ก้าวข้ามขีดจำกัดพลังงาน IoT! เจาะลึกระบบจ่ายไฟด้วยแสง LED ควบคุมลำแสงด้วย AI และ Adaptive Optics
Hightlight
นักวิจัยชาวญี่ปุ่นเปิดตัวระบบจ่ายไฟไร้สายด้วยแสง LED แบบในอาคาร นวัตกรรมใหม่ที่ใช้เทคโนโลยี Adaptive Optics ควบคู่กับระบบควบคุมลำแสงด้วย AI สามารถส่งพลังงานไปยังอุปกรณ์ IoT ได้ไกลถึง 5 เมตรทั้งกลางวันและกลางคืน ชูจุดเด่นเรื่องความปลอดภัยที่เหนือกว่าระบบเลเซอร์ Cost ที่ต่ำกว่า และมีอายุการใช้งานยาวนาน เหมาะสำหรับการสร้างโครงสร้างพื้นฐาน IoT ที่ยั่งยืนในโรงงาน ฟาร์ม และ Smart Building
In Detail
นักวิจัยจาก Institute of Science Tokyo นำโดยศาสตราจารย์ Tomoyuki Miyamoto ประสบความสำเร็จในการพัฒนาระบบส่งพลังงานไร้สายด้วยแสง LED หรือ LED-based Optical Wireless Power Transmission (OWPT) ที่สามารถบีบโฟกัสลำแสง LED ได้อย่างแม่นยำเพื่อส่งพลังงานไปยังตัวรับโฟโตโวลตาอิก (PV Receivers) ได้หลายจุดพร้อมกัน แม้ในสภาพแสงที่เปลี่ยนแปลง ซึ่งมักเป็นอุปสรรคต่อระบบการติดตามด้วยแสงแบบเดิม
ศาสตราจารย์ Miyamoto อธิบายว่า ระบบจ่ายไฟไร้สายด้วย LED มีความปลอดภัยต่อการใช้งานภายในอาคารมากกว่าระบบที่ใช้แสงเลเซอร์อย่างมาก เนื่องจาก LED มีค่าความสว่าง (Radiance) และความหนาแน่นพลังงาน (Power Density) ที่ต่ำกว่า จึงออกแบบระบบให้ผ่านเกณฑ์มาตรฐานความปลอดภัยทางแสงได้ง่าย อีกทั้งยังมีราคาถูก อายุการใช้งานยาวนาน และติดตั้งเข้ากับโมดูลแสงสว่างทั่วไปได้สะดวก โดยคาดการณ์ว่าจะถูกนำไปใช้ในเครือข่ายเซนเซอร์ไร้สายภายในโรงงาน ฟาร์ม และอาคารอัจฉริยะเป็นกลุ่มแรกๆ
ทลายขีดจำกัดเดิมของระบบ RF และ Laser
ระบบจ่ายไฟไร้สายแบบเดิมที่ใช้คลื่นความถี่วิทยุ (RF) มักประสบปัญหาเรื่องประสิทธิภาพ ระยะทาง และสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) โดยพลังงานจะลดลงอย่างมากตามระยะทางที่เพิ่มขึ้น (Free-space propagation loss) ขณะที่ระบบส่งพลังงานด้วยเลเซอร์แม้จะส่งพลังงานได้ไกลหลายสิบเมตร แต่ปัญหากระทบด้านความปลอดภัยทำให้เกิดข้อจำกัดในการใช้งานจริงภายในอาคาร
ทีมวิจัยเคยเสนอนวัตกรรมส่งพลังงานด้วย LED ในปี 2019 ที่ส่งพลังงานได้ระยะ 1 เมตร แต่เมื่อเพิ่มระยะทาง ลำแสง LED เกิดการกระจายตัว (Divergence) จนความเข้มแสงลดลงอย่างหนัก นอกจากนี้ยังทำงานได้ไม่มั่นคงเมื่อแสงในห้องเปลี่ยนแปลง
ผสาน Adaptive Optics และ AI สู่ระยะจ่ายไฟ 5 เมตร
เพื่อแก้ปัญหาการสูญเสียพลังงานและขยายระยะจ่ายไฟ ทีมวิจัยได้พัฒนาชุดเลนส์ปรับลำแสงสองชั้นแบบพิเศษ ประกอบด้วย Liquid Lens (เลนส์ของเหลวที่เปลี่ยนรูปทรงเพื่อปรับระยะโฟกัสได้รวดเร็ว) และเลนส์คงที่ (Fixed Imaging Lens) ที่ออกแบบโครงสร้างผ่านการจำลอง Ray-tracing
การปรับระยะโฟกัสของ Liquid Lens แบบไดนามิกช่วย ลดการบานออกของลำแสง ทำให้ส่งพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ได้ระยะทางถึง 5 เมตร โดยพลังงานแสงที่รับได้ ณ ระยะ 3 เมตร สูงกว่าระบบเลนส์คงที่แบบเดิมถึงประมาณ 8 เท่า และผลจำลองยังชี้ว่าสามารถโฟกัสลำแสงได้ไกลสูงสุดถึง 10 เมตร
สำหรับการระบุตำแหน่งตัวรับ PV (แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็ก) ระบบได้ติดตั้งกระจกสะท้อนแบบติดมอเตอร์ (Motorized Reflector) ที่ทำงานร่วมกับกล้องวัดความลึก RGB-IR และมีอัลกอริทึม AI (Convolutional Neural Network) แบบ Single-shot Object Detection ช่วยระบุขนาดและตำแหน่งของตัวรับได้อย่างแม่นยำ
นอกจากนี้ เพื่อให้ระบบทำงานในความมืดสนิทได้ ทีมวิจัยได้นำแผ่นสะท้อนแสง (Retroreflective Sheet) แบบเดียวกับที่ใช้ในป้ายจราจร มาติดไว้ที่ขอบของตัวรับ PV เพื่อให้เซนเซอร์ IR ของกล้องจับภาพรูปทรงของตัวรับได้อย่างชัดเจนแม่นยำแม้ยามปิดไฟ
ผลการทดสอบและการพัฒนาในอนาคต
จากการทดสอบจริงในห้องปฏิบัติการกับตัวรับ PV ขนาดต่างกัน 5 ชุด ที่วางห่างกัน 2 ถึง 4 เมตร ระบบสามารถค้นหาและสลับการส่งพลังงานไปยังตัวรับแต่ละตัวได้อย่างราบรื่นทั้งในสภาวะเปิดไฟและปิดไฟ โดยสามารถจ่ายไฟได้ไกลถึง 5 เมตรในสภาวะมีแสง และ 4 เมตรในสภาวะมืดสนิท
ปัจจุบันระบบนี้มี ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสง (Optical Efficiency) รวมอยู่ที่ประมาณ 56% ซึ่งทีมวิจัยตั้งเป้าจะพัฒนาให้สูงเกิน 80% ผ่านการใช้ LED ที่มีมุมบีบลำแสงแคบลง การติดตั้ง Microlens บนตัว LED รวมถึงการเพิ่มระบบชดเชยอุณหภูมิ (Thermal Compensation) เพื่อลดปัญหาโฟกัสคลาดเคลื่อนจากความร้อนของ Liquid Lens และพร้อมร่วมมือกับพันธมิตรทางอุตสาหกรรมเพื่อนำไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ต่อไป
Bunpajarn Insight
งานวิจัย OWPT แบบ LED ชิ้นนี้ถือเป็นอีกหนึ่ง Milestone สำคัญของกลุ่มเทคโนโลยี Wireless Power Transfer (WPT) สำหรับงาน IoT และ Embedded Systems จุดเด่นที่เห็นได้ชัดคือการเลือกใช้ LED แทน Laser ซึ่งช่วยก้าวข้ามอุปสรรคใหญ่ด้านความปลอดภัยเชิงแสง (Optical Safety/Eye Safety) ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในพื้นที่ที่มีมนุษย์ทำงานอยู่ร่วมด้วยได้จริง นอกจากนี้ การผสาน Adaptive Optics ร่วมกับ AI (CNN) และแผ่น Retroreflective ยังเป็นการแก้ปัญหา Passive Tracking ในสภาวะแสงเปลี่ยนหรือมืดสนิทได้อย่างแยบคายและชาญฉลาด
อย่างไรก็ตาม ในเชิงปฏิบัติตามหลักวิศวกรรม ระบบนี้ยังมีจุดที่ต้องพิจารณาอยู่พอสมควร Efficiency รวมในปัจจุบันที่ 56% ถือเป็นตัวเลขของฝั่ง Optical System เท่านั้น แต่เมื่อคิดคำนวณแบบ End-to-End Efficiency (เริ่มตั้งแต่ Electrical Input ของ LED ไปจนถึง Electrical Output ที่ได้จากแผ่น Photovoltaic) ประสิทธิภาพรวมของระบบจะต่ำลงกว่านี้อีกมากเนื่องจากค่าสูญเสียในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงและแสงกลับเป็นไฟฟ้า
นอกจากนี้ แม้ Liquid Lens จะช่วยแก้ปัญหาการกระจายของลำแสงได้ดี แต่ก็มีความอ่อนไหวต่ออุณหภูมิสะสมค่อนข้างสูง (Thermal Drift) ซึ่งหากนำไปติดตั้งในสภาพแวดล้อมจริงอย่างโรงงานหรือฟาร์มที่มีอุณหภูมิผันผวนสูง ระบบควบคุมความร้อนและการชดเชยทางซอฟต์แวร์จะเป็นปัจจัยชี้ขาดความเสถียรของระบบในระยะยาว
Source : EE Times
Translated and edited by Bunpajarn
Bunpajarn | Learn • Share • Grow Together.
พื้นที่สำหรับคนที่รักและสนใจ Electronics & Embedded
