Umeå University's logo

Energy harvesting essentially involves extracting energy from processes that generate losses in theform of heat, vibrations, radiation, etc, and converting it into electrical energy that can be used topower sensors or other electrical systems. A customer of Knightec Örnsköldsvik wants to develop measurement equipment using sensors in a demanding industrial environment with rotating machines that does not allow wired energy or communication transfer. The question to be answered is which energy harvesting technology is best suited for this specific environment and how much energy it could generate. Additionally, it needs to be determined if the sensor's energy requirements for one measurement per day can be fulfilled through energy harvesting. The purpose of this work is to enable easier installation and extend the sensor's lifespan by removing batteries and cables. Due to the characteristics of the environment, only vibration-based energy harvesting is realistic. This is because the sensor is enclosed in metal, and the temperature difference required for heat based energy harvesting is not sufficient. The energy requirement for the sensor is determined, and a minimal current needed to achieve this is calculated. The tests are performed using an energy harvesting development board, AEM30300, and a supercapacitor as the storage unit. A functiongenerator is used to generate a sinusoidal waveform representing the deformation of a piezoelectric element. Different amplitudes and frequencies of the sinusoidal waveform are used as inputs to the development board. Voltage and current are measured over time to determine the average current charging the capacitor. This is compared to the theoretical current required topower the system.The result shows that a sinusoidal waveform with an amplitude of 1.5 V and a frequency between 3.5 Hz to 30 Hz can provide enough current to power the sensor, given that the system's leakagecurrent is less than 2 µA. If the desired amplitude is not available, an alternative approach is to lower the system's operating voltage to 1.8 V or implement a boost converter to boost the voltage after the supercapacitor. This is because a capacitor takes longer to charge as its voltage levelincreases, resulting in a decrease in current towards the end of the charging process when thevoltage approaches 3 V.

Energy harvesting handlar i grund och botten om att ta energi från processer där det genereras förluster i form av värme, vibrationer, strålning mm och omvandla detta till elektrisk energi somkan användas till att driva sensorer eller andra elektriska system. En kund till Knightec Örnsköldsvik vill utveckla mätmetoder med hjälp av sensorer i en krävande industriell miljö med roterande apparatur som inte möjliggör trådbunden energi- eller kommunikationsöverföring. Frågeställningen som ska besvaras är vilken energy harvesting teknologi som är bäst lämpad förjust denna miljö samt hur mycket energi detta skulle kunna generera. Dessutom ska det bestämmas om sensorns energibehov för en mätning per dag går att uppfylla via energy harvesting. Syftet med arbetet är att möjliggöra enklare installation och förlänga livstiden för sensorn genom att ta bort batterier och kablar. På grund av miljöns begränsningar är bara vibrationsbaserad energy harvesting möjlig. Detta är eftersom sensorn är innesluten i metall samt att värmeskillnaden som krävs för energy harvesting via värme inte är tillräcklig. Energibehovet för sensorn bestäms och en minimal ström som behövs för att uppnå detta beräknas. Testerna som görs utförs med ett utvecklingskort för energyharvesting AEM30300 med en superkondensator som lagringsenhet. En funktionsgenerator används till att generera en sinusvåg som emulerar ett piezoelement. Olika amplituder och frekvenser av sinusvågen används som ingång till utvecklingskortet. Spänning och ström mäts över tid för att få fram medelströmmen som laddar kondensatorn. Detta jämförs med den teoretiska strömmen som krävs för att driva systemet. Resultatet är att en sinusvåg som har amplituden 1,5 V och en frekvens mellan 3,5 Hz - 30 Hz kan räcka till att strömföra sensorn, kravet på systemet är då att läckströmmen ska vara mindre än 2μA. Om man inte har tillgång till den amplituden så kan man sänka systemets driftspänning till 1,8V eller att man implementerar en boost converter som höjer spänningen efter superkondensatorn. Detta är eftersom en kondensator tar längre och längre tid att ladda desto högre spänningsnivå den har, vilket ledde till att strömmen blev för liten mot slutet av laddningen när spänningen närmade sig 3 V.