Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) совместно с коллегами из Пермского государственного национального исследовательского университета (ПГНИУ) предложили технологию, которая в шесть-семь раз повышает эффективность передачи энергии в виде света по оптоволокну. Новая разработка может заменить традиционные медные кабели для питания устройств во многих сферах.
Обычные электрические провода, используемые в шахтах, на химических производствах, высоковольтных подстанциях, в авиации, космосе и медицине, несут потенциальную угрозу. Искра, короткое замыкание, помехи от мощных приборов — последствия могут быть катастрофическими. Кроме того, в некоторых местах проложить обычный кабель технически невозможно или экономически неоправданно. Например, в Арктике обслуживать линии сложно и дорого.
С помощью технологии передачи энергии по оптоволокну можно безопасно передавать энергию, используя свет вместо электрического тока, но низкий коэффициент полезного действия таких систем мешает широкому распространению.
Пермские ученые нашли способ повышения эффективности таких систем. Вместо уменьшения мощности они перевели лазер в импульсный режим с помощью широтно-импульсной модуляции. Теперь устройство работает короткими включениями — например, на долю миллисекунды, а затем на некоторое время отключается.
Чтобы этот механизм эффективно работал в системе передачи энергии по волокну, на стороне приемника должны быть установлены датчики тока и напряжения, которые показывают сколько мощности необходимо передавать лазеру в каждый промежуток времени. Количество передаваемой энергии регулируется не мощностью каждого импульса, а их длительностью и паузами между ними. Если устройству требуется мало энергии, включения длятся очень короткое время, а паузы между ними длинные. Если много — включения становятся длиннее, а паузы короче.
Дополнительно исследователи добавили в систему конденсатор — накопитель энергии, который устанавливается перед нагрузкой. Во время короткого включения лазера он быстро накапливает энергию, а в паузе плавно отдает ее устройству. Благодаря этому устройства получают стабильное питание и не реагируют на то, что энергия поступает неравномерно.
Эффективность такого подхода ученые проверили с помощью компьютерного моделирования. Они создали цифровой двойник системы и загрузили в него реальные характеристики лазера и фотоприемника, полученные в лаборатории. Моделирование подтвердило эффективность предложенного решения. При передаче малой мощности (менее 1 Вт) традиционный непрерывный режим обеспечивал КПД всего 2 %. Импульсный режим поднял этот показатель до 12–14 % — улучшение в 6–7 раз. Во всем диапазоне средних мощностей от 0,75 до 15 Вт прирост КПД составил до 6 %.
«Важно понимать, что даже небольшое повышение КПД в таких системах дает существенный эффект для конечного потребителя. Увеличение эффективности на 3–5 процентов означает, что конечное устройство получает до 20 процентов больше полезной энергии», — объясняет один из авторов разработки, лаборант-исследователь молодежной лаборатории оптоэлектронных систем мониторинга ПНИПУ, кандидат технических наук Алексей Гаркушин.
Авторы отмечают, что система перестала терять эффективность при колебаниях нагрузки — теперь КПД стабилен во всем рабочем диапазоне. Кроме того, лазер и фотоприемник работают в том диапазоне мощности, где их эффективность максимальна. За счет этого ключевые компоненты системы меньше греются. В итоге снижение тепловой нагрузки напрямую повышает надежность всей системы и продлевает срок службы.
Разработка пермских ученых позволяет повысить эффективность передачи энергии по оптоволокну, что расширяет возможности применения этой технологии. Особенно востребован такой способ энергоснабжения там, где безопасность и помехоустойчивость важнее абсолютного значения эффективности. Стабильный КПД в широком диапазоне мощностей делает ее перспективной для робототехники и промышленной автоматизации, для питания датчиков в «умных городах», для оборудования на вышках сотовой связи, в подводных, морских и космических системах, медицинской технике, а также для научных установок в условиях сильных магнитных полей, актуальна такая система и для Арктики.
При этом предложенная технология не требует создания принципиально новых компонентов — используются те же лазеры и фотоприемники, поэтому решение можно интегрировать в уже существующие системы.
Фото: © ПАО «Россети»
Источник: Минобрнауки России