TOKYO - ngày 17 tháng 9, 2025 -NTT, Inc. (Trụ sở chính: Chiyoda, Tokyo; Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành: Akira Shimada; sau đây gọi là "NTT") và Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Trụ sở chính: Chiyoda, Tokyo; Chủ tịch và Giám đốc điều hành: Eisaku Ito; sau đây gọi là "MHI") đã tiến hành một thí nghiệm truyền tải điện không dây quang học sử dụng chùm tia laze để truyền năng lượng không dây cách xa 1 km. Bằng cách chiếu chùm tia laser có công suất quang 1 kW, chúng tôi đã thành công trong việc thu được 152 W năng lượng điện cách xa 1 km. Điều này đánh dấu hiệu suất cao nhất thế giới của việc truyền tải điện không dây quang học sử dụng bộ phận chuyển đổi quang điện silicon (Note2) trong môi trường có nhiễu loạn khí quyển mạnh.
Kết quả này chứng tỏ tính khả thi của việc cung cấp điện đến các địa điểm ở xa. Trong tương lai, nó dự kiến sẽ được áp dụng để-truyền tải điện theo yêu cầu đến các hòn đảo xa xôi và những khu vực bị thiên tai-thảm họa mà không thể lắp đặt cáp điện.
Thành tích này được công bố trên tạp chí Electronics Letters của Anh vào ngày 5/8/2025.
Lý lịch
Trong những năm gần đây, công nghệ truyền tải điện không dây cho các thiết bị như điện thoại thông minh, thiết bị đeo được, máy bay không người lái và xe điện, có thể cung cấp điện mà không cần sử dụng dây cáp, ngày càng thu hút được sự chú ý. Có hai loại hệ thống truyền tải điện không dây: một loại sử dụng vi sóng và loại kia sử dụng chùm tia laser. Truyền tải điện không dây vi sóng đã được sử dụng thực tế và việc sử dụng nó ngày càng mở rộng. Mặt khác, truyền tải điện không dây quang học sử dụng chùm tia laze chưa được đưa vào sử dụng thực tế nhưng dự kiến sẽ thực hiện việc truyền tải điện không dây đường dài-nhỏ gọn cỡ hàng km bằng cách tận dụng tính định hướng cao của chùm tia laze (Hình 1).
Triển vọng trong tương lai hình dung sự phát triển của cơ sở hạ tầng thế hệ tiếp theo-có khả năng cung cấp điện và mở rộng vùng phủ sóng liên lạc ở những tình huống và khu vực không có điện hoặc mạng lưới liên lạc, chẳng hạn như khi xảy ra thảm họa, ở các hòn đảo xa xôi, vùng núi hoặc trên biển. Điều này bao gồm việc cung cấp năng lượng chính xác đến các khu vực cụ thể hoặc các nền tảng di chuyển như máy bay không người lái. Để đạt được khả năng cung cấp điện ở khoảng cách xa và có độ chính xác cao-như vậy đòi hỏi phải có khả năng truyền tải điện không dây-bằng laser tận dụng được khả năng định hướng mạnh mẽ của nó.
Những thách thức của công nghệ hiện có và thành tựu của thí nghiệm này
Hiệu suất của công nghệ truyền tải điện không dây quang nói chung là thấp và việc nâng cao hiệu quả là một vấn đề khi sử dụng thực tế. Một trong những lý do dẫn đến điều này là khi-chùm tia laze truyền đi ở khoảng cách xa, đặc biệt là trong khí quyển, sự phân bổ cường độ trở nên không đồng đều và hiệu suất chuyển chùm tia laze thành năng lượng điện trong phần tử chuyển đổi quang điện trở nên thấp.
Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã kết hợp công nghệ định hình chùm tia của NTT với công nghệ tiếp nhận ánh sáng của MHI để nâng cao hiệu quả truyền tải điện không dây bằng laser. Chúng tôi đã tiến hành-thí nghiệm truyền tải điện không dây quang khoảng cách xa trong môi trường ngoài trời bằng cách sử dụng công nghệ định hình chùm tia phẳng khoảng cách xa- giúp định hình chùm tia ở phía truyền để đạt được cường độ chùm tia đồng đều sau khi truyền đi 1 km và công nghệ cân bằng dòng điện đầu ra giúp ngăn chặn ảnh hưởng của dao động khí quyển bằng bộ đồng nhất và mạch cân bằng ở phía nhận.
Từ tháng 1 đến tháng 2 năm 2025, chúng tôi đã tiến hành thử nghiệm truyền tải điện không dây quang học trên đường băng tại Sân bay Nanki-Shirahama ở Thị trấn Shirahama, Quận Nishimuro, Tỉnh Wakayama (Hình 2). Một buồng truyền dẫn được trang bị hệ thống quang học để phát ra chùm tia laze được lắp đặt ở một đầu đường băng và một buồng tiếp tân có bảng điều khiển-ánh sáng được đặt cách đó 1 km.
Trong quá trình truyền, trục quang của tia laser được đặt ở độ cao thấp khoảng 1 mét so với mặt đất và được căn chỉnh theo chiều ngang. Kết quả là chùm tia bị ảnh hưởng mạnh bởi sức nóng của mặt đất và gió, và thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện có nhiễu loạn khí quyển mạnh.
Bên trong buồng truyền tải, một chùm tia laser có công suất quang 1035 W được tạo ra. Sử dụng phần tử quang học nhiễu xạ (DOE)(Note3), chùm tia được định hình để tạo ra sự phân bố cường độ đồng đều ở khoảng cách 1 km. Ngoài ra, một gương lái chùm tia đã được sử dụng để hướng chính xác chùm tia định hình về phía bảng tiếp nhận. Chùm tia thoát ra qua khe hở của buồng truyền và truyền qua 1 km không gian mở, cuối cùng đến buồng tiếp nhận.
Trong quá trình lan truyền, nhiễu loạn khí quyển gây ra sự dao động về cường độ của chùm tia, tạo ra các điểm nóng. Chúng được khuếch tán bằng thiết bị đồng nhất trong buồng tiếp nhận, dẫn đến chùm tia đồng nhất được chiếu lên bảng tiếp nhận. Chùm tia laser sau đó được chuyển đổi thành năng lượng điện một cách hiệu quả (Hình 3). Phần tử chuyển đổi quang điện dựa trên silicon{4}}đã được sử dụng cho bảng tiếp nhận, có tính đến cả chi phí và tính khả dụng.
Trong thí nghiệm này, công suất điện trung bình lấy ra từ bảng thu là 152 W (Hình 4), tương ứng với hiệu suất truyền tải điện không dây là 15%, được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất điện nhận được và công suất quang truyền đi. Kết quả này đánh dấu hiệu suất truyền tải điện không dây quang cao nhất thế giới từng được chứng minh bằng cách sử dụng phần tử chuyển đổi quang điện dựa trên silicon-trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển mạnh. Hơn nữa, việc phân phối điện liên tục đã được duy trì thành công trong 30 phút, khẳng định tính khả thi của việc truyền tải điện trong thời gian dài bằng công nghệ này.
Lưu ý: Từ góc độ an toàn, hệ thống truyền dẫn quang học và bảng tiếp nhận đều được lắp đặt bên trong buồng để ngăn chặn việc vô tình tiếp xúc với chùm tia laze công suất cao và sự tán xạ của ánh sáng phản xạ.
Điểm nổi bật về mặt kỹ thuật
Công nghệ định hình chùm tia phẳng khoảng cách xa-
Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện, cần phải phân bố cường độ chùm tia tới trên phần tử chuyển đổi quang điện một cách đồng đều.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đề xuất phương pháp định hình chùm tia cho phép cường độ đồng đều sau khi truyền-khoảng cách xa. Theo phương pháp này, phần bên ngoài của chùm tia được chuyển thành dạng hình vòng-bằng cách sử dụng hiệu ứng của thấu kính axicon(Note4). Phần trung tâm của chùm tia được điều chỉnh pha-để giãn nở thông qua hiệu ứng của thấu kính lõm. Khi chùm tia truyền đi, chùm tia hình vòng-và chùm tia trung tâm mở rộng dần dần chồng lên nhau, dẫn đến sự phân bố cường độ đồng đều tại vị trí mục tiêu, như minh họa trong Hình 5.
Đối với thử nghiệm, chúng tôi đã tối ưu hóa thiết kế chùm tia để đạt được cấu hình cường độ mong muốn ở khoảng cách 1 km. Việc định hình chùm tia được thực hiện bằng cách sử dụng phần tử quang học nhiễu xạ, giúp cải thiện tính đồng nhất của cường độ chùm tia tại vị trí mục tiêu cách đó 1 km.
Công nghệ cân bằng dòng điện đầu ra
Khi chùm tia laser truyền qua khí quyển, nó bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn khí quyển, làm xáo trộn sự phân bố cường độ. Mặc dù kỹ thuật định hình chùm tia-phẳng được mô tả ở trên có thể phân bố cường độ đồng nhất, nhiễu loạn mạnh vẫn có thể gây ra sự hình thành các điểm cường độ-cao, như minh hoạ trong Hình 6.
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi đã đặt bộ đồng nhất chùm tia phía trước bảng tiếp nhận ánh sáng. Bộ đồng nhất khuếch tán các điểm có cường độ-cao để chùm tia được chiếu xạ đồng đều lên bảng. Ngoài ra, các mạch cân bằng được kết nối với từng bộ phận chuyển đổi quang điện trên bảng tiếp nhận. Các mạch này giúp triệt tiêu sự dao động của dòng điện đầu ra do nhiễu loạn khí quyển gây ra và góp phần ổn định công suất đầu ra tổng thể.
Hai công nghệ này giúp có thể đạt được độ đồng đều của chùm tia trong quá trình truyền theo thứ tự km{0}}, điều mà các phương pháp định hình chùm tia thông thường gặp khó khăn và giúp ổn định đầu ra trong môi trường ngoài trời. Do đó, việc cung cấp điện ổn định cho các địa điểm xa xôi như các hòn đảo bị cô lập và các khu vực-bị ảnh hưởng bởi thiên tai dự kiến sẽ trở nên khả thi.
Vai trò của mỗi công ty
NTT: Thiết kế và triển khai quang học truyền dẫn như kỹ thuật định hình chùm tia
MHI: Thiết kế và triển khai các thiết bị quang học của bộ tách sóng quang như tấm tách sóng quang, bộ đồng nhất và mạch cân bằng
Sự phát triển trong tương lai
Công nghệ này cho phép truyền năng lượng hiệu quả và ổn định trên khoảng cách xa ngay cả trong điều kiện nhiễu loạn khí quyển. Trong thí nghiệm này, silicon được sử dụng làm bộ phận chuyển đổi quang điện. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các thiết bị quang điện được thiết kế đặc biệt để phù hợp với bước sóng của ánh sáng laser, hiệu suất truyền năng lượng thậm chí có thể cao hơn. Ngoài ra, việc sử dụng các nguồn ánh sáng laser có công suất đầu ra cao hơn sẽ giúp cung cấp lượng điện lớn hơn.
Do đó, có thể đạt được khả năng cung cấp điện nhanh chóng và linh hoạt ở những vùng sâu vùng xa chẳng hạn như-các khu vực bị thiên tai và các hòn đảo xa xôi, nơi mà việc lắp đặt cáp điện theo truyền thống rất khó khăn. Ngoài các ứng dụng trên mặt đất, nhiều trường hợp sử dụng mới cũng có thể được hình dung dựa trên công nghệ này (Hình 7). Đáng chú ý, tính định hướng cao và độ phân kỳ thấp của chùm tia laser cho phép thiết kế các thiết bị thu nhỏ gọn và nhẹ. Đây là một lợi thế lớn cho các nền tảng di động phải đối mặt với những hạn chế nghiêm ngặt về trọng lượng và khả năng tải trọng.
Ví dụ, bằng cách kết hợp công nghệ này với kỹ thuật điều khiển chùm tia, có thể cung cấp năng lượng không dây cho máy bay không người lái đang bay. Điều này tránh những hạn chế trong hoạt động như hạ cánh để thay pin hoặc sử dụng cáp cấp nguồn có dây buộc, cho phép hoạt động liên tục trong thời gian dài và ở khoảng cách xa. Những khả năng như vậy có thể tăng cường khả năng giám sát-khu vực thảm họa cũng như-chuyển tiếp liên lạc diện rộng ở các vùng miền núi hoặc vùng biển, những ứng dụng mà trước đây khó thực hiện được.
Ngoài ra, các ứng dụng tiềm năng trong không gian cũng được dự đoán trước, bao gồm cung cấp năng lượng cho các nền tảng di động như HAPS (Trạm nền tảng độ cao) (Note5), nằm trong phạm vi thương hiệu không gian của NTT, NTT C89 (Note6). Nhìn xa hơn, công nghệ này có thể được áp dụng để cung cấp năng lượng cho các trung tâm dữ liệu không gian và máy thám hiểm mặt trăng, cũng như các hệ thống năng lượng mặt trời trong không gian, trong đó điện được truyền từ vệ tinh địa tĩnh xuống mặt đất thông qua tia laser. Những ứng dụng này đại diện cho các lĩnh vực có tiềm năng mở rộng thị trường mạnh mẽ.
Thông qua sự hợp tác giữa NTT và MHI, chúng tôi đã hiện thực hóa công nghệ truyền năng lượng không dây bằng laser hiệu quả nhất thế giới trong các điều kiện bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi biến động khí quyển. Thành tựu này thể hiện một bước quan trọng hướng tới xây dựng nền tảng công nghệ đổi mới có thể đáp ứng nhiều nhu cầu xã hội, từ ứng phó thảm họa đến phát triển không gian.
