تطوير تقنيات تسخير الطاقة من أجل الأجهزة المستقلة ذاتياً

ويطرح تقدم الأجهزة المترونية المستقلة معضلة مستمرة في الطاقة، حيث تستحدث البطاريات نوافذ تشغيلية محدودة ومتطلبات صيانة غير عملية بالنسبة للأجهزة المنتشرة عبر الهياكل الأساسية النائية، والتي تُدمج في مجمعات هيكلية، أو تُزرع داخل الجسم البشري، ويُوفر جمع الطاقة حلا هندسيا قويا عن طريق استخدام الطاقة البيئية المرنة وتحويلها إلى طاقة كهربائية منظمة.

The Principles of Ambient Energy Harvesting

إن جمع الطاقة، المشار إليه أيضاً باختناق الطاقة، هو العملية التي تستمد منها كميات صغيرة من الطاقة الكهربائية من مصادر الطاقة المحيطة الموجودة في بيئة تشغيل الجهاز، وهذا يتناقض بشكل حاد مع توليد الطاقة التقليدية، التي تعتمد على الوقود المخزن أو على اتصال مباشر بالشبكة الكهربائية، والمصادر النموذجية هي الانتشار، وكثيراً ما تكون متقطعة: الإشعاع الكهرومغناطيسي للترددات من الشمس أو الضوء الاصطناعي،

ويصبح الناتج الكهربائي لمنتجات المحاصيل متواضعاً من حيث الخصائص، يتراوح بين نانووات وألفيوات، وبالتالي فإن الهدف الأساسي للهندسة ليس استبدال إمدادات الطاقة السائبة بل مواصلة التشغيل الطويل الأجل، أو إعادة شحن البطاريات الصغيرة، أو أجهزة الاستشعار ذات الصبغة الدالة على رسوم القوى الكهربائية، أو النظم الفرعية للتشكيلات، أما بالنسبة للأجهزة المستقلة، فإن استخدام الطاقة الثابت يحوّل مصدر الطاقة من مصادر الطاقة.

ويحتاج مفهوم حاسم في هذا المجال إلى كثافة الطاقة ]، معبرا عنه عادة في بيانات الميكرواتات لكل سنتيمتر مكعب (الميكروفون و/أو الكم3) في كل كثافة المصدر، كما أن أجهزة التذبذب الحراري البعيدة يمكن أن توفر أكثر من 15 ميلاً/ثانياً، بينما يوفر الإضاءة الداخلية عشرات من محركات التقلبات الحرارية/الثانية()

طرائق تسخير الطاقة

وقد تم تطوير مجموعة متنوعة من تكنولوجيات التحويل لكي تستخدم في مسارات محددة للطاقة المحيطة، حيث تملي اختيار تقنية أساسية للجنيب على خصائص البيئة المستهدفة ومتطلبات الطاقة للشحنة المترونية، وكل طريقة تنطوي على مبادلات مختلفة في إنتاج الطاقة، وبصمات الاقدام المادية، والصيانة، والقدرة على التصعيد.

جنيــد الطاقة الفولطية

ولا يزال التحول الفولطائي هو أكثر الطرائق نضجاً تجارياً وانتشاراً على نطاق واسع، حيث توفر أفرقة السيليكون المكورات الفلكية العالية الكفاءة (أكثر من 26 في المائة في الخلايا المختبرية، و20-22 في المائة في الوحدات التجارية) تحت ضوء الشمس المباشر، مما يجعلها مثالية لرصد الهياكل الأساسية الخارجية وشبكات الاستشعار الزراعية.

ويُحدث [الظهور السريع للخلايا الشمسية المشبع بالفلور] تقدماً كبيراً في التطبيقات الداخلية، حيث ترتفع الكفاءة بنسبة 25 في المائة في خلايا الزيتون الوحيدة والضمادات التي يمكن أن تُحدث في إطار نموذج متعدد الأطراف للغازات، ويُستخدم في تركيب أجهزة مصغرة متطورة لتخزين المواد الفلورية، مما يتيح أجهزة الاستشعار ذاتية الدفع في المصانع والمباني الذكية.

Mechanical Vibration and Kinetic Energy Harvesting

وتوفر القدرة على الطاقة الحركية من الاهتزازات المحيطة أو التأثيرات أو الحركة السطرية مصدرا قويا للطاقة في الأوساط الصناعية والنقلية والطبية الحيوية، وآليات التحويل المهيمنة الثلاثة هي الفائقة الفطائر والكهرباء والكهرباء.

(أ) إنتاج متغيرات في حجم الغازات (البوليفينيل القصديرية) (الحركة الميكانيكية)

(ب) مصادر الاهتزاز في العالم هي في كثير من الأحيان ذات نطاق واسع أو تختلف بتواترها مع مرور الزمن، وقد وضع الباحثون تقنيات ذات نطاق واسع تشمل التمرين الترددي المتكرر، والتقلبات المتكررة، والمناظير غير المباشر، مما يجعل من الممكن أن تكون أكثر قابلية للاستمرار في بيئة غير قابلة للتنبؤ.

Thermoelectric Energy Harvesting

(ب) تحول المولدات الكهربائية الحرارية إلى فرق في درجات الحرارة المكانية مباشرة إلى كهرباء العاصمة عن طريق تأثير سيبيك، وتتألف وحدة من مجموعة من الأزواج شبه الموصلين، التي تُصنع عادة من قسّة البسيموت (Bi2Te3) لتطبيقات شبه الغرفة - الحرارة، وتُدوّن بين لوحات السيراميك ذات الجانب الساخن والبارد، وتُحكم كفاءة نظام TEG من حيث الجدارة.

وتهيئ البيئات الصناعية فرصاً كثيرة لنشر مادة TEG: وتضع علامة TEG على سطح ساخن، مثل الأنابيب العادمة، أو خط البخار، أو الجدار الفرني، في وجود أجهزة إطفاء ذات قدرة مبردة، يمكن أن تولد موجات طاحونة من المئات من الأمفيتامينات ذات القدرة المستمرة، وهذا يكفي لتشغيل أجهزة نقل لاسلكية لرصد حالة الطوارئ(10).

Radio Frequency Energy Harvesting

ويلتقط جمع الطاقة في منطقة الأمبيرات الإشعاع الكهرومغناطيسي من الإرسال اللاسلكي غير المبرّع، بما في ذلك محطة وي-فاي، ومحطات قاعدية خلوية، وأجهزة تلفزيون، وأجهزة بلوتوث، وجهاز تصحّح الهوائي، أو rectenna ، ويعترض إشارة الترددات ويحولها إلى طاقة العاصمة.

ورغم انخفاض الطاقة، يمكن أن تنشط مصادر الترددات المكرَّسة عن قصد في نظام نقل الطاقة اللاسلكية الخاضعة للرقابة، الذي يكتسب زخماً في شبكات الاستشعار الكثيفة والتشغيل الآلي الصناعي، وتُعرِّف التصميمات الاسترجاعية الحديثة التي تعمل في إطار النطاق الترددي 2-4 أو 900 ميغاهيرتز على مستوى الترددات الثابتة، أوجه كفاءة مثيرة للإعجاب، تتجاوز 50 في المائة في القوى المحركة، وتشمل تحديات التصميم الرئيسية().

Emerging and Niche Harvesting Techniques

(ب) العديد من التكنولوجيات الواعدة التي توسع حدود جمع الطاقة. Triboelectric nanerators (TENGs)

(أ) تُستخدم في إطارها عوامل حرارة، أو في إطارها، أو في إطارها، أو في إطارها، أو في إطارها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في حالة من الحالات التي تُستخدم فيها هذه المواد، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في شكلها، أو في حالة من أشكالها، أو في حالة من أشكالها، أو في حالة من أشكالها، أو في حالة من أشكالها، أو في حالة من أشكالها، أو في حالة من أشكالها، أو في حالة من أشكالها، أو

التكامل على مستوى المنظومة وإدارة الطاقة

ونادرا ما تكون الطاقة المحصولة ذات العجلات السريعة متوافقة مع الفولط والاحتياجات الحالية للأجهزة الالكترونية الحديثة للأجهزة الميكترونية، ويلزم وجود واجهة متطورة لإدارة الطاقة لتكييف ناتج المترجم، ويجب أن تؤدي هذه الوصلة عدة مهام حاسمة: تصحيح التثبيت في كل من شركة AC-DC (لإنتاج الفطائرات، والكهرباء، ومصادر الترددات)، والتحول التدريجي إلى حافلات المنظمة، والارتداد من أجل ضمان الحد الأقصى من مصادر الطاقة.

Dedicated commercial Power Management ICs (PMICs) for energy harvesting integrate these functions into single, low-power packages. Devices such as the Analog Devices ADP5091 or the Texas Instruments BQ25570 include essential features like cold-start (starting power operation from zero stored energy), [FimT:2]

* لأن الطاقة المحصولة هي متقطعة، وبعض أشكال تخزين الطاقة ضرورية لتحلل من الاستهلاك، وخيارات التخزين الأولية هي البطاريات الثانوية، وبطاريات ذاتية السعة، وأجهزة تخزين خارقة (كثافة الكثافة القصوى)

منهجية تصميم عملية الطاقة المحايدة

ويتطلب تحقيق عملية مستقلة حقاً خالية من الصيانة منهجية تصميم صارمة تركز على مفهوم حالة تشغيل محايدة للطاقة ]، حيث تجتمع الطاقة المحصولة أو تتجاوز متوسط الطاقة المستهلكة من النظام على دورة تشغيلية محددة، وتبدأ عملية التصميم بتمييز شامل للبيئات المتأرجحة المستهدفة.

The next step is profiling the tool ' power consumption. Mechatronic systems often have distinct operational states: a lowpower sleep mode consuming nanoamps, an active sense state consum-mission microamps, and a

"وبعد ذلك، فإنّ عامل تكوين "الحصاد لا يعرقل المهمة الميكانيكية الرئيسية للجهاز، يجب أن يتمّ اختيار المكونات للموثوقية عبر العمر المُزمع للجهاز، مُحاسبةً على التحلل مثل "إصفر الخلايا الفولطية" أو "الضغط المُتسمّى"

Transformative Applications Across Industries

ويتحول جمع الطاقة من مختبرات البحوث إلى تطبيقات عملية ذات أثر كبير في مختلف الصناعات.

(أ) الإنترنت الصناعي للأشياء (الثانية) والصناعة 4.0: ] Wireless condition-monitoring sensors on motors, pumps, and conveyors are prime candidates. Piezoelectric harvesters tuned to vibration frequencies power accelerometers for bearing wear detection.

(ب) إنَّ أجهزة رصد الصحة الهيكلية (SHM): ] bridges, wind turbines, and pipelines are equipped with vibration-powered accelerometer and strain gauges that report wirelessly, eliminating the need for periodic manual inspections in hazardous locations. For example, the Millau Viaduct in France uses self-powered sensors

(أ) أجهزة تعقب اللياقة الكهربائية والذكية تمد فترة التشغيل بشكل كبير، وتستغل الطبقات الحرارية حرارة الجسم في أجهزة رصد الغلوكوم المستمر وأجهزة التكييف، وتحسين امتثال المرضى، والحد من النفايات الطبية.

(أ) استخدام شبكات الاستشعار الموزعة في المزارع الكبيرة لوحات شمسية صغيرة أو مجموعات من الغازات الشمسية ذات الدلالة الشمسية في طفرة التربة، واستبدال المواد الغذائية، وأجهزة الاستشعار الدقيقة، مما يتيح الري والتخصيب بدقة، واستخدام الموارد على الوجه الأمثل، ومحاصيل المحاصيل.

]Aerospace and Defense:] Unmanned aerial vehicles (UAVs) and remoteens platforms supplement their batrate reserves with flexible solar skins, extending mission durations during long-range surveillance or environmental monitoring. In space, thermoelectric births using radioisope heat sources (RTGs) are the standard for deepspace missions, but ambient-source

الحدود البحرية والاتجاهات المستقبلية

ولا يزال جمع الطاقة يواجه حواجز مادية واقتصادية أساسية، إذ إن كثافة الطاقة المنخفضة والمتقطعة للمصادر المحيطة تتطلب تحويلاً عالي الكفاءة للطاقة وميزنة دقيقة للطاقة، مما يزيد من تعقيد النظام وتكلفته، ولا يزال نطاق تصنيع المحصولين المتخصصين (المجموعات المتوسطة الأجل، والخطوط الجوية العالية الحرارة) صغيراً، ويبقي تكاليف الوحدة مرتفعة مقارنة بالبطاريات القياسية.

ورغم هذه التحديات، فإن مسار البحث واعد إلى حد كبير. Advanced materials] في مقدمة هذا التقدم، وتظهر مقاييس حرارية ذاتية ذاتية مجهزة بمقياس تركيز أعلى (العملية الثانية في المظاهرات المختبرية) وفولاذات ذاتية ذاتية النطاق الترددي تلتقط الضوء المميت وشديد الأشعة فوق البصمة، وتقترن بصور متطورة.

(أ) استخبارات صناعية وتعلم آلي (ML) ) تظهر كأدوات قوية لإدارة الطاقة، حيث يمكن لنظام إدارة الطاقة التكييفية أن يتعلم أنماط إنتاج واستهلاك الطاقة في بيئة النشر المحددة على مر الزمن، باستخدام مقاييس تنبؤية - مثل شبكات الذاكرة القصيرة الأجل الطويلة الأجل للتنبؤ بإرسال المواد المشعة الشمسية - يمكن للجهاز أن يحدد

وسيؤدي نضج معايير نقل الطاقة اللاسلكية وبروتوكولات الاتصالات المحايدة للطاقة )مثل تلك التي تدخل في رابطة معايير آي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إي إيه و] إلى زيادة التعجيل باعتماد نظم الطاقة المتميزة التي لا يمكن استخدامها بعد مرور عقد من الزمن، مع اقتران هذه التكنولوجيات برؤية أجهزة متداخلة ذاتية الاصطدام، يمكن أن تكون قادرة على القيام بها عقود من الزمن دون انقطاع.