L’eau de mer comme câble électrique? Transferts d’énergie sans fil dans l’océan

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eau de mer
Crédit: CC0 Public Domain

Le professeur associé Masaya Tamura, Kousuke Murai (qui a terminé le premier trimestre de son programme de maîtrise) et leur équipe de recherche du Département de génie de l’information électrique et électronique de l’Université de technologie de Toyohashi ont réussi à transférer l’énergie et les données sans fil dans l’eau de mer en utilisant un émetteur / récepteur de puissance avec quatre couches d’électrodes plates ultra-minces. Dans le domaine des transferts d’énergie sans fil, l’eau de mer se comporte comme un diélectrique avec des pertes extrêmement élevées, et la réalisation par couplage capacitif est difficile. Jusqu’à présent, on pensait que les transferts d’énergie sans fil ne pouvaient être réalisés que par couplage magnétique. Cette fois, en mettant l’accent sur les propriétés haute fréquence de l’eau de mer, une troisième méthode de couplage conducteur a été conçue et un émetteur / récepteur de puissance a été développé pour réaliser des transferts de puissance très efficaces.

Le nombre de personnes impliquées dans l’industrie de la pêche japonaise continue de diminuer chaque année à mesure que l’âge moyen augmente. Une des raisons à cela est la grande quantité de travail manuel de haute intensité qui doit reposer sur des mains humaines. Pour améliorer cette situation, l’automatisation progresse grâce à l’utilisation de robots qui nettoient les filets d’aquaculture, etc. À l’avenir, on s’attend à ce que des robots (drones sous-marins) soient développés et stationnés dans l’eau de mer afin que la qualité de l’eau et la gestion environnementale, vérifient sur la croissance des poissons, etc., peuvent tous être gérés par robot. Cependant, comme ces drones sont alimentés par batterie, il est nécessaire de les sortir de l’eau, de les recharger et de les faire replonger dans l’eau à plusieurs reprises. De plus, les données collectées sous l’eau doivent être collectées à ce moment. La clé de ce problème est le développement de la technologie pour transférer sans fil la puissance et les données dans l’eau de mer via une station d’alimentation électrique. En particulier, comme ces drones sont légers et parce que l’augmentation du poids et du volume rend difficile le contrôle de la flottabilité et de l’orientation, une technologie légère et peu encombrante doit être mise au point. Le professeur agrégé Masaya Tamura et son équipe de chercheurs ont développé un nouveau type d’émetteur / récepteur électrique qui permet des transferts d’énergie sans fil très efficaces même dans l’eau de mer.

L’efficacité du transfert d’énergie sans fil dépend de la kQ produit, qui est le produit du coefficient de couplage k entre l’émetteur et le récepteur de puissance et le facteur Q de la perte de l’émetteur / récepteur de puissance, y compris l’influence du milieu environnant. L’efficacité s’améliore à mesure que k s’approche de 1 et que le facteur Q augmente. Cependant, le courant électrique à haute fréquence circule dans des diélectriques hautement conducteurs comme l’eau de mer, ce qui rend difficile de discuter de k et du facteur Q de manière isolée. Cependant, parce que le principe selon lequel l’efficacité s’améliore à mesure que le kQ les augmentations de produit ne changent pas, des paramètres clés ont été identifiés pour améliorer l’efficacité à partir d’un circuit équivalent axé sur la conductivité de l’eau de mer du point de vue de la kQ produit. Une théorie de la conception a ensuite été établie dans laquelle le kQ le produit a indiqué la valeur maximale et l’émetteur / récepteur de puissance a été conçu. Sur cette base, une efficacité de transfert de puissance RF-RF de 94,5% à une distance de transfert de 2 cm et d’au moins 85% à une distance de transfert de 15 cm a été obtenue sur une large bande. Un rendement de transfert de puissance d’au moins 90% peut même être maintenu à une distance de transfert de 2 cm avec 1 kW de puissance électrique. De plus, des transferts à grande vitesse peuvent être réalisés pour maintenir une efficacité élevée sur une large bande. L’équipe a réussi à utiliser l’émetteur / récepteur électrique qu’elle a développé pour charger un condensateur et à utiliser cette puissance pour piloter un module de caméra qui transférait la vidéo en temps réel via le même émetteur / récepteur électrique. La vitesse de transfert cette fois était d’environ 90 Mbps, mais des vitesses plus élevées sont possibles. Les expériences de transfert d’énergie et de données vers un petit drone sous-marin, dans l’espoir que le drone se stationne sur la station d’alimentation électrique, ont également été couronnées de succès. Le poids total du récepteur électrique et du circuit d’alimentation électrique montés sur le drone à ce moment était très léger à environ 270 g.

L'eau de mer comme câble électrique!?  Transferts d'énergie sans fil dans l'océan
Drone sous-marin (en haut à gauche), station d’alimentation (en bas à gauche), drone stationné sur la station d’alimentation installée au fond de l’océan pour le chargement de la batterie (à droite) Crédit: Toyohashi University of Technology.

Le chef de l’équipe de recherche, le professeur agrégé Masaya Tamura, a déclaré: «Dans l’eau de mer riche en ions, on s’attendait à ce que le courant électrique haute fréquence circule avec une perte minimale. l’efficacité du transfert changeait avec la salinité de l’eau, nous avons rencontré un phénomène où l’efficacité diminuerait de quelques pour cent à mesure que la salinité augmentait, mais à partir d’une certaine salinité, l’efficacité se rétablirait et serait maintenue à environ 20%. Je croyais fermement que cela était une preuve étayant ma prédiction, et nous avons développé une théorie opérationnelle à partir d’un circuit équivalent pour un émetteur / récepteur de puissance afin d’étudier et de clarifier ces résultats en détail. Nous avons ensuite conçu la structure de l’émetteur / récepteur de puissance sur la base de cette théorie, et après avoir créé le prototype et en effectuant les mesures, nous avons obtenu des résultats pour un transfert de puissance en eau de mer avec un rendement d’au moins 90%. les changements chimiques à la surface des électrodes qui se produisent dans l’eau de mer lorsque de grandes quantités d’énergie sont fournies, un revêtement isolé a été appliqué. Nous avons été surpris d’atteindre une efficacité d’au moins 90% même dans ces conditions. « 

L’équipe de recherche estime que ces résultats de recherche permettront aux drones de transférer des données et d’être rechargés en eau de mer sans modification significative de la conception des drones sous-marins, et qu’ils contribueront à des améliorations rapides de l’efficacité opérationnelle. L’émetteur / récepteur de puissance qui a été développé est très simple et léger, ce qui signifie que l’augmentation du poids des drones sous-marins peut être minimisée. Leur objectif ultime est de contribuer au développement de systèmes de drones sous-marins entièrement gérables à terre. Les résultats de cette recherche devraient être annoncés à l’avenir dans des publications, lors de conférences académiques, etc.


Aucune condition attachée: Maximiser l’efficacité de la charge sans fil avec plusieurs émetteurs

Plus d’information: Masaya Tamura et al, Conception d’un coupleur conducteur pour l’alimentation sans fil sous-marine et le transfert de données, Transactions IEEE sur la théorie et les techniques des micro-ondes (2020). DOI: 10.1109 / TMTT.2020.3041245
Fourni par l’Université de technologie de Toyohashi

Citation: L’eau de mer comme câble électrique? Transferts d’énergie sans fil dans l’océan (2021, 13 janvier) récupéré le 13 janvier 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-01-seawater-electrical-cable-wireless-power.html

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