Растущие требования к скорости передачи данных и постоянному доступу к информации со всех уголков планеты приводят к увеличению использования телекоммуникационных сетей и устройств. Но если оборудование расположено на больших расстояниях от источника электропитания, то возникают трудности с его подключением и стабильной работой. Для решения этой проблемы сейчас активно внедряют технологию передачи энергии по оптическому волокну. Она обеспечивает высокую скорость и качество отправляемых и получаемых данных, а также невосприимчива к электромагнитным помехам, обладает высоким уровнем молние- и пожаростойкости. Ученые Пермского Политеха разработали цифровой двойник ключевого элемента системы, что является отправной точкой для построения модели всей технологии. Его использование может быть востребовано для мониторинга концентрации легковоспламеняемых газов на взрывоопасных объектах или тока и напряжения ВЛЭП, что улучшит технические характеристики, предотвратит возгорание, сохранит жизни людей и сэкономит деньги предприятиям.
Статья опубликована в журнале Journal of Physics: Conference series, выпуск 2071. Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, проект № ФСНМ-2023-0005.
Применяемые металлические проводники для передачи электромагнитной энергии более громоздкие и менее безопасные при эксплуатации относительно волоконно-оптических технологий. Обмен данными по волокну для питания удалённых объектов имеет множество преимуществ: снижение риска возгорания, невосприимчивость к электромагнитным полям и молниям, отсутствие излучаемых помех, а также возможность одновременной передачи энергии на большие расстояния. В частности, такая технология может способствовать развитию сетей сотовой связи стандарта 5G и выше.
Некоторые из наиболее перспективных направлений применения технологии – это питание электронных устройств, камер для контроля подстанций, судового и бортового оборудования, а также и датчиков мониторинга газов во взрывоопасных зонах. Также ее можно использовать в специальных системах, требующих скрытности (охрана периметра) и медицинской технике.
В упрощенном виде технология устроена так: лазер излучает электромагнитные волны (свет), которые распространяются по оптоволокну, а затем попадают на приемное устройство – фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Этот полупроводниковый прибор трансформирует оптическую энергию в постоянный электрический ток. Основная проблема существующих преобразователей в их низкой эффективности (КПД), из-за чего происходят потери, перегрев конструктивных элементов и значительно снижается рентабельность использования систем на их основе.
Ученые Пермского Политеха разработали цифровой двойник ФЭП, который является частью системы передачи энергии по оптоволокну для электроснабжения удаленных потребителей. Идея заключается в том, что каждый объект может быть представлен как физическая и виртуальная системы, которые взаимно отражают друг друга. Физический объект имеет датчики, собирающие данные о его состоянии в реальном времени, которые отправляются цифровому двойнику. Эти данные помогают улучшить модель и сформировать алгоритмы его работы. С накоплением информации о поведении физического объекта прогнозирование его поведения становится точнее.
— На входе в модель мы задаем сопротивление, изменяющееся в динамическом режиме, а на выходе получаем целый спектр оптимальных настроек системы: электрическую и оптическую мощность, выходное напряжение и ток нагрузки для максимизации КПД преобразователя. В дальнейшем мы собираемся дополнительно контролировать температуру и деградацию основных компонентов системы, и с учетом этого оптимизировать работу всей конструкции, — поделился научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ Алексей Гаркушин.
— С помощью цифрового двойника мы можем рассчитать рабочие характеристики и срок эксплуатации каждого критически важного элемента системы, оценить его текущий уровень износа и принять своевременное решение о замене. Например, если система используется в помещении, где уровень влажности и температура отличаются от нормальных, то можно будет в динамическом режиме оценить влияние этих факторов на работу системы охлаждения — насколько оно будет эффективно отводить тепло. А затем перенастроить ее для достижения максимально эффективной работы, — объясняет магистрант направления «Материалы и технологии волоконной оптики» ПНИПУ Елизавета Нифонтова.
Использование цифрового двойника технологии передачи энергии по оптоволокну позволяет прогнозировать события, происходящие с оригиналом при различных сценариях. Мониторинг оборудования на производстве обеспечит более точные корректировки в его работе, а качество связи и доступа в Интернет для обычного пользователя станет стабильнее и быстрее. Кроме этого, эксплуатация модели сокращает срок разработки новых технических решений в 2 и более раз, экономит материальные и человеческие ресурсы (особенно в случае, когда речь идёт о сложном и дорогостоящем оборудовании) и ускоряет вывод систем на рынок.