1. Giriş ve Genel Bakış

Bu makale, geleneksel floresan ışık armatürlerinden yayılan ortam elektrik alanı (E-alanı) enerjisini toplayarak Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarını güçlendirmek için tasarlanmış yeni bir enerji hasadı mimarisi sunmaktadır. Temel yenilik, ışığın çalışmasına müdahale etmeden kullanılabilir elektrik enerjisi çıkarmak için, aydınlatma armatürü ile tavan arasına yerleştirilen basit bir bakır plakayı kapasitif bir bağlaştırıcı olarak kullanmaktır. Hasat edilen enerji, çevresel algılama ve veri iletimi için pilsiz IoT ağlarını mümkün kılmayı amaçlamaktadır.

Anahtar İçgörüler

  • AC ile çalışan floresan lambaların etrafındaki yaygın, sürekli açık elektrik alanını hedefler.
  • Önceki hantal tasarımlardan üstün, müdahaleci olmayan, plaka tabanlı bir hasatçı önerir.
  • Düşük güçlü IoT görev döngüleri için yeterli pratik enerji verimi elde eder (25 dakikada 1.25J).
  • Akıllı bina durum izleme için kendi kendine yeten sensör ağları öngörür.

2. Temel Teknoloji ve Prensip

2.1 Elektrik Alanı Enerji Hasadı (EFEH) Temelleri

Alternatif akım (AC) voltajı ile enerjilendirilen herhangi bir iletken malzeme, zamana bağlı değişen radyal bir elektrik alanı yayar. Bu değişen E-alanı, yakındaki iletken bir nesnede (hasatçı plaka) bir yer değiştirme akımı ($I_D$) indükler. Maxwell denklemleri tarafından yönetilen yer değiştirme akımı, doğrudan bir iletken yol olmadan kapasitif bağlantı yoluyla enerji transferine izin verir. Hasat edilen AC daha sonra doğrultulur ve bir kapasitör veya süperkapasitörde depolanır.

2.2 Önerilen Hasatçı Mimarisi

Önerilen sistem, Linear Technology paralel plakalar modelini değiştirmektedir. 50cm x 50cm'lik bir bakır plaka, tavan ile standart bir 4'lü floresan armatür (4x18W, 220V AC, 50Hz) arasına yerleştirilir. Bu plaka, E-alanı içinde bir kapasitif voltaj bölücü görevi görerek bir potansiyel farkı oluşturur. Kritik olarak, bu tasarım daha az hantaldır, ışığı engellemez ve önceki girişimlere kıyasla devreyi basitleştirir.

Şekil 1 (Kavramsal Diyagram): (a) standart bir tavan floresan armatürünü ve (b) önerilen hasatçı kurulumunu göstermektedir. Bakır plaka, lambaların üzerinde konumlandırılmış olarak gösterilmiştir. Yer değiştirme akımı $I_D$, bir doğrultucu ve depolama devresine akar, görev döngüsü için bir anahtara sahip bir sensör düğümünü güçlendirir.

3. Teknik Uygulama ve Modelleme

3.1 Eşdeğer Devre Modeli

Fiziksel kurulum, kaçak kapasitanslardan oluşan bir ağ olarak modellenmiştir (PDF'deki Şekil 2'ye bakınız). Ana kapasitanslar şunları içerir:

  • $C_f$: Floresan ampuller ile hasatçı plaka arasındaki kapasitans.
  • $C_h$: Hasatçı plaka ile toprak (tavan/metal armatür gövdesi) arasındaki kapasitans.
  • $C_b$: Ampuller ile toprak arasındaki parazitik kapasitans.

Hasatçı plaka ve ilişkili devre, bu kaçak elemanlarla bir kapasitif voltaj bölücü oluşturur. Teorik olarak hasat edilebilir güç bu modelden türetilir.

3.2 Matematiksel Formülasyon

Hasatçı plaka üzerinde indüklenen açık devre voltajı ($V_{oc}$), voltaj bölücü formülü ile yaklaşık olarak hesaplanabilir: $$V_{oc} \approx V_{AC} \cdot \frac{C_f}{C_f + C_h}$$ Burada $V_{AC}$, güç hattının RMS voltajıdır. Optimum bir yük için teorik olarak mevcut güç ($P_{av}$) şu şekilde verilir: $$P_{av} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(\omega C_f V_{AC})^2}{\omega (C_f + C_h)}$$ Burada $\omega = 2\pi f$, AC kaynağının açısal frekansıdır. Pratikte, doğrultucu ve uyumlaştırma ağındaki kayıplar net hasat edilen gücü azaltır.

4. Deneysel Kurulum ve Sonuçlar

4.1 Prototip Konfigürasyonu

Deneysel kurulum, standart bir ofis tavanı floresan armatürü kullanmıştır. 50x50cm bakır hasatçı plakası, armatüre paralel olarak yerleştirilmiştir. Hasat devresi, tam dalga köprü doğrultucu, voltaj regülasyonu ve depolama elemanı olarak 0.1F'lık bir süperkapasitörden oluşmaktadır. Enerji birikimi zamanla ölçülmüştür.

4.2 Enerji Hasadı Performansı

Deneysel Sonuç Özeti

Hasat Edilen Enerji: Sürekli çalışmanın 25 dakikası boyunca yaklaşık 1.25 Joule birikmiştir.

Ortalama Güç: Kabaca 0.83 mW ($P = E / t = 1.25J / 1500s$).

Depolama: 0.1F Süperkapasitör.

Bu enerji verimi, periyodik algılama ve iletim görevleri için bir ultra düşük güçlü mikrodenetleyiciyi (örneğin, Texas Instruments MSP430 veya Arm Cortex-M0+) ve düşük görev döngülü bir radyoyu (örneğin, LoRa veya Bluetooth Low Energy) güçlendirmek için yeterlidir ve pilsiz IoT düğümleri kavramını doğrulamaktadır.

5. Analiz Çerçevesi ve Örnek Vaka

Analist Perspektifi: Dört Adımlı Bir Eleştiri

Temel İçgörü: Bu sadece başka bir enerji hasadı makalesi değil; aydınlatma altyapısından gelen, yaygın ancak gözden kaçırılan bir enerji kaynağı olan "atık" E-alanını hedefleyen pragmatik bir çözümdür. Yazarlar, ticari binalarda yaygın olan floresan armatürleri, aralıklı güneş veya kinetik enerjiden daha güvenilir kılan, sürekli, şebekeye bağlı E-alanı kaynakları olarak doğru bir şekilde tanımlamaktadır. Yüksek voltajlı güç hatlarından (geleneksel EFEH alanı) düşük voltajlı iç mekan aydınlatmasına geçiş, önemli ve ticari açıdan akıllı bir dönüşümdür.

Mantıksal Akış: Argüman sağlamdır: 1) IoT sürekli güce ihtiyaç duyar, 2) Piller bir darboğazdır, 3) Ortam alanları umut verici ancak yetersiz kullanılmaktadır, 4) Floresan lambalar ideal hedeflerdir, 5) Önceki tasarımlar (örneğin, LT'nin) kusurludur, 6) İşte bizim daha iyi, daha basit plaka tasarımımız, ve 7) İşe yarıyor (1.25J kanıtı). Problemden çözüme ve doğrulamaya olan akış açık ve ikna edicidir.

Güçlü ve Zayıf Yönler: En büyük güçlü yan, bakır plaka çözümünün basitliği ve müdahaleci olmamasıdır. Mevcut binaların yenilenmesi için büyük bir avantaj olan, aydınlatma armatürünü veya kablolamayı değiştirmeyi gerektirmez. 0.83mW çıkışı, düşük olmasına rağmen, Arm Cordio RF yığını veya sub-mW sensörler üzerine akademik çalışmalar gibi platformlarla kanıtlandığı üzere, modern ultra düşük güçlü IoT çipleri için uygun bir aralıktadır. Ancak, ölümcül kusur, küresel olarak LED aydınlatma lehine hızla kullanımdan kaldırılan floresan teknolojisine olan temel bağımlılığıdır. LED'ler, özellikle iyi tasarlanmış olanlar, ihmal edilebilir düzeyde 50/60Hz E-alanı üretir. Bu, teknolojinin olgunlaşmadan modasının geçmesi tehdidini oluşturmaktadır. Makale ayrıca, tavan yakınındaki büyük metal plakaların estetiği ve güvenliği gibi pratik dağıtım sorunlarını da yüzeysel olarak ele almaktadır.

Uygulanabilir İçgörüler: Araştırmacılar için: Hemen LED uyumlu hasada yönelin. LED'lerin yüksek frekanslı sürücülerinden veya AC şebeke kablolamasının kendisinden, belki toroidal akım transformatörleri kullanarak hasat etmeyi araştırın. Ürün geliştiriciler için: Bu konsept, geniş mevcut floresan altyapısına sahip bölgelerde (örneğin, eski ofis binaları, depolar) kısa ve orta vadeli bir geçerlilik penceresine sahiptir. Bu E-alanı yöntemini gündüz saatleri için küçük bir fotovoltaik hücre ile birleştiren hibrit bir hasatçı, daha sağlam 7/24 güç sağlayabilir. Temel ders, enerji hasatçılarını geçmişin değil, geleceğin altyapısı için tasarlamaktır.

6. Uygulama Öngörüsü ve Gelecek Yönelimler

  • Kısa vadeli: Floresan aydınlatmaya sahip mevcut ticari binalarda HVAC izleme, doluluk algılama ve iç mekan hava kalitesi takibi için dağıtım.
  • Orta vadeli: Tamamen kablosuz, bakım gerektirmeyen sensör ağları için bina yönetim sistemleri (BMS) ile entegrasyon.
  • Araştırma Yönelimi: Prensibi, belirli aydınlatma armatürlerinden daha evrensel bir kaynak olan duvar ve tavanlardaki AC güç kabloları etrafındaki E-alanlarından hasat etmek için uyarlamak.
  • Teknoloji Evrimi: Enerji sürekliliğini sağlamak ve daha yetenekli sensörler için toplam hasat edilen gücü artırmak amacıyla çok kaynaklı hibrit hasatçılar (E-alanı + ışık + termal) geliştirmek.
  • Malzeme Bilimi: Sert bakır plakalar yerine estetik açıdan nötr veya gizli hasatçı "kaplamalar" oluşturmak için esnek, basılabilir iletken malzemeleri keşfetmek.

7. Referanslar

  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). (EFEH'nin yeni kaynaklara uyarlanmasına benzer şekilde, yenilikçi, disiplinler arası problem çözümüne bir örnek olarak alıntılanmıştır).