Piezoelektrik Zemin Karoları ile Okul Koridorlarından Temiz Enerji Hasadı (TÜBİTAK 4006)

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.

**Anahtar Kelimeler:** TÜBİTAK 4006, Piezoelektrik Etki, Enerji Hasadı, Temiz Enerji, Yenilenebilir Kaynaklar, AC-DC Doğrultucu, Fizik Projesi.

---

2. 📌 Problem Durumu ve Araştırma Sorusu

**Problem Durumu:** Okullarda, metrolarda ve AVM'lerde her gün milyonlarca insanın attığı adımların kinetik enerjisinin değerlendirilememesi.

**Araştırma Sorusu:** "Bir okul koridorundaki yaya trafiği, piezoelektrik zemin karoları kullanılarak okulun acil durum koridor aydınlatmasını karşılayabilecek seviyede elektrik üretebilir mi?"

---

3. 💡 Proje Hipotezleri

**$H_0$:** İnsan adımlarından üretilen piezoelektrik gerilim bir bataryayı şarj etmek için yetersizdir.

**$H_1$:** 16 diskli bir karo ünitesi, adım başına **ortalama 12V anlık gerilim ve 1.5 mA akım** üreterek 500 adımda bir acil durum yönlendirme LED tabelasını 1 saat çalıştıracak enerjiyi depolar.

---

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 |

|---|---|---|---|

---

7. 🎤 TÜBİTAK Jüri Sunum Tavsiyeleri

Zemin karosunu standın önüne koyun. Jüri üyesine "Lütfen karoya 3 kez sertçe basın" deyin. Her basışta voltmetre ekranındaki voltaj ibresinin 15V seviyelerine fırladığını ve kondansatör üzerindeki parlak LED'in yanıp söndüğünü canlı gösterin. "Okulumuzda günde 20.000 adım atılıyor, bu da koridor aydınlatmasını tamamen bedavaya getirebilir" vizyonunu paylaşın.

---

8. Matematiksel Enerji Hesabı ve Fizik Kanunları

Piezoelektrik disklerde üretilen elektrik enerjisi mekanik iş formülüyle doğrudan bağlantılıdır:

$$W = rac{1}{2} C \cdot V^2$$

$C$ (Kondansatör Kapasitesi): $2200 \, \mu ext{F} = 2.2 imes 10^{-3} \, ext{F}$

$V$ (Depolanan Gerilim): $12 \, ext{Volt}$

Depolanan Enerji: $W = rac{1}{2} imes 0.0022 imes 144 pprox \mathbf{0.1584 \, ext{Joule}}$

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.