ทุกอย่างดูเรียบง่าย แต่ในแวบแรกก็ดูสมเหตุสมผลอย่างยิ่ง เราอาศัยอยู่ในโลกที่เต็มไปด้วยสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ว่าจะเป็นวิทยุ โทรทัศน์ Wi-Fi และสัญญาณโทรศัพท์มือถือ เป็นต้น ด้วยการถือกำเนิดของอุปกรณ์พกพา อุปกรณ์สวมใส่ และอินเทอร์เน็ตในทุกสิ่ง (IoT) หนึ่งในแรงผลักดันหลักของการวิจัยและพัฒนาด้านอิเล็กทรอนิกส์คือการพัฒนาแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานน้อยมาก

ทำไมไม่ติดตั้งเสาอากาศขนาดเล็กเพื่อรวบรวมคลื่นความถี่วิทยุ (RF) บางส่วนและแก้ไขมันล่ะ? การหาพลังงานประมาณหนึ่งไมโครวัตต์มาใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่หรือซูเปอร์คาปาซิเตอร์อย่างช้าๆ นั้นเป็นเรื่องง่ายมาก แค่นี้ก็เพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ IoT ที่ต้องเปิดเครื่องเป็นครั้งคราว ส่งข้อมูล แล้วก็เข้าสู่โหมดสลีป เมื่ออุปกรณ์ IoT ของเราเปิดเครื่องอีกครั้ง การรวบรวมคลื่นความถี่วิทยุก็จะกลับมาทำงานอีกครั้ง และพลังงานที่เก็บไว้จำนวนมากจะรอการปลุกครั้งต่อไป

อย่างน้อยนั่นก็เป็นทฤษฎี และมันก็ฟังดูดีทีเดียว เพราะสถานีโทรทัศน์ปล่อยคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ออกมาในปริมาณมหาศาล มีเพียงส่วนเล็กน้อยเท่านั้นที่กระจายไปยังชั้นตรวจจับของเครื่องรับโทรทัศน์ทุกเครื่องที่จูนสัญญาณไว้ ส่วนที่เหลือก็ยังคงอยู่ที่นั่น รอการเก็บเกี่ยว

เทคนิคการรวบรวม RF

การเก็บพลังงาน RF เริ่มต้นด้วยเสาอากาศ เสาอากาศหนึ่งๆ สามารถเก็บพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพจากย่านความถี่ที่แคบเท่านั้น จุดเริ่มต้นที่ดีคือโทรทัศน์ UHF และ VHF แม้ที่ความถี่ 500 MHz ไดโพลก็มีความยาวเพียง 0.3 เมตร ซึ่งถือเป็นสัญญาณเตือนภัย เนื่องจากต้องใช้พื้นที่ค่อนข้างกว้างในการเก็บพลังงานปริมาณน้อย นอกจากนี้ เสาอากาศต้องวางในทิศทางเชิงพื้นที่เฉพาะเมื่อเทียบกับเสาอากาศส่งสัญญาณของผู้แพร่ภาพกระจายเสียง และข้อกำหนดทั้งสองข้อนี้ทำให้ไม่เหมาะกับการใช้งานกับอุปกรณ์สวมใส่

เสาอากาศรับสัญญาณของเครื่องรับมีค่าอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม ซึ่งต้องตรงกับอิมพีแดนซ์อินพุตของอุปกรณ์อื่นๆ แรงดันไฟฟ้าที่เสาอากาศรับได้จะต้องเพิ่มขึ้นอย่างน้อยหนึ่งโวลต์เพื่อให้สามารถแปลงเป็นกระแสตรงได้ ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าปั๊มชาร์จ ซึ่งจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้า แต่แน่นอนว่าไม่สามารถเพิ่มกำลัง RF รวมได้

การวิจัยการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF

ชุดการทดลองที่น่าสนใจนี้มุ่งเน้นไปที่การเก็บเกี่ยวพลังงาน RF ที่สร้างโดยสถานีโทรทัศน์แห่งหนึ่งในโตเกียว ประเทศญี่ปุ่น ที่ระยะทาง 6.5 กิโลเมตร แผนภาพบล็อกของโครงการเป็นดังนี้

โครงการนี้ดำเนินการที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย โดยร่วมมือกับนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโตเกียว ในการใช้งานนี้ ปั๊มประจุที่กล่าวถึงข้างต้นจะถูกรวมเข้ากับบล็อก RF-DC

ผลลัพธ์สำคัญของโครงการสรุปไว้ในแผนภาพต่อไปนี้ บล็อกสีเขียวแสดงปริมาณพลังงาน (หน่วยเป็นไมโครวัตต์) ที่เสาอากาศได้รับที่ระยะห่าง 6.5 กิโลเมตรจากลักษณะการแผ่รังสี UHF ของการแพร่ภาพโทรทัศน์ของญี่ปุ่น แถบสีน้ำเงินและสีแดงแสดงพลังงานที่ต้องใช้ในการชาร์จซูเปอร์คาปาซิเตอร์ตามที่ระบุไว้ในแผนภาพบล็อกเป็น 1.8 โวลต์ และ 3.0 โวลต์ ตามลำดับ

ข้อจำกัดของการเก็บพลังงาน RF

ผู้สนับสนุนการเก็บพลังงาน RF ระยะไกลสำหรับอุปกรณ์ IoT แย้งว่าวิธีการนี้จะเป็นประโยชน์สำหรับการจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์ระยะไกลในเขตเมือง อย่างไรก็ตาม ดังที่เราได้เห็น จำเป็นต้องใช้เสาอากาศที่ค่อนข้างยาวและจะต้องวางตำแหน่งให้ชิดกับโทรทัศน์หรือแหล่งพลังงานอื่นๆ และหากแหล่งพลังงานมีการเปลี่ยนแปลง อุปกรณ์ IoT ที่เกี่ยวข้องทั้งหมดจะต้องถูกจัดวางตำแหน่งใหม่ สิ่งนี้ขัดกับวัตถุประสงค์ทั้งหมดของการนำการเก็บพลังงานสำหรับ IoT มาใช้ ซึ่งก็คือการหลีกเลี่ยงการเข้าถึงอุปกรณ์ที่กำลังรับพลังงานทางกายภาพ ข้อกำหนดของเสาอากาศเพียงอย่างเดียวทำให้การเก็บพลังงานระยะไกลสำหรับอุปกรณ์สวมใส่เป็นไปไม่ได้

เนื่องจากความถี่ในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์สูงกว่าปริมาณคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ที่ได้รับอนุญาตในพื้นที่อยู่อาศัยทั่วไปในประเทศพัฒนาแล้ว จึงยากที่จะหาเหตุผลมาสนับสนุนการใช้งาน นอกจากนี้ สถานการณ์ยังไม่น่าจะเปลี่ยนแปลง เนื่องจากปริมาณพลังงาน RF ที่สามารถปล่อยออกมาในพื้นที่สาธารณะมีขีดจำกัด ข้อจำกัดเหล่านี้น่าจะแคบลง เนื่องจากกำลังมีการพิจารณาอย่างรอบคอบเกี่ยวกับความเสี่ยงต่อสุขภาพของมนุษย์

โซลูชันการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF

ทิศทาง RF สำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน

มีบางกรณีที่เซ็นเซอร์ถูกติดตั้งในพื้นที่ที่เข้าถึงได้ยาก หรือในพื้นที่ที่อาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์ ในกรณีเหล่านี้ มีการพัฒนาวิธีการที่เซ็นเซอร์ใช้พลังงานจากแหล่งพลังงานที่เจาะจงไปยังเซ็นเซอร์ ไม่ใช่จากการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบสุ่ม แทนที่จะพึ่งพาเสาอากาศที่ซับซ้อน หรือการมีอยู่หรือไม่มีสัญญาณโทรทัศน์ ช่างเทคนิคสามารถฉายสัญญาณ RF ไปยังอุปกรณ์จากระยะที่ปลอดภัยได้

RFID - การระบุความถี่วิทยุ

การระบุด้วยคลื่นความถี่วิทยุ หรือ RFID ใช้คลื่นวิทยุเพื่อระบุวัตถุที่ถูกแท็ก เครื่องอ่านแท็กจะฝังแท็กไว้ในสัญญาณ RF ซึ่งมีวัตถุประสงค์สองประการ ประการแรก แท็ก ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก จะ “รวบรวม” พลังงาน RF ที่ปล่อยออกมา ซึ่งนำไปใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับตัวเอง จากนั้น แท็กซึ่งประกอบด้วยข้อมูลการระบุดิจิทัลที่เก็บไว้ จะส่งข้อมูลนั้นกลับไปยังเครื่องอ่าน

ตอนนี้ผู้อ่านสามารถระบุตัวตนของสินค้าที่สแกนได้แล้ว แท็กอาจมีขนาดเล็กกว่าแท็กบาร์โค้ดแบบมองเห็นได้ นอกจากนี้ พนักงานยังสามารถระบุตัวตนได้จากระยะไกล ซึ่งวิธีนี้สามารถปรับให้เข้ากับระบบอัตโนมัติได้อย่างง่ายดาย

ความเหมาะสมในการใช้งานของพลังงาน RF

ดังนั้น เว้นแต่ว่าคุณกำลังออกแบบระบบ IoT หรืออุปกรณ์สวมใส่ให้ทำงานในอาคารเดียวกับเครื่องส่งสัญญาณโทรทัศน์ หลักฐานก็ชัดเจนว่านี่คงเป็นเพียงความฝันลมๆ แล้งๆ และท้ายที่สุดก็ไม่สามารถนำไปใช้ได้จริง ในทางกลับกัน มีบางกรณีที่การเก็บเกี่ยวพลังงาน RF จากคลื่นวิทยุแบบกำหนดทิศทางเฉพาะอาจเป็นไปได้ในทางปฏิบัติอย่างยิ่ง