الطاقة تسخير تكنولوجيات الطاقة المنخفضة القوة اللاسلكية أجهزة الاستشعار

وقد برزت أجهزة الاستشعار اللاسلكية ذات الطاقة المنخفضة بوصفها عناصر أساسية في شبكة المعلومات )الشبكة الدولية( وهي ترصد الظروف البيئية، وتتعقب الأصول، وتسمح بالاستمرار في أعمال الصيانة التنبؤية، وتدعم الهياكل الأساسية الذكية، غير أن فائدتها كثيرا ما تكون محدودة بحياة البطاريات، كما أن التغيرات المتكررة في البطاريات غير عملية بالنسبة لشبكات الاستشعار الكبيرة، والمواقع التي يتعذر الوصول إليها، وتعالج تكنولوجيات جمع الطاقة هذا التقييد بتحويل مصادر الطاقة اللاسلكية إلى مصادر الطاقة.

ويستلزم تطور الكترونيات منخفضة الطاقة وتخزين الطاقة عملية الحصاد حتى من المصادر الضعيفة المحيطة، كما أن المتحكمين حديثاً في الميكرويين، والمتحولين، وإدارة الطاقة المتكاملة، لا تستهلك سوى عشرات إلى مئات من الميكروات خلال العمليات النشطة، وأجهزة جمع النفايات في نمط النوم.

(أ) زيادة الاهتمام بتعبئة الطاقة بسرعة: وفقاً للشبكة الدولية لتقسيم الطاقة، تجاوزت سوق أجهزة جمع الطاقة 500 مليون دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن تصل إلى 1.1 بليون دولار بحلول عام 2030، وتشمل التطبيقات ضوابط البناء الذكية، والرصد الصحي الهيكلي، والإلكترونيات القابلة للذوبان، والزراعة الدقيقة.

وتستعرض هذه المادة الأساليب الرئيسية لجمع الطاقة التي تناسب أجهزة الاستشعار اللاسلكية ذات الطاقة اللاسلكية المنخفضة، وتناقش اعتبارات التصميم لإدماج المحصولين في النظم الحقيقية، وتوضح المزايا والتحديات المتبقية، وتشير إلى اتجاهات البحث في المستقبل، والهدف هو توفير استعراض عام عملي وحالي للمهندسين ومديري المشاريع الذين يقيّمون عمليات جمع الطاقة لشبكاتهم المستشعرة.

أنواع تكنولوجيات تسخير الطاقة

ويستغل كل تقنية من تقنيات جمع الطاقة مصدرا محددا للطاقة المحيطة، ويتوقف الاختيار على بيئة النشر، والكثافة المتاحة للطاقة، ومتطلبات استشعار الطاقة، ولا توجد طريقة واحدة أعلى من ذلك على الصعيد العالمي؛ وكثيرا ما تجمع النظم الناجحة بين محصولين متعددين لزيادة الموثوقية، كما أن النهج الأكثر شيوعا وواعدة.

Solar Energy Harvesting

وتحوّل الخلايا الفولطية الضوئية إلى تيارات كهربائية، وهي أكثر محصولات الطاقة نمواً واستعمالاً على نطاق واسع، مما يتيح أعلى كثافة في الطاقة بين المصادر المحيطة، وفي ضوء الشمس المباشر، يمكن لفرقة صغيرة نموذجية (50 ملم x 50 مليمتر) أن تقدم 100 إلى 300 ميغاواط أكثر من معظم أجهزة الاستشعار ذات الطاقة المنخفضة، وحتى في ظل الفلور أو الضوء الخفيف المميت، تتراوح النواتج بين 10 و100 و100 و100 مركب.

وتشمل الاعتبارات الرئيسية للمستشعرات التي تعمل بالطاقة الشمسية الاستجابة الطيفية للزنزانة، وتأثير التظليل الجزئي، والحاجة إلى أقصى حد لتتبع نقاط القوة، وتُحدَّد خلايا متطورة من الفلط المضغوط للاستخدامات الخفيفة داخل البيوت، أو الفولطية العضوية المتغيرة التي تضاهي الطيف الصناعي، وتخفف من حدة الخسائر في أجهزة التحكم في الفلوريدونات المحتوية على أحادي.

فخزن الطاقة ضروري لأن الضوء ليس ثابتاً، إذ يجب أن يعمل جهاز الاستشعار من خلال الظلام، كما أن بطارية أو مكثفات متجددة تُحمَّل أثناء عملية التضليل تدعم فترات الليل أو فترات الغيوم، كما أن المكثفات توفر حياة أطول ومعدلات أعلى للشحن/الشحن من البطاريات، بتكلفة أقل من كثافة الطاقة، كما أن المخزن المشتت - المكثف بالإضافة إلى البطاريات الصغيرة المشتركة.

ويمكن الحصول على وحدات تجميع الطاقة الشمسية التجارية من EnOcean] ومن البائعين الآخرين، وتبسيط التصميم، وتدمج هذه الوحدات الخلية الفولطية، ومخزن الخزان، وإدارة الطاقة في مجموعة من الاتفاقات.

Vibrational Energy Harvesting

ويمكن تحويل الاهتزازات الميكانيكية من الآلات أو المركبات أو الحركة البشرية أو الهياكل إلى كهرباء باستخدام ثلاث آليات رئيسية للتحول: الفطيرة، والكهرباء، والكهرباء، والكهرباء، والحصادات العشوائية، جذابة بشكل خاص في البيئات الصناعية حيث تنتج السيارات والمضخات والموصلات تقلبات دائمة.

وتولد محصولات الفلزات فولتات عندما تكون مادة فطيرة (مثلاً، تيتانيت الزلفران أو فلوريد متعدد الفينيلدين) مُقيدة آلياً، ويستخدم تصميم نموذجي شعاعاً مع برهان مُلكي يُستخدم في تردد اليقظة المهيمنة، وعندما يضاهي التردد المحيطي التردد الخفيف، يمكن أن يصل الناتج إلى 1-10 مل غرباً.

ويمارس المحصولون المغناطيسيون أعمالهم في قانون فاراداي: تحركات الفحم بالمقارنة بالميدان المغنطيسي، ويمكن لهذه الأجهزة أن تنتج طاقة متوسطة )١٠-١٠٠ ميغاواط( في ترددات منخفضة )١٠٠ هرتز( وهي قوية ميكانيكيا ولا تتطلب مواد خاصة، ولكن الأجزاء المتحركة قد تعاني من الارتداد بمرور الوقت، وتستخدم المولدات الكهربائية الكهرومغناطيسية في بعض المفات ذاتية والضوابط النائية.

يستخدم المحصولون الكهربي المتغيرات في أجهزة القياس، ويُعتبر المكثف المسبق مُشوّه آلياً، ويتغير في الأكياس ويُجبرون على الشحن على جهاز تخزين، ويمكن اختلاقها باستخدام عمليات الرصد المتعددة الأطراف، مما يجعلها صغيرة ومتكاملة، غير أن طاقة الإنتاج أقل (الزجاجات) وكثيراً ما تتطلب مصدراً أولياً للشحن.

ويتوقف أداء العالم الحقيقي اعتمادا كبيرا على اليقظة، ففي بيئة مصنعية، يمكن أن تتباين ترددات الاحترار من ٢٠ هرتز إلى عدة كهرتز، كما أن الكميات من ١,١ غم إلى ١٠ غم.

Thermal Energy Harvesting

وتنتج مولدات الطاقة الحرارية الكهرباء من فروق درجات الحرارة باستخدام تأثير سيبيك، وتتألف وحدة الترميز من العديد من أنواع خامات الحرارة من نوع بي ونا من نوع بارموكورات الموصلات التي ترتبط بالكهرباء في السلسلة والموازاة الحرارية، وعندما يسخن أحد الجانبين ويبرد الآخر، يتطور الفولطية تناسبيا مع درجة الحرارة.

وبالنسبة للمستشعرات ذات الطاقة المنخفضة، تكون مستويات الحرارة الأكثر فعالية عندما يكون هناك مستوى ثابت من الحرارة: أنبوب ساخن في مصنع، أو محرك دافئ مقابل هواء مأمون، أو مصدر حراري حراري جيولوجي ×، وحتى درجة حرارة الجسم يمكن أن تولد جهازا ملوثا بالبراعة إذا كانت درجة الحرارة المحيطة باردة بما فيه الكفاية.

ويحد من الكفاءة رقم الجدارة الحرارية، ويعاني السبيكة من ارتفاع في درجة حرارة الغرفة، حيث تبلغ الكفاءة النظرية نحو 5-6 في المائة بالنسبة لدرجات 20 مئوية، كما أن المواد الجديدة مثل السمعيات الفوقية، ونصف الهزل، والتصميمات المركبة ذات البنية النانوية، لا تُحمّل من جانبي التراكمي المنخفض.

وتولد هذه الشركات كميات منخفضة (وتبلغ مئات الألياف)، وتحتاج إلى محول معزز للوصول إلى مستويات يمكن استخدامها بواسطة أجهزة الاستشعار (1.8 إلى 3.6 خامسا). وتدرج مركبات جمع الطاقة المخصصة مثل أجهزة التلفاز من أجهزة الأنالوجي، التي تبدأ من فولتات المدخلات، وذلك عند انخفاضها بمقدار 20 متراً.

Radio Frequency Energy Harvesting

وتلتقط عمليات جمع الطاقة في إطار الترددات الكهرومغناطيسية من أجهزة توجيه الواي فاي، وأبراج خلوية، أو أجهزة إذاعية، أو أجهزة إرسال مخصصة، وتحوّل هذه المستودعات (المانى زائداً مصحّحة) الطاقة الفلورية إلى العاصمة، وعادة ما تكون الكثافة الكهربائية في الترددات المتوسطة منخفضة جداً لكل متر مربع في البيئات الحضرية.

وتحسن مصادر الطاقة المخصصة لمحطة RF الموثوقية، ففي التطبيقات مثل تعقب الأصول في مستودع، يمكن لمرسل إرسال أن يبث موجة مستمرة عند 915 ميغاهيرتز أو 2.45 غيهرتز، وتحصل أجهزة الاستشعار على طاقة كافية (عشرات من الميكرواتاتات إلى بضعة مليوات) للإرسالات الدورية.

ويصبح جمع RF جذابا لأنه لا يعتمد على الطاقة البيئية - ويمكن أن يُقلب على الطلب، مما يجعله ملائما للبيئات الداخلية التي لا توجد فيها مستويات للضوء أو اليقظة أو درجات الحرارة، غير أن الحاجة إلى مرسل مخصص تضيف تكاليف البنية التحتية، وبالإضافة إلى ذلك، فإن كفاءة التصحيح في قوى المدخلات المنخفضة ضعيفة؛ كما أن كفاءة التحويل الجيدة في إطار المبادرة الإنمائية - رقم 20 من مدخلات الديموغرافيا تبلغ نحو 10-30 في المائة.

مصادر أخرى

ويستخدم جني الطاقة في الطوابق الصغيرة المصغرة أو المولدات المفلورة، ويمكن أن ينتج التربين الصغير الذي يحتوي على قطر دوار قدره ٥ سنتيمتر ١-١٠ ميغاواط في نسيم خفيف )٣ أمتار( وهذه الأجهزة مناسبة للمستشعرات الخارجية في المواقع المعرضة، ويستخدم حرق الطاقة من المياه أو تدفقات الغازات نفس مصادر الرياح أو أعلام الفطيرة.

فالنظم الهجينة تجمع بين عدة محصولين لتحسين توافر الطاقة، مثلاً، يمكن لمجمع الطاقة الشمسية وطاقات الاحتباس الحراري أن يزود بزجاجة تعمل ليلاً ونهاراً، وتزيد التصميمات الهجينة تعقيداً، بل تزيد أيضاً من الموثوقية، ويجب أن تقبل دائرة إدارة الطاقة مدخلات من مصادر متعددة، وتعطي الأولوية لأقوى المدخلات، وتجمعها أو تتحول بينها، كما أن بعض البلدان الجزرية الصغيرة النامية، مثل جهاز ADP5092 من أجهزة الأنغوليس، تدعم مصادر متعددة.

اعتبارات تصميم النظم

ويتطلب إدماج محصول للطاقة في جهاز استشعار لاسلكي أكثر من مجرد اختيار مترجم، كما أن جميع ملجأ سلسلة الطاقة، وتكييف الطاقة، والتخزين، وتعبئة الحمولة، كلها، ينبغي أن يُستفد منها إلى أقصى حد.

إدارة الطاقة وتخزين الطاقة

وينتج الحصاد الطاقة الخام ذات الفول والحاضر المتباينين، ويصحح ويعزز وينظم هذا إلى مستوى مستقر (مثلا 3-3 خامسا). وتشمل العديد من البلدان التي تعمل في مجال الطاقة الحيوية دوائر ذات فتحات باردة تبدأ عملها من فولتات منخفضة للغاية (نحو 20 مترا مربعا بالنسبة للمجموعات التجارية)، كما أنها توفر برمجيات متعددة الأطراف لمصادر التخزين الفوتوغرافية وضمنها الحماية من المواد الخام.

وتسد الفجوة بين الجني المتقطع والطلب المستمر، إذ أن المكثفات العظمى لها شعبية بالنسبة لطلقات التفجير ذات الطاقة العالية وعمر الدورة الطويلة )٠٠٠ ٥٠٠ + دورة( وتحتاج البطاريات، ولا سيما الليثيوم أو مركب الليثيوم، إلى كثافة طاقة أعلى، ولكن حياة محدودة في الدورة )٣٠٠-٠٠٠ ١ دورة( بالنسبة للعديد من شبكات الاستشعار التي تمتد على مدى فترة ٥-١٠ سنوات، وتستخدم البطارية كثبوطيدات في دورة تخزين أولية

مُطابقة (هارفيستر) إلى (لواد)

ويجب أن تضاهي نظم جمع الطاقة من حيث الطاقة، ومعظم أجهزة الاستشعار اللاسلكية لها دورة منخفضة جدا من العمل: فهي تنام في الميكرومترات وتستيقظ دوريا لتحس وتحسب وتنتقل )الحمل المضلل للطنابير( وتحكم في عنصر التخزين أثناء النوم، وينتشر عنصر التخزين، ونسبة قوة الحصاد إلى طاقة التحميل يجب أن تكون في وحدة على المدى الطويل؛ وإلا فإن حالة التخزين ستنضب.

كما أن المواءمة بين المحصول ومكيف الطاقة تؤدي إلى تحسين الكفاءة، فعلى سبيل المثال، يعاني محصولو الفطائر من نقص كبير في الناتج؛ ويزيد من القدرة على تصحيح مسارها بمستخرجات من السائل المطابق، كما أن بعض شركات PMICs تعرض مدخلات قابلة للبرمجة من أجل تحقيق أقصى قدر من ذلك.

اختيار بروتوكول لاسلكي

وللحد من استهلاك الطاقة، اختيار بروتوكول لاسلكي ذي فترات نقل منخفضة من حيث الرؤوس العامة وقصرها، فالبطولة التي تستخدم فيها الطاقة المنخفضة (الصغيرة) شائعة بالنسبة للأجهزة الاستشعارية القصيرة المدى (الثا 10 م) وتستهلك حوالي 10 ميكروات في النوم و5-10 ميغاواط خلال حدث نقلي على بعد مترين، وكثيراً ما تقدم لوراً المدى الطويل (الكميات المتفرقة) بأسعار بيانات منخفضة وتستهلك حوالي 10 ملليترات من أجل 100 ميل مربعة.

ويجب أن تكون مواقد جمع الطاقة قادرة على تجميع ما يكفي من الطاقة لإكمال نقلها، وإذا ما نُضب التخزين، تتأخر عمليات النقل إلى أن يتم جمع ما يكفي من الطاقة، وبعض البروتوكولات، مثل نظام " آبل " للصيد المنزلي أو المتاجر، أقل ملاءمة لجمع الطاقة لأنها تتطلب رسائل متواترة، كما أن بروتوكولات الطاقة الكهربائية الأساسية التي تتجاوز طاقة منخفضة، مثل " جهاز إنوسي " المصممة خصيصا لنقل الطاقة الكهربائية.

مزايا تسخير الطاقة

ويتغير جني الطاقة بصورة أساسية في كيفية تصميم وصيانة شبكات الاستشعار اللاسلكية.

Extended sensor lifespan.] By eliminating the need for periodic bat replacement, sensors can remain deployed for years or decades. This is especially critical for structural health monitoring sensors embedded in concrete, agricultural sensors spread over hectares, or sensors inside sealed equipment. Without energy harvesting, the bat limits the tool lifetime to 1-3 years.

Cost savings over the life cycle.] While the initial cost of a harvester and power management IC is higher than that of a simple bat, total cost of ownership is often lower when factoring in labor for battery changes, disposal, and downtime. For large deployments (thousands of nodes), manual battery replacement is logistically expensive and error-prone.

Sustainability.] Using ambient energy reduces the environmental burden of disposable batteries. Billions of batteries are used in IoT devices each year; many end up in landfills. Energy harvesting reduces this waste. Additionally, systems can be made smaller and lighter without a large batartment.

Deployment flexibility.] Sensors can be placed in hard-to-reach or hazardous locations where bat replacement is risky or impossible: high-voltage lines, rotating parts, toxic storage areas, or subsea structures. Energy harvesting also enables retrofitting of sensors into existing infrastructure without wiring.

Scalability.]

التحديات والاتجاهات المستقبلية

ورغم وعدها، فإن جمع الطاقة للمستشعرات اللاسلكية يواجه عدة عقبات تقنية واقتصادية.

Intermitency and variability.] Ambient energy sources are rarely constant. Solar power depends on time of day and weather; vibrations depend on machine operation; thermal gradients change with process conditions. This variability requires careful design of storage and power management to guarantee operation over worst-case periods. Predicting energy availability is difficult; some systems

(و) أن تكون الطاقة الكهربائية ذات القدرة العالية على إحداث الاحترار، وأن تكون أكثر المصادر قدرة محدودة، فعلى سبيل المثال، لا تُمنح إلا 10 إلى 100 ميكروغرام/كميل2، وتُجمع ريادياً على 50 متراً من مصدر ويفي ميكروغرام، وهذا يقيّد قدرة أجهزة الاستشعار - عالية - معدل النوم.

(ب) يضاف جمع الطاقة تكلفة المواد: مترجم (اللوحة، وشركة TEG، وأجهزة فطيرة، وعامل تخزين المركبات، وعامل السرقات، وبطاقات النقل، وقطعة التخزين، وبطاقات النقل الإضافية في كثير من الأحيان، أما بالنسبة لتطبيقات المستهلكين ذات الحجم الكبير، فيتعلق كل مجال من الدولار، إلا أن التكاليف تتناقص مع شركات الإنتاج المحسنة.

(ب) حتى مع المواد الحديثة، تظل كفاءة التحويل معتدلة، وتفقد الخلايا الفولطية كفاءة في الضوء المنخفض؛ وتكافح الشركات الصغيرة الحجم مع صغار التدرجات؛ وتستمر أهداف محصول الفطائر في نطاق ضيق.

(ب) خلاف البطاريات التي توفر فولطية وقدرات محددة جيداً، فإن محصولي الطاقة لديهم خصائص متنوعة في الإنتاج، إذ تفتقر الصناعة إلى معايير مشتركة للوصلات البينية بين المستخلصات والمستقبل، ومبادرات مفتوحة مثل عناصر تصميم إطارية مختارة [تبني FLT ولكن].

وتتجه البحوث المقبلة إلى عدة حدود، حيث يجري تحسين النظم الهجينة التي تجمع بين مصادر متعددة (السولار + واو، والهزاء + الطاقة الحرارية) إلى أقصى حد مع توجيه الطاقة الذكية، كما أن الاستشعار الذي يتوفر على الطاقة والمقاييس الحسابية يعدل دورة عمل الاستشعار استنادا إلى الطاقة المحصولة الحالية، وتتوقع نظم التوعية المستمرة توافر الطاقة وتكيف الجدول الزمني الصعب لنقل الطاقة.

وثمة اتجاه واعد آخر يتمثل في وضع حلول متكاملة تماماً لنظام " مستقل للطاقة " على الشب (SoC) ، حيث أن رقاقة واحدة تحتوي على محصول من نظام الرصد المتعدد الأطراف، وإدارة الطاقة، والتفاعل بين أجهزة الاستشعار، وملوثات دقيقة، والإذاعة تمثل هدفاً بحثياً نشطاً ، وقد ثبتت النماذج الأولية لتجميع الطاقة الشمسية والهوية ، ومع تقلص عمليات شبه الموصلات ، فإن استهلاك الطاقة من الشريحة لا يزال يهبط ، مما يقلصاً من الطاقة الكهربائية اللازمة .

وأخيراً، فإن الإلكترونيات المرنة والمطبوعة تتيح للمحصولين ذوي التكلفة المنخفضة الذين يمكن دمجهم في التغليف أو الأسطح الهيكلية، ويمكن تصنيع أنواع التركيبات المطبوعة والفولطية العضوية على مضاربة فرعية مرنة، وفتح التطبيقات في الملبس، والتغليف الذكي، وفي حين أن كفاءة التحويل أقل من البلورات، فإن مزايا عوامل التكلفة والشكل هي عوامل ملزمة لنشرها في مناطق كبيرة أو غير قابلة للتصريف.

خاتمة

وقد انتقلت تكنولوجيات جمع الطاقة من الفضول المختبري إلى مصادر القدرة العملية للمستشعرات اللاسلكية المنخفضة الطاقة، حيث توفر أساليب الطاقة الشمسية والهوية والحرارية ونموذج الإبلاغ الكيميائي كل منها قدرات فريدة متطابقة مع بيئات محددة، وعندما تقترن بإدارة الطاقة بكفاءة، والتخزين المناسب، والكهرباء الإلكترونية المنخفضة القدرة، فإن هذه المحصولات تتيح شبكات الاستشعار التي تعمل إلى أجل غير مسمى دون بطاريات.

التحديات التي لا تزال قائمة: تقلب المصادر، وتدني كثافة الطاقة، وتعقيد النظام، والتكلفة - إن التقدم المستمر في المواد، وتصميم الدوائر، والتكامل يتغلب باستمرار على هذه الحواجز، إذ أن النظم الهجينة والقابلة للتكرار، والمقاييس المعرفية للطاقة، والبرمجيات المدمجة بالكامل، ستدفع بالحدود الممكنة، أما بالنسبة للمهندسين وصانعي القرار، فإن الرسالة واضحة: