Kombinering av energy harvesting-källor för tillförlitlig energiförsörjning och växling mellan källor med en ingångsväljaralgoritm för att maximera batterilivslängden

Energy harvesting is commonly used for powering low power electronics, for example Low Power Wide Area Networks (LPWAN). Many energy sources are natural (e.g. solar or wind), thus the harvested power can depend on weather, time of day, and time of year. By combining different energy harvesting techniques the power delivery becomes more reliable, as the different harvesters complement each other. This increases the availability of the wireless system. The thesis investigates which energy harvesting techniques (solar, wind, or rain) should be combined in a multiple-input energy harvesting system to give the most reliable power delivery. An input switching algorithm is developed for the energy harvesting system to select input source depending on available power. By not charging nor discharging the battery fully, the algorithm extends the battery lifetime. The evaluation assesses if such a multiple-input system with the algorithm can eliminate the need of an energy storage element. A simulation was constructed in Simulink to test combinations of the different harvesting sources. Weather data from 2008 to 2021 provided by the Swedish Meteorological and Hydrological Institute (SMHI) was used to accurately simulate Swedish weather. All combinations of solar, wind and rain harvesting were tested, resulting in seven combinations. A hardware system using solar and wind harvesting along with the input switching algorithm was constructed. The simulation results show that solar cells and wind turbines have the highest power density, while the density of rain harvesting is very low. When comparing the simulation with the constructed hardware system, the harvested solar power is similar while the harvested wind power is much smaller in the real system. Most times the real wind power is so low that it is measured as zero, while the simulated wind power is not. The few times the real wind turbine is generating power, the simulated wind power is often several times greater. A combination of solar and wind power results in an availability of 99%, and due to the high power-density of solar and wind harvesters, the system size is kept small. The input-switching algorithm decreases the amount of time the battery is completely discharged, but a small energy storage is still needed for sufficient availability. Compared to using a single harvester, a smaller energy storage can be used when combining harvesting sources. Using the algorithm, the battery state of charge is limited to a maximum of 80% which extends the battery lifetime.Energy harvesting används vanligtvis för att driva elektronik med låg effekt, till exempel Low Power Wide Area Networks (LPWAN). Många energikällor är naturliga (exempelvis sol och vind), därför beror den infångade energin på väder, tid på dygnet, och tid på året. Genom att kombinera olika energy harvesting-tekniker infångas mer energi och systemet blir mer tillförlitligt, eftersom energikällorna kompletterar varandra. Detta examensarbete undersöker vilka energy harvesting-tekniker (sol, vind eller regn) som bör kombineras i ett energy harvesting-system med flera energikällor för att ge den mest tillförlitliga energiförsörjningen. En ingångsomkopplingsalgoritm har utvecklats till energy harvesting-systemet för att välja energikälla beroende på tillgänglig effekt. Algoritmen innefattar också en funktion som förlänger batteriets livstid, genom att aldrig ladda batteriet helt fullt eller ladda ur batteriet helt. Det undersöks om ett energy harvesting-system med flera energikällor kan eliminera behovet av ett energilagringselement genom att använda en sådan algoritm. Ett simulationsprogram konstruerades i Simulink för att testa kombinationer av de olika energikällorna. Väderdata från 2008 till 2021 från SMHI användes för att verklighetstroget simulera svenskt väder. Alla kombinationer av sol-, vind- och regnenergi testades, vilket är sju kombinationer. Ett hårdvarusystem som använder sol- och vindenergi tillsammans med ingångsväljaralgoritmen konstruerades. Resultaten av simulationen visar att solceller och vindkraft har högst effekt per area, medan effekttätheten för regnenergi är mycket låg. När simuleringen jämförs med hårdvarusystemet är solenergin lika mellan systemen, medan den infångade vindenergin är mycket lägre i det verkliga systemet. Den riktiga vindturbinen genererar oftast ingen effekt alls, i motsats till det simulerade systemet. En kombination av sol- och vindkraft ger hög tillförlitlighet, systemet är tillgängligt 99% av tiden. På grund av energislagens höga effekttäthet tar inte systemet stor plats. Algoritmen för ingångsväxling minskar tiden batteriet är helt urladdat, men ett litet energilagringsmedium behövs fortfarande för tillförlitlig drift. Jämfört med att använda en enda energikälla kan ett mindre energilagringsmedium användas när man kombinerar energikällor. Med hjälp av algoritmen begränsas batteriets laddning till maximalt 80% vilket förlänger batteriets livslängd