توکیو - 17 سپتامبر، 2025 -NTT, Inc. (دفتر مرکزی: Chiyoda، توکیو؛ رئیس و مدیر عامل: Akira Shimada؛ از این پس "NTT") و Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (دفتر مرکزی: Chiyoda، توکیو؛ رئیس و مدیر عامل: Eisaku Ito؛ از این پس "MHI" انتقال انرژی بیسیم را با استفاده از انتقال انرژی بیسیم آزمایشی انجام دادند. کیلومتر دورتر با تابش پرتو لیزر با توان نوری 1 کیلووات، موفق به دریافت 152 وات توان الکتریکی در فاصله 1 کیلومتری شدیم. این نشان دهنده بالاترین بازدهی در جهان برای انتقال برق بی سیم نوری با استفاده از عنصر تبدیل فوتوالکتریک سیلیکونی (Note2) در محیطی با تلاطم شدید جوی است.
این نتیجه امکان انتقال نیرو به مکان های دور را نشان می دهد. در آینده، انتظار میرود که در -انتقال برق بر اساس تقاضا به جزایر دورافتاده و مناطق آسیبدیده{2}}که کابلهای برق نصب نمیشوند، اعمال شود.
این دستاورد در 5 آگوست 2025 در مجله بریتانیایی Electronics Letters منتشر شد.
پس زمینه
در سالهای اخیر، فناوریهای انتقال انرژی بیسیم برای دستگاههایی مانند گوشیهای هوشمند، دستگاههای پوشیدنی، پهپادها و وسایل نقلیه الکتریکی که میتوانند برق را بدون استفاده از کابل تامین کنند، توجه روزافزونی را به خود جلب کرده است. دو نوع سیستم انتقال برق بی سیم وجود دارد: یکی از امواج مایکروویو و دیگری از پرتوهای لیزر استفاده می کند. انتقال برق بی سیم مایکروویو در حال حاضر در حال استفاده عملی است و استفاده از آن در حال گسترش است. از سوی دیگر، انتقال برق بیسیم نوری با استفاده از پرتو لیزر مورد استفاده عملی قرار نگرفته است، اما انتظار میرود که با بهرهگیری از جهتپذیری بالای پرتو لیزر، انتقال توان بیسیم فشرده در مسافتهای طولانی در حد کیلومترها را محقق کند (شکل 1).
چشم اندازهای آینده توسعه زیرساختهای نسل بعدی را در نظر میگیرند که قادر به تامین انرژی و گسترش پوشش ارتباطی در موقعیتها و مناطقی هستند که برق یا شبکههای ارتباطی در دسترس نیستند، مانند هنگام بلایا، در جزایر دورافتاده، مناطق کوهستانی یا در دریا. این شامل رساندن نیرو دقیقاً به مناطق خاص یا سکوهای متحرک مانند هواپیماهای بدون سرنشین است. دستیابی به چنین انتقال توان بسیار دقیق و مسافت طولانی-نیازمند انتقال انرژی بی سیم مبتنی بر لیزر{4}} است که از جهت دهی قوی آن بهره می برد.
چالش های فناوری های موجود و دستاوردهای این آزمایش
راندمان فناوری انتقال برق بی سیم نوری به طور کلی پایین است و بهبود راندمان موضوعی برای استفاده عملی است. یکی از دلایل این امر این است که وقتی پرتو لیزر در فواصل طولانی، به ویژه در جو منتشر می شود، توزیع شدت ناهموار می شود و راندمان تبدیل پرتو لیزر به توان الکتریکی در عنصر تبدیل فوتوالکتریک کم می شود.
در این آزمایش، فناوری شکل دهی پرتو NTT را با فناوری دریافت نور MHI ترکیب کردیم تا کارایی انتقال انرژی بی سیم لیزری را بهبود بخشیم. ما یک آزمایش-انتقال برق بیسیم نوری از راه دور در یک محیط بیرونی با استفاده از-فناوری شکلدهی پرتوهای مسطح در فواصل طولانی انجام دادیم که پرتو را در سمت انتقال شکل میدهد تا پس از انتشار ۱ کیلومتر به شدت پرتو یکنواختی دست پیدا کند، و فناوری تراز کردن جریان خروجی که تأثیر مدارهای دریافت کننده سطح جوی و هموژن را مهار میکند.
از ژانویه تا فوریه 2025، آزمایش انتقال انرژی بیسیم نوری را در باند فرودگاه نانکی{1}}شیراهاما در شهر شیرهاما، ناحیه نیشیمورو، استان واکایاما انجام دادیم (شکل 2). یک غرفه انتقال مجهز به یک سیستم نوری برای تابش پرتو لیزر در یک انتهای باند نصب شد و یک غرفه پذیرش حاوی یک پانل گیرنده نور در فاصله 1 کیلومتری قرار گرفت.
در حین انتقال، محور نوری لیزر در ارتفاع کم تقریباً 1 متر از سطح زمین تنظیم شد و به صورت افقی تراز شد. در نتیجه، پرتو به شدت تحت تأثیر گرمایش زمین و باد قرار گرفت و آزمایش در شرایطی با تلاطم شدید جوی انجام شد.
در داخل غرفه انتقال، یک پرتو لیزر با توان نوری 1035 وات تولید شد. با استفاده از یک عنصر نوری پراش (DOE) (Note3)، پرتو برای ایجاد یک توزیع شدت یکنواخت در فاصله 1 کیلومتری شکل گرفت. علاوه بر این، از یک آینه فرمان پرتو برای هدایت دقیق پرتو شکل به سمت پانل گیرنده استفاده شد. پرتو از روزنه غرفه انتقال خارج شد و در 1 کیلومتری فضای باز منتشر شد و در نهایت به غرفه پذیرش رسید.
در طول انتشار، تلاطم اتمسفر باعث نوساناتی در شدت پرتو و ایجاد نقاط داغ شد. اینها توسط یک هموژنایزر در غرفه پذیرش پخش شدند و در نتیجه یک پرتو یکنواخت بر روی پانل گیرنده تابش شد. سپس پرتو لیزر به طور موثر به توان الکتریکی تبدیل شد (شکل 3). یک عنصر تبدیل فوتوالکتریک مبتنی بر سیلیکون{4}} با در نظر گرفتن هزینه و در دسترس بودن، برای پانل دریافت کننده استفاده شد.
در این آزمایش، میانگین توان الکتریکی استخراج شده از پنل گیرنده 152 وات (شکل 4) بود که مربوط به راندمان انتقال توان بی سیم 15 درصد است که به عنوان نسبت توان الکتریکی دریافتی به توان نوری ارسالی تعریف می شود. این نتیجه نشاندهنده بالاترین راندمان انتقال انرژی بیسیم نوری است که تا کنون با استفاده از عنصر تبدیل فوتوالکتریک مبتنی بر سیلیکون در شرایط تلاطم شدید جوی نشان داده شده است. علاوه بر این، تحویل مداوم برق به مدت 30 دقیقه با موفقیت حفظ شد، که امکانپذیری- انتقال انرژی طولانی مدت با استفاده از این فناوری را تأیید میکند.
توجه: از منظر ایمنی، سیستم انتقال نوری و پانل گیرنده هر کدام در داخل غرفهها نصب شدهاند تا از قرار گرفتن تصادفی در معرض{0}پرتوهای لیزر پرقدرت و پراکندگی نور منعکس شده جلوگیری کنند.
نکات مهم فنی
فناوری شکل دهی پرتوهای مسطح در فواصل طولانی
برای بهبود راندمان تبدیل فوتوالکتریک، لازم است توزیع شدت تابش بر روی عنصر تبدیل فوتوالکتریک یکنواخت شود.
در این مطالعه، ما یک روش شکلدهی پرتو را پیشنهاد کردیم که یکنواختی شدت را پس از انتشار در فواصل طولانی ممکن میسازد. در این روش، قسمت بیرونی پرتو با استفاده از اثر یک عدسی محوری (Note4) به یک الگوی حلقوی شکل تبدیل میشود. بخش مرکزی پرتو فاز-مدوله شده است تا از طریق اثر یک عدسی مقعر گسترش یابد. همانطور که پرتو منتشر می شود، تیر حلقوی شکل و پرتو مرکزی منبسط شده به تدریج با یکدیگر همپوشانی دارند و در نتیجه توزیع شدت یکنواخت در محل هدف، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.
برای آزمایش، طراحی پرتو را برای دستیابی به مشخصات شدت مورد نظر در فاصله 1 کیلومتری بهینه کردیم. شکل دهی پرتو با استفاده از یک عنصر نوری پراش اجرا شد که یکنواختی شدت پرتو را در موقعیت هدف واقع در فاصله 1 کیلومتری بهبود بخشید.
تکنولوژی تراز جریان خروجی
همانطور که پرتو لیزر در جو منتشر می شود، تحت تأثیر تلاطم اتمسفر قرار می گیرد که توزیع شدت را مختل می کند. اگرچه تکنیک شکل دهی پرتو مسطح که در بالا توضیح داده شد می تواند توزیع شدت را یکنواخت کند، اما تلاطم شدید همچنان می تواند باعث ایجاد لکه های با شدت بالا شود، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است.
برای رفع این مشکل، یک هموژنایزر پرتویی در جلوی پانل گیرنده نور قرار دادیم. هموژنایزر نقاط با شدت-بالا را پخش میکند تا پرتو به طور یکنواخت روی پانل تابش شود. علاوه بر این، مدارهای تراز به هر عنصر تبدیل فوتوالکتریک در پانل گیرنده متصل شدند. این مدارها به سرکوب نوسانات جریان خروجی ناشی از تلاطم جوی کمک می کنند و به تثبیت توان خروجی کلی کمک می کنند.
این دو فناوری دستیابی به یکنواختی پرتو در انتقال ترتیب-کیلومتری، که با روشهای شکلدهی مرسوم پرتو دشوار بود، و تثبیت خروجی در محیطهای بیرونی را ممکن میسازند. در نتیجه، انتظار میرود که منبع تغذیه پایدار به مکانهای دورافتاده مانند جزایر منزوی و مناطق آسیبدیده{2}}ممکن شود.
نقش هر شرکت
NTT: طراحی و اجرای اپتیک های انتقال مانند تکنیک های شکل دهی پرتو
MHI: طراحی و اجرای نوری آشکارساز نوری مانند پانل های ردیاب نوری، هموژنایزرها و مدارهای تراز.
تحولات آینده
این فناوری انتقال کارآمد و پایدار انرژی را در فواصل طولانی حتی در شرایط تلاطم جوی امکان پذیر می کند. در این آزمایش از سیلیکون به عنوان عنصر تبدیل فتوولتائیک استفاده شد. با این حال، با استفاده از دستگاه های فتوولتائیک که به طور خاص برای مطابقت با طول موج نور لیزر طراحی شده اند، حتی بازده انتقال توان بالاتری را می توان انتظار داشت. علاوه بر این، استفاده از منابع نور لیزری با توان خروجی بالاتر، تامین مقادیر بیشتری برق را ممکن میسازد.
در نتیجه، میتوان در مناطق دورافتاده مانند مناطق آسیبدیده{0}}و جزایر دورافتاده، جایی که نصب کابلهای برق بهطور سنتی دشوار بوده است، به انتقال انرژی انعطافپذیر و سریع دست یافت. فراتر از کاربردهای زمینی، طیف وسیعی از موارد استفاده جدید را نیز می توان بر اساس این فناوری متصور شد (شکل 7). قابل ذکر است که جهت دهی بالا و واگرایی کم پرتوهای لیزر امکان طراحی دستگاه های گیرنده فشرده و سبک را فراهم می کند. این یک مزیت بزرگ برای پلتفرم های موبایلی است که با محدودیت های شدید وزن و ظرفیت بار مواجه هستند.
به عنوان مثال، با ترکیب این فناوری با تکنیک های فرمان پرتو، امکان رساندن نیرو به صورت بی سیم به پهپادها در حال پرواز فراهم می شود. این کار از محدودیتهای عملیاتی مانند فرود برای جایگزینی باتری یا استفاده از کابلهای منبع تغذیه متصل جلوگیری میکند و عملکرد مداوم-مدت و مسافت طولانی-را ممکن میسازد. چنین قابلیتهایی میتوانند نظارت{4}}منطقه بلایا و همچنین رله ارتباطی گسترده-منطقه در مناطق کوهستانی یا دریایی را افزایش دهند، برنامههایی که قبلاً تحقق آنها دشوار بود.
علاوه بر این، برنامههای کاربردی بالقوه در فضا، از جمله تحویل نیرو به پلتفرمهای سیار مانند HAPS (ایستگاه پلتفرم ارتفاع بالا) (Note5) پیشبینی میشود که در محدوده برند فضایی NTT، NTT C89 (Note6) قرار میگیرد. با نگاهی بیشتر به آینده، این فناوری می تواند برای نیرو دادن به مراکز داده فضایی و ماه نوردها و همچنین در سیستم های انرژی خورشیدی فضایی که در آن الکتریسیته از ماهواره های زمین ثابت به زمین از طریق لیزر منتقل می شود، استفاده شود. این برنامه ها مناطقی با پتانسیل قوی برای گسترش بازار را نشان می دهند.
از طریق همکاری بین NTT و MHI، ما به کارآمدترین فناوری انتقال انرژی بی سیم لیزری در جهان تحت شرایطی که به شدت تحت تأثیر نوسانات جوی است، پی بردیم. این دستاورد نشاندهنده گامی مهم در جهت ایجاد یک پایه فناوری نوآورانه است که میتواند طیف وسیعی از نیازهای اجتماعی، از واکنش به بلایا تا توسعه فضا را برآورده کند.
