Kablosuz Güç İletim Teknolojisi Cihazların İhtiyaç Duyduğu Enerjiyi Nasıl Sağlıyor?
Kablosuz Güç İletim Teknolojisi Cihazların İhtiyaç Duyduğu Enerjiyi Nasıl Sağlıyor?
Düzenli ve titiz bir insansanız, evinizin köşelerinde birbirine bağlı ve üzerlerinde çok fazla kir bulunan çok sayıda elektrik kablosu göreceksiniz.
Ayrıca, bazen çeşitli cihazlarınız için şarj cihazlarını kısa hatlarla takma umuduyla prize çirkin bir şekilde özel bir kablo bağlamanız gerekir.
Birbirine dolanan bu teller insanların hayatını kolaylaştırsa da hoş olmayan bir görüntüye neden olabiliyor.
Bu nedenle, benzersiz teknolojilere sahip çeşitli kablosuz şarj cihazları, sizi bu sorundan kurtarmak için teknoloji dünyasına girdi ve kablosuz şarj cihazının nasıl çalıştığını hiç merak ettiniz mi?
Bilim adamlarının kablosuz enerji aktarım teknolojisine ulaşma çabaları
Kablosuz enerji aktarım teknolojisi fütüristik görünse de gerçek başka bir şeydir. 1800’lerin sonunda Nikola Tesla, Colorado Springs’teki laboratuvarında uzaktan elektrifikasyon (milyonlarca volt boşaltma yeteneğine sahip yapay aydınlatma) olan en muhteşem gösterilerinden biri olan kablosuz enerji iletimi üzerine teoriler önerdi. Tesla’nın o zamanlar yaptığı çalışma muhteşem olsa da, yatırımcılar ve büyük şirketler, çeşitli nedenlerle bu benzersiz, yenilikçi yöntem planını desteklemedi.
Yaygın olarak çalıştırılmamalı ve kullanılmamalıdır. O zamandan beri araştırmacılar, elektriği uzun mesafelere kablosuz olarak iletmek için çeşitli yöntemler geliştirdiler. Tabii ki, bazıları teorik kaldı, ancak diğerleri, bazılarınızın kullanıyor olabileceği elektrikli diş fırçası gibi tüketici cihazlarına girdi.
Tesla’nın yaptığı inanılmazdı ama pratik, yaygın bir kablosuz dağıtım yöntemine hemen dönüşmedi. O zamandan beri araştırmacılar, elektriği uzun mesafelere kablolara ihtiyaç duymadan iletmek için birçok tasarım geliştirdiler. Bazıları sadece teori veya prototip düzeyinde kaldı, bazıları kullanıldı (Şekil 1).
Radyo dalgaları enerjidir ve insanlar bunları cep telefonu, TV, radyo ve Wi-Fi sinyalleri göndermek ve almak için günlük olarak kullanır. Genel olarak, radyo dalgalarının yönleri ve antenler tarafından absorbe edilen dalgaların frekansları ayarlanmıştır. Tabii ki, yukarıdaki yöntemde elektrik enerjisi iletiminin riskleri vardır ve yanlış kullanıldığında etkisizdir.
Örneğin, suyla doğrudan temas eden elektrikli diş fırçaları, özellikle ıslak diş fırçası kullanımdan sonra şarj bölmesine yerleştirildiğinde insanlar için risk oluşturabilir. Ayrıca nem, bu ürünlerin kartlarının ve donanım bileşenlerinin hızla bozulmasına neden olur. Bu sorun, çoğu diş fırçasının endüktif bağlantı tekniğiyle şarj edilmesine neden olmuştur (Şekil No. 2).
Endüktif kuplaj yöntemiyle elektrik transferinin işleyişini anlamak için elektrikli diş fırçasına geçelim. Genel olarak, bir elektrikli diş fırçasının tabanı ve tutacağı, pilin yeniden şarj edilmesini sağlayan bobinler içerir.
Bu, bobindeki elektrik akımının hareketinden doğal olarak üretilen manyetik alanların kullanıldığı endüktif bağlantı işlemi sırasında yapılır. Bir halkadan elektrik akımı geçtiğinde, halkanın etrafındaki bir daire içinde bir manyetik alan oluşur. Bu bakımdan, bobin çekirdeği etrafındaki bükülmüş tellerin artması manyetik alanı güçlendirir. Bu nedenle, ne kadar çok bobin varsa, manyetik alan o kadar büyük olur.
Figür 3
Elektrik akımı, halkada bir manyetik alan oluşturan şarj cihazının içindeki bobinden akar. Diş fırçası şarj cihazına yerleştirildiğinde, manyetik alan bataryaya bağlı ikinci bobinde bir akım indükler. Bu mekanizma, elektrikli diş fırçasının pilini şarj eder. Bu, transformatörlerin üzerinde çalıştığı teknikle aynıdır. Aynı işlem genellikle diğer ekipman ve aygıtları kablosuz şarj teknolojisiyle şarj etmek için kullanılır. Elektriği daha uzun mesafelere iletmenin elbette aşağıda bahsedeceğimiz farklı yolları var. Bu süreç aşağıdaki üç ana adımdan oluşur:
Akım, prizden şarj bobinine akarak manyetik bir alan oluşturur. Transformatörde buna birincil sargı denir.
Diş fırçası şarj cihazının üzerine yerleştirildiğinde manyetik alan, bataryaya bağlı ikincil bobin adı verilen başka bir bobinde bir akım indükler.
Son olarak, cihazın bataryası şarj edilir.
Aynı anda birden fazla cihazı şarj etmek için bu basit tekniği kullanabilirsiniz. Elbette elektronik cihazlar yukarıdaki işlemi ancak kablosuz şarj devreleri ile donatılmışsa kullanabilirler.
Kablosuz şarj ve amplifikasyon
(Rezonans ve Kablosuz Güç)
Elektrikli ev aletleri nispeten küçük manyetik alanlar üretir. Bu nedenle ana cihazdan uzakta bulunan şarj cihazları endüktif yöntemle ekipmanı şarj edemezler çünkü endüktif kuplajlı şarj yönteminde şarj cihazının bobini ile kaynak cihazın birbirine yakın olması gerekir. Birbirinden uzak cihazlarda bir akımı indüklemek için neden daha büyük, daha güçlü alanlar kullanmıyorsunuz? Böyle bir süreç iyi performans göstermez. Daha doğrusu, bir manyetik alan her yöne yayıldığı için, onu büyütmek enerji israfına neden olur ve verimliliği önemli ölçüde azaltır.
Kasım 2006’da MIT araştırmacıları, elektrik akımını birbirinden birkaç metre uzakta olan bobinler arasında iletmenin verimli bir yolunu geliştirdiklerini duyurdular. Marin Soljacic liderliğindeki bu araştırma ekibi, akım transfer denklemlerine rezonans parametresinin eklenmesinin bobinler arasındaki mesafeyi artırdığı ve rezonanslı bir kablosuz şarj cihazının yapılabileceği hipotezini öne sürdü. Ama rezonans ne anlama geliyor?
Bunu anlamak için trompet gibi bir cismin fiziksel yapısını hayal edin, bu da doğal titreşimin frekansını daha iyi anlamanızı sağlar.
Doğal titreşimlerin frekansına teknik dilde o cihazın “Rezonans Frekansı” (Rezonans Frekansı) denir. Genel olarak, trompet gibi bir nesnede bir sesi titreştirerek rezonans frekansı elde etmek kolaydır, ancak cihazların başka frekanslarda titreşmesini istediğinizde zorlaşır. Bir trompet ile çalmaya başlarsanız yanındaki trompet sallanır çünkü her iki trompet de aynı rezonans frekansına sahiptir.
MIT araştırmacılarına göre, bobinlerin etrafındaki elektromanyetik alanlar aynı frekansta yoğunlaştırılırsa, elektrik akımı en uygun şekilde küçük bir farkla indüklenebilir. Bahsedilen teoride, indüktör olarak kavisli bir bobin kullanılır, ardından elektrik yükünü tutabilen plakalı bir kapasitör kullanılır ve bobinin her iki ucuna bağlanır. Elektrik bu bobinden geçerken indüktör titremeye başlar.
Her iki bobin de menzil dışında olduğu sürece hiçbir şey olmaz çünkü dalgaların etrafındaki alanlar birbirini etkileyecek kadar güçlü değildir. İki dalga farklı rezonans frekanslarında titreşirse hiçbir şey olmaz. Şimdi, aynı frekanslara sahip iki rezonans bobini birbirinin birkaç metre yakınına yerleştirilirse, enerji akışı verici bobinden alıcı bobine doğru hareket edecektir. Bu teknik, dalgaların aynı rezonans frekansına sahip olması koşuluyla, bir halkanın menzil içindeki herhangi bir cihazı şarj etmesini sağlar (Şekil 4).
Yukarıdaki teoriye dayanarak, bir bobin, hepsinin aynı rezonans frekansında olması koşuluyla, birkaç alıcı cihaza elektrik gönderebilir. Araştırmacılar, bobinlerin etrafında sabit alanlar yaratıldığı için bu yönteme Işınımsız Enerji Transferi adını verdiler. Bu araştırma grubu, bu sistemin odadaki tüm cihazları açabileceğini veya şarj edebileceğini gösterdi. Tabii ki mesafe uzunsa veya ortamın boyutları büyükse kullanılabilir olması için yukarıdaki mimari yapıda değişiklikler yapılması gerekir.
Uzun mesafelerde elektriğin kablosuz iletimi
Elektrikli ekipmana enerji sağlamak için endüktif veya rezonans tipi kablosuz şarj cihazı kullanmanız farketmez. Genel olarak, bu iki yöntem uzun mesafelerde iyi performans göstermez çünkü elektriği birkaç kilometre uzağa veya yerden uzaya iletmek için gerekli güce sahip değildirler.
1980’lerde Kanada İletişim Araştırma Merkezi, Dünya’dan enerji ışınları atmak için küçük bir uçak tasarladı. Daha doğrusu SHARP isimli drone
Sabit Yüksek İrtifa Röle Platformu olarak adlandırıldı; bir röle rolü vardı. Sharp’ın küçük uçağı, bir noktadan diğerine uçmak yerine, çapı 2 kilometre ve yüksekliği yaklaşık 21 kilometre olan daireler çizerek uçabiliyordu. Hikayenin ilginç yanı, uçağın birkaç ay uçmaya devam edebilmesiydi (Şekil 5).
Şekil 5
Sharp’ın uzun süreli uçuşunun sırrı, yerdeki büyük bir vericinin mikrodalgalar göndermesiydi. Bu uçağın dairesel uçuş yolu, onu bu vericinin menzili içinde tuttu. Öte yandan, uçağın kanatlarının hemen arkasında, vericiden gelen mikrodalga enerjisini doğru akıma dönüştüren disk şeklinde büyük bir doğrultucu anten tasarlandı.
Bu nedenle, mikrodalga dalgalarının doğrultucu antenle etkileşimi, sabit bir güç kaynağı rolü oynamasına ve vericinin menzili içinde olduğu sürece Sharp uçağına enerji sağlamasına izin verdi. Doğrultucu antenler, çoğu güç iletim yönteminde önemli bir rol oynar. Bu antenler, pozitif ve negatif dipol anten dizilerine sahiptir ve yarı iletken diyotlara bağlıdır.
Genel olarak, bu antenler aşağıdaki mimariye göre çalışır:
Elektromanyetik spektrumun bir parçası olan mikrodalgalar dipol antene ulaşır.
Mikrodalga enerjisini toplayan ve diyotlara ileten bir anten.
Diyotlar, açık veya kapalı anahtarlar gibi hareket ederek elektronların yalnızca bir yönde akmasına izin verir. Elektronları doğrultucu anten devresine yönlendirirler.
Devreler daha sonra elektronları onlara ihtiyaç duyan parçalara ve sistemlere gönderir.
Daha uzun menzilli güç iletimi fikirlerinin çoğu, doğrultucu antenlere dayanmaktadır. Houston Üniversitesi’nden David Criswell, Ay’da konuşlandırılabilen güneş enerjisi santrallerinden Dünya’ya elektrik iletmek için mikrodalgaların kullanılmasını önerdi. Bu şekilde yerdeki on binlerce alıcı bu enerjiyi emer ve doğrultucu antenler onu elektriğe dönüştürür (Şekil 6).
Şekil 6
Mikrodalgalar atmosferden kolayca geçebilir ve antenler mikrodalgaları etkili bir şekilde elektriğe dönüştürebilir. Ayrıca, çevresel etkiyi en aza indirmek için yer doğrultucu antenleri bir kafes çerçeveye yerleştirilebilir.
Bu fikirlerin sahip olduğu tüm avantajların yanı sıra dezavantajları da vardır ve bunlardan en önemlileri şunlardır:
Ay’daki güneş enerjisi santralleri izleme, bakım ve bakım gerektirir. Yani bu proje, Ay’da insan kuvvetlerinin kullanıldığı sabit istasyonlar gerektiriyor.
Herhangi bir zamanda Dünya’nın yalnızca belirli bir kısmı Ay’a doğrudan bir görüş hattına sahiptir. Bu nedenle, mikrodalgaları kanalize etmek için bir uydu ağına ihtiyaç vardır.
Birçoğu, riskler nispeten küçük olsa bile, uzaydan Dünya’ya gönderilen mikrodalgalara kalıcı olarak maruz kalmaya karşı çıkıyor.
Bilim adamları kablosuz güçle çalışan uçak prototipleri yapmış olsalar da, Ay’da elektrik santralleri inşa etmek gibi birçok büyük ölçekli uygulama bir teori olarak kalıyor. Gezegenin nüfusundaki mevcut artış nedeniyle, onu üretmek ve farklı yerlere iletmek için yeterli elektriğe ihtiyaç duyulması zor bir iştir. Bu nedenle, kablosuz iletim sadece ilginç ve çekici bir fikir değil, aynı zamanda bir zorunluluktur.
