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  1. 1. FACULDADE POLITÉCNICA DE UBERLÂNDIA EDSON DOS ANJOS TEIXEIRA TRANSMISSÃO DE ELETRICIDADE SEM FIO POR SISTEMAS RESSONANTES UBERLÂNDIA/MG 2015
  2. 2. Edson dos Anjos Teixeira TRANSMISSÃO DE ELETRICIDADE SEM FIO POR SISTEMAS RESSONANTES Monografia apresentada ao curso de Bacharel em Engenharia de Controle e Automação da Faculdade Politécnica de Uberlândia, como requisito à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação Orientador: Prof. M. Sc. Bruno Gabriel UBERLÂNDIA/MG 2015
  3. 3. Ficha Catalografica Biblioteca Central Faculdade P XXXa Teixeira, Edson dos Anjos Eletricidade sem fio/ Teixeira, Edson dos Anjos – Uberlândia: [s.n], 2015 Xxf. Orientador: 1. Eletricidade sem Fio. 2. Wytricity I. Faculdade Politécnica de Uberlândia. II. Titulo CDU
  4. 4. Edson dos Anjos Teixeira ELETRICIDADE SEM FIO WYTRICITY Monografia apresentada ao curso de Bacharel em Engenharia de Controle e Automação da Faculdade Politécnica de Uberlândia, como re- quisito à obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação Aprovada em: ___/___ /___ __________________________________ Prof. M.Sc. Bruno Gabriel Gustavo Leonardo Zambolini Vicente __________________________________ Banca examinadora-Faculdade Politécnica de Uberlândia
  5. 5. Dedico este trabalho as pessoas que me acompanharam, durante esta jornada, tendo paciência e tolerância as minhas súbitas mudanças de temperamento, minha adorável esposa Marcilene Aparecida de Moura Teixeira e aos meus pais Sra. Doralice dos Anjos Teixeira e Sr.Valdek Teixeira de Melo.
  6. 6. AGRADECIMENTO Agradeço primeiramente DEUS, por me mostrar que caminhando com perseverança alcançamos nossos objetivos. A meus familiares, que estavam do meu lado o tempotodo, aguentando esse doido, que às vezes se trancava para o mundo. Agradeço à Faculdade Politécnica deUberlândia pela oferta do conhecimento científico pormeio dos docentes do curso de Engenharia de Controle e Automação. Agradeço aos meus amigos da turma pela acolhida ecompanheirismo na lida acadêmica, nos unindo nas derrotas como aprendizado para as vitorias. Aos Mestres com carinho, que nesse caminho, não deixou que eu desistisse no primeiro tombo, mostrando que as pedras somariam aos meus conhecimentos. A todos as funcionárias da biblioteca pela atençãono atendimento e ajuda nas buscas dos livros. À Coordenação de curso pelas políticas de incentivoà produção acadêmica e inserção social.
  7. 7. “Jamais considere seus estudos como uma obrigação, mas como uma oportunidade invejável para aprender a conhecer a influencia libertadora da beleza do reino do espírito, para seu próprio prazer pessoal e para proveito da comunidade à qual seu futuro trabalho pertencer.” (ALBERT EINSTEIN)
  8. 8. “Eu não creio que exista algo mais emocionante para o coração humano do que a emoção sentida pelo inventor quando ele vê alguma criação da mente se tornando algo de sucesso. Essas emoções fazem o homem esquecer comida, sono, amigo, amor, tudo” (NICOLA TESLA)
  9. 9. RESUMO Este trabalho vem apresentar como foi desenvolvido o novo sistema de transmissão de energia sem fio, denominado WyTricity, para isso deve-se voltar a mais de 100 anos atrás, quando um Físico Austríaco Nikola Tesla (1853-1943), desenvolveu uma das mais inovadoras idéias, transmitir energia sem fio, conhecida como a bobina de tesla. Em meados de 2006 um professor Marin Soljacic do MIT – MassachussettsInstituteof Technology, ao ser acordado no meio da noite por seu celular avisando que sua bateria estava acabando, teve uma idéia de tentar encontrar um dispositivo que pudesse absorver a eletricidade estava sendo dispersada por meio de ondas eletromagnéticas das instalações elétricas sem a necessidade de conexão, criando-se o sistema de transmissão de energia sem fio por sistema ressonantes acoplados, conhecido como WiTricity. Para melhor entendimento será apresentada as diferenças entre indução magnética proposta por Tesla e ressonância magnética acoplada proposta pele pessoal do MIT. Será demonstrado as formas de cálculos para os dois sistemas, e a diferença de propagação do campo eletromagnético, será montado dois protótipos para demonstrar o funcionamento dos dois modelos de transmissão de energia sem fio, a Bobina de Tesla e o Witricity. Considerando-se o modo de transmissão das ondas pode-se chegar a conclusão sobre a porcentagem do desperdício do uso da energia, bem como sobre a diferença de segurança entre os sistemas em relação aos seres humanos. . Palavras chaves: Transmissãode Energia,EnergiasemFio, Witricity
  10. 10. ABSTRACT This work is presenting as it has developed new wireless power transmission system, called WyTricity, for this we must go back to over 100 years ago when an Austrian physicist Nikola Tesla (1853-1943), developed one of the most innovative ideas, transmitting wireless power, known as a tesla coil, at the time was the pinnacle of innovation received many sponsorships in cash as well as many critical intellectual society, after starting his adventure and assemble the entire structure of his laboratory in a place known as Wanderclyff tower, saw his dream fade for his crazy way of managing and greed of the sponsors who withdrew to learn that Nikola Tesla had no intention to charge for the transmission of energy. After 100 years, and after a night he was awakened by the sound of your phone telling you that the battery was weak Professor Marin Soljacic had the following idea, so much energy spread through the air, because my phone is not able to absorb it and load alone, he took this idea to their students researchers from MIT - Massachusetts Institute of Technology, from this day engaged and analyze the Tesla system and ended up creating a coupled resonator which is able to transmit wireless power at a certain distance to eliminating cables and chargers. Starting up a new cycle in power transmission era. Key words: Nikola Tesla, WyTricity, Energy, Wanderclyff Tower, MIT
  11. 11. LISTAS DE ILUSTRAÇÕES
  12. 12. LISTAS DE TABELAS
  13. 13. LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS MIT - Massachussetts Institute of Technology HR-WPT - Highly Resonant Wireless Power Transfer U– Tensão L– Indutor R– Resistor C– Capacitor ω –Freqüência da Ressonância г– Taxa de Perda Intrínseca Q – Qualidade da Ressonância IEEE–Institute ofElectricaland Electronic Engineers ICNIRP – International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection FCC – FederalCommunications Commission OMS- Organização Mundial da Saude ABNT – Associação Brasileira de Normas Tecnicas ANEEL – Agencia Nacional de Energia Eletrica ANATEL – Agencia Nacional de Telecomunicações MPE – MaximumPermisibleExposure BR – Basic Restriction RF – Radio Frequencia SAR – Specific Absorption Rate FEM – Finite Element Method
  14. 14. SUMÁRIO 1- Introdução ........................................................................................ 1.1- História ................................................................................ 1.2- Ressonadores ....................................................................... 1.3- Ressonadores Acoplados .................................................... 1.4- Calculo de Eficiência do Ressonador ................................. 2-Projeto ............................................................................................ 2.1- A Bobina de Tesla ............................................................... 2.1.1- O funcionamento ........................................................ 2.1.2- Protótipo ..................................................................... 2.2.-Ressonador Acoplado ......................................................... 2.2.1- O Transmissor ............................................................ 2.2.2 -O Receptor ................................................................. 3-Fundamentação Teórica ................................................................. 3.1- Indução Eletromagenética ................................................. 3.2- Ressonância Acoplada ....................................................... 4-Segurança ....................................................................................... 4.1- Aquecimento da Temperatura Corporal .............................. 4.2- Estimulação Nervosa e Muscular ........................................ 4.3- Simulação Eletromagnética ................................................. 4.4- Modelo e Teste no Corpo Humano ..................................... 5-Conclusão ....................................................................................... 6-Bibliografia .....................................................................................
  15. 15. 1- INTRODUÇÃO Desde o boom tecnológico dos anos 70 com a criação do microprocessador pela Intel e Texas Instrumentos, há divergência em dados sobre quem foi a primeira a desenvolver o microprocessador, porem isso não vai mudar nosso foco, o homem começou a diminuir os componentes eletrônicos, chegando a miniaturizar, e por conseqüência os tamanhos dos equipamentos seguiram esta linha e hoje muitos cabem na palma da mão, os tornando portáteis e moveis. Com grande importância na atualidade, os dispositivos móveis apresentam características de mobilidade e praticidade que acabam esbarrando na necessidade de, em algum momento, mantê-los parados e conectados a tomadas para que possam ser carregados Porem esse problema esta preste a acabar, pesquisadores, empresas de tecnologia e automobilística, prometem para um curto espaço de tempo desenvolver por completo sistemas que proporcionarão aos dispositivos moveis não mais a necessidade de estar conectado a uma fonte elétrica através de um cabo fixo para carregar suas baterias (Inserir Referência Bibliográfica Aqui). Para compreendemos mais sobre essa tecnologia devemos voltar ao passado e encontrar o grande idealizador dessa tecnologia. 1.1 –HISTÓRIA A mais de 100 anos atrás Nikola Tesla (1853-1943), Físico, Inventor, já buscava soluções para transmissão de eletricidade sem fio. A história da tecnologia da transmissão de energia sem fios começa no ano de 1893 quando Nikola Tesla, cujos trabalhos com a eletricidade são notórios, inicia os estudos sobre transmissão de energia sem fio. Ele descobriu que, através da indução eletromagnética, pode-se transferir energia sem a necessidade de um condutor elétrico, tanto que conseguia acender lâmpadas de baixa potência com este método. Em 1900 chegou a desenvolver o Sistema Mundial de Transmissão de Potencia Elétrica conhecida como torre Wanderclyff, patrocinado pelo banqueiro J.P.Morgan(Inserir Referência Bibliográfica Aqui).. A visão de Tesla era de criar um sistema de transmissão de radio e energia mundial, de modo que pessoas na Europa pudessem receber mensagens instantâneas dos Estados Unidos, e a energia sendo transmitida pelo ar sem fio para todos, por problemas de interesse econômico o projeto teve seu financiamento cortado. Passando a contar somente com os royalities de suas
  16. 16. invenções, porem se viu em um momento delicado ao desistir de receber seus royalities em favor do empresário George Westinghouse que foi o primeiro a apostar nas idéias de Tesla sobre corrente alternada, para que ele não falisse(Inserir Referência Bibliográfica Aqui).. Figura 01- Nikola Tesla (1853-1943) e a Torre Wanderclyff Em 1905 a sua torre já estava totalmente construída, porem teve todos os seus recursos financeiros exauridos, não conseguindo terminar seu invento. Em 1917 durante a Primeira Guerra Mundial e com a justificativa de que a torre estava inacabada e dando como motivo que os alemães poderiam utilizar a torre para espionagem, o governo norte-americano mandou derrubar a torre(Inserir Referência Bibliográfica Aqui). As idéias inovadoras de Nikola Tesla perduraram por anos, até um professor assistente do Massachussetts Institute of Technology MITMarin Soljacic, foi acordado pelo barulho incessante de seu celular informando que a bateria estava acabando, teve o seguinte pensamento: “Tanta eletricidade espalhada pelo ar, bem que meu celular poderia captar e recarregar sua bateria em a necessidade de se conectar a uma tomada”, levando essa idéia a seus alunos começou uma nova fase da idéia de Tesla(Inserir Referência Bibliográfica Aqui). Após um longo estudo sobre as idéias de Tesla, um grupo de pesquisadores do MIT criou um sistema que funciona com ressonadores acoplados, ou seja, dois objetos com a mesma freqüência de ressonância tendem a trocar energia de forma eficiente, reagindo de forma diferente a outros objetos que não possuem a mesma freqüência. Esses ressonadores eletromagnéticos se acoplam por meio de seus campos magnéticos, os pesquisadores do MIT descobriram que para determinadas freqüências eles se acoplam fortemente eque interagem tão fracamente com os organismos biológicos, sendo essa uma importante questão de segurança(Inserir Referência Bibliográfica Aqui).
  17. 17. 1.2- RESSONÂNCIA O fenômeno da ressonância ocorre naturalmente de muitas formas diferentes, geralmente envolve campos magnéticos entre dois sistemas. Um exemplo clássico é um pendulo mecânico de mesa, onde a energia oscilante é o fenômeno de transferência da energia potencial do sistema ao se chocarem entre os pêndulos, formando assim um sistema ressonante. Um exemplo de ressonador eletromagnético e demonstrado na figura 1, contendo um indutor, um capacitor e um resistor. Figura 02- Exemplo de um circuito ressonador No circuito acima a energia oscilante é a freqüência ressonante entre o indutor, com energia armazenada no campo seu campo elétrico, e o capacitor, também com energia armazenada no seu campo elétrico, que dissipa no resistor. A qualidade da freqüência ressonante neste circuito e dada pela equação abaixo, ω0= 𝟏 √ 𝑳𝑪 (1) e Q = 𝛚𝟎 𝟐г = √ 𝑳 𝑪 𝟏 𝑹 = 𝛚𝟎 𝐋 𝑹 (2) Onde ω0é a freqüência da ressonância; гé o taxa de perda intrínseca; e C1 L1 R1
  18. 18. Q é a qualidade da ressonância. Um bom sistema de transferência de energia sem fio por ressonânciaeletromagnética deve ser construído com componentes que tenham baixa perdas de resistências ôhmicas e radioativa e ter uma largura estreita em sua faixa de freqüência ressonante. (Kesler 2013). 1.3- RESSONADORES ACOPLADOS Nikola Tesla por volta de 1890 empregou uma técnica que faz uso da ressonância de circuitos elétricos, efetuando a transmissão de energia elétrica através de ondas eletromagnéticas. (CARLSON, 2007). O físico e matemático James Clerk Maxweel em 1864 previu a existênciadessas ondaseletromagnética, que foram comprovadas por Heinrich Hertz em 1887. Uma das leis fundamentais de eletromagnetismos conhecida como Lei de Faraday comprova que as ondas eletromagnéticas geradas por um circuito são capazes de influenciar outro circuito, mesmo não havendo conexão entre eles, esse fenômeno ficou conhecido como indução magnética. (SADIKU, 2004). O sistema consiste em duas bobinas de cobre, onde uma delas é a unidade transmissora, responsável por emitir energia eletromagnética no ambiente usando para isso a faixa de freqüência de MHz. A outra unidade, denominada receptora, obtém energia a partir da indução de corrente elétrica em suas espiras. (INSERIR REF. BIB. AQUI). Figura 03- Esquema representativo de umsistema de transmissão de energia elétrica sem fio. (fonte adaptado Cannon et al (2009))
  19. 19. O acoplamento magnético ressonante ocorre quando uma freqüência da onda eletromagnética, gerada por um circuito fonte atinge a freqüência de oscilação natural do circuito receptor. (KESLER, 2013). Desta mesma forma a transmissão de energia sem fio utiliza-se do fenômeno de ressonância para alcançar a maior freqüência de energia possível. Os pesquisadores do MIT descobriram que para determinadas freqüências os ressonadores se acoplam com mais potencia, e mantêm o acoplamento mesmo a distâncias consideradas grandes comparadas ao tamanho do aparelho receptor. A eficiência do sistema de ressonadores acoplados pode chegar a 95% quando os aparelhos estiverem relativamente próximos um do outro (INSERIR REF. BIB.). Figura 04- Exemplificação do funcionamento da tecnologia. As linhas azuis representam o campomagnético e aslinhas amarelas representam o fluxo de energia. Uma espira, conectada a uma fonte de corrente alternada, emiteo campo magnético, e uma espira receptora “captura” o fluxo e consegue acenderuma lâmpada. 1.4- CALCULO DA EFICIENCIADO RESSONADOR Se dois ressonadores são colocados na proximidade um do outro de tal modo que não há acoplamento entre eles, torna-se possível para os ressonadores de trocar energia. A eficiência da energia trocada depende dos parâmetros característicos para cada um ressonador e da taxa de acoplamento de energia taxa, K, entre eles. A dinâmica do sistema de dois ressonadores pode ser descrito utilizando Teoria do modo acoplado ou a partir de uma análise de um circuito equivalente do sistema acoplado de ressonadores. Um circuito equivalente para ressonadores é acoplado ao circuito ressonante em série mostrado na Figura 05.
  20. 20. Figura 05- Circuito Equivalente de um sistema de ressonador acoplado Aqui, o gerador é uma fonte de tensão senoidal com amplitude Vg e freqüência ω, com resistência do gerador Rg. As bobinas da fonte e o dispositivo ressonador são representados pelos indutores Ls e Ld, os quais são acoplados através da indutância mútua M, onde M=K √ 𝐿𝑠. 𝐿𝑑 . Cada bobina tem um indutor em série para formar um ressonador. As resistências Rs e Rd são as resistências parasitas (incluindo ambas as perdas ôhmicas e radioativas) da bobina e do capacitor ressonante para os respectivos ressonadores. A carga é representada por uma resistência equivalente AC RL. A análise deste circuito dada pela potência fornecida à resistência de carga, dividido pela máxima energia disponível a partir da fonte, quando a origem e o dispositivo são ressonantes em ω, (3) onde, (4) é a figura da ordem de mérito para este sistema. Pode-se escolher o gerador e a resistências da carga que dará melhor desempenho ao sistema (ou usar uma rede de transformação de impedância para coincidir com os valores de resistência). Se escolhermos,
  21. 21. (5) em seguida, o rendimento da transmissão de energia é maximizada é dada por, (6) como ilustrado na Figura 06. Aqui pode-se ver que a transferência de energia altamente eficiente, é possível em sistemas com grandes valores de U. Nota-se que a adaptação de impedância descrita acima é equivalente ao tratamento teoria modo acoplado, que mostra que o trabalho extraído a partir de um dispositivo pode ser modelado como uma resistência de circuito que tem o efeito de contribuir um adicional prazo, Γw, a taxa de perda de energia de um objeto Γd dispositivo descarregado, de modo que a taxa de perda de energia global, é dado por (7) e que a eficiência da transmissão de energia é maximizada quando (8)
  22. 22. Figura 06-Eficiência da transmissão de energia. Note-se que a melhor eficiência possível de um sistema de transmissão de energia sem fio depende apenas de a forma do mérito do sistema, que também podem ser escrito em termos do coeficiente de o acoplamento magnético entre os ressonadores, k, e os fatores de qualidade ressonadora descarregadas, Qs e Qd (9) Conhecer os fatores de qualidade ressonadores e da gama de acoplamento magnético entre eles por uma aplicação específica, pode-se utilizar as equações (6) e (9) para determinar a melhor eficácia possível para o sistema. A ampla gama de aplicações capazes de serem suportados por sistemas de transferência de energia sem fio utilizando HR-WPT (Highly Resonant Wireless Power Transfer) pode ser estimado por análise de equações (6) e (9) que mostram a importância de fator de acoplamento e fator de qualidade. O coeficiente de acoplamento magnético é um adimensionaloptar parâmetro que representa a fração do fluxo magnético, que é acoplada entre a fonte eos ressonadores de dispositivo e tem uma grandeza entre zero (sem engate) e 1 (todos de fluxo sãoacoplados). Sistemas de transmissão de energia sem fio baseados em indução tradicional, por exemplo, escova de dente sem fio étipicamenteconcebidos para valores maiores de acoplamento e, como resultado requerem espaçamento próximo e alinhamento preciso entre a origem eo dispositivo. As equações (6) e (9) mostram que a utilização de ressonadores de alta qualidade torna os sistemas de indução tradicionais ainda mais eficiente, mas o mais importante, torna a operação possível e muito eficiente em valores mais baixos de acoplamento, eliminando a necessidade de posicionamento preciso entre a origem eo dispositivo e que prevê uma maior liberdade de movimento . 2- PROJETO
  23. 23. Para demonstrar a diferença entre a idéia principal de Nikola Tesla e a invenção dos pesquisadores do MIT, será apresentado em escala menor, os dois sistemas de transmissão de eletricidade sem fio, a Bobina de Tesla e o Ressonador Acoplado do WiTricity 2.1-BOBINA DE TESLA A bobina de tesla é um transformador ressonante capaz de produzir tensões, que podem facilmente passar dos 100 mil volts dependendo dos componentes usados e do modelo de construção, Foi inventada pelo físico Nikola Tesla, que tinha a intenção de usar o seu experimento para transmitir energia a longas distancias sem a utilização de fios, Chegou a pensar e usa-la em comunicações, como envio de dados, mensagens e arquivos sem o uso de fios, embora não fosse este seu principal interesse. As primeiras tentativas de transmissão de sinais por onda eletromagnéticas valeram-se dos estudos de Nikola (INSERIR REF. BIB.). 2.1.1-FUNCIONAMENTO Conforme a Figura 07, o transformador (T) eleva a tensão de rede (110 ou 220 volts) para alguns milhares de volts. O capacitor(C), que está ligado a saída do transformador, se carrega (armazena energia potencial eletrostática) com o valor desta alta tensão disponível. Após isso, o capacitor descarrega-se sobre o faiscador (F) produzindo centelhas de cor azul intenso e de forte ruído.Todas as vezes que há centelha (isso ocorre 120 vezes por segundo), passa uma alta intensidade de corrente elétrica através da bobina primaria (B1), gerando um campo magnético variável. Quando maior for a capacitância do capacitor, maior será a intensidade da corrente sobre a bobina primaria. O campo elétrico induzirá uma corrente elétrica na bobina secundaria (B2) e como o numero de espiras desta é bem maior, a corrente induzida nela é pequena, mas a tensão no terminal de saída (S) será de 75 mil a 250 mil volts, dependendo do tamanho da capacitância do capacitor (C).
  24. 24. Figura 07- Desenho esquemático de uma bobina de Tesla 2.1.2- PROTOTIPO Para o protótipo será utilizada uma bateria de 9 Volts para fornecer a energia necessária, um transistor MPS222A para amplificar a corrente, um resistor de 22 kΩ, a primeira bobina B1 terá de 3 a 4 voltas de fio AWG nr.22 e a segunda bobina B2 terá aproximadamente 200 a 300 voltas de fio AWG nr.22 o que fornecerá um campo elétrico suficiente para acender uma lâmpada fluorescente eletrônica de 10W, conforme circuito abaixo: Figura 08- Circuito Elétrico da Bobina de Tesla do Protótipo Apresentar aqui a simulação do circuito proposto, exibindo o comportamento em pontos específicos do circuito, seja no tempo ou frequência, de modo a explicar em detalhes como deve funcionar o circuito na prática.
  25. 25. 2.2- RESSONADOR ACOPLADO 2.2.1- O TRANSMISSOR 2.2.2- O RECEPTOR
  26. 26. 3- FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA Nos itens a seguir pode-se notar a diferença entre os sistemas de transmissão de energia sem fio que funciona através da indução magnética e ressonância acoplada. 3.1- INDUÇÃO ELETROMNAGNETICA Segundo a lei de Lenz, qualquer corrente induzida tem um sentido tal que o campo magnético que ela gera se opõe à variação do fluxo magnético que a produziu. Matematicamente, a lei de Lenz é expressa pelo sinal negativo que aparece na expressão matemática da Lei de Faraday. (HAYT-2011) Figura 10 – Equações da Lei de Faraday-Lenz
  27. 27. Figura 11 – O campo magnetico gerado se opõe ao campo magnetico que induz a corrente. Anos mais tarde, James Clerk Maxwell estudou o experimento de Faraday, e escreveu a sua leina forma diferencial: sendoo operador nabla, E o campo elétrico e B o campo magnético. Ou seja, o rotacional docampo elétrico é igual ao oposto da variação do campo magnético no tempo. Este princípio da indução eletromagnética é utilizado em transformadores elétricos, geradores, motores e máquinas de indução em geral, conforme a ilustração da Figura 12. Figura 12- Esquema de um transformador Quando a montagem de duas bobinas são colocadas frente a frente (Fig.13), não existe corrente em qualquer delas, face a chave estar aberta, no instante em que a chave é fechada,
  28. 28. aparece uma corrente na correspondente bobina 1 . Então, uma corrente induzida aparece na bobina2. A corrente da bobina 1 vai de zero até um certo valor máximo que, a partir daí, permanece constante, dessa forma, enquanto a corrente está mudando, o campo magnético que ela gera, esta com pólo norte confrontando a bobina 2. Então, aparece uma corrente induzida na segunda bobina cujo sentido é tal que o campo magnético que ela gera tende a diminuir o fluxo mencionado, ou seja, apresenta um pólo norte confrontando o pólo norte do campo da bobina1. A partir do instante em que a corrente na bobina1 atinge o seu valor máximo e fica constante, o campo magnético que ela gera também fica constante e também fica constante o fluxo desse campo através da bobina 2. Nessas condições, não existe corrente induzida na bobina2. Quando a chave é aberta, a corrente na bobina1 vai do valor máximo dado até zero, a intensidade do campo correspondente diminui e o fluxo desse campo na segunda espira também diminui, de modo que a corrente induzida na bobina 2 tem, agora, sentido contrário, sentido esse que é tal que o campo magnético que a corrente induzida gera se soma àquele, ou seja, apresenta um pólo sul confrontando o pólo norte daquele campo. Figura 13 – Sistema de bobinas 3.2 – RESSONANCIA ACOPLADA 4- SEGURANÇA No caso de transmissão de eletricidade sem fio, uma das questões que mais preocupa os humanos é: O sistema é seguro? Muitos podem se perguntar na transmissão de eletricidade sem fio, não sofrerei danos por causa da indução eletromagnética, informações dadas ao acaso perduraram séculos, porem hoje em dia existem muitas normas e leis que recomendam como deve ser aplicada tal tecnologia. Um projeto bem executado pode se manter os campos elétricos e magnéticos bem abaixo das taxas limites de seguranças regulamentadas pelos órgãos fiscalizadores e de saúde. Se analisarmos hoje já estamos rodeados de equipamentos que transmitem por meios de campos
  29. 29. elétricos como, por exemplo, roteadores de wirelles, sistemas Bluetooth. A alta qualidade dos ressonadores utilizados em sistemas de transmissão sem fio tem taxas de perda muito baixas, e assim podem armazenar e transferir a energia de forma eficiente à distância, mesmo quando a magnitude do campo magnético é muito baixo.(KESLER, 2013) Neste capitulo vamos esclarecer quais os limites de segurança para o ser humano, e como comprovar que os sistemas de transmissão de energia sem fio estão em conformidade e dentro dos limites das normas. Os limites de segurança são determinados após vários testes realizados em laboratórios por vários órgãos. A Organização Mundial de Saúde (OMS, 2005) realizou um trabalho noperíodo de 1998 a 2007 para analisar os efeitos dos campos eletromagnéticos a saúde humana, chegando à conclusão que os níveis muito baixo de exposição e os resultados ate o momento não existem evidencia cientifica convincente que os fracos sinais de RF proveniente de estações de radio base e de redes sem fio, causem efeitos adversos a saúde. Seguindo um procedimento padronizado de avaliação de risco, o Grupo de Trabalho concluiu que não há uma questão de saúde substancial relacionada a campos elétricos ELF nos níveis normalmente encontrado por indivíduos da população em geral. “Fact Sheet nr. 322”. (OMS 2007). A maioria das recomendações de referencia da OMS sobre exposição humana a campos eletromagnéticos são baseadas nas normas do IEEE- Institute of Electricaland Electronic Engineers e ICNIRP-International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, As normas e diretrizes do IEEE e do ICNIRP são semelhantes: "O principal objetivo desta publicação é estabelecer diretrizes para limitar exposiçãoao EMF (Campo eletromagnético) que irá fornecer proteção contra ataques conhecidos com efeitos adversos a saúde. Um efeito adverso à saúde provoca uma deficiência detectável da saúde dos o indivíduo exposto ou de sua família, pode ocorreu um efeito biológico, ou não". [ICNIRP, 1998] "O objetivo desta norma é fornecer limites de exposição para proteger contra e efeitos adversos à saúde humana induzida pela exposição à RF (radio freqüência) de campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos sobre a faixa freqüência de 3KHz a 300GHz. "[IEEE, 2005] As normas brasileiras tanto da ABNT 15415/2006, Resolução 303/2002 da ANATEL, Lei 11934/2009 e Resoluções da ANEEL 398/2010 e 616/2014, foram baseadas nas normas americanas, considerando o estudo da OMS. Todas as literaturas provenientes do assunto, concluíram que não há evidencia suficiente que a exposição aos campos eletromagnéticos de radio freqüência (RF), causa câncer e ou podem aumentar a temperatura corporal de uma pessoa ou aquecer e estimular tecidos musculares e nervosos.
  30. 30. No caso de aquecimento de tecidos o IEEE e ICNIRP recomendam limitar a taxa de absolvição especifica ou SAR, conforme segue esclarecido no capitulo seguinte. 4.1-AQUECIMENTO DA TEMPERATUA CORPORAL A freqüência de uma onde eletromagnética influencia na sua absolvição por tecidos vivos. Essa taxa de absolvição é conhecida internacionalmente como SAR (Specific Absorption Rate) e varia de acordo com o tecido e a amostragem, pois a taxa é calculada por uma media para uma certa região. Com essa medida, a freqüência e a potencia de emissão de um transmissor, é possível determinar uma distancia mínima de segurança deste a uma pessoa, por exemplo. (REAL-2008). Sob condições normais os órgãos IEEE , ICNIRP bem como a norma da ABNT 15415, estabeleceram que o aumento de temperatura corporal para os mais sensíveis não ultrapasse 4W/Kg o que corresponde a um aumento de temperatura de 1º Celsius. Porem como fator de segurança ficou estabelecido que para ambientes controlados onde a exposição é funcional não passe de 0,4W/Kg e para os demais ambientes não passe de 0,08W/Kg. O IEEE e ICNIRP recomenda um valor limite para o público em geral de 4W/kg para membros e 2W/kg para a cabeça e tronco em 10 g de tecido O FCC (Federal Communications Commission) adotou um limite de valores mais rigorosas de 1,6W/kg em média, mais de 1 g de tecido Note-se que o valor 0,08W/Kg e um valor médio considerando o corpo inteiro, porem existem valores referentes a partes dos corpos, conforme tabela 1. SAR Valor Medio para Corpo Inteiro (W/Kg) SAR Cabeça e Tronco (W/Kg) SAR Membros Inferior ou Superior (V/Kg) Indução E (V/m) Temperatura Completa Indução a J (mA/m2 ) Sistema Nervoso Central FCC 0,08 1.6 (1g) 4 (10g) -- -- ICNIRP (2010) 0,08 2,0 (10g) 4 (10g) 1,35 x 10-4 f (f em Hz) -- ICNIRP (1998) 0,08 2.0 (10g) 4 (10g) -- F/500 (f em Hz) Tabela 01- Valores recomendado, o campo elétrico induzido, e de corrente induzida (no centro sistema nervoso) níveis por ICNIRP, e os regulamentos da FCC para essas mesmas quantidades. Para a Resolução 616/2014 da ANEEL, ficaram estabelecidos os seguintes valores em atendimentos as normas da ICNIRP. .
  31. 31. Instalações em 50 Hz Instalações em 60 Hz Campo Elétrico(kV/m) Campo Magnético(µT) Campo Elétrico(kV/m) Campo Magnético(µT) Público em Geral 5,00 200,00 4,17 200,00 PopulaçãoOcupacional 10,00 1000,00 8,33 1000,00 Tabela 02- Níveis de Referência para campos elétricos e magnéticos variantes no tempo nas freqüências de 50 e 60 Hz Campo Magnético (µT) Campo Elétrico(kV/m) Cabeça e tronco Braços e pernas Público em Geral 353.000,00 118.000,00 5,00 PopulaçãoOcupacional 353.000,00 353.000,00 20,00 Tabela 03- Níveis de Referência para campos elétricos e magnéticos variantes no tempo na freqüência de 0 (zero) Hz. 4.2- ESTIMULAÇÃO NERVOSA EMUSCULAR Em casos de estímulos musculares e nervosos, tanto o IEEE e ICNIRP tem identificado níveis com efeitos muito menores e de curta duração atuando sobre o sistema nervoso central, tais como a produção de fosfenos1 visuais nos olhos, o que pode causar uma leve sensação de oscilação visual. Embora ambos os órgãos reconhecerem que estes efeitos não estão associados a quaisquer outros efeitos adversos para a saúde, eles estabeleceram temporariamente limites de valores recomendados de campos elétricos. Para a população em geral o ICNIRP estabelece que o limite do campo interno seja de 1,35 x 10-4 * f V / m, onde f é a freqüência do campo eletromagnético em Hertz. , já o IEEE recomenda limites de campos internos que variam de 2,1 x 10-4 * f V / m a 6,3 x 10-4 * f V / m, dependendo de que parte do corpo é exposto. "Por causa da dificuldade em determinar se uma exposição em conformidade com as restrições básicas (BRs – Basis Restriction), limites derivados (MPEs - Maximum Permisible Exposure) para proteger contra os efeitos adversos para a saúde associado com o aquecimento são fornecidos abaixo para a conveniência em avaliação da exposição." [IEEE, 2005] "O campo elétrico interno é difícil de avaliar. Por isso, de exposição prática fins de avaliação, os níveis de referência da exposição servem. "[ICNIRP, 1998]. Apesare de acordo entre os órgãos IEEE e ICNIRP, os mesmos se diferem na técnica de estimar o dimensionamento dos níveis de referencia do campomagnético MPEs. Apesar das literaturas indicarem que os níveis de MPE e BR são recomendados pelos órgãos IEEE e ICNIRP, podemos dizer que eles são facilmente mensuráveis, pois os níveis de campos elétricos e magnéticos no espaço são satisfeita se as BRs e o MPEs de níveis medidas estiverem abaixo dos níveis estabelecidos, mesmo se o MPE exceder o limite dos níveiso BR pode cumprir os limites dos níveis. 1 Fosfenos da retina sãoos fenômenos temporários de luz sensoriamento naretina sem fótons entrar noolho. Estímulo mecânico, campos elétricos e campos magnéticos oscilantes pode induzir fosfenos.
  32. 32. 4.3-SIMULAÇÃO ELETROMAGNETICA A WiTricity Corporation desenvolveu ferramentas de modelagem sofisticadas para avaliar o cumprimento das restrições básicas recomendadas pelo IEEE e ICNIRP, as simulações foram realizadas utilizando o método do elemento finito (FEM) no domínio da freqüência. Embora seja comum utilizar diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD), para esse tipo de estudo a WiTricity utilizou o FEM obteve varias vantagens no estudo. Para que seja mais claro o entendimento foi considerado que em uma simulação por FDTD o espaço máximo de tempo deve ser escolhido, para melhor satisfazer a condição de estabilidade de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL), o que significa que o numero de intervalos de tempo exigido para uma escala de simulação seja o comprimento da onda de luz no espaço livre, ou seja, 1200m para 250 kHz de freqüência de operação, sobre o tamanho da célula computacional que neste caso é aproximadamente 1cm. Se for utilizada baixas freqüências na transmissão de energia sem fio nessa simulação o tempo de resposta seria muito longo. Utilizando a simulação por FEM, trabalharemos diretamente no domínio da freqüência, em vem de propagar no domínio do tempo, e não há problema com escala de baixa freqüência. Em segundo lugar, uma FDTD a simulação deve ser baseadas em modelo voxel do corpo humano, ou seja, de forma de grades retangular, podendo não se alinhar com as curvas do corpo humano, podendo gerar conflitos nas fronteiras dos campos eletromagnéticos. Para simular em FEM a malha pode ser forçadaa se encaixar com os limites do corpo humano. 4.4- MODELO E TESTE EM CORPO HUMANO A WiTricity Corporation a fim de criar um modelo de malha com elementos finitos anatomicamente e precisos ao corpo humano, criou um grade voxel a partir de dados obtidos por modelos de ressonância magnética, gerando o FEM na malha de rede voxel, propriedades eletromagnética de diferentes tecidos envolvidos (músculos, ossos, pele, etc.). Como exemplo foi simulado que uma pessoa estivesse de pé ao lado de um veiculo que esta sendo carregado por um transmissor de eletricidade sem fio conforme mostrado na figura 07, o sistema utiliza uma freqüência de 145 KHz com transferência de potencia para a carga de 3.3 KW, para este caso a perna esta cerca de 65 cm do transmissor detectando níveis elevados de absolvição do campo magnético nessa simulação.
  33. 33. Figura 07 – Sistema de carregamento WiTricity para veículos elétricos. Na simulação utilizando um sistema FEM, o campo elétrico que afeta a perna é mostrado na figura 08, sendo que do lado esquerdo e mostrado o campo elétrico e do lado direito o pico SAR, em ambos os casos, os valores exibidos são níveis de BRs mais rigorosos, de acordo com orientados do ICNIRP e FCC, onde se pode notar que as medidas estão bem abaixo das orientações que são de -19dB para o campo elétrico e de -36dB para o maior valor de SAR, Assim podemos dizer que o sistema de carregamento do carro da figura 07 é completamente seguro estando com os níveos de SAR e campo elétrico bem abaixo dos limites de referencias estabelecidos. Ressalta-se que os valores de SAR na grade de simulação FEM são maiores dos que seria obtido pela media ao longo do volume de 1g de tecido como regulamenta o FCC, portanto os valores estão sobre estimados significativamente abaixo dos limites estabelecidos pela FCC. Figura 08: Calculado campo elétrico (à esquerda) e taxa de absorção específica (à direita) para a próxima perna a um veículo a ser cobrado sem fio de 3,3 kW. Os valores são normalizados para a maioria rigorosos níveis básicos de restrição (ICNIRP de campo elétrico e de SAR FCC). Na figura 09 é demonstrando o efeito do campo magnético e do SAR em um sistema operando a 6,78 MHz estabelecendo uma potencia de 5Wpara carregar um telefone celular.
  34. 34. Fica evidente onde o campo elétrico é de -20dB em relação à diretriz e o valor de SAR é mais próximo do limite de orientação. Porem se utilizarmos um sistema de operação de 250 KHz os resultados são proporcionalmente inverso. Pode se afirmar nesta freqüência um telefone celular utilizando um sistema de carregamento altamente ressonante é completamente seguro como os níveis de SAR e do campo elétrico estão bem abaixo dos limites de referencia estabelecidos.Como na Figura 08 a Figura 09 mostra a direita o pico SAR valores na grade de simulação FEM que são maiores do que a que seria obtida por uma média de mais o volume de 1 grama de tecido como o FCC estado regulamentos. No entanto, esses valores de SARsão sobre estimados e significativamente abaixo dos limites estabelecidos pela FCC. Figura 09: Calculado campo elétrico (à esquerda) e taxa de absorção específica (à direita) em uma mão descansando em um telefone sem fio que está sendo carregado a 5 W. Os valores são normalizados para o a maioria dos níveis rigorosos básicos de restrição (ICNIRP de campo elétrico e de SAR FCC). 5- RESULTADOS OBTIDOS E ANÁLISE 6- CONCLUSAO A transmissão de eletricidade sem fio vem para agregar o valor aos dispositivos que hoje são denominados portáteis, porem ainda necessitam de conexões físicas para carregar sua bateria. Então podemos concluir que a nova tecnologia ao ser expandida vira interagir totalmente com o meio, hoje em diaDecoradores e profissionais de Automação e Controle já utilizam amplamente o sistema de “Domotica2” que é a automatização de ambientes,e essa nova tecnologia vem agregar a praticidade em mudar totalmente os ambientes sem quebra de
  35. 35. paredes, inclusão de novos sistemas elétricos, só tendo a necessidade de reorganizar o ambiente, simples e pratico. O uso da transmissão de energia sem fio por meio de ressonantes magnéticos já é uma realidade, empresas do ramo de eletrônicos já estão desenvolvendo componentes necessários para a inclusão dessa tecnologia o mais breve possível, indústrias automotivas já estão em fase adiantada para a implantação desses sistemas em carros de passeios e meios de transportes, criando normatização para a infra-estrutura de carregamento de veículos.Consórcios de empresas de equipamentos eletrônicos já estão em fase de acerto para criar um sistema de transmissão de eletricidade sem fio padrão, para que equipamentos de vários fabricantes possam ser carregados por essa tecnologia. 7- BIBLIOGRAFIA KESLER, Morris P.Highly Resonant Wireless Power Transfer: Safe, Efficient, and over Distance, WiTricity Corporation, 2013. CARLSON, B.W. Harnessing the Earth Nikola Tesla and the idea of Broadcasting Electric Power, 1890-1906. Disponível em:<http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=4510256>. Acesso em10 jul. 2015. BOYLESTAD, Robert L. Introdução a Analise de Circuitos, 10 Ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall 2004. SADIKU, Mathew N.O. Elementos de Eletromagnetismo. 3ª. Ed. Porto Alegre: Brookman, 2004. CANNON, B.L. et al.Magnetic Resonant Coupling as a Potencial Means For Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers. IEE Transactions on Power Electronics, v.24 nr.7, pag 1819-1825, jul 2009. CHENTA, EMERSON H.S. Transmissão de Energia Elétrica Sem Fio - Witricity: Estudo e Elaboração de ProtótipoDisponivem em<http://www.prp.rei.unicamp.br/pibic/congressos/xviicongresso/paineis/043181.pdf> Acesso em 13 Jul 2015. HAYT, WILLIAM H, JR e BUCK, JHON A.Eletromagnetismo, 7ª Ed. Porto Alegre: Mc Gran Hill/Bookman, 2011. “Domótica2 ” resulta da junção da palavra latina “Domus” (casa) com “Robótica” (controle automatizado de algo). É este último elemento que rentabiliza o sistema, simplificando a vida diária das pessoas, satisfazendo as suas necessidades de comunicação, de conforto e segurança. Quando a domótica surgiu (com os primeiros edifícios, nos anos 80) pretendia-se controlar a iluminação, climatização, a segurança e a interligação entre os 3 elementos.
  36. 36. KESSLER, MORRIS e MCARTHY, COLIN Highly Resonant Wirelles Power Transfer In Subsea Applications, WiTricyt Corporation. Norma C 95.1 - IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz – Out 2005 ICNIRP Guidelines, International Commissionon Non-Ionizing Radiation Protection- Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic and Electromagnetic Fields (Up to 300 GHz), , Health Physics, 74, no. 4, pp. 494-522, (1998). CHOI J. e SEO C.High-Efficiency Wirelless Energy Transmissio Using Magnetic Resonance Based on Metamaterial with Relative Permeability Equal TO-1 - Progress In Electromagnetics Research, Vol. 106, 33–47, 201 BRAGA, NEWTON- Transmitindo Energia Atraves de Ondas disponível em <http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/52-artigos-diversos/4862-art1199> 21 de jul 2015. NikolaTesla – Um Genio Desconhecido- disponível em <http://www.doutrina.linear.nom.br/nikola.htm> 21 jul 2015 ASSIS, ANDRE KOCHTORRES. – Os Fundamentos Experimentais e Historicos da Eletricidade – Ed. Apeiron Montreal, Canada 2010. REAL, LUIZ FERNANDO OLIVEIRA CORTE – Transmissão sem fio, ondas, campos magnéticos e os seus efeitos na saúde humana -disponível em <http://grenoble.ime.usp.br/~gold/cursos/2008/movel/grad/monografiaLuizFOCReal.pdf> 27 de jul2015. http://revistaplaneta.terra.com.br/secao/ciencia/eletricidade-sem-fio - Edição 473 - Fevereiro/2012 » http://programacaobr.com/nikola-tesla/ http://veja.abril.com.br/130607/p_072.shtml http://www.ted.com/talks/view/lang/pt-br//id/619 http://www.fadep.br/engenharia-eletrica/congresso/pdf/118533_1.pdf http://revistaplaneta.terra.com.br/secao/ciencia/eletricidade-sem-fio http://www.mit.edu/~soljacic/wireless-power_AoP.pdf WiTricity:Wireless Power Transfer By Non-radiative Method

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