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Dimensionamento e gestão de energia em sistemas de

propulsão elétrica: aplicação a um barco solar de

competição com recuperação de energia.

Francisco Alberto Lopes Duarte

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Orientadores: Prof. Paulo José da Costa Branco e

Prof. Stanimir Stoyanov Valtchev

Júri

Presidente: Prof. Rui Manuel Gameiro de Castro

Orientador: Prof. Paulo José da Costa Branco

Vogal: Prof. Luís Alberto Gonçalves de Sousa

Maio 2017

i

Resumo

A presente dissertação de mestrado tem como objetivos o dimensionamento dos componentes

e desenvolvimento de uma estratégia de gestão de energia para uma embarcação elétrica solar de

competição do Instituto Superior Técnico (equipa Técnico Solar Boat).

A equipa Técnico Solar Boat é constituída por alunos do Instituto Superior Técnico com o

propósito comum de construir a primeira embarcação de competição ibérica movida exclusivamente a

energia solar. O principal objetivo é participar em competições internacionais, nomeadamente a

competição Dutch Solar Challenge e a Solar1 no Mónaco. Todo o trabalho desenvolvido ao longo

desta dissertação está assim integrado com todas as áreas de desenvolvimento da equipa Técnico

Solar Boat.

É certo que a maior limitação dos veículos elétricos continua a ser o armazenamento de

energia, isto porque para além da bateria ser um componente pesado e volumoso, os carregamentos

ainda são demasiado demorados.

São necessários um controlo e uma estratégia de gestão de energia bastante rígida e eficiente,

para que se utilize a energia disponível de uma forma sustentável. Para isto foi criado um algoritmo

de gestão de energia.

De forma a testar o algoritmo e assim rentabilizar o consumo de energia elétrica durante a

competição foi criada uma plataforma de simulação utilizando um programa de cálculo numérico.

Para além do dimensionamento e testes experimentais do sistema de propulsão, esta plataforma de

simulação possibilita o conhecimento prévio do consumo de energia da embarcação durante a

competição.

Os resultados obtidos, tanto pela plataforma de simulação como pelos ensaios experimentais,

evidenciam não apenas a potencialidade da existência de um sistema de gestão de energia em

veículos elétricos, mas também a necessidade de um esforço acrescido no desenvolvimento desta

mesma estratégia de gestão de energia.

Palavras-chave – Propulsão elétrica, veículos elétricos, gestão de energia, energia fotovoltaica,

barco, sistemas elétricos.

iii

Abstract

The purpose of this Master's Dissertation is components sizing and to develop an energy

management strategy for a competition solar electric vessel of the Instituto Superior Técnico (Técnico

Solar Boat team).

The team Técnico Solar Boat is composed by students from Instituto Superior Técnico with the

common purpose of building the first Iberian competition vessel exclusively powered by solar energy.

Its main objective is to participate in international competitions, namely the Dutch Solar Challenge

competition and Solar1 in Monaco. All the work done throughout this dissertation is integrated with all

the development areas of the Técnico Solar Boat team.

It is certain that for electric vehicles the limitation remains in the energy storage, this because of

the battery weight and volume, charging times are still too time-consuming.

A very rigid and efficient energy management strategy is required, in order to use the available

energy in a sustainable way. For this, an energy management algorithm was created.

In order to test the energy management algorithm and thus to adjust the respective

consumption of electric energy during the competition, a simulation platform was created using a

numerical calculation program. In addition to the sizing and experimental tests of the propulsion

system, this simulation platform allows the prior knowledge of the vessel's energy consumption during

the competition.

The results obtained, both by the simulation platform and the experimental tests, demonstrate

not only the potential of the existence of an energy management system in electric vehicles, but also

the need for an increased effort in the development of this energy management strategy.

Keywords - Electric propulsion, electric vehicles, energy management, photovoltaic power, boat,

electrical systems.

v

Agradecimentos

Em primeiro lugar um agradecimento muito especial ao meu orientador e amigo Professor

Paulo José da Costa Branco por todo o apoio, empenho e disponibilidade prestados.

A todos os meus amigos e colegas que me acompanharam durante esta longa jornada, e

aqueles que de alguma forma se cruzaram comigo durante este árduo mas compensador caminho,

nomeadamente ao meu amigo Jóni e toda a equipa Técnico Solar Boat um sincero agradecimento

por todos os momentos, experiências e conhecimentos partilhados.

Ao Engenheiro Eduardo Marques da empresa “Dunbelt – Rolamentos e Transmissões” um

muito obrigado pelo apoio e material fornecidos quer para a realização da minha dissertação quer

para o projeto Técnico Solar Boat.

E porque o mais importante é a família, a base sólida e ponto de partida desta aventura,

agradeço e dedico esta conquista aos meus pais e avós que tornaram tudo isto alcançável, à minha

irmã Jennifer e à minha namorada Mariana por toda a força e carinho dados nos piores e melhores

momentos ao longo de todo este percurso.

vii

Índice

Resumo .....................................................................................................................................................i

Abstract.................................................................................................................................................... iii

Agradecimentos ........................................................................................................................................v

Índice ...................................................................................................................................................... vii

Lista de Figuras ....................................................................................................................................... ix

Lista de Tabelas ...................................................................................................................................... xi

Lista de Símbolos ................................................................................................................................... xii

Lista de Acrónimos ................................................................................................................................. xv

1. Introdução ........................................................................................................................................ 1

1.1. Enquadramento e Motivação ................................................................................................... 1

1.2. Objetivos .................................................................................................................................. 1

1.3. Estado da arte ......................................................................................................................... 2

1.4. Estrutura da dissertação .......................................................................................................... 4

2. Algoritmo para um sistema de gestão de energia adaptado ao percurso de um veículo ............... 5

2.1. Algoritmo de consumo energético ........................................................................................... 5

2.2. Dimensionamento e escolha de componentes ....................................................................... 7

2.2.1. O barco solar: Competição Dutch Solar Challenge ......................................................... 7

2.2.2. Dimensionamento do Motor ............................................................................................ 9

2.2.3. Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos ................................................................ 13

2.2.4. Dimensionamento do conjunto de baterias ................................................................... 19

2.3. Plataforma de simulação híbrida do movimento da embarcação em pista. ......................... 27

2.3.1. Funcionamento .............................................................................................................. 27

2.3.2. Resultados ..................................................................................................................... 33

2.4. Gestão de energia ................................................................................................................. 49

3. Ensaios experimentais relativos ao trânsito de potência no barco solar na plataforma de

simulação híbrida .................................................................................................................................. 53

3.1. Caso de estudo – Barco solar de competição ....................................................................... 53

3.1.1. Consumo de energia durante um arranque .................................................................. 57

3.1.2. Consumo de energia durante o percurso de duas horas .............................................. 58

viii

3.1.3. Teste térmico ao motor BLDC ....................................................................................... 64

4. Conclusão e Perspetivas de trabalho futuro ................................................................................. 67

4.1. Conclusão .............................................................................................................................. 67

4.2. Perspetivas de trabalho futuro ............................................................................................... 68

Referências bibliográficas ..................................................................................................................... 69

Anexo A. Células fotovoltaicas Solbian Maxeon Gen III – datasheet ............................................... 71

Anexo B. Células LiFePO4 LFP – 40152SE – datasheet .................................................................. 72

Anexo C. Fonte DC Mean Well RSP-3000- 48 – datasheet ............................................................. 74

Anexo D. Motor CPMotion CPM90-45 – Manual............................................................................... 76

Anexo E. Painéis fotovoltaicos Solbian SP125 – datasheet ............................................................. 82

Anexo F. Regulamento da competição Dutch Solar Challenge........................................................ 84

ix

Lista de Figuras

Figura 1.1 Tûranor PlanetSolar [6] ......................................................................................................... 4

Figura 1.2 Tûranor PlanetSolar [7] ......................................................................................................... 4

Figura 2.1 Algoritmo de consumo energético geral. .............................................................................. 8

Figura 2.2 Motor CPM90 e acessórios. ................................................................................................ 12

Figura 2.3 Rendimento do motor de 3 kW, CPM90-45 48 V, adaptado de imagem do anexo D. ....... 13

Figura 2.4 Potência solar média para um dia do mês de Junho em Harlingen, Holanda. ................... 14

Figura 2.5 Painéis fotovoltaicos SP125 da Solbian. ............................................................................ 15

Figura 2.6 Dimensões das células constituintes dos painéis fotovoltaicos, ver anexo A. ................... 15

Figura 2.7 Potência solar à saída dos painéis fotovoltaicos durante a etapa em Harlingen, Holanda.17

Figura 2.8 Esquema de ligação dos painéis fotovoltaicos. .................................................................. 18

Figura 2.9 Células LiCoO2 (oxido de lítio-cobalto), adaptado de [14]. ................................................. 20

Figura 2.10 Células LiFePO4 (Lítio-ferro-fosfato) cilíndricas [15]. ........................................................ 20

Figura 2.11 Células LiFePO4 LFP - 40152SE ...................................................................................... 22

Figura 2.12 Células LiFePO4 WN10AH ................................................................................................ 22

Figura 2.13 Células LiFePO4 HW - 38120S ......................................................................................... 22

Figura 2.14 Curvas de descarga para diferentes temperaturas, para as células LFP- 40152SE (Ver

anexo B). ............................................................................................................................................... 26

Figura 2.15 Configuração e ligação das células da bateria. ................................................................ 26

Figura 2.16 Esquema geral do funcionamento do algoritmo de cálculo da velocidade ótima ao longo

de um percurso. ..................................................................................................................................... 30

Figura 2.17 Rendimento do conjunto motor e hélice. .......................................................................... 32

Figura 2.18 Potência de entrada no motor durante a aceleração [W]. ................................................ 33

Figura 2.19 Percurso da etapa de Harlingen com marcação das curvas em que há uma redução de

velocidade. ............................................................................................................................................ 34

Figura 2.20 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a aceleração [W]. ..................... 35

Figura 2.21 Energia armazenada na bateria durante a aceleração [Wh]. ........................................... 35

Figura 2.22 Aceleração da embarcação [m/s2]. ................................................................................... 36

Figura 2.23 Velocidade da embarcação durante a aceleração [m/s]. .................................................. 37

Figura 2.24 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a aceleração [%]. ............................... 38

Figura 2.25 Potência de entrada no motor durante a desaceleração [W]. .......................................... 38

Figura 2.26 Energia armazenada na bateria durante a desaceleração [Wh]. ..................................... 39

Figura 2.27 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a desaceleração [W]. ................ 39

Figura 2.28 Aceleração da embarcação durante a travagem [m/s2]. ................................................... 40

Figura 2.29 Velocidade da embarcação durante a desaceleração [m/s]. ............................................ 40

Figura 2.30 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a desaceleração [%]. ......................... 41

Figura 2.31 Potência de entrada no motor durante a curva [W]. ......................................................... 41

Figura 2.32 Aceleração da embarcação durante a curva [m/s2]. ......................................................... 42

Figura 2.33 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a curva [W]. .............................. 42

x

Figura 2.34 Energia armazenada na bateria durante a curva [Wh]. .................................................... 43

Figura 2.35 Velocidade da embarcação durante a curva [m/s]............................................................ 44

Figura 2.36 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a curva [%]. ........................................ 44

Figura 2.37 Potência de entrada no motor durante a prova [W]. ......................................................... 45

Figura 2.38 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a prova [W]. .............................. 45

Figura 2.39 Energia armazenada na bateria durante a prova [Wh]. .................................................... 46

Figura 2.40 Aceleração da embarcação durante a prova [m/s2]. ......................................................... 46

Figura 2.41 Velocidade da embarcação durante a prova [m/s]. .......................................................... 47

Figura 2.42 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a prova [%]. ....................................... 47

Figura 2.43 Ligações do sistema de Propulsão Elétrica. ..................................................................... 49

Figura 2.44 Caso 1, trânsito de potência. ............................................................................................ 50




Figura 3.1 Esquema de ligações da plataforma de ensaios laboratorial. ............................................ 53

Figura 3.2 Montagem da plataforma de ensaios no laboratório........................................................... 54

Figura 3.3 Controlador do motor e caixa de proteção da transmissão de potência. ........................... 55

Figura 3.4 Transmissão de potência mecânica.................................................................................... 55

Figura 3.5 Fonte de alimentação do motor. ......................................................................................... 55

Figura 3.6 Polos salientes do gerador síncrono. .................................................................................. 56

Figura 3.7 Troços e respetiva potência para a primeira volta do percurso em Harlingen na Holanda.58

Figura 3.8 Troços e respetiva potência para a segunda volta do percurso em Harlingen na Holanda.

............................................................................................................................................................... 59

Figura 3.9 Potência obtida na simulação e potência obtida no ensaio experimental durante o percurso

de duas horas. ....................................................................................................................................... 61

Figura 3.10 Potência obtida na simulação e potência obtida no ensaio experimental para uma curva.

............................................................................................................................................................... 61

Figura 3.11 Potência obtida na simulação, potência no tempo e potência média obtida no ensaio

experimental para uma reta................................................................................................................... 62

Figura 3.12 Valores de energia obtidos através da plataforma de simulação e ensaios experimentais.

............................................................................................................................................................... 63


............................................................................................................................................................... 63

Figura 3.14 Temperatura do motor e temperatura do controlador do motor. ...................................... 65

Figura 3.15 Limites superiores e inferiores de temperatura do motor e controlador. .......................... 65

xi

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 Características da embarcação de algumas equipas participantes na competição Dutch

Solar Challenge. ...................................................................................................................................... 3

Tabela 2.1 Motores e referentes características. ................................................................................. 11

Tabela 2.2 Dados de placa do motor CMP90. ..................................................................................... 11

Tabela 2.3 Dados dos painéis fotovoltaicos SP125. ............................................................................ 17

Tabela 2.4 Tipos de células e suas características. ............................................................................ 19

Tabela 2.5 Valores de potência e corrente de descarga do motor para vários regimes de

funcionamento. ...................................................................................................................................... 21

Tabela 2.6 Valores de potência e corrente de carregamento da bateria para funcionamento nominal e

pico. ....................................................................................................................................................... 21

Tabela 2.7 Valores de corrente de carregamento e descarga dos 3 tipos de células propostos. ....... 23

Tabela 2.8 Características determinantes na escolha da bateria a ser utilizada na embarcação....... 24

Tabela 2.9 Dados das células a serem utilizadas na embarcação, LFP- 40152SE. ........................... 25

Tabela 2.10 Resultados para várias potências máximas de aceleração. ............................................ 48

Tabela 2.11 Rendimento do conjunto motor e hélice para várias potências de aceleração. .............. 49

Tabela 3.1 Energia consumida para várias potências máximas de aceleração. ................................. 57

Tabela 3.2 Potência e tempo ao longo da primeira volta do percurso em Harlingen na Holanda. ...... 59

Tabela 3.3 Potência e tempo ao longo da segunda volta do percurso em Harlingen na Holanda. ..... 60

Tabela 3.4 Energia armazenada na bateria no final da etapa. ............................................................ 64

xii

Lista de Símbolos

𝑎 – Aceleração [m/s2]

𝑎𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 – Aceleração atual [m/s2]

𝐴𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎_𝑓𝑜𝑡 – Área de uma célula [m2]

𝐴𝑓 – Área frontal [m2]

𝐴𝑝 – Área de painéis fotovoltaicos instalada [m2]

𝐴𝑈𝑡𝑖𝑙 – Área útil dos painéis fotovoltaicos [m2]

𝐶𝑛𝑜𝑚 – Capacidade nominal [Ah]

𝐶𝑟 – Coeficiente de atrito das rodas

𝐶𝑡𝑎𝑟 – Coeficiente de atrito aerodinâmico

𝐶𝑡𝑎𝑔 – Coeficiente de atrito hidrodinâmico

𝑑𝑒𝑐𝑒𝑙 – Desaceleração [m/s2]

𝐸 – Energia [Wh]

𝐸𝑏𝑎𝑡 – Energia na bateria [Wh]

𝐸𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 – Energia total disponível na bateria [Wh]

𝐸𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 – Energia armazenada na bateria no final da etapa [Wh]

𝐸𝑗 – Energia consumida até ao instante j [Wh]

𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 – Energia total [Wh]

𝐸𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎1 – Energia consumida durante a primeira volta [Wh]

𝐸𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎_𝑟𝑒𝑔 – Energia consumida durante uma volta regular [Wh]

𝑓 – Frequência [Hz]

𝐹 – Força [N]

𝐹𝑎_𝑎𝑒𝑟𝑜 – Força de atrito aerodinâmico [N]

𝐹𝑎_ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜 – Força de atrito hidrodinâmico [N]

𝐹𝑎𝑟𝑜𝑑𝑎𝑠 – Força de atrito das rodas com o solo [N]

𝐹𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 – Força inercial [N]

𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 – Força total [N]

𝑔 – Aceleração da gravidade [m/s2]

𝐼 – Corrente [A]

𝐼𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 – Corrente de descarga [A]

I𝐸𝑥𝑐 – Corrente de excitação do gerador [A]

I𝐹𝑜𝑛𝑡𝑒 – Corrente de saída da fonte DC [A]

I𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 – Corrente de saída do gerador [A]

𝑚 – Massa [kg]

𝑁 – Velocidade de rotação [rpm]

𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑏𝑎𝑡 – Número de células da bateria

𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑓𝑜𝑡 – Número de células fotovoltaicas

xiii

𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 – Número de células fotovoltaicas em série

𝑁𝑛 – Velocidade de rotação nominal [rpm]

𝑁𝑃𝑎í𝑛𝑒𝑖𝑠 – Número de painéis

𝑁𝑃𝑎𝑟𝑒𝑠_𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 – Número de pares de polos

𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 – Número de ramos em paralelo

𝑁𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑠 – Número de voltas

𝑃 – Potência [W]

𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑚𝑎𝑥 – Potência máxima instantânea proveniente da bateria [W]

𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑜𝑢𝑡 – Potência instantânea proveniente da bateria [W]

𝑃𝐸𝑚𝑏𝑎𝑟𝑐𝑎çã𝑜_𝑜𝑢𝑡 – Potência a ser dada à embarcação [W]

𝑝𝑒𝑟𝑐 – Percentagem da energia armazenada na bateria que não é consumida [%]

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 – Perda de potência devido à queda de tensão na bateria

𝑃𝐼𝑛 – Potência de entrada no motor/controlador [W]

𝑃𝑗 – Potência no instante j [W]

𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 – Potência do motor [W]

𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑖𝑛 – Potência instantânea de entrada no motor [W]

𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑝𝑖𝑐𝑜 – Potência máxima de entrada no motor [W]

𝑃𝑂𝑢𝑡 – Potência que é necessária fornecer ao veículo [W]

𝑃𝑂𝑢𝑡_𝑟𝑒𝑠 – Potência dissipada nas resistências [W]

𝑃𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠 – Potência instantânea proveniente dos painéis fotovoltaicos [kW]

𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 – Potência solar [kW]

𝑃𝑇𝑖 – Potência de entrada na transmissão [W]

𝑃𝑇𝑜 – Potência de saída na transmissão [W]

𝑄𝑡 – Queda de tensão na bateria [V]

𝑄𝑡1 – Queda de tensão na bateria do tipo 1 [V]

𝑄𝑡2 – Queda de tensão na bateria do tipo 2 [V]

𝑅 – Resistência [Ω]

𝑅𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 – Resistência interna [Ω]

𝑅𝑇 – Relação de transmissão

𝑡𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 – Instante de tempo atual [s]

𝑈 – Tensão [V]

𝑈𝐸𝑥𝑐 – Tensão de excitação do gerador [V]

𝑈𝐹𝑜𝑛𝑡𝑒 – Tensão da fonte DC [V]

𝑈𝐺𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 – Tensão no gerador [V]

𝑣 – Velocidade [m/s]

𝑣𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 – Velocidade atual [m/s]

𝑉𝑛_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 – Tensão nominal da bateria [V]

𝑉𝑛_𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 – Tensão nominal de uma célula [V]

𝑣𝑠𝑒𝑔𝑢𝑖𝑛𝑡𝑒 – Velocidade seguinte [m/s]

xiv

𝑦(𝑡) – Potência em função do tempo [kW/m2]

𝜌𝑎𝑔 – Densidade da água [kg/m3]

𝜌𝑎𝑟 – Densidade do ar [kg/m3]

Ѳ – Ângulo com a normal a superfície da terra [º]

𝜂 – Rendimento [%]

𝜂𝑃𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠_𝑓𝑜𝑡 – Rendimento dos painéis fotovoltaicos [%]

𝜂𝐻é𝑙𝑖𝑐𝑒_𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑎 – Rendimento de uma Hélice típica [%]

𝜂𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑜 – Rendimento de um motor típico [%]

𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜_𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑜 – Rendimento típico de propulsão [%]

𝜂𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠ã𝑜_𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑎 – Rendimento de uma transmissão típica [%]

Ø – Diâmetro [mm]

xv

Lista de Acrónimos

BLDC – Motor de corrente contínua sem escovas

Imp – Corrente na potência máxima

Isc – Corrente de curto-circuito

LiCoO2 – Óxido de Lítio-cobalto

LiFePO4 – Lítio-ferro-fosfato

MRU – Movimento retilíneo uniforme

PI – Controlo proporcional-Integral

PMDC – Motor de corrente contínua com magnetos permanentes

SOC – Estado de carga

Voc – Tensão em circuito aberto

Vmp – Tensão na potência máxima

1

1. Introdução

1.1. Enquadramento e Motivação

Está na natureza do ser humano querer evoluir e competir de forma a obter um lugar de

destaque. Todos tencionam ser vencedores, para tal, preparação e previsão tomam um papel

principal na conquista desse objetivo.

Neste contexto, o desafio de participar numa competição internacional de embarcações

movidas a energia solar e com propulsão exclusivamente elétrica, desperta a ambição de fazer

mais e melhor, isto é, utilizando um algoritmo de consumo energético.

A fonte de energia utilizada pela embarcação é dita “limpa”, i.e., utiliza energia

proveniente do sol, pelo que, devido a utilizar painéis fotovoltaicos, e, num certo intervalo de

tempo, é uma fonte com energia limitada. Sendo que a energia armazenada nas baterias é

também restringida, o modo como esta energia é utilizada dita a classificação final.

Sendo um dos objetivos primários desta dissertação de mestrado dimensionar o sistema

de propulsão para um barco elétrico de competição que vai participar na competição Dutch

Solar Challenge, torna-se necessária a conceção de uma plataforma capaz de prever o

comportamento da embarcação no seu movimento, para que o sistema de propulsão elétrico

esteja ajustado às condições de funcionamento a que vai estar sujeito.

Foi desta forma desenvolvida uma plataforma de simulação realizada num programa de

cálculo numérico.

No decorrer do desenvolvimento da plataforma de simulação tornou-se ainda mais clara

a sua importância, sendo que foram acrescentadas funções de forma a melhorar a fiabilidade

da mesma, conseguindo-se assim proceder a um correto dimensionamento dos componentes a

utilizar na embarcação, nomeadamente, motor, painéis fotovoltaicos e bateria. Garante-se que

toda a energia disponível é consumida e que é utilizada pela embarcação da forma mais

eficiente possível.

Mostra-se, assim, a elevada importância do estudo realizado e dos resultados obtidos.

1.2. Objetivos

A presente dissertação possui três objetivos principais. Estes são apresentados de

seguida:

1 – Dimensionamento do sistema de propulsão elétrica para um barco de competição para

satisfazer as especificações requeridas em termos de performance;

2

2 – Modelação de todo o sistema de propulsão e desenvolvimento de uma estratégia de gestão

de energia;

3 – Desenvolvimento de uma plataforma experimental para testar e validar a estratégia de

gestão de energia sugerida.

1.3. Estado da arte

Cada vez mais o ser humano tem tomado consciência dos problemas ambientais

causados pelo uso excessivo de combustíveis fósseis. Desta forma, normas e

regulamentações têm vindo a ser implementadas no que diz respeito às emissões de gases

poluentes, provenientes de motores de combustão interna, para a atmosfera.

Para alcançar essas metas, tem vindo a ser realizada uma transição para meios de

transporte mais eficientes e menos poluentes. Assim, sendo esta tecnologia uma tecnologia

transversal, com uma manutenção muito reduzida e com um rendimento superior relativamente

aos clássicos motores de combustão interna, tem conquistado adeptos em todo o mundo. No

entanto, o ponto mais fraco desta tecnologia continua a ser o armazenamento de energia, pois

relativamente aos combustíveis fósseis possui uma densidade energética baixa ([Wh/kg]). Este

facto remete para a necessidade de uma gestão de energia eficiente para que se consiga

aumentar a autonomia.

Há no mercado atual um grande número de embarcações movidas a energia solar, com

armazenamento de energia. São maioritariamente utilizadas para passeios turísticos em águas

calmas, sendo que as competições com este tipo de embarcação são cada vez mais

populares.

Existem embarcações elétricas de dimensões e feitios muito diversificados, em especial,

para a competição Dutch Solar Challenge, atenta a flexibilidade proporcionada pelo

regulamento da competição, pelo que cada embarcação utiliza os componentes que melhor se

adequam ao orçamento da equipa, à classe a que pertence e ao objetivo que se proponham a

atingir. Assim, cada embarcação é diferente de todas as outras, promovendo uma grande

variedade de arquiteturas e performances.

São embarcações pequenas, de peso reduzido e com a parte superior do casco coberta

de painéis fotovoltaicos. Tipicamente utilizam motores de corrente contínua pois dispensam de

conversor DC/AC. As potências nominais dos motores que utilizam variam entre 2 e 5 kW.

Na tabela 1.1 encontram-se algumas características das embarcações de três equipas

participantes na competição Dutch Solar Challenge [1] [2] [3] [4].

Não com o objetivo de competir, mas para demonstrar que a humanidade já possui os

conhecimentos e a tecnologia necessários para terminar com a dependência energética de

combustíveis fósseis, foi criado por uma empresa Suíça denominada por PlanetSolar, o MS

Tûranor PlanetSolar apresentado nas figuras 1.1 e 1.2. [5]

3

Tabela 1.1 Características da embarcação de algumas equipas participantes na competição Dutch Solar Challenge.

Solar ROC

Fruese Poort

Leeuwarden

Universitas

Indonesia Solar

Boat Team

Marine Solar

Boat team

Jalapatih III

Marine Solar

Boat team

Jalapatih II

Dimensões

Comprimento [m] 6.02 6 5.25 5

Largura [m] 1.67 2.3 1.6 1.7

Altura [m] 0.34 0.45 0.5 0.5

Submergido [m] 0.05 ND 0.12 0.15

Peso

Peso total [kg] 170 175 200 300

Casco 40 ND ND ND

Painéis Fotovoltaicos

Número de células

fotovoltaicas 72 ND ND ND

Área [m2] 5 ND 7.2 4.8

Tipo de painel ND ND Flexível Vidro

Eficiência das

células [%] 19.3 ND 23 23

Potência instalada

[W] ND 1040 ND ND

Células da Bateria

Tipo de bateria Iões de Lítio Iões de Lítio Iões de Lítio Iões de Lítio

Capacidade [Ah] ND 30 ND ND

Energia

armazenada [Wh] ND ND 1750 1500

Motor

Tipo de motor ND ND DC DC

Potência máxima

[kW] ND ND 5 2

Performance

Velocidade

máxima estimada

[km/h]

26 16 31.5 20.4

Velocidade média

[km/h] 14 ND ND ND

Tempo de

endurance

estimado [h]

ND ND 3 2

4

Figura 1.1 Tûranor PlanetSolar [6]

Figura 1.2 Tûranor PlanetSolar [7]

Sendo atualmente a maior embarcação movida exclusivamente a energia solar, o MS

Tûranor PlanetSolar foi lançado a 31 de Março de 2010. A 4 de Maio de 2012, depois de 585

dias de navegação, terminou, com sucesso, a volta ao Mundo.

A embarcação, de 89 toneladas, utiliza dois motores de 60 kW, num total de 120 kW de

potência, localizados nos cascos submersos. Tem instalada uma área de células fotovoltaicas

de 512 m2. Estas células possuem um rendimento de 22.6 % e alimentam 8.5 toneladas de

baterias de iões de lítio, sendo esta a única forma de armazenamento de energia utilizada.

Como resultado final é possível navegar a uma velocidade máxima de 26 km/h. A sua

velocidade média é de 9.25 km/h, com um consumo médio de 20 kW. [8]

Esta embarcação possui um algoritmo de gestão de energia inteligente que tem em

conta as condições e previsões meteorológicas de forma a melhorar a produção,

armazenamento e consumo de energia.

1.4. Estrutura da dissertação

A dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos, seguidamente apresentados:

Capítulo 1 – Capítulo introdutório;

Capítulo 2 – Neste capítulo aborda-se o algoritmo de consumo energético, a plataforma de

simulação, e o dimensionamento dos componentes da embarcação, nomeadamente motor,

painéis fotovoltaicos e bateria;

Capítulo 3 – O presente capítulo é referente ao trabalho experimental realizado no laboratório,

aborda desde a idealização da plataforma de ensaios até aos resultados obtidos e à respetiva

discussão;

Capítulo 4 – Neste capítulo apresentam-se as conclusões do trabalho realizado e as

perspetivas de trabalho futuro.

5

2. Algoritmo para um sistema de gestão de energia

adaptado ao percurso de um veículo

2.1. Algoritmo de consumo energético

Para ser possível prever o comportamento de um veículo num determinado percurso é

necessário elaborar uma plataforma de simulação, na qual seja possível calcular e determinar

todo o seu movimento com base em equações físicas. Primeiramente é necessário determinar

duas grandezas. São elas: a velocidade e a potência de propulsão do veículo.

A função de cálculo da potência para um veículo terrestre é obtida da forma abaixo

descrita.

Sabe-se que a força inercial é,

𝐹𝑖𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 𝑚𝑎 [N] (2.1)

A força de atrito aerodinâmico, é dada por:

𝐹𝑎_𝑎𝑒𝑟𝑜 =1

2𝜌𝑎𝑟𝐴𝑓𝐶𝑡𝑎𝑟𝑣

2 [N] (2.2)

e a força de atrito das rodas com o chão é dada por:

𝐹𝑎_𝑟𝑜𝑑𝑎𝑠 = 𝐶𝑟(𝑚𝑔)cos (ѳ) [N] (2.3)

A força total que é necessária ser fornecida ao veículo é então a soma das anteriores:

𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑎 + 𝐶𝑟(𝑚𝑔)cos (ѳ) +1


2 [N] (2.4)

Através da seguinte equação que relaciona potência com força,

𝑃 = 𝐹𝑣 [W] (2.5)

Chega-se à equação de cálculo da potência, esta é representada seguidamente.

𝑃𝑂𝑢𝑡 = (𝑚𝑎)𝑣 + (𝐶𝑟(𝑚𝑔)cos (ѳ) +1


2) 𝑣 [W] (2.6)

6

Lista de Variáveis:

𝑃𝑜𝑢𝑡 - Potência que é necessária fornecer

ao veículo [W]

𝑚 - Massa do veículo [kg]

𝑎 - Aceleração [m/s2]

𝑣 - Velocidade [m/s]

𝜌𝑎𝑟 - Densidade do ar [kg/m3]

𝐴𝑓 - Área frontal [m2]

𝐶𝑡𝑎𝑟 - Coeficiente de atrito aerodinâmico

𝑔 - Aceleração da gravidade [m/s2]

𝐶𝑟 - Coeficiente de atrito das rodas

Ѳ - Ângulo de inclinação [º]

Através da equação 2.6 consegue-se relacionar a potência necessária a ser fornecida ao

veículo com a sua velocidade. Deste modo, torna-se possível criar um algoritmo capaz de

caracterizar o veículo em todos os pontos do trajeto a percorrer.

Com a algoritmo de consumo energético pretende-se que no final seja possível

comandar a potência que está a ser enviada para o motor. Assim, durante o percurso, é

consumida toda a energia disponível da maneira mais eficiente possível.

Para o piloto do veículo a grandeza trivial pela qual ele se vai reger é a velocidade.

Através da equação 2.6, consegue-se o elo de ligação entre o que se pretende atingir e o

comando para o realizar. Foi então formulado um algoritmo que permite determinar a

velocidade ótima ao longo de um percurso, de forma a melhorar o consumo da energia

disponível.

O diagrama da figura 2.1 representa esse mesmo algoritmo, tem como entrada um

percurso dividido por troços, nos quais se pretendem realizar os testes.

Passo 1: O percurso é introduzido respeitando o seguinte formato:

[ xj, vj;

xj+1, vj+2

…, …

xj+n, vj+n; ]

Em que xj representa o comprimento do troço e vj representa a velocidade imposta como

condição inicial para cada troço.

Passo 2: Calcula-se a potência instantânea necessária em cada ponto desse mesmo

percurso de forma a cumprir as velocidades impostas. Este cálculo é realizado utilizando a

equação 2.6.

Passo 3: Após a obtenção da potência instantânea, calcula-se a energia gasta em

função do tempo decorrido fazendo uma integração trapezoidal cumulativa.

Passo 4: A energia final presente na bateria é então comparada com a energia

disponível para o percurso, em que perc é a percentagem de energia que fica na bateria de

forma a não comprometer o seu bom funcionamento.

7

Passo 5: É feito um ajuste de todas as velocidades mediante o resultado obtido, i.e.,

caso a energia final seja inferior à desejada, a velocidade de todos os troços é decrementada

de uma constante de forma a diminuir o consumo de energia. De forma análoga, caso a

energia final seja superior à desejada, a velocidade de cada troço é aumentada de forma a ser

consumida mais energia. Este processo repete-se de forma iterativa até a energia final ser

exatamente a energia disponível.

2.2. Dimensionamento e escolha de componentes

2.2.1. O barco solar: Competição Dutch Solar Challenge

Para ser feito o dimensionamento correto dos componentes é necessário saber algumas

das grandezas características com que se vai operar. Para isto é fundamental saber quais as

exigências e restrições presentes no regulamento da competição.

A Dutch Solar Challenge é uma conceituada competição internacional realizada na

Holanda com mais de uma década de existência.

A competição tem a duração de sete dias nos quais as equipas são postas à prova em

diversas etapas.

Existem quatro classes, A Class, B Class, Top Class e V20 Class. A classe para o qual a

equipa Técnico Solar Boat (TSB) se propõe em participar é a Top Class, devido a existirem

menos restrições. Desta forma há mais liberdade para a inovação e diferenciação entre as

embarcações.

Assim, todo o dimensionamento foi realizado para uma embarcação na Top Class e para

uma etapa típica da competição Dutch Solar Challenge, mais especificamente, foi concretizado

utilizando como base a etapa de Harlingen cujo objetivo é percorrer o maior número de voltas

possível do percurso durante 2 horas.

No decorrer da competição as equipas competem em várias modalidades,

nomeadamente Sprint, Endurance e Slalom. Todos estes modos de prova são

obrigatoriamente realizados, no entanto, as provas de Endurance têm uma maior relevância na

classificação final.

A prova de Endurance consiste em navegar entre 20 a 60 km diariamente. Por outro

lado, a modalidade de Sprint consiste em percorrer um pequeno percurso em linha reta de 150

a 250 m, e por fim o Slalom tem como objetivo navegar um curto percurso com obstáculos.

A equipa mais rápida ganhará a competição.

Principais restrições da Top Class, ver anexo F:

• Energia máxima armazenada na bateria: 1500 Wh

8

𝑣𝑗 = 𝑣𝑗 𝐶𝑡𝑒 𝑣𝑗 = 𝑣𝑗 + 𝐶𝑡𝑒

𝑗 𝑣𝑗 𝐼 í𝑐 𝑜

𝑃 = 𝑚𝑎𝑗 𝑣𝑗 + 𝐶𝑟𝑗(𝑚𝑔)cos Ѳ𝑗 +1

2𝜌𝑎𝑟𝐴𝑓𝐶𝑡𝑎𝑟𝑗𝑣𝑗

2 𝑣𝑗

𝐸𝑗 = 𝑃𝑗 𝑑𝑡𝑡

𝑣𝑗 𝑜𝑡 𝑚𝑜𝐸𝑗 = 𝑝𝑒𝑟𝑐𝐸𝑏𝑎𝑡

𝐸𝑗 𝑝𝑒𝑟𝑐𝐸𝑏𝑎𝑡

𝐸𝑗 𝑝𝑒𝑟𝑐𝐸𝑏𝑎𝑡

SimNão

Figura 2.1 Algoritmo de consumo energético geral.

9

• Com exceção da carga inicial a bateria apenas pode ser carregada pelos painéis

fotovoltaicos

• Potência máxima de painéis fotovoltaicos: 1750 Wp ± 2 %

• Tensão máxima permitida: 52 Vdc ou 52 Vrms

• Velocidade média mínima da embarcação em 10 km de navegação: 12 km/h

O regulamento impõe restrições no que diz respeito à energia armazenada na bateria e à

potência máxima de painéis fotovoltaicos instalados.

Não existe, no entanto, restrição para o motor a utilizar.

2.2.2. Dimensionamento do Motor

Utilizando a plataforma de simulação e, utilizando um percurso apenas em linha reta e

com um valor de aceleração fixo, foi possível retirar valores da potência necessária ser

fornecida à embarcação para os vários regimes de funcionamento. Sabendo os valores típicos

de rendimento de um motor e de uma hélice para a potência em causa é então possível iniciar

uma hipótese e posteriormente selecionar o motor a utilizar.

ηMotor_típico = 0.85

ηHélice_típica = 0.60

ηTransmissão_típica = 0.95

Pode assim calcular-se o rendimento da propulsão.

ηPropulsão_típico = ηMotor_típicoηHélice_típicaηTransmissão_típica [%] (2.7)

ηPropulsão_típico = 0.85(0.6)(0.95) = 0.485 = 48.5 [%]

Para a modalidade de Endurance, mais especificamente para o percurso de 2 horas em

Harlingen, retirou-se da plataforma de simulação o valor de potência médio que é necessário

fornecer à embarcação (𝑃𝑂𝑢𝑡), esse valor é 842 W.

Utilizando o rendimento típico de propulsão calculado anteriormente na equação 2.7 e a

potência média necessária ao longo do percurso calcula-se a potência média que o motor terá

de ser capaz de fornecer.

𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 =𝑃𝑂𝑢𝑡

𝜂𝑃𝑟𝑜𝑝𝑢𝑙𝑠ã𝑜_𝑡𝑖𝑝𝑖𝑐𝑜=842

0.485= 1736 [W] (2.8)

Assim, surge como óbvia a seleção de um motor de 1800 W (valor de potência nominal),

no entanto, este valor de potência nominal não cumpre os objetivos na sua totalidade. Isto

10

deve-se ao facto de existirem outras modalidades de prova durante a competição Dutch Solar

Challenge. São estas, já referidas no capítulo 2.1.1, Sprint e Slalom, em que é requerido

funcionar com o motor em regimes mais altos de potência. Pelo que, um motor com estas

características não seria indicado por ser limitativo na velocidade máxima atingida e na

aceleração capaz de gerar. O motor a ser utilizado teria então de ter idealmente 1800 W de

potência nominal para a modalidade de Endurance, e ser simultaneamente um motor mais

potente, para as restantes modalidades em que, como acima mencionado, são necessárias

grandes acelerações e velocidades.

Para estas duas últimas modalidades de prova, uma vez que o único objetivo é percorrer

o pequeno percurso o mais rapidamente possível, a potência pico do motor deverá ser tão alta

quanto a soma da potência de descarga da bateria e da potência dos painéis fotovoltaicos

permitam.

𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑚𝑎𝑥 + 𝑃𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠 [W] (2.9)

Como mencionado anteriormente a modalidade com mais relevância na classificação

final é a prova de Endurance. Desta forma, para a decisão final do motor a utilizar optou-se por

esta modalidade em detrimento das restantes. Por esta razão terá de ser selecionado um

motor de potência nominal superior a 1800 W, mas que o seu rendimento para esta potência

de entrada seja próximo do nominal, isto é, que a sua potência máxima seja tão alta quanto

possível, não sacrificando o rendimento para os valores médios de potência em que irá

funcionar.

Sendo que não existe restrição no motor a utilizar a decisão teve como base alguns

fatores determinantes, nomeadamente:

-Tipo de motor

-Potência nominal

-Potência de pico

-Mapa de rendimento

-Peso

-Volume

Para decidir o motor a utilizar, através da tabela 2.1, foram comparados 3 tipos de

motores distintos. Um motor de corrente contínua sem escovas (BLDC), um motor de corrente

contínua com magnetos permanentes (PMDC) [10] e um motor de indução [11].

O peso é um fator fulcral na escolha final, pois tem uma implicação direta no coeficiente

de atrito hidrodinâmico da embarcação. Desta forma, sem sacrificar a potência e para que o

peso e volume do motor sejam tão baixos quanto possível, a gama de motores apropriados

reduz-se a motores que usem magnetos permanentes.

Motores de tensão alternada são à partida excluídos pois são, por si só, mais pesados

e necessitam de inversor devido às fontes de energia da embarcação serem de tensão

contínua (bateria e painéis fotovoltaicos).

11

Tabela 2.1 Motores e referentes características.

Tipo

BLDC (CPM90)

Indução *

PMDC *

(PMG132)

Potência [W] 3000 3000 4700

Peso [kg] 3.7 21.5 12.5

Dimensões [mm] Ø 138.2 x 141 Ø150 x 236 Ø222 x 172

Rendimento máximo

[%] 90 94 89

Tensão Nominal [V] 48 48 48

*não inclui controlador

Pela mesma razão o motor PMDC foi também excluído devido ao seu peso

aproximadamente 3 vezes superior ao BLDC e devido à sua necessidade de controlador

externo.

O motor capaz de cumprir todas as exigências e restrições é então o CPmotion CPM90-

45 de 48V e 3kW de potência nominal, apresentando na figura 2.2. Este motor adequa-se a

todos os requisitos mencionados acima.

Os dados de placa do motor CMP90 são os seguintes (ver anexo D):

Tabela 2.2 Dados de placa do motor CMP90.

Potência Nominal [W] 3000

(4300Rpm/6.66Nm) Dimensões [mm] 126x126x141.5

Potência de pico [W] 5000 Peso [kg] 3.7

Tensão nominal [V] 48 Velocidade em vazio

[1/min] 4500

Velocidade máxima

[1/min] 6000

Constante de binário

[Nm/A] 0.077

Binário máximo [Nm] 14 Momento de inércia

do rotor [gcm2] 13000

Resistência fase-fase

20ºC [mΩ] 23

Resistência térmica

do isolamento dos

enrolamentos [K/W]

0.18*

Indutância fase-fase

[µH] 120

*a potência nominal e com um fluxo de ar a 8 m/s

12

Figura 2.2 Motor CPM90 e acessórios.

Na figura 2.3 está representado o diagrama de rendimento do motor CPM90 para todos

os seus valores de potência e rotação. A metade superior do diagrama é relativa ao

funcionamento como motor, a metade inferior, ao seu funcionamento como gerador. Para o

estudo em questão, devido à inexistência de recuperação de energia apenas tem relevância a

metade relativa ao funcionamento como motor.

Pode ver-se na figura, destacado de cor verde, que para uma potência 𝑃 є [≈

1500 W, 3000 W] e 𝑁 є [≈ 3000 rpm,≈ 4500 rpm] o rendimento é 89%, apenas 1 % abaixo do

rendimento nominal do motor. Assim, devido ao seu peso diminuto (3.7 kg) e com uma

potência máxima de 5 kW consegue cumprir os requisitos impostos para a modalidade de

Endurance assim como para Sprint e Slalom.

13

Figura 2.3 Rendimento do motor de 3 kW, CPM90-45 48 V, adaptado de imagem do anexo D.

2.2.3. Dimensionamento dos Painéis Fotovoltaicos

Como mencionado previamente, segundo o regulamento da competição a potência

máxima instalada não poderá exceder os 1750 Wp ± 2 %. Ora, sabendo que a principal fonte

de energia durante a competição é proveniente dos painéis fotovoltaicos, fica claro que este é o

valor de potência instalada a ser utilizado.

Através do valor de potência instalada, o ângulo de instalação dos painéis, o mês do ano

e a localização da competição, consegue-se obter a potência solar média por metro quadrado

que vai estar disponível sobre os painéis fotovoltaicos. [12]

14

A potência instantânea média diária no mês de Junho em Harlingen, Holanda, é então:

0 5 10 15 200

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Horas do dia [h]

Po

tên

cia

so

lar

[kW

/m2]

𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 5×10−5ℎ4 0,0024ℎ3 + 0,0321ℎ2 0,077h 0,037

Figura 2.4 Potência solar média para um dia do mês de Junho em Harlingen, Holanda.

O gráfico representado na figura 2.4 tem em conta o ângulo do sol relativamente aos

painéis fotovoltaicos da embarcação instalados na horizontal e a potência solar por metro

quadrado, média para o mês de Junho, em Harlingen na Holanda.

Existem atualmente no mercado painéis fotovoltaicos feitos de silício monocristalino e de

silício policristalino. No entanto, como os painéis fotovoltaicos mais indicados para este tipo de

utilização têm de ser leves e com um rendimento o mais elevado possível, opta-se por painéis

fotovoltaicos de silício monocristalino, pois estes últimos possuem um rendimento superior.

Desta forma, devido ao seu rendimento, o mais alto do mercado, e ao seu peso diminuto, foram

selecionados os painéis SP125 fornecidos pela Solbian, tal como consta no anexo E, e

presentes na figura 2.5.

Cada painel solar SP125 como o nome indica é de 125 W. Assim, calcula-se o número

de painéis fotovoltaicos necessários para perfazer o total de 1750 Wp.

𝑁𝑃𝑎í𝑛𝑒𝑖𝑠 =1750

125= 14

Terão de ser utilizados 14 painéis de 125 W cada de modo a conseguir chegar à potência

máxima permitida por regulamento.

15

Figura 2.5 Painéis fotovoltaicos SP125 da Solbian.

Assumindo um rendimento constante ao longo do dia, e através da consulta da respetiva

datasheet fixa-se o rendimento total da conversão em 23 %.

A área útil instalada é calculada utilizando as medidas de uma célula fotovoltaica

individual, como presente no anexo C, assim, através da área de uma célula calcula-se a área

total útil do painel fotovoltaico SP125 e multiplica-se pelo número de painéis utilizados. Desta

forma evita-se o erro introduzido pelas faixas laterais dos painéis, sendo que estas não

contribuem para a produção de energia elétrica.

Através da figura 2.6 pode calcular-se a área de cada célula, consequentemente calcula-

se a área útil como está presente na equação 2.10.

Figura 2.6 Dimensões das células constituintes dos painéis fotovoltaicos, ver anexo A.

Pela figura 2.5 sabe-se que são usadas 40 células no painel solar SP125, assim, calcula-

se a área útil do conjunto de painéis fotovoltaicos.

16

𝐴𝑈𝑡𝑖𝑙 = 𝐴𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎_𝑓𝑜𝑡𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑓𝑜𝑡𝑁𝑃𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 [m2] (2.10)

𝐴𝑈𝑡𝑖𝑙 = 0.125(0.125)(40)(14) = 8.75 [m2]

Imediatamente pode ser elaborado um gráfico da potência que os painéis fotovoltaicos

instalados vão fornecer ao longo da etapa. O início da etapa está predefinido para as 10 horas

da manhã e duração tem total de 2 horas.

Através da área útil e o respetivo rendimento dos painéis fotovoltaicos calcula-se a

potência que efetivamente vai estar disponível à saída dos mesmos, usa-se a seguinte

expressão:

𝑃𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠 = 𝑦(𝑡)𝐴𝑝𝜂𝑃𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠_𝑓𝑜𝑡 , 𝑡 є [10,12] [kW] (2.11)

Em que:

𝑃𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠 – Potência instantânea proveniente dos painéis fotovoltaicos [kW]

𝑦(𝑡) = Potência em função do tempo [kW/m2]

𝐴𝑝 = Área de painéis fotovoltaicos instalada [m2]

𝜂𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒ì𝑠_𝑓𝑜𝑡 = Rendimento dos painéis fotovoltaicos [%]

Obtém-se assim o gráfico da potência que o conjunto de painéis fotovoltaicos irá

fornecer durante a etapa.

Muito embora se saiba que não corresponde totalmente à realidade, devido à

impossibilidade de previsão, assume-se que os painéis fotovoltaicos estão sempre

perfeitamente na horizontal e que não haverá nuvens durante a etapa. Na figura 2.7 está

representada a potência solar estimada disponível para a propulsão da embarcação durante a

prova de 2 horas em Harlingen, com início às 10 horas da manhã.

Imediatamente, analisando o gráfico da potência solar ao longo do percurso, conclui-se

que os painéis fotovoltaicos são capazes de fornecer à embarcação uma potência instantânea

entre [≈ 1030, 1120] [W].

Devido à imposição do regulamento que diz que a tensão máxima na embarcação não

pode ser superior a 52 VDC, os painéis terão de ser ligados em paralelo de dois em série.

Na figura 2.8 apresenta-se o esquema com a proposta de ligação entre os catorze

painéis fotovoltaicos da embarcação.

17

9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.51020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

Horas do dia [h]

Po

tên

cia

[W

]

Potência(h)

Curva de Tendência

𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 20,125h2 + 489,04h 1849,5

Figura 2.7 Potência solar à saída dos painéis fotovoltaicos durante a etapa em Harlingen, Holanda.

Na tabela 2.3 apresentam-se os dados dos painéis fotovoltaicos SP125:

Tabela 2.3 Dados dos painéis fotovoltaicos SP125.

Potência [W] 125 Comprimento [mm] 1363

Largura [mm] 546 Espessura [mm] 2

Peso [kg] 1.70 Nº de células 40

Voc [V] 27 Vpm [V] 24

Isc [A] 6.10 Imp [A] 5.70

Após o dimensionamento dos painéis fotovoltaicos, confirma-se que para provas de

grande duração, como é particular das provas de endurance, a maior contribuição de potência

provém dos painéis fotovoltaicos e não da bateria. Deste modo, para que seja possível

alcançar um lugar cimeiro da grelha de qualificação foi necessário selecionar os mais eficientes

painéis fotovoltaicos do mercado. Fazer uma previsão cuidada e precisa da potência solar

disponível para o percurso foi também crucial.

No final do dimensionamento dos painéis fotovoltaicos, conseguiu-se perfazer os 1750

Wp máximos impostos pelo regulamento. Desta forma maximiza-se a capacidade de geração

de energia elétrica da embarcação.

18

Figura 2.8 Esquema de ligação dos painéis fotovoltaicos.

48V

19

2.2.4. Dimensionamento do conjunto de baterias

Devido à inteira dependência da bateria com o motor e os painéis fotovoltaicos, apenas

após o respetivo dimensionamento e seleção de componentes feito anteriormente é possível

dimensionar com sucesso a bateria da embarcação.

Para se selecionar as células constituintes da bateria é necessário previamente escolher

a composição química das células a utilizar, desta forma foi realizado um estudo comparativo

dos tipos de células mais comuns no mercado para que se possa optar pelas que mais se

adequam às exigências da competição. As células comparadas são de ácido-chumbo, lítio-

ferro-fosfato e óxido de Lítio-cobalto [13].

A decisão da composição química das células tem em conta como fatores de decisão os

seguintes:

- Energia específica [Wh/kg]

- Número de ciclos

- Segurança

- Tempo de recarga [h]

- Preço

Tabela 2.4 Tipos de células e suas características.

Tipo

Símbolo

Químico

Energia

especifica

[Wh/Kg]

Número de

ciclos

(descarga a

80 %)

Tempo de

recarga [h]

Chumbo-Ácido Pb 30-50 200-300 8

Lithium Iron

Phosphate LiFePO4 90-120 500-1000 2-3

Lithium Cobalt

Oxide LiCoO2 150-225 2000-3000 2-3

Analisando a tabela 2.4, devido à sua elevada energia específica e baixo tempo de

recarga, as células mais indicadas serão de LiFePO4 ou de LiCoO2. Estas estão presentes nas

figuras 2.9 e 2.10. No entanto, as células desta composição química (LiCoO2), mesmo sendo

as mais indicadas pela análise da tabela 2.4, são altamente intolerantes a carregamentos ou

descargas excessivos, podendo arder ou mesmo explodir.

Devido à pequena margem para erros no manuseamento desta composição química,

opta-se pelas células de LiFePO4. Assim, não só se promove a segurança de todos os

elementos responsáveis pelo manuseamento das mesmas, como também se assegura a

permanência na competição até à sua conclusão. Estas, sendo mais tolerantes a erros tornam-

se numa solução mais atrativa para os atuais requisitos da equipa. Sabe-se que o volume e

peso das LiFePO4 é superior, no entanto a disposição e fixação entre as várias células feita

20

através de um parafuso nos seus terminais torna simples substituir células mortas ou

defeituosas. Desta forma excluem-se as células de LiCoO2, não comprometendo a performance

geral da embarcação tal como será abordado e comprovado no decorrer do dimensionamento.

Figura 2.9 Células LiCoO2 (oxido de lítio-cobalto), adaptado de [14].

Figura 2.10 Células LiFePO4 (Lítio-ferro-fosfato) cilíndricas [15].

Após a decisão da composição química das células é necessário determinar quais as

células que mais se adequam às necessidades da embarcação. Para isso é necessário saber

algumas características e especificações, pois existem células com características díspares

para a mesma composição química.

Desta forma, as características sobre as quais é feita a decisão final das células LiFePO4

a utilizar são as seguintes:

-Corrente máxima de descarga (contínua)

[A]

-Corrente recomendada de descarga [A].

-Corrente máxima de descarga (pulso de

30 segundos) [A]

-Corrente máxima de carga contínua [A]

-Corrente recomendada de carga [A]

-Tensão máxima por célula [V]

-Tensão mínima por célula [V]

-Peso [kg]

-Volume [m3].

Como mencionado previamente, e imposto por regulamento, em nenhum caso a tensão

na embarcação poderá exceder os 52 VDC. Em especial, para o uso de células de lítio existe

uma outra restrição, que impõe que no máximo seja utilizada uma montagem com 14 células

em série.

Sendo a tensão nominal de cada célula de lítio 3.2 V, como presente no anexo B, sabe-

se:

𝑉𝑛_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒𝑉𝑛_𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 [V] (2.12)

𝑉𝑛_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 14(3.2) = 44.80 [V]

21

Utilizando o valor de tensão nominal da bateria e a potência necessária no motor é

possível calcular todos os valores de corrente de descarga que a bateria vai ter de ser capaz

de fornecer. Sabe-se:

𝑃 = 𝑈𝐼 [W] (2.13)

Para se realizar um correto dimensionamento da bateria tem de se garantir o pleno

funcionamento do sistema de propulsão em todas as condições. O dimensionamento é

efetuado para o pior caso, contabilizando como zero a contribuição de potência dos painéis

fotovoltaicos. Desta forma, será possível utilizar a embarcação em todas as suas

potencialidades durante nevoeiro ou chuva forte, casos em que a irradiância solar que chega

aos painéis fotovoltaicos é reduzida ou mesmo nula.

Adotando como referência a tensão da bateria, utilizando a equação 2.13 podem

calcular-se os valores de correntes necessários ao dimensionamento para os vários regimes de

funcionamento.

Modo descarga (Motor)

Tabela 2.5 Valores de potência e corrente de descarga do motor para vários regimes de funcionamento.

Aceleração máxima Nominal Média (Plataforma de

simulação)

Potência [W] 5000 3000 1736

Corrente [A] 111.60 67 38.75

Analogamente à descarga da bateria, calculam-se os valores de correntes respeitantes

ao carregamento das mesmas.

Modo carregamento (Painéis Fotovoltaicos)

Tabela 2.6 Valores de potência e corrente de carregamento da bateria para funcionamento nominal e pico.

Pico Nominal

Potência [W] 1750 1120

Corrente [A] 36.50 23.33

Através das tabelas 2.5 e 2.6 torna-se possível concluir que células são ou não passíveis

de ser utilizadas na embarcação.

Atendendo às restrições, a forma de ligar as células entre si terá de ser com catorze

células em série e seguidamente ligar séries de catorze células em paralelo até se atingir o

valor mais próximo possível de 1500 Wh permitidos.

22

Escolheram-se três células de LiFePO4 distintas, apresentadas nas figuras 2.11 a 2.13,

existentes no mercado e fez-se um estudo de modo a perceber quais poderiam ou não ser

utilizadas na embarcação.

As células são as apresentadas seguidamente:

Tipo 1 - LiFePO4 WN10AH [16]

Tipo 2 - LiFePO4 HW - 38120S [17]

Tipo 3 - LiFePO4 LFP - 40152SE, ver anexo B

Figura 2.11 Células LiFePO4 LFP - 40152SE

Figura 2.12 Células LiFePO4 WN10AH

Figura 2.13 Células LiFePO4 HW - 38120S

Calcula-se o número de ligações em paralelo de séries de catorze células que se terá de

utilizar para cada tipo utilizando a seguinte equação:

𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑉𝑛_𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝐶𝑛𝑜𝑚 [Wh] (2.14)

Para as células do tipo 1 - LiFePO4 WN10AH e tipo 2 - LiFePO4 38120S, ambas de

10Ah, tem-se:

𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑉𝑛_𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝐶𝑛𝑜𝑚 ⟺

⟺ 1500 = 𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜3.2(14)(10) ⟺

𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =1500

3.2(14)(10)= 3.35 ⟹ 3

Conclui-se que tanto para as células do tipo 1 como para as células do tipo 2, terão de

se ligar 3 séries em paralelo, cada série com 14 células, de modo a obter o valor mais próximo

de 1500 Wh, sem que este seja ultrapassado.

Utilizando novamente a equação 2.14 calcula-se o valor da energia que vai estar

armazenada utilizando células tipo 1 ou do tipo 2, de 10 Ah.

𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 𝑉𝑛_𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝐶𝑛𝑜𝑚 ⟺

𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 3(3.2)(14)(10) = 1344 [Wh]

23

Analogamente, recorrendo à equação 2.14, calculam-se o número de ramos em paralelo

necessários para as células do tipo 3, de 15Ah:

𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒𝑉𝑛_𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 𝐶𝑛𝑜𝑚 ⟺

⟺ 1500 = 𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜× 3.2×14×15 ⟺

𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =1500

3.2(14)(15)= 2.23 ⟹ 2

Para as células do tipo 3 serão apenas duas séries de catorze células em paralelo, no

entanto, a energia final armazenada é a mesma.

𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2(3.2)(14)(15) = 1344 [Wh]

Neste ponto deixa-se de falar em células individuais, passa-se a tratar o conjunto de

células previamente dimensionado, por bateria. Seguidamente verifica-se se a corrente de que

o motor necessita, para operar em todos os seus regimes de funcionamento, pode ser

fornecida pelos vários tipos de células propostos.

Valida-se também se a corrente proveniente dos painéis fotovoltaicos pode ser

direcionada na sua totalidade para a bateria durante o carregamento das mesmas.

Através de uma consulta cuidada das respetivas datasheets obtém-se a tabela 2.7

constituída por valores de corrente máximos e valores de corrente recomendados:

Tabela 2.7 Valores de corrente de carregamento e descarga dos 3 tipos de células propostos.

Modo carregamento Modo descarga

Pico Nominal Pico Nominal Média

Potência [W] 1750 1121 5000 3000 1736

Corrente [A] 36.50 23.35 111.60 67 38.75

Bateria

Tipo 1 30A Max. 30A Max.

9.9A Rec.

90A Max.

15 seg

60A Max.

9.9A Rec.

60A Max.

9.9A Rec.

Tipo 2 90A Max.

15A Rec.

90A Max.

15A rec.

300A Max.

30 seg

90A Max.

30A Rec.

90A Max.

30A Rec.

Tipo 3 90A Max

15A Rec.

90A Max.

15A rec.

300A Max.

30 seg

90A Max.

30A Rec.

90A Max.

30A Rec.

Analisando a tabela 2.7, exclui-se a bateria do tipo 1 pois não está apta a fornecer a

corrente necessária para que o motor funcione em todos os regimes para que foi projetado.

Sendo que as células do tipo 1 e 2 são igualmente capazes, importa agora determinar qual

será a solução mais adequada.

24

As seguintes tabelas foram realizadas utilizando os preços presentes no endereço

eletrónico e consulta na respetiva datasheet [17] [18].

Tabela 2.8 Características determinantes na escolha da bateria a ser utilizada na embarcação.

Célula LiFePO4 HW - 38120S LiFePO4 LFP- 40152SE

Número de células necessárias 14(3) = 42 14(2) = 28

Preço unitário [$] 23.75 37.95

Preço total [$] 42(23.75) = 997.5 28(37.95) = 1062.6

Peso unitário [g] 330 480

Peso total [g] 42(330) = 13860 28(480) = 13440

Resistência interna [mΩ] ≤ 8 ≤ 4

A tabela 2.8 foi utilizada de forma a determinar quais as células que iriam constituir a

bateria da embarcação. Uma vez que as duas células em comparação possuem a mesma

capacidade de descarga e de carregamento, será feita uma ponderação custo-benefício.

Para ser possível perceber quais as implicações da queda de tensão (𝑄𝑡), calcula-se

para uma corrente de descarga de 40A, valor próximo da média, utilizando a seguinte equação:

𝑄𝑡 =𝑁𝐶é𝑙𝑢𝑙𝑎𝑠_𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒𝑁𝑅𝑎𝑚𝑜𝑠_𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜

𝑅𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝐼𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 [V] (2.15)

Através da equação 2.15, determina-se a queda de tensão para a bateria do tipo 1:

𝑄𝑡1 =14

3(8×10−3)(40) = 1.49 [V]

Calcula-se a potência a ser retirada da bateria utilizando a equação 2.13 mencionada

previamente:

𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑜𝑢𝑡 = 40(44.8 1.49) = 1732 [W]

Seguidamente calcula-se a queda de tensão para a bateria do tipo 2:

𝑄𝑡2 =14

2(4×10−3)(40) = 1.12 [V]

Calcula-se a potência a ser retirada da bateria:

𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑜𝑢𝑡 = 40(44.8 1.12) = 1747 [W]

25

Conclui-se que para a mesma energia de armazenamento embora a resistência interna

por célula seja o dobro, devido ao número de ramos em paralelo a diferença de perda de

potência devido á queda de tensão na resistência interna é desprezável:

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 = (1 (1732

1747) (100)) = 0.86 [%]

Devido ao preço das duas soluções ser aproximadamente o mesmo, opta-se pela

bateria do tipo 2 que utiliza células LiFePO4 LFP- 40152SE devido ao seu peso inferior, e ao

facto de serem menos células.

Abaixo, na tabela 2.9 apresentam-se os dados das células a serem utilizadas na

embarcação:

Tabela 2.9 Dados das células a serem utilizadas na embarcação, LFP- 40152SE.

Nome Célula cilíndrica LiFePO4

Modelo LFP- 40152SE

Capacidade Nominal: 15000 mAh

Tensão nominal 3.2 V

Densidade de energia (Wh/kg) 100

Resistência interna ≤4 mΩ

Corrente de carregamento máxima 3C（45 A）

Tensão de carregamento padrão 3.65± 0.05 V

Corrente de carregamento recomendada 0.5C, 5 A ×2 hours

Corrente de descarga máxima recomendada continua 3C (45 A) -10C (150 A)

Corrente de descarga máxima (pulso de 30seconds) 10C（150 A）

Corrente de descarga recomendada 1C (15 A)

Tensão minima 2.0 V

Ritmo de Auto descarga (mensalmente) 2-3 %

Altura/Diâmetro 165.5 ± 0.5 / 40 ± 1

Peso (Approx.) 480 g

Assim como, se apresenta na figura 2.14, as curvas de descarga para vários valores de

temperatura.

26

Figura 2.14 Curvas de descarga para diferentes temperaturas, para as células LFP- 40152SE (Ver anexo B).

Por fim, na figura 2.15, é apresentada a configuração proposta para a bateria:

Figura 2.15 Configuração e ligação das células da bateria.

Tal como no dimensionamento dos painéis fotovoltaicos, devido às imposições do

regulamento, como mencionado previamente, as células da bateria terão de ser ligadas em

paralelos de catorze células em série. Assim, o esquema com a proposta de ligação das

células constituintes da bateria da embarcação é o apresentado na figura 2.15.

44.8 Vn

3.2 Vn

27

2.3. Plataforma de simulação híbrida do movimento da

embarcação em pista.

2.3.1. Funcionamento

A plataforma de simulação híbrida concebida, que consiste num programa desenvolvido

num programa de cálculo numérico, utiliza como base o algoritmo mencionado e explicado na

seção 2.1. Em que, como grandezas de entrada, e para os testes realizados, todas as

velocidades em linha reta são inicializadas com o valor de 𝑣𝑗 = 15.6 km/h e as velocidades

em curva, são todas iniciadas a 𝑣𝑗 = 10 km/h. Estes valores são apenas condições iniciais a

partir dos quais o algoritmo vai calcular a velocidade ótima, foram selecionados de modo a que

a média de velocidades seja aproximadamente 15 km/h para o percurso de 2 horas de

duração. A denominação híbrida vem do facto da plataforma de simulação ser composta por

uma parte de cálculos numéricos efetuados no computador e por uma parte obtida

experimentalmente.

O peso total da embarcação com tripulante e o comprimento do casco utilizados na

plataforma de simulação foram fornecidos pela área de casco da equipa TSB e são

respetivamente 280 kg e 7 metros.

Pela plataforma de simulação desenvolvida num programa de cálculo numérico, obtém-

se os seguintes valores:

• Energia Final

• Energia armazenada durante o

percurso

• Potência média de entrada no

motor

• Potência instantânea de entrada no

motor

• Potência solar média

• Potência solar instantânea

• Potência média extraída da bateria

• Potência instantânea extraída da

bateria

• Velocidade média

• Velocidade instantânea

• Coeficiente de atrito hidrodinâmico

• Distância percorrida

• Duração da etapa

De forma análoga ao algoritmo do catulo 2.1, obtém-se a função de cálculo da potência.

Sabe-se que a força inercial se mantém inalterada em relação à equação 2.1.

Assim como a força de atrito aerodinâmico, sendo diferentes apenas nos coeficientes

utilizados, a força de atrito hidrodinâmico é dada por:

𝐹𝑎_ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜 =1

2𝜌𝑎𝑔𝐴𝑓𝐶𝑡𝑎𝑔𝑣

2 [N] (2.16)

28

Devido à força de atrito hidrodinâmico ser aproximadamente mil vezes superior à força

de atrito aerodinâmico, esta é desprezada. Logo, a força total que é necessária ser fornecida à

embarcação é a seguinte:

𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑎 +1


2 [N] (2.17)

Através da equação 2.5 que relaciona potência com força, chega-se à equação final

representada seguidamente.

𝑃𝐸𝑚𝑏𝑎𝑟𝑐𝑎çã𝑜_𝑜𝑢𝑡 = (𝑚𝑎)𝑣 + (1


2) 𝑣 [W] (2.18)

Lista de Variáveis:

𝑃𝐸𝑚𝑏𝑎𝑟𝑐𝑎çã𝑜_𝑜𝑢𝑡 - Potência a ser fornecida à

embarcação [W]

𝑚- Massa [kg]

𝑎 - Aceleração [m/s2]

𝑣 - Velocidade [m/s]

𝜌𝑎𝑔 - Densidade da água [kg/m3]

𝐴𝑓 - Área frontal do casco [m2]

𝐶𝑡𝑎𝑔 - Coeficiente de atrito hidrodinâmico

𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 - Força total [N]

𝐹𝑎_ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜 – Força de atrito hidrodinâmico [N]

Após se saber (𝑃𝐸𝑚𝑏𝑎𝑟𝑐𝑎çã𝑜_𝑜𝑢𝑡 ) pela equação 2.18, é calculada a potência necessária

ser fornecida ao motor. Posteriormente, utilizando a potência solar estimada calcula-se a

potência a ser retirada da bateria e a ser fornecida ao motor de modo a que a velocidade seja a

pretendida.

Sabe-se:

𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑖𝑛 = 𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑜𝑢𝑡 + 𝑃𝑃𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 ⟺ 𝑃𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎_𝑜𝑢𝑡 = 𝑃𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟_𝑖𝑛 𝑃𝑃𝑎𝑖𝑛é𝑖𝑠 (2.19)

No caso da velocidade atual ser superior à pretendida, a velocidade da embarcação é

reduzida impondo a potência de entrada no motor a 0 W. Desta forma a velocidade reduz-se

apenas devido ao atrito com a água. Isto é feito para todos os troços do percurso.

Seguidamente, o algoritmo verifica se é possível percorrer todo o percurso planeado

utilizando a energia solar disponível e ≈ 70 % do total da energia armazenada na bateria.

𝐸𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 1500(0.7) = 1050 Wh

𝐸𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙_𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 1500(0.3) = 450 Wh

Caso a energia disponível na bateria no final da primeira iteração do cálculo seja

superior ou inferior a esta (450 Wh), realiza-se um ajuste de todas as velocidades. As

velocidades predefinidas sofrem um acréscimo ou decréscimo do valor inicial para que o

29

consumo de energia aumente ou diminua, respetivamente. É feito um novo cálculo e o

procedimento repete-se até que a energia final armazenada na bateria seja igual 450 Wh.

Desta forma consegue-se obter a velocidade para cada percurso de modo a consumir

exatamente toda a energia disponível.

O esquema presente na figura 2.16 é o caso particular para uma embarcação, sendo

que, apenas é alterada a equação de cálculo da potência necessária ser fornecida à

embarcação.

Ao longo do desenvolvimento foi sendo incrementado o nível de complexidade da

plataforma de simulação desenvolvida. Torna-se assim o algoritmo o mais fidedigno possível.

Para isto, foram a si associadas várias funções auxiliares.

Abaixo descreve-se em detalhe as funções auxiliares de cálculo utilizadas no programa

principal, assim como, na figura 2.16 se apresenta o esquema geral do funcionamento do

algoritmo de cálculo da velocidade ótima.

Calc_acel - Calcula a aceleração da embarcação dependendo da velocidade a que se

encontra, do respetivo coeficiente de atrito hidrodinâmico e da potência máxima disponível

nesse ponto. Para os testes realizados a potência é limitada pela potência de 2000 W, por uma

questão de coerência com os ensaios experimentais.

Entradas:

- Velocidade atual

- Potência instantânea

O cálculo da aceleração é feito através da equação geral de cálculo da potência

instantânea, esta é adaptada e toma o seguinte especto:

𝑎 =(𝑃 𝑎𝑡𝑟𝑎𝑠𝑜∗ (0.5𝜌𝐴𝐶𝑡(𝑣2)𝑣)

(𝑚𝑣) [m/s2] (2.20)

*valor que vai sendo incrementado ao longo do tempo, corrigindo assim valores de aceleração

inexequíveis para valores de velocidade próximos de zero.

Saídas:

- Aceleração em cada ponto.

Calc_decel - Função similar à anterior mas com a particularidade de receber uma potência

igual a zero.

𝑑𝑒𝑐𝑒𝑙 =( (0.5𝜌𝐴𝐶𝑡(𝑣2)𝑣)

(𝑚𝑣)[m/s2] (2.21)

30

𝑣𝑗 = 𝑣𝑗 𝐶𝑡𝑒 𝑣𝑗 = 𝑣𝑗 + 𝐶𝑡𝑒

𝑗 𝑣𝑗 𝐼 í𝑐 𝑜

𝑃 = 𝑚𝑎𝑗 𝑣𝑗 +1

2𝜌𝑎𝑔𝐴𝑓𝐶𝑡𝑎𝑔𝑗

𝑣𝑗2 𝑣𝑗


𝑣𝑗 𝑜𝑡 𝑚𝑜𝐸𝑗 = 𝐸𝑏𝑎𝑡0,3

𝐸𝑗 0,3𝐸𝑏𝑎𝑡

𝐸𝑗 0,3𝐸𝑏𝑎𝑡

SimNão

Figura 2.16 Esquema geral do funcionamento do algoritmo de cálculo da velocidade ótima ao longo de um percurso.

31

Calc_ct – Calcula o coeficiente de atrito hidrodinâmico em função da velocidade da

embarcação.

Entradas:

- Velocidade atual

Saídas:

- Coeficiente de atrito hidrodinâmico relativo à velocidade atual.

A função de cálculo foi fornecida pela área de casco da equipa Técnico Solar Boat.

𝐶𝑡𝑎𝑔 = 2.650269×10

−7𝑣6 + 1.089431×10−5𝑣5 – 1.767133×10−4𝑣4 + 1.419965×

10−3𝑣3 – 5.754569×10−3𝑣2 + 1.020569×10−2𝑣 6.681868×10−5

(2.22)

Pin_to_Pout_mot_helice – Calcula a potência necessária ser fornecida à embarcação através

da potência de entrada no motor.

Entradas:

- Potência de entrada do motor

Saídas:

- Potência à saída da hélice, isto é, a potência que é efetivamente fornecida à

embarcação.

Esta função faz uso do diagrama de rendimento do conjunto motor e hélice fornecido

pela Torqeedo, cujo motor é um CPM90. A hélice utilizada foi otimizada pela Torqeedo para o

motor, desta forma assume-se o rendimento da hélice como um rendimento típico.

Através da curva de rendimento foi elaborada uma função, e esta foi incluída na

plataforma de simulação de forma a calcular a potência à saída da hélice.

O rendimento do conjunto motor e hélice presente na figura 2.17 varia com a potência de

entrada, tem um ponto máximo para aproximadamente 1000 W de potência de entrada [19].

Pou_to_Pin_mot_helice – Função inversa da anterior, calcula a potência de entrada no motor

dada a potência à saída da hélice.

Entradas:

- Potência à saída da hélice

Saídas:

- Potência de entrada do motor

Psolar_inst – Calcula a potência solar instantânea para cada ponto do percurso.

Entradas:

- Hora de início da etapa

- Tempo decorrido

Saídas:

32

- Potência solar

𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 5×10−5h4 0,0024h3 + 0,0321h2 0,077h 0,037 [W] (2.23)

𝑅𝑒 𝑑 = 8,412034215×10−20p6 6,641709268×10−16p5 + 1,915191063×10−12p4

2,263167414×10−9p3 + 4,418796702×10−7p2 + 1,033200888×10−3p + 1,915678296×10−2

Figura 2.17 Rendimento do conjunto motor e hélice.

Como mencionado no dimensionamento dos painéis fotovoltaicos realizado no capítulo

2.1.3, através da localização e data da competição, é possível, obter-se o gráfico para um dia

do mês de Julho, em Harlingen, Holanda. Desta forma, utiliza-se uma regressão polinomial de

forma a extrair a potência no tempo.

Utilizando a área e o rendimento dos painéis fotovoltaicos a serem instalados, obtém-se

a potência solar estimada para a duração e hora do dia da etapa.

𝑃𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠 = 𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝐴𝑝𝜂𝑃𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠_𝑓𝑜𝑡 [kW] (2.24)

Na figura 2.18 apresentada seguidamente, mostra-se o percurso de Harlingen na

Holanda. É um percurso com cerca de 3.6 km e ganha quem em duas horas de navegação der

o maior número de voltas.

Para este percurso foram apenas consideradas 4 curvas críticas por volta, em que há

uma implicação de redução de velocidade. Estas 4 curvas são inicializadas com uma

velocidade máxima de 10 km/h ao serem discretizadas para a plataforma de simulação.

Todas as restantes curvas têm um raio 𝑟 50 𝑚 , pelo que não existe uma implicação de

redução de velocidade. Desta forma, são tratadas como troços em linha reta. Cada volta é

desta forma discretizada em 4 curvas e 13 retas. Devido ao facto do casco da embarcação não

estar terminado aquando da realização desta dissertação de mestrado, não é possível, ainda,

0 500 1000 1500 2000 25000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Potência de Propulsão [W]

Re

nd

ime

nto

Rendimento(P)

Curva de Tendência

33

adiquirir com mais precisão informações acerca da sua manobrabilidade e comportamento

durante curvas com diferente ângulo e comprimento.

Nas seguintes figuras podem observar-se os resultados mencionados previamente,

extraídos da plataforma de simulação. Estão divididos em 4 conjuntos:

a. Aceleração

b. Desaceleração

c. Curva completa

d. Prova completa

2.3.2. Resultados

Os resultados seguintes são respetivos a uma aceleração posterior a uma curva do

percurso em questão.

a. Aceleração.

Figura 2.18 Potência de entrada no motor durante a aceleração [W].

Na figura 2.19 pode ver-se a potência de entrada no motor, em que, durante a curva está

a consumir 981 W. Entrando em aceleração, o motor recebe mais potência e passa a consumir

2000 W. Por fim, chega à velocidade pretendida após a saída da curva e fica a consumir 1675

W até chegar à próxima curva.

3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Tempo [min]

Po

tên

cia

de

en

tra

da

no

mo

tor

[W]

34

Figura 2.19 Percurso da etapa de Harlingen com marcação das curvas em que há uma redução de velocidade.

35

Figura 2.20 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a aceleração [W].

A figura 2.20 representa a potência solar que o sistema recebe durante o tempo em que

a aceleração ocorre. Conclui-se, pela análise das figuras 2.19 e 2.20, que a energia

proveniente dos painéis fotovoltaicos apenas é consumida na totalidade após o início da

aceleração. Durante esta, é necessário ser consumida também energia proveniente da bateria

de forma a perfazer os 2000 W de consumo. Ao longo da curva, a potência de entrada no

motor é inferior à potência solar. Devido a este facto conclui-se que a bateria durante a curva é

carregada com a potência excedente proveniente dos painéis fotovoltaicos.

3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.051460.2

1460.4

1460.6

1460.8

1461

1461.2

1461.4

1461.6

1461.8

Tempo [min]

En

erg

ia a

rma

ze

na

da

[W

h]

Figura 2.21 Energia armazenada na bateria durante a aceleração [Wh].

3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.051017

1017.2

1017.4

1017.6

1017.8

1018

1018.2

1018.4

1018.6

1018.8

1019

Tempo [min]

Po

tên

cia

fo

rne

cid

a p

elo

s p

ain

eis

so

lare

s [

W]

36

Na aceleração parte da potência é extraída da bateria de modo a compensar o défice

existente entre a potência de entrada no motor e a potência solar disponível. Desta forma,

assumindo como 1018 W a potência proveniente dos painéis fotovoltaicos retiram-se da bateria

≈ 982 W durante a aceleração, e ≈ 657 W após a saída da curva. Tal pode ser confirmado

através da análise da figura 2.21, que representa a energia armazenada na bateria ao longo do

tempo.


[Wh] (2.25)

Esta energia, apresentada na equação 2.25, é calculada através de uma integração

trapezoidal cumulativa. Consiste em fazer uma soma cumulativa da diferença entre a potência

de entrada (painéis fotovoltaicos) e a potência de saída (motor).

Verifica-se através da análise da figura 2.21 que, até ao instante 3.97, a energia

armazenada na bateria está a aumentar. Isto deve-se ao facto de, durante a curva, a potência

solar não estar a ser consumida na totalidade pelo motor. Após o início da aceleração, a

energia diminui com um declive elevado em consequência de estarem a ser consumidos

2000 W em cada instante e apenas 1018 W a serem fornecidos pelos painéis fotovoltaicos.

Após alcançar a velocidade final o declive reduz novamente pois a potência que está a

ser extraída da bateria passa para o valor de 657 W.

3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.050

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Tempo [min]

Ace

lera

çã

o [

m/s

2]

Figura 2.22 Aceleração da embarcação [m/s2].

Na figura 2.22 está representada a aceleração da embarcação. Esta é dependente da

potência, isto é, a potência fornecida está limitada pela potência máxima do motor. No caso do

motor utilizado (CPM90-45 48V) esta potência é de 5000 W. No entanto, por uma questão de

37

coerência, tanto nos ensaios laboratoriais como na plataforma de simulação foi utilizado o valor

máximo de potência de 2000 W devido à limitação da bancada de testes.

Existe um ponto em que a aceleração é máxima, que corresponde ao ponto de inflexão,

no qual se atinge a potência de propulsão máxima. Após o ponto de inflexão a aceleração

diminui embora a velocidade da embarcação continue a aumentar. A aceleração é calculada

pela função Calc_acel mencionada nas funções auxiliares.

Qualquer aceleração implica uma mudança de velocidade, pelo que, está expressa na

figura 2.23 a mudança de velocidade resultante da mesma. Sendo o valor da aceleração

sempre positivo implica uma velocidade sempre crescente, desde o valor de ≈ 2.80 m/s até ≈

4.40 m/s de valor final.

3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.052.5

3

3.5

4

4.5

5

Tempo [min]

Ve

locid

ad

e [

m/s

]

Figura 2.23 Velocidade da embarcação durante a aceleração [m/s].

Por último, na figura 2.24 está presente o rendimento do conjunto (motor e hélice)

durante a aceleração. O rendimento do conjunto toma o seu valor máximo de ≈ 57.50 % para

2000 W, assim que se inicia a aceleração.

Verifica-se pela figura 2.17 que este valor corresponde ao valor nominal de rendimento

do conjunto motor e hélice. Assim garante-se que a aceleração é feita da maneira mais

eficiente possível. Após a aceleração, o rendimento retorna para os valores de ≈ 55 % onde

permanece durante a maior parte do percurso (MRU).

38

3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.0530

35

40

45

50

55

60

Tempo [min]

Re

nd

ime

nto

do

co

nju

nto

(m

oto

r e

hé

lice

) [%

]

Figura 2.24 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a aceleração [%].

b. Desaceleração.

Presente na figura 2.24, e para o caso da desaceleração, é possível observar a potência

de entrada no motor. Esta tem o valor de 1675 W, imediatamente antes de entrar no troço

curva. Ao entrar no troço curva, onde a velocidade é inferior, a potência do motor é retirada.

Assim, passam a ser consumidos 0 W e o barco desacelera apenas devido à força de atrito.

Isto mantem-se até alcançar a velocidade pretendida no interior da curva. Assim que esta é

atingida o motor passa a ter uma potência de entrada de 981 W, correspondente à potência

necessária para manter o barco a andar a 2.8 m/s no interior da curva.

3.7 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.77

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tempo [min]

Po

tên

cia

de

en

tra

da

no

mo

tor

[W]

Figura 2.25 Potência de entrada no motor durante a desaceleração [W].

39

É possível observar na figura 2.27 a potência solar para esta secção do troço, que no

ponto máximo é ≈ 1018 W. Analogamente à aceleração, mas desta vez o motor estando a

consumir 0 W, toda a energia proveniente dos painéis fotovoltaicos será armazenada na

bateria. Pode ser notado na figura 2.26 que o declive da reta de subida da energia na bateria é

mais elevado, isto é, para este momento do percurso está a ser armazenada toda a energia

elétrica que é gerada pelos painéis fotovoltaicos.

3.7 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.77

1460.6

1460.8

1461

1461.2

1461.4

1461.6

Tempo [min]

En

erg

ia a

rma

ze

na

da

[W

h]

Figura 2.26 Energia armazenada na bateria durante a desaceleração [Wh].

3.7 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.771017.75

1017.8

1017.85

1017.9

1017.95

Tempo [min]

Po

tên

cia

fo

rne

cid

a p

elo

s p

ain

eis

so

lare

s [

W]

Figura 2.27 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a desaceleração [W].

A figura 2.28 representa a aceleração negativa que é imposta ao barco devido ao atrito

entre a água e o casco. A potência de atrito tem dependência da velocidade, isto é, aumenta

com o aumento de velocidade. Assim, inerente à diminuição da velocidade, existe uma

diminuição em módulo, da aceleração.

40

3.7 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.77

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

Tempo [min]

Ace

lera

çã

o [

m/s

2]

Figura 2.28 Aceleração da embarcação durante a travagem [m/s2].

A figura 2.29 representa a velocidade da embarcação, esta está a diminuir até atingir a

velocidade pretendida no interior da curva. Esta velocidade é calculada através da seguinte

equação:

𝑣𝑠𝑒𝑔𝑢𝑖𝑛𝑡𝑒 = 𝑣𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 + 𝑎𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙𝑡𝑎𝑡𝑢𝑎𝑙 [m/s] (2.26)

Desta forma a velocidade em cada ponto depende da aceleração nesse mesmo ponto.

3.7 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.772.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

Tempo [min]

Ve

locid

ad

e [

m/s

]

Figura 2.29 Velocidade da embarcação durante a desaceleração [m/s].

A figura 2.30 representa o rendimento do conjunto motor mais hélice para a aceleração

negativa. Este é zero quando o motor está desligado, durante a desaceleração, e ≈ 30 %

quando a embarcação está a percorrer a curva e a consumir 981 W.

41

3.7 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.770

10

20

30

40

50

60

Tempo [min]

Re

nd

ime

nto

do

co

nju

nto

(m

oto

r e

hé

lice

) [%

]

Figura 2.30 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a desaceleração [%].

c. Curva completa.

Agrupando os dois casos anteriores obtém-se os resultados para uma curva completa.

Deste modo é possível ter uma visão geral do comportamento da embarcação durante uma

curva, desde a desaceleração da velocidade até à aceleração após a saída da curva.

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.05

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Tempo [min]

Po

tên

cia

de

en

tra

da

no

mo

tor

[W]

Figura 2.31 Potência de entrada no motor durante a curva [W].

Na figura 2.31 está presente a potência de entrada no motor durante uma curva

completa. Como explicado anteriormente, ao entrar na curva o motor é desligado (0 W) para

desacelerar apenas devido ao atrito com a água. No interior da curva passa a consumir 981 W

42

para manter a velocidade de ≈ 2.80 m/s. Após a curva, para voltar à velocidade de MRU o

consumo volta a ser de 2000 W, predefinidos para a aceleração.

A figura 2.32 representa as acelerações existentes durante a curva já expostas

anteriormente. Primeiramente a embarcação tem uma aceleração negativa para reduzir a

velocidade e à saída da curva passa a ter uma aceleração positiva para voltar para a

velocidade MRU.

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.05-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Tempo [min]

Ace

lera

çã

o [

m/s

2]

Figura 2.32 Aceleração da embarcação durante a curva [m/s2].

A potência instantânea dos painéis fotovoltaicos presente na figura 2.33 mantém as

mesmas características das apresentadas anteriormente.

Atento o facto da prova ser realizada durante a manhã, a potência gerada pelos painéis

fotovoltaicos está a aumentar até que seja atingido o ponto máximo de produção.

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.051017.7

1017.8

1017.9

1018

1018.1

1018.2

1018.3

1018.4

Tempo [min]

Po

tên

cia

fo

rne

cid

a p

elo

s p

ain

eis

so

lare

s [

W]

Figura 2.33 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a curva [W].

43

Para que seja percetível o impacto que cada uma das curvas tem no armazenamento e

consumo de energia da bateria, ilustra-se na figura 2.34 a curva completa. Primeiramente a

embarcação encontra-se em MRU e está a consumir uma potência constante da bateria. Após

entrar em desaceleração, consumo 0 W, toda a potência gerada pelos painéis fotovoltaicos vai

ser armazenada na bateria. Isto resulta num aumento do valor da energia armazenada na

bateria. Durante a curva, para manter a embarcação a ≈ 2.80 m/s passam a ser consumidos

981 W, sendo que a potência gerada pelos painéis é de ≈ 1018 W. Assim, o excedente de

potência proveniente dos painéis fotovoltaicos vai ser armazenado na bateria. Ora, vai fazer

com que a energia armazenada suba a um ritmo inferior comparativamente à desaceleração.

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.051460.2

1460.4

1460.6

1460.8

1461

1461.2

1461.4

1461.6

1461.8

Tempo [min]

En

erg

ia a

rma

ze

na

da

[W

h]

Figura 2.34 Energia armazenada na bateria durante a curva [Wh].

Na figura 2.35 é possível observar a velocidade da embarcação durante a curva, ocorre

uma redução de ≈ 4.40 m/s para ≈ 2.80 m/s e em seguida, à saída da curva, um aumento de

velocidade para ≈ 4.40 m/s.

Através da análise das figuras 2.31 e 2.36, conclui-se que se obtém um rendimento de

propulsão máximo para uma potência de entrada de 2000 W. Uma diminuição de velocidade,

que implica uma diminuição da potência consumida, origina um consumo de energia menos

eficiente.

Por fim representa-se a etapa na sua totalidade, são percorridas aproximadamente oito

voltas completas no percurso fechado em Harlingen. É agora possível ver o diagrama completo

da potência consumida durante toda a etapa, em que cada “traço” vertical presente na figura

2.37 representa uma desaceleração seguida de uma aceleração realizada em cada uma das

curvas.

44

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.052.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

Tempo [min]

Ve

locid

ad

e [

m/s

]

Figura 2.35 Velocidade da embarcação durante a curva [m/s].

3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.050

10

20

30

40

50

60

Tempo [min]

Re

nd

ime

nto

do

co

nju

nto

(m

oto

r e

hé

lice

) [%

]

Figura 2.36 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a curva [%].

45

d. Prova completa.

0 20 40 60 80 100 120

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Tempo [min]

Po

tên

cia

de

en

tra

da

no

mo

tor

[W]

Figura 2.37 Potência de entrada no motor durante a prova [W].

Na figura 2.38 está presente a potência solar instantânea disponível em cada momento

da etapa.

0 20 40 60 80 100 120950

1000

1050

1100

1150

Tempo [min]

Po

tên

cia

fo

rne

cid

a p

elo

s p

ain

eis

so

lare

s [

W]

Figura 2.38 Potência proveniente dos painéis fotovoltaicos durante a prova [W].

A figura 2.39 representa o SOC da bateria ao longo da etapa, no início com 100 % (1500

Wh) e no fim da etapa com 30 % do inicial (450 Wh). Como imposto previamente, toda a

energia disponível para o percurso foi consumida até ao último instante da etapa, conseguiu-se

defini a velocidade da embarcação em todos os pontos do percurso, de forma a gastar

exatamente toda a energia disponível. Evita-se assim chegar ao fim ainda com energia útil na

46

bateria ou, num pior caso, gastar-se toda a energia armazenada e ter de se percorrer parte do

percurso restringido pela energia solar.

0 20 40 60 80 100 120400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tempo [min]

En

erg

ia a

rma

ze

na

da

[W

h]

Figura 2.39 Energia armazenada na bateria durante a prova [Wh].

Na figura 2.40 estão exibidas todas as acelerações correspondentes a cada curva da

etapa. É de notar que a aceleração mais alta corresponde à aceleração inicial, a partir de

0 m/s. Devido à velocidade ser próxima de zero a potência de atrito é também

aproximadamente nula, assim utilizando a mesma potência de entrada no motor atinge-se uma

aceleração superior.

0 20 40 60 80 100 120-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Tempo [min]

Ace

lera

çã

o [

m/s

2]

Figura 2.40 Aceleração da embarcação durante a prova [m/s2].

47

A velocidade da embarcação em cada ponto do percurso está representada na figura

2.41 em que a velocidade mínima correspondente a curvas é ≈ 2.80 m/s e a velocidade

máxima em MRU é ≈ 4.40 m/s.

0 20 40 60 80 100 1200

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Tempo [min]

Ve

locid

ad

e [

m/s

]

Figura 2.41 Velocidade da embarcação durante a prova [m/s].

Por último, apresenta-se na figura 2.42 o rendimento do conjunto motor e hélice para

todo o percurso. Fica claro que o percurso é percorrido maioritariamente com um rendimento

próximo do rendimento nominal. Sendo este o subsistema com mais perdas de potência, tem

especial importância manter a embarcação o mais próximo do rendimento nominal possível.

Utilizando o motor e hélice selecionados, e através da plataforma de simulação foi

possível verificar que o dimensionamento foi realizado com sucesso.

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

40

50

60

Tempo [min]

Re

nd

ime

nto

do

co

nju

nto

(m

oto

r e

hé

lice

) [%

]

Figura 2.42 Rendimento do conjunto (motor e hélice) durante a prova [%].

48

Efetuaram-se também testes para vários valores de potência máxima de aceleração,

desta forma é possível comparar e perceber melhor a relevância da plataforma de simulação.

Para este ensaio fixou-se a distância total da etapa de forma a obter o ganho temporal.

Os resultados obtidos estão presentes na tabela 2.10.

Analisando a tabela 2.10, confirma-se a importância da utilização da plataforma de

simulação e da realização do algoritmo que aperfeiçoa o consumo de potência e velocidade em

cada ponto do percurso. Consegue-se numa etapa de 30.64 km ser 48 segundos mais rápido

apenas devido a fazer as acelerações a uma potência inferior. Isto é, com uma aceleração

inferior termina-se a prova de endurance num intervalo de tempo inferior. A razão pela qual isto

acontece deve-se ao rendimento do conjunto motor e hélice.

Tabela 2.10 Resultados para várias potências máximas de aceleração.

Potência de

aceleração [W] 5000 3000 2500 2000 1645

Duração da

etapa [min] 120.60 120 120 119.90 119.80

Distância

percorrida [km] 30.64 30.64 30.64 30.64 30.64

Energia final

[Wh] 452 451 459.50 457 457.50

Velocidade

média [km/h] 15.26 15.31 15.31 15.33 15.34

Potência média

de entrada no

motor [W]

1597 1599 1595 1596 1597

Confirma-se pela tabela 2.11 que para valores de potência de aceleração inferiores o

rendimento médio durante a prova é maior, consequentemente consegue-se transmitir mais

potência para a embarcação (potência útil). Desta forma o percurso de 30.64 km é então

concluído mais rapidamente.

Para uma competição em que é sagrada vencedora a equipa com menor tempo

acumulado ao longo dos sete dias de prova, torna-se imprescindível fazer a utilização da

plataforma de simulação de forma a elaborar a estratégia de gestão de energia adequada.

49

Tabela 2.11 Rendimento do conjunto motor e hélice para várias potências de aceleração.

Potência de

aceleração

[W]

1645 2000 2500 3000 5000

Rendimento

médio [%] 52.80 52.74 52.65 52.62 52.49

Rendimento

em MRU [%] 54.64 54.53 54.58 54.53 54.40

Rendimento

durante a

aceleração

[%]

56.14 57.73 56.26 54.06 50.90

2.4. Gestão de energia

Para que seja posto em prática o algoritmo de consumo energético é necessário criar um

sistema capaz de canalizar a energia para que esta não seja desperdiçada.

O esquema de ligações proposto para o sistema de propulsão elétrica, que está

representado na figura 2.43, consiste numa ligação em paralelo da bateria, painéis

fotovoltaicos e motor.

Sendo este sistema um sistema isolado, a potência proveniente dos painéis fotovoltaicos

é direcionada para o motor ou para a bateria dependendo do consumo que se está a fazer em

cada instante.

Painéis Solares

Bateria Motor e Controlador

Figura 2.43 Ligações do sistema de Propulsão Elétrica.

Desta forma, podem ocorrer 4 casos distintos de trânsito de potência, apresentam-se

nas figuras 2.44 a 2.47.

48 V

1750 Wp

1500 Wh 3 kW

50

Caso 1, a potência consumida é superior à proveniente dos painéis fotovoltaicos.

Painéis Solares


Figura 2.44 Caso 1, trânsito de potência.

Confirmado pelos resultados obtidos através da plataforma de simulação, este será o

caso usual de funcionamento durante a etapa em Harlingen. Maioritariamente, o motor vai

consumir uma potência superior à proveniente dos painéis fotovoltaicos, desta forma a energia

armazenada na bateria decresce ao longo da etapa. Como mencionado previamente, a bateria

vai terminar a etapa apenas com 30 % do valor inicial. Isto para que se garanta um

funcionamento saudável da bateria e evitando danos irreversíveis.

Caso 2, a potência consumida é igual à proveniente dos painéis fotovoltaicos.

Painéis Solares



Este será um caso pontual e apenas ocorrerá durante curtos períodos de tempo durante

a etapa. Períodos em que a potência consumida é rigorosamente igual à potência proveniente

dos painéis fotovoltaicos.

51

Caso 3, a potência consumida é inferior à proveniente dos painéis fotovoltaicos.

Painéis Solares



O terceiro caso pode ocorrer em três situações principais.

1. Durante uma curva em que se verifique a necessidade de redução de velocidade.

2. Durante um troço da etapa em que a velocidade máxima seja limitada por questões de

segurança.

3. Durante um troço em que não seja possível ultrapassar um oponente mais lento.

Neste caso o motor estará a consumir a potência proveniente dos painéis fotovoltaicos,

mas não na sua totalidade. Assim, o excedente de potência é armazenado na bateria.

Caso 4, modo carregamento de bateria.

Painéis Solares



52

No intervalo, entre etapas, a bateria da embarcação é carregada exclusivamente pelos

painéis fotovoltaicos. O motor não está a consumir potência e toda a potência proveniente dos

painéis fotovoltaicos irá ser armazenada na bateria.

53

3. Ensaios experimentais relativos ao trânsito de potência

no barco solar na plataforma de simulação híbrida

3.1. Caso de estudo – Barco solar de competição

Para ser possível verificar se os valores obtidos na plataforma de simulação vão de

encontro à realidade foram realizados ensaios laboratoriais ao motor utilizando uma carga

variável. Esta carga representa a carga que a hélice ao rodar realizará no motor durante a

etapa em Harlingen.

Os ensaios laboratoriais são realizados através da montagem conceptual que se mostra

na figura 3.1:

Figura 3.1 Esquema de ligações da plataforma de ensaios laboratorial.

Ufonte – Tensão da fonte DC [V]

Ifonte – Corrente de saída da fonte DC [A]

PIn – Potência de entrada no

motor/controlador [W]

PTi – Potência de entrada na transmissão

[W]

PTo – Potência de saída na transmissão [W]

UGerador – Tensão no gerador [V]

IGerador – Corrente de saída do gerador [A]

UExc – Tensão de excitação do gerador [V]

IExc – Corrente de excitação do gerador [A]

POut_res – Potência dissipada nas

resistências [W]

Em que, a fonte DC alimenta o controlador do motor, este comanda o motor excitando

sequencialmente as bobinas dispostas no estator, fazendo com que o rotor rode. Após estar

em rotação, a potência mecânica no eixo é transmitida ao gerador através da transmissão por

corrente. Devido à excitação imposta pela fonte DC ligada ao indutor do gerador, a rotação do

seu eixo induz uma tensão no induzido. Por fim, ao ser ligado a resistências vai dissipar a

potência gerada. Desta forma, alterando a resistência ligada ao gerador consegue-se alterar a

carga “sentida” pelo motor BLDC.

Ifonte

3:1

Ufont

e

UGerador

IGerador

IExc

UExc

PTo PTi PIn POut_res

54

Nas figuras 3.2 a 3.5, mostra-se a montagem real realizada no laboratório. Podem

observar-se os vários componentes ligados entre si, completando assim a montagem

conceptual da figura 3.1.

Resistências Gerador Fonte DC (excitação do gerador)

Figura 3.2 Montagem da plataforma de ensaios no laboratório.

Por uma questão de segurança, devido às elevadas rotações do motor e a transmissão

por corrente utilizada, foi elaborada uma caixa de proteção.

É utilizada uma fonte de tensão contínua, Mean Well RSP-3000-48, de 48 V e uma

corrente máxima de 62.5 A para alimentar o motor, ver anexo E. Para a transmissão de

potência mecânica entre o motor e o gerador foi necessária uma transmissão por corrente com

uma relação de transmissão. Para excitar o indutor do gerador síncrono é também utilizada

uma fonte tensão contínua. Por fim, de forma a dissipar a potência elétrica gerada através da

rotação do gerador síncrono são utilizadas resistências, estas são ligadas a cada uma das

fases do induzido do gerador.

Desta forma é possível simular a carga que a hélice produz no motor. Como explicado

anteriormente, a carga que o gerador impõe ao motor BLDC depende da corrente de saída do

gerador síncrono, isto é, depende da corrente que é dissipada nas resistências que estão

ligadas às fases do gerador. Assim, pelas equações 3.1 e 2.13, à medida que se diminui a

resistência total, e mantendo constante a tensão de excitação, consequentemente a tensão do

induzido, será dissipada mais potência.

55

Caixa de proteção Controlador do Motor

Figura 3.3 Controlador do motor e caixa de proteção da transmissão de potência.

Motor Transmissão de potência 3:1 Fonte de alimentação DC

Figura 3.4 Transmissão de potência mecânica.

Figura 3.5 Fonte de alimentação do motor.

𝑈 = 𝑅𝐼 (3.1)

Para transmitir potência do motor para o gerador é necessário ser utilizada uma

transmissão mecânica. Para dimensionar essa relação de transmissão que liga o motor ao

gerador é essencial saber qual a velocidade nominal de rotação de ambas as máquinas.

56

Assim, devido à inexistência de informação nos dados de placa do gerador síncrono,

calcula-se a velocidade nominal através da seguinte equação:

𝑁𝑛 =60𝑓

𝑁𝑃𝑎𝑟𝑒𝑠_𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠 [rpm] (3.2)

Em que, o número de polos foi obtido pela observação do gerador.

Polos salientes

Figura 3.6 Polos salientes do gerador síncrono.

Sendo que o gerador tem 4 polos, isto é, 2 pares de polos, conclui-se que a velocidade

nominal de funcionamento é:

𝑁𝑛 =(60)(50)

2= 1500 [rpm]

Sabe-se através da respetiva datasheet que a velocidade nominal de funcionamento do

motor BLDC é 4300 rpm pelo que a relação de transmissão a utilizar é calculada da seguinte

forma:

𝑅𝑇 =4300

1500= 2.87 ≈ 3

Logo, para que as velocidades nominais de ambas as máquinas sejam

aproximadamente as mesmas, a relação de transmissão a ser utilizada na transmissão de

potência mecânica é de 3:1.

57

3.1.1. Consumo de energia durante um arranque

Como se concluiu com os resultados obtidos pela plataforma de simulação, a potência

máxima de aceleração influencia a duração da prova, deste modo efetuaram-se ensaios

laboratoriais de forma a confirmar os já obtidos resultados de simulação. No entanto, devido a

limitações da montagem efetuada no laboratório apenas foi possível realizar arranques para 3

potências distintas. Essas potências são: 1645 W, 2000 W, 2500 W.

Pela equação 2.25, obtêm-se os valores presentes na tabela 3.1 de consumo de energia,

tanto para os ensaios laboratoriais como para os valores extraídos da plataforma de simulação.

Tabela 3.1 Energia consumida para várias potências máximas de aceleração.

Potência de

aceleração [W] 1645 2000 2500 3000 5000

Duração da

aceleração [s]

12.0

6.60 4.80 4.38 3.42

Energia

consumida

ensaio

laboratorial [Wh]

5.76 3.28 2.79 ------- -------

Energia

consumida

simulação [Wh]

5.48 3.67 3.33 3.65 4.75

Distância

percorrida

durante a

aceleração [m]

41.28 16.25 11.16 8.70 5.60

Energia gasta

por metro

percorrido

(ensaio

laboratorial)

[Wh/m]

0.14 0.20 0.25 ------- -------

Energia gasta

por metro

percorrido

(simulação)

[Wh/m]

0.13 0.23 0.30 0.42 0.85

58

Ora, tanto para as condições do laboratório como para os valores retirados da plataforma

de simulação, verifica-se que o consumo de energia por metro percorrido durante o arranque

diminui com o aumento da potência. Estes valores vão ao encontro dos resultados obtidos na

tabela 2.11, em que se verificou que havia um aumento no rendimento durante a aceleração

sempre que a potência de aceleração diminuía.

3.1.2. Consumo de energia durante o percurso de duas horas

A fim de realizar um ensaio experimental para os valores obtidos com a plataforma de

simulação, são extraídos para cada troço, os valores de potência de entrada no motor e a

respetiva duração.

Realizaram-se dois ensaios distintos, um para a primeira volta do percurso, e outro para

a segunda e seguintes voltas. Ora, para a primeira volta na qual existe uma aceleração inicial,

obtém-se a sequência de valores de potência de entrada no motor apresentada na figura 3.7:

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R

- Aceleração - Desaceleração - Potência em curva - Potência em reta

Figura 3.7 Troços e respetiva potência para a primeira volta do percurso em Harlingen na Holanda.

0

W

2

0

0

0

W

0

W

0

W

0

W

1

6

4

5

W

9

8

2

W

2

0

0

0

W

2

0

0

0

W

2

0

0

0

W

2

0

0

0

W

1

6

4

5

W

1

6

4

5

W

1

6

4

5

W

1

6

4

5

W

9

8

2

W

9

8

2

W

9

8

2

W

59

Tabela 3.2 Potência e tempo ao longo da primeira volta do percurso em Harlingen na Holanda.

A - [0.00 ; 0.11] min

- 6.6s 2000 W

J - [10.10 ; 11.61]

min - 90.6s 1645 W

B - [0.11 ; 3.71] min

- 3min e 36s 1645 W

K - [11.61 ; 11.67]

min - 3.6s 0 W

C - [3.71 ; 3.77] min

- 3.6s 0 W

L - [11.67 ; 11.84]

min - 10.2s 982 W

D - [3.77 ; 3.97] min

- 12s 982 W

M - [11.84 ; 11.91]

min - 4.2s 2000 W

E - [3.97 ; 4.04] min

- 4.2s 2000 W

N - [11.91 ; 12.71]

min - 48s 1645 W

F - [4.04 ; 9.87] min

5min e 50s 1645 W

O - [12.71 ; 12.77]

min - 3.6s 0 W

G - [9.87 ; 9.92] min

- 3s 0 W

P - [12.77 : 12.94]

min -10.2s 982 W

H - [9.92 ; 10.03] min

- 6.6s 982 W

Q - [12.94 ; 13.01]

min - 4.2s 2000 W

I - [10.03 ; 10.10]

min - 4.2s 2000 W

R - [13.01 ; 13.78]

min - 46.2s 1645 W

Para a segunda e restantes voltas (volta regular), em que já não existe uma aceleração

inicial, obtém se a sequência de valores de potência de entrada no motor presente na figura

3.8:

A B C D E F G H I J K L M N O P Q

- Aceleração - Desaceleração - Potência em curva - Potência em reta

Figura 3.8 Troços e respetiva potência para a segunda volta do percurso em Harlingen na Holanda.

0

W

9

8

2

W

W

2

0

0

0

W

0

W

0

W

0

W

1

6

4

5

W

9

8

2

W

W

9

8

2

W

W

1

6

4

5

W

1

6

4

5

W

1

6

4

5

W

1

6

4

5

W

2

0

0

0

W

2

0

0

0

W

2

0

0

0

W

9

8

2

W

W

60

Tabela 3.3 Potência e tempo ao longo da segunda volta do percurso em Harlingen na Holanda.

A - [13.78 ; 17.53]

min - 225s 1645 W

J - [25.44 ; 25.49]

min - 3s 0 W

B - [17.53 ; 17.59]

min - 3.6s 0 W

K - [25.49 ; 25.66]

min - 10.2s 982 W

C - [17.59 ; 17.79]

min - 12s 982 W

L - [25.66 ; 25.73]

min - 4.2s 2000 W

D - [17.79 ; 17.86]

min - 4.2s 2000 W

M - [25.73 ; 26.53]

min - 48s 1645 W

E - [17.86 ; 23.69]

min - 349.8s 1645 W

N - [26.53 ; 26.59]

min - 3.6s 0 W

F - [23.69 ; 23.74]

min - 3s 0 W

O - [26.59 ; 26.76]

min - 10.2s 982 W

G - [23.74 ; 23.86]

min - 7.2s 982 W

P - [26.76 ; 26.83]

min - 4.2s 2000 W

H - [23.86 ; 23.93]

min - 4.2s 2000 W

Q- [26.83 ; 27.68]

min - 51s 1645 W

I - [23.93 ; 25.44]

min - 90.6s 1645 W

Através dos diagramas das figuras 3.7, 3.8 e tabelas 3.2 e 3.3 foi possível reproduzir em

laboratório o resultado do algoritmo de consumo energético realizado através da plataforma de

simulação. De forma a comparar os gráficos da potência consumida para ambos os resultados,

tanto experimental como simulação, foi realizada uma figura com os dois resultados

simultaneamente.

O resultado do ensaio laboratorial obtido para o percurso de duas horas está

representado a cor azul. A vermelho está representada a figura 2.37 mencionada previamente

no capítulo 2.2.2.

61

0 20 40 60 80 100 120

0

500

1000

1500

2000

2500

Tempo [min]

Po

tên

cia

sim

ula

çã

o [

w],

Po

tên

cia

re

al [w

]

Preal

Psim

Figura 3.9 Potência obtida na simulação e potência obtida no ensaio experimental durante o percurso de duas horas.

Através da análise das figuras 3.9 e 3.10, que representam a potência consumida pelo

motor ao longo de uma curva completa, pode concluir-se que o ensaio experimental foi bem-

sucedido. É apenas possível observar uma sobre-elevação no sinal a azul (Potência real)

relativamente ao sinal a vermelho (Potência simulação), devido à ondulação do sinal real e ao

controlador do motor.

215 220 225 230 235 240 245 250

0

500

1000

1500

2000

2500

Tempo [s]

Po

tên

cia

sim

ula

çã

o [

w],

Po

tên

cia

re

al [w

]

Preal

Psim

Figura 3.10 Potência obtida na simulação e potência obtida no ensaio experimental para uma curva.

Na figura 3.11 apresenta-se o gráfico da potência obtida na simulação e potência obtida

no ensaio experimental para uma reta.

62

20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 24 24.5 251000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Tempo [s]

Po

tên

cia

sim

ula

çã

o [

w],

Po

tên

cia

re

al [w

],

Po

tên

cia

re

al m

éd

ia [

w]

Preal

Psim

Preal

med

Figura 3.11 Potência obtida na simulação, potência no tempo e potência média obtida no ensaio experimental para uma reta.

É possível notar, na figura 3.11, a diferença entre o sinal real e o sinal obtido na

simulação. É de evidenciar a diferença entre a média do valor de potência obtido e o valor

extraído da plataforma de simulação. Esta diferença implicará, ao longo do tempo, um

consumo de energia inferior. Deve-se à dificuldade que existe em controlar a potência

fornecida ao motor.

Simulação Ensaio experimental

Potência média [W] 1645 1579,9

Para calcular a energia consumida ao longo do tempo utiliza-se novamente a equação

2.25. Isto é, integra-se no tempo cada uma das curvas de potência obtidas, tanto nos ensaios

experimentais como pela plataforma de simulação. Calcula-se assim o consumo de energia

para toda a etapa. Este, consiste apenas em somar cada um dos consumos individuais de

cada uma das restantes voltas regulares. E é dado pela seguinte equação:

𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎1 +𝑁𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑠𝐸𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎_𝑟𝑒𝑔 [Wh] (3.4)

63

215 220 225 230 235 240 245 2501458

1459

1460

1461

1462

1463

1464

1465

1466

1467

1468

Tempo [s]

En

erg

ia a

rma

ze

na

da

sim

ula

çã

o [

Wh

], E

ne

rgia

arm

aze

na

da

re

al [W

h]

Earm

real

Earm

sim


Na figura 3.12, apresenta-se uma comparação da energia armazenada na bateria para

ambos os casos, simulação e experimental. Desta forma, pode verificar-se a semelhança entre

estes.

0 20 40 60 80 100 120400

600

800

1000

1200

1400

1600

Tempo [min]

En

erg

ia a

rma

ze

na

da

sim

ula

çã

o [

Wh

], E

ne

rgia

arm

aze

na

da

re

al [W

h]

Earm

real

Earm

sim


No gráfico da figura 3.13 está representada e evolução da energia ao longo da etapa de

duas horas em Harlingen. Como já foi mencionado anteriormente, a energia consumida durante

o ensaio experimental é inferior à prevista pela simulação, devido a este facto o

comportamento ilustrado é o expectável. No final da etapa a energia armazenada na bateria

tem uma diferença de 114.8 Wh.

Na tabela 3.4, apresentam-se os valores da energia armazenada na bateria no final da

etapa, tanto para a simulação, como para os ensaios experimentais.

64

Tabela 3.4 Energia armazenada na bateria no final da etapa.

Simulação Ensaio experimental Diferença

Energia total

consumida [Wh] 3191.3 3076.4

114.8 Energia final na

bateria [Wh] 457 571.8

A diferença entre a energia consumida através do ensaio experimental e o previsto pela

plataforma de simulação calcula-se da seguinte forma:

𝐷 𝑓𝑒𝑟𝑒 ç𝑎 = 100 (3191 3076

1500) ≈ 8 [%]

Em que 1500 Wh é a energia armazenada quando a bateria está totalmente carregada.

Com um erro de apenas 7.65 % conclui-se que através da plataforma de simulação se

conseguiu uma adequada representação da realidade.

3.1.3. Teste térmico ao motor BLDC

No dimensionamento dos componentes não foram considerados fatores como a

temperatura, no entanto, sendo a temperatura um agente limitativo foram realizados ensaios

térmicos à potência média de 1736 W (1678 W medidos) durante 72 minutos. Após o minuto 68

ambas as temperaturas, motor e controlador estabilizaram nos valores, 95.4º e 71.6º

respetivamente.

O motor CPM90 foi desenhado para funcionar com ventilação ativa, pelo que, para a

competição e para ser possível tirar proveito de todo o potencial do motor terá de ser utilizado

um sistema de refrigeração.

65

Figura 3.14 Temperatura do motor e temperatura do controlador do motor.

Não sendo disponibilizada documentação acerca dos limites máximos e mínimos de

temperatura retirou-se da interface do motor com o utilizador a escala de temperaturas de

funcionamento.

Figura 3.15 Limites superiores e inferiores de temperatura do motor e controlador.

Caso o motor entre em modo “Overtemperature” irá entrar em modo segurança e

desliga-se automaticamente de forma a evitar danos internos.

Desta forma, conclui-se que é necessário desenvolver um sistema capaz de refrigerar o

motor e o controlador. Poderá ser utilizado um dissipador ou através de ventilação forçada de

forma a evitar entrar em modo de segurança.

0 10 20 30 40 50 60 7020

30

40

50

60

70

80

90

100

Tempo [min]Te

mp

era

tura

mo

tor

[º],

Te

mp

era

tura

co

ntr

ola

do

r [º

]

Temperaturamotor

Temperaturacontrolador

67

4. Conclusão e Perspetivas de trabalho futuro

4.1. Conclusão

Nesta dissertação foi realizada a primeira abordagem ao dimensionamento e sistema de

gestão de energia de uma embarcação solar de competição. Dos aspetos tidos em conta é de

evidenciar a equação física respeitante ao movimento da embarcação na água, a potência do

motor elétrico escolhido, a potência solar disponível e a energia armazenada na bateria.

O maior contributo deste trabalho foi o desenvolvimento do algoritmo de consumo

energético realizado num programa de cálculo numérico. Sendo que, o dimensionamento do

motor, painéis fotovoltaicos e bateria tem também um papel de destaque, pois são

interdependentes relativamente à plataforma de simulação.

Foi validada a necessidade da execução do algoritmo de algoritmo de consumo

energético e comprovado experimentalmente o ganho de eficácia e eficiência

comparativamente à não existência do mesmo. Através do algoritmo de consumo energético foi

possível extrair a velocidade ótima em cada ponto do percurso, assim como quantificar a

importância de realizar as acelerações utilizando uma potência de aceleração no ponto máximo

de rendimento. Ao efetuar uma comparação entre a velocidade média estimada da

embarcação da equipa Solar ROC Fruese Poort Leeuwarden e a velocidade média estimada

calculada pela plataforma de simulação é de salientar que se conseguiu obter um valor

superior em 1.3 km/h.

Ora, devido à adaptabilidade do algoritmo torna-se possível percorrer cada etapa da

competição com a certeza de que a velocidade é a velocidade ótima. Garante-se assim que no

fim de cada uma das etapas a energia consumida é exatamente a energia disponível.

Foi realizado o dimensionamento dos componentes, motor, painéis fotovoltaicos e

baterias em conformidade com o regulamento e sempre com o objetivo de tornar a embarcação

o mais competitiva possível. Para isso realizou-se um dimensionamento completamente

direcionado para os requisitos da competição, ajustando cada componente para o regime de

funcionamento em que será utilizado. Garantiu-se que para o pior caso, a bateria, por si só,

conseguiria fornecer toda a potência necessária para o motor funcionar à carga máxima, para

que independentemente das condições meteorológicas fosse possível tirar partido de toda a

performance do mesmo.

Através da montagem experimental realizada em laboratório, foi possível comprovar a

necessidade para a utilização de ventilação forçada no compartimento do motor, como também

se conseguiram resultados muito próximos, na ordem dos 8 %, para o consumo de energia ao

longo do percurso de Harlingen.

68

4.2. Perspetivas de trabalho futuro

Sendo este trabalho a primeira abordagem ao tema existem muitos melhoramentos a

serem realizados, dos quais, são sugeridos os seguintes:

Plataforma de simulação:

- Transição de potências para tensões e correntes;

- Implicação do ângulo da curva no comportamento do modelo dinâmico da embarcação;

- Realização de um modelo de forma a caracterizar cada subsistema (painéis fotovoltaicos,

bateria, motor e hélice) de forma mais precisa;

- Discretização de cada percurso e tipo de etapa, de forma a realizar um estudo prévio e

independente para cada um deles;

- Incluir uma previsão meteorológica;

- Implementar a variação do rendimento dos painéis fotovoltaicos ao longo do dia (devido à

temperatura);

- Ajuste do modelo dinâmico de forma a ser o mais fidedigno e com a maior aproximação

possível à realidade. É apenas possível de ser concretizado após serem realizados testes em

navegação;

- Cálculo de ajuste de velocidades em tempo real.

Sistema de gestão de energia:

- Transmissão de todos os sinais para um computador “outboard”, de forma a ser realizado um

processamento de dados em tempo real e assim realizar uma comparação com o esperado.

Desta forma podem dar-se instruções ao piloto de como proceder;

- Testes ao sistema real, incluindo motor, painéis fotovoltaicos e bateria. Desta forma já é

possível fazer testes sem as limitações de potência do laboratório.

Estes são os melhoramentos que se sugere que sejam implementados, têm a finalidade

de criar a embarcação o mais competitiva possível, antecipando e angariando toda a

informação a priori para que a gestão de energia seja o mais eficaz e eficiente possível.

69

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Anexo A. Células fotovoltaicas Solbian Maxeon Gen

III – datasheet

72

Anexo B. Células LiFePO4 LFP – 40152SE –

datasheet

~

74

Anexo C. Fonte DC Mean Well RSP-3000- 48 –

datasheet

76

Anexo D. Motor CPMotion CPM90-45 – Manual

82

Anexo E. Painéis fotovoltaicos Solbian SP125 –

datasheet

84

Anexo F. Regulamento da competição Dutch Solar

Challenge

dimensionamento e gestão de energia em sistemas de ... · figura 2.4 potência solar média para...

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