برداشت انرژی میدان الکتریکی از لامپ‌های فلورسنت برای شبکه‌های اینترنت اشیاء بدون باتری

1. مقدمه

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 فلورسنت متداول طراحی شده است. چالش اصلی مورد بررسی، محدودیت توان در شبکه‌های فراگیر اینترنت اشیاء است که در آن تعویض یا نگهداری باتری عملی نیست. راه‌حل پیشنهادی، از حضور همه‌جایی چراغ‌های فلورسنت سقفی با تغذیه AC در محیط‌های تجاری و اداری بهره می‌برد و یک منبع رایج "آلودگی" الکترومغناطیسی را به یک منبع توان قابل استفاده برای حسگرهای کم‌مصرف و ماژول‌های ارتباطی تبدیل می‌کند.

این پژوهش با توجه به محدودیت‌های تکنیک‌های موجود برداشت انرژی (خورشیدی، حرارتی، ارتعاشی) که می‌توانند متناوب یا وابسته به محیط باشند، انگیزه گرفته است. برداشت میدان الکتریکی، به ویژه از زیرساخت‌های روشنایی همیشه روشن، مسیری امیدوارکننده به سوی شبکه‌های اینترنت اشیاء واقعاً بدون باتری و بدون نیاز به نگهداری برای کاربردهایی مانند پایش محیطی، مدیریت ساختمان هوشمند و نگهداری پیش‌بینانه ارائه می‌دهد.

2. برداشت انرژی میدان الکتریکی (EFEH)

EFEH بر اساس اصل کوپلینگ خازنی عمل می‌کند. هر ماده رسانای تحت انرژی‌گیری از یک ولتاژ جریان متناوب (AC)، یک میدان الکتریکی شعاعی متغیر با زمان منتشر می‌کند. این میدان متغیر، یک جریان جابجایی ($I_D$) در یک صفحه برداشت‌کننده رسانای مجاور القا می‌کند. انرژی برداشت‌شده از این جریان جابجایی ناشی می‌شود، نه از جریان هدایتی، که آن را به یک روش برداشت غیرمخرب تبدیل می‌کند.

3. جزئیات فنی و مدل ریاضی

توان نظری ($P_{harv}$) قابل دستیابی از یک سیستم EFEH توسط جریان جابجایی و امپدانس مؤثر مدار برداشت کنترل می‌شود. جریان جابجایی را می‌توان به صورت $I_D = \omega \cdot C_{eq} \cdot V_{AC}$ بیان کرد، که در آن $\omega$ فرکانس زاویه‌ای (2$\pi$f) و $C_{eq}$ ظرفیت خازنی معادل کوپلینگ است. حداکثر توان قابل برداشت در یک بار بهینه ($R_L$) تحت شرایط تطبیق امپدانس توسط $P_{max} = \frac{(I_D)^2 \cdot R_L}{4}$ داده می‌شود.

مقاله مدار معادل را به تفصیل شرح می‌دهد که شامل خازن منبع، خازن صفحه برداشت‌کننده، خازن‌های پارازیتی و مدار یکسوساز/بار است. پارامترهای طراحی کلیدی عبارتند از: مساحت صفحه (تعیین‌کننده $C_f$)، فاصله تا چراغ و زمین (تأثیرگذار بر $C_f$ و $C_h$) و فرکانس کاری شبکه برق AC.

4. تنظیمات آزمایشی و نتایج

5. چارچوب تحلیل و مثال موردی

چارچوب ارزیابی قابلیت اجرای EFEH:

1. ارزیابی منبع: شناسایی چراغ‌های هدف با تغذیه AC (ولتاژ، فرکانس، ماندگاری).
2. طراحی کوپلینگ: تعیین هندسه و جایگذاری صفحه برداشت‌کننده برای بیشینه‌سازی $C_f$ و نسبت $C_f/(C_f+C_h)$.
3. تحلیل بودجه توان: نگاشت پروفایل توان برداشت‌شده (شارژ قطره‌ای پیوسته) به چرخه کاری دستگاه اینترنت اشیاء هدف (نمونه‌برداری حسگر، محاسبه، انتقال بی‌سیم).
4. تعیین اندازه ذخیره‌سازی: محاسبه ظرفیت ذخیره‌سازی مورد نیاز (ابرخازن/باتری) برای پل زدن بین فاصله جمع‌آوری انرژی و تپش‌های مصرف.

مثال موردی - حسگر دمای/رطوبت اداری:
یک گره حسگر اینترنت اشیاء هر ۵ دقیقه دما و رطوبت را اندازه‌گیری می‌کند، داده‌ها را پردازش می‌کند و هر ۱۵ دقیقه یک بسته ۵۰ بایتی را از طریق BLE ارسال می‌کند.
بودجه توان: جریان خواب: ۵ میکروآمپر در ۳ ولت. حس‌گری/محاسبه فعال: ۵ میلی‌آمپر برای ۱۰۰ میلی‌ثانیه. انتقال BLE: ۱۰ میلی‌آمپر برای ۳ میلی‌ثانیه.
میانگین مصرف توان: ~۱۵ میکرووات.
تحلیل: سیستم EFEH با تولید ~۸۳۰ میکرووات، مازاد انرژی بیش از ۵۰ برابری فراهم می‌کند که امکان عملکرد قوی و تحمل ناکارآمدی‌ها را فراهم می‌کند. ابرخازن ۰.۱F بافر انرژی کافی را تأمین می‌کند.

6. کاربردهای آینده و جهت‌گیری‌ها

• شبکه‌های اینترنت اشیاء ساختمان هوشمند: حسگرهای با تغذیه دائمی برای کنترل HVAC، تشخیص حضور و پایش نور که مستقیماً در کاشی‌های سقف یا چراغ‌ها تعبیه شده‌اند.
• پایش وضعیت صنعتی: حسگرهای خودتأمین‌کننده ارتعاش، دما یا انتشار آکوستیک روی ماشین‌آلات کارخانه در نزدیکی خطوط AC با ولتاژ بالا یا روشنایی.
• مدیریت خرده‌فروشی و موجودی: برچسب‌های لبه قفسه یا مانیتورهای محیطی بدون باتری در فروشگاه‌های همیشه روشن.
• جهت‌گیری‌های پژوهشی:
  • ادغام صفحه برداشت‌کننده در طراحی خود چراغ برای کوپلینگ و زیبایی‌شناسی بهینه.
  • توسعه مدارهای مجتمع مدیریت توان با محدوده ورودی گسترده و جریان بی‌بار فوق کم، مخصوصاً برای EFEH نانووات.
  • بررسی امکان برداشت از سایر منابع میدان AC همه‌جایی مانند سیم‌های برق، شینه‌ها یا تابلوهای برق.
  • سیستم‌های ترکیبی که EFEH را با سایر ریزبرداشت‌کننده‌ها (مانند از نور LED) برای افزایش استحکام ترکیب می‌کنند.

7. مراجع

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). (Cited as an example of innovative architectural thinking in engineering).

8. تحلیل اصیل و تفسیر کارشناسی