مدیریت انرژی سبز برای سیستم های ارتباطی

شبکه ارتباطی برای حمل میزان ترافیکی که در حال حاضر به صورت روزانه در سراسر جهان منتقل می شود طراحی نشده است. با گسترش سریع ترافیک داده و رشد تصاعدی در ارتباطات پرسرعت، شبکه فعلی تحت فشار فزاینده ای قرار می گیرد. در آزمایشگاه‌های بل، محققان به دنبال راه‌هایی برای بهبود بهره‌وری انرژی از طریق استفاده از خنک‌کننده الکترونیکی بهینه و فناوری برداشت انرژی هستند. دو رویکرد جدید صرفه جویی در انرژی که توسط این گروه توسعه یافته اند، صرفه جویی قابل توجهی را وعده می دهند.

آزمایشگاه بل از شبیه سازی برای بهبود بهره وری انرژی استفاده می کند

آزمایشگاه های بل ، بازوی تحقیقاتی Alcatel-Lucent ، متعهد به طراحی و اجرای فناوری های جدید برای بهبود قابل توجه مدیریت انرژی برای نسل بعدی محصولات مخابراتی است. آزمایشگاه بل با تلاش برای رسیدن به این هدف، کنسرسیوم GreenTouch را تأسیس کرد ، یک سازمان پیشرو از محققان که به کاهش ردپای کربن فناوری اطلاعات و ارتباطات اختصاص دارد. هدف GreenTouch و Bell Labs نشان دادن مولفه های کلیدی مورد نیاز برای افزایش بهره وری انرژی شبکه با ضریب 1000 نسبت به سطوح 2010 است.

گروه تحقیقاتی مدیریت حرارتی و برداشت و ذخیره انرژی در بخش انتقال انرژی کارآمد (ηET) در آزمایشگاه‌های بل (به رهبری دکتر دامنیل هرنون) یکی از این گروه‌ها است که در جهت این هدف کار می‌کند. این بخش بر دو حوزه اصلی تمرکز دارد. یکی از تمرکزهای گروه تحقیقاتی حرارتی، ارائه فناوری حرارتی تغییردهنده بازی به محصولات Alcatel-Lucent در همه مقیاس‌ها و در رشته‌های مختلف از خنک‌کننده هوای فعال قابل اعتماد تا خنک‌کننده مایع تک فازی و چند فازی است. یکی از راه‌هایی که این کار انجام می‌شود از طریق تحقیق برای بهبود مدیریت حرارتی انتقال نور لیزر در دستگاه‌های فوتونیک با توسعه رویکردی برای دستیابی به کاهش 50 تا 70 درصدی مصرف انرژی در هر بیت است. این رویکرد در اینجا بررسی شده است.

علاوه بر این، این بخش تحقیقاتی را در مورد راه‌حل‌های انرژی جایگزین و ذخیره‌سازی انجام می‌دهد تا امکان استقرار خودکار حسگرهای بی‌سیم و فناوری سلول‌های کوچک را فراهم کند. در این پست وبلاگ، ما بر روی تولید یک دستگاه جمع‌آوری انرژی که برای تامین انرژی حسگرهای بی‌سیم استفاده می‌شود تمرکز خواهیم کرد که می‌تواند تا ۱۱ برابر بیشتر از روش‌های فعلی انرژی تولید کند.

بهبود مدیریت حرارتی برای دستگاه های فوتونیک

به منظور بهبود کارایی انرژی در دستگاه‌های فوتونیک، بخش مدیریت حرارتی از شبیه‌سازی چندفیزیکی برای مدل‌سازی طرح‌های جدید برای خنک‌کننده دستگاه‌های فوتونیک استفاده می‌کند که بر اثر ترموالکتریک برای خنک‌سازی متکی هستند. دستگاه های فوتونیک مورد استفاده برای ارتباطات حاوی مواد ترموالکتریکی هستند که برای خنک کردن دستگاه استفاده می شود.

در این مواد با وارد شدن جریان الکتریکی به مواد، اختلاف دما ایجاد می‌شود و در نتیجه یک طرف ماده گرم و طرف دیگر سرد می‌شود. هنگامی که از مواد ترموالکتریک برای کنترل دمای دستگاه های فوتونیک استفاده می شود، این سیستم به عنوان یک سیستم فوتونیک یکپارچه حرارتی (TIPS) شناخته می شود. در حال حاضر، یک خنک کننده بزرگ ترموالکتریک (TEC) برای خنک کردن کل سیستم در دستگاه فوتونیک استفاده می شود. در حالی که TEC ها را می توان برای کنترل دقیق دما مورد استفاده قرار داد، اما بسیار ناکارآمد هستند. رویکرد جدید این گروه با استفاده از میکرو TEC (μTEC) برای خنک کردن هر لیزر در دستگاه، مدیریت حرارتی را بهبود می بخشد.

شماتیک معماری سیستم فوتونیک یکپارچه حرارتی (TIPS) که شامل اجزای میکروترموالکتریک و میکروسیال است.

با استفاده از COMSOL Multiphysics، تیم معماری TIPS را برای استفاده در دستگاه‌های لیزری جدید، از جمله عملکرد الکتریکی، نوری و حرارتی دستگاه شبیه‌سازی کردند. این دستگاه ها علاوه بر خنک کنندگی، توسط دستگاه های لیزر مخابراتی به منظور حفظ طول موج خروجی صحیح، توان نوری خروجی و نرخ انتقال داده استفاده می شوند.

این تیم کنترل دما و مدیریت شار گرما را در معماری یکپارچه TIPS و μTEC با استفاده از شبیه‌سازی بررسی کردند. به طور خاص، آنها بررسی کردند که چگونه می توان کنترل دما را در این سیستم ها از طریق ادغام μTECs با معماری های لیزر نیمه هادی بایگانی کرد. شبیه سازی لیزر یکپارچه و μTECs را می توان در تصویر زیر در سمت راست مشاهده کرد.

شبیه‌سازی چندفیزیکی یک لیزر با یک μTEC یکپارچه که در آن دما (نقشه سطح)، چگالی جریان (خطوط جریان)، و شار گرما (فلش‌های سطحی) نشان داده شده است.

دستگاه برداشت انرژی جدید

پروژه دیگری که در حال حاضر توسط آزمایشگاه بل انجام می شود، طراحی یک دستگاه برداشت انرژی است که می تواند ارتعاشات محیطی را از موتورها، AC و HVAC به انرژی قابل استفاده تبدیل کند. این امر از نیاز به جایگزینی باتری های مورد استفاده در حسگرهای بی سیم که اغلب در سراسر شبکه استفاده می شوند جلوگیری می کند. کاربردهای این طراحی جدید شامل نظارت بر مصرف انرژی در امکانات بزرگ و در حسگرهای اینترنت اشیا (IoT) آینده است .

در طراحی این تیم از اصول بقای تکانه و تقویت سرعت برای تبدیل ارتعاشات به الکتریسیته با استفاده از القای الکترومغناطیسی استفاده شد. این دستگاه از یک رویکرد جدید با درجات آزادی چندگانه برای تقویت سرعت کوچکترین جرم در سیستم استفاده می کند. شبیه‌سازی نقش مهمی در طراحی بازی کرد، زیرا جاروهای پارامتریک به تیم اجازه می‌داد تا تعیین کنند که چگونه پارامترهای مختلف ساختاری، الکتریکی و مغناطیسی روی یکدیگر و طراحی به عنوان یک کل تأثیر می‌گذارند. شکل زیر طراحی جدید (سمت چپ) به همراه شبیه سازی دستگاه (سمت راست) را نشان می دهد.

سمت چپ: نمونه اولیه ماشین برداشت انرژی فنری جدید. سمت راست: شبیه سازی برداشت کننده انرژی که استرس فون میزس را نشان می دهد.

آینده شبکه های ارتباطی پرسرعت

اگرچه این طرح‌های جدید هنوز در بازار موجود نیستند، اما محققان آزمایشگاه‌های بل معتقدند که به دلیل دقت به دست آمده از طریق شبیه‌سازی‌های آن‌ها، این دستگاه‌ها باید تا پنج سال آینده برای تولید تجاری آماده شوند. در حالی که قبلاً این طرح‌ها سال‌ها آزمایش فیزیکی زمان‌بر می‌بردند، تیم آزمایشگاه بل پیش‌بینی می‌کند که این دستگاه‌ها به لطف استفاده از شبیه‌سازی چندفیزیکی، با زمان بسیار سریع‌تری برای عرضه به بازار در دسترس خواهند بود.

داستان کامل را بخوانید

برای جزئیات بیشتر، داستان کامل ” بررسی نیازهای انرژی ارتباطات پرسرعت از طریق شبیه سازی ” را که در مجله Multiphysics Simulation منتشر شده است، بخوانید.