Christophe da Silva Fernandes Microgeradores...

Christophe da Silva Fernandes

Microgeradores Elétricos

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Outubro de 2012

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestreem Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor José Manuel Cabral

e co-orientação na empresa Critical Materials deEngenheiro Nelson Ferreira

Christophe da Silva Fernandes

Microgeradores Elétricos

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

iii

Agradecimentos

A realização desta dissertação apenas foi possível com o apoio de diversas pessoas e

entidades, às quais pretendo deixar aqui o meu sincero agradecimento.

Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Professor Doutor José Manuel Cabral,

orientador na Universidade do Minho e ao Engenheiro Nelson Ferreira, orientador na Empresa

Critical Materials por toda a ajuda, sugestões, conselhos e disponibilidade facultadas no

decorrer deste projeto.

À empresa Critical Materials, pela oportunidade e por possibilitar o desenvolvimento

prático do projeto nas suas instalações, bem como a utilização dos seus equipamentos.

Agradeço também o acolhimento e a ajuda concedida por todos os membros que lá

trabalham.

Às empresas Texas Instruments, Linear Technology, Coilcraft e Analog Devices pelas

amostras gratuitas de componentes, imprescindíveis para o desenvolvimento e funcionamento

deste trabalho.

Gostaria de agradecer a todos os colegas de turma, de um modo especial aos colegas Rui

Costa, Tiago Castro, Sandro Pinto e Rui Araújo por todo o apoio, incentivo e amizade

demonstrado no decorrer do curso, até mesmo nos momentos mais difíceis. Sem eles, este

percurso seria muito mais difícil. De igual modo fico agradecido ao colega Filipe Alves e ao

grupo de Sistemas Embebidos pela ajuda prestada na soldagem dos circuitos integrados SMD

nas placas de circuito impresso realizadas neste trabalho.

Também gostaria de agradecer aos meus colegas de trabalho da empresa Estrela

Electrónica, especialmente ao Sérgio Santos e João Augusto Santos que mesmo indiretamente

demonstraram apoio e compreensão em vários momentos desta etapa.

À minha família, em particular à minha mãe Maria Luísa Fernandes e ao meu pai Manuel

Fernandes por todo o apoio, carinho e amor, sempre prestado ao longo da minha vida e à

minha irmã Catarina Fernandes pelo incessante encorajamento e também pela leitura do

relatório final.

Por fim, gostaria de expressar um agradecimento muito especial à minha namorada Patrícia

Daniela Freitas por todo o amor, paciência, ajuda, dedicação e compreensão prestado ao longo

deste percurso, isto sempre de forma incansável.

A todos, Obrigado.

v

Resumo

Ao longo das últimas décadas, os sucessivos avanços tecnológicos têm proporcionado à

sociedade uma variedade de dispositivos portáteis e sem fios, para diversos fins e aplicações.

Estes equipamentos vieram trazer ao utilizador uma melhor qualidade de vida, assinalando

assim o aumento considerável da sua dependência. Contudo, para permitir o funcionamento

destes dispositivos, é essencial a presença de energia elétrica e um problema que ainda existe

nestes situa-se precisamente na eficiência a nível de autonomia.

Numa visão geral, o aparecimento da energia elétrica trouxe entre nós inúmeras vantagens.

Para garantir eletricidade nas nossas casas, os métodos para a sua obtenção são diversos,

existindo dois grupos distintos: as energias renováveis que recorrem às fontes naturais (como

o sol, vento, água, etc.) e as energias não renováveis que utilizam combustíveis fósseis ou

nucleares, qualificadas por sua vez como energias poluidoras.

Do mesmo modo que a produção de energia em macro escala, o conceito de energia obtida

através de fontes renováveis, também designado por Energy Harvesting, originou a captação

de energia destinado a dispositivos em microescala, oferecendo assim uma nova visão face à

melhoria da autonomia de equipamentos portáteis sem fios. Neste âmbito, existem empresas

que têm procurado desenvolver soluções de Energy Harvesting em escala reduzida e um

exemplo destas é a Critical Materials que, para além de outras áreas de desenvolvimento,

também se tem focado neste tipo de área. No propósito de adquirir experiências neste ramo,

surgiu a possibilidade de elaborar o projeto na referida empresa.

Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de soluções em microescala com

capacidade de capturar energias de fontes renováveis, sendo por sua vez capaz de alimentar

autonomamente uma carga. Inicialmente é apresentado o estado da arte relativo às energias

disponíveis no meio ambiente apropriados para estas soluções, nomeadamente a energia RF,

solar, térmica e cinética. De seguida são apresentados circuitos para a gestão de energia,

dispositivos armazenadores de energia e um diagrama de blocos. Numa segunda fase, é

descrito o procedimento experimental de duas soluções (térmica e cinética), inicialmente a

operarem de modo independente e depois integradas numa só solução. São ainda

apresentados resultados e conclusões dos desenvolvimentos práticos e teóricos.

Palavras-chave: Energy Harvesting, Energias Renováveis, Microtecnologia, Conversores

elétricos, Gestão de Energia, Armazenamento de Energia.

vii

Abstract

Over the past decades, successive technological advances have provided to society a variety

of portable and wireless devices, for different purposes and applications. These equipments

have brought to the user a better quality of life, marking a considerable increase from their

dependence. However, to allow the operation of these devices is essential the presence of

electric power and a problem that still exists in these lies precisely in the efficiency of

autonomy.

In an overview, the appearance of electric energy brought among us many advantages. To

ensure electricity in our homes, the methods for obtaining it are diverse. There are two distinct

groups: renewable energy that uses the natural sources (solar, wind, water, etc.) and non-

renewable energy that use fossil fuels or nuclear, in turn qualified as polluting energies.

Similarly the production of energy in macro scale, the concept of energy obtained from

renewable sources, also called Energy Harvesting, giving rise energy harvesting devices for

micro-scale, thus offering a new vision in relation of improving the autonomy range of wireless

handheld devices. In this connection, there are companies looking to develop solutions Energy

Harvesting in reduced scale and one example is the Critical Materials that, in addition to other

development areas has also been focused on this type of area. In order to gain experience in

this sector, it has become possible to develop the project in that company.

This dissertation aims the development of micro scale solutions capable of capturing

renewable energy sources, and in turn capable of powering a load autonomously. Initially is

presented the state of art concerning energy available in the environment suitable for these

solutions, particularly RF energy, solar, thermal and kinetics. Afterwards are presented

circuitry for power management, energy storage devices and a diagram block. In a second

stage, is described the experimental procedure in two solutions (thermal and kinetic) initially

operating independently and then integrated in a single solution. Results and conclusions of

practical and theoretical developments are also presented.

Keywords: Energy Harvesting, Renewable Energy, Micro technology, Electrical Converters,

Power Management, Energy Storage.

ix

Índice

Agradecimentos ...................................................................................................................... iii

Resumo .................................................................................................................................... v

Abstract .................................................................................................................................. vii

Índice ...................................................................................................................................... ix

Lista de figuras ....................................................................................................................... xv

Lista de tabelas...................................................................................................................... xix

Lista de acrónimos ................................................................................................................ xxi

1. Introdução ................................................................................................................ 1

1.1 Evolução tecnológica nos dispositivos portáteis ..................................................... 1

1.2 Motivação e Objetivos ........................................................................................... 2

1.3 Contribuições originais........................................................................................... 2

1.4 Estrutura da Dissertação ........................................................................................ 4

2. Energias disponíveis .................................................................................................. 7

2.1 Energia RF .............................................................................................................. 8

2.1.1 Origem do sinal RF .................................................................................................... 8

2.1.2 Energia RF existente no meio ambiente ..................................................................... 9

2.1.3 Modelação de um sistema RF .................................................................................... 9

2.1.4 Componentes para a captação de energia RF ........................................................... 11

2.1.5 Módulos .................................................................................................................. 12

2.1.6 Equipamentos existentes no mercado ..................................................................... 13

2.2 Energia solar ........................................................................................................ 14

2.2.1 Produção de energia elétrica a partir da energia solar.............................................. 14

2.2.2 Modelação de um sistema fotovoltaico ................................................................... 15

2.2.3 Curva característica de uma célula fotovoltaica ....................................................... 17

2.2.4 Componentes disponíveis no mercado .................................................................... 18

2.2.5 Módulos .................................................................................................................. 20


x

2.3 Energia térmica .................................................................................................... 23

2.3.1 Geradores termoelétricos........................................................................................ 23

2.3.2 Transformação de modelos ..................................................................................... 25

2.3.2.1 Modelo elétrico ................................................................................................................ 26

2.3.2.2 Modelo térmico ............................................................................................................... 27

2.3.3 Componentes disponíveis ........................................................................................ 28

2.3.4 Módulos .................................................................................................................. 30


2.4 Energia cinética ................................................................................................... 31

2.4.1 Modelação de um sistema cinético .......................................................................... 32

2.4.2 Energia vibracional através do efeito piezoelétrico .................................................. 35

2.4.2.1 Modelação equivalente .................................................................................................... 35

2.4.2.2 Microgeradores piezoelétricos disponíveis ........................................................................ 36

2.4.2.3 Módulos .......................................................................................................................... 38

2.4.2.4 Equipamentos existentes com elementos piezoelétricos .................................................... 38

2.4.3 Energia eletrostática ............................................................................................... 39

2.4.3.1 Microgeradores eletrostáticos disponíveis ........................................................................ 40

2.4.3.2 Equipamentos existentes com elementos eletrostáticos .................................................... 40

2.4.4 Energia eletromagnética.......................................................................................... 40

2.4.4.1 Microgeradores eletromagnéticos disponíveis .................................................................. 41

2.4.4.2 Equipamentos existentes com elementos eletromagnéticos .............................................. 41

2.4.5 Comparação entre os diferentes métodos de energia cinética ................................. 42

2.5 Outras formas de energias disponíveis ................................................................. 43

3. Gestão da energia recolhida ................................................................................... 45

3.1 Retificadores ........................................................................................................ 45

3.1.1 Onda completa........................................................................................................ 46

3.1.2 Switch-Only ............................................................................................................. 46

3.1.3 Bias-Flip .................................................................................................................. 47

3.1.4 Duplicadores de tensão ........................................................................................... 48

3.1.5 Outros tipos de retificadores ................................................................................... 48

xi

3.2 Conversores DC-DC .............................................................................................. 49

3.2.1 Conversor Step-Down (Buck) ................................................................................... 49

3.2.2 Conversor Step-Up (Boost) ...................................................................................... 52

3.2.3 Conversor Buck-Boost ............................................................................................. 54

3.3 Microcontroladores de baixo consumo energético ............................................... 56

3.4 Sistemas de armazenamento de energia elétrica ................................................. 56

3.4.1 Baterias ................................................................................................................... 57

3.4.2 Condensadores ....................................................................................................... 58

4. Diagrama de blocos para soluções em Energy Harvesting ...................................... 59

4.1 Microgerador elétrico .......................................................................................... 60

4.2 Gestão da energia ................................................................................................ 60

4.3 Armazenamento de energia ................................................................................. 65

4.4 Carga ................................................................................................................... 66

5. Desenvolvimento de uma solução prática com energia térmica ............................. 67

5.1 Motor de vibração ............................................................................................... 68

5.1.1 Estrutura de suporte ao ensaio ................................................................................ 68

5.1.2 Ensaio de temperatura ............................................................................................ 69

5.2 Elemento termoelétrico ....................................................................................... 69

5.2.1 Estudo dos elementos TEC para geração de energia ................................................. 70

5.2.2 Estudo dos elementos TEG para geração de energia ................................................ 73

5.2.3 Elemento termoelétrico selecionado ....................................................................... 73

5.3 Caracterização do dispositivo termoelétrico TGP-751 .......................................... 74

5.3.1 Modelo térmico e elétrico ....................................................................................... 75

5.3.2 Ensaio experimental ................................................................................................ 76

5.4 Elemento de gestão de energia ............................................................................ 81

5.4.1 Ensaio do gestor de energia BQ25504...................................................................... 83

5.4.1.1 Ensaio sem elemento armazenador .................................................................................. 86

5.4.1.2 Ensaio com elemento armazenador .................................................................................. 88

5.5 Carga elétrica ....................................................................................................... 90

xii

5.5.1 Características da placa de desenvolvimento AVR Butterfly...................................... 91

5.5.2 Load switch ............................................................................................................. 92

5.5.3 High side current sense ........................................................................................... 93

5.5.4 Funções inseridas na placa de desenvolvimento AVR Butterfly ................................. 95

5.6 Resultado obtido ................................................................................................. 99

5.6.1 Desempenho do sistema ....................................................................................... 100

5.6.2 Tensão no termogerador ....................................................................................... 101

5.6.3 Corrente no termogerador .................................................................................... 102

5.6.4 Construção de placa de circuito impresso .............................................................. 102

6. Desenvolvimento de uma solução prática com energia cinética ........................... 105

6.1 Motor de vibração ............................................................................................. 106

6.1.1 Ensaio de vibração ................................................................................................ 106

6.2 Elemento piezoelétrico ...................................................................................... 107

6.2.1 Elemento piezoelétrico escolhido .......................................................................... 107

6.3 Estudo de uma estrutura para associar ao elemento piezoelétrico escolhido ..... 108

6.3.1 Desenvolvimento teórico da viga ........................................................................... 109

6.3.2 Construção da viga ................................................................................................ 112

6.4 Ensaio experimental da viga ............................................................................... 113

6.4.1 Ensaio com apenas um elemento piezoelétrico inserido ........................................ 114

6.4.2 Ensaio com dois elementos piezoelétricos inseridos .............................................. 115

6.4.3 Amplificador de carga............................................................................................ 117

6.4.4 Máxima transferência de potência......................................................................... 119

6.5 Elemento de gestão de energia .......................................................................... 122

6.5.1 Ensaio do gestor de energia LTC3588-1.................................................................. 123

6.6 Carga elétrica ..................................................................................................... 125

6.6.1 Funções desenvolvidas na placa de desenvolvimento AVR Butterfly ....................... 125

6.7 Resultado obtido ............................................................................................... 128

6.7.1 Desempenho do sistema ....................................................................................... 128

6.7.2 Tensão no elemento piezoelétrico ......................................................................... 129

xiii

6.7.3 Corrente no elemento piezoelétrico ...................................................................... 130

7. Integração das duas soluções desenvolvidas ........................................................ 133

7.1 Introdução de novos conteúdos e alterações efetuadas ..................................... 133

7.1.1 Circuito adicionado ............................................................................................... 133

7.1.2 Parâmetros alterados nos circuitos de gestão de energia ....................................... 134

7.1.3 Funções adicionadas na placa de desenvolvimento AVR Butterfly .......................... 135

7.1.3.1 Estado dos dispositivos................................................................................................... 135

7.1.3.2 Dipositivo fornecedor ..................................................................................................... 137

7.2 Resultados obtidos ............................................................................................ 139

7.2.1 Funcionamento com apenas a solução termoelétrica............................................. 139

7.2.2 Funcionamento com apenas a solução piezoelétrica .............................................. 140

7.2.3 Funcionamento das duas soluções em conjunto .................................................... 140

7.3 Construção de placa de circuito impresso .......................................................... 141

8. Conclusões e trabalho futuro ................................................................................ 145

Referências bibliográficas..................................................................................................... 149

xv

Lista de figuras

Figura 2-1 - Áreas onde uma solução de Energy Harvesting pode ser integrada ......................... 7

Figura 2-2 - Modelo equivalente elétrico de um sistema RF ..................................................... 10

Figura 2-3 - Diagrama de blocos do dispositivo P2110 ............................................................. 12

Figura 2-4 - Diagrama de blocos do dispositivo P1110 ............................................................. 12

Figura 2-5 - Módulo receptor RF Powercast P2110-EV ............................................................. 12

Figura 2-6 - Módulo de sensores Powercast WSN-EVAL-01 ...................................................... 13

Figura 2-7 - Plataforma de desenvolvimento XLP 16-bit ........................................................... 13

Figura 2-8 - Modelo equivalente de um sistema fotovoltaico .................................................. 16

Figura 2-9 - Curva característica Tensão-Corrente ................................................................... 18

Figura 2-10 - Curva característica Tensão-Potência .................................................................. 18

Figura 2-11 - Plataforma de desenvolvimento IPS-EVAL-EH-01 [21] ......................................... 21

Figura 2-12 - Plataforma de desenvolvimento eZ430-RF2500-SEH [22] .................................... 21

Figura 2-13 - Plataforma de desenvolvimento ENERGY-HARVEST-RD [23] ................................ 22

Figura 2-14 - Auricular Bluetooth da i.Tech [24] ....................................................................... 22

Figura 2-15 - Ebook Reader da LG [25] ..................................................................................... 23

Figura 2-16 - Geração de electricidade através do efeito Seebeck ............................................ 24

Figura 2-17 - Geração de electricidade através do efeito Seebeck com vários elementos ......... 24

Figura 2-18 - Modelo equivalente elétrico de um conversor termoelétrico.............................. 26

Figura 2-19 - Modelo térmico de um conversor termoelétrico ................................................ 28

Figura 2-20 - Plataforma de desenvolvimento TE Power Node ................................................. 30

Figura 2-21 - Relógio de pulso da Seiko Thermic [36] ............................................................... 31

Figura 2-22 - Representação do modelo mecânico .................................................................. 32

Figura 2-23 - Forças presentes num sistema mecânico ............................................................ 32

Figura 2-24 - Modelo elétrico equivalente de um sistema mecânico........................................ 34

Figura 2-25 - Efeito piezoelétrico [38]...................................................................................... 35

Figura 2-26 - Modelo equivalente de um sistema piezoelétrico com fonte de corrente ........... 36

Figura 2-27 - Modelo equivalente de um sistema piezoelétrico com fonte de tensão .............. 36

Figura 2-28 - Módulo Mide PEH20W / PEH25W [44] ................................................................ 38

Figura 2-29 - Exemplo de um protótipo microgerador eletrostático [45] ................................. 40

Figura 2-30 - Relógio Kinetic Direct Drive da Seiko [48] ............................................................ 41

Figura 2-31 - Funcionamento do relógio Kinetic Direct Drive [49] ............................................ 41

Figura 2-32 - Dispositivo nPower™ PEG [50] ............................................................................ 42

xvi

Figura 3-1 - Retificador de onda completa ............................................................................... 46

Figura 3-2 - Retificador Switch-Only ........................................................................................ 47

Figura 3-3 - Retificador Bias-Flip .............................................................................................. 47

Figura 3-4 - Voltage doubler .................................................................................................... 48

Figura 3-5 - Retificador de onda completa com mosfets e comparadores ................................ 48

Figura 3-6 - Circuito DC-DC Step-Down (Buck) e formas de onda da tensão e corrente na bobina

no modo de condução contínua [54] ....................................................................................... 50

Figura 3-7 - Circuito DC-DC Step-Up (Boost) e formas de onda da tensão e corrente na bobina

no modo de condução contínua [54] ....................................................................................... 52

Figura 3-8 - Circuito DC-DC Buck-Boost e formas de onda da tensão e corrente na bobina no

modo de condução contínua [54] ............................................................................................ 54

Figura 4-1 - Diagrama de blocos para um sistema de Energy Harvesting .................................. 59

Figura 5-1 - Diagrama de blocos para a solução termoelétrica ................................................. 67

Figura 5-2 - Motor utilizado ..................................................................................................... 68

Figura 5-3 - Estrutura elaborada .............................................................................................. 68

Figura 5-4 - Ensaio de temperatura do motor .......................................................................... 69

Figura 5-5 - Dispositivo termoelétrico TGP-751 da Micropelt [29] ............................................ 74

Figura 5-6 - Módulo TE-CORE7 da Micropelt [29] ..................................................................... 74

Figura 5-7 - Diferença de temperatura efetiva afetada conforme o posicionamento do

dissipador do termogerador.................................................................................................... 75

Figura 5-8 - Tensão resultante do conversor termoelétrico TGP-751 em função da diferença de

temperatura, a nível teórico.................................................................................................... 76

Figura 5-9 - Ensaio do módulo termoelétrico com o motor de vibração ................................... 77

Figura 5-10 - Ensaio de temperatura com o motor de vibração ............................................... 77

Figura 5-11 - Tensão em aberto obtida em função da diferença de temperatura ..................... 78

Figura 5-12 - Corrente em curto-circuito obtida em função da diferença de temperatura ....... 78

Figura 5-13 - Potência máxima de saída obtida em função da diferença de temperatura ......... 80

Figura 5-14 - Eficiência máxima em função da diferença de temperatura ................................ 81

Figura 5-15 - Placa de avaliação BQ25504 da Texas Instruments e respetivo esquemático [61] 83

Figura 5-16 - Evolução da tensão Vstor e diferentes tensões de threshold presente na

plataforma de avaliação BQ25504 ........................................................................................... 86

Figura 5-17 - Tensão de saída do conversor TGP-751 e do gestor de energia em função da

diferença de temperatura ....................................................................................................... 87

Figura 5-18 - Instantes iniciais no ensaio da plataforma de avaliação BQ25504 sem elemento

armazenador .......................................................................................................................... 87

xvii

Figura 5-19 - Potência obtida à saída do gestor BQ25504 em função da diferença de

temperatura do conversor TGP-751 ........................................................................................ 88

Figura 5-20 - Resposta do gestor BQ25504 com condensador abaixo da tensão mínima (VBAT_UV

= 2,2V) .................................................................................................................................... 89

Figura 5-21 - Resposta do gestor BQ25504 com condensador acima da tensão mínima (VBAT_UV =

2,2V) ....................................................................................................................................... 89

Figura 5-22 - Ferramentas utilizadas no ensaio do gestor de energia BQ25504 ........................ 90

Figura 5-23 - Placa de desenvolvimento da Atmel AVR Butterfly .............................................. 90

Figura 5-24 - Load Switch ........................................................................................................ 92

Figura 5-25 - Adaptador para o componente TPS22922 ........................................................... 93

Figura 5-26 - Construção do adaptador para o componente INA216 ....................................... 95

Figura 5-27 - Fluxograma para apresentação de valores do conversor termoelétrico através da

plataforma AVR Butterfly ........................................................................................................ 96

Figura 5-28 - Registo ADMUX .................................................................................................. 97

Figura 5-29 - Registos ADCSRA e ADCSRB ................................................................................ 97

Figura 5-30 - Registo TCCR0A .................................................................................................. 98

Figura 5-31 - Configuração do ADC .......................................................................................... 98

Figura 5-32 - Configuração do timer 0 para o ADC ................................................................... 98

Figura 5-33 - Implementação do filtro digital ........................................................................... 99

Figura 5-34 - Ensaio da solução termoelétrica ....................................................................... 100

Figura 5-35 - Amostra de valores de tensão do termogerador fornecidos pela AVR Butterfly e

multímetro ........................................................................................................................... 101

Figura 5-36 - Amostra de valores de corrente do termogerador fornecidos pela AVR Butterfly e

multímetro ........................................................................................................................... 102

Figura 5-37 - Esquemático e PCB desenvolvido para a solução térmica .................................. 103

Figura 6-1 - Diagrama de blocos para a solução cinética ........................................................ 105

Figura 6-2 - Resultado obtido no ensaio de vibração do motor .............................................. 106

Figura 6-3 - Deformações em materiais piezoelétricos para geração de energia [77] ............. 107

Figura 6-4 - Elemento piezoelétrico ....................................................................................... 108

Figura 6-5 - Deformação de uma viga nas três primeiras frequências naturais não amortecidas

............................................................................................................................................. 110

Figura 6-6 - Representação da viga em software para análise por elementos finitos .............. 112

Figura 6-7 - Viga construída com elementos piezoelétricos inseridos .................................... 113

Figura 6-8 - Acessório elaborado para o ajuste da viga encastrada ........................................ 113

Figura 6-9 - Shaker e equipamento utilizado para ensaio da viga encastrada ......................... 114

xviii

Figura 6-10 - Motor de vibração com a viga ........................................................................... 116

Figura 6-11 - Onda sinusoidal obtida por um elemento piezoelétrico .................................... 116

Figura 6-12 - Amplificador de carga utilizado ......................................................................... 117

Figura 6-13 - Amplificador de carga elaborado, sinal proveniente do elemento piezoelétrico

(em vazio) e sinal obtido à saída ............................................................................................ 118

Figura 6-14 - Modelo piezoelétrico simplificado com carga ................................................... 120

Figura 6-15 - Máxima transferência de potência para três configurações distintas de elementos

piezoelétricos ....................................................................................................................... 121

Figura 6-16 - Placa de avaliação LTC3588-1 adquirida e respetivo esquemático [80] .............. 123

Figura 6-17 - Fluxograma para apresentação de valores do elemento piezoelétrico através da

plataforma AVR Butterfly ...................................................................................................... 126

Figura 6-18 - ISR do timer 1 ................................................................................................... 128

Figura 6-19 - Ensaio da solução piezoelétrica ........................................................................ 128

Figura 6-20 - Amostra de valores de tensão de um elemento piezoelétrico fornecido pela AVR

Butterfly e multímetro .......................................................................................................... 130

Figura 6-21 - Evolução da tensão no condensador de armazenamento .................................. 130

Figura 6-22 - Amostra de valores de corrente de um elemento piezoelétrico fornecido pela AVR

Butterfly................................................................................................................................ 131

Figura 7-1 - Procedimento utilizado para integrar as duas soluções desenvolvidas ................ 133

Figura 7-2 - Resistências inseridas e evolução da tensão Vstor com as tensões de threshold

obtidas no gestor BQ25504 ................................................................................................... 134

Figura 7-3 - Fluxograma da função “Estado dos dispositivos” ................................................ 136

Figura 7-4 - Exemplo e possíveis informações da função “Estado dos dispositivos”................ 136

Figura 7-5 - Fluxograma e possíveis informações da função "Dispositivo fornecedor" ............ 137

Figura 7-6 - Funções desenvolvidas na plataforma AVR Butterfly ........................................... 138

Figura 7-7 - Montagem com as duas soluções desenvolvidas ................................................. 139

Figura 7-8 - Esquemático final ............................................................................................... 142

Figura 7-9 - Placa de circuito impresso desenvolvida: Face superior ...................................... 143

Figura 7-10 - Placa de circuito impresso desenvolvida: Face inferior ...................................... 143

Figura 7-11 - Integração da PCB desenvolvida com a plataforma AVR Butterfly ..................... 143

Figura 7-12 - Protótipo em funcionamento sem a presença de baterias na AVR Butterfly ...... 143

Figura 7-13 - Aspeto final do protótipo .................................................................................. 143

Figura 7-14 - Parte de trás do protótipo ................................................................................ 143

Figura 7-15 - Protótipo desenvolvido com os elementos geradores de energia e motor de

vibração ................................................................................................................................ 144

xix

Lista de tabelas

Tabela 2-1 - Comparação entre os componentes P2110 e P1110 ............................................. 11

Tabela 2-2 - Características de células fotovoltaicas ................................................................ 19

Tabela 2-3 - Características dos componentes da SphelarOne ................................................. 19

Tabela 2-4 - Características de células de filme fino ................................................................. 20

Tabela 2-5 - Características de alguns materiais termoelétricos [26]........................................ 25

Tabela 2-6 - Características dos dipositivos TEG MPG-D651 e MPG-751 da Micropelt .............. 29

Tabela 2-7 - Características de alguns dispositivos TEC ............................................................ 29

Tabela 2-8 - Características de módulos Mide ......................................................................... 38

Tabela 2-9 - Vantagens e desvantagens entre os principais métodos de energia cinética......... 42

Tabela 3-1 - Classificação de sinais .......................................................................................... 45

Tabela 3-2 - Características de microbaterias .......................................................................... 57

Tabela 3-3 - Características de baterias contra condensadores [1]........................................... 58

Tabela 4-1 - Comparação entre componentes de gestão de energia ........................................ 64

Tabela 5-1 - Conversores termoelétricos TEC disponíveis no mercado ..................................... 72

Tabela 5-2 - Custos das placas de avaliação de elementos de gestão de energia...................... 82

Tabela 5-3 - Gama de valores de resistências recomendado para efeitos de programação

relativo ao gestor BQ25504 ..................................................................................................... 85

Tabela 6-1 - Determinação de parâmetros da viga de comprimento 13,7cm ......................... 110

Tabela 6-2 - Determinação da frequência de ressonância com a viga de comprimento 13,7cm

com massa de 10 gramas ...................................................................................................... 111

Tabela 6-3 - Determinação de parâmetros da viga de comprimento 15,4cm ......................... 115

Tabela 6-4 - Determinação da frequência de ressonância com a viga de comprimento 15,4cm

com massa de 10 gramas ...................................................................................................... 115

Tabela 6-5 - Tensão de saída selecionável no LTC3588-1 ....................................................... 123

Tabela 6-6 - Resultado do ensaio do gestor LTC3588-1 no arranque ...................................... 124

Tabela 6-7 - Resultado do ensaio do gestor LTC3588-1 depois de atingido a carga máxima no

condensador ......................................................................................................................... 124

xxi

Lista de acrónimos

AC – Alternating Current

ADC – Analogic Digital Converter

AMPOP – Amplificador Operacional

CCM – Continuous Conduction Mode

DC – Direct Current

DCM – Discontinuous Conduction Mode

DIP – Dual Inline Package

EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

ESR – Effective Series Resistance

IIR – Infinite Impulse Response

ISR – Interrupt Service Routine

LCD – Liquid Crystal Display

MEMS – Microelectromechanical Systems

MOSFET – Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

MPPT – Maximum Power Point Tracking

PCB – Printed Circuit Board

PFM – Pulse Frequency Modulation

TEC – Thermoelectric Cooler

TEG – Thermoelectric Generator

PWM – Pulse Width Modulation

RMS – Root Mean Square

SPI – Serial Peripheral Interface

SMD – Surface-Mount Device

SRAM – Static Random Access Memory

USART – Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter

USI – Universal Serial Interface

1

1. Introdução

1.1 Evolução tecnológica nos dispositivos portáteis

Em consequência da evolução tecnológica recente, as tendências de utilizar dispositivos

eletrónicos portáteis aumentaram cada vez mais para satisfazer diferentes tipos de

necessidades aos consumidores. A comunicação (telemóveis, computadores portáteis, etc.), o

laser (como por exemplo leitores de música), a segurança (sensores sem fios) são algumas das

áreas onde se tem registado cada vez mais dependência por parte dos utilizadores. No

entanto, apesar do sucessivo melhoramento das funcionalidades, serviços e aplicações neste

tipo de dispositivos, surge ainda uma certa limitação em relação à sua autonomia.

Embora tenham existido progressos relativamente à capacidade de armazenamento de

energia nas baterias, ainda não foi possível construir uma solução credível que permitisse a um

dispositivo portátil trabalhar sem limite de funcionamento, isto é, sustentar-se

autonomamente apenas com o uso destas, sem entretanto ser submetido a um processo de

recarga. A ideia de aumentar o número de baterias numa aplicação poderia reduzir os

problemas de autonomia mas, certamente desfazia por completo a capacidade de

portabilidade e leveza destes dispositivos.

Desta forma, procurando resolver estas dificuldades, surgiram novas alternativas e a ideia

de capturar a potência de fontes renováveis para a produção de energia elétrica tem sido cada

vez mais valorizada e investigada ao longo do tempo. Com efeito, embora o benefício principal

seja o melhoramento da autonomia de funcionamento, estas novas alternativas revelam-se

importantes na medida em que contribuem para dispositivos mais portáteis e flexíveis, e por

outro lado, possibilitam a diminuição do consumo de energias poluentes.

Capítulo 1

2

1.2 Motivação e Objetivos

A micro captação de energias tem originado recentemente novas teorias face à autonomia

dos dispositivos portáteis. A partir de energias disponíveis no meio ambiente como a energia

solar, a energia RF (radiofrequência), energia cinética e energia térmica, existe a possibilidade

de converter as suas grandezas numa energia utilizável.

Assim sendo, através da captura adequada destas energias seguida de fases apropriadas

como a conversão e armazenamento, torna-se possível melhorar as atuais autonomias dos

dispositivos portáteis, proporcionando por sua vez uma redução de custos (evitar substituições

de baterias), evitar o descarregamento total da carga nas baterias dos dispositivos (impedindo

o surgimento de situações incómodas, como no caso de ter a necessidade imediata de utilizar

um dispositivo e não dispor de carga suficiente nas baterias) e por fim, não menos importante

que os aspetos anteriormente referenciados, contribuir de certa forma contra o impacto

ambiental. Com efeito, a emissão de gases poluentes provocados pelos combustíveis fósseis

para gerar energia têm originado graves consequências ambientais e alterações climáticas no

planeta, sendo cada vez mais relevante combater este problema. Deste modo, o propósito de

gerar energia elétrica mediante o uso de fontes renováveis disponíveis no meio ambiente em

dispositivos de escala reduzida (Energy Harvesting), ajudará certamente a reduzir estes efeitos

prejudiciais ao longo do tempo.

Atendendo a estes fatores, surge a motivação para este trabalho. Pretende-se assim numa

fase inicial recolher toda a informação atual acerca de Energy Harvesting, nomeadamente

componentes, soluções e produtos ou equipamentos em escala reduzida. Após a análise e

consideração dos dados obtidos na parte teórica, procura-se numa segunda fase, desenvolver

uma aplicação prática em microescala que possibilite a recolha de energias renováveis do meio

ambiente. Várias etapas relevantes, como a etapa de retificação, conversão e armazenamento

pretendem ser inseridas, visando gerir da melhor forma possível baixos níveis de energia

adquiridos a partir das fontes renováveis.

1.3 Contribuições originais

Falando de contribuições teórico-práticas relacionadas com este tema, encontram-se

estudos diversos.

Introdução

3

Em [1] os autores apontam para várias desvantagens das baterias, nomeadamente o seu

tamanho e os seus custos, apesar de terem tido um aperfeiçoamento nos últimos anos. Para

tal, são apresentadas algumas soluções, salientando como principal destaque a técnica de

captação e recolha de energias disponíveis (Energy Harvesting). Os valores de potência para

alguns tipos de energia (energia solar, térmica, cinética e RF) são ainda divulgados e

comparados, sendo que a energia solar exterior é aquela que produz maior potência. Os

autores apelam por outro lado, para a deficiente quantidade de energia adquirida pela energia

solar no interior em comparação à energia térmica e cinética obtida em ambientes industriais.

No intuito de proporcionar o funcionamento contínuo do sistema, é salientada ainda a

importância de manter um sistema de armazenamento de energia (baterias e condensadores),

também pelo facto de existirem situações de um súbito consumo de corrente como por

exemplo, quando se pretende transmitir ou receber dados.

De forma a prever o comportamento real de uma solução em microescala, é importante

determinar e analisar de antemão todo o tipo de conceitos teóricos, bem como simulações

para construir um protótipo relacionado com as expetativas que se pretendem atingir. Neste

ponto de vista, o artigo [2] explora o dispositivo MPG-D651 termoelétrico da Micropelt,

realizando diversas simulações a partir deste. Devido à tensão de saída ser relativamente

baixa, os autores especificam a importância da implementação de um circuito de interface

eficiente, visto que verificaram através de estudos, que todas as perdas devem ser tomadas

em consideração, pois tendem a afetar negativamente os resultados de saída. Visando evitar o

uso de elementos volumosos e facilitar a integração de componentes, é aplicado e sugerido

um conversor step-up charge pump ao sistema termoelétrico.

Em [3], a construção de um protótipo específico para produzir energia elétrica através do

efeito térmico é abordado, tendo como base a utilização do elemento MPG-D751 da

Micropelt. Para satisfazer o motivo principal da aplicação que consiste gerar eletricidade a

partir da diferença de temperatura do corpo humano e da temperatura ambiente, é proposta

a elaboração de um protótipo em forma de pulseira. Por sua vez, são realçadas a importância

das características dos materiais a serem utilizados, bem como a relevância dos dissipadores.

No entanto, tendo como base várias experiências e testes efetuados, o autor destaca

resultados práticos contraditórios face aos resultados obtidos na parte teórica e aponta para o

isolamento elétrico como sendo o principal causador desta discrepância.

No que concerne à retificação de um sinal alternado, a ideia de utilizar díodos ou

transístores não se revela benéfica por causa das quedas de tensão relevantes que

proporcionam, tal como os autores referem em [4]. De facto, se um microgerador de energia

alternada (como a energia cinética) fornece baixos níveis de energia, parte dessa energia vai

Capítulo 1

4

ser desperdiçada nessas quedas e não para o benefício da aplicação. Mesmo assim, e devido

ao facto destes componentes fornecerem simplicidade de construção e robustez, são

frequentemente utilizados noutro tipo de aplicações. São descritas algumas técnicas que

tendem a diminuir a queda de tensão originada pelos díodos e transístores.

Em [5] são abordados assuntos relacionados com energia cinética, focados mais

precisamente na energia piezoelétrica. Algumas simulações e experiências são demonstradas e

comparadas, sendo utilizados na parte prática dois elementos piezoelétricos (PZT-5A) de

0,132mm de espessura, associados a uma placa de bronze de 0,132mm de espessura e uma

massa. A partir da estrutura elaborada (viga encastrada), foram obtidos valores máximos de

potência perto de 250µW, com 110kΩ como carga de saída, isto à frequência de vibração de

97,6Hz e aceleração de 1g (9,8m/s2). Estes valores foram obtidos mediante a utilização de

resistência de carga mas sem circuito de retificação do sinal alternado. Numa experiência em

simulação com um retificador de onda completa, os autores destacam uma diminuição de

energia a ser entregue à carga.

1.4 Estrutura da Dissertação

Este documento encontra-se dividido em oito capítulos. No primeiro capítulo é

apresentado o enquadramento, motivação e objetivos deste trabalho, assim como algumas

contribuições obtidas por outras entidades ou pessoas.

O segundo capítulo apresenta o estado da arte relacionado com energias disponíveis

apropriados para soluções de Energy Harvesting em microescala, nomeadamente a energia

produzida por Radio Frequência (RF), solar, térmica e cinética. A cada energia identificada, é

exposta uma breve descrição / origem, bem como modelos matemáticos, modelos

equivalentes e equações. De seguida são apresentados componentes disponíveis e módulos

desenvolvidos por entidades, bem como equipamentos que se podem encontrar disponíveis

no mercado.

Alguns métodos e técnicas de gestão de energia bem como elementos para efeitos de

armazenamento de energia são relatados no capítulo três.

No capítulo quatro é apresentado um diagrama de blocos para soluções em Energy

Harvesting, sendo descritas as suas respetivas etapas. No mesmo capítulo são ainda

apresentados componentes de gestão de energia, indicados para este tipo de soluções, e que

permitem a execução de diversas tarefas ou funções.

Introdução

5

O procedimento experimental é apresentado no capítulo cinco, relacionado com energia

térmica e no capítulo seis com energia cinética. O capítulo sete descreve a integração das duas

soluções práticas desenvolvidas em apenas uma.

Finalmente, no capítulo oito são apresentadas as principais conclusões do trabalho

realizado e perspetivas futuras.

7

2. Energias disponíveis

As soluções de Energy Harvesting têm representado uma alternativa na resolução do

problema de autonomia em dispositivos portáteis. Atualmente, as teorias, experiências e

demonstrações encontradas na microgeração de energia são várias e diversificadas e podem

ser integradas em diversas áreas (Figura 2-1).

Figura 2-1 - Áreas onde uma solução de Energy Harvesting pode ser integrada

Por exemplo, a implantação de um dispositivo eletrónico para pacientes com problemas

cardíacos surge como uma aplicação na área da medicina. Apesar de já existirem soluções com

o propósito de substituir as funções de um coração (pacemakers), a grande vantagem que se

verifica no momento em que se introduzem soluções com Energy Harvesting, isto é, quando se

aproveita a própria energia do corpo para o dispositivo funcionar (através da temperatura

e/ou vibrações), deixa de ser necessário substituir baterias que estejam descarregadas,

evitando assim a execução de novas intervenções cirúrgicas de alto risco [6].

Atualmente, as redes de sensores sem fios tendem a ser cada vez mais sofisticadas e

robustas e podem ser enquadradas em muitas das áreas apresentadas. No entanto, um dos

aspetos que também necessita de ser aperfeiçoado é a duração que os determinados

Energy Harvesting

Medicina

Comunicações

Aplicações Militares

Eletrónica de consumo

Meios de transporte

Capítulo 2

8

dispositivos permanecem em funcionamento. Nesta perspetiva, a captura de energias

disponíveis no meio ambiente revela ser uma boa aposta para melhorar este campo pois é

evitada a substituição de baterias. O aumento de flexibilidade e segurança, bem como a

diminuição de gastos de manutenção mostram-se assim alcançáveis.

Uma vez que as energias disponíveis também são diversas, torna-se necessário selecionar a

energia mais conveniente no momento em que se realiza uma aplicação com Energy

Harvesting. Desta forma, os subcapítulos seguintes descrevem as energias existentes no meio

ambiente particularmente orientadas para a produção de energia em microescala.

2.1 Energia RF

Todo o ser humano sente, sem dúvida, necessidade de comunicar entre si. Nesta perspetiva

e visando estabelecer comunicações a longas distâncias, o homem criou ao longo das últimas

décadas, diferentes métodos capazes de solucionar esta questão. Com efeito, para além das

comunicações através de fios, o aparecimento de comunicações em radiofrequência revelou

ser de extrema importância em várias situações. No início da sua descoberta, esta tecnologia

desempenhava um papel fundamental na comunicação de eventuais naufrágios no alto mar

(através de comunicações por telegrafia), ou numa situação de guerra no aviso antecipado da

aproximação de aviões inimigos, etc. [7]

Atualmente, devido aos sucessivos avanços tecnológicos, encontramos no mercado uma

variedade de dispositivos que proporcionam a comunicação através da radiofrequência, como

é o caso de televisores, rádios, telemóveis, etc.

Contudo, apesar desta forma de energia ser principalmente utilizada para esse fim, estudos

recentes verificaram a possibilidade de gerar energia elétrica a partir desta, assinalando assim

um novo conceito de geração de energia.

2.1.1 Origem do sinal RF

Para que fosse possível enviar qualquer tipo de informação sem fios para outro local de

forma transparente, foram necessários importantes estudos, pesquisas e experiências. Com

efeito, Maxwell (físico e matemático do século XIX) foi verdadeiramente importante ao

conseguir demonstrar novas teorias na história do eletromagnetismo. Estas teorias mostraram

relações importantes entre a eletricidade, magnetismo e a ótica, tornando assim possível

enviar sinais através de ondas eletromagnéticas.

Energias disponíveis

9

De forma a estabelecer a transmissão adequada do sinal, vários aspetos têm de ser

considerados. Segundo a fórmula de Friis (Equação 2-1), a potência recebida por uma antena

recetora de radiofrequência depende da potência transmitida , do ganho da antena

transmissora , do ganho da antena recetora , comprimento de onda (metros), da

distância entre o emissor e o recetor (metros) e das perdas no sistema [8].

Equação 2-1

Por outro lado, outros fatores e fenómenos tais como condições atmosféricas, refrações,

reflexões, podem afetar a propagação de ondas, fazendo assim variar a potência recebida.

2.1.2 Energia RF existente no meio ambiente

Devido à constante inovação de tecnologias e produtos no mercado das telecomunicações

nas últimas décadas, a presença de sinais de radiofrequência no meio ambiente tem

aumentado significativamente.

Contudo, todos esses sinais devem por norma, prevalecer conforme os acordos e regras

estipuladas entre as nações. Com efeito, devem ser respeitados os limites de potência

aquando a emissão dos sinais para o meio ambiente, de forma a garantir proteção na saúde

pública. Outros regulamentos, como a organização das bandas na qual atribuem serviços por

faixa de frequência, podem ser encontrados em vigor. No território nacional, a autoridade

reguladora responsável pelos serviços de comunicações é a ANACOM e o quadro da atribuição

das frequências pode ser facilmente adquirido através do endereço eletrónico da empresa [9].

2.1.3 Modelação de um sistema RF

Modelo equivalente

De forma a possibilitar a análise do comportamento e facultar uma melhor compreensão

do funcionamento de um sistema de radiofrequência, revela-se imprescindível a construção de

um modelo equivalente.

De um modo geral, um sistema pode ser modelado por diversas formas, nomeadamente

através de modelação elétrica, mecânica, térmica, entre outras. Neste caso, é possível modelar

o sistema RF através da modelação elétrica. Assim, assumindo um dipolo de meia onda com

valor típico de 50Ω de impedância, o circuito equivalente pode ser considerado como um

Capítulo 2

10

circuito RLC série ilustrado na Figura 2-2. Neste circuito descrito como uma equação de 2ª

ordem, a resistência representa a perda de energia causada pelo efeito de radiação (potência

dissipada), a bobina L e o condensador C exprimem a ressonância do sistema e a fonte de

tensão sinusoidal VIN caracteriza-se como sendo a potência do sinal recebida de

radiofrequência [10], [11].

Figura 2-2 - Modelo equivalente elétrico de um sistema RF

Equações descritivas do modelo elétrico

A partir do modelo apresentado na figura anterior (Figura 2-2), conhecido por sua vez como

circuito RLC série, torna-se possível retirar algumas equações matemáticas.

Segundo a lei de Kirchhoff das tensões (soma das quedas de tensão positiva e negativa ao

longo de um circuito fechado é igual a zero), tem-se que:

Equação 2-2

De seguida é necessário aplicar a lei de Ohm para a resistência, assim como atribuir as

relações associadas aos elementos bobina e condensador em relação à tensão:

Equação 2-3

Derivando todos os termos e sabendo que a corrente que circula no circuito é igual para

todos os elementos, obtém-se:

Equação 2-4

Rearranjando a equação anterior e dividindo todos os termos por L, tem-se a seguinte

equação diferencial de segunda ordem:


11

Equação 2-5

2.1.4 Componentes para a captação de energia RF

No sentido de usufruir da potência dos sinais RF dispersa no meio ambiente, bem como

desenvolver dispositivos sem fios menos vulneráveis no que respeita à autonomia e à

manutenção, ainda poucas empresas conceberam componentes com a capacidade de captar

este tipo de energia e ser convertida para uma energia utilizável. Contudo, a Powercast [12] é

a empresa que lidera a conceção deste tipo de componentes e, desta forma, foram então

apresentados produtos da mesma.

Os dispositivos P2110 [13] e P1110 [14] são dois exemplos que podemos encontrar

disponíveis no mercado com encapsulamento SMD e frequência de operação entre as gamas

de 902 a 928MHz. As diferenças de características mais relevantes dos componentes podem

ser observadas na Tabela 2-1.

Tabela 2-1 - Comparação entre os componentes P2110 e P1110

P2110 P1110

Símbolos

Características RF

Potência entrada RFIN -10dBm a 10dBm 0dBm a 20dBm

Frequência RFIN 902MHz a 928MHz

Características DC

Tensão de saída VOUT

Min – 1,8V

Typ – 3,3V

Max – 5,25V

Min – 0V

Max – 4,2V

Corrente de saída máxima

IOUT 50mA 50mA

Por conseguinte, a principal diferença que pode ser verificada entre os componentes, situa-

se no facto do componente P2110 possuir um tipo de conversor step-up (Boost Converter) na

qual possibilita uma tensão de saída superior relativamente ao componente P1110. Para além

disso, este componente necessita da acoplagem de um condensador, direcionado

Capítulo 2

12

especificamente para efeitos de armazenamento de energia DC (obtida pela energia RF), e

pelo que apenas disponibiliza os valores de tensão na saída quando a carga no condensador

for relativamente suficiente (threshold). Os diagramas de blocos dos componentes estão

apresentados na Figura 2-3 e Figura 2-4.

Figura 2-3 - Diagrama de blocos do dispositivo P2110

Figura 2-4 - Diagrama de blocos do dispositivo P1110

2.1.5 Módulos

No sentido de desenvolver soluções para gerar energia elétrica a partir da energia RF,

existem disponíveis no mercado, módulos e kits, com oferta particularmente limitada.

Em primeiro lugar, a fim de satisfazer a potência RF (915MHz) muitas vezes insuficiente no

meio ambiente, a Empresa Powercast comercializa para o mercado internacional, módulos

capazes de enviar ao mesmo tempo dados de informação e energia (TX91501-3W-ID) para um

módulo recetor P2110-EV (Figura 2-5). Os componentes responsáveis pela captação de energia

nestes módulos são os componentes P2110 ou P1110 anteriormente apresentados.

Figura 2-5 - Módulo receptor RF Powercast P2110-EV

Para além disso, existe a possibilidade de associar na parte recetora, um outro módulo com

o modelo WSN-EVAL-01 (Figura 2-6) contendo diversos sensores (sensor de temperatura,

sensor de humidade, de luz, entre outros), assim como um microcontrolador (PIC)

programável.


13

Figura 2-6 - Módulo de sensores Powercast WSN-EVAL-01

Por fim, a Powercast ainda disponibiliza plataformas (XLP 16-bit Development Board)

dedicadas ao desenvolvimento nesta área (Figura 2-7), permitindo efetuar a programação de

microcontroladores da família PIC.

Figura 2-7 - Plataforma de desenvolvimento XLP 16-bit

2.1.6 Equipamentos existentes no mercado

Nos dias de hoje, apesar da existência de inúmeros sinais RF no nosso meio, a oferta de

equipamentos capazes de gerir esta energia para permitir o seu funcionamento autónomo é

relativamente escassa. Este facto deve-se à densidade de potência dos sinais disponíveis não

ser suficientemente elevada, uma vez que se podem tornar perigosos para a saúde pública. De

acordo com a estimativa da Texas Instruments realizada em 2010 [6], a potência da energia RF

em GSM (900MHz) é de 0,1µW/cm2 enquanto a rede Wifi (2,4GHz) é de 0,001 µW/cm2. Outro

problema que se levanta aquando a recolha desta energia, é a obrigação de escolher uma

determinada gama de frequência de operação. Isto porque no caso da frequência f (Hz) ser

alterada, também o comprimento de onda λ (m) é modificado devido à relação destas duas

componentes ser dada por:

Equação 2-6

Capítulo 2

14

onde c representa a velocidade da luz no vácuo (≃3 X 108 m/s) [8]. Deste modo, as próprias

dimensões da antena também necessitariam de ser alteradas independentemente do seu tipo

ou das suas características. Devido a isto, apenas a recolha específica de um sinal de

radiofrequência é conseguida, desperdiçando assim a potência de outros sinais presentes no

meio.

2.2 Energia solar

A energia solar desempenha um papel fulcral para a existência de qualquer ser vivo. Com

efeito, para além de ser necessária a presença de luz e calor desta energia, tem ainda a

particularidade de contribuir noutros aspetos essenciais, como na ajuda da produção e

absorção de vitaminas no organismo humano, desenvolvimento do processo de fotossíntese

nas plantas, etc.

No entanto, atendendo ao facto desta energia não se encontrar permanentemente

disponível e se revelar ausente em momentos necessários (como por exemplo a necessidade

de luz durante a noite), o ser humano sempre sentiu necessidade de a tentar reproduzir. Nesta

perspetiva, o homem conseguiu desenvolver a eletricidade, fornecendo por sua vez luz e calor

de forma artificial, para além de oferecer muitas outras utilidades e vantagens. Desta forma, a

dependência da eletricidade evoluiu de tal modo que houve necessidade de projetar novas

formas para a sua produção, surgindo assim a Energia Fotovoltaica.

Para além da produção de energia em grande escala através da energia solar, também

surgiu a produção de energia em microescala que tem vindo a ser desenvolvida nestes últimos

tempos, com vista a satisfazer diversas necessidades, tal como o melhoramento da autonomia

de um dispositivo portátil.

2.2.1 Produção de energia elétrica a partir da energia solar

O processo da geração de energia elétrica a partir da energia solar é claramente

influenciada pela radiação solar adquirida no momento, onde vários fatores revelam ser

importantes, nomeadamente o período sazonal (maior radiação solar na estação do verão que

na estação do inverno), a região e a temperatura ambiente.

Devido à presença de diversas partículas energéticas provenientes dos raios solares,

designadas por fotões, o efeito fotovoltaico é responsável pela conversão da energia solar para


15

a energia elétrica, sendo as células e painéis fotovoltaicos os elementos físicos associados a

este efeito.

De uma forma geral, o processo fotovoltaico é iniciado através da introdução de fotões nas

células do painel que, ao colidirem com eletrões já existentes, dão origem a um deslocamento

de eletrões. Este fenómeno acontece devido aos seus materiais de fabrico serem de silício

(semicondutor) e serem compostos por uma junção do tipo pn dopada por sua vez com

impurezas.

Atualmente existem diversos tipos de células destinadas em converter energia solar em

energia elétrica, sendo como principais as células policristalinas e monocristalinas com

eficiência na ordem dos 15 a 20%, seguindo-se as células de silício amorfo de eficiência menor

(cerca de 8%) [15].

Para conseguir obter o máximo de energia no painel, o seu posicionamento, orientação e

estado conservativo revelam ser importantes, mas no entanto, nem toda a energia absorvida

por um sistema fotovoltaico se destina à produção de eletricidade, pois existem inúmeros

fatores de perdas neste processo, tais como perdas térmicas durante a condução elétrica.

Hoje em dia, a eficiência estimada para painéis fotovoltaicos é reduzida e, desta forma, a

quantidade produzida de energia por estes equipamentos diminui substancialmente à medida

que o tamanho do painel ou das células diminuir.

2.2.2 Modelação de um sistema fotovoltaico

Modelo equivalente

O modelo matemático do sistema fotovoltaico revela ser uma ferramenta útil e eficaz para

conhecer e determinar as características de uma célula ou de um painel. No entanto, para

possibilitar a sua determinação, é necessário construir um modelo equivalente com os fatores

e características reais com que uma célula ou painel fotovoltaico se associam. Desta forma, é

apresentado na Figura 2-8 o modelo elétrico de uma célula fotovoltaica [15] [16].

Para representar a energia que a célula fornece devido à intensidade de radiação solar e

devido ao facto desta intensidade não ser alterada por curtos períodos de tempo, foi

introduzida uma fonte de corrente contínua ( ). Por outro lado e tal como anunciado

anteriormente, uma vez que a célula fotovoltaica se comporta como um díodo semicondutor,

a colocação paralela deste componente perante a fonte de corrente revela-se necessária. De

seguida, de forma a caracterizar as correntes de fuga no circuito, foi adicionada uma

resistência em paralelo à fonte de corrente ( ) e por fim, atendendo ao facto de existirem

Capítulo 2

16

perdas relativamente à condução elétrica por efeito de joule (efeito térmico), foi associada

uma resistência em série ( ).

Figura 2-8 - Modelo equivalente de um sistema fotovoltaico

Equações descritivas

Analisando o modelo equivalente (Figura 2-8) e seguindo as leis de Kirchhoff das correntes

(soma das correntes que entram num nó é igual à soma das correntes que saem desse mesmo

nó), é agora possível retirar a equação em função da corrente de saída:

Equação 2-7

Então:

Equação 2-8

A próxima etapa passa pelo estudo e análise de cada uma das correntes presentes na

equação anterior.

No que respeita à corrente de entrada , caracterizada como sendo a intensidade

adquirida pela célula fotovoltaica devido à radiação solar, a consideração dos fatores do meio

ambiente como a temperatura e a radiação solar, deve estar envolvida no cálculo da

intensidade obtida pela célula, por influenciar diretamente a produção de energia elétrica.

Contrariamente ao que se possa pensar, nem sempre o aumento da temperatura significa um

aumento na eficiência da célula. O motivo desta situação recai principalmente pelo facto da

tensão da célula diminuir de forma rápida e logarítmica, embora a corrente aumentar de

forma lenta e linear.


17

Por outro lado, existem outros fatores que influenciam os valores de saída fornecida pela

célula devido às suas características próprias, nomeadamente as suas dimensões, o tipo de

célula e o seu estado de conservação. A equação que descreve a corrente presente no díodo

está relacionada com a região de polarização direta deste componente. Numa situação ideal, a

expressão da curva característica do díodo nesta região seria:

Equação 2-9

Em que é a corrente de saturação do díodo, é a carga do eletrão (1,6 X 10-19 C), a

constante de Boltzmann (1,38 X 10-23 J/K) e a temperatura absoluta em Kelvin.

No entanto, sendo necessário analisar uma situação real do sistema, a expressão anterior

tende a sofrer a seguinte alteração:

Equação 2-10

onde é o fator de idealidade (medida que exprime a diferença entre a curva ideal do díodo

com a curva real).

Por fim, a corrente presente na resistência pode ser expressa da seguinte maneira:

Equação 2-11

Resumindo, a expressão da corrente resultante na carga será:

Equação 2-12

2.2.3 Curva característica de uma célula fotovoltaica

A existência de perdas numa célula ou num painel fotovoltaico afeta claramente a

eficiência de saída, pelo que toda a quantidade útil de energia adquirida no momento deve ser

Capítulo 2

18

devidamente aproveitada. Neste caso, torna-se imprescindível extrair a máxima potência do

sistema (MPP – Maximum Power Point). Para alcançar este ponto, características como a

tensão e a corrente máxima do elemento fotovoltaico devem ser consideradas. Na Figura 2-9,

o exemplo do traçado de uma curva característica Tensão-Corrente é ilustrada enquanto na

Figura 2-10, o exemplo de uma curva Tensão-Potência pode ser observado, mediante a

utilização de dados recolhidos em [17] de um painel fotovoltaico.

Figura 2-9 - Curva característica Tensão-Corrente

Figura 2-10 - Curva característica Tensão-Potência

2.2.4 Componentes disponíveis no mercado

Células fotovoltaicas

Atualmente, os principais equipamentos destinados a converter a energia solar em energia

elétrica disponíveis no mercado são designados por painéis fotovoltaicos. Existe efetivamente

uma grande variedade no mercado, particularmente nas dimensões e no tipo de células que os

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Co

rre

nte

(A)

Tensão (V)

Curva característica Tensão-Corrente

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Po

tên

cia

(W)

Tensão (V)

Curva característica Tensão-Potência

MPP


19

constituem. Deste modo, a fim de dar mais ênfase ao assunto deste trabalho (dispositivos de

microescala), serão abordados apenas os produtos que possuem tamanhos mais reduzidos,

isto é, as células fotovoltaicas.

Na tabela a seguir (Tabela 2-2), estão detalhados diversos modelos de células fotovoltaicas

existentes, nomeadamente com indicação das respetivas dimensões, tensões e correntes

máximas [18].

Tabela 2-2 - Características de células fotovoltaicas

Modelo Tensão Corrente Max. Tipo de célula Dimensões [mm]

W X L X H

ETMP 300-0.5V 0,5V 300mA Silício Policristalino 60 X 32 X 4

ETMP 300-1V 1V 300mA Silício Policristalino 60 X 54 X 4


ETMP 500-1V 1V 500mA Silício Policristalino 62 X 84 X 4


816-2-200 0,5V 200mA Silício Amorfo 55 X 35 X 6

Células de energia solar microesférica s

Igualmente baseado no efeito fotovoltaico, a empresa Japonesa Kyosemi Corporation

dispõe no mercado produtos com capacidade de produzir energia elétrica através do sol. A

gama de componentes da SphelarOne caracteriza-se por ser compacta (na ordem dos 3 a

5mm), com uma estrutura esférica e possui ainda a vantagem de se lhe poder associar o

número desejável de dispositivos. As características destes componentes podem ser

verificadas perante a observação da tabela seguidamente ilustrada (Tabela 2-3) [19].

Tabela 2-3 - Características dos componentes da SphelarOne

Modelo Tensão Max. Corrente Max. Dimensões [mm]

KSP-OC-1830MR-ER-X03 0,481V 1,25mA 3 X 5,3

KSP-OC-1850MR-ER-X01 0,484V 1,38mA 5 X 7,7

KSP-OC-1850MR-ER-FL01 0,484V 1,38mA 5 X 7,5

Capítulo 2

20

Células de filme fino

Visando facilitar o manuseamento de células fotovoltaicas, algumas entidades

disponibilizam atualmente células com menor espessura, designadas por células de filme fino.

Ao proporcionar uma espessura na ordem dos 0,2mm, estas células têm a vantagem de serem

utilizadas em qualquer tipo de superfície, quer sejam planas ou curvas, podendo por sua vez

aplicar-se em diversos tipos de aplicações. A empresa Powerfilmsolar é um exemplo de

entidade que desenvolve este tipo de célula e que disponibiliza no mercado várias medidas

deste produto. A Tabela 2-4 ilustra alguns exemplos deste tipo de células, referindo os

respetivos valores de tensão, corrente e dimensões [20].

Tabela 2-4 - Características de células de filme fino

Modelo Tensão Corrente Dimensões [mm]

SP3-37 3V 22mA 64 X 37

MP3-25 3V 25mA 114 X 25

MP3-37 3V 50mA 114 X 37

MPT3.6-75 3,6V 50mA 74 X 75

MPT3.6-150 3,6V 100mA 114 X 150

2.2.5 Módulos

Infinitepowersolutions

A microgeração de energia elétrica a partir da energia solar tem vindo a despertar cada vez

mais interesse por parte de entidades e pessoas. Neste ponto de vista, algumas empresas

criaram módulos ou plataformas para possibilitar o desenvolvimento desta área.

A empresa norte-americana Infinitepowersolutions (IPS) disponibiliza no mercado uma

plataforma designada por IPS-EVAL-EH-01 (Figura 2-11), constituída por um painel solar de

silício amorfo, permitindo por sua vez fornecer a sua energia obtida para um dispositivo

armazenador de energia (THINERGY MEC101). Para que possa ser feita uma correta gestão,

quer para o lado da bateria, como para o lado da carga, este módulo é munido ainda por um

circuito integrado da Maxim MAX17710.


21

Figura 2-11 - Plataforma de desenvolvimento IPS-EVAL-EH-01 [21]

Texas Instruments

Uma das soluções desenvolvidas pela Texas Instruments é a plataforma eZ430-RF2500-SEH

(Figura 2-12). Este módulo, constituído por um painel fotovoltaico de alta eficiência (mesmo

em locais de pouca luminosidade) deve estar associado a outro módulo (EnerChip EH CBC5300

Module) por sua vez destinado a converter e gerir a energia obtida. É possível ainda o seu

armazenamento para uma bateria recarregável da Cymbet.

Existe ainda outro módulo que deve ser integrado na plataforma mãe. Designa-se como

eZ430-RF2500T e é constituído por um microcontrolador de baixo consumo MSP430 e um

transceiver CC2500. A sua programação, feita através de um dispositivo USB, tem a vantagem

de partilhar dados sem fios para um computador.

Figura 2-12 - Plataforma de desenvolvimento eZ430-RF2500-SEH [22]

Silicon Labs

A Silicon Labs também dispõe de plataformas direcionadas para o desenvolvimento da área

de micro captação de energia. No que diz respeito à parte da produção, gestão e

armazenamento da energia, a plataforma ENERGY-HARVEST-RD (ver Figura 2-13) encontra-se

munida de um painel fotovoltaico, um regulador LTC407 e de uma bateria de filme fino da IPS

(THINERGY MEC101).

http://pt.mouser.com/ProductDetail/Silicon-Laboratories/ENERGY-HARVEST-RD/?qs=RgNsNAib%252beYSysx0SpBdfg%3d%3d

Capítulo 2

22

Para a transmissão de dados, esta plataforma utiliza um microcontrolador Si1012. Por sua

vez, para a receção de dados num computador, torna-se fundamental utilizar um módulo USB

apropriado (EZRadioPRO Dongle).

Figura 2-13 - Plataforma de desenvolvimento ENERGY-HARVEST-RD [23]

2.2.6 Equipamentos existentes no mercado

Embora o preço dos equipamentos munidos da tecnologia de micro captação de energia

solar seja atualmente uma desvantagem, o número quantitativo destes produtos terá

tendência em aumentar significativamente ao longo dos tempos devido à quantidade de

vantagens que proporciona. Entre elas, é de destacar o facto de esta ser uma energia limpa e

segura do meio ambiente, reduzir eventuais despesas de substituição de baterias e

manutenção, etc.

Quer na área de comunicações, área de entretenimento ou noutras ainda, é possível

encontrar uma vasta gama de produtos que proporcionam a micro captação da energia vinda

do sol.

Por exemplo, o auricular bluetooth da i.Tech composto por uma bateria interna de lítio

permite o seu recarregamento através de energia solar, aumentando por sua vez a autonomia

(tempos de conversação superior a 5 horas e tempo infinito de espera) (Figura 2-14).

Figura 2-14 - Auricular Bluetooth da i.Tech [24]

Um outro produto que ainda não está sendo comercializado mas que está destinado a

funcionar mediante a energia proveniente do sol é o E-book da LG (Figura 2-15). Este produto

portátil é equipado por um painel fotovoltaico de filme fino e, segundo as estimativas da

empresa, oferece ao utilizador várias horas extras de utilização (cerca de 1 dia), estando

exposto apenas 5 horas à luz solar.


23

Figura 2-15 - Ebook Reader da LG [25]

2.3 Energia térmica

A energia térmica é uma energia que se relaciona particularmente com o fator temperatura

e encontra-se disponível tanto no meio ambiente (originado pelo sol), como num corpo

humano ou animal. Pode também ocorrer devido à fricção de superfícies ou até mesmo ser

provocado pela queima de combustíveis (como por exemplo, carvão, petróleo, gás, etc.).

A partir da presença desta energia, o físico Thomas Seebeck verificou pela primeira vez (em

1821) que era possível a produção de energia elétrica. Desta forma, o conceito dado a esta

descoberta foi designado como efeito Seebeck e é originado devido à diferença de

temperatura entre duas placas de materiais diferentes, causando assim uma diferença de

potencial elétrica. Por outro lado, o efeito contrário desta descoberta foi observado mais tarde

em 1834 pelo físico Jean Peltier, comprovando que através de uma diferença de potencial

elétrico aplicado entre duas placas de materiais distintos, as suas temperaturas eram opostas

(de um lado quente e do outro, frio) [26].

Atualmente tem-se assistido a uma evolução na geração de energia elétrica em escala

reduzida e a energia termoelétrica tem manifestado uma certa vantagem ao proporcionar um

rendimento bastante considerável, comparativamente à captação de outro tipo de energia

renovável [6].

2.3.1 Geradores termoelétricos

No sentido de se conseguir originar energia elétrica a partir da diferença de temperatura, é

fundamental compreender primeiro como se processa o efeito Seebeck com maior detalhe

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