Darbeli lazer diyotlar ile kablosuz güç aktarımı uygulaması ve elektriksel parametrelerin performans üzerine etkilerinin incelenmesi
Wireless power transfer application with pulsed laser diodes and investigation of the effects of electrical parameters on performance
Yazar: HAYRİ YİĞİT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Tesisleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Fotovoltaik = Photovoltaic ; Güç aktarımı = Power transfer ; Lazer diyodu = Laser diodes ; Lazerler = Lasers

Özet:
Kablosuz güç aktarımı (KGA) endüstride ve savunma sanayinde günümüzün öncelikli araştırma konularından biridir. Elektriksel yalıtım içermesi ve temassız bir güç aktarımı sağlaması bu teknolojinin başlıca tercih edilme sebeplerindendir. Farklı KGA teknikleri bulunmakla beraber, lazer ile güç aktarımı (LGA), uzun mesafeli ve yüksek güçlü KGA alanında önde gelen teknolojilerden biridir. Bu işlem bir güç elektroniği sürücü devresi aracılığı ile elektrik enerjisinin lazer üzerinde lazer ışınımına dönüştürülmesi ve bu ışının (yüzlerce metre mesafede bulunan) fotovoltaik (FV) hücreler aracılığı ile elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yöntemdir. Bu teknoloji ile zorlu şartlar altında çalışan askeri insansız hava, kara ve deniz araçlarına, uzayda keşif yapan araçlara ve diğer mobil araçlara güç aktarımı üzerine teorik, simülasyon ve uygulama bazlı çalışmalar bulunmaktadır.

Bu teknolojinin en önemli parçalarından biri lazer ve sürme devresini içeren verici kısmıdır. Çalışmalarda yüksek güç ve sürekli ışıma sebebiyle sürekli mod (SM) lazerler kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise darbeli mod (DM) lazer diyotlar (LD) kullanılarak düşük maliyetli bir verici önerilmiştir. DM LD farklı gerilim, frekans ve doluluk oranlarında test edilmiş ve hem LD performansı hem de LGA'nın nasıl etkilendiği incelenmiştir. Bu testler sonunda uygun çalışma noktası belirlenerek uzun mesafede LGA sağlanmıştır. Mercek ve mesafenin sistem verimini nasıl etkilediği tespit edilmiştir.

Yapılan testler sonucunda LD 6 V gerilim, 20 kHz frekans ve \%10 doluluk oranının en uygun çalışma noktası olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu koşulda tek LD ile mesafe arttırılıp, mercek ayarlanarak LGA performansı incelenmiştir. 10 m mesafede \%5,08 verimle, FV hücreden 164,58 mW, en yüksek FV hücre gücünün elde edildiği 1 m mesafede ise \%8,66 verimle 282,29 mW elde edilmiştir. Önerilen çoklu LD sistemi ekonomik olarak benzer güçteki SM lazerlerle kıyaslandığında \%65 seviyesinde bir avantaj sağladığı görülmüştür.

Abstract:
Today, wireless power transmission (WPT) is one of the primary research topics in the industry and defence industry. Electrical insulation and contactless power transfer are the main reasons this technology is preferred. Although there are different WPT techniques, laser power transmission (LPT) is one of the leading technologies in the field of long-range and high-power WPT. This process is the method in which electrical energy is converted into a laser beam on a laser via a power electronic driving circuit and this beam is converted into electrical energy by means of photovoltaic (PV) cells (which are located at a distance of hundreds of meters). There are theoretical, simulation and application-based studies on power transmission to military unmanned aerial, land and sea vehicles, space reconnaissance vehicles and other mobile vehicles operating under harsh conditions with this technology.

One of the most important parts of this technology is the transmitter part, which includes the laser and the driving circuit. Continuous wave (CW) lasers are used in studies due to their high power and continuous radiation. In this study, a low-cost transmitter is proposed using pulsed mode (PM) laser diodes (LDs). The CW LD was tested at different voltages, frequencies and duty cycles, and how both LD performance and LPT were affected was examined. At the end of these tests, the appropriate operating point was determined and long-distance LPT was provided. It has been determined how the lens and distance affect the system efficiency.

As a result of the tests, it was concluded that LD 6 V voltage, 20 kHz frequency and \%10 duty cycle were the most suitable operating point. In this condition, LPT performance was investigated by increasing the distance with a single LD and adjusting the lens. At a distance of 10 m, 164,58 mW was obtained from the PV cell with an efficiency of \%5,08, and at a distance of 1 m where the highest PV cell power was obtained, 282,29 mW was obtained with an efficiency of \%8,66. It has been observed that the proposed multi-LD system provides an advantage of \%65 when compared to CW lasers of similar power, economically.