A Step-up mu-Power Converter for Solar Energy Harvesting Applications, using Hill Climbing Maximum Power Point Tracking

This paper presents a step-up micro-power converter for solar energy harvesting applications. The circuit uses a SC voltage tripler architecture, controlled by an MPPT circuit based on the Hill Climbing algorithm. This circuit was designed in a 0.13 mu m CMOS technology in order to work with an a-Si PV cell. The circuit has a local power supply voltage, created using a scaled down SC voltage tripler, controlled by the same MPPT circuit, to make the circuit robust to load and illumination variations. The SC circuits use a combination of PMOS and NMOS transistors to reduce the occupied area. A charge re-use scheme is used to compensate the large parasitic capacitors associated to the MOS transistors. The simulation results show that the circuit can deliver a power of 1266 mu W to the load using 1712 mu W of power from the PV cell, corresponding to an efficiency as high as 73.91%. The simulations also show that the circuit is capable of starting up with only 19% of the maximum illumination level.

Matrix Converter-Based Unified Power-Flow Controllers: Advanced Direct Power Control Method

This paper presents a direct power control (DPC) for three-phase matrix converters operating as unified power flow controllers (UPFCs). Matrix converters (MCs) allow the direct ac/ac power conversion without dc energy storage links; therefore, the MC-based UPFC (MC-UPFC) has reduced volume and cost, reduced capacitor power losses, together with higher reliability. Theoretical principles of direct power control (DPC) based on sliding mode control techniques are established for an MC-UPFC dynamic model including the input filter. As a result, line active and reactive power, together with ac supply reactive power, can be directly controlled by selecting an appropriate matrix converter switching state guaranteeing good steady-state and dynamic responses. Experimental results of DPC controllers for MC-UPFC show decoupled active and reactive power control, zero steady-state tracking error, and fast response times. Compared to an MC-UPFC using active and reactive power linear controllers based on a modified Venturini high-frequency PWM modulator, the experimental results of the advanced DPC-MC guarantee faster responses without overshoot and no steady-state error, presenting no cross-coupling in dynamic and steady-state responses.

Demand response in future power systems management – a conceptual framework and simulation tool

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Adam Smith on power and maritime trade

Copyright © 2014 The Pennsylvania State University, University Park, PA.

Micro-generation Evaluation of the Zero Emissions Technologies in the Portuguese Market

Micro-generation is the small scale production of heat and/or electricity from a low carbon source and can be a powerful driver for carbon reduction, behavior change, security of supply and economic value. The energy conversion technologies can include photovoltaic panels, micro combined heat and power, micro wind, heat pumps, solar thermal systems, fuel cells and micro hydro schemes. In this paper, a small research of the availability of the conversion apparatus and the prices for the micro wind turbines and photovoltaic systems is made and a comparison between these two technologies is performed in terms of the availability of the resource and costs. An analysis of the new legal framework published in Portugal is done to realize if the incentives to individualspsila investment in sustainable and local energy production is worth for their point of view. An economic evaluation for these alternatives, accounting with the governmentpsilas incentives should lead, in most cases, into attractive return rates for the investment. Apart from the attractiveness of the investment there are though other aspects that should be taken into account and those are the benefits that these choices have to us all. The idea is that micro-generation will not only make a significant direct contribution to carbon reduction targets, it will also trigger a multiplier effect in behavior change by engaging hearts and minds, and providing more efficient use of energy by householders. The diversified profile of power generation by micro-generators, both in terms of location and timing, should reduce the impact of intermittency or plant failures with significant gains for security of supply.

A CMOS micro power switched-capacitor DC-DC step-up converter for indoor light energy harvesting applications

This paper presents a micro power light energy harvesting system for indoor environments. Light energy is collected by amorphous silicon photovoltaic (a-Si:H PV) cells, processed by a switched capacitor (SC) voltage doubler circuit with maximum power point tracking (MPPT), and finally stored in a large capacitor. The MPPT fractional open circuit voltage (V-OC) technique is implemented by an asynchronous state machine (ASM) that creates and dynamically adjusts the clock frequency of the step-up SC circuit, matching the input impedance of the SC circuit to the maximum power point condition of the PV cells. The ASM has a separate local power supply to make it robust against load variations. In order to reduce the area occupied by the SC circuit, while maintaining an acceptable efficiency value, the SC circuit uses MOSFET capacitors with a charge sharing scheme for the bottom plate parasitic capacitors. The circuit occupies an area of 0.31 mm(2) in a 130 nm CMOS technology. The system was designed in order to work under realistic indoor light intensities. Experimental results show that the proposed system, using PV cells with an area of 14 cm(2), is capable of starting-up from a 0 V condition, with an irradiance of only 0.32 W/m(2). After starting-up, the system requires an irradiance of only 0.18 W/m(2) (18 mu W/cm(2)) to remain operating. The ASM circuit can operate correctly using a local power supply voltage of 453 mV, dissipating only 0.085 mu W. These values are, to the best of the authors' knowledge, the lowest reported in the literature. The maximum efficiency of the SC converter is 70.3 % for an input power of 48 mu W, which is comparable with reported values from circuits operating at similar power levels.

Design and evaluation of multi-band RF energy harvesting circuits and antennas for WSNs

Radio frequency (RF) energy harvesting is an emerging technology that will enable to drive the next generation of wireless sensor networks (WSNs) without the need of using batteries. In this paper, we present RF energy harvesting circuits specifically developed for GSM bands (900/1800) and a wearable dual-band antenna suitable for possible implementation within clothes for body worn applications. Besides, we address the development and experimental characterization of three different prototypes of a five-stage Dickson voltage multiplier (with match impedance circuit) responsible for harvesting the RF energy. Different printed circuit board (PCB) fabrication techniques to produce the prototypes result in different values of conversion efficiency. Therefore, we conclude that if the PCB fabrication is achieved by means of a rigorous control in the photo-positive method and chemical bath procedure applied to the PCB it allows for attaining better values for the conversion efficiency. All three prototypes (1, 2 and 3) can power supply the IRIS sensor node for RF received powers of -4 dBm, -6 dBm and -5 dBm, and conversion efficiencies of 20, 32 and 26%, respectively. © 2014 IEEE.

Linear and sliding-mode control design for matrix converter-based unified power flow controllers

This paper presents the design and compares the performance of linear, decoupled and direct power controllers (DPC) for three-phase matrix converters operating as unified power flow controllers (UPFC). A simplified steady-state model of the matrix converter-based UPFC fitted with a modified Venturini high-frequency pulse width modulator is first used to design the linear controllers for the transmission line active (P) and reactive (Q) powers. In order to minimize the resulting cross coupling between P and Q power controllers, decoupled linear controllers (DLC) are synthesized using inverse dynamics linearization. DPC are then developed using sliding-mode control techniques, in order to guarantee both robustness and decoupled control. The designed P and Q power controllers are compared using simulations and experimental results. Linear controllers show acceptable steady-state behaviour but still exhibit coupling between P and Q powers in transient operation. DLC are free from cross coupling but are parameter sensitive. Results obtained by DPC show decoupled power control with zero error tracking and faster responses with no overshoot and no steady-state error. All the designed controllers were implemented using the same digital signal processing hardware.

WeSenseNET - Plataforma de Visualização, Gestão Remota e Agregação Múltipla de Dados

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes de electrónica associados a novos conceitos têm permitido nascer novas ideias e projectos, que até há alguns anos não passariam de ficção científica. Talvez o exemplo mais acabado seja actualmente o smartphone, um pequeno bloco de hardware e software, com capacidade de processamento que ultrapassa várias vezes o dos computadores com uma dúzia de anos. Estas capacidades têm sido utilizadas em comunicações, blocos de notas, agendas e até entretenimento. No entanto, podem ser reutilizadas para ajudar a resolver algumas limitações/constrangimentos da actualidade. Dentro destes destacam-se a gestão de recursos escassos. Com efeito, o consumo de energia eléctrica tem aumentado como consequência directa do desenvolvimento global e aumento do número de aparelhos eléctricos. Uma percentagem significativa de energia eléctrica tem sido produzida através de recursos não-renováveis de energia. No entanto, a dependência energética, associada à subida de preços e a redução das emissões de gases do efeito estufa, estimula o desenvolvimento de novas soluções que permitam lidar com esta situação. O desempenho energético por sua vez depende não só das características da estrutura, mas também do comportamento do utilizador. O desempenho energético dos edifícios é muito importante, uma vez que os respectivos consumos são responsáveis por mais de metade do total da energia produzida. Desta forma, a fim de alcançar um melhor desempenho é importante não só considerar o desempenho de estrutura, mas também monitorizar o comportamento do utilizador. Esta última questão coloca várias limitações, uma vez que depende muito do tipo de utilizador. Um dos conceitos actuais emergentes são as chamadas redes de sensores sem fio. Com esta tecnologia, pequenos módulos podem ser desenvolvidos com muitas possibilidades de conectividade, com elevado poder de processamento e com grande autonomia, sem serem excessivamente caros. Isto proporciona os meios para implementar vários dispositivos em toda a instalação, para recolher uma variedade de dados, sendo posteriormente armazenados num servidor. Os blocos fundamentais da infra-estrutura de sensores do projecto foram concebidos na Evoleo Technologies em simultâneo com o decorrer do estágio. Estes blocos recolhem dados específicos na instalação, e periodicamente enviam para o servidor central os valores recolhidos, onde são armazenados e colocados à disposição do utilizador. Os dados recolhidos podem então ser apresentados ao utilizador, proporcionando um registo de consumo de energia associado a um dado período de tempo. Uma vez que todos os dados são armazenados no servidor, podem ser efectuados estudos para determinar o uso típico, possíveis problemas em aparelhos, a qualidade da energia eléctrica, etc., permitindo determinar onde a energia está a ser eventualmente desperdiçada e fornecendo dados ao utilizador para que este possa proceder a alterações, tendo por base dados recolhidos num dado período. O objectivo principal deste trabalho passa por estabelecer a ligação entre o nível máquina e o nível de utilizador, isto é, uma plataforma de interacção entre dispositivos e administrador da instalação. Fornecer os dados de uma forma fácil e sem necessidade de instalação de software específico em cada dispositivo que se pretenda utilizar para monitorizar foi uma das principais preocupações das fases de concepção do projecto.

Optimal offering strategies for wind power producers considering uncertainty and risk

This paper provides a two-stage stochastic programming approach for the development of optimal offering strategies for wind power producers. Uncertainty is related to electricity market prices and wind power production. A hybrid intelligent approach, combining wavelet transform, particle swarm optimization and adaptive-network-based fuzzy inference system, is used in this paper to generate plausible scenarios. Also, risk aversion is explicitly modeled using the conditional value-at-risk methodology. Results from a realistic case study, based on a wind farm in Portugal, are provided and analyzed. Finally, conclusions are duly drawn.

Controlo de conversores de potência genéricos por FPGA

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Matrix converter as unified power flow controller: design and implementation of decoupled direct power controllers

This paper presents the design and implementation of direct power controllers for three-phase matrix converters (MC) operating as Unified Power Flow Controllers (UPFC). Theoretical principles of the decoupled linear power controllers of the MC-UPFC to minimize the cross-coupling between active and reactive power control are established. From the matrix converter based UPFC model with a modified Venturini high frequency PWM modulator, decoupled controllers for the transmission line active (P) and reactive (Q) power direct control are synthesized. Simulation results, obtained from Matlab/Simulink, are presented in order to confirm the proposed approach. Results obtained show decoupled power control, zero error tracking, and fast responses with no overshoot and no steady-state error.

Low power low voltage quadrature RC oscillators for modern RF receivers

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Development of a system to monitor surfer’s balance and plantar pressure and surfboard’s movement

O uso da tecnologia tem crescido nas últimas décadas nas mais diversas áreas, seja na indústria ou no dia-a-dia, e é cada vez mais evidente os benefícios que traz. No desporto não é diferente. Cada dia surgem novos desenvolvimentos objetivando a melhoria do desempenho dos praticantes de atividades físicas, possibilitando atingir resultados nunca antes pensados. Além disto, a utilização da tecnologia no desporto permite a obtenção de dados biomecânicos que podem ser utilizados tanto no treinamento quando na melhoria da qualidade de vida dos atletas auxiliando na prevenção de lesões, por exemplo. Deste modo, o presente projeto se aplica na área do desporto, nomeadamente, na modalidade do surfe, onde a ausência de trabalhos científicos ainda é elevada, aliando a tecnologia eletrônica ao desporto para quantificar informações até então desconhecidas. Três fatores básicos de desempenho foram levantados, sendo eles: equilíbrio, posicionamento dos pés e movimentação da prancha de surfe. Estes fatores levaram ao desenvolvimento de um sistema capaz de medi-los dinamicamente através da medição das forças plantares e da rotação da prancha de surfe. Além da medição dos fatores, o sistema é capaz de armazenar os dados adquiridos localmente através de um cartão de memória, para posterior análise; e também enviá-los através de uma comunicação sem fio, permitindo a visualização do centro de pressões plantares; dos ângulos de rotação da prancha de surfe; e da ativação dos sensores; em tempo real. O dispositivo consiste em um sistema eletrônico embarcado composto por um microcontrolador ATMEGA1280; um circuito de aquisição e condicionamento de sinal analógico; uma central inercial; um módulo de comunicação sem fio RN131; e um conjunto de sensores de força Flexiforce. O firmware embarcado foi desenvolvido em linguagem C. O software Matlab foi utilizado para receção de dados e visualização em tempo real. Os testes realizados demostraram que o funcionamento do sistema atende aos requisitos propostos, fornecendo informação acerca do equilíbrio, através do centro de pressões; do posicionamento dos pés, através da distribuição das pressões plantares; e do movimento da prancha nos eixos pitch e roll, através da central inercial. O erro médio de medição de força verificado foi de -0.0012 ± 0.0064 N, enquanto a mínima distância alcançada na transmissão sem fios foi de 100 m. A potência medida do sistema foi de 330 mW.

Energy-aware task mapping onto heterogeneous platforms using DVFS and sleep states

Heterogeneous multicore platforms are becoming an interesting alternative for embedded computing systems with limited power supply as they can execute specific tasks in an efficient manner. Nonetheless, one of the main challenges of such platforms consists of optimising the energy consumption in the presence of temporal constraints. This paper addresses the problem of task-to-core allocation onto heterogeneous multicore platforms such that the overall energy consumption of the system is minimised. To this end, we propose a two-phase approach that considers both dynamic and leakage energy consumption: (i) the first phase allocates tasks to the cores such that the dynamic energy consumption is reduced; (ii) the second phase refines the allocation performed in the first phase in order to achieve better sleep states by trading off the dynamic energy consumption with the reduction in leakage energy consumption. This hybrid approach considers core frequency set-points, tasks energy consumption and sleep states of the cores to reduce the energy consumption of the system. Major value has been placed on a realistic power model which increases the practical relevance of the proposed approach. Finally, extensive simulations have been carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. In the best-case, savings up to 18% of energy are reached over the first fit algorithm, which has shown, in previous works, to perform better than other bin-packing heuristics for the target heterogeneous multicore platform.