फ्लोरोसेंट लाइट इलेक्ट्रिक फील्ड एनर्जी हार्वेस्टिंग तकनीक का उपयोग करके बैटरी-मुक्त IoT नेटवर्क प्राप्त करना

1. परिचय

इस शोध पत्र में एक नवीन ऊर्जा संचयन संरचना प्रस्तावित की गई है, जिसका उद्देश्य पारंपरिक फ्लोरोसेंट प्रकाश व्यवस्था से उत्सर्जित परिवेशी विद्युत क्षेत्र ऊर्जा को एकत्रित करके IoT उपकरणों को शक्ति प्रदान करना है। यह उन सर्वव्यापी IoT नेटवर्कों में शक्ति आपूर्ति की मूलभूत चुनौती का समाधान करता है, जहाँ बैटरियों को बदलना या रखरखाव करना अव्यावहारिक है। यह समाधान वाणिज्यिक और कार्यालय वातावरण में व्यापक रूप से उपलब्ध AC-शक्ति वाले फ्लोरोसेंट लाइट फिक्स्चर का उपयोग करता है, एक सामान्य विद्युत चुम्बकीय "प्रदूषण" स्रोत को कम-शक्ति वाले सेंसर और संचार मॉड्यूल के लिए एक व्यवहार्य बिजली स्रोत में परिवर्तित करता है।

इस अध्ययन का प्रेरणा स्रोत मौजूदा ऊर्जा संचयन तकनीकों (सौर, तापीय, कंपन) की सीमाएँ हैं, जो रुक-रुक कर काम कर सकती हैं या विशिष्ट वातावरण पर निर्भर हो सकती हैं। विद्युत क्षेत्र संचयन, विशेष रूप से निरंतर चलने वाली प्रकाश व्यवस्था से, परिवेश निगरानी, स्मार्ट भवन प्रबंधन और पूर्वानुमानित रखरखाव जैसे अनुप्रयोगों के लिए, वास्तव में बैटरी-रहित, रखरखाव-मुक्त IoT नेटवर्क की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।

2. विद्युत क्षेत्र ऊर्जा संचयन (EFEH)

EFEH संधारित्र युग्मन के सिद्धांत पर कार्य करता है। प्रत्यावर्ती वोल्टेज द्वारा संचालित कोई भी चालक सामग्री एक समय-परिवर्ती रेडियल विद्युत क्षेत्र उत्सर्जित करती है। यह परिवर्तनशील विद्युत क्षेत्र पास के एक चालक संग्रहण प्लेट में विस्थापन धारा ($I_D$) प्रेरित करता है। संग्रहित ऊर्जा इसी विस्थापन धारा से प्राप्त होती है, चालन धारा से नहीं, जो इसे एक गैर-आक्रामक संग्रहण विधि बनाता है।

3. तकनीकी विवरण और गणितीय मॉडल

EFEH प्रणाली द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली सैद्धांतिक शक्ति ($P_{harv}$) विस्थापन धारा और संग्रहण सर्किट के प्रभावी प्रतिबाधा द्वारा निर्धारित होती है। विस्थापन धारा को $I_D = \omega \cdot C_{eq} \cdot V_{AC}$ के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, जहाँ $\omega$ कोणीय आवृत्ति (2$\pi$f) है और $C_{eq}$ समतुल्य युग्मन धारिता है। प्रतिबाधा मिलान की स्थिति में, इष्टतम भार ($R_L$) को स्थानांतरित अधिकतम संग्रहणीय शक्ति $P_{max} = \frac{(I_D)^2 \cdot R_L}{4}$ है।

यह लेख समतुल्य परिपथ का विस्तृत विवरण प्रस्तुत करता है, जिसमें स्रोत धारिता, संग्रहण प्लेट धारिता, परजीवी धारिता और दिष्टकारी/भार परिपथ शामिल हैं। प्रमुख डिज़ाइन पैरामीटर में शामिल हैं: प्लेट क्षेत्रफल ($C_f$ निर्धारित करता है), प्रकाश स्रोत और भूमि से दूरी ($C_f$ और $C_h$ को प्रभावित करती है), और AC विद्युत ग्रिड की कार्य आवृत्ति।

4. प्रयोगात्मक सेटअप और परिणाम

5. विश्लेषण ढांचा और केस उदाहरण

EFEH की व्यवहार्यता का मूल्यांकन करने के लिए ढांचा:

1. स्रोत मूल्यांकन: लक्ष्य एसी बिजली आपूर्ति उपकरण (वोल्टेज, आवृत्ति, स्थायित्व) की पहचान करें।
2. युग्मन डिजाइन: अधिकतम $C_f$ और $C_f/(C_f+C_h)$ अनुपात प्राप्त करने के लिए संग्रहण बोर्ड की ज्यामिति और स्थान निर्धारित करें।
3. शक्ति बजट विश्लेषण: संग्रहित पावर वक्र (निरंतर ट्रिकल चार्जिंग) को लक्षित IoT डिवाइस के ड्यूटी साइकिल (सेंसर सैंपलिंग, कंप्यूटेशन, वायरलेस ट्रांसमिशन) पर मैप करना।
4. ऊर्जा भंडारण क्षमता योजना: ऊर्जा संग्रहण और खपत के बीच अंतराल को पाटने के लिए आवश्यक ऊर्जा भंडारण (सुपरकैपेसिटर/बैटरी) क्षमता की गणना करें।

केस उदाहरण - कार्यालय तापमान और आर्द्रता सेंसर:
एक IoT सेंसर नोड हर 5 मिनट में तापमान और आर्द्रता मापता है, डेटा प्रोसेस करता है, और हर 15 मिनट में BLE के माध्यम से 50 बाइट का डेटा पैकेट ट्रांसमिट करता है।
पावर बजट: स्लीप करंट: 5 µA @ 3V। एक्टिव सेंसिंग/कंप्यूटेशन: 5 mA 100ms के लिए। BLE ट्रांसमिशन: 10 mA 3ms के लिए।
औसत बिजली खपत: ~15 µW।
विश्लेषण: ~830 µW उत्पन्न करने वाली EFEH प्रणाली 50 गुना से अधिक ऊर्जा अधिशेष प्रदान करती है, जो मजबूत संचालन और दक्षता हानि को सहन करने की अनुमति देती है। 0.1F सुपरकैपेसिटर पर्याप्त ऊर्जा बफर प्रदान करता है।

6. भविष्य के अनुप्रयोग और दिशाएँ

• स्मार्ट बिल्डिंग IoT नेटवर्क: HVAC नियंत्रण, व्यक्ति पहचान और प्रकाश निगरानी के लिए स्थायी रूप से संचालित सेंसर, जिन्हें सीधे छत पैनल या लाइट फिक्स्चर में एम्बेड किया जा सकता है।
• औद्योगिक स्थिति निगरानी: फैक्ट्री फ्लोर पर उच्च वोल्टेज AC लाइनों या प्रकाश उपकरणों के निकट स्थित मशीनों पर स्व-संचालित कंपन, तापमान या ध्वनि उत्सर्जन सेंसर।
• खुदरा और इन्वेंट्री प्रबंधन: निरंतर प्रकाश वाले स्टोरों में उपयोग किए जाने वाले बैटरी-रहित शेल्फ लेबल या पर्यावरण मॉनिटर।
• अनुसंधान दिशा:
  • दीपक डिज़ाइन में ही संग्रहण बोर्ड को एकीकृत करें, ताकि युग्मन और सौंदर्यशास्त्र को अनुकूलित किया जा सके।
  • नैनोवाट-स्तरीय EFEH के लिए विशेष रूप से एक विस्तृत इनपुट रेंज, अति-निम्न स्थैतिक धारा वाला पावर मैनेजमेंट IC विकसित करें।
  • अन्य सर्वव्यापी AC क्षेत्र स्रोतों (जैसे पावर लाइनें, बसबार, या वितरण बोर्ड) से ऊर्जा संग्रहण की संभावनाओं का अन्वेषण करें।
  • EFEH को अन्य सूक्ष्म ऊर्जा संचयकों (उदाहरण के लिए, LED प्रकाश से) के साथ संयोजित करने वाली संकर प्रणाली, जिससे मजबूती बढ़ाई जा सके।

7. संदर्भ सूची

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6. एमआईटी टेक्नोलॉजी रिव्यू। (2023)। इंटरनेट ऑफ थिंग्स का अगला सीमांत: बैटरियों की आवश्यकता नहीं। एमआईटी टेक रिव्यू वेबसाइट से प्राप्त किया गया।
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8. मूल विश्लेषण एवं विशेषज्ञ टिप्पणी