حصاد الطاقة RF

هناك العديد من الأجهزة اللاسلكية التي تعمل في جميع أنحاء العالم مما يجعل حياة الناس سهلة ومريحة من نواح كثيرة ، ولكن كل هذه الأجهزة اللاسلكية مطلوبة للشحن مرارًا وتكرارًا لاستخدامها. ولكن ماذا لو استطعنا استخدام نفس التردد اللاسلكي الذي ينقل البيانات لشحن الأجهزة. ستقلل هذه التقنية أو تحذف استخدام البطاريات لتشغيل الدائرة داخل الجهاز. الفكرة هي تجميع الطاقة من التردد اللاسلكي باستخدام الهوائيات بدلاً من توليد الطاقة من الحركة أو الطاقة الشمسية. تناقش هذه المقالة حصاد طاقة التردد اللاسلكي بالتفصيل.

كيف يعمل نظام حصاد طاقة الترددات اللاسلكية؟

هناك العديد من مصادر الترددات الراديوية المتاحة ولكن الشيء المهم الذي يجب فهمه أولاً هو كيفية تحويل التردد اللاسلكي إلى طاقة أو كهرباء ؟ هذه العملية بسيطة للغاية ، فهي تشبه العملية العادية لاستقبال الهوائي للإشارة. لذا ، دعونا نفهم عملية التحويل باستخدام مخطط بسيط.

المصدر (يمكن أن يكون أي جهاز أو دائرة إلكترونية) ينقل إشارات التردد اللاسلكي ودائرة التطبيق ، التي تحتوي على دائرة داخلية لتحويل الطاقة ، تستقبل التردد الراديوي ، مما يتسبب بعد ذلك في فرق محتمل عبر طول الهوائي ويخلق حركة ناقلات الشحن عبر الهوائي. تنتقل ناقلات الشحنة إلى دائرة تحويل RF إلى DC ، أي يتم تحويل الشحنة الآن إلى تيار مستمر باستخدام الدائرة المخزنة في المكثف مؤقتًا. ثم باستخدام دائرة تكييف الطاقة ، يتم تضخيم الطاقة أو تحويلها إلى القيمة المحتملة حسب الرغبة في الحمل.

هناك العديد من المصادر التي تنقل إشارات التردد اللاسلكي مثل محطات الأقمار الصناعية ومحطات الراديو والإنترنت اللاسلكي. أي تطبيق يحتوي على دائرة حصاد طاقة RF مرفقة به ، سيستقبل الإشارة ويحولها إلى كهرباء.

تبدأ عملية التحويل عندما يستقبل هوائي الاستقبال الإشارة ويسبب فرقًا محتملًا عبر طول الهوائي مما يؤدي أيضًا إلى حركة في حاملات الشحنة للهوائي. تنتقل حوامل الشحنة هذه من الهوائي إلى دائرة مطابقة الممانعة المتصلة عبر الأسلاك. على شبكة مقاومة مطابقة (IMN) بالتأكد من أن نقل السلطة من الهوائي (مصدر RF) إلى المعدل / الجهد المضاعف (تحميل) هو الحد الأقصى. إن الممانعة في دائرة التردد الراديوي لا تقل أهمية عن المقاومة في دائرة التيار المستمر من أجل نقل الطاقة الأمثل بين المصدر والحمل.

إشارة التردد الراديوي المستقبلة على الهوائي لها شكل موجة جيبي أي إشارة تيار متردد وتحتاج إلى تحويلها إلى إشارة تيار مستمر. بعد المرور عبر IMN ، يقوم المقوم أو دائرة مضاعف الجهد بتصحيح الإشارة وتضخيمها حسب حاجة التطبيق. دارة المعدل ليست نصف موجة أو موجة كاملة أو مقوم جسر بدلاً من ذلك فهي دائرة مضاعفة الجهد (مقوم خاص) تقوم بتصحيح الإشارة وتعزز الإشارة المصححة بناءً على متطلبات التطبيق.

تنتقل الكهرباء المحولة من التيار المتردد إلى التيار المستمر باستخدام مضاعف الجهد إلى دائرة إدارة الطاقة التي تستخدم مكثفًا أو بطارية لتخزين الكهرباء وتزويدها بالحمل (التطبيق) عند الحاجة.

ما هي ال

كما ذكرنا سابقًا ، هناك العديد من الأجهزة التي تستخدم إشارات التردد اللاسلكي ، مما يعني أنه سيكون هناك العديد من المصادر لاستقبال إشارة التردد اللاسلكي لتجميع الطاقة.

مصادر التردد الراديوي التي يمكن استخدامها كمصدر للطاقة هي:

محطات الراديو: قديمة ولكنها جديرة بالاهتمام ، تصدر محطات الراديو بانتظام إشارات RF والتي يمكن استخدامها كمصدر للطاقة.
المحطات التلفزيونية: هذا أيضًا مصدر قديم ولكنه يستحق إرسال إشارات على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع ويعتبر مصدرًا جيدًا للطاقة.
الهواتف المحمولة والمحطات الأساسية: تُصدر مليارات الهواتف المحمولة ومحطاتها الأساسية إشارات تردد لاسلكي ، مما يجعلها مصدرًا جيدًا للطاقة.
الشبكات اللاسلكية: يوجد عدد من أجهزة توجيه Wi-Fi والأجهزة اللاسلكية الموجودة في كل مكان ويجب اعتبارها أيضًا مصدرًا جيدًا للحصول على الطاقة من التردد اللاسلكي.

هذه هي الأجهزة الرئيسية الموجودة في جميع أنحاء العالم والتي تعد المصادر الرئيسية للترددات اللاسلكية التي يمكن استخدامها لحصد الطاقة ، أي توليد الطاقة الكهربائية.

تطبيقات عملية لحصاد الطاقة الراديوية

بعض تطبيقات Energy Harvester باستخدام نظام RF مذكورة أدناه:

بطاقات RFID: تستخدم تقنية RFID (تحديد ترددات الراديو) مفهوم حصاد الطاقة الذي يشحن "العلامة" الخاصة به من خلال استقبال إشارة RF من قارئ RFID نفسه. يمكن رؤية التطبيق في مراكز التسوق والمترو ومحطات القطار والصناعات والكليات والعديد من الأماكن الأخرى.
البحث أو التقييم: أطلقت شركة Powercast لوحة تقييم - "لوحة التقييم P2110" التي يمكن استخدامها لأغراض البحث أو لتقييم بعض التطبيقات الجديدة مع الأخذ في الاعتبار القوة المطلوبة والمستلمة والتغييرات التي يجب إجراؤها بعد التقييم.

بصرف النظر عن هذه التطبيقات العملية ، هناك العديد من المجالات حيث يمكن استخدام تكنولوجيا حصاد الطاقة مثل المراقبة الصناعية ، صناعة الزراعة ، إلخ.

حدود حصاد طاقة الترددات اللاسلكية

مع التطبيقات الجيدة وعدد من المزايا ، هناك بعض العيوب أيضًا وتحدث هذه العيوب بسبب القيود الموجودة في هذا الشيء.

لذا فإن قيود نظام حصاد طاقة التردد اللاسلكي هي:

التبعية: الاعتماد الوحيد لنظام تجميع طاقة التردد اللاسلكي هو جودة إشارات التردد اللاسلكي المستقبلة. يمكن تقليل قيمة التردد اللاسلكي بسبب التغيرات الجوية أو العوائق المادية ويمكن أن تقاوم إرسال إشارة التردد اللاسلكي ، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة كإخراج.
الكفاءة: حيث أن الدائرة تتكون من مكونات إلكترونية تفقد وظيفتها بمرور الوقت وتعطي نتائج سيئة إذا لم تتغير وفقًا لذلك. نتيجة لذلك ، سيؤثر هذا على كفاءة النظام ككل وسيوفر ناتجًا غير لائق في المقابل.
التعقيد: يلزم تصميم مستقبل النظام بناءً على تطبيقاته ودائرة تخزين الطاقة ، مما يجعل بنائه أكثر تعقيدًا.
التردد: يمكن تصميم أي دائرة أو جهاز مصمم لاستقبال إشارة RF لتجميع الطاقة لتشغيل نطاق تردد واحد فقط وليس متعدد. لذلك ، فهو يقتصر فقط على طيف النطاق هذا.
وقت الشحن: أقصى طاقة ناتجة من التحويل تكون بالمللي وات أو الميكرووات. لذلك ، الطاقة المطلوبة من قبل التطبيق سوف تحتاج إلى وقت طويل لإنتاجها.

بصرف النظر عن هذه القيود ، يتمتع حصاد الطاقة باستخدام ترددات الراديو (RF) بالعديد من المزايا ونتيجة لذلك يكون له تطبيق في صناعة الأتمتة والزراعة وإنترنت الأشياء وصناعة الرعاية الصحية ، إلخ.

أجهزة حصاد الطاقة RF متوفرة في السوق

الأجهزة المتوفرة في السوق والتي تدعم حصاد طاقة الترددات اللاسلكية هي:

Powercast P2110B: أطلقت شركة Powercast P2110B والتي يمكن استخدامها للتقييم وكذلك للاستخدام المستند إلى التطبيق.

التطبيقات:
- أجهزة استشعار لاسلكية خالية من البطارية
  - المراقبة الصناعية
  - الشبكة الذكية
  - دفاع
  - التشغيل الآلي للمبنى
  - النفط والغاز
- إعادة شحن البطارية
  - خلايا العملة
  - خلايا الأغشية الرقيقة
- إلكترونيات منخفضة الطاقة

ميزات:
- كفاءة تحويل عالية
- يحول إشارات التردد اللاسلكي منخفضة المستوى التي تتيح تطبيقات بعيدة المدى
- خرج جهد منظم يصل إلى 5.
- ما يصل إلى 50mA الإخراج الحالي
- مؤشر قوة الإشارة المستقبلة
- نطاق تشغيل RF واسع
- تشغيل يصل إلى -12 ديسيبل ميلي واط
- قابل لإعادة الضبط خارجيًا للتحكم في المعالجات الدقيقة
- نطاق درجة الحرارة الصناعية
- متوافق مع RoHS

Powercast P1110B: على غرار P2110B ، يحتوي Powercast P1110B على الميزات والتطبيقات التالية.

ميزات:
- كفاءة تحويل عالية ،> 70٪
- استهلاك منخفض للطاقة
- خرج جهد قابل للتكوين لدعم إعادة شحن بطارية Li-ion والبطارية القلوية
- التشغيل من 0 فولت لدعم شحن المكثف
- مؤشر قوة الإشارة المستقبلة
- نطاق تشغيل واسع
- تشغيل يصل إلى -5 ديسيبل طاقة الإدخال
- نطاق درجة الحرارة الصناعية
- متوافق مع RoHS

التطبيقات:
- مجسات لاسلكية
  - المراقبة الصناعية
  - الشبكة الذكية
  - مراقبة الصحة الهيكلية
  - دفاع
  - التشغيل الآلي للمبنى
  - الزراعة
  - النفط والغاز
  - خدمات علم الموقع
- مشغل لاسلكي
- إلكترونيات منخفضة الطاقة.

هذان هما جهازي حصاد الطاقة المستندة إلى الترددات اللاسلكية المتوفران في السوق ويتم تطويرهما بواسطة شركة Powercast.

استخدام حصاد طاقة الترددات اللاسلكية في تطبيقات إنترنت الأشياء

مع تزايد شعبية إنترنت الأشياء (IoT) في أتمتة الأجهزة الإلكترونية ، يتم تطوير تطبيقات إنترنت الأشياء للمنازل والصناعات ، والتي من المحتمل أن تظل تعمل لسنوات في انتظار بدء التشغيل. مع القدرة على تجميع الطاقة ، يمكن لهذه الأجهزة أن تسحب الطاقة حرفيًا من الهواء لإعادة شحن بطارياتها الخاصة أو الحصول على طاقة كافية من البيئة بحيث لا تتطلب البطارية أي مصدر طاقة خارجي لشحنها. يشار إلى أجهزة الاستشعار التي تعمل بالطاقة الذاتية الآن باسم " الطاقة الصفرية"أجهزة استشعار لاسلكية لقدرتها على توفير بيانات المستشعر مباشرة على سحابة إنترنت الأشياء ، باستخدام بوابة لاسلكية بدون مصدر واضح للطاقة. من خلال تجميع الطاقة من مصادر طاقة التردد اللاسلكي المتاحة ، يمكن تطوير جيل جديد من الأجهزة اللاسلكية منخفضة الطاقة للغاية (ULP) ، مثل مستشعرات إنترنت الأشياء ، للتطبيقات منخفضة الصيانة مثل المراقبة عن بُعد.

يعتبر تجميع الطاقة بمثابة تقنية "مصاحبة" للاتصالات اللاسلكية نظرًا لأنه يمكن أن يمكّن من إطالة عمر البطارية للأجهزة المحمولة وربما التشغيل بدون بطارية لبعض الأجهزة الإلكترونية.