ТОКИО - 17 септември 2025 -NTT, Inc. (Централен офис: Chiyoda, Токио; президент и главен изпълнителен директор: Akira Shimada; по-долу "NTT") и Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (централен офис: Chiyoda, Токио; президент и главен изпълнителен директор: Eisaku Ito; по-нататък "MHI") проведоха експеримент с оптично безжично предаване на енергия, използвайки лазерен лъч за безжично предаване на енергия на разстояние 1 километър. Облъчвайки лазерен лъч с оптична мощност 1 kW, успяхме да получим 152 W електрическа мощност на 1 километър. Това бележи най-високата в света ефективност на оптично безжично предаване на енергия с помощта на силициев фотоелектричен преобразуващ елемент (Забележка 2) в среда със силна атмосферна турбуленция.
Този резултат демонстрира осъществимостта на доставяне на енергия до отдалечени обекти. В бъдеще се очаква да се прилага за-пренос на електроенергия при поискване до отдалечени острови и-засегнати от бедствия райони, където не могат да бъдат инсталирани захранващи кабели.
Това постижение е публикувано в британското списание Electronics Letters на 5 август 2025 г.
Фон
През последните години технологиите за безжично предаване на енергия за устройства като смартфони, носими устройства, дронове и електрически превозни средства, които могат да доставят електричество без използване на кабели, привличат все по-голямо внимание. Има два вида системи за безжично предаване на енергия: едната използва микровълни, а другата използва лазерни лъчи. Микровълновото безжично предаване на енергия вече се използва на практика и употребата му се разширява. От друга страна, оптичното безжично предаване на енергия с помощта на лазерен лъч не е пуснато в практическа употреба, но се очаква да реализира компактно безжично предаване на енергия на дълги-разстояния от порядъка на километри, като се възползва от високата насоченост на лазерния лъч (Фигура 1).
Бъдещите перспективи предвиждат разработването на инфраструктура от следващо-поколение, способна да доставя енергия и да разширява комуникационното покритие в ситуации и региони, където няма електричество или комуникационни мрежи, като например по време на бедствия, в отдалечени острови, планински райони или в морето. Това включва доставяне на енергия точно до определени зони или движещи се платформи като дронове. Постигането на такова изключително прецизно и-разстояние захранване изисква лазерно-базирано безжично предаване на енергия, което се възползва от силната си насоченост.
Предизвикателствата на съществуващите технологии и постиженията на този експеримент
Ефективността на технологията за оптично безжично предаване на енергия обикновено е ниска и подобряването на ефективността е проблем за практическа употреба. Една от причините за това е, че когато лазерният лъч-се разпространява на голямо разстояние, особено в атмосферата, разпределението на интензитета става неравномерно и ефективността на преобразуването на лазерния лъч в електрическа енергия във фотоелектричния преобразуващ елемент става ниска.
В този експеримент комбинирахме технологията за оформяне на лъча на NTT с технологията за приемане на светлина на MHI, за да подобрим ефективността на лазерното безжично предаване на енергия. Проведохме-експеримент за оптично безжично предаване на енергия на дълги разстояния във външна среда, използвайки технология за оформяне на плосък лъч на дълги-разстояния, която оформя лъча от страната на предаване, за да постигне равномерен интензитет на лъча след разпространение на 1 километър, и технология за изравняване на изходния ток, която потиска влиянието на атмосферните колебания с хомогенизатор и нивелиращи вериги от страната на приемане.
От януари до февруари 2025 г. проведохме експеримент за оптично безжично предаване на енергия на пистата на летище Nanki-Shirahama в град Shirahama, област Nishimuro, префектура Wakayama (Фигура 2). В единия край на пистата е монтирана предавателна кабина, оборудвана с оптична система за излъчване на лазерен лъч, а на 1 километър е поставена приемна кабина, съдържаща свет-приемателен панел.
По време на предаването оптичната ос на лазера беше поставена на ниска височина от приблизително 1 метър над земята и подравнена хоризонтално. В резултат на това лъчът беше силно повлиян от нагряването на земята и вятъра и експериментът беше проведен при условия на силна атмосферна турбуленция.
Вътре в предавателната кабина се генерира лазерен лъч с оптична мощност 1035 W. Използвайки дифракционен оптичен елемент (DOE) (Забележка 3), лъчът беше оформен така, че да създаде равномерно разпределение на интензитета на разстояние от 1 километър. Освен това е използвано огледало за управление на лъча за прецизно насочване на оформения лъч към приемния панел. Лъчът излезе през отвора на предавателната кабина и се разпространи през 1 километър открито пространство, като в крайна сметка достигна приемната кабина.
По време на разпространението атмосферната турбуленция причинява колебания в интензитета на лъча, създавайки горещи точки. Те бяха разпръснати от хомогенизатор в приемната кабина, което доведе до облъчване на равномерен лъч върху приемния панел. След това лазерният лъч беше ефективно преобразуван в електрическа енергия (Фигура 3). Базиран на силиций фотоелектрически преобразуващ елемент беше приет за приемния панел, като се вземат предвид както цената, така и наличността.
В този експеримент средната електрическа мощност, извлечена от приемния панел, беше 152 W (Фигура 4), съответстваща на ефективност на безжично предаване на енергия от 15%, определена като съотношението на получената електрическа мощност към предадената оптична мощност. Този резултат бележи най-високата в света ефективност на оптично безжично предаване на енергия, демонстрирана някога с помощта на фотоелектричен преобразуващ елемент на базата на силиций при условия на силна атмосферна турбуленция. Освен това, непрекъснатото захранване беше успешно поддържано в продължение на 30 минути, което потвърждава осъществимостта на дълго-продължително предаване на енергия с помощта на тази технология.
Забележка: От гледна точка на безопасността оптичната предавателна система и приемният панел бяха монтирани вътре в кабините, за да се предотврати случайно излагане на високо-мощни лазерни лъчи и разсейване на отразената светлина.
Технически акценти
Технология-за оформяне на плосък лъч на дълги разстояния
За да се подобри ефективността на фотоелектричното преобразуване, е необходимо разпределението на интензитета на лъча, падащ върху елемента за фотоелектрично преобразуване, да бъде равномерно.
В това проучване предложихме метод за оформяне на лъча, който позволява еднаквост на интензитета след разпространение-на дълги разстояния. При този подход външната част на лъча се трансформира в пръстеновиден -модел с помощта на ефекта на аксиконна леща (Забележка 4). Централната част на лъча е фазово-модулирана, за да се разширява чрез ефекта на вдлъбната леща. Докато лъчът се разпространява, пръстеновидният-лъч и разширеният централен лъч постепенно се припокриват, което води до равномерно разпределение на интензитета в целевото местоположение, както е показано на фигура 5.
За експеримента оптимизирахме дизайна на лъча, за да постигнем желания профил на интензитет на разстояние от 1 километър. Оформянето на лъча беше реализирано с помощта на дифракционен оптичен елемент, който подобри равномерността на интензитета на лъча в целевата позиция, разположена на 1 километър.
Технология за изравняване на изходния ток
Тъй като лазерният лъч се разпространява през атмосферата, той се влияе от атмосферна турбуленция, която нарушава разпределението на интензитета. Въпреки че техниката за оформяне на плосък-лъч, описана по-горе, може да уеднакви разпределението на интензитета, силната турбуленция все още може да причини образуването на петна с висок-интензитет, както е показано на фигура 6.
За да се справим с този проблем, поставихме хомогенизатор на лъча пред панела-приемащ светлина. Хомогенизаторът разсейва петна с висок-интензитет, така че лъчът да се облъчва равномерно върху панела. В допълнение към всеки фотоелектричен преобразуващ елемент на приемния панел бяха свързани вериги за нивелиране. Тези вериги помагат за потискане на колебанията в изходния ток, причинени от атмосферна турбуленция, и допринасят за стабилизиране на общата изходна мощност.
Тези две технологии правят възможно постигането на еднородност на лъча в километричен ред, което беше трудно при конвенционалните методи за оформяне на лъча, и стабилизирането на изхода във външна среда. В резултат на това се очаква стабилно захранване на отдалечени места, като изолирани острови и-засегнати от бедствия райони, да стане осъществимо.
Ролята на всяка компания
NTT: Проектиране и внедряване на трансмисионна оптика като техники за оформяне на лъча
MHI: Проектиране и внедряване на фотодетекторна оптика като фотодетекторни панели, хомогенизатори и вериги за нивелиране
Бъдещи развития
Тази технология позволява ефективно и стабилно предаване на енергия на големи разстояния дори при атмосферна турбуленция. В този експеримент силицийът е използван като фотоволтаичен преобразуващ елемент. Въпреки това, чрез използване на фотоволтаични устройства, специално проектирани да съответстват на дължината на вълната на лазерната светлина, може да се очаква още по-висока ефективност на пренос на мощност. В допълнение, използването на лазерни светлинни източници с по-висока изходна мощност би направило възможно доставянето на по-големи количества електроенергия.
В резултат на това може да се постигне гъвкаво и бързо захранване в отдалечени райони, като-засегнати от бедствия региони и отдалечени острови, където инсталирането на захранващи кабели традиционно е трудно. Освен наземните приложения, на базата на тази технология може да се предвиди и широк набор от нови случаи на употреба (Фигура 7). По-специално, високата насоченост и ниската дивергенция на лазерните лъчи позволяват проектирането на компактни и леки приемни устройства. Това е основно предимство за мобилните платформи, които са изправени пред строги ограничения в теглото и капацитета на полезен товар.
Например, чрез комбиниране на тази технология с техники за управление на лъча, става възможно да се доставя безжично захранване на дронове по време на полет. Това избягва оперативни ограничения като кацане за смяна на батерията или използване на свързани кабели за захранване, което позволява продължителна-продължителност и продължителна-разстояния. Такива способности могат да подобрят мониторинга на-зоните на бедствия, както и широко{5}}комуникационното предаване в планински или морски региони, приложения, които преди бяха трудни за реализиране.
Освен това се очакват потенциални приложения в космоса, включително доставка на енергия до мобилни платформи като HAPS (High Altitude Platform Station) (Note5), която попада в обхвата на космическата марка на NTT, NTT C89 (Note6). Гледайки по-напред, технологията може да се приложи за захранване на космически центрове за данни и лунни роувъри, както и за космически слънчеви енергийни системи, в които електричеството се предава от геостационарни сателити към земята чрез лазер. Тези приложения представляват области със силен потенциал за разширяване на пазара.
Чрез сътрудничеството между NTT и MHI реализирахме най-ефективната лазерна безжична технология за трансфер на енергия в света при условия, силно повлияни от атмосферните колебания. Това постижение представлява значителна стъпка към изграждането на иновативна технологична основа, която може да отговори на широк спектър от обществени нужди, от реакция при бедствия до развитие на космоса.
