energy harvesting technologies & applications

Energy Harvesting Technologies & Applications

ÖZGÜR MERSİN

Enerji hasat teknolojilerindeki hedef miliwattlar düzeyinde güç ile çalışan sistemleri güneş, titreşim, ve biyolojik kaynaklardan elde edilen enerji ile beslemektir.

Enerji hasat sistemi; mekanik, ısısal, manyetik ve elektiriksel gibi farklı fiziksel özellikler barındıran çevredeki kaynaklardan enerjinin hasat edilip düzgün şekilde depolanmasını sağlar. Enerji hasat sistemi 3 temel bölümden oluşur. Enerji kaynağından elektrik enerjisi üreten mikro enerji üreteçleri, Gerilim yükseltme devreleri ve enerji depolama üniteleridir.

Enerji Hasat KaynaklarıMekanik enerji: örneğin titreşim, mekanik stres ve

gerginlik gibi kaynaklardanTermal Enerji: fırınlar, ısıtıcılar ve sürtünme

kaynaklarından atık enerjiIşık Enerjisi: fotoğraf sensörleri, fotoğraf diyotlar, ya da

güneş panelleri aracılığıyla güneş veya oda ışığına yakalanan

Elektromanyetik Enerji :wireless , endüktans, bobin ve transformatörler

Doğal Enerji: ortamdan rüzgar, su akışı, okyanus akıntıları ve güneş olarak

İnsan Vücudu: doğal biyo-organizmalardan ya da yürüyüş ve oturma gibi eylemler yoluyla oluşturulan mekanik ve termal enerjinin bir arada

Diğer Enerji: kimyasal ve biyolojik kaynaklardan

Mekanik enerjipiezoelektrik;

Çalışma şekline bağlı olarak yapılar üzerinde farklı karakteristiklerde titreşimler oluşmaktadır. Piezoelektrik malzemelerin çalışma prensibini kullanarak bu titreşimlerden enerji elde etmek mümkündür. Piezoelektrik malzemeler üzerlerinde oluşan yer değiştirmeler sebebiyle voltaj üretmektedirler. Bu voltaj uygun bir çevirici devreden geçirilerek enerji elde edilebilir. Uygun piezoelektrik malzeme/yapı kullanımı, geometri seçimi ve piezoelektrik malzemenin yapı üzerinde uygulanacakları yerinin optimum belirlenmesi ile enerji elde edinimi maksimize edilebilir.

Piezoelektrik özelliği, (özellikle kristaller ve belirli kristaller; kemik gibi) bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda, malzemenin elektrik alan  ya da elektrik potansiyel

 değiştirme yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan alakalıdır.

Sürekli kutuplaşmaya sahip bir asimetrik iyonsal kristale basınç uygulanırsa kutuplar arası uzaklık azalır,yüzeyinde yük birikimi artar,dolayısıyla iki uç arasında bir gerilim farkı doğar ve bir iletkenle birleştirilirse akım akar. Böylece mekanik etki elektriksel büyüklüğe dönüşür. Diğer taraftan, aynı kristalin iki ucu arasına bir gerilim uygulanırsa (-) yükler (+) elektroda, (+) yükler (-) elektroda doğru çekilir , (-) ve (+) yük merkezleri arasında uzaklık artar ve bunun sonucu kristalin boyu büyür. Alanın yönü değişirse aynı işaretli yükler birbirlerini iter ve kristalin boyu kısalır. Böylece elektriksel etki mekanik büyüklüğe dönüşür. Bu davranışa piezoelektrik özellik denir.

Kullanım alanları:• Sensörler• Aküatörler• Yüksek Gerilim Ve Güç Kaynağı Uygulamaları• Ultrasonik Jeneratörler• Elektromanyetik Çeviriciler• Radyo vericilerinin frekans kontrolleri• Telefon iletimi uygulamalarındaki dalga filtreleri

Elektromanyetik enerji:Havada yayılım yapan elektromanyetik

dalgalardan enerji elde etmekte kullanılan enerji hasat etme sistemlerini oluşturan elemanlar sırasıyla; havadaki RF sinyalleri toplayan anten, bu antenden gelen gücü minimum kayıpla yükseltici ve doğrultucu devresine aktarmak için kullanılan empedans uygunlaştırma devresi, band geçiren filtre, yükseltici ve doğrultucu devre ve alçak geçiren filtreden oluşur. Yol kaybı ve enerji dönüşüm hassasiyeti sistemin verimliliğini etkileyen en önemli parametrelerdir.

Uygulaması;RF Enerji üreteci anten, empedans uygunlaştırma,

gerilim yükseltme ve alternatif gerilimi doğru gerilime dönüştüren sistemlerden oluşmaktadır. RF enerji üreteç sistemi havada ışıyan elektromanyetik dalgalardan enerji üretir. Sistem çevresel etkilere açık olduğundan uygun empedans eşleştirme devresi ve yüksek verimli doğru gerilim çeviricilerinin kullanılması gereklidir.

DeneyArtık bulunduğumuz bütün ortamlar elektromanyetik bir dalgaya maruz kalmaktadır. Örneğin evde bir internet modem kullaıyorsanız, bu modemin yaydığı bir elektromanyetik dalga bulunuyor.Ortamda bulunan manyetik dalgaları elektrik enerjisine çeviren basit bir devreden bahsetmek istiyorum. Bu devre de ;4 adet 1N34 diyot2 adet 100 mikro Farat 50V elektrolitik kondansatör2 adet 0.2 mikro Farat 50V seramik kondansatörBir miktar bakır tel (anten ve bağlantılar için )

Devrenin şeklini yukarıdaki gibi bağlarsanız, bu sayede küçük bir miktarda elektrik üretmiş olursunuz.Eğer ki devreyi bir regülator devresi yardımıyla sabit kılarsanız, cep telefonu gibi küçük akım gerektiren cihazlarınızı şarj edebilirsiniz

Kullanım alanları;düşük güçlü elektronik ve haberleşme

uygulamaları için bataryasız çalışmatıbbi alandaİnsansız hava araçlarındaUzaktan kumandalardaSensörlere enerji sağlamadaAskeri ve savunma sanayisindeİletişim ve haberleşme

Termal Enerji:Termoelektrik etki; sıcaklık farklarının elektriğe,elektriğin

de sıcaklık farkına dönüşmesi olarak tanımlanabilir. 

Termoelektrik hasat yapan cihazlar Seebeck etkisinden faydalanırlar. Seebeck etkisi 2 farklı metal veya yarı iletken arasındaki sıcaklık farkından dolayı bir gerilim oluşmasıdır. Termoelektrik jeneratör (TEG) termal olarak paralel, elektriksel olarak seri bağlanan termoelektrik pillerden oluşur. Yeni üretim termoelektrik jeneratörlerin çıkış güçleri 0.7 volttur. Üretilen enerji termoelektrik jeneratörün boyutlarına, çevre sıcaklığına ve insanlarda kullanılan uygulamalarda kişinin metabolik aktivitesine de bağlıdır.

Objeler bir iş yaparken çevre ile aralarında sıcaklık derece farkı oluşturur ve temel termodinamik yasaları herhangi bir sıcaklık derece farkının güç israfıyla bağlantılı olduğunu belirler. Bunun anlamı sıcak olarak hissedilen yüzeylerden elektrik üretilebileceğidir. Üretim sürecinde ısı enerjisi ortaya çıkaran endüstriyel uygulamalar termal enerjiyi hasat eden sistemler için idealdir.

Termoelektrik cihazlar sıcaklık derecelerini herhangi bir cihaz kullanmadan yarı iletkenler fiziğinden faydalanarak direk elektrik enerjisine çevirebilirler. Termoelektrik araçlar günümüzde standart olarak kullanılan motorlar kadar verimli değildir. Mekanik çözümler için ek parçalara ihtiyaç duyarlar.

Termoelektrik hasat için 2 temel ihtiyaç sıcak bir yüzey ve kaliteli bir ısı emicisidir. "Bizmut telluride" termoelektrik elemanlarının standart maddesidir. Bu maddenin maksimum operasyon sıcaklığı 1750C dır. Termoelektrik maddesinden bir uçtan diğer uca geçen sıcaklık miktarı daima maksimumdan düşük olmalıdır. Đyi bir ısı emicisi tasarımı bu uygulamalarda maksimum güç elde etmek için kritik önem taşır.

Kullanım alanları;Isıtma soğutma sistemleri

Termoelektrik santrallerAkıllı ev sistemleriTermoelektrik jeneratörAskeri alanlarda

Işık enerjisi;Geniş solar panelleri fotovoltaik

hasatlama yaparak enerji elde ederler. Yaklaşık 100mm2 fotovoltaik hücre alanından ortalama 1mW güç hasat edilebilir. Verimlilik ise kabaca %10 civarındadır ve fotovoltaik kapasite faktörü de %15-20 dir. Fotovoltaik yanında DC güç üretimi yapabilen termoelektrik maddeler de vardır. DC-DC dönüşümünün sonunda her zaman stabil gerilim üretilmesi gerekmektedir.

Buck-boost çeviriciler ısı kaynağı olduğu sürece sistemi çalıştırırlar aynı zamanda kolay temin edilebilir ve yüksek verimlidirler. Destek güç için ikincil bir batarya hasat sistemine bağlanabilir. Kimyasal bataryaların kullanım süreleri NiMH (Nickel Metal Hydride) hücreler için 1000 döngüdür bu bataryalar solar hasat sistemlerinde gece kullanılır. Bir döngüyü 1 gün diye hesap edersek yaklaşık 3 yıl bu bataryalar ek güç olarak kullanılabilir. Lityum piller ise ortalama 500 ila 2000 döngü arasında kullanılır ama son çalışmalar bunu 5000 döngüye çıkarmıştır. bu da yaklaşık 13 yıllık bir süreye denk gelmektedir.

PV (fotovoltaik) modülleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerden oluşan sistemlerdir. PV modüller fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman yarı iletken malzeme elektrik akımı oluşturur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. PV modülleri, güneşten gelen bu enerjiyi günümüzde %15-%20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevirebilir. Güç çıkışını arttırmak amacıyla çok sayıda PV modülü birbirine bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç Watt’tan megaWatt’lara kadar sistem oluşturmak mümkündür.