STEG-CUBE: sistema híbrido solar-termoelétrico para energy harvesting em CUBESAT

Abstract

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação Interdisciplinar em Energia e Sustentabilidade da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Doutor em Energia e Sustentabilidade.A crescente demanda por sistemas energéticos mais eficientes e sustentáveis impulsiona o desenvolvimento de tecnologias de Energy Harvesting capazes de recuperar energia residual e aumentar a densidade energética de sistemas autônomos. Neste contexto, esta tese investiga a aplicação de arquiteturas híbridas fotovoltaico-termoelétricas em plataformas CubeSat, caracterizadas por severas restrições de volume, massa e dissipação térmica. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e validar experimentalmente a arquitetura híbrida STEG-CUBE, baseada na integração direta entre conversão fotovoltaica e conversão termoelétrica com acoplamento térmico direto. A metodologia combinou modelagem física e eletrotérmica parametrizada, desenvolvimento de arquitetura híbrida de geração e gerenciamento energético e validação experimental em bancada térmica automatizada com aquisição sincronizada de dados térmicos e elétricos. Os resultados experimentais demonstraram aderência entre modelo e comportamento real do módulo termoelétrico, confirmando a dependência térmica dos parâmetros elétricos e a capacidade do sistema de recuperar energia térmica residual durante regimes térmicos transientes. Observou-se contribuição termoelétrica média da ordem de 8% em relação ao canal fotovoltaico e potência média termoelétrica de aproximadamente 65 mW durante relaxamento térmico estrutural. Conclui-se que a integração híbrida fotovoltaico-termoelétrica constitui alternativa tecnicamente viável para aumento da densidade energética útil e robustez operacional em CubeSats. Como impactos da pesquisa, destacam-se o avanço do conhecimento em sistemas híbridos de conversão energética e o desenvolvimento de metodologia experimental aplicável a sistemas de ultra baixa potência. Como implicações práticas, os resultados indicam viabilidade de aplicação em sistemas espaciais compactos, sensores autônomos e sistemas industriais baseados em recuperação de calor residual. Resumen La creciente demanda por sistemas energéticos más eficientes y sostenibles impulsa el desarrollo de tecnologías de Energy Harvesting capaces de recuperar energía residual y aumentar la densidad energética de sistemas autónomos. En este contexto, esta tesis investiga la aplicación de arquitecturas híbridas fotovoltaico-termoeléctricas en plataformas CubeSat, caracterizadas por severas restricciones de volumen, masa y disipación térmica. El objetivo de este trabajo fue desarrollar y validar experimentalmente la arquitectura híbrida STEG-CUBE, basada en la integración directa entre conversión fotovoltaica y conversión termoeléctrica con acoplamiento térmico directo. La metodología combinó modelado físico y electro-térmico parametrizado, desarrollo de arquitectura híbrida de generación y gestión energética, y validación experimental en un banco térmico automatizado con adquisición sincronizada de datos térmicos y eléctricos. Los resultados experimentales demostraron concordancia entre el modelo y el comportamiento real del módulo termoeléctrico, confirmando la dependencia térmica de los parámetros eléctricos y la capacidad del sistema para recuperar energía térmica residual durante regímenes térmicos transitorios. Se observó una contribución termoeléctrica media del orden del 8% en relación con el canal fotovoltaico y una potencia termoeléctrica media de aproximadamente 65 mW durante el relajamiento térmico estructural. Se concluye que la integración híbrida fotovoltaico-termoeléctrica constituye una alternativa técnicamente viable para el aumento de la densidad energética útil y la robustez operativa en CubeSats. Como impactos de la investigación, se destacan el avance del conocimiento en sistemas híbridos de conversión energética y el desarrollo de una metodología experimental aplicable a sistemas de ultra baja potencia. Como implicaciones prácticas, los resultados indican viabilidad de aplicación en sistemas espaciales compactos, sensores autónomos y sistemas industriales basados en recuperación de calor residual