1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Kertas kerja ini membentangkan seni bina penuaian tenaga baharu yang direka untuk menggerakkan peranti Internet of Things (IoT) dengan mengumpul tenaga medan elektrik (E-field) ambien yang dipancarkan daripada lampu pendarfluor trofer konvensional. Inovasi teras terletak pada penggunaan plat kuprum ringkas sebagai pengganding kapasitif, diletakkan di antara pemasangan lampu dan siling, untuk mengekstrak tenaga elektrik yang boleh digunakan tanpa mengganggu operasi lampu. Tenaga yang dituai bertujuan untuk membolehkan rangkaian IoT tanpa bateri untuk penderiaan persekitaran dan penghantaran data.

Pandangan Utama

  • Menyasarkan medan elektrik yang meresap dan sentiasa hidup di sekeliling lampu pendarfluor berkuasa AC.
  • Mencadangkan penuai berasaskan plat yang tidak mengganggu dan lebih baik daripada reka bentuk besar sebelumnya.
  • Mencapai hasil tenaga praktikal (1.25J dalam 25 minit) yang mencukupi untuk kitar tugas IoT berkuasa rendah.
  • Membayangkan rangkaian penderia yang mampu berdikari untuk pemantauan keadaan bangunan pintar.

2. Teknologi Teras & Prinsip

2.1 Asas Penuaian Tenaga Medan Elektrik (EFEH)

Sebarang bahan konduktif yang diberi tenaga oleh voltan arus ulang alik (AC) memancarkan medan elektrik jejari yang berubah mengikut masa. Medan-E yang berubah-ubah ini mendorong arus sesaran ($I_D$) dalam objek konduktif berdekatan (plat penuai). Arus sesaran, yang dikawal oleh persamaan Maxwell, membolehkan pemindahan tenaga melalui gandingan kapasitif tanpa laluan konduktif langsung. AC yang dituai kemudiannya diselaraskan dan disimpan dalam kapasitor atau superkapasitor.

2.2 Seni Bina Penuai yang Dicadangkan

Sistem yang dicadangkan mengubah suai model plat selari Linear Technology. Satu plat kuprum 50cm x 50cm dimasukkan di antara siling dan trofer pendarfluor 4-lampu standard (4x18W, 220V AC, 50Hz). Plat ini bertindak sebagai pembahagi voltan kapasitif dalam medan-E, mencipta perbezaan keupayaan. Yang penting, reka bentuk ini kurang besar, tidak menghalang cahaya, dan memudahkan litar berbanding percubaan terdahulu.

Rajah 1 (Gambaran Konseptual): Menggambarkan (a) pemasangan lampu pendarfluor siling standard dan (b) persediaan penuai yang dicadangkan. Plat kuprum ditunjukkan diletakkan di atas lampu. Arus sesaran $I_D$ mengalir ke dalam litar penyelaras dan penyimpanan, menggerakkan nod penderia dengan suis untuk kitar tugas.

3. Pelaksanaan Teknikal & Pemodelan

3.1 Model Litar Setara

Persediaan fizikal dimodelkan sebagai rangkaian kapasitans sesat (lihat Rajah 2 dalam PDF). Kapasitans utama termasuk:

  • $C_f$: Kapasitans antara mentol pendarfluor dan plat penuai.
  • $C_h$: Kapasitans antara plat penuai dan bumi (siling/badan pemasangan logam).
  • $C_b$: Kapasitans parasit antara mentol dan bumi.

Plat penuai dan litar yang berkaitan membentuk pembahagi voltan kapasitif dengan elemen sesat ini. Kuasa boleh tuai secara teori diperoleh daripada model ini.

3.2 Formulasi Matematik

Voltan litar terbuka ($V_{oc}$) yang teraruh pada plat penuai boleh dianggarkan dengan formula pembahagi voltan: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ di mana $V_{AC}$ ialah voltan RMS talian kuasa. Kuasa yang tersedia secara teori ($P_{av}$) untuk beban optimum diberikan oleh: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ di mana $\omega = 2\pi f$ ialah frekuensi sudut sumber AC. Dalam praktiknya, kehilangan dalam penyelaras dan rangkaian padanan mengurangkan kuasa bersih yang dituai.

4. Persediaan Eksperimen & Keputusan

4.1 Konfigurasi Prototaip

Persediaan eksperimen menggunakan trofer pendarfluor siling pejabat standard. Plat penuai kuprum 50x50cm diletakkan selari dengan pemasangan lampu. Litar penuaian terdiri daripada penyelaras jambatan gelombang penuh, pengawalaturan voltan, dan superkapasitor 0.1F sebagai elemen penyimpanan. Pengumpulan tenaga diukur dari semasa ke semasa.

4.2 Prestasi Penuaian Tenaga

Ringkasan Keputusan Eksperimen

Tenaga Dituai: Kira-kira 1.25 Joule terkumpul dalam tempoh 25 minit operasi berterusan.

Kuasa Purata: Kira-kira 0.83 mW ($P = E / t = 1.25J / 1500s$).

Penyimpanan: Superkapasitor 0.1F.

Hasil tenaga ini mencukupi untuk menggerakkan mikropengawal kuasa ultra-rendah (contohnya, Texas Instruments MSP430 atau Arm Cortex-M0+) dan radio kitar tugas rendah (contohnya, LoRa atau Bluetooth Low Energy) untuk tugas penderiaan dan penghantaran berkala, mengesahkan konsep untuk nod IoT tanpa bateri.

5. Rangka Kerja Analisis & Contoh Kes

Perspektif Penganalisis: Kritikan Empat Langkah

Pandangan Teras: Ini bukan sekadar satu lagi kertas kerja penuaian tenaga; ia adalah 'hack' pragmatik yang menyasarkan sumber tenaga yang meresap tetapi diabaikan—medan-E 'sisa' daripada infrastruktur pencahayaan. Penulis mengenal pasti dengan betul trofer pendarfluor, yang biasa di bangunan komersial, sebagai sumber medan-E yang kekal dan bersambung grid, menjadikannya lebih boleh dipercayai daripada tenaga solar atau kinetik yang berselang-seli. Peralihan daripada talian kuasa voltan tinggi (domain EFEH tradisional) kepada pencahayaan dalaman voltan rendah adalah perubahan yang signifikan dan bijak dari segi komersial.

Aliran Logik: Hujahnya kukuh: 1) IoT memerlukan kuasa berterusan, 2) Bateri adalah halangan, 3) Medan ambien menjanjikan tetapi kurang digunakan, 4) Lampu pendarfluor adalah sasaran ideal, 5) Reka bentuk terdahulu (contohnya, LT) mempunyai kelemahan, 6) Inilah reka bentuk plat kami yang lebih baik dan ringkas, dan 7) Ia berfungsi (bukti 1.25J). Aliran daripada masalah kepada penyelesaian kepada pengesahan adalah jelas dan menarik.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utama ialah kesederhanaan dan sifat tidak mengganggu penyelesaian plat kuprum. Ia tidak memerlukan pengubahsuaian pemasangan lampu atau pendawaian, satu kelebihan besar untuk pengubahsuaian bangunan sedia ada. Output 0.83mW, walaupun rendah, berada dalam julat yang sesuai untuk cip IoT kuasa ultra-rendah moden, seperti yang dibuktikan oleh platform seperti timbunan RF Arm Cordio atau kajian akademik mengenai penderia sub-mW. Walau bagaimanapun, kelemahan fatal ialah kebergantungan terasnya pada teknologi pendarfluor, yang sedang dihapuskan dengan pantas di peringkat global demi pencahayaan LED. LED, terutamanya yang direka dengan baik, menghasilkan medan-E 50/60Hz yang boleh diabaikan. Ini mengancam untuk menjadikan teknologi ini usang sebelum ia matang. Kertas kerja ini juga mengabaikan isu penyebaran praktikal seperti estetika dan keselamatan plat logam besar berhampiran siling.

Pandangan Tindakan: Untuk penyelidik: Beralih segera kepada penuaian yang serasi dengan LED. Selidiki penuaian daripada pemacu frekuensi tinggi LED atau daripada pendawaian bekalan kuasa AC itu sendiri, mungkin menggunakan pengubah arus toroid. Untuk pembangun produk: Konsep ini mempunyai tetingkap relevan jangka pendek hingga sederhana di kawasan dengan infrastruktur pendarfluor sedia ada yang luas (contohnya, bangunan pejabat lama, gudang). Penuai hibrid yang menggabungkan kaedah medan-E ini dengan sel fotovoltaik kecil untuk waktu siang boleh menyediakan kuasa 24/7 yang lebih teguh. Pengajaran teras adalah untuk mereka bentuk penuai tenaga untuk infrastruktur masa depan, bukan masa lalu.

6. Prospek Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

  • Jangka Pendek: Penyebaran di bangunan komersial sedia ada dengan pencahayaan pendarfluor untuk pemantauan HVAC, penderiaan penghunian, dan penjejakan kualiti udara dalaman.
  • Jangka Sederhana: Integrasi dengan sistem pengurusan bangunan (BMS) untuk rangkaian penderia tanpa wayar sepenuhnya dan bebas penyelenggaraan.
  • Hala Tuju Penyelidikan: Menyesuaikan prinsip untuk menuai daripada medan-E di sekeliling kabel kuasa AC dalam dinding dan siling, sumber yang lebih universal daripada pemasangan lampu tertentu.
  • Evolusi Teknologi: Membangunkan penuai hibrid pelbagai sumber (Medan-E + cahaya + haba) untuk memastikan kesinambungan tenaga semasa teknologi pencahayaan beralih dan untuk meningkatkan jumlah kuasa dituai untuk penderia yang lebih berkemampuan.
  • Sains Bahan: Meneroka bahan konduktif fleksibel dan boleh dicetak untuk mencipta 'kulit' penuai yang neutral estetik atau tersembunyi menggantikan plat kuprum tegar.

7. Rujukan

  1. Paradiso, J. A., & Starner, T. (2005). Energy scavenging for mobile and wireless electronics. IEEE Pervasive Computing, 4(1), 18-27.
  2. Moghe, R., et al. (2009). A scoping study of electric and magnetic field energy harvesting for powering wireless sensor networks in power grid applications. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.
  3. Boisseau, S., et al. (2012). Electromagnetic vibration energy harvesting devices for sensor networks. Journal of Physics: Conference Series.
  4. Linear Technology. (2014). Energy Harvesting from Fluorescent Lights Using LTC3588-1. Application Note 152.
  5. Cetinkaya, O., & Akan, O. B. (2017). Electric-field energy harvesting for wireless sensor networks. IEEE Circuits and Systems Magazine.
  6. Arm Holdings. (2023). Ultra-low Power Solutions for the Internet of Things. Diperoleh daripada https://www.arm.com.
  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). (Dirujuk sebagai contoh penyelesaian masalah merentas domain yang inovatif, serupa dengan penyesuaian EFEH kepada sumber baharu).