Бездротова передача енергії на відстань понад 30 м

Дослідники використовують інфрачервоне світло (IR) для бездротової передачі енергії на відстань понад 30 метрів.

Нова лазерна система зарядки може запропонувати безпечне бездротове живлення для мобільних пристроїв і датчиків.

Уявіть, що ви заходите в аеропорт чи продуктовий магазин, і ваш смартфон автоматично починає заряджатися. Одного разу це може стати реальністю завдяки новій системі бездротової лазерної зарядки, яка подолає деякі проблеми, що заважали попереднім спробам розробити безпечні та зручні системи зарядки в дорозі.

«Можливість бездротового живлення пристроїв може позбавити від необхідності носити з собою кабелі живлення для наших телефонів або планшетів, — сказав керівник дослідницької групи Джіньон Ха (Jinyong Ha) з університету Седжон у Південній Кореї. - Це також може живити різні датчики, такі як датчики в пристроях Інтернету речей (IoT) і датчики, які використовуються для моніторингу процесів на виробничих підприємствах».

У журналі Optica Publishing Group Optics Express дослідники описують свою нову систему, яка використовує IR для безпечної передачі високої потужності. Лабораторні випробування показали, що вона може передавати потужність світла 400 мВт на відстань до 30 метрів. Цієї потужності достатньо для заряджання датчиків, і з подальшим розвитком її можна збільшити до рівнів, необхідних для зарядки мобільних пристроїв.

Було вивчено кілька методів бездротової передачі енергії на великі відстані. Однак було важко безпечно передавати достатню кількість енергії на метрову відстань. Щоб подолати цю проблему, дослідники оптимізували метод розподіленої лазерної зарядки, який нещодавно привернув більше уваги для цього застосування, оскільки він забезпечує безпечне високопотужне освітлення з меншою втратою світла.

«У той час як більшість інших підходів вимагають, щоб приймальний пристрій знаходився в спеціальній підставці для заряджання або був нерухомим, розподілена лазерна зарядка забезпечує самовирівнювання без відстеження процесів, якщо передавач і приймач знаходяться в зоні прямої видимості один одного, — сказав Ха. - Він також автоматично перемикається в безпечний режим низької потужності, якщо предмет або людина блокує лінію видимості».

Розподілена лазерна зарядка працює як традиційний лазер, але замість того, щоб оптичні компоненти лазерного резонатора об’єднати в один пристрій, вони розділені на передавач і приймач. Коли передавач і приймач знаходяться в межах прямої видимості, між ними в повітрі або вільному просторі утворюється лазерний резонатор, що дозволяє системі передавати потужність на основі світла. Якщо перешкода перериває лінію видимості передавача та приймача, система автоматично переходить у енергобезпечний режим, забезпечуючи безпечну подачу електроенергії в повітрі.

У новій системі дослідники використовували леговане ербієм волоконне джерело оптичного підсилювача з центральною довжиною хвилі 1550 нм. Цей діапазон довжин хвиль знаходиться в найбезпечнішій області спектра і не становить небезпеки для людських очей або шкіри при використовуваній потужності. Іншим ключовим компонентом був мультиплексний фільтр з розділенням по довжині хвилі, який створював вузькосмуговий промінь з оптичною потужністю в межах безпеки для розповсюдження у вільному просторі.

«У приймальному блоці ми включили ретрорефлектор зі сферичною лінзою для полегшення вирівнювання передавача та приймача на 360 градусів, що максимізує ефективність передачі енергії, — сказав Ха. - Ми експериментально виявили, що загальна продуктивність системи залежить від показника заломлення кульової лінзи, причому показник заломлення 2,003 є найефективнішим».

Щоб продемонструвати систему, дослідники встановили 30-метрову відстань між передавачем і приймачем. Передавач був виготовлений з легованого ербієм волоконного підсилювача оптичного джерела, а блок приймача включав ретрорефлектор, фотоелектричний елемент, який перетворює оптичний сигнал в електричну енергію, і світлодіод, який світиться під час подачі електроенергії. Цей приймач розміром приблизно 10 на 10 міліметрів можна легко інтегрувати в пристрої та датчики.

Результати експерименту показали, що одноканальна бездротова система передачі може забезпечити оптичну потужність 400 мВт з шириною лінії каналу 1 нм на відстані 30 метрів. Фотоелектрична система перетворила це на електричну потужність 85 мВт. Дослідники також показали, що система автоматично переходить у безпечний режим передачі енергії, коли лінія видимості переривається рукою людини. У цьому режимі передавач створював світло неймовірно низької інтенсивності, яке не становило жодної небезпеки для людей.

«Використання лазерної системи заряджання для заміни шнурів живлення на заводах може заощадити витрати на обслуговування та заміну, — сказав Ха. - Це може бути особливо корисним у суворих умовах, де електричні з’єднання можуть спричинити перешкоди або створити небезпеку пожежі».

Тепер, коли вони продемонстрували систему, дослідники працюють над тим, щоб зробити її більш практичною. Наприклад, ефективність фотоелектричного елемента можна збільшити, щоб краще перетворювати світло в електричну енергію.

Вони також планують розробити спосіб використання системи для зарядки кількох приймачів одночасно.