A Robust AUVs Wireless Power Transfer System Based on Seawater Cross-coupling Capacitance Model
यह शोध पत्र एक सुदृढ़ स्वायत्त अंतर्जलीय वाहन वायरलेस पावर ट्रांसफर सिस्टम का प्रस्ताव करता है जो महत्वपूर्ण अक्षीय और कोणीय मिसअलाइनमेंट के बावजूद लगभग 90% दक्षता के साथ संरेखण-असंवेदनशील, निरंतर शक्ति हस्तांतरण प्राप्त करने के लिए समुद्री जल क्रॉस-कपलिंग कैपेसिटेंस मॉडल, पैरिटी-टाइम सिमेट्री और एक DD कॉइल संरचना का लाभ उठाता है।
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लहरों के बहुत नीचे, जहाँ सूर्य का प्रकाश फीका पड़ जाता है और दबाव बढ़ जाता है, स्वायत्त समुद्री वाहन (ऑटोनॉमस अंडरवॉटर व्हीकल्स) समुद्री अन्वेषण के मौन प्रहरी के रूप में कार्य करते हैं। ये रोबोटिक सबमर्सिबल समुद्र तल का मानचित्रण करने, जलवायु परिवर्तन की निगरानी करने और पानी के नीचे के बुनियादी ढांचे का निरीक्षण करने के लिए आवश्यक हैं, फिर भी उन्हें एक मौलिक सीमा का सामना करना पड़ता है: वे बैटरी पर चलते हैं। ठीक एक स्मार्टफोन की तरह, उनका परिचालन जीवन इस बात से निर्धारित होता है कि वे कितनी ऊर्जा ले जा सकते हैं, और एक बार जब वह शक्ति समाप्त हो जाती है, तो उन्हें अपना ऊर्जा स्रोत बदलने के लिए किसी जहाज या डॉक पर वापस लौटना पड़ता है। किनारे पर लौटने का यह चक्र अक्षम है, जो ईंधन और समय को नष्ट करता है, और केबल लगाने या भारी बैटरी बदलने की यांत्रिक प्रक्रिया में पानी के रिसाव और विद्युत विफलताओं का जोखिम बना रहता है। वर्षों से, इंजीनियर इन मशीनों को वायरलेस तरीके से रिचार्ज करने का तरीका खोजने का प्रयास कर रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक पैड पर फोन चार्ज होता है, लेकिन समुद्र ऐसी तकनीक के लिए एक अनूक और प्रतिकूल वातावरण प्रस्तुत करता है। पानी, विशेष रूप से खारा समुद्री जल, बिजली का संचालन करता है और अदृश्य विद्युत बल पैदा करता है जो शक्ति स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक नाजुक चुंबकीय क्षेत्रों को बाधित कर सकते हैं, जबकि समुद्री धाराएं वाहनों को लगातार धकेलती और खींचती हैं, जिससे वे अपने चार्जिंग स्टेशनों के साथ संरेखण (अलाइनमेंट) से भटक जाते हैं।
किंगदाओ विश्वविद्यालय और स्टेट ग्रिड इकोनॉमिक एंड टेक्नोलॉजिकल रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने एक नया वायरलेस पावर सिस्टम डिजाइन करके इन विशिष्ट चुनौतियों का समाधान किया है जो उन्हीं परिस्थितियों में फलता-फूलता है जो आमतौर पर इसे तोड़ देती हैं। समुद्री जल के विद्युत गुणों को अनदेखा करने के बजाय, उनका दृष्टिकोण उन्हें अपनाने पर आधारित है। उन्होंने पहचाना कि जब तार की दो कुंडलियों (कॉइल्स) को समुद्री जल में रखा जाता है, तो खारा पानी स्वयं एक सेतु के रूप में कार्य करता है, जो उनके बीच एक छिपा हुआ विद्युत संबंध बनाता है जो हवा में मौजूद संबंध की तुलना में बहुत अधिक मजबूत होता है। इस "क्रॉस-कपलिंग" प्रभाव को ध्यान में रखते हुए एक गणितीय मॉडल बनाकर, वे एक ऐसा सिस्टम डिजाइन करने में सक्षम हुए जो 'पैरिटी-टाइम सिमेट्री' नामक सिद्धांत का उपयोग करता है। सरल शब्दों में, यह एक संतुलन बनाने की प्रक्रिया है जहाँ सिस्टम को इस तरह इंजीनियर किया गया है कि बाहर जाने वाली ऊर्जा, अंदर आने वाली ऊर्जा के बराबर हो, जिससे एक ऐसी स्थिति बनती है जहाँ शक्ति का हस्तांतरण अविश्वसनीय रूप से स्थिर हो जाता है। इस स्थिरता का अर्थ है कि यदि कोई पानी के नीचे का वाहन धारा के कारण झुक जाता है, या किसी कोण पर झुक जाता है या बगल में खिसक जाता है, तो उसे प्राप्त होने वाली शक्ति में भारी उतार-चढ़ाव नहीं होगा। सिस्टम को बिना किसी वायरलेस संचार के, जो चार्जर को समायोजन करने के लिए निर्देश दे सके, ऊर्जा का निरंतर प्रवाह बनाए रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है; सर्किट का भौतिक विज्ञान ही सुधार को संभाल लेता है।
इस अवधारणा को वास्तविक दुनिया में सिद्ध करने के लिए, टीम ने एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया और दो अलग-अलग वातावरणों में इसका परीक्षण किया: हवा और किंगदाओ के तट से एकत्र किया गया वास्तविक समुद्री जल। उन्होंने एक बड़ा ट्रांसमिटिंग कॉइल वाला चार्जिंग स्टेशन बनाया और एक वाहन पर लगा हुआ रिसीविंग कॉइल बनाया, फिर सेटअप को कठोर परीक्षणों के अधीन किया। उन्होंने कुंडलियों को 80 मिलीमीटर तक दूर किया और उन्हें विभिन्न कोणों पर झुकाया, जो तूफान में पनडुब्बी की अप्रत्याशित गतिविधियों का अनुकरण करता है। परिणाम आश्चर्यजनक थे। हवा में, सिस्टम ने लगभग 91 प्रतिशत की दक्षता बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि भेजी गई लगभग पूरी ऊर्जा प्राप्त हुई। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जब प्रयोग को समुद्री जल में दोहराया गया, तो दक्षता उल्लेखनीय रूप से उच्च लगभग 90 प्रतिशत रही। कुंडलियों के संरेखण में कितना भी बदलाव हो, चाहे वे बगल में खिसकी हों या 30 डिग्री तक झुकी हों, बिजली का आउटपुट स्थिर रहा। यह निरंतरता तब भी बनी रही जब वाहन एक साथ झुका हुआ और खिसका हुआ था, एक ऐसी स्थिति जो आमतौर पर एक मानक वायरलेस चार्जर को विफल या काफी कम शक्ति खोने के लिए मजबूर कर देती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि सिस्टम की संरेखण दोषों को अनदेखा करने की क्षमता जटिल सॉफ्टवेयर या बाहरी सेंसर का परिणाम नहीं है, बल्कि यह सर्किट डिजाइन की एक अंतर्निर्हित विशेषता है। कुंडलियों के आकार और उन विशिष्ट विद्युत घटकों का सावधानीपूर्वक चयन करके जो सिस्टम को ट्यून करते हैं, उन्होंने एक "स्ट्रॉन्ग कपलिंग" क्षेत्र बनाया है जहाँ शक्ति हस्तांतरण स्वाभाविक रूप से दूरी और कोण के परिवर्तनों के प्रति प्रतिरोधी है। समुद्री जल के परीक्षणों में, सिस्टम ने सफलतापूर्वक लगभग 100 वॉट बिजली वितरित की, जो छोटे से मध्यम आकार के पानी के नीचे के रोबोटों की बैटरी चार्ज करने के लिए पर्याप्त स्तर है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि समुद्री जल के कारण होने वाला विद्युत हस्तक्षेप, जिसे अक्सर एक बड़ी बाधा के रूप में देखा जाता है, एक मजबूत चार्जिंग समाधान बनाने के लिए मॉडल और प्रबंधित किया जा सकता है। यह कार्य सुझाव देता है कि भविष्य के समुद्री आधार स्वायत्त वाहनों के बेड़े को स्वचालित रूप से रिचार्ज कर सकते हैं, जिससे उन्हें मानवीय हस्तक्षेप या जोखिम भरे केबल कनेक्शन के बिना लंबे मिशनों के लिए पानी के नीचे रहने की अनुमति मिलेगी। ये निष्कर्ष समुद्र के रोबोटिक खोजकर्ताओं को ऊर्जावान बनाए रखने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करते हैं, जिससे समुद्र के अराजक और परिवर्तनशील वातावरण को एक विश्वसनीय चार्जिंग ग्राउंड में बदला जा सकता है।
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