Além do Arduino #2: Energy Harvesting

Olá! Se você ainda não sabe, estamos fazendo uma série de 5 publicações para explicar como desenvolver um produto de Internet das Coisas para o mercado brasileiro. Não estamos abordando código ou tutoriais, mas explicando o que o seu projeto deve ter para ser profissional. No nosso primeiro post explicamos como energizar o seu projeto e agora vamos falar um pouco de como manter ele energizado!

Energy Harvesting e IoT 

O novo paradigma da IoT (do inglês, Internet of Things) determina que um grande números de dispositivos conectados à Internet serão capazes de cooperar na realização de atividades sem a necessidade da intervenção humana. Este conceito, a princípio, não diverge da ideia de automação de processos praticada na indústria há várias décadas. No entanto, algumas peculiaridades e as diferentes condições de contorno para esta “automação” dificultam em algumas ordens de grandeza a viabilização de tal tecnologia.

Consideremos o primeiro bloco fundamental de qualquer sistema eletrônico: a alimentação. Todo e qualquer dispositivo eletrônico necessita de energia elétrica para que se possa executar um trabalho, do ponto de vista físico mais fundamental. Em plantas industriais, o projeto prévio de cada componente permite que a alimentação adequada seja disponibilizada para cada um dos dispositivos. No entanto, o paradigma IoT adiciona o fator mobilidade a esta equação. Ou seja, os dispositivos são em sua vasta maioria móveis e devem conter todos os recursos necessários para seu funcionamento. Neste cenário, o conceito de Energy Harvesting (tradução literal: colheita de energia) ressurge como item obrigatório no arcabouço de conhecimento necessário para se viabilizar e/ou refinar soluções IoT.

Energy Harvesting não é de maneira alguma um conceito novo. Exemplos históricos são: o moinho de vento ou a roda d’água. Tratamos aqui simplesmente da transformação e do armazenamento de energia, a qual poderá ser reutilizada em seguida para se realizar a tarefa desejada.  Aplicações menos sofisticadas podem se basear apenas em baterias como soluções para fornecimento de energia, trata-se de uma solução rápida e barata, porém com algumas limitações no que tange condições de operação. Um bloco de Energy Harvesting pode estender a vida útil de uma bateria ou até mesmo garantir autonomia total ao dispositivo, evitando operações de trocas de baterias e gastos extras. Qualquer módulo eletrônico de Energy Harvesting contém 3 blocos funcionais fundamentais: transformação de energia, circuito gerenciador de tensões e correntes e armazenador de energia.

Transformando energia 

A transformação de energia ocorre em sua maioria de fontes luminosas, térmicas, eletromagnéticas e vibratórias.

A primeira é fundamentada pelo efeito fotoelétrico e a mais conhecida pelo público em geral. Apesar de estarmos acostumados a ver painéis solares em telhados estes podem variar drasticamente em tamanho desde alguns milímetros a alguns centímetros quadrados. Painéis maiores são geralmente construídos a partir da junção de módulos menores, o que facilita o processo produtivo. Por sua vez, módulos são especificados pelo número de células e tecnologia, cada célula caracterizada eletricamente por uma tensão nominal, corrente nominal e potência efetiva máxima. No entanto, estes parâmetros variam de acordo com o espectro da fonte luminosa, ou seja, não existe uma fórmula clara para a escolha de módulos fotovoltaicos. Sejam estes compostos por células de silício amorfo, poli- ou mono cristalino, cada um encontra sua aplicação ideal de acordo com fatores como: incidência direta ou indireta de luz solar ou de ambientes internos que variam dentro de uma faixa de temperatura de operação ótima, etc.

Já no caso da transformação termoelétrica fundamentada pelo efeito Seebeck, os módulos de elementos Peltier são a escolha típica. A especificação também é crítica na escolha entre refrigeradores e geradores termoelétricos (TEC e TEG, respetivamente) e suas características nominais. Tais harversters sacrificam, em geral, um grande espaço pois demandam um dissipador de calor para garantir/acelerar que uma quantidade suficiente de calor será transferida de modo a atender as especificações elétricas deste harvester.

No caso de fontes de energia eletromagnética (EM), os casos mais usuais são tags RFID passivos, capazes de utilizar a energia do sinal EM tanto para alimentar o sistema, como para reconstruí-lo e processá-lo de acordo com sua aplicação. No entanto, existem também aplicações para harvesters que aproveitam a poluição EM como fonte de energia para alimentar dispositivos de baixíssimo consumo. Estas são em sua maioria sintonizadas para o espectro RF que possui uma alta densidade energética na atmosfera terrestre por ser a faixa mais utilizada para comunicação.

Por fim, o efeito piezoelétrico pode também ser aproveitado para a geração de energia elétrica. Este é muito interessante para aplicações industriais, nas quais equipamentos energizados por motores, frequentemente tem uma vibração natural que pode ser aproveitada para energizar um sistema de sensores, por exemplo. Em projetos críticos, a vibração do bloco harvester pode também ser sintonizada à frequência natural do equipamento ao qual está acoplado.

A imagem a seguir não é uma verdade absoluta, mas exemplifica de forma geral a ordem de grandeza de energia disponível para colhimento de acordo com as tecnologias atualmente disponíveis no mercado.

Circuito gerenciador

A primeira e mais fundamental função do circuito gerenciador é garantir que o elemento transformador de energia esteja operando com a maior eficiência possível. Para tal, pode modular a tensão/corrente de saída. Em geral, esta energia elétrica de saída do transformador é condicionada através de um conversor DC/DC de arquitetura Boost, ou seja, para elevar o nível de tensão disponível (pode existir anteriormente uma retificação do sinal como no caso de harvesters piezoelétricos). A tensão de entrada deste conversor pode variar entre alguns Milivolts (mV) até algumas dezenas de Volts (V). Já a saída geralmente é determinada pelo elemento armazenador de energia ou a tensão de operação da carga (neste caso, o circuito eletrônico a ser alimentado).

Alguns circuitos integrados (CI) mais modernos integram ainda um conversor DC/DC para o estágio de saída do circuito gerenciador para flexibilizar por completo a tensão de operação da carga. Ou seja, independentemente do ponto de operação do elemento transformador de energia que é gerenciado por algoritmos MPPT (maximum power point tracking), a tensão de alimentação do circuito será mantida estável enquanto o armazenador de energia estiver suficientemente carregado.

Existe uma enorme quantidade de Cis no mercado para executar esta função. Alguns mais sofisticados e outros menos, mas em geral todos acelerarão o processo de desenvolvimento e diminuirão a área total de placa de circuito impresso (PCI). Todos estes benefícios custam, no entanto, entre algumas dezenas até algumas centenas de centavos de dólares.

Armazenador de energia

Por fim, o bloco armazenador de energia pode ser composto por baterias, super capacitores ou uma combinação de ambos. Baterias de lítio são usualmente preferidas por sua densidade energética e capacidade de recarga. Porém, estas tem complicações de segurança que devem ser aprovisionadas por circuitos protetores. Super capacitores tem se tornado uma alternativa interessante por serem mais resistentes a temperaturas extremas, permitirem picos de potência consumida maiores e novas tecnologias já têm vida útil de 20 anos ou mais.

Em suma, fica claro que há um amplo espectro de conhecimento a ser dominado para se considerar um especialista em Energy Harvesting. Isso não significa, no entanto, que um domínio básico de eletrônica não seja suficiente para criar projetos independentes ou provas de conceito para novos produtos. Em geral, a especificação de cada um dos blocos funcionais descritos acima não é crítica para o funcionamento do dispositivo, principalmente se os componentes forem superdimensionados. No entanto, é importante destacar que o refinamento de um sistema de Energy Harvesting é essencial quando se considera o projeto de dispositivos a serem produzidos em escala ou para aplicações críticas onde a robustez é um requisito indispensável. Inicie seus primeiros projetos de Energy Harvesting sem receio! Eles tem uma alta probabilidade de funcionar já em uma primeira tentativa. Contudo, quando se trata de sistemas eletrônicos no contexto IoT, apenas funcionar não é condição suficiente para o sucesso do produto, já que cada dispositivo móvel será em alguns casos, totalmente dependente deste bloco para sua alimentação! Refinamentos sempre serão necessários para garantir robustez e manter o produto dentro do custo requisitado.