Revision: Pulsed Laser Diode Based Wireless Power

Este sistema utiliza un LD para convertir energia en un haz láser con una longitud de onda de 650 nm  , y una célula fotovoltaica la convierte en energia. Al variar los parametros, logro transmitir en 50cm 200,2 mW al aplicar 3,41 W al LD , con un ciclo de trabajo del 10 \% y un voltaje de 6,2 V, eficiencia total del  7.76 % se valio de TMS320F28379D  y MOSFET  para la señal PWM

El LD se alineó utilizando un láser con una longitud de onda de 650 nm para evitar que el haz cayera sobre los conductores metálicos de la celda fotovoltaica, para asegurar que el haz siempre estuviera enfocado en el mismo punto y para mantener la alineación de la lente constante ya que la longitud de onda del LD utilizado para LPT no está en la región visible. La distancia entre el transmisor y el receptor se fijó en 50 cm para eliminar los efectos de la distancia. Finalmente, para obtener la máxima potencia de la celda fotovoltaica, la potencia se transfirió a la carga a través del circuito que sigue al MPP. Los valores de corriente y voltaje del LD y la celda fotovoltaica se midieron utilizando el osciloscopio de la figura.

 Los láseres de onda continua (CW) se utilizan en estudios debido a su alta potencia y radiación continua. Sin embargo, una de las principales desventajas del sistema mencionado es el alto coste del LD

 Aquí, se utiliza una fuente de alimentación de CC para controlar la amplitud de voltaje y un controlador DSP para ajustar la frecuencia y el ciclo de trabajo del LD. Se utilizó el LaunchPad TMS320F28379D de Texas Instruments como controlador. Los MOSFET en los circuitos de control del LD y MPPT se conmutaron utilizando señales PWM generadas por el controlador. Al controlar el MOSFET con la señal PWM, el LD se controló y emitió láser en diferentes condiciones. Normalmente, la alineación es uno de los aspectos más importantes de la práctica de LPT, ya que pequeñas fluctuaciones en el LD cambian demasiado la posición del haz láser en el lado receptor. Sin embargo, en este estudio, no se encontró tal problema.

Metodos WPT

propone el uso de LD pulsados en aplicaciones LPT debido a su pequeño tamaño y bajo costo.[]

a medida que aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor, la eficiencia de la TIP disminuye

Mension de logros previos

 las diferencias entre el estudio propuesto y los estudios LPT en la literatura

La descripción y el modelado del sistema se analizan en la Sección II. 

Las matematicas

La Sección III demuestra la configuración experimental y presenta los resultados que obtuvimos de los experimentos. 

Finalmente, la Sección IV presenta las conclusiones y estudios futuros.

Materiales

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. 

Es importante elegir el tipo correcto de célula fotovoltaica (PV). Existen varios estudios que investigan este aspecto, incluido el efecto de la intensidad y la temperatura del rayo láser sobre la energía fotovoltaica, así como la selección y desarrollo de materiales fotovoltaicos adecuados para diferentes longitudes de onda del láser

El hardware clave incluye el LD, el circuito de control de voltaje, y la célula PV. 

Teoria

Los conceptos incluyen la curva característica V-I de los LD, la eficiencia de conversión electro-óptica, y el impacto de la temperatura en la eficiencia del sistema.

PArametros

. 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

La investigación logró una potencia de salida máxima de 200.2 mW en la célula PV bajo condiciones óptimas de 20 kHz, 10% de ciclo de trabajo, y 6.2 V de voltaje. La eficiencia total del sistema alcanzó el 7.76% en estos parámetros, mostrando que los LD pulsados son viables para WPT..

Se observó que el sistema lograba su máxima eficiencia y potencia de salida en frecuencias más altas (15-20 kHz) y bajos ciclos de trabajo (10-15%). Las pruebas demostraron que un ajuste fino de estos parámetros es esencial para optimizar la transmisión de energía.

estructura

La parte del transmisor, que incluye el diodo láser (LD) y el circuito de conducción, afecta directamente la eficiencia del sistema

Diagrama esquemático de un sistema LPT []

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

 f 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

Circuito de Seguimiento del punto de máxima potencia

 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 

Funcionamiento

Consta de dos partes principales, el transmisor y el receptor. 

El transmisor convierte la energía eléctrica en un el haz láser  mediante un diodo láser (LD), que luego se dirige hacia el receptor a través de una lente colimadora. 

En el receptor, el el haz láser  se convierte nuevamente en energía eléctrica con una célula fotovoltaica (PV) para alimentar una carga, accionar un motor o cargar una batería. Para garantizar una conversión eficiente del rayo láser en electricidad en el receptor

 

Le la eficiencia depende del ajuste preciso de la frecuencia, amplitud de voltaje y ciclo de trabajo del LD.

usos

n embarcaciones móviles, vehículos aéreos y terrestres, o en TIP del espacio a la tierra o viceversa.

El sistema WPT basado en LD pulsados se destina a aplicaciones en vehículos aéreos no tripulados, dispositivos móviles, y potencialmente en sistemas espaciales para la transmisión de energía a larga distancia.

aportes

La metodología empleó pruebas experimentales y simulaciones para evaluar el rendimiento del LD en diferentes condiciones de operación, variando frecuencia, voltaje y ciclo de trabajo para determinar el punto óptimo de funcionamiento. 

• Transmisor de bajo costo que utiliza LD pulsado en aplicaciones LPT mejora la eficiencia en la transmisión de energía a larga distancia, siendo especialmente útil para dispositivos móviles como drones.

• Investigación de los efectos de los cambios de frecuencia, voltaje y ciclo de trabajo en el rendimiento de LD y la potencia consumida de la celda fotovoltaica como resultado de LPT.

 • Determinación del punto de operación apropiado del LD para aplicación LPT.  Optimizando el punto de operación del LD para maximizar la conversión de energía y reducir costos en comparación con los láseres de onda continua (CW).

Bibliografia

[1] H. Yigit and A. R. Boynuegri, “Pulsed Laser Diode Based Wireless Power Transmission Application: Determination of Voltage Amplitude, Frequency, and Duty Cycle,” IEEE Access, vol. 11, pp. 54544–54555, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3281656.