TOKYO - Medi 17, 2025 -Cynhaliodd NTT, Inc. (Pencadlys: Chiyoda, Tokyo; Llywydd a Phrif Swyddog Gweithredol: Akira Shimada; o hyn ymlaen "NTT") a Mitsubishi Heavy Industries, Ltd (Pencadlys: Chiyoda, Tokyo; Llywydd a Phrif Swyddog Gweithredol: Eisaku Ito; o hyn ymlaen "MHI") arbrawf trawsyrru pŵer diwifr optegol i ffwrdd gan ddefnyddio pelydr laser i drosglwyddo ynni di-wifr 1 cilomedr. Trwy arbelydru pelydr laser gyda phŵer optegol o 1 kW, llwyddwyd i dderbyn 152 W o bŵer trydan 1 cilomedr i ffwrdd. Mae hyn yn nodi effeithlonrwydd uchaf y byd o drosglwyddiad pŵer optegol diwifr gan ddefnyddio elfen trosi ffotodrydanol silicon (Nodyn 2) mewn amgylchedd gyda chynnwrf atmosfferig cryf.
Mae'r canlyniad hwn yn dangos ymarferoldeb cyflwyno pŵer i safleoedd pell. Yn y dyfodol, disgwylir iddo gael ei gymhwyso i-drosglwyddiad pŵer ar-alw i ynysoedd anghysbell a-ardaloedd trychinebus lle na ellir gosod ceblau pŵer.
Cyhoeddwyd y gamp hon yn y cylchgrawn Prydeinig Electronics Letters ar Awst 5, 2025.
Cefndir
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae technolegau trosglwyddo pŵer diwifr ar gyfer dyfeisiau megis ffonau smart, dyfeisiau gwisgadwy, dronau, a cherbydau trydan, sy'n gallu cyflenwi trydan heb ddefnyddio ceblau, wedi denu sylw cynyddol. Mae dau fath o systemau trosglwyddo pŵer diwifr: mae un yn defnyddio microdonau a'r llall yn defnyddio trawstiau laser. Mae trosglwyddiad pŵer diwifr microdon eisoes yn cael ei ddefnyddio'n ymarferol ac mae ei ddefnydd yn ehangu. Ar y llaw arall, nid yw trosglwyddiad pŵer diwifr optegol gan ddefnyddio pelydr laser wedi'i ddefnyddio'n ymarferol, ond disgwylir iddo wireddu trosglwyddiad pŵer diwifr pellter hir cryno ar drefn cilometrau trwy fanteisio ar uniongyrchedd uchel pelydr laser (Ffigur 1).
Mae rhagolygon y dyfodol yn rhagweld y bydd seilwaith cenhedlaeth nesaf yn cael ei ddatblygu a fydd yn gallu cyflenwi pŵer ac ehangu cwmpas cyfathrebu mewn sefyllfaoedd a rhanbarthau lle nad yw rhwydweithiau trydan neu gyfathrebu ar gael, megis yn ystod trychinebau, mewn ynysoedd anghysbell, ardaloedd mynyddig, neu ar y môr. Mae hyn yn cynnwys cyflenwi pŵer yn union i ardaloedd penodol neu lwyfannau symudol fel dronau. Er mwyn cyflawni cyflenwad pŵer mor gywir a hir o bell mae angen trawsyrru pŵer diwifr wedi'i seilio ar laser sy'n manteisio ar ei gyfeiriadedd cryf.
Heriau technolegau presennol a chyflawniadau'r arbrawf hwn
Mae effeithlonrwydd technoleg trawsyrru pŵer diwifr optegol yn gyffredinol isel, ac mae gwella effeithlonrwydd yn fater i'w ddefnyddio'n ymarferol. Un o'r rhesymau am hyn yw, pan fydd pelydr laser pellter hir yn ymledu, yn enwedig yn yr atmosffer, mae'r dosbarthiad dwyster yn dod yn anwastad, ac mae effeithlonrwydd trosi trawst laser yn bŵer trydan yn yr elfen trosi ffotodrydanol yn mynd yn isel.
Yn yr arbrawf hwn, fe wnaethom gyfuno technoleg siapio trawst NTT â thechnoleg derbyn golau MHI i wella effeithlonrwydd trosglwyddo pŵer diwifr laser. Fe wnaethom gynnal arbrawf trawsyrru pŵer diwifr optegol pellter hir mewn amgylchedd awyr agored gan ddefnyddio technoleg siapio trawst gwastad pellter hir sy'n siapio'r trawst ar yr ochr drosglwyddo i gyflawni dwyster trawst unffurf ar ôl lluosogi 1 cilomedr, a thechnoleg lefelu cerrynt allbwn sy'n atal dylanwad amrywiadau atmosfferig gyda homogenydd a chylchedau lefelu ar yr ochr dderbyn.
Rhwng Ionawr a Chwefror 2025, fe wnaethom gynnal arbrawf trawsyrru pŵer diwifr optegol ar y rhedfa ym Maes Awyr Nanki yn Shirahama Town, Ardal Nishimuro, Wakayama Prefecture (Ffigur 2). Gosodwyd bwth trawsyrru gyda system optegol ar gyfer allyrru pelydr laser ar un pen o'r rhedfa, a gosodwyd bwth derbyn yn cynnwys panel derbyn golau 1 cilomedr i ffwrdd.
Yn ystod y trosglwyddiad, gosodwyd echel optegol y laser ar uchder isel o tua 1 metr uwchben y ddaear a'i halinio'n llorweddol. O ganlyniad, effeithiwyd yn gryf ar y trawst gan wres daear a gwynt, a chynhaliwyd yr arbrawf o dan amodau gyda thyrfedd atmosfferig cryf.
Y tu mewn i'r bwth trosglwyddo, cynhyrchwyd pelydr laser gyda phŵer optegol o 1035 W. Gan ddefnyddio elfen optegol diffractive (DOE)(Nodyn 3), cafodd y trawst ei siapio i greu dosbarthiad dwysedd unffurf ar bellter o 1 cilomedr. Yn ogystal, defnyddiwyd drych llywio trawst i gyfeirio'r trawst siâp yn union tuag at y panel derbyn. Gadawodd y trawst trwy agorfa'r bwth trawsyrru a lledaenu ar draws 1 cilomedr o fan agored, gan gyrraedd y bwth derbyn yn y pen draw.
Yn ystod lluosogi, achosodd cynnwrf atmosfferig amrywiadau yn nwysedd y trawst, gan greu mannau poeth. Cafodd y rhain eu tryledu gan homogenizer yn y bwth derbyn, gan arwain at arbelydru trawst unffurf ar y panel derbyn. Yna cafodd y pelydr laser ei drawsnewid yn effeithiol i bŵer trydanol (Ffigur 3). Mabwysiadwyd elfen drosi ffotodrydanol yn seiliedig ar silicon ar gyfer y panel derbyn, gan ystyried cost ac argaeledd.
Yn yr arbrawf hwn, y pŵer trydanol cyfartalog a dynnwyd o'r panel derbyn oedd 152 W (Ffigur 4), sy'n cyfateb i effeithlonrwydd trosglwyddo pŵer diwifr o 15%, a ddiffinnir fel y gymhareb o bŵer trydanol a dderbyniwyd i bŵer optegol a drosglwyddir. Mae'r canlyniad hwn yn nodi'r effeithlonrwydd trawsyrru pŵer diwifr optegol uchaf yn y byd a ddangoswyd erioed gan ddefnyddio elfen trosi ffotodrydanol wedi'i seilio ar silicon o dan amodau tyrfedd atmosfferig cryf. Ymhellach, llwyddwyd i gynnal cyflenwad pŵer di-dor am 30 munud, gan gadarnhau dichonoldeb trosglwyddo pŵer am gyfnod hir gan ddefnyddio'r dechnoleg hon.
Nodyn: O safbwynt diogelwch, gosodwyd y system drawsyrru optegol a'r panel derbyn y tu mewn i fythau i atal amlygiad damweiniol i drawstiau laser pŵer uchel a gwasgariad golau adlewyrchiedig.
Uchafbwyntiau technegol
Technoleg siapio pelydr fflat pellter hir
Er mwyn gwella effeithlonrwydd trosi ffotodrydanol, mae angen gwneud dosbarthiad dwyster y digwyddiad trawst ar yr elfen trosi ffotodrydanol yn unffurf.
Yn yr astudiaeth hon, fe wnaethom gynnig dull siapio trawst sy'n galluogi unffurfiaeth dwyster ar ôl lledaenu pellter hir. Yn y dull hwn, mae rhan allanol y trawst yn cael ei drawsnewid yn batrwm siâp cylch gan ddefnyddio effaith lens echelin (Nodyn 4). Mae rhan ganolog y trawst wedi'i modiwleiddio fesul cam i ehangu trwy effaith lens ceugrwm. Wrth i'r trawst ymledu, mae'r trawst siâp cylch a'r trawst canolog estynedig yn gorgyffwrdd yn raddol, gan arwain at ddosbarthiad dwyster unffurf yn y lleoliad targed, fel y dangosir yn Ffigur 5.
Ar gyfer yr arbrawf, gwnaethom optimeiddio'r dyluniad trawst i gyflawni'r proffil dwyster dymunol ar bellter o 1 cilomedr. Gweithredwyd y siapio trawst gan ddefnyddio elfen optegol diffractive, a oedd yn gwella unffurfiaeth dwyster y trawst yn y safle targed a leolir 1 cilomedr i ffwrdd.
Technoleg lefelu allbwn cyfredol
Wrth i'r pelydr laser ymledu trwy'r atmosffer, mae cynnwrf atmosfferig yn effeithio arno, sy'n tarfu ar y dosbarthiad dwyster. Er y gall y dechneg siapio trawst fflat a ddisgrifir uchod fod yn unffurf â'r dosbarthiad dwyster, gall cynnwrf cryf achosi ffurfio mannau dwysedd uchel o hyd, fel y dangosir yn Ffigur 6.
I fynd i'r afael â'r mater hwn, rydym wedi gosod homogenizer pelydr o flaen y panel derbyn golau. Mae'r homogenizer yn tryledu smotiau dwysedd uchel fel bod y trawst yn cael ei arbelydru'n unffurf ar y panel. Yn ogystal, roedd cylchedau lefelu wedi'u cysylltu â phob elfen trosi ffotodrydanol ar y panel derbyn. Mae'r cylchedau hyn yn helpu i atal amrywiadau mewn cerrynt allbwn a achosir gan gynnwrf atmosfferig ac yn cyfrannu at sefydlogi'r allbwn pŵer cyffredinol.
Mae'r ddwy dechnoleg hon yn ei gwneud hi'n bosibl cyflawni unffurfiaeth pelydr mewn trawsyrru gorchymyn cilomedr, a oedd yn anodd gyda dulliau siapio trawst confensiynol, ac i sefydlogi allbwn mewn amgylcheddau awyr agored. O ganlyniad, disgwylir i gyflenwad pŵer sefydlog i leoliadau anghysbell megis ynysoedd anghysbell ac ardaloedd yr effeithiwyd arnynt gan drychineb ddod yn ymarferol.
Rôl pob cwmni
NTT: Dylunio a gweithredu opteg trawsyrru megis technegau siapio trawst
MHI: Dylunio a gweithredu opteg ffoto-synwyrydd fel paneli ffoto-synwyrydd, homogenyddion, a chylchedau lefelu
Datblygiadau yn y dyfodol
Mae'r dechnoleg hon yn galluogi trosglwyddiad effeithlon a sefydlog o ynni dros bellteroedd hir hyd yn oed o dan gynnwrf atmosfferig. Yn yr arbrawf hwn, defnyddiwyd silicon fel yr elfen trosi ffotofoltäig. Fodd bynnag, trwy ddefnyddio dyfeisiau ffotofoltäig a gynlluniwyd yn benodol i gyd-fynd â thonfedd y golau laser, gellir disgwyl effeithlonrwydd trosglwyddo pŵer hyd yn oed yn uwch. Yn ogystal, byddai defnyddio ffynonellau golau laser gyda phŵer allbwn uwch yn ei gwneud hi'n bosibl cyflenwi symiau mwy o drydan.
O ganlyniad, gellir cyflawni cyflenwad pŵer hyblyg a chyflym mewn ardaloedd anghysbell megis ardaloedd trychinebus ac ynysoedd anghysbell, lle mae gosod ceblau pŵer wedi bod yn anodd yn draddodiadol. Y tu hwnt i gymwysiadau daearol, gellir gweld ystod eang o achosion defnydd newydd hefyd yn seiliedig ar y dechnoleg hon (Ffigur 7). Yn nodedig, mae uniongyrchedd uchel a gwahaniaethau isel trawstiau laser yn caniatáu ar gyfer dylunio dyfeisiau derbyn cryno ac ysgafn. Mae hyn yn fantais fawr ar gyfer llwyfannau symudol sy'n wynebu cyfyngiadau llym o ran pwysau a gallu llwyth tâl.
Er enghraifft, trwy gyfuno'r dechnoleg hon â thechnegau llywio trawst, mae'n dod yn bosibl darparu pŵer yn ddi-wifr i dronau wrth hedfan. Mae hyn yn osgoi cyfyngiadau gweithredol megis glanio ar gyfer amnewid batri neu ddefnyddio ceblau cyflenwad pŵer clymu, gan alluogi gweithrediad parhaus hir a pellter hir. Gall galluoedd o'r fath wella-monitro ardal yn ogystal â chyfnewid cyfathrebu ardal eang mewn rhanbarthau mynyddig neu forol, cymwysiadau a oedd yn anodd eu gwireddu yn flaenorol.
Yn ogystal, rhagwelir cymwysiadau posibl yn y gofod, gan gynnwys cyflenwi pŵer i lwyfannau symudol megis HAPS (Gorsaf Llwyfan Uchder Uchel)(Nodyn 5), sy'n dod o fewn cwmpas brand gofod NTT, NTT C89(Nodyn 6). Gan edrych ymhellach ymlaen, gellid cymhwyso'r dechnoleg i ganolfannau data gofod pŵer a chrwydrau lleuad, yn ogystal ag i systemau pŵer solar gofod lle mae trydan yn cael ei drosglwyddo o loerennau daearsefydlog i'r ddaear trwy laser. Mae'r ceisiadau hyn yn cynrychioli meysydd sydd â photensial cryf i ehangu'r farchnad.
Trwy'r cydweithrediad rhwng NTT a MHI, rydym wedi sylweddoli'r dechnoleg trosglwyddo pŵer diwifr laser mwyaf effeithlon yn y byd o dan amodau y mae amrywiadau atmosfferig yn effeithio'n fawr arnynt. Mae'r cyflawniad hwn yn gam sylweddol tuag at adeiladu sylfaen dechnolegol arloesol a all ddiwallu ystod eang o anghenion cymdeithasol, o ymateb i drychinebau i ddatblygu gofod.
