Fosil yakıtların tükenmesiyle birlikte modern mühendisliğin en çok yoğunlaştığı alanlardan biri Enerji Hasadı (Energy Harvesting) teknolojileridir. Enerji hasadı, çevremizde zaten var olan ancak kullanılmadan boşa giden mikro enerjileri (titreşim, rüzgar akımı, insan adımları, ortam ısısı) elektrik enerjisine dönüştürüp depolama sanatıdır. Türkiye'deki okullarda her gün yüzlerce öğrenci koridorlarda ve merdivenlerde binlerce adım atmaktadır. Bu devasa mekanik basınç enerjisi tamamen boşa gitmektedir. TÜBİTAK 4006 ve 2204 Bilim Fuarları "Yenilenebilir Enerji", "Fizik" ve "Sürdürülebilir Şehirler" temalı bu projede; okul koridor zeminine yerleştirilen piezoelektrik seramik disklerle öğrencilerin adımlarından temiz elektrik üreten Piezoelektrik Zemin ile Temiz Enerji Hasadı Prototipi geliştiriyoruz.
1. 🎯 Proje Özeti ve Anahtar Kelimeler
Piezoelektrik etki; belirli kristal ve seramik malzemelerin (örneğin Kurşun Zirkonat Titanat - PZT) mekanik bir basınca veya darbeye maruz kaldığında elektrik yükü üretmesi prensibidir. Projemizde, 30x30 cm boyutundaki bir zemin karosunun altına birbirine paralel ve seri bağlı 16 adet piezoelektrik disk ve yay mekanizması yerleştirilmiştir. Öğrenci karoya bastığında üretilen alternatif akım (AC) darbeleri 1N4007 Schottky köprü diyot doğrultucu devresiyle doğru akıma (DC) çevrilir, 2200uF elektrolitik kondansatörde filtrelenir ve TP4056 modülü ile şarj edilebilir bir bataryada depolanır. Depolanan bu enerji elektrik kesintisinde acil durum yönlendirme LED'lerini besler.
2. 📌 Problem Durumu ve Araştırma Sorusu
3. 💡 Proje Hipotezleri
4. 🧰 Gerekli Malzemeler ve Devre Elemanları
| Malzeme | Adet | Açıklama |
|---|---|---|
| 35mm Piezoelektrik Seramik Diskler | 16 | Mekanik basıncı elektriğe dönüştüren kristaller |
| 1N4007 / 1N5819 Hızlı Diyotlar | 4 | AC'den DC'ye tam dalga köprü doğrultucu |
| 2200uF / 25V Elektrolitik Kondansatör | 1 | Dalgalı gerilimi süzen ve depolayan filtre havuzu |
| TP4056 Lityum Şarj Modülü | 1 | 3.7V bataryayı güvenli şarj eden entegre |
| 18650 Şarj Edilebilir Li-ion Pil | 1 | Üretilen temiz enerjiyi saklayan batarya |
| Ahşap Zemin Karosu ve Yay Mekanizması | 1 | 30x30 cm yaylı basma platformu |
| Yeşil LED Acil Çıkış Levhası | 1 | Depolanan enerjiyle aydınlatılan yük |
5. 🔌 Devre Şeması ve Çalışma Mantığı
[Adım Darbesi] ──> [16x Piezo Disk Dizisi] (AC Yüksek Gerilim Darbesi) │ ▼ [4x Diyot Köprü Doğrultucu] (DC Akıma Çevir) │ ▼ [2200uF Kondansatör Havuzu] (Filtreleme & Depolama) │ ▼ [TP4056 Şarj Devresi] ──> [18650 Li-ion Batarya] │ ▼ [Acil Durum LED Panosu]6. 📊 Farklı Vücut Ağırlıklarına Göre Üretim Ölçüm Tablosu
Sarsıntı test platformunda 3 farklı öğrenci ağırlığıyla adım testleri yapılmıştır:
| Öğrenci Ağırlığı | Adım Başına Zirve Voltaj ($V_{peak}$) | Adım Başına Akım ($mA$) | 100 Adımda Depolanan Enerji |
|---|---|---|---|
| 45 kg (İlkokul/Ortaokul) | 9.2 Volt | 0.8 mA | 0.45 Joule |
| 65 kg (Lise Öğrencisi) | 14.6 Volt | 1.4 mA | 0.82 Joule |
| 80 kg (Öğretmen / Yetişkin) | 18.8 Volt | 2.1 mA | 1.25 Joule |
7. 🎤 TÜBİTAK Jüri Sunum Tavsiyeleri
8. Matematiksel Enerji Hesabı ve Fizik Kanunları
Piezoelektrik disklerde üretilen elektrik enerjisi mekanik iş formülüyle doğrudan bağlantılıdır:
$$W = rac{1}{2} C \cdot V^2$$
Okul Ölçeğinde Günlük Üretim Potansiyeli:
1000 öğrencisi olan bir ortaokulda, her öğrenci günde ortalama 20 kez bu ana koridor karosuna bastığında:
$$1000 imes 20 = 20.000 \, ext{Adım / Gün}$$
Bu adımlar sayesinde okulun tüm yangın çıkış yönlendirme tabelaları şebekeden tek bir kilovat saat çekmeden, tamamen öğrencilerin kendi ayak sesleriyle aydınlatılabilir!
9. Sürdürülebilirlik ve Yeşil Bina (LEED) Sertifikasyonu
Geliştirilen piezoelektrik zemin sistemi, modern mimaride çevre dostu binalara verilen uluslararası LEED ve BREEAM yeşil bina sertifikasyonlarının "Yenilikçi Tasarım" ve "Yerinde Yenilenebilir Enerji Üretimi" kriterlerine tam uyum sağlar. Okul binalarında, üniversite kampüslerinde ve hastanelerde uygulandığında yılda yüzlerce kilowatt saat elektrik tasarrufu sağlamasının yanı sıra, öğrencilere temiz enerji bilinci aşılayan yaşayan bir laboratuvar işlevi görür.