Controle do momento de Inercia de turbinas eólicas

Controle do coeficiente de inercia em turbinas eólicas

Marcell Oliveira

Enemilce Viega

Relatório do trabalho

1- Caracterização da situação anterior e identificação do problema Turbinas eólicas são uma fonte de energia limpa e renovável utilizada em vários países, inclusive no Brasil. Uma característica atual dos aerogeradores é de serem construídos para trabalharem em uma determinada velocidade de vento, de forma que geram pouca energia com pouco vento. Porém quando o vento sopra a uma velocidade superior àquela para que foram projetados, eles são obrigados a acionar freios ou mudar o ângulo de passo das hélices de forma a manter a velocidade ideal e não danificar o equipamento. Esses sistemas de frenagem não conseguem aproveitar a energia do vento extra. Por isso ainda existem muitas limitações para a ampliação dessa forte de energia. É importante salientar que a energia disponível varia-se com o cubo da velocidade do vento, ou seja, o dobro da velocidade do vento é referente a um aumento de oito vezes em relação à energia. Exemplo: Para um dado gerador o fabricante impõe o valor máximo da potência. Se o valor de potência máxima admissível for 1,5 MW e o diâmetro das pás da turbina é 77 m. Verifica-se que é necessária uma velocidade de vento igual a 10,6 m/s para obter a potência máxima. Para valores de vento superiores ao valor nominal são acionados métodos de controle passivo e/ou ativos de forma a ter uma potência na saída constante. De uma forma geral quando o vento atinge valores na ordem dos 25 m/s os sistemas são desligados com o intuito de garantir a integridade física do sistema mecânico. Simulando um gerador com essas características obtemos o seguinte gráfico:

J. G. Slootweg, S. W. H. Haan; H. Polinder e W. L. Kling, “General Model for Representing Variable Speed Wind Turbines in Power System Dynamics Simulations, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 18, Nº 1, February 2003. Estudos levantados pela EPE (Empresa de Pesquisa Energética de Minas Gerais) já comprovaram que o crescimento de um país é diretamente proporcional ao seu consumo de energia. Com o desenvolvimento do país e consequentemente as pessoas, com um poder aquisitivo maior, começam a adquirir mais produtos, eletrodomésticos em geral, como geladeira, microôndas, ventiladores, videogames, enfim consumindo mais energia elétrica. As fábricas por sua vez, também aumentam sua produção e consequentemente utilizam mais energia. Esta relação do consumo de energia elétrica é mais forte quanto maior o peso do segmento industrial, tanto na economia, como no consumo de eletricidade. A relação entre consumo de eletricidade e o PIB (Produto Interno Bruto) dá-se o nome de intensidade elétrica do PIB. A relação entre o crescimento do consumo de energia elétrica e o crescimento da economia podemos chamar de elasticidade-renda da demanda de eletricidade. Segue abaixo o gráfico das relações citadas e projeção da demanda de energia elétrica e o PIB, segundo a EPE-MG.

Fonte de pesquisa EPE (Empresa de Pesquisa Energética de Minas Gerais)

2- Descrição do trabalho e da inovação O objetivo do trabalho é testar se a manipulação do coeficiente de inercia pode controlar a velocidade de uma turbina eólica. Para isso será desenvolvido um protótipo provido de um sensor de velocidade, onde os pesos serão movidos pela extensão das pás e dessa forma modificado o coeficiente total de inercia do sistema. O propósito é de um sistema eletromecânico composto de um motor, um eixo com rosca infinita e um peso, de forma que quando a velocidade do vento aumentar o motor vai girar o eixo de forma a afastar o peso do centro do rotor, e dessa forma aumentar o coeficiente de inercia do sistema. Isso deve manter velocidade uma vez que a velocidade é a relação do momento angular com o coeficiente de inercia. Ou seja, com uma corrente de vento mais forte o momento angular vai aumentar e para manter a turbina na velocidade ideal temos que aumentar o coeficiente de inercia na mesma proporção. A grande vantagem desse sistema é que ele vai ser capaz de frear o aumento da velocidade sem dissipar energia. Assim quando o vento ficar fraco ou inexistente, se os pesos estiverem avançados, o sistema vai ser capaz de manter a turbina girando na velocidade ideal aproximando os pesos do centro do rotor.

Segue abaixo a proposta de turbina eólica com controle do coeficiente de inercia.

Proposta de elice com sistema de controle do coeficiente de inercia

Painel frontal do programa desenvolvido pela equipe.

Código do programa desenvolvido pela equipe para medição da velocidade da turbina. Com base nos testes realizados foram verificados se os resultados estavam próximos dos obtidos matematicamente através das seguintes fórmulas: 1 - Coeficiente de Inercia dos pesos: I = (M x R²) 2 - Coeficiente de Inercia do rotor: I1 = (M x R²) /2 3 - Coeficiente de Inercia da hélice: I2 = (M x R²) 4 - Momento angular: L = (I+I1+I2) x W

Legenda:

I -> Coeficiente de Inercia dos pesos I1 -> Coeficiente de inercia do rotor I2 -> Coeficiente de Inercia da hélice L -> Momento Angular M -> massa R -> raio W -> Velocidade do rotor

3- Concepção da inovação e trabalho em equipe Durante as Olimpíadas de Inverno de Sochi 2014, observando-se os movimentos de uma dançarina no gelo e como ela conseguia controlar a sua velocidade rotacional. Depois de um único impulso ela conseguia aumentar e diminuir a velocidade. Identificou-se que ela afastava os seus membros do centro de gravidade e com isso diminuía a sua rotação, obtendo resultado inverso ao aproximar os membros. Discutindo onde esse principio poderia ser aplicado, os alunos do Curso de Engenharia de Controle e Automação, Enemilce e Marcell, tiveram a ideia de o aplicarem para controlar a velocidade de uma turbina eólica. Ao ser divulgado o 2º Feicintec , ficou decidido desenvolver um protótipo para testar a teoria.

4- Objetivos da iniciativa O objetivo é diminuir a dependência dos combustíveis fósseis na geração de energia elétrica, aumentar a eficiência das turbinas eólicas e aumentar os locais onde é viável a sua utilização. Melhorar a disponibilidade de energia elétrica que é um dos principais fatores que possibilita o desenvolvimento econômico de um país.

5- Público-alvo da iniciativa A implementação do controle do coeficiente de inercia em turbinas eólicas vai melhorar o desempenho do equipamento, gerando mais energia e diminuindo a dependência de combustíveis fósseis. Dessa forma toda a população será beneficiada, tanto pela diminuição da poluição quanto pelo desenvolvimento econômico.

6- Ações e etapas da implementação 

    

Definição de software Definição de Hardware Construção do protótipo Realização de testes Simulação matemática Comparação dos resultados

7- Descrição dos recursos financeiros, humanos, materiais, tecnológicos: Material Descrição Hardware Placa da Aquisição de dados Software NI LABVIEW Hélices Tubos de acrílico e chapa de aço Rotor Roda de skate Eixo Parafuso, porca e espaçadores Suporte Tábua Pesos Chumbo de pesca Tabela de recursos

Custo 0,00 R$ 0,00 R$ 52,00 R$ 0,00 R$ 3,00 R$ 0,00 R$ 4,50 R$

Horas Trabalhadas 30 min 600 min 120 min 60 min 30 min 30 min 20 min

8- Por que considera que houve utilização eficiente dos recursos no trabalho? Foram utilizados equipamentos disponibilizados gratuitamente pela universidade. O protótipo foi construído praticamente inteiro com material reciclado, com exceção dos tubos de acrílico.

9- Resultados quantitativos e qualitativos concretamente mensurado. O experimento foi realizado da seguinte forma: 1 - Um ventilador foi posicionado a 180 cm do protótipo com o controle de velocidade no máximo; 2 - Variou-se os pesos em duas posições: totalmente recolhidos e totalmente afastados. 3 - Mediu-se a velocidade em RPM utilizando um sensor óptico FOTEC SU-07X, uma placa de aquisição de dados e um programa feito em LABVIEW; 4 - Foram comparados os resultados. Segue abaixo os resultados verificados no protótipo:

30 RPM

1

0

50

100 Amostra

Gráfico 1 - Média de 29 RPM

150

200

250

40

RPM 20

0

0

50

100

150

200

250

Amostra

Gráfico 2 - Média de 20 RPM Resultado encontrado com as equações: Considerando o rotor como um cilindro de massa distribuída uniformemente, sabendo que o seu raio é de 3,5 cm e seu peso é de 177 g, pode-se calcular o seu momento de inercia como: I1= ½ x 0.177 x 0.035² = 0.0001084 kg x m² Considerando as três hélices como um disco com massa distribuída uniformemente, sabendo que o seu peso é de 371 g e que o seu raio é de 53 cm, pode-se calcular o seu momento de inercia como: I2= 0.371 x 0.53² = 0.1042139 kg x m² Considerando os pesos como partículas, sabendo que o seu peso é 291 g e que eles serão posicionados a 4.5 cm e 49 cm do eixo, pode-se calcular os seus momentos de inercia como: I3 = 0.291 x 0.045² = 0.00058927 kg x m² I4 = 0.291 x 0.49² = 0.06986 kg x m² Para verificar se as medições estão corretas com o princípio da conservação do momento angular foi calculado primeiramente o momento angular resultante do protótipo girando a 20 RPM com o peso a 49 cm do eixo. L= (I1+I2+I4) x 20 = 3.483646 Variando o peso para 4.5 cm do eixo verificou-se a seguinte velocidade 3.483646= (I1+I2+I3) x V; V = 33.2 RPM

Consideração dos resultados: Com base nos experimentos e nos cálculos foi verificada que a velocidade de uma turbina eólica realmente pode ser estabilizada ao se controlar o coeficiente de inercia. No modelo matemático o efeito da mudança de posição dos pesos foi mais acentuado, porém a diferença entre os resultados obtidos para as velocidades mais altas se deve ao fato de que o protótipo foi construído com hélices de arraste, em que a velocidade das pás não pode ser maior que a velocidade do vento, o que limita sua eficiência. Porem a teoria de controle do coeficiente do coeficiente de inercia de uma turbina eólica foi comprovada. Verificando também que pode ser conseguido uma alta controlabilidade e dessa forma ser eficiente em compensar as variações na velocidade do vento.

10- Obstáculos encontrados e soluções adotadas Durante a realização dos testes foi encontrada grande dificuldade para se medir a velocidade do rotor com precisão. Isso ocorreu pelo fato de que o primeiro código desenvolvido contava o número de pulsos emitidos pelo sensor óptico no período de um segundo. Sabendo que a cada volta o rotor gerava um pulso, dessa forma, o RPM era a multiplicação do número de voltas registradas em um segundo por 60. O resultado era múltiplo de 60 e não pôde ser usado. Em uma segunda tentativa aumentamos o número de pulsos por volta do rotor para 30, sendo assim, a precisão passou para duas unidades ao invés de 60. Na busca de uma precisão ainda maior foi utilizado outro método para medição da velocidade. O segundo código registra o tempo entre os pulsos, sendo que, com um pulso por volta basta dividir 60 pelo tempo entre os pulsos em segundos, ou seja, 1 dividido pelo tempo em minutos. Assim o programa permite a medição exata do RPM instantâneo.

11- Fatores críticos de sucesso Para Thomas Edson “Um gênio é 1% de inspiração e 99% de transpiração.” Essas palavras representam bem o motivo pelo qual se obteve sucesso. A equipe se esforçou muito, foram feitas muitas pesquisas, a fim de se encontrar abordagens sobre este assunto, porém nada específico foi encontrado de forma que a equipe precisou desenvolver grande parte da fundamentação teórica. O apoio da universidade com a estrutura do seu laboratório de automação altamente qualificado possibilitou a evolução dos testes a cada etapa. O cumprimento do cronograma estabelecido e o trabalho em equipe que foi muito bem orientado pelo Professor escolhido também foram essenciais.

12- Por que o seu trabalho pode ser considerado uma inovação? A tecnologia proposta representa uma grande evolução da capacidade de aproveitamento energético dos geradores Eólicos possibilitando ainda, que sejam

instalados em locais onde antes não era possível devido às variações constantes na velocidade do vento. O trabalho demonstrou que é possível controlar a velocidade de uma turbina eólica através da manipulação de pesos dentro de suas hélices. Esta manipulação pode ser feita através de um eixo com rosca infinita que vai movimentar pesos por toda a extensão das hélices e dessa forma controlar o seu coeficiente de inercia. A Grande Inovação foi a capacidade de aplicar o mesmo método que uma dançarina utiliza para controlar a sua rotação, em turbinas eólicas e ainda propor uma forma para uso em escala real.