Supercapacitors: Principles, Sizing, Power Interfaces and Applications
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Las tendencias en la tecnología actual permiten la reducción tanto en tamaño como en potencia consumida de los sistemas digitales complejos. Esta disminución en el tamaño y el consumo da lugar al concepto de dispositivos portátiles que se integren en la vida pertenencias personales y cotidianas como ropa, relojes, gafas, etc. La fuente de alimentación es un factor limitante en la movilidad de los dispositivos portátiles que se ve reducida por la duración de la batería. Además, debido a los costos y difícil accesibilidad, la sustitución o recarga de las baterías a menudo no es viable para los dispositivos portátiles integrados en ropa inteligente. Los dispositivos vestibles están distribuidos en las pertenencias personales y, por tanto, la recolección de energía del usuario es una alternativa para su alimentación. Dispositivos vestibles pueden crear, al igual que los sensores de una red de sensores inalámbricos (WSN), una red de área corporal. El principal objetivo de esta tesis es el estudio de generadores piezoeléctricos, inductivos y termoeléctricos que recolectan energía del cuerpo humano de forma pasiva. El principio físico de un transductor es el mismo independientemente de si la fuente proviene del entorno o del cuerpo humano. Sin embargo, las limitaciones relacionadas con la baja tensión, corriente y niveles de frecuencia conllevan nuevos requerimientos que no están presentes en el caso de la utilización de las fuentes que ofrece el entorno y que suponen el principal desafío de esta tesis. El tipo de energía entrada y transductor a utilizar forman un tándem donde la elección de uno impone el otro. Es importante que las mediciones se realicen diferentes partes del cuerpo humano, mientras se realizan diferentes actividades físicas para localizar las posiciones y las actividades que producen más energía. El acoplamiento mecánico entre transductor y cuerpo humano depende de la ubicación del transductor y la actividad que se realiza. Un diseño específico, teniendo esto en cuenta puede aumentar más de un 200% la eficiencia del transductor como se ha demostrado con láminas piezoeléctricas situadas en plantillas de zapatos. Se han realizado mediciones de aceleraciones en diferentes partes del cuerpo y diferentes actividades para cuantificar la cantidad de energía disponible en actividades cotidianas. Se ha realizado una simulación a nivel de sistema, modelando los elementos de un sistema de energía autoalimentado. El transductor se ha modelado usando las ecuaciones físicas que lo describen con el objetivo de incluir la parte mecánica del sistema. Se han utilizado modelos eléctricos y de comportamiento para el resto de los componentes. De esta manera, el proceso de diseño de la aplicación en su conjunto (incluyendo la carga y un elemento de almacenamiento de energía cuando es necesario) se simplifica a la hora de lograr los requisitos planteados. Obviamente, la carga debe ser un dispositivo de bajo consumo como por ejemplo un transmisor RF. En este caso, es preferible alimentar la carga de forma discontinua, sin una batería, como se deduce de los resultados obtenidos mediante simulación. Sin embargo, la evolución de los transmisores RF de baja potencia puede cambiar esta conclusión en función sobre todo de la evolución del consumo de energía en stand-by y el tiempo de configuración para la operación de transmisión. Se ha deducido a partir del análisis de los generadores inductivos que el análisis en el dominio temporal permite calcular algunas magnitudes que no están disponibles en el dominio frecuencial. Por ejemplo, la potencia máxima se puede calcular en el dominio frecuencial, pero para aplicaciones de recolección de energía es más interesante saber el valor de la energía recuperada durante un cierto tiempo o la potencia media ya que la potencia generada por las actividades humanas pueden ser muy discontinua. Se ha demostrado que los transductores recolectores de energía son capaces de suministrar alimentación a dispositivos electrónicos de baja potencia, como quedó demostrado con un transmisor RF alimentado por una termogenerador que emplea el gradiente de temperatura existente entre el cuerpo humano y el entorno (3-5 K) y que es capaz de realizar medidas y transmitirlas una vez cada segundo The trends in technology allow the decrease in both size and power consumption of complex digital systems. This decrease in size and power gives rise to the concept of wearable devices which are integrated in everyday personal belongings like clothes, watch, glasses, et cetera. Power supply is a limiting factor in the mobility of the wearable device which gets restricted to the lifetime of the battery. Furthermore, due to the costs and inaccessible locations, the replacement or recharging of batteries is often not feasible for wearable devices integrated in smart clothes. Wearable devices are devices distributed in personal belongings and thus, an alternative for powering them is to harvest energy from the user. Therefore, the energy can be harvested, distributed and supplied over the human body. Wearable devices can create, like the sensors of a Wireless Sensor Network (WSN), a Body Area Network. A study of piezoelectric, inductive and thermoelectric generators that harvest passive human power is the main objective of this thesis. The physical principle of an energy harvesting generator is obviously the same no matter whether it is employed with an environmental or human body source. Nevertheless, the limitations related to low voltage, current and frequency levels obtained from human body sources bring new requirements to the energy harvesting topic that were not present in the case of the environment sources. This analysis is the motivation for this thesis. The type of input energy and transducer form a tandem since the election of one imposes the other. It is important that measurements are done in different parts of the human body while doing different physical activities to locate which positions and activities produce more energy. The mechanical coupling between the transducer and the human body depends on the location of the transducer and the activity that is done. A specific design taking this into account can increase more than a 200% the efficiency of the transducer as has been demonstrated with piezoelectric films located in the insoles of shoes. Acceleration measurements have been performed in different body locations and different physical activities, in order to quantify the amount of available energy associated with usual human movements. A system-level simulation has been implemented modeling the elements of an energy self-powered system. Physical equations have been used for the transducer in order to include the mechanical part of the system and electrical and behavioral models for the rest of the components. In this way, the process of the design of the complete application (including the load and an energy storage element when it is necessary) is simplified to achieve the expected requirements. Obviously, the load must be a low power consumption device as for example a RF transmitter. In this case, it is preferable to operate it in a discontinuous way without a battery as it is deduced from simulation results obtained. However, the evolution in low power transmission modules can change this conclusion depending mostly on the evolution of the power consumption in stand-by mode and the configuration time in transmission operation. It has been deduced from the analysis of inductive generators that time-domain analysis allows to calculate some magnitudes that are not available in frequency domain. For example, the maximum power can be calculated in frequency domain, but for energy harvesting applications it is more interesting to know the value of the recovered energy during a certain time, or the average power since the power generated by human activities can be highly discontinuous. It has been demonstrated that energy harvesting transducers are able to supply power to present-day low power electronic devices as was demonstrated with a RF transmitter powered by a thermogenerator that employs the temperature gradient between human body and the environment (3-5 K) and that it is able to sense and transmit data once every second.
Las tendencias en la tecnología actual permiten la reducción tanto en tamaño como en potencia consumida de los sistemas digitales complejos. Esta disminución en el tamaño y el consumo da lugar al concepto de dispositivos portátiles que se integren en la vida pertenencias personales y cotidianas como ropa, relojes, gafas, etc. La fuente de alimentación es un factor limitante en la movilidad de los dispositivos portátiles que se ve reducida por la duración de la batería. Además, debido a los costos y difícil accesibilidad, la sustitución o recarga de las baterías a menudo no es viable para los dispositivos portátiles integrados en ropa inteligente. Los dispositivos vestibles están distribuidos en las pertenencias personales y, por tanto, la recolección de energía del usuario es una alternativa para su alimentación. Dispositivos vestibles pueden crear, al igual que los sensores de una red de sensores inalámbricos (WSN), una red de área corporal. El principal objetivo de esta tesis es el estudio de generadores piezoeléctricos, inductivos y termoeléctricos que recolectan energía del cuerpo humano de forma pasiva. El principio físico de un transductor es el mismo independientemente de si la fuente proviene del entorno o del cuerpo humano. Sin embargo, las limitaciones relacionadas con la baja tensión, corriente y niveles de frecuencia conllevan nuevos requerimientos que no están presentes en el caso de la utilización de las fuentes que ofrece el entorno y que suponen el principal desafío de esta tesis. El tipo de energía entrada y transductor a utilizar forman un tándem donde la elección de uno impone el otro. Es importante que las mediciones se realicen diferentes partes del cuerpo humano, mientras se realizan diferentes actividades físicas para localizar las posiciones y las actividades que producen más energía. El acoplamiento mecánico entre transductor y cuerpo humano depende de la ubicación del transductor y la actividad que se realiza. Un diseño específico, teniendo esto en cuenta puede aumentar más de un 200% la eficiencia del transductor como se ha demostrado con láminas piezoeléctricas situadas en plantillas de zapatos. Se han realizado mediciones de aceleraciones en diferentes partes del cuerpo y diferentes actividades para cuantificar la cantidad de energía disponible en actividades cotidianas. Se ha realizado una simulación a nivel de sistema, modelando los elementos de un sistema de energía autoalimentado. El transductor se ha modelado usando las ecuaciones físicas que lo describen con el objetivo de incluir la parte mecánica del sistema. Se han utilizado modelos eléctricos y de comportamiento para el resto de los componentes. De esta manera, el proceso de diseño de la aplicación en su conjunto (incluyendo la carga y un elemento de almacenamiento de energía cuando es necesario) se simplifica a la hora de lograr los requisitos planteados. Obviamente, la carga debe ser un dispositivo de bajo consumo como por ejemplo un transmisor RF. En este caso, es preferible alimentar la carga de forma discontinua, sin una batería, como se deduce de los resultados obtenidos mediante simulación. Sin embargo, la evolución de los transmisores RF de baja potencia puede cambiar esta conclusión en función sobre todo de la evolución del consumo de energía en stand-by y el tiempo de configuración para la operación de transmisión. Se ha deducido a partir del análisis de los generadores inductivos que el análisis en el dominio temporal permite calcular algunas magnitudes que no están disponibles en el dominio frecuencial. Por ejemplo, la potencia máxima se puede calcular en el dominio frecuencial, pero para aplicaciones de recolección de energía es más interesante saber el valor de la energía recuperada durante un cierto tiempo o la potencia media ya que la potencia generada por las actividades humanas pueden ser muy discontinua. Se ha demostrado que los transductores recolectores de energía son capaces de suministrar alimentación a dispositivos electrónicos de baja potencia, como quedó demostrado con un transmisor RF alimentado por una termogenerador que emplea el gradiente de temperatura existente entre el cuerpo humano y el entorno (3-5 K) y que es capaz de realizar medidas y transmitirlas una vez cada segundo The trends in technology allow the decrease in both size and power consumption of complex digital systems. This decrease in size and power gives rise to the concept of wearable devices which are integrated in everyday personal belongings like clothes, watch, glasses, et cetera. Power supply is a limiting factor in the mobility of the wearable device which gets restricted to the lifetime of the battery. Furthermore, due to the costs and inaccessible locations, the replacement or recharging of batteries is often not feasible for wearable devices integrated in smart clothes. Wearable devices are devices distributed in personal belongings and thus, an alternative for powering them is to harvest energy from the user. Therefore, the energy can be harvested, distributed and supplied over the human body. Wearable devices can create, like the sensors of a Wireless Sensor Network (WSN), a Body Area Network. A study of piezoelectric, inductive and thermoelectric generators that harvest passive human power is the main objective of this thesis. The physical principle of an energy harvesting generator is obviously the same no matter whether it is employed with an environmental or human body source. Nevertheless, the limitations related to low voltage, current and frequency levels obtained from human body sources bring new requirements to the energy harvesting topic that were not present in the case of the environment sources. This analysis is the motivation for this thesis. The type of input energy and transducer form a tandem since the election of one imposes the other. It is important that measurements are done in different parts of the human body while doing different physical activities to locate which positions and activities produce more energy. The mechanical coupling between the transducer and the human body depends on the location of the transducer and the activity that is done. A specific design taking this into account can increase more than a 200% the efficiency of the transducer as has been demonstrated with piezoelectric films located in the insoles of shoes. Acceleration measurements have been performed in different body locations and different physical activities, in order to quantify the amount of available energy associated with usual human movements. A system-level simulation has been implemented modeling the elements of an energy self-powered system. Physical equations have been used for the transducer in order to include the mechanical part of the system and electrical and behavioral models for the rest of the components. In this way, the process of the design of the complete application (including the load and an energy storage element when it is necessary) is simplified to achieve the expected requirements. Obviously, the load must be a low power consumption device as for example a RF transmitter. In this case, it is preferable to operate it in a discontinuous way without a battery as it is deduced from simulation results obtained. However, the evolution in low power transmission modules can change this conclusion depending mostly on the evolution of the power consumption in stand-by mode and the configuration time in transmission operation. It has been deduced from the analysis of inductive generators that time-domain analysis allows to calculate some magnitudes that are not available in frequency domain. For example, the maximum power can be calculated in frequency domain, but for energy harvesting applications it is more interesting to know the value of the recovered energy during a certain time, or the average power since the power generated by human activities can be highly discontinuous. It has been demonstrated that energy harvesting transducers are able to supply power to present-day low power electronic devices as was demonstrated with a RF transmitter powered by a thermogenerator that employs the temperature gradient between human body and the environment (3-5 K) and that it is able to sense and transmit data once every second.
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