المرجع في الرابط: mdpi

سيكون من المفيد التعرف على المصطلحات التالية قبل الخوض في المقال:

• المولد النانوي الكهربائي الاحتكاكي (TENG): جهاز يحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال الكهرباء الاحتكاكية والحث الكهروستاتيكي. وتتكون عادة من مواد تولد شحنات كهربائية عندما تتلامس وتنفصل عن بعضها البعض.
• حصاد طاقة الاهتزاز: عملية التقاط الاهتزازات الميكانيكية من البيئة وتحويلها إلى طاقة كهربائية لتطبيقات مختلفة، مثل تشغيل الأجهزة الإلكترونية أو أجهزة الاستشعار.
• مصدر الطاقة: جهاز أو نظام يوفر الطاقة الكهربائية للأجهزة أو الأنظمة الإلكترونية، مما يمكنها من أداء وظائفها.
• مصدر الطاقة المصغر (MPS): جهاز إمداد طاقة مدمج مصمم للعمل في بيئات مقيدة أو محدودة المساحة، يستخدم عادةً للأجهزة الإلكترونية الصغيرة أو أجهزة الاستشعار.
• وحدة إدارة الطاقة (PMM): مكون أو نظام مسؤول عن إدارة وتنظيم الطاقة الكهربائية داخل جهاز أو نظام، بما في ذلك مهام مثل تحويل الجهد، وتخزين الطاقة، وتوزيع الطاقة.
• نطاق التردد: نطاق الترددات الذي يمكن لجهاز أو نظام من خلاله أن يعمل أو يحصد الطاقة بكفاءة. في هذا السياق، تتناول المقالة نطاقًا واسعًا من الترددات يتراوح من 1 إلى 100 هرتز، ويغطي نطاقًا واسعًا من ترددات الاهتزازات الشائعة في البيئة.
• القطب الكهربائي: موصل يدخل من خلاله التيار الكهربائي إلى جهاز أو مادة أو يخرج منها، وغالبًا ما يستخدم لتسهيل تدفق الشحنات الكهربائية في TENGs والأنظمة الكهربائية الأخرى.
• الكهرباء الاحتكاكية: توليد الشحنة الكهربائية من خلال عملية الاحتكاك بين مادتين مختلفتين.
• الحث الكهروستاتيكي: إعادة توزيع الشحنات الكهربائية داخل جسم أو مادة استجابة لمجال كهربائي خارجي، وغالباً ما يؤدي إلى فصل الشحنات الموجبة والسالبة.
• تحليل العناصر المحدودة: تقنية حسابية تستخدم لمحاكاة وتحليل سلوك الأنظمة أو الهياكل المعقدة، وغالبًا ما تستخدم في الهندسة والفيزياء لدراسة أداء الأجهزة مثل TENGs.
• الحث الكهروستاتيكي: هو العملية التي يتم فيها إعادة توزيع الشحنات الكهربائية داخل مادة أو جسم استجابة لمجال كهربائي خارجي، مما يؤدي إلى فصل الشحنات الموجبة والسالبة دون اتصال مباشر بجسم مشحون.
• لوحة الدوائر المطبوعة PCB: وهي عبارة عن لوح مسطح مصنوع من مادة غير موصلة (غالبًا من الألياف الزجاجية أو الإيبوكسي المركب) يتم تركيب المكونات الإلكترونية عليها وتوصيلها باستخدام مسارات موصلة، وعادةً ما تكون مصنوعة من آثار نحاسية محفورة على اللوحة.

يُحدث مصدر الطاقة المصغر ثورة في حصاد الطاقة لأجهزة إنترنت الأشياء. في عصر التقنيات اللاسلكية والأجهزة الإلكترونية الذكية، أصبح الطلب على مصادر الطاقة النظيفة والمستدامة أعلى من أي وقت مضى. أحد أهم التطورات الواعدة في هذا المجال يأتي من عالم تكنولوجيا النانو، وتحديدًا ابتكار المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية (TENGs). كشفت دراسة حديثة عن تطور رائد في هذا المجال، حيث قدمت مصدر طاقة مصغر (MPS) يعتمد على TENG واسع التردد الموجه بالاهتزاز. لا يعد هذا الابتكار بحصاد فعال للطاقة فحسب، بل يلبي أيضًا الحاجة الماسة لمصادر طاقة مدمجة ومتكيفة مع المساحة في أجهزة إنترنت الأشياء وأجهزة الاستشعار الصغيرة.

ثورة في حصاد الطاقة

تمتلك طاقة الاهتزاز، المنتشرة في كل مكان في بيئتنا، إمكانات هائلة لتشغيل أجهزة وأجهزة استشعار إنترنت الأشياء. تستفيد TENGs من مصدر الطاقة هذا عن طريق تحويل الاهتزازات الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال الكهرباء الاحتكاكية والحث الكهروستاتيكي. ومع ذلك، فقد تم إعاقة أجهزة TENG التقليدية بسبب حجمها الضخم، مما يحد من قابليتها للتطبيق العملي، خاصة في المساحات الضيقة.

يعالج MPS المطور حديثًا هذا القيد بشكل مباشر. بأبعاد 38 مم × 26 مم × 20 مم فقط، فإنه يوفر حلاً مدمجًا مناسبًا لمجموعة واسعة من البيئات محدودة المساحة. من خلال التحسين الدقيق والنمذجة النظرية، يوضح TENG داخل MPS كفاءة ملحوظة في حصاد طاقة الاهتزاز عبر طيف ترددي واسع يتراوح من 1 إلى 100 هرتز.

التصميم ومبدأ العمل

يشتمل MPS على إطار يضم TENG ووحدة إدارة الطاقة (PMM). تعمل وحدة TENG، المدعومة بالزنبركات، على مبدأ فصل الاتصال، حيث يعمل فيلم بروبيلين الإيثيلين المفلور (FEP) كطبقة ثلاثية سلبية وفيلم الألومنيوم (Al) كقطب كهربائي. تعمل الكتلة الكبيرة على تسهيل جمع الطاقة، في حين تعمل لوحة PCB مع PMM على زيادة استخدام المساحة إلى الحد الأقصى.

يتضمن مبدأ عمل TENG أربع مراحل: الاتصال، والانفصال، وذروة فرق الجهد، والعودة. تحفز الاهتزازات الخارجية الاتصال بين أفلام FEP وAl، مما يخلق فرقًا محتملاً يدفع تدفق الإلكترونات ويولد الكهرباء. يؤكد تحليل العناصر المحدودة التوزيع المحتمل بين الطبقات الكهربائية الاحتكاكية، مما يؤكد صحة وظائف الجهاز.

التطبيقات والآفاق المستقبلية

يوضح MPS فائدته العملية من خلال تشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية بنجاح، بما في ذلك مصابيح LED والساعات وأجهزة ضبط الوقت. إن حجمه الصغير، إلى جانب كثافة طاقة الإخراج العالية (134.11 واط / سم 3)، يضعه في موضع تغيير قواعد اللعبة في مجال حصاد الطاقة لتطبيقات إنترنت الأشياء وأجهزة الاستشعار.

على الرغم من التقدم الذي حققته، تواجه MPS تحديات مثل تعزيز كفاءة تحويل الطاقة وتحسين القدرة على التكيف البيئي. ومع ذلك، فإن تطويرها الناجح يمهد الطريق للتطبيقات في الأجهزة القابلة للارتداء، والمدن الذكية، وأنظمة المراقبة البيئية.

مع استمرار تطور الأبحاث في مجال حصاد الطاقة وتكنولوجيا النانو، تحمل تقنية MPS وعدًا هائلاً في قيادة الموجة التالية من الابتكار، مما يبشر بمستقبل حيث يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة النظيفة والمستدامة حتى في الأماكن الأكثر تقييدًا.