Solar Energy Harvesting for Outdoor Applications

Abstract

The use of solar cells as a solution for different energy harvesting applications has seen a significant
growth during the last few years. With recent advances in the power conversion efficiency and
manufacturability of organic photovoltaic cells these systems can be made even cheaper and more
available for consumers, opening up new ways for solar technology to be implemented into products.
This project investigates how an energy harvesting system suitable for low power applications
can be constructed with the use of an organic photovolatic cell as the energy harvesting source. It
also explains how this energy is sampled via a regulatory integrated circuit chip and how this all is
connected via a PCB. All components were carefully evaluated, tested and assembled to form a final
energy harvesting system.
The project also resulted in a simulation tool that can simulate the performance of the energy
harvesting system as implemented in a specific battery charging application. From these simulations
it is concluded that the system is very dependent on the organic photovoltaic cell azimuth angle. It
performs well in south facing harvesting, allowing for a substantial battery charging potential, but
struggles to provide charging power for a north facing OPV. However, depending on the magnitude
of draining current of the battery, a north facing OPV can still provide enough charging current to be
considered feasible for implementation. The report concludes that from a performance point of view,
an OPV based energy harvesting system can extract enough energy to provide real value for potential
future Verisure products.

Popular Abstract (Swedish)

Verisure är ett företag som erbjuder lösningar inom
hemövervakning och larmsystem. En stor del av dessa
produkter drivs av batterier och måste fungera med minimal
energiåtgång för att ha en så lång batteritid som möjligt.
Därtill placeras många av dessa produkter omgiven av en
närvarande ljuskälla. Ljuset kan härstamma både från en källa
inomhus eller från solen. På grund av detta är det intressant
för Verisure att få en ökad förståelse angående huruvida
solceller kan användas i framtiden och vilket resultat de kan
förvänta sig av dem.
I takt med att solcellstekniken går framåt öppnas nya
användningsområden och sätt att implementera dem på.
Traditionellt sätt har materialet som används för att omvandla
solenergin till användbar elektrisk ström varit kiselbaserad.
Ny teknik baserad på organiska material har på senare tid
visat sig effektiv nog, ekonomisk, mekaniskt flexibel och lätt
nog att tillverka i stor skala för att de ska vara intressanta att
utforska vidare. I detta examensarbete har en specifik organisk
solcell (OPV) utforskats och dess prestanda i olika miljöer
kartlagts. För att extrahera maximal energi från solcellen
designades ett kretskort för detta syfte som användes för att
ladda ett uppladdningsbart lithium batteri. Detta system kallas
för ett "energy harvesting system" förkortat till EHS.

Alla ingående komponenter som använts i det
slutliga EHS studerades och jämfördes noga med andra
komponentalternativ för att försäkra sig om att de
komponenter som till sist användes var de bästa för ändamålet.
Under denna jämförandeprocess låg fokus på att välja de
komponenter som hade de attribut som var nödvändiga och
att minimera energiförluster. Med alla komponenter utvalda
kunde den totala systemförlusten beräknas. Det slutgiltiga
EHS innehåller en OPV modul, ett kretskort som omvandlar
OPV modulens utgående spänning till något som kan ladda
ett batteri, samt ett lithium-jon batteri för att förvara energin
från OPV modulen.
EHS prestandan undersöktes både genom experiment
inom och utomhus samt via simulationer i Python och Excel
där Excelprogrammet var skrivet av Henrik Davidsson på
LTH. Inomhustesten utnyttjade en svavelplasmalampa gjord
för att testa solceller för att på ett kontrollerat sätt kunna
undersöka solcellens prestanda vid olika belysningsgrader.
Det gav också ett bra tillfälle att undersöka andra parametrar,
såsom bakgrundsfärg och formen på solcellen. Utomhustesten
användes sedan för att jämföra med inomhustesten och för
att undersöka om ett fungerande EHS har den prestanda som
faktiskt förväntas enligt testen utförda inomhus.
Via Excel och med soldata som finns tillgänglig från
diverse databaser och offentliga källor kan man simulera
vilken den effektiva belysningen från solen är vid given
tidpunkt och plats. Detta kan sedan översättas till en
förväntad effekt som solcellen bör ha, givet den valda platsen.
Med Pythonsimulationen användes resultaten ifrån egna
experiment som bas för simuleringarna angående solcellens
effekt. Detta kunde sedan korreleras till en uppskattad
laddande effekt för lithium- jon batteriet. Ett liknande resultat
från båda simuleringarna verifierade att resultaten var rimliga.

Med solen som den primära ljuskällan och med en
solcell placerad utomhus visade simuleringarna som väntat
att solcellen producerar störst effekt när den är placerad i en
sydlig rikting. Det visade sig också att en solcell placerad
mot norr, producerar en laddande ström stor nog för att
förlänga en batteritid, med en normalstor urladdande ström,
signifikant. Om ett EHS för batteriladdning implementeras
kan en batteritid på över 10 år förväntas, givet en ursprunglig
batteritid på 3 år (45Wh). Det visas också att simuleringarna
är koordinatberoende. Ett EHS presterar exempelvis mycket
bättre i Madrid än i Malmö.

• author: Andersson, Jonatan and Kjaerran, Kristoffer
• supervisor: Gunnar Lindstedt; Ulf Jeppsson; Nick Hackett
• organization: Industrial Electrical Engineering and Automation
• course: EIEM01 20212
• year: 2022
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• publication/series: CODEN:LUTEDX/TEIE
• report number: 5474
• language: English
• id: 9077875
• alternative location: https://www.iea.lth.se/publications/MS-Theses/Full%20document/5474_full_document.pdf
• date added to LUP: 2022-04-25 14:32:07
• date last changed: 2022-04-25 14:32:07