Integrated dc-dc converter for photovoltaic energy harvesting targeted to indoor applications

Abstract

Internet das Coisas é uma grande tendência atual na qual o número de dispositivos conectados à Internet aumenta ao longo dos anos, facilitando assim o monitoramento e controle de ambientes abertos e fechados. Além disso, a maioria dos dispositivos eletrônicos, principalmente os periféricos, são usados na sua maior parte do tempo dentro de ambientes fechados como salas de escritórios, por exemplo. Esses dispositivos geralmente são alimentados utilizando fios ou baterias. A utilização de fios pode, às vezes, comprometer a praticidade de alguns dispositivos eletrônicos, e baterias devem ser frequentemente trocadas ou recarregadas. A colheita de energia é uma ótima solução para resolver este problema, uma vez que a energia fornecida pelo ambiente, como, por exemplo, a iluminação, pode ser captada por uma célula fotovoltaica para alimentar dispositivos eletrônicos e sensores para Internet das Coisas. A potência captada por células solares em ambientes fechados ainda é bastante limitada, desse modo sistemas para colheita de energia neste tipo de ambiente são pouco explorados e visam somente aplicações de ultra-baixa potência. Uma célula fotovoltaica ainda pode sofrer sombreamentos causados por paredes, móveis e movimentos humanos. Isso exige um sistema de conversão eficiente e que possa se adaptar às variações de tensão de saída de uma célula fotovoltaica. Nesse contexto, o presente trabalho visa propor um sistema integrado de conversão para colheita da energia da iluminação em ambientes fechados para parcialmente substituir o uso da bateria em dispositivos eletrônicos e circuitos de ultrabaixa potência. Para o bloco do sistema responsável pela conversão de tensão, foi proposta uma topologia reconfigurável de conversor CC-CC à capacitores chaveados capaz de fornecer uma faixa de relações de conversão de tensão. Uma metodologia sistemática baseada em simulação elétrica também foi proposta com o intuito de projetar o sistema de conversão, incluindo os tamanhos das chaves, capacitores e a frequência de chaveamento. Resultados mostram que o conversor CC-CC proposto pode se ajustar para fornecer 19 diferentes razões de conversão de tensão incluindo razões de conversão fracionárias, inteiras, rebaixadoras, seguidora e elevadoras com um pico de eficiência de conversão estimado em torno de 90 %. Além do mais, o sistema de conversão pode ser empregado e vários circuitos de ultrabaixa potência que funcionam em ciclos alternados de operação, aplicados em dispositivos de Internet das Coisas. Esse é um passo importante em direção a um sistema prático e autoalimentado empregado em ambientes fechados para aplicações de Internet das Coisas.