Conjoined piezoelectric harvesters and carbon supercapacitors for powering intelligent wireless sensors

To achieve total freedom of location for intelligent wireless sensors (IWS), these need to be autonomous. To achivethis today there is a need of broadband piezoelectric energy harvesting and a long-lasting energy. The Harvester needto be able to provide sufficient amount of energy for the intelligent wireless sensor to perform its task. The energystorage needs to fulfill the requirement of a large number of charge discharge cycles and contain sufficient power forthe intelligent wireless sensor.The biggest issue with piezoelectric energy harvesting today is the bandwidth limitation. Solutions today to achievelarger bandwidth make a tradeoff where the output is decreased. The biggest issue for energy storage today is thelimitation of energy density for supercapacitors and the lack of sufficient life cycles for batteries.This thesis aims to realize piezoelectric energy harvesters with broad bandwidth and maintained power output.Moreover, for energy storage in the form of supercapacitors realize an electrode material that has a high effectivesurface area, good conductivity not dependent on a conductive agent and can be used without a binder. This thesiscover background and history of the two fields, discussion of technologies used and presents solutions for piezoelectricenergy harvesting and carbon based supercapacitor storage.A Backfolded piezoelectric harvester was made of two conjoined piezoelectric cantilevers, one placed on top of abottom cantilever. By the backfolded design this thesis show that by utilizing the extended stress distribution of thebottom cantilever a maintained power output is achieved for both output peaks. By introducing asymmetry where thetop cantilever have 80% length compared with the bottom cantilever the bandwidth was increased. An effectivebandwidth of 70 Hz with voltage output above 2,75 V for 1 g is achieved.To achieve further enhanced bandwidth a piezoelectric energy harvester with selftuning was designed. Theselftuning was achieved by a sliding mass on a beam, which is conjoined, to two piezoelectric cantilevers in abackfolded structure. By introducing length asymmetry, the effective bandwidth was enhanced to 38 Hz with a poweroutput above 15 mW, for 1 g, which is sufficient for an intelligent wireless sensor to start up and transmit data.To utilize the positive output effect from conjoined cantielvers a micro harvester was fabricated. The design wasbased on the same principle as for the backfolded, but for fabrication reasons the design was made in one plane. Theharvester contain two outer cantilevers conjoined to a backfolded middle cantilever. Due to fabrication difficulties,only a mechanical characterization of the harvester was possible. The result from the characterization looks promisingfrom a harvesting point of view, by showing a clear peak that seems to be somewhat broadband.Energy storage for an autonomous wireless intelligent sensor (IWS) needs to be able to charge and discharge duringthe lifetime of the IWS. Therefor the choice fell on supercapacitors instead of batteries. Over time the supercapacitordue to its superior amount of charge and discharge cycles, outperform a battery when energy density is compared.Increasing the energy density for supercapacitors gives the advantage to prolong the providing of power to theIWS. One such electrode material is conjoined carbon nanofibers and carbon nanotubes. The material is not dependenton conductive agents or binders. The effective surface area can be expanded through a denser structure of CNF, wheremore CNT can grow. In combination with activation, which will yield more micropores, hence an increasedcapacitance for the presented synthesized material yielded 91 F/g with an effective surface area of 131 m2.There is many challenges to power an IWS on a gasturbine. This thesis cover challenges like vibrations on cables,placement issues and the charge of a supercapacitor by harvested energy that comes in small chunks. Solutions forthese challenges are offered.The presented work in this thesis shows how the bandwidth for piezoelectric energy harvesters can be broader byasymmetric implementation of conjoined resonators. In addition, the advantages of conjoined carbon electrodematerials to be implemented as electrode material in supercapacitors. Both harvester and storage are intended to beused as energy sources for intelligent wireless sensors

Analytic modeling of a high temperature thermoelectric module for wireless sensors

A novel high temperature thermoelectric module with thermoelectric materials never before combined in a module is currently researched. The module placement in the cooling channels of a jet engine where the cold side will be cooled by high flow cooling air (550 degrees C) and the hot side will be at the wall (800 degrees C). The aim of the project is to drastically reduce the length of the wires by replacing wired sensors with wireless sensors and power these (3-10mW) with thermoelectric harvesters. To optimize the design for the temperature range and the environment an analytic model was constructed. Using known models for this purpose was not possible for this project, as many of the models have too many assumptions, e.g. that the temperature gradient is relatively low, that thick electrodes with very low resistance can be used, that the heat transfer through the base plates are perfect or that the aim of the design is to maximize the efficiency. The analytical model in this paper is a combination of several known models with the aim to examine what materials to use in this specific environment to achieve the highest possible specific power (mW/g)

Modelling and experimental verification of more efficient power harvesting by coupled piezoelectric cantilevers

A new piezoelectric energy harvester design is proposed in order to achieve a wider bandwidth without compromising energy conversion efficiency. By coupling two cantilevers where the tip of the bottom one is attached to the base of the upper one, the simulated harvester will have a wider bandwidth and higher power output compared with two simulated single tuned single cantilevers. This is a compact design, using only half the area compared to two parallel single cantilevers at the price of a small increase in height. The measured coupled harvester has approximately 1.7 times higher energy output than the combination of two measured tuned single cantilevers achieved by a coupling with less mechanical damping. With an improved coupling the power output is increased to 2.3 times higher than two single tuned cantilevers

Simulation of a Novel Bridge MEMS-PZT Energy Harvester for Tire Pressure System

Self-powering is becoming an important issue for autonomous sensor systems. By having an on-the-go power source the life span increases in comparison to a limited battery source. In this paper, simulation of an innovative design for a piezoelectric energy harvester for Tire Pressure Measurement System (TPMS) is presented. The MEMS-based thin-film PZT harvester structure is in the form of a bridge with a big central seismic mass and multiple electrodes. This design takes the advantage of the S-profile bending and a short beam length to concentrate the piezoelectric effect in a small segment along the beam and maximize the power output for a given displacement. From simulation in Comsol Multiphysics, the 9mm x 5mm bridge, seismic mass of 8.7mg and resonance frequency of 615Hz, generates 1 mu W by mechanical pulses excitation equivalent to driving at 60 km/h (roughly 180G)

Aplicação de BI no processo de recuperação de credito: um estudo de caso.

Este trabalho apresenta um estudo de caso de aplicação da tecnologia de Business Inteligence - BI em conjunto com o processo de planejamento estratégico de modo a proporcionar melhorias em processos operacionais e por sua vez ganhos financeiros. O trabalho baseou-se na aplicação de ferramentas de BI e algoritmos de processamento analítico em uma empresa que atua no mercado de cobrança. A análise do estudo de caso concentra-se em demonstrar os resultados operacionais e financeiros mais eficientes no que tange à cobrança de carteiras de clientes selecionados para os experimentos possibilitando o alcance de objetivos e metas organizacionai

Toward CMOS compatible wafer-scale fabrication of carbon-based microsupercapacitors for IoT

This work presents a wafer-scale method of microsupercapacitor (MSC) fabrication. Deposition of the electrode precursor, i.e. graphene oxide, is accomplished through spin-coating which allows for potential application in CMOS compatible processes for future integrated on-chip energy storage systems. Our MSCs have an areal capacitance of 0.4 mF/cm2at 10 μA, which is a very promising result. Further, the MSC has good rate capability as its capacitance decreases by only 0.03 mF/cm2when the current increases to 50 μA. The MSCs have a maximum energy density of 0.04 μWh/cm2and a maximum power density as high as 96 μW/cm2. Additionally, the wafer-scale process demonstrates industrial viability

Utegående nötkreatur och får

Detta yttrande har tillkommit efter en begäran från Jordbruksverket om sammanställning av forskning om faktorer som är viktiga för djurskyddet och djurvälfärden vid hållande av nötkreatur och får utomhus, med eller utan ligghall, i nordiskt klimat under den kalla årstiden då betestillväxt inte sker, s.k. utegångsdjur. Rådet konstaterar att det finns en betydligt större mängd vetenskaplig litteratur om nötkreatur än om får. Fullständiga och systematiska bedömningar av välfärden hos utegångsdjur förekommer knappast. Det finns också en del luckor i det vetenskapliga underlaget som visar på behov av ytterligare forskning. Utegångsdjur av både får och nötkreatur förekommer i stora delar av den tempererade världen som har vinter med kortare eller längre perioder med minusgrader och snö. Flera andra platser där utegångsdrift tillämpas, t.ex. norra USA, Kanada och Sydön på Nya Zeeland, har ett kallare och torrare vinterklimat än vad som är vanligt i södra och mellersta Sverige som i stället ofta har milda vintrar med fuktig väderlek. Nötkreatur och får som går utomhus påverkas av flera klimatfaktorer som definierar deras termiska närmiljö, främst temperatur, vindhastighet, nederbörd och solinstrålning. Det är svårt att ange vilken samlad effekt på djurvälfärden som olika kombinationer av dessa faktorer har under praktiska förhållanden vid utegång vintertid. Fuktig väderlek runt fryspunkten kan i kombination med stark vind vara mer påfrestande för djuren än lägre temperaturer vid torr väderlek utan vind. Den praktiska betydelsen av detta är dock sannolikt låg, om djuren har möjlighet att söka skydd. Blöt päls kan i kombination med stark vind orsaka stora värmeförluster, men utan vindpåverkan blir vinterpäls inte genomblöt av nederbörd och behåller därför en betydande del av sin värmeisolerande förmåga. En blöt liggyta ökar kroppens värmeförluster och åtminstone nötkreatur föredrar mjuka, torra och rena liggplatser. Det finns trots detta inte tillräckligt vetenskapligt stöd för att avgöra ifall sådana liggplatskvaliteter är helt nödvändiga för att uppnå en god djurvälfärd eller ej. För att hålla en jämn kroppstemperatur anpassar djuren sin fysiologi och sitt beteende varigenom värmeproduktionen och värmeförlusterna regleras. Om temperaturen underskrider den nedre kritiska temperaturen, kommer fysiologiska och beteendemässiga mekanismer att aktiveras för att öka värmeproduktionen och minska värmeavgivningen. Djuren huttrar, ökar sitt foderintag, söker lä, placerar sig från vindriktningen och utnyttjar värmestrålningen från andra djur. Nötkreatur tycks ha förmåga att lära sig att hitta och utnyttja olika mikroklimat i terrängen eller i skydd av andra djur. Den termoneutrala zonen påverkas av många djurspecifika faktorer såsom ras, ålder, hälsotillstånd, beteende och grad av tillvänjning, liksom av omständigheter i miljön såsom stark solinstrålning och blåst, liksom att pälsen förlorar delar av sin isolerande förmåga när den blir smutsig och blöt av gödsel, jord eller regn. Djuren kan även anpassa sig mer långsiktigt till klimatförhållandena genom att sätta eller tappa päls och genom att förändra sin hormoninsöndring och ämnesomsättning så att den termoneutrala zonen förskjuts. Det finns husdjursraser som särskilt har utvecklat förmågan att hantera kallt respektive varmt klimat, t.ex. genom att ansätta kroppsfett. Det är osannolikt att vuxna utegående nötkreatur och får hamnar utanför sin termoneutrala zon så länge de är torra, i god kondition, har tillräckligt med foder och ges möjlighet att vänja sig gradvis vid klimatet, eftersom deras metaboliska förmåga är tillräcklig för att bibehålla värmebalansen. Djurens överskottsvärme bidrar till att blöt päls torkar. Nyfödda djur (sannolikt upp till ett par veckors ålder) är dock känsligare, 6 liksom sjuka djur och djur i dålig kondition. Kalvnings- och lamningssäsongen för utegående djur bör därför förläggas utanför den kallaste delen av året, och sjuka djur kan behöva tas inomhus. Markförhållandena behöver beaktas så att djuren har tillgång till en bärande markyta utan synliga vattensamlingar. När det inte är betessäsong är det viktigt att marken bär på ytor där djuren vistas en stor del av tiden. Vid hög beläggning ökar djurens tramp och gödsel belastningen på mark och vegetation. Resurser som foder, vatten och konstruerade skydd kan behöva placeras på dränerad markyta eller flyttas då och då för att undvika upptrampade, smutsiga och halkiga förhållanden. För att djuren inte ska vara långvarigt blöta och förlora extra värme behövs tillgång till något slags skydd mot regn och hård vind. Behovet av konstruerade skydd är dock oklart och beror sannolikt på individuella djurfaktorer, klimatförhållanden och förekomst av naturliga skydd, främst vegetation och terrängformationer. Det har inte visats att konstruerade skydd överlag skulle vara bättre för djurens välfärd än naturliga skydd, om sådana finns tillgängliga för samtliga djur i flocken, eller att djurens beteende skulle vara mycket annorlunda med tillgång till konstruerat vindskydd än med naturliga skydd. Effekten av konstruerade skydd är i hög grad beroende av att de utformas och placeras korrekt. Användning av konstruerade skydd kan innebära ökat markslitage, större gödselbelastning och sämre renhet hos djuren, i de fall det leder till en större koncentration av djur på en begränsad yta. Även i anslutning till naturliga skydd kan motsvarande problem ses, om djuren koncentreras till liten yta. Husdjur är motiverade till rörelse och möjligheter att röra sig förbättrar deras välfärd. Djur som hålls frigående har ett större energibehov än djur med begränsad rörelsefrihet. Foderbehovet vid kalla förhållanden påverkas av den termiska närmiljön och djurens nedre kritiska temperatur. Utfodringen bör ske avskilt från liggplatsen för att minska belastningen av gödsel, urin och tramp där djuren ska ligga. Om fodertillgången är begränsad vid låga temperaturer kan djuren ändå öka sin värmeproduktion på bekostnad av tillväxt av kroppsvävnad eller mjölkproduktion. Vid låga temperaturer är vattenförlusterna genom avdunstning och behovet av vatten för att täcka dessa lägre. Behovet av dricksvatten kan under vissa förhållanden täckas genom intag av snö, men välfärdskonsekvenserna är inte helt utredda och därtill behöver snöns hygieniska kvalitet beaktas. Utegående djur kan i vissa områden utsättas för rovdjursangrepp. Det finns begränsat med belägg för effektiviteten hos olika rovdjurssäkrande åtgärder. Utegång minskar i allmänhet risken för klövsjukdomar och ektoparasiter, samt förbättrar djurvälfärden på flera sätt. Klövspaltinflammation, klöveksem, digital dermatit och klövröta orsakas av en kombination av bakteriell smitta och en fuktig och smutsig närmiljö. Angrepp av löss är vanligt i svenska besättningar av nötkreatur och får över hela landet och kan orsaka klåda och håravfall, vilket kan sätta ner djurens välfärd. Lössen trivs bra där det är fuktigt ochvarmt och gynnas av lång och tjock päls, liksom av att djuren håller sig nära varandra. Det är vanligare med löss på stall än utomhus. Det är olämpligt att massbehandla utegående djur med håravfall rutinmässigt mot löss utan att först säkerställa diagnosen, eftersom det ökar risken för resistensproblem och kan skada mikrofaunan i djurens spillning. Smittsamma sjukdomar kan härbärgeras och spridas av vilda djur och överföras till utegående husdjur genom direkt eller indirekt kontakt. 7 Ett gott förhållande mellan människa och djur är ett allmänt accepterat kriterium för gott djurskydd. En god skötare behöver förstå principerna för effektiv djurhantering och ha en positiv inställning till djuren. Lantbruksdjur kan vänjas vid hantering och transport. Att hålla nötkreatur och får utomhus året om, t.ex. i ranchdrift eller andra extensiva system, innebär vanligtvis en minskning av kontakten mellan människa och djur. Ovana vid hantering medför en ökad risk att djuren blir mer skygga och kan bli stressade, rädda och ibland aggressiva när hantering och fixering ändå blir nödvändigt. Väl utformade fasta eller mobila hanteringsanläggningar för veterinärbehandling, lastning, kalvning på bete, hantering av nykalvade kor och andra arbetsrutiner kan göra arbetet mer effektivt och minska stress och risker för skador både för djur och människa. Tillsynen av djuren är en utmaning i extensiv djurhållning, särskilt runt kalvning och lamning i kallt klimat, eftersom det kan vara svårt att hitta alla djur och att komma tillräckligt nära för att genomföra en tillfredställande kontroll av kondition, eventuella skador och sjukdomar. Digitala hjälpmedel kan användas för att effektivisera tillsynen, men kunskapen är begränsad om hur det kan göras i praktiken. Digitala hjälpmedel kan inte helt ersätta direkt kontakt mellan människor och djur. Olycksriskerna för djurskötare vid djurhantering beror bland annat på vilka hanteringsanordningar som gården har och hur vana djuren är vid att bli hanterade. Det saknas vetenskapligt baserad kunskap om arbetsmiljö och säkerhet vid hantering av nötkreatur utomhus. Dominansförhållanden bestämmer hur olika individer utnyttjar resurser som är begränsade. Det är därför viktigt att alla djur får tillgång till de resurser som krävs för en acceptabel djurvälfärd

TumorBoost: Normalization of allele-specific tumor copy numbers from a single pair of tumor-normal genotyping microarrays

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>High-throughput genotyping microarrays assess both total DNA copy number and allelic composition, which makes them a tool of choice for copy number studies in cancer, including total copy number and loss of heterozygosity (LOH) analyses. Even after state of the art preprocessing methods, allelic signal estimates from genotyping arrays still suffer from systematic effects that make them difficult to use effectively for such downstream analyses.</p> <p>Results</p> <p>We propose a method, TumorBoost, for normalizing allelic estimates of one tumor sample based on estimates from a single matched normal. The method applies to any paired tumor-normal estimates from any microarray-based technology, combined with any preprocessing method. We demonstrate that it increases the signal-to-noise ratio of allelic signals, making it significantly easier to detect allelic imbalances.</p> <p>Conclusions</p> <p>TumorBoost increases the power to detect somatic copy-number events (including copy-neutral LOH) in the tumor from allelic signals of Affymetrix or Illumina origin. We also conclude that high-precision allelic estimates can be obtained from a single pair of tumor-normal hybridizations, if TumorBoost is combined with single-array preprocessing methods such as (allele-specific) CRMA v2 for Affymetrix or BeadStudio's (proprietary) XY-normalization method for Illumina. A bounded-memory implementation is available in the open-source and cross-platform R package <it>aroma.cn</it>, which is part of the Aroma Project (<url>http://www.aroma-project.org/</url>).</p

Retrospective evaluation of whole exome and genome mutation calls in 746 cancer samples

Funder: NCI U24CA211006Abstract: The Cancer Genome Atlas (TCGA) and International Cancer Genome Consortium (ICGC) curated consensus somatic mutation calls using whole exome sequencing (WES) and whole genome sequencing (WGS), respectively. Here, as part of the ICGC/TCGA Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium, which aggregated whole genome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumour types, we compare WES and WGS side-by-side from 746 TCGA samples, finding that ~80% of mutations overlap in covered exonic regions. We estimate that low variant allele fraction (VAF < 15%) and clonal heterogeneity contribute up to 68% of private WGS mutations and 71% of private WES mutations. We observe that ~30% of private WGS mutations trace to mutations identified by a single variant caller in WES consensus efforts. WGS captures both ~50% more variation in exonic regions and un-observed mutations in loci with variable GC-content. Together, our analysis highlights technological divergences between two reproducible somatic variant detection efforts