay elemanlarla karşılanması gereksinimini de doğurmuştur(Anonim-2, 2012). İnsanlar, hem çevreden, ihtiyaçlarından yararlanmış hem de çevreyi ihtiyaçları doğrultusunda değiştirmişlerdir (Anonim-3, 2012). Dolayısı ile insanlar genel adı ‘su yapıları’ olan kavramı doğrudan şekillendirmişlerdir. Amaç: Yapılan bu çalışma, bireylerin yaşam koşullarına ve yaşam tarzlarına bağlı olarak şekillendirdikleri ve önemli yapı türlerinden biri olan su yapılarının, çağlara göre değişiklik gösteren yönlerinin tespit edilmesine katkı sağlamaktır. Ayrıca çalışma, nereden nereye geldiğimizi ve ihtiyaçlar doğrultusunda nereye gidebileceğimizi belirlemeye yönelik yapılan ve/veya yapılacak olan çalışmalara, tarihsel, arkeolojik, turizm, teknolojik, mühendislik vb. birçok alanları kapsayan çözüm önerileri sunmada yardımcı olacaktır. 2. SU YAPILARININ TARİHSEL GELİŞİMİ Suya dayalı çalışmaların tarihi, yaklaşık 5000 yıl kadar geriye gidebilmektedir. Tarih boyunca su kaynakları, kontrol, savunma stratejisi ve saldırı amaçlı kullanılmıştır. Bunlarla beraber su kaynaklarının kullanımına yönelik yapılar ise; su kanalları yani su sağlama yapıları, barajlar, göletler, hamamlar, çeşmeler, istinat yapıları, limanlar, köprüler gibi yapay elemanların şekillendirilmesiyle karşımıza çıkmaktadır (Anonim-4, 2012; Karakılçık, 2008). Bilindiği üzere son yıllarda tüm dünyada, bütün sektörlerde yaşanan önemli değişimler yani gelişen teknoloji, bilimsel alanlar, artan nüfus doğrultusunda ihtiyaç ve talep etkisi ile şekillenen sektörel değişimler, inşaat sektörünü de içine alan hızlı bir ilerleyişi başlatmıştır. Bu ilerleyişin günümüz 15 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 1. Başlıca Tarihi Su Yapıları (Öziş, Arısoy, Alkan ve Özdemir, 2008) 2.1. Hitit Dönemi Pınarbaşı-Karakuyu barajı, Çorum-Gölpınar göleti, Konya-Kadınhan Köylütolu barajı, Çorum/Boğazköy-Güneykale su toplama yapısıdır. Bunlar arasında Karakuyu ile birlikte en sağlam görünümlüsü Çorum-Gölpınar Hitit barajıdır. Hitit barajı1997-2002 yılları arasında yapılan kazı çalışmaları sonucunda ortaya çıkarılarak 3250 yıllık işlevine yeniden kavuşturulmuştur. Gölet, günümüzde çalışır durumdadır. (Bildirici, 2009; Akurgal, 1998; Çınaroğlu, 2006-2007). Hitit imparatorluğu Anadolu’da kurulmuş en eski devlettir. Hititler Çorum ve çevresinde M.Ö. 1660-1190 yılları arasında hüküm sürmüşlerdir. Hitit imparatorluğunun ilk çağlarına ait su yapıları ile ilgili fazla bilgi bulunmamaktadır. İmparatorluğun son dönemlerine doğru ise kült su yapıları ve baraj yapıları izlerine rastlanmıştır. Döneme ait bazı önemli su yapıları Kayseri/ 16 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 2. Çorum-Gölpınar Hitit Barajının Genel Görüntü Çizimi (Çınaroğlu, ‘İnternet Ve Basın’) 2.2. Urartular Dönemi kuyular, sarnıçlar ve barajlar gibi su yapıları 28 yüzyıl sonra hala kullanılır durumdadır. Döneme ait olan ve günümüzde pek az değişimle işlevini büyük ölçüde sürdüren ‘Şamran Kanalı’ ise hizmet gören en eski örneklerden biridir (Öziş, Arısoy, Alkan, ve Özdemir, 2008). Urartu krallığı, M.Ö. 840-590 yılları arasında, Van gölü çevresinde kurulmuştur. Urartular, tarihte sulamaya verdiği büyük önemi, Anadolu’ya bıraktığı birçok anıtsal değerlerle örneklendiren bir devlettir. Bu dönemde inşa edilen kanallar, Şekil 3. Şamram Kanalı (Öziş, 2007) 17 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Urartular döneminde ilk hidrolik uygulamalara değinilmiştir. Suyun akışı dikkate alınarak, arazinin jeolojik yapısına göre suyolları inşa edilmiş ve sayısız birçok küçük kanallarla bağlantılar sağlanmıştır. Kanallar üzerine inşa edilen geçiş köprüleri ve kanala destek veren istinat duvarları da yine döneme ait arkeolojik kalıntılarda karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca dönemin kargir olarak yapılmış bentleri, ahşap köprüleri, büyük taş blokları, taş ve bronz kaplama yüzeyleri de dikkat çekmektedir. (Lassoe, J. 1951; Burney, 1972; Bildirici, 2008). Urartular döneminde tabii durumlarda suyun dıştan kirlenmemesine yönelik çalışma verilerine de kısmen rastlanmıştır. M.Ö. 2200’lü yıllarda kullanılan toprak U boruların (sifon) yerini, Helenistik dönemde kalın cidarlı toprak ve kurşun borular almıştır. Konuyla ilgili bazı çalışmalarda, bu boruların, evlerde yukarı çıkan merdiven altında tabanı tuğla döşeli, ortasında büyük bir boşluk olan helalara kadar çıkarıldığı ve pisliklerin yine borularla başka yerde toplandığı, ayrıca bazı yöntemlerle zararsız hale getirildiği bilgilerine yer verilmektedir (Bildirici, 2009). M.Ö. 300’lü yılların izlerini taşıyan tarihi Ferhat Kehrizleri ise dönemden günümüze kalan ve bugün Ferhat Su Kanalı olarak adlandırılan önemli su yapılarındandır. Kanal; 24km uzunluğundadır ve yaklaşık 6km’lik kısmı şehir yerleşkesinin altında tünel şeklinde devam etmektedir. Görsel olan kısımlar ise kireç kayalarından oluşturulmuştur. Kanalın üzeri örten tonozlar ise moloz taşların basit bindirilmesi tekniğinde ve kilit sistemi uygulanarak yerleştirilmiştir (Anonim-5, 2013). Kanal günümüzde aktifliğini korumaktadır. Kanaldan, 2000 yılında yapılan araştırmalara göre de 40-50 lt/sn’lik debiye sahip temiz kaynak suyu akmaktadır (Mesci, Göztaş, Özdemir ve Doğanbaş, 2008). 2.3. Helenistik Dönem Helen uygarlığı Yunanistan’da ortaya çıkmıştır. M.Ö. 334-30 yılları arasını kapsayan bu dönemde, suyun kentlere iletilmesi sağlanmış ve genellikle pişmiş toprak künklerin ve üstü kapalı kanalların kalıntılarına rastlanmıştır. Bu durum Urartular döneminde suyun kirlenmesine karşı yapılan çalışmaların devamı olarak nitelendirilebilir. Şekil 4. Amasya Ferhat Su Kanalı Güzergahından Görünüş (Mesci vd., 2008) 18 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Helenistik dönemde insanlarla, tanrılar arasında geçtiğine inanılan bir olaylar coğrafyası da belirlenmiştir. Bu bakımdan insanların inanışları, sanat ve yapı alanlarına yansımıştır. Genel olarak bu dönemde tüm akarsular da kutsallaştırılmıştır (Bildirici, 2009). 2.4. Roma Dönemi Roma imparatorluğu M.Ö. son yüzyıl olarak ifade edilen 1.-5. Yüzyıllar arası varlığını sürdürmüştür. Dönemin yapılarına, Akdeniz ve Marmara bölgelerinde sıkça rastlanmaktadır. Dönemin su yapılarını; sarnıçlar, depolar, havuz yapıları, maksemler, su kemerleri, kuyular, sulama kanalları, çeşmeler ve barajlar oluşturmaktadır (Anonim-6, 2013; Anonim-7, 2013). Şekil 6. Pişmiş Toprak Boru Su kaynağından kâgir kanallar ve tüneller ile alınmış, kent içerisine pişmiş toprak borularla dağıtılmıştır. Bu dönemde kent içerisine taşınabilen su şebekesi, günümüz insanlarının konfor ve medeniyetine ışık tutmuştur.(Anonim-8, 2013). Ayrıca dönemde optimum tarzda su kullanımına gidilmiş olup suyun kirlenmesine yönelik önlemler alınmıştır (Bildirici, 2010). Bu dönemde su boruları için standartlar getirilmiş olup aynı zamanda borular isimlendirilmiş ve debi ölçümleri hesaplamalarına gidilmiştir. Vitrivius ve Frontinus adlarında 2 farklı debi ölçüm yönteminde ise ölçü birimi digiti kullanılmıştır. Dönemin su yapıları önceki dönemlere göre daha nicel tasarlanmıştır. Prof. Fahlbusch, hidrolik hesaplar yapmış, kanalların eğimini belirlemiş, kesitlerin genişlik ve su yüksekliklerini tespit etmiştir (Bildirici, 2010). Dönemin su kanalları taş, kurşun veya pişmiş toprak malzemelerden yapılmıştır. 2.5. Bizans Dönemi M.S. 330-1453 yılları arasında hüküm süren Bizans imparatorluğundan günümüze birçok tarihi su yapıları özelliklede suyolu kalıntıları kalmıştır. Bu suyolu kalıntılarında ise; 40m yüksekliğe ulaşan su kemerlerine, çapları 2m’yi aşkın su tünellerine, 190m su yükü altında çalışan kurşun su borularına ve 155m su yükü altında çalışan taş malzemeli ters sifonlara, çeşitli çaplarda pişmiş toprak, taş, kurşun malzemeli borulara, kayadan oyma veya kargir kanallara, pınar derleme yapılara, kentsel haznelere, su dağıtım ve kanalizasyon şebekeleri kanallarına rastlanmaktadır. Döneme ait, dünyada belgelenmiş en eski kemer barajı, Anadolu’da VI. yüzyılda yapıldığı sanılan Mardin yakınlarındaki Dara Barajıdır (Öziş, Arısoy, Alkan, ve Özdemir, 2008). Günümüzün Şekil 5. Su İleten Taş Borulu Sistem 19 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com modern şehirlerinin ortasında kalmış ancak hala sağlama yakın kalıntıları mevcut olan bu baraj, dağdan gelen suların “U borusu” şeklindeki kanallarda toplanıp dinlendirilmesine ve bu şekilde temizlenmiş sayılan suyun kentin sarnıçlarına aktarılmasına hizmet etmiştir. Kent sarnıçlarının yüksekliği ise 20-25m olarak belirlenmiştir. Antik kentten günümüze kalan, moloz taş, tuğla ve kesme taştan yapılmış olan bu sarnıçlar, bugün halen ayaktadır (Anonim-9, 2013; Anonim-10, 2013). da düşünülmektedir (Öziş, Arısoy, Alkan, ve Özdemir, 2008). Bizans döneminin önemli su yapılarından bir diğeri de Tekir Ambar Sarnıcı’dır. Bu su sarnıcı ise; 46m uzunluğunda, 23m genişliğinde ve 14m derinliğindedir. Sarnıç içine doğu köşesine yerleştirilen bir helezonik merdivenle inilmektedir. Anadolu sarnıç mimarisinde örneği az görülen Tekir Ambarı Sarnıcı’nın duvarları düzgün kesme taşlarla desteklenmiştir. Bu taşlar hem sarnıçtan su sızmasını önlemek amacıyla hem de sarnıca anıtsal bir özellik kazandırmak için oluşturulmuştur (Anonim-11, 2013). Şekil 7. Van Yöresindeki Faruk Bendinin Kalıntısı (Arısoy, 2007) Selçuklular dönemi önemli tarihi su yapılarından olan Konya/Meram su kanalları ile ilgili olarak; Konya surlarının dışında 15m eninde bir hendek olduğu bilinmektedir. Selçuklu devrinde şehrin dış surlarının yapılma amaçlarından birinin de işte bu sel sularının yıkıcı etkisinden korunmak olduğu düşünülmektedir (Anonim-12, 2013). 2.7. Osmanlı Dönemi 2.6. Selçuklu Dönemi Bu dönemde yapılan su yapılarının, kendi dönemine kadar en gelişmiş tesislere sahip oldukları bilinmektedir. Su yapılarının durumu İstanbul’un fethinden önce ve sonra değişmektedir. Bunun nedeni olarak, nüfus atışı ile suya olan ihtiyacın artması ve Selçuklu döneminden daha aktif rol oynayan Mimar Sinan’ın varlığının etkisi gösterilebilir. Mimar Sinan çok iyi bir su mühendisi olması sebebi ile eski su kanallarını/kemerleri inceleyip onarmış ve içme suyu amaçlı anıtsal mermer barajlar yapmıştır. Bunların yanı sıra, mimari süslemeleri ile ünlü anıtsal çeşmeler, şadırvanlar, hamamlar, kanallar gibi daha birçok su yapısını da dönem içerisinde inşa etmiştir. Selçuklu döneminde inşa edilmiş olan Taşköprüler, dünyanın en önemli örnekleri arasında yer almaktadır (Öziş, Arısoy, Alkan, ve Özdemir, 2008). Dönemin önemli tarihi su yapılarına örnek olarak ise; Konya’daki Meram çayından su alan sulama kanalları, Aksaray’da Ulu Irmak’tan su alan kanallar sayılabilir (Bildirici, 2009). 10. ve 13. Yüzyıllar arasında yapıldığı sanılan, Konya ovasında Sahip Ata ve diğer bazı sulama sistemleri ile birlikte Çermik’te bir değirmene su ileten kanal, o dönemden günümüze kalmış su yapılarıdır. Ayrıca Van yöresindeki Faruk barajının yapım tarihi tam olarak bilinmemekle beraber Selçuklular döneminden kalma olduğu 20 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 8. Mimar Sinan Tarafından İnşa Edilen Kanuni Sultan Süleyman Köprüsü Su ilk olarak, su alma ızgaraları ile alınmış ve derelerin doğal debisi kentlerin su ihtiyacını kar- yapılarak suların boşa akmasını önlemek için çalışmalarda yapılmıştır. Bu çalışmaların ise çok az bir kısmı günümüze ulaşmıştır (Anonim-13, 2013). şılamakta yetersiz kalmaya başlayınca Osmanlılar 2.8. Cumhuriyet Dönemi çökeltme havuzlarında kaba pisliklerinden arındırılarak kentlere dağıtılmıştır. Ancak su alınan tarafından kilometrelerce uzunluğunda 7 ayrı isale İlk hidroelektrik santrali izi, Tarsus Hidroelektrik Santrali ile Osmanlı döneminden (1902) karşımıza çıkmış olsa bile Cumhuriyetin ilk yılları, enerji maksatlı yapılan su yapılarına (hidroelektrik santralleri) bir dönüşüm için başlangıç niteliği taşımaktadır. Cumhuriyet döneminde yapılmış olan ilk hidroelektrik santrali ise Konya şehrine aittir. Dönemin ilk modern barajı olan Niğde Gebere Barajı-1941 yılında inşa edilmiştir (Bildirici ve Bildirici, 1997). hatları oluşturulmuş ve bu hatlar duvarları tuğla ve kaba taş ile örülü ve içinden insan geçebilecek boyutlardaki galeriler şeklinde tasarlanmıştır. İshale hattı boyunca karşılaşılan engeller (vadi vb.) kemerler vasıtası ile aşılmış, hatlar künk borular ile oluşturulmuştur. İsale hattı boyunca sızdırmazlığı sağlamak ve su kaybını önlemek için yani su yalıtımını sağlamak için Lökün denilen bir çeşit macun kullanılmıştır. Kanalların su basınçlarını dengelemek ve su şebeke sistemin- Süreçte yaşanan gelişmelerin en önemlisi, Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü (DSİ) (1954) kurulması ve hızlı gelişen teknoloji ile artan nüfusa bağlı, uzun vadeli amacına uygun daha fonksiyonel yapıda su yapıları inşasına başlanması ve değişimin bugünkü son şeklini almasıdır. Süreç, su yapılarının kesit ve malzemelerinde yaşanan değişim ile başlar ve gelişen dünya bilimi deki boruların patlamaması için ise su terazileri inşa edilmiştir. Osmanlı döneminde böylece ilk modern sulama şekline geçilmiştir (Anonim-13, 2013; Bildirici, 2009; Bildirici, 2009,Ss:79-83; Bildirici ve Bildirici, 1997). Zaman içerisinde su alınan borulara/çeşmelere musluk takılmaya başlanmış ve su hazneleri 21 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com doğrultusunda, proje-hesapları ile oluşturulan standartlarla devam eder. tünellerin son uygulama alanı ise Türkiye’nin hidroelektrik enerji bakımından 4. büyük barajı olan Ilısu Barajı ve HES Projesidir (2012). Böylece baraj 50 yıllık taşkın debisine karşı emniyetli hale getirilmiş olacaktır. 1960’lı yıllara kadar kullanılan toprak borular (künkler) yerini beton boru, ön germeli beton boru ve betonarme borulara bırakmıştır (Bildirici, 2002). Su boruları şebekeleri genişletilmiş, yerleşim alanlarının her köşesine ulaşım sağlanmıştır. Hidrolik kanunların ön plana çıkması ile birlikte su yapılarının, arazi eğimi, suyun debisi, hızı, taşınması, arıtılması, iç basınç ve dış yüklere vb. göre tasarımına gidilmiş, suyun azalmasına karşın suyu verimli kullanma çalışmalarını da sağlamıştır (Bildirici ve Bildirici, 1997). Anadolu tarihinde ilk zamanlarında rastlanmayan dip savaklar ise bugün ki barajlarımızda suyu kontrollü olarak veren önemli sistemlerdir. Derivasyon Tünelleri olarak isimlendirilen ve su ileten yapılar ise 1950’li yıllara dayanan bir geçmişe sahiptir. Bu Günümüzde genel olarak su yapıları; Su depolama yapıları (barajlar), Kabartma ve çevirme yapıları (bağlamalar), Su iletim ve dağıtım yapıları (sulama sistemleri ve sanat yapıları), Su alma yapıları, Enerji kırıcı yapılar ve Akarsu düzenleme yapıları (akarsu yatağının düzenlenmesi için yapılan yapılar) başlıkları altında toplanabilmektedir. Su yapılarının oluşumları ise; Etüt (ön inceleme), Planlama, Projelenme, İnşaat, İşletme aşamaları ile tamamlanmaktadır. Günümüzde su yapılarının ise %90’ını (GAP projesi) Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü yapmaktadır (Anonim-15, 2013;Anonim-16, 2013). Tablo 1. Anadolu’da Bazı Önemli Barajlar Ve Amaçları Dönemi İsmi Gövde DolguTipi Toplam Kret Uzunluğu Yüksekliği Rezervuar Hacmi Amacı Hitit Gölpınar Toprak 110.00 m 2.50 m 27.500 m³ İçme Suyu Karakuyu Toprak 403.00 m 9.60 m 323.750 m³ Sulama Rusa Barajı Taş 62.00 m 4.00 m 17.000.000m³ Sulama Doni Bendi Taş 81.00 m 4.00-7.00 m 150.000 m³ Sulama Arpa Yatağı Taş 89.00 m - - Sulama Sikhe Bendi Taş 7.50 m 7.00 m - Sulama Gelincik Barajı Taş 95.00 m - - Sulama Adilcevaz Barajı Taş 60.00 m 5.00 m - Sulama Argıt Barajı Kagir 91.00 m - - Sulama Çavdarhisar Kagir 80.00 m 7.00 m 34.00 Hm3 Taşkın Örükaya Kagir 40.00 m 16.00m 1.025.340 m³ Sulama Böğet Kagir 300.00 m 4.00 m - Sulama Urartu Roma 22 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Bizans Osmanlı Cumhuriyet Büyük Bent Kagir - 10.00 m - İçme Suyu Dara Barajı Taş - - - İçme Suyu Topuz Bent Kagir 64.50 m 7.00m 160.000 m³ İçme Suyu Büyük Bent Kagir 84.50 m 15.00 m 1.318.162 m³ İçme Suyu Ayvat Bent Kagir 65.80 m 15.00 m 156.000 m³ İçme Suyu Yeni Bent Kagir 101.50 m 17.00 m 49.000 m³ İçme Suyu Maden Kagir 34.50 m 23.50 m - Sanayi Elmalı(Alt) Kagir+Toprak 179.80 m 22.00 m - İçme Suyu Şamlar Kagir - 10.00 m - Gebere Barajı Toprak 835.00 m 13.00 m 2.38 Hm Gölbaşı Toprak 1020.00 m 10.70 m 12.75 Hm3 Sulama Çubuk-I Beton 250.00 m 58.00 m 12.50 Hm İçme SuyuTaşkın Keban Beton+Kaya 848.20 m 207.00 m 31.000 Hm3 Elektrik Üretimi Hirfanlı Barajı Kaya - 78.00 m 5.980 Hm3 TaşkınEnerji Sarıyar Beton - 90.00 m 1.900 Hm3 Enerji Gökçekaya Beton 479.66 m 158.00 m 910 Hm3 Enerji Elmalı(Üst) Beton - 42.00 m 10.00 Hm 3. SONUÇ VE ÖNERİLER Sanayi 3 3 3 Sulama İçme suyu çıkmaktadır. Helenistik dönemin belirli aralıklarında su insanların inançlarını oluşturmuştur. Bu Su yapılarının tarihsel gelişimini yüzeysel olarak inançla, dönemde yaşanan yapısal gelişmeler, hazırladığımız bu çalışmada görüldüğü üzere, suyun kirlenmesine yönelik çalışma verileri ve insan, doğasının vazgeçilmez unsuru olan suya atık su sorunu çözümüne ilişkin çalışmaların göre yerleşim alanlarını oluşturmuş ve su ile me- yer alması ilişkilendirilebilir. Roma döneminde deniyet kazanmıştır. Su insanların yaşam tarzlarını su yapılarının ve kullanılan malzemelerin çeşit- bazı dönemlerde ise inanışlarını oluşturmuş ve lendiğinin yanı sıra hidrolik konularına ve stan- insanlar suya ulaşma isteklerini günün şartlarının dartlara değinildiği görülmektedir. Roma dönemi imkân verdiği şekilde tamamlamışlardır. ile suyun kentlere dolayısı ile yaşam alanlarına Hitit döneminde toprak ve taş bloklarla oluştu- ulaştırıldığı söylenebilir. Ancak kanalizasyon/atık rulmuş ilkel barajlar ve havuz yapımı girişimde su şebekeleri çözümüne ilk olarak Bizans döne- bulunulmuş ancak kanallar ile dağıtım sağlana- minde rastlanmaktadır. Bizans dönemi içerisinde mamıştır. Urartular ise suya ve/veya sulamaya daha geniş boyutlandırılmış su kanalları, tüneller verdiği önemle bilinen ilk dönem olarak karşımıza ve barajlar ayrıca su yalıtımına ilişkin önlemler 23 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com mevcuttur. Selçukluların son dönemi ve Osmanlı döneminde varlığını sürdürmüş olan Mimar Sinan’ın ise dönem su yapılarına katkısı büyüktür. Bu dönemde ilk modern sulama şekline geçilmiş ve su arındırılarak kentlere ulaştırılmıştır. Suyun boşa akmaması için musluklar ve su basınçlarını dengelemek amacıyla su terazileri inşa edilmiştir. Cumhuriyetin ilk yılları itibari ile Tablo 1’de görüleceği üzere, suyun daha fazla enerji üretme maksatlı kullanımına başlanmıştır. Yine tablo 1’ de, baraj gövde dolgu tipinin zamanla beton yapı malzemesi olarak tercih edildiği görülür. Ayrıca barajların, rezervuar kapasitelerinin ve yüksekliklerinin arttığı da görülür. Bu durum, bugünün su yapılarının, belirli bir mühendislik disiplinine oturmuş, malzeme ve dış kütlede birçok çeşitlenmenin gözlendiği, ihtiyaç ve talepler doğrultusunda şekillendirilebilen yapılar halini almış olduğu gösterir. (DSİ), Elektrik İşleri Etüt İdaresi (EIE), Çevre Bu gelişim güzergâhında su kullanımına yönelik bütün su yapıları ve yerleşim alanlarının oluşturulması, günümüz mevcut durumunun birer temeli niteliğindedirler. Bu bakımdan çağdaş su mühendisliği araştırmaların da eski su yapılarından fazlasıyla yararlanılabilir. Tarihi su yapılarının; korunması, ulaşılabilir ve incelenebilir konuma getirilmesinin sağlanması hatta mümkünse onların çağdaş yöntemlerle sınanarak işlevsel hala getirilmesi gerekmektedir. Tübitak Popüler Bilim Kitapları, ss: 55-110 ve Orman Bakanlığı ve Devlet Meteoroloji İşleri sayılabilir. Kurumların denetim ve standartları doğrultusunda ekolojik dengede suyun yeri-önemi ve yapay elemanlarında su yapıları inşası gibi kavramlarının iyice anlaşılması ve uygulanması ile yeterlilik ve kalite kavramlarının verimlilikle sağlanması gerekmektedir. Ayrıca su kullanımına yönelik halkı bilinçlendirme ve bilirkişilerin çalışmalarına katkıda bulunulmasına ilişkin kurumların mevcut potansiyelimizi ulusal olarak yayınlaması önerilebilir. Çünkü günümüzde mühendislik ve mimarlık açısından su yapıları değerlendirilirken olası çevresel ve sosyal etkilerin irdelenmesi de kaçınılmaz bir gerekliliktir. KAYNAKLAR AKURGAL, E., (1998). Anadolu Kültür Tarihi, “ANONİM-1” (2012).http://www.diyadinnet.com/ YararliBilgiler- 1187&Bilgi=su,28.12.2012 “ANONİM-2” (2012). http://www.turkcebilgi. com/soru/162 70/ilk-insanlar-yerlesim-alanisec erken-nelere-dikkat-etmislerdir, 12.2012 “ANONİM-3” (2012). http://geograpy.blogcu. com/yerlesme-ve-ozellikleri-ilk yerlesmeler/32 60374, 25.12.2012 Geçmişe göre büyük ilerleyiş kaydettiğimiz ancak günümüz teknolojisinin getirdiği olanaklar doğrultusunda su kaynakları ve su kullanımına ilişkin memnuniyetsiz olduğumuz bir dönem içerisinde bulunduğumuz da açıktır. Türkiye’de genel anlamda suya ilişkin verileri gözlemleyen ve denetleyen kurumlar arasında; Devlet Su İşleri “ANONİM-4” (2012). http://www.idealsyd.com/ id6-su- yapilari-denetim/su-yapi- cesitleri.php . 25.12.2012 “ANONİM-5” (2013).http://www.dursunozden. co m.tr/yazilar/242-yoenetici.html, 02.01.2013 24 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com “ANONİM-6” (2013). http://www.forumacil.com/ “ANONİM-16” (2013). http://www.emo.org.tr/ antika-ve-tarihi-eser/141457-roma-donemi ekler/269cb7 suyapitlari.html, 02.01.2013 Ku vvet ve Derivasyon Tünelleri, 11.01.2013 “ANONİM-17” (2014). http://www.alacaforum.org/ “ANONİM-7” (2013). http://www.forumacil.com/ alacailc antika-ve-tarihi-eser/141457-roma-donemi “ANONİM-18” (2014). http://www.sariyer.bel.tr/ “ANONİM-8”(2013). http://www.msxlabs.org/ sayfalar/3 48/oren-yerleri.aspx, 28.10.2014 forum/mi marlik/26360-roma-mimarisi. html, 02.01.2013 ARISOY, Y., (2007). Selçuklu ve Osmanlı Dönemleri Su Yapıları, III. Ulusal Su Mühendisliği “ANONİM-9” (2013). http://www.mezopotamya. Sempozyumu. Bildiriler Kitabı. 10-14 Eylül gen.tr/tar ih/kaya-kent-dara-antik-kenti-h13 2007, Gümüldür/İZMİR. 08.html, 09.01.2013 BAYKAN, O., (2007). Helenistik, Roma ve Bi- “ANONİM-10” (2013). http://www.kenthaber. zans Dönemleri Su Yapıları, III. Ulusal Su com/guneydogu anadolu/mardin/merkez/ Mühendisliği Sempozyumu. Bildiriler Kitabı. Reh ber/antik-kentler/dara-dagara, 09.01.2013 10-14 Eylül 2007, Gümüldür/İZMİR “ANONİM-11” (2013). http://tr.wikipedia.org/wiki/ BİLDİRİCİ, M., VE BİLDİRİCİ, Ö, İ., (1997). Ambar%C4%B1, 09.01.2013 Konya ve Çevresinde Çağlar Boyu Tarihi Su Yapıları, 14. Teknik Kongresi Bildiriler “ANONİM-12” (2013). http://www.academia. edu/1437904/ Kitapçığı. ss: 1115-1128 MERAMDA_TARI- BİLDİRİCİ, M., (2002). Klasik Çağda Su İleti- HI_SU_DEG IRMENLERI, 09.01.2013 minde Basınçlı ve Basınçsız Borular. Türkiye “ANONİM-13” (2013). http://www.restoraturk. com/mimarl emiz-goster-314-barajlar_goletler _ ve_akarsular.html, 28.10.2014 su yapitlari.html, 02.01.2013 Tekir_ 796c3319c_ek.pdf?dergi=313. Mühendislik Haberleri, 420-421-422 Sayılı ik-mimari/mimarlik/347- Su-II. ss: 105-109 osmanli - donemi-su-yapilari.html, 09.01.2013 BİLDİRİCİ, M., (2008). Urartular Dönemi Tarihi “ANONİM-14” (2013). http://www.defineyeri. Su Yapıları, DSİ II. Bölge Müdürlüğü Tarihi net/define-nedir/eski-olcu-sistemleri-olcu- Su Yapıları Konferansı. 26-27 Haziran, İzmir. alet leri-2652/, 09.01.2013 BİLDİRİCİ, M., (2009). Antik Çağda Basınçlı “ANONİM-15” (2013). http://www.dsi.gov.tr/ Su Getirme Sistemleri, DSİ XIV. Bölge kurumsalyapi/yonetim/genelmudurumuz/ Müdürlüğü’nün Dragos (Orhantepe) Yaptığı, calis malari/2012/08/29/ilisubarajideriva IV. Ulusal Su Mühendisliği Seminerinde syon, 11.01.2013 sunulmuştur. (www.mehmetbildirici.com/ 25 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:07 K:43 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com KARAKILÇIK, Y. (2008). Bölgesel Su Anlaşmazlıklarının Küresel Çatışmaya Dönüşme Riski: Fırat ve Dicle Örneği, Uluslararası Hukuk ve Politika. Cilt:4, No:16 Ss: 19-56. post_at tachment/download?id=404, 11.01.2013) BİLDİRİCİ, M., (2009). Tarihi Su Yapıları Konusunda Bildirilerim-Yazılarım I, ss:79-83. tarihisu_II.pdf LASSOE, J. (1951). Irrigationsystem at UlhuJournal of Cuneiformstudies BİLDİRİCİ, M., (2009). Anadolu’da İyon & Helenistik Dönem Su Yapıları ve Su Uygarlığı, A Tale Of Water İsimli Kitap İçin Röportaj. (WWF5) World Water Forum 5 MESCİ, Y.,GÖZTAŞ, H., ÖZDEMİR, C., VE DOĞANBAŞ, M. (2008). Amasya Roma Dönemi Ferhat Su Kanalı, İzmir II. Bölge Müdürlüğü, Tarihi Su Yapıları Toplantısı BİLDİRİCİ, M., (2009). Tarihi Sulama, Su depolama ve Taşkın Koruma Tesisleri, T.C. Çevre ve Orman Bakanlığı Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü. Ankara (http://www2.dsi. gov.tr/kutuphane/ kitaplar/koruma_tesisleri. pdf), 20.04.2013 ÖZİŞ, Ü., ARISOY, Y., ALKAN, A. VE ÖZDEMİR, Y. (2008). Türkiye’deki Tarihi Su Yapılarının Evrensel Önemi, TMMOB 2. Su Politikaları Kongresi, Bildiriler Kitabı, ss:555-566 BİLDİRİCİ, M., (2010). Tarihi Su Yapıları Derlemesi. antik_kentler_su_yapilari_webpdf, 25.12.2012 ÖZİŞ, Ü., (2007). Su Yapılarının Tarihi Gelişmesi, III. Ulusal Su Mühendisliği Sempozyumu. Bildiriler Kitabı. 10-14 Eylül 2007, Gümüldür/İZMİR BURNEY, C., (1972). Urartian Irrigation Works, Anatolian Studies ŞARLAK, N., VE KARAGÖZ, İ., (2011). Su Veri Yayınlama Sistemleri: Türkiye’de Durum Değerlendirilmesi, II. Su Yapıları Sempozyumu. Bildiriler Kitabı ÇINAROĞLU, A., (2006-2007). Çorum Alacahöyük Kazısı, ‘İnternet ve Basın’ (http://www. ttk.org.tr/index.php?Pa ge=Sayfa&No=191, 01.01.2013 26 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ LEVENBERG-MARQUARDT (LM) VE RESILIENT BACKPROPAGATION (RBP) YAPAY SİNİR AĞI ALGORİTMALARININ KIRŞEHİR İLİ RÜZGÂR HIZI TAHMİNİNDE UYGULANMASI VE KARŞILAŞTIRILMASI LEVENBERG-MARQUARDT (LM) AND RESILIENT BACKPROPAGATION (RBP) ARTIFICIAL NEURAL NETWORK ALGORITHMS’ PREDICTION APPLICATON AND COMPARISON OF KIRŞEHİR’S WIND SPEED Esra ZORLU1, Murat LÜY1, Ertuğrul ÇAM2, Necaattin BARIŞÇI3 Kırıkkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 2 Kırıkkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 3 Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 1 Özet: Bu araştırmada Türkiye’de rüzgâr enerjisi üretiminin yaygınlaşması ve mevcut üretimin verimliliğinin artırılabilmesine yönelik olarak kısa vadeli rüzgâr hızı tahmini yapılması amaçlanmıştır. Bu kapsamda Kırşehir ili kapsamında 1975-2010 yılları arasındaki sıcaklık, nem ve basınç değerleri kullanılarak rüzgâr hızı tahmini gerçekleştirilmiştir. Araştırmada analiz yöntemi olarak ileri beslemeli geri yayılımlı Yapay Sinir Ağları ve buna ilişkin iki farklı algoritmadan elde edilen bulgular karşılaştırılmıştır. LevenbergMarquardt (LM) ve Resilient Backpropagation (RBP) algoritmalarının karşılaştırmasında Ortalama Hata Karekök (RMSE) değerleri esas alınmıştır. Buna göre her iki algoritmanın performansının birbirine çok yakın olduğu ve Resilient backpropagation öğrenme algoritmasının nispeten daha iyi sonuçlar verdiği anlaşılmıştır. Abstract: In this study according to enhance the widening of wind energy production efficiency in Turkey, short term wind speed prediction is aimed. According to this scope temperature, humidity and pressure values in Kırşehir city between 1975-2010 years, has been used to do the prediction of wind speed. In the study, feed forward back-propagation neural networks analyze method has been used and data resulted from Levenberg-Marquardt(LM) and Resilient Back propagation (RBO) algorithms. According to the comparison of those two different algorithms, Root Mean Square Error (RMSE) has taken account as constant. According to this, both two algorithm’s performances are quite similar to each other and resilient back propagation learning algorithms provide much better results have been noted. Key Words: Wind Speed, Wind Energy, Artificial Neural Network Anahtar Kelimeler: Rüzgâr Hızı, Rüzgâr Enerjisi, Yapay Sinir Ağı 27 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ karmaşıktır. Rüzgâr enerjisi kanat-pervane olarak ifade edilen araçlar sayesinde hareket enerjisine dönüştürülür ve bu hareket enerjisi ya doğrudan özel üretilmiş jeneratör miline bağlanarak veya ara bir dişli sistemiyle aktarılarak jeneratör miline bağlanmaktadır. Bu sayede elektrik enerjisi üretimi için temel girdi olan hareket üretilmektedir. Rüzgârdan üretilecek elektrik enerjisi rüzgârın hızına bağlıdır (Ata ve Koçyiğit, 2010). Rüzgâr hızı tahminleri, güç ünitelerinde değişebilen gerilim ve frekans dalgalanmalarında olumsuz varyasyonları azaltabilmektedir. Rüzgâr hızı tahminine yönelik çalışmaların rüzgâr enerjisi kullanımında verimlilik ve etkinlik açısından önemli olduğu kabul edilebilir (Li ve Shi, 2010). Rüzgâr hızı tahmininde istatistiksel yöntemlerin yanı sıra, zaman serisi analizi modelleri, ARMA ve ARIMA Methodu, yapay sinir ağları, radyal tabanlı fonksiyon ve bulanık mantık gibi yapay zeka yöntemlerinin sıklıkla kullanılmaya başlandığı görülmektedir (Cadenas ve Rivera, 2009; Bilgili ve Şahin, 2010; Alexiadis vd., 1998; Philippopoulos ve Deligiorgi, 2012; Li ve Shi, 2010; Barbounis ve Theocharis, 2007; Kariniotakis vd., 1996). Rüzgâr enerjisi rüzgâr hızının üçüncü kuvveti ile doğru orantılıdır. Rüzgâr hızı ise arazi yapısı ve yükseklik gibi topografik parametrelerin yanı sıra nem, basınç, sıcaklık ve yağış değişkenlerinin etkisi altındadır (Yurdusev vd., 2006; Karmakar vd., 2009). Bu faktörlerdeki olası değişmeler incelenen bölge ya da alanda rüzgâr enerjisi üretimini doğrudan etkilemektedir. Bu yüzden farklı bölgelerde çeşitli verilerle yapılacak rüzgâr hızı ölçümlerinin ve özellikle kısa vadeli rüzgâr hızı tahmininde bulunulmasının enerjinin doğru kullanımına katkı sağlayacağı ifade edilebilir. Maliyet düşüklüğü, Rüzgâr günümüzde elektrik başta olmak üzere yenilebilir enerji üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tarihsel süreç içerisinde ilk kez Çinliler ve Persler tarafından değirmenlerde tahıl öğütmek için kullanılmaya başlanmıştır (Stover, 1995). 1960’lı yılların ardından elektrik üretimi için rüzgâr kullanımı Avrupa’da yaygınlaşarak çevre dostu bir enerji kaynağı haline gelmiştir. Özellikle diğer enerji hammadde kaynaklarındaki daralma ve olası zararlı etkilerine karşın rüzgâr temelli enerji üretimleri önemini artırmıştır. Günümüzde dünya rüzgâr enerjisi üretiminin yaklaşık %70’lik kısmı Avrupa coğrafyasında üretilmektedir (Çam ve Yıldız, 2006). Özellikle gelişmekte olan ülkelerde sanayileşme ve sosyoekonomik gelişmelerle birlikte elektrik ihtiyacı giderek artmaktadır. Bu yüzden ülkenin kendi içerisinde öz kaynakları ile yapacağı elektrik üretiminin enerji planlaması bakımından önem arz ettiği ileri sürülebilir (Bilgili vd., 2007). Ayrıca rüzgâr enerjisinin gelişimi kırsal bölgelerde ve şehirlerde ekonomiye olumlu etkisi olan ve istihdam yaratıcı bir özelliğe sahiptir. Rüzgâr hızı özellikle elektrik piyasaları açısından doğru tahmin, kısa vadeli öngörü ve enerji dönüşümündeki verimliliğin artırılması için kullanılmaktadır. Ancak rüzgâr hızı öngörülemeyen doğası nedeniyle farklı bölgelerde rüzgâr enerjisi üretimini büyük ölçüde belirlemektedir (Monfared vd., 2009). Rüzgâr enerjisi yenilebilir bir enerji olarak geleneksel enerji kaynaklarına alternatif niteliğindedir (Ata, 2008). Rüzgâr enerjisi dönüşüm sisteminin temel unsurları rüzgâr tribünü, jeneratör, bağlantı aparatı ve kontrol sistemidir. Bu sebeple rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemi 28 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com çevre dostu olması ve adaptasyon yeteneği ile rüzgâr enerjisinin önemi giderek artmaktadır (Philippopoulos ve Deligiorgi, 2012). Yapay Sinir Ağı çok sayıda işlem elemanının birbirine bağlı biçimde ve basit düğümlerin bir ağa dönüşmesiyle oluşan paralel yapılardır. Bu işlem sırasında sinirler arasındaki ağırlıkların dönüştürülmesi ve yeni bilgilere uyum sağlanması sistem içerisinde “öğrenme” olarak adlandırılmaktadır. Sinir hücrelerinin oluşturduğu kısma “katman” adı verilmekte, girdi sinir hücreleri girdi katmanını, çıktı sinir hücreleri çıktı katmanını meydana getirmektedir. Eğer sinir ağı tek katmandan oluşuyorsa tek katmanlı, birden çok katmandan oluşuyor ise çok katmanlı sinir ağı şeklinde adlandırılmaktadır. Ağın eğitilmesi anlamına da gelen öğrenme sürecinde kullanılacak yöntem ya da algoritma iyi seçilmelidir. Çok katmanlı ağlarda sıklıkla kullanılan algoritma türü Şekil 1’de görülen “ileri beslemeli geri yayılımlı” olanıdır. Bu algoritmanın ileri besleme sürecinde gizli katmandaki hücreler girdileri alarak net girdiler hesaplanmakta ve aktivasyon fonksiyonunun ardından çıktılar hesaplanmaktadır. Bu işlem gizli ve çıktı katmanlarının tümü için tekrarlanmaktadır. Geriye yayılım aşamasında elde edilen ve beklenen çıktı değerleri karşılaştırılmakta, ortaya çıkacak muhtemel fark hata şeklinde adlandırılmakta ve hatanın tolare edilir bir seviyeye gelebilmesi için eşik değerleri itaratif (tekrarlama) olarak değiştirilebilmektedir. Böylelikle ilk aşamada rastgele atanan ağırlıklar mevcut hata minimize edilinceye kadar değişmektedir (Zorlu, 2012; Bilgili ve Şahin, 2010). Bu araştırmada Türkiye’de rüzgâr enerjisi üretiminin yaygınlaşması ve mevcut üretimin verimliliğinin artırılabilmesine yönelik olarak kısa vadeli rüzgâr hızı tahmini yapılması amaçlanmaktadır. Araştırmada Kırşehir ili kapsamında 1975-2010 yılları arasındaki sıcaklık, nem ve basınç değerleri kullanılarak rüzgâr hızı tahmini gerçekleştirilmektedir. Analiz yöntemi olarak Levenberg-Marquardt (LM) ve Resilient Backpropagation (RBP) algoritmalarını kullanan ileri beslemeli geri yayılımlı yapay sinir ağları kullanılmakta ve buna ilişkin elde edilen bulgular karşılaştırılmaktadır. 2.YÖNTEM 2.1.Veri Setinin Elde Edilmesi Araştırmada kullanılan veriler resmi yazışma yoluyla Türkiye Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü’nden elde edilmiştir. 2011 yılı için rüzgâr hızı tahmininde kullanılan veriler Kırşehir ili 1975 yılı ile 2010 yılı arasındaki rüzgâr hızı değerleri ile aynı döneme ait basınç nem ve sıcaklık değerlerinden oluşmaktadır. 2.2.Yapay Sinir Ağları Literatürde yapay sinir ağı yönteminin mühendislik, tıp, matematik ve meteoroloji başta olmak üzere farklı alanlarda giderek yaygınlaştığı görülmektedir. Bu çalışmalarda en fazla kullanılan Yapay Sinir Ağı tekniği, İleri Beslemeli Geri Yayılımlı algoritmalardır (Bilgili vd., 2007). 29 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Gizli Katman Giriş Katmanı Çıkış Katmanı ϕ x1 ϕ y1 yp xn ϕ Şekil 1. İleri Beslemeli Geri Yayılımlı Yapay Sinir Ağı Yapısı 1 E = ∑ (Tk −Ok ) 2 2 k (2) Yapay Sinir Ağları yönteminde kullanılan değerler farklı değişkenlerin göreli ve karşılaştırmalı mukayeselerine fırsat vermektedir. Özellikle çok 1 E= (T j − O j ) 2 ∑∑ 2P p j (3) değişkenli modellerde herhangi bir değişkenin değerinin, aynı kapsamdaki diğer değişkenlerin değeri ile karşılaştırılarak önem derecelerinin olarak tanımlanır. Burada Tk istenen hedef çıktı, Ok ise hesaplanan çıktı, P ise eğitin setindeki veri seti sayısıdır. ortaya konulması gerekmektedir. Buna göre Yapay Sinir Ağlarında elde edilen değerler (0) ve (1) ya da (0) ve (-1) aralıklarında normalize 2.3.YSA’nın Avantaj ve Dezavantajları edilerek gerçekleşmektedir (Zorlu, 2012). k Yapay sinir ağlarının bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bu yöntem, matematiksel bir modele ihtiyaç duymaz. Gerçek hayata ilişkin olaylar ve bu olayların arkasındaki faktörler otomatik olarak gösterilebilir. Doğrusal olmayan ilişkilerde rahatlıkla kullanılabilir ve hata toleransları yüksektir. Buna rağmen Yapay sinir Ağlarının belirli dezavantajları da vardır. Örneklem seçimi ve eğitimi için belirli kurallar yoktur. Ağların eğitimi beklenenden uzun sürebilir. Yapay Sinir Ağlarında uygun ağ yapısını belirlemek için bazı prosedürler vardır (Zorlu, 2012; Nabiyev, 2010). indisli girdi-çıktı giriş çifti için j indisli girdi ve i numaralı Nöron arasındaki ağırlık değişimi Eşitlik 1’de görüldüğü gibi ifade edilir (Civelek ve Ülker, 2004). ∆wijk = α (Ti k − Oik ) x kj (1) Burada Ti hedeflenen sonuç, Oi geçek sonuç, α öğrenme oranı ve xj j numaralı girişi göstermektedir. Herhangi bir giriş çıkış çifti için toplam hata ve ortalama hata fonksiyonu 30 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Araştırma kapsamında rüzgâr hızı ölçümü için Eğim ve Hessian matrisi eşitlik 6 ve 7 deki gibi gösterilebilir. Yapay Sinir Ağları kapsamında Levenberg-Marquardt (LM) ve Resilient Backpropagation (RBP) ∇E ( x) = J T ( x)e( x) (6) algoritmaları kullanılarak elde edilen bulgular karşılaştırılmaktadır. 2.4.Kullanılan Algoritmalar ∇ 2 E ( x) = J T ( x) J ( x) + S ( x) (7) Araştırmada Yapay Sinir Ağları kapsamında Burada J(x) Jacobian matristir, Levenberg-Marquardt (LM) ve Resilient Back- ∂e1 ( x) ∂x 1 ∂ e ( 2 x) J ( x) = ∂x 1 ... ∂e ( x) N ∂x1 propagation (RBP) algoritmaları kullanılarak elde edilen bulgular karşılaştırılmaktadır. 2.4.1. Levenberg–Marquardt (LM) Algoritması Levenberg – Marquardt algoritması ileri beslemeli geri yayılımlı ağların sık kullanılan bir türü olup Newton metodunun hızıyla, adım düşme (8) metodunun sağlamlığının bileşkesidir. Genellikle aşağıda yer aldığı gibi doğrusal olmayan en küçük Gauss-Newton metodu için S ( x) ≈ 0 kabul edilir ve güncellenerek eşitlik formülleştirilebilir (Lüy, 2008). Her bir iterasyon ∆x = [ J T ( x) J ( x)] adımında hata yüzeyine parabolik yaklaşımla yaklaşılır ve parabolün minimumu o adım için ğumuzu ve x parametresine göre minimize etmek J T ( x )e( x ) ∆x = [ J T ( x) J ( x) + µI ] −1 J T ( x)e( x) istediğimizi düşünelim. Newton metoduna göre (10) (11) halini alır. m-parametresi bir adımda E (x) artımı sonucunda bir faktörle (b) ile çarpılır, bir adım E (x) azaltışında, m-parametresi b’ya bölünür. m büyükse algoritma adım düşümü (1/m-adımı ile) olur, küçük m-parametresi için algoritma Gauss-Newton olur. Bu algoritmadaki anahtar adım Jacobian matrisinin hesaplanmasıdır. Yapay sinir ağı tasarım probleminde Jocobian matristeki terimler geri yayılım algoritmasının denklem Eşitlik 4’te görüldüğü gibi olacaktır: ∇E ( x) (4) Burada ∇ 2 E ( x) ifadesi Hessian matrisidir ve ∇E (x) ise eğimdir. E (x) ’in karelerin toplamı fonksiyonu şeklinde Eşitlik 5 teki gibi ifade edilirse, N −1 halini alır. Levenberg-Marquardt modifikasyonuyla Gauss-Newton metodu, çözümü oluşturur. E(x) fonksiyonuna sahip oldu- E ( x) = ∑ ei2 ( x) (9) i =1 2010). LM algoritması şu şekilde hesaplanarak N kullanılmaktadır (Okkan ve Mollamahmutoğlu, −1 ∂e1 ( x) ∂x n ∂e2 ( x) ... ∂x n ... ... ∂e N ( x) ... ∂x n ... ve S ( x) = ∑ ei ( x)∇ 2 ei ( x) kareler yöntemine dayanan ağırlık güncellemede ∆ x = −[∇ 2 E ( x)] ∂e1 ( x) ∂x 2 ∂e2 ( x) ∂x 2 ... ∂e N ( x) ∂x 2 (5) i =1 31 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com basitçe değiştirilmesiyle hesaplanabilir. Eşitlik 2’deki eşitlikte x = [ w1 (1,1) w1 (1,2)...w1 ( S1 , R)b1 ( S1 ) w 2 (1,1)...b M ( SM )] ve N=Qx(SM)’ dir. Bu eşitlikten faydalanarak bu terimler standart geri yayınım algoritması kullanılarak son katmanda bir değişiklikle he- standart geri yayınım algoritması terimleri Eşitlik saplanabilir. 12’deki gibi hesaplanır; ∆M = − F M (n M ) SM ∂ ∑ eq2 (m) (14) 2.4.2. Resilient Backpropagation (RBP) Al- ∂E = m =1k ∂w k (i, j ) ∂w (i, j ) T goritması RBP algoritmasının temel prensibi ağırlık adımlarındaki kısmi türevin boyutunun zararlı etkisini (12) gidermektir. Sonuç olarak türev işaretleri ağırlık Levenberg-Marquardt algoritması için Jocobian güncellemelerinin gideceği yönü gösterir. Bireysel ağırlık güncellemelerini ∆ ij (t ) ‘nin determinant matrisin elemanları Eşitlik 13’teki gibi hesap- işaretinin belirlediği gösterilmiştir. Kullanılan lanabilir. determinant sonuçlarının ∆ ij (t ) formülü ile ikinci öğrenmenin kuralı anlatılır. İki ardışık ağırlık ∂eq (m) ∂w k (i, j ) adımı boyunca kısmi türevle sağlanan sonuçlar (13) + η .∆ ij (t − 1), ∆wij (t ) = η − .∆ ij (t − 1), .∆ ij (t − 1), tahminde temeli sağlamıştır. if if otherwise ∂E ∂E (t ). (t − 1) > 0 ∂wij ∂wij ∂E ∂E (t ). (t − 1) < 0 ∂wij ∂wij 0 <η− <1<η+ (15) ∆ ij (t ) ’nin η − faktörü tarafından azaltılmasıyla değeri hafifçe artar. Birinci ağırlık değeri her bir son güncellemenin değerleri büyüdü ve algorit- güncelleme için adapte olmuştur. Ağırlık güncel- ma minimum olarak artış gösterdi. Eğer ∆ ij (t ) lemeleri basit adımlarla artarda takip etmektedir. işaretleriyle türev korunursa yüzeysel bölgelerde Eğer türev pozitifse güncelleme değerleri ile hızlı yakınsamalar düzenli olursa güncelleme ağırlık azalır. Negatif ise artar. 32 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com ∂E if (t ) > 0 − ∆ ij (t ), ∂wij ∂E ∆wij (t ) = ∆ ij (t ), if (t ) < 0 ∂wij else wij (t + 1) = wij (t ) + ∆wij (t ) 0, (16) Buna rağmen bir istisna vardır. Eğer kısmi türev önceki adımın işaretini değiştirirse işlem sırası kaybolur ve Eşitlik 17 gerçekleşir. Haziran ayları günlük ortalama rüzgâr hızı tahmini yapılmaktadır. Kırşehir ili, Türkiye’nin İç Anadolu bölgesinde yer alan ve nüfus yoğunluğunu düşük illerinden biridir. Yüzölçümü 6665 km2’dir. Denizden yüksekliği 985 m’dir. Kırşehir il topraklarının % 18,3’ünü ovalar teşkil eder. İl sınırlarında rüzgâr santrali olabilecek uygun alanlar bulunmaktadır. Örneğin bir dış yatırım olarak Mucur ilçesi Geycek köyünde toplam 148.28 megawattlık ve 44 türbinlik rüzgâr enerji santrali kurulması planlanmaktadır (Anonim, 2012). 1 MW’lık rüzgâr enerji santralinin kurulum maliyetinin 1200000 Euro olduğu göz önüne alındığında, bu ve benzeri çalışmaların önemi daha iyi anlaşılacaktır (Çalışkan, 2011). Yapay Sinir Ağı ile gerçekleştirilen analizde günlük sıcaklık, basınç ve nem değişimleri giriş olarak, rüzgâr hızı değerleri çıkış verisi olarak kullanılmıştır. 1975 ile 2010 yılları arasındaki veriler eğitim için, 2011 yılı verileri test için kullanılmıştır. Yapay Sinir Ağı modeli belirlenirken önce 1 gizli katmanlı farklı nöron sayılı modeller denenmiş ve ortalama 0,8409 doğruluğunda tahminler elde edilmiştir. Daha sonra 2 gizli katman için 10,20 ve 30’un tüm kombinasyonlarında nöron sayıları denenmiş ve 0,9364 doğruluk değerine 30-20 nöron sayısında ulaşılmıştır. Son olarak 3 gizli katman denenmiş fakat daha iyi değerlere ulaşılamadığı için tercih edilmemiştir. Sonuç ∆wij (t ) = −∆wij (t − 1) if ∂E ∂E (t ). (t − 1) < 0 ∂wij ∂wij (17) Ağırlıkların geri dönüşümü sırasını takip eden adımlar içinde tekrar ∆wij (t ) işaretleri türevde sözde bir değişim yaşatır. Güncelleme değeri başarılı adımda adaptasyon sağlamamalı, pratikte ∆ ij ’nin güncelleme adımı üstünde ayarlama yapılması gerekir. ∂E (t − 1) = 0 ∂wij (18) Kısmi türev toplam hatayı verir. Buna rağmen toplam hataların kısmi türevi tüm öğrenme modelleri için toplam hataya eşit olmalıdır. ∂E 1 p ∂E p (t ) = ∑ (t ) ∂wij 2 p =1 ∂wij (19) 3. UYGULAMA Araştırma kapsamında Kırşehir ilinin 2011 yılına ait Ocak, Şubat, Mart, Nisan, Mayıs ve 33 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com olarak Resilient Backpropagation ve LevenbergMarquardt backpropagation algoritmaları için 2 gizli katman ve aynı nöron sayıları kullanılarak RMSE değerleri kıyaslanmıştır. Kırşehir ili rüzgâr hızı tahmini için 1975 – 2010 yılı günlük ortalama basınç, sıcaklık, nem ve rüzgâr hızı verileri alınmış, elde edilen 12775 veri ile eğitim yaptırılarak 2011 yılına ait 365 günlük ortalama rüzgâr hızı tahmini yapılmıştır. Bu tahmin verileri gerçek verilerle kıyaslanarak yapılan tahminin doğruluk yüzdesi hesaplanmıştır. Trainlm (Levenberg-Marquardt) Levenberg-Marquardt backpropagation algoritması kullanılarak Kırşehir ili için elde edilen tahmin sonuçları Şekil 2’deki gibi olmuştur. RMSE: Ortalama karekök hatası n RMSE = ∑ (Y n =1 (20) n − Fn ) 2 n Şekil 2. Levenberg-Marquardt Backpropagation Algoritması Kullanılarak Kırşehir İli İçin Elde Edilen Tahmin Sonuçları Trainrp (resilient backpropagation) Resilient backpropagation algoritması kullanılarak Kırşehir ili için elde edilen tahmin sonuçları Şekil 3’deki gibi olmuştur. 34 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Şekil 3. Resilient Backpropagation Algoritması Kullanılarak Kırşehir İli İçin Elde Edilen Tahmin Sonuçları Tablo 1. Kıyaslamalı RMSE Değerleri 4. SONUÇLAR oranına sahip tahminler yaptığı görülmektedir. Araştırmada 1975-2010 yılı için Kırşehir İli Rüzgâr hızı, sıcaklık, nem ve basınç değerleri kullanılarak Yapay Sinir Ağları yöntemine ilişkin olarak Resilient Backpropagation ve LevenbergMarquardt backpropagation algoritmalarından elde edilen bulgular karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada 2011 yılı rüzgâr hızı tahmini yapılmış ve RMSE değerleri esas alınmıştır. Elde edilen bulgulara göre her iki algoritmanın performansının birbirine çok yakın olduğu ve Resilient backpropagation öğrenme algoritmasının daha iyi sonuçlar verdiği anlaşılmıştır. Bu sonuçlardan yola çıkarak her iki algoritmanın KAYNAKLAR ALGORİTMALAR RMSE Resilient Backpropagation 0,0636 Levenberg-Marquardt Backpropagation 0,0640 RMSE değerleri içinse Tablo 1’deki değerler elde edilmiştir. Elde edilen bulgulara ve Kırşehir ilinden elde edilen verilere göre Resilient backpropagation öğrenme algoritmasının 0,9364 doğruluk oranına, Levenberg-Marquardt backpropagation algoritmasının ise 0,9360 doğruluk performansının birbirine çok yakın olduğu ve ALEXİADİS, M., DOKOPOULOS, P., SAHSAMANOGLOU, H.S., VE MANOUSARİDİS, I., (1998). Short-Term Forecasting of Wind Speed and Related Electric Power, Solar Energy, 63(1) (61-68) Resilient backpropagation öğrenme algoritmasının 0,0004 gibi küçük bir oranda daha iyi sonuçlar verdiği anlaşılmıştır. 35 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com ‘‘ANONİM’’ (2012). http://www.kirsehir24.com/ haberler /32/Mucur/8, 29.12.20 12 ÇALIŞKAN, M., (2011). Türkiye Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli ve Mevcut Yatırımlar, İstanbul, Rüzgâr Enerjisi Santralleri Semineri, http:// www.tucsa.org/images/yayinlar/sunumlar / MUSTAFA-C ALISKAN.pdf ATA, R., (2008). Analysis by ANN of Electricity Generation at Different Height from Autonomous Wiınd Türbine, J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ., 23 (523-529) ÇAM, E., VE YILDIZ, O., (2006). Prediction of Wind Speed and Power in the Central Anatolian Region of Turkey by Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS), Turkish J. Eng. Env. Sci, 30 (35-41) ATA, R., VE KOCYİGİT, Y., (2010). An Adaptive Neuro-Fuzzy İnference System Approach for Prediction of Tip Speed Ratio in Wind Turbines, Expert Systems with Applications, Volume 37, Issue 7 (5454-5460) KARİNİOTAKİS, G. N., STAVRAKAKİS, G.S., VE NOGARET, E., (1996). Wind Power Forecasting Using Advanced Neural Network Models, IEEE Trans. on Energy Conversion, 11(4) (762-767) BARBOUNİS, T.G. VE THEOCHARİS, J.B., (2007). Locally Recurrent Neural Networks for Wind Speed Prediction Using Spatial Correlation, Information Sciences, 17 (5775–5797) KARMAKAR, S., KOWAR, M. K., VE GUHATHAKURTA, P., LONG- RANGE MONSOON, (2009). Rainfall Pattern Recognition and Prediction for the Subdivision ‘EPMB’, IEEE Computer Society, (367-370) BİLGİLİ, M., ŞAHİN, B., VE ABDULKADİR, Y., (2007). Application of Artificial Neural Networks for the Wind Speed Prediction of Target Station Using Reference Stations Data, Renewable Energy, 32 (2350-2360) Lİ, G., VE SHİ, J., (2010). On Comparing Three Artificial Neural Networks for Wind Speed Forecasting, Applied Energy, 87 (2313-2320) BİLGİLİ M., VE ŞAHİN B., (2010). Comparative Analysis of Regression and Artificial Neural Network Models for Wind Speed Prediction, Meteorol Atmos Phys, 109 (61-72) Lİ, G., SHİ, J., VE ZHOU, J., (2012). Bayesian Adaptive Combination of Short-Term Wind Speed Forecasts from Neural Network Models, Renewable Energy, 36 (352-359) CADENAS, E., VE RİVERA, W., (2009). Short Term Wind Speed Forecasting in La Venta, Oaxaca, Me´xico Using Artificial Neural Networks, Renewable Energy, 34 (274-278) LÜY, M., (2008). Yapay Sinir Ağlarının Modellemesi Yapılan Termik Santralde Uygulanması, Yayınlanmamış Doktora Tezi, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kırıkkale CİVELEK, Ö., VE ÜLKER, M., (2004). Dikdörtgen Plakların Doğrusal Olmayan Analizinde Yapay Sinir Ağı Yaklaşımı, İMO Teknik Dergi, (3171-3190) MONFARED, M., RASTEGAR, H., VE KOJABADİ, H.M., (2009). A New Strategy for Wind Speed Forecasting Using Artificial 36 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:11 K:45 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com ZORLU, K., (2012a). Örgütsel Adalet ve Güven Arasındaki İlişkiler Kullanılarak Yapay Sinir Ağları ve Çoklu Doğrusal Regresyon Yöntemlerinin Karşılaştırılması, Uluslararası İktisadi ve İdari İncelemeler Dergisi, 10 (135-154) İntelligent Methods, Renewable Energy, 34 (845-848) NABİYEV, V., (2010). Yapay Zekâ: İnsan- Bilgisayar Etkileşimi, 3. Baskı, Seçkin Yayıncılık, Ankara ZORLU, K., (2012b). The Perception of SelfEsteem and Self-Efficacy as Transforming Factors in the Sources of Role Stress and Job Satisfaction Relationship of Employees: A Trial of a Staged Model Based on the Artificial Neural Network Method, African Journal of Business Management, 6(8) (3014-3025) OKKAN, U., VE MOLLAMAHMUTOĞLU, A., (2010). Yiğitler Çayı, Günlük Akımlarının Yapay Sinir Ağları ve Regresyon Analizi İle Modellenmesi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23 (33-48) PHİLİPPOPOULOS, K., VE DELİGİORGİ, D., (2012). Application of Artificial Neural Networks for the Spatial Estimation of Wind Speed in a Coastal Region with Complex Topography, Renewable Energy, 38 (75-82) ZORLU, K., (2012c). A Comparative Study of Using The Methods of Multiple Linear Regression and Artificial Neural Networks in Organizational Correlations for the Fields of Management and Organization, Uluslararası Yönetim İktisat ve İşletme Dergisi, 8 (17) (1-25) STOVER, D., (1995). The Forecast for Wind Power, Popular Science, 247 (65-72) YURDUSEV, M.A., ATA, R., VE ÇETİN, N.S., (2006). Assessment of Optimum Tip Speed Ratio in Wind Turbines Using Artificial Neural Networks, Energy, 31 (2153-2161) 37 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ ZEOLİTİK TÜF KATKISININ BETONARME ÇELİĞİ KOROZYON ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN ELEKTROKİMYASAL EMPEDANS SPEKTROSKOPİSİ (EIS) YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ AN INVESTIGATION WITH METHOD OF ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY (EIS) EFFECT OF ZEOLITIC TUFF ADDITION ON CORROSION OF REINFORCED CONCRETE Hadaan TABAN1, Hacer ÇOLAK1 1 Kilis 7 Aralık Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Özet: Zeolitik tüfler; zeolit minerali içeren, gözenekli ve doğal volkanik tüflerdir. Alkali ve toprak alkali katyonların sulu alüminosilikatlarıdır. SiO4 ve AlO4 dörtyüzlülerinin üç boyutta sonsuz bağlanmaları ile oluşan temel silikat yapısına sahiptir. Betonun dayanıklılığı ve geçirimliliği arasındaki ilişkiye göre yüksek silis bileşimine sahip zeolitik tüf (ZT) katkısı beton boşluklarının azalmasını sağlamaktadır. Bu çalışmada, beton dayanıklılık özelliklerini iyileştirmek aynı zamanda betonarme çeliğini korozyona karşı koruyabilmek için ZT katkısı CEM I 42,5 R çimentosuyla ağırlıkça % 0, % 10 ve % 20 oranlarında yer değiştirilerek 50×100 mm silindir boyutlarında betonarme örnekler üretilmiştir. Betonarme çeliğinin elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri üç elektrot yöntemi ile % 3,5 NaCl içeren korozif ortamda bilgisayar kontrollü olarak yapılmıştır. Betonarme örneklerin 1., 3., 28., ve 60. günlerde elde edilen Nyquist ve Bode diyagramlarına göre; %20 ZT katkılı betonların tüm günlerde betonarme çeliğine korozyona karşı en iyi koruma sağladığı görülmüştür. Abstract: Zeolitic tuffs (ZT) are porous and natural volcanic tuffs that contain zeolite mineral. Zeolitic tuffs are aqueous aluminosilicates of alkali and earth alkaline cations. SiO4 and AlO4 tetrahedrons connect to an infinite three-dimensional structure with the features of a basic silicate. According to the relationship between resistance and permeability of concrete; zeolitic tuff (ZT) with a mix of high-silica provides to reducing pores in concrete. In this context, to improve the durability of concrete and to protect reinforced concrete steel against corrosion at the same time ZT was replaced with CEM I 42,5 R in ratio % 0, % 10 and % 20 by weight were produced 50×100 mm specimens of cylinder reinforced concrete. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements of reinforced concrete steel was conducted with the three-electrode method as a computer-controlled corrosive medium containing 3,5 % NaCl. 1, 3, 28, and 60 days of specimens reinforced concrete according to Nyquist and Bode diagrams, reinforced concrete steel was found that the best protection against corrosion by concrete with ZT addition in ratio of % 20 all the days. Anahtar Kelimeler: Zeolitik Tüf (ZT), Çimento, Betonarme Örnek, Üç Elektrot Yöntemi, Elektrokimyasal Empedans Epektroskopisi (EIS), Nyquist Diyagramı, Bode Diyagramı Key Words: Zeolitic Tuff (ZT), Cement, Reinforced Concrete, Three Electrode Method, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) , Nyquist Diagram, Bode Diagram 38 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ Zeolitik tüflerin aktivitesinin fazla olması genel olarak zeolitlerin mikro-gözenekli yapısıyla ilişkilendirilmektedir. Mikro-gözeneklilikten dolayı zeolitler difüzyon-kontrollü tane yüzeyinde meydana gelen reaksiyon yoluyla ortamdaki kireçle etkin bir şekilde reaksiyona girerek bağlayıcı jeller oluşturmaktadır. Zeolit içindeki büyük miktarda reaktif SiO2 bileşeni; çimentonun kimyasal hidratasyonu sonucu oluşan CSH jel formu, Ca(OH)2 ve su ile birleşir. Bu reaksiyonlar sonucunda ortaya CSH benzeri ürünler çıkar ve toplam gözenek içeriğinin azalması ile sürekli iletken yollar kapanır (Caputo vd., 2008; Taban, 2010). Zeolitik tüf-kireç karışımı çok eski çağlardan günümüze kadar yapı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bugün 50 den fazla doğal ve 150 kadar sentetik zeolit minerali çeşitli sektörlerde uygulama alanı bulmuştur. Doğal zeolit dünyanın bazı bölgelerinde çimento sanayisinde popüler bir doğal puzolan olarak kullanılmaktadır (Feng ve Peng, 2005; Poon vd., 1999). Doğal zeolitler içinde en yaygın olanları; Klinoptilolit, Analsim, Holandit, Şabazit, Eriyonit, Mordenit’dir. Klinoptilolitin değişebilir katyonları Na+, K+, Ca2+ ve Mg2+ ’dır (Dyer, 1988). Diğer puzolanik malzemeler gibi doğal zeolitin çimento ile yer değiştirmesi sonucunda çimento ve beton kompozitlerin mekanik özellikleri iyileştirebilir. Bu şekilde taze betonda çökmenin azalıp ve su ihtiyacının artmasına rağmen, çimentoyla ağırlıkça % 10 oranında zeolitin yer değiştirmesi ile yeterli miktarda süper akışkanlaştırıcı kullanılarak yüksek dayanımlı (80 MPa üzeri) ve akışkan (çökme 180 mm) beton üretilebilir. Çimento içerisine doğal zeolit ilavesi ile taze betonun vizkozitesi arttığı için akışkan taze betonda ayrışma azalmaktadır. Ayrıca doğal puzolanlar katkılı çimentoların geçirgenliğinin azalmasını ve portland çimentosuna göre de sülfat etkisi gibi kimyasal etkilere karşı daha dayanıklı olmalarını sağlamaktadır (Feng vd., 1990; Massazza, 1999). Volkanik veya volkano-sedimanter malzeme olan doğal zeolitler üç boyutlu kafes yapısına sahiptir, alkali ve toprak alkali katyonların sulu alüminosilikatlarıdır. Genel yapısal formülleri x[(M1+, M1/2 2+) (AlO2)].y SiO2 . zH2O şeklindedir. Burada M+ genellikle tek değerli katyonlar olan Na+, K+, Li+’u; M2+ ise genellikle çift değerlikli katyonlar olan Ca+2, Mg+2, Fe+2, Ba+2, Sr+2’u temsil eder (Yücel, 1987). Zeolit kristalinin en küçük yapı birimi SiO4 ya da AlO4 dörtyüzlüsüdür. Bu dörtyüzlülerin değişik şekilde uzayda birleşmelerinden zeolitin gözenek ve kanallar içeren kristal yapısı meydana gelir (Dyer, 1988). Kristaller bal peteği şeklinde son derece küçük gözenekli ve kanalları 3×10-4- 4×10-4 mikron büyüklükleri arasında değişen bir yapıya sahiptir. Toplam özgül yüzeyi 35-45 m2/g’dır. Bu nedenle zeolit kristal yapısında büyük değişikler olmadan bileşimindeki katyonlar yer değiştirebilir. Silis dumanı, uçucu kül ve doğal puzolanlar gibi puzolanik malzemelerin reaktif bileşenleri ise çoğunlukla camsı veya amorfdur (Mindess, 2002; Mumpton, 1993). Çok sayıda araştırmada doğal zeolitin betonda alkali silika reaksiyonu nedeniyle oluşan zararlı genleşmeleri engellediği doğrulanmıştır. Alkali silika reaksiyonunun doğal zeolitle kontrol edilebilmesinin mekanizması; zeolitin puzolanik reaksiyon, adsorbsiyon ve iyon değişimi ile gözenek çözeltisindeki alkalin iyon (Na+, K+) 39 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com konsantrasyonunu azaltması ile açıklanabilir (Gökçe vd., 2010). araştırılmıştır. Elektrokimyasal ölçümler için CEM I 42,5 R çimentosu yerine % 0, % 10 ve % 20 oranlarında ZT ilave edilerek 50×100 mm boyutlarında 12 adet silindir betonarme örnekler üretilmiştir. Betonun en zayıf özelliklerinden biri çekme gerilmesinin düşük olmasıdır. Betonun çekme ve eğilme gerilmelerini karşılayabilmesi için çelik çubuklar yerleştirilerek betonarme sistem oluşturulmuştur. Çelik ve beton arasında iyi bir aderans olduğu zaman, bu iki malzeme tek bir malzeme gibi davranış göstermektedir. Betonarme yapılarda gereken şartlar yerine getirilmediğinde donatının daha kısa sürede korozyondan etkileneceği bilinmektedir (Erdoğan, 2003). Kapsam: Betonarme örneklerin korozyon özelliklerini araştırmak için 1., 3., 28., ve 60. günlere ait Nyquist ve Bode diyagramları değerlendirilmiştir. Yöntem: Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) çeşitli tekniklerle ölçüm sonuçlarını değerlendiren ve hatasız kinetik sonuçlar veren çok yararlı bir elektrokimyasal yöntemdir. Alternatif akım (AC) kullanılarak uygulanan elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemi, doğrusal akım (DC) yöntemlerine göre; ölçme tekniğinden gelen hataların minimum olması, reaksiyonun mekanizmasının aydınlatılması ve sistemin modellenmesi gibi konularda avantajlı olduğu için bu çalışmada kullanılmıştır. Kompozit bir malzeme olan beton içindeki çeliğin korozyonu elektrokimyasal ve kimyasal reaksiyonlar ile açıklanabilir. Çelik yüzeyinde oluşan farklı elektrokimyasal potansiyele sahip anodik ve katodik bölgeler, çimento hidratlarındaki tuz çözeltilerinin oluşturduğu elektrolit ile birleşir, donatının kendisi de elektronları ileten elektronik iletken görevini üstlenmektedir. Dış kaynaklı akımın olmadığı durumda elektrokimyasal reaksiyon için, elektronların açığa çıktığı anodik reaksiyon ve korozyonun sürekliliği için açığa çıkan elektronların tüketildiği katodik reaksiyonun olması gerekir (Cilason vd., 1986). Araştırma Problemi: Betonarme çeliğinin korozyon mekanizmasının araştırılması için, iletkenliği düşük sistemlerde de hassas ölçümler yapabilen EIS tekniği kullanılarak, elde edilen polarizasyon direnci (Rp) ve korozyon potansiyeli (Ecor) arasındaki ilişki ortaya konulmuştur. Amaç: Betonarme çeliğinde korozyon olayının izlenmesi için farklı yöntemler kullanılabilir. Bunlar; açık devre potansiyeli (OCP) ölçümleri, kronoamperometrik ölçümler, yüzey potansiyeli (SP) ölçümleri, beton direnç ölçümü, doğrusal polarizasyon direnci (LPR) ölçümü, Tafel ekstrapolasyon, elektrokimyasal gürültü ölçüm teknikleri (ENT), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) gibi uygulamalardır. Bu çalışmada, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçüm yöntemi ile betonarme çeliği korozyonu 2. MATERYAL VE METOT 2.1.Materyal Bu araştırmada; zeolitik tüf (ZT) , CEM I 42,5 R çimentosu, agrega, deniz suyu ve betonarme çeliği kullanılmıştır. Bu çalışmada kullanılan ZT örneği Balıkesir ili Bigadiç ilçesinde yüzeylenen kayaçlardan alınmıştır ve çimento katkı malzemesi olarak kullanılmak üzere öğütülmüştür. ZT örneğinin kimyasal analiz 40 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com sonuçları tablo 1’de verilmiştir. Kimyasal analiz sonucu elde edilen değerler TS 25’te belirtilen kimyasal özellikler ile karşılaştırdığında; ZT örneğinin SiO2+Al2O3+Fe2O3 içeriğinin % 77,08 değerine ulaştığı ve standart değerlerin üzerinde olduğu ve SO3, MgO içeriğinin standart değerlerin altında kaldığı görülmektedir. Tablo 1. ZT Örneğinin Kimyasal Analiz Sonuçları SiO2 (%) Al2O3 (%) Fe2O3 (%) CaO (%) MgO (%) SO3 (%) Na20 (%) K20 (%) Kızdırma kaybı (%) Toplam (%) 64,59 11,09 1,40 3,59 2,94 0,15 0,00 3,45 5,17 93,19 TS 25 Zeolitik tüf örneği Si02+Al203+Fe203 (%) >70 77,08 MgO (%) <5 2,94 SO3 (%) <3 0,15 ZT örneğinin özgül ağırlığının 2,30 g/cm3, özgül yüzeyinin 6333 cm2/g puzolanik aktivite deneyi sonucuna göre eğilme ve basınç dayanımı değerlerinin sırasıyla 2,1 ve 8,5 MPa olduğu bulunmuştur. Çalışmada; tablo 2’de kimyasal özelikleri verilen, Set Çimento tesislerinden temin edilen CEM I 42,5R çimentosu kullanılmıştır. Tablo 2. Çimentonun Kimyasal, Fiziksel Ve Mekanik Özellikleri Kimyasal özellikler (%) Fiziksel özellikler Mekanik özellikler (MPa) Kalsiyum oksit (CaO) 63,35 Özgül ağırlık (g/cm3) 3,10 Gün Basınç Eğilme Silisyum oksit (SiO2) 20,35 Özgül yüzey (cm2/g) 3200 7 47,2 7,1 Alüminyum oksit (Al2O3) 5,98 Hacim genleşmesi (mm) 3 28 57,0 10,2 Demir oksit (Fe2O3) 3,06 Priz Başlangıcı (dak) 200 Magnezyum oksit (MgO) 1,89 Priz sonu (dak) 310 Sodyum oksit (Na2O) 0,58 Potasyum oksit (K2O) 0,88 SO3 2,89 Kızdırma kaybı 0,50 Çözünmeyen kalıntı 0,52 Bu çalışmada karışım suyu ve korozif ortam olarak Balıkesir Edremit Körfezi deniz suyu kullanılmıştır. Deniz suyunun kimyasal özellikleri tablo 3’te verilmiştir. 41 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Tablo 3. Deniz Suyunun Kimyasal Özellikleri Bileşenler Miktar (mg/lt) Mg+2 1460 S04-2 2832 Cl- 18671 Na+ 11860 Ca+2 540 NH4 0,003 CO2 4,49 Çalışmada tablo 4’te verildiği üzere Set Beton firmasından temin edilen 0-4 mm, 4-12 mm ve 12-22 mm olmak üzere üç farklı grup kırmataş agrega kullanılmıştır. Tablo 4. Agreganın Özellikleri Agrega boyutu (mm) Elek serisi (mm) 0,25 0,5 1 2 4 8 12 16 22 % Geçen 0-4 20,8 29,3 45,5 70,4 99,3 100 100 100 100 4-12 0 0 0 1,6 4,3 66,3 99,2 100 100 12-22 0 0 0 0 0 2,1 17,2 72,3 100 Agrega boyutu (mm) Özgül ağırlık Su emme (%) Gevşek birim hacim ağırlık (g/ cm3) Sıkışık birim hacim ağırlık (g/ cm3) 0-4 2,68 0,62 1719,0 1937,6 4-22 2,70 0,45 1414,3 1611,3 12-22 2,70 0,38 1379,6 1640,6 Korozyon ölçümleri için kullanılacak olan nervürlü betonarme çeliği, 142,5 mm uzunluğunda kesilmiştir. Bir ucu çapı 7,30 mm ve boyu 15,5 mm olacak şekilde tornalanarak mekanik olarak temizlenmiştir. Çeliğin diğer ucunda, 3 mm genişliğinde ve derinliğinde yiv açılmıştır. Korozyon ölçümlerini yapabilmek için açılan Losangeles (LA) 18,7 (10/14) bu yive yumuşak bakır tel bağlanmıştır. Daha sonra çelikler, tornalanan kısım boyanmayacak şekilde önce antipas boya daha sonra epoksi boya ile boyanmıştır. Boyama işi bittikten sonra açık olan kısmın alanı 3,97 cm2 olarak hesaplanmıştır. Deneysel çalışmada kullanılan betonarme çeliğinin boyutları kimyasal bileşimi tablo 5’te verilmiştir. Tablo 5. Betonarme Çeliği Kimyasal Bileşimi Oksit C Si Mn P S Cr Cu Ni N Fe (%) 0,19 0,20 0,80 0,026 0,048 0,07 0,29 0,14 0,010 98,226 42 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com 2.2. Kullanılan Cihazlar deneysel bulgularda ZT0, ZT10 ve ZT20 sırasıyla; katkısız numuneyi, CEM I 42.5 R çimentosuna %10 ve % 20 ZT ikame edilen numuneleri temsil etmektedir. Elektrokimyasal ölçümler için korozif ortam olarak deniz suyu kullanılmıştır. Deneysel çalışmada potansiyostat cihazı, referans elektrot ve karşı elektrot kullanılmıştır. Referans elektrot olarak doygun kalomel elektrot (SCE) kullanılmıştır. Karşı elektrot olarak ise 1,8 cm2’lik yüzey alanına sahip platin levha kullanılmıştır. 2.3.1. Beton Karışım Hesabı 2.3. Metot Beton karışım hesabında en büyük tane çapı (dmax) 16 mm ve agrega tane sınıfları 0–4 mm % 33, 4–12 mm % 20, 12–22 mm % 47, s/ç oranı 0,44 (sabit), çökme değeri 70 mm, karışım suyu 167 lt/m3 (sabit), çimento miktarı 380 kg/m3 olarak hesaplanmıştır. Beton karışım hesabına ait malzeme miktarları tablo 6’da verilmiştir. Bu çalışmada elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri için CEM I 42,5 R çimentosu yerine % 0, % 10 ve % 20 oranlarında ZT ilave edilerek 50×100 mm boyutlarında 12 adet silindir betonarme örnekler üretilmiştir. Bütün Tablo 6. Malzeme Miktarları Agrega (kg) ZT katkı Oranı (%) ZT miktarı (kg) Çimento miktarı (kg) Su miktarı (kg) Su/Bağlayıcı 0-4 4-12 (mm) 12-16 611 373 875 CEM I 42,5 0 380 167 0,44 611 373 875 10 38 342 167 0,44 611 373 875 20 76 304 167 0,44 611 373 875 30 114 266 167 0,44 611 373 875 40 152 228 167 0,44 2.3.2. Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) Ölçümleri lindir betonarme örnekler ve betonarme çeliğinin beton içindeki durumu şekil 1’de görülmektedir. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ölçümleri için üretilen ZT0, ZT10 ve ZT20, si- 43 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com göstermesi durumunda daha sağlıklı olarak kullanılabilir. Ancak malzemede lokalize korozyon daha belirgin ise Tafel ekstrapolasyon yöntemine göre elde edilecek kantitatif bulguların doğruluğu azalır (Taban, 2010). Bu nedenle son yıllarda yaygın olarak DC uygulamalı polarizasyon direnci belirleme yöntemleri yerine AC uygulamalı polarizasyon direnci belirleme yöntemleri kullanılmaktadır. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) olarak adlandırılan bu yöntem ile metal yüzeyine uygulanan küçük genlikli AC yüzey yapısını fazla değiştirmeyeceği için daha doğru sonuç vermesi beklenmektedir. Ayrıca AC empedans yöntemi özellikle empedansın yüksek olduğu veya iletkenliğin çok düşük olduğu ortamlarda donatı/beton ara yüzeyine ait polarizasyon direnci ve kapasitans özellikleri hakkında bilgi vermektedir (MacDonald, 1991; Lemoine vd., 1990). Şekil 1. 50×100 Mm Betonarme Silindir Örnekler Ve Betonarme Çeliğinin Beton İçindeki Durumu EIS ölçümleri için üç elektrotlu ölçüm tekniğine göre; çalışma elektrotu olarak korozyonu ölçülecek betonarme çeliği, karşı elektrot olarak platin ve referans elektrot olarak da doygun kalomel elektrot kullanılmıştır. EIS yöntemi kullanılarak Nyquist diyagramları 105-10-2 Hz frekans aralığında 10 mV genlik kullanılarak elde edilmiştir. Elde edilen Nyquist diyagramlarından ilgili empedans parametreleri belirlenmiştir. DC yerine AC kullanılması ile çok düşük frekanslarda ölçümler yapılarak son derece küçük korozyon hızları belirlenebilmektedir. Korozyon sistemi direnç, kapasitans ve indüktansın bileşiminden oluşan eşdeğer bir elektrik devresi ile modellenip devreye ait toplam empedans (Z) ölçülmektedir. Empedansın gerçek (reel) ve sanal (imajiner) olmak üzere iki bileşeni olduğu için kompleks düzlem kavramı ile ifade edilir ve bunun için Nyquist ve Bode diyagramlarından yararlanılmaktadır. Aktif korozyonun olduğu durumlarda gerçek ve sanal empedans arasındaki ilişki genellikle yarım daire biçiminde olmaktadır (MacDonald, 1991; Lemoine vd., 1990). Betonarme çeliğinin korozyon hızı ölçümlerinde farklı elektrokimyasal yöntemler kullanılabilir. Doğrusal polarizasyon direnci yöntemine göre (Stearn- Geary yöntemi) çalışma elektroduna ait (korozyonu incelenecek malzeme) akımpotansiyel ilişkisi açık devre potansiyelinin ±10 mV civarındaki 20mV’luk küçük bir potansiyel aralığında gerçekleştirilir. Elektrotlara Stern-Geary uygulamasına göre daha büyük bir potansiyel aralığında polarizasyon uygulanması sonucu elde edilen akım-potansiyel eğrilerinin yarı logaritmik skalada değerlendirilmesi ile Tafel ekstrapolasyon yöntemi elde edilir. Bu yöntem korozyonu incelenecek malzemenin genel korozyon özelliği Betonarme çeliği korozyonunun elektrokimyasal ölçüm parametreleri başlıca R (direnç), E (potansiyel) ve I (akım) değerleridir. Bu değerler 44 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com ıslak ve kuru betonlar için büyük değişimler göstermektedir. Ohm kanununa göre; tuzlu su içindeki beton ortamında demir üzerinde oluşan filmin direnci (Rfilm) ve betonun direnci (Rbeton) göz önüne alındığında eşitlik (Rfilm+Rbeton=E / I) şeklini almaktadır. Fakat bu ideal koşullar için söz konusudur. AC kullanımında, frekansın sıfır değerine eşit olmadığı durumlarda veya sistemde başka tür devre elemanlarının olması durumunda ortaya empedans kavramı (Z=E/I) çıkmaktadır (Taban, 2010; Walter, 1986). bağlıdır. Sınırlandırılmış alan (A), uzunluk (L) , özgül direç (p) ile gösterilirse çözelti direnci Rs= p (L/A) formülü ile hesaplanır. Çözeltinin iletkenliği, direncin tersi olarak tanımlanır (Cottis ve Turgoose, 1999). Elektrokimyasal bir sitemde, metal-çözelti ara yüzeyinde normal direnç etkisi ile birlikte kapasitif direnç RC (çift tabaka kapasitesi Cdl), metal/dış Helmholtz tabakası (OHP) arasındaki indüktif direnç ise difüz tabaka ve çözelti içine doğru olan bölgelerde şekil 2.a’da görüldüğü gibi etkin olmalıdır. EIS uygulamasında tüm dirençler dikkate alındığında metal/çözelti ara yüzeyinde şekil 2.b’de verildiği gibi elektronik eşdeğer devre tasarlanarak toplam direnç belirlenebilir. Yüzey kaplaması olmayan metal-çözelti ara yüzeyi için, indüktif etki (RL) ihmal edilebilir (Erbil, 2002; Mansfeld, 1990). Çözelti direnci elektrokimyasal bir hücrenin EIS ölçümlerinde önemli bir faktördür. Üç elektrotlu bir sistemde çözelti direnci potansiyostatta karşı elektrot ile referans elektrot arasında ölçülür. Ayrıca referans elektrot ile çalışma elektrot arasında çözelti direnci de dikkate alınmalıdır. İyonik çözeltideki direnç; iyon konsantrasyonuna, sıcaklığa ve alana Şekil 2. Elektrokimyasal Bir Sistemde: (A) Metal-Çözelti Ara Yüzeyindeki Potansiyel Dağılımı (B) Metal-Çözelti Ara Yüzeyinin Elektronik Eşdeğer Devre Şeması (RS: Çözelti Direnci, RC/Cdl: Çift Tabakanın Kapasite Eşdeğeri, RP: Polarizasyon Direnci, RL: İndüktif Direnç) Metal-çözelti ara yüzeyinde metalin ortamla etkileşimini engellemeye yönelik bir perdeleme varsa; örneğin korozyon ürünlerinden oluşan bir birikinti, inhibitörün yüzeyde ince polimerik bir film oluşturması, polimer filmi ile kaplama, boyama ve beton içinde bulunan betonarme çeliğinin korunmasında eşdeğer devre üzerinde yeni elemanlar eklenerek devre genişletilebilir. Perde etkisi yapan yüzey oluşumu basit bir direnç olabileceği gibi, indüktif ve kapasitif etkileri de olabilir. Bunlardan bazıları duruma göre ihmal edilebilir. Metal yüzeyinde olası bir koruyucu film ya da kaplama varsa aşağıdaki şekilde bir eşdeğer devre şekil 3’te görüldüğü gibi tasarlanabilir (Erbil, 2002). 45 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 4. AC Yöntemiyle Elde Edilen Kompleks Diyagramın Şematik Gösterimi-Nyquist Diyagramı Şekil 3. Metal Yüzeyinde Olası Bir Koruyucu Film Ya Da Kaplama Olduğu Durumlarda Tasarlanan Eşdeğer Devre.(Cdl: Çift Tabaka, Cf: Kaplama (Film) Kapasitesi, Rp: Çift Tabaka Polarizasyon Direnci , Rf : Filmin Polarizasyon Direnci, Lf : Filmin İndüktansı, Rs: Çözelti Direnci) Nyquist eğrisi daha önce de söz edildiği gibi AC empedans veri değerlendirmeleri için kullanılan yaygın bir tekniktir. Yukarıdaki grafikten çözelti direnci (Rs ) ve polarizasyon direnci (Rp ) değerleri bulunabilir (Mansfeld, 1990). Böyle bir elektronik devre için toplam empedans (Z) aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir: Rp Z= Rs + 1 + jωCR p (1) Teorik olarak AC yöntemiyle verilen polarizasyon direnci ( R pac ) ile korozyon potansiyeli (Ecor) arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir. E ac R= E Ecor + Rd ( ).= p di (4) w = 2πf (2) Bu bağıntıdaki (Rd) difüz tabaka direncinin belirlenmesi teorik olarak güçtür. Difüz tabaka direncini (Rd) bulmak için teorik olarak elde edilmesi beklenen eğri (yarım daire) ile deneysel olarak elde edilen eğriler arasındaki sapmanın kaynağını bulmak gerekir. Bu nedenle yukarıdaki diyagramın daha çok düşey eksenindeki empedansın sapan kısmı için bazı düzeltme faktörleri sayesinde elektrokimyasal yolla çözünmekte olan metalin korozyon hızı için güvenilir bilgiler edinilebilir. w; AC frekansı, C; kapasitif direnç ve j=(-1)1/2’dir. Yukarıdaki bağıntı aşağıda verildiği gibi düzenlenebilir: Rp ωCR p 2 − Z= Rs + j 1 + (ωCR p ) 2 1 + (ωCR p ) 2 (3) Bu bağıntının sağ tarafındaki ilk iki terim reel empedans (Zre), son terim ise imajiner empedans (Zim) olarak tanımlanır. Bu şekilde elde edilen deneysel veriler grafiğe geçirildiğinde şekil 4’te verilen kompleks bir diyagram (Nyquist diyagramı) elde edilir. Nyquist eğrilerinden direnç değerlerini tam olarak belirlemek zor olduğu için özellikle yüksek frekans bölgesinde metal yüzeyi hakkında bilgi edinmek 46 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com için reel direncin (Zre) frekansla değişimini gösteren Bode eğrilerinden yararlanılır Bode eğrisi de empedans (|Z|) ve çift tabaka kapasitansının (Cdl) bulunmasında kullanılan diğer bir grafiktir. “Cdl=1/Z” formülü bize çift tabaka kapasitans değerini verir. Yine bu grafikten Rp ve Rs değerleri bulunabilir (Erbil vd., 2008). neer değilse (elektrokimyasal hücrelerde olduğu Elektrik akım teorisi lineer ve lineer olmayan sistemler arasındaki farkı belirtir. Lineer sistemde potansiyostata bağlı bir elektrokimyasal hücrede giriş potansiyel, çıkış akım olur. Eğer sistem li- ile analiz edilirler. Bu modeldeki elektriksel gibi) akım olarak verilen eğri harmonik olur. EIS ölçümlerinde sistemde değişiklik olmaması gerekir. Fakat ölçüm boyunca sistemin sabit kalması beklenemez. Bu yüzden elektrokimyasal empedans analizleri her zaman kesin sonuç vermeyebilirler. EIS verileri genellikle elektriksel devre modeli birimler; direnç, indüktör ve kapasitörler tablo 7’ de verildiği gibi gruplandırılabilir (Kendig ve Scully, 1990; Erbil, 1987). Tablo 7. Elektriksel Birimler Bileşen Akım-Potansiyel ilişkisi Empedans Direnç E=IR Z=R İndüktör E=Ldi/dt Z=jwL Kapasitör I=C de/dt Z=1/jwC 3. DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA dikkate alınması gerekmektedir. Bununla birlikte yüzeydeki birikintilerin direnci, (korozyon ürünleri, iyonlar, inhibitör molekülleri vb gibi) yüzeyde oluşan filmin direnci gibi diğer dirençlerin katkısı da unutulmamalıdır. Dolayısı ile gerçek empedans ekseninde en düşük ve en yüksek frekanslar arasındaki fark bütün bu dirençlerin katkısı olan polarizasyon direnci (Rp) olarak düşünülmelidir. Çift tabakada metal tarafında yükü oluşturan elektronların çapı, çift tabakanın çözelti tarafında yükü oluşturan iyonlardan çok daha düşüktür. Dolayısı ile çift tabakadaki yükü dengelemek için iyonlar dış Helmholtz tabakasından çözelti içerisine doğru sıralanmakta ve bu da ideal bir kapasitör oluşumunu engellemektedir. Elde edilen Nyquist eğrisinin yarım daireden sapmasının nedeni de bu olmalıdır. Elde edilen Nyquist eğrilerini açıklamak için yarım-elips modeli kullanılmıştır (Erbil, 1987). 3.1.Serbest Korozyon Ortamındaki Betonarme Örneklerin Nyquist Diyagramına Göre Empedans (EIS) Eğrilerinin Değerlendirilmesi Serbest korozyon ortamındaki betonarme çeliğinin % 3,5 NaCl içeren korozif ortamda 105-10-2 Hz frekans aralığında 10 mV genlik kullanılarak elde edilen 1., 3., 28. ve 60. günlerde Nyquist ve Bode diyagramları şekil 5 ve şekil 6’da verilmiştir. Korozyon reaksiyonu, metal/çözelti ara yüzeyinde gerçekleşen yük transferi kontrolünde olduğu zaman elde edilen eğrinin gerçek empedans ekseninde en düşük ve en yüksek frekans bölgeleri arasındaki fark (eğrinin çapı) yük transfer direncine karşılık gelir. Ancak korozyon sırasında metal/çözelti ara yüzeyinde iyon difüzyonundan kaynaklanan dirençlerin de (difüzyon direnci) 47 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 5. ZT0, ZT10, ZT20 Numunelere Ait Betonarme Çeliğinin % 3,5 Nacl İçeren Korozif Ortamda 1., 3., 28. Ve 60. Günlerde Nyquist Diyagramı Şekil 6. ZT0, ZT10, ZT20 Numunelere Ait Betonarme Çeliğinin % 3,5 Nacl İçeren Korozif Ortamda 1., 3., 28. Ve 60. Günlerde Bode Diyagramı Şekil 5 ve şekil 6’da verilen serbest korozyon ortamındaki ZT0, ZT10, ZT20 numunelere ait betonarme çeliğinin % 3,5 NaCl içeren korozif ortamda 1., 3., 28. ve 60. günlerde Nyquist ve Bode diyagramları ve elde edilen EIS verileri (tablo 8) incelendiğinde; 1. günden itibaren betonarme çeliği üzerinde oluşan polarizasyon direncinin (Rp) tüm numunelerde 28. güne kadar azaldığı ve sonra arttığı görülmektedir. Tablo 8. % 3,5 Nacl İçeren Korozif Ortamda ZT0, ZT10, ZT20 Numunelere Ait Betonarme Çeliğinin EIS Verileri Numune türü 1. gün Rp 3. gün Rp 28. gün Rp 60. gün Rp (kohm.cm2) (kohm.cm2) (kohm.cm2) (kohm.cm2) ZT0 207,629 14,494 2,467 3,328 ZT10 228,423 20,176 3,018 3,775 ZT20 312,272 22,154 3,596 4,169 48 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com Bu verilere göre betonarme çeliğinin yüzeyinde 28. güne kadar kararlı bir pasif tabakanın oluştuğu ve sonrasında pasif tabakanın zamanla kararlılığını koruduğu anlaşılmaktadır. Bununla birlikte bir numunede başlangıçtaki korozyonun büyük olması korozyonun aynı hızla devam edeceği anlamına gelmez. Hızlı başlayan korozyon ile eş zamanlı olarak yüzeyde düzgün ve dirençli bir oksit yapılanması da oluyorsa, ilerleyen zamanda ara yüzeyden geçen akım ve elektriksel yüklerin azalması ve direncin artması da izlenebilir. Bu durumda oksit film başlangıca göre ince de olabilir ancak korozyon bir şekilde engellenmiştir (Taban, 2010). Tüm Nyquist diyagramlarında, yüksek frekans bölgelerinde ikinci bir loop görülmektedir. Bu bölgenin temsil ettiği direnç beton örtünün direnci yani (Rd) difüz tabaka direncidir. Bu direnç beton olgunlaşma süreci tamamlandığında oluşan ve beton porlarının tıkanmasına paralel gelişen oldukça büyük bir dirençtir. 4. SONUÇLAR Serbest korozyon ortamındaki betonarme çeliğinin % 3,5 NaCl içeren korozif ortamda 105-10-2 Hz frekans aralığında 10 mV genlik kullanılarak elde edilen tüm numunelere ait 1., 3., 28. ve 60. günlerde Nyquist ve Bode diyagramları ve elde edilen EIS verileri incelendiğinde; 1. günden itibaren betonarme çeliği üzerinde oluşan polarizasyon direncinin (Rp) tüm numunelerde 28. güne kadar azaldığı ve sonra arttığı görülmektedir. Zeolitik tüfün puzolanik etkisi ile jelleşme reaksiyonunun sürekli olarak devam etmesi ile betonun mikro homojenlik kazanarak porozitenin azalması ve ayrıca zeolitik tüf katkısının iyonik özelliği betonarme çeliği üzerindeki koruyucu pasif tabakanın kararlılığını özellikle 28. günden sonra sağlamaktadır. Betonun boşluklarını kapatan zeolitik tüf sulu ortamın aktifliğini düşürmekte, oksit filminin direncini arttırmakta özellikle klorür iyonlarının betonarme çeliğine difüzyonunu engellemektedir. Zeolitik tüfün puzolanik etkisi ile jelleşme reaksiyonunun sürekli olarak devam etmesi ile beton mikro homojenlik kazanarak porozite azalır. Zeolitik tüf katkısının iyonik özelliği betonarme çeliği üzerindeki koruyucu pasif tabakanın kararlılığını özellikle 28. günden sonra sağlamaktadır. Bu etkilere karşı betonarme çeliğine en iyi koruma sağlayan ZT20 numunelerin polarizasyon dirençlerinin (Rp) en yüksek olduğu görülmektedir. Bu durumu betonarme çeliği üzerinde oluşan polarizasyon direncinin (Rp) 60. günde artması ispatlamaktadır. Korozyonun engellenmesi; filmin direnç kazanması (direnç polarizasyonu/Rfilm), korozif maddelerin ara yüzeye difüzyonunun engellenmesi (difüzyon kontrollü korozyon) ve ara yüzeydeki korozif maddelerin aktifliğinin azalması (aktivasyon polarizasyonu) ile açıklanabilir. Bu etkilere karşı betonarme çeliğine en iyi koruma sağlayan ZT20 numunelerin polarizasyon dirençlerinin (Rp) en yüksek olduğu görülmektedir. Başlangıç hidratasyon sürecinde çimento partikülleri yeteri kadar hidrate olmamıştır ve genleşmeleri yeterli değildir. Çimento partiküllerinin arası su ile doludur ve Nyquist diyagramında kapasitif loop görülmez. Puzolan (zeolitik tüf) ilavesi ile çimento matriksinin mikro gözeneklerinin kapanması (hidratasyon sonucunda) ve porozitenin azalması ile Nyquist diyagramlarında yüksek frekans bölgelerinde görülen ikinci loop beton 49 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com örtünün direncini yani (Rd) difüz tabaka direncini temsil etmektedir. ERDOĞAN, T. Y., (2003). Beton. Ankara: ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık KAYNAKLAR FENG, N.Q., & PENG, G.F., (2005). Applications of natural zeolite to construction and building materials in China. Construction and Building Materials, 19(8), 579-584. doi: http://dx.doi. org/10.1016/j.conbuildmat.2005.01.013 CAPUTO, D., LIGUORI, B., & COLELLA, C., (2008). Some advances in understanding the pozzolanic activity of zeolites: The effect of zeolite structure. Cement and Concrete Composites, 30(5), 455-462. doi: http://dx.doi. org/10.1016/j.cemconcomp.2007.08.004 FENG, N., LI, G., ZANG, X., (1990). HighStrength and Flowing Concrete with a Zeolitic Mineral Admixture. American Society for Testing and Materials, 12(2), 61-69 CILASON N., K., F., AKSÖZ, B., (1986). Betonda Korozyon. Paper presented at the TMMOB XIII. Teknik Kongre GÖKÇE, S., TABAN, H., ŞIMŞEK, O., (2010). Determination of Alkali- Silica Reaction Effects of Zeolitic Tuff Addition on The Different Aggregates. The Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 25(4), 803-809 COLELLA, C., (2005). NATURAL ZEOLITES. IN J., ČEJKA & H. V., BEKKUM (EDS.), Studies in Surface Science and Catalysis (Vol. Volume 157, pp. 13-40): Elsevier COTTIS R., T., S., (1999). Electrochemical Impedance and Noise. 1440 South Creek Drive, Houston: NACE International. KENDIG, M., & SCULLY, J., (1990). Basic Aspects of Electrochemical Impedance Application for the Life Prediction of Organic Coatings on Metals. Corrosion, 46(1), 22-29. doi: 10.5006/1.3585061 DYER, A., (1988). An Introduction to Zeolite Molecular Sieves John Wiley & Sons Ltd., Chichester LEMOINE, L., WENGER, F., GALLAND, J., (1990). Study of the Corrosion of Concrete Reinforcement by Electrochemical Impedance Measurement Corrosion Rates of Steel in Concrete (pp. 118-133): ASTM STP 1065 ERBIL, M., (1987). Alternatif Akım (A.C.) İmpedansı Yöntemiyle Korozyon Hızı Belirlenmesi. Doğa, 3, 100-111 ERBIL, M., (2002). Korozyon Hızının AC İmpedans Teknigi ile Ölçümü ve Uygulamaları MACDONALD, D., (1991). Evaluation of Electrochemical Impedance Technology for Detecting Corrosion of Rebar in Reinforced Concrete National Research Council (Vol. 1). Washington ERBIL, M., TÜKEN, T., YALÇINKAYA, S., YAZICI, B., (2008). İletken Polimerler Yardımıyla Korozyonun Önlenmesi. Paper presented at the 11. Uluslararası Korozyon Sempozyumu Bildiriler Kitabı, İzmir MANSFELD, F., (1990). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as a new tool for 50 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:12 K:38 (İnşaat Mühendisliği) & (Civil Engineering) www.hmfdergisi.com POON, C. S., LAM, L., KOU, S. C., & LIN, Z. S., (1999). A study on the hydration rate of natural zeolite blended cement pastes. Construction and Building Materials, 13(8), 427-432. doi: http://dx.doi.org/10.1016/ S0950-0618(99)00048-3 investigating methods of corrosion protection. Electrochimica Acta, 35(10), 1533- 1544. doi: http://dx.doi.org/10.1016/0013- 4686(90)80007-B MASSAZZA, F., (1999). Pozzolanas and Durability of Concrete. Çimento ve Beton Dünyası, 3(21), 19-44 TABAN, H., (2010). Farklı Oranlarda Zeolitik Tüf Katkısının Beton Özellikleri ve Betonarme Çeliği Korozyonuna Etkilerinin Araştırılması. (Doktora Tezi), Gazi Üniversitesi MINDESS, S., YOUNG, J.F., DARWIN, D., (2002). Concrete. United State of America: Prentice Hall WALTER, G. W., (1986). A review of impedance plot methods used for corrosion performance analysis of painted metals. Corrosion Science, 26(9), 681-703. doi: http://dx.doi. org/10.1016/0010-938X(86)90033-8 MUMPTON, F. A., (1993). Mineralogy and Geology of Natural Zeolites. New York: Reprint of Mineralogical Society of America’s Reviews in Mineralogy PERRAKI, T., KAKALI, G., & KONTOLEON, F., (2003). The effect of natural zeolites on the early hydration of Portland cement. Microporous and Mesoporous Materials, 61(1–3), 205-212. doi: http://dx.doi.org/10.1016/ S1387-1811(03)00369-X YÜCEL, H., (1987). Zeolitler ve Kullanım Alanları. Paper presented at the III. Ulusal Kil Sempozyumu Bildiriler 51 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ KİLİS 7 ARALIK ÜNİVERSİTESİ KAMPÜS ALANI AYDINLATMASI İÇİN HİBRİD BİR SİSTEMİN TASARIMI DESIGN OF A HYBRID SYSTEM FOR CAMPUS AREA LIGHTING OF KİLİS 7 ARALIK UNIVERSITY Hakan AÇIKGÖZ1, Hacer ÇOLAK2, Mustafa ŞEKKELİ3 Kilis 7 Aralık Üniversitesi, Elektrik-Enerji Bölümü Kilis 7 Aralık Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü 3 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 1 2 Özet: Yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi gün geçtikçe hızla artmakta ve birçok sistem de geliştirilmektedir. Bu çalışmada, güneş ve rüzgâr enerjisinden yararlanarak hibrid bir sistem oluşturulmuştur. Hibrid sistem Kilis 7 Aralık Üniversitesi Merkez Kampüsü aydınlatma sistemi için tasarlanmıştır. Hibrid sistem için Kilis Meteoroloji Müdürlüğü’nden ile ait güneşlenme süreleri ve ortalama rüzgâr hızı bilgileri alınmıştır. Bu bağlamda oluşturulan hibrid sistemin tasarımı ve aydınlatma düzeni hakkında bilgi verilmiştir. Diğer çalışmalardan farklı olarak ise, ilk olarak fizibilite çalışması yapılmış ve tasarlanan hibrid sistemin kurulacağı yerin zemin ve depremsellik özellikleri hakkında bilgi verilmiştir. Kilis ilinde meydana gelen depremlerin tarihsel ve aletsel dönemlerdeki kayıtları incelendiğinde, çok kuvvetli olmayan yer hareketlerinin gerçekleştiği görülmektedir. Ancak il civarında daha büyük depremlere neden olabilecek aktif fay hatlarının varlığı, uzak alan depremlerin etkisinin durumunu ortaya çıkarmaktadır. Bu durumun aydınlatma sistemini oluşturan direklerde yapısal analiz ve tasarımı yapılırken dikkate alınması ve yapı-zemin etkileşimi göz önüne alınarak altyapısının optimum şekilde oluşturulması gerektiği düşünülmektedir. Abstract: Interest in renewable energy sources is rapidly increasing day by day. Many systems are also developed. In this study, hybrid system has been established by using solar and wind energy. Hybrid system is designed for lighting system of Central Campus of Kilis 7 Aralık University. Sunbathing and average wind speed information have been taken from General Director of Kilis Meteorology for hybrid system. In this regard, it is given information about the design of created hybrid system and its lighting plan. As a difference from other studies, it is firstly done a feasibility study and given information about soil and sismicity characteristics in where the designed hybrid system. When analyzing the seismicity of Kilis, it has not been seen strong ground motions. But farfield earthquake effects occur by active zones caused larger earthquakes in the vicinity. This effect should be consider in lighting poles’ structural analysis and design. And it is thought the substucture should be optimally designed as consider soil-structure interaction. Key Words: Renewable Energy Systems, Hybrid System, Far-Field Eartquake Effect, Soil-Structure Interaction Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji Kaynakları, Hibrid Sistem, Uzak Alan Deprem Etkisi, Yapı-Zemin Etkileşimi 52 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ nılma ihtiyacından dolayı enerji sektöründe birçok yenilik gelmesi kaçınılmaz olmuştur. Grafik 1’de Türkiye’deki elektrik enerjisinin kurulu gücü ve bu gücün hangi enerji kaynaklarından üretildiğine dair bilgiler verilmiştir. Son yıllardaki teknolojik ilerlemelerle birlikte güneş ve rüzgâr enerjisi gibi çevre dostu enerji kaynaklarına olan ilgi artmıştır. Çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir. Güneş enerjisinin atmosfer dışındaki şiddeti 1370 W/m2 değerindedir. Fakat dünyamıza gelen güneş enerjisi şiddeti ise 0-1100 W/m2 arasındadır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiştir (Aktacir vd., 2009; Behçet vd., 2013). Günümüzün vazgeçilmez tüketim araçlarından olan elektrik enerjisi çok büyük bir miktarda fosil yakıtlarından elde edilmektedir. Fakat fosil yakıtlarının doğayı kirletmeleri, sera etkisi oluşturarak küresel ısınmaya neden olmaları gibi istenilmeyen özellikleri mevcuttur. Bu nedenle alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarının daha fazla kullanılması çok önem kazanmıştır. Mevcut enerji üretim kaynaklarının hızla tükenme eğilimi içine girmesi, hammadde fiyatlarının artması, çevreye ve insan sağlığı üzerine olan olumsuz etkileri, kullanımlarındaki bir takım zorluklar, yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmaları arttırmıştır (Aktacir vd,. 2008) Modern toplumların gelişmişlik düzeylerinin en önemli göstergelerinden olan enerjinin temiz, güvenilir ve ekonomik olarak daha verimli kulla- Grafik 1. Türkiye’deki Elektrik Enerjisi Kurulu Gücü Ülkemizin yenilenebilir enerji kaynakları yönünden dünyanın en zengin ülkelerinden olduğu bilinmektedir. Türkiye’nin Güneş enerjisinden yılda 380 milyar Kwh/yıl elektrik elde edebilecek potansiyeli mevcuttur. Şekil 1’de Türkiye’nin illere göre güneşlenme haritası verilmiştir (Anonim, 2014). 53 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Şekil 1. Türkiye’nin İllere Göre Güneşlenme Haritası Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmak için yapılan en önemli uygulamalardan biri de enerji kaynaklarının birlikte kullanıldığı hibrid sistemlerdir. Rüzgâr ve güneş enerjisi, hibrid sistem uygulamalarında en fazla tercih edilen enerji kaynaklarıdır. Her iki enerji kaynağının birbirini tamamlamasıyla toplam enerji üretimi artmaktadır (Başaran vd., 2011; Engin, 2010). Hibrid uygulamalar, özellikle yaz-kış enerji gereksiniminin olduğu ve kesintiye bir an bile yer verilmemesi ya da kurulan güneş ya da rüzgâr enerji sisteminin desteklenmesi gereken sistemlerde uygulanır. Rüzgâr hızı, güneş radyasyonu, ortam sıcaklığı ve coğrafi konum hibrid sistem kurulurken göz önünde bulundurulması gereken en önemli özelliklerdir. aşamada kurulmuştur (Anonim, 2014). Harran Üniversitesi’nde ise temiz enerjili kampüsü olma yolunda entegre bir proje stratejisi oluşturulmuştur. Entegre projenin ilk aşamasında; bölgesel güneş enerjisi potansiyelinin yüksekliği nedeniyle fotovoltaik güç uygulamalarına ağırlık verilmektedir (Yeşilata vd., 2007). Bu çalışmada Kilis ilinin güneşlenme haritasından yararlanılarak ve 2003-2014 yılları arasındaki toplam güneşlenme süreleri dikkate alınarak belirlenen güneş enerjisi ve rüzgâr enerjisi ile hibrid bir sistemin, Kilis 7 Aralık Üniversitesi merkez kampüsündeki rektörlük alanının aydınlatma sistemi için kurulması amaçlanmıştır. İkinci bölümde fotovoltaik paneller hakkında bilgiler verilerek çalışma sistemi ve modellenmesi anlatılmıştır. Üçüncü bölümde ise rüzgâr türbinleri hakkında bilgiler verilmiş ve Kilis ilinin rüzgâr enerjisi potansiyeli atlası ile 2003-2014 yılları arasındaki Kilis’deki ortalama rüzgâr hızları grafik olarak gösterilmiştir. Dördüncü bölümde ise hibrid sistemin kurulacağı rektörlük alanının Türkiye’de ilk olarak Muğla Üniversitesi yerleşkesi içerisinde, toplam gücü 54kWp olan fotovoltaik sistemlerin kurulumu gerçekleştirilmiştir (Oktik vd., 2005). Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü’nde 22.1 kWp şebeke bağlantılı fotovoltaik güç sistemi, 2005 yılı içerisinde iki 54 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com zemin bilgisi ve depremsel özelliği verilmiştir. Beşinci bölümde tasarlanan hibrid sisteminin çalışma prensibi hakkında bilgiler verilmiştir. Çalışmadaki sonuçlar ve değerlendirmeler ise son bölümde verilmiştir. Elektrik alanı, tıpkı bir diyot gibi davranarak elektronların p-tipi silikon malzemeden n-tipi silikon malzemeye geçişine engel olurken, ters yönde geçişi engellemezler. Işık, eklem tarafından emildiğinde, emilen fotonların enerjisi, malzemedeki elektron sistemine transfer edilir ve hareketli elektronlar ile delikler oluşur. Bunlar eklem bölgesinde bir potansiyel fark meydana getirip elektrik alanı altında hızlanarak dış devre boyunca akım sağlarlar ve DC bir gerilim üretirler (Yılmaz vd., 2013; Özçalik vd., 2013). Şekil 2’de fotovoltaik pil hücresinin çalışmasına ait şekiller verilmiştir. 2. FOTOVOLTAİK SİSTEMİN ÇALIŞMASI VE MODELLENMESİ Tüm fotovoltaik piller birbirine benzer şekilde çalışır ve P-N yarı iletkenlerinin ince bir katman haline getirilerek birleştirilmesinden oluşur. P-N tipi silikon malzeme birleştirildiğinde eklem bölgesinde elektrik alanı oluşmaya başlar. Fotonlar neş Gü ı Işığ Elektron Akışı -+ + N-tipi silikon Jonksiyon P-tipi silikon Hole Akışı Şekil 2. Fotovoltaik Hücre Yapısı Şekil 3’de fotovoltaik pilin basitleştirilmiş bir diyotlu eşdeğer devresi gösterilmiştir. fotovoltaik pil, doğrultucu bir diyota paralel bağlanmış bir akım kaynağı olarak düşünülebilir. Burada Rs ve Rp güneş gözesinin verimini etkileyen seri ve paralel direnç etkilerini göstermektedirler. Paralel direnç etkisini kristal kusurları yaratırken seri direnç etkisini yarıiletken malzemeye yapılan metal kontaklar, yarıiletken malzeme içindeki tabakaların iç dirençleri ve gözenin üst yüzeyindeki metalik parmak kontak dirençleri oluşturur. . . Rs Id Iphoto Rp . V . Şekil 3. Fotovoltaik Pilin Eşdeğer Devresi Güneş enerjisi, fotovoltaik pillerin yapısına bağlı olarak %5-%20 arasında bir verimle elektrik enerjisine dönüşmektedir. Çıkıştaki gücü arttırmak için fotovoltaik piller birbirine paralel ya da seri bağlanabilir. Fotovoltaik pillerin paralel yada seri 55 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com bağlanması ile elde edilen yapıya fotovoltaik modül denir. Şekil 4’te ise bu yapıya ait şekil verilmiştir (Yılmaz vd., 2013; Özçalik vd., 2013). I e = I eo .( e qV D kbT qV − 1 ) (2) D I h = I ho .( e kbT − 1 ) (3) Diyot akımı ve kaynak akımı ise; qV D kbT I d = I o .( e − 1 ) = I o .( e mkT − 1 ) (4) q ( V pv + I .Rs ) ( V pv + I .Rs ) I pil = I ph − I o .( e mkT − 1 ) − Rp (5) Şekil 4. Fotovoltaik Panel Şekil 3’deki devreye Kirchoff’un akımlar kanunu uygulanırsa denklem 1 elde edilir. I pil = I ph − I d − I p q ( V pv + I .Rs ) (1) olarak bulunur. İletim bandındaki elektron durumlarının ve valans bandındaki boşluk akımlarının Boltzman dağılımı ile net elektron akımı ve boşluk akımları ise aşağıdaki denklemlerle bulunabilir (Jiang vd, 2011). Şekil 5’de Kilis’in güneşlenme haritası verilmiştir. Bu haritadan ve Kilis Meteoroloji Müdürlüğü ile yapılan yazışmalardan elde edilen verilerle 2003-2014 yıllarında aylık güneşlenme süreleri grafik olarak grafik 2’de verilmiştir. Şekil 5. Kilis’in Güneşlenme Haritası 56 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Şekil 5 incelendiğinde Kilis ilinde güneş ışıması ortalamasının yaklaşık olarak 1600-1700 arasında olduğu görülmektedir. Bu değerler kWh/ olarak 1 yılda alınabilecek toplam enerjiyi ifade etmektedir. Grafik 2. 2003-2014 Yıllar Arası Ortalama Toplam Güneşlenme Süreleri 3. RÜZGÂR TÜRBİNİN ÇALIŞMA İLKESİ enerji doğru akıma (DC) dönüştürülerek şarj denetim cihazına iletilir (Köksal, 2013). Rüzgâr jeneratöründen elde edilebilecek enerji miktarı aşağıdaki denklem yardımıyla bulunabilir. Rüzgâr enerjisi, hem çevreyi kirletmeyen hem de temiz ve doğada var olan bir enerji kaynağı olmasından dolayı ülkemizdeki önemli enerji 1 E= Q V 2 2 (6) kaynaklarından biri olarak yer almaktadır. Türkiye rüzgâr bakımından zengin yöreleri olan bir ülkedir. Marmara Bölgesi 10 m yükseklikteki yıllık Eşitlikte Q ve V sırasıyla rüzgârın debisini ve hızını göstermektedir. Rüzgâr debisi ise; ρ havanın yoğunluğunu ve A ise hız doğrultusuna dik yüzeyi göstermek kaydıyla, süreklilik denklemi kullanılarak denklem 7’deki gibi bulunur. ortalama rüzgâr hızı ve güç yoğunluğu (3.29 m/ sn ve 51.91 W/m²) bakımından en yüksek değere sahip bölgedir. En düşük değer ise, 2.12 m/sn hız ve 13.19 W/m² güç yoğunluğu ile Doğu Anadolu Bölgesi’ndedir. Türkiye’nin % 64,5‘inde rüzgâr Q = ρA V (7) enerjisi güç yoğunluğu 20 W/m²’yi aşmazken, % 16.11’inde 30-40 W/m2 arasında, % 5,9‘unda 50 Denklem 6-7’den yararlanarak rüzgâr jeneratöründeki enerji miktarı denklem 8’deki gibi bulunabilir. W/m²’nin ve % 0.08’inde de 100 W/m²’nin üzerindedir. Rüzgâr türbinindeki pervaneler rüzgârın hareketiyle bağlı oldukları şaftı döndürür. Uygun 1 E = ρA V 3 2 (8) bir jeneratör ile de bu hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür. AC olarak üretilen bu 57 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Bir rüzgâr türbini genel olarak 3 kısımdan oluş- sonucunda da AC oluşur. Pervane kanatları ise maktadır. Şaft; pervanelerin dönmesiyle şaft da rüzgâr estiği zaman pervanenin kanatlarına çar- dönmeye başlar ve motor içinde hareket oluşur. parak onu döndürmeye başlar. Bu sayede rüzgâr Motorun çıkışında elektrik enerji sağlanmış olur. enerjisi ile kinetik enerji elde edilir. Kilis’e ait Jeneratör; Elektromanyetik indüksiyon ile elektrik rüzgâr enerji potansiyeli ise şekil 6’da verilmiştir. enerjisi üretilmiş olur. İçinde mıknatıslar bulunur Kilis meteoroloji müdürlüğünden alınan veriler ve bu mıknatısların ortasında da ince tellerle sarıl- kullanılarak 2005-2014 yılları arasında ortalama mış bir bölüm bulunur. Pervane şaftı döndürdüğü rüzgâr hızları grafik olarak hazırlanmıştır ve bu zaman motor içindeki bu sarım bölgesi etrafındaki bilgiler grafik 3’de verilmiştir (Kilis İl Meteoroloji mıknatısların ortasında dönmeye başlar. Bunun Müdürlüğü, 2014; Yaniktepe vd., 2011). Şekil 6. Kilis Rüzgâr Enerjisi Potansiyeli Atlası Grafik 3. Kilis’in 2005-2014 Arası Yıllık Rüzgâr Hızı Ortalaması (m/sn) 58 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 4. ÜNİVERSİTE ALANININ ZEMİN ÖZELLİKLERİ disliği açısından değerlendirilmesi yapılmaktadır. Aydınlatma sistemini oluşturan direkler sadece statik yüklerin etkisinde olmayıp bunlara ilaveten uygulama yapılacak alan ve bölge itibari ile daha çok rüzgâr yükü, deprem yükü gibi dinamik etkilere de maruz kalmaktadır. Bu etkiler dikkate alınarak yapılacak hesaplar doğrultusunda temel tasarımlarının yapılması gerektiği önerilmektedir. İnşaat mühendisliğinde ne tür bir yapı olursa olsun doğal malzemelerden oluşan zemin üzerine inşaa edildiğinden yapının üzerine oturacağı zemini tanımak ve zeminin nasıl davranış gösterdiğini bilmek gerekmektedir. Mühendislik yapıları tasarlanırken, yapı temelinin zemin ile birlikte mümkün olduğunca uyumlu çalışması, gerek geoteknik gerekse yapısal açıdan tasarım kriterlerini yerine getirmesi hedeflenir. Genelde üstyapı ve temel çözümlemeleri ayrı yapılarak üstyapı ankastre mesnetli olarak çözülmekte, dolayısıyla zeminin yapıdan yapının da zeminden etkilenmediği varsayılmaktadır. Bu durumda, zemin-yapı etkileşimi yalnızca temel elemanının çözümüne indirgenmektedir. Hâlbuki zemin yapı etkileşimi yüzeysel ve derin temeller, tüneller ve istinat yapıları gibi mühendislik yapılarının tasarımında önemli bir parametredir (Köseoğlu, 1987). 1.1. Üniversite Alanına Ait Zemin Bilgileri Bu alan üzerinde yapılan ölçümler doğrultusunda zeminin sert kilden oluştuğu ve Türk Deprem Yönetmeliği 2007 (TDY2007)’de Tablo 6.1 olarak verilen zemin grupları bilgisine bakıldığında A Grubu zemin sınıfına dâhil olduğu belirlenmiştir (Tablo 1). Zemindeki gerilmenin ve deplasmanın fonksiyonu olan zemin yatak katsayısı sert killi zeminler için 3000 t/m3 ve zemin emniyet gerilmesi 15 t/m2 ‘dir. Elde edilen bilgiler doğrultusunda Türk Deprem Yönetmeliği 2007 Tablo 6.2’den A Grubu zeminlerin Z1 yerel zemin sınıfına sahip olduğu belirlenmektedir (Tablo 2). Bu kısımda, çalışma kapsamında yapılması hedeflenen aydınlatma sisteminin inşaat mühen- 59 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Tablo 1. Zemin Grupları (TDY 2007, Tablo 6.1) Zemin Grubu (A) (B) (C) (D) Zemin Grubu Tanımı 1. Masif volkanik kayaçlar ve ayrışmamış sağlam metamorfik kayaçlar, sert çimentolu tortul kayaçlar 2. Çok sıkı kum, çakıl 3. Sert kil ve siltli kil 1. Tüf ve aglomera gibi gevşek volkanik kayaçlar, süreksizlik düzlemleri bulunan ayrışmış çimentolu tortul kayaçlar 2. Sıkı kum, çakıl 3. Çok katı kil ve siltli kil 1.Yumuşak süreksizlik düzlemleri bulunan çok ayrışmış metamorfik kayaçlar ve çimentolu tortul kayaçlar 2. Orta sıkı kum, çakıl 3. Katı kil ve siltli kil 1.Yeraltı su seviyesinin yüksek olduğu yumuşak, kalın alüvyon tabakaları 2. Gevşek kum 3. Yumuşak kil, siltli kil Stand. Penetr. (N/30) Relatif Sıkılık (%) Serbest Basınç Direnci (kPa) Kayma Dalgası Hızı (m/s) ── ── > 1000 > 1000 > 50 > 32 85─100 ── ── > 400 > 700 > 700 ── ── 500─1000 700─1000 30─50 16─32 65─85 ── ── 200─400 400─700 300─700 ── ── < 500 400─700 10─30 8─16 35─65 ── ── 100─200 200─400 200─300 ── ── ── < 200 < 10 <8 < 35 ── ── < 100 < 200 < 200 Tablo 2. Yerel Zemin Sınıfları (TDY 2007, Tablo 6.2) Yerel Zemin Sınıfı Tablo 6.1’e Göre Zemin Grubu ve En Üst Zemin Tabakası Kalınlığı (h1) Z1 (A) grubu zeminler h1 £ 15 m olan (B) grubu zeminler Z2 h1 > 15 m olan (B) grubu zeminler h1 £ 15 m olan (C) grubu zeminler Z3 15 m < h1 £ 50 m olan (C) grubu zeminler h1 £ 10 m olan (D) grubu zeminler Z4 h1 > 50 m olan (C) grubu zeminler h1 > 10 m olan (D) grubu zeminler 1.2. Kilis İlinin Depremselliği aynı zamanda depremin en çok hasar yaptığı veya en kuvvetli olarak hissedildiği alandır. Literatürde Deprem parametrelerinden biri olan merkez üstü yapılan çalışmalar da depremin ivme değerinin ve (episantr), yer kabuğu içerisinde deprem enerjisinin şiddetinin zemin şartlarına ve depremin meydana ortaya çıktığı odak noktasına en yakın olan yergeldiği merkeze olan uzaklığına bağlı olduğunu yüzündeki nokta olarak tanımlanmaktadır. Burası göstermektedir. 60 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Üniversitenin kurulu olduğu Kilis ili Türkiye Deprem Bölgeleri Haritası üzerinde de görüleceği üzere 3. derecede tehlikeli deprem bölgesinde yer aldığı şekil 7’de gösterilmektedir. Şekil 8’de ise İl bazında bu durum ele alındığında Kilis ilinin 2., 3. ve 4. derecede tehlikeli deprem bölgelerinde konumlandığı görülmektedir. Tarihsel ve aletsel dönemdeki kayıtlara bakıldığında, Doğu Anadolu Fay Sisteminin etkisinde kalan bu bölgede önceki yıllarda meydana gelen depremlerin hasara neden olmadıkları belirlenmiştir. Şekil 7. Türkiye Deprem Bölgeleri Haritası Şekil 8. Kilis İli Deprem Bölgeleri Haritası 61 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Kilis ilinde meydana gelen deprem kayıtları incelendiğinde, odak noktası bu alanda bulunan ve çok kuvvetli olmayan yer hareketlerinin gerçekleştiği görülmektedir. Ancak il civarında daha büyük depremlere neden olabilecek aktif fay hatlarının varlığı risk teşkil etmektedir. Uzak alanda oluşacak bu tür depremlerin göz ardı edilmemesi ve bu durumun yapısal analiz ve tasarımlar yapılırken dikkate alınması gerektiği düşünülmektedir. Yapının üzerinde oturacağı zemin sınıfı belirlendikten sonra yapıya etkiyecek deprem yüklerinin hesaplanması için gerekli olan bu zemin sınıfına ait spektrum karakteristik periyotları TDY2007’de verilen Tablo 2.4’te verilmiştir (Tablo 3). Tablo 3. Spektrum Karakteristik Periyotları (TA , TB) (TDY 2007, Tablo 2.4) Tablo 6.2’ye göre Yerel Zemin Sınıfı TA (saniye) TB (saniye) Z1 0.10 0.30 Z2 0.15 0.40 Z3 0.15 0.60 Z4 0.20 0.90 tehlikesi ile karşı karşıya kalabilir. Bunun önüne geçebilmek için FEMA454 (Federal Emergency Management Agency)’de önerildiği üzere; Yapı üzerinde bulunan ağırlıklar aşağı doğru kaydırılarak konumu değiştirilebilir, Yapının yüksekliği değiştirilebilir, Yapının enkesit alanı veya biçimi değiştirilebilir, Kullanılan malzeme değiştirilebilir, Yapının temel üzerindeki mesnetlenme durumu değiştirilebilir. Yapı periyodu ile zemin periyodunun yakın olduğu durumda bu çözüm yollarından bir veya birkaçı kullanılarak yapı periyodu değiştirilebilir ve daha güvenli bir tasarım yapılabilir. 5. GÜNEŞ PANELİ VE RÜZGÂR TÜRBİNİ İLE OLUŞTURULAN HİBRİD SİSTEM Çalışma kapsamında yapılması hedeflenen aydınlatma sistemini oluşturan direklerin yapısal davranışı incelenerek statik ve dinamik analizleri yapılmalı ve rezonans durumu göz ardı edilmemelidir. Basit bir yapı olan aydınlatma direklerinin, temel mod (doğal) periyodunun zemin periyodundan farklı olacak şekilde tasarlanması gerekmektedir. Aksi halde yapı rezonans durumuna geçebilir ve yıkılma Şekil 9’da hibrid sisteme ait yapı verilmiştir ve tasarlanan hibrid sistem fotovoltaik panel, rüzgâr türbini, şarj denetim birimi, evirici ve akü gruplarından oluşmaktadır. Hibrid sistemde fotovoltaik panel ve rüzgâr türbini ile elektrik enerjisi üretilerek şarj denetim birimi yardımıyla akü grubunda üretilen bu enerji depolanır. Sistemde akü grubunun aşırı şarj ve deşarjını önlemek için şarj-deşarj denetim birimi bulunmaktadır. Akü grubunda depolanan bu enerji DC yüklere direkt verilirken AC yüklere evirici tarafından sağlanmaktadır (İçli vd., 2010; Engin, 2010; Wei, 2007). 62 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Şekil 9. Tasarlanan Hibrid Sistemi Hibrid sistemin Kilis 7 Aralık Üniversitesi Rektörlük alanı aydınlatmasına ait sistem şekil 10’da verilmiştir. Sistemde sadece merkezdeki aydınlatma sistemi için hibrid sistemi kullanılmıştır. Diğer alanların aydınlatması ise fotovoltaik paneller ile sağlanmıştır. Hibrid sistemin kullanılma amacının en önemli özelliği ise kış aylarında güneşlenme süresinin az olması ve bu olumsuz durumun giderilmesi için uygun bir enerji kaynağı olan rüzgâr türbinin kullanılmasıdır. Şekil 10. Rektörlük Alanının Aydınlatmasına Ait Sistem 63 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 4. SONUÇLAR KAYNAKLAR Yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanarak oluşturulan hibrid sistemler gün geçtikçe artmaktadır. Bu çalışmada da Kilis 7 Aralık Üniversitesi Merkez Kampüsü aydınlatması için rüzgâr ve güneş enerjisinden faydalanılarak hibrid bir sistem oluşturulmuştur. Yapılan çalışmada sadece belli bir alanın aydınlatma sistemi üzerinde durulmuştur. Hibrid sistemin sadece ilk yatırım maliyeti yüksektir ve bu maliyet birkaç yılda kendini amorti etmektedir. Bu bakımdan düşünüldüğünde, hibrid sistemlerin üniversiteler tarafından aktif bir şekilde kullanılması hem üniversite mühendislik öğrencileri açısından hem de temiz enerjinin artık daha çok kullanılması gerektiğinin vurgulanması açısından önemlidir. “ANONİM-1” (2014) http://eusolar.ege.edu.tr/, 22.11.2013 “ANONİM-2” (2014) http://www.mgm.gov.tr/, 22.11.2014 AKTACIR, M. A., YEŞILATA B., IŞIKER Y., (2008). Fotovoltaik-Rüzgar Güç Sistemleri Uygulaması. Yeni Enerji Yenilenebilir Enerji Teknolojileri (3), 56-62 AKTACIR, M. A., YEŞILATA, B., (2009). Harran Üniversitesi Kampüs İçi Fotovoltaik Sistem Uygulamaları. 41-46. Tesisat Mühendisliği, sayı 111, sayfa 41-46 BAŞARAN, K., ÇETIN, N.S., ÇELIK, H., (2011). Rüzgar-Güneş Hibrit Güç Sistemi Tasarımı ve Daha önce yapılan benzer çalışmalardan farklı Uygulaması. Paper presented at the 6th Interolarak aydınlatma sisteminin inşaat mühendisliği national Advanced Technologies Symposium açısından değerlendirmesi yapılmış ve sistemin (IATS’11), Elazığ, Türkiye üzerine oturacağı zemin özelliklerinin belirlenerek bu alanın depremselliği incelenmiştir. Ay- BEHÇET, R., ORAL, H., GÜL, H., (2013). dınlatma sistemlerini oluşturan direklerin statik Adıyaman İlinin Güneş Enerjisi Potansiyeli ve dinamik analizlerinin yapılması gerektiğinin ve Kullanımı Batman Üniversitesi Yaşam önemi vurgulanmıştır. Üniversite alanının rüzgâr Bilimleri Dergisi, 3(2), 52-67 alması ve aynı zamanda bölgenin uzak alan ENGIN, M., ÇOLAK, M., (2005). Güneş-Rüzgar deprem etkisi altında olması durumu için rüzgâr Hibrid Enerji Üretim Sisteminin İncelenmesi. ve deprem yüklerinin dinamik analizde dikkate Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi alınması gerektiği öngörülmektedir. Sisteme etki Mühendislik Bilimleri Dergisi, 11(2), 225-230 eden statik ve dinamik yükler altında direklerin yapısal analizinin önemine dikkat çekilmektedir. ENGIN, M., (2010). Bornova İçin Güneş-Rüzgar Yapı-zemin etkileşiminin yapısal tasarımdaki Hibrid Enerji Üretim Sistemi Tasarımı. Celal etkisinin belirlenerek aydınlatma sistemi için en Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu uygun altyapı çalışmasının yapılması gerektiği Teknik Bilimler Dergisi, 2(13), 11-20 kanaatine varılmıştır. FEMA 454 (2006). Designing for Earthquakes a Manual for Architects. [Washington, D.C.]: U.S. Dept. of Homeland Security, FEMA 64 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:13 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com İÇLİ, S., ÇOLAK, M. VE ÇUBUKÇU, M., (2012). TÜRK DEPREM YÖNETMELİĞİ–2007 (TDY TURKEY: PV Technology Status and Pros2007), Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar pects-Pieces Falling into Place, IEA-PVPS Hakkındaki Yönetmelik–2007, Ankara Annual Report 2011, pp. 102-105 YANIKTEPE, B., ÖZALP, C., SAVRUN, M.M., JİANG, Y., QAHOUQ, J.A.A., ORABİ, M., (2011). KÖROĞLU, T., CEBECI, Ç., (2011). RüzgarMatlab/Pspice hybrid simulation modeling Güneş Hibrid Güç Sistemi Osmaniye Korkut of solar PV cell/module, 2011 Twenty-Sixth Ata Üniversitesi Uygulama Örneği, 6th InterAnnual IEEE Applied Power Electronics Connational Advanced Technologies Symposium ference and Exposition (APEC), 1244-1250 (IATS’11), Elazığ, Türkiye KİLİS İL METEOROLOJİ MÜDÜRLÜĞÜ, Kilis YEŞİLATA, B., MUTLU, İ.H., AKTACİR, M.A., (2007). Fotovoltaik Güç ve Harran KÖSEOĞLU, S., (1987) Temeller Statiği ve Üniversitesi Temiz Enerjili Kampüs Entegre Konstrüksiyonu, Cilt 2 (3. Basım), İstanbul: Projesi-1: Stratejik Esaslar, IV. Yenilenebilir Matbaa Teknisyenleri Basımevi Enerji Kaynakları Sempozyumu bildiriler kitabı, sayfa 71-75, Gaziantep KÖKSAL, S., (2012, 13-14 EYLÜL ). Manisa/ Kırkağaç Rüzgâr Potansiyelinin İncelenmesi. YILMAZ, Ş., AKSU, M., ÖZER, Z., ÖZÇALIK, Paper presented at the Kırkağaç Araştırmaları H. R.,(2012). Matlab İle Gerçekleştirilen FoSempozyumu, Kırkağaç, Manisa, Türkiye tovoltaik (PV) Güneş Pili Modeli İle Güneş Enerjisi Üretimindeki Önemli Etkenlerin OKTİK, Ş., TOZLU, C., EKE, R., ELTEZ, M., Tespit Edilmesi, ELECO, Bursa (2005). Güneş enerjisi ve Muğla üniversitesi temiz enerji kaynaklari araştırma geliştirme WEİ, Z., (2007). Simulation And Optimum Design merkezi (mutek-arge) uygulamaları, EİEİ Of Hybrid Solar-Wind And Solar-Winddiesel Enerji Tasarrufu Etkinlikleri Bildirileri Power Generation Systems, PhD Thesis, The Hong Kong Polytechnic University ÖZÇALIK, H. R., YILMAZ, Ş., KILIÇ, E., (2013). Güneş Pilinin Bir Diyotlu Eşdeğer Devre Yardımıyla Matematiksel Modelinin Çıkartılması ve Parametrelerinin İncelenmesi. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Mühendislik Bilimleri Dergisi, 16(1) 65 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ İKİ KAMERA İLE CİSMİN MESAFESİNİ VE BOYUNU TESPİT EDEN GERÇEK ZAMANLI GÜVENLİK UYGULAMASI TASARIMI DESIGNING OF A REAL-TIME SECURITY APPLICATION WITH TWO CAMERAS TO IDENTIFY THE DISTANCE AND SIZE OF AN OBJECT Emre ERKAN1, Hasan Rıza ÖZÇALIK2, Şaban YILMAZ3 1 Batman Üniversitesi, Batman Meslek Yüksekokulu, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi 3 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş Meslek Yüksekokulu 2 Özet: Güvenlik ülkelerin ve bireylerin temel ihtiyaçlarındandır. Gelişen teknolojinin güvenlik sistemlerinde yer alması her geçen gün artmaktadır. Özellikle güvenlik kameraları önemli bir işlev görmektedir. Ancak çok fazla olan güvenlik kameralarını sürekli izlemek ekonomik ve sürdürülebilir değildir. Bu yüzden akıllı güvenlik sistemlerine ihtiyaç vardır. Görüntü işleme teknikleri kullanılarak oluşturulan akıllı güvenlik sistemleri olayların önlenmesinde büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada iki güvenlik kamerasından alınan görüntü işlenerek, görüntü içerisindeki tehlikeli görüntü tespit edildiğinde gerekli önlemleri alan akıllı güvenlik sistemi tasarlanmıştır. Abstract: Security is one of the basic needs for countries and individuals. Technological improvements constantly contribute to the security systems. Particularly, security cameras fulfill an important task. However, it is not economical and sustainable to permanently monitor security cameras. However, smart security systems are needed. Smart security systems which are created using image processing techniques are of vital importance in terms of preventing unfavorable events in advance. In this study, a smart security system is designed to takes necessary precautions in case of a hazardous image in a group of images obtained from two different security cameras. Anahtar Kelimeler: Görüntü İşleme, Akıllı Güvenlik Sistemi, Güvenlik Key Words: Image Processing, Smart Security, Security 66 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ nesnelerin uzaklığının değişkenliği, yağmur, sis ve kar gibi çevresel faktörler işimizi zorlaştırır (Smids, 2006). Akıllı güvenlik kameraları, kaydedilen videolardan yararlı bilgileri otomatik olarak, tespit, analiz ve tanıma yapabilirler. Video gözetim uygulamalarının geniş kullanım alanları vardır. İç güvenlik, dış güvenlik, kamu ve özel ortamlarda suçun önlenmesi, trafik kontrolü, kaza tahmini, hasta takibi, yaşlı ve çocuk izleme, havaalanları, tren istasyonları, karayolları, otoparklar, mağazalar, alışveriş merkezleri ve ofisler akıllı güvenlik kameralarının uygulama alanlarındandır (Wang, 2013).Akıllı güvenlik sistemlerine olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Tek bir kamera ile mesafe tespiti ve görüntü işleme çok kısıtlı olarak yapılabilir. Birden çok kamera ile yapılan akıllı güvenlik sistemleri çok daha başarılı olmuştur (Collins vd., 2002; Aghajan vd., 2009; Valera vd., 2004). Görüntü işleme güvenlik alanlarında genel olarak nesne tanıma ve çözümleme üzerine kullanılmaktadır. Gerçek zamanlı elde edilen görüntüler anlık olarak incelenmekte ve değerlendirilmektedir. Güvenlik sistemleri sayesinde bir bireyin ya da toplumun tehditlere karşı korunabilme yeteneği ve kapasitesi artmaktadır. İnsan gücüne dayalı güvenlik sistemleri teknolojinin gelişmesiyle yerini teknoloji temelli güvenlik sistemlerine bırakmaktadır (Samtaş vd., 2011). Güvenlik sistemleri; birçok elemanın birbiri ile etkileşimli olarak çalışmasından oluşur. Güvenlik açısından kontrol edilmek istenen bölgelere yerleştirilen algılayıcılar, bu algılayıcılardan gelen bilgilerin toplanarak değerlendirildiği kontrol üniteleri ve kontrol ünitelerinin denetlediği uyarı elemanlarından oluşmaktadır (Çakır vd., 2011; Yılmaz vd., 2006). Güvenlik problemi, sosyal istikrar ve ekonomik kalkınma ile ilgili küresel bir sorundur. Bu nedenle, güvenlik problemlerinin çözümünde yapılan çalışmalar tüm insanları ilgilendiriyor. Güvenlik sorunları, bazı durumlarda büyük ekonomik kayıpları, insan hayatını ve hatta ulusal güvenliği tehlikeye atmaktadır (Halilcevic vd., 2009). Bilgisayar görme uygulamaları son iki üç yılda hızlanmıştır. Akıllı gözetim sistemleri, güvenlik, makine görüşü, robotik ve otomatik güdümlü araç, hatta eğlence ve bilgisayar oyunlarında kullanılmaktadır. Güvenlik kameraları günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak güvenlik kameralarını her an izleyen ve yorumlayan bir kişi çoğunlukla bulunmamaktadır. Güvenlik kameralarındaki görüntüleri işleyen ve gerekli tedbirleri alan sistemlere ihtiyaç vardır. Sınır karakollarında gözetleme kameraları, trafik akışını düzenleyen kameralar ve bireysel alanları koruyan güvenlik kameraların görüntülerinin otomatik olarak işlenmesi çok önemlidir. Görüntü işleme özelliği olmadan kullanılan güvenlik kamerası ancak olayları kaydeder. Görüntü işleme ile tehdit ve şüpheli faaliyetler önceden tespit edilip önlenebilir (Mudigoudar vd., 2009). Akıllı güvenlik kameraları görüntüleri işlenirken ölçek, karmaşıklık, hareketlilik çözünürlük ve bozucu etkiler doğru sonuç elde etmeyi zorlaştırır. Birden fazla kamera kullanılarak bu sorunlar aşılmaya çalışılır. Birden fazla kamera kullanmada Görüntü işlemede, güvenlik kameralarının düşük çözünürlüğü, yetersiz ışık, nesnelerin hareketliliği, 67 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com kameralar arası uyum problemi oluşturmaktadır. Kamera atlatma denilen kameralar arası yum ve geçiş algoritmaları mevcuttur. Bu algoritmalar sayesinde kameradaki görüntülerin zamana göre yorumlanması daha başarılı olmaktadır. Mevcut kamera atlatma algoritmaları. (I) özellik tabanlı , (II) geometri tabanlı ve (III) hibrit - temelli yaklaşımlar olmak üzere üç grupta toplanabilir (Chen vd., 2010). (1) Bu denklemde (R) RGB görüntüsündeki pikselin kırmızı bileşen değerini, (G) yeşil bileşen değerini, (B) mavi bileşen değerini ve (I) gri bileşen değerini göstermektedir. Bundan sonraki aşama arka arkaya yakalanan imgelerin mutlak farkının, imgeyi oluşturan toplam piksel sayısına oranının belirli bir eşiği geçip geçmediğinin tespitidir. Değişim tespiti matematiksel olarak aşağıdaki denklem ile sağlanmaktadır. Özellik tabanlı yaklaşımlarda, renk veya izlenen nesnelerin diğer ayırt edici özellikleri, kameralar alınan görüntülerde eşleştirilir (Balcells vd., 2005; Lowe, 2004; Choi vd., 2007). Geometri tabanlı yaklaşım, Konum tabanlı, hizalama tabanlı ve homograph temelli yaklaşım olarak üç alt kategoriye ayrılabilir. Konum tabanlı yaklaşımlar koordinat sistemi mantığı ile çalışır. Hizalama tabanlı yaklaşımlar bir nesnenin başka bir nesne ile kıyaslar. Homograf - tabanlı yaklaşım iki boyutlu düzlemde çakışan görüntülerin (2) hesaplamasını yapar. Hibrit yaklaşımda ise birden fazla yaklaşım aynı anda kullanılmaktadır. Bu denklemde (ÇF) ortalama çerçeve farkını, (It) Hareket tespit algoritmaları genel olarak 3 grupta o anki yakalanan çerçeveyi, (It-1) bir önceki çerçeincelenmektedir. Bunlar; arka plan farkı yöntemleri, veyi, w yakalanan imgenin yatay piksel boyutunu, istatistiksel yöntemler ve görsel akış yöntemleridir. (h) düşey piksel boyutunu, (x,y) ilgili pikselin Bu çalışmada iki görüntü arasındaki değişimi tespit konumunu, (E1) eşik değerini göstermektedir. Bu etmek için ortamdaki etmenlerden en az etkilenen denkleme göre herhangi bir (x,y) konumundaki arka plan fark yöntemlerinden fark alma yöntemi görüntü öğesine ait (It) ve (It-1) resimlerindeki kullanılmıştır. Bu metoda göre sabit arka plana parlaklık değerleri arasındaki farkın mutlak değeri, sahip görüntülerde olası hareketleri tespit etmek belirlenen eşik değerinden büyük ise görüntü öğesi için kullanılabilecek en temel yöntem ardışıl imge hareketli kabul edilmektedir (Oral vd., 2005). Bu çerçevelerinin mutlak farkını değerlendirmektir kabule göre, hareketli bölgeler, kestirilen arka (Kefelli vd., 2005). Bu yöntemde, kamera ile planla mevcut andaki resim arasındaki farktan arka arkaya yakalanan renkli imge çerçeveleri elde edilmektedir. Eşik değeri istatistiksel olarak işlem yükünü azaltmak amacı ile öncelikle gri önemli bir parlaklık değişimine karşılık gelen bir tonlu imgelere dönüştürülmektedir. Bu işlem için değerdir. İki piksel arasındaki farkın, harekete ait olup olmadığını belirleyen, tamamen deneysel aşağıdaki denklem kullanılmaktadır. olarak önceden belirlenmiş bir değerdir (Peker 68 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com vd., 2010). Bu değerin değiştirilmesi ile hareket iki kamera ile yapılan sistemde kameralardan alınan tespit hassasiyetinin artırılması ya da azaltılması görüntü işlenmekte ve kullanıcının yapmış olduğu sağlanmaktadır (Peker vd., 2011). güvenlik ayarlarına göre tehdit durumunda siren çalmakta, e-posta gönderilmektedir. Bununla beraBu çalışmada iki kamera ile elde edilen görüntü ber led projektörün kontrolü de bu ayarlar altında işlenmiş ve mesafe ve alan hesabı algoritması yapılmaktadır. Ayrıca sistem uzaktan kumanda ile geliştirilmiştir. Ayrıca donanım desteği ile sistemin kontrol edilebilmektedir. siren çalması, ışığı açıp kapaması ve uzaktan kumanda ile devreye alınıp çıkarılması sağlanmıştır. Sistem belli bir bölgenin sürekli olarak korumasını amaçlamaktadır. Güvenlik kameralarından alınan 2. MATERYAL VE YÖNTEM görüntüler sürekli olarak taranmakta ve tehlikeli Şekil 1’de görülen akıllı güvenlik sistemi için gerekli olarak tanımlanan görüntü tespit edildiğinde gerekli olan yazılım delphi ile geliştirilmiştir. Sistem bir uyarılar yapılmaktadır. bilgisayar ile kontrol edilmektedir. Prototip olarak Şekil 1.Akılı Güvenlik Sistemi Uygulama programında 2 adet IP Kamera kullanılmıştır. Her kameranın çözünürlüğü 640x480 olmakta yani toplamda 614400 pikselin denetlenmesi gerekmektedir. Bu durum işlem çokluğundan gecikmeye yol açacaktır. Sistem gerçek zamanlı çalıştığından dolayı işlemlerin gecikmeden yapılması gerekmektedir. Bahse konu sorunun önüne geçebilmek için 16 piksel aralıkla denetleme işlemi 69 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com yapılmış ve bu sayede denetlenmesi gereken piksel sayısı 2400’e düşmüştür. Bir başka değişle tarama hızı 256 katına çıkmıştır. Sonuç olarak tarama işlemi esnasında Kamera görüş açısına giren nesnenin Yüksekliğinin ve Eninin yaklaşık kaç piksel olduğu bulunabilmektedir. Mesafelerin ise daha önceden bilinmesi münasebetiyle nesnenin gerçek boyutunu uygulama programının hesaplanmasına imkân tanımaktadır. Şekil 2’de korunan bölgede mesafe hesaplaması görülmektedir. Özel olarak geliştirilen algoritma ile görüntüdeki cismin konumu belirlenebilmektedir. Konumu belirlenen cismin tanımlanması daha doğru sonuç vermektedir. Perspektif açıdan uzakta olan cisim küçük görünmekte ve ölçüleri konusunda sağlıklı bilgi elde edilememektedir. Şekil 3’de Geliştirilen algoritma ile konum tespiti görülmektedir. Şekil 2.Konum Tespiti Şekil 3. Kameralar ile Konum Tespiti 70 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 3. BULGULAR VE TARTIŞMA şekillerde yapılan denemelerde sistemin çok başarılı olduğu görülmüştür. Uygulama bilgisayar Şekil 4’te iki güvenlik kamerası ile hareketli tarafından sürekli olarak izlenmekte olduğundan olan görüntü yakalanmakta ve konum ve boyut tanımlanan cisimlerin en doğru şekilde sınıflanbelirlemesi yapılmaktadır. Değişik hızlarda ve dırılması mümkün olmaktadır. 71 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Şekil 4. Cismin Boyut ve Konum Tespiti Uygulama devresi, uygulama programı ile ilişkilendirilmiş mikro denetleyici kontrollü bir devredir. Uygulama programında Alarm Sistemi aktif ise korunan bölgeye tehlikeli boyutta ve şekilde bir nesnenin girdiğine dair sinyal PC tarafında gönderilmişse alarm çalmaktadır. Ayrıca PC’den gelen sinyale göre aydınlatma sistemini aktif yâda pasif yapılır. Kullanıcı kumanda vasıtasıyla Alarm Sistemini, Taramayı yâda aydınlatma Sisteminin manüel olarak aktif yâda pasif yapabilir veya bu üç özelliği zamanlama ayarlarında belirtilen konuma getirir yani varsayılan olarak ayarlayabilir. Uygulama devresi PC ile USB protokolü ile haberleşmektedir. Alarm Sistemi, Aydınlatma Sistemi ve Göstergeler PIC18F4550 Mikro denetleyicisi vasıtasıyla kontrol edilmektedir. Uzaktan kumandanın gönderdiği RF sinyalleri PIC16F628 Mikro denetleyicisi tarafından çözülüp PIC18F4550 Mikro denetleyicisine bildirilmektedir. LDR sensörü ise ortamın aydınlık durumunu kontrol etmektedir. Uygulama devresinde bulunan gösterge ise USB Bağlantısının olup olmadığını, Alarmın çalıp çalmadığını, Taramanın Aktif olup olmadığını, Alarm 72 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Sisteminin Aktif olup olmadığını, Aydınlatmanın CHEN, C., YAO, Y., PAGE, D., ABIDI, B., KOSCHAN, A., ABIDI, M., (2010). Camera Aktif olup olmadığını, Varsayılan ayarlara kumanhand off with adaptive resource management da vasıtasıyla müdahale edilip edilmediğini yâda for multi-camera multi-object tracking, Image kumandadan sinyal geldiğini gösteren ledlerden and Vision Computing 28: 851–864 oluşur. Bu sayede kullanıcı sistemin durumunu gözlemleyebilir. CHOI, J. Y., CHOI, J. W., YANG, Y. K., (2007). Improved tracking of multiple vehicles using 4. SONUÇLAR invariant feature-based matching, Pattern Bu çalışma ile akıllı güvenlik sistemlerinde, Recognition and Machine Intelligence 4815: bilgisayar yardımıyla görüntü işlenerek daha 649–65 hassas, hızlı, sürekli, güvenilir sonuçlar elde edilebileceği görülmüştür. Gerçekleştirilen bu COLLINS, R., AMIDI, O., KANADE, T., (2002). An active camera system for acquiring multi çalışmada görüntü işleme teknikleri kullanılarak view video. In: Proc. IEEE Internat. Conf., korunan bölgeye yaklaşan cismin tanınması ve Image Processing mesafe belirlenmesi geliştirilmiştir. Daha önceki çalışmalardan farklı olarak yazılımda, hazır sisÇAKIR, H., BABACAN, H. K., (2011). Hareketi temler yerine Delphi programlama dili kullanılarak Algılayan Kamera Destekli Güvenlik Programı, bütün algoritmalar yeniden yazılmıştır. Ayrıca Bilişim Teknolojileri Dergisi, Cilt: 4, Sayı: 2 iki IP kameranın görüntüsü eş zamanlı olarak değerlendirilerek mesafe ölçüm algoritması HALILCEVIC, S. S., GUBINA, F., GUBINA, A. F., (2009). Prediction of power system security geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemin denemeleri levels. IEEE Trans PowerSyst; 24.368–77 yapılmış ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Yapılan çalışma prototip olup kamera sayısı KEFELI, H.C., URHAN, O., ERTÜRK, S., artırılabilir. Güvenlik kameralardaki görüntünün (2005). Double stage video object segmenhızlı bir şekilde değerlendirilmesi ve kullanılması tation by means of background registration önemli güvenlik açığını kapatacaktır. using adaptive thresholding, Proceedings of the IEEE 13th Volume, Issue pp. 80–83 5. KAYNAKLAR AGHAJAN, H., CAVALLARO, A., (2009). Multi- LOWE, D. G., (2004). Distinctive image features from scale-invariant key points, International Camera Networks: Concepts and Applications, Journal of Computer Vision 60 (2) 91–110 Elsevier BALCELLS ,M., DEMENTHON, D., DOER- MUDİGOUDAR, R., BAGAL, S., YUE, Z., LAKSHMİ, P., TOPİWALA, P., (2009). MANN, D., (2005). An appearance-based Video super-resolution: From Qvgato HD in approach for consistent labeling of humans real-time, in: Applications of Digital Image and objects in video, Pattern and Application, Processing XXXII, Proceedings of the SPIE, 373–385 vol. 7443, pp. 74430W–74430W-12 73 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:15 K:42 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com ORAL, M., DENIZ, U., (2005). Motion detection SMIDS, M., (2006). Background subtraction for in moving pictures, 2005. Proceedings of the urban traffic monitoring using Webcams, Master IEEE 13th Volume, Issue, pp. 187 – 190 thesis, Universities van Amsterdam, FNWI PEKER, M., ZENGIN, A., (2010). Real-Time VALERA, M., VELASTIN, S. A., (2004). InMotion-Sensitive Image Recognition System. telligent distributed surveillance systems: A Scientific Research and Essays. Vol. 5(15), review. IEE Proc. 152: 193–204 pp.2044-2050 WANG, W.X., (2013). Intelligent multi-camera PEKER, M., ZENGIN, A., (2011). Gerçek Zamanlı video surveillance: A review, Pattern RecogHarekete Duyarlı Bir Görüntü Tanıma Sistemi, nition Letters 34: 3–19 6 th International Advanced Technologies YILMAZ, C., GÜRDAL, O., (2006). Bilgisayar Symposium (IATS’11), Elazığ, Turkey Kontrollü Bir Bina Otomasyonunun TasarıSAMTAŞ, G., GÜLESİN, M., (2011). Sayısal mı ve Uygulaması, Politeknik Dergisi, 9(4), Görüntü İşleme ve Farklı Alanlardaki Uy147-152 gulamaları, Electronic Journal of Vocational Colleges 74 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ TEK FAZLI MATRİS ÇEVİRİCİ TABANLI ELEKTRONİK GÜÇ TRANSFORMATÖRLERİNİN PERFORMANS ANALİZİ PERFORMANCE ANALYSIS OF POWER ELECTRONIC TRANSFORMERS BASED ON SINGLE-PHASE MATRIX CONVERTER Hakan AÇIKGÖZ1, Gülsade KALE2, Mustafa ŞEKKELİ3 Kilis 7 Aralık Üniversitesi, Elektrik-Enerji Bölümü Kilis 7 Aralık Üniversitesi, Bilgisayar Teknolojileri Bölümü 3 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 1 2 Özet: Transformatörler elektrik enerji dağıtım sistemlerindeki temel bileşenlerdir. Fakat bu transformatörler elektrik dağıtım sistemlerindeki en ağır ve pahalı kısımlardan biridir. Bilindiği gibi transformatörlerin boyutları frekans ile ters orantılıdır. Transformatörlerin bu özelliğinden ve güç elektroniği elemanlarından faydalanılarak yeni bir transformatör çeşidi ortaya çıkmıştır. Bu transformatörler elektronik güç transformatörü (PET) olarak adlandırılmaktadırlar. Ayrıca son yıllarda, elektronik güç transformatörleri, klasik transformatörlerinin yerini almaya başlamıştır. Bu çalışmada, tek fazlı bir matris çevirici ile oluşturulan bir elektronik güç transformatörü sistemi tasarlanmıştır. PET’in hem primer hem de sekonder kısmı matris çevirici ile denetlenmektedir. Benzetim çalışmalarına göre tasarlanan PET sistemi tatmin edici sonuçlara sahiptir. Abstract: Transformers are basic components in electrical power distrubation systems. But these transformers are one of the heaviest and the most expensive parts in an electrical distribution system. It is well known that the size of transformers is inversely proportion to frequency. A new type of transformer has emerged by utilizing this feature of transformer and power electronic devices. These transformers are called as electronic power transformer (PET). Also, PETs have begun to take the place of conventional transformers in recent years. PET system is designed by using single-phase matrix converter in this study. The both primer and secondary part of PET is controlled by single-phase matrix converter. According to this simulation study, designed PET system has satisfactory results. Key Words: Transformers, Single-Phase Matrix Converter, Power Electronic Transformers Anahtar Kelimeler: Transformatörler, Tek Fazlı Matris Çevirici, Elektronik Güç Transformatörü 75 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ PET’ler ilk olarak 1986 yılında McMurray tarafından geliştirilmiştir (McMurray, 1970). McMurray’ın önerdiği PET’in hem primer hem de sekonder kısmında doğrudan frekans çeviriciler bulunmaktadır. Böylece primer tarafındaki düşük frekanstaki gerilim doğrudan çeviricilerle yüksek frekansa dönüştürülerek yüksek frekanslı transformatöre iletilir ve sekonder kısmında bulunan doğrudan frekans çeviriciyle de tekrardan düşük frekanslı bir gerilim elde edilmesi prensibine dayanmaktadır. F.N. Mazgar ve arkadaşları PET için pull-push çevirici kullanarak yeni bir yapı tasarlamışlardır. Sonuç olarak bu yapı önceki yapılarla karşılaştırıldığında daha az güç anahtarı kullanılmaktadır. Benzetim çalışmaları bu yapının güç kalitesinin iyileştirilmesi konusunda da etkili olduğunu göstermektedir (Mazgar vd., 2012). Hakimas Mohd Hanafi ve arkadaşları tek fazlı bir matris çevirici ile oluşturulan bir PET yapısını gerçekleştirmişlerdir. Bu yapıda hem primer hem de sekonder kısmında matris çevirici kullanarak bu yapı için oluşturulan matris çeviricinin anahtarlama topolojisi anlatılmaktadır (Hanafi vd., 2009). H.Iman-Eini ve arkadaşları modüler bir PET yapısı gerçekleştirmişlerdir. PET’in modüler yapısı, farklı frekanslar altındaki farklı gerilim sistemlerine kolay ve hızlı adaptasyonu garanti ettiği ve geleneksel transformatörlerle karşılaştırıldığında, PET’in daha hafif, küçük hacimli ve genişletilmiş işlevselliğe sahip olduğunu anlatmışlardır. PET, bu tip işlevlerinin yanı sıra birkaç güç faktörü fonksiyonlarını tek bir cihazın içerisine entegre etmektedir. Bu ise gerilim düşmesi, yükselmesi, gerilim dalgalanmasını azaltır ve primer veya sekonder tarafındaki güç faktörü düzeltmesini gerçekleştirir (Iman-Eini vd., 2007). Transformatörler elektrik enerji sistemlerinin en temel ve vazgeçilmez parçalarıdır. Fakat transformatörlerin kapladıkların alanları fazla olması ve yapı olarak da büyük olmaları en büyük dezavantajlarındandır. Transformatörlerin boyutlarının eğer akı yoğunluğu sabit olarak varsayılırsa frekans ile ters orantılı olduğu bilinmektedir (McMurray, 1970; Acikgoz ve Sekkeli, 2014a; Banaei ve Salary, 2011). Hızlı gelişen yarı iletken teknolojisine paralel olarak transformatörler üzerine de birçok çalışma yapılmaktadır. Güç elektroniği devreleri ile oluşturulan yapılara elektronik güç transformatörleri (PET) denilmektedir (Venkat vd., 2013; Acikgoz Ve Sekkeli, 2014b). PET’ler genel olarak AC-DC-AC-DC-AC dönüşümlerinin olduğu çoklu sistem ya da direkt AC-AC dönüşümünü yapan matris çevirici ile oluşturulan sistemlerdir (McMurray, 1970; Sayrı ve Bhavana, 2013; Gujarathi vd., 2007; Miura vd., 2008). Bu sistemlerde primer ve sekonder arasındaki izolasyonu yüksek frekanslı transformatörler gerçekleştirmektedir. Bu yüksek frekanslı transformatörler genellikle ferrit nüveli olmaktadır. Ferrit nüveler, temel olarak demir ve diğer manyetik elemanların oksit karışımlarıdır. Ferrit malzemelerde sadece histerizis kaybı bulunmaktadır. Yüksek elektrik direncinden dolayı girdap akım kayıpları düşüktür. Ferrit nüveli malzemeler, güç kaynağı uygulamalarında yüksek frekanslarda (20KHz-3MHz) kullanmak için uygundur. Ayrıca Ferrit nüveli transformatörler, çekirdeğin şekli ve transformatörün sarımı, sıcaklık artışına olan uygunluğu, anahtarlama frekansı, maksimum ve minimum giriş gerilimi gibi birçok üstünlere sahiptir. Literatürdeki PET’ler üzerine yapılan çalışmalara örnek verilecek olunursa; 76 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Bu çalışmada DC-link kapasitelerine ihtiyaç duymadan direkt olarak AC-AC dönüşümünü yapan tek fazlı matris çevirici tabanlı PET sistemi oluşturulmuştur. İkinci bölümde tek fazlı matris çeviriler hakkında bilgi verilip anahtarlama stratejisi anlatılmıştır. Üçüncü bölümde ise MATLAB paket programı yardımıyla benzetim çalışması gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar ise son kısımda bulunmaktadır. Bu yapı, genel olarak tek yönlü yarı iletken anahtarların kombinasyonları ile elde edilebilir. Bu yapılarda genellikle kapısı izoleli bipolar jonksiyon transistör (IGBT) ve metal oksit yarıiletken alan-etkili transistör (MOSFET) gibi denetimli yarı iletken anahtarlar kullanılır. Şekil 1’de antiparalel IGBT-diyot çiftine sahip çift yönlü anahtar yapısında, iki diyot ve iki IGBT anti-paralel olarak bağlanmıştır. Diyotlar, ters gerilimi tutmak için eklenmiştir. Bu yapı, çift yönlü anahtarda akım 2. TEK FAZLI MATRİS ÇEVİRİCİLER yönünün birbirinden bağımsız olarak denetlenDoğrudan AC-AC çeviriciler olarak da bilinen matris mesini sağlar (Baharom vd., 2011; Barater vd., çeviriciler ilk olarak Venturini ve Alesina tarafından 2013; Jaiswal vd., 2012). 1979 yılında önerilmiştir ve bu çeviriciler DC-linke 3. MATRİS ÇEVİRİCİ İLE OLUŞTURULAN sahip çeviricilere kıyasla birçok üstünlüğe sahiptirler PET YAPISI (Venturini ve Alesina, 1980). Matris çeviricilerde, AC gerilim bir DC-link olmadan direkt olarak Yüksek frekanslı transformatörün boyutu (Ap) değişken frekans ve gerilime dönüştürülmektedir. aşağıdaki denklem ile bulunabilir. (Venkat vd., Bu tip çeviricilerin en büyük üstünlükleri ise çift 2013; Acikgoz ve Sekkeli, 2014b). Denklem 1’de yönlü güç akışı, sinüzoidal giriş ve çıkış gerilimi görüldüğü gibi transformatörün boyutu frekans ve yüksek birim güç faktörlerine sahip olmalarıdır. ile ters orantılıdır. Transformatörlerin bu özelliğinden ve hızla gelişen yarı iletken teknolojisinin Matris çevirici, gerilimi ve akımı her iki yönde sunduğu imkanlarla farklı yapılardaki PET’ler bloke edebilen çift yönlü bir anahtara ihtiyaç duyar. ile daha etkin performansa sahip transformatörler Şekil 1’de matris çeviricideki çift yönlü anahtar oluşturulmaktadır. yapısı gösterilmiştir. 1 P02 1 + η Ap = 4.K f .K w .Bm .J . f (1) Şekil 1. Çift Yönlü Anahtar Burada, Po2 transformatörün sekonder VA gücünü, η verimi (%95-99), Kf sabiti ise kare ve sinüs AC dalga şekline göre sırasıyla 1 ve 1.1’dir. Bm manyetik akı yoğunluğunu (mT), f frekansı (Hz), J akım yoğunluğunu (A/mm2), Kw ise pencere genişliği sabitini (0.2-0.3) temsil etmektedir (Basu ve Mohan, 2014). 77 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Matris çevirici ile oluşturulan PET yapısının primer ve sekonder kısmındaki matris çeviricilerin amaçları istenilen giriş ve çıkış dalga şeklini oluşturmaktır. Bu amaçla iki matris çevirici de faklı anahtarlama sinyallerine sahiptir. Primer kısmında, 50 Hz frekansa sahip gerilim ve akım matris çevirici ile daha yüksek frekansa sahip akım ile gerilime dönüştürülür ve yüksek frekanslı transformatöre iletilir. Yüksek frekanslı transformatörün dönüştürme oranına göre sekonder de yüksek frekanslı bir gerilim elde edilir. Bu gerilim ise sekonder kısmındaki matris çevirici ile çıkış tarafında 50 Hz frekansa sahip olacak şekilde uygun anahtarlama ile elde edilir (Jose vd., 2011; Kunov, 2014; Mahalakshmi vd., 2012). Şekil 2’de Matris çevirici ile oluşturulan sistem verilmiştir (Aarthi ve Porselvi, 2012; Abraham vd., 2012; Arvindan vd., 2011). S1a AC S1b C1 S2a Matris çeviricilerin uygun olarak anahtarlanması ile yüksek frekanslı transformatörün hem primer hem de sekonder tarafında istenilen frekansta gerilim ve akım elde edilir. Şekil 3 (a)’da görüldüğü gibi denetim sinyali ve giriş sinyali pozitif olduğunda IGBT anahtarları S1a ve S4a kapalı olacaktır. Denetim sinyali pozitif ve giriş sinyali negatif olduğu durumda ise IGBT anahtarları S2b ve S3b kapalı olacaktır ve bu durum şekil 3 (b)’de gösterilmiştir. Şekil 3 (c)’de ise denetim sinyali negatif ve giriş sinyali pozitif olduğu durumda IGBT anahtarları S2a ve S3a’nın kapalı olduğu görülmektedir. Şekil 3 (d)’de denetim ve giriş sinyalinin negatif olduğu durumda IGBT anahtarları S1b ve S4b’nin kapalı olduğu görülmektedir (Prakash vd., 2013). S2b YÜK S3a S3b S4a S4b Şekil 2. Matris Çevirici Tabanlı PET Sistemi 78 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com S1b S1a C1 AC S2b S2a S3a (a) C1 AC S3b C1 AC S4a S4b S2a S2b YÜK S4b S4a S1b S1a S2b S2a YÜK S3a S3b (b) S1b S1a S2b S2a YÜK S4b S4a S3b C1 AC YÜK S3a S1b S1a S3a S3b (c) S4b S4a (d) Şekil 3. Matris Çevirici İçin Anahtarlama Durumları Şekil 3’deki IGBT anahtarları sabit anahtarlama frekansı tekniğine göre açılıp-kapatıldığında primer ve sekonder tarafında istenilen frekansta gerilim elde edilebilir. Primer tarafındaki matris çevirici için 1000 Hz’lik frekansa sahip gerilim elde etmek için gerekli anahtarlama sinyalleri şekil 4’te verilmiştir. Şekil 5’de ise sekonder tarafındaki 1000 Hz frekansa sahip gerilimin çıkış tarafında 50 Hz’lik frekansa sahip gerilime dönüşmesi için gerekli anahtarlama sinyalleri verilmiştir. 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0 0.01 Zaman (sn) (a) 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Zaman (sn) 0.006 (b) 79 0.007 0.008 0.009 0.01 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0 0.1 0 0.02 0.01 0.03 0.06 0.05 0.04 Zaman (sn) Zaman (sn) (c) 0.07 0.09 0.08 0.1 (d) Şekil 4. Primer Tarafındaki Matris Çevirici İçin Anahtarlama Sinyalleri 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.01 0.02 0.03 Zaman (sn) 0.04 0.05 0.06 0 0.07 0 0.01 0.02 0.04 0.03 (a) 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0.01 0.02 0.06 0.07 0.05 0.06 0.07 (b) 1 0 0.05 Zaman (sn) 0.03 Zaman (sn) 0.04 0.05 0.06 0 0.07 (c) 0 0.01 0.02 0.03 Zaman (sn) 0.04 (d) Şekil 5. Sekonder Tarafındaki Matris Çevirici İçin Anahtarlama Sinyalleri 4. BENZETİM ÇALIŞMASI SONUÇLARI Bu bölümde matris çeviricilerle oluşturulan PET sistemi için benzetim çalışması MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Şekil 6’da matris çeviricilerle oluşturulan PET sistemi verilmiştir Çalışma için hazırlanan benzetim modelinde hem primer hem de sekonder tarafta matris çevirici ve yüksek frekanslı transformatör bulunmaktadır. İlk olarak 50 Hz ve 220 Vrms değerine sahip giriş gerilimi matris çeviricinin uygun bir şekilde anahtarlanmasıyla 1000 Hz ve 220 Vrms’lik bir gerilime dönüştürülmüştür. Bu ise şekil 7 ve 8’de gösterilmiştir. 80 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com g g g C S10 C [S4] 1 Yüksek Frekanslı Transformatör C g E E E S14 E S13 E S15 S16 [S7] C g C [S15] [S8] g g S8 C E S7 g Ryük [S14] E S6 E S5 [S13] g C g [S6] g [S5] C 2 g C1 [S12] C g [S3] [S11] C Vgiriş C g g S12 C S11 S4 C S3 R E E E E E E E E S9 S2 C g C S1 C [S10] [S9] [S2] C [S1] [S16] Şekil 6. Matris Çeviricilerle Oluşturulan PET Sistemi 300 200 Giris Gerilimi (V) 100 0 -100 -200 -300 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Zaman (sn) Şekil 7. 50 Hz 220 Vrms Giriş Gerilimi 300 Primer Giris Gerilimi (V) 200 100 0 -100 -200 -300 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Zaman (sn) Şekil 8. 1000 Hz 220 Vrms Primer Gerilimi Primerdeki 1000 Hz’lik gerilim yüksek frekanslı frekanslı bir gerilim haline getirilir. Bu çalışmada transformatöre iletilir. Bu gerilim transformatörün yüksek frekanslı transformatörün dönüştürme oranı dönüştürme oranına göre sekonder kısımda yüksek 1:2 olarak alınmıştır. Sekonder kısımdaki 1000 81 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com Hz’lik gerilim matris çevirici ile çıkış kısmındaki istenilen güç aktarılmış olur. Şekil 9’da 1000 Hz yük için 50 Hz frekansa dönüştürülür ve yüke frekansa sahip sekonder gerilimi gösterilmiştir. 600 Sekonder Gerilimi (V) 400 200 0 -200 -400 -600 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Zaman (sn) Şekil 9. 1000 Hz 220 Vrms Sekonder Gerilimi Sekonderdeki yüksek frekanslı gerilimi ise sekonder kısımdaki matris çevirici ile 50 Hz frekansa sahip gerilim ve akıma dönüştürülür. Yük üzerindeki gerilim ve akım ise şekil 10 ve 11’de verilmiştir. Şekillerden de görüldüğü gibi akım ile gerilimin profili sinüse benzemekte ve aynı fazda oldukları da görülmektedir. Bu bakımdan birim güç faktörü 1’dir. PET sisteminin çıkışındaki akım ve gerilimin toplam harmonik bozulumlarına (THD) ait Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) Matlab/Simulink programının Powergui FFT Analysis Tool ile gerçekleştirilmiş ve şekil 12 ve 13’de verilmiştir. Akım ve gerilimin THD değerleri %1.09’dur. Bu değerin ise Uluslararası IEC 519-1992 standartları içinde kabul edilebilir bir değerde olduğu belirlenmiştir. 1.5 1.5 1 1 0.5 Yük Akimi (A) 0.5 0 -0.5 0 -1 -1.5 0.2 0.225 -0.5 0.25 Time (s) 0.275 0.3 15 20 20 -1.5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Mag (% of Fundamental) -1 0.2 Zaman (sn) Şekil 10. Yük Akımı 10 5 0 0 5 10 Harmonic order Şekil 12. Yük Akımının FFT Analizi 600 400 Çikis Gerilimi (V) Fundamental (50Hz) = 1.036 , THD= 1.09% 15 200 0 -200 -400 -600 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Zaman (sn) Şekil 11. Yük Gerilimi 82 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com KAYNAKLAR 500 AARTHI, G., PORSELVI, T., (2012). Modeling and Simulation of Single Phase Matrix Converter using PWM. Paper presented at the Computing, Electronics and Electrical Technologies (ICCEET), 2012 International Conference on 0 -500 0.2 0.225 0.25 Time (s) 0.275 0.3 15 20 Mag (% of Fundamental) 20 Fundamental (50Hz) = 621.8 , THD= 1.09% 15 10 5 0 0 5 10 Harmonic order ABRAHAM, N.T., KUMAR, C.A.P., & MATHEW, S.L., (2014). Application of AGPU for Matrix Converters. International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 5(1), 129-134 Şekil 13. Yük Geriliminin FFT Analizi 5. SONUÇLAR Bu çalışmada günümüzde üzerinde birçok çalışmada ve farklı denetim topolojileri gerçekleştirilen PET sistemleri üzerinde durulmuştur. Gerçekleştirilen PET sisteminin hem primer hem de sekonder kısmı DC-link kapasitesine ihtiyaç duymadığı için matris çeviriciler ile denetlenmiştir. Primer ve sekonder kısmındaki matris çeviriciler sabit anahtarlama frekansı tekniğine göre anahtarlama yapmıştır. Matris çeviriciler farklı anahtarlama tekniği yöntemleriyle de denetlenerek PET sistemlerinin performansları arttırılabilir. PET yapılarındaki en önemli amaç ise transformatörlerin boyutlarının küçültülmesi, denetlenebilir birim güç faktörü, enerji kalitesinin iyileştirilmesi ve THD değerlerinin azaltılmasıdır. Çalışmada birim güç faktörü 1 ve THD değeri ise %1.09 olarak belirlenmiştir. Bu ise enerji kalitesi bakımından tatmin edicidir. Ayrıca yük akımının THD değerinin ise uluslararası standartlara göre %5’in altında olması ise çok önemlidir. Sonuç olarak, Matris çeviricilerin anahtarlama teknikleri değiştirilerek performansları daha etkin hale getirilebilir ve PET sistemlerinin verimi arttırılabilir. ACIKGOZ, H., SEKKELI, M., (2014a). Design and Analysis of Power Electronic Transformer. Paper presented at the International Symposium On Innovative Technologies In Engineering And Science, Karabük ACIKGOZ, H., SEKKELI, M., (2014b). Simulation Study Of Power Electronic Transformers with Fuzzy Logic Controller International Refereed Journal of Engineering And Sciences, 1(1), 28-44 ARVINDAN, A. N., & PRABU, A. S. A. R., (2011). Efficacy of symmetrical multipulse modulation in the single-phase matrix converter topology. Paper presented at the Sustainable Energy and Intelligent Systems (SEISCON 2011), International Conference on BAHAROM, R., HAMZAH, N. R., & HAMZAH, M. K., (2011). Advanced single-phase AC-DC converter using single-phase matrix converter topology. Paper presented at the Electrical, Control and Computer Engineering (INECCE), 2011 International Conference on 83 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com BANAEI, M. R., & SALARY, E., (2011). Power H-bridge Multilevel Converter. Paper presented quality improvement based on novel power at the Industrial Electronics, 2007. ISIE 2007. electronic transformer. Paper presented at IEEE International Symposium on the Power Electronics, Drive Systems and JAISWAL, J. L., BISWAS, A., & AGARWAL, Technologies Conference (PEDSTC). V., (2012). Implementation of Single phase BARATER, D., BUTICCHI, G., CONCARI, C., matrix converter as generalized single phaCONCARI, L., & FRANCESCHINI, G., se converter. Paper presented at the Power, (2013). Single-phase matrix converter for acControl and Embedded Systems (ICPCES), tive power filter applications. Paper presented 2012 2nd International Conference on at the Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE JOSE, P. S., DEEPIKA, N. C., & NISHA, S. N., (2011). Applications of single phase matrix BASU, K., & MOHAN, N., (2014). A Single-Stage converter. Paper presented at the Emerging Power Electronic Transformer for a ThreeTrends in Electrical and Computer Technology Phase PWM AC/AC Drive With Source-Based (ICETECT), 2011 International Conference on Commutation of Leakage Energy and Common-Mode Voltage Suppression. Industrial KUNOV, G., (2014). Matlab-Simulink model of Electronics, IEEE Transactions on, 61(11), solid-state transformer realized with matrix 5881-5893. doi: 10.1109/TIE.2014.2311393 converters. Paper presented at the Electrical Apparatus and Technologies (SIELA), 2014 GUJARATHI, P. K., MOHITE, S. B., & DESH18th International Symposium on MUKH, B. T., (2007). A novel single phase multimode matrix converter. Paper presenMAHALAKSHMI, G., JAMNA, A., & JAMUNA, ted at the Information and Communication V., (2012). A single phase matrix converter Technology in Electrical Sciences (ICTES for AGPU. Paper presented at the Compu2007), 2007. ICTES. IET-UK International ting, Electronics and Electrical Technologies Conference on (ICCEET), 2012 International Conference on HANAFI, H. M., HAMZAH, M. K., & HAMMAZGAR, F. N., HAGH, M. T., & BABAEI, ZAH, N. R., (2009). Modeling of electronic E., (2012). Distribution electronic power transformer design with the implementation transformer with reduced number of poof Single-Phase Matrix Converter using wer switches. Paper presented at the Power MATLAB/Simulink. Paper presented at the Electronics and Drive Systems Technology Research and Development (SCOReD), 2009 (PEDSTC), 2012 3rd IEEE Student Conference on IMAN-EINI, H., FARHANGI, SH, SCHANEN, McMURRAY W.,(1970). Power converter circuits having a high- frequency link, U.S Patent J. L., & AIME, J., (2007). Design of Power Electronic Transformer based on Cascaded 3,517,300 84 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:16 K:21 (Elektrik – Elektronik) & (Electricity – Electronics) www.hmfdergisi.com MIURA, Y., KOKUBO, S., MAEKAWA, D., VENKAT, J., SHUKLA, A., & KULKARNI, S. HORIE, S., ISE, T., MOMOSE, T., & SATO, V., (2013). A novel dq-vector based control Y., (2008). Power modulation control of a for the three phase active rectifier in a pothree-phase to single-phase matrix converter wer electronic transformer. Paper presented for a gas engine cogeneration system. Paper at the India Conference (INDICON), 2013 presented at the Power Electronics Specialists Annual IEEE Conference, 2008. PESC 2008. IEEE VENTURINI, M., ALESINA, A., (1980). The PRAKASH, T.R.D., & KUMAR, R.S., (2013). generalized transformers: a new bi-directional Design of Single Phase Power Electronic wave form frequency converter with contiTransformer for Low Voltage Miniature nuously adjustable input power factor, IEEE Synchronous Wind Electric Generator. InPESC. pp-242-252 ternational Journal of Advanced Information Science and Technology (IJAIST), 19(19), 1-8 SAYRI, M. R., & K., BHAVANA., (2013). A Comparison Study of Solid State Transformers Using Different Switching Techniques. International Journal of Science and Research (IJSR), 2(7), 314-318 85 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ YAŞLANDIRILABİLİR ALÜMİNYUM ALAŞIMLARINDA MEKANİK ÖZELLİKLERİN İYİLEŞTİRİLEBİLMESİ İÇİN YAPILAN BİR ÇALIŞMA A STUDY TO IMPROVE THE MECHANICAL PROPERTIES OF AGED ALUMINUM ALLOYS Hasan DEMİRTAŞ1, Çağdaş FİLİZ2 Kilis 7 Aralık Üniversitesi, Elektrik-Enerji Bölümü Kilis 7 Aralık Üniversitesi, Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü 1 2 Özet: Orta mukavemetli alaşımlardan olan 6000 seri alüminyum alaşımları (Al-Mg-Si), araç kaportalarında ve ekstürüzyon ürünlerinde yaygın kullanım alanına sahiptir. Bu seri içerisinde en yaygın kullanım alanına sahip alaşım, 6061 alaşımıdır. Solisyona alma ve sonrası yaşlandırma işlemi ile, bu alaşımlar T6 durumuna getirilmektedir. Bu işlem normal yaşlandırma (NY) olarak isimlendirilmektedir. Yaşlandırma işlemi, son yıllarda ara verilerek yapılmaya başlanmıştır. Bu işlemde; yaşlandırılmaya başladıktan kısa bir süre sonra malzeme birdenbire soğutulmakta ve belirli sürelerde yaşlandırma sıcaklığından daha düşük sıcaklıklarda tutulmaktadır. Daha sonra normal yaşlandırma işlemine devam edilmektedir. 6061-O alaşımı, bu çalışma kapsamında 20 dk. ve 90 dk. süreyle hem normal hem de ara verilerek yaşlandırma (AVY) işlemine tabi tutularak malzemenin mekanik özellikleri değerlendirilmiştir. Hem 20 dk. hem de 90 dk. için yapılan ara verilerek yaşlandırmada, malzemenin % uzamasının önemli ölçüde artış gösterdiği saptanmıştır. Şekillendirme açısından, bu sonuçlar büyük önem taşımaktadır. Abstract: One of the medium strength alloys 6000 series aluminum alloys that are widely used as automobile body materials and extruded products. In this series one of the most extensively used alloy is 6061 alloy. With following aging process after solution heat treatment, these alloys are strengthened and brought to T6 condition. This process is called as a normal aging process. Aging, in recent years has been performed by interrupted process. In this process; a short period of time after aging processes started, the material is fast cooled and kept at a low temperature for a certain period of time. Finally the normal aging process is continued. 6061-O alloy, in this study was aged both normal and interrupted processes for 20 and 90 min. to evaluate mechanical properties of the material. It was found that % elongations were considerably increased for interrupted aging with respect to normal aging. In terms of formability, these results have great importance. Key Words: Interrupted Aging, Aging, Solution Heat Treatment, 6061, T6 Anahtar Kelimeler: Ara Verilerek Yaşlandırma, Yaşlandırma, Solüsyona Alma, 6061, T6 86 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com 1. GİRİŞ maz çeliklerde sertleştirme amacıyla kullanılan en önemli ısıl işlemdir. Başta havacılık olmak üzere çeşitli sanayi dallarında kullanılan alüminyumlar yaşlandırma işlemiyle sertleştirilirler (Güleryüz, 2001). Çökelme sertleşmesi adıyla da bilinen yaşlandırma sertleşmesi işleminde amaç, sert yapıya sahip ikinci fazı ince bir şekilde matris fazının içinde çökeltmektir. İlkin aşırı doymuş bir faz elde edilir, daha sonra matris fazından, zaman ve sıcaklığın etkisiyle ikinci fazın çökeltilmesi amaçlanır. Çökeltilerin boyutu, aralarındaki mesafe ve kafesle olan bağdaşıklıkları da kontrol edilerek sertlik seviyesi ayarlanır (Demirkol, 2006). Alüminyum boksit yataklarından çıkarıldıktan sonra işlenerek saf olarak üretilir. Hafif metaller sınıfından olan alüminyum, yumuşak ve demirden 3 kat daha hafif bir metaldir. Diğer metallerin katılması ile yoğunluğu önemli ölçüde değişmemekle birlikte, mukavemeti önemli ölçüde artmaktadır. Bu özeliklerinden dolayı alüminyum mukavemetinin ağırlığına oranı çok yüksektir ve bu onun en önemli özelliğidir. Alüminyum 40–540 N/mm2 (MPa) ortalama mukavemeti ile bir çok kullanım alanı için optimum çözümler sunmaktadır (Zeytin vd., 2000). Yaşlandırma işlemi eğer oda sıcaklığında gerçekleştirilirse doğal yaşlanma, daha yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilirse yapay yaşlandırma adını alır. Yaşlandırma sertleştirmesi işleminde ilk adım katı çözeltiye alma, daha sonraki adım su verme ile aşırı doymuş çözeltiyi elde etme ve en son adım da yaşlandırarak istenen özelliklerde ikinci faz parçacıklarını elde etmedir (Demirkol, 2006). Al-Mg-Si alaşımları ise, hem korozyon dayanımı hem de mukavemet bakımından tatmin edici özellik kombinasyonuna sahiptirler: Korozyon dayanımları, yaşlandırılamayan (çökelti partikülleri içermeyen) alaşımlarınkilere yaklaşırken, mukavemetleri de Al-Zn-Mg ve Al-Cu-Mg alaşımlarının kullanım alanları doğrultusundaki yerlerde uygulama bulabilecek düzeydedir. (Rm≈150÷350 N/mm2): Yapı malzemeleri olarak (pencere, kapı gibi), taşıt veya diğer makine konstrüksiyonlarında kullanılan başka profillerin ve kimya sanayinde iletim veya depolama ünitelerinin üretiminde bu alaşımlardan yararlanılır (Demirci, 2004). Alüminyum alaşımlarının yaşlandırılmasının temel amacı mekanik özellikleri iyileştirmek için malzemenin iç yapısında ince sert ve uyumlu çökeltinin oluşmasını ve dağılımını sağlamaktır. Genel olarak yaşlandırma, kullanım sıcaklığında termodinamik denge halinde bünyesinde en az iki faz ihtiva eden malzemeyi hızlı soğutmak suretiyle denge yapısı fazlarının oluşumuna fırsat vermeden tek fazlı kararsız dengeli yapıya dönüştürülebilen alaşımlara uygulanabilir (Demirtaş, 2009). Genellikle Mg ve Si oranları düşük (Mg2Si oluşmasına yarayacak kadar) tutulur (%Mg≈0,4÷1,4 ; %Si≈0,3÷1,5 mertebesinde). Silisyum oranının arttırılması halinde (~%11) aşınma dayanımı genel olarak artar (aşınma dayanımı yanında ısıl genleşme katsayısının da düşmesiyle bu alaşımlar piston üretimine uygun düşer) (Demirci, 2004). Yaşlanma, aşırı doymuş katı fazdan, zaman ve sıcaklık etkisi ile yeni bir fazın çökelmesi sonucu malzemenin fiziksel ve mekaniksel özelliklerinin gelişmesidir. Yaşlanma meydana gelebilmesi için başlıca iki kademe mevcuttur. Bunlar sırasıyla; Yaşlandırma işlemi başta alüminyum olmak üzere demir dışı metallerde ve yüksek dayanımlı paslan87 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com çözeltiye alma ve çökelme işlemidir (Callister, yon direnci kazandırır, kaynak kabiliyetini arttırır. 2007). Düşük silisyum alaşımlarında, %3-6 gibi yüksek oranlarda magnezyum kullanımı, oksitlenmeyi Alaşım elementlerinden silisyumun alüminyuazaltan yönde etki yapar. Alaşımda yüksek oranda ma etkisi: Silisyum ilavesi; alaşımın akıcılık, demirin bulunması; sünekliği, işlenebilirliği ve ani korozyon direnci, kaynak kabiliyeti özelliklerini yük değişimlerine direnci azaltır. Magnezyum, iyileştirmektedir. Ayrıca, tane boyutu küçültme ötektik altı Al-Si alaşımlarında, demirin mekanik ve modifikasyon işlemleri ile iyi işlenebilme özelliklere yaptığı olumsuz etkiyi giderir ve mukaözelliği sağlanır. Silisyumun mekanik özelliklere vemet, korozyon direnci ve aşınma direncini arttırır katkısı, alaşımın bileşimine ve mikro yapısına (Brown, 1999; Turhan, 2002). Kısa süreli yapay bağlıdır. Küçük ve yuvarlak şekilli Al tanecikleri yaşlandırılmış bir malzemenin düşük sıcaklıklarda ve Al-Si ötektiği mukavemet artışı sağlar. İğnecik bekletildikten sonra tekrar yaşlandırılması olayına şeklindeki Al-Si ötektiği ise çekme mukavemetini ara verilerek yaşlandırma denir. Bu işlemin mekaarttırmakla beraber; sünekliğini, darbe ve yorulma nik özellikleri iyileştirdiği saptanmıştır (Lumley mukavemetini düşürür (Turhan, 2002). Alaşım vd., 2002). TX1IX2 şeklinde, bu yaşlandırma türü elementlerinden magnezyumun alüminyuma gösterilmektedir. Normal yaşlandırma şeklini etkisi: Al-Si alaşımlarına, %0,25-0,5 gibi küçük TX1; ara verilerek yaşlandırma yapıldığını I; ara miktarlarda magnezyum ilave edilmesi, alaşımın verilerek yaşlandırmadan sonraki yaşlandırma ısıl işlem kabiliyeti kazanmasına neden olmaktadır. şeklini ise X2 göstermektedir (Lumley vd., 2000). Magnezyum; alaşıma yüksek mukavemet ve koroz- TA TB TD TC Şekil 1. Ara Vererek Yaşlandırma İşleminin Grafiksel Gösterimi (Lumley vd., 2000) 88 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com Grafikte; Solüsyona alma işlemi (TA): Faz diyagramında malzemenin solvüs sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta bekletilmesi işlemidir. Yapay yaşlandırma işlemi (TB): Malzemenin belirli bir sıcaklıkta tutulması işlemidir. Ara vererek yaşlandırma sırasında yeni uyumlu yapıların oluşması sağlanması için bu işlemin kısa bir sürede yapılması gerekmektedir. Bu durum malzemenin dayanımını arttırabilmektedir (Lumley vd., 2000). Literatürde bu süre genellikle 20 dk. olarak belirlenmiştir. Ara vererek yaşlandırma işlemi (TC): Düşük sıcaklıklarda uzun sürelerde malzemenin bekletilmesi işlemidir. Bu işlem esnasında uygulanan sıcaklığın 50oC’nin altında olması durumunda malzemenin mekanik özelliklerinde fazla bir değişiklik meydana gelmediği gözlemlenmiştir (Bahrami vd., 2008). Genel 135 Bu işlem esnasında normal yaşlandırma işlemi gibi uzun bir süre belli bir sıcaklıkta malzeme bekletilmektedir. Alaşımın türüne göre bu süre değişmektedir. Literatürde 6061 alaşımları için bu süre 6-24 saat aralığındadır (Buha vd., 2007; Lumley vd., 2002). Süre ve sıcaklığın yanı sıra soğutma işleminin de ara vererek yaşlandırma işlemi için malzeme üzerinde etkisi bulunmaktadır. Ara vererek yaşlandırma işlemi yapılmış malzemedeki soğutma şekillerine göre sertlik değişimleri şekil 2’de verilmiştir (Lumley vd., 2003). -15 0C dinlendirme 65 0C dinlendirme 130 Sertlik Deðerleri [HV] olarak ara vererek yaşlandırma sıcaklığı 65oC olarak tercih edilmiştir (Buha vd., 2007; Lumley vd., 2000; Lumley vd., 2002; Lumley vd., 2003). Yapay yaşlandırma işlemi (TD): Malzemenin son olarak yaşlandırılması işlemidir. 125 120 115 110 105 Ara vererek yaþlandýrma iþlemi sýcaklýðý650C 0 200 400 600 800 Süre [Saat] Şekil 2. Soğutma Şekilleri Ve Sertlik Değerleri (Lumley vd., 2003) Ara vererek yaşlandırma yapılan malzemelerin, ise T6IX yapısında bulunan Ө ile α tanelerinin T6 normal yaşlandırma işlemine göre mekanik özellikleri yapısına nazaran daha sık ve düzenli olmasıdır. daha yüksek olarak elde edilmiştir. Bunun nedeni Bu yüzden mekanik özelliklerdeki iyileşmenin 89 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com çökelti oranına, dağılımına ve boyutlarına bağlı kazandırılabilmesinden dolayı yaygın kullanım olarak değiştiği düşünülmektedir (Lumley vd., alanına sahiptir. Malzemenin yapay yaşlandırma 2002; Lumley vd., 2003). ısıl işlemi sonrası sertliğinde, bu alaşımın temel elementleri olan Si ve Mg miktarlarının büyük 2. MATERYAL VE YÖNTEM önemi vardır. 6061 alüminyum alaşımının farklı 6XXX serisi alaşımlar içinde 6061 alüminyum yaşlandırma karakteristiklerinde mekanik özelalaşımı en yaygın olanıdır. 6061 alüminyum alaşımı liklerinin karşılaştırılması Tablo 1’de verilmiştir ısıl işlem uygulanarak farklı mekanik özellikler (Anonim, 2012). Tablo 1. 6061 Alüminyum Alaşımının Farklı Yaşlandırma Karakteristiklerinde Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması (Anonim, 2012) Değerlendirme: A: Mükemmel B: İyi C: Orta D: Zayıf Bu çalışma kapsamında ise 25 mm. çapındaki kanik özelliklerin değişimi incelenmiştir. Şekil silindirik çubuklardan ASTM E 8M standardına 3’de ASTM E 8M standardına göre hazırlanmış göre CNC torna ile silindirik çekme numunesi numune boyutları gösterilmiştir. hazırlanarak yaşlandırma işlemi yapılmış ve me- 90 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 3. Çekme Deney Numune Ölçüleri (mm.) Malzemenin bünyesinde bulunan elementler, spectral analiz sonuçları alınarak tespit edilmiş ve Tablo 2’de gösterilmiştir. Tablo 2. 6061-O Alaşımının % Ağırlıkça Kimyasal Kompozisyonu Mg Si Fe Cu Mn Zn Cr 0,91 0,80 0,456 0,321 0,212 0,178 0,021 Bu çalışmada, ara vererek yaşlandırmada zamanın kullanılmıştır. Aşağıdaki grafikte sıcaklıklar ve mekanik özelliklere etkisi inceleneceğinden dolayı zaman aralıkları gösterilmektedir. her yaşlandırma safhasında farklı zaman aralıkları Şekil 4. Ara Vererek Yaşlandırma Safhaları Solüsyona alma işlemi yaşlandırmanın ilk basa- 6061 alüminyum alaşımı için denge diyagramı mağıdır; denge diyagramından, solüsyona alma aşağıda Şekil 5’te gösterilmiştir (Anonim, 2013). işlemi için gerekli olan sıcaklık değerleri seçilmiştir. 91 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com Şekil 5. 6061 Alüminyum Alaşımı Denge Diyagramı (Anonim, 2013) Malzemenin bünyesindeki Mg2Si oranı, Tablo 2’deki değerler göz önüne alındığında % 1,45 olarak bulunur. 6061 alüminyum alaşımı denge diyagramından da anlaşılabileceği gibi bu alaşım için 2 saat süre ve 550oC sıcaklık belirlenmiştir. Isıl karakteristiği gösterim şekilleri ve sıcaklık değerleri aşağıda Tablo 3’te verilmiştir. Tablo 3. Isıl Karakteristikler Sıcaklık [oC] TA TB TC TD 550 177 65 177 Dinlendirme ise soğuk su ile soğutma işlemi en hızlı olacak şekilde yapılmıştır. Suda dinlendirme işlemi solüsyona alma işleminden sonra 4 saat yapılmış ve malzeme yapısındaki aşırı doymuş α yapılarının istenen düzeyde olması sağlanmıştır. Diğer dinlendirme aşamalarında ise malzeme soğutulduğu anda sudan alınmıştır. Daha önceden bu konuda yapılmış olan diğer literatür çalışmaları değerlendirilerek yaşlandırma sıcaklıkları seçilmiştir (Lumley vd., 2002; Lumley vd., 2003). Yaşlandırma süresi TD ise 20 dk. ve 90 dk. olarak seçilmiştir. Yaşlandırma işlemi yapılmış numunelerin her birinden; iki adet bir ucundan ve iki adet de diğer ucundan olmak üzere toplam 4 adet sertlik ölçümü yapılmıştır. Her yaşlandırma aşaması için böylece 12 adet değer ölçülmüş ve bu değerlerin ortalaması alınmıştır. Mitutoyo HV100 model Vickers sertlik ölçüm cihazı ile sertlik ölçümleri yapılmıştır. Çekme deneyi yapılarak sertlik değerleri ölçülmüş olan numunelerin; akma gerilmesi, maksimum gerilme, pekleşme katsayısı, mukavemet katsayısı ve birim deformasyon gibi mekanik özellikleri incelenmiştir. Her deney şartı için karşılaştırmalar yapılmıştır. Grafiklerde referans değeri olarak; solüsyona alma işleminden sonra ara verilerek yaşlandırma işlemi yapılmamış, numunenin deney sonuçları alınmıştır. Shimadzu AGS100kN model çekme deney cihazında deneyler yapılmıştır. Çekme deneyi cihazı, bir fırın ve bir de video ekstenso- 92 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com metre ile birlikte çalışmaktadır. Deneylerde video dk. deney şartları için başlangıç değerlerine göre ekstensometre kullanılmasının nedeni malzemede yükselmesine rağmen 3 günlük deney şartı hariç oluşan uzamayı temassız ölçebilmek içindir. diğer ara verilerek yaşlandırma işlemlerinde gerilme değerleri azalmıştır. Aşağıda gerilme değerlerinde 3. BULGULAR VE TARTIŞMA ve birim deformasyon değerlerinde en iyi sonuçlar Malzemenin birim deformasyon değerleri, ara alınan 3 ve 7 gün deney şartlarının gerilme-birim verilerek yaşlandırma yapılmış tüm 20 ve 90 deformasyon eğrileri verilmiştir. 450 375 Gerilme [MPa] 300 225 NY 20dk. NY 90dk. 20dk.* 90dk.* 150 75 * 3 gün ara verilerek yaþlandýrma yapýlmýþtýr. 0 0,00 0,08 0,16 0,24 0,32 Birim Deformasyon (%) 0,40 Şekil 6. Gerilme-Birim Deformasyon Eğrileri 450 375 Gerilme [MPa] 300 225 NY 20dk. NY 90dk. AVY 20dk.* AVY 90dk.* 150 75 * 7 gün ara verilerek yaþlandýrma yapýlmýþtýr. 0 0,00 0,08 0,16 0,24 0,32 0,40 Birim Deformasyon [%] Şekil 7. Gerilme-Birim Deformasyon Eğrileri 93 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com Deneylerden elde edilen veriler Tablo 4’te özetlenmiştir. Tablo 4. Yaşlandırma Şekillerine Göre Mekanik Özellik Değişimi Ara verilerek yapılan yaşlandırmada Tablo 4’te görüldüğü üzere normal yaşlandırma sonucu elde edilen maksimum çekme dayanımı, akma dayanımı, mukavemet katsayısı değerlerine göre azalışlar gözlemlenmiştir. n değerlerindeki değişimler çok fazla olmamıştır. 20 dk. ara verilerek yapılan yaşlandırmada, sertlik ölçümlerinde artışlar görülmüştür. 1 gün sonunda ise en büyük artış elde edilmiştir. 90dk.’da ara verilerek yapılan yaşlandırmada ise sertlik değerlerinde önemli bir değişim olmamıştır. En çok dikkat çeken sonuçlar, bu çalışmada % toplam uzama miktarında olmuştur. Normal yaşlandırmada elde edilen değerlerden daha büyük değerler, her iki ara verilerek yapılan yaşlandırma durumlarında elde edilmiştir. Elde edilen bu sonuçlardan; ara verilerek yapılan yaşlandırmanın, malzemenin şekillendirme kabiliyetini iyileştirdiği sonucuna varılmıştır. Burada 20dk ile 90dk arasındaki ara değerlerde de çalışma yapılmasının gerekli olduğu kanısına varılmıştır ve bu çalışmalardan uygun bekletme süresinin tespit edilmesi gereklilik arz etmektedir. Bu husus ileriki çalışmalarda dikkate alınacaktır. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada 6061-O alüminyum alaşımı için ara verilerek yapılan yaşlandırmanın malzemenin mekanik özelliklerine etkisi incelenmiş ve ara verilerek yapılan yaşlandırmanın sonuçları normal yaşlandırma sonucu elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. 20 dk. ve 90 dk. ara verilerek yapılan yaşlandırma durumlarında maksimum çekme dayanımı, akma dayanımı ve mukavemet katsayısı değerlerinde; normal yaşlandırma değerlerine göre 20 dk.’lık ara verilerek ve 3 gün bekletilerek yaşlandırılan malzemenin deney sonuçları hariç düşüşler gözlemlenmiştir. n değerinde ise önemli değişimler tespit edilmemiştir. 20 dk. için önemli bir artış olmasına rağmen 90 dk. için dikkate değer bir değişim, sertlik değerinde gözlenmemiştir. % toplam uzamada her iki durum için iyileşmeler görülmüş olup önemli miktarda şekillendirilebilirlik artmıştır. 94 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK ve FEN BİLİMLERİ DERGİSİ International Refereed Journal of Engineering And Sciences September / October / November / December 2014 Issue: 02 Volume: 01 Autumn Winter ID:17 K:52 (Makine – Mühendisliği) & (Machinery - Engineering) www.hmfdergisi.com KAYNAKLAR DEMİRTAŞ, H., (2009). 6061 Alüminyum Alaşımlarında Ara Verilerek Yapılan Yaşlandırma “ANONİM-1” (2008). http://www.alcoa.com/gcfp/ İşleminin Malzeme Mekanik Özelliklerine catalog/pdf/alcoa_alloy_6061.pdf,24.07.2008 Etkisinin İncelenmesi, Yayınlanmış Yüksek “ANONİM-2” (2009). http://www.me.uh.edu/ Lisans Tezi, Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri ceramics/3445LabManual/2.AGEHARDEEnstitüsü, Niğde. ss.5 NING. pdf 10.01.2009 GÜLERYÜZ, C.G., (2001). 8090 Alüminyum BAHRAMI, A., MIROUX, A., KESTENS, L., Lityum Alaşımlarında Retrogasyon Ardından (2008). An Age Hardening Model For InterYeniden Yaşlandırma Isıl İşlemiyle Özellikrupted Ageing Of The Alloy AA6061, Metal lerin Optimizasyonu, Yayınlanmış Yüksek Forming, 2 Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. ss.17 BROWN, J. R., (1999). FosecoNon-Ferrous Foundryman’s Handbook, Butterwort-Hei- LUMLEY, R. N., POLMEAR, I. J., MORTON, nemann, Oxford, 11:340 A. J., (2000). International Patent Application PCT/AU00/01601 BUHA, J., LUMLEY, R. N., CROSKY, A. G., HONO, K., (2007). Secondary Precipitation LUMLEY, R. N., POLMEAR, I. J., MORTON, In An Al–Mg–Si–Cu Alloy, Acta Materialia, A. J., (2002). Mater. Sci. Forum, 893, 39655, 3015-3024 402 CALLISTER, W. D., (2007). Materials Science LUMLEY, R. N., POLMEAR, I. J., MORTON, A. And Engineering An Introduction, John Wiley J., (2003). Interrupted Aging And Secondary & Sons, Inc., USA Precipitation In Aluminium Alloys, Materials Science And Technology, 19, 1483-1490 DEMİRCİ, A. H., (2004). Mühendislik Malzemeleri-Önemli Endüstriyel Malzemeler Ve Isıl TURHAN, S., (2002). Alüminyumun Mekanik İşlemleri, Aktüel Yayınları, İstanbul. ss.128-129 Özelliklerine Ve Aşınma Dayanımlarına Magnezyumun Ve Silisyumun Etkisi, Yayınlanmış DEMİRKOL, M., (2006). Malzemelerin MekaYüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Ünivernik Davranışı, Ders Notları, İstanbul Teknik sitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. ss.64 Üniversitesi, İstanbul. ss.3-10 ZEYTİN, H. K., TEYMUR, B., ARISOY, O., (2000). Alüminyum Alaşımları Otomotiv Endüstrisinde Uygulamaları Ve Geleceği, MAM-MKTAE/OSD 95 ULUSLARARASI HAKEMLİ MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ DERGİSİ Adres Atakent Mah. Akasya 1 Evlerr C2/23 Blok Kat 4 Daare 17 Halkalı Küçükçekmece İstanbul Web: http://www.hmfderggss.com E-maal: [email protected] 96
© Copyright 2024 Paperzz
