Sistemas de WPT em campo próximo

Abstract

A transferência de energia sem fios, ideia contemporânea para uns e futurista para outros, tem ganho um grande destaque ao longo dos anos. Estima-se que num futuro próximo os sistemas WPT dominem o mercado, e sejam uma opção promissora na técnica de alimentação dos dispositivos eletrónicos, reduzindo a quantidade exurbitante de baterias desperdiçadas e simplificando a implementação dos sistemas. O problema dos sistemas WPT desenvolvidos até ao presente é a reduzida eficiência energética. Nesta dissertação, é apresentado inicialmente um estudo sobre o estado da arte da transmissão de energia sem fios, contextualizando o leitor àcerca desta forma de transmissão de energia. Para tal, são apresentadas as leis que regem o funcionamento da transferência de energia sem fios, é exposta a constituição de um sistema WPT e são discutidas as técnicas de transmissão de energia sem fios existentes e a sua aplicabilidade nas diversas áreas. Após efetuar uma contextualização, o estudo apresentado nesta dissertação foca-se em colmatar uma das principais desvantagens dos sistemas WPT, a baixa eficiência energética. Para maximizar a eficiência destes sistemas, propõe-se a utilização de agregados de antenas com a capacidade de focar o campo elétrico num ponto especı́fico, localizado em campo próximo. Após o estudo dos agregados de antenas com capacidade de foco em campo próximo, projetaram-se e implementaram-se dois sistemas WPT a operar a duas frequências distintas (2.4 GHz, 5.8 GHz). Analisou-se, para cada um deles, a variação da eficiência energética com a distância entre as antenas constituintes do sistema para dois casos distintos: quando o sistema é formado por uma antena de transmissão com capacidade de foco em campo próximo e no caso em que a antena de transmissão é idêntica às normalmente utilizadas nos sistemas de comunicação e radar, frequentemente designadas como focais em campo distante. Após a devida análise dos resultados obtidos, concluiu-se que os sistemas WPT, constituı́dos por agregados de antenas com capacidade de foco em campo próximo, apresentam uma eficiência energética mais elevada.

The wireless power transfer, a contemporary idea for some and futuristic for others, has gained a great prominence over the years. It is estimated that WPT systems will dominate the market soon and will be a promising option in powering electronic devices, reducing the exorbitant amount of wasted batteries and simplifying system implementation. The problem of WPT systems developed so far is the low energetic efficiency. In this dissertation, a study is proposed initially on the state of art of the wireless transmission of energy, contextualizing the reader about this form of energy transmission. For such purpose, the laws that govern the operation of the wireless power transfer are presented, the constitution of a WPT system is exposed and the existing wireless transmission techniques and their applicability in the various areas are discussed. After a brief contextualization, this study focuses on rectifying one of the main disadvantages of WPT systems, the low energetic efficiency. To maximize the efficiency of these systems it is proposed to use antenna arrays with the ability to focus the electric field at a specific point, located in near field. After the study of antenna arrays with near-field focus capability, two WPT systems were designed and implemented to operate at two distinct frequencies (2.4 GHz and 5.8 GHz). For each of them, the energetic efficiency variation with the distance between the constituent antennas of the system was analyzed for two distinct cases: when the system is formed by a transmission antenna with near-field focus capability and in the case in which the transmission antenna is identical to those normally used in communication and radar systems, often referred to as far-field focused antennas. After analyzing the obtained results, it was concluded that the WPT systems composed of antenna arrays with near-field focus capability have a higher energetic efficiency.