Skip to main content
SUPERVISOR
Rasoul Dehghani,Ahmadreza Tabesh
رسول دهقانی (استاد راهنما) احمدرضا تابش (استاد مشاور)
 
STUDENT
Nasrin Rezaeihoseinabadi
نسرین رضائی حسین آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Topology Implementation and Design Optimization of Wideband PiezoelectricWind Energy Harvesters including Integrated Interface Circuits
This thesis presents a topology for the wideband piezoelectric energy harvester from low speed wind flow and integrated power processing circuits including converters and controllers for maximum power point tracking (MPPT). The proposed wind energy harvester is useful for powering of wireless sensor nodes in smart monitoring and internet of things (IoT) applications. The suggested topology uses a single piezoelectric beam and achieves the wideband feature via the design of exerted force on the beam. An optimization method is also proposed to design the harvester with respect to the wind speed distribution model for capturing maximum available wind energy. In power processing circuit, a control method based on the voltage feedback is proposed to reduce the power losses of the circuit for maximum power point tracking. The suggested control method can be used for different interface circuits including full bridge (FB), voltage doubler (VD) and synchronized switch harvesting on inductor (SSHI) and its tracking performance is independent of piezoelectric beam parameters as well as the frequency and amplitude of the vibrating piezoelectric beam. The thesis also presents a technique to implement a high voltage integrated interface in CMOS technology with lower nominal voltage which eliminates the need for high voltage integrated process in developing the energy harvester interfaces. Key Words: Windband piezoelectric wind energy harvester, Integrated power processing circuit, Low wind speed, Maximum power transfer, Self-power wireless nodes, Internet of Things (IoT).
برداشتگرهای انرژی، مولدهای انرژی الکتریکی توان پایین در حد میلی‌وات هستند که منبع تامین انرژی آن‌ها، انرژی محیط می‌باشد. با گسترش روزافزون شبکه‌های حسگر بی‌سیم و نقش آن‌ها در سیر تکاملی اینترنت اشیا، استفاده از برداشتگرهای انرژی برای تامین توان سلول‌هایی که دسترسی به آن‌ها به آسانی میسر نیست، به عنوان راهکاری برای جایگزینی یا افزایش طول عمر باتری مطرح شده است. موضوع اصلی این رساله طراحی برداشتگر انرژی از لرزش‌های مکانیکی در اثر وزش باد برای کاربردهایی که در آن حسگرهای بی‌سیم در محیط‌های باز نصب می‌شوند، می‌باشد. در این راستا، برداشتگرهای نوع پیزوالکتریکی به‌دلیل امکان تولید ولتاژ بالا در فرکانس‌های لرزش کم، به عنوان گزینه مناسب در طراحی برداشتگر انرژی باد در بخش اول این رساله مورد بررسی قرار گرفته‌اند. برداشتگرهای انرژی باد پیزوالکتریکی نیازمند ساختارهایی هستند که علاوه بر مقاوم بودن در برابر لرزش‌های شدید ناشی از تندبادهای لحظه‌ای، امکان برداشت انرژی در سرعت کم را نیز به‌دلیل نصب سلول‌های حسگر بی‌سیم در ارتفاع‌های کم داشته باشند. ساختارهای متداول مبتنی بر تیر لرزان برای برداشتگرهای انرژی لرزشی، تنها در فرکانس رزونانس تیر دارای بازده مناسب می‌باشند، در حالی‌که سرعت باد در محدوده وسیعی حول سرعت مناسب برای رزونانس تیر نوسان می‌کند. در فصل دوم و سوم این رساله طراحی، ساخت و روش تحلیل برداشتگرهای انرژی باد باندوسیع پیزوالکتریکی از نوع توربینی و غیر تماسی پیشنهاد شده است. نتایج آزمون‌های عملی نمونه‌های ساخته شده از این برداشتگر انرژی نشان می‌دهد که در ساختارهای ارائه شده، برداشت انرژی در محدوده سرعت 2 تا 20 متر ‌بر ثانیه امکان پذیراست. هم‌چنین نشان داده شده است که ساختار باندوسیع و الگوریتم‌های ارائه شده در طراحی بهینه برداشتگر برای باد با سرعت متغیر، توان متوسط برداشته شده در سال را دو برابر روش‌های متداول طراحی بر مبنای سرعت غالب سالانه افزایش می‌دهد. مدارهای واسط پردازش توان، که در واقع عمل یکسوسازی و تنظیم ولتاژ نقطه کار را برای جذب حداکثر انرژی متناظر با سرعت‌های مختلف باد انجام می‌دهند، در فصل‌های چهارم و پنجم مورد بررسی قرار گرفته‌اند. به‌دلیل این‌که توان تولیدی در محدوده چند صد میکروات می‌باشد، ساختارهای کلاسیک مدارهای یکسوساز و مبدل‌های الکترونیک قدرت مستقیما قابل استفاده در این کاربرد نمی‌باشند. یک راه‌حل مناسب، استفاده از مدارهای مجتمع کم توان می‌باشد که در آن امکان پیاده‌سازی مدار پردازش توان با بازده بالا برای توان‌های تولیدی در محدوده چند صد میکرووات وجود دارد. در طراحی مدار پردازش توان ارائه شده در فصل چهارم، راهکاری برای پیاده‌سازی مدارهای واسط برای برداشتگرهای انرژی با دامنه ولتاژی بالاتر از ولتاژ نامی پروسه مجتمع ارائه شده است. با این راهکار می‌توان بدون نیاز به پروسه‌های ولتاژ بالا، مدار پردازش توان برداشتگر پیزوالکتریکی را در کنار سایر مدارهای الکترونیکی سلول حسگر بی‌سیم بر روی یک تراشه واحد پیاده‌سازی نمود. در فصل پنجم، یک روش کنترل وفقی و کم مصرف برای تعقیب نقطه بیشینه توان الکتریکی ارائه شده است که بدون نیاز به فیدبک از دامنه نوسان و یا فیدبک از اندازه جریان، و مستقل از پارامترهای برداشتگر نظیر ظرفیت خازنی تیر پیزوالکتریک، نقطه بیشینه توان متناظر با دامنه و فرکانس نوسان را دنبال می‌کند. کلمات کلیدی : سلولهای حس گر بی سیم خود توان - برداشتگرهای انرژی باد پیزوالکتریکی - مدارهای پردازش توان پیزوالکتریکی - مدارهای واسط مجتمع کم توان - کنترل وفقی برای تعقیب نقطه بیشینه توان

ارتقاء امنیت وب با وف بومی