电力光纤 Power over fiber

2022-10-31 13:58:17 浏览:244

定义

通过光纤中的光为电子设备供电。

光纤或光缆可用于将光功率从源传输到某些应用。 术语光纤功率或光子功率意味着光功率由电力产生 - 通常使用激光二极管 - 并在最后转换为某些电子设备的电能。 这种转换可以用光伏电池完成,即基于砷化镓、磷化铟或砷化铟镓等材料的半导体器件。 典型的系统包含

  • 发射几瓦光功率的激光二极管,
  • 长度在几米到几百米之间的多模光纤,以及
  • 有效面积为几平方毫米的光伏电池。

对于短距离传输,发射约750-850 nm的激光二极管通常与GaAs基或硅基光伏电池结合使用。 在较长光波长下运行的系统可以实现长传输距离(可能几公里),因为这大大减少了瑞利散射。

典型的传输功率是几百毫瓦或几瓦,但没有主要理由为什么不能传输更多,例如数十甚至数百瓦,因为具有足够大核心的多模光纤可以传输许多千瓦。 只是所需的光伏电池会导致非常大的接收器。

一种可能的替代方案是通过自由空间进行光传输,但这种方法通常不太实用,因为它涉及对准和光束中断的更高风险,并且对于大传输距离,由于光束发散也受到限制。 此外,激光安全可能存在问题。

电力光纤的功率效率

需要考虑以下功率损耗来源:

  • 高效的激光二极管通常具有大约 50% 至 60% 的效率,包括光纤耦合。
  • 光纤中的传播损耗(通过散射和吸收)通常可以忽略不计,除非传输距离相当长。
  • 虽然光伏电池在用作太阳能电池时通常只有≈25%的效率,但在准单色光下运行时,它们的效率要高得多:效率约为50%很容易达到,甚至已经证明了近70%,甚至应该可能更多。 为此,激光的光子能量必须略高于(但不能远高于)带隙能量。
  • 在将产生的电压转换为所需水平并稳定其以用于应用的电子设备中,可能会出现一些额外的损耗。

总体而言,功率转换效率(电到电)约为20%至30%通常是可行的。 对于所需的低功率水平,这种损耗通常应该是可以接受的,而对于更高的功率水平,通常会尝试将效率进一步优化到40%或更高。

电力光纤的优势

虽然绝缘铜线是一种更简单的电力传输技术,但光纤供电在特定情况下具有优势:

  • 非导电光缆(基于玻璃纤维或塑料)可以安装在高电压发生的地方。 例如,光纤可以为高压传输线路中的电流传感器传输功率。 (请注意,也有光纤传感器,本地不需要电力。 这种带有光功率隔离器的电流传感器可以取代笨重的变压器系统。
  • 当设备(例如某些无线电信号接收器)连接到可能被闪电击中的天线时,绝缘特性也很有用。 这样就没有通过电缆传输雷击的风险。
  • 光传输功率避免了对强磁场(例如磁共振成像)和电磁干扰的任何敏感性。 相反,不会发射可能干扰其他设备的电磁辐射,也不会产生直流磁场。
  • 爆炸性材料(例如在飞机的油箱中)没有被点燃的风险,例如通过电火花可能发生。
  • 在光纤通信系统中,可能存在备用光纤,当不存在电气连接时,可以使用备用光纤来传输电力。 其他可能性是使用多芯光纤的一些独立光纤芯,甚至使用一个光纤芯进行供电和数据传输。
  • 光纤的重量可能远低于电缆,也可能更薄。
  • 相同的光纤可用于发送回数据,例如从传感器,使用一些其他波长通道。

因此,可以设想在工业传感器、航空航天和光通信等领域的许多应用。

明显的缺点是光学元件的成本以及可用功率和转换效率方面的潜力有限。 还可能存在与几瓦光功率相关的激光安全问题,当光纤断裂时可能会离开光纤。

激光安全

在正常工作期间,激光完全限制在光纤中,并且没有风险,例如对附近的人。 但是,当光纤断裂时,可能会出现严重的激光安全问题,从而使激光可以离开。 尽管存在很大的差异,但几瓦的近红外光对人眼来说还是相当危险的。 因此,可能需要使用保护良好的光缆,或者可能包括在识别故障时自动关闭激光器的附加功能。

作          者: 泮桥成像光电商城

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