Учеными Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) был разработан метод, позволяющий существенно повысить эффективность передачи энергии посредством оптоволокна.
Типовая структурная схема системы на базе технологии, автор А.А. Гаркушин. Источник : Пресс-служба ПНИПУ
Ирина Медведева
Применение обычных электрических кабелей в условиях шахт, химических предприятий, высоковольтных подстанций, в авиации, космической отрасли и медицине сопряжено с рисками. Возможные искры, короткие замыкания, помехи от мощного оборудования могут привести к серьезным последствиям.
Кроме того, в ряде случаев прокладка традиционного кабеля технически невозможна или экономически нецелесообразна. Например, в Арктических регионах из-за вечной мерзлоты, удаленности объектов и сложных климатических условий обслуживание линий становится чрезмерно трудным и дорогостоящим.
Передача энергии через оптоволокно — световыми сигналами вместо электрического тока
Технология Power over Fiber (PoF), которая предполагает передачу энергии световыми сигналами через оптоволокно вместо электрического тока, обеспечивает безопасность, однако ее широкое внедрение ограничивается низким коэффициентом полезного действия.
По сообщению Пресс-службы ПНИПУ, специалисты из Пермского Политеха предложили решение, позволяющее увеличить эффективность таких систем. Реализация данного метода способна повысить КПД в 6–7 раз. Дополнительно новый режим работы уменьшает тепловую нагрузку на компоненты, что повышает долговечность оборудования и защищает его от перегрева в экстремальных условиях.
Это делает технологию экономически оправданной для применения в областях, где ранее она считалась невыгодной, включая Арктику.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics».
Оптические волокна вместо медных проводов, зачем?
Обычно оптоволоконные кабели ассоциируются с передачей данных – световые сигналы по стеклянным нитям обеспечивают высокоскоростную связь. Однако по аналогичному принципу возможно передавать не только информацию, но и энергию.
Технология Power over Fiber (PoF) позволяет заменять медные провода оптическими волокнами и осуществлять передачу электричества с использованием света.
Механизм работы следующий: лазер в начале системы преобразует электричество в световой сигнал, который передается по волокну. На выходе фотоприемник (специальная пластина, аналогичная солнечной батарее) воспринимает этот свет и конвертирует его обратно в электрический ток.
Чем обусловлена потребность в такой сложной технологии при наличии привычных медных проводов?
Дело в том, что существует множество областей, где металлические кабели неприменимы. В шахтах и на химических производствах любое повреждение изоляции может вызвать искру и взрыв, тогда как оптоволокно, передающее свет, является полностью безопасным.
На высоковольтных подстанциях сильные электромагнитные поля создают в обычных проводах помехи, нарушающие функционирование аппаратуры.
В авиации и космосе критически важна масса каждого компонента, а оптоволокно легче меди и может интегрироваться в композитные материалы.
Для удаленных объектов, таких как датчики вдоль трубопроводов, оно позволяет передавать энергию на километры.
В Арктике вечная мерзлота делает прокладку обычного кабеля крайне сложной и дорогой. Обслуживание удаленных метеостанций с регулярной заменой батарей в условиях полярной ночи и отсутствия дорог практически невозможно.
Оптоволокно решает все проблемы: оно устойчиво к холоду, коррозии и электромагнитным помехам и позволяет годами передавать данные и энергию без необходимости обслуживания.
Именно поэтому сегодня в Арктике при государственной поддержке реализуются масштабные проекты – трансарктическая линия «Полярный экспресс» (Мурманск – Владивосток, свыше 12,5 тыс. км) и «Синергия Арктики» в Ямало-Ненецком автономном округе (7 тыс. км оптоволокна до 61 населенного пункта).
Какие сложность пришлось преодолеть
Проблема заключается в том, что в реальных условиях подключенные устройства редко потребляют энергию равномерно. Например, датчик угарного газа измеряет показания раз в минуту, остальное время находясь в режиме ожидания. Или вентилятор охлаждения включается при нагреве оборудования, работает кратковременно и затем отключается. Такая нагрузка называется динамической.
Лазер и фотоприемник эффективно функционируют только при определенном уровне света и когда подключенное устройство имеет соответствующее сопротивление. При резких изменениях, характерных для динамической нагрузки, эти условия постоянно нарушаются. В результате значительная часть энергии не достигает устройства, рассеиваясь в виде тепла.
Для арктического оборудования, работающего в герметичных термостабилизированных контейнерах, это критично: избыточный нагрев требует усложнения систем охлаждения и снижает надежность в условиях, где ремонт невозможен. Из-за этого коэффициент полезного действия таких систем остается низким.
Даже в оптимальном случае до устройства доходит лишь 10–15 процентов энергии от источника. В худшем, например при мощности менее 1 ватта, КПД падает до 2 процентов. А с учетом потерь в самом кабеле, особенно на больших расстояниях, общая эффективность может составлять всего 1–7 процентов. Проблема усугубляется тем, что в обычных системах, когда устройству требуется мало энергии, мощность лазера просто снижают.
В таком режиме он работает неэффективно, фотоприемник получает недостаточно света, и большая часть энергии вновь рассеивается как тепло.
Ученые Пермского Политеха разработали способ повышения эффективности таких систем
Вместо уменьшения мощности они перевели лазер в импульсный режим с использованием широтно-импульсной модуляции. Теперь устройство работает кратковременными включениями – например, на долю миллисекунды, а затем на некоторое время отключается.
Мощность в момент включения должна быть такой, при которой конкретный лазер и фотоэлемент функционируют наиболее эффективно. Для обеспечения работы этого механизма в системе передачи энергии по волокну на стороне приемника должны быть установлены датчики тока и напряжения, которые информируют о том, сколько мощности необходимо передавать лазеру в каждый момент времени.
Объем передаваемой энергии регулируется не мощностью каждого импульса, а их длительностью и промежутками между ними. Если устройству требуется мало энергии, включения очень короткие, а паузы длинные. Если много – включения становятся длиннее, а паузы короче.
Дополнительно исследователи внедрили в систему конденсатор – накопитель энергии, который устанавливается перед нагрузкой. Во время краткого включения лазера он быстро аккумулирует энергию, а в период паузы плавно отдает ее устройству. Благодаря этому устройства получают стабильное питание и не реагируют на неравномерность поступающей энергии.
Эффективность данного подхода ученые проверили посредством компьютерного моделирования. Они создали цифровой двойник системы и загрузили в него реальные характеристики лазера и фотоприемника, полученные в лаборатории.
Исследование основных параметров, необходимых для разработки алгоритма. Автор А.А. Гаркушин. Источник : Пресс-служба ПНИПУ
Моделирование подтвердило эффективность предложенного решения
При передаче малой мощности (менее 1 ватта) традиционный непрерывный режим обеспечивал КПД всего 2 процента. Импульсный режим повысил этот показатель до 12–14 процентов – улучшение в 6–7 раз. В диапазоне средних мощностей от 0,75 до 15 ватт прирост КПД составил до 6 процентов.
«Важно понимать, что даже небольшое повышение КПД в таких системах дает гораздо более существенный эффект для конечного потребителя. Увеличение эффективности на 3–5 процентов означает, что конечное устройство получает до 20 процентов больше полезной энергии.
Это связано с тем, что снижаются потери на всех этапах преобразования и уменьшается количество тепла, которое необходимо рассеивать«, – объясняет Алексей Гаркушин, лаборант-исследователь молодежной лаборатории оптоэлектронных систем мониторинга ПНИПУ, кандидат технических наук.
Ключевым является то, что система перестает терять эффективность при колебаниях нагрузки – теперь КПД стабилен во всем рабочем диапазоне.
Кроме того, лазер и фотоприемник функционируют в том диапазоне мощности, где их эффективность максимальна. Благодаря этому ключевые компоненты системы меньше нагреваются. В итоге снижение тепловой нагрузки напрямую повышает надежность всей системы и продлевает срок ее службы.
Разработка пермских ученых позволяет повысить эффективность передачи энергии по оптоволокну, что расширяет возможности применения этой технологии.
Где возможно применение инновационного метода передачи энергии
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. Здесь сочетание стабильного КПД и сниженного тепловыделения особенно важно: оборудование на удаленных метеостанциях сможет получать энергию по оптоволокну без перегрева и потерь даже при нестабильной нагрузке.
При этом технология, предложенная учеными, не требует создания принципиально новых компонентов – используются те же лазеры и фотоприемники, поэтому решение можно интегрировать в уже существующие системы без кардинальной перестройки.
Журнал «Химагрегаты» внимательно следит за достижениями учёных из Пермского Политеха . Так недавно мы писали о том, что они создали инновационные для отечественной практики материалы, призванные гарантировать надёжную защиту скважин от раннего обводнения.