این مقاله یک معماری نوین برداشت انرژی را ارائه میدهد که برای تأمین انرژی دستگاههای اینترنت اشیاء (IoT) با جمعآوری انرژی میدان الکتریکی (E-field) محیطی منتشرشده از چراغهای سقفی فلورسنت معمولی طراحی شده است. نوآوری اصلی در استفاده از یک صفحه مسی ساده به عنوان کوپلر خازنی است که بین چراغ و سقف قرار میگیرد تا انرژی الکتریکی قابل استفاده را بدون تداخل در عملکرد نور استخراج کند. انرژی برداشتشده برای فعالسازی شبکههای اینترنت اشیاء بدون باتری برای حسآمایی محیطی و انتقال داده در نظر گرفته شده است.
هر ماده رسانای تحت انرژیگیری توسط ولتاژ جریان متناوب (AC)، یک میدان الکتریکی شعاعی متغیر با زمان منتشر میکند. این میدان الکتریکی متغیر، یک جریان جابجایی ($I_D$) در یک جسم رسانای مجاور (صفحه برداشتکننده) القا میکند. جریان جابجایی که توسط معادلات ماکسول کنترل میشود، امکان انتقال انرژی را از طریق کوپلینگ خازنی بدون یک مسیر رسانای مستقیم فراهم میکند. جریان متناوب برداشتشده سپس یکسو شده و در یک خازن یا ابرخازن ذخیره میشود.
سیستم پیشنهادی، مدل صفحات موازی Linear Technology را اصلاح میکند. یک صفحه مسی 50cm x 50cm بین سقف و یک چراغ سقفی فلورسنت استاندارد 4 لامپی (4x18W, 220V AC, 50Hz) قرار داده میشود. این صفحه به عنوان یک تقسیمکننده ولتاژ خازنی درون میدان الکتریکی عمل کرده و یک اختلاف پتانسیل ایجاد میکند. نکته حیاتی این است که این طراحی نسبت به تلاشهای قبلی، کمحجمتر است، نور را مسدود نمیکند و مداربندی را سادهتر میکند.
شکل 1 (نمودار مفهومی): (الف) یک چراغ سقفی فلورسنت استاندارد و (ب) تنظیمات برداشتکننده پیشنهادی را به تصویر میکشد. صفحه مسی در بالای لامپها نشان داده شده است. جریان جابجایی $I_D$ به یک مدار یکسوکننده و ذخیرهسازی جریان یافته و یک گره حسگر را که دارای یک سوئیچ برای چرخه کاری است، تغذیه میکند.
تنظیمات فیزیکی به عنوان شبکهای از خازنهای پراکنده مدلسازی شده است (شکل 2 در PDF را ببینید). خازنهای کلیدی شامل موارد زیر هستند:
صفحه برداشتکننده و مدار مرتبط با آن، یک تقسیمکننده ولتاژ خازنی را با این عناصر پراکنده تشکیل میدهند. توان قابل برداشت نظری از این مدل استخراج میشود.
ولتاژ مدار باز ($V_{oc}$) القاشده روی صفحه برداشتکننده را میتوان با فرمول تقسیمکننده ولتاژ تقریب زد: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ که در آن $V_{AC}$ ولتاژ RMS خط برق است. توان در دسترس نظری ($P_{av}$) برای یک بار بهینه با رابطه زیر داده میشود: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ که در آن $\omega = 2\pi f$ فرکانس زاویهای منبع AC است. در عمل، تلفات در یکسوکننده و شبکه تطبیق، توان خالص برداشتشده را کاهش میدهد.
تنظیمات آزمایشی از یک چراغ سقفی فلورسنت استاندارد اداری استفاده کرد. صفحه برداشتکننده مسی 50x50cm به موازات چراغ قرار داده شد. مدار برداشت شامل یک یکسوکننده پل تمامموج، تنظیمکننده ولتاژ و یک ابرخازن 0.1F به عنوان عنصر ذخیرهسازی بود. انباشت انرژی در طول زمان اندازهگیری شد.
انرژی برداشتشده: تقریباً 1.25 ژول در طول 25 دقیقه عملکرد مداوم انباشته شد.
توان متوسط: تقریباً 0.83 میلیوات ($P = E / t = 1.25J / 1500s$).
ذخیرهسازی: ابرخازن 0.1F.
این بازده انرژی برای تغذیه یک ریزپردازنده فوق کممصرف (مانند Texas Instruments MSP430 یا Arm Cortex-M0+) و یک رادیو با چرخه کاری کم (مانند LoRa یا Bluetooth Low Energy) برای وظایف حسآمایی و انتقال دورهای کافی است و مفهوم گرههای اینترنت اشیاء بدون باتری را تأیید میکند.
دیدگاه تحلیلگر: یک نقد چهارمرحلهای
بینش هستهای: این فقط یک مقاله دیگر در زمینه برداشت انرژی نیست؛ بلکه یک راهحل عملی و هوشمندانه است که یک منبع انرژی فراگیر اما نادیده گرفتهشده را هدف قرار میدهد - میدان الکتریکی «اتلافی» از زیرساخت روشنایی. نویسندگان به درستی چراغهای سقفی فلورسنت را که در ساختمانهای تجاری رایج هستند، به عنوان منابع میدان الکتریکی دائمی و متصل به شبکه شناسایی میکنند که آنها را قابلاعتمادتر از انرژی خورشیدی یا جنبشی متناوب میسازد. تغییر از خطوط برق فشارقوی (حوزه سنتی EFEH) به روشنایی داخلی کمولتاژ، یک چرخش مهم و از نظر تجاری هوشمندانه است.
جریان منطقی: استدلال محکم است: 1) اینترنت اشیاء به توان دائمی نیاز دارد، 2) باتریها یک گلوگاه هستند، 3) میدانهای محیطی امیدوارکننده اما کماستفاده هستند، 4) لامپهای فلورسنت اهداف ایدهآلی هستند، 5) طراحیهای قبلی (مانند LT) دارای نقص هستند، 6) اینجا طراحی صفحهای بهتر و سادهتر ماست، و 7) کار میکند (اثبات 1.25 ژول). جریان از مسئله به راهحل و سپس تأیید، واضح و قانعکننده است.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت اصلی، سادگی و غیرمزاحم بودن راهحل صفحه مسی است. این راهحل نیاز به تغییر چراغ یا سیمکشی ندارد که یک مزیت بزرگ برای نوسازی ساختمانهای موجود است. خروجی 0.83mW، اگرچه کم است، در محدوده چیپهای اینترنت اشیاء فوق کممصرف مدرن قرار دارد، همانطور که توسط پلتفرمهایی مانند پشته RF Cordio شرکت Arm یا مطالعات آکادمیک روی حسگرهای زیر میلیواتی اثبات شده است. با این حال، نقص مهلک آن، وابستگی هستهای به فناوری فلورسنت است که به سرعت در سطح جهانی در حال حذف و جایگزینی با روشنایی LED است. LEDها، به ویژه نمونههای با طراحی خوب، میدانهای الکتریکی 50/60Hz ناچیزی تولید میکنند. این امر تهدید میکند که فناوری را قبل از بلوغ، منسوخ کند. مقاله همچنین از مسائل عملی استقرار مانند زیباییشناسی و ایمنی صفحات فلزی بزرگ نزدیک سقف چشمپوشی میکند.
بینشهای عملی: برای محققان: بلافاصله به سمت برداشت سازگار با LED تغییر جهت دهید. برداشت از درایورهای فرکانس بالای LEDها یا از سیمکشی اصلی AC خود، شاید با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان حلقوی، را بررسی کنید. برای توسعهدهندگان محصول: این مفهوم یک پنجره زمانی کوتاه تا متوسط مرتبط در مناطقی با زیرساخت فلورسنت گسترده موجود (مانند ساختمانهای اداری قدیمی، انبارها) دارد. یک برداشتکننده ترکیبی که این روش میدان الکتریکی را با یک سلول فتوولتائیک کوچک برای ساعات روز ترکیب میکند، میتواند توان 24/7 مقاومتری فراهم کند. درس اصلی این است که برداشتکنندههای انرژی را برای زیرساخت آینده طراحی کنید، نه گذشته.