PROPOSIÇÃO DO SISTEMA

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1 CAPÍTULO 3 PROPOSIÇÃO DO SISTEMA Energia Eólica x Energia Solar. As fontes alternativas de energia mais difundidas são a energia eólica e a energia solar. A energia solar só é viável em lugares de grande incidência do sol e a energia eólica requer que a região apresente potencial eólico suficiente. A região nordeste do Brasil, devido à proximidade do equador e às características climáticas, é propícia ao uso da energia solar. A viabilidade do uso da energia eólica depende das características locais do vento, sendo que o potencial eólico deve ser analisado cuidadosamente antes de se optar por este tipo de geração. A grande dificuldade ainda encontrada nos sistemas de aproveitamento da energia solar é o custo ainda elevado das células fotovoltaicas. Até o presente, o custo de um aerogerador é ainda mais baixo que o de um painel solar de potência equivalente. Além disso, o custo por kw de um aerogerador decresce com o aumento da potência enquanto que o custo por kw de um sistema fotovoltaico mantém-se, praticamente, constante com o aumento da potência. Por exemplo, um sistema fotovoltaico de potência variando entre 30 W e 50 W tem custo aproximado entre US$500,00 e US$700,00. Se considerarmos o aumento de custo de um sistema fotovoltaico proporcional à potência, o custo de um sistema de 500 W será de US$3.500,00. O aerogerador comercial MARINER H500, produzido pela Whisper, tem preço anunciado de US$1290,00. Neste caso, o sistema fotovoltaico apresenta custo de aproximadamente 2,7 vezes o custo de um sistema eólico equivalente. Outro fabricante de aerogeradores, a Bergey, afirma que o seu aerogerador BWC 1500-PD utilizado para bombeamento de água é duas ou três vezes mais barato que um sistema à energia solar equivalente. Dessa forma, a experiência desses fabricantes mostra que os pequenos aerogeradores têm potencial de aplicação e são mais baratos, em termos de custo inicial, que os sistemas à energia solar.

2 Proposição do Sistema - 23 Neste trabalho, a opção pela energia eólica foi feita tendo-se em vista a característica de baixo custo. Do ponto de vista da disponibilidade dos ventos, praticamente toda a faixa litorânea do Ceará apresenta bom potencial eólico [5]. Muitas localidades do interior também apresentam potencial eólico apreciável, mas em geral, menor que o da faixa litorânea Esquema Básico do Sistema Proposto. Todo projeto tem como objetivo atender certas especificações pré-definidas. Neste trabalho, desenvolveu-se um sistema de aproveitamento da energia eólica baseado nas seguintes especificações: - atender às necessidades de consumo de uma pequena residência rural; - baixo custo; - baixa manutenção; - propiciar o fornecimento contínuo, ou praticamente contínuo, de energia; Tendo em vista as especificações acima, montou-se o diagrama em blocos do sistema a ser desenvolvido, mostrado na Figura 3.1. VENTO ROTOR GERADOR CARGAS BANCO DE BATERIAS Figura Diagrama em Blocos das Principais Partes do Sistema. A Figura 3.1 mostra apenas as principais partes do sistema; outros blocos serão incluídos à medida que forem sendo abordados no texto. As características de potência gerada, baixo custo e manutenção podem ser obtidas através da escolha apropriada do rotor e gerador. O banco de baterias assegura o fornecimento de energia às cargas nos horários de pouco ou nenhum vento. Dessa forma, o sistema mostrado na Figura 3.1 pode atender as especificações desejadas.

3 Proposição do Sistema Dimensionamento da Potência Contínua. A potência contínua que o sistema deve ser capar de fornecer é função da carga que se quer alimentar. O dimensionamento do sistema será feito com base no consumo estimado de uma pequena residência. A Tabela 3.1 mostra as cargas, potência e consumo estimados para uma residência rural simples. O consumo diário é obtido multiplicando-se a potência pela quantidade e pelo tempo de uso. Tabela Cargas e Consumo Estimado de uma Residência Rural Simples. Carga Potência (W) Quantidade Tempo de uso (horas) Consumo diário (kwh) Lâmpada fluorescente ,53 Geladeira ,40 Televisor ,40 Rádio ,24 Bomba D água ,50 Forrageira ,00 CONSUMO DIÁRIO TOTAL==> 7,07 kwh equação (3.1). A potência média que o sistema deve ser capaz de fornecer continuamente é dada pela Consumo diario total 7,07 kwh Pmed = = = 295 W 300 W [W] (3.1) 24h 24h

4 Proposição do Sistema Dimensionamento do Inversor das Cargas. Já que todas as cargas indicadas na Tabela 3.1 são geralmente projetadas para trabalhar em ca do sistema de distribuição, é necessário que o sistema seja dotado de um conversor cc/ca para converter a energia das baterias. O dimensionamento do inversor deve ser feito de acordo com a potência nominal, fator de demanda e característica de operação das diversas cargas. É importante notar que apesar do consumo da geladeira ser estimado em apenas 100 W, na partida esta pode consumir 20 vezes, ou mais, a potência nominal. Este mesmo problema ocorre com os motores monofásicos da bomba d água e forrageira. Dessa forma, o inversor deve ser especificado de tal modo que possa suportar a partida desses equipamentos. Na verdade, esse é um grande problema que ocorre nos sistemas de pequena potência. Uma solução para esse problema é especificar um inversor de potência elevada, o que não é viável em termos de custo. Outra opção é adaptar às cargas ao inversor, ou seja, utilizar cargas que apresentem melhor característica de partida. Por exemplo, no caso da geladeira, pode-se utilizar uma geladeira resistiva no lugar de uma geladeira com compressor convencional. Também podería-se utilizar uma bomba d água vibratória no lugar de uma convencional que utiliza motor de indução. Considerando-se que a bomba d água e a forrageira nunca trabalham juntas e que o consumo máximo ocorre à noite, quando todas as cargas estão ligadas (com exceção da forrageira), têm-se que a potência nominal do inversor deve ser de pelo menos 715 W. Adicionando-se o inversor das cargas na Figura 3.1, obtém-se a Figura 3.2. VENTO ROTOR GERADOR CARGAS BANCO DE BATERIAS Figura 3.2 -Diagrama em Blocos do Sistema Incluindo Inversor das Cargas.

5 Proposição do Sistema Escolha do Tipo de Gerador. O gerador é a máquina que realiza a conversão de energia mecânica em energia elétrica. Vários tipos de geradores são utilizados em sistemas eólicos, dentre eles pode-se citar: - gerador do tipo de imã permanente; - gerador de indução; - gerador síncrono. Dentre estes vários tipos listados, o gerador de indução trifásico, do tipo gaiola de esquilo, destaca-se por suas características de construção simples, manutenção baixa e robustez [25]. Na prática, pode-se utilizar um motor de indução convencional operando como gerador, obtendo-se também as características de baixo custo e disponibilidade no comércio; estas foram as razões pelas quais se adotou o GIT neste trabalho. O número de pólos é uma característica básica da máquina de indução que define a sua velocidade de operação; 3600 rpm, 1800 rpm, 1200 rpm e 900 rpm são as velocidades síncronas de uma máquina de 2, 4, 6 e 8 pólos, respectivamente. As máquinas de 2 e 4 pólos são mais comumente utilizadas e encontradas no comércio, enquanto que as de 6 e 8 pólos são menos comuns e estão disponíveis somente em lojas mais especializadas. Além disso, verifica-se na prática que quanto maior o número de pólos de uma máquina maior o seu tamanho, maior o custo e menor o rendimento. Na escolha do número de pólos da máquina levou-se em conta as seguinte considerações: 1) deseja-se utilizar uma máquina de custo baixo; 2) a máquina adotada deve ser facilmente encontrada comercialmente; 3) devido à característica de rotação baixa dos rotores eólicos, deve-se escolher uma máquina que possa operar com bom rendimento em velocidades baixas. As máquinas que melhor atendem os itens 1) e 2) são as máquinas de 2 e 4 pólos. A análise do item 3) é mais complexa e exige maior cuidado, pois o rendimento da máquina é função do número de pólos e também da potência nominal. Esta análise será feita com detalhes no capítulo 5. Adotou-se neste trabalho a MIT de 4 pólos, que apresentou as melhores características de custo e rendimento para operação em velocidades baixas.

6 Proposição do Sistema Operação da Máquina de Indução como Gerador. Uma MIT funciona como gerador quando o seu eixo é movido por uma máquina primária à velocidade maior que a velocidade síncrona (escorregamento negativo). Devido as características construtivas e princípio de operação da MIT, a operação como gerador exige um meio para promover a sua excitação. Essa excitação é normalmente provida pelo sistema de distribuição, por um banco de capacitores ou por um inversor. No caso do uso do GIT em sistema isolado, apenas as duas últimas opções podem ser utilizadas. A Figura 3.3 mostra algumas configurações para operação isolada do GIT. GERADOR DE INDUÇÃO CARGA ca GERADOR DE INDUÇÃO RETIFICADOR ELO CC CARGA ca BANCO DE CAPACITORES BANCO DE CAPACITORES (a) (b) GERADOR DE INDUÇÃO C GERADOR DE INDUÇÃO BANCO DE BATERIAS CARGA ca CARGA ca (c) (d) BANCO DE BATERIAS GERADOR DE INDUÇÃO CARGA ca (e) Figura Diversas Configurações para Operação do Gerador de Indução. A configuração mais tradicional e simples é mostrada na Figura 3.3(a), onde um banco de capacitores é utilizado para promover a auto-excitação e a carga ca é conectada diretamente nos terminais do gerador [2, 15, 18, 27]. Neste tipo de configuração, a variação da tensão e freqüência nos terminais do GIT depende da velocidade de rotação, da

7 Proposição do Sistema - 28 capacitância de excitação e também da carga conectada. Além disso, o valor da capacitância aumenta muito quando se diminui a freqüência, tornando esse tipo de configuração impraticável para operação em velocidades baixas [4, 21]. O diagrama mostrado na Figura 3.3(b) sugere a utilização de um elo cc de forma a obter tensão e freqüência estáveis na carga para operação do GIT em velocidade variável [19]. Neste caso, a faixa de velocidade de operação ainda é limitada devido ao uso da excitação por meio de capacitores. O desenvolvimento da eletrônica de potência abriu caminho para utilização dos conversores cc-ca como excitadores estáticos na operação do GIT. As Figuras 3.3(c), 3.3(d) e 3.3(e) apresentam três possíveis configurações. Na Figura 3.3(c), pode-se ver uma configuração em que o banco de capacitores é substituído por um inversor estático com um capacitor acoplado na sua entrada [28]. Neste caso, no início da operação, o capacitor C é carregado com uma tensão inicial. Após ser estabelecido o processo de auto-excitação, a tensão no capacitor aumentará até ser atingido um valor de equilíbrio que dependerá do ponto de operação do GIT e do tipo de controle utilizado no inversor. Este tipo de configuração permite a operação do GIT em uma ampla faixa de velocidades. No entanto, devido à carga estar conectada nos terminais do gerador, a faixa de velocidade de operação estará sujeita à faixa de operação estabelecida pela carga. A Figura 3.3(d) é chamada de configuração de compensação série devido ao fato do gerador estar situado entre a fonte de excitação e a carga, comportando-se como um elemento em série [16]. Neste caso, o banco de baterias serve para fornecer a excitação inicial bem como elemento de armazenamento da energia gerada que não é consumida pela carga. Nesta configuração, a faixa de velocidade de operação também está sujeita aos limites impostos pela carga ca. A Figura 3.3(e) mostra um tipo de configuração que é propicia à operação do GIT em uma ampla faixa de velocidades [16]. Neste caso, devido à inserção de um banco de baterias entre o GIT e a carga, pode-se suprir a carga com freqüência e tensão estáveis sem aplicar nenhuma restrição à velocidade de operação do gerador. O banco de baterias, serve como elemento armazenador de energia e garante o suprimento da carga em horários em que pouca ou nenhuma energia é gerada. Além disso, o controle do ponto de operação do GIT é bastante simples, pois não depende da carga. Esta é a configuração que foi utilizada no desenvolvimento deste trabalho, pois possibilita a operação do GIT em uma ampla faixa de

8 Proposição do Sistema - 29 velocidades, permite armazenar parte da energia gerada e é facilmente controlada. Outras configurações para operação do GIT através do uso de capacitores podem ser encontradas na literatura, mas em todas elas persiste o problema de não ser permitido operar em velocidades baixas, inerente ao uso dos capacitores [1, 26, 29]. Sabendo-se agora o tipo e configuração do gerador, pode-se adicionar ao esquema básico o inversor para excitação do gerador. Assim, obtém-se o diagrama em blocos mostrado na Figura 3.4. VENTO ROTOR GERADOR - EXCITACAO CARGAS - CARGAS BANCO DE BATERIAS Figura 3.4 -Diagrama em Blocos do Sistema Incluindo Inversor da Excitação. A Figura 3.4 mostra o tipo de configuração que é proposta neste trabalho. Nos ensaios de laboratório, o inversor das cargas e as cargas propriamente ditas não foram implementadas, sendo toda a energia gerada armazenada no banco de baterias. É importante notar que esta limitação na implementação não afeta o funcionamento do gerador, pois o banco de baterias funciona como um barramento cc que torna o funcionamento do gerador independente das cargas (considerando-se que a tensão do banco de baterias é praticamente constante e qualquer variação devido às cargas é desprezível) Testes Preliminares do Gerador de Indução A fim de obter empiricamente uma idéia da viabilidade de operação do gerador de indução em velocidades baixas, testes preliminares foram realizados. Estes testes foram feitos utilizando-se uma MIT de laboratório, com características similares às da máquina comercial que se previa inicialmente utilizar. O sistema utilizado nestes testes foi basicamente o mesmo da montagem final, a não ser pela utilização de tensão e potência reduzidas e ausência de controle (malha aberta). Estes ensaios foram importantes para a definição do sistema e os resultados obtidos conseguiram realmente prever o comportamento do sistema final. Nos

9 Proposição do Sistema - 30 experimentos realizados, verificou-se que: 1) o rendimento máximo (o rendimento é função da velocidade e escorregamento) variou entre 45% e 70% nas velocidades variando entre 180 rpm e 400 rpm; 2) o rendimento aumentava com o aumento da velocidade e diminuía rapidamente para velocidades abaixo de 180rpm. O rendimento à 300 rpm ficou em torno de 60%. A partir da característica obtida nestes testes, assumiu-se que a velocidade nominal do gerador deveria estar em torno de 300 rpm; esta é a velocidade mais baixa de operação que apresenta ainda um rendimento razoável, sendo o critério razoável adotado arbitrariamente como equivalente ao rendimento de 60%. Deve ficar bem claro que essa análise foi realizada em uma máquina experimental e teve como objetivo a estimação de uma primeira aproximação do ponto de operação Dimensionamento do Rotor. O dimensionamento do rotor depende essencialmente da potência convertida desejada, do potencial eólico (velocidades do vento) e da velocidade nominal do eixo. O tamanho do rotor é determinado pela potência convertida e potencial eólico enquanto o tipo e perfil do rotor é determinado pela velocidade do vento e pela velocidade do eixo Levantamento do Potencial Eólico. A primeira coisa a ser feita no estudo da viabilidade da utilização de um sistema à energia eólica é verificar o potencial eólico do local de implantação. Deve-se ter informação suficiente e confiável sobre a intensidade e regularidade do vento local; estas informações são necessárias ao correto dimensionamento do sistema. Se o local não apresentar ventos com intensidade e regularidade suficientes, deve-se estudar a implantação de outro tipo de fonte de energia, como a energia solar. Em geral, a velocidade mínima de vento para a qual os sistemas eólicos começam a operar está em torno de 3,5 m/s. A velocidade mínima requeria depende do tipo e escala do sistema eólico, sendo que os sistemas de grande potência requerem velocidades mínimas de 6m/s. Ventos com intensidade de 6m/s ou maior são disponíveis em muitas localidades. O valor médio e o valor médio cúbico da velocidade do vento pode ser calculado através das equações (3.2) e (3.3), respectivamente. _ 1 v = T vdt 1 [m/s] (3.2)

10 Proposição do Sistema - 31 _ 3 v 3 1 T vdt 3 = 1 [m/s] (3.3) As equações discretas equivalentes a (3.2) e (3.3) são dadas por (3.4) e (3.5), respectivamente. _ v 1 = vi ti [m/s] (3.4) T _ 3 v 3 3 = 1 vi ti [m/s] (3.5) T onde: t i é o tempo da i-ésima amostra; T = ti e i=1,2,3...n, sendo n o número de amostras. Na prática, somente as equações (3.4) e (3.5) são utilizadas, pois as medidas da velocidade do vento são tomadas discretamente. Desde que a potência do vento é proporcional ao cubo da velocidade, a potência média do vento deve ser estimada a partir do valor médio cúbico calculado através de (3.3) ou (3.5). É ainda importante notar a inigualdade dada pela equação (3.6). _ v 3 _ v (3.6) Conclui-se que se o valor médio for utilizado na equação (2.8) para calcular a potência média do vento, será obtido um valor menor que ou igual a potência real do vento. Portanto, o uso do valor médio pode levar ao sobre-dimensionamento do sistema. À rigor, para obter-se o valor real da potência média do vento, deve-se utilizar o valor médio cúbico. A partir dos dados à respeito do vento local, pode-se então calcular a velocidade média cúbica do vento que pode ser utilizada na equação (2.8) para determinar a potência média do vento. O dimensionamento do sistema será feito assumindo-se que a potência média do vento é equivalente à velocidade do vento de 6 m/s [5].

11 Proposição do Sistema Dimensionamento do Tamanho do Rotor. O tamanho do rotor é dimensionado a partir dos dados da velocidade do vento e da potência mecânica que deve estar disponível no eixo do gerador. A velocidade do vento, conforme o item 3.5.1, foi considerada igual a 6m/s. O cálculo da potência do vento depende do rendimento total do sistema, pois a potência convertida pelo rotor deve ser suficiente para compensar todas as perdas do sistema e suprir a potência média da carga, determinada no item 3.3. Considerou-se que as perdas mecânicas por atrito estão embutidas no rendimento do rotor ou gerador (devido ao acoplamento direto, as perdas mecânicas são reduzidas). Também assumiu-se que toda a energia gerada é armazenada no banco de baterias (na prática, ocorre que parte da energia gerada alimenta diretamente a carga). Sendo assim, a potência do vento necessária é dada pela equação (3.7). P = v P med C. η. η. η. η p g ig b ic [W] (3.7) A Tabela 3.2 fornece a definição dos parâmetros de rendimento da equação (3.7), os valores estimados e as justificativas da estimação. Tabela Rendimentos do Sistema. Parâmetro Valor Justificativa P med : Potência média da carga C p : Coeficiente de Potência. η g : rendimento do gerador. η ig : rendimento do inversor do gerador. η b : rendimento do banco de baterias. η ic : rendimento do inversor das cargas. 300 W Determinada conforme item 3.3 0,40 O coeficiente máximo dos rotores modernos de 1,2 ou 3 pás varia entre 0,40 e 0,45. Adotou-se o valor de 0,40 de forma a tornar o projeto mais robusto. 0,60 De acordo com os resultados de testes preliminares (ítem 3.4.2) feitos com um gerador de indução, o rendimento estimado foi de 60% para n =300rpm. 0,90 Estimou-se o rendimento do inversor em 90% 0,80 A eficiência das baterias de chumbo-ácido e níquel cádmio está em torno de 80% [23]. 0,90 Estimou-se o rendimento do inversor em 90%

12 Proposição do Sistema - 33 Aplicando-se os valores dados na Tabela 3.2 na equação (3.7), obtém-se (3.8). P = v 300 0,40 0,60 0,90 0,80 0, = 0, [W] (3.8) O fluxo de potência ao longo do sistema pode ser visualizado com clareza na Figura 3.5. VENTO ROTOR (1930 W) C p =0,40 (772 W) GERADOR η g =0,60 (463 W) (463 W) DO GERADOR η ig =0,90 (417 W) BANCO DE BATERIAS η b =0,80 (333 W) (333 W) DAS CARGAS η ic =0,90 (300 W) CARGAS P med=300 W Figura Diagrama do Fluxo de Potência no Sistema Eólico Proposto. Observa-se na equação (3.8) que o rendimento total do sistema está em torno de 15%. Dessa forma, para se obter 300 W disponíveis para a carga, o rotor deve ter uma área de captação que compreenda uma potência eólica de 1930 W para a velocidade de vento média de 6m/s (velocidade de vento nominal do projeto). O raio do rotor pode ser determinado a partir de (2.8). Isolando-se R em (2.8) obtém-se (3.9). R = Pv 1806, v 3 [m] (3.9) Aplicando-se os valores numéricos de P v =1930 W e v = 6 m/s em (3.9), pode-se calcular o raio do rotor como mostrado em (3.10). R = , 6 3 = 222, [m] (3.10)

13 Proposição do Sistema Escolha do Tipo de rotor. Existem dois tipos básicos de rotor: rotor de eixo horizontal e rotor de eixo vertical. Devido às características de construção simples e rendimento superior apresentadas pelo rotor de eixo horizontal, este foi adotado neste trabalho. De fato, os rotores de eixo horizontal são os mais difundidos atualmente. Dentre os vários tipos de rotores de eixo horizontal existentes, os rotores modernos de múltiplas pás têm sido os mais empregados. Devido ao desenho aerodinâmico moderno, estes rotores apresentam os melhores rendimentos. Por este motivo, foi adotado o rotor moderno de eixo horizontal, cujo número de pás é determinado a seguir. Por motivos de custo e obtenção de maior simplicidade no sistema, definiu-se que o sistema seria de acoplamento direto. Neste caso, o rotor é acoplado diretamente ao eixo do gerador, sem a presença de redutores ou multiplicadores de velocidade. Desde que assumiu-se como 300 rpm a velocidade nominal do gerador, o rotor deve ser dimensionado de forma a apresentar essa rotação na condição de vento nominal (6m/s). Utilizando-se a equação (2.20) para R=2,22 e variando-se os valores de λ e v, obtémse a Tabela 3.3. Tabela Velocidade do Eixo do Rotor(rpm) em Função da Velocidade do Vento e de λ; R=2,22 m. Velocidade do vento (m/s) λ= λ= λ= λ= λ= λ= λ= λ= λ=

14 Proposição do Sistema - 35 De acordo com os testes preliminares do gerador de indução, descritos no item 3.4.2, a velocidade de operação do rotor deve estar em torno de 300 rpm. Observando-se na Tabela 3.3 a coluna referente à velocidade do vento de 6m/s (coluna em destaque) conclui-se que, para obter-se a rotação rotórica desejada de 300 rpm, o rotor deve operar com λ entre 11 e 12. O valor exato de λ pode ser calculado à partir de (2.20), sendo igual a 11,62. Desde que assumiu-se C p =0,40 no item 3.5.2, conclui-se que o rotor deverá ser capaz de operar com C p maior ou igual a 0,40 para λ igual a 11,62. De acordo com a Figura 3.6, o rotor que mais se adequa a estes valores de C p e λ é o rotor de 2 pás, pois pode-se ver que para λ=11,62 pode-se obter um valor de C p maior que 0,40 [9]. Figura Característica C p x λ para Rotores Modernos Típicos de 1,2,3 e 4 Pás. Na Figura 3.6 pode-se ainda observar que: - os rotores com maior número de pás apresentam C p máximo maior que os rotores com menor número; - quanto menor o número de pás, maior é o valor de λ para o qual o rotor apresenta C p máximo. Em outras palavras, os rotores com menor número de pás operam em rotação mais elevada.

15 Proposição do Sistema Dimensionamento do Banco de Baterias. A capacidade do banco de baterias será determinada considerando-se que deseja-se armazenar energia suficiente para suprir a carga durante todo um dia, sem que haja nenhuma geração. Considerando-se baterias de 12 Volts, pode-se calcular a capacidade de armazenamento necessária da equação (3.11). Consumo Diario (Wh) 7070 Qbb = = = 589 [A.h] (3.11) 12V 12 Considerando-se baterias de 150 Ah e um fator de carga de 60% (este fator indica que a bateria só será descarregada em até 60% do valor nominal), pode-se determinar o número de baterias através da equação (3.12). N b Qbb = = FQ cb b 589Ah 0,60 150Ah = 6,54 7 baterias (3.12) Já que a amplitude da tensão de saída do inversor de excitação do gerador pode ser ajustada pelo circuito de controle, estas baterias foram associadas em série de forma a obterse uma tensão cc de 84 Volts. Neste capítulo definiu-se a configuração do sistema, o rotor foi dimensionado e adotou-se a MIT como gerador. O modelamento matemático da MIT, apresentado no próximo capítulo, serve como ferramenta para dimensionar esta máquina e possibilita traçar as curvas características do sistema.