Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Itsenäisten langattomien sensori- ja säätöjärjestelmien lukumäärä on kasvanut nopeasti viimeisen vuosikymmenen aikana. Tähän saakka nämä järjestelmät ovat olleet akkukäyttöisiä, joka on johtanut lyhyeen elinkaareen ja korkeaan huoltotarpeeseen. Tästä syystä on tutkittu paljon uusia keinoja langattomien järjestelmien tehonlähteeksi. Yksi mahdollinen ratkaisu on energian kerääminen ympäröivistä olosuhteista. Energian kerääminen mahdollistaa pitkäaikaisen ja matalan huoltotarpeen omaavan teholähteen langattomille järjestelmille. Tässä diplomityössä on tutkittu eri energiankeräämisen teknologiat keskittyen niiden teoreettiseen pohjaan sekä state-of-the-art tutkimustuloksiin ja kaupallisiin ratkaisuihin. Energian keräämisen lisäksi on tutkittu kerätyn energian varastointia ja hallintaa. Langattomia järjestelmiä käytetään myös raskaissa ajoneuvoissa. Siksi myös tällaisissa olosuhteissa tarvitaan luotettavaa, pitkäikäistä ja huoltovapaata energialähdettä. Esimerkkinä tästä on käytetty metsäkonetta ja sen liukupuominosturia. Kerättävän energian määrä tulee olla parimilliwattia, joka riittää kohdejärjestelmän, langattoman rajakytkimen, tehonsyöttöön.