Российские ученые в шесть-семь раз повысили эффективность передачи энергии в виде света по оптоволокну. Это делает ее внедрение экономически целесообразным в различных отраслях. В частности, использование такой технологии может существенно снизить риск взрывов на шахтах и химических предприятиях. Кроме того, замена тяжелых металлических кабелей на оптоволокно позволит облегчить конструкции космических аппаратов, а также упростить инфраструктуру умных городов. Однако технологию необходимо «обкатать» на практике, чтобы проверить, как система будет работать в экстремальных условиях. Подробнее — в материале «Известий».
Как передать энергию в виде света
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) предложили технологию, которая в шесть-семь раз повышает эффективность передачи энергии в виде света по оптоволокну. Новая разработка может заменить традиционные медные кабели для питания устройств во многих сферах. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.
— Обычно оптоволокно связывают с инфраструктурой интернета и передачи данных. Это стеклянные нити, по которым бегут световые сигналы. По тому же принципу можно передавать не только информацию, но и энергию, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, исследователь лаборатории оптоэлектронных систем мониторинга ПНИПУ Алексей Гаркушин.
В таких системах, пояснил эксперт, на входе лазер преобразует электричество в свет, который передается по оптоволокну, а на выходе фотоприемник (специальная пластина, аналогичная солнечной батарее) выполняет обратное преобразование. Технология востребована там, где использование металлических кабелей затруднено или небезопасно.
В частности, речь идет о шахтах и химических предприятиях, где повреждение изоляции может привести к искре и взрыву. Кроме того, на высокоэнергетических объектах — например, радиотелескопах или высоковольтных станциях — передача энергии с помощью света позволяет избежать помех, вызванных мощными электромагнитными полями. В космической и авиационной отраслях дополнительным преимуществом становится меньший вес оптоволокна по сравнению с медными проводами, что дает возможность снизить массу конструкции.
— Проблема состоит в том, что сейчас КПД таких систем остается низким. Даже в лучшем случае до устройства-потребителя доходит 10–15% энергии от источника. Причем с учетом потерь в самом кабеле, особенно на больших расстояниях, этот показатель снижается до 1–7%. Также, когда устройству нужно мало энергии, мощность лазера на входе просто уменьшают, из-за чего он работает неэффективно, а значительная часть энергии рассеивается в виде тепла и не достигает фотоприемника, — сообщил Алексей Гаркушин.
Для повышения эффективности системы в ПНИПУ предложили перевести лазер-источник света в импульсный режим. В этом случае объем передаваемой энергии регулируется длительностью включений: при низком энергопотреблении импульсы делают короткими, а паузы между ними — более длинными, и наоборот, уточнил ученый.
Как технология поможет строить умные города
Дополнительно исследователи включили в систему конденсатор — накопитель энергии, который аккумулирует ее и затем равномерно передает конечному устройству, обеспечивая стабильное питание.
— Эффективность решения проверили с помощью цифрового двойника. Моделирование показало, что при малой мощности (менее 1 Вт), когда непрерывный режим обеспечивал КПД всего около 2%, импульсный позволил повысить его до 12–14%. В диапазоне мощностей от 0,75 до 15 Вт прирост эффективности составил до 6%, — отметил Алексей Гаркушин.
Он подчеркнул, что даже незначительное увеличение КПД в таких системах дает ощутимый результат: рост эффективности на 3–5% может означать до 20% дополнительной полезной энергии для конечного устройства. По его словам, предложенное решение расширяет возможности технологии, делая ее применение в различных отраслях более экономически оправданным и безопасным по сравнению с традиционными способами передачи энергии.
В частности, как отметил ученый, передача энергии в виде света по оптоволокну особенно востребована в Арктике и других регионах, где обслуживание традиционных электросетей затруднено и дорого из-за климатических условий. В перспективе технология может найти применение в робототехнике, медицинской технике и промышленной автоматизации.
Кроме того, она может быть востребована в системах умных городов, где объединены тысячи датчиков и устройств. Многие из них размещаются в труднодоступных местах — на столбах, крышах зданий или в подземных коммуникациях. Использование оптоволокна позволит одновременно передавать данные и снабжать такие устройства энергией, избегая прокладки дополнительных кабелей и упрощая инфраструктуру.
Как оптоволокно защитит шахты от аварий
— Силовые оптические кабели защищены от наводок, замыканий и внешних воздействий, что особенно важно для ряда производств. При этом достигнутый КПД системы значительно превышает нынешние показатели, что приближает массовое внедрение технологии в промышленность, — отметила доцент кафедры технологии стекла Уральского федерального университета Анастасия Южакова.
В то же время, по ее мнению, технология пока остается дорогостоящей, в том числе из-за высокой стоимости оборудования. Поэтому необходимо продолжать исследования, направленные на повышение эффективности передачи энергии.
— Передача больших мощностей с помощью света проблематична, поэтому запуск тяжелого оборудования таким способом пока невозможен. Кроме того, для передачи значительных мощностей требуется оптоволокно с увеличенным сечением, производство которого затруднено из-за необходимости получения материала высокой чистоты, — прокомментировал завкафедрой «Электроэнергетика и электротехника» Пензенского государственного университета Сергей Бростилов.
Он добавил: в настоящее время эффективность передачи энергии по оптоволокну значительно уступает линиям электропередачи, поэтому для питания мощного оборудования такой подход экономически и технически нецелесообразен. При этом системы измерения и связи на базе оптоволокна уже демонстрируют высокую эффективность. По его словам, разработка может применяться, например, для управления дронами или питания систем управления в шахтах.
— Помехозащищенность и безопасность технологии делают ее актуальной для подземных рудников, где проблемы с электропроводкой часто становятся причиной аварий. Важно и то, что предложенное решение можно интегрировать в существующие системы без кардинальной перестройки. Идея выглядит работоспособной, но технологию нужно «обкатать» на практике, — отметил заместитель начальника бизнес-инкубатора Уральского государственного горного университета Николай Новиков.
По его словам, предстоит проверить, насколько надежно система будет работать в условиях экстремальных температур, а также сопоставить себестоимость новой технологии с затратами на существующие решения. В частности, необходимы испытания в реальных условиях, например в шахтах.