Influência do Meio na Capacidade de Transferência de Potência Capacitiva: Análise e Perspetivas Futuras

1. Introdução e Visão Geral

Este artigo investiga um aspeto crítico, mas frequentemente negligenciado, da transferência de potência sem fios (WPT): a influência do meio de transmissão no desempenho da Transferência de Potência Capacitiva (CPT). Embora a Transferência de Potência Indutiva (IPT) domine o panorama da WPT, a CPT oferece vantagens distintas, como custo-eficácia, interferência eletromagnética reduzida e compatibilidade com ambientes metálicos. A questão central de investigação aborda como a substituição do ar por outros meios sólidos ou líquidos afeta a capacidade de transferência de potência da CPT a várias distâncias. O estudo emprega uma metodologia tripartida que combina análise teórica, simulação de elementos finitos e simulação de circuitos de eletrónica de potência para fornecer uma resposta holística.

2. Ideia Central e Perspetiva do Analista

3. Metodologia e Estrutura Analítica

A investigação segue a metodologia estruturada delineada na Fig. 1 do PDF, progredindo da teoria fundamental para a simulação aplicada.

4. Detalhes Técnicos e Fundamentação Matemática

O cerne da teoria da CPT reside na interação entre o campo elétrico e o meio dielétrico. A equação governante para a capacitância de acoplamento ideal é:

$C_{main} = \frac{\epsilon_0 \epsilon_r A}{d}$

Onde $\epsilon_0$ é a permissividade do vácuo ($8.854 \times 10^{-12}$ F/m). A capacidade de transferência de potência de um sistema CPT ressonante é frequentemente derivada da equação de transferência de potência para um sistema compensado série-série:

$P = \frac{V_1 V_2 \omega M}{\sqrt{(R_1 R_2 + (\omega M)^2)^2 + (\omega L_1 R_2 + \omega L_2 R_1)^2}}$

Onde, por analogia com a IPT, a capacitância mútua $C_M$ (relacionada com $C_{13}$ e $C_{24}$) desempenha um papel semelhante à indutância mútua $M$. Para a CPT, o "fator de acoplamento" equivalente $k_C$ é definido em termos de capacitâncias. Num modelo Pi simplificado (Fig. 4), as características de transferência são determinadas pelas impedâncias formadas por estes condensadores na frequência de operação, que tipicamente está na gama das centenas de kHz a MHz para atingir níveis de potência práticos.

5. Resultados Experimentais e Conclusões

Nota: Com base no resumo, não são fornecidos resultados quantitativos específicos. O seguinte descreve os resultados esperados com base na metodologia.

Descrição do Gráfico (Inferida): Um gráfico-chave representaria a "Potência Máxima Transferível (W)" em função da "Distância do Vazio (mm)" para múltiplas linhas, cada uma representando um meio diferente (Ar, $\epsilon_r=1$; Plástico, $\epsilon_r\approx3$; Água, $\epsilon_r\approx80$; Cerâmica, $\epsilon_r\approx100$). A linha para o ar cairia abruptamente, enquanto as linhas para meios de alta $\epsilon_r$ mostrariam um declive muito mais suave, demonstrando a gama e capacidade de potência melhoradas da CPT nesses meios.

6. Estrutura de Análise: Caso de Exemplo

Caso: Avaliação da CPT para uma Doca de Carregamento Selada para Sensores Subaquáticos.

1. Definir o Meio: O vazio é preenchido com água do mar. A sua permissividade complexa ($\epsilon_r \approx 80$, com condutividade $\sigma$ não negligenciável) é o parâmetro crítico.
2. Linha de Base Teórica: Calcular $C_{main}$ ideal usando $\epsilon_r$ da água do mar. Reconhecer que a condutividade levará a perdas de potência ($P_{loss} \propto \sigma E^2$), não capturadas na fórmula simples da capacitância.
3. Simulação FEA: Modelar as placas com um domínio de água do mar. Extrair a matriz de capacitância completa. Adicionalmente, usar FEA para calcular a distribuição do campo elétrico e estimar as perdas óhmicas no meio condutor.
4. Simulação do Sistema: Introduzir os valores de capacitância com perdas num modelo de circuito. Varrer a frequência para encontrar o ponto ressonante ótimo que maximiza a eficiência da transferência de potência, equilibrando o acoplamento melhorado com as perdas dielétricas.
5. Decisão: Comparar o desempenho simulado da CPT (potência, eficiência, custo) com uma alternativa IPT para a mesma aplicação subaquática, onde a IPT teria dificuldades com perdas por correntes de Foucault na água condutora.

7. Perspetivas de Aplicação e Direções Futuras

As conclusões reorientam o roteiro de aplicação da CPT para ambientes onde meios de alta permissividade ou específicos são inerentes:

• Implantes Biomédicos: Carregamento através da pele e do tecido ($\epsilon_r \sim 40-50$). A CPT evita as preocupações de aquecimento da IPT perto de tecidos condutores.
• Ambientes Subaquáticos e Marinhos: Alimentação/carregamento de veículos subaquáticos autónomos (AUVs) e sensores através de água do mar.
• Automação Industrial: Potência sem fios para ferramentas ou sensores dentro de tanques, através de tubos ou embebidos em materiais compósitos (por exemplo, fibra de carbono).
• Eletrónica de Consumo: Carregamento através de superfícies de mobiliário (madeira, laminado) ou invólucros à prova de água.

Direções Futuras de Investigação:

1. Modelação de Meios com Perdas: Estender a análise a meios condutores e dispersivos, integrando a permissividade complexa ($\epsilon^* = \epsilon' - j\epsilon''$) nos modelos de conceção.
2. Materiais Dielétricos Ativos: Explorar ferroelétricos ou dielétricos sintonizáveis onde $\epsilon_r$ pode ser controlado eletricamente para otimizar o acoplamento dinamicamente.
3. Sistemas Híbridos WPT: Investigar sistemas combinados IPT-CPT que possam escolher adaptativamente o modo de transferência ótimo com base no meio detetado e no alinhamento.
4. Normalização e Segurança: Desenvolver novas normas de segurança para a CPT em meios não aéreos, particularmente no que diz respeito à exposição ao campo elétrico em contextos biológicos.

8. Referências

1. K. A. Kalwar, M. Aamir, e S. Mekhilef, “Inductively coupled power transfer (ICPT) for electric vehicle charging – A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 47, pp. 462–475, 2015.
2. Z. Zhang, H. Pang, A. Georgiadis, e C. Cecati, “Wireless Power Transfer—An Overview,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 66, no. 2, pp. 1044–1058, 2019.
3. S. Y. R. Hui, W. Zhong, e C. K. Lee, “A Critical Review of Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 9, pp. 4500–4511, 2014.
4. M. Kline, I. Izyumin, B. Boser, e S. Sanders, “Capacitive power transfer for contactless charging,” in 2011 Twenty-Sixth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2011, pp. 1398–1404.
5. J. M. Miller, O. C. Onar, e M. Chinthavali, “Primary-Side Power Flow Control of Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Charging,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 147–162, 2015.
6. IEEE Xplore Digital Library. [Online]. Disponível: https://ieeexplore.ieee.org
7. “Wireless Power Transfer Consortium (WPTC),” [Online]. Disponível: https://www.wirelesspowerconsortium.com/