1. Введение и обзор

В данной статье представлена новая архитектура сбора энергии, предназначенная для питания устройств Интернета вещей (IoT) за счёт утилизации энергии окружающего электрического поля, излучаемого обычными потолочными люминесцентными светильниками. Основная инновация заключается в использовании простой медной пластины в качестве ёмкостного связующего элемента, размещаемого между светильником и потолком, для извлечения полезной электрической энергии без вмешательства в работу освещения. Собранная энергия предназначена для обеспечения работы IoT-сетей без батарей для задач экологического мониторинга и передачи данных.

Ключевые выводы

  • Нацелена на повсеместное, постоянно присутствующее электрическое поле вокруг люминесцентных светильников, питаемых переменным током.
  • Предлагает ненавязчивый сборщик на основе пластины, превосходящий предыдущие громоздкие конструкции.
  • Достигает практического уровня сбора энергии (1,25 Дж за 25 мин), достаточного для циклов работы маломощных IoT-устройств.
  • Предполагает создание самодостаточных сенсорных сетей для мониторинга состояния зданий в концепции «умного дома».

2. Основная технология и принцип

2.1 Основы сбора энергии электрического поля (EFEH)

Любой проводящий материал, находящийся под напряжением переменного тока (AC), излучает изменяющееся во времени радиальное электрическое поле. Это изменяющееся электрическое поле индуцирует ток смещения ($I_D$) в близлежащем проводящем объекте (пластине сборщика). Ток смещения, описываемый уравнениями Максвелла, позволяет передавать энергию посредством ёмкостной связи без прямого проводящего пути. Полученный переменный ток затем выпрямляется и накапливается в конденсаторе или суперконденсаторе.

2.2 Предлагаемая архитектура сборщика

Предлагаемая система модифицирует модель параллельных пластин от Linear Technology. Медная пластина размером 50 см x 50 см помещается между потолком и стандартным люминесцентным светильником (4 лампы по 18 Вт, 220 В AC, 50 Гц). Эта пластина действует как ёмкостный делитель напряжения внутри электрического поля, создавая разность потенциалов. Ключевым моментом является то, что данная конструкция менее громоздка, не загораживает свет и упрощает схему по сравнению с предыдущими попытками.

Рисунок 1 (Концептуальная схема): Изображены (a) стандартный потолочный люминесцентный светильник и (b) предлагаемая конфигурация сборщика. Медная пластина показана расположенной над лампами. Ток смещения $I_D$ поступает в выпрямитель и схему накопления, питая сенсорный узел с переключателем для циклической работы.

3. Техническая реализация и моделирование

3.1 Модель эквивалентной схемы

Физическая установка моделируется как сеть паразитных ёмкостей (см. Рис. 2 в PDF). Ключевые ёмкости включают:

  • $C_f$: Ёмкость между люминесцентными лампами и пластиной сборщика.
  • $C_h$: Ёмкость между пластиной сборщика и землёй (потолок/металлический корпус светильника).
  • $C_b$: Паразитная ёмкость между лампами и землёй.

Пластина сборщика и связанная с ней схема образуют ёмкостный делитель напряжения с этими паразитными элементами. Теоретически доступная для сбора мощность выводится из этой модели.

3.2 Математическая формулировка

Напряжение холостого хода ($V_{oc}$), индуцированное на пластине сборщика, можно аппроксимировать по формуле делителя напряжения: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ где $V_{AC}$ — среднеквадратичное напряжение силовой линии. Теоретически доступная мощность ($P_{av}$) для оптимальной нагрузки определяется выражением: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ где $\omega = 2\pi f$ — угловая частота источника переменного тока. На практике потери в выпрямителе и согласующей цепи снижают чистую собираемую мощность.

4. Экспериментальная установка и результаты

4.1 Конфигурация прототипа

В экспериментальной установке использовался стандартный офисный потолочный люминесцентный светильник. Медная пластина сборщика размером 50x50 см была размещена параллельно светильнику. Схема сбора состояла из двухполупериодного мостового выпрямителя, стабилизатора напряжения и суперконденсатора ёмкостью 0,1 Ф в качестве накопительного элемента. Накопление энергии измерялось с течением времени.

4.2 Производительность сбора энергии

Сводка экспериментальных результатов

Собранная энергия: Приблизительно 1,25 Джоулей накоплено за 25 минут непрерывной работы.

Средняя мощность: Примерно 0,83 мВт ($P = E / t = 1.25J / 1500s$).

Накопитель: Суперконденсатор 0,1 Ф.

Такого количества энергии достаточно для питания сверхмаломощного микроконтроллера (например, Texas Instruments MSP430 или Arm Cortex-M0+) и радиоинтерфейса с низким циклом работы (например, LoRa или Bluetooth Low Energy) для периодических задач сбора данных и передачи, что подтверждает концепцию для IoT-узлов без батарей.

5. Аналитическая структура и пример

Взгляд аналитика: Критика в четыре шага

Ключевая идея: Это не просто очередная статья о сборе энергии; это прагматичное решение, нацеленное на повсеместный, но упускаемый из виду источник энергии — «отходное» электрическое поле от осветительной инфраструктуры. Авторы верно определяют люминесцентные светильники, распространённые в коммерческих зданиях, как постоянные, подключённые к сети источники электрического поля, что делает их более надёжными, чем непостоянная солнечная или кинетическая энергия. Переход от высоковольтных линий электропередачи (традиционная область EFEH) к низковольтному внутреннему освещению — это значительный и коммерчески прозорливый шаг.

Логическая последовательность: Аргументация убедительна: 1) IoT нуждается в постоянном питании, 2) Батареи являются узким местом, 3) Окружающие поля перспективны, но недостаточно используются, 4) Люминесцентные светильники — идеальная цель, 5) Предыдущие конструкции (например, от LT) имеют недостатки, 6) Вот наш лучший, более простой дизайн на основе пластины, и 7) Он работает (доказательство — 1,25 Дж). Последовательность от проблемы к решению и его проверке ясна и убедительна.

Сильные стороны и недостатки: Главное преимущество — простота и ненавязчивость решения с медной пластиной. Оно не требует модификации светильника или проводки, что является огромным плюсом для модернизации существующих зданий. Выходная мощность 0,83 мВт, хотя и мала, находится в допустимом диапазоне для современных сверхмаломощных IoT-чипов, что подтверждается такими платформами, как стек Arm Cordio RF, или академическими исследованиями сенсоров с потреблением менее мВт. Однако фатальный недостаток — его фундаментальная зависимость от люминесцентной технологии, которая быстро вытесняется во всём мире в пользу светодиодного (LED) освещения. Светодиоды, особенно хорошо спроектированные, создают пренебрежимо малое электрическое поле на частоте 50/60 Гц. Это грозит сделать технологию устаревшей ещё до её зрелости. В статье также упускаются практические вопросы развёртывания, такие как эстетика и безопасность больших металлических пластин вблизи потолков.

Практические рекомендации: Для исследователей: Немедленно переориентируйтесь на сбор энергии, совместимый со светодиодами. Изучите возможность сбора энергии от высокочастотных драйверов светодиодов или от самой проводки переменного тока, возможно, с использованием тороидальных трансформаторов тока. Для разработчиков продуктов: У этой концепции есть краткосрочный и среднесрочный потенциал в регионах с обширной существующей люминесцентной инфраструктурой (например, старые офисные здания, склады). Гибридный сборщик, сочетающий этот метод сбора энергии электрического поля с небольшой фотоэлектрической ячейкой для дневного времени, может обеспечить более надёжное круглосуточное питание. Главный урок — проектировать сборщики энергии для инфраструктуры будущего, а не прошлого.

6. Перспективы применения и направления развития

  • Краткосрочные: Развёртывание в существующих коммерческих зданиях с люминесцентным освещением для мониторинга ОВКВ, датчиков присутствия и контроля качества воздуха в помещении.
  • Среднесрочные: Интеграция с системами управления зданием (BMS) для создания полностью беспроводных, не требующих обслуживания сенсорных сетей.
  • Направление исследований: Адаптация принципа для сбора энергии от электрических полей вокруг кабелей питания переменного тока в стенах и потолках — более универсального источника, чем конкретные светильники.
  • Эволюция технологии: Разработка гибридных сборщиков с несколькими источниками (электрическое поле + свет + тепло) для обеспечения непрерывности энергоснабжения по мере перехода на новые технологии освещения и увеличения общей собираемой мощности для более функциональных датчиков.
  • Материаловедение: Исследование гибких, печатаемых проводящих материалов для создания эстетически нейтральных или скрытых «оболочек» сборщиков вместо жёстких медных пластин.

7. Ссылки

  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. Retrieved from 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). (Цитируется как пример инновационного, междисциплинарного решения проблем, аналогичного адаптации EFEH к новым источникам).