تقدم هذه الورقة البحثية بنية جديدة لحصاد الطاقة مصممة لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) عن طريق جمع طاقة المجال الكهربائي المحيط المنبعثة من مصابيح الفلورسنت المعلقة التقليدية. يكمن الابتكار الأساسي في استخدام صفيحة نحاسية بسيطة كمقترٍ سعوي، توضع بين تركيب الإضاءة والسقف، لاستخراج طاقة كهربائية قابلة للاستخدام دون التداخل في تشغيل المصباح. تهدف الطاقة المحصودة إلى تمكين شبكات إنترنت الأشياء غير المعتمدة على البطاريات لأغراض الاستشعار البيئي وإرسال البيانات.
أي مادة موصلة يتم تنشيطها بجهد تيار متردد (AC) تشع مجالاً كهربائياً شعاعياً متغيراً مع الزمن. هذا المجال الكهربائي المتغير يحفز تيار الإزاحة ($I_D$) في جسم موصل قريب (صفيحة الحصاد). يسمح تيار الإزاحة، الذي تحكمه معادلات ماكسويل، بنقل الطاقة عبر الاقتران السعوي دون مسار توصيلي مباشر. يتم بعد ذلك تقويم التيار المتردد المحصود وتخزينه في مكثف أو مكثف فائق.
يقوم النظام المقترح بتعديل نموذج الصفائح المتوازية من Linear Technology. يتم إدخال صفيحة نحاسية مقاس 50 سم × 50 سم بين السقف ومصباح فلورسنت معلق قياسي (4 مصابيح × 18 واط، 220 فولت تيار متردد، 50 هرتز). تعمل هذه الصفيحة كمقسم جهد سعوي داخل المجال الكهربائي، مما يخلق فرق جهد. الأهم من ذلك، أن هذا التصميم أقل ضخامة، ولا يعيق الضوء، ويبسط الدائرة الكهربائية مقارنة بالمحاولات السابقة.
الشكل 1 (رسم تخطيطي مفاهيمي): يصور (أ) تركيب مصباح فلورسنت سقفي قياسي و(ب) إعداد جهاز الحصاد المقترح. تظهر الصفيحة النحاسية موضوعة فوق المصابيح. يتدفق تيار الإزاحة $I_D$ إلى دائرة مقوم وتخزين، لتشغيل عقدة استشعار مع مفتاح لدورات العمل.
يتم نمذجة الإعداد الفيزيائي كشبكة من السعات الطفيلية (انظر الشكل 2 في ملف PDF). تشمل السعات الرئيسية:
تشكل صفيحة الحصاد والدائرة الكهربائية المرتبطة بها مقسم جهد سعوي مع هذه العناصر الطفيلية. يتم اشتقاق الطاقة القابلة للحصاد نظرياً من هذا النموذج.
يمكن تقريب الجهد في حالة الدائرة المفتوحة ($V_{oc}$) المستحث على صفيحة الحصاد باستخدام صيغة مقسم الجهد: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ حيث $V_{AC}$ هو جهد التيار المتردد الجذر التربيعي. تُعطى الطاقة المتاحة نظرياً ($P_{av}$) للحمل الأمثل بالعلاقة: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ حيث $\omega = 2\pi f$ هو التردد الزاوي لمصدر التيار المتردد. عملياً، تقلل الخسائر في المقوم وشبكة المطابقة من صافي الطاقة المحصودة.
استخدم الإعداد التجريبي مصباح فلورسنت معلق سقفي قياسي للمكاتب. تم وضع صفيحة الحصاد النحاسية مقاس 50×50 سم بشكل موازٍ للتركيب. تكونت دائرة الحصاد من مقوم جسر كامل الموجة، وتنظيم للجهد، ومكثف فائق سعة 0.1 فاراد كعنصر تخزين. تم قياس تراكم الطاقة مع مرور الوقت.
الطاقة المحصودة: حوالي 1.25 جول متراكمة على مدى 25 دقيقة من التشغيل المستمر.
متوسط القدرة: تقريباً 0.83 ملي واط ($P = E / t = 1.25J / 1500s$).
التخزين: مكثف فائق سعة 0.1 فاراد.
هذا العائد من الطاقة كافٍ لتشغيل متحكم دقيق فائق الانخفاض في الطاقة (مثل Texas Instruments MSP430 أو Arm Cortex-M0+) وراديو ذي دورة عمل منخفضة (مثل LoRa أو Bluetooth Low Energy) لمهام الاستشعار والإرسال الدورية، مما يثبت صحة المفهوم لعقد إنترنت الأشياء غير المعتمدة على البطاريات.
وجهة نظر المحلل: نقد من أربع خطوات
الرؤية الأساسية: هذه ليست مجرد ورقة بحثية أخرى عن حصاد الطاقة؛ إنها حل عملي يستهدف مصدر طاقة منتشراً لكنه مُغفَل عنه—المجال الكهربائي "المهدر" من بنية الإضاءة. يحدد المؤلفون بشكل صحيح مصابيح الفلورسنت المعلقة، الشائعة في المباني التجارية، كمصادر دائمة ومتصلة بالشبكة للمجال الكهربائي، مما يجعلها أكثر موثوقية من الطاقة الشمسية أو الحركية المتقطعة. التحول من خطوط الطاقة عالية الجهد (المجال التقليدي لـ EFEH) إلى الإضاءة الداخلية منخفضة الجهد هو تحول كبير وذكي تجارياً.
التسلسل المنطقي: الحجة قوية: 1) إنترنت الأشياء يحتاج إلى طاقة دائمة، 2) البطاريات تمثل عقبة، 3) المجالات المحيطة واعدة لكنها غير مستغلة بالكامل، 4) مصابيح الفلورسنت أهداف مثالية، 5) التصاميم السابقة (مثل LT) معيبة، 6) ها هو تصميمنا الأفضل والأبسط القائم على الصفائح، و7) إنه يعمل (إثبات 1.25 جول). التسلسل من المشكلة إلى الحل إلى التحقق واضح ومقنع.
نقاط القوة والضعف: القوة الرئيسية هي البساطة وعدم التطفل لحل الصفيحة النحاسية. لا يتطلب تعديل تركيب الإضاءة أو الأسلاك، وهي ميزة كبيرة لتحديث المباني القائمة. ناتج 0.83 ملي واط، وإن كان منخفضاً، فهو في النطاق المناسب لرقائق إنترنت الأشياء فائقة الانخفاض في الطاقة الحديثة، كما يتضح من منصات مثل Arm Cordio RF stack أو الدراسات الأكاديمية حول المستشعرات تحت الملي واط. ومع ذلك، فإن العيب القاتل هو اعتماده الأساسي على تقنية الفلورسنت، التي يتم التخلص منها بسرعة على مستوى العالم لصالح إضاءة LED. تولد مصابيح LED، خاصة المصممة جيداً، مجالات كهربائية 50/60 هرتز ضئيلة للغاية. وهذا يهدد بإصابة التقنية بالتقادم قبل أن تنضج. كما أن الورقة تتغاضى عن قضايا النشر العملية مثل الجماليات وسلامة الصفائح المعدنية الكبيرة بالقرب من الأسقف.
رؤى قابلة للتنفيذ: للباحثين: تحولوا فوراً إلى حصاد متوافق مع LED. تحققوا من حصاد الطاقة من دوائر القيادة عالية التردد لمصابيح LED أو من أسلاك التيار المتردد الرئيسية نفسها، ربما باستخدام محولات تيار حلقي. لمطوري المنتجات: هذا المفهوم له نافذة صلة قصيرة إلى متوسطة المدى في المناطق ذات البنية التحتية الواسعة القائمة للفلورسنت (مثل مباني المكاتب والمستودعات القديمة). يمكن لجهاز حصاد هجين يجمع بين طريقة المجال الكهربائي هذه مع خلية ضوئية صغيرة لساعات النهار أن يوفر طاقة أكثر قوة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. الدرس الأساسي هو تصميم أجهزة حصاد الطاقة للبنية التحتية للمستقبل، وليس للماضي.