Хотя солнечные элементы обычно предназначены для преобразования света в энергию, исследователи показали, что их также можно использовать для обеспечения подводной беспроводной оптической связи с высокой скоростью передачи данных. Новый подход, в котором в качестве детекторов используется массив последовательно соединенных солнечных элементов, может предложить экономичный способ передачи данных под водой с низким энергопотреблением.
«Существует острая необходимость в эффективной подводной связи для удовлетворения растущих потребностей в обмене подводными данными в рамках всемирной деятельности по защите океана», — сказал руководитель исследовательской группы Цзин Сюй из Чжэцзянского университета в Китае. Например, в усилиях по сохранению коралловых рифов необходимы каналы передачи данных для передачи данных от водолазов, пилотируемых подводных лодок, подводных датчиков и беспилотных автономных подводных аппаратов на надводные корабли, поддерживающие их работу.
В журнале Optics Letters Сюй и его коллеги сообщают о лабораторных экспериментах, в которых они использовали набор коммерчески доступных солнечных элементов для создания оптимизированной системы без линз для высокоскоростного оптического обнаружения под водой. Солнечные элементы предлагают гораздо большую зону обнаружения, чем фотодиоды, традиционно используемые в качестве детекторов в беспроводной оптической связи.
«Насколько нам известно, мы продемонстрировали самую высокую пропускную способность, когда-либо достигнутую для коммерческой системы оптической связи на основе кремниевых солнечных панелей с большой зоной обнаружения», — сказал Сюй. «Этот тип системы может даже обеспечить обмен данными и выработку электроэнергии с помощью одного устройства».
Оптимизация солнечных батарей для связи
По сравнению с использованием радио или акустических волн, подводная беспроводная связь на основе света демонстрирует более высокую скорость, меньшую задержку и требует меньше энергии. Однако большинство высокоскоростных оптических систем дальнего действия не подходят для подводного применения, поскольку они требуют строгой настройки между передатчиком, излучающим свет, и приемником, который обнаруживает входящий световой сигнал.
Поскольку солнечные элементы обнаруживают свет с большой площади и преобразуют его в электрический сигнал, их использование в качестве детекторов может упростить требования по выравниванию передатчика и приемника в системе подводной беспроводной связи. Однако добиться высокой пропускной способности было сложно, поскольку солнечные элементы оптимизированы для сбора энергии, а не для связи.
«До сих пор для обеспечения высокоскоростных соединений с использованием готовых кремниевых солнечных элементов требовались сложные схемы и алгоритмы модуляции, которые требовали интенсивных вычислительных ресурсов, потребляющих дополнительную мощность и создающих высокую задержку обработки», — сказал Сюй. «Используя моделирование и симуляцию подключенных солнечных элементов, мы оптимизировали периферийную схему, что значительно улучшило производительность нашего детектора на основе солнечных элементов».
Подводные испытания
Исследователи протестировали новую конструкцию, в которой использовалась солнечная батарея 3×3 для создания зоны обнаружения 3,4×3,4 сантиметра, в резервуаре для воды длиной 7 метров, который имитировал подводный канал. Зеркала использовались для увеличения длины пути оптического сигнала, создавая расстояние передачи 35 метров. Система показала надежную стабильность, низкое энергопотребление и высокую производительность. По мере увеличения размера солнечной батареи с 1 × 1 до 3 × 3 полоса пропускания по уровню −20 дБ увеличивается с 4,4 МГц до 24,2 МГц.
Несмотря на то, что использовалась простая схема модуляции, новая система продемонстрировала гораздо более широкую полосу обнаружения, что приводит к более высокой скорости передачи данных, чем сообщалось в других исследованиях с использованием коммерческих кремниевых солнечных элементов с большой площадью обнаружения в качестве детекторов. Применение обратного напряжения смещения 90 В еще больше увеличило полосу пропускания, позволив им достичь полосы пропускания -20 дБ 63,4 МГц. Эта полоса пропускания позволила установить подводную беспроводную оптическую связь со скоростью 35 м/150 Мбит/с с использованием простейшей формы модуляции с амплитудной манипуляцией.
«Поскольку солнечные элементы производятся массово, предлагаемая схема является весьма рентабельной», — сказал Сюй. «Помимо подводного мира, этот тип детектора также можно использовать для связи в видимом свете — типа беспроводной связи, в которой используется видимый свет от светодиодов и других источников для передачи данных на большие расстояния».
Чтобы оптимизировать систему для реальных приложений подводной связи , исследователи планируют в следующий раз изучить ее работу со слабыми оптическими сигналами. Это покажет, насколько хорошо он работает в мутной воде и при движении. Они также работают над тем, чтобы сделать систему более практичной за счет точной настройки ключевых параметров, таких как количество солнечных элементов в массиве и требуемое напряжение обратного смещения.
Теги: батарея, вода
