Исследование эффективности системы беспроводной передачи энергии лазерным излучением

Язык труда и переводы:
УДК:
53.072.13
Дата публикации:
18 января 2022, 17:45
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Мацак Иван Сергеевич
ПАО «РКК «Энергия»
Воропаев Роман Андреевич
ПАО «РКК «Энергия»
Тугаенко Вячеслав Юрьевич
ПАО «РКК «Энергия»
Аннотация:
Представлены результаты исследований эффективности беспроводной передачи энергии лазерным излучением. Приведены структура КПД тракта, расчетные и экспериментальные значения эффективности, сравнительная оценка существующих методов беспроводной передачи энергии. Предложены способы повышения эффективности. Рассмотрены варианты систем для передачи расстояния на небольшие (до 1 км) и большие (более 100 км) расстояния и оценены достижимые значения КПД.
Ключевые слова:
беспроводная передача энергии, эффективность, лазерный метод, КПД
Основной текст труда

Система беспроводной передачи энергии может быть реализована на основе методов электромагнитной индукции [1,2], электростатической индукции [3]; микроволнового [4] или лазерного методов [5, 6] и др. Перечисленные методы находятся на разном уровне технологической готовности и значительно отличаются по основным характеристикам, определяющих области их применения, — типичной передаваемой электрической мощности, дальности передачи и коэффициенту полезного действия.  

Методы, основанные на электромагнитной и электростатической индукции, обладают высокой степень технологической готовности и получают все большее распространение, так как позволяют обеспечить высокую эффективности передачи (более 70 %) при передаче большой мощности (более 1 кВт). Однако эти методы являются короткодействующими  и обеспечивают эффективную передачу энергии на расстояниях не более 50 см. Поэтому актуальность исследований по беспроводной передаче энергии на большие расстояния микроволновым и лазерным методами остаётся на прежнем уровне. При спаде количества исследований в области микроволновой передачи энергии наблюдается заметный рост числа публикаций по лазерному методу. Дифракционная расходимость микроволн не позволяет изготавливать компактные приемники и излучатели [7] и значительно ограничивает сферы потенциального применения, что не является недостатком лазерного метода.

Исследования по беспроводной передачи энергии лазерным излучением проводятся в США, Европе, Японии и России. Одни из первых теоретических исследований начались в США [8, 9]. Компания Laser Motive провела демонстрационные эксперименты по дистанционному энергоснабжению беспилотного летательного аппарата в течение 12 ч [10], а затем 48 ч без посадки.

К настоящему моменту очевидно, что системы, реализованные на основе лазерного метода, являются единственной возможностью беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Доведение передаваемой мощности до нескольких киловатт при расстояниях 1000 и более километров позволят найти применение в космосе. При этом на настоящем уровне развития технологии передаваемая электрическая мощность составляет сотни ватт при расстояниях в несколько километров. Для подтверждения реализуемости систем беспроводной передачи энергии для космических приложений и изучению их характеристик планируется провести космический эксперимент «Пеликан».

Одним из недостатков рассматриваемой технологии является сравнительно низкая эффективность, подтвержденный уровень которой согласно последним исследованиям составляет 9...12 % от электричества до электричества [11–13]. Поэтому одним из ключевых направлений исследований в области беспроводной передачи энергии лазерным методом является повышение эффективности.

Эффективность передачи энергии лазерным излучением от электричества до электричества зависит от эффективности компонентов системы и имеет мультипликативный характер. В общем случае для оценки эффективности передачи энергии используется формула

\eta ={\frac {P_{\text{в}}}{P_{\text{п}}}}={\frac {P_{\text{п}}-P_{\text{х}}-P_{\text{э}}}{P_{\text{п}}}}\ \eta _{\text{п}}\ \eta _{\text{л}}\ \eta _{\text{о}}\ \eta _{\text{н}}\ \eta _{\text{а}}\ \eta _{\text{ф}}\ \eta _{\text{в}},

где P_{\text{в}} — мощность, потребляемая системой передачи энергии;  P_{\text{п}} — передаваемая мощность;  P_{\text{х}} — мощность, затрачиваемая на охлаждение;  P_{\text{э}} — мощность обеспечивающей электроники;  \eta _{\text{п}} — эффективность системы питания (драйвера);  \eta _{\text{л}} — эффективность лазерного модуля;  \eta _{\text{о}} — коэффициент пропускания оптической системы;  \eta _{\text{н}} —  эффективность системы наведения;  \eta _{\text{а}} — поглощение в атмосфере;  \eta _{\text{ф}} — эффективность фотоэлектрических преобразователей;  \eta _{\text{в}} — эффективность системы преобразования энергии приемника.

Проведенные теоретические и расчетно-экспериментальные оценки с учетом тенденций в развитии компонентой базы технологии позволяют сделать вывод о достижимости в ближайшие годы значений эффективности от 14 до 25 %.  При этом предельное значение для технологии составляет около 30 %.

Авторами рассмотрены варианты построения систем беспроводной передачи энергии для достижения максимальных значений КПД, приведены результаты лабораторных исследований для небольших расстояний, а также расчетные исследования показателей эффективности для систем, ориентированных на передачу на сверхдальние расстояния (100 км и более).

Литература
  1. Kurs A. et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances // Science. 2007. Vol. 317, no. 5834. Pp. 83–86. DOI: 10.1126/science.1143254
  2. Lee S.-H., Lorenz R.D. Development and Validation of Model for 95%-Efficiency 220-W Wireless Power Transfer Over a 30-cm Air Gap // IEEE Transactions on Industry Applications. 2007. Vol. 47, no. 6. Pp. 2495–2504. DOI: 10.1109/TIA.2011.2168555
  3. Alhamrouni I. et al. Application of inductive coupling for wireless power transfer // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. 2020. Vol. 11, no. 3. Pp. 1109–1116. DOI: 10.11591/ijpeds.v11.i3.pp1109-1116
  4. Shinohara N. Wireless Power Transfer via Radiowaves. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2014. 238 p.
  5. Kawashima N., Takeda K., Yabe K. Application of the laser energy transmission technology to drive a small airplane // Chinese Opt. Lett. 2007. Vol. 5, no. s1. P. 109.
  6. Chertok B.E. at al. Remote electric power transfer between spacecrafts by infrared beamed energy // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing. 2011. Vol. 1402, no. 1. Pp. 489–496.
  7. Brown W.C. The history of power transmission by radio waves // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. IEEE. 1984. Vol. 32, no. 9. Pp. 1230–1242.
  8. Bain C.N. Potential of laser for SPS power transmission // PRC Energy Analysis Company McLean, DOE/NASA Satellite Power System Concept Development and Evaluation Program. 1978. P. 112.
  9. Dickinson R., Grey J. Lasers for Wireless Power Transmission. Available at: http://hdl.handle.net/2014/16855 (accessed December 12, 2021).
  10. Nugent T.J. et al. 12-Hour hover: Flight demonstration of a laser-powered quadrocopter // Proc. of AUVSI Unmanned Systems North America Conference. 2011. 10 p.
  11. Zhou W., Jin K. Efficiency Evaluation of Laser Diode in Different Driving Modes for Wireless Power Transmission // IEEE Trans. Power Electron. 2015. Vol. 30, no. 10. Pp. 6237–6244. DOI: 10.1109/TPEL.2015.2411279
  12. Kim S.-M., Rhee D.-H. Experimental demonstration of optical wireless power transfer with a DC-to-DC transfer efficiency of 12.1% // Optical Engineering. 2018. Vol. 57 (8). Art. ID 086108. DOI: 10.1117/1.OE.57.8.086108
  13. Zhou W., Jin K. Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system // IET Power Electron. 2020. Vol. 13, iss. 10. Pp. 2096–2105. DOI: 10.1049/iet-pel.2019.1372
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.