ТОКИО - 17 сентября, 2025 -NTT, Inc. (штаб-квартира: Тиёда, Токио; президент и генеральный директор: Акира Симада; далее «NTT») и Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (штаб-квартира: Тиёда, Токио; президент и генеральный директор: Эйсаку Ито; далее «MHI») провели эксперимент по оптической беспроводной передаче энергии с использованием лазерного луча для беспроводной передачи энергии на расстояние 1 километр. Облучая лазерным лучом оптической мощностью 1 кВт, нам удалось получить 152 Вт электроэнергии на расстоянии 1 километра. Это означает самую высокую в мире эффективность оптической беспроводной передачи энергии с использованием кремниевого фотоэлектрического преобразовательного элемента (Note2) в среде с сильной атмосферной турбулентностью.
Этот результат демонстрирует возможность доставки электроэнергии на удаленные объекты. Ожидается, что в будущем его будут применять для-передачи электроэнергии по требованию на отдаленные острова и в районы, пострадавшие от стихийных бедствий-, где невозможно проложить силовые кабели.
Это достижение было опубликовано в британском журнале Electronics Letters 5 августа 2025 года.
Фон
В последние годы все большее внимание привлекают технологии беспроводной передачи энергии для таких устройств, как смартфоны, носимые устройства, дроны и электромобили, которые могут подавать электроэнергию без использования кабелей. Существует два типа систем беспроводной передачи энергии: в одной используются микроволны, а в другой — лазерные лучи. Беспроводная микроволновая передача энергии уже используется на практике, и ее использование расширяется. С другой стороны, оптическая беспроводная передача энергии с использованием лазерного луча не нашла практического применения, но ожидается, что она позволит реализовать компактную беспроводную передачу энергии на большие расстояния (порядка километров), используя преимущества высокой направленности лазерного луча (рис. 1).
Перспективы на будущее предусматривают развитие инфраструктуры следующего-поколения, способной обеспечивать электроэнергию и расширять покрытие связи в ситуациях и регионах, где электричество или сети связи недоступны, например во время стихийных бедствий, на отдаленных островах, в горных районах или на море. Это включает в себя подачу энергии точно в определенные области или движущиеся платформы, такие как дроны. Для достижения такой высокой точности и-подачи энергии на большие расстояния требуется беспроводная передача энергии на основе лазера-, которая использует преимущества его сильной направленности.
Проблемы существующих технологий и достижения этого эксперимента
Эффективность технологии оптической беспроводной передачи энергии, как правило, низка, и повышение эффективности является проблемой практического использования. Одна из причин этого заключается в том, что при распространении лазерного луча на большие расстояния, особенно в атмосфере, распределение интенсивности становится неравномерным, и эффективность преобразования лазерного луча в электроэнергию в элементе фотоэлектрического преобразования становится низкой.
В этом эксперименте мы объединили технологию формирования луча NTT с технологией приема света MHI, чтобы повысить эффективность беспроводной передачи энергии лазера. Мы провели эксперимент по-оптической беспроводной передаче энергии на большие расстояния на открытом воздухе, используя технологию формирования плоского луча на большие-расстояния, которая формирует луч на передающей стороне для достижения равномерной интенсивности луча после распространения на расстояние 1 километр, а также технологию выравнивания выходного тока, которая подавляет влияние атмосферных колебаний с помощью гомогенизатора и выравнивающих схем на приемной стороне.
С января по февраль 2025 года мы провели эксперимент по оптической беспроводной передаче энергии на взлетно-посадочной полосе аэропорта Нанки-Сирахама в городе Сирахама, район Нисимуро, префектура Вакаяма (рис. 2). Кабина передачи, оборудованная оптической системой для излучения лазерного луча, была установлена в одном конце взлетно-посадочной полосы, а кабина приема со светоприемной панелью - на расстоянии 1 километра.
Во время передачи оптическая ось лазера была установлена на небольшой высоте примерно 1 метр над землей и выровнена горизонтально. В результате на луч сильно влияли нагрев грунта и ветер, а эксперимент проводился в условиях сильной атмосферной турбулентности.
Внутри кабины передачи генерировался лазерный луч оптической мощностью 1035 Вт. С помощью дифракционного оптического элемента (ДОЭ) (Примечание 3) лучу была придана форма, обеспечивающая равномерное распределение интенсивности на расстоянии 1 километр. Кроме того, использовалось зеркало управления лучом, чтобы точно направить профильный луч на приемную панель. Луч вышел через апертуру кабины передачи и распространился по открытому пространству на расстояние 1 километр, в конечном итоге достигнув кабины приема.
Во время распространения атмосферная турбулентность вызывала колебания интенсивности луча, создавая горячие точки. Они рассеивались гомогенизатором в приемной кабине, в результате чего на приемную панель облучался однородный луч. Затем лазерный луч эффективно преобразовывался в электрическую энергию (рис. 3). В качестве приемной панели был выбран фотоэлектрический преобразовательный элемент на основе кремния-, принимая во внимание как стоимость, так и доступность.
В этом эксперименте средняя электрическая мощность, извлекаемая из приемной панели, составляла 152 Вт (рис. 4), что соответствует эффективности беспроводной передачи энергии 15 %, определяемой как отношение полученной электрической мощности к передаваемой оптической мощности. Этот результат означает самую высокую в мире эффективность оптической беспроводной передачи энергии, когда-либо продемонстрированную с использованием фотоэлектрического преобразовательного элемента на основе кремния-в условиях сильной атмосферной турбулентности. Кроме того, непрерывная подача электроэнергии успешно поддерживалась в течение 30 минут, что подтверждает возможность длительной-передачи энергии с использованием этой технологии.
Примечание. С точки зрения безопасности система оптической передачи и приемная панель были установлены внутри кабин, чтобы предотвратить случайное воздействие-мощных лазерных лучей и рассеяние отраженного света.
Технические особенности
Технология формирования плоского луча на дальних-расстояниях
Для повышения эффективности фотоэлектрического преобразования необходимо сделать распределение интенсивности луча, падающего на элемент фотоэлектрического преобразования, равномерным.
В этом исследовании мы предложили метод формирования луча, который обеспечивает однородность интенсивности после распространения на большие-расстояния. В этом подходе внешняя часть луча преобразуется в кольцевой -образный рисунок с использованием эффекта аксиконной линзы (примечание 4). Центральная часть луча фазово-модулирована для расширения за счет эффекта вогнутой линзы. По мере распространения луча луч в форме кольца- и расширенный центральный луч постепенно перекрываются, что приводит к равномерному распределению интенсивности в целевом местоположении, как показано на рисунке 5.
Для эксперимента мы оптимизировали конструкцию луча для достижения желаемого профиля интенсивности на расстоянии 1 километр. Формирование луча осуществлялось с помощью дифракционного оптического элемента, что улучшало однородность интенсивности луча в целевой позиции, расположенной на расстоянии 1 километра.
Технология выравнивания выходного тока
Когда лазерный луч распространяется через атмосферу, на него влияет атмосферная турбулентность, которая нарушает распределение интенсивности. Хотя описанный выше метод формирования плоского-луча может обеспечить равномерное распределение интенсивности, сильная турбулентность все равно может вызвать образование пятен высокой-интенсивности, как показано на рисунке 6.
Чтобы решить эту проблему, мы разместили гомогенизатор луча перед светоприемной-панелью. Гомогенизатор рассеивает пятна высокой-интенсивности, благодаря чему луч равномерно облучается на панели. Кроме того, к каждому элементу фотоэлектрического преобразования на приемной панели были подключены схемы выравнивания. Эти схемы помогают подавлять колебания выходного тока, вызванные атмосферной турбулентностью, и способствуют стабилизации общей выходной мощности.
Эти две технологии позволяют добиться однородности луча при передаче-порядка километра, что было затруднительно при использовании традиционных методов формирования луча, а также стабилизировать выходной сигнал на открытом воздухе. В результате ожидается, что стабильное электроснабжение удаленных мест, таких как изолированные острова и районы,-пострадавшие от стихийных бедствий, станет возможным.
Роль каждой компании
NTT: Разработка и внедрение передающей оптики, например, методов формирования луча.
MHI: Разработка и внедрение фотодетекторной оптики, такой как фотодетекторные панели, гомогенизаторы и схемы выравнивания.
Будущие разработки
Эта технология обеспечивает эффективную и стабильную передачу энергии на большие расстояния даже в условиях атмосферной турбулентности. В этом эксперименте в качестве элемента фотоэлектрического преобразования использовался кремний. Однако, используя фотоэлектрические устройства, специально разработанные для соответствия длине волны лазерного света, можно ожидать еще более высокой эффективности передачи энергии. Кроме того, использование источников лазерного света с более высокой выходной мощностью позволит поставлять большее количество электроэнергии.
В результате можно обеспечить гибкую и быструю подачу электроэнергии в отдаленные районы, такие как регионы,-пострадавшие от стихийных бедствий, и отдаленные острова, где прокладка силовых кабелей традиционно была затруднена. Помимо наземных приложений, на основе этой технологии можно также представить широкий спектр новых вариантов использования (рис. 7). Примечательно, что высокая направленность и низкая расходимость лазерных лучей позволяют создавать компактные и легкие приемные устройства. Это главное преимущество для мобильных платформ, которые сталкиваются со строгими ограничениями по весу и грузоподъемности.
Например, объединив эту технологию с методами управления лучом, становится возможным беспроводную подачу энергии к дронам в полете. Это позволяет избежать эксплуатационных ограничений, таких как приземление для замены батареи или использование привязанных кабелей электропитания, что обеспечивает длительную-непрерывную-продолжительность и-непрерывную работу на больших-расстояниях. Такие возможности могут улучшить мониторинг-районов стихийных бедствий, а также широкомасштабную-ретрансляцию связи в горных и морских регионах — приложения, которые раньше было трудно реализовать.
Кроме того, ожидается потенциальное применение в космосе, включая подачу электроэнергии на мобильные платформы, такие как HAPS (станция на высотной платформе) (Примечание 5), которая входит в сферу действия космического бренда NTT, NTT C89 (Примечание 6). В дальнейшем эта технология может быть применена для питания космических центров обработки данных и лунных вездеходов, а также для космических солнечных энергетических систем, в которых электричество передается от геостационарных спутников на Землю с помощью лазера. Эти приложения представляют собой области с большим потенциалом расширения рынка.
Благодаря сотрудничеству NTT и MHI мы реализовали самую эффективную в мире технологию лазерной беспроводной передачи энергии в условиях, на которые сильно влияют атмосферные колебания. Это достижение представляет собой значительный шаг на пути к созданию инновационной технологической основы, способной удовлетворить широкий спектр социальных потребностей — от реагирования на стихийные бедствия до освоения космоса.
