Yüzen Su Jeneratörleri Yağmuru Yenilenebilir Enerjiye Dönüştürüyor

Enerji talebi hızla artıyor. 2024 yılında bu dünya %4,3’lük bir artış kaydetti elektrik talebinde. Bu bir önceki yılda kaydedilen %2,5’lik artıştan çok daha büyük bir artıştı ve 2010 ile 2023 arasındaki ortalama elektrik talebi büyüme hızına yakındı.

Bu büyüme, öncelikle yapay zeka benimsenmesinin patlaması ve elektrikli araçların artışıyla veri merkezlerindeki muazzam büyümeden kaynaklanıyor; ayrıca sanayi genişlemesi ve artan klima kullanımı da önemli ölçüde katkı sağlıyor.

Fosil yakıtlar geçen yıl elektrik üretiminin yarıdan fazlasını (neredeyse %60) oluştururken, kömür hâlâ dünyadaki en büyük kaynak olarak kalıyor, enerji karışımı ise gerçekte evrimleşiyor. IEA’ya göre, ilk kez yenilenebilir ve nükleer enerji kaynaklarından elde edilen elektrik üretimi, 2024’te küresel toplam üretimin beşte ikisini oluşturdu.

Yenilenebilir enerji, özellikle, dünyanın elektrik üretiminin üçte birinden sorumlu oldu. Yenilenebilir kaynaklar arasında, hidroelektrik %14’lük payıyla toplam elektrik üretiminin en büyük kısmını oluştururken, ardından rüzgar %8, güneş PV %7 ve biyogüç ve atık %3 oranında yer alıyor.

Temiz enerjiye doğru büyük bir gelişme olmasına rağmen, yenilenebilir enerjinin küresel enerji üretimine katkısı hâlâ düşük. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarına geçişi daha da hızlandırmak için araştırmacılar, günlük elektrik tüketimindeki artan talebi karşılamak amacıyla yeni enerji dönüşüm teknolojileri geliştirmektedir.

Sistemin doğrudan çevreden enerji toplaması, özellikle yenilenebilir enerji kullanımını artırmaya yardımcı olabilir.

Hidrovoltaik: Yağmur ve Su Döngülerini Elektriğe Dönüştürmek

Su, yaşamın kritik bir unsurudur. Sadece vücudumuzun büyük bir kısmını oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda Dünya’nın da büyük bir bölümünü oluşturur. Gezegenimizin %70’ini kaplayan su, en bol kaynaktır, ve içinde çeşitli formlarda önemli bir enerji miktarı barındırır; bu enerjinin büyük bir kısmı hâlâ kullanılmamaktadır.

Bu enerjinin kullanılmasının bir yolu, suyun doğal akışını kullanarak elektrik üretmeyi içeren hidroelektriktir.

Su döngüsünden enerji toplamanın bir diğer güçlü yolu hidrovoltaik teknolojisidir. Geleneksel teknolojilerin suyun kinetik enerjisini toplamasının aksine, hidrovoltaik teknoloji elektrot malzemesinin suyla doğrudan etkileşiminden elektrik üretir. 

Hidrovoltaik teknoloji, düşük maliyetli ve yüksek verimli sistemlerin geliştirilmesini sağlayarak, suyun grafen, karbon nanotüp, karbon nanoparçacık ve iletken polimerler gibi nanomalzemelerle etkileşimi yoluyla termal enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilir.

Burada dönüştürülen enerji, damlama, akış, dalgalanma, yoğunlaşma veya buharlaşma tarafından üretilir ve çıkış gücünü önemli ölçüde artırır. Araştırma belirtmektedir¹ ki, dünyadaki suyun %1’lik bir kısmını sadece %1 verimlilikle hidrovoltaik teknolojiyle kullanmak, dünya enerji ihtiyacının %1/3’ünü karşılamamıza yardımcı olabilir.

Bu nedenle, bu gelişmekte olan teknolojiye dayalı cihazlar, enerji açlığına sahip dünyayı yenilenebilir enerji kaynaklarıyla tatmin etmek için kritik öneme sahiptir.

Bu, su damlacıklarının mekanik enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir hidrovoltaik türü olan damlacık enerji jeneratörlerine (DEG) yönelik kapsamlı araştırmalara yol açtı; örneğin yağmur damlalarını elektriğe dönüştüren jeneratörler. Ancak mevcut teknolojideki sınırlamalar, suyun içerdiği enerjiyi verimli bir şekilde elektriğe dönüştürmeye izin vermemektedir.

Örneğin, iki farklı malzeme temas edip ayrıldığında elektrik yükü üreten triboelektrik etkiye dayalı geleneksel bir damlacık enerji jeneratörü, bir damlacık bir yüzeye çarptığında elektrik üretebilir. Ancak, ara yüzey etkisi yüzeyde üretilen yük sayısını sınırlar ve bu da nispeten düşük enerji dönüşüm verimliliğine yol açar.

Bu nedenle, araştırmacılar, yüzeyde yüzen yüksek çıkışlı yeni bir “su bütünleşik damlacık elektrik jeneratörü” geliştirdi; bu, hafif, yüksek verimli cihazların bir sonraki nesline bir bakış sunuyor. Çalışmaya göre:

“Bu çalışmanın, su benzeri doğal malzemeleri kullanarak hidrovoltaik cihazlar inşa etmenin yeni bir yolunu açacağını ve kara dışı büyük ölçekli uygulamaları ilerleteceğini öngörüyoruz.”

Ama bu araştırmaya dalmadan önce, bu alanda neler olduğunu bir gözden geçirelim.

Damlacık Elektrik Jeneratörlerinde (DEG) Son Teknoloji

Yağmur damlaları gibi hareketli su damlacıkları yaygındır ve önemli bir kinetik enerji miktarı taşır; bu da sürdürülebilir elektrik üretimi için umut vaat etmektedir. Damlacıkların kinetik enerjisini toplamak için araştırmacılar, çabalarını DEG’lere odaklamıştır.

Damlacık tabanlı elektrik jeneratörü (DEG), güçlü bir teknolojidir ve doğal ortamdan enerji toplamanın verimli bir yolu olarak umut vaat etmektedir. 

Düşen su damlacıklarını kullanarak elektrik üretir. Tipik olarak iki triboelektrik katman ve bir çift elektrottan oluşur; bir damlacık yüzeye çarptığında ve kaydığında yükler ayrılır. 

Düşük maliyet, basit yapı ve yüksek güç yoğunluğu, DEG’leri çevresel su kaynaklarından kinetik enerji toplamak isteyen araştırmacılar arasında popüler kılmıştır. 

Ancak, geniş uygulama karmaşık yapı ve düşük çıkış güç yoğunluğu nedeniyle engellenmektedir. Uygulamalarının kara tabanlı olması da göller, nehirler ve okyanuslar için pratik olmamasına neden olmaktadır.

DEG’lerle ilgili diğer zorluklar arasında bütünleşik sistemlerde zamanla performansın önemli ölçüde düşmesi, malzeme dayanıklılığı sorunları ve büyük ölçekli uygulamalar için gereken geniş alan ihtiyacı yer alır.

Kaydırarak kaydır →

Bu nedenle, araştırmalar daha iyi tasarımlar, suyu yapının bir parçası olarak kullanma veya malzemeleri optimize etme üzerine odaklanarak devam ediyor; son yenilikler hafif, maliyet etkin ve hatta yüzen cihazlar yaratıyor. 

Birkaç yıl önce, Hong Kong Şehir Üniversitesi (CityU) araştırmacı ekibi FET benzeri bir yapı² geliştirdi; bu yapı yüksek enerji dönüşüm verimliliği sağladı. Anlık güç yoğunluğu, FET benzeri yapısı olmayan muadillerine göre binlerce kat daha yüksekti.

Çalışmalarının iki temel faktörü vardı; birincisi, ekip, politetrafloroetilen (PTFE) yüzeyine sürekli damlacıklar çarptığında, yarı kalıcı bir elektrik yüküne sahip dielektrik malzemenin yüzey yüklerinin birikerek yavaşça doygunluğa ulaştığını keşfetti. Bu, daha önce karşılaşılan düşük yük yoğunluğunu, yüksek yoğunluklu yüzey yüklerini biriktirme ve depolama yoluyla aşmalarını sağladı.

Diğer faktör, tasarımlarıydı; temel özelliği FET’e benzer benzersiz bir yapı setiydi. Cihaz, alüminyum elektrot ve PTFE/ITO elektrottan oluşur; bu, PTFE üzerine bir indiyum kalay oksit (ITO) filmi kaplanmış bir elektrottur. Bir damlacık PTFE/ITO yüzeyine çarptığında ve yayıldığında, iki elektrotu köprüleyerek sistemi kapalı devre bir elektrik devresine dönüştürür.

Tasarım, PTFE üzerinde yüksek yoğunlukta yüzey yüklerinin toplanmasını sağladı. Damlacık su yayılması iki elektrotu bağladığında, PTFE üzerindeki birikmiş yükler tamamen serbest bırakılarak elektrik akımı üretir.

CityU’nun tasarımı yük birikimini artırmaya odaklanırken, Çin Bilim Akademisi’nden bir ekip DEG mimarisini basitleştirerek ölçeklenebilirliği artırdı.

Çinli araştırmacı ekibi önerdi³ üst elektrodun özkapasitans etkisini tam olarak kullanmak için basit bir açık yapı DEG; böylece daha geniş bir uygulama alanı sağlandı.

Problem şu ki, tek bir veya birkaç DEG ile elektrik ekipmanına sürekli enerji sağlamak zordur. 

Ekip, eğimli binalarda (örneğin çatı katları) büyük ölçekli yağmur damlası enerjisini toplarken, tüm DEG’leri paralel bağlayarak bir yük (örneğin bir ampul) beslemenin basit bir yöntem olduğunu belirtti. Bu nedenle, bir güneş paneli hücre yapısına referans vererek ve üst elektrodun özkapasitans etkisini tam olarak kullanarak, SCE-DEG’yi basit bir açık yapı ile tanıttılar; bu yapı temel olarak bir üst ve alt elektrot, PTFE filmi ve bir yükten oluşur.

Buradaki elektrotlar birbirine bağlanmak zorunda değildir, ancak üst elektrodun özkapasitans etkisi sayesinde yüksek anlık çıkış gücü hâlâ elde edilebilir; bu da yapıyı çok daha basit ve büyük ölçekli popülerleştirme açısından daha uygun kılar.

Testlerde, 61 µL su damlası ile 212 mW çıkış gücü üretti ve 100 ticari LED’i aydınlattı.

En son, İsveç’teki KTH Royal Institute of Technology araştırmacıları DEG alt elektrotlarını⁴ damlacıkların çarpma alanına uygun şekilde yeniden tasarlayarak, tek hücrelerin ortalama çıkış gücünü iki katına çıkardı.

Ekip ayrıca 30 hücreli büyük ölçekli diziler üretti; bu diziler, mevcut en iyi dizilere göre yaklaşık 2,5 kat daha yüksek güç sağladı. Ayrıca, 30 hücreli jeneratör dizisinin ürettiği elektriği %21,8 verimlilikle depolamak için 400 hücreli bir mikro-süperkapasitör (MSC) dizisi entegre etti; bu işlem için herhangi bir güç yönetim çipi kullanılmadı.

Bu entegrasyon, 81,2 µW çıkış gücüne sahip bir kendiliğinden şarj olan güç sistemi (SCPS) oluşturdu. 

30 hücreli DEG dizisi, 400 hücreli MSC dizisini yalnızca 30 saniye içinde şarj ettikten sonra, entegre SCPS bir LED’i 60 saniye boyunca kesintisiz çalıştırabilir; bu, doğal sudan yüksek verimli enerji toplamak için büyük ölçekli DEG dizileri ile büyük ölçekli ultra hızlı MSC dizilerini birleştirme stratejisinin vaatlerini göstermektedir.

Floating W-DEG: Hafif, Maliyet Etkin Bir Yağmur Enerjisi Yolu

Şimdi, Nanjing Havacılık ve Uzay Üniversitesi araştırmacıları, doğal suyu yapısının ana bir parçası olarak kullanan yeni bir çözüm geliştirdi; bu, hafif, uygun fiyatlı ve çevre dostu bir yenilenebilir enerji üretim yolu sunuyor.

Geleneksel bir dielektrik film, katı bir taban üzerinde metal elektrotun altında otururken, yeni tasarım suyun hem destek tabanı hem de iletken elektrot olarak işlev görmesini sağlıyor. Bu üst elektrot‑dielektrik‑su mimarisi, malzeme ağırlığını ve maliyetini sırasıyla %87 ve %50 oranında azaltıyor; eski modellere kıyasla benzer bir elektrik çıkışı sağlarken, farklı çalışma ortamlarında büyük dayanıklılık gösteriyor.

National Science Review⁵ dergisinde yayınlanan çalışma, suyun elektriksel ve yapısal işlevlerini kullanan yeni bir “doğa‑bütünleşik” tasarım rotasını detaylandırıyor.

Çalışmanın işleyişi şu şekildedir: yağmur damlaları – kullanılmamış enerjiyi taşıyan taze su – yüzen dielektrik yüzeye düştüğünde, florlu etilen propilen (FEP) ince filmi hemen tepki verir. Kimyasal olarak inert olan bu ince FEP film, aşırı sıcaklık değişimlerine, korozyona ve alg ve bakteri büyümesine karşı direnç gösterir.

Damlacık yayıldıkça, üst bölge ile alt bölge arasında iyon akışı oluşturur ve çok küçük bir miktar elektrik üretir. Damlacık sekerek ayrıldığında yüzey sıfırlanır.

Buradaki suyun doğal özellikleri, darbenin emilmesi ve damlacıkların verimli bir şekilde yayılması için gereken mekanik stabiliteyi sağlar; bükülme veya kırılma olmaz.

Bu doğal özellikler arasında güçlü yüzey gerilimi ve sıkıştırılamazlık bulunur. Su neredeyse sıkıştırılamaz kabul edilir; bu, basınç altında çok az sıkıştığı anlamına gelir. Aynı zamanda su molekülleri arasındaki hidrojen bağları güçlü bir yüzey gerilimi oluşturur.

Suyun içindeki iyonlar ise yük taşıyıcıları olarak görev yapar ve böylece su güvenilir bir elektrot görevi görür. 

Bu özellikler, yüzen jeneratörün damla başına yaklaşık 250 voltluk zirve gerilimler üretmesini sağlar; bu, geleneksel katı tasarımların metal kullanarak elde ettiği performansla eşdeğerdir.

Tasarım aynı zamanda dayanıklıdır; testler, jeneratörün farklı tuz konsantrasyonları (500 mM sodyum klorür’e kadar), sıcaklıklar ve dış ortamda biyolojik kirlenme bulunan göl suyu dahil olmak üzere çeşitli koşullarda performansını koruduğunu gösterdi — deniz cihazları için büyük bir sorun.

Birçok enerji cihazı zorlu ortamda bozulurken, yüzen jeneratör su‑tabanlı yapısının dayanıklılığı ve dielektrik katmanın kimyasal inertliği sayesinde stabil bir şekilde çalışmaya devam eder.

Yüksek tuzlu suda test edildiğinde, jeneratör bir hafta boyunca sahada kaldıktan sonra bile işlevselliğini sürdürdü. Ve üzerine herhangi bir kir biriktiğinde, basit bir temizlik maksimum performansa geri döner.

Cihazın stabilitesini daha da artırmak için ekip, suyun yüksek yüzey gerilimini kullanarak sadece tek yönde aşağı doğru akmasını sağlayan drenaj delikleri tasarladı. Böylece, yerçekimi ve yüzey gerilimi sayesinde, kir birikimini azaltıp kendini temizleyen bir sistem oluşturuldu; bu, su birikimini önleyerek çıkışı düşürme riskini ortadan kaldırır.

Yüzen W‑DEG’nin bir diğer kilit yönü ölçeklenebilirliktir. 0,3 m² boyutunda bir birimle, araştırmacılar daha önce rapor edilen jeneratörlerden çok daha büyük bir damlacık jeneratörü sergiledi. Bu jeneratörlerin her biri damla başına ~250 volt üretir ve aynı anda 50 LED’i besleyebilir.

Ayrıca sistem, birkaç dakikada faydalı gerilimlere sahip kapasitörleri şarj edebildi. Ekip, 10 W‑DEG cihazı ile 120 sahte yağmur damlacığı kullanarak yağmur taklidi yaptı, ardından kapasitörü üç volta şarj etti; bu, kablosuz sensörler ve küçük elektronik cihazları besleme potansiyelini gösteriyor.

Geliştirmeler devam ettikçe, bu sistemler göller, rezervuarlar veya kıyı bölgelerinden değerli arazi kaynaklarını işgal etmeden yenilenebilir elektrik toplamak için kullanılabilir.

“Su kendisi hem yapısal hem de elektriksel rol oynadığında, hafif, maliyet‑etkin ve ölçeklenebilir bir damlacık elektrik jeneratörü stratejisini ortaya çıkardık,” diye belirten çalışma ortak yazarı Prof. Wanlin Guo, “Bu, hidrovoltaik sistemlerin arazi‑dışı uygulamalarını, güneş ve rüzgar gibi diğer yenilenebilir teknolojileri tamamlayarak açıyor.”

Yağışın sık olduğu bölgelerde, yüzen damlacık elektrik jeneratörü, şebekeden bağımsız uygulamaları besleyebilecek ve yerel şebekelere ek güç sağlayabilecek dağıtık bir enerji çözümü sunabilir.

Geleneksel bir damlacık jeneratörünün metrekare başına yaklaşık 210 yuan (yaklaşık 29,50 $) maliyeti ve dört kilogramın (yaklaşık 8,818 lb) üzerindeki ağırlığıyla karşılaştırıldığında, ekiplerin yüzen versiyonu yaklaşık 106 yuan (15 $’ın altında) maliyetle ve sadece 0,5 kilogram (1,1 lb) ağırlığıyla çok daha ekonomik bir seçenek sunar.

Yağmur suyu toplama ötesinde, cihaz doğal olarak su yüzeylerinde yüzecek işlevselliği sayesinde çeşitli sucul ortamlarda çevresel izleme sistemlerini (örneğin kirlilik, su kalitesi veya tuzluluk izleyen sensörler) beslemek gibi başka uygulamalara da sahip olabilir.

‘Doğa‑bütünleşik tasarımı’, doğal olarak bol bulunan materyalin fonksiyonel bir bileşen olarak kullanılmasını sağlayarak, ekobazlı teknolojilerde yeni yaklaşımlara ilham verebilir.

Cihaz büyük ölçekli olarak dağıtılmadan önce, önce ele alınması gereken zorluklar vardır. Gerçek yağmur damlacıklarının değişken boyut ve hızı, cihazın performansını etkileyebilir. Ayrıca, dinamik dış ortam koşullarında büyük dielektrik filmlerin dayanıklılığını ve sağlamlığını sağlamak için daha fazla mühendislik çalışması gereklidir.

Bu zorluklara rağmen, laboratuvar sonuçları umut verici ve verimli, dayanıklı ve ölçeklenebilir bir prototipin gösterimi, su‑bütünleşik yüzen DEG (W‑DEG) uygulamalarının pratik bir adımını işaret ediyor.

Su Toplama Teknolojisine Yatırım

Xylem (XYL ) küresel bir su teknolojisi şirketidir; akıllı su yönetimine odaklanır, sensör, izleme ve su akışı sistemlerini bütünleştirir.

Su Altyapısı segmenti, arıtma ekipmanları, su, atık su ve yağmur suyu pompaları ve kontrolleri gibi ürünler sunar. Uygulamalı Su segmenti, pompalar, valfler, ısı değiştiriciler ve dağıtım ekipmanları gibi ürünleri kapsar; Ölçüm & Kontrol Çözümleri (MCS) segmenti ise kritik kaynakların akıllı kullanımına yönelik gelişmiş çözümler ve su testleri için analitik enstrümantasyon üretir. Entegre Çözümler & Hizmetler segmenti, endüstriler ve belediyeler için ekipman sistemleri sağlar.

Xylem ayrıca, su akışını izlemek ve sızıntıları gerçek zamanlı olarak tespit etmek için yapay zekâ kullanır. Bu, sorunların zamanında tespit edilip hızlı bir şekilde düzeltilmesini sağlayarak su tasarrufu ve maliyet düşüşü sağlar.