À medida que o mundo se conecta cada vez mais por meio da Internet das Coisas (IoT), engenheiros e projetistas de sistemas enfrentam um desafio crescente: como alimentar de forma confiável os bilhões de dispositivos espalhados por fábricas, cidades, escritórios e até mesmo em nossos corpos. Fontes de energia tradicionais, como baterias, podem ser volumosas, exigir substituições frequentes e frequentemente não atender às necessidades em ambientes remotos ou de difícil acesso.

Surge então a captação de energia (energy harvesting), uma abordagem transformadora que capta a energia ambiente do entorno e a converte em energia elétrica utilizável. Para engenheiros elétricos que adquirem componentes de distribuidores como a OLC e para profissionais de compras responsáveis pela eficiência da cadeia de suprimentos, compreender a captação de energia está se tornando essencial. 

O que é Captação de Energia?

A captação de energia (também conhecida como energy scavenging) é o processo de captar e converter pequenas quantidades de energia de fontes externas — como calor, movimento, luz ou campos eletromagnéticos — em energia elétrica. Essas fontes de energia captadas podem alimentar eletrônicos de ultrabaixo consumo, como sensores IoT e transmissores sem fio, eliminando ou minimizando a necessidade de baterias ou alimentação com fio.

Embora a energia gerada seja tipicamente pequena, geralmente variando de microwatts a alguns miliwatts, ela costuma ser suficiente para as necessidades de sistemas embarcados, especialmente quando combinada com componentes energeticamente eficientes e soluções inteligentes de armazenamento de energia.

Agora, vamos explorar algumas das tecnologias de captação de energia mais impactantes e como elas funcionam.

Geradores Termoelétricos (TEGs)

Como Funcionam

Os TEGs operam com base no efeito Seebeck, um princípio da termoeletricidade segundo o qual é gerada uma tensão entre dois condutores ou semicondutores diferentes quando há uma diferença de temperatura entre eles. Essencialmente, o calor flui do lado quente para o lado frio do material, e os elétrons se movem junto com ele, criando potencial elétrico.

Esses dispositivos consistem em um conjunto de materiais termoelétricos organizados para maximizar a exposição ao gradiente térmico. Quanto maior a diferença de temperatura entre os dois lados, maior a saída elétrica. Por isso, a exposição ao gradiente térmico desejada deve ser a mais acentuada possível – o mais quente possível de um lado e o mais frio possível do outro. Dentro do razoável, claro.

Aplicações e Relevância

Em ambientes industriais, máquinas e equipamentos frequentemente geram calor em excesso. Em vez de deixar essa energia se dissipar no ar, os TEGs podem recuperar parte dela e convertê-la em energia para sistemas de monitoramento embarcados. Da mesma forma, em wearables ou dispositivos médicos, os TEGs podem usar a diferença de temperatura entre a pele de uma pessoa e o ambiente para alimentar sensores, reduzindo a necessidade de trocas de bateria.

Para os engenheiros, isso significa buscar módulos TEG altamente eficientes e CIs de regulação de tensão que possam operar com tensões de entrada baixas e flutuantes. Embora não seja comum, uma aplicação verdadeiramente extraordinária dos TEGs está em aplicações espaciais, onde o decaimento radioativo gera calor que alimenta satélites, sondas e rovers por meio de um TEG. Em seu artigo "O que é captação de energia?", a CircuitBread oferece uma excelente visão geral dos TEGs e entra em mais detalhes sobre como eles funcionam em nível de semicondutor.

Captação de Energia Piezoelétrica

Como Funciona

Materiais piezoelétricos geram eletricidade quando submetidos a tensão mecânica, resultado de sua estrutura cristalina interna. Quando esses materiais são dobrados, comprimidos ou vibrados, eles produzem uma tensão em suas superfícies.

Os captadores piezoelétricos são normalmente usados em ambientes onde vibrações ou movimentos mecânicos são comuns. Podem ser incorporados em solados de sapatos, estradas, pontes ou equipamentos industriais. Os materiais comumente utilizados incluem quartzo, PZT (titanato zirconato de chumbo) e polímeros flexíveis mais recentes.

Aplicações e Relevância

Imagine uma ponte inteligente capaz de monitorar a saúde estrutural por meio de sensores incorporados. Em vez de instalar linhas de energia ou substituir baterias constantemente, dispositivos piezoelétricos podem captar energia das vibrações naturais causadas pelo tráfego. Em tecnologia vestível, cada passo que você dá pode gerar energia. Embora a quantidade de energia possa não ser grande, seria suficiente para manter a carga de um relógio ou outro dispositivo pequeno.

Nanogeradores Triboelétricos (TENGs)

Como Funcionam

Os TENGs são baseados no efeito triboelétrico, no qual materiais se tornam eletricamente carregados após entrarem em contato por atrito com um material diferente. Quando duas superfícies se tocam e se separam repetidamente, como no atrito de tecidos ou no movimento da pele, as cargas se acumulam e criam uma tensão. Curiosamente, embora estejamos familiarizados com o efeito triboelétrico há séculos, ainda há debate sobre os detalhes subjacentes de como ele funciona. Pelo menos por enquanto!

Ao contrário dos materiais piezoelétricos, os TENGs podem ser fabricados com uma variedade maior de materiais, incluindo polímeros comuns. Essa flexibilidade os torna ideais para wearables e têxteis.

Aplicações e Relevância

Os captadores triboelétricos estão sendo explorados para wearables de próxima geração que são inteiramente autoalimentados pelo movimento humano. De roupas que monitoram sinais vitais a superfícies que detectam mudanças ambientais, os TENGs podem ajudar a abrir novos paradigmas de design completamente inéditos.

Captação de Energia por RF

Como Funciona

A captação de energia por RF capta energia de ondas eletromagnéticas ambientes, como as emitidas por roteadores Wi-Fi, torres de celular ou até transmissões de TV. Um captador de RF usa uma antena para coletar as ondas eletromagnéticas, que são então convertidas em uma tensão DC usando um circuito retificador.

A saída é tipicamente bastante baixa, ainda menor do que as outras tecnologias já discutidas. Mas para aplicações de ultrabaixo consumo, mesmo pequenas quantidades de energia podem ser suficientes para carregar um capacitor e operar um dispositivo de forma intermitente.

Aplicações e Relevância

Um dos exemplos mais empolgantes vem das etiquetas RFID, que captam energia dos sinais de RF ao redor. Essas etiquetas podem ser incorporadas em embalagens para rastrear a frescura, localização ou temperatura do produto em tempo real. Elas são vistas ainda mais em ação nos cartões de identificação cada vez mais onipresentes, geralmente usados em aplicações de segurança.

Conclusão: Um Catalisador para o Futuro

A captação de energia está prestes a revolucionar a forma como pensamos sobre energia em eletrônicos. De wearables e sensores remotos à automação industrial e embalagens inteligentes, ela está viabilizando novos produtos menores, mais inteligentes e mais sustentáveis.

Tanto para engenheiros quanto para compradores, fazer parceria com um distribuidor que compreenda todo o ecossistema da captação de energia, desde materiais até gerenciamento de energia e armazenamento, será fundamental para uma implantação bem-sucedida. No final das contas, a energia está lá fora. Só precisamos captá-la.