Triboelektrik Nanogeneratörlerde Enerji Yoğunluğunu Artırmak için Dielektrik Boyut Optimizasyonu

Abstract

ÖZET: Triboelektrik nanogeneratörler (TENG’ler), mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme potansiyeline sahip yenilikçi cihazlar olarak son yıllarda büyük ilgi görmektedir. İnsan hareketi, rüzgâr veya dalga hareketi gibi doğal kaynaklardan faydalanarak enerji elde etme olanağı sunan TENG'ler, özellikle sürdürülebilir enerji çözümleri için umut vaat etmektedir. Küçük ölçekli uygulamalarda önemli başarılar elde edilmesine rağmen, büyük ölçekli TENG'lerin geliştirilmesi ve daha yüksek güç üretme kapasitelerine ulaşılması halen çözülmesi gereken bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Dielektrik malzemelerin boyutu ve konfigürasyonu da dahil olmak üzere, büyük ölçekli TENG'lerin performansını etkileyebilecek çeşitli faktörler bu zorluğun üstesinden gelmek için araştırılmaktadır. Bu çalışmanın amacı, büyük ölçekli TENG'lerde hasat edilen elektrik güç yoğunluğunu artırmak için dielektrik malzemelerin kalınlık, yüzey alanı gibi boyutsal parametrelerini ve çok hücreli TENG konfigürasyonlarını optimize etmektir. Çalışmada pozitif dielektrik olarak cam elyaf, negatif dielektrik olarak ise yüksek tribo-potansiyeli, dayanıklılığı ve kolay erişilebilirliği nedeniyle çok amaçlı beyaz silikon kullanılmıştır. Boyut optimizasyonu aşamasında, farklı kalınlık ve yüzey alanlarına sahip dielektrikler ile TENG’ler üretilerek enerji toplama kapasiteleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Maksimum güç yoğunluğunu elde etmek için gerekli dielektrik kalınlıkları ve yüzey alanları belirlenmiştir. Daha sonra, boyutu optimize edilmiş dielektriklerin verimli bir şekilde entegre edilmesi için yatay ve dikey çok hücreli TENG konfigürasyonları incelenmiştir. Bu bağlamda, yatay ve dikey çok hücreli TENG yapıları tasarlanmış ve bu yapıların enerji üretim performansları karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, dikey çok hücreli konfigürasyonların, yüzey alanı ve kalınlık optimizasyonları ile, enerji verimliliğini önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir. Özellikle dikey çok hücreli konfigürasyonlar, elektronik cihazlar için yüksek ve sürdürülebilir bir enerji yoğunluğuna ulaşılabileceğini ortaya koymaktadır. Bu tez çalışması, TENG'lerin enerji üretim kapasitelerini artırmak için boyut ve konfigürasyon optimizasyonunun önemini vurgulamakta ve gelecekteki büyük ölçekli TENG tasarımları için önemli bir referans oluşturarak enerji üretiminde daha sürdürülebilir çözümler geliştirmeye katkı sağlamaktadır.

ABSTRACT: Triboelectric nanogenerators (TENGs) have attracted great interest in recent years as innovative devices with the potential to convert mechanical energy into electrical energy. TENGs, which offer the opportunity to obtain energy by utilising natural resources such as human movement, wind or wave motion, are particularly promising for sustainable energy solutions. Although significant success has been achieved in small-scale applications, the development of large-scale TENGs and achieving higher power generation capacities is still a problem to be solved. Several factors that can affect the performance of large-scale TENGs, including the size and configuration of dielectric materials, are being investigated to overcome this challenge. The aim of this study is to optimise the dimensional parameters of dielectric materials such as thickness, surface area and multi-cell TENG configurations to increase the electrical power density harvested in large-scale TENGs. In the study, glass fibre was used as the positive dielectric and multipurpose white silicon was used as the negative dielectric due to its high tribo-potential, durability and easy accessibility. In the size optimisation stage, TENGs with dielectrics of different thickness and surface areas were fabricated and their energy harvesting capacities were examined in detail. The dielectric thicknesses and surface areas required to obtain the maximum power density were determined. Then, horizontal and vertical multi-cell TENG configurations are investigated for efficient integration of size-optimised dielectrics. In this context, horizontal and vertical multicell TENG structures are designed and their power generation performances are compared. Experimental results show that vertical multicell configurations can significantly improve energy efficiency with surface area and thickness optimisations. In particular, vertical multi-cell configurations reveal that a high and sustainable energy density can be achieved for electronic devices. This thesis study highlights the importance of size and configuration optimisation to increase the power generation capacities of TENGs and contributes to the development of more sustainable solutions in power generation by providing an important reference for future large-scale TENG designs.