أنظمة حصاد الطاقة الصغيرة التي تنتج أي شيء بدءًا من بضع مئات من الميكرو واط إلى بضعة مل واط من الطاقة عند الطلب كانت قيد التطوير طوال العقدين الماضيين على الأقل.
واليوم، لا يزال من الممكن وصف السوق بأنها ناشئة، على الرغم من أن التكنولوجيا تعد بتخفيف أو إزالة التكاليف الاقتصادية والبيئية الباهظة للبطاريات في أجهزة إنترنت الأشياء.
هناك عدد قليل نسبيًا من هذه الأجهزة التي يتم فيها نشر حصاد الطاقة الدقيقة، ولكن يبدو أن مجموعة من التطورات ستغير هذا الأمر.
أولاً، أصبح العالم الآن أكثر حساسية للقضايا البيئية من أي وقت مضى، ونرى حصاد الطاقة على نطاق واسع في كل مكان، حيث تساهم مزارع الطاقة الشمسية وتوربينات الرياح والطاقة الكهرومائية في نسبة متزايدة من استخدامنا للطاقة، هناك تأثير متدرج يؤدي إلى زيادة الاهتمام والمصداقية في حصاد الطاقة الصغيرة.
ثانيًا، يستمر انخفاض استهلاك الطاقة للمعالجات (عادةً وحدات التحكم الدقيقة) وأنظمة الاتصال اللاسلكي داخل أجهزة إنترنت الأشياء.
إن تقلص عقد العملية في الرقائق، وظهور الأجهزة ذات العتبة الفرعية والإدارة الأكثر ذكاءً للموارد الموجودة على الرقاقة كلها عوامل مساهمة.
وثالثا، أصبحت أنظمة حصاد الطاقة الجزئية أكثر فعالية، وأكثر كفاءة، والأهم من ذلك، أنها أقل تكلفة في التنفيذ، ويستغرق الأمر الآن وقتًا أقل بكثير لتحقيق عائد على الاستثمار من مثل هذه الأنظمة.
نظام حصاد الطاقة الدقيقة
يشتمل نظام حصاد الطاقة الدقيقة على الحصادة أو الحصادات، ودائرة متكاملة لإدارة الطاقة لحصاد الطاقة (EH PMIC) ومكون تخزين الطاقة – عادةً ما يكون مكثفًا – الذي يسلم الطاقة المخزنة إلى الحمل عندما تطلب منه EH PMIC القيام بذلك لذا.
الهدف من حصاد الطاقة الصغيرة هو التخلص من البطاريات، لا سيما في مليارات أجهزة إنترنت الأشياء المنتشرة في الأتمتة الصناعية، والصيانة التنبؤية، والزراعة، والأمن، والرعاية الصحية، والنقل، والبناء، والمنازل الذكية ومجموعة من التطبيقات الأخرى.
ولكن في العديد من التطبيقات، قد يكون ذلك كافيًا لتكملة طاقة البطارية، مما يزيد من عمر تشغيل الجهاز بحيث نادرًا ما تحتاج البطاريات إلى الاستبدال.
كلما قل الوصول إلى جهاز إنترنت الأشياء، كلما زادت تكلفة استبدال البطاريات، لذا فإن تجميع الطاقة الصغيرة قد يمكّن من إنشاء تطبيقات جديدة في المواقع النائية التي كانت في السابق غير اقتصادية.
التحدي الذي يواجه مصممي أجهزة إنترنت الأشياء المهتمين بحصاد الطاقة الصغيرة هو أن المصادر المتاحة للطاقة المتجددة قد لا تكون معروفة في البداية.
أفضل تقنيات EH لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء
إن تقنيات حصاد الطاقة الدقيقة الأكثر ملاءمةً لتشغيل أجهزة إنترنت الأشياء هي الخلايا الكهروضوئية؛ المحولات الكهرضغطية أو الكهروستاتيكية، التي تحصد الطاقة من الاهتزاز؛ وحصادات بلتيير الحرارية، التي تحول التدرجات الحرارية إلى طاقة كهربائية.
تتراوح كثافة الطاقة لهذه المصادر من حوالي 100 ميجاوات/سم2 للطاقة الشمسية الخارجية إلى 10 ميجاوات/سم للمولد الكهروحراري (TEG). تختلف الخصائص الكهربائية للحصادات المختلفة بشكل كبير. على سبيل المثال، تمتلك TEGs مخرجات ذات مقاومة منخفضة، مما ينتج تيارًا مستمرًا مستمرًا عند جهد منخفض.
الخلايا الكهروضوئية متشابهة، لكن التيار، وبالتالي المعاوقة، يختلف باختلاف مستوى الضوء الساقط. توفر الحصادات الكهرضغطية دفعات أقصر من الطاقة وعادةً ما تكون بجهد أعلى من نظيراتها من TEG وPV.
وقد دفع ذلك مصنعي EH PMIC إلى تقديم مجموعة من شرائح إدارة الطاقة، كل منها مصمم للعمل مع نوع معين من الحصادات، قد يحتاج بعض هذه المكونات أيضًا إلى مكونات خارجية لتحويل المعاوقة بين جهاز الحصاد والرقاقة.
يمثل هذا معضلة للشركة المصنعة لأجهزة إنترنت الأشياء. يجب تصميم جهاز مختلف قليلاً لكل نوع من أنواع الحصادات،وحتى مع ذلك، لا تزال هناك مشكلة تتمثل في أن أنواع مصادر الطاقة المتاحة لتشغيل جهاز إنترنت الأشياء قد لا تكون معروفة في وقت تصميمها. على سبيل المثال، ليس هناك فرصة كبيرة للطاقة الشمسية الكهروضوئية في نفق السكك الحديدية أو داخل منشأة صناعية، ولكن يمكن أن يكون هناك الكثير من الاهتزازات المحيطة، في الدفيئة، التي قد تستخدم أجهزة استشعار ذكية ومتصلة لدرجة الحرارة والرطوبة، فإن العكس هو الصحيح.
قياس مقدار الطاقة التي يجب حصادها
تعد طبيعة التطبيق النهائي، بما في ذلك بروتوكول الاتصال اللاسلكي أو البروتوكولات التي تستخدمها أجهزة إنترنت الأشياء، من المحددات الرئيسية لاستهلاك الطاقة، على سبيل المثال، ترسل أجهزة القياس الذكية حزم بيانات صغيرة بشكل غير متكرر، في حين أن بث الفيديو من الكاميرات الأمنية يتطلب الكثير من البيانات والطاقة.
الاعتبارات على مستوى النظام تلعب دورًا أيضًا. إذا تم نشر وحدات الاستشعار اللاسلكية بالقرب من لوحات الوصل أو أجهزة التوجيه، فيمكن استخدام بروتوكولات الراديو منخفضة الطاقة وقصيرة المدى مثل Bluetooth أو Zigbee أو Z-Wave أو Wi-Fi ويتم تحديد الاختيار النهائي حسب معدل البيانات المطلوب ونطاق الإشارة والتكاليف.
عندما تكون أجهزة إنترنت الأشياء متصلة بشبكة تمتد على منطقة جغرافية واسعة، قد تكون الاتصالات الخلوية أو اتصالات LPWAN هي الخيار الوحيد، وكلاهما متعطش للطاقة مقارنة بالأنظمة قصيرة المدى، كما يوضح جدول المقارنة.
يعد التحليل التفصيلي لملف تعريف الطاقة لجهاز إنترنت الأشياء عند نشره في الميدان هو الخطوة الأولى في تحديد الأداء المطلوب من نظام حصاد الطاقة.
تتطور EH PMICs لتبسيط عملية حصاد الطاقة الدقيقة
في حين أنه يمكن تصميم إنترنت الأشياء باستخدام العديد من أجهزة PMICs الخاصة بالصحة البيئية لإنشاء مجموعة من المدخلات، كل منها مناسب لنوع معين من الحصادات، فإن هذا يضيف تكلفة ويهدر موارد الأجهزة في معظم التطبيقات.
الاتجاه الأحدث هو نحو أجهزة PMICs أكثر ذكاءً ومتعددة المدخلات، باستخدام هذه الأجهزة، يمكن توصيل نوعين أو أكثر من الحصادات بنفس شريحة إدارة الطاقة.
ولم يحقق حصاد الطاقة الصغيرة حتى الآن الوعد بعالم خال من البطاريات لأجهزة إنترنت الأشياء، ولكنه بالتأكيد على وشك القيام بذلك.
ومع انخفاض التكاليف، تصبح أنظمة حصاد الطاقة أسهل في التصميم والاستخدام، ويظهر مهندسو الإلكترونيات المزيد من الالتزام تجاه المسؤولية البيئية.
