Contributions to the design of energy harvesting systems for autonomous sensors in low power marine applications

Abstract

Oceanographic sensor platforms provide biological and meteorological data to help understand changes in marine environment and help to preserve it. Lagrangian drifters are autonomous passive floating platforms used in climate research to obtain surface marine data. They are low-cost, versatile, easy-to-deploy and can cover large extensions of the ocean when deployed in group. These deployments can last for years, so one of the main design challenges is the autonomy of the drifter. Several energy harvesting (EH) sources are being explored to reduce costs in battery replacement maintenance efforts such as solar panels. Drifters must avoid the impact of the wind because this may compromise proper surface current tracking and therefore, should ideally be mostly submerged. This interferes with the feasibility of solar harvesting, so other EH sources are being explored such as the oscillatory movement of the drifter caused by ocean waves. Wave energy converters (WEC) are the devices that turn this movement into energy. The motion of the drifter can principally be described by 3 oscillatory degrees of freedom (DoF); surge, heave and pitch. The heave motion includes the buoyancy’s response of the drifter, which can be explained by a mass-spring-damping model. By including the wave’s hydrodynamic load in this model, it is converted into a nonlinear system whose frequency response includes the wave’s frequency and the natural frequencies from the linear system. A smart option to maximize the captured energy is to design the inner WEC with a natural frequency similar to that of the drifter's movement. In this thesis, a 4 DoF model is obtained. This model includes the heave, the surge and the pitch motion of the drifter in addition to the inner pendulum motion relative to the buoy. Simultaneously, different pendulum-type WECs for small-size oceanic drifters are proposed. One of these converters consists of an articulated double-pendulum arm with a proof mass that generates energy through its relative motion with the buoy. Different experimental tests are carried out, with a prototype below 10 cm in diameter and 300 g of total mass, proving the capability of harvesting hundreds of microwatts in standard sea conditions EH sources require an additional power management unit (PMU) to convert their variable output into a constant and clean source to be able to feed the sensor electronics. PMUs should also ensure that the maximum available energy is harvested with a maximum power point tracking (MPPT) algorithm. Some sources, such as WECs, require fast MPPT as its output can show relatively rapid variations. However, increasing the sampling rate may reduce the harvested energy. In this thesis, this trade-off is analyzed using the resistor-based fractional open circuit voltage-MPPT technique, which is appropriate for low-power EH sources. Several experiments carried out in marine environments demonstrate the need for increasing the sampling rate. For this purpose, the use of a commercial PMU IC with additional low-power circuitry is proposed. Three novel circuits with a sampling period of 60 ms are manufactured and experimentally evaluated with a small-scale and low-power WEC. Results show that these configurations improve the harvested energy by 26% in comparison to slow sampling rate configurations. Finally, an EH-powered oceanographic monitoring system with a custom wave measuring algorithm is designed. By using the energy collected by a small-size WEC, this system is capable of transmitting up to 22 messages per day containing data on its location and measured wave parameters.

Les plataformes d’observació oceanogràfiques integren sensors que proporcionen dades físiques i biogeoquímiques de l’oceà que ajuden a entendre canvis en l’entorn marí. Un exemple d’aquestes plataformes són les boies de deriva (drifters), que són dispositius autònoms i passius utilitzats en l’àmbit de la recerca climàtica per obtenir dades in-situ de la superfície marina. Aquests instruments són de baix cost, versàtils, fàcils de desplegar i poden cobrir grans superfícies quan s’utilitzen en grup. L’autonomia és un dels principals desafiaments en el disseny de drifters. Per tal d’evitar els costos en la substitució de bateries, s’estudien diferents fonts de captació d’energia com per exemple la solar. Els drifters utilitzats per l’estudi dels corrents marins superficials han d’evitar l’impacte directe del vent ja que afecta al correcte seguiment de les corrents i, per tant, cal que estiguin majoritàriament submergides. Això compromet la viabilitat de l’energia solar, fet que requereix l’estudi d’altres fonts de captació com el propi moviment de la boia causat per les onades. Els convertidors d’energia de les onades (WEC, wave energy converters) compleixen aquesta funció. El moviment dels drifters pot explicar-se bàsicament a través de 3 graus de llibertat oscil·latoris: la translació vertical i la horitzontal i el balanceig. La translació vertical inclou la flotabilitat del dispositiu, que es pot descriure mitjançant el model massamolla- amortidor. Incloure la càrrega hidrodinàmica de l’onada en aquest model el converteix en un sistema no lineal amb una resposta freqüencial que inclou la de l’onada i les naturals del sistema lineal. Una opció per maximitzar l’energia captada és dissenyar el WEC amb una freqüència natural similar a la del moviment de la boia. En aquesta tesis es proposa un model de 4 graus de llibertat per a l’estudi del moviment del drifter. Aquest inclou els 3 graus de llibertat de la boia i el moviment del pèndul relatiu a ella. En paral·lel, es proposen diferents WEC del tipus pendular per drifters de reduïdes dimensions. Un d’aquests WEC consisteix en un doble braç articulat amb massa flotant que genera energia a través del seu moviment relatiu al drifter. S’han dut a terme diferents proves experimentals amb un prototip inferior a 10 cm de diàmetre i 300 g de massa, les quals demostren la seva capacitat de captar centenars de microwatts en condicions marines estàndard. Utilitzar fonts de captació d’energia requereix incloure una unitat gestora de potència (PMU, power management unit) per tal de convertir la seva sortida variable en una font constant i neta que alimenti l’electrònica dels sensors. Les PMU també tenen la funció d’assegurar que es recull la màxima energia mitjançant un algoritme de seguiment del punt de màxima potència. Els WEC requereixen un seguiment d’aquest punt ràpid perquè la seva sortida consta de variacions relativament ràpides. Tanmateix, augmentar la freqüència de mostreig pot reduir l’energia captada. En aquesta tesi, s'analitza a fons aquesta relació utilitzant la tècnica de seguiment de la tensió en circuit obert fraccionada basada en resistències, que és molt adequada per a fonts de baixa potència. Diversos experiments realitzats en el medi marí mostren la necessitat d'augmentar la freqüència de mostreig, així que es proposa l'ús de PMU comercials amb una electrònica addicional de baix consum. S’han fabricat tres circuits diferents amb un període de mostreig de 60 ms i s’han avaluat experimentalment en un WEC de reduïdes dimensions. Els resultats mostren que aquestes configuracions milloren l'energia recollida en un 26% en comparació a PMU amb mostreig més lent. Finalment, s’ha dissenyat un sistema autònom de monitorització marina que inclou un algoritme de mesura d'ones propi. Aquest sistema és capaç de transmetre fins a 22 missatges al dia