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

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dc.contributor.advisorAndo Junior, Oswaldo Hideo Ledesma, Jorge Javier Gimenez
dc.contributor.authorSilva, Eder Andrade da.
dc.date.accessioned2026-03-26T13:47:26Z
dc.date.available2026-03-26T13:47:26Z
dc.date.issued2026-03-26
dc.descriptionTese 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.
dc.description.abstractA 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.
dc.identifier.urihttps://dspace.unila.edu.br/handle/123456789/9745
dc.rightsopenAccess
dc.subjectEnergy Harvesting
dc.subjectGeradores termoelétricos
dc.subjectSistemas autômonos e híbridos de energia
dc.subjectCalor residual
dc.titleSTEG-CUBE: sistema híbrido solar-termoelétrico para energy harvesting em CUBESAT
dcterms.abstractThe growing demand for more efficient and sustainable energy systems drives the development of Energy Harvesting technologies capable of recovering residual energy and increasing the energy density of autonomous systems. In this context, this thesis investigates the application of hybrid photovoltaic–thermoelectric architectures in CubeSat platforms, which are characterized by severe constraints in volume, mass, and thermal dissipation. The objective of this work was to develop and experimentally validate the STEG-CUBE hybrid architecture, based on the direct integration between photovoltaic conversion and thermoelectric conversion using direct thermal coupling. The methodology combined physical modeling and parameterized electrothermal modeling, development of a hybrid power generation and energy management architecture, and experimental validation using an automated thermal test bench with synchronized acquisition of thermal and electrical data. Experimental results demonstrated strong agreement between the model and the real behavior of the thermoelectric module, confirming the thermal dependence of electrical parameters and the system capability to recover residual thermal energy during transient thermal regimes. An average thermoelectric contribution of approximately 8% relative to the photovoltaic channel was observed, along with an average thermoelectric power of approximately 65 mW during structural thermal relaxation. It is concluded that hybrid photovoltaic–thermoelectric integration represents a technically viable alternative for increasing useful energy density and operational robustness in CubeSats. As research impacts, the work advances knowledge in hybrid energy conversion systems and introduces an experimental methodology applicable to ultra-low-power systems. As practical implications, the results indicate feasibility for application in compact space systems, autonomous sensors, and industrial systems based on waste heat recovery.

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