ফ্লুরোসেন্ট লাইট থেকে বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র শক্তি আহরণ: ব্যাটারিবিহীন আইওটি নেটওয়ার্কের জন্য

1. ভূমিকা

এই গবেষণাপত্রটি একটি অভিনব শক্তি আহরণ স্থাপত্য উপস্থাপন করে, যা প্রচলিত ফ্লুরোসেন্ট আলোর ফিক্সচার থেকে নির্গত পরিবেষ্টিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র (ই-ফিল্ড) শক্তি সংগ্রহ করে ইন্টারনেট অফ থিংস (আইওটি) ডিভাইসগুলিকে শক্তি প্রদানের জন্য নকশা করা হয়েছে। সমাধান করা মূল চ্যালেঞ্জটি হল ব্যাপক আইওটি নেটওয়ার্কগুলিতে বিদ্যমান শক্তির সীমাবদ্ধতা, যেখানে ব্যাটারি প্রতিস্থাপন বা রক্ষণাবেক্ষণ অবাস্তব। প্রস্তাবিত সমাধানটি বাণিজ্যিক ও অফিস পরিবেশে এসি-চালিত ফ্লুরোসেন্ট ট্রফারের সর্বব্যাপী উপস্থিতির সুযোগ নেয়, যা ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক "দূষণের" একটি সাধারণ উৎসকে নিম্ন-শক্তির সেন্সর ও যোগাযোগ মডিউলগুলির জন্য একটি কার্যকরী শক্তির উৎসে রূপান্তরিত করে।

এই গবেষণার প্রেরণা হল বিদ্যমান শক্তি আহরণ কৌশলগুলির (সৌর, তাপীয়, কম্পন) সীমাবদ্ধতা থেকে, যা মাঝেমধ্যে বা পরিবেশ-নির্ভর হতে পারে। বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র আহরণ, বিশেষ করে সর্বদা চালু আলোর অবকাঠামো থেকে, পরিবেশ পর্যবেক্ষণ, স্মার্ট বিল্ডিং ব্যবস্থাপনা এবং ভবিষ্যদ্বাণীমূলক রক্ষণাবেক্ষণের মতো প্রয়োগের জন্য সত্যিকারের ব্যাটারিবিহীন, রক্ষণাবেক্ষণ-মুক্ত আইওটি নেটওয়ার্কের দিকে একটি প্রতিশ্রুতিশীল পথ প্রদান করে।

2. ই-ফিল্ড শক্তি আহরণ (EFEH)

EFEH ক্যাপাসিটিভ কাপলিং-এর নীতির উপর কাজ করে। কোনো পরিবর্তী প্রবাহ (এসি) ভোল্টেজ দ্বারা শক্তিপ্রাপ্ত কোনো পরিবাহী পদার্থই একটি সময়-পরিবর্তনশীল রেডিয়াল বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র নির্গত করে। এই পরিবর্তনশীল ক্ষেত্রটি একটি কাছাকাছি অবস্থিত পরিবাহী আহরণকারী প্লেটে একটি স্থানচ্যুতি প্রবাহ ($I_D$) প্ররোচিত করে। আহরিত শক্তি এই স্থানচ্যুতি প্রবাহ থেকে পাওয়া যায়, পরিবাহী প্রবাহ থেকে নয়, যা এটিকে একটি অনধিকারপ্রবেশমূলক আহরণ পদ্ধতি করে তোলে।

3. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক মডেল

একটি EFEH সিস্টেম থেকে প্রাপ্ত তাত্ত্বিক শক্তি ($P_{harv}$) স্থানচ্যুতি প্রবাহ এবং আহরণ সার্কিটের কার্যকর ইম্পিড্যান্স দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। স্থানচ্যুতি প্রবাহকে $I_D = \omega \cdot C_{eq} \cdot V_{AC}$ হিসাবে প্রকাশ করা যেতে পারে, যেখানে $\omega$ হল কৌণিক কম্পাঙ্ক (2$\pi$f) এবং $C_{eq}$ হল সমতুল্য কাপলিং ক্যাপাসিট্যান্স। একটি সর্বোত্তম লোডে ($R_L$) সর্বোচ্চ আহরণযোগ্য শক্তি ইম্পিড্যান্স ম্যাচিং শর্তের অধীনে $P_{max} = \frac{(I_D)^2 \cdot R_L}{4}$ দ্বারা দেওয়া হয়।

কাগজটি সমতুল্য সার্কিটের বিস্তারিত বিবরণ দেয়, যার মধ্যে রয়েছে উৎস ক্যাপাসিট্যান্স, আহরণকারী প্লেট ক্যাপাসিট্যান্স, পরজীবী ক্যাপাসিট্যান্স এবং সংশোধক/লোড সার্কিট। মূল নকশা পরামিতিগুলি হল প্লেটের ক্ষেত্রফল ($C_f$ নির্ধারণ করে), ফিক্সচার এবং গ্রাউন্ডের দূরত্ব ($C_f$ এবং $C_h$ কে প্রভাবিত করে) এবং এসি গ্রিডের অপারেটিং কম্পাঙ্ক।

4. পরীক্ষামূলক সেটআপ ও ফলাফল

5. বিশ্লেষণ কাঠামো ও উদাহরণ কেস

EFEH-এর সম্ভাব্যতা মূল্যায়নের কাঠামো:

1. উৎস মূল্যায়ন: লক্ষ্য এসি-চালিত ফিক্সচার চিহ্নিত করুন (ভোল্টেজ, কম্পাঙ্ক, স্থায়িত্ব)।
2. কাপলিং নকশা: $C_f$ এবং $C_f/(C_f+C_h)$ অনুপাত সর্বাধিক করার জন্য আহরণকারী প্লেটের জ্যামিতি এবং অবস্থান নির্ধারণ করুন।
3. শক্তি বাজেট বিশ্লেষণ: আহরিত শক্তির প্রোফাইল (অবিচ্ছিন্ন ফোঁটায় ফোঁটায় চার্জ) লক্ষ্য আইওটি ডিভাইসের ডিউটি সাইকেলের (সেন্সর নমুনা সংগ্রহ, গণনা, বেতার প্রেরণ) সাথে ম্যাপ করুন।
4. স্টোরেজ সাইজিং: শক্তি সংগ্রহ এবং খরচ বিস্ফোরণের মধ্যে ব্যবধান পূরণের জন্য প্রয়োজনীয় স্টোরেজ (সুপারক্যাপাসিটর/ব্যাটারি) ক্ষমতা গণনা করুন।

কেস উদাহরণ - অফিস তাপমাত্রা/আর্দ্রতা সেন্সর:
একটি আইওটি সেন্সর নোড প্রতি ৫ মিনিটে তাপমাত্রা এবং আর্দ্রতা পরিমাপ করে, ডেটা প্রক্রিয়া করে এবং প্রতি ১৫ মিনিটে BLE-এর মাধ্যমে একটি ৫০-বাইট প্যাকেট প্রেরণ করে।
শক্তি বাজেট: স্লিপ কারেন্ট: ৫ µA @ ৩V। সক্রিয় সেন্সিং/গণনা: ৫ mA ১০০ms-এর জন্য। BLE ট্রান্সমিশন: ১০ mA ৩ms-এর জন্য।
গড় শক্তি খরচ: ~১৫ µW।
বিশ্লেষণ: ~৮৩০ µW উৎপাদনকারী EFEH সিস্টেমটি >৫০x শক্তি উদ্বৃত্ত প্রদান করে, যা শক্তিশালী অপারেশন এবং অদক্ষতার জন্য সহনশীলতা অনুমোদন করে। ০.১F সুপারক্যাপাসিটরটি পর্যাপ্ত শক্তি বাফার সরবরাহ করে।

6. ভবিষ্যৎ প্রয়োগ ও দিকনির্দেশনা

• স্মার্ট বিল্ডিং আইওটি নেটওয়ার্ক: HVAC নিয়ন্ত্রণ, দখল শনাক্তকরণ এবং আলো পর্যবেক্ষণের জন্য চিরস্থায়ীভাবে শক্তিপ্রাপ্ত সেন্সর সরাসরি সিলিং টাইল বা আলোর ফিক্সচারে এমবেড করা।
• শিল্প অবস্থা পর্যবেক্ষণ: কারখানার মেঝের যন্ত্রপাতিতে উচ্চ-ভোল্টেজ এসি লাইন বা আলোর কাছাকাছি স্ব-শক্তিপ্রাপ্ত কম্পন, তাপমাত্রা বা অ্যাকোস্টিক নির্গমন সেন্সর।
• খুচরা ও ইনভেন্টরি ব্যবস্থাপনা: চিরস্থায়ীভাবে আলোকিত দোকানে ব্যাটারিবিহীন শেল্ফ-এজ ট্যাগ বা পরিবেশগত মনিটর।
• গবেষণার দিকনির্দেশনা:
  • অপ্টিমাইজড কাপলিং এবং নান্দনিকতার জন্য আহরণকারী প্লেটকে আলোর ফিক্সচার নকশার মধ্যেই একীভূত করা।
  • ন্যানো-পাওয়ার EFEH-এর জন্য বিশেষভাবে তৈরি ওয়াইড-ইনপুট-রেঞ্জ, অতিনিম্ন-নিষ্ক্রিয়-কারেন্ট পাওয়ার ম্যানেজমেন্ট আইসি-এর উন্নয়ন।
  • পাওয়ার কর্ড, বাসবার বা বৈদ্যুতিক প্যানেলের মতো অন্যান্য সর্বব্যাপী এসি ক্ষেত্র উৎস থেকে আহরণ অন্বেষণ করা।
  • বর্ধিত শক্তিশালীতার জন্য EFEH-কে অন্যান্য মাইক্রো-আহরণকারীর (যেমন, LED আলো থেকে) সাথে সমন্বয় করে হাইব্রিড সিস্টেম।

7. তথ্যসূত্র

1. Paradiso, J. A., & Starner, T. (2005). Energy scavenging for mobile and wireless electronics. IEEE Pervasive Computing.
2. Moghe, R., et al. (2009). A scoping study of electric field energy harvesting for powering wireless sensor nodes in power systems. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
3. Boisseau, S., & Despesse, G. (2012). Electric field energy harvesting. Journal of Physics: Conference Series.
4. Linear Technology. (2014). Energy Harvesting from Fluorescent Lights Using LTC3108. Application Note 132.
5. Cetinkaya, O., & Akan, O. B. (2017). Electric-field energy harvesting in wireless networks. IEEE Wireless Communications.
6. MIT Technology Review. (2023). The Next Frontier for the Internet of Things: No Batteries Required. Retrieved from MIT Tech Review website.
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). (প্রকৌশলে উদ্ভাবনী স্থাপত্যিক চিন্তাভাবনার উদাহরণ হিসাবে উদ্ধৃত)।

8. মূল বিশ্লেষণ ও বিশেষজ্ঞ মন্তব্য