Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/36442
Title: New architecture for rotational self-adaptive electromagnetic energy harvester
Other Titles: Nova arquitetura de gerador de energia eletromagnético rotacional auto-adaptativo
Author: Pinto, José Pedro Moura Costa
Advisor: Santos, Marco Paulo Soares dos
Keywords: Energy harvesting
Electromagnetic generator
Self-adaptive
Ultra-low frequency
Human body motion
Rotational energy harvesting
Defense Date: 21-Dec-2022
Abstract: The dependence on fossil fuels and the limitations of finiteness and replacement of conventional batteries demand the urgent need to create new technological solutions to combat these problems. Energy Harvesting Systems emerge as a promising alternative to solve these problems with small and large scale applicability, low cost, and reduced maintenance. These generators can capture mechanical energy from the environment, have potential to solve the intermittency problems of conventional renewable energies. This research is focused on the development of a new electromagnetic rotational harvester architecture, optimized to capture low-frequency mechanical sources, from human body motion and sea waves. An experimental testing apparatus was built to provide various excitation frequencies and load resistances. It is also proposed within the scope of this study an innovative, intelligent self-adaptive mechanism, the Polarity Switching, which dynamically switches off/on, or reverses the polarity of every coil that is wired to the load resistor, as a function of the angular displacement of the magnets. The experimental results highlight that the new rotational harvester is capable of generating 453 mW of peak power at a frequency of 5 Hz and an average power of 210 mW, and that with the implementation of the adaptation system, power gains of 14% in peak power and gains of 90% in average power can be obtained. Furthermore, it is also important to highlight the peak power density of about 1395 μW/cmᶟ which is 114% higher than the rotational architecture with the highest power density in the literature, and an average power density of 1232 μW/cmᶟ about 215% higher compared to the same architecture. In the coming years, the proposed innovations and scientific advancements can have an impact on both micro and macro scales of self-powering.
A dependência dos combustíveis fósseis e as limitações de finitude e substituição das baterias convencionais exigem a necessidade urgente de criar novas soluções tecnológicas para combater estes problemas. Os sistemas de geração autónoma de energia surgem como uma alternativa promissora para resolver estes problemas tanto para pequena como grande escala, baixo custo, e manutenção reduzida. Estes geradores são capazes de captar energia mecânica do ambiente, resolvendo os problemas de intermitência das energias renováveis convencionais. Esta investigação centrou-se no desenvolvimento de uma nova arquitectura de um gerador de energia rotativo eletromagnético optimizado para tirar partido de fontes excitação de baixas frequências, como o movimento do corpo humano e as ondas do mar. Além disso, foi construído um aparato de ensaios experimentais onde foram simuladas várias frequências de excitação e resistências de carga. Também proposto no âmbito deste estudo está um inovador mecanismo auto-adaptativo inteligente, o Polarity Switching, que dinamicamente desliga, liga ou inverte a polaridade de cada bobina ligada à resistência de carga, em função do deslocamento angular dos ímanes. Os resultados experimentais salientam que a nova arquitetura do gerador rotacional ´e capaz de gerar 453 mW de potência de pico a uma frequência de 5Hz e uma potência média de 210 mW, e que com a implementação do sistema auto-adaptativo, podem ser obtidos ganhos de potência de 14% na potência de pico e ganhos de 90% na potência média. Além disso, é também importante destacar a densidade de pico de potência com cerca de 1395 μW/cmᶟ que é 114% superior à arquitectura rotacional com a maior densidade de potência na literatura cientifica, e uma densidade média de potência de 1232 μW/cmᶟ cerca de 215% superior em comparação com a mesma arquitectura. A inovação e o desenvolvimento cientifico aqui propostos podem conduzir a impactos significativos na geração autónoma de energia nos próximos anos, em aplicações de escalas micro e macro.
URI: http://hdl.handle.net/10773/36442
Appears in Collections:UA - Dissertações de mestrado
DEM - Dissertações de mestrado

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