Maximum power point tracking for ultralow-frequency energy harvesters using a modified fractional open circuit voltage method

Abstract

The fast advancement of wireless Internet of Things (IoT) systems presents both opportunities and challenges. One of the challenges comes from the increased power demand, which is usually drained from batteries. The fundamental drawback of using batteries is that when they are depleted, human intervention is necessary for either replacing or recharging. Energy harvesting has the potential to solve this issue. In the optimum case, a low-power IoT system could be powered perpetually by an energy harvester. This kind of truly battery-less system may include a supercapacitor as the sole energy storage element to supply higher instantaneous power. This research focuses on optimising energy extraction from the harvester whilst minimising the power consumption in a power management circuitry. An analogue circuit utilising a modified fractional open circuit voltage method is fabricated on a breadboard. Performance of the circuit is evaluated by connecting to a piezoelectric harvester stimulated under ultralow frequencies of less than 10 Hz. Results show the maximum power point tracking efficiency reaching 95.9% at the stimulation frequency of 0.9 Hz. The power consumption of the circuitry is estimated to be 13.96 µW, inducing an end-to-end efficiency of 29.4%. The results indicate potentials for further improvement of the power consumption and end-to-end efficiency. Miniaturisation will be followed as a future work by printed circuit board (PCB) prototype fabrication.

Langattomien esineiden internet (engl. Internet of Things, lyh. IoT) -järjestelmien nopea kehitys tuo mukanaan sekä mahdollisuuksia että haasteita. Yksi haasteista aiheutuu lisääntyneestä tehontarpeesta, joka katetaan yleensä paristoilla tai akuilla. Paristojen ja akkujen perustavanlaatuinen haittapuoli on se, että kun ne ovat tyhjentyneet, tarvitaan ihminen joko vaihtamaan paristo tai lataamaan akku. Energian kerääminen voi kyetä ratkaisemaan tämän ongelman. Alhaisen virrankulutuksen omaava IoT-järjestelmä voisi optimaalisessa tapauksessa toimia ikuisesti energiankeräimen avulla. Tämänkaltainen todella paristoton ja akuton järjestelmä voi sisältää superkondensaattorin, joka toimii järjestelmän ainoana energian varastointielementtinä ja toimittaa suurempaa hetkellistä tehoa. Tämä tutkimus keskittyy energian talteenoton optimointiin energiankeräimestä samalla kun tehonhallintapiirin virrankulutus minimoidaan. Työssä valmistetaan koekytkentälevylle analogiapiiri, joka hyödyntää muokattua fraktionaalista avoimen piirin jännite -menetelmää. Piirin suorituskykyä arvioidaan kytkemällä se pietsosähköiseen energiankeräimeen, jota stimuloidaan erittäin matalilla, alle 10 Hz:n taajuuksilla. Tulokset osoittavat, että hyötysuhde maksimaalisen tehopisteen seurannalle (engl. maximum power point tracking, lyh. MPPT) 0,9 Hz:n stimulointitaajuudella saavuttaa 95,9 %. Piirin virrankulutuksen arvioidaan olevan 13,96 µW, mikä johtaa 29,4 % päästä päähän -hyötysuhteeseen. Tulokset viittaavat siihen, että virrankulutuksessa ja päästä päähän -hyötysuhteessa on parantamisen varaa. Jatkotutkimuksena piiri pienennetään valmistamalla prototyyppipiirilevy.