TOKIO - 17. září 2025 -NTT, Inc. (sídlo: Chiyoda, Tokio; prezident a generální ředitel: Akira Shimada; dále jen "NTT") a Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (sídlo: Chiyoda, Tokio; prezident a generální ředitel: Eisaku Ito; dále jen "MHI") provedly experiment s optickým bezdrátovým přenosem energie pomocí laserového paprsku do bezdrátového přenosu. Ozářením laserového paprsku o optickém výkonu 1 kW se nám podařilo získat 152 W elektrické energie ve vzdálenosti 1 kilometru. To představuje celosvětově nejvyšší účinnost optického bezdrátového přenosu energie pomocí křemíkového fotoelektrického konverzního prvku (Poznámka2) v prostředí se silnými atmosférickými turbulencemi.
Tento výsledek demonstruje proveditelnost dodávky energie do vzdálených míst. V budoucnu se očekává, že bude aplikován na -přenos energie na vyžádání na vzdálené ostrovy a katastrofami-oblasti zasažené katastrofou, kde nelze instalovat napájecí kabely.
Tento úspěch byl publikován v britském časopise Electronics Letters dne 5. srpna 2025.
Pozadí
Technologie bezdrátového přenosu energie pro zařízení, jako jsou smartphony, nositelná zařízení, drony a elektrická vozidla, které mohou dodávat elektřinu bez použití kabelů, si v posledních letech získaly stále větší pozornost. Existují dva typy systémů bezdrátového přenosu energie: jeden využívá mikrovlny a druhý laserové paprsky. Mikrovlnný bezdrátový přenos energie se již prakticky využívá a jeho využití se rozšiřuje. Na druhou stranu optický bezdrátový přenos energie pomocí laserového paprsku nebyl uveden do praktického využití, ale očekává se, že bude realizovat kompaktní bezdrátový přenos energie na dlouhé vzdálenosti v řádu kilometrů s využitím vysoké směrovosti laserového paprsku (obrázek 1).
Budoucí vyhlídky předpokládají rozvoj infrastruktury příští{0}}generace schopné dodávat energii a rozšiřovat komunikační pokrytí v situacích a regionech, kde jsou nedostupné elektrické nebo komunikační sítě, například při katastrofách, na odlehlých ostrovech, v horských oblastech nebo na moři. To zahrnuje přesné dodávání energie do konkrétních oblastí nebo pohyblivých platforem, jako jsou drony. Dosažení tak vysoce přesného a{3}}dodávky energie na velkou vzdálenost vyžaduje laserový-bezdrátový přenos energie, který využívá jeho silnou směrovost.
Výzvy stávajících technologií a úspěchy tohoto experimentu
Účinnost technologie optického bezdrátového přenosu energie je obecně nízká a zlepšení účinnosti je problémem pro praktické použití. Jedním z důvodů je to, že když se laserový paprsek na velkou vzdálenost šíří, zejména v atmosféře, rozložení intenzity se stává nerovnoměrným a účinnost přeměny laserového paprsku na elektrickou energii ve fotoelektrickém konverzním prvku se snižuje.
V tomto experimentu jsme zkombinovali technologii tvarování paprsku NTT s technologií příjmu světla MHI, abychom zlepšili účinnost laserového bezdrátového přenosu energie. Provedli jsme experiment s optickým bezdrátovým přenosem energie na velkou vzdálenost ve venkovním prostředí pomocí technologie tvarování plochého paprsku na velkou vzdálenost, která tvaruje paprsek na vysílací straně tak, aby se dosáhlo rovnoměrné intenzity paprsku po 1 kilometru šíření, a technologie vyrovnávání výstupního proudu, která potlačuje vliv atmosférických výkyvů pomocí homogenizátoru a vyrovnávacích obvodů na přijímací straně.
Od ledna do února 2025 jsme provedli experiment s optickým bezdrátovým přenosem energie na dráze letiště Nanki-Shirahama ve městě Shirahama, okres Nishimuro, prefektura Wakayama (obrázek 2). Na jednom konci dráhy byla instalována vysílací kabina vybavená optickým systémem pro vyzařování laserového paprsku a ve vzdálenosti 1 kilometr byla umístěna přijímací kabina obsahující panel pro příjem světla-.
Během přenosu byla optická osa laseru nastavena na nízkou výšku přibližně 1 metr nad zemí a vyrovnána vodorovně. V důsledku toho byl paprsek silně ovlivněn ohřevem země a větrem a experiment byl prováděn za podmínek se silnou atmosférickou turbulencí.
Uvnitř přenosové kabiny byl generován laserový paprsek o optickém výkonu 1035 W. Pomocí difrakčního optického prvku (DOE) (Poznámka3) byl paprsek tvarován tak, aby vytvořil rovnoměrné rozložení intenzity na vzdálenost 1 kilometru. Kromě toho bylo použito zrcadlo pro řízení paprsku pro přesné nasměrování tvarovaného paprsku směrem k přijímacímu panelu. Paprsek vyšel otvorem vysílací kabiny a šířil se přes 1 kilometr otevřeného prostoru, až nakonec dosáhl přijímací kabiny.
Během šíření způsobila atmosférická turbulence kolísání intenzity paprsku a vytvořila horká místa. Ty byly rozptýleny homogenizátorem v přijímací kabině, což vedlo k ozařování jednotného paprsku na přijímací panel. Laserový paprsek byl poté účinně přeměněn na elektrickou energii (obrázek 3). Pro přijímací panel byl použit fotoelektrický konverzní prvek na bázi křemíku, který zohlednil jak cenu, tak dostupnost.
V tomto experimentu byl průměrný elektrický výkon extrahovaný z přijímacího panelu 152 W (obrázek 4), což odpovídá účinnosti bezdrátového přenosu výkonu 15 %, definované jako poměr přijímaného elektrického výkonu k přenášenému optickému výkonu. Tento výsledek představuje celosvětově nejvyšší účinnost optického bezdrátového přenosu energie, jaká kdy byla prokázána pomocí křemíkového -konverzního prvku na bázi křemíku v podmínkách silné atmosférické turbulence. Kromě toho se podařilo udržet nepřetržitou dodávku energie po dobu 30 minut, což potvrdilo proveditelnost dlouhodobého-přenosu energie pomocí této technologie.
Poznámka: Z hlediska bezpečnosti byly systém optického přenosu a přijímací panel instalovány uvnitř kabin, aby se zabránilo náhodnému vystavení-vysokovýkonným laserovým paprskům a rozptylu odraženého světla.
Technické přednosti
Technologie tvarování plochého paprsku na velkou vzdálenost-
Pro zlepšení účinnosti fotoelektrické přeměny je nutné zajistit rovnoměrné rozložení intenzity paprsku dopadajícího na fotoelektrický konverzní prvek.
V této studii jsme navrhli metodu tvarování paprsku, která umožňuje rovnoměrnost intenzity po šíření na dlouhé{0}}vzdálenosti. Při tomto přístupu je vnější část paprsku transformována do prstencového- vzoru pomocí efektu axikonové čočky (Poznámka4). Centrální část paprsku je fázově -modulována tak, aby se rozpínala efektem konkávní čočky. Jak se paprsek šíří, paprsek ve tvaru prstence a rozšířený centrální paprsek se postupně překrývají, což má za následek rovnoměrné rozložení intenzity v cílovém místě, jak je znázorněno na obrázku 5.
Pro experiment jsme optimalizovali konstrukci paprsku tak, abychom dosáhli požadovaného profilu intenzity na vzdálenost 1 kilometru. Tvarování paprsku bylo realizováno pomocí difrakčního optického prvku, který zlepšil rovnoměrnost intenzity paprsku v cílové poloze vzdálené 1 kilometr.
Technologie nivelace výstupního proudu
Jak se laserový paprsek šíří atmosférou, je ovlivňován atmosférickou turbulencí, která narušuje rozložení intenzity. Ačkoli výše popsaná technika tvarování plochého paprsku může sjednotit distribuci intenzity, silná turbulence může přesto způsobit tvorbu bodů s vysokou -intenzitou, jak ukazuje obrázek 6.
Abychom tento problém vyřešili, umístili jsme před panel pro příjem světla- paprskový homogenizátor. Homogenizér rozptyluje body s vysokou intenzitou, takže paprsek je rovnoměrně ozařován na panel. Kromě toho byly ke každému fotoelektrickému konverznímu prvku na přijímacím panelu připojeny nivelační obvody. Tyto obvody pomáhají potlačovat kolísání výstupního proudu způsobené atmosférickými turbulencemi a přispívají ke stabilizaci celkového výkonu.
Tyto dvě technologie umožňují dosáhnout jednotnosti paprsku v kilometrovém{0}}pořadí přenosu, což bylo u konvenčních metod tvarování paprsku obtížné, a stabilizovat výkon ve venkovním prostředí. V důsledku toho se očekává, že bude možné zajistit stabilní napájení vzdálených míst, jako jsou izolované ostrovy a oblasti-zasažené katastrofou.
Role každé společnosti
NTT: Návrh a implementace přenosové optiky, jako jsou techniky tvarování paprsku
MHI: Návrh a realizace optiky fotodetektorů, jako jsou panely fotodetektorů, homogenizéry a nivelační obvody
Budoucí vývoj
Tato technologie umožňuje efektivní a stabilní přenos energie na velké vzdálenosti i při atmosférických turbulencích. V tomto experimentu byl jako fotovoltaický konverzní prvek použit křemík. Při použití fotovoltaických zařízení speciálně navržených tak, aby odpovídaly vlnové délce laserového světla, lze očekávat ještě vyšší účinnost přenosu energie. Použití laserových světelných zdrojů s vyšším výstupním výkonem by navíc umožnilo dodávat větší množství elektřiny.
V důsledku toho lze dosáhnout flexibilní a rychlé dodávky energie v odlehlých oblastech, jako jsou katastrofami{0}}zasažené oblasti a vzdálené ostrovy, kde je instalace napájecích kabelů tradičně obtížná. Kromě pozemních aplikací si lze na základě této technologie představit také širokou škálu nových případů použití (obrázek 7). Zejména vysoká směrovost a nízká divergence laserových paprsků umožňují konstrukci kompaktních a lehkých přijímacích zařízení. To je hlavní výhoda pro mobilní platformy, které čelí přísným omezením hmotnosti a nosnosti.
Například kombinací této technologie s technikami řízení paprsku je možné bezdrátově dodávat energii do dronů za letu. Vyhnete se tak provozním omezením, jako je přistání kvůli výměně baterie nebo použití připoutaných napájecích kabelů, což umožňuje dlouhý-trvalý provoz a nepřetržitý provoz na dlouhé-vzdálenosti. Tyto funkce mohou zlepšit-monitorování oblasti katastrof a také-komunikační přenos v široké oblasti v horských nebo přímořských oblastech, což jsou aplikace, které bylo dříve obtížné realizovat.
Kromě toho se očekávají potenciální aplikace ve vesmíru, včetně dodávky energie pro mobilní platformy, jako je HAPS (High Altitude Platform Station) (Note5), která spadá pod vesmírnou značku NTT, NTT C89 (Note6). Při pohledu do budoucna by tato technologie mohla být použita pro napájení vesmírných datových center a lunárních roverů, stejně jako pro vesmírné solární energetické systémy, ve kterých je elektřina přenášena z geostacionárních satelitů na zem pomocí laseru. Tyto aplikace představují oblasti se silným potenciálem pro expanzi na trhu.
Prostřednictvím spolupráce mezi NTT a MHI jsme realizovali světově nejúčinnější laserovou bezdrátovou technologii přenosu energie za podmínek silně ovlivněných atmosférickými výkyvy. Tento úspěch představuje významný krok směrem k vybudování inovativní technologické základny, která dokáže uspokojit širokou škálu společenských potřeb, od reakce na katastrofy po rozvoj vesmíru.
