Mid Sweden University

The fourth industrial revolution is here and with it a tidal wave of challenges for its prosperous implementation. One of the greatest challenges frustrating the development of the internet of things, and hence the next industrial revolution, is the powering of wireless sensors, as these depend on batteries with a limited lifetime. Recent advances have shown that energy harvesting technologies can be employed to extend the lifetime of batteries and ultimately replace them, thus facilitating the deployment of autonomous self-powered sensors, key components of the internet of things.

Energy harvesting is the process of capturing ambient energy and convertingit into electric power. For energy harvesting devices it is crucial that the transduction of energy is as efficient as possible, meaning that the methods for capturing, interfacing and converting the ambient energy should be understood and characterized for every application. This thesis investigates the harvesting of the energy found in pressure fluctuations in hydraulic systems, a widely used power transmission system used in the industry and consumer applications; the focus is on the fluid interface and energy focusing methods.

In summary, the contributions in this thesis show that the methods for converting pressure fluctuations in hydraulic systems to electrical power depend on the hydraulic system environment, in essence, the static pressure and the frequency of the pressure fluctuations. The results can serve as a starting point in the research, design, and development of hydraulic pressure energy harvesters.

Den fjärde industriella revolutionen är här vilket innebär en rad utmaningar för att dess utveckling ska bli framgångsrik. En av de största utmaningarna som begränsar utvecklingen av sakernas internet för industriella tillämpningar är strömförsörjningen av trådlösa sensorer då dessa är beroende av batterier med begränsad livslängd. Nya framsteg har emellertid gjorts med tekniker för energiskördning som gör att livslängden för batterierna kan förlängas ochi förlängningen helt ersätta batterierna. Det, i sin tur, möjliggör autonoma sensorer som är självförsörjande på energi som är viktiga komponenter i sakernas internet. Energiskördning är den process som omvandlar energi som finns i omgivningen till elektrisk energi. För att kunna få ut så mycket energi som möjligt så är det avgörande att energiskördarna gör energiomvandlingen så effektivt som möjligt. Det gör att inhämtning av omgivande energi samt gränssnitt och energiomvandling måste förstås och karakteriseras för varje tillämpning. Den här avhandlingen undersöker energiskördning för hydrauliskasystem där tryckfluktuationer i dessa system är energikällan. Syftet med den här studien är att ta fram metoder för uppskattning och karakterisering av de nödvändiga gränssnitten för inhämtning, fokusering, och omvandling av fluktuationer i hydraultryck till elektrisk energi. Sammanfattningsvis visar avhandlingen att metoder för att omvandla tryckfluktuationer i hydraulsystem till elektrisk energi beror på den hydrauliska systemmiljön där det statiska trycket och frekvensen av tryckfluktuationerna är de viktigaste parametrarna. Resultaten kan fungera som utgångspunkt för fortsatt forskning och utveckling av energiskördare för hydrauliska system.

The growing interest in the Internet of Things has created a need for wireless sensing systems for industrial and consumer applications. In hydraulic systems, a widely used method of power transmission in industry, wireless condition monitoring can lead to reduced maintenance costs and increase the capacity for sensor deployment. A major problem with the adoption of wireless sensors is the battery dependence of current technologies. Energy harvesting from pressure fluctuations in hydraulic systems can serve as an alternative power supply and enable self-powered devices. Energy harvesting from pressure fluctuations is the process of converting small pressure fluctuations in hydraulic fluid into a regulated energy supply to power low power electronics. Previous studies have shown the feasibility of pressure fluctuation harvesting. However, for the development of self-powered sensor systems, the methods and techniques for converting pressure fluctuations into electrical energy should be further investigated.

This thesis explores the methods, limitations, opportunities and trade-offs involved in the development of pressure fluctuation energy harvesters in the context of self-powered wireless devices. The focus is on exploring and characterizing the various mechanisms required to convert pressure fluctuations into electrical energy. In this work, an energy harvesting device consisting of a fluid-to-mechanical interface, an acoustic resonator, a piezoelectric stack, and an interface circuit is proposed and evaluated. Simulations and experimental analysis were used to analyse these different components for excitation relevant to hydraulic motors.

The results of this work provide new insights into the development of power supplies for self-powered sensors for hydraulic systems using pressure fluctuation energy harvesters. It is shown that with the introduction of the space coiling resonator for pressure fluctuation amplification and a detailed analysis of the fluid interface and power conditioning circuits, the understanding of the design and optimization of efficient pressure fluctuation energy harvesters is further advanced.