Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

KABLOSUZ GÜÇ AKTARIMI VE ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI (Wireless Power Transfer)

Mümin MOLLAOĞLU, Mekanik Tasarım Mühendisi

Kablosuz güç aktarımı son on yılda üzerine en fazla araştırma yapılan konulardan biridir. Herhangi bir iletken bağlantısı olmaksızın, elektriksel enerjinin hava boşluğundan aktarılması durumudur. Şekil-1 de gösterildiği üzere mikrodalga, kapasitif ve endüktif olmak üzere üç farklı elektromanyetik olgu temelinde farklı şekillerde gerçekleştirilebilmektedir. İlki uzak mesafelerde aktarım için mikrodalga antenlerin kullanımına dayanmaktadır ve kablosuz haberleşmede sinyal iletimiyle aynı prensibe dayanmaktadır. Yüksek güçte bir mikrodalga verici ve anten vasıtasıyla gücün kilometrelerce uzaklıktaki bir alıcıya aktarılması mümkündür. Fakat elektromanyetik dalganın yayılım karakteristiğinden ötürü verici antenden aktarılan gücün büyük bir kısmı farklı yönlere yayılmaktadır. Bu durum mikrodalga antenler kullanılarak gerçekleştirilen kablosuz güç transferinin verimliliğinin çok düşük olmasına sebebiyet vermektedir. Mikrodalga kablosuz güç transfer sistemleri sivil amaçlı yaygın uygulamalardan çok, insansız hava araçları gibi daha spesifik askeri ya da endüstriyel uygulamalarda ya da henüz konsept aşamasında olan uzay temelli güneş enerji üretimi (space based solar power) gibi uygulamalar için önerilmektedir.

Şekil-1 Kablosuz güç transferi gerçekleştirilme yöntemleri: mikrodalga, kapasitif ve endüktif güç transferi

Kapasitif kablosuz güç transfer sistemleri ise iki iletken plaka arasında kapasitif bağlaşım (kuplajlanma) kullanılarak elektrik enerjisinin kısa mesafelerde (birkaç mm den metreler seviyesinde) aktarılması prensibine dayanmaktadır. İletken plakalardan biri verici tarafta kompanzasyon elemanlarıyla birlikte verici elektrot olarak kullanılırken bir diğeri de alıcı tarafta alıcı elektrot olarak isimlendirilmektedir. Verici plakaya uygulanan AC gerilim alıcı plakada elektrostatik indüksiyon vasıtasıyla AC gerilim indüklemektedir. Aktarılan güç miktarı verici elektrota uygulanan gerilimle, elektrotlar ile oluşturulan kapasitans değeriyle ve uygulanan alternatif akımın frekansıyla orantılıdır. Kapasitif kablosuz güç transfer sistemlerinin kullanımı da yine belli başlı bazı düşük güçlü uygulamalarla sınırlıdır. Yüksek güçlerde alıcı ve verici elektrotlarda oluşacak yüksek gerilimler pratikte güvenlik riski oluşturabilmektedir. Elektrotlar arasında yüksek seviyelerde oluşan elektrik alan, manyetik alana göre diğer malzemeler ve organizmalarla daha fazla etkileşim sergilemektedirler. Bu da yüksek güçlü sistemlerde elektrotların yakınında bulunan insanlar üzerinde olumsuz etkiler oluşturmaktadır.

Şekil-2 de Kolorado Üniversitesinde elektrikli araç şarj sistemleri için geliştirilmiş üç farklı kapasitif kablosuz güç transfer sistemi prototiplerinin fotoğrafları gösterilmektedir [SAS1].

Üçüncü ve en yaygın kablosuz güç transfer yöntemi endüktif bağlaşım vasıtasıyla gerçekleştirilen yöntemdir. Burada verici ve alıcı olarak elektrotlar yerine çeşitli geometrilerde sarılmış bobin yapıları kullanılmaktadır. Verici bobin bir alternatif gerilimle sürülmektedir ve sargılarından akan akım vasıtasıyla bobinin etrafında manyetik alan oluşturmaktadır. Bu verici bobinin yakınına yerleştirilecek bir alıcı bobinin üzerindeki sargının uçları arasında Faraday yasası temeline AC gerilim indüklenmektedir. Endüktif bağlaşımla güç transferi epey eski bir yöntem olmasına rağmen günümüzde hâlâ üzerine yoğun ARGE çalışmalarının gerçekleştirildiği bir çalışma alanıdır.

Örneğin 2007 de Masaçuset Teknoloji Enstitüsünden (MIT) Prof. Marin Soljajic ve ekibinin endüktif bağlaşımdaki alıcı ve verici bobinleri rezonans frekanslarında ve güçlü kuplajlanma rejiminde çalıştırarak güç transfer mesafesini oldukça artırmışlardır. 

Endüktif güç transfer sistemleri kapasitif eşleniklerine göre daha güvenlidir. Çünkü manyetik alan malzeme ve canlılarla elektrik alana kıyasla çok daha az etkileşim içerisindedirler. Yine kapasitif kablosuz güç transfer sistemlerine göre alıcı ve verici sistemler arasında yüksek gerilim farkları oluşmayacağı için ark oluşumu ya da elektrik çarpması riskleri çok daha azdır. Şekil-3 (a) ve (b) de tipik bir endüktif kablosuz güç transferi blok diyagramı ve ekibimiz (TZI danışmanlık) tarafından geliştirilen ve 94 % verimlilikte güç aktarımı yapabilen bir endüktif güç aktarım sisteminin fotoğrafı verilmektedir.  Geliştirilen bu prototip şu aşamada herhangi bir uygulama için özelleştirilmemekle beraber, 10 cm mesafeden 3 kW ve üzeri güç aktarım kapasitesiyle elektrikli araçlardan, otomatik yönlendirmeli araçlar (AGV) ve endüstriyel otomasyon sistemleri, sonsuz dönme gereksinimi olan tabla ve makineler gibi bir çok uygulama için yeterli özelliklere sahiptir.

TZI danışmanlık 2019 tarihi itibariyle İstanbul Teknopark kuluçka merkezinde faaliyetine başlamıştır. Kuluçka merkezindeki ana projemiz 3.3 kW ve üzeri güç seviyelerinde elektrikli araçlar için bütün bir şarj sistemi geliştirilmesi üzerinedir. Ekibimiz dört elektrik-elektronik mühendisi iki makine ve bir endüstri mühendisinden oluşmaktadır. Ekipteki dört kişi akademisyen ve üçü ise özel sektörde arge ve tasarım birimlerinde çalışmış oldukça tecrübeli mühendislerden oluşmaktadır. TZI danışmanlık firmasının aşağıdaki alanlarda endüstriye tasarım, danışmanlık ve prototipleme konularında destek verecek ileri seviyede deneyimleri bulunmaktadır:

  •   Güç elektroniği devreleri, RF ve Mikrodalga devre ve sistem tasarımı ve prototip üretimi.
  •   Elektromanyetik yapı simülasyonları. Anten, mikrodalga filtre, bobin ve trafo tasarım ve simülasyonları üzerine teknik destek hizmetleri.
  •   Isı analizi ve simülasyonlarının yapılması.
  •   Mekanik tasarım ve analizlerin yapılması.

Şekil-2 [SAS 1] de verilen Kolorado Üniversitesi tarafından üretilen çeşitli kapasitif kablosuz güç transfer sistemleri

 

Şekil-3 TZI danışmanlık bünyesinde üretilen endüktif kablosuz güç transfer sistemi.