As baterias são uma das maiores limitações na inclusão de nova tecnologia nos num Dispositivos de Comando e Controlo Bidirecional (DCCB). Apesar dos avanços em eficiência energética da tecnologia de comunicações e de processamento aplicados nos DCCB, as baterias ainda são um obstáculo significativo à medida que tentamos fazê-los durar mais tempo, torná-los menores ou com mais funcionalidades.
Estima-se que gastos com baterias só para alimentar dispositivos eletrónicos deve alcançar 26.6$ mil milhões de dólares em 2020, representando um aumento de quase 30 por cento [1]. A maior parte deste gasto servirá para alimentar dispositivos móveis ou de elevada portabilidade, sendo de esperar um aumento de 45% ao longo dos próximos seis anos. Apesar dos milhões de dólares de investimento em investigação para fazer estender a vida da bateria dos dispositivos móveis, não se espera que esta tecnologia venha a avançar muito nos próximos anos. No entanto a crescente onda de dispositivos que dependem de baterias não vai diminuir, antes pelo contrário.
Um tema de debate entre os investigadores é se a tecnologia da bateria estagnou, muitos afirmam que podemos estar a chegar ao limite do que a ciência pode contribuir no aumento de capacidade das baterias. A energia armazenada numa bateria em 1995 apenas duplicou passado mais do que uma década, em 2007. Desde então, o aumento do armazenamento de energia é de 30%, e estima-se que as baterias não dobrarão novamente a quantidade de energia armazenada até 2021. Numa visão mais pessimista, alguns cientistas advogam que estamos virtualmente no limite da energia que uma bateria pode armazenar e que no futuro a melhoria não será superior a uma ordem de grandeza [1].
No entanto os fabricantes de dispositivos eletrónicos, usando baterias com praticamente a mesma capacidade, encontraram formas de obter muito mais desempenho dos seus dispositivos. Um computador portátil tem agora uma autonomia aproximada de 10 horas, quando em 2009 apenas tinha quatro horas. Isto só é possível devido a dois avanços da tecnologia: o primeiro devido à redução do tamanho da eletrónica e sua eficiência, e o segundo devido à melhor gestão do hardware por parte do software.
A eficiência energética e a diversificação das fontes de energia são uma das prioridades para a manutenção do crescimento do mercado de DCCB. Esta preocupação levou a uma busca para o desenvolvimento de novas técnicas de armazenamento de energia, mais eficientes e mais duradouros, assim como para a diversificação das fontes de energia. O tamanho da bateria, forma, capacidade, rapidez de carga, modularidade e confiabilidade são fatores-chave a considerar ao fazer qualquer dispositivo DCCB.
Tem havido um grande interesse e atividade ao longo dos últimos anos em identificar formas de captação de energia, como uma ferramenta para recarregar baterias, e supercondensadores em dispositivos eletrónicos durante a sua utilização ou em repouso. As categorias de energia a ser convertida em energia elétrica incluem: a energia cinética (locomoção, vibração, rotação), a energia térmica e recolha de energia por ondas de rádio. A vantagem do uso de diversas fontes de energia é que a recolha de energia pode ser feita quando o DCCB está a ser utilizado (e.g. energia cinética) ou em repouso (e.g. energia das ondas de rádio). No período de repouso pode ser definido uma zona de descanso para o DCCB em que este carrega as baterias. Uma vez que os DCCB são deixados em repouso por longos períodos de tempo, a capacidade de carregar nesses momentos é de elevada importância.
A diversificação das fontes de energia, aqui designada por “energy harvesting” (recolha de energia) também potencia a coabitação de diferentes métodos de armazenamento, nomeadamente utilizando os supercondensadores. Os supercondensadores têm muito baixas correntes de fuga em comparação com condensadores comuns e têm uma muito maior capacidade. Os supercondensadores podem ser usados como uma fonte de energia para ações dos DCCB que necessitem de muito baixa corrente, existem em formatos pequenos, e podem ter capacidade de 1 Farad ou mais. O tempo de recarga é muito mais curto do que o de uma bateria. Dependendo da funcionalidade desejada num DCCB, um supercondensador pode ser a fonte de energia primária ou o suplemento para uma bateria convencional.
As soluções atuais de DCCB não incluem tecnologias de recolha de energia sendo o desenvolvimento de aplicações iterativas e soluções adaptadas às correntes tendências de comunicações sociais limitadas por via da exaustão da energia das baterias. Atualmente as soluções de carregamento dos DCCB, consistem em estações de carga (“docking stations”), terminais de carregamento via USB. Em termos de energy harvesting aplicada em DCCB, os projetos existentes são puramente académicos sem validação de mercado ou utilizam controlo por infravermelhos (tecnologia obsoleta no mercado dos DCCB) [2] [3] [4].
Tipos de recolha de Energia (energy harvesting)
As fontes de energia identificados como relevantes para o contexto em causa são:
- Energia mecânica – durante a utilização normal de um dispositivo DCCB ocorrem vibrações e impactos mecânicos sendo estes eventos potenciais fontes energia;
- Energia térmica – o uso de um dispositivo DCCB exige transferência de energia térmica do utilizador para o equipamento, esta energia pode ser significativa quando convertida para energia elétrica;
- Energia luminosa – um dispositivo DCCB pode estar sujeito a radiação luminosa do sol ou luminosidade do interior, essa radiação pode ser suficiente para produzir energia elétrica;
- Radiofrequência – um dispositivo DCCB encontra-se num meio onde existe radiação eletromagnética de diversas fontes – essa energia pode ser recolhida para produzir energia elétrica;
- Para avaliar quais fontes que se mais adequam a dispositivos sem fios há que relacionar a potência disponível versus os consumos dos vários dispositivos.
Figura 1 – Consumo de energia de alguns equipamentos [5].
Devido ao facto de as células fotovoltaicas serem estudadas há muito tempo, esta tecnologia encontra-se madura, pelo que conversão de energia luminosa, proveniente de luz solar, já é bastante eficiente, apresentando esta tecnologia a maior capacidade de produção de energia elétrica na gama de [1mW/cm2, 100mW/cm2]. No entanto, há que ter em consideração que este tipo de energia só está disponível em algumas horas do dia.
Para a recolha eficiente de energia termoelétrica, é necessário haver uma diferença de temperatura mínima entre uma parte fria e uma parte quente do sistema de recolha de energia.
No caso da energia mecânica, a melhor eficiência na recolha de energia elétrica consegue-se por aplicação de movimentos com frequência constante, que permite obter o máximo rendimento.
A recolha de energia por radiofrequência precisa de níveis consideráveis de radiação eletromagnética de modo obter energia elétrica em quantidades que sejam relevantes. Pode ser recolhida a partir das emissões de transmissores RF existentes, tais como, televisão, rádio, telemóvel, GPS, WiFi, satélite e radar, ou um transmissor fixo propositadamente instalado para transmissão de energia sem fios.
ENERGIA MECÂNICA POR VIBRAÇÃO
Os materiais Piezoelétricos são compostos cristais capazes de gerar tensão elétrica em resposta à pressão mecânica. Os materiais piezoelétricos são ótimos equipamentos de recolha de energia em pequena escala de vibrações, que usando um modelo adequado conseguem ter em média uma potência típica de 1mw/cm3 com a tensão a variar entre 0.1-0.4V.
A empresa tecnológica MIDE fabrica células piezoelétricas capazes de produzir energia, com a designação comercial “Volture” e “PPA”. Estas células que dependem da intensidade e da frequência da força que lhe é aplicada para produzirem de energia. Em função da aplicação estas células são configuradas para operar a uma dada frequência ressonância quando sujeita a uma força externa.
Para recolher a energia mecânica do equipamento piezoelétrico, é necessário que parte deste equipamento esteja fixado numa estrutura de modo que posso produzir livremente uma frequência de ressonância.
Um grampo é uma estrutura que suporta a célula piezoeletrico fazendo com que esta tenha uma liberdade para produzir uma frequência de ressonância. Os pontos vazios na ponta do equipamento piezoelétrico são espaços destinados a colocar pontos de massa de modo a obter uma ressonância após a vibração ou impacto.
Na classe Volture, a célula V25W com uma ótima configuração consegue uma tensão de saída de 9V e uma potência de saída de 9 mW.
O fator de envelhecimento é uma das desvantagens mais significativas desta solução, i.e. a medida que a célula envelhece existe um aumento da sua fragilidade.
As células piezoeléctricas PPA (Piezo Protection Advantage) possuem característica que lhes dá maior robustez sendo esta uma característica que as diferencia em relação à classe Volture. As células piezoeléctricas PPA são mais robustas, seladas, eletricamente isoladas e mais simples de efetuar a sua integração no seu ponto de aplicação.
Os vários tipos de células PPA, foram configuradas para a uma frequência de ressonância de 60Hz e submetidas a diferentes amplitudes de oscilação.
Também é possível recolher energia quando uma célula piezoelétrica é submetida a um impacto. Existe uma oscilação significativa da célula piezoelétrica após o impacto, sendo gerada uma tensão considerável. Num impacto típico a oscilação é amortecida ao fim de 2 segundos, o amortecimento depende do ponto onde se coloca a massa e a configuração do grampo.
Soluções Comerciais existentes
A EnOcean [8] dispõe de um sistema para energy harvesting (EDK 350), que contém módulos para a transmissão de dados via rádio de baixo consumo e transdutores que transformam a energia solar, térmica e mecânica em energia elétrica. O módulo de transmissão de rádio (PTM 330) incluído no sistema é alimentado através de um pulso de energia que pode ser gerado através de um movimento linear usando o módulo (ECO 200). Este conjunto permite, transmitir o estado de 4 entradas digitais, o que pode representar até 16 teclas utilizando uma matriz de 4×4 botões. Este sistema necessita de uma deslocação linear do botão relevante, o que implica uma dimensão não compatível com os atuais DCCB.
A Midé’s Volture [9] produz transdutores piezoelétricos de vibração, que utiliza tira proveito das acelerações para produzir energia elétrica. Estes podem ser utilizados para alimentar um circuito ou recarregar uma bateria. Naturalmente esta tecnologia só gera energia quando o dispositivo está sujeito a movimentos.
Adaptabilidade do método ao telecomando
Este método de recolha de energia adequa-se ao DCCB, uma vez que o uso normal de um DCCB, há uma elevada probabilidade de este estar sujeito a vibrações ou impactos, sendo deste modo é possível gerar energia elétrica utilizando células piezoelétricas.
Para avaliar a o potencial de gerar energia suficiente para a operação de um dispositivo DCCB é necessário procede-se à realização de testes controlas. Os testes controlados mimetizarão a manipulação do DCCB por um utilizador cenários de visualização de conteúdos multimédia.
O equipamento PPA – 2011 preso no meio pelo kit de grampo, com uma massa de 3.4g aplicado na ponta, com uma amplitude de aceleração aplicada 2g a uma frequência de 60Hz consegue produzir uma potencia eficaz de 10.5mW de potência, por outro lado o equipamento PPA – 1001 com um custo bastante inferior consegue para mesmo configuração do grampo e frequência uma potência de 1.8Mw, com 1g de aceleração e 1.7g de peso aplicado na ponta.
ENERGIA TÉRMICA
Os TEG (do inglês ThermoElectric Generators) são transdutores/geradores de estado sólido que transformam calor em eletricidade por efeito Seebeck. Para se poder produzir energia elétrica tem de haver uma diferença de temperatura entre as duas faces de um TEG. O efeito Seebeck consiste na geração de uma força eletromotriz num circuito que composto dois metais, ou dois semicondutores diferentes, em que a junção entre os dois é mantida a temperaturas diferentes.
Para dispositivos de baixo consumo, os TEG podem ser competitivos porque são compactos, simples e baratos.
Tipicamente 37°C é a temperatura corporal de um utilizador do dispositivo DCCB, sendo a temperatura da pele da sua mão 32°C, considerando 22°C a temperatura típica do ar interior das casas, conseguimos fazer uma recolha de energia através da pele de uma pessoa com uma diferença de temperatura de até 10°C. O tamanho de um TEG depende da aplicação, da diferença mínima de temperatura disponível e da potência máxima requerida pela carga, sem nos esquecermos da resistência térmica do dissipador. Um bom dissipador de calor é fundamental para obter uma boa eficiência dos módulos TEG.
Soluções Comerciais existentes
O sistema da Wurth Electronics (Energy Harvesting Solution To Go)[1] permite a utilização de diferentes tipos de transdutores para gerar energia elétrica a partir das fontes mais comuns. A célula Peltier permite a conversão de energia térmica do utilizador em energia elétrica.
Adaptabilidade do método ao DCCB
Para dispositivos de baixo consumo, os TEG podem ser competitivos porque são compactos, simples e baratos. Os TEG podem ser facilmente projetados para operar com pequenas diferenças de temperatura, sendo deste modo possível aproveitar o calor corporal.
Uma vez que o DCCB em uso normal será segurado pela mão do utilizador, pode-se construir uma zona destinada para integrar um TEG, capaz de aproveitar a energia calorífica da mão do utilizador para produzir energia elétrica. Para que haja um bom aproveitamento do calor da mão é importante a escolha do dissipador de calor, de modo que, a diferença de temperatura entre a mão e a temperatura ambiente seja máxima.
Dependendo da altura do ano, é possível recolher mais ou menos energia, caso seja verão a diferença de temperatura entre o calor humano e a temperatura ambiente diminui logo produção de energia diminui, por outro lado, no inverno há uma maior diferença de temperatura entre o corpo humano e o ambiente, logo há uma maior produção de energia.
Um exemplo de aplicação pode ser encontrado em [10] neste exemplo um TEG é usado para alimentar um relógio de pulso.
ENERGIA LUMINOSA
A recolha de energia elétrica a partir da energia luminosa é uma das áreas de estudo com mais com trabalho realizado nas últimas décadas. As células fotovoltaicas conseguem produzir energia elétrica quando expostos a radiação luminosa. Existem vários tipos de células fotovoltaicas que são para o uso ao ar livre, i.e. radiação luminosa exterior, mas há cada vez mais trabalho realizado no desenvolvimento de células fotovoltaicas que sensíveis à iluminação artificial, i.e. radiação luminosa interior.
A maior parte dos painéis fotovoltaicos, são constituídos de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo. As células de silício monocristalino são as que possuem maior rendimento (entre 14% e 21%), mas são mais complexas e caras. Por outro lado, as células policristalinos já possuem um rendimento relativamente menor (entre 13% e 16.5%) por terem um custo de produção inferior, logo refletindo qualidade do cristal. As células de silício amorfo são os que possuem o menor rendimento (entre 6% e 9%), em comparação com a policristalinas e monocristalinas e são as mais económicas. Para efeitos de cálculos do rendimento, as estas células foram sujeitas a uma radiação solar 1000W/m2, a uma temperatura de 25°C [14].
Para uma melhor perceção de que do tipo de célula a usar para este tipo de projeto, iremos abordar cenários em que a radiação luminosa no interior é composta por diferentes comprimentos de onda em função proveniência da luminosidade, i.e. de diferentes tipos de lâmpadas.
A célula de silício de amorfo tem o pico de eficiência nos 560 nm de comprimento de onda, sendo o seu rendimento severamente afetado quando a luz tem um comprimento de onda superior a 760 nm.
A célula Monocristalina tem o pico de eficiência numa gama de comprimento de onda entre [760nm – 960nm], continua a ter um melhor rendimento em relação as células de amorfo e policristalino independentemente do comprimento de onda. Para seu pico de eficiência, as lâmpadas incandescentes e halogénios mostram ser os ideias para a iluminação do interior caso se pretende recolher energia luminosa usando esse tipo de célula.
Uma vez que as células policristalinas possuem um pico de eficiência para um comprimento de onda numa zona de 760 nm, adequam-se melhor em locais iluminada por lâmpadas incandescentes e halogénios. Para o comprimento de onda, as células policristalinas em comparação com as monocristalinas tem menor rendimento.
Dye sintetized é um tipo de célula semelhante a células de silício de amorfo em termos de comprimentos de onda. Apesar das lâmpadas incandescentes e de halogéneo serem as fontes luminosas em que se obtém o melhor desempenho das células fotovoltaicas, estas encontram-se em desuso devido ao seu elevado consumo energético. Estas lâmpadas são as conseguem produzir uma luz com comprimentos de onda mais próximos da luz do solar.
As lâmpadas fluorescentes encontram-se no canto oposto no que diz respeito à capacidade produzir iluminação capaz de ser convertida pelas células fotovoltaicas, estas também se encontram em desuso devido ao seu custo, consumo e impacto ambiental. As lâmpadas LED são mais energeticamente eficientes, e emitem uma luz com comprimentos de onda bastante distintos dos comprimentos de onda emitido pela luz solar, no entanto da luz quente emitida por LEDs o seu comprimento de onda na zona onde existe o maior desempenho das células fotovoltaicas de silício amorfo.
Soluções Comerciais existentes
No mercado já se encontram muitas células fotovoltaicos de baixa potência indicadas para dispositivos móveis e aplicações em ambientes interiores. A célula Indy4050 da G24i é do tipo “dye-sensitised”, esta adapta-se bem a aplicações em dispositivos móveis pois estas células são flexíveis. A sua área de 3050mm2 fornece cerca de 90mW a 1.8V com 200 lux e 465mW a 2V com 1000 lux.
O dispositivo Bluetooth de baixo consumo da Texas Instruments, denominado por TIDA–00100 é um dispositivo usado em ambientes interiores que usa um painel fotovoltaico CBC-PV-01. O painel fotovoltaico CBC-PV-01 de dimensão 58.10mm x 56.70mm x 1.10mm, é constituído por células de silício amorfo, este tem bom desempenho em ambientes iluminados por lâmpadas de LEDs. Tem uma desvantagem, em comparação com a indy4050, de só conseguir produzir energia a partir dos 250 lux.
O painel fotovoltaico “Solar LTD KS-3726-8”, com uma dimensão de 37mmX26mmX1.1mm, é composto por células de silício amorfo e consegue gerar uma tensão de 3V e uma corrente de 8uA a uma luminosidade de 200 lux.
Adaptabilidade do método ao DCCB
Assumindo uma sala de estar com janelas exteriores, a tipo iluminação depende da hora, deste modo durante o dia temos iluminação exterior e durante alguns períodos da noite temos iluminação interior.
A incorporação de um pequeno painel fotovoltaico no DCCB é vantajosa, pois este estará durante bastante tempo sujeito a radiação luminosa, visto que há uma grande probabilidade do DCCB estar em ambientes com uma taxa de ocupação humana elevada. Caso se pretenda um painel de baixo custo pode optar-se por painéis constituídos por células de silício amorfo, mas se o que prefere é eficiência pois então os monocristalinos são a melhor escolha.
ENERGIA POR RF DE ALCANCE MÉDIO (RADIOFREQUÊNCIA)
A energia por RF (radiofrequência) é uma área em bastante expansão em que muitas equipas têm vindo a desenvolver trabalho. O funcionamento é baseado no facto das ondas RF estarem espalhadas pelo ar, sendo então feita uma recolha dessa energia para alimentar um microcontrolador de baixo consumo. No entanto, esta técnica introduz desafios bastantes grandes, como, por exemplo: a orientação e a distância entre o transmissor e recetor, obstáculos no caminho, e na eficiência da transmissão e receção do sinal.
Algumas das potenciais fontes emissores dessa energia candidatos para a sua utilização neste projeto seria as ondas de radio de transmissão de TV, ou ondas de radio de comunicação utilizando os telemóveis pois estas encontram-se na mesma frequência entre 900-950MHz, no entanto a densidade de potencia disponível para recolher energia é bastante baixo, neste modo uma das soluções que tem vindo a colocar é a instalação de transmissor RF dedicado. A Powercast possui um módulo transmissor RF dedicado, denominado TX91501, que para um consumo de 3W emite onda de radio uma frequência de 915 MHz.
Os recetores RF da Powercast P1110 e P2110B que operam na mesma gama frequência [850 – 950MHz] mas possuem rendimentos diferentes consoante a distância. Os recetores Powercast podem recolher energia RF direcionada ou dispersa pelo ambiente e convertê-la em energia DC para carregar as baterias ou para permitir o funcionamento dos dispositivos sem bateria.
A Lifetime Power® [6] dispõe de uma solução livre de baterias (Energy Harvesting Development Kit), onde a radiação de um transmissor de radiofrequência, é convertida no recetor em energia elétrica. A energia recolhida é usada para alimentar o microcontrolador de muito baixo consumo e módulo de comunicação (também este por radiofrequência). Este sistema permite eliminar a reposição de baterias, assim como a alimentação do mesmo através de uma ligação física, permite também que um transmissor possa alimentar vários dispositivos ao mesmo tempo.
Adaptabilidade do método ao DCCB
Esse método de recolha de energia apenas consegue gerar energia na melhor das hipóteses das dezenas de μW. Neste modo parece pouco adaptável ao nosso cenário em causa pois a sua eficiência é baixa, e os custos acrescido ao transmissor RF tornam essa metodologia pouco viável para essa aplicação. Em comparação com os outros métodos de recolhas de energia que foram referidos, este mostra ser o método menos eficiente para a sua integração no dispositivo DCCB.
ENERGIA POR RF DE CURTO ALCANCE (RADIOFREQUÊNCIA)
O carregamento sem fios a uma distância reduzida, é uma tecnologia com bastante evolução e aplicação, havendo cada vez mais dispositivos móveis capazes de ser recarregados usando essa tecnologia. O método de carregamento sem fios consiste em aproximar duas bobinas, uma delas excitada com um campo eletromagnético oscilante induz uma corrente elétrica na segunda bobina.
As duas técnicas de carregamento sem fios a uma distância reduzida, mais significativas são: carregamento por indução e carregamento ressonância magnética;
Carregamento por indução
No carregamento por indução, na estação de carregamento encontra-se uma bobina excitada com um campo eletromagnético, esta irá induzir uma corrente elétrica na segunda bobina que se encontra incorporada no dispositivo móvel. A transferência de energia através de carregamento por indução requer que ambas as bobinas sejam, planas com o mesmo diâmetro, orientação e a distância máxima entre ambas não seja superior a 5mm para que a transferência de energia tenha máxima eficiência.
Esta tecnologia implica que por cada dispositivo móvel haja uma única zona de carregamento.
Um sistema de carregamento por indução consegue atingir eficiências numa gama de 30 a 60 por cento. Devido a esta eficiência relativamente elevada, as perdas por efeito de joule são reduzidas, permitindo uma transferência de energia significativa e acelerando os ciclos de carga.
Carregamento por ressonância magnética
Ainda que sendo indutiva, a transferência de energia entre bobinas ocorre quando estas estão a operar na mesma frequência ressonante. Esse método tem a capacidade de transferir energia para várias bobinas a partir de uma única bobina, e a uma distância maior em relação ao carregamento por indução. A eficiência é relativamente baixa, a curta distância (2 cm) pode ter uma eficiência de 30 por cento, caindo para 15 por cento a uma distância de 75 cm. Adicionalmente existem vários desafios com esta tecnologia, nomeadamente, uma maior complexidade do circuito devido às frequências de operação mais altas e poder ser uma potencial fonte interferência eletromagnética (EMI).
Mercado dos carregadores sem fios a uma distância reduzida
O mercado de carregamento sem fios a uma distância reduzida, encontra-se dividido em dois grandes consórcios: Wireless Power Consortium e AirFuel Alliance.
O Qi (lê-se chee) é um padrão da Wireless Power Consortium (WPC). A WPC é o consórcio com a maior cota de mercado no momento, este tem 232 membros em 23 países, existindo atualmente centenas de produtos no mercado com o certificação Qi[3]. A maioria dos carregadores sem fios da Qi são por indução, porem já se encontram no mercado carregadores da Qi que operam tanto por indução como por ressonância.
O consórcio Alliance for Wireless Power (A4WP), possui o padrão denominado Rezence, este padrão utiliza a ressonância magnética como tecnologia de carregamento. O consórcio Alliance Power Matters Alliance (PMA), possui um padrão denominado Powermat, este consórcio foi um dos primeiros a aparecer na industria de carregamento sem fios para telemóveis. A 1 de junho 2015 a A4WP fundiu-se com a PWA passando o consórcio a denominar-se AirFuel Alliance. O consórcio AirFuel Alliance tem de 300 membros, fazendo com que o padrão Rezence seja o único concorrente relevante ao Qi.
O padrão Qi apresenta uma eficiencia muito maior no modo de carregamento por indução magnética. Apesar de na versão inicial o padrão Qi não ter capacidade de carregamento por ressonância magnética, os dispositivos atuais já permitem este modo de carregamento. O padrão Qi usa o meio para transmissão potência transmitida para também comunicar com o dispositivo a ser carregado, de modo a controlar a taxa de carregamento. No caso do carregamento ser por indução, é necessário haver um bom alinhamento com o transmissor.
O padrão Rezence consegue ser mais prático no diz respeito a: carregar vários dispositivos ao mesmo tempo, relativamente ao seu posicionamento na zona de carga e na distância vertical a que consegue carregar. O carregamento por ressonância magnética do padrão Rezence permite uma maior liberdade para dispositivos de carregamento não sendo necessário haver uma orientação/posicionamento predefinido e a distância máxima para a transferência de energia pode ser até 5 cm, porem a sua eficiência baixa significativamente com o aumento da distância. O padrão Rezence utiliza uma comunicação Bluetooth para o controlo da carga que é transferida da estação de carregamento para o dispositivo a carregar. Esse método é eficiente quando se encontram vários dispositivos na estação de carga, pois o uso da comunicação permite controlo do fluxo de energia transmitida. No entanto, apresenta uma desvantagem pois apenas dispostos com capacidade de comunicação Bluetooth conseguem carregar na estacão de carregamento da Rezence.
Existe uma luta entre os dois consórcios em afirmarem a sua tecnologia como a solução para o carregamento sem fios a uma distância reduzida. O padrão Qi encontra-se na liderança, possuindo compatibilidade com a maioria dos dispositivos com carregamento sem fios existentes no mercado.
Atualmente não existe interoperabilidade entre os equipamentos recetores de carregamento sem fios, i.e., se um dispositivo estiver equipado com um sistema de carregamento sem fios de proximidade com padrão de carregamento Qi, este não consegue carregar num posto de carregamento da Rezence e vice-versa.
Segundo um estudo apresentado pela Digikey [26], a eficiência dos carregadores sem fios de proximidade por para uma corrente de carga de 0.5A, é 60% apara os carregadores de indução magnética da Qi e de 35% para os carregadores de ressonância magnética.
Futuro do carregamento sem fios
Existe uma luta no mercado entre os dois padrões de carregamento sem fios, cada um possui as suas vantagens e desvantagens, tornando-se incerto qual das tecnologias emergirá como ganhadora. A incerteza pode vir a ser influenciada, pela decisão de qual tecnologia adotar tomada pelas grandes empresas do mercado.
Apesar da incerteza existem alguns indicadores que apontam para o padrão Qi como o padrão ganhador, nomeadamente: o método de carregamento por indução do padrão Qi tem a maior percentagem de equipamentos compatíveis; e o facto do consorcio Wireless Power também investido na integração de carregamento por ressonância magnética no padrão Qi .
O facto de não haver interoperabilidade entre os padrões de carregamento criou uma oportunidade de negocio, existindo atualmente empresas que apostaram no desenvolvimento de soluções de carregamento com capacidade de suportar ambos os padrões. A Integrated Device Technology (IDT) inovou no mercado dos carregadores sem fios de proximidade, ao desenvolver um chip recetor de carregamento sem fios compatível para os dois padrões (Qi e PMA).[4]
Soluções Comerciais existentes
O IKEA tem uma gama de mobiliário já preparado para efetuar carregamentos sem fios para os smartphones. Esta tecnologia requer que o equipamento esteja em contacto com a superfície da mobília de forma a estar dentro da área de carregamento.
Adaptabilidade do método ao DCCB
Um dispositivo DCCB possui uma unidade de armazenamento de energia que requer recarregamento. Em situações em que não se encontra em utilização, o DCCB pode repousar numa estação de carregamento, aproveitando assim as horas em que o dispositivo não se encontra em uso para carregar a sua bateria. O padrão de carregamento sem fios que melhor se adapta em termos de custo, ubiquidade e eficiência é o Qi.
SUPERCONDENSADORES
Tão importante quanto produzir energia assim também é saber armazena-la. O armazenamento de energia permito o uso dessa energia de forma mais eficiente. Os supercondensadores surgem como alternativas às técnicas tradicionais de armazenamento de energia. Também conhecidos como ultracondensadores, os supercondensadores têm sido alvo de muito estudo nos últimos anos, ganhando um lugar de destaque entre as baterias e os condensadores convencionais.
Os supercondensadores apresentam uma maior densidade de energia em relação aos condensadores convencionais e apresentam também uma carga e descarga mais rápida sendo possível utilizar alta corrente de carga e descarga sem comprometer os seus constituintes [20], adicionalmente os supercondensadores apresentam um ciclo de vida superior ao das baterias.
Devido as correntes de fuga, que acontece com degradação, os supercondensadores possuem um elevado índice de auto-descarga perdendo-se 50% da sua energia armazenada num espaço de tempo de 30 a 40 dias. Os supercondensadores no mercado representam uma quota inferior a 1% das técnicas de armazenamento de energia, sendo as pilhas e baterias as restantes 99%. [21]
Existem dois tipos de supercondensadores: a de dupla camada, que apresenta uma estrutura constituída por dois elétrodos imersos num eletrólito e que se separam por uma membrana e os pseudocondesadores, que surgem de uma reação química que ocorrem no cátodo e fenómenos electroestáticos que têm lugar no ânodo.
Adaptabilidade do método ao DCCB
Os métodos de recolha de energia referidos ao longo desta página, tem picos de produção de energia, mas em pouca quantidade, deste modo os supercondensadores são ótimos candidatos para a sua integração no dispositivo DCCB.
Conclusões
Nesta página foram abordados, métodos existentes de recolha e armazenamento de energia e os possíveis candidatos para a sua integração num Dispositivo de Comando e Controlo Bidirecional DCCB, com funcionalidade Hápticas e comandos de voz. Concluiu-se que os métodos de recolhas abordados apenas conseguem gerar potências na gama das dezenas a centenas de uW. Apesar de algumas tecnologias aparentemente terem um custo por uW elevado é necessário proceder a testes experimentais para avaliar o custo real da sua aplicação em dispositivos DCCB. Deste modo vários cenários e casos de uso com dispositivos DCCB serão desenvolvidos, e as grandezas relevantes serão registadas durante o uso normal do equipamento, nomeadamente aceleração, luminosidade, temperatura superficial do dispositivo DCCB.
Também foi estudada a integração dos supercondensadores em dispositivos DCCB. A integração dos supercondensadores em dispositivos DCCB é interessante pois pode servir de como armazenamento de gerada pelos módulos de recolha de energia, onde é frequente a ocorrência de picos curtos de tensão e intermitentes. Esta energia armazenada pode servir para alimentar módulos de baixo consumo e curta duração.
Foram analisados dois métodos de carregamento sem fios a uma distância reduzida, por indução suportado pelo padrão Qi e por ressonância magnética suportado pelo padrão Qi e Rezence.
Entre os métodos de carregamento sem fios existentes, o carregamento por indução magnética do padrão Qi é o mais eficiente, mas caso se pretenda flexibilidade o carregamento por ressonância magnética do padrão Rezence é melhor escolha.
| [1] | S. T. Ian Sherr, “Why does my battery suck? Phones, tablets and watches continue to improve. Their batteries? Not so much.,” CNET Magazine, December 2015. |
| [2] | “Batteryless infrared remote control from Arveni,” 2009. [Online]. Available: http://www.energyharvestingjournal.com/articles/1842/batteryless-infrared-remote-control-from-arveni. [Acedido em 29 4 2017]. |
| [3] | “Philips introduces TV with solar powered remote control,” 2010. [Online]. Available: http://www.energyharvestingjournal.com/articles/2734/philips-introduces-tv-with-solar-powered-remote-control. [Acedido em 29 4 2017]. |
| [4] | “Energy Harvesting Efforts Are Picking Up Steam,” [Online]. Available: http://powerelectronics.com/energy-harvesting/energy-harvesting-efforts-are-picking-steam. [Acedido em 28 4 2017]. |
| [5] | D. Techo, “RF Energy Harvesting for the Low Energy Internet of Things”. |
| [6] | M. T. Corporation, “PPA Products Datasheet e User Manual,” 2017. |
| [7] | M. T. Corporation, “PIEZOELECTRIC ENERGY HARVESTERS,” 2013. |
| [8] | Enocean, “Dolphin,” [Online]. Available: https://www.enocean.com/en/edk350/. [Acedido em 29 4 2017]. |
| [9] | Mide. [Online]. Available: http://www.mide.com/products/volture/piezoelectric-vibration-energy-harvesters.php. [Acedido em 28 4 2017]. |
| [10] | G. J. Snyder, “Small Thermoelectric Generators,” 2008. |
| [11] | L. Technology, “Ultralow Voltage Energy Harvester Uses Thermoelectric Generator for Battery-Free Wireless Sensors,” 2010. |
| [12] | L. T. Corperation, “Ultralow Voltage Step-Up Converter and Power Manager,” 2010. |
| [13] | H. Ishikuro, “Energy Harvesting Technology,” 2011. |
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