Temperature-Aware Integrated Circuit Design for Smart Vehicle Applications
 
Pietro Maris Ferreira

Dia: 23 de agosto de 2017 Hora: 13:00 Local: H322 - Auditório do PEE


The advent of the Internet of Things (IoT) has brought the need for novel studies to conform to its extensive requirements, driven specifically by the Smart Vehicle industry. Smart vehicles must be able to efficiently sense and communicate with other nearby vehicles, including car, buses and trucks. European research council has been investing in Green Cities research subjects in Horizon 2020. Moreover, French government has fixed to 2040 the stop sale of petrol/diesel cars in favors to electric automobiles. For obvious reasons, the design and specification of microelectronic circuits, which are used in these applications, are regulated by many strict security and safety standards. Reliability and robustness in the device operation must be ensured for harsh environments, including the required operating temperature range from -40 °C to 175 °C. This temperature range is arguably the most difficult environment challenge for electronics in the automotive industry. This seminar will discuss how microelectronics can meet the IoT challenge in smart vehicles, integrating high performance electronics over a wide temperature range. Industrial trends in smart vehicles applications will be presented. Academia opportunities in CentraleSupelec – Université Paris-Saclay will be highlighted.


Pietro Maris Ferreira (S'03-SG'06-M'12) received the B.Sc. cum lauda and the M.Sc. degrees from the Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ), Brazil in 2006 and 2008, respectively; and the Ph.D. degree from the Télécom ParisTech, France, in 2011, all in electronic engineering. He has been IEEE volunteer since 2003; being UFRJ IEEE Student Branch chairman in 2005 and 2006; working in R9 CAS Chap. of Rio de Janeiro from 2005 to 2007; and participating in ISCAS 2010 local arrangements held by R8 CAS Chap. of France. Researching high-performance high-reliability circuits and systems, he joined IM2NP lab. (UMR CNRS 7334) for one year and IEMN lab. (UMR CNRS 8520) for two years during his tenure track. Since 2014, he has been with GeePs lab. (UMR CNRS 8507) as Associated Professor of the Dep. of Electronic Systems of CentraleSupélec at Université Paris-Sacla.

Rastreador instalado no teto da Coppe acompanha o movimento do Sol e 
concentra a energia dos raios em um feixe interno de fibra óptica, que
transmite a luz para uma sala no interior do prédio (Foto: Divulgação) 

Um dos países com maior incidência de radiação solar do mundo, o Brasil ainda subaproveita seu potencial natural. Dados do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobras (Cepel) mostram que a irradiação solar global no plano horizontal para a Região Nordeste varia entre um mínimo de 4,4 quilowatt-hora por metro quadrado por dia (kWh/m2/dia) e um máximo de 5,8 kWh/m2/dia, de acordo com médias diárias anuais. Para se ter uma ideia, na Alemanha, a líder mundial na geração de energia solar, a média diária anual vai de cerca de 2,9 kWh/m2/dia, no Norte do país, até por volta de 3,8 kWh/m2/dia na parte Sul de seu território.

A geração de energia solar, hoje, no Brasil, corresponde a apenas 0,01% – ou 0,0076% – da capacidade instalada nacional. Os números são da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) que, até agosto de 2015, contabilizava somente 25 usinas solares em todo o País, produzindo até 11.236 quilowatts (kW). Base da matriz energética nacional, a hidroeletricidade responde por 61,6% da produção de energia elétrica, com 1.180 usinas e potencial de geração de até 90 milhões de kW. Já as térmicas à base de combustíveis fósseis, que produzem uma energia mais cara e poluente, geram 18% da eletricidade consumida no País, equivalente a até 26 milhões de kW. Mas esse é um quadro que deve mudar ao longo das próximas décadas.

Em instituições de ciência e tecnologia dentro e fora do País, pesquisadores se mobilizam em busca de soluções para tornar a energia solar mais acessível. No Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (Coppe/UFRJ), no campus da Cidade Universitária, na Ilha do Fundão – a mesma que abriga o Parque Tecnológico da UFRJ –, um grupo de pesquisadores vem desenvolvendo um projeto que promete otimizar o uso da energia solar para a iluminação de ambientes em até 80%, tornando-o, assim, mais atraente e vantajoso. Coordenado pelo professor do Programa de Engenharia Elétrica (PEE) da Coppe/UFRJ e do Departamento de Eletrônica e Computação da Escola Politécnica da UFRJ, Marcelo Martins Werneck, o projeto, batizado de POF Lux – em alusão à sigla em inglês Plastic Optical Fibers, material base do sistema –, ganhou fôlego ao ser contemplado, em julho de 2014, no edital Prioridade Rio, da FAPERJ.

Werneck explica que, através de um aparelho composto por rastreadores solares automáticos e lentes de Fresnel, consegue-se concentrar a luz solar nas extremidades dos feixes de fibras ópticas plásticas. A luz focada nas fibras é, então, guiada até o ambiente desejado, onde são distribuídas para obter iluminação adequada. Com isso, tem-se um maior aproveitamento da luz solar durante todo o tempo útil do dia e com menores perdas.

Em paralelo, um painel fotovoltaico também rastreia o sol e, ao se manter acoplado a um banco de baterias para backup, garante o armazenamento da energia para a noite e dias nublados, completando, assim, o sistema de iluminação. “Em cada metro quadrado do chão, nos trópicos, ao meio dia, incide cerca de 1 kW de energia solar. Se toda essa energia pudesse ser convertida em energia elétrica poderíamos acender com ela 10 lâmpadas de 100 watts (W) cada”,  afirma Werneck. 

No entanto, o especialista ressalta que um painel fotovoltaico tem uma eficiência energética de apenas 12% a 15%. Por isso, a energia gerada a partir de um painel de um metro quadrado seria apenas de 150 W. "Grande parte dessa energia se dissipa na forma de calor. Já o sistema de iluminação proposto em nosso projeto não precisa converter a energia luminosa do sol em eletricidade, mas apenas conduzi-la para onde ela é necessária. Assim, com o uso das fibras ópticas e da lente, as perdas são significativamente menores e pode-se obter um rendimento de até 80%", diz o professor da Coppe/UFRJ.

Outro grande diferencial deste sistema de iluminação está no uso da luz solar em substituição à iluminação artificial, causando um forte impacto no consumo de energia, melhorando, assim, a eficiência energética. Sem falar que, comparada à produção de energia elétrica via captação solar pelos painéis fotovoltaicos, o equipamento tem a vantagem de ocupar pequenas áreas.

Parceira intelectual do professor da Coppe no projeto, a pesquisadora do Centro de Tecnologia do Exército (CTEx) e professora colaboradora do Programa de Engenharia Elétrica (PEE) da Coppe, Regina Allil, salienta que uma das vantagens das fibras ópticas plásticas é a possibilidade de trabalhar suas pontas com laser de CO₂ (gás carbônico), que permite efetuar centenas de microfuros em suas extremidades possibilitando, assim, que a fibra ilumine lateralmente, distribuindo melhor a luz no ambiente. "Com apenas 120 fibras, conseguimos iluminar naturalmente um escritório de cinco por cinco metros quadrados", calcula Regina. 

Todo o aparelho foi criado dentro do laboratório da Coppe, inclusive o hardware e o software do rastreador, desenvolvidos por Igor Vital Rodrigues, mestrando do PEE, e Alexandre Allil, graduando de Engenharia Elétrica. "Para elaborar o programa, fizemos um estudo da posição do sol nos próximos três anos", contam os estudantes. "Mas o aparelho nos permite ajustá-lo conforme os parâmetros do local a ser implementado, possibilitando seu uso em qualquer cidade do País e do mundo", ressaltam os jovens pesquisadores.

Marcelo Werneck (à esq.) e Alexandre Allil exibem o aparelho, que capta a energia solar (Foto: Divulgação)

Para funcionar, o rastreador automático usa a energia elétrica, mas os idealizadores do projeto asseguram que o consumo é bastante reduzido. "A cada minuto, para ser capaz de acompanhar o sol, o rastreador anda 1/4 de grau, o que produz um consumo de energia elétrica desprezível", salienta Werneck. A manutenção também é bastante econômica, sendo necessária apenas a limpeza da lente, que tem a função de direcionar a luz do sol para o centro do conjunto de fibras ópticas. "A nossa intenção é que esse seja um sistema popular, barato e de fácil uso", ressalta Regina. Ela esclarece que, embora a lente e as fibras sejam importadas, os componentes, no conjunto, não são caros. Já o motor que alimenta o rastreador é de produção nacional, similar aos usados no limpador de para-brisas de veículos.

"Se considerarmos a produção em escala industrial, o aparelho sairá bem em conta", observa Werneck. "Quanto maior é o diâmetro da lente, mais luz se capta. E quanto mais lentes e fibras se utilizam, amplia-se o local de interesse. Assim, o sistema poderá ser usado também para grandes ambientes, como shoppings e mercados", acrescenta Regina.

Os pesquisadores já desenvolveram um protótipo, que está iluminando uma sala completamente vedada, com luz solar pura. "Este é um sistema funcional e bastante inovador. É gratificante ser um dos desenvolvedores dessa pesquisa", diz Igor. "É importante lembrar que a radiação solar, antes desperdiçada, passa a ser utilizada para gerar energia, levando a uma economia de eletricidade. Sem falar na redução do aquecimento do telhado ou laje, onde o sistema será montado", observa Alexandre.

Segundo os pesquisadores, a única empresa no mundo que adota um sistema de iluminação similar ao projeto dos cientistas da Coppe/UFRJ tem sede no Japão. "Queremos agora atrair também a atenção das empresas brasileiras, pois esse é um projeto comercialmente muito viável", reforça Werneck. 

*Reportagem originalmente publicada em Rio Pesquisa, Ano VIII, Nº 32 (Setembro de 2015)

Notícia retirada do endereço: http://www.faperj.br/?id=3451.2.0

O primeiro veículo de levitação magnética do Brasil foi criado na Coppe/UFRJ. É o MagLev Cobra.

Assista aqui: https://www.youtube.com/watch?v=lqsAkfXMNTw

UFRJ é 100 e precisa mostrar a excelência de sua produção para a sociedade. Essa é a ideia que inspira esse novo conteúdo digital da Adufrj. Com vídeos estrelados por pesquisadores das mais variadas áreas, a Associação de Docentes pretende mostrar a responsabilidade social da instituição e valorizar o conhecimento produzido nos campi. O programa também inicia a comemoração pelo centenário da universidade, em 2020. 

Veja outros vídeos do UFRJ é 100 no YouTube (https://goo.gl/x3YpSw)

Consumo consciente de energia elétrica para um menor impacto ambiental

Edson Watanabe*

Um pensamento comum entre as pessoas é que energia elétrica (EE) é algo que simplesmente sai da tomada e é infinita. Mas como essa não é a realidade, pelo menos dois princípios básicos precisam ser reafirmados. Primeiro, para se consumir EE, esta precisa estar sendo gerada em algum lugar e no mesmo instante. Segundo, toda a parafernália necessária para fazer essa energia chegar a uma tomada envolve muita engenharia e pelo menos uma fonte de energia, seja hidráulica, térmica, nuclear, eólica ou solar.

O consumo de EE é crescente nos países em desenvolvimento, como o Brasil, o que torna necessário e premente conscientizar os usuários a reduzi-lo para ajudar a equilibrar consumo e geração. Esse equilíbrio com redução é fundamental para que possamos viver em um mundo que reduza a demanda por geração de energia e investimentos, que são escassos, com menos poluição e menos impacto ambiental. No intuito de contribuir, compartilho a seguir alguns conceitos básicos para o uso da EE que pode ser aplicado, em muitos casos, sem perda de qualidade de vida e sem desperdícios.

Para começar,é importante entender a unidade que usamos para medir o consumo de EE. De fato, o que consumimos são comprados em diferentes unidades. Tomates e batatas, por exemplo, são comprados por quilograma. Temos uma boa noção de quanto é um quilo de batata ou tomates, que quase cabem em duas mãos.

A conta de luz é paga com base na unidade quilowatt-hora (kWh), que é usada para medir a energia consumida. Para se ter uma ideia, um kWh equivale à energia de levar mil vezes 10 kg até o 12º andar de um prédio (36 metros). Na minha casa, por exemplo, o consumo de energia é de 10 kWh/ dia. Conclusão: uso muito mais energia do que sou capaz de gerar com esforço próprio. Esse é um bom indicativo de que devemos refletir sobre a energia antes de usá-la indiscriminadamente.

Quanto de EE precisamos

Uma dúvida que vale a pena ser comentada é: quanto o Brasil necessita de EE para crescer? Vou fazer uma conta simples. Imaginemos que o Programa de Aceleração do Crescimento (PAC) desse certo e a economia do Brasil crescesse aos previstos e modestos 5% ao ano. Nesse caso, é possível estimar que o sistema elétrico brasileiro cresceria cerca de 7% ao ano, aproximadamente, ou seja, um pouco mais que o crescimento da economia. Isso significa que o país precisaria dobrar a capacidade de geração dos atuais 130 GW para 260 GW, em apenas 10 anos.

Muitos devem se lembrar da longa discussão que envolveu a construção das usinas hidrelétricas do rio Madeira, para gerar um total de pouco mais de 6 GW, e de Belo Monte: foram mais de 30 anos de debate para gerar 11 GW. Somadas, representam cerca de 17 GW e serão necessários vários anos para concluí-las. Isso sem falar que esses são valores de pico, ou seja, durante o período das secas, esses valores caem muito. Para se chegar aos 130 GW, falta muito. Temos outras usinas em construção ou a serem construídas, cuja capacidade total chega próximo a 30 GW. Temos ainda as usinas eólicas, mas todas somadas não chegam a 50 GW: ainda faltam 80 GW. Uma opção seria complementar com usinas térmicas (poluentes) ou nucleares. Mas, a falta é grande.

Na prática, a economia tem crescido menos que 5% ao ano, e por isso o baixo crescimento da geração de EE não tem comprometido esse crescimento econômico. Por outro lado, esses baixos crescimentos não ajudam a resolver os problemas sociais do país. Se usarmos EE de forma consciente, o que economizarmos poderia ser empregado para fomentar o crescimento da economia.

Ar-condicionado: o grande vilão

Quando estudei no Japão, uma lei de 1979 estabeleceu que, no verão, nos meses de julho e agosto, a refrigeração dos prédios públicos teria um limite inferior de 28ºC, e no inverno, teria o limite superior para aquecimento de 19º C. Em 2012, após o acidente na usina nuclear de Fukushima, o limite de 28^oC foi estendido para o período de maio a setembro. O objetivo dessa lei foi conciliar economia de energia e conforto da população. Não precisamos ser tão rígidos quanto os japoneses, mas refrigerar, em dias quentes, até 25º a 26º C já seria uma boa ajuda na economia de EE. Refrigerar no verão, a 20^o C, e usar casaco é desperdício total e falta de consciência.

De maio a setembro, o governo japonês dispensou o uso de paletó e gravata, um hábito europeu que eleva a sensação térmica em cerca 3ºC e, consequentemente, aumenta o consumo de EE desnecessariamente. Em 2012, constatei junto ao Operador Nacional do Sistema (ONS) que, quando a temperatura no Rio de Janeiro sobe de 28^o para 30^o C, o consumo cresce cerca de mil MW (hoje deve crescer mais), o que equivale praticamente a geração da usina nuclear de Angra II.

Em Portugal vi outro exemplo interessante. Por meio de um cartaz fixado no apartamento, um hotel em Lisboa orienta seus hóspedes da seguinte forma: se estiver calor, abra a janela: consumo zero de energia; se ainda estiver calor, ligue o ventilador: consumo 40 W; se ainda assim estiver calor, feche a janela e ligue o ar-condicionado: consumo 1600 W. Use o termostato. Economize!

É importante conscientizar o usuário como cresce a escala de consumo de energia: zero para a janela, 40 W para o ventilador e 1600 W para o aparelho de ar-condicionado, que é um dos grandes vilões do consumo de energia elétrica.

China e Holanda

Nos últimos 30 anos, a China tem crescido a taxas “chinesas”, ou seja, em ritmo acelerado. Para isso, precisam aumentar a geração de EE o equivalente a cerca de “um Brasil” por ano. Tudo que construímos durante décadas em termos de sistema elétrico, eles constroem em um ano. E usam carvão como principal fonte de energia. Em 2011, estive em Beijing e tirei fotos de locais memoráveis, mas nenhuma delas exibia um céu azul (que ainda temos por aqui) devido à poluição provocada pela geração de energia a base de carvão. Quem vai limpar esse ar? Recentemente, foi noticiado que a China gasta US$1 bilhão de dólar por dia por conta dessa poluição!

Normalmente, há uma correlação entre o Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) e o consumo per capita de energia. Essa correlação se faz presente na Noruega, líder mundial em IDH e com o segundo maior consumo per capita de energia. No Brasil, o consumo per capita de energia elétrica ainda é muito baixo, apesar de haver muito desperdício, falta de conscientização e necessidade de investimentos em eficiência energética. Em termos de consumo de energia elétrica per capita, nosso país está além da 70^a posição no mundo, e, no ranking de IDH, aparece em 73º lugar.

Talvez a resposta que procuramos esteja com a Holanda, que é a quinta colocada em IDH, mas em consumo per capita de energia encontra-se no 32º lugar. O país consegue equilibrar um bom IDH sem gastar muita EE.

Custo de energia e consumo consciente

Em alguns casos, é importante conhecer o custo da energia ao longo do dia. Nas residências esse custo é constante durante todo o dia, mas em universidades, comércio e indústrias, dependendo do contrato com a concessionária de EE, pode-se pagar muito mais por kWh em certos horários do dia. Essa faixa de horário, que no Rio de Janeiro vai das 17 às 20 horas, é conhecida como horário da ponta. Para economizar, é necessário reduzir o consumo nesse horário, programando, por exemplo, o uso de equipamentos eletrointensivos para outros horários do dia.

A conscientização é um passo importante na busca pelo equilíbrio. No Brasil, em épocas de chuva abundante, cerca de 80% de nossa EE vem de usinas hidrelétricas. Somos um país abençoado e bastante “verde”. No entanto, para cada Watt (unidade de potência) consumido são necessários, em média, cerca de 1 m² de área inundada de represa para essa geração. Uma vez alertei uma amiga que tinha um boiler de 8 kW de potência, de que eram necessários 8 mil metros quadrados de área inundada em algum lugar para atender a esta carga. E que não seria difícil imaginar quantas árvores teriam sido derrubadas para atendê-la. Depois disso, ela parou de usar o boiler e passou a usar aquecimento por gás. Aí, alertei que ela estava gerando gases de efeito estufa. O ideal seria o aquecimento solar, sempre que possível.

É fundamental substituir dispositivos ineficientes como lâmpadas incandescentes ou fluorescentes por lâmpadas LED, buscar usar equipamentos mais eficientes, por exemplo, ar-condicionado com inversores (custo inicial maior, embora mais econômicos) e apoiar todas as formas de geração renovável como solar ou eólica.

Professor titular e diretor da Coppe/UFRJ (Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro), Edson Watanabe é doutor em Engenharia Elétrica pelo Tokyo Institute of Technology, Japão (1981). Pesquisador nível 1A do CNPq, membro da Academia Brasileira de Ciências (ABC) e Fellow do Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), foi admitido na Ordem Nacional do Mérito Científico no Grau de Comendador (2005) e recebeu o Nari Hingorani IEEE PES FACTS Award (2013).

*Reportagem originalmente publicada em Rio Pesquisa, Ano IX, Nº 37 (Junho de 2016)

http://www.faperj.br/?id=3423.2.2