Integrated dc-dc converter for photovoltaic energy harvesting targeted to indoor applications

Autor: Silva Júnior, Luiz Antônio da
Přispěvatelé: Girardi, Alessandro Gonçalves, Severo, Lucas Compassi
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UNIPAMPA
Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)
instacron:UNIPAMPA
Popis: Internet of Things (IoT) is a current great trend in which the number of connected devices to the Internet increases over years, thus facilitating the monitoring and control of outdoor and indoor environments. In addition, the majority of electronic devices, mainly peripherals, are used most of the time indoors like office rooms, for example. These devices are usually power supplied by wiring or batteries. The use of wires can sometimes compromise the practicality of some electronic devices, and batteries must be frequently replaced or recharged. Energy harvesting is a great solution to overcome this problem, since the energy provided by the environment, such as lighting, can be harvested by a photovoltaic (PV) cell in order to power supply electronic devices and IoT sensor nodes. The power harvested by PV cells indoors is still quite limited, therefore energy harvesting systems in this type of environment are not widely exploited and target only low power applications. A PV cell may suffer shading caused by walls, furniture, and human movements. This requires an efficient conversion system that can adapt to the PV cell output voltage variations. In this context, the present work aims to propose an integrated conversion system for indoor light energy harvesting to partially replace battery usage in electronic devices and ultra-low-power (ULP) circuits. For the system block responsible for voltage conversion, we propose a reconfigurable DC-DC converter topology based on Switched Capacitor (SC) capable to providing a range of voltage conversion ratios (VCRs). A systematic simulation-based method is also proposed in order to design the conversion system, including switches and capacitors sizes and switching frequency. Results show that the proposed DC-DC converter can adjust itself to achieve 19 different VCRs including fractional, integers, step-down, follower, and step-up with an estimated peak charging efficiency around 90%. In addition, the conversion system can be employed in a vast range of duty-cycled ULP IoT applications. This is an important step towards a practical self-powered indoor system for IoT applications. Internet das Coisas é uma grande tendência atual na qual o número de dispositivos conectados à Internet aumenta ao longo dos anos, facilitando assim o monitoramento e controle de ambientes abertos e fechados. Além disso, a maioria dos dispositivos eletrônicos, principalmente os periféricos, são usados na sua maior parte do tempo dentro de ambientes fechados como salas de escritórios, por exemplo. Esses dispositivos geralmente são alimentados utilizando fios ou baterias. A utilização de fios pode, às vezes, comprometer a praticidade de alguns dispositivos eletrônicos, e baterias devem ser frequentemente trocadas ou recarregadas. A colheita de energia é uma ótima solução para resolver este problema, uma vez que a energia fornecida pelo ambiente, como, por exemplo, a iluminação, pode ser captada por uma célula fotovoltaica para alimentar dispositivos eletrônicos e sensores para Internet das Coisas. A potência captada por células solares em ambientes fechados ainda é bastante limitada, desse modo sistemas para colheita de energia neste tipo de ambiente são pouco explorados e visam somente aplicações de ultra-baixa potência. Uma célula fotovoltaica ainda pode sofrer sombreamentos causados por paredes, móveis e movimentos humanos. Isso exige um sistema de conversão eficiente e que possa se adaptar às variações de tensão de saída de uma célula fotovoltaica. Nesse contexto, o presente trabalho visa propor um sistema integrado de conversão para colheita da energia da iluminação em ambientes fechados para parcialmente substituir o uso da bateria em dispositivos eletrônicos e circuitos de ultrabaixa potência. Para o bloco do sistema responsável pela conversão de tensão, foi proposta uma topologia reconfigurável de conversor CC-CC à capacitores chaveados capaz de fornecer uma faixa de relações de conversão de tensão. Uma metodologia sistemática baseada em simulação elétrica também foi proposta com o intuito de projetar o sistema de conversão, incluindo os tamanhos das chaves, capacitores e a frequência de chaveamento. Resultados mostram que o conversor CC-CC proposto pode se ajustar para fornecer 19 diferentes razões de conversão de tensão incluindo razões de conversão fracionárias, inteiras, rebaixadoras, seguidora e elevadoras com um pico de eficiência de conversão estimado em torno de 90 %. Além do mais, o sistema de conversão pode ser empregado e vários circuitos de ultrabaixa potência que funcionam em ciclos alternados de operação, aplicados em dispositivos de Internet das Coisas. Esse é um passo importante em direção a um sistema prático e autoalimentado empregado em ambientes fechados para aplicações de Internet das Coisas.
Databáze: OpenAIRE
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