通信网络中的绿色能量管理

Alexandra Foley 2014年 10月 17日

通信网络的设计初衷并非针对目前每天在全球各地传播的超级信息流量。在数据流量飞速增长、高速通信呈指数级增长的今天,通信网络所面临的压力也越来越大。在贝尔实验室,研究员们正试图通过电子设备冷却和能量收集技术来提高通信网络的能源效率。该研究小组目前所开发的两项新型节能方案预计能帮助我们大幅节省能源。

贝尔实验室通过仿真提升能量效率

为实现这一目标,贝尔实验室专门成立了 GreenTouch 联盟,一个由致力于降低通信技术和信息中碳足迹的研究人员所组成的组织。GreenTouch 和贝尔实验室的目标是通过核心组件的开发,将通信网络的耗能相对 2010 年水平降低 1000 倍。

在 Domhnaill Hernon 博士领导下的贝尔实验室,高效能源传输 (ηET) 部门的热管理与能量收集存储小组正为实现这一目标而努力。该部门重点研究两个领域,而热研究小组的侧重点之一便是在阿尔卡特-朗讯的所有产品、所有领域中推广全新的热技术,比如可靠的主动空气冷却、单个多相液体冷却技术等。研究小组开发了能将每字节中能源使用量降低 50% 到 70% 的新型技术,进而改善了光子器件中对激光传输的热管理。这也是本篇博客的关注点所在。

此外,该部门还研究了替代能源和存储方案,并实现了在无线传感器和小型蜂窝网络技术中的自主能源部署。在本篇博客中,我们将重点介绍能源收集设备的开发,该技术可以将无线传感器所产生的能量最多提高 11 倍。

改进光子设备中的热管理

为了提高光子设备中的能量效率,热管理部门正使用多物理场仿真来对光子设备冷却方案建模,即通过热电效应实现冷却。通信光子设备中通常包含热电材料,用以实现设备的冷却。

当电流流经这些材料时,会产生温度差,材料的一边被加热,另一边被冷却。使用热电材料控制光子设备的温度,这类系统即被称为热集成光子系统 (TIPS)。目前,人们使用大型热电 (TEC) 冷却器来实现光子设备内部整体系统的冷却。虽然 TEC 设备可用来实现精确控温,但工作效率并不高。针对这一点,新型分组技术会为设备中的每个激光器配置单独的微型 TEC (μTEC) 来实现冷却。

热集成光子 (TIPS) 系统显示图。
TIPS 系统由微型热电半导体和微流体组件构成。

在 COMSOL Multiphysics 的帮助下,团队模拟了用于新型激光器设备中的 TIPS 架构,包括设备的电气、光学和热性能等方面。除能为设备降温外,这些设备还可以帮助激光通信器件维持正确的输出波长、光学功率输出以及数据传输速率。

团队通过仿真分析了集成型 TIPS 和 μTEC 架构中的温度控制和热通量管理。他们重点研究了如何通过集成了 μTECs 的半导体激光器架构来实现系统的温度控制。对集成型激光器和 μTECs 的仿真结果如下图右侧所示。

新型激光器设备中的 TIPS 架构模型。
仿真中突出了温度控制和热通量管理。

集成 μTEC 的激光器的多物理场仿真结果,含温度(表面图)、电流密度(流线图)和热通量(表面箭头)。

新型能量收集设备

在另一个项目中,贝尔实验室正着手设计一款能量收集设备,可以将发动机、AC、HVAC 等的环境振动转化为可用能量。针对目前在网络中频繁使用的无线传感器,本方案解决了更换无线传感器电池的难题。在这项新型设计中,我们需要监控大型设备和未来将在 物联网 (IoT) 中安装的传感器的能量使用情况。

团队在设计中参考了动量守恒和速度放大两大原则,用以将振动转化为电磁感应中的电能。设计方案中采用了创新型的多自由度技术,用以放大系统中最小质量的速度。在方案的设计过程中,仿真发挥了重要的作用,参数化扫描使得团队能够了解对结构、电气和磁性参数的调整会如何相互影响、并会如何影响整体设计。下图左侧显示了该新型设计方案的原型机,右侧显示了对该方案的仿真结果。

促进通信设备中绿色能源管理的能量收集系统。
左:弹簧式能量收集器原型机;右:能量收集器仿真(含 von Mises 应力)

高速通信网络的未来

虽然这些设备目前还未在市场推广使用,但贝尔实验室的研究员们相信由于他们通过仿真提高了设计方案的精度,所以这些设备应该可以在五年内投入商用。虽然接下来还要对这些设备进行长达数年的物理实验,但贝尔实验室的研究员们预测,在多物理场仿真的帮助下,这些设备的上市时间会大幅缩短。

完整故事

希望了解更多内容,请阅读《Multiphysics Simulation》杂志所刊登的 ““通过仿真满足高速通信中的能量需求”一文。


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