Power Line Induction Energy Harvesting Powering Small Sensor Nodes

• Main Author: Thorin, Oskar
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) 2016
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-187728

This thesis is examining the possibility of powering small wireless sensor nodes using induction and magnetic fields, generated by alternating current in conductors. As more devices becomes online, powering them all using batteries is not a good enough solution. The application in this thesis is a current sensor mounted near the electric distribution boxwhere there are typically no power outlets, instead powered by an inductor. Two theoretical models are created. One basic, with calculations in 2d and one more complex in 3d. Experiments show that the 3d one is significantly more accurate and a goodway of estimating an inductor’s possible power output. Along with the theoretical models, an electric one is also created showing the performance to expect while connected to a load. The combination allows for estimation and optimization of the inductor output during the design process. A hardware prototype is then constructed and evaluated according to the requirements of a real world application, as a way of minimizing the number of battery changes of a small wireless sensor node. The results show that it would not be reasonable to use an inductor for charging batteries this way as it fails to reach the requirements in several areas. At reasonable sizes and weights it will not be able to produce enough power for the sensor’s needs. With an inductor big enough, the required output could be big enough. Although batteries of equal size would last for a very long time. These tests are performed with the Swedish power grid as the source conductor. The higher currents and frequencies of the American power grid shows a big increase in output power, as both parameters are squared in the equations. In Sweden the output power is only about 16 percent of what would have been possible in America. But even then the inductor would have to be placed in close proximity of the source conductor, as its output power is quickly decreasing with distance. The conclusion is that this way of powering electronics has very limited use. There are few situations where the load are close enough to conductors with strong alternating current and the size of the inductor required to power a minimal load makes it unpractical. === Detta examensarbete undersöker möjligheten att driva små trådlösa sensornoder genom induktion och magnetfält genererade av växelström i ledare. När fler och fler enheter kopplas upp duger inte batterier för att driva allting. Appliceringen för detta examensarbete är en stömsensor monterad nära ett elskåp, där det typiskt saknas eluttag, istället strömförsörjd med via en spole. Två stycken teoretiska modeller skapas. En enkel med beräkningar i 2d samt en mer avancerad i 3d. Experiment visar att 3d-modellen är betydligt mer precis och ett bra sätt att estimera en spoles strömuttag. Dessutom skapas en elektrisk modell som visar prestandan man kan förvänta sig med en last ansluten. Kombinationen möjliggör en estimering och optimering av spolen under designprocessen. Sedan skapas en hårdvaruprototyp vilken utvärderas enligt kraven för en verklig tillämpning, med målet att minimera antalet batterbyten för en liten sensornod. Resultaten visar att det inte är rimligt att använda en spole för att ladda batterier i det här fallet eftersom flera av kraven inte uppfylls. Inom rimliga restriktioner för storlek och vikt skulle inte tillräckligt med energi levereras för sensorns behov. är spolen tillräckligt stor skulle skulle dess utmatning räcka till. Dock skulle batterier i motsvarande storlek räcka väldigt länge. Undersökningen är gjord med det svenska elnätet som källa. De högre strömmarna och frekvenserna i det amerikanska elnätet visar en betydlig förhöjning av levererad energi eftersom de båda parametrarna är i kvadreras i ekvationerna. I Sverige kan endast 16 procent tas ut jämfört med vad som vore möjligt i USA. Men även där måste spolen placeras i direkt närhet till källan, eftersom den levererade energin snabbt avtar med avståndet. Slutsatsen blir att detta sätt att strömförsörja elektronik har mycket begränsat användningsområde. Det är få tillfällen där lasten är nära nog ledare med kraftig växelström och storleken på spolen som krävs för att driva en minimal last gör det opraktiskt.