Baixe TCC WITRICITY e outras Teses (TCC) em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
- Introdução
1.1. Visão Geral 1.1. Aplicações em dispositivos eletrônicos 1.2. Portabilidade 1.3. Perspectivas e desafios 1.2. Histórico 1.3. Objetivo
- Conceitos físicos e Funcionamento
1.4. Eletromagnetismo 1.4. Indução Eletromagnética e Campo magnético variante 1.5. Métodos para Transmissão de Energia wireless 1.5. Acoplamento Indutivo Ressonante 1.6. Ressonância magnética 1.6. Transferência de Energia wireless via Ressonâncias de Acoplamento Magnético 1.7. Circuito Equivalente
- Influência em seres vivos
1.8. Hipersensibilidade Eletromagnética 1.9. Riscos quanto ao câncer 1.10. Padrão IEEE C95.1- 2005
- Procedimento Experimental
1.11. Material Utilizado 1.12. Desenvolvimento Prático do Protótipo 1.13. Análise e discussão dos dados coletados
- Conclusões
- Referências Bibliográficas
- Introdução
- Visão Geral
No início do século XX, antes do uso de redes de transmissão de energia elétrica em grande escala, Nikola Tesla dedicou muito esforço para transmitir energia sem o intermédio de fios, porém sem sucesso. No entanto, as últimas décadas têm testemunhado um aumento no uso de dispositivos eletrônicos autônomos como celulares, laptops , dentre outros e como conseqüência, o interesse em transmissão de energia wireless ressurgiu como modo de suprir a constante necessidade de recarregar tais equipamentos. Diferentemente de experimentos anteriormente desenvolvidos por Tesla, uma equipe do MIT fez uso de frequências da ordem de 10 MHz, ao passo que hiperfrequências eram usualmente empregadas. Estes cientistas foram capazes de acender uma lâmpada de 60 W, cuja fonte de eletricidade encontrava-se a 2 metros de distancia e adotou-se a inexistência de conexão física entre a fonte e a mesma. O conceito de não utilização de fios para a transmissão de energia tornou-se conhecido como WiTricity (Wireless Electricity). Assim, em 2007 foi fundada a WiTricity Corporation, empresa responsável por comercializar essa nova tecnologia patenteado por Marin Soljacic e sua equipe. O físico brasileiro André Kurs é um dos idealizadores do projeto. Há 13 anos, ele mudou para os Estados Unidos para estudar no MIT e fez parte da pesquisa original do projeto desde o início.
elétricos são recarregados com uma taxa de 60 kilowatts. O sistema foi construído pela Conductix-Wampfler de Weil am Rhein, na Alemanha, que também licenciou patentes da Universidade de Auckland. Esse modelo de sistema de ônibus a energia elétrica, também é utilizado no fornecimento de energia para uma linha de ônibus comercial, em Whakarewarewa, Nova Zelândia.
1.2. Perspectivas e desafios Os parceiros da companhia WiTricity prometem mais novidades em breve. A Toyota, por exemplo, anunciou recentemente que vai integrar a tecnologia no modelo híbrido Prius a partir de 2015. Para integrar sua tecnologia em outros produtos, a WiTricity também trabalha com outras grandes montadoras como Audi e Mitsubishi e até com grandes empresas de tecnologia como a Intel e a Foxconn, empresa de Taiwan que fabrica praticamente todos os produtos da Apple. Esses sistemas que têm sido empregados em dispositivos eletrônicos de baixa potência, a muito se provaram capazes de transferir energia sem usar fios, geralmente com boa eficiência. Isso é possível, pois tais sistemas transferem potências a curtas distâncias, nada comparado às distâncias almejadas pela Intel e WiTricity. A questão é se melhoramentos na engenharia serão capazes de efetuar transferências através de distâncias bem maiores e de maneira eficiente. Eberhard Waffenschmidt, engenheiro eletricista da Philips, tem estudado sobre a eficiência da transmissão de energia wireless em distâncias maiores_._ Seus cálculos sugerem que novos protótipos da Intel e WiTricity estão chegando a um limite do que pode ser considerado eficiente. De acordo com ele, mesmo que baixas eficiências pudessem ser toleradas, os níveis de campo ressonante, requeridos para enviar quantidades realmente úteis de potência, através de distâncias maiores, poderiam ser prejudiciais às pessoas expostas ao campo. Tal desafio será discutido de maneira mais aprofundada no capítulo III desse trabalho. Mesmo que a indução ressonante acabe sendo limitada a curtas distâncias, ela pode ter uma grande influência para o futuro dos meios de transporte. Agora há meios para recarregar um carro de maneira eficiente e segura, sobre espaços de 20 a 40 centímetros e isso pode ser introduzido em ruas e estradas [COVIC, Grant]. Em Berlim, o sistema de transportes está se adaptando para oferecer um carro elétrico capaz de se recarregar indutivamente conforme trafega pelas ruas. Esse tipo de
sistema evita, dentre vários problemas, o uso de cabos para carros elétricos, que são difíceis de ser mantidos. O grande desafio agora é incorporar a tecnologia aos produtos do nosso cotidiano. Talvez as próximas gerações nunca mais tenham que plugar mais nada na tomada. De acordo com André Kurs, o objetivo dos fundadores da WiTricity é nunca mais ter que recarregar nenhum aparelho. “Você pode deixá-lo em cima da mesa, ou no bolso, mas nunca mais ter que pensar em colocar algo na tomada", completa. Para superar os desafios e cumprir as perspectivas supracitadas, várias empresas se aliaram em dois grupos principais: O Wireless Power Consortium (WPC) e o Alliance For Wireless Power (A4WP). O primeiro grupo é um Consórcio formado por mais de cem empresas tecnológicas (principalmente da área de telefonia e eletrônicos), cujo objetivo é desenvolver, padronizar e tornar acessível ao grande público, novos gadgets que se utilizam desta tecnologia (ao qual eles atribuíram o nome e símbolo ‘Qi’). Estão sempre encomendando pesquisas, estudos, comparações, melhoramentos. Exemplo de empresas que compõe a WPC: Samsung, Motorola, LG, Nokia, Panasonic, Verison, Philips, Sony, Toshiba. Já o segundo grupo, liderado pela Samsung e pela Qualcomm , possui como associados, várias empresas do ramo de transmissão de energia sem fio. Tem como objetivo desenvolver e divulgar esta tecnologia e mantém diversos projetos para massificação da mesma (como investir em vários cybercafés no Japão).
1.2Histórico Apesar da tecnologia de transmissão de energia wireless parecer recente, seus estudos são relativamente antigos. No final do século XIX, o físico Nikola Tesla iniciava sua pesquisa na área indução eletromagnética, com base nas descobertas de Michael Faraday, físico e químico inglês, que na década de 1830, chegou à conclusão de que um campo magnético poderia gerar uma corrente elétrica. Empregando uma técnica que faz uso da ressonância de circuitos elétricos, Tesla efetuou a transmissão de energia elétrica através de ondas eletromagnéticas conseguiu acender lâmpadas de baixa potência (CARLSON, 2007). A história da transmissão de energia elétrica efetivamente começou com os trabalhos de Maxwell, em 1864, uma vez que o mesmo modelou matematicamente o
Communications Research Centre) criou um pequeno avião que funciona com energia enviada pela terra. O avião, conhecido como SHARP (Stationary High Altitude Relay Platform - plataforma estacionária de transmissão em grande altitude), foi desenvolvido para se tornar um retransmissor de comunicação. Em vez de voar de um ponto a outro, o SHARP poderia voar em círculos de dois quilômetros de diâmetro em uma altitude de até 21 quilômetros. A rota circular do avião sempre estava dentro da área de alcance de um grande transmissor de microondas que ficava no solo. Uma grande antena retificadora em forma de disco, localizada atrás das asas do avião, transformava a energia de microondas proveniente do transmissor em eletricidade de corrente contínua (CC). Devido à interação das microondas com a antena retificadora, o SHARP tinha uma fonte de energia constante, desde que estivesse próximo a uma fonte de energia de microondas. [How stuff works, WILSON, Tracy V. ]
- Objetivo
Este trabalho tem por objetivo apresentar e analisar os estudos e resultados mais recentes relacionados à Transmissão de energia sem fio, como forma de sanar a necessidade de fontes de energia que sejam proporcionalmente eficientes com relação à demanda exigida pelos novos eletrônicos, mostrando o que tem sido feito, o que se deve ou não evitar e o que ainda necessita de maior atenção ou novos estudos para atingir conclusões e medidas definitivas. A análise das publicações recentes serve de base para tentar responder a questão sobre a possibilidade das transmissões sem fio e dos campos magnéticos serem prejudiciais à saúde humana. Nele, será descrita a transmissão de energia sem fio através da indução magnética e a implementação desta com a utilização de sistemas ressonantes, visto que o assunto, ainda pouco explorado, já dispõe de efetivos resultados e aplicações, mas ainda é pouco divulgado em meio acadêmico. A análise de seu funcionamento se dará através do desenvolvimento de um protótipo, possibilitando uma melhor explanação dos conceitos físicos envolvidos na tecnologia em questão.
- Conceitos Físicos e Funcionamento
2.1. Eletromagnetismo 2.1. Indução Eletromagnética e Campo Magnético Variante A existência das ondas eletromagnéticas foi prevista pelo físico e matemático James Clerk Maxwell em 1864 e posteriormente comprovada por Heinrich Hertz em 1887 (NUSSENZVEIG, 2006). Ondas eletromagnéticas geradas por um circuito elétrico são capazes de influenciar outro circuito, mesmo não havendo conexão condutiva entre eles. Este fenômeno é conhecido como indução magnética, explicada pela Lei de Faraday, umas das leis fundamentais que compõe a base do eletromagnetismo clássico (SADIKU, 2004). Na década de 1830, Michael Faraday, físico e químico inglês, descobriu em seus experimentos que um campo magnético poderia gerar uma corrente elétrica. Ele enunciou que uma força eletromotriz é produzida por condutores elétricos, em movimento num campo magnético uniforme, ou então por um campo magnético variante no tempo [HAYT, Willian H. BUCK, John A. Eletromagnetismo ]. Ou seja, a Lei de Faraday-Lenz é escrita:
Sendo fem a força eletromotriz (dada em Volts), Φ o fluxo magnético e t o tempo.
Anos mais tarde, James Clerk Maxwell estudou o experimento de Faraday, e escreveu a sua lei na forma diferencial:
Sendo o operador nabla, E o campo elétrico e B o campo magnético.
Ou seja, o rotacional do campo elétrico é igual ao oposto da variação do campo magnético no tempo. Este princípio da indução eletromagnética é usado em geradores, transformadores elétricos, motores e máquinas de indução em geral.
Esse tipo de transferência, apesar de funcionar perfeitamente na transmissão de dados, apresenta certo número de dificuldades na transmissão de energia: a eficiência da transmissão é muita baixa se a radiação é emitida em todas as direções, e a radiação unidirecional requer equipamentos muito sofisticados.
campo magnético de uma bobina ligada a uma fonte interage com a bobina acoplada e induz uma corrente elétrica na mesma, possibilitando assim a transferência de energia de uma fonte a outro dispositivo. Semelhante ao princípio físico de um transformador, o acoplamento se dá através de dois circuitos RLC em paralelo, acoplados magneticamente, havendo assim, a transferência de energia entre um circuito e outro.
Figura1. Circuito Equivalente de um sistema de transferência de energia wireless por acoplamento magnético (Fonte: Cannon et al (2009)).
O rendimento desse sistema vai depender da quantidade de linhas do campo criado pelo primário que pode atravessar as espiras do secundário. Pode-se perceber que o espalhamento natural das linhas de indução faz com que o rendimento do sistema caia rapidamente à medida que as duas bobinas se separam.
A frequência de ressonância pode ser definida como a freqüência natural que permite transferência máxima de energia a um sistema oscilante. A ressonância em um sistema composto por dois indutores ocorre quando a freqüência natural de oscilação do campo magnético das mesmas é idêntica.
2.3. Ressonância magnética Outra maneira de transmitir energia é através da radiação eletromagnética e apresenta uma serie de obstáculos. Primeiramente, sabe-se que radiações eletromagnéticas são dissipadas em todas as direções e, portanto, faz-se necessário a utilização de um laser e a existência de um caminho livre de obstáculos entre transmissor e receptor para a viabilidade da transmissão. Além disto, devem ser considerados os prováveis efeitos negativos a saúde, causados por estas radiações, tanto de microondas quanto de outros tipos. A radiação infravermelha, por exemplo, pode ser empregada a curtas distâncias assim como as microondas, pois podem ser direcionadas de forma relativamente simples, possibilitando a transmissão em quantidades razoáveis. O sistema seria então formado por uma antena transmissora que enviaria a energia a uma antena (ou mais) receptora a uma certa distância. A capacidade de concentração da energia da transmissora e a eficiência da antena receptora determinariam a eficiência do sistema.
Dessa forma, o LASER seria uma forma de se usar a energia eletromagnética de uma forma eficiente para a transmissão de energia. Por exemplo, painéis solares na superfície da Lua gerariam energia que seria enviada à terra por um feixe cuidadosamente focalizado sobre painéis receptores aqui na terra.
Com novas tecnologias sendo criadas dia a dia a capacidade de concentração e recepção de microondas hoje já se aproxima da obtida com o LASER. Assim, para aplicações nessa faixa do espectro foi desenvolvida a rectenna ou antena retificadora. Essa antena pode alcançar 95% de eficiência na faixa de microondas.
A rectenna consiste numa antena que incorpora um diodo Schottky que, ao mesmo tempo em que detecta os sinais, os retifica fornecendo uma tensão contínua em sua saída.
Na prática podemos montar uma com qualquer diodo Schottky comum e acender um LED com a energia de um microondas com problemas de escape... No entanto, a tecnologia está integrando num chip a antena e o diodo de modo a poder alimentar, por exemplo, um sistema de carga de celulares.
A empresa japonesa Nihon Dengyo Kosaku Co, lançou recentemente o seu "Microwave Regenerative Converter" cuja finalidade é converter a energia perdida de seu forne de microondas em eletricidade. O dispositivo não tem lá um grande rendimento, mas é interessante.
2.3. Transferência de Energia wireless via Ressonâncias de Acoplamento Magnético
De acordo com o artigo de Soljacic “Transferência de Energia wireless via Ressonâncias de Acoplamento Magnético”, dois objetos ressonantes de mesma freqüência de ressonância, tendem a trocar energia eficientemente enquanto que dissipa relativamente pouca energia em objetos alheios não ressonantes. No acoplamento ressonante, há frequentemente um regime de acoplamento geral de operação. Se certo objeto pode operar naquele regime em um dado sistema, é esperada uma transferência de energia bem eficiente. Transferência de média potência pode ser efetuada dessa maneira, praticamente em todas as direções, independente da geometria do local, ocorrendo baixas perdas e pouca interferência dos objetos desse ambiente. Ressonâncias magnéticas são particularmente apropriadas para aplicações do dia-a-dia porque a maioria dos materiais comuns não interage com campos magnéticos. Foi possível identificar o regime de acoplamento no sistema de duas ressonâncias
Onde ; e K(k) e E(k) são as integrais elípticas completas de primeira e segunda ordem, respectivamente. Considerando o efeito skin, as perdas por resistência de um loop é:
Onde é a condutibilidade do fio e f é a frequência de operação. Para obter frequências de ressonância idênticas, os capacitores (Ctx, Crx) acoplados nas bobinas do transmissor e receptor são calculados da seguinte forma:
A parte imaginária da impedância equivalente de um sistema WPT usando acoplamento ressonante magnético, pode ser considerada nula enquanto o sistema opera em ressonância. Desse modo, a eficiência da transferência pode ser calculada como:
ᶯ = = |S 12|²
2.4. Modelo teórico para bobinas auto-ressonantes
A realização experimental do esquema consiste em duas bobinas auto- ressonantes. Uma bobina (ligada à fonte) é acoplada indutivamente a um circuito oscilante; já a outra bobina (ligada ao dispositivo), é acoplada indutivamente a uma carga resistiva. Bobinas auto-ressonantes dependem da interação entre indutância distribuída e capacitância distribuída para alcançar a ressonância. As bobinas são feitas de material que seja bom condutor de eletricidade, sendo esse fio de comprimento l, seção de raio transversal a, em formato de espira com n voltas, e altura h.
- Influência em seres vivos 2.4. Hipersensibilidade Eletromagnética O campo eletromagnético aparece quando ambos existem simultaneamente e a movimentação de cargas é consequência da passagem de corrente elétrica. Ambos os campos tem como característica o rápido enfraquecimento conforme se aumenta a distância da fonte. Campos elétricos são enfraquecidos com o contato com a pele humana, enquanto campos magnéticos são capazes de penetrar o corpo. Alguns estudos já associaram a exposição a campos magnéticos com o aumento do risco de câncer e por isso, diversos estudos que buscam possíveis danos à saúde humana são focados na ação de campos ou radiação eletromagnética. As radiações eletromagnéticas podem ser divididas em radiação de baixa frequência, média frequência, radiofrequência, entre outras, de acordo com a frequência de emissão de suas ondas (ver Figura 2). Quanto maior a frequência de emissão da onda, maior é a energia que ela carrega.
Figura 2. Espectro eletromagnético
Além dessa divisão, os tipos de radiação eletromagnética também podem ser divididos, de acordo com o espectro eletromagnético, em dois tipos: ionizante e não ionizante.
O primeiro é capaz de remover elétrons de átomos ou moléculas e assim causar danos ao tecido, como é o caso do câncer. São exemplos de radiação ionizante os raios ultravioletas invisíveis, raios X e raios gama.
A radiação não ionizante, por outro lado, não possui energia suficiente para alterar a matéria. Porém, causa um aumento na vibração das moléculas e, consequentemente, um aumento na temperatura dos tecidos biológicos. A frequência desse tipo de radiação é baixa para influenciar diretamente células vivas, porém pode causar mudanças
Muitos estudos focam na possibilidade da radiação eletromagnética gerar ou acelerar o desenvolvimento de tumores cancerígenos. A razão dessa maior preocupação é por existirem resultados que associaram a exposição a campos eletromagnéticos com o aumento do risco de câncer.
Inclusive, a Organização Mundial da Saúde (OMS) possui um órgão específico dedicado a pesquisas em câncer que é a Agência Internacional de Pesquisa em Câncer (IARC, do inglês International Agency for Research on Cancer).
Em 1979, um estudo realizado em Denver (Colorado, Estados Unidos) encontrou uma associação entre um maior risco de leucemia infantil e a presença de altas correntes elétricas. Este estudo, porém, não mediu a intensidade do campo eletromagnético para que estudos posteriores pudessem confirmar o resultado. Muitos esforços de pesquisas foram desprendidos na tentativa de reproduzir esse resultado e obter uma conclusão definitiva, porém esse objetivo ainda não foi atingido.
Um dos resultados obtidos no estudo de câncer está presente em um relatório do Conselho Nacional de Proteção Radiológica (NRPB, do inglês National Radiological Protection Board) do Reino Unido, que diz ter encontrado alguma evidência de que a exposição a campos eletromagnéticos acima de 0.4 microtesla estariam associados a um aumento (quase o dobro) no risco de leucemia infantil. O estudo não encontrou nenhuma evidência relacionada ao risco em adultos e o relatório foi cuidadoso ao explicar que não foi encontrada nenhuma evidência causal, aconselhando que mais estudos fossem realizados.
O Instituto Nacional de Câncer (NCI, do inglês National Cancer Institute) e o Grupo de Oncologia de Crianças (COG, do inglês Children’s Oncologyn Group ), ambos do Reino Unido, avaliaram a incidência de câncer em crianças, focando em leucemia e tumores cerebrais que são mais comuns, devido à exposição a campos eletromagnéticos em suas residências. Os resultados obtidos indicaram que mesmo as crianças que residiam próximas a fortes campos magnéticos não apresentavam riscos superiores às demais crianças.
Um estudo australiano verificou uma aceleração no desenvolvimento de tumores em cobaias modificadas geneticamente para terem predisposição ao câncer. Esse efeito só foi observado em cobaias expostas à radiofrequência durante toda a sua vida. Porém, estudos posteriores realizados no mesmo local e utilizando mais animas não conseguiu
reproduzir o resultado. Além disso, a generalização para a saúde humana a partir do resultado obtido com as cobaias não é clara.
Estudos falharam em encontrar evidências que associassem o desenvolvimento do câncer com a exposição a campos eletromagnéticos induzidos por correntes de alta voltagem. Também não encontraram qualquer outro efeito sobre a formação do feto durante a gestação, nem em funções imunológicas, reprodutivas, comportamentais ou de aprendizado. Alguns estudos resultaram em indícios de um crescimento na taxa de câncer em indivíduos que trabalhavam com eletricidade. Esse resultado, porém, foi contrariado recentemente.
Houve também um estudo, na Dinamarca, que avaliou um grupo de pessoas por 13 anos para verificar a incidência de câncer e os resultados não encontraram nenhuma evidência. Cinco anos depois, o estudo foi atualizado e ainda assim não foi encontrado nenhum resultado que levasse a concluir o aparecimento de câncer. Em 2002, a IARC concluiu que os campos magnéticos não estão relacionados a qualquer tipo de câncer exceto a leucemia. A exceção feita é decorrente do estudo citado anteriormente que ainda não pôde ser reproduzido. Essa indefinição sobre causar leucemia infantil, fez a IARC classificar os campos magnéticos como ”possivelmente carcinogênicos a humanos”. Os pesquisadores concluíram não haver efeitos dos campos magnéticos que não estejam relacionados ao câncer. Em maio de 2011, IARC publicou uma revisão das evidências que relacionam campos eletromagnéticos e câncer. Nessa revisão, a agência concluiu que haviam evidências limitadas de que usuário de telefones celulares podem apresentar um risco elevado de glicoma e neuroma acústico, e que não haviam provas adequadas de quaisquer outros riscos à saúde humana. Ainda nesta revisão, como decorrência da evidência relacionada ao neuroglicoma, a IARC relacionou o uso de celulares ao câncer, tal classificação assusta quando mal interpretada, mas a interpretação que a agência dá é de que há muito pouca evidência científica relacionada à carcinogenicidade do uso dos telefones celulares. Apesar dos esforços em reproduzir alguns resultados ou na busca por evidências de que a radiação eletromagnética pode iniciar algum tipo de câncer ou mesmo influenciar no desenvolvimento de tumores já existentes, nenhum resultado significante foi obtido. Em abril de 2012, um relatório publicado pela Agência de Proteção à Saúde do Reino Unido concluiu que ainda não há indícios convincentes de que as transmissões sem fio
