Design of an energy harvesting system

(1)

INOM

EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP

STOCKHOLM SVERIGE 2019,

Energialstring för drivande av smart enhet utan batterier

Energy harvesting to power smart unit without batteries

Design av ett energialstrande system för smart sko genom piezoelektronik och solceller

Design of an energy harvesting system

implementing piezoelectronics and solar cells for a smart shoe

CLIVE RUDD

KTH

SKOLAN FÖR ELEKTROTEKNIK OCH DATAVETENSKAP

(2)

(3)

Energialstring för drivande av smart enhet utan batterier

Energy harvesting to power smart unit without batteries

Design av ett energialstrande system för smart sko genom piezoelektronik och solceller

Design of an energy harvesting system implementing piezoelectronics and solar cells for a smart shoe

CLIVE RUDD

Examensarbete inom Elektroteknik,

Grundnivå, 15 hp

Handledare på KTH: Torgny Forsberg Examinator: Thomas Lindh

TRITA-CBH-GRU-2019:130 KTH

Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa 141 52 Huddinge, Sverige

(4)

(5)

Sammanfattning

Projektet beskriver ett tillvägagångssätt för att alstra energi genom solceller och piezoelektronik. Ett kretskortsbaserat system designades som utnyttjade superkondensatorer som lagringsenhet. Planen var att integrera systemet i en sko. Genom denna teknik kan man då substituera eller minimera batteriladdningen för smarta enheter eller mindre anordningar. Det önskvärda resultatet med projektet var att se om det gick att koppla detta system till en mikrokontroller som kunde drivas på låg spänning. Rapporten fick ett positivt resultat med en konstant utspänning på 1.8 volt som kunde driva en mikrokontroller. Dock tog det lång tid för superkondensatorerna att laddas upp på grund av den impedans som fanns i systemet. Aktiviteter som ut- nyttjar detta system kommer att påverka uppladdningens resultat. Detta gör kretsen optimal för aktiviteter som involverar rörelse och sol, såsom hiking.

Nyckelord

Kretskort, smart sko, energialstring, piezoelektronik, superkondensatorer, solceller

(6)

(7)

Abstract

The past couple of decades gave rise to smartphones, smart watches, and smart homes. Now researchers are looking for ways to make smart clothing. One use case of smart clothing is smart shoes which can give some very useful sensed information especially in the sports industry and healthcare. Such sensed data include tempera- ture, distance and calories, fall detection and many more. This application scenario can be designed to be battery free if we make use of the human motion and solar power. Many research papers exist which present how to exploit swing and shock excitations from the shoes to harvest energy. In this project this energy combined with solar energy will be used to power a low driven MCU. I design a pcb which include solar panels and piezoelectric modules to store the energy in supercapacitors.

The goal is to integrate this pcb in a shoe, meaning that it has to have a small size and low power. The results of the project showed that a constant voltage at 1.8 volt could be achieved however recharge time is a factor to take into consideration. The system showed positive results for activities including movements and sun such as hiking.

Keywords

PCB, Smart shoes, energy harvest, piezoelectronics, supercapacitors, solar cells

(8)

(9)

Förord

Jag vill tacka alla som har hjälpt mig bredda mina kunskaper inom ämnet.

Speciellt tack går till:

Linus Remahlför vägledning och hjälp med resurser och verktyg.

Charalampos Orfanidisför att förlita sig på mig att ge mig detta utmanande och spännande projekt.

Torgny Forsberg tack för din handledning och motivation.

Slutligen vill jag tacka vänner, kollegor samt anhöriga som har stöttat och hjälpt mig under projektets gång. Ett stort tack.

(10)

(11)

Akronymer

PCB - Printed circuit board

CNC - Computer numerical control

SCES - Supercapacitor energy storage system RFID - Radio frequency identification VPP - Voltage peak to peak

PVDF - Polyvinylidene flouride

(12)

(13)

Innehållsförteckning

Akronymer ... 9

1 Inledning ... 1

1.1 Problemformulering ... 1

1.2 Målsättning ... 1

1.2.1 Huvudmål ... 1

1.2.2 Delmål ... 2

1.3 Avgränsningar ... 2

2 Teori och bakgrund ... 3

2.1 Smarta enheter i vårt vardagsliv ... 3

2.2 Batteriet ur miljöperspektiv ... 3

2.3 Superkondensator som energikälla, SCES ... 3

2.4 Energialstring ... 4

2.5 Piezoelektronik ... 5

2.6 Solceller ... 6

2.7 Maximum power point tracking ... 6

2.8 Tidigare arbeten ... 7

3 Metoder och resultat ... 9

3.1 Kretsschema över hela projektet ... 9

3.2 Piezokomponenter ... 9

3.2.1 Test med direktkopplad piezokomponent ... 10

3.2.2 Parallellkoppling ... 10

3.2.3 Villardcascade ... 11

3.3 LTC 3588–1 ... 12

3.4 Solceller ... 13

3.5 Energialstring BQ25570RGRR ... 13

3.5.1 Design av BQ25570RGRR ... 14

3.6 Uppladdning av superkondensatorer ... 16

3.6.1 Uppladdning med DC-aggregat ... 16

3.6.2 Uppladdning med solceller ... 16

4 Analys och diskussion ... 19

5 Slutsats ... 21

Källförteckning ... 23

(14)

(15)

1 | INLEDNING

1 Inledning

1.1 Problemformulering

De senaste decennierna har utvecklingen inom elektroniken givit oss, smarta klockor och smarta hem. Forskningen inom området har i dagsläge inriktad sig vidare i att framställa smarta kläder som till exempel smarta skor, dessa kan genom sensorer skicka specifik information till användaren. Sådan data inkluderar bland annat tem- peratur, avstånd och kalorier, falldetektering och mycket mer. Detta kan vara mycket användbart inom många områden, exempelvis sportbranschen och sjukvården. Det mesta av energin som används i dagens samhälle för driften av så kallad “smart devices” kommer från mindre miljövänliga alternativ såsom batterier. Det finns ett stort behov till att hitta nya sätt för att utvinna energi för driften av dessa som gynnar en mer hållbar utveckling. Dessa smarta enheter skulle kunna utformas för att vara batterifria om vi använder oss av periodisk mänsklig rörelse och solkraft som ener- gikälla, vilket är en fördel ur miljöperspektiv.

1.2 Målsättning

Målet med examensarbetet är att framställa ett hållbart alternativ för att alstra energi genom rörelse och solkraft. På detta sätt kan det traditionella batteriets an- vändning substitueras eller i värsta fall minimeras.

För att kunna uppnå målet kommer jag i detta projekt att skapa en prototyp av ett kretskort baserat system som inkluderar solpaneler och piezoelektriska moduler för att lagra energin i superkondensatorer. Modulen ska kunna anslutas till en mikrokontroller eller powerbank. Slutligen kommer systemet att försöka integreras i en sko.

1.2.1 Huvudmål

Målet med examensarbetet är att framställa ett hållbart alternativ för att alstra energi genom rörelse och solkraft. På detta sätt kan det traditionella batteriets an- vändning substitueras eller i minimeras.

För att kunna uppnå målet kommer jag i detta projekt att skapa en prototyp av ett kretskort baserat system som inkluderar solpaneler och piezoelektriska moduler för att lagra energin i superkondensatorer. Modulen ska kunna anslutas till en mikrokontroller eller powerbank. Slutligen kommer systemet att försöka integreras i en sko.

(16)

2 | INLEDNING

1.2.2 Delmål

Frågeställningar som kommer att besvaras under projektets gång är:

• Hur ska det göras för att få anordningen effektsnål?

• Hur lång tid tar det att ladda upp systemet?

• Är det möjligt att driva en mikrokontroller?

1.3 Avgränsningar

Examensarbetet kommer enbart att fokusera på designen och tillverkning av kretskort som alternativ energikälla. Tillämpning eller vidare optimering av systemet för olika ändamål har exkluderats från detta projekt på grund av tids och resurs- begränsningar.

(17)

3 | TEORI OCH BAKGRUND

2 Teori och bakgrund

I detta kapitel förklaras problemställningen mer ingående samt teori bakom dom olika kompo- nenterna i projektet och varför dom valdes. Slutligen lyfts fram tidigare arbeten om utvecklingen av skon som en smart enhet.

2.1 Smarta enheter i vårt vardagsliv

Datorer och dess användning har idag utvecklats och anpassats till att bli en stor del av individens vardagsliv (1). Människan har gått från att ha en dator placerad på skrivbordet till att bära den konstant på sig. Då telefoner är portabla bärbara enheter som innehåller mer datorkraft för var dag och utvecklingen riktar sig till en större användning av telefoner för bland annat kommunikation, kommer detta att leda till ett ökat behov av datorkraft. Därutöver kan datorer som vi för med oss bli program- merade till att känna efter användarens omgivning och tillstånd. Kontextkänsliga applikationer kan därefter utvecklas för att utnyttja intimiteten mellan människa, dator och miljö. All detta talar för en ökad användning av bärbara portabla enheter i framtiden för att underlätta vardagslivet.

2.2 Batteriet ur miljöperspektiv

I svenska hushåll har beräknats finnas ca 32 tusen ton batterier i form av laddningsbara elprodukter och diverse typer av batterier (2). Siffrorna ökar årligen och i ge- nomsnitt kan det hittas sju kilo per hushåll (2,3). Idag finns det en konstant forskning på Ångström Advance Battery Center i Uppsala för att förbättra batteriernas kvalité samt livslängd och därmed minska batteriets miljöpåverkan (4). Trots detta är fortfarande batterier en stor miljöfråga som behöver uppmärksammas då brytning av metaller är mycket energikrävande och en stor miljöbelastning (2,3). Belast- ningen blir större vid brytning av de ovanligare metallerna som kobolt och litium då dessa är metaller som är kända för att användas i komponenter såsom laddningsbara batterier och mobilskärmar. Kan dessa metaller återanvändas i befintligt tillstånd utan att behövas brytas ner för återanvändning innebär det en stor miljövinst. När vi bär mer och mer mobila enheter med oss i vardagen kommer det att behövas nya energikällor än enbart batterier för en hållbar utveckling.

2.3 Superkondensator som energikälla, SCES

En superkondensator består av dubbelt lager kondensator där energin lagras genom laddningsöverföring vid gränsen mellan elektrod och elektrolyt (4). De två elektroderna, som är gjorda av aktivt kol, ger en hög ytarea, som bestämmer energitätheten hos komponenten. På elektroderna säkerställer ström collector med en hög ledande del gränssnittet mellan elektroderna och anslutningarna hos superkondensatorn. De två elektroderna separeras av ett membran, vilket möjliggör mobiliteten hos laddade joner och förbjuder elektronisk kontakt. Elektrolyten förser och leder joner från en elektrod till en annan.

(18)

Fördelen med superkondensatorn till skillnad från batteriet är att den är lättare vid samma energilagringskapacitet, den kan därav laddas snabbare än batterier med en snabb åtkomst till den lagrade energin (5,6). Den dubbelsiktiga kondensatorn har även minimal miljöförorening samt kräver mindre underhåll.

År 2001 gjorde Sels, Dragu, Craenenbroeck och Belmans en omfattande studie och förutspådde att svänghjul och traditionella batterier är bäst när det behövs nödkraft i mycket lång tid, medan Superkondensatorer kan användas i kort varaktighet till att förbättra effektens kvalitet (7). Till skillnad från det föregående nämnda, arbetade J.

Zang år 2005 på SCES för att utveckla PI-styrningsteknik för AC/DC-DC/AC-kretsar för energikonvertering vid kort varaktighet och konstaterade att tillförlitligheten av strömförsörjning och effektens kvalité förbättrades (6).

2.4 Energialstring

Under det senaste decenniet har det trätt fram olika sätt för utvinning av energi från naturkällor. Dessa tekniker möjliggör drivandet av trådlösa applikationer på små signaler (8). Målet med denna teknik är att tillhandahålla elektriska komponenter eller ladda upp lagringsenheter, såsom batterier och kondensatorer som i sin tur kan lagra energi som tillförser en krets. Genom att driva dessa små elektroniska enheter via impuls/rörelse energi som finns tillgänglig i miljön kan kravet på en extern strömkälla samt underhållskostnaderna minimeras.

Genom det mänskliga sättet att gå kan tre typer av energikällor som kan alstra elektroniska enheter utvinnas (9). Två utav dessa är baserade på accelerations im- pulsen. Den ena vid rörelsen då hälen möter marken. Då uppstår en sammanstötning mellan skon och marken som kan användas för att alstra energi. Den andra vid ac- celerationen som uppstår när benet svingas fram för att ta ett steg. Den sista som inte beror på accelerations impuls, är kraften som uppstår i skon på grund av män- niskans vikt. En undersökning gjord av Penglin Niu och medarbetare har visat att denna kraft kan dynamiskt uppgå till ca 120 % av personens kroppsvikt (10). En has- tighet på 4,5 m/s gav värden som sträckte sig från 1.72 J till 10.32 J, med hjälp av en viskoelastisk modell i mellansulan.

De tre grundläggande formerna för omvandling från vibration till elektrisk energi är elektromagnetism, elektrostatik och piezoelektronik (11). Elektromagnetism innebär att en magnet som är fäst vid en massa inducerar en spänning i en spole som rör sig.

Elektrostatisk, i sin tur är en elektret anordning med en permanent laddning inbäd- dad i massan som inducerar en spänning på plattorna hos en kondensator när den rör sig. Piezoelektronik är piezoelektriskt material som omvandlar en belastning i form av tryck till elektricitet. För detta ändamål anses det sista ha klara fördelar.

Detta då spännings utgången i elektromagnetisk energi är vanligtvis mycket låg och kräver flera stegs efterbehandling för att nå en spänningsnivå som kan ladda en lagrings komponent. Vid piezoelektrisk energialstring kan användbara spänningar emellertid erhållas direkt från det piezoelektriska materialet självt. Vidare kan piezoelektronik alstra energi från materialets konstitutiva beteende, vilket eliminerar

(19)

kravet på en extern spänningsingång, som appliceras vid elektrostatisk omvandling.

Detta resulterar i att fördelen med piezoelektroniken framför de andra två teknikern är dess stora krafttäthet och användarvänlighet (8).

2.5 Piezoelektronik

Bröderna Pierre och Jacques Curie demonstrerade året 1880 Piezoelectriciteten (12).

De visade att kristaller av kvarts, turmalin sockerrör och Rochelle-salt alstrar elektrisk polarisering från mekanisk stress, Rochelle-salt och kvarts var de ämnen som uppvisade mest piezoelektricitet. Enligt nuvarande kunskap vet vi att det finns tjugo naturliga kristalltyper som uppvisar direkt piezoelectricitet. Dessa kristaller saknar symmetricentrum och när dem induceras av en pålagd stress leder detta till en ladd- ningspolarisation. Vid ett tryck på en piezo-komponent alstras växelspänning som erhålls på grund av den harmoniska basrörelsen som appliceras på strukturen (8,13).

Växelspänningen bör omvandlas till likspänning genom en helvågslikriktare som be- står av 4 dioder (figur 1) (14). Därefter utnyttjas en utjämningskondensator. Piezoe- lektriska material såsom Zinkoxid, ZnO, är det mest studerade piezoelektriska nano materialet på grund av dess starka förbättrade piezoelektricitet vilket förbättras ytterligare vid nanoskala.

Figur 1. Beskrivning av likriktarkoppling för att omvandla piezoelementen till likström.

En omvänd piezoelektrisk effekt kan även ske, varvid en applicerad förspänning kan inducera spänning i det piezoelektriska materialet som skapar en mekanisk deform- ation i ämnet. Detta utgjordes matematiskt av grundläggande termodynamiska prin- ciper av Lippmann 1881 som därefter bekräftades av Curiebröderna (12,15).

(20)

2.6 Solceller

Solens energi kan, med hjälp av fotovoltaiska celler, omvandlas till elektrisk energi (16). Dessa celler består av kristallint kisel som är en halvledare vilket innebär att den leder ström bättre än förslagsvis koppar men sämre än isolatorer såsom plast eller porslin (17). En elektrisk spänning uppstår mellan fram och baksidan av cellen när solens strålar träffar solcellerna i form av likström. Runt tio till femton procent av solens energi omvandlas till elektrisk energi genom solceller när solen träffar de fotovoltaiska cellerna. Elektriciteten lagras i en lagringskomponent, exempelvis en superkondensator, för att sedan kunna ha energin tillgänglig även när solen gått ned.

Solceller kan sättas ihop i solpaneler som oftast placeras på byggnadens tak (16).

2.7 Maximum power point tracking

Energi som kan alstras från fotovoltaiska celler eller andra typer av elektriska transducers, såsom termo eller piezoelektriska generatorer, är dynamisk. En algoritm krävs för att kunna beräkna den optimala driftpunkten för dessa. Detta utförs genom att spåra dess maximala effektpunkt (MPP) (18). MPPT (Maximum power point tracking) möjliggör detta. MPPT är en algoritm som implementerar diverse tekniker som kan delas upp i två subkategorier direkt och indirekt. I det första “Perturb &

Observe” och “Incremental conductance” och i den andra kategorin ingår “Short circuit current” och “Open circuit voltage”. Dessa metoder är få av dem kända meto- derna som implementeras för att kunna uppnå Maximum power point. Fördelen med dessa metoder till skillnad från andra tillvägagångssätt är deras enkla struktur samt deras snabba konvergens mot MPP (19) (figur 2).

Figur 2. Spänning och strömkurvan för att illustrera MPP (20)

(21)

2.8 Tidigare arbeten

Redan 1985 presenterade Puma den s.k “Computer shoe” som hade en inbyggd ste- gräknare (21). Därefter har olika typer av implementationer och användningsområ- den för den Smarta skon tillkommit.

En genomförd studie av John Kymissis 1998 och kollegor undersökte tre typer av olika enheter inbyggda in i skor som kan alstra energi (22). Två av dessa innehöll piezoelektronik i form av en remsa gjord av piezoelektriskt kompositmaterial och en stav gjord av ett flerskikts laminat av polyvinylidene flourides-folie. Det tredje alternativet var en skomonterad roterande magnetgenerator. Testresultatet gavs för dessa system. Deras relativa fördelar och kompromisser diskuterades och förbätt- ringar samt potentiella tillämpningar i bärbara system föreslogs. Som ett självdrivet applikationsexempel hade ett system byggts runt en piezoelektrisk sko som perio- diskt sände en digital RFID när bäraren promenerade. De kom slutligen fram till att den roterande magnetgeneratorn alstrade dubbelt så mycket energi än de piezoelektriska systemen. Dock var generatorn svårare att integrera smidigt i konstruktionen av konventionella skor utan att störa betydligt skoformen eller det mänskliga sättet att gå.

Maximilian Schirmer och medarbetare arbetade 2015 med projektet “Shoe me the way” (23). Projektet bestod utav batterier, en mikrokontroll med Bluetooth och kom- passmodul, två vibrations aktuatorer, på vardera sida av foten, samt en telefon med GPS. Modellen fungerade så att när vibrationsaktuatorerna, som satt på varsin sida av foten, vibrerade indikerade dem riktningen till var personen skulle gå. När båda vibrerade samtidigt innebar det att individen borde backa. Detta gjorde att man inte behövde spendera konstant tid på mobiltelefonen för att nå destination och kunde på så vis vara uppmärksam på sin omgivning. Arbetet lyckades med ett bra gränssnitt som uppfyllde sin funktion.

I ett annat projekt av Qianyi Huang och kollegor, använde de sig av piezoelektronik då de ansåg den behagligast att integrera i sko (24). För att kunna använda sig av trådlös kommunikation som Wifi eller Bluetooth kom de fram till att de var tvungna att alstra minimum 10 mW. Detta ansågs vara ett problem då piezoelektroniken ge- nererar endast i ett till två mW. Lösningen blev att använda sig av båda fötterna.

Vänster och höger fot utnyttjades för att generera energi och genom en step up mo- dul uppnådde dem tillräckligt mycket energi för kommunikationen. De använde sig av “ambient backscatter” för att kommunicera mellan fötterna samt Bluetooth för kommunikation mellan skon och mobiltelefonen.

(22)

(23)

9 | METOD OCH RESULTAT

3 Metoder och resultat

I detta kapitel redovisas designen och testning på de komponenter som utnyttjats och de moduler som har använts för energialstring. Därutöver beskrivs projektets gång.

3.1 Kretsschema över hela projektet

För att få en övergripande bild till hur systemet skulle se ut och hur komponenterna skulle sitta i förhållande till varandra gjordes ett kretsschema.

Figur 3. Kretsschema för projektet

Till vänster I kretsschemat finns 6 piezokomponenter parallellkopplade till kretskortet LTC 3588–1. Längst upp sitter solceller med shottky dioder för att motverka backspän- ning. Vidare är superkondensatorerna kopplade i serie till energialstraren BQ25570. Slut- ligen, till höger kopplas modulen till en mikrokontroller.

3.2 Piezokomponenter

Under förstudien granskades tidigare arbeten, vilket gav insikt i att projektet krävde mer än en piezokomponent för att kunna generera tillräckligt med energi till kretsen. Därav användes sex stycken för ändamålet. Nästa fråga som uppkom var hur dessa skulle kopplas till varandra. Då komponeneterna är transducers, en anordning som omvandlar en form av energi till en annan, kunde dem inte kopplas seriellt i en krets. Detta på grund av den omvända piezoelektriska effekten som sker, det vill säga, den mekaniska deformat- ionen som uppstår i ämnet vid stress. För att spara resurser försöktes hitta ett annat sätt än att skapa en likriktning för varenda piezokomponent. Efter genomsökning av olika alternativ bestämdes att följande kopplingar skulle testas: parallellkoppling, Villarda- scadekoppling, samt likriktning för varje piezokomponent. Det sista alternativet skulle implementeras om de andra två inte fungerade.

(24)

3.2.1 Test med direktkopplad piezokomponent

Test på en direktkopplad piezo-komponent med hjälp av multimätare gjordes med viss resultat (tabell 1). Genom testet kunde det ses att en hög spänning på 38,36 volt skapades, men medelvärdet var lågt eftersom det bara genererade en snabb puls. Med hjälp av Ohms lag beräknades effekten enligt formeln:

P=U*I

Genom att stödja exempelvis ett kort, under piezo-komponenten skapades större peak to peak värden i spänningskurvan, VPP. Detta för att det gav mer utrymme för böjning av komponenten som resulterar i mer mekanisk stress av ämnet och därav mer spännings- förändring.

3.2.2 Parallellkoppling

Test på piezokomponenterna med helvågslikriktare. Shottky dioder vars resistans är 175 Ohm med en tröskelspänning på ca 0.2V samt 4.7uF elektrolytkondensator utnyttjades (figur 4).

Figur 4. Sex parallellkopplade piezokomponenter med likriktningsbrygga och kondensator.

De resultat som erhölls var vid långsam gång 60 Bpm, med medelvärdet 0,778 VDC. Vid snabbare gång uppnåddes 120 Bpm med medelvärdet 1,672 VDC och slutligen 150 Bpm vid joggning med 2,200 VDC i medelvärde (tabell 2).

(25)

Tabell 1: Test av piezokomponenter parallellt i 60, 120 samt 150 BPM.

3.2.3 Villardcascade

Följande krets kopplades upp och testades enligt figur 5, där AC Volt in är piezomodulerna.

Figur 5. VillardCascadkoppling

Fördelen med VC är att den ständigt kan mata vidare spänningen med hjälp av kondensatorer och dioder, detta kan slutligen skapa höga likströmsspänningar. De resultat som erhölls med denna koppling var vid långsam gång 60 Bpm, med medelvärdet 0,292 VDC.

Vid snabbare gång uppnåddes 120 Bpm med medelvärdet 0,416 VDC och slutligen 150 Bpm vid joggning med 0,307 VDC i medelvärde (tabell 3).

Tabell 3: Test av piezokomponenter i Villardcascade i 60, 120 samt 150 BPM

(26)

Med en jämförelse av parallellkoppling och Villardcascade kan det tydligt ses I tabellerna två och tre att parallellkoppling ger en betydligt högre spänning. Detta på grund av im- pedansen/resistansen Villardcascade kopplingen medför med dioderna och kondensatorerna. Den är dessutom mer komplex och otymplig att implementera för detta ändamål.

Därav kommer parallellkopplingen att utnyttjas. Det kan även observeras att spänningen är lägre vid 150 Bpm än 120 Bpm, detta kan bero på skiftet vid uppladdning och urladd- ning av kondensatorerna.

3.3 LTC 3588–1

LTC3588-1 integrerar en lågförlust helvågslikriktare med en högeffektiv “step down” mo- dul (buck omvandlare) (25). Detta för att bilda en komplett lösning på energialstrande som är optimerad för energikällor med hög impedans vid uteffekt, såsom piezoelektronik.

Tanken är att sex stycken piezokomponenter kopplas parallellt in i PZ1 och PZ2 (figur 3).

(27)

Figur 6. Blockdiagram för LTC 3588–1

3.4 Solceller

Solcellerna som erhölls hade en driftspänning på 3 V och en driftström på 50mA. En mät- ning gjordes med multimätare. I vanligt ljus inne i lokalen uppnåddes ca 3 V och 0.3mA, men genom att använda lampan på en mobiltelefon ökades värdena till 3.7 V samt 1.6mA.

För att uppnå en högre ström användes parallellkoppling av solcellerna.

Då solcellerna sänder ut likström, kopplades dem ihop med piezomodulerna efter LTC 3588–1 som likriktar spänningen. Detta kan slutligen ses som två DC spänningskällor som kopplas ihop seriellt, därefter kopplades dem ihop till harvester modulen BQ25570 som tillförser mikrokontrollen med spänning.

3.5 Energialstring BQ25570RGRR

Enheten BG25570RGRR är speciellt utformad för att effektivt utvinna mikrowatt (μW) till milliwatt (mW). Detta av kraften som genereras från en mängd DC källor med hög uteffekt såsom solenergi eller termoelektriska generatorer (TEG). Den gör det utan att förlora energikällan. Funktionerna av batteriet säkerställer att en laddningsbar enhet inte över- laddas av den extraherade kraften (26). Förutom den mycket effektiva boost chargern som enheten har, integrerar bq25570 en effektiv nano-power buck-omvandlare för att effekti- visera system såsom trådlösa sensornätverk (WSN), som har strikta krafter och driftskrav.

Blockdiagram för komponenten bq25570 som har följande funktioner.

Mppt, Nanopower buck controller, Boost charger, Cold start, Battery threshold.

(28)

Figur 7. Blockdiagram för BQ25570

3.5.1 Design av BQ25570RGRR

Kretskortet med modulen bq25570 designades under projektet enligt kretsschema som återges i Bilaga 1. Verktyget som användes för detta ändamål var Eagle Autodesk. Genom att designa kretsschemat i Eagle, kan programmet lägga ut komponenterna från kretsschemat till kretskortet. Programmet skapar en .boardfil som är prototypen för själva kor- tet (Bilaga 2). När kretskortet hade designats skapades gerberfiler och borrfiler genom CAM-processorn. Därefter skrevs den ut med hjälp utav en computer numerical control (figur 8A).

8A) 8B)

(29)

8C) 8D)

Figur 8. A) Kretskortet för komponenten BQ25570R i jämförelse med dagslägets enkrona, B) Andra kretskortet, C) Tredje kretskortet.

Designen av det första kretskortet visade sig vara fel då mönsterdjupet där induktorn skulle sitta, för step up modulen, var för liten. Därmed var risken för kortslutning alldeles för stor (figur 8A). Ett till kretskort designades och tillverkades (figur 8B). Med det insågs att även andra mönsterdjup var för smala och därutöver befann sig inte mönsterdjupen för komponenterna i rätt position enligt databladets beskrivning. Ett tredje kort designades och tillverkades för att åtgärda felaktigheter (figur 8C). Detta visade sig vara det första kretskortet som fungerade.

De första tre kretskorten var tillverkade av enbart kopparmaterial. Fördelen med använd- ning av koppar kretskorten var att det möjliggjorde enklare felsökning genom kontinui- tetskontroll under tillsättning av komponenterna. Nackdelen var att, då materialet är mycket konduktivt och är exponera, var risken stor för bildning av bryggor vid lödningen av komponenterna. Detta innebar en ökad risk för kortslutning av kretskortet. Därför när tillverkningen visade positiva resultat kunde blev nästa steg att tillverka ett slutgiltigt kretskort med löddmask, för att kringgå nackdelen med koppar korten (figur 7D med till- hörande boardfil och kretsschema 9A och 9B).

(30)

3.6 Uppladdning av superkondensatorer

3.6.1 Uppladdning med DC-aggregat

Ett test på superkondensatorerna gjordes med en DC power supply som gav 3 V. Konden- satorerna bestod av 30F och hade en gräns på 2.7V. Genom att seriekoppla dem uppnåd- des en högre spänning på 5.4 V med 15 Farad. Enligt formel:

(𝐶1 ∗ 𝐶2)/(𝐶1 + 𝐶2) =

Figur 10. Uppladdning av superkondensatorer med DC-aggregat

Som det kan noteras på figur 10 slutar inte superkondensatorerna att laddas upp vid 3 V, som spänningsaggregatet bidrog med. Detta beror på att kretskortet bq25570 har en MPPT-algoritm i kombination med en Boost charger som aktiveras vid ungefär 2.75V, i detta scenario. De negativa peakarna på figuren markerar när algoritmen kontrollerar systemet för att ställa om sig till det effektivaste värdet enligt IV kurvan. Mellan tiderna 200 och 300 kan det tydligt ses på oscilloskopet att MPPT slår av var 16:de sekund. I testet uppnåddes en spänning på ca 4.18 V. När kondensatorerna laddades upp, erhölls genom Vout, en konstant utspänning på 1.8V Detta går att driva en låg drifts mikrokontroller på, beroende på typ.

3.6.2 Uppladdning med solceller

För att se ett verkligt scenario laddades modulen upp med hjälp av solcellerna som utnyttjades. En lampa över solcellerna användes för att kunna göra diverse tester på lux. När lampan befann sig 13 cm från solcellerna gav den 5000 lux.

(31)

Figur 11A. Uppladdning av system med solceller 5000 lux

Figur 11B. Uppladdning av system med solceller 10 000 lux

(32)

Figur 11C. Uppladdning av systemet med solceller 15 000 lux

Tabell 4: Test genom uppladdning av solceller

Uppladdning av systemet via solcellerna med en lampa utnyttjades för att ge olika ljus- styrkor. Vid 5000 lux tog uppladdningen 6074 sekunder (figur 11A) och vid 10 000 lux 3393 sekunder (figur 11B). Sista uppladdningen vid 15 000 lux tog det 2857 sekunder (figur 11C). Samtliga resultat kan läsas i tabell 4.

(33)

19 | ANALYS OCH DISKUSSION

4 Analys och diskussion

I detta kapitel har resultatet och metod kritiskt analyserats och utvärderats. Vidare kommer diskuteras för och nackdelar med den valda tekniken. Därefter besvaras projektets frågeställningar. Slutligen disku- teras resultatet av tekniken och dess användning ur samhälleligt, ekonomiskt, miljömässigt och etiskt per- spektiv.

Målet med examensarbetet uppnåddes då tillverkning av kretskortet samt implemente- ring av det i systemet (Figur 3) gav positiva resultat, i form av en konstant utspänning. På grund av tidsbrist har inte kretsen kunnat integreras i skon på ett smidigt sätt och fokus låg på design och tillverkning av systemet samt elektroniken.

Projektets resultat förstärker tidigare arbeten som talar för att det kan vara ett miljövän- ligare sätt att driva smarta enheter, såsom smarta skor. Vidare skulle andra delar implementeras till denna prototyp till exempel pulsmätare, stegräknare samt accelerometer som skulle kunna utnyttjas inom sportindustrin för att analysera träning. Om prototypen däremot kopplas till någon typ av powerbank eller liknande efter att individen ha varit ute och exempelvis hajkat kan den användas till att ladda upp en mobiltelefon. Beroende på vad för typ av applikations scenario som vill utföras kan diverse typer av mikrokontrollers implementeras som är lågdrivna.

Nackdelen med denna teknik är tidsfaktorn. Det tog lång tid att ladda upp superkondensatorerna och därmed få en lämplig spänning. Valet av kondensatorernas storlek kan vara avgörande till att uppnå en större energitillgång. Å andra sidan laddas mindre kondensator upp och ur snabbare. De superkondensatorerna som valdes till projektet gav ett resultat av ca 1000 sekunder att ladda upp med ett DC-aggregat. Vid användning av solceller och piezokomponenter varierar den tiden kraftigt, då det tar längre tid att ladda upp. Detta beror på att effekten är lägre än den med likströmsaggregat. Genom att använda shottky dioder med låg tröskelspänning, modulerna LTC 3588–1 och BQ25570RGRR med deras funktioner kunde systemet bli effektsnålare vilket var en av mina frågeställningar för projektet.

Att använda denna typ av anordning för att alstra energi är definitivt ett bättre miljöalter- nativ än den traditionella batterianvändningen. Detta då periodisk laddning och batteri- byte samt det kemiska avfallet hos konventionella batterier begränsas då en del av det skulle kunna substitueras av kinetisk energi som finns i miljön. Ur ekonomisk synpunkt borde detta också vara ett bättre alternativ då systemet är uppladdningsbart och den laddas inte via elnätet. Dock är det viktigt att ha i åtanke det stora solbehovet som finns med detta alternativ vid användning av enbart solcellerna. Detta kompenseras av piezokomponenterna, å andra sidan är de inte lika kraftfulla. För att kunna driva mikrokontroller krävs det med andra ord mycket sol och gång. Vilket kan vara begränsande till vilken ak- tivitet systemet kan användas till, men gör denna krets applicerbar för exempelvis hiking.

(34)

20 | ANALYS OCH DISKUSSION

På grund utav dess höga impedanser och komplexitet utnyttjades inte Villardcascade koppling, som var ett alternativ från början. Den var dessutom otymplig att implementera i detta syfte då den gav lägre resultat vid testning än parallellkoppling.

Användningen av kretskortet med tillhörande system för energialstring är en klar fördel för miljön, däremot kan det ifrågasättas om vi egentligen har så stort behov av smarta enheter i vår vardag och om inte en bättre miljölösning skulle vara att avstå från använd- ningen av överflödig teknologi. Denna teknologi borde kanske då användas främst inom område som gynnar samhället såsom medicinsk rehabilitering.

(35)

21 | SLUTSATS

5 Slutsats

Under detta arbete har ett kretskortbaserat system designats för att utvinna energi ur gång och sol. Tanken var att implementera systemet i en sko och utnyttja superkondensator som lagringsenhet. Genom att använda denna typ av anordning för att alstra energi kan den traditionella batteriladdningen för smarta anordningar eller mindre enheter substitueras. Samtliga krav för projektet uppnåddes där en konstant utspänning nåddes. Dock är effektivisering av uppladdningstiden ett område att arbeta vidare med. Projektet resultat visar att detta kan vara ett miljövänligare alternativ för uppladdning av smarta enheter och mindre anordningar. Villardcascade skulle behövas undersökas ytterligare som ett alternativ för energialstrande med mera stabila testmetoder.

En vidareutveckling på detta examensarbete skulle kunna vara att designa ett enda kretskort för hela systemet med piezokomponenterna inkluderade. Eventuellt skulle det kunna tillverkas hela skosulan utav material, som har starka piezoelektriska egenskaper, såsom PVDF. Det ultimata skulle var om PCB:n kunde vara flexibel. Detta för att lägga den under sulan i en sko. Det enda som är synligt utåt är då solcellerna som kopplas med konduktiv tråd. Man skulle även kunna göra en krets som gör att man får ett parallellt arbete, så att skon kan driva en mikrokontroller samtidigt som att lagrings komponenten laddas upp. detta kan göras med två input, där komponenterna kan få energi från kondensatorerna när man är stilla och från solceller och piezomoduler vid gång.

(36)

22 | SLUTSATS

(37)

23 | KÄLLFÖRTECKNING

Källförteckning

1. Billinghurst M, Starner T. Wearable devices: new ways to manage information.

Computer. 1999;32(1):57–64.

2. Zachrisson Winberg J. Nyheter Inrikes. Gamla batterier – ett växande miljöpro- blem. Sverige. SVT; 23 juli 2018 [citerad 3 september 2019]; Tillgänglig vid:

https://www.svt.se/nyheter/inrikes/gamla-batterier-ett-vaxande-miljoproblem 3. Batteriåtervinningen. Du har 7 kilo elskrot hemma- och här hittar du det! [Inter- net].Stockholm:Batteriåtervinningen [citerad 3 september 2019]. Tillgänglig vid:

http://www.batteriatervinningen.se/

4. Kemiska Institutionen. ÅABC - Ett battericentrum på Ångström - Kemiska sekt- ionen[Internet].Uppsala: Uppsala Universitet; [citerad 3 september 2019]. Till- gänglig vid: http://www.kemi.uu.se/forskning/strukturkemi/aabc/

5. Sahay K, Bharti D. Supercapacitors Energy Storage System for Power Quality Improvement: An Overview. Journal of Electrical Systems.2009 Dec;5(4). Till- gänglig vid: https://www.researchgate.net/publication/289714785

6. Jiancheng Z. International Conference on Power Electronics and Drives Systems :Research on Super Capacitor Energy Storage System for Power Network. 2005 In- ternational Conference on Power Electronics and Drives Systems [Internet]: 28 nov-1 dec 2005. Kuala Lumpur, Malaysia: IEEE Xplore. 2005 [citerad 3 september 2019]. s. 1366–9. Tillgänglig vid: http://ieeexplore.ieee.org/document/1619901/

7. Sels T, Dragu C, Van Craenenbrock T, Belmans R. New energy storage devices for an improved load managing on distribution level. I: 2001 IEEE Porto Power Tech Proceedings [Internet]. Porto, Portugal: IEEE; 2001 [citerad 3 september 2019]. s.

6. Tillgänglig vid: http://ieeexplore.ieee.org/document/964847/

8. Erturk A, Inman DJ. Piezoelectric Energy Harvesting [Internet]. Chichester, UK:

John Wiley & Sons, Ltd; 2011 [citerad 3 september 2019]. s. 1-12. Tillgänglig vid:

http://doi.wiley.com/10.1002/9781119991151.fmatter

9. Ylli K, Hoffmann D, Willmann A, Becker P, Folkmer B, Manoli Y. Energy harvesting from human motion: exploiting swing and shock excitations. Smart Mater Struct. 2015 Feb;24(2):25-9.

10. Niu P, Chapman P, Riemer R, Zhang X. 35th Annual Power Electronics Special- ists Conference: Evaluation of motions and actuation methods for biomechanical energy harvesting. [Internet]. 35th Annual Power Electronics Specialists Confer- ence Aachen, Germany: 2004. [citerad 3 september 2019] s. 2100–6. Tillgänglig vid: http://ieeexplore.ieee.org/document/1355442/

(38)

11. Williams CB, Yates RB. Analysis of a micro-electric generator for microsystems. Proc 8th Int Conf Solid-State Sens Actuators Eurosensors IX [Internet]. 1996 Mars [citerad 3 september 2019];52(1) :s 8–11. Tillgänglig vid: http://www.science-

direct.com/science/article/pii/092442479680118X

12. Ueno E, Shiina T, Kubota M, Sawai. Research and development in breast ultra- sound.1st ed. New York: Springer; 2004. s 1-3

13. Quan L. Nanomaterials for sustainable energy. New York, NY: Springer Berlin Hei- delberg; 2016. Sid 194–195

14. Chong Y.E. Likriktning för piezo-komponent [Bild]. [citerad 3 september 2019]. Till- gänglig vid: https://www.researchgate.net/pro-

file/Ye_Chong3/post/Can_I_charge_a_NI-MH_battery_using_a_standard_pie- zoelectric_circuit_with_a_bridge_rectifier_and_smoothing_capacitor/atta- chment/59d6230e6cda7b8083a1d844/AS%3A313838698729472%401451836384 584/image/k_Circuit.png?fbclid=IwAR2ThhBsMSD80eWrUAaHkKu6JPK- BAxI2WTnDrRP2Oq72HezFCagGtyUQp0Q

15. Safari A, Akdogan E.K. Piezoelectricity and acoustic materials for transducer applications. New York; 2008.Sid 17–20

16. Vattenfall. Hur fungerar solceller [Internet] Näsåker: Vattenfall;2019 [citerad 3 september 2019]. Tillgänglig vid: https://www.vattenfall.se/solceller/hur-fungerar-solceller/?fbclid=IwAR2ChO9HtOjCvWu0pdIgP-C_oz6iJimoRxiqxE9B3BfmP- maAU-v-zB0s79U

17. Jämförsolceller. Hur en solcell fungerar - från solljus till glödlampa. Jämför Solcell- ler [Internet] [citerad 3 september 2019]. Tillgänglig vid: http://jamforsolcel- ler.se/tekniken/solceller/?fbclid=IwAR3IfI4b8q6mCGbXaDlHV-

DjpH70TotS8XsHmZdnbKxvH3N3UVSmvr5-i3PE

18. Kumaresh V, Mridul M, Ramakrishna N, SavaranaPrabu R. Literature Review on Solar MPPT Systems. Reaserch Indian Publ [Internet]. 2014; 4:285–96. Tillgänglig vid: https://www.ripublication.com/aeee_spl/aeeev4n3spl_10.pdf

19. Seyedmahmoudian M, Horana B, Kok Soon T, Rahmani R, MuangThan Ooa A, Mekhilefd S, Stojcevskie A et. al. State of the art artificial intelligence based MPPT techniques for mitigating partial shading effects on PV systems. Science Direct.

2016;64:sid 435-55

20. Seaward Group USA. IV curve [Bild] [citerad 3 september 2019]. Tillgänglig vid:

http://www.seaward-groupusa.com/userfiles/curve-tracing.php

21. Salim A. 30 Years of Smart Shoes [Internet] IDG Connect;2014. [citerad 3 september 2019]. Tillgänglig vid: https://www.idgconnect.com/idgconnect/analysis-review/1008631/smart-shoes?fbclid=IwAR1i7-mumHHSHKQWhDDVeI-

pr7N2uLGb1aSZBU_6dIYZC5osPtgVM1AcsNo

(39)

22. Kymissis J, Kendall C, Paradiso J, Gershenfeld N. Parasitic power harvesting in shoes. I: Digest of Papers Second International Symposium on Wearable Comput- ers [Internet]. Pittsburgh, PA, USA: IEEE Comput. Soc; 1998 [citerad 17 april 2019]. s. 132–9. Tillgänglig vid: http://ieeexplore.ieee.org/document/729539/

23. Schirmer M, Hartmann J, Bertel S, Echtler F. Shoe me the Way: A Shoe-Based Tac- tile Interface for Eyes-Free Urban Navigation. I: Proceedings of the 17th Interna- tional Conference on Human-Computer Interaction with Mobile Devices and Ser- vices - MobileHCI ’15 [Internet]. Copenhagen, Denmark: ACM Press; 2015 [citerad 3 september 2019]. s. 327–36. Tillgänglig vid: http://dl.acm.org/citat-

ion.cfm?doid=2785830.2785832

24. Huang Q, Mei Y, Wang W, Zhang Q. Toward Battery-Free Wearable Devices: The Synergy between Two Feet. ACM Trans Cyber-Phys Syst.2018 juni;Internet].2(3): s 1–18.

25. Linear Technology. LTC3588-1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply. [In- ternet][citerad 3 september 2019]. Tillgänglig vid: https://www.analog.com/me- dia/en/technical-documentation/data-sheets/35881fc.pdf

26. Texas Instruments. bq25570- nano power boost charger and buck converter for energy harvester powered applications [Internet]. [citerad 3 september 2019]. Till- gänglig vid: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25570.pdf

(40)

(41)

27 | BILAGA

Bilagor

Bilaga 1. Det första kretsschemat för modulen BQ25570RGRR.

Bilaga 2. Board-fil. Det första designade kretskortet för modulen BQ25570RGRR.

(42)

(43)

(44)

TRITA TRITA-CBH-GRU-2019:130

www.kth.se