تطور النظم الملاحية المحتوية على الذات

وقد اعتمدت الأجهزة الملاحية لفترة طويلة على الطاقة اللاسلكية أو البطاريات القابلة للاستبدال، ولكن هذه القيود تفرض تكاليف متكررة، وأعباء صيانة، والنفايات البيئية، وتُحدث أجهزة استشعار جمع الطاقة تحولا أساسيا في هذا النموذج عن طريق استخدام الطاقة الكهرمائية من الضوء أو الحرارة أو الحركة أو الأمواج الكهرومغناطيسية للاستشعار عن بعد، في أماكن استشعار الطاقة الذاتية، وتجهيزها، والاتصال اللاسلكي، وفي التشغيل الآلي الصناعي وحده، تُلغي عمليات استبدال البطاريات عبر آلاف

إن تصميم جهاز استشعار مزود بالكهرباء يتطلب نهجا متكاملا تماما، ولا يقتصر على ربط خلية فولطية الضوئية بمستشعر درجة الحرارة، ويجب أن يُستخدم النظام الكهروميكانيكي بأكمله بطريقة غير متقنة بحيث يلبي استهلاك الطاقة المحصول في كل وقت من أوقات الوحدة أو يتجاوزه، ويُفسّر في ظل ظروف تتسم بالسوء في التغليف.

مصادر الطاقة المحيطة وخصائصها

ويعتمد جمع الطاقة على تحويل الطاقة البيئية الضالة إلى كهرباء صالحة للاستخدام، وتختلف المصادر المتاحة في كثافة الطاقة، والتوافر الزمني، وعامل الشكل، ويبدأ اختيار المحصول المناسب بالوصف الكمي لبيئة الانتشار - قياس مدى الكم والتواتر، والكثافة الخفيفة على مدى يوم عادي، أو التدرجات الحرارية، أو الطاقة الطيفية لنموذج الإبلاغ، كما أن هذه الطرائق هي الهيمنة في مجال الطاقة.

Solar Energy Harvesting

خلايا الفولطية الضوئية هي أكثر تقنيات الحصاد نضجاً، حيث تولد الضوء الخارجي والداخلي كثافة طاقة مختلفة إلى حد كبير، وفي ضوء الشمس المباشر، يمكن أن تولد خلايا السيليكون الكريستالية ذاتية تصل إلى 100 ميل/كميل، في حين أن الإضاءة الفلورية الداخلية توفر عادة 10 إلى 100 ميكروغرام/كسيد2.

وتؤثر زاوية التركيب والظل والتجميع الغبار تأثيراً كبيراً على الناتج، ويجب أن يدمج المصممون أقصى درجات التتبع لمراكز الطاقة المتكاملة التي تكيف باستمرار الحمولة الكهربائية لاستخراج الطاقة القصوى، وأن تؤدي رقائق البطاقات المتوسطة الحجم الحديثة مثل أجهزة التجميل LTC3105 إلى زيادة كفاءة استخدامات الترددات المضغوطة بنسبة 90 في المائة.

Vibrational and Kinetic Energy Harvesting

وتحتوي أجهزة التهوية والحركة البشرية والزيارات الهيكلية على طاقة آلية يمكن أن تتحول إلى كهرباء أو كهرومغناطيسية أو كهرومغناطيسية أو آليات ثلاثية الأبعاد، حيث يمكن أن يولد المحصولون المزودون بأجهزة متعددة الكثافة، أو باستخدام مواد مثل تيارات الزركنة، أو نيتة الوميض، أو الفلوريد المتعدد الفينيلدين.

يعتمد المحصولون المغناطيسيون على قانون الحداد في فاراداي: مغناطيس يُنقّف من خلال مكنسة، ويناسب ترددات أقل (<100 Hz) and larger displacements, often found in human walking or vehicle suspension systems. Triboelectric nanogenerators, a newer class, exploit contact electrification between dissimilar materials during cyclic motion. Though still in the research phase, they have achieved instantaneous power densities exceeding 500 W/m² in lab demonstrations, as reported in ]) للاتصالات غير العضوية ، وبالنسبة للترددات الواسعة النطاق، يجري اعتماد تقنيات إعادة الصمود غير الخطية وتحويل التردد الميكانيكي لتوسيع نطاق البرمجيات الفعالة التي تتجاوز نطاق الحد الأقصى.

Thermal Energy Harvesting

كما أن المولدات الكهربائية الحرارية التي تُستخدم في إطار تأثير " سيبيك " تحول تفاوتاً في درجات الحرارة إلى فولت، كما أن نماذج " بروموث " القياسية تعمل بين 0 درجة مئوية و300 درجة مئوية ذات كفاءة حرارية تبلغ نحو 5.8 في المائة، بل إن ارتفاع درجة الحرارة في الغليون 10 درجة مئوية في إطار مجموعة صغيرة من المواد الكيميائية يمكن أن ينتج عدة ميغاواط - يكفي لانتاج من مادة بيزوئية ذات جودة عالية الجودة.

محطة إذاعة لتجارب الطاقة

وتتوفر الطاقة الكهربائية المتوسطة الأجل من شبكة ويونف، والزنزانات، وأبراج البث، على نطاق واسع، ولكن مستويات الطاقة منخفضة للغاية - لا تتجاوز في النادر 1 ميكروغرام/سم2 إلا قريبا جدا من أجهزة الإرسال، كما أن أجهزة إرسال الطاقة الكهربائية المجهزة بالبطارية (تعطيل الأنترنيت) يمكن أن تحول الإشعاع الميكرويف إلى العاصمة.

التصميم على مستوى المنظومة: من مترجم إلى كومة بيانات

ويشكل بناء جهاز استشعار ميكاترونيك ذاتي القدرة تحديا هندسيا متعدد الأبعاد، ولا يشكل مترجم الحصاد سوى أول حلقة وصل في سلسلة تشمل تكييف الطاقة، وتخزين الطاقة، وإدارة الحمولة، والاستشعار، وتجهيز الاتصالات اللاسلكية، ويكفل تدفق العمل المدروس للتصميم التشغيل الموثوق به، ويضمن الحراس عدم حدوث إخفاقات بنيية.

1 - الميزنة في مجال الطاقة وتصنيف القروض

ويجب أن يبدأ التصميم بميزانية طاقة مفصلة، مع إدراج كل عملية نظامية (الدفء المشعر، والتحويل المشابه للرقم، والإيقاظ المتناهي الصغر، والإرسال/التلقي الإذاعي)، إلى جانب مدة هذا النظام واستهلاكه الحالي، مثلاً، قد يتطلب جهاز استشعار بيئي نموذجي 3.3 V، وسحب 5 ميكروغرامات في شكل نوم، و 10 أمتار في فترة الحصول على أجهزة الاستشعار (بلو بلو بلو بوص) و 25 ميلاًاًاًاً خلال فترة الاستخدام المتكرراًاًاًاًاًاًاًاًاً في الدقائق.

P]avg] = V (Isleep × ]]sleep

ويجب أن يتجاوز متوسط الطاقة المحصول هذه القيمة بحواف كافية، وكثيرا ما يكشف هذا التنميط عن أن الإذاعة هي المستهلك المهيمن، مما يدفع الحاجة إلى بروتوكولات فعالة للطاقة وإلى جدولة نوم عدوانية، حيث تعمل الكثير من التصميمات تحت متوسط الطاقة الواحدة من الماء، مما يجعلها أهدافا قابلة للتطبيق بالنسبة للمنتجات الشمسية المتجانسة التي تستخدم في البيوت، كما أن الأدوات مثل مجمِّعي الطاقة وبيئات المحاكاة (مثلاً لأطر نماذج الطاقة المفتوحة المصدر).

2 - تحديد نقاط القوة وتتبع نقاط القوة القصوى

(أ) إن نواتج المحصول منخفضة عادةً، ومتغيرات متقلبة، ومحول معزز عالي الكفاءة أو محول محرك محرك من نوع (Buck-boost) من الضروري تنظيم تركيبة ثابتة من مصادر الإمداد (مثل 3.3 V).

3 - اختيار تخزين الطاقة

ونظراً لأن الطاقة الكميائية متقطعة، فإن عناصر التخزين تُعيق الطلب على الحمولة، كما أن المكثفات توفر حياة غير محدودة وكمية عالية من الطاقة، وهي مثالية للنظم التي تحتاج إلى معالجة التوابل القصوى في إطار سلسلة البطاريات، كما أن البطاريات التي تُحمّل في البطاريات التي تُعدّل طاقة طويلة الأمد، توفر كثافة طاقة أعلى ولكنها تحتوي على عدد محدود من المواد الارتية، وتحتاج إلى أجهزة الحماية.

4 - إدارة الطاقة المتحكمة بالمايكرو وأجهزة الاستشعار

بالإضافة إلى أنّ أجهزة التحكم بالكهرباء المتناهية الصغر لا تعمل في قلب أجهزة توليد الطاقة، وأجهزة التحكم بالكهرباء المُتفجرة، وأجهزة التحكم بالكهرباء، وأجهزة التحكم بالكهرباء، وأجهزة التحكم بالدماغ، وأجهزة الاستنشاق بالكهرباء، وأجهزة الاسترخاء المُكتشفة، وأجهزة الاستيقاظ التي تُحدّد المهام فقط عندما تكون الطاقة كافية مخزنة.

المواد والمنتجات الناشئة للكفاءة العليا

إن السعي إلى زيادة كثافة الطاقة والمرونة يؤدي إلى حدوث انفراجات في علوم المواد، وهذه التطورات تؤدي إلى تقليص الفجوة بين نماذج البحوث والمنتجات الملاحية التجارية.

(أ) يمكن طبع خلايا الطاقة العضوية والفولاذية الخافضة للثديين والفولطية: ]

(ب) عدم وجود عمليات ذات تركيز على الطاقة ذات النطاق الترددي، وشبه الترددي، وشبه المحصول على الطاقة، وشبه المحصولية، وشبه المحصولية، وشبه المتطورة، وشبه المتطورة، وأجهزة قياس الطاقة، وشبه المحصولية، وشبه المتطورة، وشبه المتطورة، وضآلة التركيز على الطاقة، وتصل إلى 10 أضعاف ما هو مصمم من هياكل قياسية ذاتية.

(أ) المسببات الميكانيكية والمتجانسة: [FLT: 1] بالنسبة لمواد الميكانيكية المغلقة، يمكن أن تجني الطاقة من الأرجوحة المصفحة أو الضربات الراجلة، وهي أجهزة هجينة تُعدّ طبقات مُعدّدة من ثلاثي الأبعاد، وأجهزة مُثبطة للعجلات المُصَوَّلة في نفس الوقت.

التكامل اللامع في المنهاج المترونية

الدمج المادي لمنتجي الطاقة في الآلات أو المركبات أو البنية التحتية يثير مشاكل ميكانيكية وكهربية وسلامية تتجاوز المحصول وحده يجب أن ينجو المحصول من تضخيم الاهتزاز، والصدمة الحرارية، والغبار، والرطوبة دون أداء مهين، وتحمل الطلاء مع البرايل أو السيليكون لحماية التجمعات الإلكترونية

(أ) لا يمكن للمحولين تحويل الضجيج إلى دوائر حساسة، ولا بد من وضع نظام دقيق لربط النجوم بالحوادث، وأجهزة الترميز، وأجهزة النقل اللاسلكية، وأجهزة النقل اللاسلكية، وأجهزة النقل اللاسلكية المتعددة، وتقنية إدارة الطاقة، وتقنية الضبط، ومعدلات النمط، ومعدلات النمط المصممة على نحو متزايد، ومعدلات القدرة على التكييف.

طلبات التبني

وتتجاوز أجهزة الاستشعار المترونية ذات الطاقة الذاتية الافتراضات التي تُدخل في عمليات نشر عالية الحجم، وتُعتبر هذه التطبيقات بمثابة تطبيقات تمثيلية تكون فيها قيمة العرض أقوى.

الصيانة الافتراضية في الصناعة

وترصد محركات المصانع والمضخات والضغطات من أجل الاهتزاز ودرجات الحرارة والصوت للتنبؤ بالفشل قبل وقف الإنتاج، وتخلق أجهزة الاستشعار العاملة بالبطارية على آلاف الآلات كابوسا لوجستيا، وتُستخدم أجهزة قياس الطاقة الكهربائية المحتوية مباشرة على جهاز إنذار آلي، وتُحوّل إشارة اليقظة ذاتها التي تقيسها.

رصد الصحة الهيكلية للهياكل الأساسية المدنية

كما أن عمليات النقل البري والبخاري والرياح تتطلب رصدا طويل الأجل للسلامة والصيانة، كما أن سطوانات الطاقة على طول جسر طوله كيلو مترات باهظة الثمن ومعرضة للتأثر بالطقس، وتجميع أجهزة الكشف عن المصابيح ذاتية المصابيح الصلبة التي تحوم توترات من حركة المرور، وتظهر أجهزة التكديس الحراري التي تُموّل من أجهزة الصمام السحابية التي تُعدّ.

الميكترونيك المزروعة والمعالجة الصحية

وتستفيد من استخدامات الطاقة الذاتية في خفض الحجم وتحسين امتثال المستخدمين، وتُحدث هذه المركبات في أجهزة لجمع البيانات، وتُحدث أجهزة محصولية ذاتية، وتُحدِّد الطاقة الكهربائية في البطاريات، وتُحدِّد أجهزة التنظيف ذاتية السعة، وتُحدِّد أجهزة التنظيف ذاتية السعة، وتُحدِّد الطاقة الكهربائية المُستَجلِدة في البطاريات، وتُعدُّل البطاقات الكهرباءات ذاتية.

Smart Agriculture and Environmental Monitoring

ولا يمكن ربط أجهزة الاستشعار عن طريق رطوبة التربة، ومحطات الطقس، ومتعقبات الماشية التي توضع في مختلف الميادين الكبيرة، وهي مكلفة بالإبقاء على البطاريات، ولا يحافظ المحصولون من البطاريات الصغيرة التي تستخدمها البطاريات ذات الليثيوميوم الصغير على النوافذ الحية، بل إن عمليات الحرق الممتدة للطاقة تتيح شبكات الاستشعار الكثيفة التي تُفضِّل الري والتخصيب، مع الحد من استخدام الطاقة الكهربائية.

معايير الاختبار والتقدير والقابلية للاعتماد

عملية موثوقة على حياة المنتج لا يمكن التفاوض عليها الاختبار يجب أن ينسخ بيانات الطاقة الحقيقية للعالم ليس فقط ظروف المختبرات الخاضعة للمراقبة

اختبارات الحياة المعجلة تعرض المحصولين إلى التدوير الحراري (40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية)، الرطوبة، رذاذ الملح، ودرجة الدهون الميكانيكية، و668 درجة قياسية لطرق الاختبار البيئي المعتمدة على نطاق واسع للمعدات المتناثرة، و6 درجات قياسية من القدرة على التأقلم، و6 درجات قياسية من البوليمير المقوى الكربونية،

اعتبارات القابلية للتقسيم والتكاليف والصناعة

ويستلزم الانتقال من النموذج الأولي إلى الإنتاج الجماعي معالجة التكلفة، والقابلية للتكرار، وتيسير التجمع، ويمكن إنتاج محصولي الفطائر التابعة لوزارة الطاقة في السوق باستخدام أجهزة قياس دقيقة تعمل بالأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى خفض تكاليف الوحدات بالنسبة للأجهزة الإلكترونية للمستهلكين ذوي الحجم الكبير، كما أن طباعة المواد العضوية المحتوية على مواد ذات طابع تسارع مرن، والوحدات المرجعية لجمع الطاقة التي تُنظِّم نواتجها 5.3.

وتُعتبر الاقتصاد قاهراً عند النظر في التكلفة الإجمالية للملكية، حيث إن وحدة محصولية تعمل بخمسة أضعاف البطاريات خلال فترة تشغيلية مدتها 10 سنوات، كل منها تبلغ تكلفتها 150 دولاراً في العمل وفي وقت النزول، تُدرِج عائداً للاستثمار في غضون السنة الأولى من النشر، حيث إن رقائق تحويل الطاقة الكهربائية تقل عن دولار واحد في الحجم، فإن منحنى التبني يتسارع في جميع قطاعات الإنتاج الصناعية.

The Road Ahead: AI‐Enhanced Energy Management and Multi —Source Fusion

وستعزز نظم الميكانيكية الذاتية التي تعمل في المستقبل المعلومات الاستخبارية الاصطناعية للتنبؤ بتوافر الطاقة وتطويع سلوك أجهزة الاستشعار، ويمكن للمتحكم في الميكروفونات أن يدير شبكة عصبية خفيفة الوزن تتعلم أنماطا ضوئية يومية أو دورات عمل آلية، والجدول الزمني لمهام الطاقة العالية أثناء وفرة الطاقة، ويمكن أن يُستخدم التعلم في مجال الإنفاذ بصورة دينامية معالم MPPT وفترات الانتقال من أجل زيادة البيانات عن طريق الإنتاج مع الحفاظ على حياد الطاقة.

إن مصانع الطاقة المتعددة المصادر التي تجمع بين الفلول البيرفلوري والحراري ومدخلات الاهتزاز على رقاقة واحدة تتحرك من مختبرات البحث، وأجهزة تكييف الطاقة المشتركة مع تعدد المصادر الذكية يمكن أن توفر طاقة أكبر حجماً وتخفف من خطر فقدان الطاقة بالكامل، ودمج تصميم الطاقة على شكل صخور باستخدام أجهزة قياسية عالية الجودة أو أجهزة التحكم في الطاقة

وباختصار، فإن تطوير أجهزة استشعار لجمع الطاقة لأغراض التطبيقات المتنافرة ذاتيا هو مسعى متعدد التخصصات يدمج المواد المتقدمة، والإلكترونيات ذات القدرة المنخفضة، والتصميم الميكانيكي القوي، ومع توخي الدقة في الميزنة في مجال الطاقة، وإدارة الطاقة الجيدة، واختيار التكنولوجيا الملائمة، ندخل عصر يمكن فيه تركيب أجهزة الاستشعار ونسيانها، والعمل على مدى عقود دون تغيير بطارية واحدة، وما يترتب على ذلك من مكاسب في الموثوقية والاستدامة والكفاءة التشغيلية.