Dissertação de Mestrado Acadêmico

Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica

SISTEMAS DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO

28/02/2020

APLICAÇÃO DE METAMATERIAIS PARA AUMENTO DA EFICIÊNCIA NA TRANSMISSÃO DE ENERGIA SEM FIO POR MEIO DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO RESSONANTE FORTE

A energia elétrica tradicionalmente é transmitida em meios confinados como fios e cabos metálicos. Contudo, é possível transmiti-la através do ar, uma vez que ela assuma a forma de ondas eletromagnéticas. Estas ondas se propagam pelo espaço em todas as direções, e por isso parte da energia é perdida por dispersão, diminuindo a eficiência da transmissão. Neste trabalho é estudada uma maneira de se fazer convergir o campo magnético de modo a reduzir as perdas inerentes à transmissão sem fio provenientes de fenômenos como a propagação radial e reflexão. Para tanto são utilizados Metamateriais, estruturas normalmente periódicas, compostas por elementos naturais e que quando arranjados adequadamente podem ter comportamentos incomuns na natureza, como por exemplo, apresentar um índice de refração negativo. Os Metamateriais apresentam-se como uma opção para aumentar a eficiência na transmissão de energia sem fio, pois são capazes de fazer alterações nos campos elétrico e magnético de modo a funcionarem como uma lente de convergência. Em sua configuração tradicional podem ser confeccionados na forma de anéis ressonadores partidos ou fios finos, sendo denominados então como Metamateriais convencionais, ou através de uma linha espiral de material supercondutor, os chamados Metamateriais Supercondutores. A modelagem matemática de uma célula de Metamaterial Convencional e supercondutora foi realizada neste trabalho. Um sistema de transmissão de energia sem fio foi modelado em 3D num software para resolver problemas eletromagnéticos, onde três configurações foram simuladas: inicialmente sem Metamateriais, depois com os Metamateriais convencionais e por último com os Metamateriais Supercondutores, sempre pela técnica de acoplamento magnético ressonante forte. Foi feita uma investigação do comportamento de parâmetros como tensão, corrente, potência e eficiência em função da variação da distância entre as bobinas transmissora e receptora, com a alteração do resistor de carga, e também de acordo com o desalinhamento horizontal entre as mesmas bobinas, para todas as configurações de sistema, de modo a serem comparados. Os resultados obtidos mostram que os Metamateriais, independente do tipo utilizado no trabalho, foram responsáveis por fazer convergir o fluxo magnético disperso no ar, aumentando a eficiência na transmissão de energia sem fio. Some-se a isso o fato de que eles também se mostram úteis mesmo quando ocorre um desalinhamento entre as unidades transmissora e receptora, confirmando sua empregabilidade e benefícios em carregamento sem fio.

APPLICATION OF METAMATERIALS TO INCREASE EFFICIENCY IN WIRELESS ENERGY TRANSMISSION THROUGH STRONGLY COUPLED MAGNETIC RESONANCE

The electric energy traditionally is transmitted in confined ways like metallic wires and cables. However, it is possible to transmit it through the air, once it takes over the electromagnetic waveform. These waves propagate through space in all directions, and because of it part of the energy is lost through dispersion, decreasing the efficiency of the transmission. In this work, a way to make the electromagnetic waves converge in order to reduce the losses inherent from phenomena such as radial propagation and reflection to wireless transmission is studied. For this purpose, Metamaterials are used, normally periodic structures, composed by natural elements and when properly arranged, can behave in an way not found in nature, such as having a negative refractive index. Metamaterials are an option to increase the efficiency in the wireless power transfer, because they are capable to make changes in the electric and magnetic fields in order to work like a converging lens. In its traditional configuration they can be made with split ring resonators or thin wires, these are the termed as Conventional Metamaterials, or through a superconductor Metamaterial spiral line and thus called superconducting Metamaterials. The mathematical modeling of a Conventional and Superconducting Metamaterial cell was performed in this work. A wireless power transfer system was implemented in a 3D electromagnetic solver, where three configurations were simulated: initially without Metamaterials, then with the Conventional Metamaterial and finally with superconducting Metamaterials, always by the strongly coupled magnetic resonance technique. There was an investigation of the behavior of parameters such as voltage, current, power and the efficiency according to the increase of distance between the transmitter and receiver coils, with the change of the load resistor, and also according to the horizontal misalignment between them, for all system configurations, in order to be compared. The results obtained show that the Metamaterials, regardless of the type used in this work, were responsible for converging the magnetic flow dispersed in the air, increasing the efficiency of the simulated wireless energy transfer system. In addition to that the fact that they are also useful even when there is a misalignment between the transmitting and receiving units, confirming their employability in wireless charging.