1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

এই গবেষণাপত্রটি একটি অভিনব শক্তি আহরণ স্থাপত্য উপস্থাপন করে, যা প্রচলিত ফ্লুরোসেন্ট লাইট ট্রফার থেকে নির্গত পরিবেষ্টিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র (ই-ফিল্ড) শক্তি সংগ্রহ করে ইন্টারনেট অফ থিংস (আইওটি) ডিভাইস চালানোর জন্য নকশা করা হয়েছে। মূল উদ্ভাবনটি হলো লাইট ফিক্সচারের অপারেশনে হস্তক্ষেপ না করেই ব্যবহারযোগ্য বৈদ্যুতিক শক্তি আহরণের জন্য একটি সাধারণ তামার প্লেটকে ক্যাপাসিটিভ কাপলার হিসেবে ব্যবহার করা, যা লাইট ফিক্সচার এবং সিলিংয়ের মাঝখানে স্থাপন করা হয়। আহরিত শক্তির উদ্দেশ্য হলো পরিবেশগত সেন্সিং এবং ডেটা ট্রান্সমিশনের জন্য ব্যাটারিবিহীন আইওটি নেটওয়ার্ক সক্ষম করা।

মূল অন্তর্দৃষ্টি

  • এসি-চালিত ফ্লুরোসেন্ট লাইটের চারপাশের সর্বব্যাপী, সর্বদা চালু বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রকে লক্ষ্য করে।
  • পূর্ববর্তী ভারী নকশাগুলোর চেয়ে উন্নত, একটি অনাক্রমণকারী, প্লেট-ভিত্তিক হারভেস্টার প্রস্তাব করে।
  • কম-শক্তির আইওটি ডিউটি সাইকেলের জন্য যথেষ্ট ব্যবহারিক শক্তি ফলন (২৫ মিনিটে ১.২৫ জুল) অর্জন করে।
  • স্মার্ট বিল্ডিং অবস্থা পর্যবেক্ষণের জন্য স্বয়ংসম্পূর্ণ সেন্সর নেটওয়ার্কের কল্পনা করে।

2. মূল প্রযুক্তি ও নীতি

2.1 বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র শক্তি আহরণ (EFEH) এর মৌলিক বিষয়

যেকোনো পরিবাহী পদার্থ যা একটি পর্যায়ক্রমিক বিদ্যুৎ (এসি) ভোল্টেজ দ্বারা শক্তিশালী হয়, তা একটি সময়-পরিবর্তনশীল রেডিয়াল বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র নির্গত করে। এই পরিবর্তনশীল ই-ফিল্ড একটি কাছাকাছি পরিবাহী বস্তুতে (হারভেস্টার প্লেট) একটি সরণ তড়িৎ ($I_D$) প্ররোচিত করে। ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণ দ্বারা নিয়ন্ত্রিত সরণ তড়িৎ, সরাসরি পরিবাহী পথ ছাড়াই ক্যাপাসিটিভ কাপলিংয়ের মাধ্যমে শক্তি স্থানান্তর করতে দেয়। আহরিত এসি তারপর সংশোধিত হয়ে একটি ক্যাপাসিটর বা সুপারক্যাপাসিটরে সংরক্ষিত হয়।

2.2 প্রস্তাবিত হারভেস্টার স্থাপত্য

প্রস্তাবিত সিস্টেমটি লিনিয়ার টেকনোলজির সমান্তরাল প্লেট মডেলকে পরিবর্তন করে। একটি ৫০ সেমি x ৫০ সেমি তামার প্লেট সিলিং এবং একটি স্ট্যান্ডার্ড ৪-লাইট ফ্লুরোসেন্ট ট্রফারের (৪x১৮W, ২২০V এসি, ৫০Hz) মাঝখানে ঢোকানো হয়। এই প্লেটটি ই-ফিল্ডের ভিতরে একটি ক্যাপাসিটিভ ভোল্টেজ বিভাজক হিসেবে কাজ করে, একটি বিভব পার্থক্য তৈরি করে। গুরুত্বপূর্ণভাবে, পূর্ববর্তী প্রচেষ্টার তুলনায় এই নকশাটি কম ভারী, আলোকে বাধা দেয় না এবং সার্কিটিকে সরল করে।

চিত্র ১ (ধারণাগত চিত্র): (ক) একটি স্ট্যান্ডার্ড সিলিং ফ্লুরোসেন্ট ফিক্সচার এবং (খ) প্রস্তাবিত হারভেস্টার সেটআপ দেখায়। তামার প্লেটটি লাইটের উপরে অবস্থিত দেখানো হয়েছে। সরণ তড়িৎ $I_D$ একটি সংশোধক এবং স্টোরেজ সার্কিটে প্রবাহিত হয়, ডিউটি সাইক্লিংয়ের জন্য একটি সুইচ সহ একটি সেন্সর নোডকে শক্তি দেয়।

3. প্রযুক্তিগত বাস্তবায়ন ও মডেলিং

3.1 সমতুল্য সার্কিট মডেল

শারীরিক সেটআপটিকে স্ট্রে ক্যাপাসিট্যান্সের একটি নেটওয়ার্ক হিসাবে মডেল করা হয়েছে (পিডিএফ-এ চিত্র ২ দেখুন)। মূল ক্যাপাসিট্যান্সের মধ্যে রয়েছে:

  • $C_f$: ফ্লুরোসেন্ট বাল্ব এবং হারভেস্টিং প্লেটের মধ্যবর্তী ক্যাপাসিট্যান্স।
  • $C_h$: হারভেস্টিং প্লেট এবং গ্রাউন্ড (সিলিং/ধাতব ফিক্সচার বডি) এর মধ্যবর্তী ক্যাপাসিট্যান্স।
  • $C_b$: বাল্ব এবং গ্রাউন্ডের মধ্যবর্তী পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স।

হারভেস্টার প্লেট এবং সংশ্লিষ্ট সার্কিটরি এই স্ট্রে উপাদানগুলির সাথে একটি ক্যাপাসিটিভ ভোল্টেজ বিভাজক গঠন করে। তাত্ত্বিকভাবে আহরণযোগ্য শক্তি এই মডেল থেকে উদ্ভূত।

3.2 গাণিতিক সূত্রায়ন

হারভেস্টার প্লেটে প্ররোচিত ওপেন-সার্কিট ভোল্টেজ ($V_{oc}$) ভোল্টেজ বিভাজক সূত্র দ্বারা আনুমানিক করা যেতে পারে: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ যেখানে $V_{AC}$ হলো পাওয়ার লাইনের RMS ভোল্টেজ। একটি সর্বোত্তম লোডের জন্য তাত্ত্বিকভাবে উপলব্ধ শক্তি ($P_{av}$) নিম্নরূপ দেওয়া হয়েছে: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ যেখানে $\omega = 2\pi f$ হলো এসি উৎসের কৌণিক কম্পাঙ্ক। ব্যবহারিকভাবে, সংশোধক এবং ম্যাচিং নেটওয়ার্কে ক্ষতির কারণে নেট আহরিত শক্তি হ্রাস পায়।

4. পরীক্ষামূলক সেটআপ ও ফলাফল

4.1 প্রোটোটাইপ কনফিগারেশন

পরীক্ষামূলক সেটআপে একটি স্ট্যান্ডার্ড অফিস সিলিং ফ্লুরোসেন্ট ট্রফার ব্যবহার করা হয়েছিল। ৫০x৫০ সেমি তামার হারভেস্টার প্লেটটি ফিক্সচারের সমান্তরালে স্থাপন করা হয়েছিল। হারভেস্টিং সার্কিটে একটি ফুল-ওয়েভ ব্রিজ সংশোধক, ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ এবং স্টোরেজ উপাদান হিসেবে একটি ০.১F সুপারক্যাপাসিটর অন্তর্ভুক্ত ছিল। সময়ের সাথে সাথে শক্তি সঞ্চয় পরিমাপ করা হয়েছিল।

4.2 শক্তি আহরণের কার্যকারিতা

পরীক্ষামূলক ফলাফলের সারসংক্ষেপ

আহরিত শক্তি: ক্রমাগত ২৫ মিনিট অপারেশনে প্রায় ১.২৫ জুল শক্তি সঞ্চিত হয়েছে।

গড় শক্তি: আনুমানিক ০.৮৩ মিলিওয়াট ($P = E / t = ১.২৫J / ১৫০০s$)।

সংরক্ষণ: ০.১F সুপারক্যাপাসিটর।

এই শক্তি ফলন পর্যায়ক্রমিক সেন্সিং এবং ট্রান্সমিশন কাজের জন্য একটি আল্ট্রা-লো-পাওয়ার মাইক্রোকন্ট্রোলার (যেমন, টেক্সাস ইনস্ট্রুমেন্টস MSP430 বা Arm Cortex-M0+) এবং একটি লো-ডিউটি-সাইকেল রেডিও (যেমন, LoRa বা Bluetooth Low Energy) চালানোর জন্য যথেষ্ট, যা ব্যাটারিবিহীন আইওটি নোডের জন্য ধারণাটিকে বৈধতা দেয়।

5. বিশ্লেষণ কাঠামো ও উদাহরণ কেস

বিশ্লেষকের দৃষ্টিভঙ্গি: একটি চার-ধাপী সমালোচনা

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এটি শুধু আরেকটি শক্তি আহরণের গবেষণাপত্র নয়; এটি একটি সর্বব্যাপী কিন্তু উপেক্ষিত শক্তির উৎস—লাইটিং অবকাঠামো থেকে "বর্জ্য" ই-ফিল্ড—কে লক্ষ্য করে একটি ব্যবহারিক হ্যাক। লেখকরা সঠিকভাবে ফ্লুরোসেন্ট ট্রফারগুলিকে, যা বাণিজ্যিক ভবনে সাধারণ, চিরস্থায়ী, গ্রিড-সংযুক্ত ই-ফিল্ড উৎস হিসেবে চিহ্নিত করেছেন, যা এগুলিকে অনিয়মিত সৌর বা গতিশক্তি থেকে আরও নির্ভরযোগ্য করে তোলে। উচ্চ-ভোল্টেজ পাওয়ার লাইন (ঐতিহ্যগত EFEH ডোমেইন) থেকে নিম্ন-ভোল্টেজ ইনডোর লাইটিং-এ স্থানান্তর একটি উল্লেখযোগ্য এবং বাণিজ্যিকভাবে বিচক্ষণ পিভট।

যুক্তির প্রবাহ: যুক্তিটি দৃঢ়: ১) আইওটির জন্য চিরস্থায়ী শক্তির প্রয়োজন, ২) ব্যাটারি একটি বাধা, ৩) পরিবেষ্টিত ক্ষেত্রগুলি আশাজনক কিন্তু কম ব্যবহার করা হয়, ৪) ফ্লুরোসেন্ট লাইট আদর্শ লক্ষ্য, ৫) পূর্ববর্তী নকশাগুলি (যেমন, LT-এর) ত্রুটিপূর্ণ, ৬) এখানে আমাদের উন্নত, সরল প্লেট নকশা রয়েছে, এবং ৭) এটি কাজ করে (১.২৫ জুল প্রমাণ)। সমস্যা থেকে সমাধান এবং বৈধকরণের প্রবাহটি স্পষ্ট এবং আকর্ষণীয়।

শক্তি ও ত্রুটি: প্রধান শক্তি হলো তামার প্লেট সমাধানের সরলতা এবং অনাক্রমণকারীতা। এটির জন্য লাইট ফিক্সচার বা ওয়্যারিং পরিবর্তন করার প্রয়োজন নেই, যা বিদ্যমান ভবনগুলিতে রেট্রোফিটিংয়ের জন্য একটি বিশাল সুবিধা। ০.৮৩mW আউটপুট, যদিও কম, আধুনিক আল্ট্রা-লো-পাওয়ার আইওটি চিপগুলির জন্য উপযুক্ত পরিসরে রয়েছে, যেমন Arm Cordio RF স্ট্যাক বা সাব-mW সেন্সরগুলির উপর একাডেমিক গবেষণা দ্বারা প্রমাণিত। যাইহোক, মারাত্মক ত্রুটি হলো এর মূল নির্ভরতা ফ্লুরোসেন্ট প্রযুক্তির উপর, যা LED লাইটিংয়ের পক্ষে বিশ্বব্যাপী দ্রুত পর্যায়ক্রমে বাতিল করা হচ্ছে। LED, বিশেষত ভালভাবে নকশা করা LED, নগণ্য ৫০/৬০Hz ই-ফিল্ড তৈরি করে। এটি প্রযুক্তিটিকে পরিপক্ক হওয়ার আগেই অপ্রচলিত করে তোলার হুমকি দেয়। গবেষণাপত্রটি সিলিংয়ের কাছে বড় ধাতব প্লেটের নান্দনিকতা এবং নিরাপত্তার মতো ব্যবহারিক স্থাপনার বিষয়গুলিকেও অস্পষ্ট করে।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: গবেষকদের জন্য: অবিলম্বে LED-সামঞ্জস্যপূর্ণ আহরণে পিভট করুন। LED-এর উচ্চ-কম্পাঙ্ক ড্রাইভার থেকে বা এসি মেইন ওয়্যারিং থেকেই আহরণের তদন্ত করুন, সম্ভবত টরয়েডাল কারেন্ট ট্রান্সফরমার ব্যবহার করে। পণ্য বিকাশকারীদের জন্য: এই ধারণাটির বিদ্যমান বিশাল ফ্লুরোসেন্ট অবকাঠামো (যেমন, পুরানো অফিস ভবন, গুদাম) সহ অঞ্চলে স্বল্প থেকে মধ্যম মেয়াদের প্রাসঙ্গিকতা রয়েছে। এই ই-ফিল্ড পদ্ধতির সাথে দিনের আলোর জন্য একটি ছোট ফটোভোলটাইক সেল সমন্বিত একটি হাইব্রিড হারভেস্টার আরও শক্তিশালী ২৪/৭ শক্তি সরবরাহ করতে পারে। মূল শিক্ষা হলো অতীতের নয়, ভবিষ্যতের অবকাঠামোর জন্য শক্তি হারভেস্টার নকশা করা।

6. প্রয়োগের সম্ভাবনা ও ভবিষ্যৎ দিকনির্দেশনা

  • স্বল্পমেয়াদী: HVAC পর্যবেক্ষণ, অকুপেন্সি সেন্সিং এবং ইনডোর এয়ার কোয়ালিটি ট্র্যাকিংয়ের জন্য ফ্লুরোসেন্ট লাইটিং সহ বিদ্যমান বাণিজ্যিক ভবনে স্থাপনা।
  • মধ্যমেয়াদী: সম্পূর্ণ ওয়্যারলেস, রক্ষণাবেক্ষণ-মুক্ত সেন্সর নেটওয়ার্কের জন্য বিল্ডিং ম্যানেজমেন্ট সিস্টেম (BMS) এর সাথে একীকরণ।
  • গবেষণার দিক: নির্দিষ্ট লাইট ফিক্সচারের চেয়ে আরও সর্বজনীন উৎস, দেয়াল এবং সিলিংয়ের চারপাশের এসি পাওয়ার কেবল থেকে ই-ফিল্ড আহরণের জন্য নীতিটিকে অভিযোজিত করা।
  • প্রযুক্তির বিবর্তন: বহু-উৎস হাইব্রিড হারভেস্টার (ই-ফিল্ড + আলো + তাপীয়) বিকাশ করা যাতে লাইটিং প্রযুক্তি রূপান্তরের সময় শক্তির ধারাবাহিকতা নিশ্চিত হয় এবং আরও সক্ষম সেন্সরের জন্য মোট আহরিত শক্তি বৃদ্ধি পায়।
  • উপাদান বিজ্ঞান: অনমনীয় তামার প্লেটের পরিবর্তে নান্দনিকভাবে নিরপেক্ষ বা লুকানো হারভেস্টার "স্কিন" তৈরি করতে নমনীয়, প্রিন্টযোগ্য পরিবাহী উপকরণ অন্বেষণ করা।

7. তথ্যসূত্র

  1. Paradiso, J. A., & Starner, T. (2005). Energy scavenging for mobile and wireless electronics. IEEE Pervasive Computing, 4(1), 18-27.
  2. Moghe, R., et al. (2009). A scoping study of electric and magnetic field energy harvesting for powering wireless sensor networks in power grid applications. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
  3. Boisseau, S., et al. (2012). Electromagnetic vibration energy harvesting devices for sensor networks. Journal of Physics: Conference Series.
  4. Linear Technology. (2014). Energy Harvesting from Fluorescent Lights Using LTC3588-1. Application Note 152.
  5. Cetinkaya, O., & Akan, O. B. (2017). Electric-field energy harvesting for wireless sensor networks. IEEE Circuits and Systems Magazine.
  6. Arm Holdings. (2023). Ultra-low Power Solutions for the Internet of Things. Retrieved from https://www.arm.com.
  7. Zhu, J., et al. (2020). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Cited as an example of innovative, cross-domain problem-solving analogous to adapting EFEH to new sources).