Energy harvesting in electric power systems

Esta tese investiga a colheita de energia (do inglês,energy harvesting) (EH) em sistemaselétricos de potência e a sua utilidade para alimentar sistemas híbridos de comunicações dedados, baseados na combinação de sistemas de comunicações via rede de energia elétrica(do inglês,power line communication) (PLC) e comunicações sem fio (do inglês,wirelesscommunication) (WLC). Neste contexto, são discutidos aspectos gerais do EH em sistemaselétricos de potência, destacando as vantagens e desvantagens da colheita de energia com baseem classificações típicas dos sistemas elétricos de potência em termos dos níveis de tensão edas bandas de frequência do conteúdo espectral dos sinais elétricos. Primeiro, a energia colhidaé avaliada quantitativamente na configuração concatenada de canais banda larga PLC e WLC,na combinação paralela de canais banda estreita PLC e WLC, e nas principais componentesharmônicas dos sinais elétricos. Em segundo lugar, o uso da energia colhida para fins decomunicação de dados é avaliado em termos de taxas de dados alcançáveis ergódicas dessescanais, e o número de transceptores alimentados com essa energia é estimado para cinco padrõesde comunicação de dados comumente adotados por dispositivos de comunicação de dados debaixa potência. Com base em um conjunto de dados medidos em instalações residenciais, asanálises numéricas mostraram que a energia colhida dos distúrbios existentes em sinais elétricosna banda de frequência delimitada pela tecnologia PLC bandalarga é uma parte considerávelda quantidade de energia colhida total. Também, as comunicações de dados baseadas em EHatingiram taxas de dados alcançáveis ergódicas de dezenas de bps ou kbps a dezenas de Mbps,dependendo do uso de canais banda estreita ou banda larga. Além disso, esta tese aborda umanova formulação matemática para quantificar com precisão o EH da potência desperdiçada emsinais elétricos e estende essa formulação para a potência colhida. Neste contexto, mostra-se que a dinâmica da energia desperdiçada das principais componentes harmônicas dos sinaiselétricos em uma instalação predial pode ser considerada umprocesso aleatório cicloestacionárioe estacionário nos dias úteis e fins de semana, respectivamente. Também, estima-se que milhões,ou mesmo bilhões, de transceptores podem ser alimentados por meio da potência colhida dosdistúrbios em sinais elétricos dos sistemas elétricos de potência brasileiros e, ao mesmo tempo,são esperados impactos positivos na qualidade de energia desses sistemas. Finalmente, a energiados distúrbios em sinais elétricos na banda de frequência dequalquer tecnologia PLC tem umenorme potencial para alimentar dispositivos de comunicação de dados de baixa potência, taiscomo os utilizados na Internet das Coisas, redes inteligentes e Indústria 4.0.