Piezoelektrik malzeme ile rüzgardan enerji hasatı
Energy harvesting with piezoelectric material from wind
Yazar: FUNDA DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ANUTGAN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada ilk olarak, (PbxX1-x) (ZryTizY1-y-z) O3 kimyasal yapısına sahip bimorf piezoelektrik (PZT) dönüştürücünün enerji üretim koşulları incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda malzeme, farklı frekans, eğilme miktarı ve sıcaklıklarda denenerek maksimum enerji üretebileceği koşullar belirlenmiştir. Elde edilen elektriksel sinyal salınımlarının doğal frekansı materyalin boyu ile ters orantılıdır. Diğer taraftan, malzemeye uygulanan eğilme miktarı artıkça belirlenen doğal frekansda yüksek değerlere doğru bir kayma görülmektedir. Bu davranış, meydana gelen salınımların daha sert bir moda overton geçişiyle açıklanabilir. Yükselen sıcaklığın, piezoelektrik özelliği olumsuz bir şekilde etkilediği gösterilmiştir. PZT dönüştürücü için optimum koşullar belirlendikten sonra üretilen elektrik sinyali, depolama düzeneğine aktarılmıştır. 6300 sn'de depolanan enerji 0,8 J olarak hesaplanmıştır.
Enerji depolama ölçümleri sırasında sabit motora bağlı pervanenin çarpma etkisi ile harekete geçirilmiş olan PZT dönüştürücü, rüzgar enerjisi ile aktif edilerek
malzemenin bir çeşit doğal enerji kaynağı olarak kullanılabilirliği incelenmiştir. Dönüştürücünün rüzgara karşı konumlandırılmasını doğru bir şekilde gerçekleştirmek için dönüştürücü, metal çerçeveye farklı eksenlerde ve eğilme miktarını artıracak farklı ek parçalarla birlikte bağlanmıştır. Elde edilen farklı bağlantı durumları 4-20 m/s rüzgar hız aralıklarında denenerek üretilen voltaj çıkışları karşılaştırılmıştır. Farklı bağlantı konumlarının birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları açıklanmıştır. Elde edilen maksimum voltaj değeri 13 V ve hesaplanan güç değeri ise 338 μW'dır. Çalışmada kullanılan bimorf yapıdaki PZT dönüştürücü, unimorf yapıya göre daha yüksek enerji çıkışına sahiptir ancak esnekliği çok daha azdır. Bu nedenle dönüştürücüden maksimum enerji elde edebilmek için gerekli rüzgar hızı yüksek şiddetli rüzgar olarak adlandırılan 16-20 m/s aralığıdır.
Çalışmada incelenen ikinci malzeme Makro fiber kompozit (MFC) dönüştürücüdür. Dönüştürücüyü aktif etmek için yine rüzgar hızından yararlanılmıştır. Ancak uygulamayı dış mekandan bağımsız kılmak için minyatür bir rüzgar tüneli tasarlanmış ve 2-8 m/s aralığındaki rüzgar hızı elektrikli fanlar yardımıyla MFC dönüştürüye aktarılmıştır. PZT dönüştürücüde yapılan konum belirleme ölçümleri MFC dönüştürücü için de gerçekleştirilmiştir. Uygun konumda malzemeden elde edilen maksimum gerilim değeri 10,3 V ve hesaplanan güç değeri ise 108 μW'tır. MFC dönüştürücü için uygun rüzgar hızı meltem olarak adlandırılan 6,5 m/s'dir. Bu rüzgar hızı, dış mekanda gerçekleştirilebilecek herhangi bir piezoelektrik rüzgar gülü ya da piezoağaç çalışması için uygundur.

Anahtar Kelimeler : Yenilenebilir enerji, PZT dönüştürücü, minyatür rüzgar tüneli, elektrik enerjisi hasatı.
Bilim Kodu : 905.1.035

Abstract:
In this study, the energy production conditions of bimorph piezoelectric transducer (PZT) having the chemical form of (PbxX1-x) (ZryTizY1-y-z) O3. For this purpose, the material is tested at different frequency, bending rate and temperature values to determine the conditions at which the material produces maximum energy. Natural frequency of the obtained oscillation of the electrical signal is inversely proportional to the length of the material. On the other hand, as the bending rate applied to the material increases, an increasing natural frequency is observed which can be attributed to the modification of the oscillation during the transition to a denser medium. Increasing temperature negatively affects and degrades the material's piezoelectric properties. After determining the optimal conditions for PZT transducer, electrical signal is transferred to the storage. Energy stored in 6300 seconds is calculated as 0.8 J. After testing the PZT transducer using the impact of a blade driven by a fixed motor, the usability of the material as a kind of natural energy
source is investigated by activating the transducer by wind energy. To provide the optimum orientation of the transducer to the wind direction, it was fixed on a metal frame at different axes and with additional parts were attached to increase bending rate.
Different fixture types are tested for wind speed range of 4 to 20 m/s, and produced voltage outputs are compared to determine and explain the advantages and disadvantages of different fixture locations. The maximum voltage and power values obtained are 13 V and 338 μW respectively. Bimorph PZT transducer used in the study has more energy output compared to unimorph structure but is far less flexible. That's why wind speed required for obtaining the maximum energy from the transducer is 16-20 m/s range which is called "storm and beyond" and is not frequently seen. The second material investigated in the study is the Macro fiber composite transducer (MFC). Wind speed is also used to activate this wind speed. A miniature wind tunnel is prepared to isolate the application from the outer environment and a forced air with a speed of 2-8 m/s is sent to the MFC transducer using blowers. Best location measurements done for PZT transducer is also performed for MFC transducer. At its proper location, the maximum voltage and measured power values for the material are 10.3 V and 108 μW. The optimum wind speed for MFC transducer is 6.5 m/s which is called breeze and is the suitable wind speed level for outdoor applications of a piezoelectric windmill or piezo-tree.

Key Words : Renewable energy, PZT transducer, miniature wind tunnel, electrical energy harvesting.
Science Code : 905.1.035