Procesado de potencia y arquitecturas eléctricas adaptadas para aplicaciones de harvesting en baja tensión. Power processing and electricla architectures adapted to low-voltage harvesting-based applications

Abstract

En aquest treball es presenta l'anàlisi, disseny i realització d'un sistema per a la recollida d'energia undimotriu de baixa potència, és a dir, extreure petita energia de les onades de la mar per a l'alimentació d'un equip autònom alimentat per bateria.Aquest sistema consta d'un captador d'energia flotant, i d'una etapa processadora d'energia per interconnectar l'element captador amb la bateria de el sistema. El captador d'energia és un dispositiu articulat realitzat en fusta i conté tres transductors inductius interconnectats entre si. Després de la introducció i l'estat de l'art, la tesi comença examinant diversos dispositius comercials de captació d'energia, després, presenta el transductor inductiu desenvolupat, el sistema de recollida articulada, els processadors d'energia estudiats, i després de les simulacions i verificacions experimentals corresponents , conclusions i línies futures de treball. Per extreure petites quantitats d'energia de les onades de la mar, aquest prototip, coordina el moviment de tres imants interns a tres bobines individuals interconnectades elèctricament entre si. Aprofitant la pujada i baixada de les onades de la mar, es produeix un moviment oscil·lant lineal de cada imant a l'interior de l'transductor (bobina) que genera un pols elèctric induït a la bobina. L'energia així recol·lectada s'emmagatzemarà en una bateria la qual alimentarà un sistema autònom, per exemple, un equip de telemetria, estació meteorològica, etc., situada a alta mar. Per maximitzar l'energia recol·lectada, es requereix d'un circuit interfície que adapti la impedància entre el conjunt de transductors que forma el generador i la bateria de el sistema. Es proposen dos circuits convertidors DC / DC, un Híbrid Buck-Boost (HBB) i un convertidor SEPIC com circuits adaptadors d'impedància. Tots dos convertidors es controlaran en mode lliscant, així doncs, els convertidors es comportaran com una resistència lliure de pèrdues (LFR-Loss Free Resistor), la impedància d'entrada està regulada per a que coincideixi amb la impedància de sortida de el generador. Després d’estudi i anàlisis teòriques, s’ofereixen diversos resultats de simulació i experimentació que permeten comparar el rendiment d’ambdós circuits adaptadors.

En este trabajo se presenta el análisis, diseño y realización de un sistema para la recolección de energía undimotriz de baja potencia, es decir, extraer pequeña energía de las olas del mar para la alimentación de un equipo autónomo alimentado por batería. Este sistema consta de un captador de energía flotante, y de una etapa procesadora de energía para interconectar el elemento captador con la batería del sistema. El captador de energía es un dispositivo articulado realizado en madera y contiene tres transductores inductivos interconectados entre sí. Tras la introducción y el estado del arte, la tesis comienza examinando diversos dispositivos comerciales de captación de energía, después, presenta el transductor inductivo desarrollado, el sistema de recolección articulada, los procesadores de energía estudiados, y después de las simulaciones y verificaciones experimentales correspondientes, conclusiones y líneas futuras de trabajo. Para extraer pequeñas cantidades de energía de las olas del mar, este prototipo, coordina el movimiento de tres imanes internos a tres bobinas individuales interconectadas eléctricamente entre sí. Aprovechando la subida y bajada de las olas del mar, se produce un movimiento oscilante lineal de cada imán en el interior del transductor (bobina) que genera un pulso eléctrico inducido en la bobina. La energía así recolectada se almacenará en una batería la cual alimentará un sistema autónomo, por ejemplo, un equipo de telemetría, estación meteorológica, etc., situada en alta mar. Para maximizar la energía recolectada, se requiere de un circuito interfaz que adapte la impedancia entre el conjunto de transductores que forma el generador y la batería del sistema. Se proponen dos circuitos convertidores DC/DC, uno Híbrido Buck-Boost (HBB) y un convertidor SEPIC como circuitos adaptadores de impedancia. Ambos convertidores se controlarán en modo deslizante, así pues, los convertidores se comportaran como una resistencia libre de pérdidas (LFR-Loss Free Resistor), cuya impedancia de entrada está regulada para que coincida con la impedancia de salida del generador. Después del estudio y análisis teórico, se ofrecen varios resultados de simulación y experimentales que permiten comparar el rendimiento de ambos circuitos adaptadores.

In this work, the analysis, design and realization of a system for the collection of low-energy wave energy for the feeding of an autonomous battery-powered equipment is presented. This system consists of a floating energy sensor, and an energy processing stage to interconnect the sensor element with the system battery. The energy collector is an articulated device made of wood and contains three inductive transducers interconnected with each other. After this introduction and the state of the art, the thesis begins by examining various commercial energy collection devices, then introducing the developed inductive transducer, the articulated collection system, then the energy processors studied, and after the corresponding simulations and verifications experimental, future conclusions and lines of work are addressed. To extract small amounts of energy from the waves of the sea, this prototype, coordinates the movement of three internal magnets to three individual coils electrically interconnected with each other. Taking advantage of the rise and fall of sea waves, there is a linear oscillating movement of each magnet inside the transducer (coil) that generates an induced electrical pulse in the coil. The energy harvested by the developed prototype will be stored in a battery and can be used as the energy source of a self-powered autonomous electrical system like for example a telemetry equipment, a weather station, etc., located on the high seas. In order to maximize the energy harvested by this process, an impedance matching interface circuit between the battery and the transducers (energy generator) must be developed. Two DC-DC converters, a hybrid Buck-Boost (HBB) converter and a SEPIC converter are proposed in this work as impedance matching circuits. Both converters will be controlled in sliding mode. Hence, the converters will behave as a Loss Free Resistor (LFR) where the input impedance is regulated to match the output impedance of the generator. Several simulated and experimental results have been obtained based on the previous theoretical analysis of the proposed system. Based on this results, a comparison between the performance of both impedance matching circuits has been carried out.