حصاد الطاقة والتحكم في المحركات

ستتناول هذه المقالة موضوعين واسعي الانتشار بشكل متزايد، وقد يبدوا معزولين، ولكنهما يشتركان في الحاجة إلى تعظيم استخدام الطاقة، مما يجعل الأنظمة فعالة قدر الإمكان. وتعني الكفاءة تقليل فقدان الطاقة إلى الحد الأدنى، وبناء أجهزة أخف وزنا وأصغر حجما، واستخدام تكنولوجيا أكثر برودة أو انخفاضا في درجة الحرارة، وخفض تكاليف الإدارة، وقبل كل شيء، بيئة أقل تلوثا.

حصاد الطاقة

شعار المستقبل هو تحقيق أقصى قدر من الكفاءة، ومصادر الطاقة البديلة تثبت ذلك. تتقدم التكنولوجيا الحديثة باستمرار، حيث تجد طرقًا متطورة بشكل متزايد لجمع واستعادة الطاقة التي قد يتم إهدارها. يعد جمع الطاقة وإنتاجها، والأهم من ذلك، تخزينها والحفاظ عليها، مراحل أساسية في جميع قطاعات الطاقة والإلكترونيات غير المتعلقة بالطاقة.

يشير حصاد الطاقة إلى عملية استعادة الطاقة من أي عمل أو حدث، حتى من مصادر يفترض أنها غير مثمرة أو لا تذكر. ورغم أن هذه الطاقة ضئيلة في بعض الأحيان، إلا أنها تبشر بآفاق مثيرة للاهتمام للغاية، مما يسمح لنا بتشغيل مليارات الأجهزة الإلكترونية الصغيرة، التي أصبحت الآن جزءًا لا يتجزأ من الحياة اليومية. باختصار، باستخدام أجهزة معينة، من الممكن منع تشتت الطاقة عن طريق تخزينها، حتى بكميات صغيرة جدًا، لتشغيل العديد من الأجهزة التكنولوجية.

وفي ظل هذه الرؤية المتوسطة والطويلة المدى، لا غنى عن نظام تخزين الطاقة المستقل لضمان حسن سير الأجهزة، خاصة في البيئات الصعبة. حصاد الطاقة هو عملية يتم من خلالها التقاط الطاقة القادمة من مصادر بديلة (والتي كانت ستنتشر في البيئة وتُهدر) ليتم تخزينها أو استخدامها على الفور. ويمكن العثور على هذه الطاقة في البيئة المحيطة على شكل ضوء، وأصوات، واهتزازات، ودرجات حرارة، وضغوط، وغيرها.

يشكل جمع الطاقة والتقاطها مباشرة من البيئة فرصة مبتكرة ومهمة لتوفير الطاقة بشكل حقيقي، مما يلغي الطلب على البطاريات وبالتالي حماية البيئة بشكل أكبر. إن احتمالات خلق فرق محتمل من أي نوع من العمل عديدة. يمكن أن يؤدي الدوس أو فرك الأرضيات باستخدام بلورات كهرضغطية خاصة إلى توليد جهد كهربائي، حيث إن التشوه الميكانيكي الصغير يكفي لإنتاج الطاقة. تم استخدامها لتحويل الطاقة الميكانيكية التي يولدها الإنسان إلى طاقة كهربائية. وهذا قطاع يتطور باستمرار، ومن المتوقع أن تصبح التكنولوجيا أكثر كفاءة في السنوات القادمة.

تتضمن التطبيقات الكهرضغطية أيضًا توليد إمكانات كهربائية محدودة من الاهتزازات الميكانيكية للمحركات أو العجلات أو غيرها من الأصوات منخفضة التردد. السمة المشتركة لجميع مولدات الحصاد هي صغر حجمها مما يجعلها مناسبة لتجميع الطاقة في الملابس أو في الأجهزة المنفذة على أجسام الإنسان. هذا الجهاز قادر على تشغيل أو إعادة شحن الأجهزة الإلكترونية الصغيرة مثل الهواتف المحمولة أو المصابيح الكهربائية أو نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو الأجهزة الطبية المستخدمة لمراقبة المعلمات الطبية الحيوية. يمكن لبعض أجهزة تجميع الطاقة الملحقة بالأطراف توليد جهد كهربائي أثناء المشي أو القفز أو ركوب الدراجات. بالإضافة إلى المولدات الكهرضغطية، فإن الطريقة الأكثر استخدامًا والمعروفة لجمع الطاقة تتضمن استخدام ضوء الشمس.

يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء عن طريق الخلايا الكهروضوئية، على الرغم من أن كفاءتها في الوقت الحاضر تعتبر مقبولة بالكاد مقارنة بالمنهجيات الأخرى. يعد حصاد الطاقة من مصادر الترددات الراديوية أيضًا طريقة لإنشاء عمليات نقل الطاقة بالقرب من إشارة لاسلكية (انظر جهاز الاستقبال في الشكل 1). بدأ الحصاد الحراري أيضًا في الانتشار واكتساب الاهتمام في السوق. أنها تنطوي على تحويل الفرق الحراري بين سطحين إلى طاقة كهربائية.

أجهزة حصاد الطاقة

الطاقة التي تجمعها أجهزة الحصاد محدودة للغاية ونادرًا ما تكون مفيدة في الوقت الفعلي. كما أن الطبيعة غير المستمرة وغير المتسقة لأحداث إنتاج الطاقة تجعل من توفير الطاقة المباشرة للحمل الخفيف أمرًا صعبًا. ومع ذلك، تركز العديد من التطبيقات على جمع الطاقة وتخزينها في “حاويات” خاصة، تتكون عادةً من بطاريات صغيرة قابلة لإعادة الشحن، أو يفضل مكثفات أو مكثفات فائقة القدرة. من المؤكد أن المكثفات الإلكتروليتية المستقطبة يمكن أن تكون مفيدة جدًا في هذا السياق، لأنها تتمتع بجميع الخصائص اللازمة لتقليل استهلاك الطاقة وتعزيز الاستدامة البيئية.

لاستعادة الطاقة، من الضروري استخدام أجهزة صغيرة ذات سعات تخزينية عالية، وتقوم المكثفات بهذه المهمة بشكل أكثر من كاف. يجب أن تحتوي مكونات التخزين على تيارات تسرب منخفضة للغاية حيث أن الأجهزة المراد تشغيلها تبدد بضعة ملي واط من الطاقة. في الوقت الحاضر، يُظهر حصاد الطاقة من الحركات البشرية وعدًا كبيرًا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء. هناك أنظمة تجميع الطاقة الكهرضغطية التي يمكنها إنتاج الكهرباء من حركات الجسم، على سبيل المثال أثناء المشي أو الجري (انظر الشكل 2).

يوضح الرسم البياني الجهد الناتج عن المولد الكهرضغطي مع كل خطوة، والذي يتم بعد ذلك تصحيحه وإرساله إلى مكثف لتجميعه التدريجي. ربما تكون الأحذية هي الخيار الأمثل لتجميع الطاقة، حيث تحتوي على دوائر صغيرة لجمع وتجميع الطاقة لشحن الأجهزة الإلكترونية أثناء المشي. هذه الطريقة بسيطة وفعالة نسبيًا. ومن بين الحلول المتنوعة، يعتبر استخدام المواد الكهرضغطية من أفضل الحلول، حيث أنها تولد شحنات كهربائية أثناء تشوهها، خاصة عند تعرضها للضغط.

التحكم في المحركات

تعمل التقنيات الناشئة على تحسين كفاءة وموثوقية المحركات بشكل كبير. واحدة من أكثر المجالات الواعدة تتعلق باستخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (SiC) من كربيد السيليكون، وخاصة تنظيم السرعة. تعمل وحدات SiC MOSFETs على إحداث ثورة في التحكم في سرعة المحرك الكهربائي، لأنها تتيح أداءً أفضل، وتقليل فقد الطاقة، وزيادة موثوقية النظام بأكمله. بعض الشركات، على سبيل المثال، أنتجت دوائر MOSFET خاصة تعتمد على كربيد السيليكون المُحسّن للتبريد الفعال في تطبيقات المحركات الحيوية.

يعد المحرك الذي يتم التحكم فيه بالتردد تقنية حديثة إلى حد ما؛ يستخدم الآن على نطاق واسع في مختلف المجالات، وهو يفتح إمكانية توفير كميات هائلة من الطاقة، وهي واحدة من أهم أولوياتها. بالإضافة إلى معلمة RDS(on) الحيوية، تتميز الأجهزة الجديدة بأوقات مقاومة قصيرة للدوائر القصيرة بشكل ملحوظ، في حدود بضع ميكروثانية، بالإضافة إلى سرعات تحويل عالية للغاية. تؤدي كل هذه الميزات إلى خسائر تحويل منخفضة للغاية (حتى بالمقارنة مع IGBTs)، مع إمكانات إيقاف التشغيل بجهد صفر فولت والتي تعمل على تبسيط دوائر قيادة المحرك إلى حد كبير.

إن تنفيذ بعض أنواع SiC MOSFETs لا يضمن فقط كثافة طاقة أعلى بكثير مقارنة بالحلول التقليدية، بل يسمح أيضًا بإدارة التيارات ذات الكثافة الكبيرة دون الحاجة إلى أنظمة تبريد نشطة مثل المراوح، مما يساعد على تقليل الضوضاء والنظام بشكل عام الحجم مع تحسين الموثوقية بمرور الوقت. تعتبر هذه الخصائص مفيدة بشكل خاص في التطبيقات محدودة المساحة والمتطلبة، مثل محولات الطاقة لصناعات السيارات أو الطيران، حيث تعد كفاءة الطاقة والتصميم المدمج من المتطلبات الأساسية.

إحدى أبسط الطرق لتشغيل محرك التيار المستمر هي استخدام “جسر H” مدفوع بنبضات PWM (انظر الشكل 3). تتضمن هذه الطريقة تفعيل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بتردد ثابت وبدورة تشغيل متغيرة، لتتمكن من تنويع متوسط ​​الجهد عبر المحرك، وبالتالي التحكم في سرعته. في هذا التكوين، يمكن تبديل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بتسلسلات مختلفة لتوفير قطبية الجهد المطلوبة للمحرك، ويمكن استخدام الجسر في الوضعين ثنائي القطب وأحادي القطب.

يسمح الوضع ثنائي القطب للمستخدمين بتشغيل اثنين من دوائر MOSFET في وقت واحد، وتحديد اتجاه التيار عن طريق تنشيط أحد زوجين من المفاتيح الإلكترونية، مع متوسط ​​القيمة اعتمادًا على دورة عمل المذبذب. لمنع التوصيل المتقاطع لدوائر MOSFET، والذي من شأنه أن يؤدي إلى قصر دائرة مصدر الطاقة، يجب توفير وقت تأخير بين إيقاف تشغيل زوج من الأجهزة وتشغيل الآخر. يتسبب المجال المغناطيسي للمحرك في تدفق جزء صغير من التيار على الثنائيات الموجودة في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة، حتى عند إيقاف تشغيل جميع الأجهزة. في التكوين أحادي القطب الأبسط بكثير، يتم الاحتفاظ بواحد MOSFET على الجانب الأيمن، ثم يتم تشغيل الآخر على الجانب الأيسر.

خاتمة

يعد حصاد الطاقة ركيزة أساسية في تطور تشغيل الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة، مما يمهد الطريق لمستقبل تكنولوجي مستدام بأقل تأثير على البيئة. وفي الوقت نفسه، يؤدي استخدام دوائر SiC MOSFETs في التحكم في المحركات إلى إحداث ثورة في قطاع الطاقة، مما يضمن أداءً فائقًا وكفاءة أكبر في استخدام الطاقة. وتمثل هذه الابتكارات التكنولوجية، إلى جانب السعي المستمر لإيجاد حلول فعالة بشكل متزايد، خطوة مهمة نحو مستقبل تتعايش فيه الطاقة النظيفة والتكنولوجيا المتقدمة في وئام، مما يعود بالنفع على البيئة والمجتمع.

التدوينة حصاد الطاقة والتحكم في المحركات ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.