ТОКИО - 17. септембар, 2025 -НТТ, Инц. (Седиште: Цхииода, Токио; председник и извршни директор: Акира Схимада; у даљем тексту „НТТ“) и Митсубисхи Хеави Индустриес, Лтд. (седиште: Цхииода, Токио; председник и извршни директор: Еисаку Ито; у даљем тексту „МХИ“) спровели су експеримент за бежични пренос енергије ласерског 1 бежичног преноса енергије. далеко. Зрачењем ласерског зрака оптичке снаге 1 кВ успели смо да на 1 километар удаљености добијемо 152 В електричне енергије. Ово означава највећу светску ефикасност оптичког бежичног преноса енергије помоћу силицијумског фотоелектричног конверзијског елемента (Ноте2) у окружењу са јаком атмосферском турбуленцијом.
Овај резултат показује изводљивост испоруке струје удаљеним локацијама. У будућности се очекује да ће се применити на-пренос електричне енергије на захтев до удаљених острва и катастрофом{2}}области погођених катастрофом где се не могу инсталирати каблови за напајање.
Ово достигнуће је објављено у британском часопису Елецтроницс Леттерс 5. августа 2025. године.
Позадина
Последњих година, технологије бежичног преноса енергије за уређаје као што су паметни телефони, носиви уређаји, беспилотне летелице и електрична возила, који могу да испоручују струју без употребе каблова, привукли су све већу пажњу. Постоје два типа бежичних система за пренос енергије: један користи микроталасне пећнице, а други користи ласерске зраке. Микроталасни бежични пренос енергије је већ у практичној употреби и његова употреба се шири. С друге стране, оптички бежични пренос енергије помоћу ласерског зрака није уведен у практичну употребу, али се очекује да ће остварити компактан бежични-пренос енергије на велике удаљености величине километара користећи предности високе усмерености ласерског зрака (Слика 1).
Будући изгледи предвиђају развој инфраструктуре следеће{0}}генерације способне да снабдева струјом и прошири покривеност комуникацијама у ситуацијама и регионима где су електрична енергија или комуникационе мреже недоступне, као што су током катастрофа, на удаљеним острвима, планинским областима или на мору. Ово укључује испоруку снаге прецизно одређеним подручјима или покретним платформама као што су дронови. Постизање овако веома прецизне и{3}}испоруке енергије на велике удаљености захтева ласерски-базирани бежични пренос енергије који користи предност своје снажне усмерености.
Изазови постојећих технологија и достигнућа овог експеримента
Ефикасност технологије оптичког бежичног преноса енергије је генерално ниска, а побољшање ефикасности је питање за практичну употребу. Један од разлога за то је тај што када се ласерски зрак-шири на велике удаљености, посебно у атмосфери, дистрибуција интензитета постаје неуједначена, а ефикасност претварања ласерског зрака у електричну енергију у елементу за фотоелектричну конверзију постаје ниска.
У овом експерименту комбиновали смо НТТ-ову технологију обликовања зрака са МХИ-овом технологијом пријема светлости да бисмо побољшали ефикасност ласерског бежичног преноса енергије. Спровели смо-експеримент оптичког бежичног преноса енергије на велике удаљености у спољашњем окружењу користећи-технологију обликовања равног снопа на велике удаљености која обликује сноп на страни преноса да би се постигао уједначен интензитет снопа након простирања од 1 километра, и технологију нивелисања излазне струје која потискује утицај атмосферских флуктуација и осцилација нивоа на страни хомогенизатора кола.
Од јануара до фебруара 2025. спровели смо експеримент оптичког бежичног преноса енергије на писти на аеродрому Нанки-Ширахама у граду Ширахама, округ Нишимуро, префектура Вакајама (слика 2). Кабина за пренос опремљена оптичким системом за емитовање ласерског зрака постављена је на једном крају писте, а пријемна кабина која садржи-пано за пријем светлости постављена је 1 километар даље.
Током преноса, оптичка оса ласера је постављена на ниску висину од приближно 1 метар изнад тла и поравната хоризонтално. Као резултат тога, на греду су снажно утицали загревање тла и ветар, а експеримент је спроведен у условима са јаком атмосферском турбуленцијом.
Унутар кабине за пренос генерисан је ласерски зрак са оптичком снагом од 1035 В. Користећи дифракциони оптички елемент (ДОЕ) (Напомена 3), сноп је обликован тако да створи уједначену дистрибуцију интензитета на удаљености од 1 километра. Поред тога, коришћено је огледало за управљање снопом за прецизно усмеравање обликоване зраке ка пријемној плочи. Зрак је излазио кроз отвор кабине за пренос и ширио се преко 1 километра отвореног простора, на крају је стигао до пријемне кабине.
Током ширења, атмосферска турбуленција је изазвала флуктуације у интензитету зрака, стварајући вруће тачке. Они су распршени помоћу хомогенизатора у пријемној кабини, што је резултирало уједначеним снопом који је озрачен на пријемну плочу. Ласерски зрак је тада ефикасно претворен у електричну енергију (слика 3). Елемент за фотоелектричну конверзију заснован на силикону{4}} је усвојен за пријемни панел, узимајући у обзир и цену и доступност.
У овом експерименту, просечна електрична снага извучена из пријемног панела била је 152 В (Слика 4), што одговара ефикасности бежичног преноса енергије од 15%, дефинисаном као однос примљене електричне енергије и пренете оптичке снаге. Овај резултат означава највећу светску ефикасност оптичког бежичног преноса енергије икада демонстрирану коришћењем фотоелектричног елемента за конверзију на бази силикона{4}}у условима јаке атмосферске турбуленције. Штавише, континуирана испорука енергије је успешно одржавана током 30 минута, потврђујући изводљивост дуготрајног-преноса енергије помоћу ове технологије.
Напомена: Из безбедносне перспективе, систем оптичког преноса и пријемна табла су инсталирани у кабинама како би се спречило случајно излагање ласерским зрацима велике{0}}снаге и расејање рефлектоване светлости.
Технички детаљи
Технологија{0}}обликовања равних зрака на велике удаљености
Да би се побољшала ефикасност фотоелектричне конверзије, потребно је учинити дистрибуцију интензитета упадног снопа на елемент фотоелектричне конверзије уједначеном.
У овој студији смо предложили метод обликовања зрака који омогућава уједначеност интензитета након{0}}простирања на великој удаљености. У овом приступу, спољашњи део зрака се трансформише у шаблон у облику прстена- коришћењем ефекта аксиконског сочива (Напомена 4). Централни део зрака је фазно-модулисан да се шири кроз ефекат конкавног сочива. Како се сноп шири, сноп у облику прстена- и проширени централни сноп постепено се преклапају, што резултира уједначеном расподелом интензитета на циљној локацији, као што је приказано на слици 5.
За експеримент смо оптимизовали дизајн зрака да бисмо постигли жељени профил интензитета на удаљености од 1 километра. Обликовање снопа је спроведено коришћењем дифракционог оптичког елемента, чиме је побољшана униформност интензитета снопа на циљној позицији удаљеној 1 километар.
Технологија нивелисања излазне струје
Како се ласерски зрак шири кроз атмосферу, на њега утиче атмосферска турбуленција, која ремети дистрибуцију интензитета. Иако горе описана техника обликовања равног-снопа може да уједначи расподелу интензитета, јака турбуленција и даље може да изазове формирање пега високог{2}}а, као што је приказано на слици 6.
Да бисмо решили овај проблем, поставили смо хомогенизатор зрака испред панела{0}}примања светла. Хомогенизатор распршује тачке високог{2}}интензитета тако да се сноп равномерно зрачи на панел. Поред тога, кола за нивелисање су повезана са сваким елементом фотоелектричне конверзије на пријемној плочи. Ова кола помажу у сузбијању флуктуација излазне струје узроковане атмосферском турбуленцијом и доприносе стабилизацији укупне излазне снаге.
Ове две технологије омогућавају постизање униформности снопа у преносу{0}}километарског реда, што је било тешко са конвенционалним методама обликовања снопа, и стабилизацију излаза у спољашњим окружењима. Као резултат тога, очекује се да ће стабилно снабдевање електричном енергијом удаљених локација као што су изолована острва и области{2}}погођене катастрофом постати изводљиве.
Улога сваке компаније
НТТ: Дизајн и имплементација трансмисионе оптике као што су технике обликовања зрака
МХИ: Дизајн и имплементација фотодетекторске оптике као што су фотодетекторски панели, хомогенизатори и кола за нивелисање
Будућа дешавања
Ова технологија омогућава ефикасан и стабилан пренос енергије на велике удаљености чак и под атмосферским турбуленцијама. У овом експерименту, силицијум је коришћен као елемент за фотонапонску конверзију. Међутим, коришћењем фотонапонских уређаја посебно дизајнираних да одговарају таласној дужини ласерске светлости, може се очекивати још већа ефикасност преноса енергије. Поред тога, коришћење ласерских извора светлости веће излазне снаге омогућило би снабдевање већих количина електричне енергије.
Као резултат тога, флексибилна и брза испорука струје може да се постигне у удаљеним областима као што су катастрофом{0}}погођени региони и удаљена острва, где је постављање каблова за напајање традиционално било тешко. Осим земаљских апликација, на основу ове технологије може се предвидети и широк спектар нових случајева употребе (Слика 7). Посебно, висока усмереност и мала дивергенција ласерских зрака омогућавају дизајн компактних и лаганих пријемних уређаја. Ово је велика предност за мобилне платформе које се суочавају са строгим ограничењима тежине и носивости.
На пример, комбиновањем ове технологије са техникама управљања снопом, постаје могуће бежично испоручити снагу дронова у лету. Овим се избегавају оперативна ограничења као што су слетање ради замене батерије или коришћење каблова за напајање, што омогућава дуго{1}}трајност и-дуготрајан континуирани рад. Такве могућности могу да побољшају{4}}надгледање области у случају катастрофе, као и -комуникацијски релеј широког подручја у планинским или поморским регионима, апликације које је раније било тешко реализовати.
Поред тога, предвиђају се потенцијалне примене у свемиру, укључујући испоруку енергије мобилним платформама као што је ХАПС (Хигх Алтитуде Платформ Статион) (Напомена 5), која спада у опсег НТТ-овог свемирског бренда, НТТ Ц89 (Ноте6). Гледајући даље унапред, технологија би се могла применити на напајање свемирских центара података и лунарних ровера, као и на системе соларне енергије у свемиру у којима се електрична енергија преноси са геостационарних сателита на земљу путем ласера. Ове апликације представљају области са јаким потенцијалом за ширење тржишта.
Кроз сарадњу између НТТ-а и МХИ-а, реализовали смо најефикаснију светску ласерску бежичну технологију преноса енергије у условима под јаким утицајем атмосферских флуктуација. Ово достигнуће представља значајан корак ка изградњи иновативне технолошке основе која може да задовољи широк спектар друштвених потреба, од одговора на катастрофе до развоја свемира.
