Система бесперебойно работает как при слабом, так и при ярком освещении
Дополненная функцией распознавания изображений на основе искусственного интеллекта, система может эффективно и бесперебойно питать несколько устройств. Поскольку система основана на светодиодах, она представляет собой недорогое и безопасное решение, идеально подходящее для создания устойчивой инфраструктуры Интернета вещей внутри помещений.
С быстрым развитием Интернета вещей (IoT) растёт и спрос на эффективные и гибкие решения в области энергоснабжения. Традиционные способы подачи энергии, такие как аккумуляторы и кабельные соединения, имеют множество недостатков. Аккумуляторы требуют частой зарядки и замены, а кабели ограничивают мобильность устройств.
Оптическая беспроводная передача энергии (OWPT) — это новая технология, которая может устранить эти ограничения. В системе OWPT энергия передаётся без физических проводов путём преобразования электричества в свет, его передачи и последующего преобразования света обратно в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических (PV) приёмников.
Большинство современных исследований в области OWPT сосредоточено на системах, использующих лазеры. Однако для использования в IoT внутри помещений системы OWPT должны соответствовать строгим нормам максимально допустимого воздействия, чтобы не подвергать опасности глаза и кожу. Это делает лазерные системы непригодными для использования без разработки специальных технологий обеспечения безопасности.
В отличие от них, системы OWPT на основе светодиодов по своей сути безопаснее, обеспечивают надёжную передачу энергии, ими проще управлять, они экономичны и долговечны. Однако эти системы страдают от потерь мощности на больших расстояниях и нестабильной работы при изменении условий внешнего освещения.
Чтобы преодолеть эти ограничения, профессор Томоюки Миямото и аспирант Минчжи Чжао из Лаборатории междисциплинарных исследований науки и технологий будущего при Токийском институте науки (Science Tokyo), Япония, разработали инновационную систему OWPT на основе светодиодов. «Мы разработали двухрежимную адаптивную систему OWPT, которая автоматически подстраивается под яркое и тёмное освещение в помещении, обеспечивая при этом безопасную и эффективную подачу питания на несколько устройств Интернета вещей», — объясняет Миямото. Их исследование было опубликовано в журнале Optics Express 24 октября 2025 года.
Чтобы компенсировать потери мощности при передаче на большие расстояния, в предлагаемой системе используется адаптивная линза с двухслойной конфигурацией, состоящая из жидкостной линзы с настраиваемым фокусным расстоянием и линзы для формирования изображения. Эта система автоматически регулирует размер пятна луча в зависимости от расстояния до приёмника и его размера, обеспечивая оптимальную передачу мощности.
Для точного наведения светового луча система использует регулируемый отражатель, который можно независимо поворачивать в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью двух последовательно соединённых шаговых двигателей. Чтобы обеспечить точное наведение на фотоэлектрические (ФЭ) приёмники, исследователи использовали камеру глубины с RGB- и инфракрасным (ИК) датчиками. RGB-датчик определяет положение ФЭ-приёмника, а ИК-датчик — точку облучения лучом. Это позволяет системе управления регулировать ориентацию отражателя относительно целевого приёмника.
Чтобы обеспечить непрерывную работу как при освещении, так и в темноте, фотоприёмники по краям оснащены светоотражающими (RF) пластинами. Эти пластины отражают инфракрасный свет, излучаемый ИК-проектором камеры глубины, создавая чёткие контуры каждого фотоприёмника. Это позволяет системе точно определять форму и пложение приемника, изолировать целевую область фотоприёмника и минимизировать помехи от окружающих объектов. Для повышения точности исследователи интегрировали свёрточную нейронную сеть на основе алгоритма Single Shot MultiBox Detector (SSD).
Благодаря этим инновациям предлагаемая система автоматического определения ориентации солнечных панелей может последовательно подключаться к нескольким фотоэлектрическим приёмникам разного размера, расположенным на разном расстоянии, быстро переключаясь между ними без прерывания работы. В ходе экспериментов система бесперебойно работала как в освещённых, так и в неосвещённых условиях и обеспечивала эффективную и стабильную передачу энергии на расстояние до пяти метров.
«Наша система автоматической подачи электроэнергии предлагает стабильное и универсальное решение для беспроводной передачи электроэнергии», — отмечает Миямото. «Это сыграет ключевую роль в создании устойчивой инфраструктуры Интернета вещей, особенно на умных заводах, в домах и внутри помещений, где необходима безопасная, беспроводная, динамичная и масштабируемая подача электроэнергии».