Metodos, Estrategias y tecnicas de WPT Electromagnetica

  

Ilustración de las regiones de campo lejano, campo cercano radiante y campo cercano reactivo cuando se irradia desde una antena con un diámetro de 0,1 metros en frecuencias de 2,4 GHz (izquierda) y 100 GHz (derecha). Esta ilustración demuestra que en el régimen de ondas milimétricas, la TIP basada en EM procedente de una antena de tamaño mediano a menudo da como resultado que los receptores estén ubicados en el campo cercano radiante [181]

emplean metamateriales y metasuperficies  estructuras bidimensionales de película delgada con una granularidad inferior a la longitud de onda, han atraído mucha atención en los últimos años porque ofrecen nuevos métodos de control de ondas en el espacio y el tiempo [182]

sistema de transmisión de energía para la carga inalámbrica de baterías. El sistema consta de dos estructuras de líneas de microbanda acopladas entre sí. El sistema garantiza la transmisión de energía a distancias razonables entre las estructuras de microbanda. Así, a una distancia de hasta 10 mm entre las líneas de banda, la atenuación transitoria no supera el valor de 0,2 dB. Esta atenuación insignificante se produce a cualquier distancia de trabajo dentro del margen de 5-10 mm [183]

l uso de líneas de microbanda en espiral reduce sustancialmente el tamaño de las estructuras electromagnéticas y abre buenas oportunidades para la mitigación de las reclamaciones sobre la colocación mutua de los elementos del sistema de carga. no tiene influencia sobre los humanos ni otros objetos biológicos que se encuentran en las proximidades del sistema de transferencia inalámbrica de energía.[183]

la técnica strip-line para la transferencia de energía inalámbrica. Son de interés dos tipos de estructuras de líneas de franjas. El primer tipo es una estructura asimétrica o de microcinta. Para este tipo de estructuras, el campo electromagnético se concentra exclusivamente entre la línea microstrip, por su cara interior, y el sustrato conductor. El segundo tipo incluye una estructura de línea de tira simétrica para la cual el campo electromagnético se concentra entre ambos lados de la línea de tira y ambos sustratos conductores. Ambas estructuras tienen pérdidas de energía electromagnética insignificantes y no irradian energía electromagnética en el espacio libre .[183]

La estructura electromagnética en MWO.

La apariencia de las estructuras de líneas de microstrip.

Recientemente, se ha propuesto la superficie inteligente reconfigurable (RIS) como una nueva tecnología prometedora para reconfigurar el entorno de propagación inalámbrica a través de la reflexión de señales controlada por software. [183]

técnica de síntesis de matrices bastante general capaz de tener en cuenta, simultáneamente, los requisitos tanto del campo cercano como del campo lejano,  La técnica propuesta se basa en la minimización directa de una función de costos diseñada para optimizar los pesos aplicados a un conjunto de antena [168]

reflectarrays de alimentación múltiple [169]

diseños de microondas ad-hoc [170], [171], redes neuronales artificiales [172], enfoques de optimización [173][174][175][176] o técnicas de inversión de tiempo. [175][176][177].

 Arquitectura del sistema de sistemas MIMO masivos CF asistidos por RIS con WET.[183] 

la antena CP puede transmitir y recibir señales incluso aunque no estén perfectamente alineadas [189]

Estrategias

la radiación EM debe concentrarse en la dirección hacia el receptor de energía mediante el uso de una antena direccional o un conjunto de antenas para implementar la formación de haces de energía. [1]

PowerCast adoptan múltiples antenas y formación de haz en la tecnología Mid Field Wat-tup de Energous (12 metros, 3 W) [1]

 Los RPEV reciben energia por bobinas debajo de su estructura cuando estan en movimiento.  no dependen de baterías de alta capacidad. [1] [3] 

Combinar D2D con IoT mediante la adopción de una red de retransmisión D2D. una red de retransmisión D2D tiene múltiples dispositivos IoT con energía limitada y un nodo de retransmisión  [1]  [4]

. Red de retransmisión D2D con dos nodos EH y un nodo de retransmisión. cada nodo EH tiene un SC y una batería. El SC debe almacenar la energía recolectada y la batería con almacenamiento de energía infinito se utiliza para proporcionar energía estable. [1]

Adoptar un almacenamiento de energía híbrido, que consta de un supercondensador (SC) y una batería [7] , la energía recolectada se utiliza para transmitir datos al nodo de retransmisión. o, el cuello de botella de dicha red es el rendimiento limitado entre los nodos EH y el nodo de retransmisión. [1]

Para encontrar una manera eficiente de gastar la energía recolectada, se formula un problema de programación de energía para asignar la energía recolectada. La energía recolectada llega en forma de paquetes de energía discretos. Se supone que los perfiles de llegada de energía a los dos nodos EH se conocen de forma no causal, es decir, su tiempo de llegada y sus volúmenes se conocen de antemano [6, 7].

se pueden presentar los perfiles de llegada de energía Para maximizar el rendimiento total de los nodos EH en una fecha límite T,

. Según la teoría de la información, la función objetivo 

Las restricciones sobre las dos potencias de transmisión incluyen las restricciones de no desbordamiento de energía y las restricciones de causalidad de energía [2]. Las restricciones de no desbordamiento de energía aseguran que la energía nunca se desborde, mientras que las restricciones de causalidad de energía Garantizan que la energía recolectada en el futuro nunca podrá utilizarse en el pasado. La energía proporcionada por la batería está limitada por un límite superior. es. Las potencias de transmisión, también conocidas como políticas de energía, indican cómo utilizar la energía recolectada a lo largo del tiempo [1].

Algoritmo modificado de llenado de agua direccional de dos etapas. o, se asigna la energía recolectada, el último paquete de energía que llegue debe asignarse primero. Luego, la energía proporcionada por la batería se puede asignar utilizando posteriormente el algoritmo. debe realizar un seguimiento de la energía almacenada en los dos SC. Para cada paquete de energía, se aplica el algoritmo de llenado de agua convencional propuesto en [6]

FIGURA 5. Un ejemplo con perfil de energía (0, 5 mJ), (20 ms, 2 mJ), (70 ms, 1 mJ) para el nodo EH 1, y (10 ms, 6 mJ), (30 ms, 2 mJ), (50 ms, 4 mJ) para el nodo EH 2. La capacidad de los SC es 2 mJ.

MEC

 La red MEC inalámbrica. (a) modelo de red. b) protocolo para la descarga de datos WPT de enlace descendente y ascendente[129]

el nodo de borde de una sola antena transfiere energía (enlace descendente) y recibe datos descargados (enlace ascendente) en una forma de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) basado en ranura [129]
En cada franja horaria hay dos fases diferenciadas: la fase TIP y la fase de descarga de datos. En la primera fracción de tiempo µ0(t) , el nodo de borde habilita todos los sensores inalámbricos a través de la transmisión de señales de energía. Luego, los sensores utilizan la energía recolectada para transmitir los datos recopilados al nodo de borde en una secuencia sin superposición [129]

abordar el problema doblemente cercano-lejano en WPCN

 1) implementar la ubicación física de los dispositivos con delicadeza [129]

2) aprovechar la cooperación entre dispositivos [129] 

3) diseñar funciones de utilidad de sistemas integrados de equidad [129]

la recopilación de datos no ocurre en un instante sino que dura un período de tiempo continuo  [129]

Microondas

Los sistemas MWPT que utilizan rectificadores basados en diodos y generadores de energía de microondas basados en transistores son más adecuados para el rango de transmisión de corto a medio [186]

La transmisión se puede realizar en todas las frecuencias superiores a 1 GHz. Se prefiere una banda óptica más baja debido a su eficiencia para transmitir desde la atmósfera, la lluvia y un área gris.  [9]
Se examinó la frecuencia de 2,45 GHz para suministrar 10 kW de energía eléctrica a un pequeño pueblo aislado en la Isla Reunión, Francia [186]

a japonesa Mitsubishi Heavy Industries demostró con éxito la utilidad de la MWPT para encender la luz LED en el dispositivo receptor a 500 m de distancia con 2,45 GHz utilizando 10 kW de un magnetrón conectado a un arreglo en fase y en una transmisión de energía inalámbrica a 55 m de distancia con 5,8 GHz utilizando microondas de 1,8 kW de un arreglo en fase de espesor con amplificadores MMIC de GaN y desplazadores de fase para detectar la posición de una rectena y controlar un haz de microondas [186]

Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China ha participado en muchas investigaciones sobre MWPT, especialmente el desarrollo de fuentes de microondas de alta potencia [186]

rectificadores basados ​​en diodos de alta eficiencia y rectificadores basados ​​en ondas de ciclotrón [186]

Su sistema compacto de transmisión de energía inalámbrica por microondas de banda Ku basado en diodo rectificador logró una eficiencia de CC a CC del 4 % a 60 m, lo que demuestra que MWPT puede ser una solución factible y viable para cargar de forma remota vehículos aéreos no tripulados [186]

S

Configuración de un sistema de transmisión de energía inalámbrica de alta potencia. [187]

Y

Fig. 2 Fotografías del sistema transmisor de alta potencia. Sistema Tx (superior), guía de ondas de alimentación de polarización dual y magnetrón. [187]

El diámetro y el peso de la antena parabólica son de 3 m y 20 kg (solo antena), respectivamente. Tiene una ganancia de 36,5 dBi, una ROE de 1,5:1 y un ancho de haz de media potencia inferior a 3,2°. La antena está hecha de metal y, debido a que no tiene pérdida dieléctrica, tiene una alta eficiencia de antena del 98 % [187]

Entre el magnetrón y el divisor de potencia, se utilizan 3 sintonizadores de conexión para igualar la impedancia, un atenuador variable (máximo 30 dB) para controlar la salida máxima y un acoplador direccional para medir la potencia de salida. [187]

circuito rectificador Como diodo rectificador se utiliza un diodo de barrera Schottky de polarización cero HSMS 2850. El circuito rectificador se realizó con una placa de circuito impreso FR4 de 1,6 mm de espesor. [187]

. Circuito rectificador (superior) y fotografía del circuito rectificador fabricado utilizando FR 4 de 1,6 mm de espesor.  [187]

La antena, la antena dipolo DP y la antena Yagi SP se muestran en la Fig. 3. Para probar la eficiencia de conversión RF-DC, se utilizan una fuente de RF de 5 W y una antena de bocina de 10 dBi. La distancia entre las antenas Tx y Rx es de 1 m y la potencia de recepción es de 8 dBm  [187]

 Se muestra que el caso de la antena de parche DP tendrá una mejor eficiencia de conversión RF-DC en todos los ángulos, mientras que la antena Yagi SP tiene la mejor eficiencia de conversión RF-DC cerca del ángulo incidente de 90°. La razón es que la antena Yagi tendrá la mayor ganancia de las antenas. A partir de la prueba, se selecciona una antena de parche DP para la matriz de rectenas.  [187]

Fig. 6. Fotografías de un conjunto de recenas de parche cuadrado polarizado dual 4x4 [187]

Una matriz de rectenas unitaria que consta de antenas de parche cuadradas de polarización dual 4x4. La matriz de retenas unitaria se utiliza para hacer un sistema de matriz de rectenas completo de 2016 retenas. Como se muestra en la parte posterior de la matriz, se puede observar que 4 rectenas están conectadas en serie para mejorar el voltaje de salida. 4 conjuntos de rectenas verticales están conectados en paralelo para sumar la corriente de salida  [187]

Fotografía del sistema de matriz de rectenas total y diagrama de cables del sistema de matriz.

La figura 7 muestra un sistema completo de matriz de retennas de 36 x 58 o 126 matrices de 126 unidades de 4 x 4. Como se muestra en el diagrama de cableado de la figura 7 (derecha), las matrices de 126 unidades de 126 unidades se pueden conectar en serie o en paralelo. Como resistencia de carga, se coloca 400 Q para una mejor eficiencia de conversión de RF a CC.

El sistema Tx y Rx fabricado se demuestra en el campo de prueba KERI. La configuración del experimento se muestra en la Fig. 10. La distancia entre la antena Tx y el conjunto de rectenas es de 50 m. Se obtiene una eficiencia total calculada del 47,3 % como eficiencia de conversión de la fuente (84,3 %) x eficiencia de la antena Tx (98 %) x pérdida de trayectoria (77,4 %) x eficiencia de conversión RF-DC (74 %). Se construyen dos conjuntos de rectenas de f36x40 y 36x16 que se conectan de ida y vuelta. El SL FSS se coloca delante del conjunto de rectenas. En el experimento, la potencia de salida de microondas de 2,45 GHz generada por el magnetrón es de 2,3 kW. La potencia de CC de Rx de 2016 conjuntos de rectenas es de 1,02 kW. Por lo tanto, la eficiencia medida del sistema es del 44,3 %. [187]

la antena CP puede transmitir y recibir señales incluso aunque no estén perfectamente alineadas []

 

Frecuencias

A baja frecuencia, la transferencia de energía es eficiente, pero la huella de la antena es significativa [124] cuanto mayor sea la frecuencia, mayores serán las pérdidas [188]

El tamaño de la antena de bobina generalmente depende de la frecuencia de resonancia fr y de la frecuencia centra [124]

Geometría de la antena basada en bobina propuesta. [124]

 

Circuito rectificador

solo un circuito recolector de RF con el puente rectificador de onda completa no es suficiente para producir electricidad para cargar una batería en ningún dispositivo IoT   [124]

El circuito rectificador que utiliza diodos Schottky HSMS2850 es eficiente  [124] [125][126][127]

 La impedancia de entrada del rectificador está diseñada para coincidir con la impedancia de salida para maximizar la transferencia de potencia y aumentar la señal reflejada por la carga   [124] 

sistema transmisor de microondas.

la estación portátil de transmisión de energía de microondas con una frecuencia de operación de fr = 2.45GHz y una potencia de microondas de 100 Watts. 

(wifi) la antena receptora está diseñada para funcionar a 2,45 GHz con una impedancia de salida de 50 Ω [128]

Diagrama esquemático del circuito de recolección de microondas de un pente rectificador de onda completa con diodo HSMS 2850 (Agilent ADS)[124] 

Cada circuito de cosechadora puede suministrar 1,92 V, por lo que el total del circuito de alta 

Sistema recolector de energía inalámbrico de alta eficiencia y bobina múltiple

eficiencia de bobinas múltiples puede alcanzar 11,4 V y esta potencia es suficiente para encender la luz de forma inalámbrica.

Energía y Datos

En [112] Para un sistema de a transferencia inalámbrica simultánea de información y energía (SWIPT), se propone la MPT para sensores inalámbricos que consumen energía de CC desde 1 mW hasta cientos de mW. Los diodos Schottky son capaces de rectificar ese nivel y se han demostrado muchos casos.

 Para cubrir un rango de azimut de 360°, proponemos una matriz de transmisión de potencia de microondas con prisma hexagonal,  para cubrir todas la areas [112]

Sensores con 100 mWs o más de consumo de energía [112]

Como fuentes de energía se emplean amplificadores de potencia de microondas de estado sólido. Para promover la eficiencia de la transmisión de microondas, se podrían simplificar los divisores de potencia, pero se deberían utilizar más amplificadores de potencia. Por supuesto, los amplificadores de potencia de microondas deben diseñarse deliberadamente para obtener una mayor eficiencia energética [112]

Los circuitos rectificadores están conectados a una superficie colectora de energía, que se compone de unas pocas celdas colectoras de energía de microonda. una celda de este tipo puede manejar entre 30 y 100 mW de potencia CC [112]

Un circuito rectificador siempre está compuesto por un filtro de entrada, una red de adaptación de impedancia, un diodo y un filtro de salida.  [112]

El filtro de entrada se utiliza para suprimir los armónicos producidos por el diodo.  [112]

El filtro de salida se utiliza para obstruir la fundamental y los armónicos. [112]

Para recolectar eficazmente energía de microondas, se han propuesto metasuperficies electromagnéticas [112]

las microondas se utiliza aquí como en la aplicación del absorbente, aunque con una pequeña diferencia en que aquí la energía de microondas no se convertirá en calor sino en energía de CC a través del circuito rectificador. [112]

La unidad de superficie rectificadora se diseñará cuidadosamente para absorber más potencia de RF y manejar la conversión con alta eficiencia [112]125

Topología de fuente de alimentación basada en MPT para sensores con un consumo de energía de 100 mW o más [112]

Topología de fuente de alimentación basada en MPT para sensores con un consumo de energía de 10-100 mW. [112]

Topología de fuente de alimentación basada en MPT para sensores con un consumo de energía de 10 mW o menos.[112]

Procedimiento de trabajo para la gestión de recursos entre el conocimiento de datos y las capas de borde. [129]

Paso 1 (Intercambio de información): el nodo de borde transmite la información de su acumulación de datos a todos los sensores bajo su cobertura. Los sensores que tienen una gran acumulación de datos envían sus pilotos al nodo de borde para realizar mediciones del canal y brindan información sobre el estado de su dispositivo para la asignación de recursos. por turnos. En el lado del nodo de borde, los datos llegados primero se pondrán en cola en el DSM del nodo y luego se transferirán al ECM para su procesamiento. Como solo una pequeña parte de los dispositivos que tienen una larga acumulación de datos necesitan enviar retroalimentación, se podrían evitar muchos gastos generales del sistema [129]

Paso 2 (Actualización de datos): sobre la base de la decisión de optimización tomada por DMCM, DSM en cada sensor individual recopila o elimina datos de acuerdo con los resultados de optimización ai(t) y di(t). La complejidad computacional de la optimización es O(1), que es adecuada para sensores con recursos limitados [129]

Paso 3 (Transferencia de energía inalámbrica): El DMCM en el nodo de borde determina las porciones de tiempo óptimas en función del estado del nodo de borde y la información desactualizada intercambiada en el Paso 1. Posteriormente, el ETM del nodo de borde toma µ0(t) fracción de tiempo de la ranura para recargar los EHSM de los sensores emitiendo una señal de banda base.[129] 

Paso 4 (Descarga de datos): Con la energía recolectada, Los DSM en los sensores utilizan sus porciones de tiempo asignadas para descargar por turnos. En el lado del nodo de borde, los datos llegados primero se pondrán en cola en el DSM del nodo y luego se transferirán al ECM para su procesamiento. [129] 

1 Diagrama esquemático del sistema MCR-TIP. La línea roja indica la ruta del flujo de energía y la línea azul indica la ruta de transmisión de da [130]

a) Con enlace de datos independiente. [130]

 b) El concepto original de la tecnología WPIDT.  [130]

c) Un esquema WPIDT práctico mediante la multiplexación de reguladores CC-CC en cascada para transmisor de datos.[130]

 La modulación de cambio de carga (LSK) es un método común para la transmisión ascendente en dispositivos IPT que cumplen con el estándar Qi13[130]

Electronica de potencia

 La electrónica de potencia y la tecnología de la comunicación comparten principios fundamentales y topologías de circuitos comunes [130]

La fuente de información puede introducirse a través de un circuito de acoplamiento de señal específico o mediante un circuito en cascada. [130]

El sistema WPIDT basado en electrónica de potencia es comparable a un sistema de comunicación en el sentido de que contiene los tres elementos de un sistema de comunicación: modulador (mezclador de frecuencia), canal de comunicación (MCR) y demodulador (mezclador de frecuencia). La señal de información con portadora de baja frecuencia, así como la alimentación de CC, pueden pasar a través del sistema MCR-WPT, por lo que el sistema WPIDT se puede lograr modulando la información en un lado de CC y recibiéndola en el otro lado de CC[142]

 

Otros sistemas TIP basados en electrónica de potencia [136][137][138][139] Los circuitos de clase E. ,esta tecnología tiene potencial para implementarse en sistemas WPT con frecuencias de potencia variables, como los sistemas “simétricos en tiempo de paridad”, porque la frecuencia portadora no tiene ningún efecto sobre el resultado [142]

LA tecnología WPIDT también es aplicable a sistemas IPT de baja frecuencia convencionales, pero es preferible una portadora de energía con una frecuencia más alta porque ofrece un ancho de banda de comunicación más amplio.[130]

Ecuaciones KVL para el sistema WPIDT. 

Según el diagrama esquemático a ecuación matricial del sistema acoplado se expresa utilizando el teorema de Kirchhoff como U = ZI [130]

En la comunicación descendente  [130]

mientras que en la comunicación ascendente

sistema inalámbrico de transferencia dual de energía e información

Proponemos un sistema de transferencia dual de información y potencia inalámbrica (WPIDT), en el que la potencia y la información se multiplexan en el lado de CC y se transmiten a través de un sistema MCR-WPT convencional, y luego se demultiplexan en el otro lado de CC. [130]

la potencia y la información se multiplexan en el lado de CC y transmitida a través de un sistema MCR-TIP convencional, y  luego se demultiplexa en el otro lado de CC. [130]

El sistema MCR-WPT convencional suele emplear dos convertidores CC-CC en cascada, uno en el lado frontal para regular la potencia de salida y el otro en el lado de la carga para mantener la impedancia de salida del rectificador en un valor óptimo para maximizar la eficiencia de transferencia de potencia. A pesar de las pequeñas pérdidas de potencia adicionales introducidas por la etapa CC-CC, el sistema puede mantener de forma eficaz un alto nivel de eficiencia en aplicaciones con distancia variable y potencia variable. [91][131]

En el esquema WPIDT, ambos convertidores dc-dc también pueden multiplexarse ​​como fuentes de señal para transmisión ascendente y descendente, respectivamente. De este modo, cada convertidor de electrónica de potencia se multiplexa como un componente del sistema de comunicación. La potencia y los datos se modulan y transmiten simultáneamente, lo que proporciona la verificación cruzada entre la transferencia de potencia y la comunicación, lo que garantiza la seguridad y la robustez esenciales del sistema.  [130]

 

Desarrolla un sistema MCR-WPT de 6,78 MHz capaz de transferir de manera eficiente 45 W de potencia a través de una distancia de un metro con alta eficiencia. Se ha logrado una tasa de bits de 60 kb/s para la comunicación semidúplex, lo que demuestra la eficacia del esquema. [130]

Formas de flujo de potencia en el sistema MCR-WPT. Diagrama de circuito del sistema MCR-WPT. S1 ~ S4 denotan los interruptores del inversor y D1 ~ D4 denotan los diodos del rectificador. E1 es la fuente de CC de entrada, Cd2 es la capacitancia del filtro y RL es la resistencia de carga. [142]

muestra un sistema MCR-WPT típico basado en convertidores electrónicos de potencia. En el lado frontal, el inversor de puente completo genera una onda cuadrada  [142]  Suponiendo que la frecuencia de conmutación del inversor es igual a la frecuencia de resonancia f0, solo el componente fundamental de la onda cuadrada puede pasar a través de la red MCR, lo que da como resultado una onda de corriente sinusoidal el inversor está controlado por interruptores activos como MOSFET de potencia, y la expresión matemática del convertidor es [130]

E1, v2 son los voltajes de entrada y salida del inversor, g(t) es una función de onda cuadrada unitaria [130]

 [142]

La modulación, en la que la potencia y la información son moduladas por el inversor [130]

Formas de onda y espectro de flujo de energía e información en el sistema WPIDT vía MCR. a Diagrama de bloques del sistema WPIDT. v1p denota el voltaje de CC y v1m denota el voltaje de información, v4m denota el voltaje de información recuperado. 

la información modulada en la señal v1m se agrega a la fuente de CC  por desplazamiento de dos fases 2PSK [130]

 El voltaje de entrada del inversor   [142]

Como mezclador, el inversor multiplica el voltaje de entrada por una onda cuadrada diseñada con frecuencia f en su salida [130]

La red MCR pasiva, que consta de bobinas y componentes de compensación, es un canal de paso de banda adecuado para transmitir [130]

La transmisión, en la que las señales de información y potencia moduladas se transmiten a través del canal MCR. Para facilitar la derivación, se supone que la función de transferencia del canal de paso de banda [130]

El método de modulación utilizado en el sistema para la comunicación descendente puede describirse como modulación de envolvente  [130]
es el caso de la comunicación ascendente ya que la informaciónse transmite en la dirección opuesta a la transferencia de energia[130]

En el método PSDM, la potencia de salida está controlada por el ciclo de trabajo promedio de la señal PWM, mientras que la señal de datos se introduce perturbando el ciclo de trabajo basado en la señal de datos modulada. La perturbación máxima del ciclo de trabajo, definida por la profundidad de perturbación η, es un parámetro que indica la resistencia del soporte de datos. Cuanto menor sea la profundidad de la perturbación, menor impacto tendrá la señal de datos en la potencia. Para minimizar la influencia de la señal de datos en la transferencia de energía, establecimos η = 0:01 en los experimentos. Se realizan los siguientes experimentos. [130]

Diagrama de bloques de la ruta de transmisión ascendente WPIDT basada en MCR, los datos de banda base se modulan PSK y se integran en la potencia de CC (Tx CH1) a través del circuito reductor, se mezclan en frecuencia mediante el rectificador y se convierten ascendentemente a la banda lateral de 6,78 MHz (Vo CH3), se transmiten al lado frontal a través del canal MCR (Vi CH4), se mezclan en frecuencia mediante el inversor y se convierten descendentemente a la señal modulada PSK (Rx CH3) y, finalmente, se restauran a los datos de banda base originales a través del circuito de filtrado y algoritmos de demodulación (Rx CH4).[130]

El método PSDM se emplea en el convertidor reductor, con la frecuencia de conmutación establecida en 800 kHz y la frecuencia del portador de datos establecida en 100 kHz. Los datos se modulan con 8DPSK y se transmiten mediante el convertidor reductor con η= 0:01[130]

Cabe señalar que en este experimento se adopta la modulación 8DPSK, por lo que la velocidad de comunicación es de 60 kbps la eficiencia general del sistema durante la comunicación fluctúa menos del 1% [130]

 La modulación dual de potencia y señal (PSDM) es una tecnología que modula datos y convierte energía en un convertidor simultáneamente

Procesos de modulación de datos en el convertidor mediante el método PSDM. La línea azul denota la señal. Vt(t) es la portadora triangular, Vr(t) es la salida del bucle de control de potencia, s(t) es la señal de datos y Vrs(t) es la señal integrada de potencia y datos.[130]

 modulación dual de potencia y señal con portadora única (PSDM-SC), emplea la portadora de energía como portadora de datos.  [130]

Modulación dual de potencia y señal en lazo de control (PSDM-CL) superpone una señal de baja frecuencia en el bucle de control de potencia como portador de datos   En el sistema prototipo, se utiliza el método PSDM-CL tanto en el convertidor elevador del lado frontal como en el convertidor reductor del lado de carga, y se abrevia como PSDM en el artículo. En este proceso se pueden emplear métodos de modulación convencionales, como modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK), modulación por desplazamiento de fase (PSK) y modulación multiportadora. En este experimento, se emplea el esquema de modulación 8DPSK para aumentar la tasa de bits.[130]

la portadora de datos se puede representar por una secuencia de ciclo de trabajo..[130]

Para sincronizar el transmisor y el receptor se utiliza un preámbulo de cinco símbolos de sincronización

Sobre la base del momento del desplazamiento de fase, se determinan la fase inicial de la señal recibida y el comienzo de una trama y posteriormente se emplean para la demodulación. El procedimiento correspondiente se ilustra en Fi Implementación del método de sincronización y emodulación. a Estructura de trama.

Sobre la base del momento del desplazamiento de fase, se determinan la fase inicial de la señal recibida y el comienzo de una trama y posteriormente se emplean para la demodulación. El procedimiento correspondiente se ilustra en Fi

Implementación del método de sincronización y emodulación. a Estructura de trama.

 , para maximizar el PTE y utilizar el área mínima de la superficie de transmisión, es necesario utilizar la región con alto flujo de corriente. Para maximizar la integral del numerador en un área de transmisión limitada, se debe eliminar cualquier corriente base por debajo de cierto valor porque contribuye menos a la potencia de recepción de la antena móvil. Utilizando este enfoque, se pueden relacionar el PTE máximo y el área de transmisión mínima [161]

. Diagrama de flujo de las relaciones entre el área de transmisión, la distancia de transferencia y el PTE [161]

Las antenas pueden ser Dipolo, Antena de parche o Bocina [161]

El PTE máximo límite para la antena dipolo, indicado como una línea negra, es relativamente bajo (44,2%) , ene un patrón de radiación omnidireccional, el PTE máximo no puede exceder el 50% cuando se utiliza solo una superficie de transmisión plana. Sin embargo, si la superficie BS se implementara en ambos lados del dipolo o como una forma conforme, se incrementaría el límite de eficiencia máxima[161]

el resultado PTE de la antena de parche mejora mucho. frecuencia de funcionamiento cuando todas las longitudes eléctricas del sistema son fijas. Esto se debe a que la magnitud de la corriente de base óptima en la superficie tangencial dada está determinada únicamente por el patrón del campo radiante de la antena móvil, como se describe en (8). También puede explicarse mediante (11) con la configuración de la Fig. 1 (b). La ecuación (11) implica que la PTE máxima es la relación entre la potencia radiada a todo el espacio y la potencia que pasa a través de la superficie BS dada. Esto se debe a que el parche emite la mayor parte de su campo hacia un solo lado, lo que enfoca mejor el campo radiante en la superficie de la BS. Para la antena de parche, se puede lograr un PTE del 20% utilizando un área de transmisión de 11λ2 (0,17 m2). Si la antena de parche está diseñada para enfocar una mayor parte del campo en la superficie de la EB, el PTE puede aumentarse aún más, aunque el área de la superficie de transmisión sería la misma. [161]

Una antena de bocina, que es un tipo de antena de apertura, ofrece el mejor rendimiento. El límite de PTE de la antena de bocina converge a casi el 97,4% para un tamaño grande de apertura de transmisión. Cuando se utiliza la antena de bocina, un área de transmisión de sólo 4λ2 (0,06 m2) puede alcanzar el PTE objetivo. [161] 
Los errores relativos máximos son 2,8%, 1,4% y 0,5% para la antena dipolo, parche y bocina, respectivamente. Estas diferencias ocurren porque los dipolos infinitesimales discretos no pueden realizar una corriente de base óptima exacta, que es continua. El PTE máximo teórico y simulado [161]

MPT utilizando una antena móvil compacta, como una antena de parche, puede lograr una PTE alta cuando la distancia de transferencia está dentro de la región de Fresnel. [161]

Una imagen del acoplamiento MIMO WPT. Todas las bobinas están acopladas electromagnéticamente

: Un sistema SWIPT mixto de campo cercano y lejano.[179]

 cuando hay un receptor de ID y varios receptores de EH, el diseño óptimo es asignar una parte de la potencia al receptor de ID para satisfacer la restricción de tasa suma, mientras que la potencia restante se asigna a un receptor de EH. con la máxima prioridad EH [179]

algoritmo eficiente para obtener una solución subóptima utilizando los métodos de eliminación de variables binarias y SCA. Se presentan resultados numéricos para corroborar la eficacia del esquema propuesto frente a varios esquemas de referencia.[179]

Con el aumento significativo de la frecuencia portadora y del número de antenas, la conocida distancia de Rayleigh se ampliará hasta decenas o incluso cientos de metros. [179]

n método eficiente de entrenamiento con haz de dos fases que primero estima el ángulo espacial y luego determina la distancia del usuario. Este método se basa en un hecho clave de que el verdadero ángulo espacial del usuario se encuentra aproximadamente en el medio de una región angular dominante con potencias de señal recibidas suficientemente altas cuando se utilizan haces DFT de campo lejano para el entrenamiento de haces. Los gastos generales de formación necesarios pueden aumentar aún más. [180]

se reduce diseñando un entrenamiento jerárquico de haces de campo cercano [179] y explotando métodos de aprendizaje profundo para el entrenamiento de haces [179].

considere una estación base (BS) que tiene una antena de 0,5 metros (m) de diámetro y opera a una frecuencia de 30 GHz. La conocida distancia de Rayleigh en este escenario es de unos 50 m. Esto significa que en un escenario de comunicación típico, los usuarios pueden estar ubicados en las regiones de campo cercano y lejano de la BS, lo que genera problemas de diseño más complicados, como la estimación de canales de campo mixto/híbrido[179].

coexistencia y gestión de interferencias de usuarios de campo mixto [179].

e debido al efecto de dispersión de energía, el usuario de campo cercano puede sufren una fuerte interferencia del haz de campo lejano basado en DFT, cuando su ángulo espacial está en la vecindad del ángulo del usuario de campo lejano. Por otro lado, dicha fuga de energía del haz de campo lejano basado en DFT también se puede utilizar para cargar eficientemente al usuario de campo cercano, lo que lleva a la nueva aplicación de transferencia inalámbrica simultánea de información y energía (SWIPT) de campo mixto, donde en Los receptores de recolección de energía (EH) y decodificación de información (ID) están ubicados en el campo cercano y lejano, respectivamente. [179].

el UAV puede recibir energía de fuentes de energía ambientales, así como de BS para reponer el almacenamiento de energía. Además, como método para recopilar datos, el UAV también puede activar o compensar dispositivos IoT en el entorno para alentar a los dispositivos a detectar y transferir datos al UAV [179]

un sistema de recopilación y entrega de datos asistido por UAV en sistemas IoT, donde el UAV está equipado con funcionalidades de transferencia de energía inalámbrica para cargar dispositivos IoT para recopilar datos, así como recibir energía de estaciones base para cargar la batería del UAV [179]

 Laser 

las células de GaAs son adecuadas para longitudes de onda de alrededor de 808 nm, mientras que las células de Si son ideales para el rango de 900-976 nm, que es común para los LD [185]

Diagrama de flujo del algoritmo de búsqueda de ciclo de trabajo óptimo propuesto. [184]

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 $D(n) < D_{min}$.
4. 
   

Diferentes longitudes de onda para datos y energia. espejos dicroicos para combinar y separar los ejes de transmisión de los rayos láser para la transmisión de energía y datos  [184]

Fig. 13 Sistema LWPT con el circuito de control propuesto.  [184]

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  [184]

Diagrama de sistema de comunicación óptica híbrido OWPT y espacio libre.[15] 

Imagen del sistema.[15]

[15] Uiliza un láser de alta potencia de 980 nm como fuente de luz para la transmisión de energía.

Esta longitud de onda del láser se utiliza para la transmisión de energía porque la célula solar de Si, que se utiliza como receptor en este sistema, tiene la mayor eficiencia de conversión en la longitud de onda infrarroja cercana de la luz incidente (940 nm – 980 nm).

Para la transmisión de datos se utiliza un láser rojo de 660 nm. 

La señal que se utiliza para la transmisión de datos se genera mediante un generador de señales  de onda sinusoidal analógica.

 sin utilizar ningún modulador externo

Se utilizan dos espejos dicroicos en el lado transmisor y en el lado receptor. Estos espejos dicroicos de paso largo son idénticos y transparentes para longitudes de onda superiores a 900 nm. la luz de 660 nm que se utiliza para la transmisión de datos será reflejada por estos espejos dicroicos; por el contrario, la luz de 980 nm para la transmisión de energía puede pasar a través de estos espejos

40 cm de distancia entre Rx y Tx 

 la eficiencia de conversión del láser con una potencia óptica de salida de 150 mw se puede medir como 20%. Pero  la máxima eficiencia de conversión de la célula solar de Si es del 22%.

El voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito de la célula solar de Si son 0,58 V y 0,1 A

 La potencia eléctrica de salida máxima de la célula solar es de 33 mW

hay una pérdida de transmisión del 98% debido a la reflexión en los espejos dicroicos en el lado del transmisor y del receptor.

 

Las pérdidas adicionales en la transmisión de potencia provienen de los reflejos en los espejos dicroicos

En el lado del receptor, la célula solar de Si y el fotodetector de Si se utilizan como receptores para la transmisión de energía y datos.

Para la transmisión de datos, se utiliza el método de detección directa de modulación de intensidad (IM-DD). Este método simple es uno de los métodos de modulación analógica. En este caso, la detección de señal y la demodulación se pueden lograr sin ningún oscilador local (LO). El láser se modula directamente sin utilizar ningún modulador externo.

El fotodetector se conectó al osciloscopio para medir los datos y la celda solar se conectó a la carga (pequeña hélice).

 Para mejorar el rendimiento de la transmisión de energía, se necesitan células solares y láser de mayor eficiencia de conversión

el método de aproximación de la corriente de cortocircuito fue propuesto por Tao et al. para resolver el problema de coincidencia de potencia espectral de fondo de un sistema inalámbrico de transmisión de energía láser de múltiples longitudes de onda [156]

Flujo de energía. [156]

una tecnología de transferencia de energía inalámbrica láser basada en el efecto Seebeck (BeE-LWPT). Además, se estudia la mejora en BeELWPT mediante un mecanismo de regulación térmica de rejilla láser transitoria, en vista del área caliente limitada del elemento termoeléctrico en el calentamiento periódico del láser de haz expandido, El efecto Seebeck se refiere al fenómeno termoeléctrico en el que la diferencia de temperatura entre dos conductores eléctricos o semiconductores provoca una diferencia de voltaje. También conocido como primer efecto termoeléctrico, generalmente se explica que los portadores en el conductor se mueven desde el extremo caliente al extremo frío bajo el gradiente de temperatura y se acumulan en el extremo frío, creando una diferencia de potencial dentro del material. [156]

n modo de conducción basado en rejillas transitorias: la configuración espacial del punto del rayo láser se reemplaza por una expansión del haz con modulación de rejilla basada en el efecto de interferencia, que puede obtener un mayor radio de acción y reducir el daño térmico local. evitando al mismo tiempo la gran pérdida de energía que provocan los métodos tradicionales como las mascarillas. [156]

ngitud de onda de 375 nm puede alcanzar más de 0,73 [156]

os investigadores pudieron lograr una transmisión de potencia de hasta 1 km utilizando un láser de disco de alta potencia de 1060 nm y 8 kW [185]

Los LD son altamente eficientes, con eficiencias típicas de conversión de energía que oscilan entre el 30% y el 50%, lo que los convierte en una opción rentable para aplicaciones de alta potencia [185]

Al utilizar LD en sistemas LPT, se puede aumentar la eficiencia general del sistema. Esto se debe a que los LD no sólo son eficientes a la hora de convertir energía eléctrica en luz, sino que también emiten luz en un rango de longitud de onda específico que se adapta bien a las células fotovoltaicas utilizadas en el extremo receptor del sistema. Esto da como resultado una mayor eficiencia fotovoltaica y una mayor eficiencia general del sistema [185]

Gracias a la tecnología de combinación de múltiples LD, la potencia de salida de cada LD se puede combinar en un solo rayo láser de alta potencia. [185]

s utilizar LD pulsados, que son más compactos y rentables que los láseres CW, para aplicaciones LPT. En el funcionamiento en modo pulsado, se puede lograr la misma potencia de salida en diferentes amplitudes, ciclos de trabajo y frecuencias. Por lo tanto, es importante identificar el punto de funcionamiento óptimo donde la potencia de salida y la eficiencia son altas. Para lograr esto, se investigan los efectos de la frecuencia, el ciclo de trabajo y la amplitud de voltaje en LD y LPT probando el LD en diferentes frecuencias, ciclos de trabajo y niveles de voltaje. [185] 

La LPT se puede lograr tanto con un CW como con un rayo láser intermitente. [185]

os LD pulsados pueden alcanzar potencias máximas más altas que los LD CW, os LD pulsados tienen una mayor tolerancia a los reflejos posteriores, lo que puede dañar el LD, os LD pulsados son más eficientes a la hora de convertir energía eléctrica en energía óptica [185]

Colocación del LD en la funda, (a) LD, (b) Lente colimador,

(c) Colocación del LD en el disipador de calor, (d) LD final con disipador de calor montado y lente colocada. [185]

. Se utilizó un 5a con una potencia óptica máxima instantánea de 125 W y una longitud de onda de 905 nm, que está empaquetado en una caja TO-56. Según las especificaciones del fabricante, este LD tiene una duración de pulso típica de 100 [185]

Circuito de Seguimiento del punto de máxima potencia [185]

 La parte receptora del sistema LPT propuesto utiliza una celda de Si

RAMO Para garantizar una conversión eficiente del rayo láser en electricidad, es fundamental que la longitud de onda del LD y el material de la célula fotovoltaica sean compatibles. La energía del fotón dirigido a la célula fotovoltaica debe ser mayor o igual a la energía de banda prohibida del material. Dado que la energía de un fotón es proporcional a su frecuencia y, por tanto, a su longitud de onda, las células fotovoltaicas responden a longitudes de onda de rayo láser específicas que coinciden con las energías de banda prohibida de la celula  [185]

Rendimiento de la celda

uchos académicos han estudiado la variación en el rendimiento de la celda fotovoltaica, como el voltaje de circuito abierto, la corriente de cortocircuito, el voltaje del punto de máxima potencia, la corriente y la eficiencia de conversión fotoeléctrica con la irradiancia solar y la temperatura a través de modelos y experimentos [157][158][159][160] 

el modelo de diodo único , el modelo de diodo doble y el modelo de diodo triple [156]

Como fuente de alimentación de entrada del convertidor CC-CC, si la impedancia de salida equivalente de la célula fotovoltaica coincide con la impedancia de entrada equivalente del convertidor CC-CC determina la estabilidad del sistema LWPT. Para mantener la estabilidad del sistema LWPT, la impedancia de salida de la celda fotovoltaica debe minimizarse dentro del rango de frecuencia de funcionamiento que la impedancia de entrada equivalente del convertidor CC-CC [156]

el margen de estabilidad de magnitud aumenta y el margen de estabilidad de fase disminuye con la frecuencia en la banda baja (1 Hz a 2 kHz) con el aumento de la frecuencia, la capacitancia del filtro de entrada puede filtrar la perturbación. Sin embargo, cuando la frecuencia es superior a 100 kHz, el margen de estabilidad de fase no existirá [156]

Esta configuración incluye un MOSFET S1 conectado en serie con el LD y un diodo Schottky D conectado en paralelo. La fuente de alimentación controla el voltaje del LD y proporciona la energía necesaria para el LD. El diodo Schottky sirve como protección contra sobretensión, polarización inversa y descarga electrostática como diodo de sujeción [156]

La transferencia de energía inalámbrica bidireccional (BWPT)

a mayoría de las aplicaciones, generalmente se necesita una comunicación de datos confiable entre el lado primario y el lado secundario en el control de circuito cerrado para mejorar el rendimiento del sistema, por ejemplo, control de retroalimentación de voltaje de salida, monitoreo de carga, sincronismo y coordinación entre los dos lados [162]

las tecnologías de comunicación inalámbrica convencionales como Bluetooth, WiFi y enlaces de radiofrecuencia (RF) se pueden utilizar en aplicaciones TIP para la transferencia inalámbrica de datos, pero estas tecnologías necesitan un emparejamiento complicado y conllevan un mayor costo del sistema.  [163]

propone un método de transmisión paralela de energía y datos, donde la energía se transfiere mediante bobinas inductivas, mientras que los datos se transfieren mediante placas capacitivas de aluminio. Los resultados muestran que la transferencia de datos tiene tolerancia a la desalineación lateral. Sin embargo, cuando se produce una desalineación, el voltaje de salida de la transferencia de energía disminuye significativamente. Otra limitación es que sólo se considera una dirección de desalineación [167]

un método de transmisión paralela de potencia y datos basado en el concepto de corriente triangular, donde la potencia se transfiere mediante el componente fundamental, mientras que los datos se transfieren mediante el armónico de tercer orden. Los datos se modulan cambiando la frecuencia de trabajo del inversor. Desafortunadamente, esto afectaría la resonancia y, por tanto, la eficiencia de la transferencia de energía. [163] 

propone un método de transferencia de datos basado en el concepto de inyección de energía. Los datos primero se modulan cambiando el voltaje del lado del transmisor y luego se demodulan aprovechando las características del flujo de energía. Sin embargo, este método deterioraría el voltaje de salida de la transferencia de energía y la transferencia de datos está sujeta a perturbaciones en el voltaje de energía. [164]

la interferencia de la transferencia de energía a la transferencia de datos debe minimizarse para obtener una buena SNR (relación señal-ruido [162]

propone un método de transmisión paralela de energía y datos a través de canales de acoplamiento separados. La transferencia de datos casi no afecta el flujo de energía. Sin embargo, debido al acoplamiento cruzado entre los canales de transferencia de energía y de datos, la interferencia cruzada entre la transferencia de energía y la transferencia de datos es complicada, lo que no favorece la transferencia de datos  [165]

 propone un método de transmisión paralela de energía y datos por el mismo canal de acoplamiento [166]

Diferentes trabajos bidireccionales [162]

Arquitectura del sistema BD-IPT propuesta para la carga de vehículos eléctricos. BD-IPT, transferencia de potencia inductiva bidireccional; EV, vehículos eléctricos [161]

se puede realizar controlando el convertidor CA/CC para cambiar la dirección de la ruta de energía. La tecnología BWPT supera la limitación de la ruta de transmisión única de la WPT [161]

se propone un nuevo método de transmisión paralela de potencia y datos para sistemas de transferencia de potencia inalámbrica (WPT) basado en una estructura de acoplamiento desacoplada magnéticamente. Se utilizan bobinas unipolares para la transferencia de potencia, mientras que se utilizan bobinas bipolares perpendiculares conectadas en serie para la transferencia de datos. Las bobinas de transferencia de datos se colocan superpuestas con las bobinas de transferencia de potencia tanto en el lado primario como en el lado secundario, respectivamente, para formar una estructura compacta. En particular, las longitudes laterales de las bobinas de transferencia de datos están diseñadas intencionalmente para que sean más pequeñas que las bobinas de transferencia de potencia. Por lo tanto, en el área de desalineación específica de cuatro cuadrantes, la interferencia de diafonía entre los canales de transferencia de potencia y datos casi se puede ignorar, lo que da como resultado un diseño sencillo del circuito de procesamiento de datos. Con la estructura de acoplamiento propuesta, la transferencia de datos presenta una capacidad de desalineación simétrica. Además, el canal de transferencia de datos se utiliza para realizar el control de bucle cerrado del voltaje de salida en el sistema WPT. Por lo tanto, en el área de desalineación específica de cuatro cuadrantes, también se puede lograr una transferencia de potencia estable. La viabilidad del método de transferencia de datos y potencia en paralelo propuesto se verifica mediante un prototipo de laboratorio de 122 W. La eficiencia del sistema alcanza el 87 % y la velocidad de transferencia de datos es de 19,2 kbps. (Esta carta va acompañada de un vídeo que muestra la prueba experimental) [162]

Ejemplo

    Un buque nodriza UUV equipado con la función BWPT puede reabastecer energía eléctrica a través del mar marino y transmitir la energía almacenada a equipos no tripulados en mares profundos y distantes. De esta manera, el barco nodriza equivale a una “estación de carga móvil submarina [28][29]

WPIDR duplex

Circuito simplificado del sistema WPIDT basado en MCR. E1 es la fuente de CC de entrada, Cd1 y Cd2 son la capacitancia del filtro y RL es la resistencia de carga. Vs1 y Vs2 indican la fuente de datos, Vs0 y Vl0 indican el voltaje del receptor de datos. Zs0 y Zl0 indican los circuitos de adaptación, Rs1 y Rl2 son la resistencia, Cs1 y Cl2 son la capacitancia, Ls1 y Ll2 son la inductancia.

Para construir un modelo de comunicación dúplex para WPIDR se introducen en el sistema dos fuentes de señal (Vs1 y Vs2) y circuitos de adaptación (Zs0 y Zl0). E1 es la fuente de CC de entrada, Cd1 y Cd2 son la capacitancia del filtro y RL es la resistencia de carga. Vs1 y Vs2 indican la fuente de datos, Vs0 y Vl0 indican el voltaje del receptor de datos. Zs0 y Zl0 indican los circuitos de adaptación, Rs1 y Rl2 son la resistencia, Cs1 y Cl2 son la capacitancia, Ls1 y Ll2 son la inductancia. [142] 

Modelo de circuito del sistema WPIDT: b1 corresponde a un modelo lineal simplificado de dos puertos, ViM y VoM denotan la fuente de datos equivalente, Zs y Zl denotan la impedancia equivalente, v1 y v2 denotan el voltaje de salida de la señal. b2 corresponde a un modelo equivalente de sistema basado en MCR. C1 ~ C4 denotan la capacitancia, Rp1 ~ Rp4 denotan la resistencia y L1 ~ L4 denotan la inductancia de los resonadores. k12, k23 y k34 denotan el coeficiente de acoplamiento de las bobinas, ds es la distancia entre L2 y L3

En este trabajo, Zs y Zl se diseñan cuidadosamente a 50 Ω (marcados como R0) para que el sistema de comunicación sea consistente con el entorno de medición estándar de 50 Ω.

Esquema del prototipo WPIDT basado en MCR, que incluye una entrada de CC E1 (a1), una carga de CC RL (a7), un convertidor elevador/reductor como generador de datos (a2 y a5), dos circuitos de adaptación (a3 y a6), un inversor de puente completo y un rectificador (a2 y a5), y MCR (a4). Ld1 y Ld2 denotan inductancia, Cd1, Cd2, Cp1 y Cs1 denotan capacitancia, Sd11 ~ Sd22 denotan interruptores, D1 ~ D4 denotan diodos. Zs0 y Zl0 denotan los circuitos de adaptación, Rs1 y Rl2 son la resistencia, Cs1 y Cl2 son la capacitancia, Ls1 y Ll2 son la inductancia. L1 ~ L4, C1 ~ C4 y Rp1 ~ Rp4 denotan la inductancia, capacitancia y resistencia de los resonadores. k12, k23 y k34 denotan el coeficiente de acoplamiento entre bobinas, ds denota la distancia entre L2 y L3. Vref es el voltaje de referencia, Vc es el voltaje de la señal y δ(t) es la señal PWM.

Fotografía del sistema prototipo correspondiente a a. c Fotografía de la placa de circuito del lado frontal. d Fotografía de la placa de circuito del lado de carga. e Comparación entre los valores teóricos y medidos de jS21j cuando ds = 70 cm. fs es la frecuencia de barrido y Ws es el ancho de banda. f Comparación de los valores teóricos y medidos de jS12j cuando ds = 70 cm

El MCR consta de la bobina de accionamiento, la bobina transmisora, la bobina receptora y la bobina de carga, cada una de las cuales tiene un diámetro de 50 cm y está alineada a lo largo de un eje. Las bobinas de accionamiento y de carga tienen 2 espiras y L1 ¼ L4 ¼ 2:18 μH, mientras que las bobinas transmisora ​​y receptora tienen 10 espiras y L2 ¼ L3 ¼ 90 μH. Las bobinas transmisora ​​y receptora están distribuidas compensadas para aumentar el factor de calidad de las bobinas. La distancia entre la bobina de accionamiento y la bobina transmisora ​​se fija en 15 cm, al igual que la distancia entre la bobina receptora y la bobina de carga. En el experimento, la distancia ds entre las bobinas transmisora ​​y receptora se fija en 70 cm, por lo que la distancia de transmisión de todo el sistema es de aproximadamente 1 m.

En el prototipo del sistema WPIDT, el convertidor elevador frontal funciona como regulador de potencia y transmisor de datos para la comunicación descendente. Como regulador de potencia, regula el voltaje de CC de salida en función de la retroalimentación del lado de la carga; como transmisor de datos, transmite señales de datos moduladas a una frecuencia f 1. 

De manera similar, el convertidor reductor del lado de la carga sirve como regulador para el control de la impedancia de entrada y como transmisor de datos para la comunicación ascendente. La técnica de modulación dual de potencia y señal (PSDM), que se presentó en nuestros trabajos anteriores [132][133][134][135] el método (ver Método PSDM), se aplica en los convertidores elevadores del lado frontal y reductores del lado de carga para conversión de potencia y modulación de datos simultáneas. Durante la comunicación, un microcontrolador (STM32G431) Transporta informacion

 Ancho de banda 800 kHz

 frecuencia de la portadora de datos se establece en f 1 ¼ 100 kHz

, el inversor de puente completo convierte CC en CA a 6:78 MHz

 un rectificador de puente completo restaura la potencia de CA a la salida de CC.

el rectificador también es un mezclador de frecuencia

cambia la frecuencia del portador de datos de 6:78 ± 0:1 MHz a 100 kHz.

 en una red RLC paralela con una frecuencia de resonancia de 100 kHz

 se muestrea y demodula digitalmente mediante otro microcontrolador (STM32G431) 

Durante la comunicación ascendente, envía datos modulados con señal PSK.

Para Superficies metalica

Sistema inalámbrico basado en ondas Zenneck (ZW)

. El sistema de transmisión Zenneck Wave, (a) modos de campo localizados excitados en las superficies metálicas (b) a través de escudos parciales de Faraday, supera a los sistemas TIP basados en acoplamiento (c) transferencia de energía a través de obstáculos metálicos.[140]

El sistema tiene dos componentes (a) una superficie de impedancia respaldada por tierra de placas paralelas, (b) un transformador de media longitud de onda. Se utiliza un sustrato de PET como dieléctrico que está intercalado por dos capas de cobre. La capa de cobre inferior es una superficie de malla que forma la impedancia. La capa superior de cobre es una placa sólida que forma el suelo[140]

los turnos primarios son 2; radio primario = 20 mm; vueltas secundarias = 37,5; radio 18 mm, paso 4,5 mm; espaciador vertical de la bobina = 230 mm. El tamaño de malla Ax = 30 mm y Wx = 150 mm, la altura de las capas de cobre es de 0,5 mm.  [140]

El sistema propuesto tiene una eficiencia >60% [140]

 Los transceptores se colocan a 8 metros de distancia bajo un blindaje y la eficiencia calculada a partir de la relación de potencia del receptor a la del transmisor es del 57%.  [140]

Este sistema genera ondas electromagnéticas en la zona de frecuencia de RF en la interfaz del metal y el aire. Uno de los potenciales demostrados por el concepto era abordar el desafío de la transmisión de potencia de RF a través de escudos de Faraday parciales o con fugas [140]

un sistema construido para el espectro de frecuencia de 36MHz [141]

 transmitir incluso a través de tuberías metálicas de 70 metros de longitud con obstáculos metálicos.[141]

25 metros entre la unidad transmisora y la receptora [141]

Hu et al. propuso el sistema transceptor piezoeléctrico para la transmisión de energía a través de delgadas paredes metálicas, con una unidad de almacenamiento de energía en el extremo del receptor  La capacidad de transmisión de potencia se mantuvo en torno a los 6,35 vatios [142]

Graham et al, investigaron en detalle el índice de rendimiento de los métodos de transferencia de energía inductiva (IPT), piezoeléctrico y EMAT para la transmisión de energía y señales de comunicación a través de tuberías metálicas la eficiencia de EMAT rondaba el 4% [143]

Se propuso el uso de un híbrido de acoplamiento inductivo y capacitivo para transmitir energía a través de barreras metálicas a una frecuencia de 479 KHz e basa en generar un campo magnético en la propia barrera metálica haciendo pasar corriente eléctrica a través de ella mediante un enlace capacitivo al metal. Este flujo de carga generado en el metal es captado por una bobina inductiva situada en el otro lado [144] eficiencia en el receptor es de alrededor del 14 % [140]

propuso un enlace de comunicación inalámbrica confiable, a una frecuencia de 100 Hz se observó la penetración de un campo magnético metálico. [145]

un sistema WPT de tres bobinas con el fin de transmitir energía a través de pequeñas barreras metálicas. El sistema se basa en una ranura hecha en la barrera metálica y en ella se incrustó una bobina que recoge la energía del transmisor y la conecta al receptor [146]

a capacidad de manejo de energía del sistema presentado oscila entre 32 y 56 vatios, con 32 V y 1,04 A, lo que es suficiente para alimentar la mayoría de los paquetes de baterías utilizados en los dispositivos IoT. El sistema puede manejar hasta 800 Watts sin ningún problema. En el pasado también demostramos la capacidad de alimentar de manera uniforme múltiples receptores [140].

.

Las ondas de RF sufren una gran atenuación en el agua de mar y pueden propagarse a largas distancias sólo a frecuencias muy bajas (30-300 Hz) requiere antenas grandes y potencias de transmisión elevadas, [150]

transferencia simultánea de energía e información de ondas de luz (SLIPT)

.investigamos el desempeño de los sistemas UVLC con capacidad SLIPT  [178]

CONSUMO ACTUAL PARA LAS DIFERENTES FUNCIONES HABILITADAS [150]

Al diseñar un enlace para transferir simultáneamente energía e información en un canal submarino, se deben tener en cuenta la atenuación y los efectos de la turbulencia para garantizar la entrega de una cantidad suficiente de energía para realizar las dos funciones SLIPT. [150]

Una posible forma de reducir el impacto de la turbulencia es utilizar múltiples longitudes de onda para las funciones de transferencia de información y recolección de energía. [150]

El uso de múltiples longitudes de onda puede proporcionan una ganancia de diversidad en un entorno submarino hostil, si se codifican diferentes copias de la misma señal en distintas longitudes de onda portadoras que se ven afectadas de manera diferente por las distorsiones inducidas por turbulencias [155]

Arquitectura de receptor para métodos (a) ADS, (b) TS, (c) PS y (d) TS-PS. [150]

tres métodos SLIPT, a saber, conmutación de tiempo (TS), división de potencia (PS) y división de potencia de conmutación de tiempo (TS-PS) [178]

os métodos SLIPT considerados son superados por el método simple de separación AC-DC (ADS), que proporciona la mayor región de energía recolectada versus eficiencia espectral (HE-SE). [178]

los métodos TS, PS y TS-PS propuestos superan al método ADS especialmente para valores bajos y medios de eficiencia espectral[178] 

El Panel Solar

. El ancho de banda de las células solares disponibles comercialmente suele estar restringido a unas pocas decenas de KHz, requiere el uso de un convertidor de digital a analógico (DAC) en el transmisor y un convertidor de analógico a digital (ADC) en el receptor [150]

 El uso de formatos de modulación avanzados, como la modulación de amplitud en cuadratura M y la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (M-QAM OFDM), puede potencialmente escalar la capacidad de transmisión [150]

o diseño de un panel solar como fotorreceptor [151]

[152]  establecieron un enlace VLC y utilizaron un panel solar orgánico como receptor. 

En demostraciones anteriores también se utilizó un panel solar de 5 cm2. como receptor para un enlace de comunicación submarino sobre un tanque de agua de 7 m de largo [153]

Rakia et al. propuso recolectar energía del salto VLC, extrayendo el componente de corriente continua (DC) del receptor iluminado por un LED [147] o, la energía recolectada se aprovecha para retransmitir la información a través del enlace de RF

el uso de una célula solar de silicio de bajo costo para decodificar señales VLC de baja frecuencia y recolectan energía óptica en una corta distancia de propagación de 40 cm [148]

propusieron el uso de sistemas VLC con capacidades de recolección de energía para eventos de reunión nocturna [149] para aplicaciones en interiores a través de comunicaciones inalámbricas visibles e infrarrojas. [150] 

La célula solar de [150] puede entonces tener dos estados posibles:

• Entrega directamente energía a una batería o a un supercondensador, al mismo tiempo que su carga es monitoreada por un circuito de activación.

• Tiene polarización de voltaje inverso y la corriente de salida pasa a través de un amplificador de transimpedancia y un comparador. 

Ambos circuitos están implementados por un sistema programable en chip (PSoC). El circuito principal está conectado a un microcontrolador de bajo consumo que recibe la señal y procesa los datos (guardándolos o ejecutando los comandos).

Conmutación por tiempo

el receptor, que posiblemente sea una célula solar de bajo coste, conmuta entre el modo de recolección de energía y el modo de decodificación de información, más conocidos como modo fotovoltaico y fotoconductor

conmutación temporal [150]

. La cantidad de energía recolectada depende de la eficiencia de conversión de la célula solar.

La sincronización del modo fotovoltaico y el modo fotoconductor es crucial y se puede realizar mediante programación de hardware. La función de conmutación se puede realizar mediante un relé de baja potencia.  [150]

División del poder

división de poder [150]

el terminal receptor se carga simultáneamente mientras se decodifica la información transportada por el haz de luz incidente  [150]

Un dispositivo clave necesario para esta configuración es el divisor de potencia, La porción de potencia αPR se usa para recolectar energía, mientras que la porción (1 − α)PR se usa para decodificar la señal recibida.  [150] ogra la transferencia simultánea de energía y potencia.

es posible lograr velocidades de transmisión más altas porque la decodificación se puede realizar mediante un fotodiodo (PD) de alta velocidad.

División espacial

división espacial [150]

involucra múltiples transmisores y múltiples receptores con capacidades de decodificación de información y recolección de energía. La conmutación de tiempo se puede aplicar dentro de esta configuración donde el mismo receptor puede actuar como un "recolector de energía" y un "decodificador de señales" en diferentes intervalos de tiempo. [150]

Trabajos

se utilizó una célula solar de arseniuro de galio (GaAs) para realizar una transmisión de 0,5 Gb/s a través de un enlace espacial libre de 2 m de longitud [154]

, la energía recolectada y la velocidad de datos están directamente asociadas a la frecuencia de la señal eléctrica debido al condensador y al inductor de acoplamiento. [153]

 Esquema que ilustra la configuración experimental del SLIPT submarino con conmutación de tiempo y su programa de diagrama de bloques. [150] 

 En el Módulo Sensor Autoalimentado El receptor, una plataforma sensora autoalimentada formada por una célula solar de 55 × 70 mm [150] 

El estado de la célula solar se controla mediante un relé de baja potencia, que cambia la conexión de la célula solar al circuito, Los datos recopilados se guardan en una tarjeta digital segura (SD), Si VB ≥ Vth, el panel solar cambia al modo receptor y recibe comandos, que incluyen encender/apagar un sensor en particular y enviar/retransmitir los datos guardados en la tarjeta de memoria.  [150]

Al ejecutar todos los comandos necesarios, el panel solar cambia al modo de recolección de energía y cuando alcanza la carga completa de la batería, el módulo entra al modo de suspensión [150]

 enciende el sensor de temperatura para medir la temperatura dentro del tanque de agua durante un período de más de dos horas. La temperatura del agua se controla mediante dos enfriadores fijados a los dos lados del tanque [150] La carga completa de la batería del módulo de 840 mW tarda aproximadamente 124 minutos utilizando el láser azul y el rendimiento alcanzado cuando el panel solar actúa como receptor de información es igual a 500 kbit/s [150]

)(a) Cámara submarina autoalimentada. Fotografía del módulo (b) siendo cargado por una fuente LED, (c) transmitiendo información (transmisión de video) con un láser rojo y (d) desplegado en un arrecife de coral en el Mar Rojo. [150]

El IoUT está formado por un circuito PSoC frontal analógico, alimentado por un supercondensador de 5 F, que se puede cargar a través de un panel solar (similar al de 55 × 70 mm utilizado para realizar la primera demostración). [150]

. También se conecta un láser rojo de baja potencia al circuito para la transmisión de vídeo. El dispositivo se fija en el fondo de un tanque vertical con agua de mar. Usando una fuente LED

la carga completa del supercapcitor tarda aproximadamente 1 h 30 min [150]

Diseños de hardware para la transmisión de información y energía en un RIS. Tipo 1: Los elementos de captación de energía y de reflexión de información están completamente separados y distribuidos en bloques. Tipo 2: Estructura en bloques con separación incompleta de los elementos de captación de energía y de reflexión de información. Tipo 3: Los elementos de captación de energía y de reflexión de información se alternan entre sí en una distribución dispersa [183]

Etapa I: Transmisión de energía de enlace descendente: La CPU recopila la información transmitida por el AP a través del fronthaul y envía comandos de control al AP después del procesamiento de la señal. Con base en la señal recibida, el AP decide si transmitir señales de energía inalámbrica al RIS para la recolección de energía. Especialmente, cuando el nivel de energía almacenada en el RIS excede un valor umbral, el controlador RIS transmite una señal de retroalimentación al AP para terminar la transmisión de energía.[183]

 Etapa II: Transmisión de datos: En el enlace ascendente, el UE primero envía una señal piloto a los AP que llega a los AP directamente o a través del canal en cascada del RIS. Luego, los AP reciben la señal piloto y la transmiten a la CPU a través de un fronthaul dedicado para la estimación del canal. Posteriormente, el UE envía sus datos de enlace ascendente y los AP reciben la señal a través de una ruta directa, así como la señal reflejada que llega a través de la formación de haz del RIS. Además, los AP envían sus datos recibidos a la CPU, que realiza un procesamiento de señal conjunto para la detección de datos. Finalmente, la CPU obtiene la señal decodificada de enlace ascendente en función de la estimación del canal global. [183]

A continuación, el precodificador de enlace descendente genera la señal de datos de enlace descendente y la transmite al AP, que finalmente llega a los UE a través del RIS. Mientras tanto, el AP genera la señal para controlar el RIS para la adaptación de fases. Obsérvese que si el AP desea realizar un control dinámico del RIS, es necesario modificar la estructura de trama e insertar algunos intervalos de tiempo de control. En consecuencia, puede ser necesario implementar módulos de procesamiento de señales en el RIS para responder a las señales de control.[183]

La implementación de hardware de RIS se basa en el concepto de “metasuperficie”, cada elemento de la cual es una unidad estructural programable de sublongitud de onda compuesta de metamateriales bidimensionales En la práctica, la matriz de puertas programables en campo (FPGA) se puede utilizar como un controlador para lograr un control flexible del RIS,[183]

Los elementos de recolección de energía están conectados con una pieza de hardware de almacenamiento de energía. , que puede almacenar la energía recolectada y respaldar la energía 

Modos de operación 1) RIS centralizado 2) RIS Distribuido no cooperativo: [183]

la comunicación inalámbrica óptica submarina (UWOC)

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