avaliaÇÃo tÉcnico econÔmica do emprego model-in-the …

VINICIUS ULBRICHT VIGNES

AVALIAÇÃO TÉCNICO ECONÔMICA DO EMPREGO MODEL-IN-THE-LOOP PARA

ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM AEROGERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA

FLORIANÓPOLIS

2019

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E

TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

CAMPUS DE FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA

MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA

VINICIUS ULBRICHT VIGNES

AVALIAÇÃO TÉCNICO ECONÔMICA DO EMPREGO MODEL-IN-THE-LOOP PARA

ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM AEROGERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA

Dissertação submetida ao Programa de Pós-

Graduação em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina

como parte dos requisitos para a obtenção do título

de Mestre em Mecatrônica.

Orientador: Roberto Alexandre Dias, Dr. Eng.

FLORIANÓPOLIS

2019

CDD 629.8 V684a Vignes, Vinicius Ulbricht Avaliação técnico econômica do emprego Model-in-the-loop para análise de desempenho de um aerogerador de energia elétrica [DIS] / Vinicius Ulbricht Vignes; orientação de Roberto Alexandre Dias – Florianópolis, 2019. 1 v.: il. Dissertação de Mestrado (Mecatrônica) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Inclui referências. 1. Model-in-the-loop. 2. Hardware-in-the-loop. 3. Aerogerador. 4. Energia renovável. I. Dias, Roberto Alexandre. II. Título. Sistema de Bibliotecas Integradas do IFSC Biblioteca Dr. Hercílio Luz – Campus Florianópolis Catalogado por: Edinei Antonio Moreno CRB 14/1065

“Há tempo para tudo”, Thomas Edison.

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao apoio e incentivo, das diversas pessoas às quais presto minha

homenagem:

A DEUS, pelo milagre da vida e a possiblidade de aprender.

Aos meus familiares e amigos, pelo apoio pelo incentivo diário durante minha

formação.

A todos os professores do DAMM - Departamento Acadêmico de Metal

Mecânica do IFSC por terem passado seu conhecimento, em especial ao professor

Dr. Raimundo Ricardo Cunha e a professora Dra. Cynthia Dutra devido às valiosas instruções que me foi dado.

Ao meu orientador Dr. Eng. Roberto Dias pelo encorajamento, compreensão e

orientação no desenvolvimento do trabalho.

À empresa DAYBACK por me disponibilizar seu tempo e apoio necessário à execução deste trabalho, principalmente aos mestres André Müller e Juliano Mazute

com o apoio inestimável.

A todos meus colegas os professores, com os quais pude interagir e receber

sugestões para o aperfeiçoamento do trabalho.

RESUMO Entender e mapear uma necessidade de mercado, projetar e desenvolver novos produtos baseado nessa necessidade, realizar projeto com prazos cada vez mais

curto e aporte financeiro enxuto, entre outros requisitos são demandas cada vez mais

comuns diante da competitividade do mercado, diante disto a empresa DAYBACK que

atua no segmento de energia renovável está vendo o crescimento das vendas de

sistemas de geração de energia baseado em fontes de energia renovável que está

relacionado a resolução normativa nº 482/2012 da Agência Nacional de Energia

Elétrica – ANEEL, que aprovou o sistema de compensação de energia elétrica,

permitindo que empresas e pessoas físicas gerem sua própria energia através de

fontes renováveis em sua unidade consumidora, com o objetivo de reduzir o valor da

fatura de energia. A empresa está na fase final de desenvolvimento de um

aerogerador próprio, com patente pendente. Foi ganhadora do 3º lugar no prêmio PROTESTE INOVAÇÃO, em 2015. A empresa também ganhou, em 2017, o edital

ANEEL e AES para lote piloto, com expectativa de entrega de 36.558 unidades para

a cidade de São Paulo até o final do ano de 2020. A empresa tendo em vista à

necessidade de se tornar mais competitiva, objetiva estudar os conceitos da

tecnologia model-in-the-loop em parceria com mestrando do IFSC - Instituto Federal

de Santa Catarina como ferramenta de simulação, teste e prototipagem em comparação com outras tecnologias de ensaios para aerogeradores, como bancadas

de testes de desempenho de alternadores eólicos, túneis de vento e ensaios em

campo e os custos atrelados aos diferentes tipos de testes. Através de um modelo

matemático de um aerogerador disponível no LabVIEW, pode-se estudar e entender

a desenvoltura da ferramenta para simulações complexas, onde demonstrou-se capaz

de receber valores de entrada, podendo estes, serem valores históricos de um

determinado local onde estuda-se a possibilidade de implantação de um sistema

eólico e desta forma, através das simulações, analisar como seria os valores de

geração. Este trabalho também demonstra que é possível desenvolver tecnologias na

área de aerogeradores sem a necessidade de possuir um aerogerador ou depender

das condições climáticas.

Palavras-chave: Model-in-the-loop, Hardware-in-the-loop, Aerogerador, energia

renovável.

ABSTRACT

Understand and map a market need, design and develop new products based on this need, carry out project with shorter deadlines and lean financial support, among other

requirements are increasingly common demands in the face of market

competitiveness, in front of this company DAYBACK which operates in the renewable

energy segment, is seeing the growth of sales of systems of generation of energy

based on renewable energy sources that is related to normative resolution nº 482/2012

of Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, which approved the compensation

system of electricity, allowing companies and individuals to generate their own energy

through renewable sources in their consumer unit, with the goal of reducing the value

of the energy bill. The company is in the final phase of developing its own, patent-

pending wind turbine. It was the 3rd place winner in the PROTESTE INOVAÇÃO award

in 2015. In 2017, the company also won the ANEEL and AES bid for a pilot lot, with an expected delivery of 36,558 units to the city of São Paulo by the end of 2020 The aim

of this study is to study the concepts of model-in-the-loop technology in partnership

with IFSC - Federal Institute of Santa Catarina as a simulation, test and prototyping

tool in comparison with other testing technologies for wind turbines, such as wind

turbine performance test benches, wind tunnels and field trials, and the costs

associated with different types of tests. Using a mathematical model of a wind turbine available in LabVIEW, one can study and understand the tool's ease of use for complex

simulations, where it has been able to receive input values, which can be historical

values of a certain place where it is studied. it is possible to implement a wind system

and thus, through the simulations, analyze how the generation values would be. This

work also demonstrates that it is possible to develop technologies in the area of

aerogenerators without the need to own a wind turbine or depend on the climatic

conditions.

Keywords: Model-in-the-loop, Hardware-in-the-loop, Wind turbine, renewable energy.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – 15 Melhores mercados de energia eólica ................................................... 3

Figura 2 – Capacidade instalada de energia eólica por continente ............................. 4

Figura 3 - Primeira turbina eólica 1992........................................................................ 5

Figura 4 - Segunda turbina de Fernando de Noronha ano 2000 ................................. 6

Figura 5 - Indicadores eólicos conectados à rede no início de 2019 ........................... 7

Figura 6 - Incidência do sol sobre circulação atmosférica ........................................... 9

Figura 7 - Rosa dos ventos Rio Grande do Sul frequência x direção ........................ 10

Figura 8 - Parque eólico ............................................................................................ 10

Figura 9 – Esquemático genérico de uma turbina eólica ........................................... 11

Figura 10 - Diferentes tipos de aerogeradores .......................................................... 12

Figura 11 - Aerogerador de eixo vertical ................................................................... 13

Figura 12 - Aerogerador de eixo horizontal ............................................................... 14

Figura 13 - Comparativo do tamanho das turbinas eólicas ....................................... 14

Figura 14 - Turbina com velocidade fixa.................................................................... 15

Figura 15 - Turbina de geração com velocidade variável .......................................... 16

Figura 16 - Tipos de arranjos de geradores eólicos .................................................. 17

Figura 17 – X-in-the-loop inserido nas fases do projeto ............................................ 18

Figura 18 – Sistema HIL para teste de controladores de aerogeradores .................. 19

Figura 19 – Massa de ar atravessando uma determinada área ................................ 20

Figura 20 - Lei de Betz .............................................................................................. 22

Figura 21 - Curva do coeficiente de potência ............................................................ 23

Figura 22 - Corte transversal das pás ....................................................................... 24

Figura 23 – Aerogerador KATALYST ........................................................................ 25

Figura 24 - Chapa com os imãs ................................................................................ 26

Figura 25 - Montagem das bobinas ........................................................................... 26

Figura 26 - Parte do projeto do alternador................................................................. 26

Figura 27 – Desenho protótipo do aerogerador DAYBACK ....................................... 26

Figura 28 - Aerogerador desenvolvido pela DAYBACK ............................................ 27

Figura 29 – Modelo PRODIP adaptado de Romano (2003) e Back et al. (2008) ...... 28

Figura 30 – Kit myRIO ............................................................................................... 29

Figura 31 - Painel frontal do programa exemplo ....................................................... 30

Figura 32 - Diagrama de blocos do programa exemplo............................................. 31

Figura 33 - Diagrama de blocos do modelo NI .......................................................... 33

Figura 34 - Painel frontal do modelo NI ..................................................................... 33

Figura 35 - Power Grid .............................................................................................. 34

Figura 36 - Controller................................................................................................. 35

Figura 37 - Wind turbine ............................................................................................ 35

Figura 38 - Drive train ................................................................................................ 36

Figura 39 - Wound rotor AC induction machine ......................................................... 37

Figura 40 - Painel frontal do wound rotor AC induction machine ............................... 38

Figura 41 – Solução para monitoramento de aerogeradores em campo .................. 39

Figura 42 – Aerogerador ensaiado em túnel de vento do IPT ................................... 40

Figura 43 - Arranjo do ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico

alimentado mecanicamente por sistema de acionamento com conjunto, motor de

indução e inversor de frequência .............................................................................. 41

Figura 44 - Arranjo do ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado mecanicamente por um conjunto de servo acionamento ........................ 42

Figura 45 – Gerador de rampa .................................................................................. 43

Figura 46 – mapa com todas estações meteorológicas automáticas no país ........... 44

Figura 47 – Seleção do período ................................................................................ 45

Figura 48 – Parte do código LabVIEW que carrega a leitura dos valores ................. 45

Figura 49 – dados carregados no LabVIEW.............................................................. 46

Figura 50 – Conjunto de ensaio com inversor, motor e alternador ............................ 47

Figura 51 – Parte do algoritmo LabVIEW para variabilidade do vento ...................... 47

Figura 52 – Valores gerados de velocidade do vento ............................................... 48

Figura 53 – Conector MSP myRIO ............................................................................ 48

Figura 54 – Sistema com entrada de referência em tensão ...................................... 49

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Valores do ensaio em campo ................................................................... 50

Tabela 2 - Valores do ensaio no túnel de vento ........................................................ 50

Tabela 3 - Valores do ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico

alimentado mecanicamente por sistema de acionamento com conjunto, motor de

indução e inversor de frequência .............................................................................. 51


alimentado mecanicamente por um conjunto de servo acionamento ........................ 51

Tabela 5 - Valores do ensaio em ambiente virtual .................................................... 52

Tabela 6 – Valores do Software LabVIEW ................................................................ 52

Tabela 7 – Resumo dos orçamentos ......................................................................... 52

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANEEL – Agencia Nacional de Energia Elétrica SIN – Sistema Interligado Nacional MIL – Model-In-The-Loop SIL – Software-In-The-Loop HIL – Hardware-In-The-Loop IEC – International Electrotechnical Commission ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas NI – National Instruments cRIO – CompactRio cDAQ – CompactDaq FPGA – Field Programmable Gate Array VIs – Virtual Instruments LabVIEW – Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench IFSC – Instituto Federal de Santa Catarina NBR – Norma Brasileira Regulamentadora UFPE – Universidade Federal de Pernambuco CELPE – Companhia Energética de Pernambuco CEMIG – Companhia Elétrica de Minas Gerais SIN – Sistema Elétrico Interligado Nacional CELESC – Centrais Elétricas de Santa Catarina WTI – Wineman Technology Incorporated PRODIP – Processo de Desenvolvimento Integrado de Produto UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina

COBEI – Comitê Brasileiro de Eletricidade, Eletrônica, Iluminação e Telecomunicações

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÂO ...................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ........................................................................................................ 1

1.1.1 Objetivo geral ........................................................................................... 1

1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................... 1

1.2 Justificativa e relevância ................................................................................ 1

2 REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................. 3

2.1 Cenário nacional e internacional de geração eólica ....................................... 3

2.1.1 Cenário Internacional ............................................................................... 3

2.1.2 Cenário nacional ...................................................................................... 4

2.1.3 Micro e mini geradores eólicos ................................................................ 8

2.2 Formação dos ventos ..................................................................................... 9

2.3 Características dos aerogeradores .............................................................. 11

2.3.1 Aerogeradores verticais ......................................................................... 12

2.3.2 Aerogeradores horizontais ..................................................................... 13

2.3.3 Parâmetros elétricos .............................................................................. 15

2.4 X-in-the-loop ................................................................................................. 18

2.5 Modelagem................................................................................................... 20

3 MATERIAL E MÉTODO ...................................................................................... 25

3.1 Problema de pesquisa .................................................................................. 25

3.2 Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos - PRODIP ................ 28

3.3 Plataforma National Instruments .................................................................. 29

3.3.1 myRIO ................................................................................................... 29

3.3.2 LabVIEW................................................................................................ 30

3.3.3 Modelo de aerogerador NI ..................................................................... 32

3.4 Tipos de teste ............................................................................................... 39

3.4.1 Ensaio em campo .................................................................................. 39

3.4.2 Ensaio em túnel de vento ...................................................................... 40

3.4.3 Ensaio por motor de indução ................................................................. 40

3.4.4 Ensaio por servomotor ........................................................................... 41

3.4.5 Abordagem proposta: Ensaio MIL em ambiente virtual ......................... 42

3.5 Resultados e discussão ............................................................................... 50

4 Conclusão ........................................................................................................... 55

4.1 Trabalho futuro ............................................................................................. 57

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 58

5 ANEXOS ............................................................................................................. 61

5.1 ANEXO A – Orçamento da calibração do aerogerador ................................ 61

5.2 ANEXO B – Orçamento anemômetro ........................................................... 62

5.3 ANEXO C – Orçamento anemômetro .......................................................... 63

5.4 ANEXO D – Orçamento acionamentos inversor, kit servo motor e driver .... 64

5.5 ANEXO E – Orçamento LabVIEW ................................................................ 65

5.6 ANEXO F – Orçamento Motor Trifásico ....................................................... 66

5.7 ANEXO G – Orçamento Multimedidor .......................................................... 67

5.8 ANEXO H – Orçamento aerogerador horizontal........................................... 68

5.9 ANEXO I – Orçamento conjunto eólico “on-grid” completo .......................... 69

1

1 INTRODUÇÂO

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo geral

Avaliar o custo relativo ao teste de aerogerador de pequeno porte de energia

elétrica de até 1 kW, utilizando o conceito model-in-the-loop.

1.1.2 Objetivos específicos

- Pesquisar diferentes tipos de ensaios para aerogeradores de pequeno porte de até

1 kW.

- Levantamento dos custos financeiros de cada tipo de teste.

- Pesquisar sobre a tecnologia model-in-the-loop e onde ela está sendo aplicada no

mercado.

- Buscar na literatura e ou em outros trabalhos por um modelo de aerogerador.

- Buscar na literatura e ou em outros trabalhos por um modelo de vento, que de

preferência possua ou possibilite a inserção de rajadas de vento.

1.2 Justificativa e relevância

O fator motivador para realização deste trabalho veio da necessidade de desenvolver

novos produtos e ou realizar projetos com prazos cada vez mais curtos e aportes

financeiros enxutos, entre outros requisitos. Para Prodanov e Freitas (2013) os

produtos estão com especificações de alto nível como o suporte a diversos tipos de ambientes, grande variação de temperatura, umidade, e aumento da vida útil.

Para Canadas (2013) o conceito model-in-the-loop é o teste através da

simulação e por não necessitar dos componentes reais é mais economicamente

atrativa.

O conceito X-in-the-loop junto ou complementado por outras técnicas como

Projeto Baseado em Modelo de Mecatrônica chamado por Mechatronics Model Based

2

Design na literatura estrangeira, objetiva a assertividade em cada etapa do

desenvolvimento e permite também substituir parcialmente ou completamente a fase

de projeto conceitual e projeto preliminar da metodologia PRODIP através do uso da simulação.

Como recorda Passos a capacidade fornecida por um software de computador

de simular peças mecânicas, permitiu o desenvolvimento de protótipos mais

econômicos e rápidos.

PASSOS (2008, p.13) A prototipagem rápida é uma ferramenta que permite a construção de protótipos de uma maneira econômica e segura. Esse conceito era muito utilizado anteriormente para a construção de protótipos de peças mecânicas a partir de um projeto desenvolvido em CAD (Computer Aided Design) [...].

Este trabalho explora o modelo x-in-the-loop que engloba os conceitos model-in-

the-loop abreviado por MIL, hardware-in-the-loop abreviado por HIL e software-in-the-

loop abreviado por SIL, neste trabalho serão vistos os MIL e o HIL.

A abordagem deste trabalho é voltada para o mercado de empresas startups que

produzem ou pensam em produzir pequenos aerogeradores. Devido a sua grande capacidade de adaptação, esta solução pode ser utilizada para desenvolvimento de

projetos em universidades com intuito de estudar e simular sistemas eólicos.

Dentro deste contexto, este trabalho também é indicado a estudantes,

pesquisadores, professores e interessados na área de simulação que buscam

conhecer melhor as vantagens da simulação e novas tendências.

3

2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Cenário nacional e internacional de geração eólica

2.1.1 Cenário Internacional

É fato que a energia eólica está passando por um período de transição com

viés de se tornar completamente comercial, deixando de ser uma tecnologia que

necessita de subsídios do governo para poder competir fortemente no mercado de energia mista com diversas fontes energéticas como fóssil e nuclear que tem

fortíssimo um subsidio, a energia eólica cresceu devido aos investimentos feitos como

em 2017 foram de 333,5 bilhões de Dólares, representando 3% acima de 2016, porém

abaixo do recorde de 2015 que acumulou 348,5 bilhões de Dólares, onde somente a

China foi responsável por 40% do total. GWEC, (2018).

Como recordado por PINTO, (2014) “Em pouco mais de 20 anos, a utilização da energia eólica amadureceu de uma fonte de energia elétrica cara e experimental

até estabelecer uma indústria que tem sua competitividade aumentando em relação

às fontes não renováveis de energia.”

Palestrantes como Shane Sun entendem que o Brasil está na categoria dos 15

melhores mercados de energia eólica como demonstra a Figura 1 Global footprint and

key milestones ou principais mercados no mundo.

Figura 1 – 15 Melhores mercados de energia eólica

Fonte: SUN, (2017)

4

Na lista da Global Wind Energy Council – GWEC, mostrou que o Brasil está em

primeiro lugar na lista da américa latina em capacidade instalada de geração eólica, a

frente de Chile, Uruguai e Costa Rica.

Entretanto como mostra a Figura 2, a América Latina ainda está muito longe de continentes como Europa, América do Norte e principalmente Ásia, pois conforme

recorda Paula (2015) o investimento feito no Brasil entre os anos de 1999 e 2012 foi

de 806 milhões de reais, valor considerado baixo quando comparado com Estados

Unidos que investiram bilhões de dólares somente em 2012.

Figura 2 – Capacidade instalada de energia eólica por continente

Fonte: GWEC, (2018)

2.1.2 Cenário nacional

Da mesma forma que ocorreu no continente Europeu, a utilização da energia

eólica era feita principalmente com intuito de utilizar a energia mecânica para zona

rurais, para bombeamento d’àgua ou para geração elétrica porém em pequeno porte

(PINTO, 2014)

5

A primeira turbina eólica de geração de energia elétrica exibida na Figura 3, foi

instalada em 1992 no arquipélago de Fernando de Noronha em Pernambuco pela

Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, com financiamento do Folkecenter, instituto de pesquisa dinamarquês em parceria com a Companhia Energética de

Pernambuco – CELPE. Um gerador de 75 kW e pás de 17 metros de diâmetro,

correspondendo na época por 10% da energia gerada na ilha, proporcionando uma

economia aproximada de 70.000 litros de óleo diesel por ano. (ANEEL, 2005).

Figura 3 - Primeira turbina eólica 1992

Fonte: ANEEL, (2005)

A segunda turbina, também em Fernando de Noronha mostrada na Figura 4 foi

construída em 2000 e entrou em operação em 2001. As duas turbinas correspondem

até 25% da energia gerada na ilha, tornando Fernando de Noronha o maior sistema

hibrido eólico-diesel do Brasil. (ANEEL, 2005).

6

Figura 4 - Segunda turbina de Fernando de Noronha ano 2000


As turbinas de Fernando de Noronha são desconectadas da rede elétrica nacional, entretanto Minas Gerais teve a primeira turbina conectada à rede elétrica

“Em 1994, a Companhia Elétrica de Minas Gerais - CEMIG instalou a Usina Eólio -

Elétrica (UEE) Experimental do Morro do Camelinho, com potência instalada total de

1.000 kW, no município de Gouveia, MG. Esta foi a primeira usina eólica do Brasil

conectada ao Sistema Elétrico Interligado Nacional - SIN.” (PINTO, 2014, p. 32).

A primeira turbina eólica do estado de Santa Catarina foi instalada no município

de Bom Jardim da Serra em 2002, em uma parceria entre as Centrais Elétricas de

Santa Catarina - CELESC e a fabricante de aerogeradores Wobben Windpower, que

posteriormente, em 2003 inaugurou o parque eólico no município de Água Doce,

primeiro do estado. (CELESC, [s.d.])

A ANEEL através do seu site permite pesquisar por todas as centrais geradoras conectadas ao sistema elétrico interligado nacional do Brasil demostradas através da

Figura 5, onde é possível observar a pesquisa feita por fonte eólicas onde o país conta

com 57 aerogeradores e turbinas eólicas ligadas à rede elétrica do Brasil, com

potência total instalada de 10.314,40 kW.

7

Figura 5 - Indicadores eólicos conectados à rede no início de 2019


8

Se analisarmos os valores da geração distribuída, veremos que a geração

eólica ligada a rede elétrica do país, corresponde a 1,6% de geração em comparação

a outras fontes de energia, esse valor é relativo a todos os sistemas eólicos existentes como grandes parques eólicos à aerogeradores de pequeno porte residencial.

2.1.3 Micro e minigeradores eólicos

Para Bianchi; Battista; Mantz, (2007) Com a revolução industrial, a energia

mecânica proveniente de pequenos aerogeradores foi gradualmente substituída por

combustíveis fósseis, sendo que os moinhos de vento foram praticamente relegados

para bombear água para uso agrícola.

E posteriormente a energia mecânica proveniente da energia eólica, voltou a

ser utilizada, mas desta vez para geração de energia elétrica. O primeiro moinho de

vento a gerar eletricidade foi construído em julho de 1887, na cidade escocesa de

Glasgow pelo engenheiro eletricista e professor James Blyth (1839-1906), do

Andersons`s College, atual Universidade de Strathclyde. Blyth conseguiu a patente britânica da turbina (PINTO, 2014).

Após a crise do petróleo da década de 1970, a tecnologia do vento

experimentou uma revolução. [...] Como resultado, novos materiais e projetos

modernos de turbinas foram desenvolvidos, iniciando a geração de energia eólica em

larga escala (BIANCHI; BATTISTA; MANTZ, 2007).

Para Ereno (2010) foi estimado que somente em 2008 foram vendidos no mundo inteiro cerca de 19 mil aerogeradores de pequeno porte por cerca de 220

fabricantes, mostrando um aumento de 53% em relação ao ano anterior.

Somente na China Rueter; Pontes (2011) citam que o mercado de fontes

renováveis como emergente onde os micros e mini geradores estão se tornando

popular, onde um dos pontos positivos é o aumento da potência destes equipamentos.

Foi estimado que somente em 2010 a China teve uma produção de 130 mil unidades

de pequenas turbinas.

Entretanto vale ressaltar que estes valores, relacionados a micro e mini turbinas

nem sempre aparecem nas estatísticas oficiais da ANEEL pois os aerogeradores que

não possuem ligação com a rede elétrica nacional, não são obrigado a ter o registro

no órgão e desta forma não aparecem nas estáticas oficiais como a Erro! Fonte de

9

referência não encontrada., Erro! Fonte de referência não encontrada.passando

impressão que existem somente 57 aerogeradores no Brasil.

Para Scheidt et al., ([s.d.]) os sistemas de geração de energia através de aerogeradores de pequeno porte tornou-se viável em locais onde possam ser

instalados em pequenas torres ou a uma determinada altura, onde não tem mais

obstáculos como arvores e prédio. Outros fatores determinantes foram principalmente,

o custo da energia elétrica que vem aumentando ao longo do tempo enquanto o valor

para instalar um sistema eólico de pequeno porte diminui e a flexibilização que a

resolução 482/2012 permitiu gerar energia com sistemas de potência menor que 75

mil watts pico e abater na conta de energia da concessionária.

2.2 Formação dos ventos

Como é possível observar na Figura 6, a energia proveniente da irradiação solar

provoca o aquecimento não uniforme das massas de ar, gerando a circulação das

mesmas.

Figura 6 - Incidência do sol sobre circulação atmosférica

Fonte: CAMARGO et al., (2002)

Ventos norte-noroeste são mais intensos, entretanto de pequena duração. A

passagem da frente vem acompanhada pelo Minuano, que é o ar polar na direção

10

sudoeste, estes podem exceder velocidades de 10m/s por período de alguns dias

(CAMARGO et al., 2002).

“Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais cessam de “soprar”, pois os mecanismos que os produzem (aquecimento no equador e

resfriamento nos pólos) estão sempre presentes na natureza.” (CRESESB, 2008 p. 2)

Para determinar o local de instalação de grandes parques eólicos, são efetuado

uma série de medições como por exemplo na Figura 7 o estudo de frequência versus

direção dos ventos disposto em um gráfico radar, podendo determinar para qual lado

o parque eólico ficará voltado.

Figura 7 - Rosa dos ventos Rio Grande do Sul frequência x direção


Estes estudos também determinarão o local de instalação e o melhor local para

cada torre, conforme exemplifica a Figura 8 que é relativa à distribuição dos locais

onde serão instaladas as turbinas.

Figura 8 - Parque eólico

11


2.3 Características dos aerogeradores

Os aerogeradores são formados por um conjunto de peças e outros pequenos subconjuntos com a intenção de converter a energia cinética dos ventos em energia

elétrica. Para Pavinatto (2005) o item mais importante de um aerogerador são as pás

da turbina ou rotor logo após vem o multiplicador mecânica e o gerador elétrico que

converte energia mecânica em elétrica possuindo um esquema similar a Figura 9.

Figura 9 – Esquemático genérico de uma turbina eólica

Fonte: Pavinatto (2005)

A orientação do eixo rotacional determina a primeira classificação da turbina

eólica. Uma turbina com um eixo montado horizontalmente paralelamente ao solo é conhecida como uma turbina eólica de eixo horizontal. Uma turbina eólica de eixo

vertical tem o seu eixo normal ao solo. (SCHUBEL; CROSSLEY, 2012)

Segundo Bak (2013) os aerogeradores além de serem divididos entre verticais e

horizontais, complementa categorizando como baixa velocidade rotacional, devido ao

12

alto torque e de alta velocidade rotacional que é mais comum para geração de energia

elétrica.

Entretanto a taxonomia dos aerogeradores foram sendo alteradas conforme os estudos vão avançando na área de mecânica, na Figura 10 observa-se diferentes

formatos de aerogeradores onde é possível ver a fisionomia mais tradicionais como o

Aleko, Air 40, In-vento, Avant Garde Innovations e o Notus voltado para o eixo

horizontal e voltado para o eixo vertical está disposto o Maglev e Razec. Podemos ver

a mistura das tecnologias cada um buscando maximizar a geração de energia elétrica,

e em alguns casos, podemos ver a junção de tecnologias diferentes, como Maglev

que mistura Savonius que são as pás pelo lado de dentro e Darrieus que são as pás

pelo lado de fora, ou o aerogerador Energy Ball que mistura o conceito vertical da

Darrieus com o conceito de eixo horizontal.

Figura 10 - Diferentes tipos de aerogeradores

Fonte: Autor desconhecido, [20-]

2.3.1 Aerogeradores verticais

Segundo CRESESB (2008), aerogeradores que possuem geração através de eixo vertical, não necessitam de mecanismos para acompanhar a variação da direção

do vento o que reduz a complexidade do projeto, existindo dois principais tipos de

rotores, sendo eles a Darrieus e Savonius.

13

Na Figura 11 é exibido a turbina Darrieus que segundo Scheidt et al. ([s.d.])

esse tipo de turbina tem a capacidade de começar a funcionar com pouco vento, além

da vantagem de suportar melhor ventos turbulentos sendo ideal para áreas urbanas.

Figura 11 - Aerogerador de eixo vertical

Fonte: (PHILIPUS, 2017)

“Todavia, as desvantagens desta topologia incluem a impossibilidade de

controle da rotação para proteção do gerador, necessitando obrigatoriamente de um

sistema de frenagem.” (CORRÊA, 2014, p. 31).

2.3.2 Aerogeradores horizontais

Para Scheidt et al. ([s.d.]) os aerogeradores de eixo vertical que possuem três

pás ou mais são mais eficientes quando comparado com outros tipos contudo o vento

não pode ter muitas mudanças de direção e são inadequados para local onde os

ventos são turbulentos. Na Figura 12 é possível observar a foto do aerogerador

instalado pela DAYBACK, antes da mudança de nome fantasia, quando a empresa

ainda se chamava Pensys. Nesta foto é possível observar um aerogerador horizontal

de três pás.

14

Figura 12 - Aerogerador de eixo horizontal

Fonte: Do autor, 2018

Segundo Chortis (2013) o aumento na capacidade de produção energética está

interligado com o aumento do tamanho dos rotores e pás, que devidos a materiais mais flexíveis e avançados como fibra de carbono, Epóxi e Vidro/Epóxi tornou possível

um aerogerador horizontal exceder 60 metros de comprimento como exemplificado na

Figura 13.

Figura 13 - Comparativo do tamanho das turbinas eólicas

Fonte: CHORTIS (2013)

15

2.3.3 Parâmetros elétricos

Segundo Miranda (2014), as primeiras turbinas eólicas de geração de energia

elétrica, operavam com velocidades fixas ou quase constantes, tendo a velocidade do

rotor fixa e determinada pela frequência da rede, porém como o vento é um fator muito

imprevisível, em determinados momentos, as turbinas tinham de ser desconectadas

da rede, devido aos problemas que causavam. Conforme recordado por Blaabjerg et al., (2004), a geração de energia elétrica

das primeiras turbinas eólicas eram através de geradores de indução de gaiola de

esquilo, diretamente conectado à rede, desta forma a transferência dos pulsos

mecânicos gerados pelos ventos, são transferidos para rede elétrica. O autor vê a

eletrônica de potência como a tecnologia-chave para tornar a energia eólica, uma

fonte ativa de energia. Na Figura 14 é demonstrado uma turbina de velocidade fixa. “O enrolamento

do rotor pode ser ligado a uma resistência variável, permitindo maior variação da

velocidade (cerca de 2 a 4% aproximadamente).” (MIRANDA, 2014, p. 17).

Figura 14 - Turbina com velocidade fixa

Fonte: MIRANDA, (2014)

De acordo com Miranda (2014), a turbina da Figura 15 passa a ter seu campo

eletromagnético induzido externamente por um conversor CA-CC-CA como forma de

controle permitindo a variação da velocidade e possuindo um valor de custo

competitivo, porém a desvantagem está relacionada com a necessidade da caixa de

redução (gearbox) e a necessidade da rede elétrica para operação. Vale ressaltar que

este tipo de turbina também pode possuir controle de ângulo de pá, melhorando ainda

mais o controle sobre a turbina.

16

Figura 15 - Turbina de geração com velocidade variável

Fonte: BLAABJERG et al., (2004)

Na Figura 16 é apresentado os sistemas geradores mais comuns existentes,

onde o sistema VI corresponde a um sistema controlado totalmente eletronicamente,

onde este controle é responsável pelo controle do fluxo energético, com um rotor tipo

gaiola de esquilo.

No sistema VIII o rotor é alimentando por um conversor CA-CC, que devido

suas características físicas e elétricas, deixa necessariamente de usar uma caixa de

engrenagens, visto que o gerador pode trabalhar na velocidade da turbina

O gerador IX utiliza imãs permanentes e diferente dos outros sistemas, não

necessita de excitação, entretanto é uma tecnologia de maior custo. “Em suma, os sistemas que utilizam máquinas síncronas contribuíram

extraordinariamente para a conversão eficiente e robusta da energia mecânica da

turbina em energia elétrica, assim são alvo de inúmeras pesquisas na área de geração

eólica.” (MIRANDA, 2014, p.19).

17

Figura 16 - Tipos de arranjos de geradores eólicos

Fonte: BLAABJERG et al., (2004)

18

2.4 X-in-the-loop

Um projeto de forma genérica geralmente possui diversas etapas e geralmente

utiliza pessoas, ferramentas e ou softwares diferentes em cada etapa, o X-in-the-loop

ou XIL é uma série de ferramentas como Model-in-the-loop – MIL, Software-in-the-

loop – SIL e Hardware-in-the-loop – HIL, que são ferramentas que podem ser

utilizadas individualmente, ou podem ser utilizadas juntas e somadas a metodologia do projeto e suas fases.

Podemos observar a Figura 17 desenvolvida pela ACOSAR, uma empresa do

ramo de projeto e desenvolvimento de sistemas de simulações virtuais, que

desenvolveu um fluxo de processo utilizando o XIL e pode-se observar que na

segunda etapa do projeto, logo após o conceito estar definido, começa o

desenvolvimento do modelo e o teste desse modelo em desenvolvimento, na terceira etapa começa o desenvolvimento do software que irá utilizar as informações do

modelo já desenvolvido na etapa anterior começa a ser escrito e testado, e por fim,

esse sistema é testado a nível de hardware, validando o projeto.

Figura 17 – X-in-the-loop inserido nas fases do projeto

Fonte: ACOSAR, (2018)

Fazendo uma analogia simplória com o desenvolvimento de um sistema de

controle para um aerogerador, a primeira etapa seria a definição e conceito do

produto, na segunda etapa seria desenvolvido o modelo matemático do aerogerador,

19

como modelo das pás, gerador e o meio que ele está envolvido, como vento, outras

condições climáticas, entre outros. A terceira etapa seria desenvolvido um software

que baseado nos modelos, como por exemplo a potência recebida pelas pás que virá do modelo do vento será utilizada pelo sistema controle que toma a decisão do ângulo

da pá, entre outras decisões.

Na última etapa já com o sistema de controle pronto fisicamente, ele é testado

com um outro sistema físico que simula as características do aerogerador, similar ao

sistema da Figura 18 onde a esquerda está o sistema de controle e de simulação e a

direita está o sistema físico para simular um aerogerador, onde o sistema de

simulação atuará sobre o motor de indução (Inductance motor), gerando energia

mecânica para o sistema e simulando o vento na turbina. Essa energia irá para a caixa

de redução, passando pelo sistema de medição de torque e por fim para o sistema de

geração de energia que converterá energia mecânica em elétrica.

Figura 18 – Sistema HIL para teste de controladores de aerogeradores

Fonte: CENGIZ, (2015)

O sistema de controle neste caso funcionará controlando a potência de saída

da turbina, atuando sobre o sistema de geração de energia.

20

2.5 Modelagem

A energia eólica nada mais é que a energia cinética do vento, e para um melhor

entendimento desta energia é demonstrado na Figura 19 onde encontra-se um cilindro

com área A que é atravessado perpendicularmente por uma massa de ar M e com

uma velocidade V.

Figura 19 – Massa de ar atravessando uma determinada área

Fonte: PINTO, (2014)

Desta forma é possível formular a equação (1) que demonstra que a energia

cinética aumenta com o quadrado da velocidade do vento. Segundo PINTO (2014)

simplificando a explicação é possível dizer que se duplicarmos a velocidade de um ventilador, estamos aumentando em quatro vezes a energia cinética do vento.

A turbina eólica capta a energia cinética realizada através do movimento das pás do

aerogerador. Segundo LIMA; JR; PAULA (2011) a massa de ar “m” possui energia e

se move em uma velocidade “V” é dado pelo raciocínio abaixo.

(1)

A potência do ar é dada pela equação:

푃표푡ê푛푐푖푎 =12 ∗

(푟푎푧ã표 푣표푙푢푚é푡푟푖푐푎 푑푎 푚푎푠푠푎 푝표푟 푠푒푔푢푛푑표) ∗ 푉 (2)

Potência pela razão volumétrica é dada pela equação:

21

(3)

Onde:

P – Potência [W].

ρ – Densidade do ar [kg/m³].

A – Área varrida pelas pás do aerogerador [m²].

V – Velocidade do vendo [m/s].

A equação que extrai a potência 푃 do vento através das pás do aerogerador é

a diferença entre a velocidade da frente e atrás das pás, que é dada pela equação:

(4)

Onde 푅 é a vazão volumétrica da massa de ar por segundo e 푉 para 푉 é a

velocidade do ar é descontinua no plano das pás do rotor.

Segundo LIMA; JR; PAULA (2011) O fluxo de massa de ar que passa através

das pás é dada pela equação:

푡푎푥푎 푑푒 푓푙푢푥표 푑푒 푎푟 = 휌 ∗푉 + 푉

2 (5)

Sendo assim a potência 푃 extraída pelo rotor será:

(6)

Expressa algebricamente por:

(7)

Simplificada:

22

(8)

Onde Cp é:

(9)

A lei de Betz ou coeficiente de potência denominado de 퐶 desenvolvido pelo

físico alemão Albert Betz em 1919 determina que somente 59,3% da energia cinética

do vento pode ser convertida a energia mecânica. Para Maia et al., (2011) a Figura 20

demonstra a massa de ar a montante da turbina sofrendo desaceleração na passagem

em direção a jusante e neste momento na região próximo a linha das pás, o fluxo de

ar se expande devido à desaceleração.

Figura 20 - Lei de Betz

Fonte: MAIA et al., (2011)

Na Figura 21 é demonstrada a curva do 퐶 onde no eixo x está a razão entre a

velocidade do ar a montante e a jusante e no eixo y está a capacidade máxima de obtenção de potência em relação em relação a velocidade da massa de ar, trada nas

equações acima como 푉 .

23

Figura 21 - Curva do coeficiente de potência

Fonte: PINTO, (2014)

O conhecimento relativo ao 퐶 e a razão da velocidade do ar na turbina é

importante pois segundo Ramos et al. (2006) se fosse possível extrair toda energia cinética do vento, o mesmo sairia com velocidade nula, desta forma o ar não poderia

abandonar a turbina, então neste caso não seria possível extrair nenhuma energia.

Se o ar passar pelas pás do aerogerador sem nenhum impedimento, também não

será extraído energia cinética.

Não possuímos controle sobre a velocidade em que o vento estará a montante

da turbina para controlarmos o 퐶 entretanto conforme citado por Tarnowski (2006)

turbinas horizontais de maior porte podem possuir como forma de controle de

velocidade e torque mecânico o ângulo de ataque das pás.

Na Figura 22 é apresentado um corte transversal de uma pá de turbina, onde

푉 é o vetor de velocidade e sentido do vento, 푟휔 é o vetor referente a velocidade e

sentido do movimento de pá e 푉 é a velocidade relativa de fluxo de ar.

24

Figura 22 - Corte transversal das pás

Fonte: TARNOWSKI, (2006)

O 훼 é o ângulo de ataque da pá, e 훽 é o ângulo de passo da pá, onde são

induzidas a força de sustentação L e a força de arrasto D compondo a força resultante

퐹 . A força 퐹 produz um empuxo axial, 퐹 , e uma força 퐹 que contribuem com o

torque da turbina (TARNOWSKI, 2006).

Segundo Tarnowski (2006) a forma mais comum de limitar ou controlar a

potência que o gerador pode entregar para o sistema, é variando o ângulo 훽 das pás.

25

3 MATERIAL E MÉTODO

3.1 Problema de pesquisa

A empresa DAYBACK atua em projeto de energia renovável com sistema conectado à rede da concessionaria, sendo esta geração de energia através do

sistema fotovoltaico ou microgerador eólico, ambos são revendidos pela empresa.

Entretanto, a empresa na busca pela inovação e competitividade desenvolveu

seu primeiro aerogerador baseado na tecnologia de pás savonius, exibido na Figura

23 e nomeado de KATALYST.

Figura 23 – Aerogerador KATALYST

Fonte: Do autor, (2019)

O KATALYST foi desenvolvido com as bobinas da Figura 24 mecanicamente

fixas ao centro do aerogerador e um sistema de chapas onde são fixados os imãs

como é demonstrado na Figura 25. Formando um revestimento giratório para fixação

das pás, onde pode-se ter uma visão da montagem do sistema na Figura 26 através

da vista explodida do alternador do aerogerador, formando o sistema de geração de energia elétrica do microgerador.

26

Figura 24 - Chapa com os imãs


Figura 25 - Montagem das bobinas

Fonte: Do autor,

(2019)

Figura 26 - Parte do projeto do alternador


Após o sucesso nos primeiros testes, o KATALYST foi reprojetado para obter

maior eficiência misturando duas tecnologias de pás, a savonius e darrieus onde é

possível observar as mudanças física na Figura 27 e teve seu projeto patenteado no

Instituto Nacional da Propriedade industrial – INPI.

Figura 27 – Desenho protótipo do aerogerador DAYBACK


27

Com seu novo design, foi premiado em terceiro lugar na PROTESTE DE

INOVAÇÃO, sendo desenvolvido sua versão atual na demonstrada na Figura 28.

Figura 28 - Aerogerador desenvolvido pela DAYBACK


Durante o desenvolvimento do seu aerogerador a empresa DAYBACK se

deparou com diversos obstáculos no projeto entretanto, a necessidade de simular a

geração baseando-se em um modelo, se destacou.

Desta forma deu-se início ao trabalho para efetuar uma avaliação técnico

econômica do emprego do model-in-the-loop para análise de um aerogerador de

energia elétrica, avaliando o custo relativo ao teste de aerogerador de pequeno porte

de energia elétrica de até 1kW, com intuito de descobrir se é viável ou não investir em uma ferramenta de simulação na empresa.

28

3.2 Processo de Desenvolvimento Integrado de Produtos - PRODIP

A metodologia usada neste trabalho chama-se Processo de Desenvolvimento

Integrado de Produtos - PRODIP, desenvolvida inicialmente Leonardo Romano em

sua tese Modelo de Referência para o Processo de Desenvolvimento de Máquinas

Agrícolas, que mais tarde teve sua versão adaptada no livro Projeto Integrado de

Produtos: Planejamento, Concepção e Modelagem por Back et al., 2008, de onde foi extraído a Figura 29. Essa adaptação ocorreu no Núcleo de Desenvolvimento

Integrado de Produtos da – NeDIP da Universidade Federal de Santa Catarina –

UFSC.

Para BACK et al., (2008) o modelo PRODIP contribui para que as empresas

tornem o seu fluxo de processo de desenvolvimento de produto mais formal,

integrando e sistemático, fornecendo também meios para inovações e desenvolvimento de novos produtos dentro de sua instalação ou planta fabril.

Figura 29 – Modelo PRODIP adaptado de Romano (2003) e Back et al. (2008)

Fonte: NEDIP; OGLIARI, (2019)

As macroetapas da Figura 29 são, a fase de planejamento que é destinada ao

planejamento estratégico do projeto, planejamento de marketing, plano estratégico do

produto, entre outros. A projetação, que é destinado a especificação do produto, onde é passado e orientado a equipe de desenvolvimento as diretrizes do projeto, mais à

frente o leiaute final do produto, viabilidade técnica e econômica, entre outros. A

implementação, que é a preparação da planta fabril para o novo produto a ser

produzido, onde são desenvolvidos as documentações para o processo de

manufatura, onde contém orientações, plano de produção, lote piloto, lançamento do

produto, pós-venda, material de divulgação e pôr fim a validação do produto em

29

campo, junto aos usuários do produto, ao cliente direto e após a validação é feito o

encerramento do projeto.

O conceito X-in-the-loop que compreende as ferramentas MIL, SIL e HIL já comentadas anteriormente, junto ou complementado por outras técnicas como

Projeto Baseado em Modelo de Mecatrônica chamado por Mechatronics Model Based

Design na literatura estrangeira, objetiva a assertividade em cada etapa do

desenvolvimento e permite também substituir parcialmente ou completamente a fase

de projeto conceitual e projeto preliminar da metodologia PRODIP através do uso da

simulação.

3.3 Plataforma National Instruments

3.3.1 myRIO

O kit educacional da National Instruments conta com o software LabVIEW que será abordado à frente e o hardware myRIO referente a Figura 30.

Composta por um processador dual-core ARM modelo Cortex-A9 de última

geração em conjunto com um FPGA da Xilinx possui capacidade de processamento

em tempo real para todos seus periféricos, como botões, acelerômetro, entrada e

saída de áudio, USB Host além de suas entradas e saídas instaladas em três

conjuntos de conectores dispostos nos lados do equipamento.

Figura 30 – Kit myRIO

Fonte: Do Autor, (2019)

30

Na Figura 30 é possível perceber que a myRIO não conta com uma

configuração fisicamente robusta, preparada para ambientes agressivos e com

intercambialidade de cartões de entrada e saída como outros produtos da NI. Desenvolvida para projetos estudantis de alunos de graduação e pós-

graduação em engenharia, tem como finalidade reunir um hardware com uma

configuração poderosa em pequena escala, desta forma o aluno poderá fazer

executar exercícios de alta performance em sala de aula, que kits comuns de

desenvolvimento não conseguiriam.

3.3.2 LabVIEW

O LabVIEW acrônimo para (Laboratory Virtual Instrument Engineering

Workbench) é um software da National Instruments para desenvolvimento de

aplicações através de linguagens gráficas que neste trabalho será utilizado para

programação dos hardwares por eles comercializados. Os programas desenvolvidos

no LabVIEW são chamados de VIs (Virtual Instruments) composto pela configuração de hardware e basicamente dois ambientes virtuais, onde é escrito o código é

chamado de diagrama de blocos, pois possui um formato gráfico, e uma interface

chamada de front panel ou numa tradução literal seria painel frontal.

Este painel frontal é um ambiente gráfico para usar como supervisório, se

necessário. Na Figura 31 é demonstrado o uso de um painel frontal como exemplo de

programa, onde são inseridos os valores de altura e base em centímetros e o programa responde qual é a área do triangulo em centímetros quadrados.

Figura 31 - Painel frontal do programa exemplo

Fonte: INSTRUMENTS, [s.d.]

31

Para que esse programa funcione é necessário o diagrama de blocos, assim

como é vista no vídeo (A HISTÓRIA... 20--) Onde o alicerce do LabVIEW são os

elementos gráficos pois uma representação gráfica mostra claramente o paralelismo, as conexões e relações, de onde os dados são originados, como eles são

processados e para onde eles vão, uma representação gráfica também representa

claramente a complexidade do programa.

Desta forma a equação Á푟푒푎 = 0,5 ∗ 퐵푎푠푒 ∗ 퐴푙푡푢푟푎 assume o formato da Figura

32, onde os valores de Base e Height são dados em centímetros e são variáveis de

entrada, 0.5 é uma constante da equação matemática necessária para o cálculo do

triangulo é alterada durante o funcionamento do software e a Área é a variável de

saída dada em centímetros quadrados.

Figura 32 - Diagrama de blocos do programa exemplo

Fonte: INSTRUMENTS, [s.d.]

Estes valores, após serem processados pelo diagrama de blocos disposto na

Figura 32, são enviados para o painel frontal na Figura 31, onde é exibido o resultado

para o usuário.

Outro ponto do LabVIEW é a maneira que o software permite apresentar os

dados, que pode ser apresentado sem tratamento no seu formato, como pode ser

visto na Figura 31 ou pode ser convertido para outra unidade.

Para este trabalho foi optado utilizar os valores de suas variáveis no sistema p.u.

ou “por unidade”, definindo o valor de base para grandeza como por exemplo, tensão,

impedâncias, potência, corrente, entre outros. Seguida da substituição dos valores das variáveis e constantes expressas no sistema internacional de unidades pelas suas

relações com os valores de base pré-definidos (MATOS, 2003). Com a equação (10)

é possível fazer a transformação para o valor em p.u.

32

푉푎푙표푟 푝.푢. =푄푢푎푛푡푖푑푎푑푒 푑푎푑푎푄푢푎푛푡푖푑푎푑푒 푏푎푠푒

(10)

Por exemplo, em um sistema onde a corrente máxima é de 200A no entanto

está sendo utilizado somente 70A, o valor em p.u. será o valor de saída da equação

(11).

퐼 = 퐼퐼 =

70200 = 0,35 푝.푢.퐴

(11)

3.3.3 Modelo de aerogerador NI

Um modelo é normalmente uma simplificação do mundo real ou alguma forma

conveniente de trabalhar com este mundo, mas as características essenciais do

mundo real devem aparecer no modelo, de modo que o seu comportamento seja igual

ou semelhante aquele do sistema modelado (SODRÉ, 2007).

Para os testes de simulação deste trabalho, foi utilizado o modelo disponibilizado

pela National Instruments, disponível no software LabVIEW, escolhido pelo fato de ser

um modelo completo de aerogerador e possuir todas as entradas e saídas de um

sistema real. Este modelo será usado para simular como serão feitas as entradas de

referência do vento através de uma porta analógica e através de referências

históricas, e quando a empresa tiver o modelo do seu aerogerador, será necessário

somente substituir o modelo da turbina pelo modelo DAYBACK, apagar o modelo do controlador e da caixa de redução. Desta forma o ato de modelar, conhecido como

modelagem, pode ser aplicado a um grande número de problemas, como por exemplo

o estudo e análise de problemas relacionadas a diversas áreas como estudo

populacional, estudos físicos, estudos de sistemas matemáticos entre outros

(SODRÉ, 2007).

Na Figura 33 é apresentado o modelo completo do sistema desenvolvido pela

NI sendo possível observar o diagrama de blocos, e na Figura 34 o painel frontal da

aplicação, onde será exibido o resultado da simulação. O modelo completo do sistema

é um somatório de outros modelos menores e responsáveis cada um por uma área

33

da turbina. Onde cada modelo destacado em um quadrado vermelho na Figura 33

será aberto e posto em forma de figura, seguida de uma breve descrição.

Figura 33 - Diagrama de blocos do modelo NI


Como explicado anteriormente, todo diagrama de bloco como o representado

na Figura 33 possui um painel frontal, formando um Virtual instruments. Na Figura 34

é possível observar o painel frontal do modelo da Figura 33, local onde os dados

simulados serão exibidos.

Figura 34 - Painel frontal do modelo NI


34

Power Grid

O modelo power grid disposto na Figura 35 simula a concessionária de energia elétrica, nesta simulação é formado um formato de onda similar ao formato gerado

pelos geradores de energia espalhados pelo país, como hidroelétricas, termoelétricas

entre outras fontes. Neste modelo o power grid é utilizado para induzir o gerador do

aerogerador e também serve como valor de referência para o controlador. Na Figura

35 o diagrama de blocos à direita é o modelo do sistema e a esquerda o painel frontal,

onde é possível alterar algum valor manualmente do power grid caso necessário.

Figura 35 - Power Grid


Controller Este por sua vez, representado na Figura 36 tem o objetivo de controlar todo o

sistema da turbina, recebendo os valores de referência, como velocidade do vento,

velocidade da redução, velocidade do gerador, ângulo do gerador e seus valores de

corrente.

Baseado nestes valores, o controlador atua principalmente sobre o ângulo das

pás, pois desta forma tem a capacidade de frear ou acelerar a turbina. O controle do

ângulo das pás apesar de ser importante para a geração, é muito mais importante

35

para a segurança da turbina, pois no caso de ventos acima do limite máximo, utiliza

essa função para desacelerar a turbina eólica, com o a função de proteção.

Figura 36 - Controller


Na Figura 36, é possível analisar a esquerda o painel frontal e a direta o

diagrama de blocos.

Wind Turbine

Turbinas eólicas, ou aerogeradores, são máquinas que retiram a energia cinética do vento e transformam em energia mecânica Wenzel (2007). Logo o bloco

Wind Turbine recebe um valor de velocidade de vento e converte para uma potência

mecânica, que neste caso irá para uma caixa de redução.

Figura 37 - Wind turbine


36

Drive Train

O drive train ou gear box, termo mais comum na literatura americana é a caixa

de redução da turbina, responsável por transformar a velocidade e o torque disponível nas pás, para uma velocidade e torque compatível com os necessários para o gerador

funcionar. Porém existem geradores com acoplamento direto entre as pás e o gerador,

então nestes casos, seria retirado o bloco de caixa de redução.

Figura 38 - Drive train


Wound Rotor AC Induction Machine

É último passo para geração eólica, mais não menos importante, o modelo

dentro do diagrama de blocos responsável por fazer a conversão da energia mecânica

para energia elétrica. Geralmente é acoplado no final da turbina, após os aparatos,

como caixa de transmissão, em alguns casos é utilizado uma espécie de freio para

situações onde o vento atinge velocidades superiores ao máximo permitindo, entre

outros, relativos a cada fabricante e modelo de turbina.

37

Figura 39 - Wound rotor AC induction machine


38

Na figura abaixo é apresentado o painel frontal do gerador elétrico.

Figura 40 - Painel frontal do wound rotor AC induction machine


39

3.4 Tipos de teste

Aqui são descritos possibilidades ou tipos de testes existentes e cada teste é

valorado para comparativo de valor com a abordagem escolhida.

3.4.1 Ensaio em campo

Este ensaio ocorre no local onde o aerogerador ficará permanentemente

instalado, a empresa pode possuir um sistema de teste em campo e ao mesmo tempo, pode monitorar um aerogerador instalado em um cliente, formando um banco de

dados conforme mostra a Figura 41, onde os dados são compilados e enviados a um

servidor.

Figura 41 – Solução para monitoramento de aerogeradores em campo

Fonte: AMMONIT, (2017)

40

3.4.2 Ensaio em túnel de vento

Este ensaio consiste em testar o aerogerador em um túnel de vento, em uma

empresa ou instituição que possui instrumentação calibrada e acreditada pela Rede

Brasileira de Calibração - RBC. A Figura 42 é referente ao ensaio de um aerogerador

no túnel de vento do Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo – IPT. Este

tipo de ensaio é importante para o produto final, pois estes dados reassegurarão os dados fornecidos pela empresa.

Figura 42 – Aerogerador ensaiado em túnel de vento do IPT

Fonte: IPT, (2019)

3.4.3 Ensaio por motor de indução

Este teste consiste em ensaiar somente o alternador do aerogerador, obtendo

dados importantes, como tensão vs. rotação, corrente vs. rotação, pode-se utilizar os

dados históricos de velocidade do vento de uma determinada região para obter a

resposta de geração entre outros testes como sobrecarga, teste de aquecimento

utilizando câmera térmica e principalmente, este tipo de ensaio pode ser utilizado para controle de qualidade, permitindo que todos os alternadores sejam testados.

Caso for utilizado para controle de qualidade, pode-se utilizar um banco de

dados, para armazenamento dos valores de geração logo após sua fabricação, e

41

quando retornar a fábrica, seja por uma manutenção preventiva, preditiva, corretiva

ou algum defeito que tenha acionado a garantia e desta forma pode-se comprar o

valor armazenado com o valor do teste atual.

Figura 43 - Arranjo do ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado mecanicamente por sistema de acionamento com conjunto, motor de

indução e inversor de frequência


O sistema de controle envia para inversor de frequência o sinal de rotação, e

este que por sua vez envia ao sistema de controle a realimentação do sistema. A

placa de comando também envia um sinal de frequência indicando a rotação para o

inversor que, utilizará a energia elétrica proveniente do alternador em razão do sinal

de velocidade de vento fornecido pela placa de comando.

3.4.4 Ensaio por servomotor

Consiste em um teste onde um sistema de acionamento dotado de um

servomotor que tem a capacidade de atingir alta velocidade com valores de tempo em

milissegundos devido sua baixa inércia, possui também a capacidade de fornecer seu

torque máximo em baixa rotação.

42

Figura 44 - Arranjo do ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado mecanicamente por um conjunto de servo acionamento


Controle similar ao sistema de acionamento com motor de indução,

diferentemente este sistema, tem a capacidade de gerar solavancos para simulação

de rajadas de vento.

3.4.5 Abordagem proposta: Ensaio MIL em ambiente virtual

O estudo da abordagem proposta está dividido em 4 partes onde a primeira

parte utilizado o modelo da NI somente com o gerador de rampa linear disponibilizado

no próprio modelo. A segunda parte utiliza dado histórico como referência para

velocidade do vento. A terceira parte é referente a adição de valores para formação

43

de rajadas de vento. A quarta parte utiliza a entrada analógica como valor de

referência de vento.

Ensaio utilizando gerador de rampa

O primeiro ensaio e mais simples consiste em utilizar o gerador de rampa

disposto no exemplo da NI, os valores desta rampa podem ser definidos via software

conforme demonstrado na Figura 45, onde 1 é o gerador onde são definidos dos

valores de início e a inclinação da rampa, 2 é um limitador de valor máximo e mínimo

e 3 é um compensador com intuito de aumentar a rampa.

Figura 45 – Gerador de rampa


Ensaio utilizando dados históricos

A captação de dados históricos foi dada através do site http://www.inmet.gov.br

na aba de “estações e dados” e em seguida selecionado o submenu “estações

automáticas”, onde é possível ter acesso a rede de estações meteorológicas

automáticas do INMET, demonstrada da Figura 46, que captam aproximadamente 17

tipos de dados meteorológicos pelo país inteiro para monitoramento dos órgãos competentes e além disso são disponibilizados para o públicos, é possível obter mais

44

informações como todos os tipos de sensores disponíveis, projeto das estações e

outras informações através da nota técnica N°001/2011/SEGER/LAIME/CSC/INMET.

Figura 46 – mapa com todas estações meteorológicas automáticas no país


Para ensaio utilizando dados históricos, foi selecionado a estação A806 como

visto na Figura 47 com código OMM 86958, instalada na grande Florianópolis em São

José. Desta forma foi selecionado um período e ensaiado no modelo.

45

Figura 47 – Seleção do período


Nas figuras os valores estão dispostos de maneira gráfica para facilitar a leitura,

porém o LabVIEW recebe esses valores em formato de tabela, que também pode ser

gerado no site da está meteorológica. Na Figura 48 podemos observar a parte do

código que carrega os valores da tabela para o LabVIEW.

Figura 48 – Parte do código LabVIEW que carrega a leitura dos valores


Ao iniciar o programa estes dados são carregados no item “Gráfico pré-

carregado” e na tabela “Dados carregados” da Figura 49 onde é inserido a sequência

da ocorrência e o seu valor a direita da sequência.

46

Figura 49 – dados carregados no LabVIEW


O item “Gráfico do vento” é o local onde o programa após ler a variável e inserir

no modelo, dispõe demonstrando que foi processado.

Ensaio utilizando rajadas de vento

Pesquisou-se sobre a simulação de rajadas de vento afim de tornar o gráfico

mais aleatório e consequentemente, poderemos entender o quanto pode afetar a

geração de energia elétrica. Desta forma foi utilizado o algoritmo desenvolvido no

trabalho Hardware-In-The-Loop Simulator For Testing Wind Turbine Generators, onde

segundo os autores SZKOLNY; MAŁYSZKO, (2015) a variabilidade da velocidade do vento pode ser estimada utilizando métodos como: efetuando a soma dos harmônicos;

mudança de passo ou mudanças incrementais ou o método das variáveis

estocásticas, onde para este trabalho, foi escolhido o método da soma dos

harmônicos.

Similar ao MIL, o HIL tem sua realimentação através de outro equipamento, ou

o qual se deseja testar, então para este trabalho, os autores utilizaram um inversor de

frequência da ABB ACS800 em conjunto com um motor assíncrono de alta velocidade

e torque representados na Figura 50, podendo obter até 300N.m e 4000rpm de

velocidade, desta forma este conjunto aciona um alternador real de aerogerador

podendo efetuar os ensaios.

47

Figura 50 – Conjunto de ensaio com inversor, motor e alternador

Fonte: SZKOLNY; MAŁYSZKO, (2015)

O comando deste sistema vem através de um hardware da NI chamado

de sbRIO-9606, responsável receber os sinais dos equipamentos, e processar

baseando-se em parte no algoritmo da Figura 51 para controlar o sistema de

acionamento.

Figura 51 – Parte do algoritmo LabVIEW para variabilidade do vento


Este algoritmo produz o gráfico da Figura 52, onde é possível observar o valor

de geração da velocidade do vento simulado pelo sistema e nota-se os valores aleatórios que simulam as rajadas.

48

Figura 52 – Valores gerados de velocidade do vento


Ensaio utilizando entrada analógica da myRIO

Este ensaio consistem em utilizar uma referência de velocidade de vento de

fora do sistema, este sinal é captado utilizado a entrada analógica disponível no

conector MSP da myRIO disposto na Figura 53, que possui um range de valor de

entrada de tensão de -10 a 10 volts, porém para este ensaio foi utilizado de 0 a 10

volts.

Figura 53 – Conector MSP myRIO

Fonte: NATIONAL INSTRUMENTS, (2016)

Para geração de referência de tensão, utilizou-se uma fonte de bancada

disposta na Figura 54 como item 1, com regulagem via botão rotatório que em seu

49

valor mínimo, apresenta 0 volts e em seu valor máximo apresenta 30 volts, porém não

foi ultrapassado 10 devido ao range do equipamento.

Após o valor ser captado na entrada analógica, ele é convertido para um valor em velocidade de vento, este valor tratado é enviado para o modelo que rodará no

simulador, que por sua vez, gerará os dados proveniente da simulação.

No monitor são apresentados os itens 2, 3, 4 e 5 que são marcadores

instantâneos de potência em p.u., ângulo da s pás, velocidade do vento e Coeficiente

de potência - 퐶 , respectivamente. Os itens 6, 7, 8 e 9, são os gráficos históricos dos

marcadores instantâneos.

Figura 54 – Sistema com entrada de referência em tensão


50

3.5 Resultados e discussão

Foi demonstrado neste trabalho, diversas formas de testar um aerogerador ou

parte dele, podendo ser para atender ao controle de qualidade ou para conhecer a

resposta do equipamento, via teste ou simulação.

O objetivo deste capítulo é indicar as melhores opções de ensaio baseados nos

requisitos técnicos e econômicos. As análises realizadas neste trabalho indicam a vantagem financeiro do emprego da abordagem HIL.

O capítulo 3.4.1, propõe o teste em campo, sendo necessário possuir um

aerogerador e os equipamentos de medição, para fixação dos componentes, foi

orçado uma torre metálica capaz de receber o aerogerador e os equipamentos de

medição conforme está descrito na Tabela 1.

Tabela 1 - Valores do ensaio em campo

Componentes Preço Aerogerador 1kW R$: 7.500 Torre metálica galvanizada R$: 12.000 Instalação terceirizada R$: 10.000 Anemômetro com posição de vento. WindObserver65 R$: 27.600 Sistema de aquisição de dados myRIO com software LabVIEW versão estudantil adquirida pelo mestrando.

R$: 1.700

Calibração anemômetro velocidade do vento R$: 1.890 Calibração anemômetro direção do vento – Não acreditada R$: 350 Multimedidor Schneider PM1200 – Calibrado na fábrica R$: 1.299

Total R$: 62.339 Fonte: Do Autor, (2018)

Este tipo de teste é totalmente dependente das condições climáticas, não

permitindo a equipe controle total sobre o procedimento.

Ensaios em laboratório como descrito no capítulo 3.4.2, utiliza túnel de vento

para testar o equipamento, desta forma é possível ter um controle total sobre o

ambiente e sobre o produto, permitindo uma série de ensaios e repetição destes ensaios. Para este ensaio é preciso possuir um aerogerador e pagar o valor de

R$17.000 reais por ensaio, conforme é apresentado na Tabela 2.

Tabela 2 - Valores do ensaio no túnel de vento Componentes Preço

Aerogerador 1kW R$: 7.500

51

Custo do ensaio no túnel de vento R$: 17.000 Total R$: 24.500


Os capítulos 3.4.3 e 3.4.4, são testes possíveis de efetuar em laboratório, obtendo

total controle sobre o ensaio, podendo ser utilizado em uma linha de produção para

controle de qualidade, ou em empresas que desenvolvem peças para aerogeradores,

de modo que um sistema de acionamento aciona mecanicamente, neste caso, o

alternador do aerogerador, obtendo respostas como tensão, corrente e frequência, permitindo utilizar dados históricos do local onde o produto poderia ser instalado e

desta forma testar sua resposta. Os valores da Tabela 3, são referentes ao sistema

utilizando como forma de acionamento, um inversor de frequência, já a Tabela 4 é

referente a um sistema com servomotor.

Tabela 3 - Valores do ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado mecanicamente por sistema de acionamento com conjunto, motor de

indução e inversor de frequência Componentes Preço

Alternador eólico 1,2KWp R$: 1.185 Kit motor e inversor 3CV Inv. Omron / Motor WEG / Encoder incremental VEEDER

R$: 4.174

Multimedidor Schneider PM1200 – Calibrado na fábrica R$: 1.299 Sistema de aquisição de dados myRIO com software LabVIEW versão estudantil adquirida pelo mestrando.

R$: 1.700



alimentado mecanicamente por um conjunto de servo acionamento Componentes Preço

Alternador eólico 1,2KWp R$: 1.185 Kit motor e inversor Omron 3CV + cabos R$: 16.618 Sistema de aquisição de dados myRIO com software LabVIEW versão estudantil adquirida pelo mestrando.

R$: 1.700

Multimedidor Schneider PM1200 – Calibrado na fábrica R$: 1.299 Total R$: 20.802


O capitulo 3.4.5 tratou do ensaio completamente virtual, onde através do uso de

softwares específicos tornou-se possível o ensaio do produto ou protótipo de forma

52

que não é necessário possuí-lo fisicamente, pois através do uso de modelos

matemáticos inseridos nestes softwares, será possível efetuar quantos testes e

simulações forem necessárias. Na Tabela 5 está disposto o valor do kit estudantil e a Tabela 6 mostra os valores da licença para qualquer pessoa, através do site da

National Instruments.

Tabela 5 - Valores do ensaio em ambiente virtual Componentes Preço

myRIO com software LabVIEW versão estudantil adquirida pelo mestrando.

R$: 1.700


Tabela 6 – Valores do Software LabVIEW Componentes Preço

LabVIEW Full Develpment System com licença para 1 ano. R$: 16.850 LabVIEW Full Develpment System com licença para 2 ano. R$: 20.725 LabVIEW Full Develpment System com licença para 3 ano. R$: 24.011

Fonte: “Order By Part Number”, (2019)

A Tabela 7 é um resumo de todos valores, onde pode-se observar que a solução de simulações optando pela licença de 1 ano, é 73% mais econômica

financeiramente que efetuar testes em campo. Relacionando a simulação com o

ensaio no túnel vento, pode-se observar que esta solução é 31% mais onerosa que a

simulação.

Tabela 7 – Resumo dos orçamentos Cenários Preço

Ensaio em campo. R$: 62.339 Ensaio no túnel de vento. R$: 24.500 Ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado mecanicamente por sistema de acionamento com conjunto, motor de indução e inversor de frequência.

R$: 8.358

Ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado mecanicamente por um conjunto de servo acionamento.

R$: 20.802

Ensaio em ambiente virtual. R$: 1.700 LabVIEW Full Develpment System com licença para 1 ano. R$: 16.850 LabVIEW Full Develpment System com licença para 2 ano. R$: 20.725 LabVIEW Full Develpment System com licença para 3 ano. R$: 24.011


53

A simulação pode ser utilizada como ferramenta para esgotar os testes antes

de ir para uma homologação em um instituto com túnel de vento. Foi possível perceber

que através do modelo matemático do aerogerador que se deseja ensaiar, somado aos valores de referência do vento, que neste caso foram dados históricos da

velocidade de vento da região, é possível simular qual será a resposta do equipamento

para aquele determinada região.

Pode-se observar que o custo de um único ensaio em túnel de vento não é

altamente oneroso, porém se a empresa erroneamente utilizar esse método para

testes corriqueiros de protótipos, pode-se tornar oneroso. Este tipo de teste pode ser

utilizado pra validar um produto final e acreditá-lo, ou quando a empresa dispõe de

um túnel próprio.

Observou-se também, outros métodos para testes de aerogeradores ou para

partes do mesmo como por exemplo, o gerador de energia onde utilizando uma

bancada em um sistema hardware-in-the-loop, pode-se efetuar inúmeros ensaios gastando menos recurso financeiro, esta modalidade de teste também pode ser

utilizada para controle de qualidade na empresa, garantindo que todas as peças foram

testadas e suas respostas estão dentro da curva do padrão de qualidade.

Deve-se levar em consideração que o fato de adquirir o LabVIEW e a myRIO

pelo canal estudantil da National Instruments foi determinante para se obter um valor

baixo. Em alguns casos, pode-se optar pela simulação completamente virtual usando o LabVIEW somente no computador, bastando adquirir somente a licença do software,

disposto na Tabela 6 e desta forma diminuir os custos com os hardwares e

equipamentos.

Consideração gerais referente aos orçamentos

Não foram inclusos nos orçamentos, consumíveis como tubos Seal Tube,

eletrodutos, eletrocalhas, caixas de passagem, abraçadeiras, parafusos e porcas,

cabos de alimentação, cabos de dados, prensa cabo, insumos para fixação e painel

metálico para abrigar os instrumentos entre outros consumíveis desta natureza. Salvo

no primeiro cenário “Ensaio de campo” onde foi orçado a torre e a instalação da

mesma por empresa terceirizada por se tratar de uma mão de obra específica. E no cenário “Ensaio Hardware-In-The-Loop utilizando alternador eólico alimentado

54

mecanicamente por um conjunto de servo acionamento”, onde foi levado em

consideração o valor dos cabos do servomotor também por se tratar de um cabo

específico. Não foram realizadas cotações de frete, devido ser extremamente específico, levando em consideração o local de remessa e entrega, peso (embalagem

mais produto), e a cubagem. Foi efetuado um levantamento de preço para determinar

o valor de cada tecnologia, e estes orçamentos foram colocados como anexos neste

trabalho .

55

4 Conclusão

O fator motivador para realização deste trabalho veio da necessidade de

desenvolver novos produtos e ou realizar projetos com prazos cada vez mais curtos e

aportes financeiros enxutos. O mercado de aerogeradores de pequeno porte é

relativamente pequeno conforme visto neste trabalho, porém se fizermos um

comparativo do mercado fotovoltaico será possível observar que de 2012 a 2019, os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica saíram de um mercado que no Brasil

possuía uma baixíssima relevância, para um mercado que teve um aumento maior

que 3000%, se analisarmos os dados da ANEEL entre 2015 e 2019.

Em comparação, o mercado de aerogeradores de pequeno porte está similar

ao mercado fotovoltaico de 2012 indo para 2015, onde está saindo de um mercado de

baixíssima relevância, começando a ser instalado em algumas residências e comércios, e começando a ser visado pela grande mídia. Desta forma empresas como

a DAYBACK que desenvolve seu aerogerador, precisam de meios e tecnologia para

simular, testar e posteriormente utilizar como controle de qualidade para os produtos

produzidos.

O objetivo deste trabalho foi avaliar o custo relativo ao teste de aerogerador de

pequeno de porte de geração de energia elétrica de até 1kW utilizando o conceito

model-in-the-loop. Para desenvolvimento dessa abordagem foi necessário buscar por

uma solução que fosse capaz de efetuar simulações complexas, e a solução que se

destacou veio da National Instruments pois esta empresa fornece o software LabVIEW

e também hardware myRIO, onde é possível efetuar os testes somente no LabVIEW

ou embarcando o modelo na myRIO. Outro ponto de destaque foi o valor de R$1.700,00 reais pagos pelo mestrando no conjunto LabVIEW e myRIO, valor

considerado extremamente baixo, entretanto caso a empresa venha adquirir sua

licença para continuar com as simulações, terá que efetuar um aporte financeiro

maior, que neste caso será de no mínimo de R$16.850 reais, valor considerado

pequeno pois foi visto que os custos para realização de testes reais com

aerogeradores são altos inclusive o valor da licença é menor que um único ensaio em túnel de vento.

Os objetivos específicos dispostos no capítulo 1.1.2 são abordados e

respondidos no texto abaixo e de maneira sequencial.

56

Através da pesquisa por diferentes tipos de ensaios para aerogeradores de

pequeno porte, foi possível observar algumas linhas de trabalhos em universidades

federais como Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Universidade Federal de Santa Maria, com destaque para a Pontifícia

Universidade Católica do Rio Grande do Sul, onde foi encontrado um enorme acervo

de artigos publicados e documentos voltados para testes de aerogeradores de

pequeno porte, inclusive trabalhos onde são testados somente partes do aerogerador,

como somente o sistema de geração de energia elétrica, utilizando como fonte

mecânica uma bancada com acionamento por motor elétrico. Dentre os centros de

pesquisa, o que mais se destacou foi Centro de Referência para Energia Solar e Eólica

Sérgio de Salvo Brito – CRESESB, devido seus artigos, apostilas e alguns livros

publicados.

Conforme visto os resultados e discussões no capítulo 3.5, ficou claro que a

simulação é uma ferramenta que permite a economia de recursos financeiros quando é necessário efetuar vários ensaios, pois o custo de casa ensaio é financeiramente

alto.

Foi observado a utilização dos conceitos do model-in-the-loop e outros

conceitos como hardware-in-the-loop na indústria que fabrica produto com grande

valor agregado ou possui sistemas muito complexos ou é produzido em larga escala,

já nas universidades o tema é encontrado em alguns trabalhos voltados para simulações e testes em diversas áreas da engenharia.

Para estudo dos conceitos model-in-the-loop utilizou-se um modelo

desenvolvido pela National Instruments para fins acadêmicos, que se baseou na

literatura do autor Lubosny, Zbigniew. A utilização de simulação por modelo permite

substituir a referência de entrada por uma referência com valores históricos de uma

determinada região ou então utilizar como fonte de sinal, a tensão fornecida por uma

fonte de bancada, onde este sinal de tensão é escalonado para um valor de vento em

algum tipo de unidade.

Pesquisou-se na literatura por algum trabalho que incluísse alteração nos

valores de vento como rajadas, desta forma encontrou-se o trabalho descrito no

capítulo 3.4.5, montado por uma equipe de Ph.D. que estudam o hardware-in-the-loop

para simulação e teste de turbinas de aerogeradores. A inclusão do modelo que simula

57

rajadas é importante para testes de resistência, ou para simulações de locais onde o

vento é muito pouco linear.

Através dos resultados apresentados e discutidos ao longo deste trabalho pode-se observar que o conceito model-in-the-loop possui a característica de ser altamente

customizável mostrando-se uma excelente ferramenta à uma série de demandas e de

diversas áreas da engenharia. Este trabalho mostrou também que para efetuar

ensaios e testes em aerogeradores, nem sempre a solução de menor valor será a

melhor, mas saber escolher a abordagem, as ferramentas e os conceitos certos,

permitirá a economia de recursos financeiros.

4.1 Trabalho futuro

A empresa DAYBACK viu potencial na simulação e após ganhar o edital de P&D

da ANEEL, está desenvolvendo o modelo do aerogerador no software AMESim em

parceria com uma empresa, como sugestões para estudos futuros, são apresentadas

as seguintes considerações:

Incluir o modelo de um inversor eólico.

Incluir nas simulações, rajadas de vento baseando-se na máxima histórica

em Florianópolis.

Incluir nas simulações, períodos de sobrecarga de velocidade do vento e

como isso pode afetar temperatura das bobinas.

Projetar e manufaturar uma banca para testar o alternador do aerogerador.

58

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61

5 ANEXOS

5.1 ANEXO A – Orçamento da calibração do aerogerador

62

5.2 ANEXO B – Orçamento anemômetro

63

5.3 ANEXO C – Orçamento anemômetro

64

5.4 ANEXO D – Orçamento acionamentos inversor, kit servo motor e driver

65

5.5 ANEXO E – Orçamento LabVIEW

66

5.6 ANEXO F – Orçamento Motor Trifásico

67

5.7 ANEXO G – Orçamento Multimedidor

68

5.8 ANEXO H – Orçamento aerogerador horizontal

69

5.9 ANEXO I – Orçamento conjunto eólico “on-grid” completo

avaliaÇÃo tÉcnico econÔmica do emprego model-in-the …

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