REDES DE SENSORES SEM FIO APLICADOS EM UMA TURBINA EÓLICA VERTICAL DE PEQUENO PORTE

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1 REDES DE SENSORES SEM FIO APLICADOS EM UMA TURBINA EÓLICA VERTICAL DE PEQUENO PORTE Guilherme de Souza Araújo Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC/PUC-Campinas Júlio César Penereiro Grupo de Modelagem Matemática CEATEC/PUC-Campinas Resumo: Nos últimos anos, o desenvolvimento dos aproveitamentos de energia eólica no Brasil evoluiu de forma marcante. As fontes renováveis de energia são apresentadas como a principal alternativa para atender as demandas da sociedade com relação à qualidade e segurança do atendimento da demanda de eletricidade com a redução dos impactos ambientais decorrentes do consumo de energia. Este trabalho apresenta uma turbina eólica vertical projetada com coletores de vento usando sensores específicos para aquisição de grandezas físicas relevantes para obtenção de medidas de eficiências em diferentes condições de uso. Descrevem-se a seleção de materiais, construção, montagens e testes mecânicos e, principalmente, aplicações de sensores com elementos elétricos e eletrônicos; além de alguns testes para obtenção das eficiências instantânea e média. Optou-se por realizar as medições experimentais por meio de sensores digitais de velocidades de rotações, voltímetros e amperímetros, que foram colocados em pontos estratégicos do dispositivo eólico. Simultaneamente, com o uso de um anemômetro, procurou-se efetuar medidas da velocidade do vento em alguns ensaios experimentais. Para tanto, foi necessário construir e aperfeiçoar placas microcontroladoras cujas funções foram identificar e ler todas as medições, além de realizar a interface entre os sensores empregados com o microcomputador utilizado. Os parâmetros experimentais foram identificados com programas usando o ScadaBR e Microsoft Excel, utilizados especificamente conforme as necessidades. As eficiências registradas estiveram entre 20 e 30%. Palavras-chave: energia alternativa, RSSF, turbina eólica. Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Engenharia Elétrica. 1. INTRODUÇÃO A importância que a geração de energia eólica vai ocupar no futuro próximo ainda não está definida, porém, o espaço a ser ocupado se abre pela necessidade de reduzir a participação da queima de combustíveis fósseis visando à geração de energia elétrica. Além deste fator, há outros, como a rejeição justificada ou não ao uso de sistemas nucleares para geração de energia elétrica, o elevado custo dos sistemas solares fotovoltaicos e pela grande dificuldade em construir hidroelétricas, com cada vez maiores perdas de terra devido ao reservatório criado, além dos impactos ambientais causados [1]. Um grande impulso aos sistemas de captação de energia eólica foi o realizado quando se aplicou os denominados perfis aerodinâmicos, idênticos àqueles usados em asas de aeronaves. Porém, alguns pesquisadores, interessados em estudar os coletores eólicos, se voltaram para o aperfeiçoamento de perfis mais eficientes ao uso em turbinas eólicas. Esses estudos permitiram obter uma limitação de velocidade, pelo fenômeno do stall, e do ruído causado pelas altas velocidades das pontas das hélices. Outra motivação desses estudos tem sido o emprego de alternadores elétricos, por serem extremamente úteis em condições de operações onde a topologia do local é adequada às condições das velocidades do vento, permitindo a construção de máquinas mais leves e potentes [2]. Nesta mesma linha de raciocínio, o acoplamento elétrico às redes de distribuição ainda se constituiu numa área de amplos estudos, visto que, devido a sua natureza permanentemente variável, o vento oferece uma curva de potência aleatória, obrigando os sistemas elétricos a possuírem desconfortáveis ajustes tecnológicos. Além de ser uma fonte renovável e que reduz a emissão de gases estufa, a energia eólica estimula o desenvolvimento tecnológico e industrial do país de forma sustentável, o que, em alguns anos, pode ampliar a oferta dessa matriz energética [1].

2 Desta forma, aproveitando esse cenário otimista, o trabalho descrito visa contribuir com os estudos na geração da energia elétrica a partir da energia eólica. Desenvolveu-se e analisou-se o comportamento de uma turbina eólica vertical de pequeno porte no que tange aos processos e parâmetros físicos envolvidos no equipamento proposto. Com o auxílio de sensores digitais de velocidade do vento, de rotação, de voltagens e correntes elétricas, aliado ao uso de programas computacionais específicos, desenvolveram-se dispositivos compostos por placas controladoras para medir grandezas físicas que possibilitassem a determinação da eficiência instantânea e média do mesmo. Essas medidas de eficiências puderam ser obtidas por meio de análises das potências elétricas geradas em função da velocidade do vento incidente, simulando diferentes condições ambientais em laboratório. O trabalho proporciona uma visão sobre essa forma de geração de eletricidade e que pode ser facilmente compreendida por estudantes de ensino técnico, assim como de graduação. Os conceitos abordados possuem relação direta com os conteúdos de física clássica representando uma interessante alternativa para o ensino de diversos tópicos desta disciplina. 2. OBJETIVOS Utilizar a geração da energia elétrica a partir da e- nergia proveniente do vento, isto é, a energia eólica. Para esse propósito, iniciou-se desenvolvimento de uma turbina eólica de pequeno porte, cujo objetivo foi estudar e analisar o comportamento dos processos físicos envolvidos nas diferentes formas de energias presentes no equipamento. Além disso, com auxílio de sensores digitais de velocidade do vento, de rotação, de voltagens e correntes elétricas, aliado ao uso de programas computacionais específicos, pretendeu-se criar um dispositivo empregando Rede de Sensores Sem Fio (RSSF) para medir grandezas físicas que possibilitassem a determinação da eficiência instantânea e média do mesmo. Essas medidas de eficiências podem ser obtidas por meio de análises das potências elétricas geradas em função da velocidade do vento incidente, simulando diferentes condições ambientais em laboratório. 3. METODOLOGIA DESENVOLVIDA Este trabalho foi desenvolvido nas dependências dos Laboratórios de Física e de Meios de Transmissão do Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias (CEATEC) da PUC-Campinas, SP. Para implantação do mesmo teve-se como meta a construção, os testes e a coleta de medidas num sistema que usa a conversão da energia eólica em energia elétrica. O equipamento desenvolvido e estudado, do ponto de vista financeiro, é de baixo custo, além de ser relativamente leve e de fácil manuseio. Os parâmetros climáticos, tais como temperatura ambiente do ar e velocidade de vento, além dos parâmetros elétricos como a voltagem e a corrente elétrica geradas, são considerados como importantes fontes de informações e necessárias para obtenção das eficiências do dispositivo proposto. Alguns trabalhos visando medidas das eficiências energéticas em turbinas eólicas já foram realizados por outros autores [2, 3, 4], no entanto, todos eles abordaram linhas de pesquisas diferenciadas da que é discutida a seguir. O intuito da presente pesquisa foi realizar um estudo direcionado às medidas automáticas das eficiências instantâneas e média de uma turbina eólica de baixo custo, disponibilizando um meio didático-experimental para o professor interessado no tema usá-lo em suas atividades de ensino. Na sequência, são apresentadas as principais etapas envolvidas no desenvolvimento do presente trabalho. 4. RESULTADOS 4.1. Montagem da turbina e seus sensores Como comentado anteriormente, a turbina eólica desenvolvida foi a de tipo vertical, também conhecida como Aerogerador Savonius ou Rotor S [5]. Optou-se por esse modelo devido à simplicidade na montagem e no funcionamento. Resumidamente, os coletores, de formatos específicos, permitem absorver com eficiência a energia cinética do vento. Como eles estão solidários a um eixo de rotação, possibilitam que se transmita a energia eólica em energia mecânica de rotação. Por meio de um sistema de engrenagens anexado a esse eixo de rotação, é possível transferir a energia mecânica ao eixo de um gerador de energia elétrica. Usando reguladores de tensão e cabos apropriados, pode-se carregar uma bateria ou outro sistema que requeira energia elétrica para o funcionamento. Para execução da montagem da unidade eólica foram necessárias algumas aquisições específicas para o correto dimensionamento e garantir o pleno funcionamento do dispositivo. Neste sentido, empregaram-se para montagem os seguintes materiais: vinte metros de tubos metálicos de 17,5 mm de diâmetro; quatro mancais de rolamento com 300,0 mm de diâmetro externo; placas metálicas de espessura 0,5 mm cortadas e encurvadas; eixo metálico com 26,8 mm de diâmetro e 1890,0 mm de comprimento; eixo metálico de entrada do gerador de energia elétrica; alternador elétrico automotivo de 24 Volts; ge-

3 rador de frequências Toshiba; regulador (com transistor) de tensão de saída para 3,0 Volts; engrenagens de 20 dentes e 80,0 mm de diâmetro; e correntes de borrachas para transmissão. Primeiramente, foram soldados os tubos metálicos estruturais da turbina eólica juntamente com os mancais de rolamento, o eixo vertical do rotor e os coletores de vento posicionados com uma diferença de 45º de cada módulo de rotação, conforme mostra a Figura 1a. Esta estrutura pode ser separada em três módulos de mesmas dimensões, sendo no módulo inferior fixado o alternador que capta, por meio de uma correia ajustável, a rotação do eixo principal que por sua vez está fixado nos rolamentos e mancais. A Figura 1b ilustra este dispositivo que visa executar a conversão da energia mecânica para energia elétrica. O primeiro sensor que foi trabalhado visou ser acoplado ao anemômetro. Por questão de economia e praticidade, optou-se pelo emprego de um dispositivo, denominado sensor de Efeito Hall (Figura 2a), para as medições de rotações de alta frequência [6]. Nesse sensor, a troca da polaridade do imã ocorre a inversão do sentido da corrente, acarretando uma troca entre o pino de saída com o de entrada, cada vez que o imã passa pelo sensor. Este componente foi instalado no interior do anemômetro. Por conta disso, foi desenvolvida uma pequena placa para agregar o suporte e a funcionalidade do referido sensor, juntamente com um resistor de 10 kω utilizado para oferecer a segurança entre os pinos de saída e entrada de tensão. A Figura 2b mostra a placa construída, contendo o sensor de Efeito Hall, enquanto que a Figura 2c mostra essa mesma placa e o sensor colocados no interior do anemômetro [2]. (a) (b) Figura 1. (a) Foto da turbina eólica vertical com os componentes principais para coleta do vento incidente. (b) Detalhe do sistema de transmissão da energia mecânica de rotação em energia elétrica. No intuito de realizar ensaios controlados, visando medidas experimentais das eficiências da turbina, decidiu-se construir um protótipo de túnel de vento, isto é, um equipamento complementar que fornece ventos forçados e direcionados empregando um grande ventilador elétrico (marca Munters- Euroemme, com dimensão de 1,40m x 1,40m). Um gerador de frequências, conectado ao motor elétrico do ventilador, possibilita controlar a velocidade do vento incidente na turbina. Por meio de um sistema metálico fechado, onde em uma das extremidades fica posicionado o ventilador e na outra a turbina eólica vertical, permite analisar o comportamento da turbina eólica com o vento incidente sobre ela. Para que as medições dos parâmetros físicos pudessem ser realizadas a contento, por intermédio de procedimentos adequados, rápidos e seguros, empregaram-se alguns sensores digitais como serão descritos sucintamente a seguir. (a) (b) (c) Figura 2. Imagens feitas pelos autores: (a) do sensor de Efeito Hall; (b) da placa desenvolvida para uso do referido sensor visando medir a frequência de rotação devido ao vento incidente e (c) da interna do anemômetro, mostrando a placa instalada em seu interior. Em relação à medida da tensão elétrica de saída do alternador foi projetada uma base de divisão de tensão (Figura 3a), isto é, um pequeno circuito para mensurar a diferença de potencial em um resistor. O circuito consiste em duas partes, a primeira seria um offset da corrente alternada produzida, já que tanto o Arduino quanto o Radiuino apenas reconhecem valores acima de 0,0 Volts e, como se sabe, uma onda senoidal apresenta valores positivos e negativos de tensão, dessa forma a tensão eficaz e a tensão de pico seria totalmente diferente do real, já que haveria perdas em partes da onda. Além disso, como o offset da onda pode conter ruídos, decidiu-se instalar um capacitor de 10 µf visando atenuar e/ou evitar tal intromissão [7, 8]. Com a adoção desse dispositivo foi possível caracterizar e mensurar a citada onda senoidal nos ensaios experimentais da turbina.

4 bem como atualiza um arquivo de dados contendo informações do horário e os valores das medições. Os cálculos e gráficos apresentados a seguir foram obtidos por meio do Microsoft Excel. (a) (b) Figura 3. Imagens feitas pelos autores: (a) do sensor de tensão elétrica desenvolvido para determinação da potência gerada e (b) da placa controladora desenvolvida para aquisição de dados da turbina. A Figura 3b mostra uma placa desenvolvida para servir como controladora do sistema de aquisição de dados da turbina. Essa placa recebe to e controla todas as informações dos sensores e se comunica com uma base do tipo UartsBee, ligada a um computador via USB, por meio da comunicação via rádio com o dispositivo BE900. O layout da placa é similar a algumas placas existentes no mercado, visto que nela há relés que podem ser usados como baterias para certas tomadas de decisões como: para ligar algum dispositivo, somado com as medidas dos sensores (saída), e outra parte onde há leitura de sensores de caráter analógico e digital (entrada), tudo isso englobado na lógica da plataforma Radiuino [8]. A Figura 4 revela as posições ocupadas por cada sensor e placa controladora, comentada anteriormente, na estrutura da turbina eólica desenvolvida. Figura 4. Posições dos sensores e placas controladoras na estrutura da turbina eólica vertical. Todas as informações mensuráveis são enviadas para o software de gerência ScadaBR, o que possibilitou verificar e analisar dados de maneira usual. Esse procedimento, além de reconhecer cada dispositivo nas portas USB e RS232, interpreta o valor da medição num determinado instante e geram gráficos, 4.2. Determinações das curvas de eficiências A curva de eficiência, ou curva de potência, da turbina eólica vertical pode ser obtida por meio de dados da potência gerada para velocidade do vento incidente no local de realização dos ensaios. Para tanto, primeiramente, deve-se calcular a potência com dados de tensão e corrente elétrica medida durante ensaios na saída da turbina, por meio da Equação 1. ( ϕ) P = V I cos (1) Nesta relação, P é a potência calculada (em Watt); V é a tensão medida (em Volt); I é a corrente elétrica (em Ampère) e φ é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente elétrica. Adicionalmente, a incerteza dos resultados pode ser obtida usando a Equação 2. δp = P δv V 2 δi + I 2 (2) Sendo que, nesta equação, os termos δv e δi são as incertezas fornecidas pelos fabricantes do voltímetro e amperímetro, respectivamente. As medições de tensão e corrente elétrica foram realizadas em ensaios de 4 horas com medidas feitas a cada 5 minutos. Neste aspecto, vale comentar que as características do voltímetro são: resolução de 10 mv; escala de 0 a 20 V e incerteza de medição de ± (0,06% + 10 dígitos); enquanto que as características do amperímetro são: resolução de 0,1 A; escala de 0 a 1000 A e incerteza de medição de ± (1,5% + 5 dígitos). Os dados de medições do vento, usando o anemômetro descrito acima e localizado na direção entre a saída do túnel de vento e o rotor da turbina, a uma distância de 1,5 m de cada. Essa distância foi definida após várias tentativas, visando obter um fluxo de vento o mais uniforme possível sobre o corpo da turbina. Como salientado antes, a velocidade do vento foi controlada por meio de um gerador de frequências, conectado ao motor elétrico do ventilador. Para efeitos de demonstração, o gráfico da Figura 5a revela o comportamento da tensão instantânea em função da velocidade do vento obtido por meio de várias medições de um ensaio controlado no laboratório e ajustado por meio de uma reta de tendência usando Microsoft Excel. Posteriormente, calculou-se o valor médio da tensão para cada velocidade do vento fixada, obtendo-se os valores usados para a construção do gráfico da Figura 5b.

5 (a) Figura 6 Corrente elétrica em função da velocidade do vento para um dos ensaios realizados. Percebe-se que, por meio do gráfico da Figura 7, que a curva gerada é semelhante a curva de corrente da Figura 6, visto que a tensão permanece praticamente inalterada (Figura 6) ao longo do ensaio realizado. A incerteza para os valores calculados e sua influência sobre os resultados é pequena, isto é, da ordem de mw (10-3 Watt), o que garante um bom desempenho dos dispositivos usados nas medições. (b) Figura 5 Exemplo do comportamento da (a) tensão elétrica instantânea e (b) média em relação à velocidade do vento para um dos ensaios realizados. Numa análise superficial desses gráficos, percebe-se que a tensão (V) gerada não depende diretamente da velocidade do vento, visto que o comportamento da curva experimental é praticamente estável durante o ensaio realizado, com a maior diferença entre os valores máximo e mínimo sendo menor que 1,0 V, dependendo do estado de carga das baterias conectadas na saída do alternador elétrico fixado na parte inferior da turbina eólica. No entanto, a corrente elétrica depende da velocidade do vento, como pode ser verificado no gráfico da Figura 6, pois a medida da média da corrente elétrica (I) aumenta na medida em que a velocidade do vento cresce. Na Figura 7 está apresentada a curva de eficiência (ou curva de potência), construída a partir dos resultados experimentais utilizando-se a potência calculada, por meio da aplicação da equação (1) com os dados V e I obtidos através das medições discutidas anteriormente (Figuras 5 e 6), em função da velocidade do vento. Figura 7 Curva de eficiência (ou potência) levantada por meio dos dados realizados para um dos ensaios realizados com a turbina eólica vertical. Verifica-se que curva a Figura 7 apresentou uma tendência de crescimento na medida em que a velocidade do vento aumenta, porém ela tende a se reduzir com velocidades do vento maiores que 6,0 m/s. No entanto, essa caracterização ainda não pode ser verificada por completo devida a questão de segurança, particularmente relacionada ao desempenho do ventilador de grande porte usado no túnel de vento, visto que o mesmo iniciava um forte processo de trepidação, podendo romper a armação de canalização do vento. Esta questão será tratada com maior empenho numa próxima etapa da pesquisa aqui apresentada.

6 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS O crescente emprego da geração de energia eólica requer modificações na concepção de planejamento de sistemas elétricos, visto que inclui mais um componente de incertezas que necessita ser devidamente estudado e modelado, considerando o impacto da geração da energia em termos da confiabilidade do sistema de transmissão. Como foi apresentado neste trabalho, desenvolveu-se um modelo de turbina eólica vertical de baixo custo para caracterizar e medir as grandezas físicas usando sensores específicos visando a obtenção da eficiência instantânea e média em ensaios experimentais. As estimativas dos parâmetros medidos para a potência versus a velocidade do vento mostraram não apenas o fator de capacidade calculado pelo modelo simplificado de eficiência, mas também as saídas forçadas da turbina, produzindo um valor mais fiel para essas medições. Os fatores de potencias calculados, por meio dos sensores utilizados, estiveram entre 20 e 30%. Esses valores podem ser considerados bons, levando-se em conta a forma com que os ensaios experimentais foram efetuados ao empregar os dispositivos descritos, visto que estão em consonância com os resultados estimados e apresentados em vários sítios favoráveis à geração eólica no Brasil [9], e com as análises da potência nominal de um gerador assíncrono [10]. AGRADECIMENTOS Agradecemos à Pontifícia Universidade Católica de Campinas pelas facilidades oferecidas no desenvolvimento deste estudo. Guilherme de Souza Araújo agradece a bolsa PIBIC concedida pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Revista SBA. Controle & Automação, Campinas, v.10, n.1, p [4] Acunha JR., I. C. (2006). Análise do desempenho de um aerogerador de pequeno porte. Dissertação em Engenharia Oceânica (Mestrado). Universidade Federal do Rio Grande. Fundação Rio Grande do Sul (FURG). 100p. [5] Ôlo, C. D. V. (2012). Projecto de uma Turbina Savonius com utilização de componentes em fim-de-vida. Dissertação em Engenharia Mecânica (Mestrado). Universidade de Lisboa. Faculdade de Ciências e Tecnologia. 64p. [6] EFEITO HALL. (2014). Disponível em < Efeito-Hall.pdf>. Acesso em 07/06/2014. [7] ARDUINO. (2014) Disponível em: < Acesso em: 04/08/2014. [8] RADIUINO. (2014). Disponível em: < A- cesso em: 13/11/2014. [9] Leite, A.; Borges, C.; Falcão, D. (2006). Modelagem de usinas eólicas para estudos de confiabilidade. Revista SBA. Controle & Automação, Campinas, v.17, n.2, p [10] Campos, F. G. R. (2004). Geração de energia a partir de fonte eólica com gerador assíncrono conectado a conversor estático duplo. Dissertação em Engenharia de Energia e Automação Elétrica (Mestrado). Universidade de São Paulo, Escola Politécnica. 119p. REFERÊNCIAS [1] EAESL. (2014). The Encyclopedia of Alternative Energy and Sustainable Living). Disponível em: < _Savonius_turbine.html>. Acesso em: 19/10/2014. [2] Silva, G. B. O. (2011). Desenvolvimento de uma turbina eólica de eixo vertical. Dissertação em Engenharia Aeroespacial (Mestrado). Instituto Superior Técnico da Universidade Técnica de Lisboa, Portugal. 98p. [3] Simões, M. G.; Franceschetti, N. N.; Bose, B. K. (1999). Otimização de um sistema de geração de energia eólica através de controle Fuzzy.