Caratterizzazione di un circuito per l'estrazione di carica sincrona da trasduttori piezoelettrici

L'elaborato di tesi tratta la caratterizzazione del rendimento di un circuito convertitore di energia elettrica in energia meccanica. La conversione viene svolta con una procedura più complessa, ma più efficiente rispetto alla conversione classica. Il circuito studiato è soggetto alle problematiche legate all'energy harvesting, tuttavia ha il vantaggio di non necessitare di alimentazione esterna.

Progetto di un circuito convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting a bassissime tensioni

In questo lavoro si vuole mostrare come sia possibile realizzare un circuito per energy harvesting totalmente autonomo, quindi senza l’ausilio di batterie, per sorgenti ultra-low voltage, in particolare per sorgenti termoelettriche sottoposte a piccoli gradienti di temperatura ed in grado di erogare tensioni di qualche decina di millivolt. Si esporrà come il circuito sia capace di avviarsi, autosostenersi ed alimentare un piccolo carico. Si è scelta una architettura basata su componenti discreti suddivisa in due macro blocchi: un circuito di startup implementato attraverso un’architettura a trasformatore piezoelettrico e un boost converter pilotato in catena aperta da un oscillatore ultra-low power.

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Convertitori di potenza multi-sorgente per applicazioni di energy harvesting

L’obiettivo di questa tesi è stato lo svilippo di un convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting in grado di convogliare l’energia estratta da diversi tipi di trasduttori di grandezze ambientali in un unico dispositivo di storage, ad es. un condensatore, utilizzabile per alimentare circuiti a basso consumo. L’idea di base è stata quella di ottimizzare il trasferimento di energia, attraverso una rete logica in grado di gestire le priorità di conversione dalle diverse tipologie di sorgenti e grazie ad una implementazione di un algoritmo di Maximum Power Point Tracking. In base alle specifiche di progetto, in una prima fase è stata sviluppata la rete a livello funzionale, poi sono stati scelti i componenti più opportuni ed infine si è verificato il funzionamento attraverso simulazioni circuitali.

Progetto di un convertitore di potenza autonomo per applicazioni di energy harvesting per radiofrequenza

Progetto di un circuito convertitore di potenza ottimizzato per essere alimentato da un antenna a RF in grado di estrarre potenza dalle bande a 900Mhz, 1750 MHz e 2450 MHz

Valutazioni di efficienza energetica per sistemi di energy harvesting piezoelettrico

Questa tesi presenta considerazioni sull'efficienza energetica di circuiti di conversione di potenza da trasduttori piezoelettrici attivati in maniera sincrona con le vibrazioni. Viene valutato l'effetto dell'inversione della carica elettrica residua al termine di ogni ciclo di conversione e viene analizzata un'architettura a due stadi sviluppata dall'Università di Bologna in grado di garantire una migliore efficienza, particolarmente idonea alla carica di supercondensatori. Le valutazioni sono state effettuate mediante simulazioni circuitali e gli schemi analizzati offrono incrementi significativi di prestazioni, maggiormente evidenti con vibrazioni di bassa intensità.

Energy harvesting da trasduttori piezoelettrici mediante estrazione di carica quasi-sincrona

In questo documento è stata proposta una soluzione per l'estrazione di carica da un trasduttore piezoelettrico mediante un circuito di conversione quasi-sincrono. Il trasduttore piezoelettrico può essere considerato un ottimo dispositivo per convertire l’energia derivante dalle vibrazioni; la soluzione proposta di estrazione di carica in maniera quasi-sincrona permette un processo di energy harvesting con prestazioni nettamente migliori rispetto al caso di conversione sincrona per casi di trasduttori fortemente accoppiati.

Electrically tunable piezoelectric bimorph cantilever for energy harvesting

Con la presente tesi viene esaminato un metodo per modificare la frequenza di risonanza di trasduttori piezoelettrici mediante applicazione di carichi elettrici esterni. L'elaborato inizia con la presentazione dei cristalli utilizzati nel lavoro di tesi, concentrandosi sul processo di fabbricazione di un bimorph cantilever impiegato come convertitore elettromeccanico di energia, la cui frequenza di risonanza è modellizzata analiticamente mediante la legge di Newton e il modello di Euler-Bernoulli. Su tale struttura vengono condotte misure mediante shaker elettrodinamico e analizzatore d'impedenza, ai fini di giusticare il modello analitico presentato. Con lo scopo di sincronizzare la frequenza di risonanza del cantilever con la vibrazione dell'ambiente per massimizzare la potenza disponibile, viene proposto un algoritmo MPPT secondo l'approccio Perturba e Osserva (P&O), al quale è fornita in ingresso la tensione efficace di un layer di materiale piezoelettrico. Valutare la sua risposta in tensione, presenta dei limiti applicativi che hanno portato a prendere in considerazione un approccio totalmente diff�erente, basato sullo sfasamento tra la tensione di un trasduttore piezoelettrico e il segnale di accelerazione impiegato come eccitazione. Misure sperimentali sono state condotte con l'obiettivo di validare l'efficacia di quest'ultimo approccio qualora si voglia sincronizzare la frequenza di risonanza dei piezo con segnali di vibrazione reali.

Optimizing solar collector tilt angle to improve energy harvesting in a solar cooling system

Solar cooling systems are gaining popularity due to continuously increasing of energy costs around the world. However, there are still some factors that are hindering the installation of solar cooling systems on a larger scale. One being the cost associated with the solar collectors required to provide heat to the absorption chiller. This study demonstrates the possibility of reducing the number of solar panels in a residential solar cooling system based on evacuated tubes producing hot water at a low temperature (90 °C) and a water-ammonia absorption chiller.

Improved energy harvesting capability of poly(vinylidene fluoride) films modified by reduced graphene oxide

Piezoelectric energy harvesters can be used to convert ambient energy into electrical energy and power small autonomous devices. In recent years, massive effort has been made to improve the energy harvesting ability in piezoelectric materials. In this study, reduced graphene oxide was added into poly(vinylidene fluoride) to fabricate the piezoelectric nanocomposite films. Open-circuit voltage and electrical power harvesting experiments showed remarkable enhancement in the piezoelectricity of the fabricated poly(vinylidene fluoride)/reduced graphene oxide nanocomposite, especially at an optimal reduced graphene oxide content of 0.05 wt%. Compared to pristine poly(vinylidene fluoride) films, the open-circuit voltage, the density of harvested power of alternating current, and direct current of the poly(vinylidene fluoride)/reduced graphene oxide nanocomposite films increased by 105%, 153%, and 233%, respectively, indicating a great potential for a broad range of applications.

Efficient Energy Management Policies for Networks with Energy Harvesting Sensor Nodes

We study sensor networks with energy harvesting nodes. The generated energy at a node can be stored in a buffer. A sensor node periodically senses a random field and generates a packet. These packets are stored in a queue and transmitted using the energy available at that time at the node. For such networks we develop efficient energy management policies. First, for a single node, we obtain policies that are throughput optimal, i.e., the data queue stays stable for the largest possible data rate. Next we obtain energy management policies which minimize the mean delay in the queue. We also compare performance of several easily implementable suboptimal policies. A greedy policy is identified which, in low SNR regime, is throughput optimal and also minimizes mean delay. Next using the results for a single node, we develop efficient MAC policies.

Energy harvesting using ionic electro-active polymer thin films with Ag-based electrodes

In this paper we employ the phenomenon of bending deformation induced transport of cations via the polymer chains in the thickness direction of an electro-active polymer (EAP)-metal composite thin film for mechanical energy harvesting. While EAPs have been applied in the past in actuators and artificial muscles, promising applications of such materials in hydrodynamic and vibratory energy harvesting are reported in this paper. For this, functionalization of EAPs with metal electrodes is the key factor in improving the energy harvesting efficiency. Unlike Pt-based electrodes, Ag-based electrodes have been deposited on an EAP membrane made of Nafion. The developed ionic metal polymer composite (IPMC) membrane is subjected to a dynamic bending load, hydrodynamically, and evaluated for the voltage generated against an external electrical load. An increase of a few orders of magnitude has been observed in the harvested energy density and power density in air, deionized water and in electrolyte solutions with varying concentrations of sodium chloride (NaCl) as compared to Pt-based IPMC performances reported in the published literature. This will have potential applications in hydrodynamic and residual environmental energy harvesting to power sensors and actuators based on micro-andn nano-electro-mechanical systems (MEMS and NEMS) for biomedical,maerospace and oceanic applications.

Implications of Energy Profile and Storage on Energy Harvesting Sensor Link Performance

Energy harvesting sensors (EHS), which harvest energy from the environment in order to sense and then communicate their measurements over a wireless link, provide the tantalizing possibility of perpetual lifetime operation of a sensor network. The wireless communication link design problem needs to be revisited for these sensors as the energy harvested can be random and small and not available when required. In this paper, we develop a simple model that captures the interactions between important parameters that govern the communication link performance of a EHS node, and analyze its outage probability for both slow fading and fast fading wireless channels. Our analysis brings out the critical importance of the energy profile and the energy storage capability on the EHS link performance. Our results show that properly tuning the transmission parameters of the EHS node and having even a small amount of energy storage capability improves the EHS link performance considerably.

Optimal Sleep-Wake Policies for an Energy Harvesting Sensor Node

We study a sensor node with an energy harvesting source. In any slot,the sensor node is in one of two modes: Wake or Sleep. The generated energy is stored in a buffer. The sensor node senses a random field and generates a packet when it is awake. These packets are stored in a queue and transmitted in the wake mode using the energy available in the energy buffer. We obtain energy management policies which minimize a linear combination of the mean queue length and the mean data loss rate. Then, we obtain two easily implementable suboptimal policies and compare their performance to that of the optimal policy. Next, we extend the Throughput Optimal policy developed in our previous work to sensors with two modes. Via this policy, we can increase the through put substantially and stabilize the data queue by allowing the node to sleep in some slots and to drop some generated packets. This policy requires minimal statistical knowledge of the system. We also modify this policy to decrease the switching costs.

Joint Power Control, Scheduling and Routing for Multihop Energy Harvesting Sensor Networks

We study wireless multihop energy harvesting sensor networks employed for random field estimation. The sensors sense the random field and generate data that is to be sent to a fusion node for estimation. Each sensor has an energy harvesting source and can operate in two modes: Wake and Sleep. We consider the problem of obtaining jointly optimal power control, routing and scheduling policies that ensure a fair utilization of network resources. This problem has a high computational complexity. Therefore, we develop a computationally efficient suboptimal approach to obtain good solutions to this problem. We study the optimal solution and performance of the suboptimal approach through some numerical examples.