A Voltage Limiter Circuit for Indoor Light Energy Harvesting Applications

A voltage limiter circuit for indoor light energy harvesting applications is presented. This circuit is a part of a bigger system, whose function is to harvest indoor light energy, process it and store it, so that it can be used at a later time. This processing consists on maximum power point tracking (MPPT) and stepping-up, of the voltage from the photovoltaic (PV) harvester cell. The circuit here described, ensures that even under strong illumination, the generated voltage will not exceed the limit allowed by the technology, avoiding the degradation, or destruction, of the integrated die. A prototype of the limiter circuit was designed in a 130 nm CMOS technology. The layout of the circuit has a total area of 23414 mu m(2). Simulation results, using Spectre, are presented.

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

This book discusses in detail the CMOS implementation of energy harvesting. The authors describe an integrated, indoor light energy harvesting system, based on a controller circuit that dynamically and automatically adjusts its operation to meet the actual light circumstances of the environment where the system is placed. The system is intended to power a sensor node, enabling an autonomous wireless sensor network (WSN). Although designed to cope with indoor light levels, the system is also able to work with higher levels, making it an all-round light energy harvesting system. The discussion includes experimental data obtained from an integrated manufactured prototype, which in conjunction with a photovoltaic (PV) cell, serves as a proof of concept of the desired energy harvesting system. �� 2016 Springer International Publishing. All rights are reserved.

Energy Harvesting for Autonomous Underwater Vehicles

In this study, energy production for autonomous underwater vehicles is investigated. This project is part of a bigger project called TURTLE. The autonomous vehicles perform oceanic researches at seabed for which they are intended to be kept operational underwater for several months. In order to ful l a long-term underwater condition, powerful batteries are combined with \micro- scale" energy production on the spot. This work tends to develop a system that generates power up to a maximum of 30 W. Latter energy harvesting structure consists basically of a turbine combined with a generator and low-power electronics to adjust the achieved voltage to a required battery charger voltage. Every component is examined separately hence an optimum can be de ned for all, and subsequently also an overall optimum. Di erent design parameters as e.g. number of blades, solidity ratio and cross-section area are compared for di erent turbines, in order to see what is the most feasible type. Further, a generator is chosen by studying how ux distributions might be adjusted to low velocities, and how cogging torque can be excluded by adapted designs. Low-power electronics are con gured in order to convert and stabilize heavily varying three-phase voltages to a constant, recti ed voltage which is usable for battery storage. Clearly, di erent component parameters as maximum power and torque are matched here to increase the overall power generation. Furthermore an overall maximum power is set up for achieving a maximum power ow at load side. Due to among others typical low velocities of about 0.1 to 0.5 m/s, and constructing limits of the prototype, the vast range of components is restricted to only a few that could be used. Hence, a helical turbine is combined in a direct drive mode to a coreless-stator axial- ux permanent-magnet generator, from which the output voltage is adjusted subsequently by a recti er, impedance matching unit, upconverter circuit and an overall control unit to regulate di erent component parameters. All these electronics are combined in a closed-loop design to involve positive feedback signals. Furthermore a theoretical con guration for the TURTLE vehicle is described in this work and a solution is proposed that might be implemented, for which several design tests are performable in a future study.

CMOS indoor light energy harvesting system for wireless sensing applications

Disserta����o para obten����o do Grau de Doutor em Engenharia Electrot��cnica e de Computadores

Main maximum power point tracking strategies intended for photovoltaics

This paper presents evaluations among the most usual MPPT techniques, doing meaningful comparisons with respect to the amount of energy extracted from the photovoltaic panel (PV) (Tracking Factor - TF) in relation to the available power, PV voltage ripple, dynamic response and use of sensors. Using MatLab/Simulink�� and DSpace platforms, a digitally controlled boost DC-DC converter was implemented and connected to an Agilent Solar Array E4350B simulator in order to verify the analytical procedures. The main experimental results are presented and a contribution in the implementation of the IC algorithm is performed and called IC based on PI. Moreover, the dynamic response and the tracking factor are also evaluated using a Friendly User Interface, which is capable of online program power curves and compute the TF. Finally, a typical daily insulation is used in order to verify the experimental results for the main PV MPPT methods. �� 2011 IEEE.

Six-element circuit for maximum power point tracking in photovoltaic-motor systems with variable-frequency drives

A low-cost circuit was developed for stable and efficient maximum power point (MPP) tracking in autonomous photo voltaic-motor systems with variable-frequency drives (VFDs). The circuit is made of two resistors, two capacitors, and two Zener diodes. Its input is the photovoltaic (PV) array voltage and its output feeds the proportional-integral-derivative (PID) controller usually integrated into, the drive. The steady-state frequency-voltage oscillations induced by the circuit were treated in a simplified mathematical model, which was validated by widely characterizing a PV-powered centrifugal pump. General procedures for circuit and controller tuning were recommended based on model equations. The tracking circuit presented here is widely applicable to PV-motor system with VFDs, offering an. efficient open-access technology of unique simplicity. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Studio e analisi di circuiti di energy harvesting a switch sincronizzato per trasduttori piezoelettrici

In questa tesi sono stati simulati i modelli circuitali relativi alle tecniche di estrazione SECE, Q-SECE e SSHI. Sono state graficate e analizzate le caratteristiche di trasferimento di potenza. Tramite simulazioni LTspice, �� stata calcolata l'energia estratta con tecnica SECE e Q-SECE ed �� stato ricavato un miglioramento delle prestazioni di energia di +30% con la tecnica Q-SECE. Un'analisi simile �� stata fatta per il calcolo dell'energia in uscita anche per il modello SSHI-parallel.

Analisi e progetto di un convertitore ZETA per la correzione del fattore di potenza

Questa tesi ha studiato a fondo le modalit�� di funzionamento del convertitore ZETA. Si �� visto che la presenza dei due magnetici determina una condizione di funzionamento non convenzionale (lo stesso accade nel SEPIC) poco studiata in letteratura. Questa condizione, corrispondente al modo discontinuo nei pi�� elementari convertitori, in cui la corrente si annulla sia nel transistor che nel diodo, d�� invece luogo ad un ricircolo di corrente pressoch�� costante in una maglia che comprende entrambe le induttanze. Questa corrente testimonia un intrappolamento di energia magnetica con relativa perdita per dissipazione che presumibilmente degrada l���efficienza del convertitore. Questo �� potuto avvenire perch�� non vi �� nulla che impedisca il flusso di una corrente negativa sui singoli induttori quando la somma algebrica dei due risulti comunque positiva o nulla (diodo in conduzione). Questo problema si pu�� riscontrare sia nel funzionamento in continua (sempre almeno uno fra transistor e diodo in conduzione) che in discontinua (con un intervallo di tempo in cui non conducono nessuno dei due). Per ovviare a questo problema le soluzioni proposte in questa tesi sono quelle di aggiungere un ulteriore diodo rettificatore in serie agli avvolgimenti e/o di gestire il rapporto di induttanze dei due avvolgimenti in modo che nella condizione nominale di funzionamento raggiungano contemporaneamente la condizione di inversione della corrente. Queste possibilit�� sono state esplorate con successo nell���utilizzo del convertitore ZETA per applicazioni di correzione del fattore di potenza PFC in cui si �� proposto un insieme di equazioni di dimensionamento che portano al progetto del convertitore al fine di ottenere le forme d���onda desiderate.

Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni

Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni. Il circuito �� in grado di avviarsi, autosostenersi e alimentare un piccolo carico.

Controllo ultra-low power di un modulatore back-scattering per applicazioni di localizzazione in sistemi RFID

In questa tesi viene elaborata un'applicazione ultra-low power (ULP) basata su microcontrollore, per implementare la procedura di controllo di diversi circuiti di un tag RFID. Il tag preso in considerazione �� pensato per lavorare in assenza di batteria, da cui la necessita' di ridurre i consumi di potenza. La sua attivazione deve essere inoltre comandata attraverso un'architettura Wake up Radio (WuR), in cui un segnale di controllo radio indirizza e attiva il circuito. Nello specifico, la rete di decodifica dell'indirizzo �� stata realizzata mediante il modulo di comunicazione seriale del microcontrollore. Nel Capitolo 1 verr�� introdotto il tema dell'Energy Harvesting. Nel Capitolo 2 verr�� illustrata l'architettura del sistema nel suo complesso. Nel Capitolo 3 verr�� spiegato dettagliatamente il funzionamento del microcontrollore scelto. Il Capitolo 4 sar�� dedicato al firmware implementato per svolgere le operazioni fondamentali imputate al micro per i compiti di controllo. Verr�� inoltre introdotto il codice VHDL sviluppato per emulare l'output del modulo WuR mediante un FPGA della famiglia Cyclone II. Nel Capitolo 5 verr�� presentata una stima dei consumi del microcontrollore in funzione dei parametri di configurazione del sistema. Verr�� inoltre effettuato un confronto con un altro microcontrollore che in alcune condizioni potrebbe rappresentare iun'alternativa valida di progetto. Nei Capitoli 6 e 7 saranno descritti possibili sviluppi futuri e conclusioni del progetto. Le specifiche di progetto rilevanti della tesi sono: 1. minimo consumo energetico possibile del microcontrollore ULP 2. elevata rapidit�� di risposta per la ricezione dei tag, per garantire la ricezione di un numero maggiore possibile di indirizzi (almeno 20 letture al secondo), in un range di tempo limitato 3. generazione di un segnale PWM a 100KHz di frequenza di commutazione con duty cycle 50% su cui basare una modulazione in back-scattering.

Wireless Networks with Energy Harvesting and Power Transfer: Joint Power and Time Allocation

In this letter, we consider wireless powered communication networks which could operate perpetually, as the base station (BS) broadcasts energy to the multiple energy harvesting (EH) information transmitters. These employ ���harvest then transmit��� mechanism, as they spend all of their energy harvested during the previous BS energy broadcast to transmit the information towards the BS. Assuming time division multiple access (TDMA), we propose a novel transmission scheme for jointly optimal allocation of the BS broadcasting power and time sharing among the wireless nodes, which maximizes the overall network throughput, under the constraint of average transmit power and maximum transmit power at the BS. The proposed scheme significantly outperforms ���state of the art��� schemes that employ only the optimal time allocation. If a single EH transmitter is considered, we generalize the optimal solutions for the case of fixed circuit power consumption, which refers to a much more practical scenario.

Locating the maximum power point for thermoelectric generators for constant heat operation

Thermoelectric generators (TEGs) are solid-state devices that can be used for the direct conversion between heat and electricity. These devices are an attractive option for generating clean energy from heat. There are two modes of operation for TEGs; constant heat and constant temperature. It is a well-known fact that for constant temperature operation, TEGs have a maximum power point lying at half the open circuit voltage of the TEG, for a particular temperature. This work aimed to investigate the position of the maximum power point for Bismuth Telluride TEGs working under constant heat conditions i.e. the heat supply to the TEG is fixed however the temperature across the TEG can vary depending upon its operating conditions. It was found that for constant heat operation, the maximum power point for a TEG is greater than half the open circuit voltage of the TEG.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L���importanza sempre crescente dell���elettronica �� accompagnata da una crescente necessit�� di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici �� legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume �� dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio �� aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l���efficienza non venga penalizzata dall���aumento delle perdite in commutazione. Ci�� �� reso possibile dall���impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all���impiego di convertitori risonanti, l���aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l���efficienza, �� abilitato dall���impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densit�� di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l���utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi �� il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si �� scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). �� stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un���efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.

Start-up circuit for low-power indoor light energy harvesting applications

A start-up circuit, used in a micro-power indoor light energy harvesting system, is described. This start-up circuit achieves two goals: first, to produce a reset signal, power-on-reset (POR), for the energy harvesting system, and secondly, to temporarily shunt the output of the photovoltaic (PV) cells, to the output node of the system, which is connected to a capacitor. This capacitor is charged to a suitable value, so that a voltage step-up converter starts operating, thus increasing the output voltage to a larger value than the one provided by the PV cells. A prototype of the circuit was manufactured in a 130 nm CMOS technology, occupying an area of only 0.019 mm(2). Experimental results demonstrate the correct operation of the circuit, being able to correctly start-up the system, even when having an input as low as 390 mV using, in this case, an estimated energy of only 5.3 pJ to produce the start-up.

Optimization of magnetoelectric composites based on electroactive polymers for energy harvesting and sensor application

Tese de Doutoramento em Engenharia de Materiais.