ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA EÓLICA POR MEIO DO SOFTWARE PSIM

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1 ANÁLISE DE UM SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA EÓLICA OR MEIO DO SOFTWARE SIM Rodrio Sousa Ferreira, Geraldo Caixeta Guimarães Uniersidade Federal de Uberlândia, Fauldade de Enenharia Elétria, Uberlândia MG Resumo Deido ao aumento radatio do onsumo de eneria elétria e à esassez dos reursos não renoáeis ara eração de eneria elétria, as fontes alternatias de eneria êm se tornando um rande atratio no sistema elétrio de otênia. Desta forma neste trabalho é aresentado um modelo de simulação de um sistema de onersão de eneria eólia imlementado no software SIM. O modelo é baseado em equações fundamentais que desreem o riníio de funionamento deste sistema. ara a erifiação da modelaem são feitas árias simulações, as quais aresentaram bons resultados. alaras-chae Fontes alternatias de eneria elétria, sistema eólio, eloidade do ento, SIM. ANALYSIS OF A WIND ENERGY CONVERSION SYSTEM VIA SOFTWARE SIM Abstrat - Due to the radual inrease in onsumtion of eletriity and the sarity of non-renewable resoures for ower eneration, alternatie enery soures hae beome ery attratie in ower system. Thus, this aer resents a simulation model of a wind enery onersion system imlemented in software SIM. The model is based on fundamental equations that desribe the oeratin rinile of suh system. To ealuate the model seeral simulations are made whih showed ood results. 1 eywords -. Alternatie enery soures, wind system, wind seed, SIM. I. INTRODUÇÃO Com o resimento do onsumo de eneria elétria, a humanidade enfrenta um rande desafio que é surir a demanda de eneria eitando aressões ao meio ambiente. As enerias renoáeis surem omo rande oção de resoler este roblema [1]. A eneria eólia, mais eseifiamente, tem se mostrado uma das fontes de eneria renoáeis mais atraentes e ontribuintes na matriz enerétia em muitos aíses, já ossuindo uma rande maturidade, rinialmente na eração de rande orte, sendo eonomiamente iáel. Os sistemas eólios de equeno orte, usados desde a antiuidade omo fontes de eneria, também se desenoleram muito e hoje são aazes de erar eneria elétria a ustos mais atraentes, sobretudo aós os desenolimentos aerodinâmios e das máquinas elétrias de baixa otênia []. Um sistema eólio ode ser utilizado basiamente em três aliações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas interliados à rede. Estes sistemas obedeem a uma onfiuração básia, neessitando de uma unidade de ontrole de otênia e, em determinados asos, onforme a aliação, de uma unidade de armazenamento. Os sistemas isolados de equeno orte, em eral, utilizam aluma forma de armazenamento de eneria, omo or exemlo, baterias []. Neste sentido, este artio trata da modelaem e simulação de um sistema eólio isolado de eração de eneria elétria utilizando o software SIM [4]. Será aresentado um modelo de simulação de uma turbina eólia, que será osteriormente onetado a um erador sínrono de imãs ermanentes, de forma que seja ossíel analisar o modelo roosto utilizando diersos esquemas de simulação. II. MODELAGEM DO SISTEMA Neste item será mostrado, or meio de equações ertinentes, o riníio utilizado na modelaem feita. Desta forma, rimeiramente, será feita a modelaem da turbina e em seuida o aolamento da mesma om o erador elétrio. A. Modelaem da turbina eólia Turbinas eólias são resonsáeis or transformar a eneria inétia dos entos em eneria meânia, que ode ser então transformada em eneria elétria, or meio de um aolamento de seu eixo em um erador. ela definição, a massa de ar m que imulsiona o moimento da turbina ode ser esrita or: m = ρ V (1) Sendo ρ a densidade do ar e V o olume de ar onsiderado. ara a modelaem, será onsiderada uma turbina ujas ás têm um omrimento r, e deste modo ode-se dizer que a suerfíie arrida or estas ás é de r. Considerando que a eloidade do ento seja iual a, e a distânia que ele erorre em um seundo iual a Δ l, tem-se que: Δ m = ρ r l () Sendo a eneria inétia do ento definida or:

2 E 1 = m () Substituindo a equação () em (), obtém-se: E 1 = ρ r Δ l (4) Sabendo que a otênia erada elo ento é definida omo sendo eneria diidida elo interalo de temo Δt onsiderado, tem-se que: Δl Como =. Δt 1 ρ r Δ l E = = (5) Δt Δt 1 = ρ r (6) Sendo a densidade do ar (alor tiiamente usado) iual a 1,5 k/m : = 1,94 r (7) Tomando-se or base a equação (7), onstata-se que a otênia forneida elo ento é função da suerfíie arrida elas ás da turbina, bem omo do ubo da eloidade do ento. Contudo, nem toda a eneria do ento ode ser atada elo sistema eólio, ois a eloidade do ento não é nula aós sua assaem elas ás. Tendo em ista a aerodinâmia do sistema, a otênia aturada elo sistema eólio é dada ela equação (8), onheida omo equação de Betz. Os oefiientes (, C, C, C, C, C e x) C são definidos de maneira emíria ou utilizando modernos ensaios eseífios ara ada tio de turbina. ara uma turbina de eixo horizontal om três hélies e ânulo de inlinação fixo ( = ) β 10, a qual será utilizada neste trabalho, os alores dos oefiientes são os seuintes: C 1 = 0, 5 C = 116 C = 0, 4 C 4 = 0 C 5 = 5 C 6 = 1 x = 1,5 Desta forma, ode-se modelar o oefiiente de otênia eólia no SIM, omo função de β e λ, onforme mostra a Fiura 1: Fi. 1. Coefiiente de otênia eólia omo função de λ e β. A Fiura mostra o esquema feito ara modelaem de C utilizando o SIM. = C = C 1,94 r (8) 16 O alor máximo de C é, sendo alulado ara uma 7 turbina teória ideal. Desta forma, em ondições ideais, a otênia aturada elo sistema eólio é: Na rátia o alor de 16 = (9) 7 C deende da eloidade Ω r tanenial das hélies da turbina λ = e da inlinação das ás ( β ), sendo Ω a eloidade anular da turbina. Uma forma de se alular o oefiiente de otênia eólia é mostrada ela equação (10). C x λ 1 6 (, β ) = C ( C λ + C β C β C ) e C λ (10) Sendo: ,05 λ 1 = (11) 0,08 β β Fi.. Esquema feito no SIM ara modelaem do oefiiente de otênia eólia. Simulando o esquema da Fiura, em que se aria a eloidade do ento de 0 a 15m/s, obtém-se a ura mostrada na Fiura, que reresenta o oefiiente de otênia eólia em função da eloidade do ento C itesse_ent Fi.. Coefiiente de otênia eólia em função da eloidade do ento. Obserando a fiura, onstata-se que este aso, ou seja, turbina de eixo horizontal om três hélies e ânulo de

3 inlinação fixo e iual a 10, o alor máximo de menor que o alor máximo ermitido onforme eserado. artindo-se então do esquema de C (0,40) é 16 = 0, 59, 7 C, e sendo = 1,94 C r, ode-se modelar a otênia aturada elo sistema eólio, onforme mostrado na Fiura 4. A fiura 7 mostra a ura de otênia aturada em função da eloidade de rotação da turbina ara diferentes alores de eloidade de ento, e erebe-se que a otênia aturada elo sistema eólio é diferente ara ada eloidade do ento. Fi. 4. Esquema ara obter a otênia aturada elo sistema eólio. Desta forma o iruito equialente ara obtenção da otênia aturada é mostrado na Fiura 5. Fi. 7. otênia aturada [W] elo sistema eólio em função da rotação da turbina [RM] ara diersos alores de eloidade do ento [m/s]. Neste momento, a artir de uma determinada eloidade do ento, é neessário que seja reroduzido o onjuado meânio C m que alimentará o erador elétrio, exresso or: C m = (1) Ω ortanto ode-se fazer a modelaem da turbina, diidindo-se a otênia aturada elo sistema eólio ela eloidade de rotação da turbina, onforme mostrado na Fiura 8: m C6 e x a C1 C V Fi. 5. Fluxorama ara obtenção da otênia aturada elo sistema eólio. Variando-se a eloidade de rotação anular da turbina Ω de 0 a 150RM, ode-se obter a ura mostrada na ( ) Fiura 6, que reresenta os alores de em função de Ω, ara uma eloidade do ento iual a 1m/s. beta raio C4 C5 C densidade i/ do ar Coefiiente de otênia onjuado meânio eloidade do ento rotação da turbina Fi. 6. otênia aturada elo sistema eólio [W] em função da rotação da turbina [RM] ara uma eloidade do ento fixa [m/s]. Fi. 8. Obtenção do onjuado meânio em função de uma determinada eloidade do ento.

4 Constata-se então que a eloidade de rotação da turbina não é um arâmetro de entrada, ois ela deende do onjuado meânio imosto ela ara que será alimentada elo sistema eólio, ou seja, ara ada eloidade do ento, ter-se-á uma ura de Ω, ujo onto de oeração será definido ela ara meânia. B. Modelaem do aolamento entre a turbina eólia e o erador ara que a dinâmia do sistema omo um todo seja inororada ao modelo de simulação, é neessário onsiderar o momento de inéria da turbina, bem omo seu aolamento om o erador. Desta forma neste item é mostrado o aolamento feito, assim omo o modelo de erador utilizado nas simulações. ara este aolamento, é neessário fazer uma equialênia entre sistemas meânios e sistemas elétrios, onforme mostrado na Tabela I. Fi. 9. Esquema da equialênia feita entre os sistemas elétrio e meânio. O esquema mostrado na Fiura 8 tem omo saída o onjuado meânio da turbina eólia, que é reresentado or um alor de tensão, que dee então ser transformado ara um alor equialente de orrente, ara que a equialênia eletro-meânia seja obedeida. ortanto uma resistênia de alor unitário é aresentada em série om uma fonte de tensão ontrolada or orrente, que será liada em aralelo om a aaitânia C r. Na Fiura 10 está mostrado o esquema resultante, que tem, ortanto, o sistema eólio aolado ao erador elétrio. TABELA I Equialênia entre randezas elétrias e meânias Grandeza elétria Grandeza meânia Ω Tensão (V) Veloidade ( ) Corrente (I) Caaitânia (C) Conjuado (T) Momento de Inéria (J) Em um sistema meânio, om uma turbina aolada a um erador, ode-se esreer a seuinte equação: d ( J r + J ) dt Ω T T = (1) r raio m Beta C4 C5 i/ C C6 C e x a C1 T V Coefiiente de otênia E M Jr MSM Onde: T r : onjuado meânio da turbina eólia; T : onjuado meânio do erador elétrio; J r : momento de inéria da turbina eólia; J : momento de inéria do erador; Ω : eloidade de rotação do eixo omum. Loo, onsiderando a equialênia da Tabela I odemos esreer que: ( Cr C ) dt dv I I = (1) r + Onde: I r : orrente roduzida elo iruito elétrio do sistema eólio que reresenta o onjuado meânio da turbina; I : orrente roduzida elo iruito elétrio do erador e reresenta o onjuado meânio do erador; C r : aaitânia que reresenta o momento de inéria da turbina eólia; C : aaitânia que reresenta o momento de inéria do eixo do erador elétrio; V : tensão que reresenta a eloidade do eixo em omum. eloidade do ento Fi. 10. Aolamento entre a turbina eólia e o erador elétrio. ara a modelaem do sistema, foi utilizada omo modelo de erador, uma máquina sínrona de imãs ermanentes, ujos arâmetros estão mostrados na Fiura 11. Fi. 11. arâmetros do erador utilizado nas simulações. A Fiura 9 mostra o esquema da equialênia feita.

5 III. SIMULAÇÕES Com o objetio de aaliar o modelo de simulação roosto, este item tem or objetio fazer árias simulações, utilizando diferentes esquemas. A. Sistema om o erador elétrio a azio O rimeiro esquema de simulação onsiste na oeração da máquina sínrona a azio, onforme mostrado na Fiura 1. erador om uma freqüênia de 70 Hz. ara uma eloidade do ento de 8m/s foi medida, em reime ermanente, uma eloidade de rotação da turbina de 648rm e uma tensão de linha efiaz de 18V na saída do erador om uma freqüênia de 4Hz. Analisando os resultados obtidos, erebe-se que om o aumento da eloidade do ento, a eloidade de rotação da turbina aumenta também, e or onseqüênia a intensidade e a freqüênia da tensão de saída do erador resem. B. Sistema om o erador elétrio onetado a uma bateria Aumentando um ouo o níel de omlexidade, o esquema mostrado na Fiura 1, tem or objetio erifiar o omortamento do sistema roosto, estando o erador onetado a uma bateria. Fi. 1. Esquema de simulação om o erador a azio. Em um rimeiro momento, foi feita uma simulação utilizando uma eloidade do ento de 10,5m/s. Os riniais resultados estão mostrados na Fiura 1: Fi. 1. Esquema de simulação om o erador onetado a uma bateria. A Fiura 14 mostra as formas de onda das riniais randezas ara uma eloidade do ento de 10m/s. Fi. 1. Resultados de simulação: 1 eloidade de rotação da turbina [RM]; tensão de saída do erador [V] e; tensão na saída do retifiador [V]. Constata-se uma eloidade de rotação de reime ermanente de 850rm e uma tensão de linha efiaz de 4V na saída do erador om uma freqüênia de 57Hz. ara erifiar o bom funionamento do modelo roosto, foram feitas outras duas simulações ara diferentes alores de eloidade do ento. ara = 1m/s foi erifiada, em reime ermanente, uma eloidade de rotação da turbina de 105rm e uma tensão de linha efiaz de 8V na saída do Fi. 14. Resultados de simulação: 1 eloidade de rotação da turbina [RM]; tensão de saída do erador [V]e; orrente de linha na saída do erador [A]. De aordo om as uras obtidas na simulação, onstatase, em reime ermanente: eloidade de rotação da turbina de 8rm; tensão na saída do retifiador fixada em 15V ela bateria e; orrente efiaz de alimentação da bateria de 6,6A.

6 Alterando-se o alor da tensão da bateria ara 18V, foi erifiada: eloidade de rotação de 85rm; tensão na saída do retifiador fixada em 18V ela bateria e; orrente efiaz de alimentação da bateria de 4,4A. De aordo om os resultados obtidos, erebe-se que om o aumento da tensão da bateria, sua orrente e sua otênia de alimentação diminuem, e or onseqüênia o onjuado e a otênia meânia forneidos elo sistema eólio também diminuem, isto que o onto de oeração da turbina eólia é definido ela ara. C. Sistema om o erador elétrio onetado a uma bateria or meio de um onersor CC-CC Neste último esquema de simulação, deseja-se erifiar a oeração do sistema modelado, ara o aso em que o erador eólio alimenta uma bateria or meio de um onersor do tio Buk, de aordo om a Fiura 15. CONCLUSÕES Neste trabalho foi aresentado um modelo de simulação de um sistema eólio de eração de eneria utilizando o software SIM. Trata-se de um modelo baseado em equações matemátias que desreem os fenômenos físios resentes em tal sistema. Foram realizadas diersas simulações, om o intuito de aaliar a modelaem roosta, ujos resultados foram bastante satisfatórios. Desta forma onstata-se que esta modelaem ode ser lenamente utilizada ara simulações simles isando um bom entendimento da oeração de um sistema eólio. Simulações mais omlexas, omo or exemlo, ara o estudo da oeração do sistema eólio em aralelo om um sistema elétrio de maior orte (onessionária de eneria) serão também inestiadas om o SIM, sendo que os rimeiros resultados obtidos são bastante romissores. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA Fi. 15. Esquema de simulação om o erador onetado a uma bateria or meio de um onersor CC-CC. A Fiura 16 mostra as formas de onda das riniais randezas, ara uma eloidade do ento de 10m/s e ara uma razão ília do onersor alulada de tal forma que a orrente de ara da bateria seja 5A. [1] A. Dalmaz e J. C. assos, Eneria Eólia ara Geração de Eletriidade e a Imortânia da reenção, Reista ABCM Enenharia, 008. [] G. Tibola, Sistema Eólio de equeno orte ara Geração de Eneria Elétria om Rastreamento de Máxima otênia, 008. [] D. S. O. Jr., L. H. S. C. Barreto, I. R. Mahado e T. A. Bernardes, Aaliação do Aroeitamento da Eneria Elétria Gerada or um Sistema Eólio ara Carreamento de Baterias, 004. [4] SIM.EXE. Versão rorama de simulação de Ciruitos Elétrios. owersim. DADOS BIOGRÁFICOS Rodrio Sousa Ferreira naseu em Monte Alere de Minas MG, Brasil, estudante de raduação no 10º eríodo de Enenharia Elétria na Uniersidade Federal de Uberlândia. Suas áreas de interesse são: Sistemas Elétrios de otênia, Fontes Alternatias de Eneria e Qualidade de eneria Elétria. Fi. 16. Resultados de simulação: 1 eloidade de rotação da turbina [RM]; tensão de saída do erador e [V]; orrente de linha na saída do erador e na bateria [A]. Foram-se obtidos os seuintes alores de reime ermanente: eloidade de rotação da turbina de 84RM; tensão de saída fixada ela bateria em 15V; e orrente de ara da bateria de 5A. Vale ressaltar também que utilizando o onersor CC-CC ara alimentação da bateria, a orrente de ara resultou om uma menor ondulação. Geraldo Caixeta Guimarães naseu em atos de Minas MG, Brasil, tendo raduado em Enenharia Elétria ela Uniersidade Federal de Uberlândia (UFU), reebido o título de mestrado ela Uniersidade Federal de Santa Catarina, em 1984, e o título de doutorado (hd) ela Uniersity of Aberdeen, Esóia, em É rofessor e esquisador da Fauldade de Enenharia Elétria da UFU desde janeiro de Suas riniais áreas de interesse são: Sistemas Elétrios de otênia, Dinâmia, Geração Distribuída, Fontes de Eneria Renoáel e Eletromanetismo Aliado.