Hibrit rüzgar hasatçıları ile alternatif enerji üretim sistemleri

Piezoelektrik sistemleri temelde bas-çek, ileri-geri gibi harmonik prensipleri kullanan ve düşük güç gerektiren sensör, aydınlatma gibi hizmetlerde kendi kendini karşılayabilen sistemler olarak tasarlanmaktadır. Günümüzde Japonya, Çin ve Güney Kore gibi ülkelerde yaya geçitlerinde ve araba tümseklerinde sıkça kullanılan piezoelektrik plakalar gece yolları aydınlatmada kullanılmak üzere enerji depolamaktadır. Piezoelektrik plakalara yenilikçi olarak baskı mekanizmasının yanında rüzgarla birlikte de çalışabilen yenilikçi bir tasarım geliştirildi, “Çift Modlu Dizilimli Titreşim Piezoelektrik Hasatçısı”. Bu sistem 100 ve 80 metre uzunluğunda iki farklı PZT-5H piezoelektrik malzeme kullanılarak yapılmıştır. Rüzgar modunda çalışırken içerisindeki hava yönlendirme kanalları sayesinde Vortex Shedding (Rüzgar Yönlendirme) tekniğiyle manyetik kirişlerin titreşmesi ve elektromanyetik indüksiyonla elektrik üretmesini sağlar. Titreşim modunda da hava akımından bağımsız olarak kirişleri direk titreştirerek elektrik üretir. Kiriş uçlarına eklenen manyetik malzemeler, nonlineer bir geri yükleme kuvveti oluşturarak düşük frekanslarda da verimli çalışmayı sağlar. Yapılan Simülasyon Akış analizlerinde 100 mm uzunluklu ve 60 mm kalınlıklı bir kiriş için 8 Hz ve 100 Hz; 80 mm uzunluklu ve 40 mm kalınlıklı bir kiriş için ise 14 Hz ve 158 Hz, Rezonans frekansları olarak hesaplanmıştır. Akış analizleri sonucunda 150 mm çapındaki hava yönlendirici silindirin en iyi duvar çarpma etkisini yarattığı ve en verimli girdabı oluşturduğu tespit edilmiştir. Prototip sistem 12 m/s’lik rüzgar hızında 100 mm’lik kirişte 18,1 V tepe gerilimine ve 4,26 mW güç çıkışına ulaşmıştır. Sinüzoidal süpürme testlerinde ise 5 m/s² ivme altında 100 mm’lik kiriş 15,3 V tepe gerilimine ve 3,29 mW güç çıkışına ulaşmıştır. Bu değerler küçük olmasına karşın bu sistemin çok düşük frekanslarda bile çalışma kabiliyeti göz önünde bulundurulusa yüksek verimliliğe sahip bir sistemdir. Sistem; üretilen alternatif akımı LTC3588-1 Modülü ile regüle edip bu akımla kapasitörleri başarıyla şarj etmiş, 3,3 V’luk kararlı bir DC çıkışı sağlamıştır.¹

Aynı çalışmaya benzer bir mantıkta, yine yenilikçi bir tasarım olarak öne çıkan santrifüjlü yay mekanizması kullanan piezoelektrik enerji hasat sistemi incelenmektedir. Bu sistem, CSM (Centrifugal Spring Mechanism) olarak tanımlanmakta ve rüzgar hızına bağlı olarak kendini ayarlayarak farklı hız aralıklarında bile stabil verimde çalışmayı hedeflemektedir. Klasik piezoelektrik rüzgar hasatçıları, enerji üretimine başlayabilmek için genellikle yüksek start-up (ilk harekete geçiş) rüzgar hızlarına ihtiyaç duyar. Bu durum, bir cismin statik ve kinetik sürtünme eğrileri arasındaki farkla benzer bir mantıkla açıklanabilir. Ayrıca bu geleneksel sistemler, düşük rüzgar hızlarında oldukça zayıf güç üretmektedir. Bu noktada devreye giren CSM tabanlı sistem, 0,3-5,4 m/s gibi düşük rüzgar hızlarında dahi yüksek verimle çalışabilen bir yapı geliştirmeyi amaçlamaktadır. Sistem, dikey eksenli olarak konumlandırılmıştır ve bu sayede rüzgar yönünden bağımsız bir şekilde multi vektörel çalışabilmektedir. Piezoelektrik elemanlar tamamen manyetik olarak tetiklenmekte, böylece sürtünmeden kaynaklanan aşınma ve enerji kayıpları da ortadan kaldırılmaktadır. Santrifüjlü yay mekanizması, sistemi kendini rüzgar hızına göre ayarlayabilmesini sağlayan temel unsurdur. Çalışma prensibi kısaca şu şekildedir: Rüzgar hızı arttıkça rotor hızı da artar. Artan rotor hızı, santrifüj kuvveti oluşturarak yayların sıkışmasını sağlar. Yayların sıkışmasıyla birlikte uyarıcı eleman üzerindeki mıknatıslar ile sabit piezoelektrik eleman üzerindeki mıknatıslar arasındaki mesafe sürekli olarak değişir. Bu zincirleme manyetik alan etkileşimi, düşük tork seviyelerinde dahi yüksek elektrik üretilmesini mümkün kılar. Manyetik torkların büyük ölçüde birbirini iptal etmesi yani vektörel olarak sıfırlaması sayesinde sistem son derece stabil bir yapı sergilemekte ve geniş bant genişliğine (broadband) sahip olmaktadır. Başlangıç rüzgar hızı 1,5 m/s olarak alındığında, sistem 2 m/s rüzgar hızında 0,45, 3,3 m/s rüzgar hızında 2,74, 4,75 m/s rüzgar hızında ise 5,97 mW güç üretmektedir. CSM mekanizmasının sağladığı avantajlar sayesinde açık devre gerilimi %80,7, kısa devre akımı ise %90,9 oranında artırılmıştır. Bu sistem kullanılarak LED tabelalar ve uyarı levhaları, OLED ve LCD ekranlar, saatler, bluetooth destekli sıcaklık ve nem sensörleri başarıyla çalıştırılmıştır. Piezoelektrik prensipler alanında hem rüzgar ve titreşimi birlikte kullanan sistemler hem de santrifüjlü yay mekanizmasına sahip saf rüzgar hasatçıları devrim niteliğinde çalışmaların önünü açabilecek potansiyele sahiptir. Yeterli Ar-Ge sağlanmasıyla beraber geleneksel rüzgar türbinlerinden daha verimli, daha küçük ve daha kompakt enerji hasat sistemlerinin geliştirilmesi mümkün görülmektedir.²

Kaynaklar

1. Xu, Q., Long, H., Tian, S., Cheng, Q., Liu, J., Li, M., … & Sun, Y. (2025). Dual-mode arrayed vibration-wind piezoelectric energy harvester. Energy Conversion and Management, 324, 119303.
2. Liao, W., Su, X., & Fang, F. (2025). A centrifugal spring mechanism empowers self-adjusting in  piezoelectric wind energy harvesting. Nano Energy, 133, 110462.