1. GİRİŞ
Savaş gemilerinde enerji depolamaya neden gerek duyulduğu ve kullanılabilecek depolama sistemleri hakkında bundan önceki yazımda genel bir bilgi sunmuştum.
Bu yazıda konu üzerinde bir uygulama örneği göstermek üzere ABD bahriyesinin DDG 51 firkateynleri için yapılan çalışmalara değineceğim.
IMAGE- ENERGY STORAGE ALT.
3. GEMİNİN ORİJİNAL GÜÇ SİSTEMİ (DDG 51)
ANA TAHRİK:
4 adet GE LM 2500 gaz türbini. TOPLAM 100000 SHP
ELEKTRİK GÜÇ SİSTEMİ:
Üç Gaz Türbini Jeneratör Setinin (GTGS) her biri 2500 KW değerindedir ve 450 VAC, üç fazlı, 60 HZ gücünde Allison 501-K34 Gaz Türbini Motoru, bir modül grubu, bir redüksiyon dişlisi grubu ve bir jeneratör sağlar.
SAVAŞ KONTROL VE YÖNETİM SİSTEMİ: AEGİS
Bu firkateynlerin Proje programı, gemilerin detaylı teknik özellikleri hakkında bilgileri burada bulabilirsiniz.
4. DEPOLAMA GEREKSİNİM NEDENLERİ
4.1 Geminin mevcut sistemlerini besleme dışında kullanılabilir güç olarak sadece 150 kilowatt vardır. Kullanılması düşünülen lazer silahı sadece 100 ile 1 megawatt arası güç desteğine gereksinim duymaktadır. Bu durumda eksik kalan enerji için bir depolama sistemine gereksinim duyulmuştur. Ancak Lazer silahının bağlantı noktasındaki kayıplar nedeniyle gerekli enerji lazer çıkış gücünün 3 katını bulabilmekte. Örneğin 150 kilovatlık lazer 450 kilowatt enerji gereksinmekte.
4.2 Enerji Depolama sistemi silah ve sensörleri destekleme yanısıra aşağıda belirtilen başka yararlar da sağlamakta.
Gemide overall yakıt tasarrufu
(1 milyon dolar yıl tasarruf gemi başına)
Gemi elektrik sisteminde UPS olarak destek sağlama
Gemi elektrik sisteminde TEK jeneratör ve gaz türbini ile çalışma olanağı sağlama
Gaz türbininin çalışma saatlerini düşürme. Böylece,
Gaz türbini bakım tutum masraflarını azaltma, çalışma ömrünü arttırma.
5. ÖNGÖRÜLEN KONFÜGÜRASYON
5.1 ABD Bahriyesi konu üzerinde ONR (Office of Naval Research) önderliğinde 2010 yılında fizibilite çalışmaları başlatmıştır. Başlangıçta
2012 yılında DDG 51 firkateynlerin tahrik sistemi yakıt verimliliğini arttırılması amacıyla enerji depolama sistemlerinin etkisi araştırılması yapılmıştır.
5.2 Bir çalışmaya göre (4);
5.2.1 Seçenekler olarak kapasitif batarya ve döner rotor sistemleri irdelenerek
Lityum iyon ve döner rotor sistemlerinin karşılaştırılması yapılmıştır.
Karşılaştırma kriterleri şöyle belirlenmiştir;
Teknolojik yeterlilik düzeyi
Ağırlık ve hacim kısıtlamaları
Zamanla kapasitelerin düşme miktarı
Batarya ömrü
Güvenlik ve sürdürülebilirlik
5.2.2 Araştırmada gemi elektrik yükünün 4000 saat/ yıl olduğu ve ortalama 2525 kilowatt yüklendiği varsayılmıştır. Sonuçta 2 jeneratörlü çalışma moduna göre bir jeneratörlüde yakıt kullanımında %30 tasarruf sağlanacağı bulunmuştur.
5.3 Bir diğer araştırmada (5);
5.3.1 Texas üniversitesi ve Naval Postgraduate School tarafından ortaklaşa bir model çalışması yapılmıştır. Bu firkateynlerin öngörülen lazer silahlarının desteklenmesinde kullanılacak enerji depolama sistemi montaj fizibilitesi için bir model oluşturulması istenmiştir.
Modele esas olmak üzere 4 farklı enerji depolama sistemi ele alınmıştır
Bunlar;
Kurşun asitli batarya
Lityum iyon batarya
Süper kapasitör ve
Döner rotor sistemler olmuştur.
5.3.2 Modelde sistemlerin geminin mevcut elektrik dağıtım sistemine bölgesel dağılım ve sancak /iskele basparlar üzerinden entegrasyonu öngörülmüştür.
Lazer silahı güç seviyeleri 30, 60 ve 125 kilowatt olarak alınmıştır.
Operasyonel değerlendirme parametreleri şunlardır;
Lazer silahının güç gereksinimi
Batarya depolamada boyutlar
Lazer silahının çalışma sıklık ve maksimum süreleri. Örneğin döner rotorlu sistem için 6 saniye süreli 60 adet atış.
5.3.3 Modellemede varsayılan sistemlere ait hacim ve ağırlıklar
125 kilowatt lazer için örneğin;
Kurşun asitli sistemde 1.9 metreküp 5140 kilogram
Lityum batarya için 0.206 metreküp 551 kilogram
5.3.4 Model çalışmaları sonunda lazer silahının ve enerji depolama sisteminin şarj durumunu göre değişik senaryolar ele alınmış ve bu senaryolara göre model çıktıları elde edilmiştir. Bunların detayları ref (5) da görülebilir.
Çalışma iki ayrı lisansüstü tez konusu olmuştur. (9)(10)
6. UYGULAMA
ABD Bahriyesi NAVSEA Komutanlığı yapılan ön çalışmalardan sonra LEONARDO DRS firması ile 10 milyon dolarlık bir ENERJİ MAGAZİNİ (Depolama) prototipi geliştirme projesi vermiş durumda. (2)(3)(7)(8)
1000 VDC ve 71 kilowattsaat lik tekil modüllerden oluşan LİTYUM DEMİR FOSFAT AKÜLÜ sistem halen sürecinde olup 2022 Haziran ayı içinde kabul denemelerine başlanması planlanmıştır.
7. SONUÇ
7.1 Savaş gemilerinde enerji depolama sistemleri öncelikle modern silah ve sensörlerin beslenmesi ve bunların yanında gemi elektrik yüklerinin dengelenmesi, tek jeneratörle besleme yapılabilmesi gibi ek faydalarla gerekli hale gelmiştir
7.2 Bir uygulama örneği olarak ABD bahriyesi DDG 51 sınıfı fırkateynlerin de bu sistemlerin kullanılabilmesi için bir prototip çalışması başlatmıştır. Lityum Demir fosfat bataryalı ve modüler yapıdaki Prototipin Haziran 2022 ayı içerisinde kullanılabilir hale gelmesi planlanmıştır.
Sonuçlara göre bu modüler ünitelerin diğer Bahriye gemilerinde de kullanılması öngörülmektedir.
KAYNAKÇA:
1.DDG-51 ARLEIGH BURKE-class
https://MAN.FAS.ORG/dod-101/sys/ship/ddg-51.htm
2.DRS TO DEVELOP ENERGY-STORAGE MODULES FOR DDG 51-CLASS SHIPS
3.DRS MODIFIES ENERGY MAGAZINE FOR ARLEIGH BURKES
4.PULSED POWER LOADS SUPPORT AND EFFICIENCY IMPROVEMENT ON NAVY SHIPS
Robert E. Hebner, John D. Herbst, Angelo L. Gattozzi
5.POWER AND ENERGY STORAGE REQUIREMENTS
FOR SHIP INTEGRATION OF SOLID-STATE LASERS
ON NAVAL PLATFORMS Joshua H. Valiani
| A.L. Gattozzi, J.D. Herbst, R.E. Hebner Center for Electromechanics, University of Texas Austin, Texas | J.A. Blau, K.R. Cohn, W.B. Colson, J.E. Sylvester, M.A. Woehrman Physics Department, Naval Postgraduate School Monterey, California |
6. POWER SYSTEM AND ENERGY STORAGE MODELS FOR LASER INTEGRATION ON NAVAL PLATFORMS
7. LEONARDO DRS’ “ENERGY MAGAZINE” GIVES THE NAVY POWER FOR SHIPBOARD LASERS AND OTHER HIGH-ENERGY SYSTEMS
9. POWER SYSTEMS ANALYSIS OF A DIRECTED ENERGY WEAPON SYSTEM FOR NAVAL PLATFORMS. Master’s Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, CA, 2013. Woehrman, Lt. Cmdr. Michael A.
10. POWER SYSTEMS AND ENERGY STORAGE MODELING FOR DIRECTED ENERGY WEAPONS.” Master’s Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey, CA, 2014. Sylvester, Jeremy E
