OTOYOLLAR

KABLOSUZ ENERJİ TRANSFERİ PROJESİ

KABLOSUZ ENERJİ TRANSFERİ PROJESİ

 

Kablosuz enerji

Vikipedi, özgür ansiklopedi
 
 
Gezinti kısmına atla Arama kısmına atla

Kablosuz enerji ya da kablosuz enerji transferi, insan yapımı iletken olmadan güç kaynağından elektriksel alana elektrik transferidir. Kablosuz transfer kabloların bağlantısının uygunsuz, tehlikeli ve imkânsız olduğu durumlarda kullanışlıdır. Kablosuz enerji transferindeki problem kablosuz telekomünikasyondan örneğin radyo gibi farklıdır. İkinci olarak, alınan enerjinin yayılması sadece sinyal çok az olduğunda kritik olur. Kablosuz enerji için yeterlilik çok önemli bir parametredir. Enerjinin büyük çoğunluğu üretilen kaynak tarafından alıcı ya da alıcılara sistemi ekonomik yapmak için ulaşmasında gönderildi. En yaygın kablosuz elektrik transfer şekli manyetik resonator tarafından direkt indüksiyon olarak kullanılmasıdır. Mikrodalgalar ya da lazer formunda elektromanyetik radyasyon ve doğal medya sayesinde elektriksel iletkenlik düşündüğümüz metotlardır.

Elektrik enerji transferi

Elektrik akımı iletken madde boyunca, tel gibi, elektrik enerjisi taşınır. Elektrik akımı devreden geçerken kondüktörün yalıtkan çevresinde bir elektrik alanı vardır. Doğrudan akım devresinde, eğer akım sürekliyse, alanlar sabittir, iletken maddenin çevresindeki boşluğun içinde gerilmenin bir şartı vardır, bunlar depolanan enerji ve manyetik enerjidir, sıkıştırılmış yay ya da hareket eden kütle depolanan enerjiyi temsil eder. Alternatif akım devresinde, alanlar da alternatiftir, bunlar, her yarım dalga boyunca ve voltajın, manyetik ve elektrik alan iletken madde de başlar ve ışık hızıyla boşluğun içinden dışarı doğru gider. Bu alternatif alanın olduğu yerde başka bir iletken madde üzerinde çarpar böylece voltaj ve akım uyarılmış olur.

Devrenin elektrik şartlarındaki herhangi bir değişme, internal ya da external devrede depolanan enerji manyetik elektrik alanın ayarlanmasını sağlar, bunlara geçici dalga denir. Geçici dalga kondansatörlerin devre boyunca boşalmasının genel karakteridir. Kondansatörler ile ilgili düzenek devre boyunca deşarj olmalarıdır bu nedenle mühendislik için çok önemlidir. En önemli sonucu elektrik devresinde yüksek voltaj ve yüksek frekans sorunudur.

Elektromanyetik indüksiyon akımı frekansı üreten kondüktörde akım ve voltajın şiddetini orantıları yüksek frekansta daha şiddetli etki eder. Enerji transfer edilir akımı üreten kondüktörden herhangi bir ikincil kondüktöre. Ana kondüktördeki bir kısım enerji ikincil kondüktördeki boşluğun içine indüktif geçer ve ana kondüktörden enerji hızlıca azalır. Yüksek frekanstaki akım kondüktörde uzun yol alamazlar fakat enerjilerin hızlıca transfer ederler yakındaki kondüktöre. Yüksek indüksiyon yüksek frekansla sağlanır. Bunun açık nedeni yüksek frekans bozuklukları yayılmada alternatif akım sisteminin düşük frekans enerjili yayılmasıyla açıklanır. İndüktif etkileme enerjinin devreden devrenin boşluğuna transfer edilmesinde yüksek frekansta daha baskın olur. Enerji hızlıca azalır ve akım devrede biter, basit bir düzenektir. Elektriksel gücün iletimi ve dağıtımında, en önemlisi kondüktörün içindeki düzenek ve kondüktörün elektriksel alanı sadece yakından gözlemlenebilir. Bunun tersine, radyo iletişimde elektriksel güç kullanımı sadece kondüktörün dışındaki elektrik ve manyetik alandır, bu elektromanyetik radyasyon alanıdır, mesajın iletilmesi önemli olan, kondüktör içindeki düzenek kullanılmaz.

Elektriksel yük kondüktörün ürettiği manyetik alanda yer değiştirir ve elektriksel güç hattı oluşur. Kondüktördeki manyetik alan merkeze doğruyken, ya da hemen hemen bu doğrultuda, maksimumdur. Buna, ferromanyetik alan kondüktörde doğru açıya yönelmesi denir. Elektriksel alanın, yönü radyal olunca maksimum elektriksel alan oluşur. Elektrik alanın bileşenleri yönü kondüktörde radyal eğilimdedir.

Devrenin elektrik alanı üstünde enerji akışı 3 tane doğru açıya sahiptir.

  1. Manyetik alan, kondüktörle merkezi ortak olan,
  2. Elektrik gücünün hattı, kondaktörle radyalken,
  3. Enerji eğimi, kondüktörle paralelken

Elektrik devresi nerede birkaç iletken ile oluşuyorsa, kondüktörlerin elektrik alanı birbirlerine eklenir ve bileşke manyetik alan hattı oluşur ve bu hatlardaki elektriksel güç ortak merkezli ve ayrı ayrı radyal değildir, iletkenin hemen yanındaki hat dışında. Paralel kondüktörler arasında onlar çevrelerine eşleniktir. Ne kondüktördeki enerji tüketimi, ne de manyetik alan, nede elektrik alan, devrenin enerji akışıyla orantılı değildir. Ancak, manyetik alanın yoğunluğunun ürünü ve elektrik alanın yoğunluğu enerjinin ya da gücün akışıyla orantılıdır ve güç bu yüzden i ve e bileşenlerinin ürünü içinde kararlıdır, elektriksel alan ve manyetik alanın yoğunluğu ayrı ayrı orantılı seçilirler. Bu bileşenlere manyetik alana orantılı olan elektriksel güç faktörü olarak ifade edilen akım denir ve diğer bileşenler, voltaj denen, elektriksel alana orantılı elektriksel güç faktörü olarak ifade edilir. Radyo iletişimde iletken antenin elektrik alanı radyo dalgalarını uzay boşluğunca üretir ve alıcının üzerine çarptığı elektrik etki ve manyetik etki sayesinde gözlemlenir. Radyo dalgaları, mikrodalga, kızılötesi radyasyonu, görünebilir ışınlar, mor ötesi, x ışınları ve gamma ışınları aynı elektromanyetik radyasyon düzeyinde gösterilir, diğerlerinden farklı olanı sadece titreşim frekansıdır.

Elektromanyetik ürünlenim

Elektromanyetik ürünlenim tarafından enerji transferi tipik manyetiktir fakat kapasitif bağlantıda da başarılabilir.

Elektromanyetik ürünlenim yöntemi

Elektrodinamik ürünlenimin kablosuz enerji transfer tekniği dalga boyunun kullandığı 1/6 mesafe alanının yakınına denir. Bu alandaki enerji ışıma yapmaz fakat bazı ışıma kaybı meydana getirir. Buna ek olarak, sık sık direnç kayıpları vardır. Elektrodinamik ürünlenimle, elektrik akımı ana bobinde kayarak manyetik alan oluşturur ve ikincil bobine akımın ulaşması sağlanır. Bağlantı yüksek verimlilik için sıkı olmalıdır. Ana bobindeki uzaklık artarsa, çok fazla manyetik alan kaybı ikincil bobinde olur.

Elektriksel dönüştürücünün olayı basit bir kablosuz enerji transferidir. Birincil ve ikincil devreler direkt olarak bağlanmazlar. Enerji transferin süresinde bilinen ortak giriş yer alır. Asıl işlem ana voltajın yükselmesi ya da azalması adımıdır ve elektriksel izolasyondur. Cep telefonu ve şarjlı diş fırçası bataryalı şarj olurlar ve elektriksel güç dağılımı dönüştürüşü bu kullanıma örnektir. En önemli sorun bu kablosuz transfer küçük ölçüdedir. Alıcı direkt yakınındaki iletken maddeye hemen iletmeli daha fazla verimli olması için. Rezonansın uygulaması iletişimin menzilini artırabilir. Rezonans çifti kullanıldığında, iletken madde ve alıcı aynı frekansta ayarlıdır. Bu dalgalar sinüs eğrisi ve sinüs eğrisini tam tersi gibi dalgalar yayarak etkinliği artırırlar. Bu yolla karşılıklı olarak önemli güç transfer edilebilir. İletken ve alıcı bobin genellikle tek katlı mıknatıslıdırlar ya da üretece paralel spiraldirler, böylece alıcı elementle aynı frekansta olabilecekler.

Sık kullanılan resanotörler gelişmiş elektrodinamik indüksiyon elektrikli cihazlar, cep telefonu, lap top, gibi araçları şarj etme imkânı sağladı. Rezonans kablosuz şarj ve alıcı modülü ençok verimlilik transferinde kullanıldı. Bu yaklaşım bütün evrensel cihazlarda kullanıldı.

Elektrostatik ürünlenim yöntemi

Elektrostatik ürünlenim ya da kapasitif bağlantı yalıtkan madde boyunca elektriksel enerjinin geçişine denir. İletken düzlem üzerinde yükseltmesi elektrik alanın düşmesi ya da diferansiyel direnç iki ya da daha fazla yalıtımlı kutup, plaka, elektrot, ya da düğümlerle sağlanır. Elektriksel alan bu plakalar tarafından yüksek potansiyelle oluşturuldu, yüksek frekans alternatif akım gücünü sağlar. Yükseltilmiş iki kutup ve çalışan cihaz arasındaki direnç voltaj bölücü oluşturur.

Elektrik enerji iletimi alıcı cihaz tarafından kullanılabilen elektrostatik indüksiyonun anlamıdır. Örneğin, kablosuz lamba. Nikola Tesla alternatif elektrik alanında bize kablosuz bir lambayı yakıldığını göstermiştir.

 

Tesla ile başlayan, 100 yılı aşkın süredir elektrik aktarımına farklı bir bakış açısı kazandıran kablosuz elektrik aktarımı konusu üzerinde Tesla’nın ölümünden sonra uzun yıllar ciddi çalışmalar yapılmamıştır. Fakat artan ihtiyaç sebebiyle özellikle son 15 yıldır üzerinde tekrar ciddi çalışmalar yapılmaya ve netice alınmaya başlanan kablosuz elektrik konusundaki temeller ve uygulama alanları bu yazıda ele alınmıştır.

1. GİRİŞ

Elektrik artık kaçınılmaz bir şekilde insan hayatının bir parçası oldu, en basit işlemlerde bile bağımlı olduğumuz bir kaynak haline geldi. Ancak elektrik çoğu kaynak gibi şimdilik sınırlı ve dağıtımı ise maliyetli ve özellikle kabloların yarattığı karmaşa da ayrı bir sorun kaynağı. Ayrıca Tesla ile başlayan kablosuz enerji aktarımı serüveni, teknolojinin çok disiplinli bir alan olarak yön almasıyla önemini giderek artırmış, farklı disiplinlerin ortak bir çalışma alanı haline gelmiştir. Dahası ileride yaşanabilecek muhtemel sorunların çözümü olarak gösterilen bir takım önerilerin hayata geçirilmesinde önemli rol oynamaktadır.

2. KABLOSUZ ELEKTRİK AKTARIMI TEMELLERİ

Farklı kablosuz enerji aktarımı yöntemleri olmakla beraber bu yöntemler aşağıdaki gibi gruplanabilir:

Yakın mesafe:

  • Inductive Coupling (İndüktif eşleşme)
  • Resonant Inductive Coupling (Rezonant endüktif eşleşme)
  • Air Ionization (Hava iyonlaştırması)

Uzak mesafe:

  • Microwave Power Transmission (Mikrodalga güç iletimi),
  • Laser Power Transmission (Lazer güç iletimi)

 

Son yıllarda ivme kazanan yöntem Resonant Inductive Coupling’dir ve bunun haricindeki yöntemler hakkında da kısa bilgiler verilecektir.

2.1. Inductive Coupling

İndüktif eşleşme alıcı ve vericinin birbirine çok yakın olduğu durumlarda kullanılır. En bilinen kullanım alanları transformatörler, elektrikli diş fırçası şarj istasyonu ve benzeri şarj istasyonlarıdır.

2.2. Air Ionization

İletim hava ile olur, zor bir tekniktir ve çok yüksek elektromanyetik alana ihtiyaç duyar. En bilinen uygulama alanı bazı aydınlatma materyalleridir.

2.3. Microwave Power Transmission

Mikrodalga yardımıyla uzun mesafelere enerji aktarımını mümkün kılar. Verici kısımda elektriksel enerji mikrodalga enerjiye çevrilir. Alıcı kısımda ise doğrultucu (rectenna) yardımı ile bu enerji alınır ve tekrar elektriksel enerjiye çevrilir.

Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları

Bu alanda 1980’lerde Kanada Haberleşme Araştırma Merkezi’nin SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform) adını verdiği çalışma bu alandaki en ciddi çalışmalardan biridir. Bu projede hiçbir dahili enerji kaynağı bulunmayan bir uçak sadece mikrodalga enerjisi ile 21 km yükseklikte 2 km’lik bir daire içinde bir ayı aşkın süre uçurulabilmiştir. Ayrıca ayda güneş enerji santrali kurup elde edilen enerjinin MPT yöntemi ile dünyaya aktarılması gelecek projelerinden biri olarak öngörülmektedir.

2.4. Laser Power Transmission

Yönlüdür fakat atmosferde ilerledikçe zayıflar. Alıcı kısmı için fotovoltaik hücreler yeterlidir.

2.5. Resonant Inductive Coupling

Özellikle üzerinde çalışma yapılan ve yakın geçmişte başarılı sonuçlar edilen yöntemdir. Manyetik rezonans mantığına dayanır ve Inductive Coupling yöntemine kıyasla daha uzak mesafelere transfer yapılması mümkündür.

Rezonans, bir sistemin belirli bir frekansta maksimum dalga genişliğinde titreşim verme eğilimidir. Bu frekansa, rezonans frekansı denir. Rezonans frekansı aynı olan nesneler, yüksek verimlilikle enerji transferi yapma eğilimindedirler. Kablosuz elektrik aktarımının temeli de manyetik rezonansa dayanır.

Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları

Resim 1. Basit RIC devre modeli

Resim 1’de görüldüğü gibi yüksek frekansta anahtarlama yapılarak (osilasyon) verici bobin üzerinde oluşturulan değişken akım manyetik alan oluşumunu sağlar. Bu devre ile aynı rezonans frekansına sahip, manyetik alan içerisinde bulunan alıcı devrenin bobini üzerinde akım oluşur, böylelikle güç iletimi sağlanmış olur. Burada önemli olan alıcı ve verici devrelerdeki bobin ve kapasitör çiftlerinin rezonans frekanslarının aynı olmasıdır. Aksi taktirde etrafa yayılan manyetik enerji alıcı devre tarafından alınamaz.

Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları

Resim 2. Basit LC tank devre modeli

Resim 2’de bulunan, tank devresi adı da verilen LC devresinde bobinin ve kapasitörün empedansları:

Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları

Devrenin eşdeğer empedansı:

Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları

Formülde verilen eşdeğer empedansın değerini sonsuza götürecek frekans rezonans frekansıdır ve devre bu frekansta sinyal üretir. Rezonans frekansı aşağıdaki formul ile bulunabilir.

Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları

Rezonasyon kapasite ve bobin vasıtasıyla 4 temel aşamadan oluşur:

Aşırı Gerilimler ve Koruma Yöntemleri1. İlk olarak şarj edilen kapasitör bobin üzerinden deşarj oldukça bobin üzerinden akan akım bobin etrafında manyetik alan oluşmasını sağlar. Bu işlem kapasitör tamamen boşalıncaya kadar devam eder.


2. Kapasite tamamen boşalınca bobin etrafındaki manyetik alan çökmeye başlar ve çökme tamamen bitene kadar bobin üzerinden ters yönde akan akım kapasitörü 1. aşamadakine ters polaritede şarj eder.


3. Kapasitör bobin üzerinden deşarj oldukça bobin üzerinden akan akım bobin etrafında tekrar manyetik alan oluşmasını sağlar. Bu işlem kapasitör tamamen boşalıncaya kadar devam eder.


4. Bobin etrafındaki manyetik alan çökmeye başlar ve çökme tamamen bitene kadar bobin üzerinden akan akım kapasitörü 1. aşamadaki ile aynı polaritede tekrar şarj eder.

 

Fakat bu olay döngüsel olarak devam edemez. Çünkü bobin, kapasite ve irtibatlandırma için kullanılan iletken yol dahili bir dirence sahiptir ve kayba neden olur. Ayrıca manyetik alan oluşumu ve manyetik alandan akım oluşumu %100 verimle gerçekleşmediği için osilasyon giderek söner. Osilatörde bu sönümün önüne pozitif geri besleme ile geçilir.

 

Resim 3. LC devresi osilasyonu

3. UYGULAMA ALANLARI

Resonant Inductive Coupling yöntemi üzerinde son yıllarda yapılan çalışmalar ticarileşmeye başlamıştır. Bunun en büyük örneği Witricity firmasıdır. Profesör Marin Soljačić liderliğindeki Massachusetts Institute of Technology'den (MIT) bir fizikçi ekip tarafından 2006 yılında icat edilen ve patentlenen kablosuz elektrik için yeni bir teknolojiyi ticarileştirmek amacıyla 2007 yılında kuruldu. Ekip 2 metre uzaklıktan 60W lık bir ampülü yüksek verimle yakmayı başardılar. Şu anda cep telefonu, laptop, uzaktan kumanda vb. mobil cihazların kablosuz şarjı için ürünler, otomotiv sektöründe ise elektrikli araçların kablosuz şarjı için ürünler geliştirmiştir. Medikal alanda da çalışmaları devam etmektedir.

Kablosuz elektrik aktarımı teknolojisi üzerine ticarileşen ve henüz geliştirilmekte olan ürünlerin birçoğu aşağıdaki alanlarda hayatımıza girmekte, bazıları ise yakın gelecekte hayatımıza girecek gibi görünmektedir:

  • Tüketici elektroniği:

Kablosuz şarj pedleri, kablosuz şarj masaları gibi ürünlerle yer etmeye başlamıştır.

  • Otomotiv:

Elektrikli araçlar için kablosuz şarj cihazı geliştirilmiş ve ticarileştirilmiştir. Bazı seri üretim araçlarda ise araç içi kablosuz şarj pedleri opsiyonel olarak sunulmaya başlanmıştır.

  • Medikal:

Kalp pilleri vb. medikal ürünlerin vücut içinde iken şarj edilmesi ile ilgili çalışmalar yürütülmektedir.

  • Endüstri:

Ağır ve kirli çevresel ortamlarda bulunan cihazların elektriksel beslemesinde kullanılmak üzere çalışmalar yürütülmektedir.

  • Enerji:

Ayda solar enerji santrali kurulup elde edilen enerjinin yeryüzüne kablosuz elektrik aktarımı teknolojisi kullanılarak gönderilmesi gelecek projesi olarak görülmektedir.

Ayrıca Texas Instruments, Linear Technology gibi firmaların kablosuz şarj devreleri için özelleştirilmiş çipleri bulunmaktadır.

3. SONUÇ

Tesla’nın 100 yılı aşkın süre önce dünyaya miras olarak bıraktığı kablosuz elektrik aktarımı teknolojisi yakın geçmişte tekrar keşfedilmeye başlanmıştır. Bu teknolojinin her şeyin gittikçe mobilleştiği bu dünyada değiştirebilecekleri düşünüldüğünde, devam eden çalışmalarla yakın gelecekte oldukça etkin biçimde kullanılacağı aşikardır.

REFERANSLAR

[1] Schlesak, J. J., Alden, A., Ohno, T. “SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform) - Rectenna and low altitude tests” 1985.
[2] S. Sheik Mohammed, K. Ramasamy, T. Shanmuganantham “Wireless Power Transmission – A Next Generation Power Transmission System” 2010
[3] https://powerbyproxi.com/wireless-power/
[4] http://4hv.org/e107_plugins/forum/forum_viewtopic.php?74096.0
[5] https://www.slideshare.net/soumyaprateekmuni/wireless-power-transmissionfuture
[6] http://megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/moduller_pdf/Osilatörler%20Ve%20Filtre%20Devreleri.pdf
[7] https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-6/parallel-tank-circuit-resonance/
[8] http://adsabs.harvard.edu/abs/1985gtc..conf..960S

Bu kategoride ürün bulunamadı.