Giriş
Kablosuz enerji iletimi, ilk defa Nicola Tesla tarafından 1800lerin sonunda ortaya atılmış ve bunu Colorado Nehrindeki meşhur deneyinde ampulleri kablosuz olarak yakarak gerçekleştirmiştir. Tesla ile başlayan bu serüven, teknolojinin çok disiplinli bir alan olarak yön almasıyla önemini giderek artırmış; farklı disiplinlerin ortak bir çalışması haline gelmiştir. Kablosuz enerji iletimi gelecekte teknolojik gelişmelere paralel olarak birçok alanda önemli rol oynayacaktır. Gelişen teknoloji ile elektrikle çalışan alıcılar prize ihtiyaç duymadan çalışması veya şarj olması kablosuz enerji iletimiyle mümkün olabilecektir.
Bu bakımdan enerjinin kablosuz iletimi birçok alan ile ortak değerlendirilmesi gereken bir olgudur [1-4]. Bu yüzden bilim adamları uzun mesafelerde kablosuz enerji aktarımı için birçok yöntem geliştirmişler ve bu konu üzerinde çalışmaya devam etmektedirler. Bunlardan bazıları sadece teori veya prototip aşamasında kalmış, bazıları ise kullanıma geçebilmiştir. 2007 yılında Massachusetts Institute of Technology (MIT) bünyesinde yapılan çalışmalar sonucunda 60 wattlık lambayı kablosuz enerji iletimi sayesinde 2 metre uzaklıktan yakmayı başarmışlardır [1-7].
Çalışmalarının asıl amacı belirli bir alan içindeki küçük güçlerde çalışabilen cihazları yine aynı alan içindeki tek bir noktadan kablosuz elektrik enerjisi ile beslemektir. Ayrıca son zamanlarda hibrit araçların kablosuz enerji iletimiyle şarj edilmesine yönelik çalışmalar da büyük bir ivme kazanmıştır. Şekil 1de kablosuz enerji ile çalışan alıcılar görülmektedir.
Şekil 1. Belirli bir alan içindeki alıcıların kablosuz elektrik enerjisiyle beslenmesi. Gerçekleştirilen Devre Modeli Kablosuz enerji transferine yönelik gerçekleştirilen uygulama Şekil 2de görülmektedir.
Şekil 2. Uygulaması gerçekleştirilen devre modeli. Şekil 2 incelendiğinde gerçekleştirilen devre modeli 7 kısımdan oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla rezonans bobinleri (alıcı, odaklayıcı, verici bobinler), osilatör devresi, elektronik sigorta, doğrultma devresi ve filtrelerdir. Şekil 3te sistemin temel parçalarından olan rezonans bobinleri görülmektedir.
Şekil 3. Rezonans bobinleri.
Şekilden de görüleceği gibi sistemde verici, odaklayıcı ve alıcı bobinler olmak üzere 4 farklı bobin kullanılmıştır. Bobinlerin endüktans değerlerinin aynı olması, rezonans frekansını yakalamak için oldukça önemlidir. Şekil 3te görüleceği gibi 25 cm çapında içe doğru 4 turluk sarım yapılarak oluşturulan bobinlerin indüktans değerleri 10uh olarak ayarlanmıştır. Değişik güçlerdeki alıcılar için endüktans değerleri aynı olmak şartıyla farklı bobinler kullanıla bilinir. Bobin sarımlarında sargıların düzgünlüğü bobin endüktansını doğrudan etkileyeceğinden sarım işlemi düzgün yapılmalıdır. Odaklayıcı bobini alıcı ve verici bobinlerinin daha iyi rezonansa girmesi ve dolayısıyla iletim mesafesinin ve kalitesinin artmasını sağlamak amacıyla kullanılmıştır.
Rezonans bobini etrafında geniş manyetik alan oluşturabilmek için sargı uçlarına yüksek frekansta bir gerilim anahtarlamak gerekir. Bu işlemi sağlayan kısım osilatör kısmıdır. Bu çalışma için osilatör olarak Şekil 4te gösterilen serbest çalışan (astable) multivibratör devresi geliştirilmiştir. Devrenin giriş gerilimi DC 50 Vtur. Start butonuna basıldığında verici bobin endüktansı ve rezonans kondansatörleri ile ayarlanan süre boyunca mosfetlerin sırayla iletim ve kesime girmesi sonucu verici bobin üzerinde yüksek frekanslı bir işaret oluşturması sağlanır. Bu işaret neticesinde bobin etrafında manyetik alan oluşturulur. Manyetik alan içerisindeki bir rezonan bobini üzerine gerilim indüklenmesi sağlanır. Stop butonuna basıldığında tetikleme gerilimi röle üzerinden kesilerek titreşmenin durması sağlanır.
Şekil 4. Osilatör devresi.
Serbest çalışan osilatör devresinde anahtarlama frekansı verici bobini üzerinden ayarladığından aşırı yüklenmelerde osilasyonun susması durumuyla karşılaşılmıştır. Bu durum kaynak akımının mosfet üzerinden kısa devre olması ve dolayısıyla devre üzerinde ciddi tahribatlar oluşmasına neden olmuştur. Karşılaşılan sorunun çözümü için Şekil 5te gösterilen elektronik sigorta sistemi tasarlanmıştır. Elektronik sigorta osilasyon işleminin durması halinde oluşacak zararları önlemek için osilatör ile kaynak arasına konulmuştur.
Şekil 5. Tasarlanan elektronik sigorta Şebekeden gelen harmonikleri en aza indirgemek için trafonun girişine filtre tasarlanmıştır. Trafo çıkışı olan AC gerilim köprü diyotlarla doğrultularak çıkışta bulunan 6000uf 100 V kondansatörlerle DC 50V sabitlenmiştir. Şekil 6da doğrultma ve filtre devresi görülmektedir.
Şekil 6. Doğrultma ve filtre devresi. Sistem üzerinde yapılan deneylerde verici ve alıcı bobin uçlarındaki işaretlerin osiloskop görüntüleri Şekil 7de verilmiştir.
Şekil 7. Verici ve alıcı bobin uçlarındaki işaretlerin osiloskop görüntüleri. Odaklama bobininin sistem üzerindeki etkisini incelemek için yapılan deneylerde elde edilen sonuçlar grafiksel olarak sırasıyla Şekil 8-11de görülmektedir.
Şekil 8. Odaklamalı durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki gerilimlerin mesafeyle değişimi.
Şekil 9. Odaklamalı durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki frekansın mesafeyle değişimi.
Şekil 10. Odaklamasız durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki gerilimin mesafeyle değişimi.
Şekil 11. Odaklamasız durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki frekansın mesafeyle değişimi.
Sonuçlar
Bu çalışmada kablosuz enerji transferi için gerekli olan elektronik devreler tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Sistemde mesafenin frekansla doğru orantılı olduğu ve yüksek frekanslarda güç elektroniği elemanlarıyla çalışmanın oldukça zor olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca çalışmada odaklama bobinin sistem üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Devrenin boşta çektiği akım yaklaşık 0.2 A olarak ölçülmüştür.
Sonuç olarak, bu çalışmada 100 cm mesafeye kadar küçük güçlerdeki alıcıların (40 wattlık akkor flamalı lamba ve cep tlf) kablosuz enerji iletimiyle çalıştırılması sağlanmıştır.
Kaynaklar
[1] Chunbo Zhu, Kai Liu, Chunlai Yu, Rui Ma, Hexiao Cheng, Simulation and Experimental Analysis on Wireless Energy Transfer on Magnetic Resonances, IEEE , 2011
[2] Tesla, N., Apparatus for transmitting electrical energy, United States Patent Office (1119732), United States of America (1914).
[3] Karalis, A., Joannopoulos, J.D., Soljacic, M., Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer, Annals of Physics, 323: 34-48 (2008).
[4] Liu, X., Zhang, F., Hackworth, S.A., Sclabassi, R.J., Sun, M., Modeling and Simulation of a Thin Film Power Transfer Cell for Medical Devices and Implants, Circuits and Systems, 2009. ISCAS 2009. IEEE International Symposium, Taipei, 3086-3089 (2009).
[5] Diril E., A. Özen, İ. Kaya, Manyetik Rezonans Esaslı Kablosuz Enerji İletimi, V. URSI-TÜRKİYE2010 Bilimsel Kongresi Ulusal Genel Kurul Toplantısı, sayfa:379-382, 25-27 Ağustos 2010, ODTÜ Kuzey Kıbrıs Kampusu, KKTC
[6] R. A. Moffatt, Wireless Transfer of Electric Power, Massachusetts Institute of Technology, 2009.
[7] WiTricity Corporation | Wireless Power Over Distance 20.05.2014 tarihinde aktif site
Ömür AKYAZI
Yasin KESKİN
Karadeniz Teknik Üniversitesi Sürmene Abdullah Kanca MYO
- See more at: Rüzgar ve Güneş Enerji Santrallerinde Enerji Depolama Yöntemleri | Voltimum Türkiye
Kablosuz enerji iletimi, ilk defa Nicola Tesla tarafından 1800lerin sonunda ortaya atılmış ve bunu Colorado Nehrindeki meşhur deneyinde ampulleri kablosuz olarak yakarak gerçekleştirmiştir. Tesla ile başlayan bu serüven, teknolojinin çok disiplinli bir alan olarak yön almasıyla önemini giderek artırmış; farklı disiplinlerin ortak bir çalışması haline gelmiştir. Kablosuz enerji iletimi gelecekte teknolojik gelişmelere paralel olarak birçok alanda önemli rol oynayacaktır. Gelişen teknoloji ile elektrikle çalışan alıcılar prize ihtiyaç duymadan çalışması veya şarj olması kablosuz enerji iletimiyle mümkün olabilecektir.
Bu bakımdan enerjinin kablosuz iletimi birçok alan ile ortak değerlendirilmesi gereken bir olgudur [1-4]. Bu yüzden bilim adamları uzun mesafelerde kablosuz enerji aktarımı için birçok yöntem geliştirmişler ve bu konu üzerinde çalışmaya devam etmektedirler. Bunlardan bazıları sadece teori veya prototip aşamasında kalmış, bazıları ise kullanıma geçebilmiştir. 2007 yılında Massachusetts Institute of Technology (MIT) bünyesinde yapılan çalışmalar sonucunda 60 wattlık lambayı kablosuz enerji iletimi sayesinde 2 metre uzaklıktan yakmayı başarmışlardır [1-7].
Çalışmalarının asıl amacı belirli bir alan içindeki küçük güçlerde çalışabilen cihazları yine aynı alan içindeki tek bir noktadan kablosuz elektrik enerjisi ile beslemektir. Ayrıca son zamanlarda hibrit araçların kablosuz enerji iletimiyle şarj edilmesine yönelik çalışmalar da büyük bir ivme kazanmıştır. Şekil 1de kablosuz enerji ile çalışan alıcılar görülmektedir.
Şekil 1. Belirli bir alan içindeki alıcıların kablosuz elektrik enerjisiyle beslenmesi. Gerçekleştirilen Devre Modeli Kablosuz enerji transferine yönelik gerçekleştirilen uygulama Şekil 2de görülmektedir.
Şekil 2. Uygulaması gerçekleştirilen devre modeli. Şekil 2 incelendiğinde gerçekleştirilen devre modeli 7 kısımdan oluşmaktadır. Bunlar sırasıyla rezonans bobinleri (alıcı, odaklayıcı, verici bobinler), osilatör devresi, elektronik sigorta, doğrultma devresi ve filtrelerdir. Şekil 3te sistemin temel parçalarından olan rezonans bobinleri görülmektedir.
Şekil 3. Rezonans bobinleri.
Şekilden de görüleceği gibi sistemde verici, odaklayıcı ve alıcı bobinler olmak üzere 4 farklı bobin kullanılmıştır. Bobinlerin endüktans değerlerinin aynı olması, rezonans frekansını yakalamak için oldukça önemlidir. Şekil 3te görüleceği gibi 25 cm çapında içe doğru 4 turluk sarım yapılarak oluşturulan bobinlerin indüktans değerleri 10uh olarak ayarlanmıştır. Değişik güçlerdeki alıcılar için endüktans değerleri aynı olmak şartıyla farklı bobinler kullanıla bilinir. Bobin sarımlarında sargıların düzgünlüğü bobin endüktansını doğrudan etkileyeceğinden sarım işlemi düzgün yapılmalıdır. Odaklayıcı bobini alıcı ve verici bobinlerinin daha iyi rezonansa girmesi ve dolayısıyla iletim mesafesinin ve kalitesinin artmasını sağlamak amacıyla kullanılmıştır.
Rezonans bobini etrafında geniş manyetik alan oluşturabilmek için sargı uçlarına yüksek frekansta bir gerilim anahtarlamak gerekir. Bu işlemi sağlayan kısım osilatör kısmıdır. Bu çalışma için osilatör olarak Şekil 4te gösterilen serbest çalışan (astable) multivibratör devresi geliştirilmiştir. Devrenin giriş gerilimi DC 50 Vtur. Start butonuna basıldığında verici bobin endüktansı ve rezonans kondansatörleri ile ayarlanan süre boyunca mosfetlerin sırayla iletim ve kesime girmesi sonucu verici bobin üzerinde yüksek frekanslı bir işaret oluşturması sağlanır. Bu işaret neticesinde bobin etrafında manyetik alan oluşturulur. Manyetik alan içerisindeki bir rezonan bobini üzerine gerilim indüklenmesi sağlanır. Stop butonuna basıldığında tetikleme gerilimi röle üzerinden kesilerek titreşmenin durması sağlanır.
Şekil 4. Osilatör devresi.
Serbest çalışan osilatör devresinde anahtarlama frekansı verici bobini üzerinden ayarladığından aşırı yüklenmelerde osilasyonun susması durumuyla karşılaşılmıştır. Bu durum kaynak akımının mosfet üzerinden kısa devre olması ve dolayısıyla devre üzerinde ciddi tahribatlar oluşmasına neden olmuştur. Karşılaşılan sorunun çözümü için Şekil 5te gösterilen elektronik sigorta sistemi tasarlanmıştır. Elektronik sigorta osilasyon işleminin durması halinde oluşacak zararları önlemek için osilatör ile kaynak arasına konulmuştur.
Şekil 5. Tasarlanan elektronik sigorta Şebekeden gelen harmonikleri en aza indirgemek için trafonun girişine filtre tasarlanmıştır. Trafo çıkışı olan AC gerilim köprü diyotlarla doğrultularak çıkışta bulunan 6000uf 100 V kondansatörlerle DC 50V sabitlenmiştir. Şekil 6da doğrultma ve filtre devresi görülmektedir.
Şekil 6. Doğrultma ve filtre devresi. Sistem üzerinde yapılan deneylerde verici ve alıcı bobin uçlarındaki işaretlerin osiloskop görüntüleri Şekil 7de verilmiştir.
Şekil 7. Verici ve alıcı bobin uçlarındaki işaretlerin osiloskop görüntüleri. Odaklama bobininin sistem üzerindeki etkisini incelemek için yapılan deneylerde elde edilen sonuçlar grafiksel olarak sırasıyla Şekil 8-11de görülmektedir.
Şekil 8. Odaklamalı durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki gerilimlerin mesafeyle değişimi.
Şekil 9. Odaklamalı durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki frekansın mesafeyle değişimi.
Şekil 10. Odaklamasız durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki gerilimin mesafeyle değişimi.
Şekil 11. Odaklamasız durumda verici ve alıcı bobin uçlarındaki frekansın mesafeyle değişimi.
Sonuçlar
Bu çalışmada kablosuz enerji transferi için gerekli olan elektronik devreler tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Sistemde mesafenin frekansla doğru orantılı olduğu ve yüksek frekanslarda güç elektroniği elemanlarıyla çalışmanın oldukça zor olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca çalışmada odaklama bobinin sistem üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Devrenin boşta çektiği akım yaklaşık 0.2 A olarak ölçülmüştür.
Sonuç olarak, bu çalışmada 100 cm mesafeye kadar küçük güçlerdeki alıcıların (40 wattlık akkor flamalı lamba ve cep tlf) kablosuz enerji iletimiyle çalıştırılması sağlanmıştır.
Kaynaklar
[1] Chunbo Zhu, Kai Liu, Chunlai Yu, Rui Ma, Hexiao Cheng, Simulation and Experimental Analysis on Wireless Energy Transfer on Magnetic Resonances, IEEE , 2011
[2] Tesla, N., Apparatus for transmitting electrical energy, United States Patent Office (1119732), United States of America (1914).
[3] Karalis, A., Joannopoulos, J.D., Soljacic, M., Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer, Annals of Physics, 323: 34-48 (2008).
[4] Liu, X., Zhang, F., Hackworth, S.A., Sclabassi, R.J., Sun, M., Modeling and Simulation of a Thin Film Power Transfer Cell for Medical Devices and Implants, Circuits and Systems, 2009. ISCAS 2009. IEEE International Symposium, Taipei, 3086-3089 (2009).
[5] Diril E., A. Özen, İ. Kaya, Manyetik Rezonans Esaslı Kablosuz Enerji İletimi, V. URSI-TÜRKİYE2010 Bilimsel Kongresi Ulusal Genel Kurul Toplantısı, sayfa:379-382, 25-27 Ağustos 2010, ODTÜ Kuzey Kıbrıs Kampusu, KKTC
[6] R. A. Moffatt, Wireless Transfer of Electric Power, Massachusetts Institute of Technology, 2009.
[7] WiTricity Corporation | Wireless Power Over Distance 20.05.2014 tarihinde aktif site
Ömür AKYAZI
Yasin KESKİN
Karadeniz Teknik Üniversitesi Sürmene Abdullah Kanca MYO
- See more at: Rüzgar ve Güneş Enerji Santrallerinde Enerji Depolama Yöntemleri | Voltimum Türkiye
