Laserenergieübertragung – Energieversorgungstechnik der Zukunft

Seit der Erfindung der Elektrizität und der weiten Verbreitung von Anwendungen in der Produktion von Lebensenergie steht die Suche nach einer hocheffizienten Übertragungsmethode, die den Verlust der Fernübertragung so weit wie möglich reduziert, im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit des Energiesektors Forscher. Chinas Ultrahochspannungsübertragungstechnologie ist weltweit relativ führend, allerdings gibt es immer noch eine Verlustrate von 2 %-7 % (abhängig von der Entfernung) im Übertragungsprozess, was ein Verlust ist, der nicht sein sollte ignoriert.
Die Idee der drahtlosen Energieübertragung wurde erstmals vor 100 Jahren vom serbischen Wissenschaftler Nikola Tesla vorgeschlagen. Laser haben die Fähigkeit, sehr hohe Energie in eine einzige Richtung zu transportieren, was theoretisch den Anforderungen einer Übertragung über große Entfernungen entspricht. So wie Sonnenlicht eine Leiterplatte aufladen kann, verfügt der Laser als Mittel zur Fernübertragung nicht nur über eine hohe Ausgangsleistung, sondern kann auch jederzeit und an jedem Ort ohne die Einschränkungen von Ladekabeln durchgeführt werden, was unvergleichliche Vorteile bietet.
Im Jahr 1992 übernahm das US-amerikanische Unternehmen ABB die Führung in der Forschung im Bereich der Laserstromversorgungstechnologie, der Realisierung der Überwachung von Hochspannungsleitungskreisen und ersetzte nach und nach den herkömmlichen CT-Stromtransformator. Das US-Verteidigungsministerium und die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde haben ebenfalls erkannt, dass, wenn Satelliten und unbemannte Flugzeuge mit Laserstrom versorgt werden, eine längere Zeitspanne für die Ausführung weiterer Aufgaben erreicht werden kann, mit anderen Worten, der Laser im Militär und Luft- und Raumfahrt verfügt über beispiellose Möglichkeiten, so dass eine Reihe von Lasersatellitenfunktionen der relevanten technischen Forschung auf diese Weise durchgeführt werden.
Im Jahr 1997 führten der Japaner N. Kawashima und andere die Laserenergieübertragung für das Energieversorgungsexperiment des Mondvulkan-Bodensondenroboters (ROVER) durch. Da es im Inneren des Vulkans kein Sonnenlicht gibt, wird das Sonnenlicht nur im Krater durch einen Laser empfangen und auf den Boden des Vulkans übertragen, um den Rover mit Energie zu versorgen. Die Laserausgangsleistung des Übertragungssystems beträgt 60 W, die Übertragungsreichweite beträgt 1000 m, der 10-W-Roboterbetrieb wird erfolgreich angetrieben, die photoelektrische Umwandlungseffizienz beträgt etwa 20 %.
Im Jahr 2005 gelang dem Marshall Space Flight Center der NASA zum ersten Mal ein Durchbruch mit einem Laser mit einer Leistung von 500 W und einer Wellenlänge von 940 nm in 15 m Entfernung vom Mikrofahrzeug, der 6 W Strom lieferte, sodass das Fahrzeug 15 Minuten lang in Betrieb war. 2013 setzte das US Naval Laboratory erfolgreich einen 2-kW-Laser in einer Entfernung von 40 m zur UAV-Fernstromversorgung ein.
Ein komplettes Laserenergieabgabesystem besteht aus drei Modulen, nämlich dem Lasersendermodul, dem Laserübertragungsmodul und dem Laser-zu-Elektrizität-Umwandlungsmodul. Darunter ist die Effizienz von Lasern und Photovoltaikzellen der Kern des gesamten Laserenergiesystems, wie man Laserenergie durch die Umwandlung von Elektrizität – Licht – Elektrizität erzeugen kann, um die atmosphärische Dämpfung und die Photovoltaik-Umwandlungsdämpfung so weit wie möglich zu minimieren. ist der Schlüsselindex dieses Systems. Chinas Nationale Universität für Verteidigungstechnologie, die Nanjing-Universität für Luft- und Raumfahrt, die Wuhan-Universität, das Shandong-Institut für Luft- und Raumfahrtelektronik und andere Forschungsinstitute haben ebenfalls relevante Forschungen zu Galliumarsenid, monokristallinem Silizium und anderen Photovoltaikzellen durchgeführt, um unterschiedliche Wellenlängen und Abstände zu erreichen die Laserstromversorgung.
In den letzten Jahren konzentrieren sich auch Japan, Russland und andere Länder auf Technologieanwendungen im Zusammenhang mit der Laserleistungsübertragung.
Russland konzentriert sich auf die Anwendung der Laserenergieübertragung im Weltraum. 2021 plant Russlands „Energie“-Raketen- und Raumfahrtunternehmen, den Laser für Experimente zur drahtlosen Energieübertragung einzusetzen, um Machbarkeitstests für die Zukunft der Energieübertragung im Weltraum bereitzustellen. Das Weltraumexperiment mit dem Codenamen „Pelican“ bezieht sich auf den Einsatz von Lasern zur Energieübertragung zwischen Raumfahrzeugen und wurde in das langfristige wissenschaftliche Experimentierprogramm der russischen Sektion der Internationalen Raumstation aufgenommen. Derzeit hat der Wirkungsgrad fotoelektrischer Wandler 60 % erreicht, sodass der Einsatz von Lasern zur Übertragung von Elektrizität von einem Raumfahrzeug zum anderen sehr effektiv sein wird. Russische Wissenschaftler sind optimistisch, was den Einsatz der drahtlosen Laser-Energieübertragungstechnologie zum Laden von Satelliten im Weltraumorbit angeht.
Japan hingegen richtet seine Vision hauptsächlich auf seine Lebensanwendungen. Das Tokyo Institute of Technology und andere Institutionen engagieren sich für die Entwicklung der Zivilisierung der „Light Wireless Charging“-Technologie. Die Verwendung elektrischer Energie zur Emission von Laserstrahlen, laserbestrahlten Objekten und die anschließende Umwandlung in elektrische Energie über die Stromerzeugungsplatine können nicht nur Probleme bei der Konfiguration von Mobiltelefonen und Haushaltsgeräten mit der Ladeleitung einsparen, sondern auch die neue Energie für Fahrzeuge lösen Sie müssen unterwegs regelmäßig anhalten, um Probleme beim Aufladen des Ladestapels zu finden.
Die Laserenergieübertragungstechnologie bietet viele Vorteile, weist jedoch auch einige zu lösende Probleme auf. Beispielsweise sind Ultrahochspannungsleitungen, die heute für die Energieübertragung verwendet werden, nicht einfach mit dem menschlichen Körper in Kontakt zu bringen, und Ultrahochleistungslaser, die auf Luftausbreitung basieren, werden leicht durch eine Vielzahl von Reflexionen beeinflusst, sobald sie auf den Körper eingestrahlt werden Der menschliche Körper kann eine ernsthafte Gefahr darstellen. Ein weiteres Beispiel ist, wie sichergestellt werden kann, dass der Laser unter unterschiedlichen klimatischen Bedingungen eine stabile und zuverlässige Übertragungseffizienz gewährleistet, die Dämpfung verringert und gleichzeitig genau an die Geräteempfänger übermittelt wird, aber auch anstehende Durchbrüche in der Tracking- und Fokussierungstechnologie. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Laserenergieübertragungstechnologie die zukünftige Richtung der Entwicklung der Energieversorgung darstellt und über ein breites Anwendungsspektrum verfügt.