Revision: Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system

Este sistema LWPT LD, celda fotovoltaica, matriz fotovoltaica , fuente de alimentación laser, convertidor de energía fotovoltaica, un regulador de corriente y un convertidor elevador. Trabaja con longitud de onda de 808 nm, su salida es menor a 1 W, eficiencia máxima de 9.55%. un método de control de potencia de circuito cerrado, el cual control dual los ciclos de trabajo del diodo laser, con su algoritmo, ajusta dinámicamente la potencia y eficiencia operando el pulso de los ciclos de trabajo. Para el DSP emplea el TMS320F28335, y para la comunicación inalámbrica con el módulo nRF2401.

  load power (Pld): 1 W

Charging power (pbat): >1 W

Distance (L): 5 m

eficiencia máxima del 9.55%

Materiales utilizados

utilizan Célula fotovoltaica de GaAs  convencionales, con esperanza que utilizan celdas más eficientes aumente su eficiencia. 

Se implementó la estrategia de control propuesta  en DSP (TMS320F28335)

la comunicación entre el El transmisor y el receptor se realizaron mediante una comunicación inalámbrica módulo (nRF2401)

analizado utilizando un osciloscopio (tipo: LeCory HDO 4096)

Teoría

Conceptos de WPT

Estructura

Diodo Láser (LD): Utilizado para generar un haz de luz monocromático que se dirige hacia un receptor fotovoltaico (PV) remoto.

Receptor Fotovoltaico (PV): Convierte la luz recibida de vuelta en electricidad para alimentar una carga o cargar una batería.

Regulador de Corriente de Modo Conmutado: Compuesto por un convertidor buck y un convertidor bidireccional buck/boost. Estos componentes se utilizan para regular la corriente de entrada del LD y para manejar las variaciones de potencia en el sistema​.

Convertidor Boost: Utilizado como convertidor de potencia para el PV, asegurando que haya suficiente electricidad para proporcionar potencia a la carga.

Capacitor de Almacenamiento: El diseño incluye un capacitor de almacenamiento que garantiza un voltaje adecuado para el convertidor bidireccional, lo que mejora la estabilidad y eficiencia del suministro de energía al LD​

Mitigación del Rizado de Voltaje: El diseño considera el efecto del rizado de voltaje en el capacitor de enlace DC (Cin) causado por la operación pulsada del láser. Se propone un tamaño óptimo para Cin, equilibrando la eficiencia del sistema, el tamaño y el costo del capacitor​

el sistema emplea un control DSP utilizando el TMS320F28335, que proporciona un control preciso y eficiente del ciclo de trabajo y la gestión energética. 

La comunicación inalámbrica se realiza a través de módulos nRF2401, garantizando una transmisión de datos robusta y eficiente.

Funcionamiento

El transmisor convierte la energía de una fuente primaria (como un generador o una red) en un haz de luz monocromático a través de un diodo láser (LD). Luego, este rayo láser se dirige a través de un director de haz a un receptor fotovoltaico (PV) remoto mediante un método de seguimiento visual o GPS. Parte del rayo láser dirigido al receptor se refleja de regreso al transmisor mediante un retrorreflector, que se coloca en el centro del conjunto fotovoltaico.  la desviación del receptor respecto de la dirección del transmisor se refleja como retroalimentación para mover el eje del haz en la dirección correcta. 

En el receptor, las células fotovoltaicas especializadas igualan la longitud de onda del láser y la intensidad del haz para convertir la luz nuevamente en electricidad para alimentar una carga o cargar una batería. 

Cuando se aumenta la potencia de salida fotovoltaica, se debe aumentar el ciclo de trabajo D para que se pueda minimizar la reducción en la potencia de salida fotovoltaica causada por la ondulación del voltaje fotovoltaico y, por lo tanto, el sistema pueda alcanzar la máxima eficiencia. para condiciones de alta potencia de salida fotovoltaica, a medida que el ciclo de trabajo de la corriente de entrada LD D disminuye y la eficiencia tambien. 

Fig. 2 Eficiencia ideal de un sistema HILPB. [1]

Fig. 20 Diagrama de flujo del algoritmo de búsqueda de ciclo de trabajo óptimo propuesto. [1]

El algoritmo se puede mejorar aún más reduciendo el intervalo de tiempo entre dos perturbaciones adyacentes.

El algoritmo propuesto para encontrar el ciclo de trabajo óptimo del láser (LD) se basa en dos modos principales: Modo 1 y Modo 2.

Modo 1: Búsqueda Inicial

1. Perturbación y Observación: Este modo utiliza el concepto de perturbación y observación. En cada paso, se disminuye el ciclo de trabajo $D$ mientras se incrementa la amplitud máxima de la corriente de entrada del LD $i_{ref}(n)$ para asegurar una potencia de salida constante del PV.
2. Almacenamiento de Parámetros: Durante este proceso, se almacenan el ciclo de trabajo correspondiente $D(n)$, la amplitud máxima de la corriente de entrada $i_{ref}(n)$, la eficiencia del sistema $\eta_{sys}(n)$, la potencia de carga de la batería $p_{bat}(n)$ y el rizo de voltaje de salida del PV $\Delta v_{r\_limt}$.
3. Parada de Búsqueda: El proceso de disminución del ciclo de trabajo continúa hasta que no sea posible un incremento adicional en la eficiencia del sistema debido al efecto del rizo de voltaje, alcanzando un punto de máxima eficiencia local. Si $D$ disminuye hasta su valor mínimo $D_{min}$, el proceso de búsqueda se detiene.

Modo 2: Optimización de la Eficiencia

1. Continua Reducción del Ciclo de Trabajo: Después de alcanzar el punto de máxima eficiencia local en el Modo 1, el ciclo de trabajo $D$ continúa disminuyendo mientras la potencia óptica se perturba correspondientemente para mejorar aún más la eficiencia del sistema.
2. Comparación y Actualización de Parámetros: Se calcula la nueva eficiencia del sistema $\eta_{sys}(n+1)$ y la disminución de la potencia de carga de la batería $\Delta p_{bat}(n+1)$. Estos valores se comparan con la eficiencia del sistema almacenada $\eta_{max}$ y un coeficiente límite $a$, que equilibra la eficiencia del sistema y la potencia de carga. Si $\eta_{sys}(n+1)$ es mayor que $\eta_{max}$ y $\Delta p_{bat}(n+1)$ es menor que $a$, se actualizan los valores óptimos almacenados.
3. Continuación del Proceso: El proceso continúa en el Modo 2 hasta que $D(n) < D_{min}$.

El método de control de potencia propuesto tiene como objetivo optimizar la eficiencia del sistema de transferencia de potencia inalámbrica por láser (LWPT). La lógica del método se basa en las siguientes observaciones y principios:

1. Efecto del Rizo de Voltaje del PV: La eficiencia del sistema varía con el ciclo de trabajo del LD debido al rizo de voltaje en la salida del PV. A bajas potencias de salida del PV, el rizo es pequeño y la eficiencia del sistema aumenta al disminuir el ciclo de trabajo. A altas potencias de salida, el rizo aumenta con la disminución del ciclo de trabajo, lo que puede reducir la eficiencia del sistema.
2. Compensación entre Eficiencia y Potencia de Carga: Hay una compensación entre la eficiencia del sistema y la potencia de carga de la batería. A medida que se optimiza la eficiencia del sistema, la potencia de carga puede disminuir. Esto requiere encontrar un equilibrio adecuado para maximizar la eficiencia sin sacrificar significativamente la potencia de carga.
3. Algoritmo de Búsqueda Óptima: El algoritmo busca continuamente el ciclo de trabajo óptimo que maximiza la eficiencia del sistema considerando las condiciones de carga y las características del rizo de voltaje del PV.

Topologia

LD con 1.6V alternos de entrada y 60 amperios

diodo láser de 50 W acoplado a fibra con una longitud de onda de 808 nm y un array de PV GaAs 6×6

celda fotovoltaica, matriz fotovoltaica, fuente de alimentación laser y convertidor de energía fotovoltaica, un regulador de corriente y un convertidor elevador. Trabaja con longitud de onda de 808 nm, su salida es de 50 vatios, logrando una eficiencia de 50%. Para el DSP emplea el TMS320F28335, y para la comunicación inalámbrica con el módulo nRF2401.

Fig. 13 Sistema LWPT con el circuito de control propuesto. [1]

Conjunto LD y PV, el regulador de corriente de modo de conmutación diseñado en trabajo previo  y un convertidor elevador se emplean como fuente de alimentación láser y convertidor PV.

El regulador de corriente de modo de conmutación se compone de un convertidor reductor y un convertidor bidireccional reductor/elevado.

El convertidor bidireccional reductor/elevador se emplea como unidad de almacenamiento para proporcionar el componente de CA del iLD al LD cuando el regulador está funcionando en modo de pulso. 

Un controlador dual de circuito cerrado para el sistema LWPT. Emplea un circuito de energía externo para garantizar que el valor promedio de la potencia de salida fotovoltaica ppv_avg sea igual a la potencia demandada pdem. Emplea un bucle de corriente interno. El algoritmo de búsqueda perturba el ciclo de trabajo de la corriente de referencia iLD_ref hasta que el sistema opera en el punto de máxima eficiencia, también ajusta en consecuencia la amplitud máxima de iLD_ref para que el valor promedio de iLD_ref pueda ser igual a iLD_ref.

El capacitor Cin debe ser mayor que 10 mF, Si el voltaje de salida es pequeño (~5 V), se utilizan varios condensadores de tantalio de 330 µF/6,3 V.

Un LD de 808 nm acoplado por fibra de 50 W y un conjunto fotovoltaico de GaAs de 6 × 6

Fig. 21 Prototipo de sistema LWPT de laboratorio [1]

Parámetros

Del sistema

LD

LD input voltage (VLD_in): ∼1.6 V

Maximum input current (ILD): 60 A

Wavelength (λ): 808 nm

Maximum output optical power (Po_max): 50 W

Maximum efficiency (ηLD): 50%

Minimum duty cycle of input current (D): 0.45

Pulse frequency (fs): 100 Hz

PV cell 

voltage at MPP (Vmpp): 0.8667 V

Current at MPP (Impp): 0.2663 A

Maximum efficiency (ηpv): 35%

Size: 2 × 2 cm

PV array 

output power: 0–5 W

Voltage at MPP: 5–6 V

Laser power supply 

input voltage: 12 V

Output current: 0–30 A

PV power converter

 output power: 0–5 W

Input capacitor (Cin): 10 mF

System

 load power (Pld): 1 W

Charging power (pbat): >1 W

Distance (L): 5 m

El sistema experimental alcanzó una eficiencia máxima del 9.55% se obtiene cuando la potencia de salida fotovoltaica se reduce de 4 a 3,76 W. Aunque la mejora de la eficiencia del sistema es solo del 0,1 % cuando el algoritmo de búsqueda

Tabla 1 Especificaciones del sistema [1]

Se espera cubrir mayor cantidad de metros diseñando cuidadosamente el director del haz. Además, para prevenir que la transferencia de energía al conjunto fotovoltaico se reduzca significativamente

Aplicaciones mensionada

Satelites, Vehículos aéreos no tripulados (UAV), robots móviles, teléfonos inteligentes y otros dispositivos móviles eléctrico

Aportes 

El articulo propone un método de control de potencia de circuito cerrado para sistemas LWPT para explorar las mejores condiciones de rendimiento para dichos sistemas en constaste al circuito abierto comúnmente usado para la WPT por Laser.  

El metodo optimiza la eficiencia de un sistema LWPT al controlar el ciclo de trabajo de la corriente de entrada del diodo láser (LD). 

Propone un controlador dual de circuito cerrado,  Esta optimización se logra mediante un algoritmo de búsqueda del ciclo de trabajo óptimo, ajusta dinámicamente la potencia transmitida en función de las condiciones de carga y la eficiencia del sistema

Se puede ver que operar el sistema en modo de pulso con un ciclo de trabajo pequeño D da como resultado un mejor rendimiento. Se llega a la conclusión de que reducir el ciclo de trabajo del láser de pulso es útil para mejorar la eficiencia del sistema y es adecuado para diferentes condiciones de frecuencia de pulso

 Bibliografia

W. Zhou and K. Jin, “Power control method for improving efficiency of laser-based wireless power transmission system,” IET Power Electronics, vol. 13, no. 10, pp. 2096–2105, Aug. 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2019.1372.