Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/13098
Files in This Item:
File Description SizeFormat 
victorfernandes.pdf147.58 MBAdobe PDFView/Open
Type: Tese
Title: Energy harvesting in electric power systems
Author: Fernandes, Victor
First Advisor: Ribeiro, Moisés Vidal
Referee Member: Uchôa-Filho, Bartolomeu Ferreira
Referee Member: Andrade Filho, uciano Manhães de
Referee Member: Silva, Leandro Rodrigues Manso
Resumo: Esta tese investiga a colheita de energia (do inglês,energy harvesting) (EH) em sistemaselétricos de potência e a sua utilidade para alimentar sistemas híbridos de comunicações dedados, baseados na combinação de sistemas de comunicações via rede de energia elétrica(do inglês,power line communication) (PLC) e comunicações sem fio (do inglês,wirelesscommunication) (WLC). Neste contexto, são discutidos aspectos gerais do EH em sistemaselétricos de potência, destacando as vantagens e desvantagens da colheita de energia com baseem classificações típicas dos sistemas elétricos de potência em termos dos níveis de tensão edas bandas de frequência do conteúdo espectral dos sinais elétricos. Primeiro, a energia colhidaé avaliada quantitativamente na configuração concatenada de canais banda larga PLC e WLC,na combinação paralela de canais banda estreita PLC e WLC, e nas principais componentesharmônicas dos sinais elétricos. Em segundo lugar, o uso da energia colhida para fins decomunicação de dados é avaliado em termos de taxas de dados alcançáveis ergódicas dessescanais, e o número de transceptores alimentados com essa energia é estimado para cinco padrõesde comunicação de dados comumente adotados por dispositivos de comunicação de dados debaixa potência. Com base em um conjunto de dados medidos em instalações residenciais, asanálises numéricas mostraram que a energia colhida dos distúrbios existentes em sinais elétricosna banda de frequência delimitada pela tecnologia PLC bandalarga é uma parte considerávelda quantidade de energia colhida total. Também, as comunicações de dados baseadas em EHatingiram taxas de dados alcançáveis ergódicas de dezenas de bps ou kbps a dezenas de Mbps,dependendo do uso de canais banda estreita ou banda larga. Além disso, esta tese aborda umanova formulação matemática para quantificar com precisão o EH da potência desperdiçada emsinais elétricos e estende essa formulação para a potência colhida. Neste contexto, mostra-se que a dinâmica da energia desperdiçada das principais componentes harmônicas dos sinaiselétricos em uma instalação predial pode ser considerada umprocesso aleatório cicloestacionárioe estacionário nos dias úteis e fins de semana, respectivamente. Também, estima-se que milhões,ou mesmo bilhões, de transceptores podem ser alimentados por meio da potência colhida dosdistúrbios em sinais elétricos dos sistemas elétricos de potência brasileiros e, ao mesmo tempo,são esperados impactos positivos na qualidade de energia desses sistemas. Finalmente, a energiados distúrbios em sinais elétricos na banda de frequência dequalquer tecnologia PLC tem umenorme potencial para alimentar dispositivos de comunicação de dados de baixa potência, taiscomo os utilizados na Internet das Coisas, redes inteligentes e Indústria 4.0.
Abstract: This dissertation investigates the energy harvesting (EH)in electric power systems and itsusefulness to power hybrid data communication systems, based on the combination of powerline communication (PLC) and wireless communication (WLC)ones. In this context, generalaspects of EH in electric power systems are discussed,highlighting the advantages and drawbacksof harvesting energy based on typical classifications of theelectric power systems in terms ofvoltage levels and on the frequency bands of the spectrum content of electric signals. First,the harvested energy is quantitatively evaluated in the concatenated configuration of broadbandPLC and WLC channels, in the parallel combination of narrowband PLC and WLC channels,and in the main harmonic components of electric signals. Second, the use of the harvestedenergy for data communication purposes is evaluated in terms of ergodic achievable data ratesof these channels, and the number of transceivers powered bythis energy is estimated for fivedata communication standards commonly adopted by low-power data communication devices.Based on an in-home measured data set, numerical analyses showed that the energy harvestedfrom the disturbances in electric signals on the frequency band delimited by the broadband PLCtechnology is a remarkable part of the amount of the total harvested energy. Also, EH-based datacommunications attained ergodic achievable data rates from dozens of bps or kbps to dozens ofMbps, depending on the use of narrowband or broadband channels. Moreover, this dissertationaddresses a novel mathematical formulation to precisely quantify the EH from wasted power inelectric signals and extends this formulation to the harvested power. In this context, it shows thatthe wasted energy dynamic of the main harmonic components ofelectric signals in a buildingfacility can be considered cyclostationary and stationaryrandom processes on the weekdaysand weekends, respectively. As well, it estimates that millions, or even billions, of transceiverscan be powered by means of the harvested power from disturbances in electric signals of theBrazilian electric power systems and, at the same time, positive impacts are expected in thepower quality of these systems. Finally, the energy of disturbances in electric signals on thefrequency band of any PLC technology has tremendous potential for feeding up low-power datacommunication devices such as the ones in the Internet of Things, smart grids, and Industry 4.0.
Keywords: Colheita de energia
Comunicações via rede de energia elétrica
Comunicaçõessem fio
Sistema elétrico de potência
Internet das coisas
Energy harvesting
Power line communication
Wireless communication
Electricpower system
Internet of things
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2021/00027
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/13098
Issue Date: 28-May-2021
Appears in Collections:Doutorado em Engenharia Elétrica (Teses)



This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons