AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE AEROGERADORES EM TÚNEL DE VENTO

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1 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE AEROGERADORES EM TÚNEL DE VENTO Jorge Antonio Villar Alé - villar@pucrs.br Gabriel Cirilo da Silva Simioni - simioni@pucrs.br Pedro da Silva Hack - pedro.hack@pucrs.br Luiz Felipe da Silva - luizlfs@gmail.com Centro de Energia Eólica (CE-EÓLICA ) Faculdade de Engenharia (FENG) Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Resumo: O trabalho descreve a metodologia para levantar a curva de potência de aerogeradores de pequeno porte (AEPP) em laboratório. O sistema inclui o aerogerador um banco de baterias, banco resistivo, sensores de velocidade, rotação, pressão, umidade, temperatura, e um transdutor de potência RMS. Um sistema de aquisição de dados permite fazer o registro das variáveis. A metodologia utiliza como referência o anexo H da norma IEC abordando os procedimentos a serem adotados no levantamento da curva de potencia de AEPP. Nos testes em laboratório, o aerogerador recebe um fluxo de ar provindo de um túnel de vento que opera com diferentes velocidades para abrager a faixa de operação do aerogerador. São apresentados resultados aplicando a metodologia para três aerogeradores de pequeno porte. 1. Introdução São clasificados como aerogeradores de pequeno porte (AEPP) aqueles que apresentam rotores com diametros inferiores a 16m. Tal como no caso de aerogeradores de grande porte o mercado dos AEPP apresenta uma elevada taxa de crescimento. Segundo a AWEA [1] no ano de 2006 nos EUA foram vendidas 6807 unidades, sendo a capacidade adicionada em 2006 de kW. Tratando-se de máquinas pequenas existe interesse em consumidores residenciais na sua utilização seja para economia de energia ou por adesão na procura de alternativas para minimizar os impactos ambientais das fontes de energias não renováveis. Existe uma grande quantidade de fabricantes no mundo incluindo aerogeradores de alta, média e baixa qualidade. Um dos mecanismos que pode ser utilizado para o controle de qualidade destas máquinas radica na verificação do desempenho da sua curva de potência. No caso de aerogeradores de grande porte (AEGP) a norma IEC [2] especifica critérios a serem adotados para levantar a curva de potência deste tipo de aerogeradores. No caso de AEGP não exitem normas específicas. O anexo H da norma IEC apresenta orientações básicas a serem seguidas para este tipo de máquina. Trabalhos como o de Corbus et al. [3] descrevem procedimentos para testes e certificação de AEPP. Gipe [4] realiza testes em campo obtendo a curva de potência de diversas máquinas comerciais operando como sistemas eólicos autônomos, utilizando banco de baterias para armazenagem de energia. O CE-EÓLICA tem realizado atividades para levantar a curva de potência em laboratório e em campo de AEPP [5] [6] [7]. No trabalho [7] se apresentam resultados obtidos em laboratório e em campo mostrando divergências com a curva do fabricante, contudo, concordantes com os resultados de outras referências bibliográficas realizadas com o mesmo modelo de aerogerador. O levantamento de curva de potência em laboratório não possui uma norma ou padrão especifico. O presente trabalho está direcionado a descrever a metodolgia desenvolvida e adotada pelo CE-EÓLICA. Os testes vêm sendo aperfeiçoados e o seu estado atual será mostrado neste trabalho.

2 2. Normas Para Levantamento da Curva de Potência. A IEC (International Eletrotechnical Commission) apresenta normas para a padronização de projetos elétricos e eletrônicos. A norma IEC refere-se à sistemas de geração de energia de aerogeradores (Fig.1a), sendo que a parte 12 trata da metodologia para teste de curva de potência de aerogeradores (Fig.1b) sendo a mesma dividida em capítulos, nos quais são abordados tópicos como condições de testes, equipamentos utilizados nos testes, procedimentos de medição, e análise dos resultados. Um exemplo da curva de potência de um aerogerador de grande porte é apresentado na Fig.2. Na última edição da norma IEC [2] existe um anexo específico (Anexo H) que trata de procedimentos para aerogeradores de pequeno porte. O Presente trabalho utiliza como referência estas informações, contudo, adaptadas para levantar a curva de potência num túnel de vento. (a) Normas IEC (b) Norma IEC Figura 1 Normas IEC para avaliar desempenho de aerogeradores. A Fig. 2 mostra resultados do levantemento da curva de potência de um AEGP. A Fig. 2a mostra os dados brutos, sendo apresentados a potência, potência máxima, potência mínima e desvio padrão. Na Fig. 2b é motrado o resultado da curva de potência com o tratamento dos dados pelo método dos bins. (a) Dados brutos sem tratamento (b) Dados organizados pelo método dos bins. Fonte: IEC ( ) Figura 2 - Exemplo de curva de potência de aerogerador de grande porte.

3 3. Recomendações para Aerogeradores de Pequeno Porte A metodolgia em túnel de vento proposta no presente trabalho não pretende substituir os testes que são realizados em campo para levantar a curva de potência de turbinas eólicas, tal como especificada na norma IEC Trata-se de uma metodolgia complementar que pode ser utilizada como auxílio para facilitar testes preliminares de máquinas em desenvolvimento assim como para verificar o desempenho do AEPP, isso requer uma rápida avaliação da sua curva de potência. A Tab.1 apresenta um resumo das recomendações apresentadas na IEC e do anexo H. Parte destas recomendações foram adotadas na presente medologia. Tabela 1. Especifiações da norma IEC para AEPP. Local dos testes Terrenos planos e abertos evitando terrenos com arvores, prédios e outras obstruções que afetem o desempenho do aerogerador. Medida de potência A potencia da turbina deve ser medida na conexão da carga. Transdutor de potência. O trandutor de potência deve medir o TRUE RMS da potência. Faixa de medida: de -50% a 200% da potência nominal da turbina. Velocidade do vento Medida com anemômetro de conchas calibrado. Anemômetro Para AEGP o anemômetro é instalado em torres específica separada de 2 a 4 diâmetros do rotor da turbina. Para AEPP pode-se instalar num suporte na própria torre da turbina. Sensor de direção O sensor de direção e suportes devem estar a pelo menos 3m de distância de qualquer parte do rotor. Carga Utilizar uma carga capaz de dissipar toda energia quando as baterias estiverem totalmente carregadas e manter a tensão das baterias em uma faixa de no máximo 10% da tensão nominal de teste. Controlador de carga Usado como dispositivo de proteção de tensão das baterias e gerenciamento da energia gerada pelo aerogerador. Suporte do anemômetro Instalado a uma distancia de 1,5 vezes o diâmetro do rotor abaixo do cubo da turbina. Correção da massa As curvas de potência devem ser apresentadas para condições de ar padrão (1,225 Kg/m 3 ). específica Deve-se medir variáveis meteorológicas para fazer a correção da massa especifica. Variáveis meteorologias requeridas nos testes. Temperatura ambiente, pressão atmosférica, umidade relativa e precipitação. O sensor de temperatura e de pressão devem ser montados a uma distancia de 1,5 vezes o diâmetro do rotor abaixo do cubo da turbina, mesmo que a altura seja inferior a 10m do nível do solo. Coleta de dados Dados coletados continuamente com uma taxa de amostragem de 1Hz. O sistema de aquisição de dados deve armazenar dados médios, máximos, mínimos e desvio padrão. Base de dados Para os AEPP, os dados pré-processados devem ter duração mínima de 1 minuto. Nos AEPP se utiliza o intervalo de 1 minuto como referência para todos os conjuntos de dados Critérios para completar a base de dados. Turbinas com sistema de controle de segurança. Recomendações gerais: no teste da máquina. Cada Bin da velocidade do vento entre 1 m/s e 14 m/s deve conter ao menos 10 minutos de dados. O banco de dados deve conter no mínimo de 60 horas de operação do aerogerador dentro da faixa de operação. AEPP com controle de segurança (furling), a base de dados deve incluir a faixa de velocidade onde ocorre a perda de potência devido a este tipo de controle. Tamanhos da fiação, material condutor, tipos e conectores usados para conectar a turbina eólica à carga e a resistência dos cabos elétricos deve medida entre o inversor e a carga ou entre o aerogerador e a carga, se nenhum inversor for utilizado. Caso sejam utilizados dispositivos para controle de sub-tensão ou sobre tensão estes dispositivo deverão ser considerado como parte do sistema do aerogerador. A tensão nominal do banco de baterias (ex: 12V, 24V, 48V), o tamanho do banco de baterias utilizado (ex ampère hora), e a tempo de uso da bateria também devem ser relatados na apresentação dos dados.

4 4. Metodologia Desenvolvida em Laboratório Na metodologia se utiliza um sistema composto de um aerogerador, banco de baterias, um banco de cargas resistivas e um controlador de carga e tensão das baterias conforme especificado na norma IEC Para levantar a curva de potência do aerogerador se utiliza um túnel de vento de jato aberto cujo fluxo de ar incide sobre a turbina. A velocidade é medida com um anemômetro de copos posicionado entre o bocal de saída do túnel e o aerogerador (Fig.3). Antes de levantar a curva de potencia se utilizam dois anemômetros para correlacionar a velocidade do anemômetro de referência com a velocidade no plano da turbina. Esta correlação é utilizada posteriormente para corrigir a curva de potencia. A Fig.4 mostra o túnel de vento que é acionado por um ventilador axial de 75kW com 2m de diâmetro. Um sistema microcontrolado conectado ao inversor de freqüência do túnel, permite realizar os testes numa faixa de velocidade de 2,5 m/s a 15 m/s no plano do aerogerador. A Fig.4 mostra o campo de velocidades do jato do túnel de vento determinado no plano onde é instalada a turbina, sem levar em conta o efeito do campo rotacional da mesma. Os eixos mostram a velocidade em m/s nesta seção transversal. Figura 3 Esquema do escoamento idealizado sobre o aerogerador Figura 4 Túnel de vento utilizado. No procedimento são monitorados a velocidade, temperatura, umidade relativa do ar, pressão atmosférica, tensão do banco de baterias, rotação e potência. Para tal são utilizados sensores específicos alem de um sistema de aquisição de dados (SAD) com a taxa de aquisição de 1Hz. Quando a placa microcontrolada habilita a porta de coleta de dados, o SAD passa a registrar todas a variáveis envolvidas no processo. Após a coleta da quantidade de dados pré determinada o SAD desabilita a coleta de dados e envia um comando para a placa microcontrolada a qual faz o incremento da velocidade do vento e aguarda o tempo de 1min para estabilização do fluxo, logo após inicia-se o processo de coleta de dados novamente.

5 Todo o processo é controlado e monitorado através de um microcomputador. A estrutura do sistema e o sistema supervisório de aquisição de dados é ilustrado na Fig. 4. O sistema autônomo montado em laboratório utiliza um banco de baterias capacidade 300Ah, transdutor de potencia RMS de 5kW com erro de 0,2% da medida, túnel de vento controlado com inversor de freqüência de 74kW, banco de cargas resistivas configurável com potência máxima de 3kW, anemômetro calibrado e demais sensores de variáveis meteorológicas. O controlador de carga foi utilizado no modo de controlador de divergência (Diversion Control). Neste modo é utilizado um banco de carga resistiva para redirecionar a energia gerada em excesso em vez de deixá-lo fluir para a bateria. A faixa de operação do controlador foi configurada para 10% da tensão de testes com a finalidade de que o controlador de carga ajuste a tensão das baterias nesta faixa de operação. Figura 5 : Estrutura do sistema de aquisição de dados. A variação do fluxo de ar do túnel de vento é automatizada permitindo que os testes sejam realizados num reduzido intervalo de tempo. O processo permite levantar a curva de potência de um AEPP em menos de três horas. Para isso se utiliza um sistema microcontrolado conectado ao inversor de freqüência que aciona o motor do ventilador do túnel de vento. O sistema permite o incremento e o decremento da velocidade do fluxo de ar incidente na turbina automaticamente. A Fig. 6a mostra um aerogerador testado em laboratório. A Fig. 6b mostra um exemplo do aumento da velocidade. 6,5 6,0 V elo cid ad e (m /s) 5,5 5,0 4,5 4,0 3, Amostras Figura 6 Aerogerador em teste no laboratório e gráfico de velocidade

6 5. Resultados Obtidos com a Metologia Empregada em Laboratório Para verificar a qualidade dos resultados foi comparada a curva de potencia obtida para a mesma máquina no túnel de vento com resultados anteriores obtidos com o fluxo de jato aberto de um ventilador axial de 7,5kW [7]. Como mostra a Fig.7b os resultados apresentam uma grande dispersão utilizando o jato do ventilador enquanto que os resultados com o túnel de vento atual mostram uma diminuição desta dispersão na curva de potência AE-03 Dados do Túne Novo Dados Tunel Anterior Potência [W] Velocidade (m/s) (a) Exemplo de testes com ventilador (2002) [7] (b) Resultados comparativos do aerogerador AE-03 Figura 7 Resultados anteriores e resultados com túnel de vento atual Na Fig.8 a Fig.10 mostram-se os resultados da curva de potência obtidos com a metodologia para três máquinas de diferente porte. Estas máquinas são de fabricação nacional em fase de desenvolvimento. Elas são identificadas como AE-01 com diâmetro do rotor de D=1,12m o AE-02 com D=1,38m e AE-03 com D=1,64m. Cada gráfico apresenta os dados brutos (dados do túnel) assim como a curva de potência utilizando o metodo dos Bins [2]. A Fig. 9 mostra os resultados de curva de potencia numa faixa que inclui a atuação do sistema de regulação de potência, neste caso para velocidade superior a 13m/s AE-03 Dados do Túnel Metodo dos Bins 300 Potência (W) Velocidade (m/s) Figura 8 Curva de potência de aerogerador AE-03

7 A Fig.9 mostra os resultados da máquina AE-02 que começa a gerar com velocidade próxima dos 3,2m/s fornecendo em torno de 140W para uma velocidade de 11,5m/s. Na Fig.10 mostra-se um aerogerador que apresenta uma geração de 160W para uma velocidade 11m/s. Devido a vibrações dos aerogeradores apresentados na Fig.9 e Fig.10 não foi possível realizar os testes com velocidades maiores que 12m/s AE-02 Dados do Tunel Metodo dos Bins 140 Potência (W) Velocidade (m/s) Figura 9 - Curva de potência de aerogerador AE AE-01 Dados do tunel Metodo dos Bins 120 Potência (W) Velocidade (m/s) Figura 10 - Curva de potência de aerogerador AE-01

8 Em funcionamento, os aerogeradores apresentam um aumento significativo da temperatura. Uma maneira de visualizar este fenômeno é utilizado um termovisor (Fig.11) o qual mostra o gradiente de temperatura do gerador elétrico. Pode-se observar o significativo aquecimento na região onde se localiza o enrolamento do gerador de ímã permanente. (a) Vista isométrica de temperatura da turbina 6. Conclusões (b) Vista lateral de temperatura da turbina Figura 11 Gradiente de temperatura do aerogerador AE-03 A metodologia apresentada se demostra eficiente para avaliar o desempenho AEPP. Trata-se de uma metodologia complementar à testes em campo e apropriada para testes de máquinas em desenvolvimento ou procedimentos de testes para otimização de componentes. Uma das principais vantagens é tempo reduzido requerido para levantar a curva de potência. A metodolgia também permite determinar o coeficiente de potência da turbina já que é monitorada a rotação da máquina. O sistema de aquisição de dados e a automação permitem diminuir a incerteza nos dados coletados. Neste trabalho foram apresentados também resultados que possibilitam fazer a análise térmica do aerogerador. Os procedimentos devem ser aperfeiçoados, incluindo na aquisiçao de dados os valores máximos, mínimos assim como o desvio padrão. Também pode-se substituir o anemômetro por outro sensor de velocidade minimizando a interferência do campo de escoamento sobre o rotor. 7. Referências Bibliográficas [1] AWEA Small Wind Turbine Global Market Study [2] IEC , Wind Turbine Generator Systems Part 12-1: Power Performance Measurements of Electricity Producing Wind Turbines. (2005). [3] Corbus D.; Link. H.; Butterfield, S.; Stork, C.; Newcomb, C.; Sasseen T. Certification Testing for Small Wind Turbines NREL/CP Burlington, Verm. October, [4] Gipe, P. Testing the Power Curves of Small Wind Turbines, WindStats Newsletter, Vol.13, nº3, [5] Alé, J. A.; Peña, G. de M.; Adegas, F. D. Performance of Small Wind Turbines Generators. In: ISES 2003 Solar World Conference, Gothenburg [6] Adegas, F. D.; Peña, G. de M.; ALÉ, J. A. V.; Simioni, G. C.. Power Curve of Small Wind Turbine Generators - Laboratory and Field Testing. In: RIO 3 World Climate & Energy Event, Rio de janeiro [7] Alé, J. A. V. Adegas, F. D. Simioni, G. C.; Small Wind Turbine Testing: Indoor And Out-Door Methodologies In: EWEC 2004 European Wind Energy Conference & Exhibition.