Triboelektrik nanogeneratörlerde enerji yoğunluğunu artırmak için dielektrik boyut optimizasyonu
Optimisation of dielectric size to increase energy density in triboelectric nanogenerators
Yazar: ÖMER DİRİK
Danışman: DOÇ. DR. ABDULKERİM KARABİBER
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Triboelektrik nanogeneratörler (TENG'ler), mekanik enerjiyi elektrik enerjisine
dönüştürme potansiyeline sahip yenilikçi cihazlar olarak son yıllarda büyük ilgi
görmektedir. İnsan hareketi, rüzgâr veya dalga hareketi gibi doğal kaynaklardan
faydalanarak enerji elde etme olanağı sunan TENG'ler, özellikle sürdürülebilir enerji
çözümleri için umut vaat etmektedir. Küçük ölçekli uygulamalarda önemli başarılar elde
edilmesine rağmen, büyük ölçekli TENG'lerin geliştirilmesi ve daha yüksek güç üretme
kapasitelerine ulaşılması halen çözülmesi gereken bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır.
Dielektrik malzemelerin boyutu ve konfigürasyonu da dahil olmak üzere, büyük ölçekli
TENG'lerin performansını etkileyebilecek çeşitli faktörler bu zorluğun üstesinden gelmek
için araştırılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, büyük ölçekli TENG'lerde hasat edilen elektrik güç yoğunluğunu
artırmak için dielektrik malzemelerin kalınlık, yüzey alanı gibi boyutsal parametrelerini
ve çok hücreli TENG konfigürasyonlarını optimize etmektir. Çalışmada pozitif dielektrik
olarak cam elyaf, negatif dielektrik olarak ise yüksek tribo-potansiyeli, dayanıklılığı ve
kolay erişilebilirliği nedeniyle çok amaçlı beyaz silikon kullanılmıştır. Boyut
optimizasyonu aşamasında, farklı kalınlık ve yüzey alanlarına sahip dielektrikler ile
TENG'ler üretilerek enerji toplama kapasiteleri detaylı bir şekilde incelenmiştir.
Maksimum güç yoğunluğunu elde etmek için gerekli dielektrik kalınlıkları ve yüzey
alanları belirlenmiştir. Daha sonra, boyutu optimize edilmiş dielektriklerin verimli bir
şekilde entegre edilmesi için yatay ve dikey çok hücreli TENG konfigürasyonları
incelenmiştir. Bu bağlamda, yatay ve dikey çok hücreli TENG yapıları tasarlanmış ve bu
yapıların enerji üretim performansları karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, dikey çok
hücreli konfigürasyonların, yüzey alanı ve kalınlık optimizasyonları ile, enerji
verimliliğini önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir. Özellikle dikey çok hücreli
konfigürasyonlar, elektronik cihazlar için yüksek ve sürdürülebilir bir enerji yoğunluğuna
ulaşılabileceğini ortaya koymaktadır.
Bu tez çalışması, TENG'lerin enerji üretim kapasitelerini artırmak için boyut ve
konfigürasyon optimizasyonunun önemini vurgulamakta ve gelecekteki büyük ölçekli
TENG tasarımları için önemli bir referans oluşturarak enerji üretiminde daha
sürdürülebilir çözümler geliştirmeye katkı sağlamaktadır.
Anahtar Kelimeler: Triboelektrik nanogeneratör, yüksek güç yoğunluğu, dielektrik
katman, boyut optimizasyonu, çok hücreli TENG.

Abstract:
Triboelectric nanogenerators (TENGs) have attracted great interest in recent years as
innovative devices with the potential to convert mechanical energy into electrical energy.
TENGs, which offer the opportunity to obtain energy by utilising natural resources such
as human movement, wind or wave motion, are particularly promising for sustainable
energy solutions. Although significant success has been achieved in small-scale
applications, the development of large-scale TENGs and achieving higher power
generation capacities is still a problem to be solved. Several factors that can affect the
performance of large-scale TENGs, including the size and configuration of dielectric
materials, are being investigated to overcome this challenge.
The aim of this study is to optimise the dimensional parameters of dielectric materials
such as thickness, surface area and multi-cell TENG configurations to increase the
electrical power density harvested in large-scale TENGs. In the study, glass fibre was
used as the positive dielectric and multipurpose white silicon was used as the negative
dielectric due to its high tribo-potential, durability and easy accessibility. In the size
optimisation stage, TENGs with dielectrics of different thickness and surface areas were
fabricated and their energy harvesting capacities were examined in detail. The dielectric
thicknesses and surface areas required to obtain the maximum power density were
determined. Then, horizontal and vertical multi-cell TENG configurations are
investigated for efficient integration of size-optimised dielectrics. In this context,
horizontal and vertical multicell TENG structures are designed and their power
generation performances are compared. Experimental results show that vertical multicell
configurations can significantly improve energy efficiency with surface area and
thickness optimisations. In particular, vertical multi-cell configurations reveal that a high
and sustainable energy density can be achieved for electronic devices.
This thesis study highlights the importance of size and configuration optimisation to
increase the power generation capacities of TENGs and contributes to the development of
more sustainable solutions in power generation by providing an important reference for
future large-scale TENG designs.
Keywords: Triboelectric nanogenerator, high power density, dielectric layer, size
optimisation, multi-cell TENG.