Rüzgar türbini yapısal sağlık kontrol uygulamaları için esnek PVDF-TrFe piezoelektrik enerji hasatçısı

Mikroelektronik cihazlar, günlük yaşamda sıklıkla kullanılmaya başlanan çok sayıda yeni elektronik cihazın son yıllarda piyasaya sürülmesiyle sonuçlanan muazzam bir ilerleme kaydetmiştir. Enerji hasadı teknolojilerindeki sürekli gelişmeler cihazların maliyetlerini, boyutlarını, ağırlıklarını ve güç gereksinimlerini azaltarak kablosuz sensör ağları gibi dağınık sistemlerin oluşturulmasına yol açmıştır. Bununla birlikte, mevcut pil teknolojisi yavaş inovasyon hızı nedeniyle mikroelektronik cihazlarin ölçeğini, ağırlığını ve maliyetini belirlemekte en önemli etken olmaya devam etmektedir. Piller, çevresel etkilerinden ve dağınık veya gömülü sistemlerde pil değiştirmenin zorluğundan dolayı çözülmesi gereken bir problem olarak mikroelektronik cihaz tasarımının önünde durmaktadır. Bunun bir sonucu olarak, elektronik cihazlarda sabit kapasiteli enerji kaynaklarının neden olduğu sorunları çözmesi beklenen enerji hasadı teknolojilerine ilgi duyulmaya başlanmıştır. Bahsedilen problemlere çözüm getirmek amacı ile bu tezde, yapısal sağlık kontrolü uygulamaları için bir piezoelektrik enerji hasatçısı (PEH) ve özgün üretim akışı sunulacaktır. Proje hedef, geliştirilen özgün fabrikasyon akışı ile PEH'i elektrik karakterizasyon testlerinden geçirmek, paketlemesini ve elektronik entegrasyonunu sağlamak ve PEH'in, cihazların içerisinde bulunan pillerin ömürlerini uzatacak fayda sağladığını, testler sonucunda alınacak değerler ile göstermektir. Günümüzde enerji maliyetlerindeki artış ve daha düşük karbon emisyonuna olan yönelim, yenilenebilir enerji teknolojisinde ilerlemeleri zorunlu kılmaktadır. Zorlu ortamlarda birçok sensörün kullanılamaması nedeniyle, son teknoloji rüzgar türbini enstrümantasyonunun maliyeti yüksektir. Bu enstrümanlar ile birlikte dolaylı ölçüm prosedürleri kullanılmaktadır. Güvenliği sağlarken verimliliği artırmak ve emisyonları en aza indirmek için, dağıtılmış bir sensör ağı ile birlikte yapısal sağlık izleme yöntemlerinden yararlanılabilir. Yeni yapısal sağlık izleme sistemleri, enerji hasatçılarından elde edilen enerji kullanılarak çalıştırılabilen düşük güçlü sensörler ve kablosuz iletişim bileşenleri içermektedir. Bağımsız sensör sistemlerine güç sağlamak için ortamda halihazırda bulunan kaynaklardan enerji elde etmek mümkündür. Bu tezde esnek bir piezoelektrik enerji hasatçısı sunulmuştur. Piezoelektrik sensör katmanı için, polivinilidin florür-trifloroetilenden (PVDF-TrFE) kullanılmıştır. Tezde piezoelektrik enerji hasatçılarının; fabrikasyon, karakterizasyon ve matematiksel modelleme kısımları açıklanacaktır. Iki farklı piezoelektrik enerji hasatçısı tasarlanmış ve farklı parametreler ile karşılaştırılmıştır. Bir rüzgar testi düzeneğinde çıkış voltajı ve akım karakteristikleri incelenmiştir. PVDF-TrFE malzemesinin elektriksel, mekanik ve kimyasal özellikleri incelenmiştir. Hasatçının sağladığı maksimum güç, akım ve gerilim değerleri rüzgar basıncı altında sırasıyla 272.99 µW, 291.34 µA ve 937.01 mV'dir. Bu değerler rüzgar türbini yapısal sağlık kontrol uygulamalarında kullanılacak bir MEMS basınç sensörünü çalıştırmak için yeterlidir.