Enerji Hasadı

Güç hasadı olarak da bilinen enerji hasadı, dış kaynaklardan (güneş enerjisi, ısıl enerji, rüzgâr enerjisi, tuzluluk farkı ve kinetik enerji gibi) elde edilen enerjinin toplanarak giyilebilen elektronik cihazlarda ve kablosuz algılayıcılarda kullanılabildiği küçük, kablosuz ve kendi kendine çalışabilen cihazlar için depolanması sürecidir.

Enerji hasadında kullanılan cihazlar, düşük-enerji elektroniği için gerekli olan az miktardaki gücü üretebilmektedir. Birçok büyük ölçekli üretim için pahalı yakıtlar (petrol, kömür gibi) kullanılırken enerji hasadında kullanılan cihazlar için gerekli enerji kaynakları yaşadığımız ortamda serbest olarak bulunmaktadır. Örneğin, sıcaklık farkı, içten yanmalı bir motor ile çevresi arasında bulunduğu gibi, elektromanyetik enerji de radyo ve televiz yon yayınlarının bir sonucu olarak çevremizde büyük miktarda bulunmaktadır. Çevremizde kullanılmayan enerjiyi elektrik enerjisine çeviren enerji hasat cihazları, hem askerî hem de ticari sektörlerin ilgisini çekmektedir.

Güneş panelleri, güneş ışığının doğrudan geldiği durumlarda çok iyi güç yoğunluğu elde edilmesine olanak sağlamaktadır; ancak, zayıf ofis aydınlatmasında ya da ışığın olmadığı alanlarda, güneş panelleri yetersiz kalmaktadır.

Yakıt hücreleri, enerji dönüşümünde kullanımı pillere göre daha büyük gelişmeler yaşanmaktadır. Minyatürleştirilmiş yakıt hücrelerinin çalışma ömrü pillere görebirkaç kat uzatılabilmiştir; fakat yakıt hücreleri hem yeniden yakıt almak zorunda oldukları hem de sınırlı ömre sahip oldukları için alternatif sabit enerji dönüşüm sistemleri arasında yer almaktadır.

Günümüzde güneşten güç elde etmek için iki yöntem kullanılmaktadır. Birincisi büyük sistemler için uygun olan ancak kablosuz algılayıcılarda kullanılmayan ısıl güç üretimidir. Diğeri ise fotovoltaik sistemleridir. Bu tip sistemlerde, gün ışığı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Floresan ve kızıl ötesi gibi diğer ışık kaynakları da fotovoltaik hücrelerde güç kaynağı olarak kullanılabilirler.

Kullanılan malzemeye göre, güneş hücreleri dört kategoriye ayrılmaktadır. Bunlar; silisyum güneş hücreleri, çok bileşenli güneş hücreleri, polimer güneş hücreleri ve nanokristalli güneş hücreleridir.

Günümüzde, güneş hücrelerinde çoğunlukla tek-kristalli silisyum hücreler, çok-kristalli silisyum hücreler, amorf silisyum (a-Si) hücreler ve bakır indiyum selenyum hücreler kullanılmakta olup nanotitanyum dioksit hassaslaştırılmış hücreler, çok-kristalli silisyum ince film hücreler ve organik güneş hücreleri ile ilgili çalışmalar yürütülmektedir.

Silisyum güneş hücreleri, özellikle kristal silisyum güneş hücreleri, bugünün teknolojisinde en gelişmiş ve ticari değere sahip olanıdır.

Yüksek şiddetli ışık ve dış mekân ışığı için uygun olan tek-kristal silisyum güneş hücreleri ile çok kristalli silisyum güneş hücreleri en büyük üretim ve pazar payına sahiptir.

Fotovoltaik yöntem ile enerji hasadı verimini ve güç üretimini arttırmak için, güneş hücrelerini farklı güneş ışığı şiddeti, sıcaklık ve devredeki yüke göre en yüksek güçte çalışmasını sürekli olarak sağlamak için sistemde izleme kontrolörüne ihtiyaç duyulmaktadır.

Kablosuz algılayıcılar için güç kaynağı tasarlanırken güç kaynağı gereksinimleri ve güneş hücrelerinin verimini etkileyen faktörlerin (güneşe maruz kalma, yoğun bulut ve kar kaplı süre, engellerin neden olduğu gölge, mevsim etkileri, enlem ve boylam, güneş panelinin kurulduğu konum ve açı, güneş hücrelerinin özellikleri, güç şartlandırma özellikleri ve hasat edilen enerjiyi depolamak için kullanılan enerji depolama bileşenlerinin kapasitesi ve kimyası) göz önünde bulundurulması gerekmektedir.

Fotovoltaik paneller, modüler ve istenen enerjiyi elde etmek için değişik büyüklüklerde kullanılabilir. Fotovoltaik paneller, gökyüzünde bulutlarının yoğun olduğu durumlarda bile yayılan ışıktan güç üretebilmektedir. Bu panellerin hemen hemen hiçbiri bakıma ihtiyaçları yoktur ve 20 yıl civarında kullanım ömürleri mevcuttur.

Kullanılan fotovoltaik sistemlerin en büyük dezavantajı ise hasat edilen enerjinin fotovoltaik panellerin yüzey alanı ile doğru orantılı olmasıdır. Algılayıcılar için gereken enerjiyi sağlamak için fotovoltaik panellerin yüzey alanını arttırmak gerekmektedir.

Bir cisim ya da mekanik sisteme ait tüm bileşenlerin hareket ve konumuna göre değişebilme özelliği gösteren potansiyel enerjisi ile kinetik enerjisinin toplamıdır.

Mekanik atık enerji genellikle titreşimi elektriğe dönüşüm ile hasat edilebilmektedir.

Titreşimin elektriğe dönüşümü piezoelektrik, elektrostatik ve elektromanyetik dönüştürücüler olmak üzere üç temel mekanizma ile gerçekleştirilmektedir.

Piezoelektrik etki, bazı malzemelerin uygulanan mekanik zorlanmaya karşı elektrik yükü üretme kabiliyetidir.

Piezoelektrik etki mekanik zorlanmayı elektrik akımı ya da potansiyeline çevirmektedir. Bu zorlama birçok kaynaktan gelebilir. İnsan hareketleri, düşük-frekanslı sismik titreşimler ve akustik ses her zaman karşılaşılabilen örneklerdir.

Piezoelektrik malzemeler temelde piezoelektrik monokristali, piezoelektrik seramikleri, piezoelektrik polimerleri ve piezoelektrik kompozitleri olarak ele alınmaktadır.

Piezoelektrik seramik PZT ve poliviniliden florürdür (PVDF). Piezoelektrik seramik PZT, gelişmiş üretim prosesi, düşük maliyeti, büyük elektromekanik eşleşme sabitleri ve yüksek enerji dönüşüm hızı avantajlarına sahip olmasından dolayı en yaygın kullanılan piezoelektrik malzemedir. Piezoelektrik seramik PZT ile karşılaştırıldığında, PVDF ise daha küçük elektromekanik eşleşme sabitine sahip olmasına rağmen iyi esneklik, yüksek mekanik dayanıklılık, iyi yorulma direnci ve kimyasal kararlılık avantajlarına sahip ve yüksek-frekanslı periyodik yükleme altındaki uygulamalar için uygundur.

Varaktör, uygulanan elektrik potansiyeline bağlı olarak kapasitansı değişen diyot kullanılarak oluşturulmuş bir elemandır.

Elektrostatik enerji hasadı, titreşime bağlı varaktörlerin kapasitans değişimi prensibine dayanmaktadır. Titreşimler, başlangıçta yüklü varaktör plakaları ayırır ve mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülür. Elektrostatik üreteçler, kas gücü kullanarak elektriği üreten mekanik cihazlardır. Hasat edilen enerji, kullanılan kapasitör plakaları arasındaki elektrostatik kuvvete karşı yapılan işle sağlanmaktadır.

Elektrostatik enerji hasat sistemleri IC ve MEMS teknolojisi ile uyumlu ve aynı büyüklükte daha büyük potansiyel ve güç yoğunluğuna sahip olmalarına rağmen, başlangıç potansiyeli ya da değişken kapasitörün şarjı, önemli dezavantajlarından birisidir. Kapasitör şarjı için dış güç kaynağı kullanımı enerji hasadının asıl hedefine aykırıdır. Bu nedenle elektrostatik enerji hasadı sisteminde kendi kendine depolanan enerjinin, başlangıç potansiyelini ya da kapasitör için şarjı sağlamak için kullanılması gerekmektedir.

Elektrostatik dönüştürücüler, üretecin kapasitansını yüksek ve düşük değer arasında değiştirmek için mekanik enerjiyi kullanarak elektrik enerjisi üretebilirler. Kapasitans genellikle kapasitör plakaları arasındaki mesafenin arttırılması ya da plakaların örtüşen alanlarının azaltılması ile azalır. Elektrostatik dönüştürücüler iki durumdan birinde çalışır. Birincisi; kapasitans azaldığında potansiyelin artmasına neden olan, yük ve elektrik alanın kapasitör plakalarında sabit kaldığı sabit yük durumudur. İkincisi; kapasitans azaldığında yükün kapasitörden depolama cihazına hareket etmesine sebep olan sabit potansiyel durumudur.

Elektromanyetik enerji hasadı, elektromanyetik indükleme prensibi ile gerçekleştirilmektedir.

Elektromanyetik indükleme, iletken etrafındaki manyetik alanın değişmesi ile iletkende üretilen elektrik potansiyeli olarak tanımlanmaktadır.

Elektromanyetik indükleme mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüşümünde çok kullanılan bir yöntemdir. Rüzgâr türbinleri, kömür yakmalı güç tesisleri ve arabalarda kullanılan alternatörler bu yöntemle ilgili örnekler olarak verilebilir.

Yüksek dönüşüm verimi ve bileşenlerin düşük maliyeti elektromanyetik indüklemenin kullanımını etkileyen nedenlerdir.

Bir elektromanyetik üreteç değişen manyetik akıya maruz kaldığında iletkenin uçları boyunca elektrik potansiyeli üretmektedirBu genellikle mıknatıs ve bobin arasındaki dönme ya da göreceli doğrusal hareket kullanarak oluşturulmaktadır. Üretilen elektrik potansiyeli kapalı devrede akımı oluşturmak için kullanılabilir.

Termodinamik yasalarına göre, üretilen enerji, ortam sıcaklığındaki ısıya indirgenir. Ör neğin, araba motorundan çıkan sıcak egzoz gazı atmosfere verildiğinde sıcak gaz, enerjisini ortama vererek soğuyacaktır. Benzer örnek endüstriyel prosesler ve işletme buharı üretimi gibi farklı büyüklükteki ticari yapılar için de verilebilir. Üretilen ısıl enerji ne olursa olsun sonuçta hepsi ortam ısısına indirgenmektedir.

Bu durum termodinamiğin ikinci yasasıyla açıklanmaktadır. Isı makinesinin çalışabilmesi için hem sıcak hem de soğuk bir ortamla temas hâlinde olması gerekmektedir. Çünkü bu iki ortam arasındaki ısı akışı güç üretimine olanak sağlamaktadır. Bu nedenle, soğuk ortamı sürekli muhafaza etmek ve sistemi çalışır tutmak için üretilen ısı, üretecin soğuk kısmından sürekli olarak uzaklaştırılmalıdır. Isı makinesinin atık ısısız, yani %100 verim ile çalışması imkânsızdır.

Atık ısının enerjisi, Carnot limiti ile ifade edilen enerji ve kullanılabilir iş üreten enerji arasındaki farktır.

Alüminyum oksit, çimento ve çelik üretimi gibi endüstriyel proseslerde açığa çıkan atık ısı genellikle 500°C’nin üzerindeki sıcaklıklardadır. Bunun anlamı atık ısının, yüksek Carnot limiti ile hasat edilebileceğidir. Bu enerji kolaylıkla tekrar kullanılabilir ve modern tesislerde bu enerjiden pek çok sistemde faydalanılabilir.

Orta ve düşük seviyeli ısıl enerji hasadı yöntemleri kullanılmaktadır.

Isıl enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yöntemler; termiyonik, piroelektrik ve Seebeck üreteçler, alkali-metal ısıl elektrik dönüştürücüleri ve infrared fotovoltaik enerji hasadı yöntemleri olarak sıralanabilir.

Termiyonik emisyon, sıcak bir yüzeyden elektronların yayılmasıdır ve Edison etkisi olarak da bilinmektedir.

Isıtılan maddenin elektronları ısıl enerji ile karşılaştırıldığında, maddenin yüzeyinden kaçma kabiliyeti kazanmaktadır. Bu süreçte kaybolan enerji, iş fonksiyonu olarak isimlendirilmektedir. İş fonksiyonu, salındığı yüzeyin bir özelliğidir ve büyüklük olarak elektron volt düzeyinde gerçekleşmektedir.

Elektron toplayıcı(anot) termiyonik yayınımı geçiren bir maddenin yanına yerleştirilirse, yüzeydeki serbest elektronların yükü elektrik yükünün oluşmasına neden olmaktadırlar. Toplayıcıdaki her elektron yükü, toplayıcının iş fonksiyonuna eşit enerjiye katkıda bulunmaktadır. Kapalı bir devre ile anodun, yayıcıya (katoda) bağlanması elektronların yayıcıya geri akmasına izin verir ve bu durum bir akım yaratır. Yayıcı ve toplayıcı yüzeyler arasındaki iş fonksiyonundaki fark sağlanan gücün elektrik potansiyeline eşittir. Böylece yayıcının iş fonksiyonunun yükselmesi elektrotlar arasındaki voltaj farkını arttırır ve daha fazla güç sağlar. Bu durum, yayıcı sıcaklığının daha yüksek olmasını gerektirmektedir.

Termiyonik üreteçler, akışkan yerine elektronların kullanıldığı ısı makinesidir ve Carnot limiti verimine tabidir. Termiyonik üreteçlerin teorik Carnot limitleri yüksek çalışma sıcaklıklarına (>1000 K) sahip olmalarından dolayı yüksektir. Termiyonik üreteçler için bildirilen toplam ısıl enerji–elektrik enerjisi dönüşüm verimi yüzde 5 ile yüzde 20 aralığındadır. Bu aralık büyük ölçüde çalışma sıcaklığına bağlıdır.

Piroelektrik etki, zamanla sıcaklıkta değişime maruz kalındığında bazı kristal maddelerin elektrik potansiyeli üretmesi özelliğidir. Bu maddeler, kristal yapıları boyunca kalıcı dipol momentlere sahiptir. Madde, sıcaklıkla homojen değişime uğradığında, net potansiyel üreterek kristalin dipolleri bir yönde sıraya dizilir. Sabit sıcaklıkta kristal ayrılması içsel depolarizasyon alan tarafından nötürleştirilmek için kristal yüzeyinde serbest yüklere neden olur. Bu etki piezoelektrik etkiye benzerdir.

Piroelektrik etki, piezoelektrik özellik gösteren maddelerde bulunmaktadır. Piroelektrik kristallerinin bilinen tüm türleri mekaniksel gerilime maruz kaldığında piezoelektrik etki gösterirler. Otuz iki kristal türünün yirmisi mekaniksel gerinime (piezoelektrik) maruz kaldığında elektrik alan üretirler. Bu yirmi türün onu zamanla değişen sıcaklığa maruz kaldığında elektrik alan oluştururlar.

Piroelektrik malzemeler, kristal yapıları nedeniyle güçlü sıcaklık değişiminde kendiliğinden polarizasyon gösteren malzemelerdir.

Geleneksel olarak piroelektrik özellik gösteren malzemeler ağırlıklı olarak algılayıcı olarak kullanılmaktadırlar. Hidrojen algılama, sıcaklık değişimi ve insan solunum sistemi boyunca hava akışının izlenmesi için kullanılan algılayıcılar örnek olarak verilebilir.

Cihazın sıcaklığının zamanla değişmesi gerekliliğidir.

Termoelektrik üreteçler alanı, sıcaklık farkından doğrudan elektrik enerjisi üretimi için çeşitli mekanizmalar ile kurulmuştur. Termoelektrik üretim prosesi Seebeck etkisi ile ifade edilmektedir.

Seebeck etkisinin kullanıldığı cihazlarda, n-tipi ve p-tipi iki yarı iletken (örneğin; bizmut selenür, bizmut tellür) malzemeden yararlanılmaktadır. İki yarı iletkenin bağlantı noktaları sıcaklık farkına maruz bırakıldığında doğrudan elektrik enerjisi üretebilmektedir. Her iki yarı iletken de Seebeck katsayısı S(T) olarak isimlendirilen bir özelliğe sahiptir. n- tipi malzemeler negatif Seebeck katsayısına sahip iken p-tipi malzemeler pozitif Seebeck katsayısına sahiptirler.

Alkali metal ısıl-elektrik dönüştürücü (AMTEC), ısıyı elektriğe dönüştüren, elektrokimyasal bir cihazdır. Isının elektrik enerjisine dönüştürülmesinde, beta alümina katı elektrolit (BASE) olarak adlandırılan bir malzemenin özelliklerinden yararlanılır.

BASE, sodyum iyonları (Na⁺) gibi alkali metal iyonları iletebilirken atomları ya da elektronları iletemez. BASE iki termoelektrik dönüşüm bölmesi arasında ince bir bariyer olarak kullanılır. Bir bölmede, alkali metal sıvı ısıtılarak yüksek-basınçlı buhara dönüştürülür. BASE ile temas hâlindeki yüksek basınçlı buhar, BASE bariyeri boyunca buhar-basıncı farkına neden olur. Buhar basıncı farkı, alkali iyonlarını BASE bariyeri boyunca düşük-basınç buharı içeren ikinci bölmeye geçirir. Atık ısı yoğuşturucu ile ikinci bölmeden etrafına verilir. Düşük-basınç bölmesi yüksek-basınç bölmesinden aktarılan alkali metal iyonlarını toplayarak pozitif elektrik yükü yaratır. Elektriksel yük iki bölme arasına yerleştirilebilir. Negatif yüklü bölme, düşük-basınçtan elektronları sürükler ve pozitif yüklü bölmeye iletir. Çevrimi tamamlamak için alkali metal membranın pozitif tarafından negatif tarafına elektromanyetik pompa ile geri aktarılır.

AMTEC cihazları, genellikle uzay yolculuğu için güvenilir ve uzun süre elektrik enerjisi üretimi gerektiren uzay çalışmalarında kullanılmaktadır.

AMTEC cihazlarının avantajları, hareketli parçalar olmamasından dolayı yüksek dayanıklılığa ve yüksek verime sahip olmalarıdır. En önemli dezavantajı ise aracı akışkan ile membranların tıkanmasından dolayı güç kaybı ve yüksek çalışma sıcaklıklarıdır.

Dinamik akışkan enerjisi, hava ve su gibi akışkanlardan elde edilmektedir. Akışkanın kinetik enerjisi iki yöntem ile hasat edilebilir. Birinci yöntemde mikro türbin sistemleri gibi mekaniksel parçalar tarafından elektrik üretilir. İkinci yöntem de ise mekaniksel parçalar kullanmadan akan rüzgâr ve suyun sebep olduğu mekanik titreşim piezoelektrik, elektrostatik ya da elektromanyetik prensipler ile elektriğe dönüştürülebilir.

Rüzgar enerjisi hasadında kullanılan cihazları mikro rüzgar türbinleri, mikro rüzgar kuşağı üreteçler, piezoelektrik rüzgâr hasatçıları ve elektromanyetik rüzgâr üreteçleri olarak sıralayabiliriz.

Akan suyun kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için iki tip enerji hasat cihazı bulunmaktadır. Bunlar; bayrak şekilli piezoelektrik polimer enerji hasadı cihazı ve mikro yapılı piezo-bimorf üreteçlerdir. Birinci tip, güç üretmek için türbülans akışa uygulanmaktadır. Farklı akış hızlarında, farklı basıncın sebep olduğu, bayrak şekilli piezoelektrik polimer enerji hasadı cihazının iki tarafı güç üretmek için periyodik olarak bükülmektedir. İkinci tip; PZT üzerinde basınç değişimi sağlamak için kararsız akışlara yerleştirilmekte ve güç üretilebilmektedir.

Manyetik enerji, dünyada her yerde bulunan, bitip tükenmeyen ve yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Üretilen manyetik alan enerjisi, kablosuz algılayıcılara güç sağlamak için kullanılabilir. Manyetik alanın güç yoğunluğu büyük olmamasına rağmen, uygun bir şekilde kullanımı durumunda, düşük-güç ihtiyacı olan kablosuz algılayıcılar için gerekli enerjiyi sunmak için yeterlidir

Havada serbest olarak yayınım yapan radyo ya da mikrodalga frekanslarındaki elektromanyetik dalgaların üzerinde barındırdıkları enerjinin uygun antenler yardımıyla verimli şekilde toplanması ve yüksek verimde yükseltici ve doğrultucu devrelere aktarılması elektromanyetik dalgalardan enerji hasat edilmesi olarak adlandırılmaktadır.

Voltree Power şirketi ilk kez 2005 yılında ağaçların ve bitkilerin metabolik enerjisini hasat etmek için bir yöntem geliştirmiştir. Voltree Power şirketi, benzeri olmayan bir yöntemle yaşayan bitkinin metabolik enerjisini kullanılabilir elektriğe dönüştüren biyoenerji hasatçısı bir cihaz icat etmiş ve patent almıştır. Üretilen elektrik, ağaçlar ve toprak arasındaki asitlik farkından kaynaklanmaktadır. Biyoenerji hasatçısı rüzgâra, sıcaklık farkına ya da mekaniksel harekete bağlı değildir. Biyoenerji hasatçısı hava geçirmez, tamamen sessiz ve üretimi ve çalışması çevreye zarar vermemektedir. Bu cihazların kullanım ömrü, bulunduğu ağacın ya da bitkinin ömrü ile sınırlıdır.