Analysis of energy harvester circuit for a thermoelectric energy harvesting system (TEHs) at asphalt pavement

• Autorzy: Zulkifli Anis Najibah , Khamil Khairun Nisa , Yusop Azdiana Md , Isa Ahmad Nizam

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.10.12

Warianty tytułu

PL

Analiza obwodu zbierania energii dla systemu pozyskiwania energii termoelektrycznej (TEH) na nawierzchni asfaltowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The overriding challenge of our time is manifold from climate change, global energy shortages, and even environmental pollution. The search for renewable energy sources that are economical, efficient, and clean is vital. For this purpose, industries have looked at the environmentally friendly usage of renewable energy from many angles including in pavement harvesting. Choosing the right power management circuit for harvesting energy with a thermoelectric generator is an important element. However, most of the energy harvesting (EH) circuits on the market are typically designed to meet solar harvesting applications. Commercial EH circuits typically have an MPPT ratio of 0.7-0.85 for PV cells and 0.5 for TEG. As a result, if it is used with a thermoelectric source, a stable output cannot be obtained. Therefore, this project aims to analyze, an EH circuit that is designed for thermoelectric energy harvesting on asphalt pavement and to analyze the cold-start performance of the power management circuit. To confirm the feasibility of the energy harvesting project with a thermoelectric generator, the project has been tested in the laboratory with asphalt pavement. Based on the result simulation, IC SPV1050 is able to fully charge to 4V between 3 to 8s. However, LTC3105 is able to charge faster than SPV1050 between 0.19s to 0.21s but is only able to reach 2.4 V. However, the results in laboratory experiment show SPV1050 is able to charge 4.1 V for about 1 hour, while LTC3105 unable to charge to 44 mV. These results show that ICs with a charge pump type of cold start are able to boost and charge the voltage much faster than the transformer type. In conclusion, the difference in IC energy harvesting in terms of cold start, component use, technical issues from the circuit board and etc can influence the desired voltage reading and make the charging process faster to help increase the performance of the power management circuit.

PL

Nadrzędne wyzwania naszych czasów obejmują zmiany klimatu, globalne niedobory energii, a nawet zanieczyszczenie środowiska. Poszukiwanie odnawialnych źródeł energii, które są ekonomiczne, wydajne i czyste, ma kluczowe znaczenie. W tym celu przemysł przyjrzał się przyjaznemu dla środowiska wykorzystaniu energii odnawialnej pod wieloma kątami, w tym podczas zbierania plonów z chodników. Ważnym elementem jest wybór odpowiedniego obwodu zarządzania energią do pozyskiwania energii z generatora termoelektrycznego. Jednak większość obwodów do pozyskiwania energii (EH) dostępnych na rynku jest zwykle zaprojektowana do zastosowań związanych z pozyskiwaniem energii słonecznej. Komercyjne obwody EH mają zazwyczaj współczynnik MPPT wynoszący 0,7-0,85 dla ogniw fotowoltaicznych i 0,5 dla TEG. W rezultacie, jeśli jest używany ze źródłem termoelektrycznym, nie można uzyskać stabilnej mocy wyjściowej. Dlatego ten projekt ma na celu analizę obwodu EH, który jest przeznaczony do zbierania energii termoelektrycznej na nawierzchni asfaltowej oraz analizę wydajności zimnego rozruchu obwodu zarządzania energią. Aby potwierdzić wykonalność projektu pozyskiwania energii z generatora termoelektrycznego, projekt został przetestowany w laboratorium z nawierzchnią asfaltową. W oparciu o symulację wyników, IC SPV1050 jest w stanie w pełni naładować do 4 V w czasie od 3 do 8 sekund. Jednak LTC3105 może ładować się szybciej niż SPV1050 w czasie od 0,19 s do 0,21 s, ale jest w stanie osiągnąć tylko 2,4 V. Jednak wyniki eksperymentu laboratoryjnego pokazują, że SPV1050 jest w stanie ładować 4,1 V przez około 1 godzinę, podczas gdy LTC3105 nie może ładować do 44mV. Wyniki te pokazują, że układy scalone z zimnym rozruchem typu pompy ładującej są w stanie zwiększyć i naładować napięcie znacznie szybciej niż układy typu transformatorowego. Podsumowując, różnica w pozyskiwaniu energii przez układ scalony pod względem zimnego rozruchu, wykorzystania komponentów, problemów technicznych z płytką drukowaną itp. może wpłynąć na pożądany odczyt napięcia i przyspieszyć proces ładowania, aby pomóc zwiększyć wydajność obwodu zarządzania energią.

Słowa kluczowe

EN

energy harvester circuit; asphalt pavement; thermoelectric harvesting; SPV1050; LTC3105

PL

obwód zbierania energii; nawierzchnia asfaltowa; zbieranie termoelektryczne; SPV1050; LTC3105

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 10
• Strony: 60--66
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zulkifli Anis Najibah

• Advanced Sensors and Embedded Systems (ASECs), Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer (FKEKK), Universiti Teknikal Malaysia Melaka (UTeM), Hospital Melaka, Jalan Mufti Haji Khalil, 75400, Melaka

autor

Khamil Khairun Nisa

• Advanced Sensors and Embedded Systems (ASECs), Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer (FKEKK), Universiti Teknikal Malaysia Melaka (UTeM), Hospital Melaka, Jalan Mufti Haji Khalil, 75400, Melaka

autor

Yusop Azdiana Md

• Advanced Sensors and Embedded Systems (ASECs), Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer (FKEKK), Universiti Teknikal Malaysia Melaka (UTeM), Hospital Melaka, Jalan Mufti Haji Khalil, 75400, Melaka

autor

Isa Ahmad Nizam

• Hospital Melaka, Jalan Mufti Haji Khalil, 75400, Melaka

Bibliografia

• 1. N. Jaziri, A. Boughamoura, J. Müller, B. Mezghani, F. Tounsi, and M. Ismail, “A comprehensive review of Thermoelectric Generators: Technologies and common applications”, Energy Reports, vol. 6, pp. 264–287, 2020, doi: 10.1016/j.egyr.2019.12.011.
• 2. S. B. Riffat and X. Ma, “Thermoelectrics: a review of present and potential applications”, Appl Therm Eng, vol. 23, no. 8, pp. 913–935, Jun. 2003, doi: 10.1016/S1359-4311(03)00012-7.
• 3. S. Twaha, J. Zhu, and Y. Yan, “Power conditioning of thermoelectric generated power using dc-dc converters: a case study of a boost converter”, International Heat Transfer Symposium 2016, University of Nottingham-UK, 2016, [Online]. Available: http://eprints.nottingham.ac.uk/id/eprint/34193
• 4. L. Kütt, J. Millar, A. Karttunen, M. Lehtonen, and M. Karppinen, “Thermoelectric applications for energy harvesting in domestic applications and micro-production units. Part I: Thermoelectric concepts, domestic boilers and biomass stoves”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 98, no. March 2017, pp. 519–544, 2018, doi: 10.1016/j.rser.2017.03.051
• 5. Darmansyah and I. Robandi, “Intelligent Voltage Controller Based on Fuzzy Logic for DC-DC Boost Converter”, Prz. Elektrotechniczny, vol. 98, no. 9, pp. 36–39, 2022, doi: 10.15199/48.2022.09.07.
• 6. A. Zouggaret et al., “An Efficient Fuel Cell Maximum Power Point Tracker based on an Adaptive Neural Fuzzy Inference System”, Prz. Elektrotechniczny, vol. 99, no. 2, pp. 135–139, 2023, doi: 10.15199/48.2023.02.23
• 7. F. A. Pamuji et al., “Design and Implementation of MPPT Fuzzy Logic Controller for Inverter Connected to Water Pump”, Prz. Elektrotechniczny, vol. 98, no. 8, pp. 146–153, 2022, doi: 10.15199/48.2022.08.27.
• 8. A. Scheidl and P. P. Pott, “Energy harvesting in and on the human body”, GMM-Fachberichte, vol. 2021-Febru, no. 98, pp. 137–140, 2021
• 9. S. Bose, T. Anand, and M. L. Johnston, “Integrated Cold-Start of a Boost Converter at 57mV using Cross-Coupled Complementary Charge Pumps and Ultra-Low-Voltage Ring Oscillator”, IEEE J Solid-State Circuits, vol. 54, no. 10, p. 2867, Oct. 2019, doi: 10.1109/JSSC.2019.2930911
• 10. K. Yahya, M. Salem, N. Iqteit, and S. Ahmad Khan, “A Thermoelectric Energy Harvesting System”, Renewable Energy - Resources, Challenges and Applications, no. September, 2020, doi: 10.5772/intechopen.92088
• 11. G. Rohit, D. Manaswini, V. Kotebavi, and S. R. Nagaraja, “Performance study of thermo-electric generator”, in AIP Conference Proceedings, Jul. 2017, vol. 1859. doi: 10.1063/1.4990247
• 12. Spv, “Ultralow power energy harvester and battery charger VFQFPN 3 x 3 x 1 mm 20L Die form”, no. May, pp. 1–36, 2018
• 13. L. Technology Corporation, “LTC3105 - 400mA Step-Up DC/DC Converter with Maximum Power Point Control and 250mV Start-Up”. [Online]. Available: www.linear.com/LTC3105
• 14. K. N. Khamil, M. F. Mohd Sabri, and A. M. Yusop, “Thermoelectric energy harvesting system (TEHs) at asphalt pavement with a subterranean cooling method”, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects, vol. 00, no. 00, pp. 1–17, 2020, doi: 10.1080/15567036.2020.1785057.
• 15. K. N. Khamil, M. F. M. Sabri, A. M. Yusop, and M. S. Sharuddin, “An evalyuation of TEC and TEG characterization for a road thermal energy harvesting”, in Proceedings - 6th International Conference on Sustainable Energy Engineering and Application, ICSEEA 2018, Jan. 2019, pp. 86–91. doi: 10.1109/ICSEEA.2018.8627113
• 16. A. M. Yusop, R. Mohamed, A. Ayob, and A. Mohamed, “Dynamic modeling and simulation of a thermoelectric-solar hybrid energy system using an inverse dynamic analysis input shaper”, Modelling and Simulation in Engineering, vol. 2014, 2014, doi: 10.1155/2014/376781.
• 17. K. N. Khamil, A. N. Isa, A. M. Yusop, and M. F. Mohd Sabri, “Influence of conduction shape factor in subterranean cooling for a thermoelectric energy harvesting system at asphalt pavement: An experimental investigation”, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects, 2021, doi: 10.1080/15567036.2021.1967515
• 18. B. Colorado and M. Anh Nguyen, “Pspice Tutorial Class: Power Electronic 2 (EE563)”
• 19. Y. Lee, S. E. Kim, S. J. Song, J. K. Kim, S. Kim, and H. J. Yoo, “A regulated charge pump with small ripple voltage and fast start-up”, IEEE J Solid-State Circuits, vol. 41, no. 2, pp. 425– 432, 2006, doi: 10.1109/JSSC.2005.862340.
• 20. K. N. Khamil, M. F. Mohd Sabri, A. Md Yusop, F. A. Z. Mohd Sa’at, and A. N. Isa, “High cooling performances of H-shape heat sink for thermoelectric energy harvesting system (TEHs) at asphalt pavement”, Int J Energy Res, vol. 45, no. 2, pp. 3242–3256, 2021, doi: 10.1002/er.6021
• 21. G. Raghavendra and A. Professor, “Supercapacitor Power Managmenent Using Boost Converter Renewable Energy Fed DC Motor”, Int J Sci Eng Res, vol. 8, no. 6, 2017, [Online]. Available: http://www.ijser.org
• 22. B. P. Jason Lee, G. Product Manager, and E. Jason, “Ensure Trouble-Free Supercapacitor Operation with Proper Component Selection Process
• 23. S. Abdelaziz, A. G. Radwan, A. Eladawy, A. N. Mohieldin, and A. M. Soliman, “A low start-up voltage charge pump for energy harvesting applications”, in International Conference on Engineering and Technology, ICET 2012 - Conference Booklet, 2012. doi: 10.1109/ICEngTechnol.2012.6396153
• 24. H. Peng, N. Tang, Y. Yang, and D. Heo, “CMOS startup charge pump with body bias and backward control for energy harvesting step-up converters”, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 61, no. 6, pp. 1618–1628, 2014, doi: 10.1109/TCSI.2013.2290823

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).