Ayakkabıdan Elektrik Üretimi tez çalışması

Ayakkabıdan Elektrik Üretimi tez çalışması

T.C.

HARRAN ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

logo1

BİTİRME PROJESİ I

PİEZOELEKTRİK İLE GERİLİM ÜRETME

Zühre KORKMAZ

Merve GÜNEŞ

İbrahim Halil IŞIK

DANIŞMAN: Doç. Dr. Ali KIRÇAY

İÇİNDEKİLER

PİEZOELEKTRİK NEDİR? 1

PİEZOELEKTRİĞİN KULLANIM ALANLARI ? 2

PİEZOELEKTRİK İLE GERİLİM NASIL ÜRETİLİR? 3

ÜRETİLEN GERİLİM NE GİBİ KOLAYLIKLAR SAĞLAR?

 YAPILAN ÇALIŞMA 4

KULLANILACAK MALZEMELER 5

KULLANILACAK MALZEMELER İLE İLGİLİ BİLGİLER 6

 PİEZOELEKTRİK NEDİR?

   “Piezo” kelimesi Yunancada basınç anlamına gelmektedir. Piezoelektrik olayı 18.YY Fransız fizikçiler Jacques ve Pierre Curie tarafından keşfedilmiştir. Piezoelektrik özellik, mekanik bir enerjiyi elektriğe ya da tam tersi olan elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirebilmektedir. Piezoelektrik polimerlerden ya da seramiklerden de, aynı doğrultuda uygulanan yük (basma ya da çekme) sırasında malzeme içinde ki kristal yapının her iki tarafında bulunan +q ve –q yüklerin ortaya çıkması sonucu oluşur.

Kristal yapı

 Aşağıda ki şekilde görünen gibi her adım attığımızda piezo etki gösteren madde elektrik enerjisi üretecek ve yürürken telefonumuzu ya da mp3 çalarımızı şarj edebileceğiz.

Piezo etkili ayakkabı

Kısa bir hesap yapmak gerekirse, her bir adım için 2 milliwatt enerji üretilmektedir. Eğer siz 5bin adım atarsanız (5.000×2 miliwatt= 10.000 miliwatt) yani 10 watt enerji açığa çıkacaktır. Bu da size telefonunuzu 2 saate yetecek kadar şarj edebilme imkânı sunuyor olacaktır.

PİEZOELEKTRİĞİN KULLANIM ALANLARI?

   Piezoelektrik malzemeler içinde kullanılmakta olan çoğunlukla kurşun-zirkonyum-titanyum (PZT) seramiktir. Piezoelektrik etki yaratmak için en önemli olan simetri merkezi olmayan kristaller kullanmaktır.

Kullanılan başlıca malzemeler:

  • Kuartz (SiO2)
  • Turmalin
  • Baryum Titanat (BaTiO3)
  • Çinko Oksit (ZnO)
  • PVDF (Poli-vinilidin-klorür)

 Aşağıda basit bir piezoelektrik etkinin  çalışma prensibi görülmektedir.

Piezoelektrik çalışma prensibi

Günlük Hayatımızda Piezoelektrik

Belki de en çok kullandığımız eşya çakmaktır, ama çoğu kişi çakmaklarda Piezoelektrik ile gazın ateşlendiğinin farkında bile değildir.

Piezoelektrik çakmak

Mikrofonlarda da piezo etkiden yararlanmaktayız. Sesin tabii oluşturduğu ses dalgalarından gelen basınçla piezo malzeme sinyal üretip, bu sinyaller yükseltilerek hoparlörlere ulaşır. Aşağıdaki şekilde görülen bir mikrofon transdüseri olup beyaz renkte olan piezo kristalidir.

Mikrofonlarda da piezo

Otomotiv Endüstrisinde

 Airbag sensörleri, hava akışı sensörleri, alarmlar, yakıt püskürtücüleri, emniyet kemeri uyarıcıları, park sensörleri

Bilgisayarlar

Disk sürücüleri, mürekkep püskürtmeli yazıcılar

Medikal Sistemler

Tek kullanımlık hasta monitörleri, ultrasonik görüntüleme

Askeri Sistemler

Derinlik algılayıcılar, güdüm sistemleri, hidrofon, sonar sistemler

Tüketici Elektroniği

Mücevher temzileyiciler, müzik entrümanları, nemlendiriciler

Gibi piezoelektrik etkinin kullanım alanları listelenmiştir. Bunlar dışında birçok alanda da piezoelektrik etkinin kullanım alanlarını görmek mümkündür.

PİEZOELEKTRİK İLE GERİLİM NASIL ÜRETİLİR?

  Piezoelektrik basınç oluşturulduğunda elektrik üreten yarı iletken bir malzemedir. Son yıllarda yarı iletken teknolojisi ile birçok icat yapıldı, piezoelektrik malzemesi de bunlardan birisidir. Burada basıncın devamlı değişken olması gerekmektedir. Yani sadece basılı tuttuğumuzda bir kerelik enerji üretimi olur bunu sürekli hale getirmek için devamlı basıp çekmemiz gerekiyor.

Böyle bir malzemeyi kullanabileceğimiz en iyi yer ayakkabımız gibi görünüyor. Kuracağımız ufak bir devre ile günlük koşumuzu yaparken de aynı zamanda cep telefonumuzu şarj edebiliriz.

ÜRETİLEN GERİLİM NE GİBİ KOLAYLIKLAR SAĞLAR?

Piezoelektrik etki ile üreteceğimiz gerilim daha çok; elektrik olmayan yerlerde bulunduğumuz zaman telefonlarımızı şarj etmemizde kullanabileceğimiz en ideal icatlardan biridir.

YAPILACAK OLAN ÇALIŞMA?

Piezoelektrik ile üretilecek olan gerilimin ayakkabı tabanına yerleştirilmesiyle telefon ya da powerbank gibi taşınılabilir olan elektronik cihazların şarj edilebilirliğini gözlemlemek.

KULLANILACAK MALZEMELER

* Piezo element x 3

* Powerbank

* 1N4007 Diyot x 4

* 5 Volt DC-DC Çevirici

* Ayakkabı x 1

KULLANILACAK MALZEMELER İLE İLGİLİ BİLGİLER

  • Piezo element nedir?

Piezoelektrik özelliği, bazı malzemelere uygulanan mekanik basınç sonucunda, malzemenin elektrik alan ya da elektrik potansiyel değiştirme yeteneğidir. Bu etki, malzemenin içindeki polarizasyon yoğunluğundaki değişmeyle doğrudan alakalıdır.

  • Diyot nedir?

Diyot, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Bir yöndeki dirençleri ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan elemanlardır. Direncin küçük olduğu yöne “doğru yön” veya “iletim yönü”, büyük olduğu yöne “ters yön” veya “tıkama yönü” denir.

  •  Volt DC-DC Çevirici

DC-DC dönüştürücüler endüstriyel uygulamalarda ve kişisel uygulamalarda sıkça kullanılan bir devre tipidir. Kullanım ihtiyacımıza göre akım ve gerilim oranları ile oynayarak devremizi ihtiyacımıza uygun bir hale getirmemizi sağlar.

  • Powerbank
  • Ayakkabı

   ALTERNATİF UYGULAMA

  • VOLTAGE AMPLİFİER
  • OPAMP
  • DEPOLANABİLİR PİL
piezoelektrik uygulama alanları

Piezoelektrik Uygulama Alanları

Piezoelektrik uygulama alanları genel anlamda artık birçok alanda karşımıza çıkmaktadır. Radyo vericilerinin frekans kontrollerinde telefonu iletişiminde birçok yerde kullanılmaktadır. Genel anlamda Piezoelektrik seramikler, kristaller ve sistemlerle mekanik titreşimler elektrik dalgasına ve dolayısıyla da elektromanyetik çeviriciler de kullanıldığı bir sistemdir. Son yıllarda önemli buluşlar da karşımıza çıkmakta ve özellikle de araçların içerisinde dahi birçok mekanizmada kullanılmaktadır. Sonar cihazında proje elektrik olayı ile yapılan ses yayını işleminin yanı sıra aynı zamanda ters Piezoelektrik yardımıyla da seramik malzemede şekil değişimi oluşturulabilmektedir. Bu sistemin en önemli noktalarından biri rahat kullanım ve sesten elektriğe dönen sistemlerinde rahat kullanımdır. Bir çok güvenlik mekanizmasında kullanılma durumu söz konusudur.

Piezoelektrik Uygulama Alanları Ve Sistematiği

Piezoelektrik uygulama alanları denildiği zaman öncelikli olarak karşımıza Radyo vericilerinin frekans kontrollü çıkmaktadır. Burada rahatlıkla kullanabilmek, TV frekans dalgalarının doğru bir şekilde iletimi sağlanmaktadır. Aynı zamanda son yıllarda yine çok kullandığımız telefon iletişim cihazlarında da dalga filtreleme işlemlerinde Piezoelektrik sistemleri kullanılmaktadır. Kristal mikrofonlar, gemilerde derinlik ve aynı zamanda da sonar cihazları yardımı ile hedef bulan mekanizmalarında kullanılmaktadır. Burada piezo kristal malzemesinden yararlanılarak üretimler gerçekleştirilmektedir. Kullandığımız çakmaklarda ya da çocukların ayakkabıların da bulunan Işık sistemlerinde dahi bu sistemlerin kullanıldığı bilinmektedir.

Genel olarak malzeme anlamında çok değerli olmasının yanı sıra Piezoelektrik uygulama alanları denildiğinde araç içlerinde de airbag sensörleri, park sensörleri gibi birçok yerde kullanıldığı karşımıza çıkmaktadır. Tabii ki bunun gibi birçok sistemin içerisinde kullanıldığı da bilinmektedir. Çok daha basit şekilde düşünecek olursanız arabalarda kullanılan hava akış sensörleri, kulaklıkları, mikrofonları da burada gösterebiliriz. Günümüzdeki yüksek hassaslığa sahip olması nedeniyle hassas terazi, ivme ölçer gibi mekanizmaların içerisinde de yine Piezoelektrik sensörleri kullanılmakta. Hassas hesaplamalar açısından büyük bir avantaj sağlamaktadır.

Piezoelektrik Etkisi

Piezoelektrik Etkisi

Piezoelektrik etkisi sistemleri ilk olarak 1880 yılında ortaya çıkmış bulunmaktadır. İki Fransız bilim adamı ve kardeş olan Curie kardeşler tarafından bulunmuş olan bu sistem günümüzde birçok yerde kullanılmaktadır. İlk olarak bulunmuş hikâyesinden biraz bahsedecek olursak kuvars ve bazı kristallere uygulanan bir basınç sistemi üzerinde bulunduğu bilinmektedir. Burada fark edilen olay elektrik yükünün burada oluşturulduğu ve buna da ilk olarak bulguların ortaya çıktığını söyleyebiliriz. Zaten bu garip ve bilimsel olayı bilim dünyasında Piezoelektrik etki olarak tanımlamış bulunmaktadır. Curie kardeşler bundan sonra aynı şekilde tersi elektrik etkisine de keşfetmiş bulunmaktadırlar.

Piezoelektrik Etkisi Nasıl Oluşur?

Piezoelektrik kelimesi aslında Yunanca anlamıyla sıkıştırmak ya da basmak anlamlarına gelen piezo kelimesinden türemiş bulunmaktadır. Ayrıca elektrik kelimesi Yunanca olarak kehribar ya da amber anlamına gelmektedir. Buradaki anlam gereğince bir elektrik kaynağı olduğu söylenebilmektedir. Birçok elektrik cihazının içerisinde günümüzde Piezoelektrik kullanıldığı bilinmektedir. Özellikle ses tanıma yazılımları ve IOS sistemlerinde olan Siri gibi asistanlar da konuştuğumuz mikrofon piezo elektrik sistemleri ile oluşturulmuş bir mikrofondur. Burada konuşulan ses sistemleri kristallerin birbirine çarpması sonrasında elektrik sinyallerine dönüşür ve karşı tarafa iletilir. Buna işte Piezoelektrik etkisi denilmektedir.

Doğru Piezoelektrik Etkisi

Aslında genel anlamda Piezoelektrik etkisi göz önünde bulundurulduğunda bir doğru bir de ters etki olarak iki farklı etkinin olduğunu bilmek gerekir. Bizler sizlere bu yazımızda genel anlamda doğru etki hakkında biraz bilgi vereceğiz. İletken olmayan elektrik kristal ya da seramik üzerinde 2 metal tabaka olarak düşünülürse arasına yerleştirme sistemi ile yerleştirilir. Burada elektrik etkisi meydana getirilir. Bu baskı sistemi sayesinde seramik malzeme uygulanan mekanik baskıda bir elektrik üretimini ortaya çıkarmaktadır. Bir anlamda piezo elektrik sistemi aslında bir çeşit minyatür pil gibi davranmakta ve elektrik üretmektedir. İşte bu durum tam anlamıyla doğru piezoelektrik etki olarak adlandırılmaktadır.

piezoelektrik sensör

Piezoelektrik Sensörleri

Piezoelektrik sensörleri özellikle bazı noktalarda sizlerin çok ciddi anlamda işinizi kolaylaştırıyor. Genel anlamda bizler size bu yazımızda hem etkisi hem de bu malzemelerin kullanım sistemleri hakkında bilgi vermeye çalışacağız. Piyasada elektrik etkisi olarak bilinen etki, aslında mekanik sistem sonucunda oluşan kristal yapı değişmeleri ve elektrik yükü geliştirilmesi sonucunda bir köprü görevi görmesi olarak adlandırılabilir. Özellik kullanılarak geliştirilmiş olan bu sensörler sayesinde bazı teoriler ve sensör sistemleri tanımlanmaktadır. Aslında eşdeğer devreleri de belli almak gerekmektedir. Bu konuda özellikle araştırmalar sürekli olarak piyasa elektrik sisteminin üzerine düşmüş bulunmaktadır.

sensor piezoelektrik
sensor piezoelektrik

Piezoelektrik Sensörleri Sistemi Araştırmaları

Araştırmacılar özellikle Piezoelektrik’in özelliklerinden yararlanmak ve bu fenomenin teknoloji dünyasına dahil etmenin çeşitli yollarını aramış bulunmaktadırlar. Bu araştırmalar sonucunda özellikle elektriksel davranışlar ve öngörülebilir şekilde karşılık veren mekanik stres karşısında yanıt verdiği gözlenmiştir. Bu modellemeleri uygun bir şekilde elektrik sensör cihazları üzerinden etkisi incelenmeye başlanmıştır. Piezoelektrik sensörleri cihaz olarak göz önünde bulundurulduğunda kondansatör ile paralel bir akım kaynağı olarak karşımıza çıkmaktadır. Yüksek hassasiyetli bir zamanlama sinyali olarak kuvars kristali etrafında inşa edilen belirli devrelerle zamanlaması olarak özetlenebilir.

Piezoelektrik Sensörleri Nerelerde Kullanılır?

Piezoelektrik sensörleri özellikle son yapılan araştırmalar sonrasında günümüzün de teknolojisine bağlı olarak kullanılmaya karar verilmiş bulunmaktadır. Özellikle günümüzde çakmaklarda mikrofon ve kulaklıklarda sıklıkla kullanıldığı ve günlük hayatımıza etkisi olduğunu söyleyebiliriz. Aynı zamanda da arabalarda hava akış sensörleri olarak karşımıza çıkmaktadır. Yine araçlarda kullanılan emniyet kemeri uyarıcıları, Air bag sensörleri, alarmlar, park sensörleri tamamen bu dalga filtreleme sistemi ile sunulmaktadır. Telefon uygulamalarında olan tüm dalga filtreleme sistemleri ile ve radyo frekanslarını frekans sistemlerinin kontrol mekanizmalarında kullanılan sistem yine piezoelektrik sistemidir. Bunun yanı sıra çocukların ayakkabılarında kullanılan elektrikli sistemlerde de yine bu sistem kullanılmaktadır.

Piezoelektrik Kullanım Alanları

Piezoelektrik Kullanım Alanları

Kullanım alanları hakkında bilgi verirken önce piezoelektrik hakkında bilgi verelim. İletken malzeme olarak göz önünde bulundurulduğunda iki zıt kutuplu bir malzemenin arasına sıkışan kristallerin üzerine basınç kuvveti ile ortaya çıkan özel bir elektrik enerjisi türüdür. Mekanik enerji kuvvetini göz önünde bulundurulduğunda doğru orantıda elektrik ürettiği söylenebilmektedir. En yaygın olarak karşımıza çıkan sistem elektrik kristal malzemesi olarak kuvarsı örnek gösterebiliriz. Baryum titanat, potasyum sodyum titanat gibi katı maddeler de aynı şekilde bu etkiyi göstermektedir. Genel anlamda titreşim frekansı göz önünde bulundurulduğunda kristallerin kesildiği şekilleri ve yüzey işlemleri ile yakından ilgili oldukları söylenen bir sistemdir.

Piezoelektrik Kullanım Alanları Ve Ortaya Çıkışı

Piezoelektrik kullanım alanları hakkında bilgi verirken elbette ki nasıl ortaya çıktığı konusunda da bilgi vermek önemli. 1880 yılında Fransız elektrikçi iki kardeş olan Pierre Courre ve Jerry Courre tarafından ortaya konulmuş olan bir üretim sistemi. Aslında genel anlamda kristallerin çeşitli yönlerden birbirlerine belirli bir mekanik kuvvet uyguladıklarını ve bunun da voltaj ürettiklerini keşfetmiş bulunuyorlar. İletken plakalar dışarıdan bakıldığında ve voltaj uygulandığında özel bir mekanik titreşim ile meydana çıkan genel bir sistem ile sizlere sunuyor. Bu titreşime de bilim dünyasında ters piezo etkisi deniyor.

Piezoelektrik Kullanım Alanları Detayları

Piezoelektrik kullanım alanları detayları denildiğinde genel anlamda saldırı dedektörleri, alanlar dönüştürücüler gibi sistemlerde ve ultrasonik uygulamalarda oldukça yaygın şekilde kullanılmaktadır. Piezoelektriğe bağlı olan sensörler genel anlamda yüksek hassasiyete sahiptir denilebilir. Mikrofon, ivme ölçer, hassas terazi gibi uygulamalarda özellikle ölçüm yapılması anlamında kullanılan alanlarda rahatlıkla kullanılabilir. Hatta çocukların giydiği ışıklı ayakkabılarda, çakmaklarda bu tip uygulamaları çok rahatlıkla görebilirsiniz. Bunun yanı sıra, cep telefonlarının frekans ve sistemlerinde de bu sistem kullanılmaktadır.

Piezo Elektrik Nedir?

Piezo Elektrik Nedir?

Piezoelektrik Nedir?

Piezoelektrik halk arasında fazla bilinmeyen, fakat son günlerde adını fazlaca duyuran bir enerji türlerinden biridir.  İki tane zıt kutuplu (+) ve (-)  iletken maddenin, pozitif ve negatif şekildeki malzemenin arasında olan malzemenin, sıkıştırılmış yalıtkan (Piezoelektrik kristaller) malzemelerin üzerine basınç uygulanması ile oluşan bir elektrik enerjisi türüdür. Üretilen enerji, genellikle üzerine uygulanan mekanik enerjinin kuvvetinin şiddetine göre doğru orantıda elektrik üretmektedir.

Piezoelektrik Depolama Alanında Kullanılan Maddeler

 

 En fazla tercih edilen Piezoelektrik kristal  malzemeleri  arasında başta gelen kuvarstır. Bazı seramikler başta Rochelle tuzları olmak üzere,

  • Baryum
  • Titanat
  • Kurşun
  • Zirkonat
  • Titanat
  • Potasyum
  • Sodyum
  • Niobat

Gibi katı haldeki maddeler de aynı potansiyeli gösterir.  Kristallerin titreşim frekansı ve titreşim aralığı,  ürettiği voltaj Kristallerin kesiliş ve uygulanış şekilleri, yüzey işlemleriyle de yakından ilgilidir. Bu enerji türünün aslına bakıldığında basınç odaklı olduğu gözükmektedir. Zaten ‘’piezo’’ kelimesi de Yunanca anlamına bakıldığında da basınç anlamına gelmektedir. Çakmak örneğinden de anlayacağımız gibi, basınç uyguladığımızda otaya çıkan ateş mekanizmasında piezoelektronik enerjisi ortaya çıkıyor. Kullanımı diğer enerji türleri kadar bilinmiyor. Fakat birçok kullandığımız malzeme de bu elektrik türüne rastlamamız da mümkün. Şu sn çok fazla tercih etmediğimiz bu enerji türü, gün geçtikçe bilim adamları tarafından geliştirilmektedir.

Piezoelektrik Hoparlör Örnek Verilebilir

Yukarıda anlattığımız gibi basınç temelli oluşan enerjiler Piezoelektrik enerjisine örnekti. Piezoelektrik Hoparlör sisteminde görüldüğü üzere; Sesin yaptığı basınç ile çalışıyor ve böylece takılı olduğu elektronik cihazdaki sesi duyuyoruz.

Piezoelektrik etki günlük yaşamda ve endüstride çok yaygın bir şekilde kullanılmaya başlamıştır. Aşağıda saydığımız ve pek bilmediğimiz farklı alanlarda da kullanım örnekleri görülebilir.

Otomotiv Endüstrisi: Airbag ( hava yastığı )  sensörleri, hava akışı sensörleri, alarmlar, yakıt püskürtücüleri, emniyet kemeri uyarıcıları, park sensörleri gibi, daha çok temas durumunda bizi uyaran yerlerde kullanılmaktadır.

Bilgisayarlar: Disk sürücüleri, mürekkepli ve püskürtmeli yazıcılar

Medikal Sistemler: Tek kullanımlık hasta monitörleri, son zamanlarda en çok kullanılan ultrasonik görüntüleme

Askeri Sistemler: Askeriye de olmazsa olmaz olan,  Derinlik algılayıcılar, güdüm ve bulmaya yardımcı iletim sistemleri, hidrofon, sonar sistemler

Tüketici Elektroniği: Çakmaklar, derinlik bulucular, mücevher temizleyiciler, müzik enstrümanları, nemlendiriciler başta olmak üzere günlük kullandığımız bazı malzemeler.