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Avaliao do Aproveitamento da Energia Eltrica Gerada por um Sistema Elico para Carregamento de BateriasDemercil de Souza O.Jr., Luiz H. S. C. Barreto, Isaac R. Machado, Thiago A. Bernardes demercil@dee.ufc.br,lbarreto@dee.ufc.br,machado.isaac@ig.com.br,tbernerdes@hotmail.com Universidade Federal do Cear (UFC) - Departamento de Engenharia Eltrica (DEE) Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) Caixa Postal 6001 Campus do Pici. CEP: 60455-760, Fortaleza CE. e-mail: dee@dee.ufc.br, Fone: (+55 85)33669580, Fax: (+55 85)33669574elica, os sistemas de velocidade varivel so mais atrativos do que os sistemas com velocidade fixa, pois um melhor rendimento do sistema pode ser obtido com a implementao de algoritmos seguidores de mxima potncia. Um sistema elico pode ser utilizado basicamente em trs aplicaes distintas: sistemas isolados, sistemas hbridos e sistemas interligados rede. Os sistemas obedecem a uma configurao bsica, necessitam de uma unidade de controle de potncia e, em determinados casos, conforme a aplicao, de uma unidade de armazenamento. Os sistemas isolados de pequeno porte, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito atravs de baterias ou na forma de energia potencial gravitacional com a finalidade de armazenar a gua bombeada em reservatrios elevados para posterior utilizao. Alguns sistemas isolados no necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigao onde toda a gua bombeada diretamente consumida. Este artigo trata em particular do estudo de sistemas elicos para carregamento de baterias. apresentada uma completa viso da modelagem e funcionamento do sistema, bem como uma alternativa de controle para que a extrao de energia para as baterias ocorra sempre numa situao de timo rendimento. Para completa modelagem e simulao do sistema utilizado o MATLAB (Simulink). II. DESCRIO DO SISTEMA O sistema em estudo disponvel comercialmente pela empresa de produtos de gerao alternativa ENERSUD e composto pela turbina elica, um gerador sncrono de im permanente, acoplados diretamente sem a presena de caixa de engrenagens e um carregador de baterias com proteo para excesso de carga nas baterias (resistncia dissipadora). Atualmente este sistema para carregamento de baterias disponvel sem a presena do controlador de cargas, o que reduz a vida til das baterias alm de se desperdiar a faixa de operao em baixas velocidades. Esta limitao se deve a conexo de duas baterias em srie (barramento de 24 V) diretamente alimentadas por um retificador trifsico, pois a

Resumo Este artigo trata da anlise do comportamento de um sistema elico para carregamento de baterias. Uma completa viso da modelagem do sistema descrita e uma posterior simulao implementada. O software utilizado foi o MATLAB (Simulink) e os resultados da simulao apontaram a ocorrncia de um ponto de mxima extrao de potncia e minimizao das perdas internas do gerador para cada velocidade do vento. Os resultados do sistema proposto so comparados com os resultados obtidos a partir do mdulo utilizado pelo fabricante do sistema (ENERSUD). Os resultados da simulao foram discutidos e uma alternativa de controle timo para o sistema sugerida. Palavras Chave Turbina elica, gerador, baterias, controle, vento, velocidade mecnica, perdas, potncia.

I. INTRODUO A energia dos ventos uma fonte de energia renovvel, limpa e disponvel em todos os lugares. A utilizao desta fonte energtica para a gerao de eletricidade, em escala comercial, teve incio h pouco mais de 30 anos e atravs de conhecimentos da indstria aeronutica os equipamentos para gerao elica evoluram rapidamente em termos de idias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia. No incio da dcada de 70, com a crise mundial do petrleo, houve um grande interesse de pases europeus e dos Estados Unidos em desenvolver equipamentos para produo de eletricidade que ajudassem a diminuir a dependncia do petrleo e carvo. Mais de 50.000 novos empregos foram criados e uma slida indstria de componentes e equipamentos foram desenvolvidos. Atualmente, a indstria de turbinas elicas vem acumulando crescimentos anuais acima de 30%, movimentando bilhes de dlares em vendas por ano. Logo, os sistemas de gerao elicos esto comeando a ser o centro das atenes, pois so de custos competitivos e fontes no poluentes e renovveis de energia quando comparados a outros sistemas de gerao (combustveis fsseis e nucleares) [1]. Na rea de gerao

2 presena dos diodos no permite a transferncia de energia enquanto a tenso de fase gerada no ultrapassar os 24 V (aproximadamente a 240 rpm de velocidade mecnica no eixo do gerador). Logo, sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga das baterias, no deixando que ocorram danos ao sistema de baterias por sobrecargas ou descargas profundas. Alm disso, o sistema atual no aproveita uma quantidade considervel de energia, disponvel em baixas velocidades do vento. Na tabela I mostra-se os principais dados relativos ao sistema.TABELA I DADOS DO SISTEMA ELICO. Dimetro da hlice 2,46 m Potncia de sada a 12m/s 1000 w Potncia mxima de sada a 20m/s 1200 w Nmero de ps 3 Velocidade de partida 2,2 m/s Torque de partida 0,3 Nm Controle de velocidade Active Stall Proteo para altas velocidades Controle de passo Sistema magntico Neodmio Sistema eltrico Trifsico Tenso de sada 24 V Topologia (gerador) Fluxo axial Peso total 32 kg Material Antioxidante Alumnio / Inox

1 Pm = C p Pv = C p a Av u 3 2

(2)

O valor de Cp funo da velocidade do vento, u, da velocidade de rotao da turbina, g, do ngulo de pitch, , e dos parmetros da p da turbina. A relao da velocidade de ponta, , um parmetro que combina os efeitos da velocidade de rotao da turbina e a velocidade do vento e tambm pode ser relacionada com o coeficiente de potncia. Sua definio a razo entre a velocidade de ponta da turbina (g . R ) e a velocidade do vento u. C. Coeficiente de Potncia: O coeficiente de potncia de turbinas elicas determinado pelos fabricantes atravs de testes realizados em tneis de vento, onde para se obter a curva do Cp relacionada a potncia capturada pela turbina, Pm, para cada relao de velocidade de ponta, , e ngulo de pitch, . A equao da curva Cp para uma dada turbina elica apresentada na equao 3 como demonstrado em [2] e [3]:5 C C p = C1 2 C 3 C 4 e i + C 6 i

C

(3)

III. MODELAGEM DA TURBINA ELICA. A. Potencia Disponvel no Vento: Uma quantidade de vento de massa m que flui com velocidade u no sentido axial da turbina de vento possui certa energia cintica. A potncia, Pv, disponvel no vento a derivada da energia cintica com relao ao tempo dada pela equao 1 onde Av, a rea (varrida) da seo transversal da turbina de vento e a a densidade do ar. Isto representa a potncia total disponvel para a extrao [2].

Onde C1, C2, C3, C4, C5 e C6 so constantes que so relacionadas com o projeto aerodinmico da turbina e i um parmetro dado pela equao 4 abaixo:

1

i

=

1 0.035 3 + 0.08. + 1

(4)

Para realizao da simulao foram utilizados os seguintes valores para as constantes mencionadas na equao 3: C1 = 0,5176, C2 =116, C3 = 0,40, C4 = 5, C5 = 21, C6 = 0,0068 Estes valores so relativos a uma turbina de 3 ps com caractersticas aerodinmicas semelhantes a turbina utilizada no sistema. O valor de escolhido para simulao foi 0, pois o Cp mximo obtido nesta condio. Na tcnica de controle a ser implementada no h necessidade de se conhecer com preciso tal curva. IV. MODELAGEM DO GERADOR. A. Modelo Equivalente A mquina utilizada no sistema um gerador sncrono de im permanente (GSIP) de 1 kw, 7 pares de plos e com topologia de fluxo axial. A configurao caracterstica deste tipo de mquina favorece o seu emprego em sistemas de gerao elicos. Diversos estudos anteriores como em [4] e [5] tratam das diversas caractersticas prprias deste tipo de mquina. O equacionamento da dinmica da mquina feito

Pv =

1 a Av u 3 2

(1)

Como o vento passa atravs da turbina, a perda de potncia do vento igual a potncia capturada pela turbina. A mxima potncia terica capturada pela turbina equivale a 59% (coeficiente de Betz) da potncia do vento. B. Potencia Extrada do Vento: A extrao de potncia mecnica, Pm, em relao a potencia disponvel no vento, Pv, feita por turbinas elicas dada pelo desempenho do coeficiente de potncia, Cp. A equao 2 expressa a potncia mecnica extrada do vento para o eixo do gerador [ 2].

3 como em [5] e [6] e mostrado nas equaes 5, 6, 7 e 8.

Te =

E a I a + Eb I b + E c I c

g

(5) (6) (7) (8)

Ia L Va E a Vb = Eb R I b M I M V E c c c

M L M

M I d a M I b (9) dt L Ic

J g = Tm Te B g

g = g r = P g

Onde: Torque eltrico; Te Tm Torque mecnico; J Momento de inrcia da massa girante ( 0,065 kg.m2); P Nmero de pares de plos; B Coeficiente de atrito viscoso (0.00467 Nm/rad/s); Operador diferencial; g Velocidade mecnica do rotor (rad/seg.); g ngulo que define a posio mecnica do rotor (rad.); r ngulo que define a posio eltrica do rotor (rad.); O modelo eltrico da mquina sncrona operando em regime permanente como gerador mostrado na figura 1[5].

Onde: Tenses de fase fornecidas ao retificador. Va = Vb = Vc = V Pode-se simplificar a equao 9 pela aplicao da transformada 0. Esta uma transformao linear que diagonaliza as matrizes circulantes simtricas que aparecem na formulao dos modelos da mquina trifsica simtrica. Fisicamente a transformao 0 transforma a mquina simtrica trifsica em uma simtrica bifsica, com mesma potncia, torque, velocidade e nmero de plos [8]. A equao 10 descreve o equacionamento da mquina aps a transformada.

I o Lo Vo E o V = E R I 0 I 0 V E

0 Ls 0

I 0 d o 0 I (10) dt Ls I

Onde: Lo (Lo = L+2M) a indutncia cclica homopolar e Ls (Ls = LM) a indutncia cclica. Aps feitas simplificaes e a transformada inversa 0 na equao matricial 10 chega-se equao 11.

E 2 = (V + R I ) + (Ls I )2

2

(11)

Considerando a corrente como incgnita, podemos ento encontrar as razes da equao 11. A raiz vlida dada na equao 12.FIGURA 1: Esquemtico do Modelo Eltrico do Gerador Sncrono.

Onde os parmetros mencionados acima so definidos como: Ea = Eb = Ec = E Foras eletromotrizes induzidas nas fases a, b e c, respectivamente; Ra = Rb = Rc = R Resistncias eltricas nos enrolamentos de fase a, b e c, respectivamente; La = Lb = Lc = L Indutncias prprias nos enrolamentos a, b e c, respectivamente; Ia = Ib = Ic = I Correntes de fase nos enrolamentos a, b e c, respectivamente; Indutncias mtuas entre os Mab = Mac = Mbc = M enrolamentos ab, ac e bc, respectivamente. Com auxlio do modelo eltrico da mquina, foram determinadas as equaes das tenses de fase geradas na forma matricial.

I=

V R +

(R E )2 + (Ls )2 (E 2 V 2 ) 2 R 2 + ( Ls )

(12)

B. Determinao dos Parmetros Fsicos da Mquina: Para determinao dos parmetros fsicos da mquina (resistncias, indutncias prprias e mtuas dos enrolamentos) realizaram-se uma srie de testes e medies como em [5]. A seguir sero dados os valores encontrados para cada um destes parmetros. Resistncias dos enrolamentos: A resistncia por fase encontrada foi de 0,5 / fase. Indutncia prpria: A tabela II mostrada com os dados de vrias aquisies e clculos realizados.

4

FIGURA 2: Esquemtico da simulao implementada.TABELA II TESTES E MEDIES REALIZADOS NO GERADOR. Tenso aplicada Corrente Impedncia Reatncia no medida calculada () calculada enrolamento(V) (A) () 4,54 2,5 1,81 1,74 5,0 3,0 1,67 1,58 5,19 3,5 1,48 1,39 5,49 4,0 1,37 1,27 5,82 4,5 1,29 1,19 6,16 5,0 1,23 1,12 6,54 5,5 1,19 1,07 6,68 6,0 1,11 0,99 7,08 6,5 1,08 0,96 TABELA III TESTES E MEDIES REALIZADOS NO GERADOR. Tenso Corrente no Tenso Reatncia aplicada no enrolamento n induzida no mtua enrolamento (A) enrolamento (Xm,n) n (V) m (V) 4,54 2,5 4,12 1,64 5,0 3,0 4,45 1,48 5,19 3,5 4,56 1,30 5,49 4,0 4,76 1,19 5,82 4,5 4,94 1,09 6,16 5,0 5,12 1,02 6,54 5,5 5,25 0,95 6,68 6,0 5,34 0,89 7,08 6,5 5,34 0,82

Indutncia prpria (mH) 4,63 4,21 3,7 3,39 3,16 2,98 2,86 2,63 2,56

Indutncia mtua (Mm,n) (mH) 4,63 4,21 3,70 3,39 3,16 2,98 2,86 2,63 2,56

O valor considerado foi encontrado a partir do clculo do valor mdio das indutncias encontradas nas vrias medies. importante frisar que os trs enrolamentos da mquina so uniformemente distribudos, balanceados e defasados de 120. Conseqentemente as indutncias prprias e mtuas nas trs fases so iguais. Assim foi obtido uma indutncia prpria mdia de 3,35 mH. Indutncia mtua: Para indutncia mtua foi utilizada a mesma tcnica descrita no caso da indutncia prpria, porm agora com a verificao da tenso induzida no enrolamento em que se deseja saber a indutncia mtua. Assim com a medio da corrente que circula no enrolamento em que se aplica a tenso, calcula-se a reatncia mtua entre os enrolamentos. A tabela III mostra os dados das aquisies feitas. O valor de indutncia mtua considerado foi a mdia das indutncias mtuas encontradas.

Com as medidas realizadas, a mdia das indutncias mtuas foi igual a 3,06 mH. V. SIMULAO DO SISTEMA Para simulao do sistema proposto foi utilizado o MATLAB (Simulink), pois este um software de fcil programao e bastante conhecido dos profissionais que atuam na rea de engenharia. A modelagem foi feita de acordo com todo equacionamento anteriormente descrito. A figura 2 mostra o esquemtico relativo a modelagem do gerador com a conexo de um retificador trifsico em ponte completa alimentando diretamente o banco de baterias (representado por uma fonte de tenso CC). A modelagem do comportamento dinmico do gerador elico segue as equaes 5, 6, 7 e 8, enquanto o modelo eltrico descrito pela equao matricial 9.

5 A modelagem do desempenho aerodinmico da turbina elica tambm foi feito e implementado de acordo com a equao 3. VI. DISCUSSO DOS RESULTADOS SIMULADOS E EXPERIMENTAIS. A primeira etapa das simulaes tem o objetivo de provar e validar a existncia de um ponto timo de operao para cada situao de velocidade do vento. Para isso foi proposta uma simulao em que se adiciona uma fonte de tenso controlada na sada do retificador. A fonte de tenso controlada determina uma variao de tenso em rampa no barramento DC. Com a variao da tenso de sada (Vdc) tambm ocorre uma variao da tenso de fase gerada, pois estas esto relacionadas pela equao 17. aplica no mdulo fabricado pela ENERSUD). As tabelas IV e V trazem os resultados para uma tenso tima e uma tenso constante de 24 V (fora do ponto de mximo) no barramento DC.

V=

Vdc 3 6

(17)

A equao 17 descreve a relao existente entre a tenso de fase (rms) aplicada no retificador em ponte completa com a tenso DC de sada. A variao da tenso de fase gerada determina uma variao da velocidade mecnica no eixo do gerador g. Assim verifica-se que pela forma de onda da potncia de sada (figura3) existe um ponto em que a potncia transferida para sada mxima. Este ponto de mxima potncia ocorre numa tenso DC tima para cada velocidade do vento. A figura 3 apresenta o grfico da potncia de sada versus tempo para uma velocidade do vento de 7 m/s. No decorrer de 10 segundos a tenso DC de sada variada de 0 a 70 V em rampa. A presena de certa ondulao na forma de onda da potncia de sada se deve a uma ondulao na corrente DC de sada j esperada pelo processo de retificao. importante notar que a forma de onda da potncia de sada tem um formato parecido com a curva do coeficiente de potncia, porm os seus mximos ocorrem em instantes diferentes devido s perdas internas existentes na mquina e nos diodos. As perdas joulicas (RI2) so responsveis por grande parte das perdas internas neste tipo de mquina. Na situao mostrada na figura 3, observa-se que uma mxima potncia de sada ocorre aproximadamente aos 6,25 segundos, instante em que a tenso de sada de 44,1 V (tenso tima de sada). O coeficiente de potncia tambm um importante parmetro a ser observado e mostrado na figura 4. Observase a variao do Cp de 0 a 10 s, aonde neste intervalo de tempo a velocidade mecnica g vai de 0 a 653 rpm. interessante relatar que a potncia mxima de sada no ocorre no mesmo instante em que o coeficiente de potncia mximo, pois as perdas internas do gerador tm forte influncia na potencia de sada. As simulaes foram feitas para vrias velocidades do vento (3 m/s a 12 m/s) e para verificao da extrao de mxima potncia, foi feito um comparativo entre os valores de potncia de sada obtidas para operao no ponto timo (Vdc timo) e fora deste ponto (Vdc igual a 24 V constante como se

FIGURA 3: Grfico da potncia de sada versus tempo (Vv = 7m/s).

Pela comparao das tabelas IV e V verifica-se a ocorrncia do ponto de mxima potncia para cada velocidade do vento.

FIGURA 4: Grfico do coeficiente de potncia versus tempo (Vv = 7m/s). TABELA IV DADOS RELATIVOS A SIMULAES PARA OPERAO NO PONTO DE MXIMA POTNCIA DE SADA.Vv (m/s) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Vo timo (V) 21,0 26,25 31,0 37,25 44,10 47,20 53,0 57,0 61,5 66,0 Po (W) 36,75 86,62 164,3 272,6 413,6 604,1 829,4 1100,1 1414,5 1773,4 Io (A) 1,70 3,30 5,30 7,30 9,30 12,8 15,6 19,3 23,0 26,8 Wg (RPM) 208 271 333 409 493 554 636 708 786 866 Cp Ief (A) 1,57 2,90 4,40 6,40 7,65 10,35 12,50 15,20 18,15 21,0 Perdas RI2 do gerador (W) 3,69 12,61 29,04 61,44 87,78 160,68 234,37 360,37 494,13 661,50

0,447 0,458 0,454 0,430 0,448 0,439 0,437 0,432 0,432 0,426

6TABELA V DADOS RELATIVOS A SIMULAES PARA OPERAO FORA DO PONTO DE MXIMA POTNCIA DE SADA.Vv (m/s) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Vo (V) 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 Po (W) 21,6 69,6 148,8 232,8 326,4 436,8 564 698,4 852 1020 Io (A) 0,9 2,9 6,2 9,7 13,6 18,2 23,5 29,1 35,5 42,5 Wg (RPM) 271 298 324,7 364 405 450 501 558 623,61 695 Cp Ief (A) 0,75 2,35 4,95 7,8 10,8 14,5 18,6 23,2 28,5 33,4 Perdas RI2 do gerador (W) 0,84 8,28 36,75 91,26 174,96 315,37 518,94 807,36 1218,37 1673,34

VII. CONCLUSES O comportamento de um sistema elico para carregamento de baterias foi analisado e discutido. Verificou-se que o sistema proposto otimiza o aproveitamento da energia elica disponvel em relao ao sistema proposto pelo fabricante, pois apesar de trabalhar com um coeficiente de potncia Cp inferior minimizam-se as perdas por conduo, melhorando tambm a performance trmica do gerador. A alternativa de controle de mxima potncia do sistema pode ser encontrada pela adio de um controlador de carga. Este controlador um conversor CC/CC que ser inserido entre as baterias e o retificador. Com a tenso de sada do conversor sendo imposta pelas baterias (24 V), a tenso de entrada do conversor (tenso de sada do retificador) poder ser controlada com a variao do ciclo de trabalho. AGRADECIMENTOS A todo povo cearense que atravs da FUNCAP (Fundao Cearense de Amparo Pesquisa e a Cultura) contriburam com o apoio financeiro necessrio realizao deste trabalho e desenvolvimento cientfico do Cear. A FINEP pelo apoio financeiro e a ENERSUD pela doao de aerogeradores e apoio tcnico. A todos os professores, alunos, engenheiros e tcnicos componentes do Grupo de Processamento de Energia e Controle (GPEC) que muito contriburam com a amizade e troca de conhecimentos. REFERNCIAS[1] Tomohiko Nakamura, Shigeo Morimoto, Masayuki Sanada, Yoji Takeda, Optimum Control of IPMSG for Wind Generation System., Department of Electrical and Electronic Systems Osaka Prefecture University. (Presented PCC-Osaka 2002), pp. 1435 1440. Siegfried Heier, Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems, Kassel University, June 1999. pp. 29 40. www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/physmod/powersys/ windturbine. E.Spooner, B.J.Chalmers, TORUS : A slotless, toroidalstator,permanent-magnet generator., IEE PROCEEDINGS-B, Vol. 139, NO. 6, NOVEMBER 1992. B.J.Chalmers, A.M. Green, A.B.J. Reece, A.H. Al-Badi, Modelling and Simulation of the Torus Generator., IEE Proceedings online no. 19971429. A.H. Al-Badi and A. Gastli, MATLAB and PSPICE Dynamic Model of Axial-Field Permanent-Magnet. , Depatment of Eletrical Engineering, College of Engineering, Sultan Qaboos University, P.O.Boa 33, AllKhod 123, Muscat, Sultanate of Oman, Science and Technology, 7 (2002) 109-121. Kenji Amei, Yukichi 'Igkayasu, Takahisa Ohji, Masaaki Sakui,A Maximum Power Control of Wmd Generator System Using a Permanent Magnet Synchronous Generator and a Boost Chopper Circuit., PCCOsaka 2002. I. Barbi, Teoria Fundamental do motor de Induo, Edio do autor.

0,181 0,474 0,471 0,479 0,479 0,476 0,479 0,472 0,473 0,475

Em todos os casos de velocidade do vento verifica-se uma maior potncia disponvel na sada. Este ponto de operao do sistema pode ser alcanado pelo controle da tenso do barramento DC (Vdc) num valor timo. A adio de um conversor CC/CC entre a sada do retificador e o barramento das baterias recomendado, pois possibilita uma tenso de sada fixa (24 V) e o controle da tenso Vdc atravs do ajuste do ciclo de trabalho num ponto de otimizao do sistema. Para validao do modelo implementado e conseqente prova da existncia do ponto de mxima potncia traado o grfico da potncia gerada versus velocidade mecnica no eixo do gerador (Fig. 5). O resultado experimental foi coletado at uma velocidade mecnica mxima de 366 rpm devido limitao da mquina que foi usada para excitar o gerador.

[2] [3] [4] [5] [6]

[7] FIGURA 5: Grfico da potncia de sada versus velocidade mecnica (a experimental, b simulado).

Observa-se uma aproximao dos valores da potncia de sada simulados e experimentais principalmente depois que a velocidade mecnica ultrapassa os 310 rpm. Logo se validam o modelo e a tcnica para um timo aproveitamento da energia elica proposto.

[8]