Akıllı yolların enerjisi: Piezoelektrik sistemler

Giriş
Artan dünya nüfusu, hızlı yaşam isteği, konforlu ulaşım talebi ve özellikle de son yıllarda gözlenen pandemiyle özel araçlara olan talebin artması trafikteki araç sayısında ciddi bir yükselişe neden olmuştur. Araç sayısındaki artış trafik artışını tetiklemekte ve bu artışın sonucu olarak yollarda daha uzun süre kalan araçlar yoğun miktarda bir enerji birikimi gerçekleştirmektedir. Biriken bu enerjinin doğru bir şekilde değerlendirilmesi insanlığın geleceğini ve dünyamızı daha temiz bir atmosfere taşıyacaktır. Trafikte yol alan araçların hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilen piezoelektrik sistemlerin kullanımını trafiğin kalabalık olmasının dezavantajlarından bir kısmını ayrıca avantaja dönüştürecektir. 

Karbon emisyonlarını azaltma ve bataryasız teknolojileri geliştirme adımları kapsamında güneş, rüzgâr ve titreşim gibi dış kaynaklardan elektrik enerjisi elde etmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu alandaki gelişmelere piezoelektrik malzemelerdeki gelişmeler de dahil edilebilir. Piezoelektrik malzemelerdeki hızlı gelişmeler ile son yirmi yılda, çevreden piezoelektrik hasadı (PEH) akademik alanda ve endüstride büyük ilgi görmüştür. Toplumların, nesnelerin interneti (Internet of Things, IoT) ve yapay zeka (AI) çağına girişiyle çeşitli alanlarda kullanımı yaygınlaşan sensör vb. teknolojiler, piezoelektrik etki yoluyla trafik içerisinde boşa harcanan kinetik enerjiyi daha efektif bir şekilde kullanabilir. Bununla birlikte PEH cihazları ile hareket halindeki araçların hız ve ağırlıkları da algılanabilmektedir. PEH cihazları, güneş panellerine kıyasla fazla yer kaplamaması, hava koşullarından bağımsız olması ve araç hareketi kaynaklı enerjiden faydalanmasından dolayı, akıllı yolların geliştirilmesinde kolaylık sağlar. 

Son zamanlarda, karayolu trafiğinden elde edilen piezoelektrik enerjinin çeşitli tasarımları ve testleri rapor edilmiştir. Bu testler esnasında piezo diskler kullanılmıştır. Her bir piezo disk, bir ağır araç tekerleğinin geçişi için enerjide 16 μW’a kadar geri kazanım sağlar. Şehir içi otoyollar gibi yüksek trafik yoğunluğuna sahip yollarda entegre diskler tarafından dönüştürülen enerjinin bir ekstrapolasyonuna* yaklaşılır. 40-50 mWs/m² aralığında enerji yoğunlukları, 100 m’lik yolda (30.000 disk kullanılabilir) elde edilebilir, ve bu, yılda 65 mWs’den fazla olabilir. Tüm bunlar, gelişmekte olan bir teknoloji için 2 €/kW’den daha az maliyetler ile gerçekleştirilebilir¹.

Moure ve ekibi, prototipler üzerinde laboratuvar testleri yoluyla geometrik parametrelerin, piezo disklerin performansı üzerindeki etkilerini inceledi. Xiong ve Vang, bir kantarda, ağır bir kamyonu yol testlerinde 40 km/s hızla hareketi sonucunda 116 kW’ya kadar güç üreten bir disk dizili toplama ünitesi tasarladı. Jung ve ekibi paralel olarak 60 poli (vinilidin florür) (PVDF) film içeren bir PEH modülü üretti. Bu kollektör, 8 km/s hız ve 250 kg sıkıştırma kuvveti altında 200 mW’a kadar güç üretmiştir. Guo ve Lu, kurşun zirkonat titanat (PZT) bazlı piezo disklerini doğrudan asfalt kaplamaya entegre ederek, üretilen elektrik enerji miktarını inceledi. Shin ve ekibi dikey yer değiştirmeyi azaltmak için köprü tipi bir yer değiştirme artırıcı mekanizmaya sahip yatay olarak yerleştirilmiş bir PVDF film tabanlı bir PEH modülü tasarladı. Jasim ve ekibinin tasarlamış olduğu model yol yüzeyinin altındaki alanı daha iyi kullanmak için 4x4x4 olarak konumlandırılmış 64 katmanlı 3D konfigürasyonda bir köprüden oluşan enerji kollektörü, 5 Hz, 2224 kN dinamik yük altında 2,1 mW’a kadar çıkış gücü üretebilir. 

Piezoelektrik enerji toplama ünitesi (PEHU)
Piezoelektrik malzemeler üzerinde, tekerlek ve yol kaplama arasındaki dinamik etkileşim ile yapılan mekanik iş, kısmen elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Trafikten elde edilebilecek elektrik enerji miktarını artırmak için, güçlü piezoelektrik özelliğe ve yüksek enerji dönüşüm verimliliğine sahip malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu durum sınırlı mekanik enerji girişi nedeniyle sonucu iyileştirmek için yeterli değildir. Verim sorununu çözmek amacıyla bir strateji geliştirilmiştir. Hasat edilen enerjiyi daha da artırmak için, PZT’ye etki eden kuvveti artırabilen PEH cihazlarında kuvvet artırıcı mekanizma (FAM) kullanılabilir. 

Piezoelektrik enerji toplama ünitesini (PEHU) geliştirmek için bir FAM modeli geliştirilmiştir. Şekil 2’de görüldüğü gibi kenetlenmiş iki doğrusal elastik kiriş, merkeze yerleştirilmiş çok katmanlı PZT yığınları ile her iki uçta birleştirilir. Hareket halindeki araçlardan gelen dinamik yük, kirişlerin ortasında dikey (W_x,t) olarak etki eder. Bu kuvvet PZT yığınları üzerinde yatay (U_x,t) bir sıkıştırma kuvvetine aktarılabilir.

Şekil 2.b’de gösterilen optimum bir PEHU modülüdür. Bu modülde FAM (Şekil 2.a) olmadan, doğrudan sıkıştırma yüklemesi altında piezoelektrik malzemenin aksine kuvveti 10 kat artırırken, elektrik üretimini de 100 kat artırmış olur. FAM, güç üretim kapasitesini geliştirirken bazı dinamik zorlukları beraberinde getirmiştir. Kirişlerin uçlarındaki gerçek germe kuvveti, 1333 N’lik bir yük altında, 6,6 kN’den büyüktür ve bunun sadece sürtünme ile dengelenmesi mümkün değildir.

Piezoelektrik enerji toplama kulesi (PEHT)
Enerji yoğunluğunu artırmak için birden fazla PEHU üst üste istiflenebilir (Şekil 3). Hareket eden bir araç tarafından üretilen basınç dalgaları, kısa etkileşim esnasında tüm PEHU’lar boyunca aşağı doğru hareket edebildiği sürece, her sütundaki PEHU güç üretebilir. PEHT’yi oluşturan PEHU sayısını (𝑛_𝑐) değerini belirlemek için iki önemli faktör göz önüne alınmalıdır. Bunlardan ilki sürüş güvenliği ve konforudur. 𝑛_𝑐’yi artırarak sistemin enerji yoğunluğunu artırmak, maliyetleri artırmanın yanı sıra toplam batma yer değiştirme miktarının da artmasına sebep olur. Bu yer değiştirme, sürüş konforu ve güvenliğini sağlamak için süspansiyon sisteminin sapma aralığında sınırlandırılmalıdır. Diğer önemli nokta da mekanik stabilitedir. Seri üretim, PEHU yığınının PEHT içinde dikey olarak ortalanamamasına yol açabilir. Ayrıca, PEHU’lar arasındaki etkileşime bağlı olarak artan sürtünme, daha fazla mekanik kayıplara neden olur. Bu nedenle, kule tasarımı çok amaçlı bir optimizasyon problemine yol açabilir. Parametre uzayında bazı temel aramalardan sonra ve yukarıdaki düşüncelerin ışığında, 𝑛_𝑐 için 3 değerinin uygun olduğu bulunmuştur.

Şekil 3’te gösterilen piezoelektrik enerji toplama kulesi (PEHT), elektriksel olarak paralel bağlanmış üç PEHU’dan oluşur. Orta PEHU, gelişmiş mekanik stabilite için üst ve alt PEHU’lara 90 derecelik bir açı oluşturur. Toz ve çakılın, mil ve yatak arasındaki boşluğa düşmesini önlemek için kauçuk kapak kullanılmıştır. Su geçirmezlik elde etmek için, altta iç köşeyi ve paslanmaz kelepçenin altındaki kauçuk kapağın altındaki dikişi kapatmak için silikon dolgu macunu kullanılır. Ağır yükten kaynaklanan hasarı önlemek için mekanik koruma, şaftın üst üst yüzeyleri ile boru duvarı arasında uygun bir mesafe ayarlanarak sağlanır. 

PEHT prototipinin yarı statik bir sıkıştırma testindeki performansı incelendiğinde, yük 1333 N’ye kadar çıkarıldığında, 18,5 mm’lik batan yer değiştirmesi ile 106 V maksimum açık devre gerilimi üretilmiştir. 

Bataryayı PEHT ile şarj etme
PEHT’den toplanılan enerjinin doğru akıma (DC) çevrimini ve depolanmasını incelemek için, nominal voltajı 12 V olan bir DC pilini şarj etme performansı şekil 4.a ve devre şeması şekil 4.b’de kurulan deney düzeneği ile araştırılmıştır.

Şekil 4.c ve 4.d de görüldüğü gibi, PEHT ve DC pilin voltajı ve akımı, 1333 N’luk bir yük altında beş yarı statik yükleme döngüsü sırasında ölçülmüştür. PEHT’den gelen çıkış, DC pili hem sıkıştırma hem de bırakma sırasında şarj etmek için devrede bir tam köprü doğrultucu ile işlenmiştir. PEHT’nin açık devre voltajı, ±13,80 V arasında değişkenlik gösteren DC pil, testler sırasında 11,56 V’de sabitlenmiştir. Serbest bırakma sırasındaki maksimum PEHT ve pil akımı, yüklemenin aksine daha hızlı boşaltma hızı nedeniyle, sıkıştırma sırasındakilerden daha yüksektir.

PEHT’nin çıkış gücü veya pilin giriş gücü, şekil 4.e kısmında gösterildiği gibi voltaj ve akım çarpılarak hesaplanır. PEHT’nin maksimum çıkış gücü, sıkıştırma ve bırakmada sırasıyla 31 mW ve 69 mW’tır. Pili şarj eden maksimum güç ise sırasıyla 25 mW ve 58 mW olarak elde edilmiştir. Bu fark, yükleme hızının maksimum güç üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Karayolu trafiğinden yükleme, yarı statik testlerden çok daha hızlı olduğu için, orta büyüklükteki araçlardan üretilen maksimum gücün çok daha yüksek olması beklenmektedir.

PEHT tarafından üretilen, birikmiş çıkış enerjisi ve bataryada depolanan enerji, şekil 4.f’te görüldüğü gibi gücün toplanması ile elde edilir. Buradaki doğrusal ilişki, PEHT performansının kararlı ve tekrarlanabilir olduğunu göstermektedir. Her çevrimde PEHT’den çıkış enerjisi 𝐸_𝑇 105 mJ ve aküde depolanan enerji 𝐸_𝐵 ortalama 91 mJ’dür. Açık devre voltajı 𝑉_𝑇 = 116 𝑉 ve PEHT’nin kapasitansı 𝐶_𝑇=22 μF olduğundan, 𝐸_𝑇𝑂=1∕2𝐶_𝑇𝑉_𝑇² ile verilen açık devre elektrik enerjisi 296 mJ olarak hesaplanır. Önerilen devre yardımı ile toplanan enerjinin depolanan enerjiye oranının (𝜂_𝑠=𝐸_𝐵∕𝐸_𝑇𝑂) %31 olduğunu görülmektedir.

Piezoelektrik enerji toplama sistemi (PEHS)
PEHT’leri karayolunda büyük ölçekte uygulamak için sistematik tasarım çok önemlidir. PEHS’nin enerji yoğunluğunu arttırmak için, PEHT’lerin optimize edilmiş yerleşimi ile kaplama alanında tam olarak kullanılması gerekir. Anahtar parametre, çok amaçlı optimizasyon ile 3 olarak belirlenen, bir tekerlek altında yükü paylaşan bir sıradaki PEHT sayısıdır. Bir araç PEHS üzerinden geçtiğinde, hem sol hem de sağ tekerlek yollarında PEHT sıraları birer birer etkinleştirilecektir.

Şekil 5’te PEHS’nin yoldaki uygulaması görülmektedir. PEHS’nin enerji kaynağı, PEHU’ların üzerinden geçen araçların yerçekimi ile yapmış olduğu mekanik iştir. PEHS, araçların oluşturduğu mekanik enerjiyi, düşük kayıpla elektrik enerjisine çevirecek şekilde tasarlanmıştır ve üretilmiştir (Şekil 6).

PEHS test sonuçları
Trafik yoğunluğu çok olan yollarda araç hareketliliğini (kinetik) elektrik enerjisine çevirmek için piezoelektrik ile çalışan bir PEHS sistemi geliştirilmiştir. Test sonuçlarına göre 1.963 kg bir otomobil, piezo disklerle döşenmiş bir yol üzerinde teste tabi tutulmuştur.

Şekil 7.a’da yaklaşık 40 km/h hızla giden bir otomobilin yol testleri esnasında, yolun her iki şeridinde (Şekil 6) temsili olarak üretilen enerjinin açık devre voltajı gösterilmektedir. PEHS, yaklaşık olarak 20,29 J’lik açık devre elektrik enerjisi üretmiş, maksimum voltajı ise 484 V olarak gözlenmiştir. PEHS’nin enerji yoğunluğu 𝜌_𝐸 = 𝐸_𝑜𝑐∕𝑙_𝑠 formülü ile hesaplanmıştır (𝑙_𝑠, PEHS’nin bir şeritteki uzunluğu). PEHS’nin efektif değeri, PEHT’nin çapının 8 katı olarak belirlenen 1,32 m’dir. Sistemin enerji yoğunluğu 15,37 J/(m.geçiş.şeridi) olarak bulunmuştur. 

Şekil 7.b’de 8 km/h’lik artışlarla, 8-40 km/h hız aralıklarında, farklı hızlarda geçiş başına toplanan elektrik enerjisi miktarı 𝐸𝑜𝑐 gösterilmiştir. Her hız aralığı için 10 adet ölçüm yapılmıştır. Sol ve sağ şeritlerde toplanan enerji miktarı Şekil 7.d’de gösterilmiştir. Ortalama toplanan enerji 8 km/h’de 7,11 J iken, 40 km/h’de ise 17,36 J’dir, bu da araç hızının, toplanan enerji miktarıyla doğru orantılı olduğunu gösterir.

Aynı test koşullarında, farklı hızlarda sol ve sağ şeritlerdeki maksimum voltaj değerleri, Şekil 7.c’de gözlemlenmektedir. Aracın sol tarafı, sağ taraftan daha ağır olduğundan sol taraftaki voltaj miktarı daha fazladır. Açık devre voltajı ve toplanan enerji faktörlerini etkileyen en önemli durum, tekerleğin test alanıyla temas ettiği yerdir. 

*Bir zaman dizisinin kapsadığı dönemin veya verilerin dışındaki değerlerin, geçmiş değerlerden hareketle tahmin edilmesi. Ölçme aralığı dışında kalan bir değerin, grafik uzatma veya tahmin etme yoluyla bulunması işlemi.

Kaynaklar

1. ↲ Moure, A., Izquierdo Rodríguez, M. A., Rueda, S. H., Gonzalo, A., Rubio-Marcos, F., Cuadros, D. U., Pérez-Lepe, A., & Fernández, J. F. (2016). Feasible integration in asphalt of piezoelectric cymbals for vibration energy harvesting. Energy Conversion and Management, 112, 246–253. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.01.030
2. ↲ Chen, C., Sharafi, A., & Sun, J. Q. (2020). A high density piezoelectric energy harvesting device from highway traffic – Design analysis and laboratory validation. Applied Energy, 269(April), 115073. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115073
3. ↲ Chen, C., Xu, T.-B., Yazdani, A., & Sun, J.-Q. (2021). A high density piezoelectric energy harvesting device from highway traffic — System design and road test. Applied Energy, 299(June), 117331. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117331