Relatório Final

Estágio Supervisionado

Estagiário: Fabricio de Abreu Bozzi

Laboratório de Eletrônica de Potência - ELEPOT

5/11/2011

Relatório Final

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Sumário

1. Introdução ............................................................................................................................ 3

1.1. Princípio de Funcionamento ..................................................................................... 3

2. Objetivo ................................................................................................................................ 5

3. Modelos Análiticos e Resultados ..................................................................................... 5

3.1. Modelo do Sistema de Armazenamento ................................................................. 6

3.1.1. Modelo Analítico ................................................................................................. 7

3.1.2. Simulação do Sistema Hidráulico .................................................................... 9

3.2. Modelo da Turbina Pelton ....................................................................................... 10

3.2.1. Modelo Analítico ............................................................................................... 11

3.3. Modelo do Sistema Elétrico .................................................................................... 12

3.3.1. Princípios Básicos do Gerador de Indução Conectado a Rede. ............... 12

3.3.2. Modelo da Rede Elétrica ................................................................................. 17

3.4. Simulação do Sistema Utilizando o PSCAD/EMTDC ......................................... 19

3.4.1. Efeito do Sistema de Armazenamento .......................................................... 20

4. Conclusão .......................................................................................................................... 22

5. Atividades Realizadas...................................................................................................... 23

6. Referências ....................................................................................................................... 24

Relatório Final

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1. Introdução

A proposta de projetos na área de fontes alternativas de energia, como eólica,

solar e geração a partir das ondas do mar, está sendo bem aceita, porém, estes tipos

de geração ainda têm suas restrições, em relação a sua disponibilidade momentânea.

De modo a contornar as restrições dessas formas de geração estão sendo

desenvolvidos diversos estudos nessa área.

Com o consumo crescente de energia elétrica, tem-se cada vez mais a

necessidade de se aprimorar a extração desses tipos de energia. Isso porque, além da

demanda mundial estar aumentando, há uma responsabilidade por conta das

empresas e governantes com relação ao meio ambiente. Isso faz com que haja o

crescimento do País, já que este precisa de energia para se desenvolver, quanto para

o meio ambiente, pois essas energias são geradas de forma “limpa”.

Devido problemas como, armazenamento e a intermitência dessas fontes, faz

com que os estudos nessa área sejam de suma importância. O laboratório de

eletrônica de potência – ELEPOT/COPPE atua na área de pesquisa em novas

tecnologias e suas aplicações na solução de problemas relacionados com as

aplicações de eletrônica de potência em sistemas de potência, máquinas elétricas e

controle de fontes alternativas de energia.

Assim, o laboratório de eletrônica de potência vem pesquisando essas novas

fontes de energia de forma a aperfeiçoar esses tipos de gerações.

Dado a atuação do laboratório, o estagiário estará ligado à pesquisa de uma

nova fonte de energia alternativa (energia das ondas do mar) e estudo da máquina

elétrica associada a essa geração.

1.1. Princípio de Funcionamento

O princípio de funcionamento deste sistema consiste na movimentação de

flutuadores pela ação das ondas do mar, que através de braços mecânicos em forma

de alavanca acionam bombas hidráulicas. Estas estão ligadas a uma base fixa e

Relatório Final

4

injetam água, no movimento de descida, num sistema hidráulico a alta pressão,

armazenando a energia intermitente extraída das ondas. Uma válvula fixa ao sistema

hidráulico controla um jato d„água com pressão e vazão suficiente para acionar a

turbina e o gerador. A Figura 1 mostra o sistema estudado.

Figura 1 – Sistema de geração de energia elétrica a partir das ondas do mar

A Figura 1 apresenta o sistema de geração a partir das ondas do mar. Este

sistema é composto pelos seguintes dispositivos:

Flutuador – Funciona como uma bóia, acompanhando o movimento das

ondas. É feito de metal e pode ser circular ou retangular.

Braço mecânico – Atua como uma alavanca. Feito de metal e é fixado ao

flutuador e a uma base fixa.

Bomba hidráulica – Atua injetando água ao Acumulador. Está bomba é

composta de um pistão que é preso ao braço mecânico, no movimento

de descida da onda o braço mecânico pressiona este pistão que

comprime a água para o acumulador. Esta bomba possui dutos que

fazem a realimentação da água quando o flutuador esta no movimento

de subida. Válvulas impedem a água de retornar do acumulador para a

bomba.

Acumulador hidropneumático – Sistema de armazenamento de energia.

É composto por uma entrada, onde recebe a água proveniente da

bomba, e uma saída, onde injeta água na turbina. O armazenamento de

energia é feito pela compressão do ar, feito por um êmbolo móvel que se

desloca verticalmente a medida que a água entra e sai do acumulador.

O acumulador hidropneumático tem como principais funções, absorver

as intermitências dos pulsos de água injetados pela bomba e injetar

água na turbina com velocidade suficiente para a máquina atuar como

gerador. Por estes motivos o acumulador possui uma câmara hiperbárica

Relatório Final

5

que fornece um maior volume (absorvendo melhor as intermitências) e

alta pressão de ar (injetando a água na turbina com alta velocidade).

Turbina Pelton – Responsável por fornecer o torque a máquina elétrica.

Esta turbina é adequada para altas rotações [5].

Máquina de indução rotor gaiola de esquilo – Responsável por

transformar energia mecânica, proveniente da turbina, em energia

elétrica. Como vantagem da utilização desta máquina cita-se: robustez,

simplicidade de operação (dentro de certos limites) e baixo custo.

2. Objetivo

O objetivo deste trabalho é estudar o funcionamento de um sistema de geração

de energia elétrica a partir das ondas do mar. Este sistema é composto por uma parte

hidráulica de armazenamento e esta interfere diretamente na qualidade da energia.

Neste sentido, é apresentado a geração para algumas dimensões do sistema de

armazenamento.

O modelo analítico deste sistema se faz necessário para que, a partir dele,

possam ser feitas simulações e assim compreender a dinâmica do sistema. O estudo

das dimensões do sistema de armazenamento é analisado visando a qualidade da

energia gerada (tensão e potência) para sistemas de potência com relação de curto-

circuito igual a cinco ( ).

3. Modelos Analíticos e Resultados

Os resultados deste trabalho baseiam-se nas seguintes etapas de estudo.

Primeiramente, estudou-se o funcionamento do sistema de geração a partir das ondas

do mar desenvolvido pelo Laboratório de Tecnologia Submarina (LTS), COPPE/UFRJ.

Neste estudo, procurou-se bibliografias para o conhecimento das pesquisas que

já haviam sido realizadas sobre essa forma de geração. Após a compreensão do

funcionamento deste sistema, foi iniciado o estudo do sistema de armazenamento.

Para essa parte do sistema, foi dada uma maior ênfase, pois notou-se, a partir das

Relatório Final

6

pesquisas bibliográficas feitas, que o sistema de armazenamento é uma das partes

ainda não bem compreendida.

Assim, buscou-se a formulação das equações que regem o sistema de

armazenamento de forma a atender um modelo adequado para esta parte.

Após a formulação das equações analíticas do sistema de armazenamento

desenvolveu-se a equação de torque mecânico para um modelo de turbina (tipo

Pelton). Este torque será aplicado a máquina elétrica (máquina de indução rotor gaiola

de esquilo) que funcionará como gerador.

Seguido da obtenção do torque mecânico da turbina foi necessário a

compreensão da máquina elétrica, isso para entender as características da máquina

operando como gerador. Para isso, as equações analíticas da máquina foram

desenvolvidas.

Por último, analisou-se o sistema de geração a partir de simulações utilizando o

programa PSCAD/EMTDC com interface no MATLAB. Estas simulações foram feitas

baseadas nas equações analíticas desenvolvidas.

A partir do cronograma estabelecido, os principais resultados obtidos são

mostradas nos itens a seguir.

3.1. Modelo do Sistema de Armazenamento

O acumulador hidropneumático, Figura 2, é composto por um êmbolo móvel que

se desloca em movimento vertical, este movimento será considerado sem atrito. A

este êmbolo é fixada uma haste para que se possa determinar visualmente ou por

sensor a posição na qual se encontra o êmbolo. A câmara hiperbárica, é ligada

diretamente a parte superior do acumulador fornecendo a pressão a um dado volume.

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7

)(t

d

)(t

h1

A P1 1

2P A2 v2 )(t

)(t

A0 inVz_

h2

Haste

Êmbolo

Pistão

1

2

Figura 2 – Acumulador hidropneumático

3.1.1. Modelo Analítico

Para o sistema ilustrado na Figura 2, considera-se inicialmente que não há

entrada de água injetada pelo pistão. Então, para este sistema pode-se determinar a

velocidade do jato de água pela equação de Bernoulli, que relaciona pressões e

velocidades. Da equação de Bernoulli, tem-se:

(1)

onde P, ρ, v, g e h representam pressões, densidade de fluidos, velocidade em um

ponto, aceleração da gravidade e alturas de líquidos, respectivamente. Reescrevendo

(1) para os pontos 1 e 2 da Figura 2:

(2)

para o sistema da Figura 2 considera-se que é muito menor que , onde é a

velocidade do embolo móvel, então pode-se considerar =0. Logo obtêm-se (2) em

relação à :

Relatório Final

8

(3)

sendo que e variam no tempo e:

(4)

Para saber como varia no tempo utiliza-se a lei de Boyle-Mariotte, que analisa a

transformação gasosa isotérmica de um sistema:

(5)

que aplicado ao nosso sistema fica:

(6)

onde, é o volume total da câmara hiperbárica juntamente com o volume do

acumulador para , é a pressão inicial da câmara, e é a posição inicial do

êmbolo. Com isso tem-se a variação da pressão em função apenas de .

A pressão interna da câmara é um parâmetro que deve ser ajustado, sendo

este um dos pontos de análise. Esta pressão inicial está diretamente associada à

espessura que a câmara deve ter para suportar essa pressão, interferindo assim no

custo de fabricação da câmara e do acumulador.

Nota-se que a pressão dentro da câmara e o próprio dependem da

variação de , e esse varia com a diferença entre as vazões de entrada e saída.

Considera-se agora, que ocorra a injeção de água através do pistão com área

de seção transversal . Pela relação infinitesimal dos volumes de entrada e saída no

tempo, tem-se:

(7)

reorganizando (7), obtém-se:

Relatório Final

9

(8)

onde, o elemento é a velocidade da água injetada pelo pistão.

Pode-se reescrever (8) da seguinte forma:

(9)

onde, é a vazão de entrada, que foi considerada como na Figura 3 em

relação à posição do flutuador .

Figura 3 - Posição do flutuador – Vazão de entrada.

A Figura 3 ilustra o movimento do flutuador supondo que o flutuador siga o

movimento das ondas e que essas sejam senoidais. Como o flutuador injeta água

apenas no movimento de descida nota-se que o volume de água é injetado em pulsos.

3.1.2. Simulação do Sistema Hidráulico

Tendo como base deste estudo os dados de um protótipo de cerca de ,

simulou-se o sistema hidráulico utilizando o programa Matlab.

Reunindo (3), (6) e (9) desenvolvidas e aplicando a onda de entrada, pode-se

obter a curva da velocidade do jato de água e do deslocamento do êmbolo

como mostrado na Figura 4:

Relatório Final

10

Figura 4 – Formas de onda do acumulador hidropneumático

A partir da simulação, pode-se notar o comportamento do sistema hidráulico, que

neste caso, atua como um filtro. Assim, simulou-se algumas configurações para a

câmara hiperbárica verificando os efeitos no jato da água na saída do acumulador.

Figura 5 - Velocidade para e

A Figura 5 mostra o comportamento da velocidade da água na saída do

acumulador para uma dada configuração alterando-se o volume da câmara

hiperbárica. A análise dessa figura mostra a maior oscilação do jato quando se reduz o

volume da câmara.

3.2. Modelo da Turbina Pelton

Após a modelagem do sistema de armazenamento de energia, fez-se a

modelagem da turbina. A análise da turbina hidráulica, segundo as leis de Newton,

Relatório Final

11

determinará o torque fornecido ao gerador. A turbina do tipo Pelton é apresentada na

Figura 6.

Figura 6 – Turbina Pelton

3.2.1. Modelo Analítico

A partir da velocidade do jato de água e da área de saída pode-se

determinar o torque mecânico que a turbina irá exercer no eixo do gerador. Defini-se

um volume de contorno (V.C) entre a saída do jato de água e a pá da turbina Pelton,

ilustrada na Figura 6. Assim, de acordo com [3] temos:

(10)

que substituindo os parâmetros apresentados na Figura 6, obtém-se:

(11)

e reorganizando as variáveis, o torque do eixo será:

(12)

Relatório Final

12

onde , , , , e são respectivamente o raio, a velocidade do jato, a

velocidade angular da turbina, o ângulo de escoamento com que a água deixa a pá da

turbina, a densidade da água e a vazão.

3.3. Modelo do Sistema Elétrico

Para o estudo da parte elétrica do sistema, dado que é conhecido o torque do

eixo da turbina, utilizou-se uma máquina de indução, rotor gaiola de esquilo,

funcionando como gerador conectado a sistema de potência com . A análise é

feita com objetivo de avaliar a relação entre o dimensionamento do sistema hidráulico

e a variação da tensão e potência gerada.

3.3.1. Princípios Básicos do Gerador de Indução Conectado a Rede.

A máquina de indução é composta, assim como outras máquinas elétricas, por

uma parte fixa e uma parte girante. A fixa, chamada de estator é composta pelos

enrolamentos de armadura que estão presos à carcaça do estator. A móvel, chamada

de rotor é composta por barras de cobre curto-circuitadas.

Em uma máquina trifásica, estando os enrolamentos de cada fase do estator

defasados fisicamente em 120°, e aplicando tensão trifásica equilibrada a esses

enrolamentos, gera-se um campo girante que gira na velocidade síncrona .

Sendo o rotor gaiola de esquilo composto de barras [6], o fluxo induz uma tensão

nessas barras, induzindo então uma corrente que gera um fluxo , que gira na

velocidade em relação ao estator.

A interação dos fluxos do rotor , com o fluxo do estator , gera o fluxo

resultante . Isso pode ser ilustrado como mostrado na Figura 7.

Relatório Final

13

s

RES

R

Rotor

Estators

r

Figura 7 – Interação do campo do estator com rotor

Uma característica importante do funcionamento da máquina de indução é a

existência do escorregamento devido a diferença entre a velocidade mecânica do rotor

e o campo girante. Supondo que o campo do estator esteja na velocidade síncrona

e o rotor esteja na velocidade , o escorregamento é dado por(13):

(13)

A máquina de indução pode ser vista como um transformador, de “secundário

girante”, embora não haja nenhuma rotação em um transformador real. Para a análise

da máquina de indução o modelo do transformador é adaptado com a inserção da

resistência . A partir de [6], pode-se fazer a análise do circuito equivalente da

máquina de indução em regime permanente. A Figura 8 ilustra esse circuito.

XXR

R X

1 1 2

c m

RV1

2s

I1 I2E2

a

b

Figura 8 – Circuito equivalente máquina de indução

Na Figura 8, representa a resistência do estator, a reatância de dispersão

do estator, é a reatância de magnetização, a resistência de perda do núcleo,

e a resistência e a reatância do rotor refletida para o estator respectivamente, e é

o escorregamento. Sendo e a tensão e a corrente por fase do estator, e a

Relatório Final

14

tensão e corrente do rotor referidas ao estator. Sendo que se e for a tensão e

corrente no rotor então e .

Pode-se fazer o equivalente de Thevenin entre os pontos do circuito da

Figura 8. Assim, obtém-se o circuito representado como mostra a Figura 9.

XXR th th 2

RVth

2s

I2

a

b

Figura 9 – Circuito com equivalente de Thevenin

A partir da Figura 9 pode-se calcular a corrente como:

(14)

A compreensão da transferência de potência na máquina, é definida no diagrama

apresentado na Figura 10. Sendo a a potência elétrica, as perdas ôhmicas no

estator, a potência transferida no entreferro, perdas ôhmicas no rotor, potência

mecânica rotórica, são as perdas por histerese e Foucault somadas às

perdas de atrito e ventilação, potência mecânica de saída.

eleP

osP

gP

orP avP

hfP

Pmec

P

Figura 10 – Transferência de potência

Define-se através da Figura 8:

(15)

e

Relatório Final

15

(16)

onde é o número de fases.

Através de(15) e (16), percebe-se que:

(17)

Da Figura 10 e utilizando (17):

(18)

No entanto, deseja-se conhecer o conjugado mecânico da máquina. Assim será

possível determinar o torque que a turbina deverá impor à máquina para que ela opere

como gerador.

Para o caso geral, tem-se que o torque é dado por:

(19)

Substituindo (14) e (15) em (19):

(20)

Traçando a curva dada por (20) obtém-se a Figura 11. A partir deste gráfico pode-

se verificar que o pré-requisito para a máquina de indução operar como gerador é que

este gire a uma velocidade maior que a velocidade síncrona, então ,ou seja, a

máquina terá um escorregamento negativo.

Relatório Final

16

T

s

Motor Gerador

Figura 11- Curva

O sistema hidráulico e a turbina deverão garantir que o eixo do gerador tenha uma

rotação maior que a síncrona. Isso é garantido aplicando um torque suficientemente

negativo ou alterando o número de polos da máquina, como mostra (21):

(21)

onde, e são respectivamente a frequência e o número de pólos da máquina.

Como o gerador não tem controle de velocidade ou potência, a velocidade de

rotação dependerá do torque aplicado dado por (12), e da equação newtoniana (22),

que rege o sistema:

(22)

onde, , , e são, respectivamente, o torque mecânico, torque elétrico,

momento de inércia do conjunto turbina/gerador, e velocidade de rotação do eixo do

rotor.

Pode-se reescrever (22) multiplicando-a pela velocidade de rotação:

(23)

Relatório Final

17

onde, , e , são respectivamente potência

mecânica, potência elétrica e constante de inércia. Assim, (23) é dada por:

(24)

Através da Figura 11, verifica-se a faixa de operação que a máquina de indução

deverá operar para que ela atue como gerador quando conectado à rede. Então, o

sistema hidráulico deverá produzir um torque negativo. Analisando (12), a velocidade

deverá ser maior que a velocidade . Assim o sistema produzirá um torque

negativo, consequente de uma velocidade maior que a velocidade síncrona.

3.3.2. Modelo da Rede Elétrica

As características da geração variando os parâmetros do sistema de

armazenamento é analisado estando o gerador conectado a uma rede elétrica. O

sistema de energia elétrica será representado pelo modelo de uma fonte de tensão em

série com uma impedância (equivalente de Thevenin), como mostrado na Figura 12. O

parâmetro que define a característica da rede é a Relação de Curto-Circuito .

A relação de curto-circuito será determinada diretamente através da razão entre a

potência de curto-circuito e a potência do gerador :

(25)

Reescrevendo (25), temos:

(26)

Como a potência da máquina é conhecida, pode-se então determinar a

impedância para se obter uma relação de curto-circuito desejada:

(27)

Relatório Final

18

A partir da determinação da impedância obtém-se a resistência e a

reatância da linha. É considerado que para sistemas de baixa tensão a relação

entre e varie entre 2 e 8. Assim, considerando , pode-se obter estes

parâmetros da seguinte forma:

(28)

então:

(29)

e

(30)

Assim, pode-se representar a conexão entre a máquina de indução e a rede

elétrica através do ponto de conexão comum (PCC).

InduçãoMáquinaPotênciadeSistema

X X R X

RX

R 1122

cmR

s

s)1(

l

V1Vs

2

PCC Rl

Figura 12 – Sistema elétrico

Relatório Final

19

A Figura 12 ilustra a representação do modelo da máquina de indução e do

modelo do sistema de potência. Sendo a impedância equivalente e a tensão do

equivalente de Thevenin do sistema de potência.

A máquina de indução é composta de elementos resistivos e indutivos. Como

forma de compensar a quantidade de reativos, geralmente utiliza-se capacitores em

derivação [7]. Para este trabalho, calcula-se os capacitores suprindo a quantidade de

reativos que a máquina consome. Assim, este sistema não possui controle da potência

reativa.

3.4. Simulação do Sistema Utilizando o PSCAD/EMTDC

Para a simulação do sistema, utiliza-se o modelo da máquina de indução da

biblioteca do PSCAD/EMTDC. A rede (ou sistema de potência) é representada por

uma fonte ideal seguido de uma impedância .

O sistema é representado no PSCAD como mostrado na Figura 13.

Figura 13 – Sistema PSCAD

Simulou-se a geração para um sistema hidráulico superdimensionado, onde

foram considerados: Volume de entrada de água igual a 80 litros por bobeada,

, , conectado a uma rede com ,

considerado uma rede forte.

Relatório Final

20

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 1.0105

1.0115

1.0125

1.0135

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 0.6800

0.6900

0.7000

0.7100

0.7200

P (

p.u

)

V (

p.u

)

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

1.0170

1.0174

1.0178

1.0182

1.0186

(p.u

)

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

-0.680

-0.660

-0.640

-0.620

-0.600

-0.580

T m

ec

(p

.u)

t (s) t (s)

t (s)t (s)

(a) (b)

(d)(c)

Figura 14 – Curvas características

A Figura 14 (a) apresenta o comportamento da tensão gerada. Pode-se notar

que a tensão está acima de , isso se deve ao fato do capacitor ter sido

dimensionado para suprir a potência reativa nominal da máquina. Como a potência

gerada esta abaixo da nominal a tensão é incrementada.

A Figura 14 (b) mostra a potência ativa. É possível verificar sua flutuação

sendo a potência média gerada igual a , o que equivale a cerca

de . Esta potência ativa gerada será considerada como referência, isso porque o

volume de água bombeado é considerado freqüentemente 80 litros. Porém, devido a

variação das ondas este volume será aumentado, assim, a potência pode chegar a

.

Na Figura 14 (c) é apresentado o torque mecânico proveniente da turbina

Pelton. O valor do torque é negativo devido a referência adotada no programa para

uma máquina funcionando como gerador.

A Figura 14 (d) apresenta a velocidade de rotação. Nota-se que esta

velocidade é superior a , o que indica a operação com velocidade acima da

velocidade síncrona. Assim, a máquina está operando como gerador.

3.4.1. Efeito do Sistema de Armazenamento

A partir da simulação base feita, deseja-se analisar, a princípio, o efeito da

pressão da câmara hiperbárica e do volume da câmara.

Relatório Final

21

Assim, analisou-se o comportamento dos parâmetros de geração alterando as

configurações do acumulador hidropneumático. Considera-se a rede com ,

pressão e variou-se o volume total entre os pontos extremos

. Os resultados são apresentados na Figura 15.

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 1.0090

1.0100

1.0110

1.0120

1.0130

1.0140

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 0.660

0.680

0.700

0.720

0.740

0.760

0.780

0.800

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 1.0150

1.0160

1.0170

1.0180

1.0190

1.0200

1.0210

1.0220

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

-0.720

-0.700

-0.680

-0.660

-0.640

-0.620

-0.600

P (

p.u

)

V (

p.u

)

(p.u

)

T m

ec

(p

.u)

t (s) t (s)

t (s)t (s)

(a) (b)

(d)(c)

mV 8 3

mV 1 3

mV 8 3

mV 1 3

mV 8 3

mV 1 3

mV 8 3

mV 1 3

t

t

t

t

t

t

t

t

Figura 15 – Curvas em p.u variando-se o volume

A Figura 15 apresenta o efeito da intermitência das ondas no comportamento

da geração. A Figura 15 (a), (b), (c) e (d) mostra respectivamente a tensão, a potência

ativa, o torque mecânico e a velocidade de rotação. Verifica-se que com um maior

volume de câmara hiperbárica tem-se uma menor flutuação em todos os parâmetros

da geração. Este fato é reflexo da flutuação do jato de água (devido o

dimensionamento do sistema hidráulico).

Observa-se através da Figura 15 (a) e (d) que as variações de tensão

e velocidade são pequenas em relação a variação da

potência e torque (Figura 15 (b) e (c)), justificado pelo

fato da rede ser forte. Assim, para este caso, nota-se que o efeito da redução da

câmara interfere mais na variação da potência e torque.

Mantendo a rede com , reduziu-se a pressão para e

regulou-se a área . Variou-se o volume total e obteve-se as curvas mostradas na

Figura 16.

Relatório Final

22

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

1.0160

1.0161

1.0162

1.0163

1.0164

1.0165

1.0166

1.0167

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 0.390

0.410

0.430

0.450

0.470

0.490

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 1.0096

1.0100

1.0104

1.0108

1.0112

1.0116

1.0120

1.0124

1.0128

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 -0.480

-0.460

-0.440

-0.420

-0.400

-0.380

-0.360

-0.340

P (

p.u

)

V (

p.u

)

(p.u

)

T m

ec

(p

.u)

t (s) t (s)

t (s)t (s)

(a) (b)

(d)(c)

mV 8 3

mV 1 3

t

t

mV 8 3

mV 1 3

t

t

mV 8 3

mV 1 3

t

t

mV 8 3

mV 1 3

t

t

Figura 16 - Curvas em p.u variando-se o volume para

Novamente constata-se que para uma câmara maior tem-se uma menor

variação dos parâmetros. Porém, como a pressão da câmara diminuiu a vazão de

saída diminui assim o torque ficou reduzido (Figura 16 (c)) e a potência média gerada

(Figura 16 (b)) também teve menor valor. Assim, percebe-se que o valor da pressão

interfere no valor da potência gerada.

4. Conclusão

Com o desenvolvimento dos modelos e as simulações feitas, foi possível

analisar os efeitos da velocidade de água na saída do acumulador. Essa análise é

considerada importante porque é sabido que com a aplicação de torques variantes

(devido jatos de água variantes) em uma turbina pode-se afetar a qualidade da energia

gerada.

Através das simulações feitas, foi verificado que quanto maior o tamanho da

câmara hiperbárica menor a flutuação dos parâmetros da geração. Observou-se que a

pressão influencia na potência média gerada, ou seja, com o aumento da pressão

consegue-se extrair mais potência ativa. No entanto, essa pressão não pode ser

incrementada de forma descriminada, pois o flutuador pode não conseguir executar

seu movimento de descida (não injetando água para o acumulador).

Relatório Final

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Portanto, a partir deste trabalho, pode-se verificar que o efeito do tamanho da

câmara hiperbárica interfere na flutuação dos parâmetros da geração (tensão, torque

mecânico, potência ativa, e velocidade de rotação). Como a rede ao qual o gerador foi

conectado foi considerada forte as flutuações na tensão foram desprezíveis.

Notou-se que com um aumento da pressão interna da câmara consegue-se

extrair uma maior quantidade de potência ativa.

5. Atividades Realizadas e Aproveitamento do Estagiário

Durante o período de 8 de agosto a 28 de outubro o estagiário realizou as

seguintes tarefas:

Pesquisa sobre o tema – estudo do funcionamento do sistema e

pesquisas sobre temas relacionados que já foram realizadas.

Estudo do sistema hidráulico – verificação e compreensão do sistema

hidráulico.

Modelagem do sistema hidráulico – desenvolvimento das equações que

regem o sistema hidráulico (acumulador hidropneumático e câmara

hiperbárica).

Análise do sistema hidráulico – realização de simulações e análises do

comportamento do modelo desenvolvido.

Modelagem da turbina Pelton – desenvolvimento da equação para

determinação do torque que a turbina aplicará ao gerador.

Modelagem do sistema elétrico – desenvolvimento das equações

analíticas da máquina elétrica e modelo da rede elétrica.

Análise do sistema de geração – realização de simulações e análises,

avaliando tensão, potência ativa, torque mecânico e velocidade de

rotação da máquina elétrica. Foram observados estes parâmetros para

diferentes configurações do sistema de armazenamento (volume da

câmara e pressão).

Além do desenvolvimento teórico do sistema estudado, o estagiário, por estar

em um ambiente de pesquisa, esteve envolvido com professores, alunos

doutorandos, mestrandos e alunos de iniciação científica, o que propiciou grandes

avanços no que diz respeito a capacidade de raciocínio de pesquisa e

desenvolvimento de projetos na área de engenharia.

Relatório Final

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6. Referências

[1] P. B. G. Rosa, “Controle e Otimização de um Sistema de Conversão de Energia

das Ondas do Mar em Energia Elétrica”, Dissertação de Mestrado, COPPE –

UFRJ, 2008.

[2]Fundamentosde Física,R. Resnick, D. Halliday,vol. 2, 8ª EDIÇÃO.

[3] C. P. LIVI, Fundamentos de Fenômenos de Transporte, 2004.

[4] T. M.Monteiro; “ANÁLISE DE GERADOR DE INDUÇÃO PARA PRODUÇÃO

DE ENERGIA ELÉTRICA A PARTIR DAS ONDAS DO MAR”, Projeto Final de

Curso, DEE-UFRJ, 2009.

[5]QUINTELA, A - Hidráulica, Fundação Gulbenkian, Lisboa 2005.

[6] A. E. Fitzgerald, C. Kingsley Jr., S. D. Umans, Máquinas Elétrica, McGraw-Hill,

6a Edição.

[7]Electric machinery Fundamentals, Stephen J. Chapman, McGraw-Hill, 1999, 3a

Edição.