1. परिचय एवं सिंहावलोकन

यह शोध पत्र एक नवीन ऊर्जा संचयन संरचना प्रस्तुत करता है, जिसे पारंपरिक फ्लोरोसेंट लाइट ट्रॉफर्स से उत्सर्जित परिवेशी विद्युत-क्षेत्र (ई-फील्ड) ऊर्जा का दोहन करके इंटरनेट ऑफ थिंग्स (आईओटी) उपकरणों को शक्ति प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। मूल नवाचार लाइट फिक्स्चर और छत के बीच एक साधारण तांबे की प्लेट को संधारित्र युग्मक के रूप में रखना है, ताकि प्रकाश के संचालन में हस्तक्षेप किए बिना उपयोगी विद्युत ऊर्जा निकाली जा सके। संचित ऊर्जा का उद्देश्य पर्यावरणीय संवेदन और डेटा संचरण के लिए बैटरी-रहित आईओटी नेटवर्क को सक्षम बनाना है।

मुख्य अंतर्दृष्टि

  • एसी-शक्ति फ्लोरोसेंट लाइट्स के आसपास व्याप्त, सदैव सक्रिय विद्युत क्षेत्र को लक्षित करता है।
  • पूर्व के भारी-भरकम डिज़ाइनों से श्रेष्ठ, एक गैर-हस्तक्षेपकारी, प्लेट-आधारित संचयक प्रस्तावित करता है।
  • कम-शक्ति आईओटी ड्यूटी साइकिल के लिए पर्याप्त व्यावहारिक ऊर्जा उपज (25 मिनट में 1.25J) प्राप्त करता है।
  • स्मार्ट भवन स्थिति निगरानी के लिए आत्मनिर्भर सेंसर नेटवर्क की परिकल्पना करता है।

2. मूल प्रौद्योगिकी एवं सिद्धांत

2.1 विद्युत-क्षेत्र ऊर्जा संचयन (ईएफईएच) मूल बातें

प्रत्यावर्ती धारा (एसी) वोल्टेज द्वारा उर्जित कोई भी चालक पदार्थ एक समय-परिवर्ती रेडियल विद्युत क्षेत्र उत्सर्जित करता है। यह परिवर्तनशील ई-फील्ड पास के किसी चालक वस्तु (संचयक प्लेट) में एक विस्थापन धारा ($I_D$) प्रेरित करता है। मैक्सवेल के समीकरणों द्वारा नियंत्रित विस्थापन धारा, प्रत्यक्ष चालक पथ के बिना संधारित्र युग्मन के माध्यम से ऊर्जा के स्थानांतरण की अनुमति देती है। संचित एसी को तब दिष्टकारी द्वारा दिष्ट किया जाता है और एक संधारित्र या सुपरकैपेसिटर में संग्रहीत किया जाता है।

2.2 प्रस्तावित संचयक संरचना

प्रस्तावित प्रणाली लीनियर टेक्नोलॉजी के समानांतर प्लेट्स मॉडल को संशोधित करती है। एक 50cm x 50cm तांबे की प्लेट को छत और एक मानक 4-लाइट फ्लोरोसेंट ट्रॉफर (4x18W, 220V AC, 50Hz) के बीच डाला जाता है। यह प्लेट ई-फील्ड के भीतर एक संधारित्र वोल्टेज विभाजक के रूप में कार्य करती है, जिससे विभवांतर उत्पन्न होता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह डिज़ाइन पूर्व के प्रयासों की तुलना में कम भारी-भरकम है, प्रकाश में बाधा नहीं डालता है, और परिपथ को सरल बनाता है।

चित्र 1 (संकल्पनात्मक आरेख): दर्शाता है (a) एक मानक छत फ्लोरोसेंट फिक्स्चर और (b) प्रस्तावित संचयक व्यवस्था। तांबे की प्लेट लाइट्स के ऊपर स्थित दिखाई गई है। विस्थापन धारा $I_D$ एक दिष्टकारी और भंडारण परिपथ में प्रवाहित होती है, जो ड्यूटी साइकिलिंग के लिए एक स्विच के साथ एक सेंसर नोड को शक्ति प्रदान करती है।

3. तकनीकी कार्यान्वयन एवं मॉडलिंग

3.1 समतुल्य परिपथ मॉडल

भौतिक व्यवस्था को परजीवी संधारित्रों के एक नेटवर्क के रूप में मॉडल किया गया है (पीडीएफ में चित्र 2 देखें)। प्रमुख संधारित्रों में शामिल हैं:

  • $C_f$: फ्लोरोसेंट बल्ब और संचयक प्लेट के बीच की धारिता।
  • $C_h$: संचयक प्लेट और भू-संपर्क (छत/धातु फिक्स्चर बॉडी) के बीच की धारिता।
  • $C_b$: बल्ब और भू-संपर्क के बीच परजीवी धारिता।

संचयक प्लेट और संबद्ध परिपथ इन परजीवी तत्वों के साथ एक संधारित्र वोल्टेज विभाजक बनाते हैं। सैद्धांतिक रूप से संचयनीय शक्ति इसी मॉडल से प्राप्त की जाती है।

3.2 गणितीय सूत्रीकरण

संचयक प्लेट पर प्रेरित खुला-परिपथ वोल्टेज ($V_{oc}$) वोल्टेज विभाजक सूत्र द्वारा अनुमानित किया जा सकता है: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ जहां $V_{AC}$ पावर लाइन का आरएमएस वोल्टेज है। एक इष्टतम भार के लिए सैद्धांतिक रूप से उपलब्ध शक्ति ($P_{av}$) इस प्रकार दी जाती है: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ जहां $\omega = 2\pi f$ एसी स्रोत की कोणीय आवृत्ति है। व्यवहार में, दिष्टकारी और मिलान नेटवर्क में हानियां शुद्ध संचित शक्ति को कम कर देती हैं।

4. प्रायोगिक व्यवस्था एवं परिणाम

4.1 प्रोटोटाइप विन्यास

प्रायोगिक व्यवस्था में एक मानक कार्यालय छत फ्लोरोसेंट ट्रॉफर का उपयोग किया गया। 50x50cm तांबे की संचयक प्लेट को फिक्स्चर के समानांतर रखा गया। संचयन परिपथ में एक पूर्ण-तरंग ब्रिज दिष्टकारी, वोल्टेज नियमन, और भंडारण तत्व के रूप में एक 0.1F सुपरकैपेसिटर शामिल था। समय के साथ ऊर्जा संचयन को मापा गया।

4.2 ऊर्जा संचयन प्रदर्शन

प्रायोगिक परिणाम सारांश

संचित ऊर्जा: निरंतर संचालन के 25 मिनट में लगभग 1.25 जूल संचित।

औसत शक्ति: लगभग 0.83 मिलीवाट ($P = E / t = 1.25J / 1500s$)।

भंडारण: 0.1F सुपरकैपेसिटर।

यह ऊर्जा उपज एक अति-निम्न-शक्ति माइक्रोकंट्रोलर (जैसे, टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स एमएसपी430 या आर्म कोर्टेक्स-एम0+) और एक निम्न-ड्यूटी-साइकिल रेडियो (जैसे, लोरा या ब्लूटूथ लो एनर्जी) को आवधिक संवेदन और संचरण कार्यों के लिए शक्ति प्रदान करने के लिए पर्याप्त है, जो बैटरी-रहित आईओटी नोड्स के लिए अवधारणा को सत्यापित करती है।

5. विश्लेषण ढांचा एवं उदाहरण केस

विश्लेषक का दृष्टिकोण: एक चार-चरणीय समीक्षा

मूल अंतर्दृष्टि: यह केवल एक और ऊर्जा संचयन शोध पत्र नहीं है; यह एक व्यावहारिक हैक है जो एक व्यापक लेकिन उपेक्षित ऊर्जा स्रोत - प्रकाश व्यवस्था से "अपशिष्ट" ई-फील्ड - को लक्षित करता है। लेखक सही ढंग से वाणिज्यिक भवनों में आम फ्लोरोसेंट ट्रॉफर्स को स्थायी, ग्रिड-जुड़े ई-फील्ड स्रोतों के रूप में पहचानते हैं, जो उन्हें छिटपुट सौर या गतिज ऊर्जा की तुलना में अधिक विश्वसनीय बनाता है। उच्च-वोल्टेज पावर लाइनों (पारंपरिक ईएफईएच क्षेत्र) से निम्न-वोल्टेज इनडोर लाइटिंग की ओर यह बदलाव एक महत्वपूर्ण और व्यावसायिक रूप से चतुर पिवट है।

तार्किक प्रवाह: तर्क ठोस है: 1) आईओटी को सतत शक्ति की आवश्यकता है, 2) बैटरियां एक बाधा हैं, 3) परिवेशी क्षेत्र आशाजनक हैं लेकिन अल्प उपयोग में हैं, 4) फ्लोरोसेंट लाइट्स आदर्श लक्ष्य हैं, 5) पूर्व के डिज़ाइन (जैसे, एलटी के) दोषपूर्ण हैं, 6) यहां हमारा बेहतर, सरल प्लेट डिज़ाइन है, और 7) यह काम करता है (1.25J प्रमाण)। समस्या से समाधान और फिर सत्यापन तक का प्रवाह स्पष्ट और प्रभावशाली है।

शक्तियां एवं कमियां: प्रमुख शक्ति तांबे की प्लेट समाधान की सरलता और गैर-हस्तक्षेपकारी प्रकृति है। इसे लाइट फिक्स्चर या वायरिंग को संशोधित करने की आवश्यकता नहीं है, जो मौजूदा भवनों के पुनर्निर्माण के लिए एक बड़ा लाभ है। 0.83mW आउटपुट, हालांकि कम है, आधुनिक अति-निम्न-शक्ति आईओटी चिप्स के लिए उपयुक्त सीमा में है, जैसा कि आर्म कॉर्डियो आरएफ स्टैक या उप-मिलीवाट सेंसर पर शैक्षणिक अध्ययनों से प्रमाणित है। हालांकि, घातक कमी इसकी मूल निर्भरता फ्लोरोसेंट प्रौद्योगिकी पर है, जिसे वैश्विक स्तर पर एलईडी लाइटिंग के पक्ष में तेजी से चरणबद्ध तरीके से हटाया जा रहा है। एलईडी, विशेष रूप से अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए, नगण्य 50/60Hz ई-फील्ड उत्पन्न करते हैं। इससे प्रौद्योगिकी के परिपक्व होने से पहले ही अप्रचलित होने का खतरा है। शोध पत्र छत के पास बड़ी धातु प्लेटों की सौंदर्यशास्त्र और सुरक्षा जैसे व्यावहारिक तैनाती के मुद्दों पर भी सतही रूप से विचार करता है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं के लिए: तुरंत एलईडी-संगत संचयन की ओर मुड़ें। एलईडी के उच्च-आवृत्ति ड्राइवरों से या एसी मेन्स वायरिंग से ही संचयन की जांच करें, शायद टोरॉइडल करंट ट्रांसफॉर्मर का उपयोग करके। उत्पाद डेवलपर्स के लिए: यह अवधारणा विशाल मौजूदा फ्लोरोसेंट बुनियादी ढांचे वाले क्षेत्रों (जैसे, पुराने कार्यालय भवन, गोदाम) में अल्प से मध्यम अवधि की प्रासंगिकता रखती है। इस ई-फील्ड विधि के साथ दिन के समय के लिए एक छोटे फोटोवोल्टिक सेल को जोड़ने वाला एक संकर संचयक अधिक मजबूत 24/7 शक्ति प्रदान कर सकता है। मूल सबक यह है कि ऊर्जा संचयक को भविष्य के बुनियादी ढांचे के लिए डिज़ाइन करें, अतीत के लिए नहीं।

6. अनुप्रयोग संभावनाएं एवं भविष्य की दिशाएं

  • अल्पकालिक: एचवीएसी निगरानी, अधिभोग संवेदन, और इनडोर वायु गुणवत्ता ट्रैकिंग के लिए फ्लोरोसेंट लाइटिंग वाले मौजूदा वाणिज्यिक भवनों में तैनाती।
  • मध्यम अवधि: पूरी तरह से वायरलेस, रखरखाव-मुक्त सेंसर नेटवर्क के लिए भवन प्रबंधन प्रणालियों (बीएमएस) के साथ एकीकरण।
  • अनुसंधान दिशा: सिद्धांत को दीवारों और छतों में एसी पावर केबलों के आसपास के ई-फील्ड से संचयन के लिए अनुकूलित करना, जो विशिष्ट लाइट फिक्स्चर की तुलना में अधिक सार्वभौमिक स्रोत है।
  • प्रौद्योगिकी विकास: बहु-स्रोत संकर संचयक (ई-फील्ड + प्रकाश + तापीय) विकसित करना ताकि प्रकाश प्रौद्योगिकी के संक्रमण के दौरान ऊर्जा निरंतरता सुनिश्चित की जा सके और अधिक सक्षम सेंसर के लिए कुल संचित शक्ति बढ़ाई जा सके।
  • पदार्थ विज्ञान: कठोर तांबे की प्लेटों के बजाय सौंदर्यशास्त्र में तटस्थ या छिपे हुए संचयक "त्वचा" बनाने के लिए लचीले, मुद्रण योग्य चालक पदार्थों की खोज करना।

7. संदर्भ

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