الحصّاد الهجين للطاقة الكهروضغطية - الكهرومغناطيسية باستخدام عارضة لا خطية على شكل حرف (T) للتطبيقات واسعة النطاق

حول المشروع:

يتناول هذا البحث أداء نظام حصّاد طاقة هجين جديد يجمع بين آليتي التحويل الكهروضغطي والكهرومغناطيسي، مدمجًا بعارضات منحنية ومستقيمة على شكل حرف (T) لجمع طاقة الاهتزاز بشكل فعّال في النطاق العريض. يعتمد هذا النظام المقترح على التكامل بين آليتي التحويل الكهروضغطي والكهرومغناطيسي، مستفيدًا من الخصائص الديناميكية الفريدة للعارضات المنحنية واللاخطية في المجال المغناطيسي بهدف تعزيز كفاءة الحصاد لتحصيل الطاقة ضمن مدى واسع من الترددات.

يتكون النظام الهجين المطوّر من عارضتين منحنيتين على شكل حرف (T) مزوّدتين بثلاث رقائق كهروضغطية، بالإضافة إلى عارضتين مستقيمتين من نوع الكابولي، تحتوي كلٌ منهما على رقاقة واحدة، مع وجود مغناطيس يعمل ككتلة طرفية متغيرة.

وقد أُجريت محاكاة لتحليل توزيع الإجهاد، والسلوك النمطي، والاستجابة التوافقية للعارضات المستقيمة والمنحنية تحت ظروف اهتزاز مختلفة. كما خضع النموذج الأولي للاختبار باستخدام جهاز هزاز ووحدة جمع بيانات (DAQ) لأربع تكوينات مختلفة من الكتل الطرفية المغناطيسية، حيث تم تغيير الكتلة وكثافة المجال الكهرومغناطيسي تدريجيًا.

حقق النظام متوسط جهد كهروضغطي مقداره (27.81) فولت بقدرة خرج متوسطة (0.773) ملي واط وكثافة طاقة (0.0101) واط/م³، بالإضافة إلى (0.014) فولت بقدرة خرج متوسطة (0.736) نانوواط من المحرك الكهرومغناطيسي عند مقاومة خارجية مقدارها (1) ميجا أوم، وذلك عند تهيئة الكتلة الطرفية (M4) ضمن نطاق التردد (1–150) هرتز.

في المقابل، بلغ متوسط الجهد الإجمالي في التكوينات (M1  وM2  وM3) على التوالي (5.38 و9.78 و15.25) فولت. كما تم حساب متوسط الجهد الترددي (FAV) لجميع التكوينات (M1 وM2 وM3 وM4) على التوالي بقيم (6.19 و8.25 و9.94 و11.37) فولت/هرتز.

تكشف النتائج أن حصاد الطاقة الهجين الكهروضغطي-الكهرومغناطيسي يمكنه حصاد الطاقة بفعالية من مصادر اهتزازية ذات نطاق ترددي واسع، مما يجعله حلاً واعدًا لتغذية المستشعرات اللاسلكية، والإلكترونيات القابلة للارتداء، وغيرها من الأجهزة منخفضة القدرة في تطبيقات مثل مراقبة السلامة الإنشائية، والأتمتة الصناعية، والبنية التحتية الذكية.

المجال العلمي أو التقني:

هندسة ميكانيكية، حصّاد طاقة الاهتزاز، تكنولوجيا

الجدول الزمني للمشروع:

من يناير 2025 إلى يونيو 2025

الأهداف الرئيسية للمشروع:

1. اقتراح نموذج رياضي لا خطي مزدوج لنظام حصّاد طاقة هجين، يعمل في الوقت نفسه كبنية قائمة على المواد المركبة Metamaterial. 
2. تطوير نماذج رقمية لحل السلوك اللا خطي لأداء حصاد الطاقة بكفاءة.
3. دراسة معايير التصميم المختلفة التي يمكن تعديلها لتعظيم خصائص جمع الطاقة لتطبيقات حصاد طاقة الاهتزاز مثل (هندسة الجسم المانع، المادة الكهروضغطية، إلخ)، كما يمكن أيضًا دعم دراسات التحسين باستخدام طرق عددية أو حاسوبية.
4. تصنيع وحدة حصاد الطاقة وإجراء دراسة تجريبية على مستوى المختبر لمراقبة خرج الطاقة في سيناريوهات تشغيل مختلفة.

الأثر المتوقع والأهمية:

يُتوقع أن يؤدي النظام الهجين الذي يجمع بين التأثيرين الكهروضغطي والكهرومغناطيسي إلى زيادة في خرج الجهد مقارنة بالحاصدات الكهروضغطية التقليدية. كما أن تطبيق طريقة تحفيز موزعة مكانيًا يوفر منصة مثالية لتطوير الجيل القادم من أنظمة حصاد الطاقة.

ولتحقيق التطبيقات الجديدة للحصّادات الهجينة القائمة على المواد المصنعة، علينا أن نناقش الأسئلة العلمية التالية من خلال أبحاث مبتكرة:

• تطوير طرق محوسبة ونماذج عددية لوصف خصائص حصاد الطاقة الكهروضغطية للمواد المصنعة التي تتكون من متذبذبات دورية محليّة الرنين.
• تصميم العناصر المختلفة للحاصد الهجين الكهروضغطي-الكهرومغناطيسي (PEHM) بشكل أمثل بناءً على أنماط الاهتزاز المتوقعة في الأنابيب والقضبان.
•  إثبات وتأكيد عملي لنظام جديد من المواد المصنعة الكهروضغطية-الكهرومغناطيسية القادر على تشغيل أجهزة استشعار لاسلكية للتطبيقات عن بُعد.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون فوائد قطاع معالجة الغاز في قطر هائلة لتشغيل أجهزة المراقبة في رصد ومراقبة الوضع، وكشف التسربات، واكتشاف الشقوق.

حيث تتعرض أنابيب المعالجة في محطات التكرير للاهتزاز باستمرار نتيجة تدفقات داخلية أو وجود معدات ثقيلة. وتوفر الأجهزة اللاسلكية بيانات حيوية في المواقع التي يصعب الوصول إليها، مما يدعم اتخاذ قرارات الصيانة أو البدء بحملات إصلاح وقائية.

ويتوافق هذا المشروع مع رؤية قطر الوطنية 2030، وتحديدًا مع ركيزة التنمية البيئية، من خلال:

• تطوير مصادر طاقة مستدامة وصديقة للبيئة.
• استبدال استخدام بطاريات الليثيوم-أيون في الحساسات منخفضة الطاقة، مما يساهم في تقليل البصمة الكربونية.

بيانات المشرفين:

• الاسم الكامل: د. أسان ج. أ. موثاليف
• المسمى الوظيفي: بروفيسور
• القسم الأكاديمي: الهندسة الميكانيكية
• الجهة: جامعة قطر
• البريد الإلكتروني: drasan@qu.edu.qa

أعضاء الفريق:

• محمد فرحان، دكتوراه، الهندسة الميكانيكية، كلية الهندسة
• محمد سلطان محمد علي، أستاذ، الهندسة الكهربائية، كلية الهندسة

 المراجع العلمية المنشورة :

• M. Farhan, Asan G.A Muthalif, MSM Ali (2024), “Innovative Approaches to Optimize Vibration Energy Harvesting (VEH): A Comprehensive Review", Energy Reports, V12, Pg 5194-5219, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.11.006
•  M. Farhan, Asan G.A. Muthalif, M.AM. Sultan (2025), 'Broadband Vibration Energy Harvesting Using Curved T-Shaped Beam Piezo-Electromagnetic Hybrid Nonlinear Harvester', 31st Congress on Sound and Vibration, 6-11 July 2025, South Korea (AcInternational cepted)

صورة النموذج