|
|
|
|
|
|
Главная / Новости / Отрасли ТЭК / Ученые Пермского Политеха нашли способ эффективнее передавать энергию по оптоволокну
03:18, 30 Марта 26
Электроэнергетическая Россия Сибирский ФО Ученые Пермского Политеха нашли способ эффективнее передавать энергию по оптоволокну  Обычные электрические провода в шахтах, на химических производствах, высоковольтных подстанциях, в авиации, космосе и медицине несут потенциальную угрозу. Искра, короткое замыкание, помехи от мощных приборов — последствия могут быть катастрофическими.
Кроме того, в некоторых местах проложить обычный кабель технически невозможно или экономически неоправданно. Например, в Арктике из-за вечной мерзлоты, удаленных объектов, полярной ночи обслуживать линии сложно и дорого.
С помощью технологии передачи энергии по оптоволокну (Power over Fiber, PoF) можно безопасно передавать энергию, используя свет вместо электрического тока, но низкий коэффициент полезного действия таких систем мешает широкому распространению. Исследователи из Пермского Политеха предложили, как увеличить их эффективность.
Разработка позволяет повысить КПД в 6–7 раз. Кроме того, новый режим работы снижает нагрев компонентов, что продлевает срок службы оборудования и защищает его от перегрева в сложных условиях. Это сделает применение технологии оправданным там, где раньше оно было невыгодным, в том числе в Арктике.
Обычно оптоволокно ассоциируется с интернетом и передачей данных — по стеклянным нитям бегут световые сигналы, обеспечивая высокоскоростную связь. Но по тому же принципу можно передавать не только информацию, но и энергию. Технология Power over Fiber (передача энергии по оптоволокну), или PoF, позволяет заменять медные провода на оптические и передавать электричество с помощью света.
Работает это так: на входе системы лазер преобразует электричество в свет, который проходит по оптоволокну. На выходе фотоприемник (специальная пластина, похожая на солнечную батарею) ловит этот свет и превращает его обратно в ток.
Зачем нужна такая сложная технология, если есть привычные медные провода? Дело в том, что существуют множество областей, где металлические кабели неприменимы. В шахтах и на химических производствах любое повреждение изоляции грозит искрой и взрывом, а оптоволокно, передающее свет вместо тока, полностью безопасно. На высоковольтных подстанциях мощные электромагнитные поля создают в обычных проводах помехи, нарушающие работу оборудования. В авиации и космосе важен каждый килограмм, а оптоволокно легче меди и может встраиваться в композитные материалы. Для удаленных объектов вроде датчиков вдоль трубопроводов оно позволяет передавать энергию на километры.
В Арктике вечная мерзлота делает прокладку обычного кабеля крайне сложной и дорогой. А обслуживать удаленные метеостанции с регулярной заменой батарей в условиях полярной ночи и бездорожья практически невозможно. Оптоволокно решает обе проблемы: оно не боится холода, устойчиво к коррозии и электромагнитным помехам и позволяет годами передавать и данные, и энергию без обслуживания. Именно поэтому сегодня в Арктике при поддержке государства реализуются масштабные проекты — трансарктическая линия «Полярный экспресс» (Мурманск — Владивосток, более 12,5 тыс. км) и «Синергия Арктики» в Якутии (7 тыс. км оптоволокна до 61 поселка).
Проблема в том, что в реальных условиях подключенные устройства редко потребляют энергию равномерно. Например, датчик угарного газа измеряет показания раз в минуту, а остальное время находится в режиме ожидания. Или вентилятор охлаждения включается, когда оборудование нагревается, работает недолго и снова отключается. Такую нагрузку называют динамической.
Лазер и фотоприемник же эффективно работают только при определенном уровне света и когда подключенное устройство имеет подходящее сопротивление. При резких изменениях, характерных для динамической нагрузки, эти условия постоянно изменяются. В результате значительная часть энергии не доходит до устройства, а рассеивается 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 лучшем 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 нужно мало энергии, мощность лазера просто уменьшают. В таком режиме он работает неэффективно, а фотоприемник получает слишком мало света, и большая часть энергии снова уходит в тепло.
Ученые Пермского Политеха нашли способ повысить эффективность таких систем. Вместо уменьшения мощности они перевели лазер в импульсный режим с помощью широтно-импульсной модуляции. Теперь устройство работает короткими включениями — например, на долю миллисекунды, а затем на некоторое время отключается. Мощность в момент включения при этом должна быть такой, при которой конкретный лазер и фотоэлемент работают наиболее эффективно.
Чтобы этот механизм эффективно работал в системе передачи энергии по волокну на стороне приемника должны быть установлены датчики тока и напряжения, которые показывают сколько мощности необходимо передавать лазеру в каждый промежуток времени.
Количество передаваемой энергии регулируется не мощностью каждого импульса, а их длительностью и паузами между ними. Если устройству требуется мало энергии, включения длятся очень короткое время, а паузы между ними длинные. Если много — включения становятся длиннее, а паузы короче.
Дополнительно исследователи добавили в систему конденсатор — накопитель энергии, который устанавливается перед нагрузкой. Во время короткого включения лазера он быстро накапливает энергию, а в паузе плавно отдает ее устройству. Благодаря этому устройства получают стабильное питание и не реагируют на то, что энергия поступает неравномерно.
Эффективность такого подхода ученые проверили с помощью компьютерного моделирования. Они создали цифровой двойник системы и загрузили в него реальные характеристики лазера и фотоприемника, полученные в лаборатории.
Моделирование подтвердило эффективность предложенного решения. При передаче малой мощности (менее 1 ватта) традиционный непрерывный режим обеспечивал КПД всего 2 процента. Импульсный режим поднял этот показатель до 12–14 процентов — улучшение в 6–7 раз. Во всем 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 приходится рассеивать, — объясняет Алексей Гаркушин, лаборант-исследователь молодежной лаборатории оптоэлектронных систем мониторинга ПНИПУ, кандидат технических наук.
Главное, что система перестала терять эффективность при колебаниях нагрузки — теперь КПД стабилен во всем рабочем диапазоне. Кроме того, лазер и фотоприемник работают в том диапазоне мощности, где их эффективность максимальна. За счет этого ключевые компоненты системы меньше греются. В итоге снижение тепловой нагрузки напрямую повышает надежность всей системы и продлевает срок службы.
Разработка пермских ученых позволяет повысить эффективность передачи энергии по оптоволокну, что расширяет возможности применения этой технологии. 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.
Источник фото: ПНИПУ
Все новости за сегодня (53)
|
 Опытно-конструкторское бюро им. Архипа Люльки отмечает 80-летие
За 80 лет деятельности опытно-конструкторское бюро разработало пять поколений газотурбинных двигателей, осуществило первую в стране конверсию авиационного двигателя для задач газотранспортной отрасли. |
|
О проекте
Размещение рекламы на портале
Баннеры и логотипы "Energyland.info" |
|
