Sistemas eletrônicos de energia renovável

nov, 2009

Por Hamilton Ignácio – 10 de Maio de 2009

O objetivo deste artigo é mostrar como, utilizando apenas poucos miliwatts de potência vindos de fontes como vibração, gradientes de temperatura, luz e outras fontes de energia, é possível alimentar sistemas por meio de novos conceitos e soluções eletrônicas que demandem energia alternativa e/ou renovável. Essas novas aplicações, que estão saindo dos laboratórios de pesquisa e se tornando comerciais, demandarão componentes eletrônicos e processadores que consumam pouquíssima energia, objetos que estão se tornando escassos no mundo moderno movido a petróleo e seus derivados.

Energy harvesting ou “coleta de energia”, em português, é o processo pelo qual a energia é extraída de fontes externas (solar, eólica, térmica, cinética, etc), capturada e armazenada. De uma maneira geral, esse mesmo termo energy harvesting é utilizado quando nos referimos a pequenos sistemas autônomos sem fio, como as redes de sensores sem fio que discorreremos em detalhes mais adiante.

Em décadas recentes, tecnologias, como turbinas eólicas, geradores hidroelétricos e painéis solares têm sido um pequeno, mas crescente contribuidor para atender às necessidades de energia do planeta.

Essa tecnologia oferece duas vantagens significativas sobre as soluções tradicionais alimentadas a bateria: 1) fonte virtualmente inesgotável e 2) nenhum ou pouco efeito adverso ao ambiente.

A nova fronteira para colheita de energia é um arranjo de tecnologias em micro-escala que obtém miliwatts de fontes biológica, térmica, vibracional e solar.

Há alguns anos, a micro colheita de energia era apenas uma curiosidade científica ou pesquisa em universidades, mas a necessidade de desenvolver tecnologia de baixíssimo consumo, a chamada Ultra Low Power (ULP) Technology, foi um grande catalisador para tirá-la dos laboratórios e torná-la disponível em aplicações comerciais.

Atualmente, projetistas e desenvolvedores de soluções eletrônicas desse segmento não estão apenas pensando na perspectiva de baixíssimo consumo (fator preponderante para aplicações portáteis), mas também na ótica da produção em larga escala (fazer um produto acessível e comercializável), lembrando que a colheita de energia de fontes do ambiente é irregular, intermitente e de baixa intensidade.

Na Figura 1, é descrita uma tabela de colheita de energia nos modos micro e macro, mostrando fonte de energia, solução e objetivo.

Figura 1 – Tabela de colheita de energia nos modos micro e macro

Apesar de não haver uma definição amplamente aceita do que é baixíssimo consumo (ULP), é importante contextualizar no âmbito das baterias, pois elas são a fonte de energia mais comum atualmente para projetos ULP.

Aplicações médicas nas quais dispositivos eletrônicos são implantados ou fixados ao corpo são bons exemplos de projetos ULP alimentados a bateria como:

• Dispositivo médico implantado: Tamanho e vida útil da bateria são fundamentais. Dissipação de potência de 10 µW e vida útil da bateria de 15.000 horas são números típicos.

• Dispositivo auricular: Tamanho é mais importante que vida útil da bateria. Dissipação de potência de 1 mW e vida útil de bateria de 1.500 horas são números típicos.

• Dispositivo subcutâneo: O fator limitante é a capacidade da pele em dissipar calor. Dissipação de potência de 10 mW e vida útil da bateria de 150 horas são números típicos.

As aplicações médicas que consomem miliwatts estão definindo o aumento da produção dos dispositivos de colheita de energia. A boa notícia é que a potência de miliwatts é da mesma ordem de grandeza que os microcoletores podem gerar.

Alguns produtos fora do segmento médico já utilizam fontes de microcoleta, como calculadoras, relógios de pulso, rádios e headset bluetooth. Existem outras aplicações promissoras que consomem também alguns miliwatts, como, por exemplo, sensores remotos.

As tecnologias mais promissoras de micro colheita extraem energia de vibração, diferença de temperatura e luz. Uma quarta possibilidade seria por emissões de radio-frequência (RF), porém, esta possui uma magnitude de extração de energia bem menor que as três citadas anteriormente.

Na Figura 2, mostramos a quantidade aproximada de energia por unidade disponível das quatro fontes de coleta.

Figura 2 – Quantidade aproximada de energia por unidade disponível

A microcoleta proporciona potência na mesma magnitude que circuitos ULP cuidadosamente projetados consomem. As três tecnologias mais promissoras – baseadas em luz, movimento e temperatura – têm características diferentes:

• Grandes painéis solares fizeram da coleta fotovoltaica uma tecnologia muito característica. Aproximadamente uma potência média de 1 mW pode ser coletada de cada 100 mm2 de célula fotovoltaica. Eficiência típica é por volta de 10% e o fator de capacidade de fontes fotovoltaicas (a relação entre potência média produzida e potência que seria produzida se o Sol estivesse sempre brilhando) entre 15% e 20%.

• Sistemas de energia cinética disponíveis comercialmente também produzem potência na ordem de miliwatts. A energia é comumente gerada por meio de massa oscilante (vibração), mas a energia eletrostática coletada por células piezoelétricas ou elastomers flexíveis (polímeros com propriedade de elasticidade) é também categorizada como energia cinética. Conversão eletrostática produz tensões tão altas como 1.000 V ou maiores.

• Coleta termoelétrica explora o efeito Seebeck, um fenômeno no qual tensão é criada na presença de diferença de temperatura entre dois semicondutores ou condutores elétricos distintos. Um gerador termoelétrico (TEG) é composto de termoacopladores conectados geralmente em série. Os mais recentes TEGs são caracterizados por uma tensão de saída de 0,7 V, que é uma tensão familiar a engenheiros projetando aplicações de baixíssimo consumo. A potência gerada depende do tamanho do TEG, da temperatura ambiente e do nível de atividade metabólica (no caso de energia calórica de colheita de humanos). De acordo com o Centro Independente de Pesquisa na Bélgica (Imec), um TEG tipo relógio de pulso a 22 oC entrega uma potência por volta de 0,2 mW a 0,3 mW em atividade normal. Tipicamente, um TEG carrega continuamente uma bateria ou super capacitor e necessita de um gerenciamento avançado de potência para otimizar a eficiência.

Apesar das diferenças, as colheitas fotovoltaica, cinética e térmica possuem algumas coisas em comum: elas geram tensões erráticas ao invés de invariáveis 3,3 V ou 1,8 V, proporcionam potência intermitente e, algumas vezes, nenhuma potência.

Tecnologia de conversão é somente parte da solução. Haja vista que os microcoletores tendem a gerar potência intermitente, as arquiteturas de sistema mais comuns são chamadas híbridas porque incluem armazenamento de energia em baterias de filme fino.

Um sistema típico de coleta de energia inclui conversão, armazenamento temporário e uma forte dose de circuitos sofisticados de gerenciamento de potência, conversores analógicos e microcontroladores de baixíssimo consumo como os MSP430. Para levar as aplicações ULP a um nível mais alto, é altamente desejável integrar a maioria desses circuitos em um único chip.

O objetivo principal de projeto é conseguir casar os circuitos de potência com os circuitos da aplicação de modo a ter a melhor performance.

Algumas técnicas que resolvem problemas d

e gerenciamento de potência apresentados por microcoleta incluem:

• Otimizar fontes chaveadas de alimentação porque elas podem aumentar pequenos níveis de tensão. Ao cortar o sinal de entrada, os chaveadores permitem aos projetistas de dispositivos eletrônicos controlar a magnitude e a frequência. Além disso, topologias de chaveamento também dissipam pouca potência, porém introduzem frequências indesejáveis que devem ser normalizadas;

• Outra técnica é utilizar mais de um circuito de conversão de potência. O primeiro circuito pode ser não regulador, mas deve ser capaz de carregar um capacitor. Uma vez que energia suficiente foi armazenada no capacitor, ele pode ser descarregado e o sinal condicionado por um circuito de conversão de potência mais sofisticado.

Aplicação

A Texas Instruments, juntamente com a Cymbet, desenvolveu um kit de desenvolvimento chamado eZ430-RF2500-SEH (vide: http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/ez430-rf2500-seh.html), composto principalmente de célula fotovoltaica, microcontrolador MSP430, gerenciador de alimentação e baterias recarregáveis de filme fino, que auxilia projetistas e desenvolvedores a criar sistemas de redes de sensores sem fio com duração eterna, pois é baseado em célula solar.

O módulo-coleta de energia solar inclui um painel solar de alta eficiência otimizado para operação interna sob luzes fluorescentes de baixa intensidade que proporciona potência suficiente para rodar uma aplicação de sensores sem fio sem necessidade de baterias adicionais.

O sistema também gerencia e armazena energia adicional em baterias recarregáveis de filme fino que são capazes de entregar potência suficiente para mais de 400 transmissões.

Na Figura 3, é mostrado o kit de desenvolvimento eZ430-RF2500-SEH.

Figura 3 – Kit de desenvolvimento eZ430-RF2500-SEH

Na Figura 4, mostramos o diagrama de blocos do módulo coletor de energia solar SEH-01, que faz parte da ferramenta eZ430-RF2500-SEH.

Note que esse módulo é composto por uma célula solar ou fotovoltaica (photovoltaic cell), que converte luz ambiente em energia elétrica. A energia da célula solar deve ser convertida, gerenciada e armazenada. Esse processo é controlado pelo componente EnerChip EH CBC5300. Um conversor boost (boost converter) é utilizado para aumentar a tensão da célula fotovoltaica a um nível suficiente para carregar a bateria de filme fino e rodar o resto do sistema.

O controle de carga (charge control) monitora continuamente a saída do conversor boost. Se a saída do conversor boost cair abaixo do nível de tensão necessário para carregar o EnerChip, o controle de carga desconecta o conversor boost do sistema.

O gerenciador de alimentação (power management) previne o EnerChip de descarregar muito em condições de luminosidade muito baixas ou com cargas de alta corrente. Ele também assegura que a carga é alimentada de modo apropriado. O gerenciador de alimentação tem uma linha de controle, CHARGE, que indica ao microcontrolador MSP430 (processador do sistema) que o coletor de energia solar está carregando ativamente o EnerChip. A linha de controle BATOFF está disponível ao microcontrolador MSP430 para isolá-lo do EnerChip a fim de preservar a vida útil da bateria em condições de luminosidade muito baixas de forma prolongada.

O módulo coletor de energia solar possui duas baterias montadas na placa com capacidade de 100 µAh e um capacitor de 1.000 µF para pulsos de alta corrente durante transmissões sem fio.

Figura 4 – Diagrama de blocos do módulo coletor de energia solar SEH-01

Figura 5 – Diagrama esquemático do coletor de energia solar

O Kit eZ430-RF2500-SEH é utilizado para implementar o coletor de energia e rodar a aplicação de rede de sensores sem fio baseado no microcontrolador MSP430 e no transceiver de radio-frequência 2.4GHz CC2500.

Para entender todo o funcionamento dessa aplicação, um software monitor aplicativo foi desenvolvido para demonstrar e visualizar em um computador a solução de rede de sensores sem fio. Veja Figura 6 com detalhes desse software aplicativo e seu funcionamento.

Figura 6 – Funcionamento do software monitor aplicativo

Nessa aplicação, é possível fazer medição de temperatura utilizando uma característica do microcontrolador MSP430F2274 (possui internamente um diodo que é utilizado como sensor de temperatura) e enviar essa informação (leitura de temperatura) por rádio-frequência a 2.4 GHz até o ponto de acesso (Access Point), que é a placa com MSP430 conectada ao computador via interface USB. A Figura 7 traz mais detalhes dessa placa.

Figura 7 – Detalhes da placa de acesso conectada ao computador

 

 

 


 

HAMILTON IGNÁCIO é engenheiro eletrônico e gerente de Produtos e Aplicações da Texas Instruments para a América do Sul. Possui MBA, com diversos cursos de especialização em DSP e microcontroladores nos Estados Unidos. Gerencia as áreas de automação industrial, instrumentação, medição de energia, controle digital de sistemas e motores, linha branca, segurança eletrônica, automotiva e nobreaks, entre outras. Gerencia também o programa universitário na América do Sul.

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