Düşük Genlikli Okyanus Dalgaları için Hibrit Elektromanyetik–Piezoelektrik Dalga Enerjisi Hasatçısının Parametrik Performans Analizi

Abstract

Bu çalışma, lineer alternatörler aracılığıyla elektromanyetik indüksiyonu ve PZT seramik transdüserler aracılığıyla doğrudan piezoelektrik etkiyi eş zamanlı olarak kullanan hibrit bir dalga enerjisi hasatçısının ayrıntılı parametrik deneysel analizini sunmaktadır. Sistem, dikey dalga hareketinin iki bobin-mıknatıs lineer alternatör kolunu tahrik ettiği ve mekanik bir sıkıştırma düzeneği aracılığıyla dört piezoelektrik diski aktive ettiği yüzen şamandıra mimarisini benimsemektedir. Her yarım çevrimde diyot ileri gerilim düşümünü 0,34 V'a indiren, düşük kayıplı bir Schottky diyotlu gerilim ikileyici doğrultma devresi tasarlanmıştır. Deneyler; 0,27 m/s ve 0,32 m/s dalga yükselme hızları, 2–6 s dalga periyotları, 165–470 kΩ yük dirençleri ve alternatör kolu başına bir veya iki mıknatıs koşullarında sistematik biçimde yürütülmüştür. Lineer alternatör en yüksek 14,30 V ve 858,78 µW çıkış değerine ulaşırken, PZT alt sistemi optimum koşullarda 3,07 V ve 28,48 µW değerini sağlamıştır. Mıknatıs sayısının iki katına çıkarılması, alternatör gücünü aynı 330 kΩ yükte %190'a kadar artırırken, dalga hızındaki %19'luk artış, dalga periyoduna bağlı olarak PZT gücünde %141–%328 arasında kazanç sağlamıştır. Empedans eşleme analizi, her iki alt sistem için ayrı optimum yük koşulları belirlemiştir: elektromanyetik alt sistem için 165 kΩ, piezoelektrik alt sistem için 330 kΩ. Analitik Maxwell alan modeli, çift mıknatıs konfigürasyonunun tepe akı yoğunluğunu yaklaşık %78 oranında artırdığını ve etkin bobin-mıknatıs kuplaj bölgesini önemli ölçüde genişlettiğini doğrulamaktadır. Hibrit konfigürasyon, en iyi tek mekanizmalı konfigürasyona kıyasla hacimsel güç yoğunluğunda %15 artış (4,3 µW/cm³) sağlamıştır.

Keywords

• Anahtar Kelimeler: Hibrit enerji hasatçısı
• Lineer alternatör
• Piezoelektrik dön üştürücü
• Dalga periyodu

Supporting Institution

Ordu Üniversitesi

Project Number

A2329

Ethical Statement

Çıkar çatışması yoktur.

Thanks

Bu çalışma, Ordu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Geliştirme Programı tarafından A2329 proje numarası ile desteklenmiştir.

Parametric Performance Analysis of a Hybrid Electromagnetic–Piezoelectric Wave Energy Harvesting System for Low-Amplitude Ocean Waves

Abstract

This study presents a detailed parametric experimental analysis of a hybrid wave energy harvesting system that simultaneously employs electromagnetic induction through linear alternators and the direct piezoelectric effect through PZT ceramic transducers. The system adopts a floating-buoy architecture in which vertical wave motion drives two coil-magnet linear alternator arms and actuates four piezoelectric discs via a mechanical compression assembly. A low-loss Schottky-diode voltage doubler rectification circuit was designed to independently condition the AC outputs of each subsystem, minimising diode-forward-voltage losses to 0.34 V per half-cycle. Systematic experiments were conducted under controlled wave rise velocities of 0.27 m/s and 0.32 m/s, wave periods of 2–6 s, load resistances of 165–470 kΩ, and one or two magnets per alternator arm. The linear alternator achieved a peak output of 14.30 V and 858.78 µW, while the PZT subsystem reached 3.07 V and 28.48 µW under optimal conditions. Doubling the magnet count increased alternator power by up to 190% (at the same 330 kΩ load), while a 19% rise in wave velocity produced a 141–328% gain in PZT power depending on wave period. Impedance matching analysis identified separate optimal load conditions: 165 kΩ for the electromagnetic subsystem and 330 kΩ for the piezoelectric subsystem. An analytical Maxwell field model confirms that the dual-magnet configuration enhances peak flux density by approximately 78% and significantly broadens the effective coil-magnet coupling region. The hybrid configuration achieved a 15% increase in volumetric power density (4.3 µW/cm³) compared to the best single-mechanism configuration.

Keywords

• Hybrid energy harvester
• Linear alternatör
• Piezoelectric transducer
• Wave period

Supporting Institution

Ordu University

Project Number

A2329

Ethical Statement

The authors declare no conflict of interest.

Thanks

This study is supported by the Ordu University Department of Scientific Research Project Development Program of Turkey under project number A2329.

References

1. [1] R. Raajiv, R. Kumar and J. Pandey, "Ocean energy—a myriad of opportunities in the renewable energy sector," pp. 225–246, 2024. https://doi.org/10.1002/9781394174805.ch9
2. [2] B. Drew, A. R. Plummer and M. N. Sahinkaya, "A review of wave energy converter technology," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A: Journal of Power and Energy, 223(8), 887–902, 2009.
3. [3] A. Samad and R. Suchithra, "Marine power technology—wave energy," Academic Press, pp. 241–267, 2021. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822989-7.00009-3
4. [4] J. H. Tan, X. Wang, H. Polinder et al., "Downsizing the linear PM generator in wave energy conversion for improved economic feasibility," Journal of Marine Science and Engineering, 10(9), 1316, 2022.
5. [5] L. Xu, X. Zhu, C. Zhang et al., "Power oriented design and optimization of dual stator linear-rotary generator with Halbach PM array for ocean energy conversion," IEEE Transactions on Energy Conversion, 36(4), 3125–3135, 2021.
6. [6] L. He, R. Liu, X. Liu et al., "A piezoelectric-electromagnetic hybrid energy harvester for low-frequency wave motion and self-sensing wave environment monitoring," Energy Conversion and Management, 299, 117920, 2024.
7. [7] B. Feng, B. Wang, Y. Zhu et al., "Design, modeling and experiments of swing L-shape piezoelectric beam applied to tidal and wave energy harvesting," Ocean Engineering, 289, 116193, 2023.
8. [8] N. J. Baker, A. A. Almoraya, M. A. H. Raihan et al., "Development and wave tank demonstration of a fully controlled permanent magnet drive for a heaving wave energy converter," Energies, 15(13), 4811, 2022.

9. [9] A. Akpinar and M. İ. Kömürcü, "Wave energy potential along the south-east coasts of the Black Sea," Energy, 42(1), 289–302, 2012.
10. [10] A. Akpinar and M. İ. Kömürcü, "Assessment of wave energy resource of the Black Sea based on 15-year numerical hindcast data," Applied Energy, 101, 502–512, 2013.
11. [11] B. Aydoğan, B. Ayat and Y. Yüksel, "Black Sea wave energy atlas from 13 years hindcasted wave data," Renewable Energy, 57, 436–447, 2013.
12. [12] M. Sağlam, E. Sulukan and T. S. Uyar, "Wave energy and technical potential of Turkey," Journal of Naval Science and Engineering, 6(2), 34–50, 2010.
13. [13] L. Qi, H. Li, X. Wu, Z. Zhang, W. Duan and M. Yi, "A hybrid piezoelectric-electromagnetic wave energy harvester based on capsule structure for self-powered applications in sea-crossing bridges," Renewable Energy, 178, 1223–1235, 2021.
14. [14] L. Lu, H. Sun, L. Han, Z. Zhang, H. Cao, W. Wang, X. Wu and X. Lyu, "Omnidirectional hybrid wave energy harvester for self-powered sensors in sea-crossing bridges," Ocean Engineering, 287(2), 2023.
15. [15] L. He, R. Liu, X. Liu, Z. Zhang, L. Zhang and G. Cheng, "A novel piezoelectric wave energy harvester based on cylindrical-conical buoy structure and magnetic coupling," Renewable Energy, 210, 397–407, 2023.
16. [16] S. E. Chen, W. Y. Chen, R. Y. Yang and C. C. Wu, "A piezoelectric wave energy harvester equipped with a sequential-drive rotating mechanism," Energy Conversion and Management: X, 20, 100463, 2023.
17. [17] X. Du, P. Li, Z. Li et al., "Multi-pillar piezoelectric stack harvests ocean wave energy with oscillating float buoy," Energy, 298, 131347, 2024.
18. [18] B. Çavuş, Hybrid Low Power Energy Harvesting Design from Sea Wave Motion, Based on Linear Alternator and Piezoelectricity, Master's thesis, Ordu University Institute of Natural and Applied Sciences, Ordu, Turkey, 2025.
19. [19] S. Akkaya Oy and B. Çavuş, "A hybrid electromagnetic-piezoelectric wave energy harvester: Design, optimisation, and laboratory validation," IET Renewable Power Generation, 20, e70192, 2026. https://doi.org/10.1049/rpg2.70192
20. [20] S. J. Chapman, Electric Machinery Fundamentals, 5th ed., McGraw-Hill, New York,