Role of solar energy harvesting in hybrid energy solutions for wearable sports electronics

Abstract

This thesis examines the role of solar energy harvesting within hybrid energy systems for wearable sports electronics. The growing functional demands of modern sports wearables create an increasing mismatch with the limitations of conventional battery-based power supply, motivating the search for supplementary energy sources.

The study reviews solar harvesting fundamentals, hybrid system architectures, and the key factors that govern photovoltaic output at miniaturized scales. These include irradiance variability, device orientation, and available surface area. A scenario analysis of three commercial Garmin solar-assisted devices is conducted to evaluate real-world harvesting performance across representative use conditions. The results confirm that solar harvesting functions primarily as a battery lifetime extender rather than an autonomous power source. Its practical contribution varies substantially with irradiance conditions, device design philosophy and usage intensity. Seasonal asymmetry at northern latitudes further limits the reliability of solar gains outside summer months. Future development in flexible photovoltaic materials and adaptive energy management is expected to improve the viability of solar-assisted wearable systems.

Tämä kandidaatintyö tarkastelee aurinkoenergian keruun roolia urheilukäyttöön tarkoitettujen puettavien elektroniikkalaitteiden hybridienergiajärjestelmissä. Nykyaikaisten urheilukellojen ja muiden puettavien laitteiden kasvavat toiminnalliset vaatimukset suurentavat kuilua energiantarpeen ja perinteisten akkupohjaisten virtaratkaisujen rajoitteiden välillä. Tämä on väistämättä luonut tarpeen tutkia täydentäviä energianlähteitä.

Työssä käsitellään aurinkoenergian keruun perusteita, hybridijärjestelmien arkkitehtuuria, sekä pienikokoisten aurinkokennojen sähköntuotantoon vaikuttavia keskeisiä tekijöitä. Näitä ovat esimerkiksi säteilyolosuhteiden vaihtelu, laitteen asento, sekä käytettävissä oleva pintaala. Lisäksi työssä toteutetaan skenaarioanalyysi kolmelle kaupalliselle Garminin aurinkolatausta hyödyntävälle laitteille, jonka avulla arvioidaan aurinkoenergian keruun todellista suorituskykyä erilaisissa käyttöolosuhteissa. Tulokset osoittavat, että aurinkoenergian keruu toimii ensisijaisesti akun käyttöaikaa pidentävänä ratkaisuna, ei itsenäisenä virtalähteenä. Sen käytännön hyötykäytettävyys vaihtelee huomattavasti säteilyolosuhteiden, laitteen suunnittelun ja käyttömäärän mukaan. Pohjoisemmilla leveysasteilla vuodenaikojen välinen vaihtelu luo lisärajoitteen aurinkoenergian hyödyntämiseen ja täten rajoittaa luotettavimman lataushyödyn kesäkuukausille. Tulevaisuudessa joustavien aurinkokennomateriaalien ja mukautuvan energianhallinnan kehityksen voidaan odottaa parantavan pienikokoisten aurinkoavusteisten järjestelmien käyttökelpoisuutta.