Сымның орнына жарық: пермь ғалымдары оптоволокно арқылы энергияны 7 есе тиімдірек беруді үйренді
Кәдімгі электр кабельдері – қауіпті нәрсе. Ұшқын, қысқа тұйықталу, қуатты құрылғылардың кедергілері – шахталарда, химиялық зауыттарда, авиация мен ғарышта бұл апатқа әкелуі мүмкін. Бірақ металдан толығымен бас тартып, жарық көмегімен энергия беруге мүмкіндік беретін технология бар. Ол Power over Fiber (PoF) – оптоволокно арқылы энергия беру деп аталады. Бір ғана мәселе – мұндай жүйелердің ПӘК-і тым төмен. Пермь политех ғалымдары тиімділікті бірнеше есе арттырудың жолын тапты – және міне, ол қалай жұмыс істейді.
Неліктен кәдімгі сымдар әрқашан қолайлы емес
Шахталар мен химиялық өндірістерде зақымдалған кабельден шыққан кез келген ұшқын жарылыс қаупін тудырады. Жоғары вольтті қосалқы станцияларда қуатты электромагниттік өрістер жабдықтың ақаулыққа ұшырауына әкелетін кедергілер жасайды. Авиация мен ғарышта әрбір қосымша грамм есепте тұрады – ал оптоволокно мыстан жеңіл. Шақтап созылған құбырлардағы датчиктер үшін мыс сым тарту қымбат және қауіпсіз емес. Барлық осы жағдайларда PoF – тамаша шешім. Жарық ұшқындамайды, кедергілерден қорықпайды және салмағы өте аз.
Мәселе не: динамикалық жүктеме ПӘК-ті төмендетеді
Нақты өмірде құрылғылар сирек біркелкі энергия тұтынады. Датчик минутына бір рет өлшейді, ал қалған уақытта ұйықтайды. Желдеткіш тек қызған кезде ғана қосылады. Бұл динамикалық жүктеме деп аталады. Электр энергиясын жарыққа және керісінше түрлендіретін лазер мен фотодетектор тұрақты режимді ұнатады. Тұтынудың күрт өзгеруі кезінде энергияның көп бөлігі жай ғана жылуға шашырап кетеді. Нәтижесінде мұндай жүйелердің ПӘК-і 2–15% сияқты төмен, ал аз қуаттарда тіпті 1–7% болады.
Пермь шешімі: қуатты қысқартудың орнына импульстік режим
Пермь политех ғалымдары Алексей Гаркушинның жетекшілігімен тамаша шешім ұсынды. Лазердің қуатын азайтудың орнына (бұл режимде ол тиімсіз), олар оны импульстік-ендік модуляция арқылы импульстік режимге ауыстырды. Лазер өзінің оңтайлы қуатында миллисекундтың бір бөлігінде қосылып, содан кейін өшеді. Берілетін энергия мөлшері жарықтың күшімен емес, қосылу ұзақтығы мен арасындағы үзілістермен реттеледі.
Толқындарды тегістеу үшін қабылдағыш жағына конденсатор – жинақтағыш орнатылды. Қысқа жарық сәулесі кезінде ол тез зарядталады, ал үзілісте құрылғыға баяу энергия береді. Нәтиже – тұрақты қоректену, ал лазер өзі үшін ең тиімді режимде жұмыс істейді.
Танқаларлық сандар
Компьютерлік модельдеу растады: аз қуатты (1 ватттан аз) беру кезінде кәдімгі үздіксіз режим ПӘК-ті 2% береді. Импульстік режим оны 12–14% дейін көтерді – бұл 6–7 есе жақсарту! Орташа қуат диапазонында (0,75–15 Вт) өсім 6 пайыздық тармаққа дейін жетті. «ПӘК-тің 3–5% өсуі де соңғы құрылғының 20% көп пайдалы энергия алуын білдіреді, себебі барлық кезеңдердегі шығындар азаяды», – деп түсіндіреді Гаркушин.
Жүйе жүктеме ауытқулары кезінде тиімділігін жоғалтуды тоқтатты – ПӘК енді бүкіл жұмыс диапазонында тұрақты. Лазер мен фотодетектор аз қызады, бұл сенімділік пен қызмет мерзімін тікелей арттырады.
Бұл қайда қолданылады
Пермь ғалымдарының әзірлемесі PoF-ті бұрын тиімсіз болған жерлерде экономикалық тұрғыдан негізді етеді. Бұл әсіресе мыналар үшін маңызды:
- Робототехника және өнеркәсіптік автоматтандыру – кедергілерсіз қауіпсіз қоректену.
- «Ақылды қалалар» – көшелерге шашырап орналасқан датчиктерді жарық арқылы қуаттандыруға болады.
- Ұялы байланыс мұнаралары мен су асты жүйелері – мұнда кабель тарту қиын және қымбат.
- Медициналық техника – МРТ және күшті магнит өрістері бар басқа қондырғыларда металл қолдануға болмайды.
- Арктика – жабдық суықта автономды жұмыс істейді, ал оптоволокно аяздан қорықпайды.
Ең бастысы – түбегейлі жаңа компоненттерді жасаудың қажеті жоқ. Сол лазерлер мен фотодетекторлар, бірақ ақылды басқару алгоритмімен. Демек, шешімді қолданыстағы жүйелерге түбегейлі қайта құрусыз енгізуге болады.
