Analysis and performance comparison of different energy harvesters to power supply wireless sensor nodes

The sustainable operation of battery-powered wireless embedded systems (such as sensor nodes) is a crucial challenge, and considerable research has been devoted to the energy optimization of such systems. Environmental energy harvesting, particularly solar-based, has appeared as a feasible approach to augment battery supplies. However, designing an efficient solar harvesting system to recognize the potential benefits of energy harvesting demands an in-depth understanding of several factors. For example, solar energy supply is high time-varying and may not permanently be sufficient to power the embedded system. Additionally, harvesting components, such as solar panels, thermoelectric generator and energy storage elements, such as batteries or ultracapacitors, have various voltage-current characteristics, which must be fitted to each other, and the system's energy needs to maximize harvesting efficiency. Also, battery nonidealities, such as self-discharge and round-trip efficiency, straight impact energy usage and storage decisions. The ability of the system to modulate its power consumption by selectively deactivating its sub-components also impacts the overall power management architecture. Also, thermoelectric generator (TEG) systems' application in waste heat recovery has attracted more attention. In this work, the effect of interfacial heat transfer on the performance of the TEG module was experimentally and numerically investigated. In addition, the open-circuit voltage, output power, and thermal interfacial resistance of different TEGs were also estimated in various experimental situations. As a result, it was found that the execution of the TEG module could be significantly improved by matching the hot plate with the hot side of thermoelectric generators to make the temperature of the cold side constant. In addition, maximum power point (MPP) tracking is a technique to maximize the amount of power harvested from energy transducers such as solar cells and thermoelectric generators. However, MPP tracking presents new design challenges when used in micro-scale energy harvesting systems, where the area dedicated to solar cells is negligible. Hence, the power output is in the range of a few mW. This paper provides an overview of several low-overhead MPP tracking approaches that are attractive for micro-scale solar energy harvesting. These include: the open-circuit voltage and short-circuit current methods.

Il funzionamento sostenibile dei sistemi incorporati wireless alimentati a batteria (come i nodi dei sensori) è una sfida cruciale e sono state dedicate notevoli ricerche all'ottimizzazione energetica di tali sistemi. La raccolta di energia ambientale, in particolare quella solare, è apparsa come un approccio fattibile per aumentare le forniture di batterie. Tuttavia, la progettazione di un sistema di raccolta solare efficiente per riconoscere i potenziali vantaggi della raccolta di energia richiede una comprensione approfondita di diversi fattori. Ad esempio, la fornitura di energia solare è molto variabile nel tempo e potrebbe non essere permanentemente sufficiente per alimentare il sistema integrato. Inoltre, i componenti di raccolta, come i pannelli solari, il generatore termoelettrico e gli elementi di accumulo di energia, come le batterie o gli ultracondensatori, hanno diverse caratteristiche di tensione-corrente, che devono essere adattate l'una all'altra, e il fabbisogno energetico del sistema per massimizzare l'efficienza di raccolta. Inoltre, le non ideali della batteria, come l'autoscarica e l'efficienza di andata e ritorno, l'impatto diretto sull'utilizzo dell'energia e le decisioni di stoccaggio. La capacità del sistema di modulare il proprio consumo energetico disattivando selettivamente i suoi sottocomponenti influisce anche sull'architettura complessiva di gestione dell'alimentazione. Inoltre, l'applicazione dei sistemi di generatori termoelettrici (TEG) nel recupero del calore residuo ha attirato maggiore attenzione. In questo lavoro, l'effetto del trasferimento di calore interfacciale sulle prestazioni del modulo TEG è stato studiato sperimentalmente e numericamente. Inoltre, in varie situazioni sperimentali sono state stimate anche la tensione a circuito aperto, la potenza di uscita e la resistenza interfacciale termica di diversi TEG. Di conseguenza, è stato riscontrato che l'esecuzione del modulo TEG potrebbe essere notevolmente migliorata abbinando la piastra calda con il lato caldo dei generatori termoelettrici per rendere costante la temperatura del lato freddo. Inoltre, l'inseguimento del punto di massima potenza (MPP) è una tecnica per massimizzare la quantità di energia raccolta da trasduttori di energia come celle solari e generatori termoelettrici. Tuttavia, il tracciamento MPP presenta nuove sfide progettuali se utilizzato in sistemi di raccolta di energia su microscala, dove l'area dedicata alle celle solari è trascurabile. Quindi, la potenza in uscita è nell'intervallo di pochi mW. Questo documento fornisce una panoramica di diversi approcci di tracciamento MPP a basso sovraccarico che sono interessanti per la raccolta di energia solare su microscala. Questi includono: i metodi della tensione a circuito aperto e della corrente di cortocircuito.