LAZER TABANLI KABLOSUZ GÜÇ TRANSFERİNDE FOTOVOLTAİK ALICILARIN AKTİF SIVI SOĞUTMA İLE TERMAL ANALİZİ
Thermal Analysis of Actively Liquid-Cooled Photovoltaic Receivers for Laser-Based Wireless Power Transfer
- Tez No: 1019637
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Energy, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Temiz Enerji Teknolojileri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Enerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İleri Enerji Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kablosuz güç transfer sistemleri, enerjinin fiziksel bağlantı kullanılmadan bir kaynaktan alıcıya aktarılmasını sağlayan yenilikçi teknolojilerdendir. Bu sistemler içerisinde lazer tabanlı kablosuz güç transferi, yüksek yönlendirilebilirliği, düşük ışın sapması ve uzun mesafelerde enerji iletimi sağlayabilmesi nedeniyle son yıllarda önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. Söz konusu sistemlerde lazer ışınıyla taşınan enerji, alıcı tarafta bulunan fotovoltaik hücreler aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Ancak fotovoltaik hücrelerin dönüşüm verimlerinin sınırlı olması nedeniyle gelen enerjinin önemli bir bölümü ısı enerjisine dönüşmekte ve alıcı yüzeyinde sıcaklık artışına neden olmaktadır. Oluşan sıcaklık artışı, fotovoltaik hücrelerin elektriksel performansını olumsuz etkileyerek sistem veriminde düşüşe yol açmaktadır. Bu tez çalışmasında, lazer tabanlı kablosuz güç transfer sistemlerinde kullanılan fotovoltaik alıcı yapılar için aktif sıvı soğutmalı bir termal yönetim sistemi tasarlanmış ve sayısal yöntemlerle analiz edilmiştir. Çalışma kapsamında lazer ışınının odaklanma karakteristiğine uygun olarak 5×9 dizilimden oluşan konkav bir fotovoltaik alıcı yapısı geliştirilmiştir. Fotovoltaik panellerin alt kısmına yüksek ısıl iletkenlik özelliğine sahip bakır bir soğutma bloğu yerleştirilmiş ve bloğun arka yüzeyine iki adet sıvı soğutmalı panel entegre edilmiştir. Bu sayede fotovoltaik hücrelerde oluşan ısının hızlı bir şekilde uzaklaştırılması ve sistem genelinde daha homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilmesi amaçlanmıştır. Tasarlanan sistemin termal performansını incelemek amacıyla sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak geçici rejim termal analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal modelde lazer kaynağından gelen enerjinin belirli bir kısmının ısı enerjisine dönüştüğü kabul edilmiş ve bu enerji fotovoltaik yüzeye termal yük olarak uygulanmıştır. Analizlerde çevre sıcaklığı 20 ◦C olarak tanımlanmış, doğal taşınım koşulları dikkate alınmış ve sistemin davranışı 3600 saniyelik çalışma süresi boyunca incelenmiştir. Aktif sıvı soğutma sisteminin etkisini değerlendirebilmek amacıyla aynı koşullar altında soğutmasız bir referans model de oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar, aktif sıvı soğutma sisteminin fotovoltaik alıcının termal performansını önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Analiz süresi sonunda soğutmasız sistemde maksimum sıcaklık 86,04 ◦C seviyesine ulaşırken, aktif soğutma uygulanan modelde bu değer 43,38 ◦C olarak belirlenmiştir. Benzer şekilde ortalama sıcaklık değeri 73,44 ◦C'den 30,36 ◦C seviyesine düşmüştür. Sonuçlar, önerilen bakır tabanlı aktif sıvı soğutma yapısının sıcaklık artışını önemli ölçüde sınırlandırdığını, sıcaklık dağılımını daha homojen hale getirdiğini ve fotovoltaik alıcının daha kararlı çalışma koşullarına ulaşmasına katkı sağladığını ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Wireless power transfer (WPT) technologies have attracted significant attention in recent years due to their ability to transmit energy without requiring a physical electrical connection between the source and the receiver. Among various WPT approaches, laser-based wireless power transfer offers several advantages, including high beam directivity, low divergence, and the capability of transferring energy over long distances. In such systems, the transmitted laser energy is converted into electrical energy through photovoltaic (PV) cells located on the receiver side. However, because the conversion efficiency of photovoltaic cells is limited, a considerable portion of the incoming laser energy is transformed into heat, leading to temperature rise, thermal stress, and performance degradation within the receiver. In this thesis, an active liquid cooling system is proposed and numerically investigated to improve the thermal performance of photovoltaic receivers used in laser-based wireless power transfer applications. A concave photovoltaic receiver structure consisting of a 5×9 panel matrix was designed to match the optical distribution characteristics of the incoming laser beam. To enhance heat dissipation, a copper heat sink was integrated beneath the photovoltaic panel array, and two liquid-cooled plates were mounted on the rear surface of the cooling block. The proposed thermal management architecture aims to reduce heat accumulation, improve temperature uniformity, and maintain stable operating conditions under continuous thermal loading. The thermal performance of the designed receiver was evaluated through transient finite element analyses. In the numerical model, a portion of the laser energy was assumed to be converted into thermal energy and applied as a heat load on the photovoltaic receiver surface. The simulations were conducted under natural convection boundary conditions with an ambient temperature of 20 ◦C. The thermal response of the system was investigated over a 3600-second operation period. To assess the effectiveness of the proposed cooling structure, analyses were performed for both actively cooled and uncooled configurations under identical operating conditions. The numerical results demonstrated that the proposed active liquid cooling system significantly improved the thermal behavior of the photovoltaic receiver. At the end of the simulation, the maximum temperature of the uncooled configuration reached 86.04 ◦C, whereas the actively cooled system exhibited a maximum temperature of 43.38 ◦C. Similarly, the average temperature decreased from 73.44 ◦C to 30.36 ◦C when active cooling was applied. The results also indicated a more uniform temperature distribution across the receiver surface, reducing localized thermal gradients and minimizing the risk of thermal degradation. The findings confirm that the proposed copper-based active liquid cooling structure provides an effective thermal management solution for photovoltaic receivers operating in laser-based wireless power transfer systems.
Benzer Tezler
- System design for internet of things and network coding applications in the wireless personal area networks
Nesnelerin interneti için sistem tasarımı ve kablosuz kişisel alan ağlarında ağ kodlama uygulamaları
GÖRKEM ÖZVURAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNEŞ KARABULUT KURT
- Lazer ile kablosuz güç aktarımı için tek aşamalı güç faktörü düzeltme özelliğine sahip yüksek verimli LLC sürücü tasarımı
Design of a high-efficiency LLC driver with single-stage power factor correction for laser power transfer
AHMET YİĞİT SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
- Düzensiz darbe yoğunluk modülasyonu tabanlı bir manyetik bağlaşımlı kablosuz güç transfer sisteminin gerçekleştirilmesi
Realization of a magnetic coupled wireless power transfer system based on irregular pulse density modulation technique
KENAN ÜNAL
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNGÖR BAL
- Lazerle güç aktarımı için verici tasarımı ve uygulanması
Transmitter design and implementation for laser power transmission
HAYRİ YİĞİT
Doktora
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
DOÇ. DR. BURAK TEKGÜN
- Optik haberleşme sistemlerinde zeki optimizasyon teknikleri ile tepe gücü / ortalama güç oranının düşürülmesi
Peak-to-average power ratio reduction using intelligent optimization techniques in optical communication systems
MAHMOUD Y K ALHALABI
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECMİ TAŞPINAR