Energy harvesting mechanism for smart city solutions

Abstract

Internet of Things (IoT) devices, and Wireless Sensor Networks (WSNs), as pivotal elements in the actualisation of smart cities, require unlimited energy supply to enhance long lifespan and uninterruptible functionalities. Energy Harvesting (EH) techniques answer to many energy demands of perpetual devices, by converting various ambient environmental energy to usable electrical form for their sustenance. In this thesis, the review of various ambient energies available in the city that can be explored by different EH transduction mechanisms for the purpose of smart city automation was carried out. Thereafter, the PhD thesis explored the often windy weather of Aveiro city to investigate how to use ’home chimney pinwheels’ (HCP) on rooftops as an energy harvesting mechanism to convert energy from Wind to electrical source in a smart building in order to power IoT and other autonomous devices connected within such facility. The first step in the study was to justify reasons for which this means of harvesting Wind energy is considered smarter than the existing methods of using turbines of different capacities to harness Wind energy. This was achieved with the use of ’waterfall’ Project Management Methodology (PMM), whereby Wind energy delivery turbines that are grid connected at different capacities were categorised based on project management (PM). Hence, comparative analysis of different turbine capacities were made involving economic considerations; with delivery time, based on load target. The acronym ’Smart Turbine Energy Harvester (STEH)’ was therefore sustained for the use of HCP as turbines to deliver low amount of energy to IoT and other autonomous devices. Subsequently, the HCP was converted to an STEH by the use of off-the-shelve components, while the assembly part was fabricated with the aid of 3-D printer, and an electromagnetic converter by which means the Wind energy was harvested, was adapted from a brushless DC motor. This was mechanically fastened to the circular base of the 18-blade HCP. The HCP-STEH was tested for various Wind speed in the laboratory and experiments revealed that it can produce energy at very low Wind speeds. Experiments in simulated wind; in the laboratory yielded open circuit voltage of 0.3 ∼ 16 V, for wind speed between 0.6 ∼ 16 km/hr. In addition, the use of the smart turbine energy harvester as a smart building energy source was demonstrated on rooftop by connecting the set-up via a power management unit (PMU) to power ESP32 micro controller serving as IoT module across a 100 kΩ resistive load. Observation of the STEH output was made via cloud using LORA and the set-up was monitored on thingspeak cloud. On roof-top, with PMU connected to the STEH in ambient wind, a voltage of up to 4.1 V was generated; more so, maximum current of 6.6 mA and voltage of 9 V were recorded during cloud observation. This amount of energy is considered sufficient to operate low power IoT devices deployable around a smart city.

Tecnologias como Internet of Things (IoT) ou Wireless Sensor Networks (WSNs) e os dispositivos que as compõem são vistos como elementos fulcrais na atualização de cidades inteligentes, requerem um fornecimento de energia para melhorar a longa duração e as funcionalidades ininterruptas. As técnicas de Energy Harvesting (EH) respondem a muitas das exigências energéticas dos dispositivos, convertendo várias energias ambientais em fontes elétricas utilizáveis para o seu sustento. Nesta tese, foi efetuada a revisão de várias energias ambientais disponíveis na cidade que podem ser exploradas por diferentes mecanismos de transdução de EH para fins de automatização inteligente da cidade. Posteriormente, a tese de doutoramento explorou o clima frequentemente ventoso da cidade de Aveiro para investigar como utilizar girândola nos telhados como mecanismo de captação de energia para converter a energia do vento em fonte elétrica num edifício inteligente, a fim de alimentar o IoT e outros dispositivos autónomos ligados dentro de tais instalações. O primeiro passo no estudo foi justificar as razões pelas quais este meio de recolha de energia eólica é considerado mais inteligente do que os métodos existentes de utilização de turbinas de diferentes capacidades para aproveitar a energia eólica. Isto foi conseguido com a utilização da Metodologia de Gestão de Projetos (MGP), segundo a qual as turbinas de fornecimento de energia eólica ligadas à rede a diferentes capacidades foram categorizadas com base na gestão de projeto (GP). Assim, foi feita uma análise comparativa das diferentes capacidades das turbinas envolvendo considerações económicas; com base no tempo de entrega e no objetivo de carga. O acrónimo” Smart Turbine Energy Harvester” (STEH) foi utilizado para descrever o sistema que usa as girândolas para fornecer a energia necessária à IoT e a outros dispositivos autónomos. Subsequentemente, a girândola foi convertida num STEH através da utilização de componentes à disposição, usando um conversor eletromagnético através do qual a energia eólica é recolhida (adaptado a partir de um motor CC sem escovas), sendo o elemento de união foi fabricado com a ajuda de uma impressora 3-D. O conversor foi fixado mecanicamente à base circular da girândola de 18 lâminas. O STEH foi testado para várias velocidades do vento em laboratório e as experiências revelam que pode produzir energia usando como fonte velocidades de vento muito baixas. Experiências em vento simulado; no laboratório produziram uma tensão circuito aberto de 0,3 ∼ 16 V, para uma velocidade do vento entre 0,6 ∼ 16 km/h. Além disso, a utilização do da energia obtida pelo STEH foi demonstrada numa experiência no telhado, ligando o sistema a uma unidade de gestão de energia (PMU-Power Management Unit) e a um micro-controlador ESP32, servindo como módulo IoT com comunicação LoRa. A observação do desempenho da saída STEH foi feita via nuvem thingspeak. No telhado, com a PMU ligada ao vento ambiente, foi gerada uma tensão de até 4,1 V; enquanto que a corrente máxima de 6,6 mA e a tensão de 9 V foram registadas durante a observação das nuvens. Esta quantidade de energia é considerada suficiente para o funcionamento de dispositivos IoT de baixa potência que podem ser instalados numa cidade inteligente.