Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/41909
Title: Adaptive electromagnetic energy harvesting systems
Other Titles: Sistemas eletromagnéticos adaptativos de geração autónoma de energia
Author: Carneiro, Pedro Miguel Rocha
Advisor: Santos, Marco Paulo Soares dos
Ferreira, Jorge Augusto Fernandes
Santos, Raul Manuel Pereira Morais dos
Keywords: Keywords energy harvesting
Electromagnetic generator
Magnetic levitation
Analytical modelling
Adaptive architecture
Coil switching
Non-linear system
Self-powering technology
Optimization
Defense Date: 27-Mar-2024
Abstract: The development of self-powering systems has been recognized as critical so that innovative stand-alone emerging technologies can operate sustainably from scavenged ambient energy. Electromagnetic energy harvesters using magnetic levitation architectures hold potential to provide sustainable and cost-effective power solutions for a wide range of multifunctional devices, both for small-scale and large-scale applications. Electromagnetic generators (EMGs) also exhibit complex non-linear and hysteretic resonant behaviours. Even though current findings seem to highlight a strong societal impact of these harvesters in the near future, their performance optimization, strongly dependent on the frequency and amplitude of mechanical excitations, is a research topic of utmost importance that still needs to be improved. Architecture adaptation throughout its operation is required to pursue this goal and effectively address the issue of time- varying behaviour of mechanical power sources. The main goal of this thesis is to contribute towards the implementation of sophisticated EMGs featuring self-adaptability. Accordingly, two novel approaches for optimized performance were proposed: (i) an adaptive levitation- based instrumented EMG with the ability to automatically adapt its architecture, namely the distance between non-levitating magnets (NLMs), as a function of the external mechanical power source characteristics; and (ii) an adaptive levitation-based instrumented EMG that features dynamic electronic on/off switching and reverse polarity switching of each independent coil connected to the load, as a function of the levitating magnet (LM) position characteristics. Regarding the first generator and considering the power consumption of instrumentation, output power gains around 30% were achieved under conditions of harmonic inputs with time changing frequencies and amplitudes. Finally, the second generator provided up to 14-fold larger output average power and 5.5-fold larger electric efficiency. Promising results were achieved that highlight the potential of autonomously tune architectures to optimize either the harvester length or the coil-array configuration.
O desenvolvimento de sistemas de geração autónoma de energia tem vindo a ser cada vez mais reconhecido, de modo a que as tecnologias inovadoras emergentes possam operar de forma sustentável a partir da energia captada do ambiente. Os geradores de energia eletromagnética com arquitetura em levitação magnética têm potencial para fornecer soluções de energia sustentáveis e económicas a uma vasta gama de dispositivos multifuncionais, quer para aplicações de pequena como de grande escala. Estes dispositivos também evidenciam comportamentos ressonantes e histeréticos não lineares. Embora as descobertas atuais possam destacar um forte impacto social destes geradores num futuro próximo, a otimização do seu desempenho, altamente dependente da frequência e amplitude das excitações mecânicas, é um tema de investigação de extrema importância com potencial de melhoria. É necessária uma adaptação da arquitetura durante a operação do gerador para resolver efetivamente o problema das fontes de energia mecânica, que têm um comportamento variável no tempo. O principal objetivo desta tese ´e contribuir para a implementação de geradores eletromagnéticos sofisticados e autoadaptáveis. Deste modo, foram propostas duas novas abordagens para otimizar o seu desempenho: (i) um gerador eletromagnético instrumentado, com arquitetura em levitação magnética, adaptativo, com capacidade de ajustar automaticamente a sua arquitetura, nomeadamente a distância entre ´ımanes em não levitação, em função da variação das características da fonte de energia mecânica externa; e (ii) um gerador eletromagnético instrumentado, com arquitetura em levitação magnética, adaptativo, que desliga, liga ou inverte dinamicamente a polaridade de cada bobina ligada à carga em função das características da posição do íman em levitação. Quanto ao primeiro gerador e considerando o consumo da energia para a instrumentação, foram obtidos ganhos de potência de aproximadamente 30% sob excitações sinusoidais aleatórias. Por fim, o segundo gerador proporcionou ganhos de potência e eficiência até 14 e 5.5 vezes maiores, respetivamente. Foram atingidos resultados promissores relativamente ao potencial da adaptação autónoma das arquiteturas para otimizar quer o comprimento do gerador, quer a configuração do conjunto de bobinas.
URI: http://hdl.handle.net/10773/41909
Appears in Collections:UA - Teses de doutoramento
DEM - Teses de doutoramento

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