1. Utangulizi na Muhtasari

Makala haya yanawasilisha muundo mpya wa uvunaji nishati ulioundwa ili kuwasha vifaa vya Internet of Things (IoT) kwa kukusanya nishati ya uga wa umeme (E-field) unaozunguka na kutolewa na taa za kawaida za fluorescent. Ubunifu wa msingi upo katika kutumia sahani rahisi ya shaba kama kiunganishi cha uwezo wa umeme (capacitive coupler), iliyowekwa kati ya taa na dari, ili kutoa nishati ya umeme inayoweza kutumika bila kuingilia uendeshaji wa taa. Nishati iliyovunwa inakusudiwa kuwezesha mitandao ya IoT isiyo na betri kwa ajili ya kuchunguza mazingira na usambazaji wa data.

Ufahamu Muhimu

  • Inalenga uga wa umeme unaoenea na kuwa wazi kila wakati unaozunguka taa za fluorescent zinazotumia umeme wa AC.
  • Inapendekeza mvunaji wa kisasa, unaotumia sahani, bora kuliko miundo ya zamani iliyokuwa kubwa na ngumu.
  • Inafikia mavuno ya vitendo ya nishati (1.25J kwa dakika 25) yanayotosha kwa mizunguko ya kazi ya IoT yenye nguvu ndogo.
  • Inaona mitandao ya vichunguzi inayojitoshelea kwa ajili ya ufuatiliaji wa hali ya majengo ya kisasa.

2. Teknolojia ya Msingi na Kanuni

2.1 Misingi ya Uvunaji wa Nishati ya Uga wa Umeme (EFEH)

Nyenzo yoyote ya uendeshaji inayowashwa na voltage ya mkondo mbadala (AC) hutoa uga wa umeme unaobadilika kwa wakati. Uga huu unaobadilika E-field husababisha mkondo wa uhamisho ($I_D$) katika kitu cha karibu cha uendeshaji (sahani ya mvunaji). Mkondo wa uhamisho, unaotawaliwa na milinganyo ya Maxwell, huruhusu uhamisho wa nishati kupitia muunganisho wa uwezo wa umeme (capacitive coupling) bila njia ya moja kwa moja ya uendeshaji. AC iliyovunwa kisha hurekebishwa na kuhifadhiwa kwenye capacitor au supercapacitor.

2.2 Muundo wa Mvunaji Unaopendekezwa

Mfumo unaopendekezwa unabadilisha mfano wa sahani sambamba wa Linear Technology. Sahani ya shaba ya 50cm x 50cm huwekwa kati ya dari na taa ya kawaida ya fluorescent yenye taa nne (4x18W, 220V AC, 50Hz). Sahani hii hufanya kazi kama kigawanyaji cha voltage ya uwezo wa umeme ndani ya uga wa E, na kuunda tofauti ya uwezo. Muhimu zaidi, muundo huu sio mkubwa sana, hauzuii mwanga, na unarahisisha saketi ikilinganishwa na majaribio ya awali.

Kielelezo 1 (Mchoro wa Dhana): Inaonyesha (a) taa ya kawaida ya dari ya fluorescent na (b) usanidi unaopendekezwa wa mvunaji. Sahani ya shaba inaonyeshwa ikiwa juu ya taa. Mkondo wa uhamisho $I_D$ unapita ndani ya saketi ya kurekebisha na kuhifadhi, na kuwasha nodi ya kichunguzi na swichi kwa ajili ya mzunguko wa kazi.

3. Utekelezaji wa Kiufundi na Uundaji wa Mfano

3.1 Mfano wa Saketi Sawa

Usanidi wa kimwili umemodelishwa kama mtandao wa uwezo wa umeme usio wa kawaida (stray capacitances) (angalia Fig. 2 kwenye PDF). Uwezo muhimu wa umeme ni pamoja na:

  • $C_f$: Uwezo wa umeme kati ya balbu za fluorescent na sahani ya uvunaji.
  • $C_h$: Uwezo wa umeme kati ya sahani ya uvunaji na ardhi (dari/mwili wa chuma cha taa).
  • $C_b$: Uwezo wa umeme wa vimelea (parasitic capacitance) kati ya balbu na ardhi.

Sahani ya mvunaji na saketi inayohusishwa huunda kigawanyaji cha voltage ya uwezo wa umeme na vipengele hivi vya uwezo usio wa kawaida. Nguvu inayoweza kuvunwa kwa kinadharia inatokana na mfano huu.

3.2 Uundaji wa Kihisabati

Voltage ya wazi ya saketi ($V_{oc}$) inayosababishwa kwenye sahani ya mvunaji inaweza kukadiriwa kwa kutumia fomula ya kigawanyaji cha voltage: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ ambapo $V_{AC}$ ni voltage ya RMS ya laini ya umeme. Nguvu inayopatikana kwa kinadharia ($P_{av}$) kwa mzigo bora inatolewa na: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ ambapo $\omega = 2\pi f$ ni mzunguko wa angular wa chanzo cha AC. Kwa vitendo, hasara katika kirekebishi na mtandao wa kuendana hupunguza nguvu halisi iliyovunwa.

4. Usanidi wa Jaribio na Matokeo

4.1 Usanidi wa Prototaypu

Usanidi wa jaribio ulitumia taa ya kawaida ya dari ya fluorescent ya ofisi. Sahani ya shaba ya mvunaji ya 50x50cm iliwekwa sambamba na taa. Saketi ya uvunaji ilikuwa na kirekebishi kamili cha daraja la wimbi, udhibiti wa voltage, na supercapacitor ya 0.1F kama kipengele cha kuhifadhi. Mkusanyiko wa nishati ulipimwa kwa muda.

4.2 Utoaji wa Uvunaji wa Nishati

Muhtasari wa Matokeo ya Jaribio

Nishati Iliyovunwa: Takriban 1.25 Joules zilikusanywa kwa zaidi ya dakika 25 za uendeshaji endelevu.

Nguvu ya Wastani: Takriban 0.83 mW ($P = E / t = 1.25J / 1500s$).

Uhifadhi: Supercapacitor ya 0.1F.

Mavuno haya ya nishati yanatosha kuwasha microcontroller yenye nguvu ndogo sana (k.m., Texas Instruments MSP430 au Arm Cortex-M0+) na redio yenye mzunguko mdogo wa kazi (k.m., LoRa au Bluetooth Low Energy) kwa ajili ya kazi za mara kwa mara za kuchunguza na usambazaji, na kuthibitisha dhana hii kwa nodi za IoT zisizo na betri.

5. Mfumo wa Uchambuzi na Mfano wa Kesi

Mtazamo wa Mchambuzi: Uhakiki wa Hatua Nne

Ufahamu wa Msingi: Hii sio tu makala nyingine ya uvunaji nishati; ni ujanja wa vitendo unaolenga chanzo cha nishati kinachojulikana lakini kilichopuuzwa—uga wa "taka" wa E kutoka kwa miundombinu ya taa. Waandishi wametambua kwa usahihi taa za fluorescent, ambazo ni za kawaida katika majengo ya kibiashara, kama vyanzo vya uga wa E vinavyounganishwa na gridi kila wakati, na kuzifanya kuwa za kuaminika kuliko nishati ya jua au ya kinetic isiyo ya kawaida. Mabadiliko kutoka kwa laini za umeme za voltage ya juu (eneo la kawaida la EFEH) hadi taa za ndani za voltage ya chini ni mabadiliko makubwa na ya busara kibiashara.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni thabiti: 1) IoT inahitaji nguvu ya kudumu, 2) Betri ni kikwazo, 3) Sehemu za mazingira zina matumaini lakini hazijatumika vyema, 4) Taa za fluorescent ndizo lengo bora, 5) Miundo ya awali (k.m., ya LT) ina dosari, 6) Hapa kuna muundo wetu bora, rahisi wa sahani, na 7) Inafanya kazi (uthibitisho wa 1.25J). Mtiririko kutoka tatizo hadi suluhisho hadi uthibitisho ni wazi na wa kulazimisha.

Nguvu na Dosari: Nguvu kuu ni urahisi na kutokuingilia kwa suluhisho la sahani ya shaba. Haihitaji kubadilisha taa au wiring, faida kubwa kwa ajili ya kurekebisha majengo yaliyopo. Matokeo ya 0.83mW, ingawa ni ya chini, yako katika safu ya chips za kisasa za IoT zenye nguvu ndogo sana, kama inavyoonyeshwa na majukwaa kama Arm Cordio RF stack au masomo ya kitaaluma juu ya vichunguzi vya chini ya mW. Hata hivyo, dosari ya msingi ni utegemezi wake wa msingi kwenye teknolojia ya fluorescent, ambayo inabadilishwa haraka duniani kote kwa ajili ya taa za LED. LED, hasa zile zilizoundwa vizuri, hutoa uga wa E wa 50/60Hz usio na maana. Hii inaweza kufanya teknolojia hii kuwa ya zamani kabla ya kukomaa. Makala pia yanapuuza masuala ya vitendo ya utekelezaji kama vile uzuri na usalama wa sahani kubwa za chuma karibu na dari.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti: Badilisha mara moja kwenye uvunaji unaolingana na LED. Chunguza uvunaji kutoka kwa viendeshi vya mzunguko wa juu wa LED au kutoka kwa wiring ya AC yenyewe, labda kwa kutumia vigeuzi vya mkondo vya toroidal. Kwa watengenezaji wa bidhaa: Dhana hii ina kipindi kifupi hadi cha kati cha umuhimu katika maeneo yenye miundombinu kubwa ya fluorescent iliyopo (k.m., majengo ya zamani ya ofisi, ghala). Mvunaji mseto unaounganisha njia hii ya uga wa E na seli ndogo ya photovoltaic kwa ajili ya masaa ya mchana unaweza kutoa nguvu imara zaidi ya saa 24. Somo la msingi ni kubuni vavunaji vya nishati kwa ajili ya miundombinu ya siku zijazo, sio ya zamani.

6. Mtazamo wa Matumizi na Mwelekeo wa Baadaye

  • Muda mfupi: Utumiaji katika majengo yaliyopo ya kibiashara yenye taa za fluorescent kwa ajili ya ufuatiliaji wa HVAC, kuchunguza uwepo wa watu, na kufuatilia ubora wa hewa ya ndani.
  • Muda wa kati: Ujumuishaji na mifumo ya usimamizi wa majengo (BMS) kwa ajili ya mitandao ya vichunguzi isiyo na waya kabisa na isiyohitaji matengenezo.
  • Mwelekeo wa Utafiti: Kubadilisha kanuni hii ili kuvuna kutoka kwa uga wa E unaozunguka nyaya za umeme za AC kwenye kuta na dari, chanzo cha ulimwengu wote zaidi kuliko taa maalum.
  • Mageuzi ya Teknolojia: Kukuza vavunaji mseto wenye vyanzo vingi (Uga wa E + mwanga + joto) ili kuhakikisha mwendelezo wa nishati wakati teknolojia ya taa inabadilika na kuongeza jumla ya nguvu iliyovunwa kwa ajili ya vichunguzi wenye uwezo zaidi.
  • Sayansi ya Nyenzo: Kuchunguza nyenzo za uendeshaji zinazoweza kubadilika na kuchapishwa ili kuunda "ngozi" za mvunaji zisizoonekana au zilizofichwa badala ya sahani ngumu za shaba.

7. Marejeo

  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. Imepatikana kutoka 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). (Imetajwa kama mfano wa utatuzi wa matatizo wa ubunifu, wa kuvuka nyanja unaolingana na kurekebisha EFEH kwa vyanzo vipya).