Günümüzde elektrik, insan hayatının en büyük parçalarından birisi haline gelmiştir. Evde, iş yerinde, sokakta, hastanede, bankada, birçok alanda elektrik ile çalışan cihazlar sayesinde, insan hayatı daha da kolaylaşmıştır. Teknoloji geliştikçe elektriğe olan ihtiyaç artmıştır ve bunun yanında birbirine dolaşan, masaların altına, dolapların arkasına sıkıştırılan ve daha birçok yerde karşımıza çıkan kablolar insan hayatını zorlaştırmaya başlamıştır. Ayrıca kablo sayısının artması ile iletim sırasında oluşan kayıplar artmaktadır. Kablo karmaşası, bakım maliyeti, iletim sırasında oluşan kayıpları önlemek için, elektriği kablosuz olarak iletme çalışmaları, 19. Yüzyıl’da Nikola Tesla tarafından Colorado Springs Laboratuvarında 1899 yılında yaklaşık 50 km uzaklıktaki toplam 10 kW’lık 200 tane akkor ampulü kablosuz enerji transferi yöntemiyle yakmayı başarması ile başlamıştır. Tesla’ya göre enerjinin kablosuz aktarımı çok yüksek frekanslarda mümkün olabilirdi. Düşük frekanstaki merkezden aldığı elektrik gücünü milyonlarca katına çıkarır, böylece elektriği dünyanın herhangi bir yerine rahatlıkla gönderebilirdi, dünyanın her yerine bedava veri ve elektrik iletimi sağlaması için Wardenclyffe Kulesini inşa etmiştir ancak maddi sıkıntılar sebebiyle kule yıkılmıştırKablosuz Elektrik İletimi için birden fazla yöntem vardır. Günümüzde, bu yöntemler arasından, Rezonans İndüktif Kuplaj yöntemi verimliliği ve güvenilirliği sayesinde en çok tercih edilmektedir. Bu yazıda, Rezonans İndüktif Kuplajdan ve daha yüksek güçte enerji iletiminden bahsedilmiştir. Kablosuz Enerji İletimi yöntemlerine kısaca bahsedelim; Elektrik, kablosuz olarak iki şekilde aktarılır, ve bunlarda kendi içlerinde iki ayrı yönteme ayrılır; - Yakın Mesafe Transferi - İndüktif Kuplaj - Rezonans İndüktif Kuplaj - Uzak Mesafe Transferi -Mikrodalga -Lazer İndüktif Kuplaj Yönteminde, Alıcı ve Verici taraf olmak üzere iki adet bobin vardır. Verici bobinde manyetik alan indüklenmesi oluşturmak için, şebeke gerilimi,yüksek frekanslı alternatif akıma dönüştürülür. Bitişik alıcı bobin manyetik alandan indüklenir ve akım oluşturur. Bu sayede iki bobin arasında enerji transferi gerçekleşir.

İndüktif Kuplaj yöntemi ile elektrik iletimi mesafesini artırmak, Rezonans İndüktif Kuplaj yöntemi ile mümkündür. Bu iki teknolojiyi birbirlerinden ayıran tek özellik, alıcı ve verici bobinlere paralel olarak bulunan resonans kapasitörlerdir.

Rezonans, bir sistemin belirli bir frekansta maksimum dalga genişliğinde salınım yapma eğilimidir. Bu frekansa rezonans frekansı denir. Bobinler üzerindeki kapasitör reaktansları eşit ise, bu iki bobin çok güçlü bir etkileşime girer ve bu sayede enerji aktarım menzilide artırabilir. Bu alandan en önemli örnek, 2006 yılında MIT’de Marin Soljacic adlı Profesör ve grubu, Rezonans İndüktif Kuplaj yöntemi ile 60W’lık bir lambayı 2 metre mesafeden yakmayı başarmıştır. Bu yöntemlerin tek dezavantajı, manyetik alan çok yönlüdür, bu yüzden alıcı bobinin çok güç alabilmesi için verici bobine çok yakın olması gerekir. Uzak mesafelere elektrik iletimi Mikrodalga teknolojisi ile mümkündür.

En önemli bileşenleri, mikrodalga jeneratörü (magnetron) verici anten ve alıcı antendir. Verici antende, DC elektrik enerjisi Magnetron adı verilen mikrodalga jeneratörü yardımı ile mikrodalga enerjisine dönüştürülür. Verici antenden gönderilen bu mikrodalga enerjisi, alıcı anten Rectenna tarafından yakalanır ve tekrardan DC elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu alandaki en önemli örnek, 1980’lerde Kanada Haberleşme Araştırma Merkezi’nin SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform) adlı projesinde, başka hiçbir dâhili 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 birisidir.Uzak mesafelere elektrik iletimi için bir diğer yöntem Lazer teknolojisidir. 

Sabit bir noktada duran lazer jeneratöründen, yine sabit bir noktada duran fotovoltaik alıcıya lazer ışını gönderilir ve ışındaki enerji, alıcı tarafa geldikten sonra elektrik enerjisine dönüştürülerek iletim sağlanır.
Manyetik Rezonans ve Kablosuz Yaşam
İnsan yaşamının her alanında bulunabilecek kablosuz enerji iletim teknolojisi için verimlilik ve güvenilirlik çok önemlidir. Mikrodalga ve lazer teknolojileri sayesinde uzun mesafelere enerji iletimi yapılabilir ancak verimlilik ve güvenlik açısından uygun teknoloji değillerdir. Mikrodalga teknolojisinde çok fazla devre elemanı kullanılır ve iletim sırasında kayıp çok fazla olur. Lazer teknolojisinde ise, lazer ışını atmosfere gittikçe zayıflar ve iletim kaybı fazla olur ayrıca düşük güç seviyelerinde bile insanları ve hayvanları kör edebilecek kadar zararlıdır. Her iki sistem içinde yüksek güç transferi için büyük anten yapıları gerekir ve bununla birlikte maliyet artışı olur. Aktarımın yapılabilmesi için alıcı ve verici antenler birbiri ile hizalı olması gerekir ayrıca aralarına cisim girmesi durumlarında iletim yapılamaz. Bu tür çevresel ve teknik olarak olumsuzluklar içermediği için, indüktif kuplaj yönteminin kısa mesafe iletimlerde verimi yüksektir. Bu yöntemde enerji aktarımı yapılan bobinler arası mesafenin, güç kaynağı ve bobin aralarına rezonans kapasitörler konularak, önemli ölçüde artırılabileceğini söylemiştik. Sonuç olarak günümüzde cep telefonu, elektrikli diş fırçası, koklear implant cihazı, elektrikli araç vs gibi elektrik ile çalışan cihazların şarj yöntemi olarak rezonans indüktif kuplaj yöntemi tercih edilmektedir. Rezonans İndüktif Kuplaj sistemi, verici besleme devresi, transformatör ve alıcı yük sistemi olmak üzere 3 ana bileşeni vardır.

Sistemin giriş gücü, 220 V, 380 V veya 480 V AC şebeke voltajı olabilir. AC voltaj, AC/DC doğrultucu (rectifier) ile DC gerilime çevrilir. Yüksek güç transferlerinde güç faktörü düzeltme (power factor corrector) bu blokta yer alır. Alternatif olarak, DC gerilim direkt bir DC kaynaktan verilerek te sağlanabilir. Yüksek frekans rezonans inverter, sabit çıkış gerilimine ihtiyaç duyulan yüksek frekans uygulamalarında çıkış gerilimi ve akımı arasındaki faz kaymasını, maksimum rezonans frekansı anahtarlama yapan elemanların anahtarlama zamanlarıyla ayarlar ve sinuzoidal bir çıkış gerilimi verir. Alıcıya aktarılan yüksek frekanslı AC gücü, doğrultucu (rectifier) tarafından düzenli bir DC-Bus voltajına dönüştürülür. Dönüştürülen gerilim, yük parametreleri tarafından belirtilen gereksinimleri karşılamak ve hızlı değişen fazla akımdan korumak için yük düzenleyici (charging controller or filter) tarafından kontrol edilir.Bu yöntem ile tüketici elektroniği, otomotiv sektörü, endüstriyel alanlar ve medikal uygulamalarda kablolardan kurtularak, çok daha kullanışlı ürünler ortaya çıkıyor. Tüketici elektroniğine, cep telefonu şarjı, laptop şarjı ve sulu ortamda şarj edilmesi gereken elektrikli diş fırçaları örnek olarak gösterilebilir. Medikal alanlara, işitme kaybı yaşayanların duymasına yardımcı olan koklear implant cihazı şarjı örnek olarak verilebilir. Otomotiv ve endüstriyel alanda kablosuz şarj teknolojisi, elektrikli otomobil, elektrikli otobüs, tren, sürücüsüz taşıma sistemleri gibi araçların şarjı için kullanılabilmektedir.
Manyetik Rezonans ve Yüksek Güç İletimi 
Son yıllarda elektrikli otomobil, otobüs, tren ve diğer endüstriyel taşıma araçlarının artmasıyla, rezonans indüktif kuplaj yöntemi ile kablosuz yüksek güçlü şarj ihtiyacı artmıştır. Geniş bobinler ve bobinler arası daha kısa mesafeler ile daha yüksek transfer yapabilen rezonans indüktif kuplaj, sistemin gücü verimli bir şekilde aktarmasını büyük ölçüde etkiler. Bununla birlikte, sistemlerin kompakt olması gerekliliği, bazı sistemlerin büyük miktarda güç kullanma ihtiyacını sınırlandırabilir. Örneğin, elektrikli otobüsler için tasarlanan birçok sistem, çoğu zaman bobin alanını iki veya üç katına çıkaran çoklu entegre bobinlere dayanır. Bir arabada, bunu yapabilecek alan yoktur ve sistem 50kW ile sınırlı kalır. Bunun için bobin büyüklükleri haricinde, bobin geometrilerinde değişiklik yaparak ve bobin teli seçiminde iletim kaybını azaltan materyal seçerek iletim gücü artırılabilir. Kablosuz enerji aktarımı sistemlerinde verimi etkileyen en önemli noktalardan düşük kayıp kuplajlı transformatör kullanmaktır. Bir transformatörde elektrik enerjisi transferi alıcı ve verici bobinler arasında manyetik enerji kuplajıyla gerçekleşmektedir. Verimli bir transfer için bu bobinler arasında maksimum manyetik akı geçişi sağlanmalıdır. Normal sistemlerde (a) manyetik alan tamamen hava üzerinden aktarılır. Buda yüksek frekanslarda çalışan sistemlerde yüksek akı kayıplarının olmasına sebep olur. Bu sistemlerde akı kayıplarını minimize etmek için dairesel dilimli (D-DP) ferrit tabaka (b) bobinler üzerine yerleştirilir. Ayrıca öne çıkan birçok yüksek güç uygulamalarında transformatör bobininde Litz teli kullanılır. Litz teli, kayıpları azaltarak 1MHz’e kadar yüksek frekanslı uygulamalarda kullanılabilir.
KAYNAKÇA
1) Komhedos, “Tesla’nın Kablosuz Elektrik İletimi”, https://komhedos.com/
2) Gökhan Uzun, “Kablosuz Enerji İletimi”, Kasım 2012
3) Andrew Foote, Omer C. Onar, “A Review of High-Power Wireless Power Transfer”, 2017 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo
4) Zhongyu Dai, Junhua Wang, Mengjiao Long and Hong Huang, “A WitricityBased High-Power Device for Wireless Charging of Electric Vehicles”, Energies 2017, 10, 323
5) Veda Prakash Galigekere, Jason Pries, Omer C. Onar, Gui-jia Su, Saeed Anwar, Randy Wiles, Larry Seiber, Jonathan Wilkins, “Design and implementation of an optimized 100 kw stationary wireless charging system for ev battery recharging”, 2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition
6) Andrew Foote, Omer C. Onar, “A Review of High-Power Wireless Power Transfer”, 2017 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo
7) Aktif, “Kablosuz Enerji Aktarımı Temelleri ve Uygulama Alanları”, https://aktif.net/tr/