Ünite 8: Enerji Hasadı

Giriş

Bu bölümde çevremizde bulunan doğal enerji kaynakları dışında olan yapay aydınlatmalar, titreşimler, atık ısı, hava akımları, elektromanyetik sinyaller, sesler, vücut hareketlerimiz, tuzluluk farkı gibi faydalanamadığımız enerji kaynaklarından bahsedilecektir.

Enerji Hasadı

Bizleri çevreleyen dünyada faydalanamadığımız pek çok enerji kaynağı bulunmaktadır. Bunları elektromanyetik alanlar, doğal ve yapay aydınlatmalar, atık ısı ve sıcaklık farkları, hava akımları, titreşimler, sesler ve hatta kendi vücut hareketlerimiz olarak sıralayabiliriz. Bu enerji kaynakları güç algılayıcılarına ve elektronik cihazlara enerji hasadı yapabilmek için gerekli potansiyele sahiptirler.

Günümüzde, mikro elektronik cihazların ve kablosuz iletişim teknolojilerinin gelişmesi ile birlikte düşük maliyetli ve düşük güç gereksinimine olan ihtiyacın artmasıyla mikro algılayıcılar kullanılmaya başlanmıştır. Birçok uygulamada birkaç yıl veya daha fazla süre ile çalışması planlanan kablosuz algılayıcılara enerji sağlamak için piller kullanılmaktadır; ancak, algılayıcı sayısını sınırlaması nedeni ile piller, istenilen enerji miktarını karşılayamayacak özelliktedir.

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.

Enerji Hasadı Kaynakları

Çevremizde bulunan farklı enerjileri hasat etmek için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Enerji hasadı, değişik şekillerdeki enerji temeline göre sınıflandırılmaktadır. Bu ünitede ele alınan enerji kaynakları güneş, mekanik enerji, sıcaklık farkı, dinamik akışkan, akustik, manyetik enerji, elektromanyetik dalgalar ve biyoenerjiyi içermektedir.

Yakıt hücreleri hakkında, enerji dönüşümünde kullanımı pillere göre daha büyük gelişmeler yaşanmaktadır. Minyatürleştirilmiş yakıt hücrelerinin çalışma ömrü pillere göre birkaç 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.

Enerji Hasadı Yöntemleri

Fotovoltaikler ile Güç Üretimi

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.

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.

Mekanik Enerji Hasadı

Mekanik enerji, çevremizde en sık rastlanan enerji türlerinden birisidir. Mekanik enerji kaynakları; titreşen bir yapı, hareket eden bir nesne ve akan hava ya da suyun neden olduğu titreşim olabilmektedir. Büyük ölçekte akan hava ve suyun hareketi ya da bunların neden olduğu titreşimlerle ilgili enerjiler, sırasıyla rüzgâr ve hidroelektrik enerjileridir.

Piezoelektrik Enerji Hasatçıları

Piezoelektrik malzemeler basınç, titreşim ya da kuvvetten elde edilen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren malzemelerdir. 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.

Elektrostatik (Kapasitif) Enerji Hasadı

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.

Elektromanyetik Enerji Hasadı

Elektromanyetik enerji hasadı, elektromanyetik indükleme prensibi ile gerçekleştirilmektedir. Elektromanyetik indükleme, iletken etrafındaki manyetik alanın değişmesi ile iletkende üretilen elektrik potansiyeli olarak tanımlanmaktadır.

Atık Isı Enerji Hasadı

Termodinamik yasalarına göre, üretilen enerji, ortam sıcaklığındaki ısıya indirgenir. Örneğin, 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.

Isıyı Elektrik Enerjisine Dönüştüren Cihazlar

Bu kısımda ısıl enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yöntemler hakkında bilgiler verilecektir. Bu yöntemler; termiyonik, piroelektrik ve Seebeck üreteçler, alkali-metal ısıl – elektrik dönüştürücüleri ve infrared fotovoltaik enerji hasadı yöntemleri olarak sıralanabilir.

Termiyonik Üreteçler

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.

Piroelektrik Üreteçler

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.

Seebeck Termoelektrik Üreteçler

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.

Alkali Metal Isıl-Elektrik Dönüştürücüleri

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.

Kızılötesi(İnfrared) Fotovoltaik Hasatçılar

Daha önceki bölümlerde de ele alındığı gibi, fotovoltaik (PV) paneller doğal veya suni ışığın elektrik enerjisine doğrudan dönüştürülmesinde başarı ile kullanılmaktadır. En modern PV hücrelerinde, 1,11 eV bant aralığına sahip silisyum kullanılmaktadır. Bu, 1100 nm foton dalga boyuna karşılık gelmektedir. Ancak pek çok PV hücresi, üzerine düşen ışığın frekansının görünür bölge spektrumunun (400-700 nm) çok da altında veya üzerinde olmayan bir bölge ile sınırlıdır.

Dinamik Akışkan Enerji Hasadı

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.

Mikro Rüzgâr Hasatçıları

Etrafımızdaki havanın akışı elektrik enerjisi dağıtım hatlarının olmadığı bölgelerdeki algılayıcılara enerji sağlamak üzere kullanılabilir. Rüzgar enerjisi hasadında kullanılan cihazları mikro rüzgar türbinleri, mikro rüzgar kuşağı üreteçler, piezoelektrik rüzgâr hasatçıları ve elektromanyetik rüzgâr üreteçleri olarak sıralayabiliriz.

Akan Su Enerjisi Hasadı

Akan su, basınç dalgalanmalarından dolayı kinetik enerji içermektedir. 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.

Akustik Enerji

Akustik enerji diğer enerji formları gibi elektrik enerjisi üretiminde kullanılabilir. Ses dalgası bir nesnenin yüzeyine ulaştığında nesnenin titreşimine neden olacaktır. Örneğin bir jet motorunun sesi 160 dB olduğunda üretilen güç 100 kW kadar ölçülmüştür. Akustik enerjinin gücü yüksek desibel seviyelerinde olması durumunda oldukça büyüktür.

Manyetik Enerji Hasadı

Manyetik enerji, dünyada her yerde bulunan, bitip tükenmeyen ve yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Şu anda, kablosuz algılayıcılar için manyetik alan enerjisini hasat etmek konusunda çalışan araştırmacılar elektrik iletim/dağıtım hatları hakkındaki çalışmalara ağırlık vermişlerdir.

Elektromanyetik Yayınım Enerji Hasadı

Elektromanyetik dalga elektrik ve manyetik alanın birleşimi sonucunda bir kaynak tarafından yayılan enerjinin bir şekli olarak ifade edilebilir. Elektromanyetik dalgalar birbirine dik elektrik ve manyetik alandan oluşur ve bu iki alanın oluşturduğu düzleme dik doğrultuda yayılır. Elektromanyetik dalgalar, artan frekansa göre; radyo dalgaları, mikrodalgalar, terahertz ışınımı, kızılötesi ışınım, görünür ışık, morötesi ışınım, X-ışınları ve Gama ışınları olarak sınıflandırılabilirler.

Biyoenerji Hasatçısı

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.