A transferência de energia sem fios promete revolucionar a distribuição de energia elétrica. Ondas eletromagnéticas propagam-se livremente pelo espaço, podendo ser utilizadas para sistemas a longas distâncias. A gama de micro-ondas é vantajosa já que o comprimento de onda permite que o tamanho dos componentes necessários seja reduzido, enquanto que as perdas por absorção pelo meio são baixas. Atualmente, a baixa eficiência total inviabiliza a implementação destes sistemas em cenários reais, sendo a propagação do feixe o ponto de estrangulamento do estado da arte. Para a melhorar, a energia pode ser focada em direçao ao recetor, mas a divergência do feixe faz com que a energia se espalhe pelo espaço, levando a que uma parte significativa não chegue ao recetor, o que é conhecido como perdas de transbordamento. O principal objetivo deste programa doutorai foi resolver este problema seguindo uma abordagem completamente nova. Embora a teoria de antenas seja usada para estudar os fenómenos de propagação, a radiação é analisada no campo distante. Tal é insuficiente para compreender o fenómeno, não permitindo a sua otimização. Para compreender o que acontece desde a geração do feixe até à sua receção, é preciso analisar o campo próximo radioativo. Para tal, complementamos a teoria de antenas com a teoria da quasiótica, que analisa a divergência do feixe. A quasiótica serve de base teórica para esta tese, sendo utilizada para compreender e otimizar sistemas. Assim, foi possível desenvolver resultados teóricos, desenhar sistemas com baixas perdas, simular e fabricar componentes práticos para a realização de experiências laboratoriais completas. Foram feitas contribuições não só na implementação da quasiótica em sistemas de transferência de energia sem fios, mas também na aproximação entre a quasiótica e a teoria de antenas. Para validar esta abordagem, foi desenvolvido um sistema experimental que bateu o recorde mundial de eficiência de propagação de feixe. Após esta validação, foram desenvolvidos vários sistemas para diferentes aplicações, desde cenários dentro de portas a um sistema de energia solar por satélites no espaço. Este último surgiu da proposta de uma arquitetura de sistema original capaz de fornecer energia a uma base lunar, mesmo que esta se encontre no lado escuro da Lua. Essa proposta foi submetida a um concurso de apresentação de ideias da Agência Espacial Europeia, permitindo o desenvolvimento de um demonstrador a 100 metros. Finalmente, estes sistemas foram complementados com a geração e receção de oscilação de micro-ondas, tornando possível a montagem de sistemas de transferência de energia completos, de DC a DC. Desta forma, mostramos que o estrangulamento desta tecnologia já não se encontra na propagação do feixe, e que o objetivo inicial foi alcançado com sucesso. Desta forma, os sistemas de transferência de energia sem fios a longa distância estão um passo mais próximos de serem realizados no mundo real.

Wireless power transfer (WPT) promises to revolutionize energy distribution. Electromagnetic waves propagate freely through space, and can be used for long distances. It is advantageous to use microwaves since its wavelength reduces the size of the necessary components, while avoiding absorption losses in most media. At the moment, the low overall efficiency makes it unfeasible to implement these systems in real scenarios, with the beam propagation being the bottleneck in the state-of-the-art. To improve it, the energy is focused towards the receiver, but the beam’s divergence causes the energy to spread, with a significant portion simply missing the receiver in what is known as the spillover losses. The main goal of this program was to solve this problem by following a completely new approach. Although use antenna theory to study the propagation phenomena, the radiation is analyzed in the far-field. This is insufficient to understand the phenomena, not allowing for its optimization. To understand what happens all the way from the beam generation to its reception, it is necessary to analyze the radiative near-field. For that, the antenna theory is complemented with the theory of quasioptics, which analyzes the beam’s divergence. Quasioptics is the theoretical basis for this thesis, being used to understand and optimize systems. As such, it was possible to develop theoretical results, design systems with low losses, simulate and manufacture practical components for carrying out complete laboratory experiments. Contributions were made not only in the implementation of quasiotics in wireless power transfer systems, but also on the bridging of quasiotics and antenna theory. To validate this approach, an experimental system was set up that broke the world record for beam propagation efficiency. Following this validation, several systems were developed for different applications, from in-door scenarios to a solar power satellite system in space. The latter arose from the proposal of an original system architecture capable of supplying energy to a lunar base even if it is on the dark side of the Moon. That proposal was submitted to a European Space Agency Call for Ideas enabling the development of a 100-meter demonstrator. Finally, these systems were complemented with the generation and reception of microwave oscillation, making it possible to assemble complete WPT systems, from DC to DC. In this way, we show that the bottleneck is no longer in the beam propagation, and that the initial objective was successfully achieved. In this way, long-distance wireless energy transfer systems are one step closer to being realized in the real world.

Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnica