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.

Revision: Dynamic Characteristics and Stability of the Photovoltaic Cell Under Laser Intensity or Load Disturbance in Laser Wireless Power Transmission System

 Explicacion de la intensidad o carga del láser que varía dinámicamente en la celda fotovoltaica (PV) en la eficiencia de LWPT

La celda fotovoltaica sirve como dispositivo fundamental para la conversión fotovoltaica 

a Sección II presenta la teoría y el método, incluyendo principalmente el modelo matemático y el modelo de circuito equivalente de la célula fotovoltaica y el sistema LWPT en diferentes condiciones de trabajo. La sección III analiza y examina los resultados numéricos. 

Finalmente, la Sección IV resume las conclusiones extraídas del estudio.

Principio de conversión fotoeléctrica de la célula fotovoltaica. 

El material de la célula fotovoltaica es arseniuro de galio (GaAs). 

Teoria para hacer un fotovoltaico

Analisis matematico

. MODELO MATEMÁTICO DINÁMICO Y CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA CÉLULA

LA IDENTIFICACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL MODELO ESTATICO

CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS DE LA CÉLULA FV BAJO

teoria

C, el algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y el circuito de control de bucle cerrado dentro del sistema LWPT

, la energía eléctrica generada por la célula fotovoltaica no se puede utilizar de manera eficiente y se perderá en forma de energía térmica

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

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.

usos

a aerostatos y vehículos aéreos no tripulados

Bibliografia

[1] Z. Xiong, R. Cai, X. Du, H. Du, and G. Xu, “Dynamic Characteristics and Stability of the Photovoltaic Cell Under Laser Intensity or Load Disturbance in Laser Wireless Power Transmission System,” IEEE Access, vol. 11, pp. 104579–104592, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3317086.

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.

Revision: Towards Self-Powered Internet of Underwater Things Devices

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

Mension problemas , a escasez de espectro de RF, la recolección de energía de RF adolece de una eficiencia relativamente baja y de importantes problemas técnicos relacionados con los circuitos de transmisión y recepción

Ventaja en el RF: la tecnología inalámbrica óptica de licencia gratuita

Diferentes técnicas SLIPT: (a) conmutación temporal, (b) división de poder y (c) división espacial.

Trabajos para crear un panel solar

 proporcionamos una descripción general de las diversas técnicas SLIPT en los dominios del tiempo, el poder y el espacio

s dos escenarios SLPIT a través de canales submarinos.

la comunicación inalámbrica óptica submarina (UWOC)

Desafíos de hardware, aumentar la velocidad de transmisión de los enlaces de comunicación óptico, stá limitado por el ancho de banda de decodificación de la célula solar, principalmente para configuraciones SLIPT de conmutación horaria

Efectos de propagación ,la intensidad de un haz de luz decae exponencialmente a lo largo de la dirección de propagación , razones de la refracción del agua

Las pérdidas debidas a la divergencia del haz se pueden indicar como atenuación geométrica, que aumenta con la distancia de propagación y está relacionada con la fuente láser o LED utilizada en el transmisor

La ruta de propagación obstruida es otro factor limitante para el SLIPT submarino

ecopilamos datos utilizando el sensor de temperatura autoalimentado. En el 

Materiales

 El transmisor está compuesto por un Arduino Mega 

controlador láser conectado a un diodo láser (LD) de 430 nm

tanque de agua de 1,5 m de largo

Usos mensionados

las baterías de dispositivos de Internet de las cosas (IoT) e Internet de las cosas submarinas (IoUT), vehículo submarino autónomo (AUV)

Parámetros 

Las frecuencias típicas asociadas con este tipo de comunicación son de 10 Hz a 1 MHz

El receptor, una plataforma sensora autoalimentada formada por una célula solar de 55 × 70 mm

 ancho de banda de 3 dB de 30 KHz en modo fotovoltaico

. 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/

500 Kbit/s a través de un enlace submarino de 1,5 m.

 Funcionamiento

1ero cargamos la batería de un módulo sumergido con sensores de temperatura y turbidez, y transmitimos órdenes mediante un único láser. Luego, el sensor de temperatura se utiliza para monitorear la temperatura variable de un tanque de agua

2do informamos sobre la carga del condensador de un dispositivo IoUT equipado con una cámara y un láser de baja potencia para transmisión de video en tiempo real.

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

La célula solar 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.

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. 

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

 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

• 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).

Cámara submarina autoamplificada

(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.

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).

. 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

Estrcutura

El receptor, una plataforma sensora autoalimentada formada por una célula solar de 55 × 70 mm

El estado de la célula solar se controla mediante un relé de baja potencia, que cambia la conexión de la célula solar al circuito

Aportes

 permitimos la implementación de cualquier circuito MPPT sin afectar la transmisión de datos, ya que ambos modos de células solares son independientes.

Bibliografia

[1] J. I. de O. Filho, A. Trichili, B. S. Ooi, M.-S. Alouini, and K. N. Salama, “Towards Self-Powered Internet of Underwater Things Devices,” Jul. 2019, [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/1907.11652

El Sistema de transmision de energia Laser de Reino Unido

 Como lo detalla [1]  en el marco del programa (SPRINT) de la Red de Investigación e Innovación Tecnológica Espacial del Reino Unido, la empresa británica Space Power, en cooperación con científicos de la Universidad de Surrey. , planea lanzar un prototipo de dispositivo LPT, que se utilizará para iluminar satélites que orbitan cerca de la Tierra durante un eclipse. La comercialización de la solución propuesta está prevista para 2025 [2] [3]

Bibliografia

[1] K. Detka and K. Górecki, “Wireless Power Transfer—A Review,” Energies (Basel), vol. 15, no. 19, 2022, doi: 10.3390/en15197236.

[2] Popovic, Z. Near- and Far-Field Wireless Power Transfer. In Proceedings of the 2017 13th International Conference on Advanced Technologies, Systems and Services in Telecommunications (TELSIKS), Nis, Serbia, 18–20 October 2017

[3] Liu, H.; Zhang, Y.; Hu, Y.; Tse, Z.; Wu, J. Laser Power Transmission and Its Application in Laser-Powered Electrical Motor Drive: A Review. Power Electron. Drives 2021, 6, 167–184. http://doi.org/10.2478/pead-2021-0010

Revision: Hybrid Optical Wireless Power and Data Transmission System

Se ha desarrollado una transmisión de datos y energía inalámbrica óptica híbrida que se puede utilizar para transmitir energía y datos en tiempo real simultáneamente

Velocidades de Teras alcanzadas por Laser

Se utilizan dos láseres con diferentes longitudes de onda como transmisores de energía y datos.

espejos dicroicos .para combinar y separar los ejes de transmisión de los rayos láser para la transmisión de energía y datos

Parámetro

potencia óptica de 150 mW y una transmisión de datos con un ancho de banda de 10 MHz y 3 dB.

La distancia transmisor y receptor en esta demostración fue de 40 cm.

Uiliza un láser de alta potencia de 980 nm como fuente de luz para la transmisión de energía

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

Estructura 

. Cálculo numérico de la eficiencia del sistema TIP a través de la atmósfera.

Diagrama de sistema de comunicación óptica híbrido OWPT y espacio libre

Imagen del sistema.

Modulacion

 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. 

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).

la eficiencia de conversión del láser con una potencia óptica de salida de 150 mw se puede medir como 20%. 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

Las pérdidas adicionales en la transmisión de potencia provienen de los reflejos en los espejos dicroicos. hay una pérdida de transmisión del 98% debido a la reflexión en los espejos dicroicos en el lado del transmisor y del receptor.

El ancho de banda de 3 dB del fotodetector se mide en 10 MHz. El ancho de banda del fotodetector es inversamente proporcional a su área de detección. El fotodetector que se utiliza en esta investigación es de 75,4 mm2 

Bibliografia

[1] A. W. S. Putra, H. Kato, and T. Maruyama, “Hybrid optical wireless power and data transmission system,” in 2020 IEEE PELS Workshop on Emerging Technologies: Wireless Power Transfer, WoW 2020, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., Nov. 2020, pp. 374–376. doi: 10.1109/WoW47795.2020.9291276.

    

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.