Fujitsu Laboratories ha demostrado la capacidad del Digital Annealer, su arquitectura computacional inspirada en fenómenos cuánticos, resuelven rápidamente los problemas de optimización combinatoria, con el fin de maximizar el rendimiento de los dispositivos magnéticos esenciales para la recolección de energía renovable y otros usos.
La aplicación de la arquitectura de próxima generación de Fujitsu permite el cálculo casi instantáneo de la disposición óptima de múltiples imanes planos (2D) para maximizar la fuerza del campo magnético en un dispositivo.
Muchos de estos dispositivos, utilizados para la generación de energía ambiental crean un flujo magnético a través de la disposición de un gran número de imanes pequeños. Sin embargo, la disposición planar (2D), óptima para maximizar la eficiencia de generación de energía sigue siendo difícil de calcular, debido a la enorme cantidad de combinaciones potenciales de disposiciones de imán. Para superar este desafío, Fujitsu ha desarrollado una tecnología que utiliza su Digital Annealer para calcular, en cuestión de segundos, cómo organizar cada imán individual y así lograr la máxima densidad de flujo magnético, lo que proporciona una ganancia de eficiencia del 16 %.
Este avance tecnológico ahora hace posible calcular rápidamente el diseño óptimo para dispositivos magnéticos con una eficiencia de generación de energía significativamente mayor y, en última instancia, contribuirá a la difusión de dispositivos de generación de energía que utilizan energía renovable, como los dispositivos de recolección de energía.
Esta tecnología fue desarrollada en colaboración con el profesor Hajime Igarashi del Instituto de Ciencias de la Información de la Universidad de Hokkaido, y se presentará un resumen que describe la tecnología en la conferencia COMPUMAG 2019 (22ª Conferencia Internacional sobre la Computación de Campos Electromagnéticos) celebrada en París, Francia, Lunes 15 de julio.
Antecedentes
Los dispositivos de captación de energía, que convierten las vibraciones de motores, puentes y edificios en electricidad, atraen cada vez más la atención. La tecnología que sustenta estos dispositivos elimina la necesidad de cables de transmisión de energía, reemplazo de baterías y carga como medio para suministrar electricidad a dispositivos IoT instalados, tanto en interiores como en exteriores, así como para el suministro de energía a bordo para dispositivos portátiles y componentes automotrices. Si bien, la adopción de esta tecnología presenta una solución atractiva en una variedad de contextos prácticos, las mejoras adicionales en la eficiencia de los dispositivos de recolección de energía resultarán esenciales para resolver los mayores problemas ambientales y energéticos que enfrenta la humanidad.
Cuestiones
Los dispositivos de recolección de energía convierten las vibraciones en energía eléctrica utilizando el fenómeno físico de la inducción electromagnética producida por imanes y bobinas permanentes. Para maximizar la eficiencia de generación de energía de un dispositivo de recolección de energía, la magnitud de la densidad de flujo magnético que emana de los muchos imanes ubicados dentro del dispositivo debe maximizarse con relación a la ubicación de la bobina.
En la actualidad, el diseño en el que se dispone una serie de imanes en una fila (una dimensión) con una concentración de flujo magnético en un lado, es bien conocido. La disposición de los imanes en una forma plana (2D) resultará eficaz para aumentar la cantidad de energía generada, lo que llevará al logro de dispositivos con una eficiencia aún mayor en el futuro. Sin embargo, dado que la disposición de los imanes dispuestos en una forma plana (2D) es complicada, los diseñadores enfrentan un desafío formidable cuando buscan la disposición óptima de los imanes que maximiza la densidad de flujo cerca de la bobina. De hecho, el número de posibles combinaciones de orientaciones magnéticas cuando 10 x 10 imanes están dispuestos en forma cuadrada a lo largo de un eje de coordenadas tridimensional es mayor que 77 a la potencia de 10.
Los desarrollos recientes de la tecnología
Fujitsu se ha embarcado en una colaboración con el profesor Hajime Igarashi del Instituto de Ciencia de la Información de la Universidad de Hokkaido para desarrollar una técnica que calcula la disposición óptima de los imanes planares utilizando Digital Annealer, que es una arquitectura informática única capaz de simular el comportamiento cuántico y que resuelve rápidamente los problemas de optimización combinatoria, el cual hoy en día no es factible para las computadoras convencionales.
Para el Digital Annealer, los problemas deben definirse sobre variables binarias (0 y 1). En este estudio, la dirección de un imán que puede orientarse a lo largo de los 3 ejes de X, Y y Z se expresa mediante variables de 3 bits, y la densidad de flujo magnético generada se formula utilizando la variable y la ley de Bio-Savart, una de las leyes del electromagnetismo y una función objetiva (función cuyo valor debe maximizarse) como un problema de optimización combinatoria en el que la densidad del flujo magnético se maximiza para una parte específica. Además, al agregar una nueva variable a la función objetivo para que pueda formularse en el formato QUBO (1), el Digital Annealer puede calcular la estructura de diseño óptima para matrices de imanes planares.
El resultado
Con Digital Annealer de Fujitsu, fue posible calcular el diseño óptimo de una matriz de imanes planar (2D) a partir de un gran número de combinaciones potenciales. La simulación confirmó que el problema de optimización del diseño de 10 x 10 arrays de imanes bidimensionales se puede resolver en unos pocos segundos. Al utilizar la matriz resultante, pudimos mejorar la densidad de flujo magnético en un 17 % y la eficiencia de generación de energía del dispositivo de recolección de energía en un 16 % en comparación con la matriz bidimensional de diseño convencional. También se espera que esta tecnología se aplique a la optimización de conjuntos de imanes para motores lineales, donde la densidad de flujo magnético debe controlarse según lo previsto para un mayor rendimiento.
El plan a largo plazo
Los Laboratorios Fujitsu contribuirán a un mayor desarrollo de los dispositivos magnéticos utilizados en la recolección de energía, etc., mediante la implementación de esta tecnología como uno de los servicios profesionales para Digital Annealer en el año fiscal 2020.
Noticia de: Nsenergybusiness.com/ Traducción libre del inglés por WorldEnergyTrade.com
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