赤外光で30mワイヤレスパワー転送

September, 5, 2022, Washington--韓国世宗大学の研究チームリーダー､Jinyong Haは､｢デバイスにワイヤレスで電力を供給できる能力により､われわれは電話やタブレットのパワーケーブルを持ち回る必要がなくなる｡また､製造プラントでIoTデバイスやモニタリング用センサなど､様々なセンサにも電力を供給できる｣と説明している｡

Optics Expressに発表された論文は､新しいシステムについて説明している｡これは､赤外光を使い､高いパワーレベルを安全に転送する｡ラボテストによると､それは､最大30メートルの距離で400mWの光パワーを転送できる｡このパワーは､センサ給電には十分である｡また､さらなる開発により､モバイル機器充電に必要なレベルに増やすことができる｡

複数の技術が長尺ワイヤレスパワー転送のために研究されている｡しかし､メートルレベルの距離で､安全にパワーを転送することは困難だった｡この課題を克服するために研究チームは分散レーザ給電と呼ばれる方法を最適化した｡このアプリケーションで最近､これが注目を集めている｡つまり､少ない光損失で安全なハイパワー照射を提供できるからである｡

｢ほとんどの他のアプローチは､受信デバイスが特殊な充電クレードルにあり､固定でなければなないが､分散レーザ充電により､トランスミッタとレシーバが相互に見通し線内にあれば､トラッキングプロセスなしでセルフアライメントが可能になる｡物体あるいはヒトが見通し線を遮ると､それは自動的に安全なローパワーデリバリモードへシフトする｣とHaは説明している｡

長尺ワイヤレス
分散レーザ給電は､従来のレーザにやや似ているが､一つのデバイスに組み込まれているレーザキャビティの光コンポーネントではなく｡それらはトランスミッタとレシーバに分離されている｡トランスミッタとレシーバが見通し線内にあると､レーザキャビティは､空気､つまりフリースペースで､それらの間に形成され､これによりシステムは光ベースの電力を供給できる｡障害物がトランスミッタ-レシーバの見通し線を切断すると､システムは自動的にパワーセーフモードに切り替わり､空気中で危険のないパワー供給になる｡

新しいシステムでは､研究チームは､中心波長1550nmのEDFA光パワー光源を利用した｡この波長範囲は､スペクトルの最も安全な領域にあり､使用されているパワーでヒトの眼や皮膚に危険を及ぼさない｡別の重要コンポーネントは､波長分割多重フィルタ｡これは､フリースペース伝播で安全限界内の光パワーでナローバンドビームを作る｡

｢レシーバユニットでは､360°トランスミッタ-レシーバアライメントを容易にするためにわれわれは､ボールレンズリトロリフレクタを組み込んだ｡これによりパワー転送効率が最大化された｡システム全般のパフォーマンスがボールレンズの屈折率に依存していることを実験的に観察した｡屈折率2.003が最も効果的だった｣とHaは説明している｡

ラボ試験
システムのデモンストレーションにチーは､トランスミッタとレシーバ間の距離30メートルを設定した｡トランスミッタはEDFA光源であり､レシーバユニットは､リトロリフレクタ､光信号を電力に変換するフォトボルテイック(PV)セル､電力が供給されると光を発するLEDを含んでいる｡このレシーバは､約10×10㎜であり､デバイスやセンサに簡単に組み込める｡

実験結果は､シングルチャネルワイヤレス光パワー転送システムが､30メートルの距離､チャネル線幅1nmで､400mWの光パワーを供給できることを示した｡PVがこれを85mWの電力に変換した｡研究チームは､見通し線がヒトの手で遮られると､システムが自動的に安全パワー転送モードにシフトすることも示した｡このモードでは､トランスミッタは､信じられないような低強度の光を生成した｡これは､ヒトには無害だった｡

｢工場で電力コードを置き換えるレーザ給電システムを使うことで､メンテナンスと置き換えコストが削減できる｡これは､特に電気接続が干渉の原因となり､あるいは火災の危険があるような苛酷環境では有用である｣(Ha)｡

研究チームは､そのシステムを実証したので､それをさらに実用的にするために取り組んでいる｡例えば､フォトボルテイックセル(PV)の効率が向上すると､光の電力への変換は改善される｡研究チームは､そのシステムを使ってマルチレシーバを同時充電する方法の開発を計画している｡