Revision: Laser wireless power transfer and thermal regulation method driven by transient laser grating

El artículo presenta un sistema laser basado en el efecto Seebeck  BeE-LWPT que calienta periódicamente un área limitada del elemento termoeléctrico con un láser de haz expandido, enfocado en la regulación térmica de la rejilla láser transitoria. Usa una longitud de onda de 375 nm, y un calentador de extremo caliente con placa de cobre. Su eficiencia de conversión es de ~8,48%. La potencia es de 5 W con un haz expandido a un radio de 10 mm . 

Se utilizó simulación por elementos finitos para analizar la respuesta térmica del sistema bajo diferentes configuraciones de láser, validando los resultados experimentales con modelos teóricos.

 

El componente tric es de 40 mm (W) × 40 mm (L) × 3 mm (H), en el que el espesor de la lámina de cobre es de 2 mm y el espesor de la cerámica es de 1 mm

 Definicion de  Basada en el efecto fotovoltaico (PV), la TIP láser tradicional (LWPT)

Su modo de conversión de energía ,Apuntando al área caliente limitada del elemento termoeléctrico calentado periódicamente usando el láser de haz expandido, se estudia el efecto de mejora del mecanismo de regulación térmica de la rejilla láser transitoria en BeE-LWPT

Las simulaciones multifísicas de la respuesta de temperatura del extremo caliente de la placa de cobre modulada por el punto del rayo láser se llevan a cabo con un software comercial de elementos finitos. En comparación con el método tradicional de expansión del haz para el control de la temperatura, el método de modulación propuesto basado en la rejilla láser transitoria tiene una respuesta de temperatura más estable y un área de calentamiento más uniforme, lo que significa un mejor efecto de regulación

Graficas de cambios de temperatura

El sistema BeE-LWPT muestra ventajas estructurales al eliminar componentes de refrigeración, pero su baja eficiencia de conversión es un obstáculo. La modulación por rejilla mejora la distribución térmica, reduciendo el daño térmico y aumentando la superficie efectiva de conversión.

Usos mensionados

vehículos aéreos no tripulados (UAV), la carga de vehículos de nueva energía y equipos electrónicos de consumo, y el tratamiento médico implantable

El WPT por láser está destinado principalmente a la carga de dispositivos electrónicos y UAVs de alta altitud, ofreciendo una solución inalámbrica eficiente para escenarios de larga distancia y sin contacto.

Teoria vista

El efecto Seebeck

Efecto fotoelectrico

Los conceptos teóricos incluyen el efecto Seebeck, la modulación por rejilla, la eficiencia de conversión eléctrica-óptica, y la eficiencia de conversión térmica-eléctrica.

Funcionamiento

Cuando se irradia un láser sobre la superficie del material, una parte se refleja y la parte restante ingresa al material e induce procesos fotoquímicos y fototérmicos 

 El proceso sigue cinco fases principales: 

(1) conversión de energía eléctrica en un láser pulsado, 

Mediante un láser pulsado en el lado de la fuente de alimentación, y la energía se emite mediante un material termoeléctrico en el lado de la carga. 

(2) modulación espacial del láser,

 (3) propagación e irradiación sobre el componente termoeléctrico, 

(4) generación de un campo de temperatura, y 

(5) conversión de energía térmica en energía eléctrica. La modulación por rejilla del láser mejora la uniformidad de la temperatura y la eficiencia de conversión.

Hay un pico instantáneo en la curva de datos de temperatura-tiempo de la estructura del extremo caliente compuesta de cobre-cerámica, el valor pico de la superficie superior es ∼62,5 ○C más alto que el nivel estable, y el de la superficie inferior es ∼29,8 ○C más alto que el nivel estable. 

La placa de cobre tiene un efecto de "aislamiento" significativo en el valor pico de la parte calefactora. Para la sección transversal efectiva del extremo caliente donde se encuentra la interfaz cobre/cerámica, su temperatura general está generalmente entre el punto central y la envolvente de la curva del dominio del tiempo del punto característico del borde exterior de la parte calefactora.área, y el límite superior de la envoltura cambia periódicamente. 

Espacialmente, las curvas de datos de temperatura-distancia de las superficies superior e inferior de la placa de cobre muestran una "protuberancia" típica. El radio del área correspondiente a la posición de la mitad del ancho de la "protuberancia" es ∼9 mm, que es 10 mm menor que el radio del área irradiada. (4) Después de reemplazar el método de modelado espacial del punto del rayo láser de expansión del rayo a modulación de rejilla basada en el efecto de interferencia, la ley general de la respuesta de temperatura del extremo caliente no cambia, especialmente la periodicidad temporal de la sección transversal efectiva del extremo caliente.

 Se mantiene la misma potencia del láser, el valor pico instantáneo de la curva de datos de temperatura de la superficie-tiempo de la placa de cobre es ∼38,4 ○C más alto que el nivel estable, que es mucho más bajo que los datos de 62,5 ○C en el estado del punto del rayo, y la curva en el segmento estable es más plana. Además, la temperatura de la superficie inferior de la placa de cobre varía con el espacio.

Parametros

El análisis del proceso de conversión de energía de BeELWPT y la eficiencia de conversión de cada enlace muestra que bajo la combinación típica de parámetros, por ejemplo, un láser de pulso de milisegundos de longitud de onda de 375 nm y una estructura de absorción de calor de extremo caliente de placa de cobre, la eficiencia de conversión general de energía civil es de ∼8,48%.

 Cuando el ancho del pulso láser es de 0,05 ms, la potencia es de 5 W y el haz se expande hasta un radio de 10 mm. 

El componente tric es de 40 mm (W) × 40 mm (L) × 3 mm (H), en el que el espesor de la lámina de cobre es de 2 mm y el espesor de la cerámica es de 1 mm. Las propiedades materiales del cobre y la cerámica se muestran e

 El radio característico de la posición de la mitad del ancho de la curva de cambio aumenta considerablemente de 9 mm en el estado de haz expandido a 14 mm, y el aumento del área correspondiente es cercano al 100%. Esto demuestra que la proporción de partes ineficaces de la conversión de luz-calor está controlada.

Mension de resultados vistos

El sistema logra una eficiencia global de conversión del 8.48% bajo condiciones típicas, con un pico de temperatura de 62.5°C en la superficie superior del cobre.

 La modulación por rejilla reduce el pico de temperatura y expande la superficie efectiva de alta temperatura en un 100%, optimizando el proceso de conversión térmica a eléctrica

Estructura

La estructura clave incluye un láser pulsado en el lado de la fuente de energía y un material termoeléctrico en el lado de la carga, simplificando el diseño y operación del sistema.

Destacan los láseres de pulso milisegundos y los componentes termoeléctricos hechos de cobre y cerámica. La modulación por rejilla del láser permite una distribución de calor más uniforme, lo que es crucial para la eficiencia del sistema.

aporte

El sistema de transferencia de energía inalámbrica por láser (WPT) basado en el efecto Seebeck (BeE-LWPT) presenta una innovación en la conversión de energía, eliminando la necesidad de componentes de refrigeración tradicionales basados en LWPT de efecto fotovoltaico . 

En comparación con la LWPT tradicional basada en el efecto fotovoltaico, BeE-LWPT no requiere componentes de refrigeración adicionales. El componente de refrigeración es relativamente simple en estructura y modos de operación. 

El esquema BeE-LWPT propuesto en este artículo abandona los componentes de refrigeración tradicionales 

 y tiene la ventaja de una estructura compacta.

Bibliografia

[1] D. Yao, B. Gao, H. Qiang, X. Wang, K. Wen, and D. Wang, “Laser wireless power transfer and thermal regulation method driven by transient laser grating,” AIP Adv, vol. 12, no. 10, Oct. 2022, doi: 10.1063/5.0106968.