METODOLOGIA E RESULTADOS DE CALIBRAÇÃO DE ANEMÔMETROS CE-EÓLICA - Centro de Energia Eólica - PUCRS, Porto Alegre, Brasil

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1 V CONGRESSO BRASILEIRO DE METROLOGIA Metrologia para a competitividade em áreas estratégicas 9 a 13 de novembro de 9. Salvador, Bahia Brasil. METODOLOGIA E RESULTADOS DE CALIBRAÇÃO DE ANEMÔMETROS CE-EÓLICA - Centro de Energia Eólica - PUCRS, Porto Alegre, Brasil Jorge Antonio Villar Alé 1, Rafael Crespo Izquierdo, Gabriel da Silva Simioni 3, Cássia Pederiva de Oliveira 1,,3, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, villar@pucrs.br Sumário: O trabalho apresenta a metodologia e resultados de calibração de anemômetros de copos em túnel de vento com finalidade de estudar a influencia dos coeficientes de correção no processo de calibração de anemômetros de copos no túnel de vento do CE-EÓLICA tomando como referência o procedimento da norma MEASNET. Palavras-chave: anemometria, constantes de calibração, túnel de vento. 1. INTRODUÇÃO A MEASNET é uma rede internacional de metrologia que agrupa instituições e laboratórios de energia eólica com finalidade de padronizar procedimentos específicos. O procedimento de calibração apresentado segue as recomendações especificadas no documento da MEASNET Cup Anemometer Calibration Procedure V.1, 1997 [1]. tubo de Pitot e levando em consideração as correções do coeficiente de correção do tubo de Pitot, do túnel de vento e do efeito de bloqueio. A massa específica do ar é determinada em função da temperatura média do ar, da umidade relativa, e da pressão atmosférica. Após a coleta dos dados, deve-se realizar uma análise de regressão linear com o objetivo de obter os seguintes parâmetros da regressão: coeficiente linear (offset), coeficiente angular (slope), desvio padrão, e coeficiente correlação. Na regressão linear se correlaciona a velocidade de referência, obtida no túnel de vento a partir da pressão dinâmica dos tubos de Pitot, com a freqüência de saída do anemômetro. O procedimento de calibração é considerado satisfatório quando o coeficiente de correlação é maior que, A Fig.1 mostra um esquema básico do processo de calibração. O levantamento do potencial eólico com qualidade é uma atividade requerida para avaliar o recurso energético para implantação de parques eólicos. Para isto são instaladas torres meteorológicas utilizando anemômetros de copos, anemômetros tipos hélice ou anemômetros sônicos. Como exigência na realização dos levantamentos de dados de vento é que o anemômetro seja de qualidade com certificados de calibração. 1. METODOLOGIA A calibração de anemômetros é realizada num túnel de vento e consiste em instalar o anemômetro na seção de teste e correlacionar para diferentes velocidades à freqüência de saída do anemômetro. A velocidade nesta seção é determina com auxilio de tubos de Pitot. No procedimento são utilizados transdutores para medir a pressão diferencial dos tubos de Pitot, temperatura média do ar, pressão atmosférica e umidade relativa. Um sistema de aquisição de dados permite o condicionamento dos sinais assim como o registro das variáveis envolvidas. O procedimento é realizado na faixa de m/s a m/s. Após o levantamento dos dados se realiza uma análise de regressão linear determinando parâmetros estatísticos assim como os coeficientes angular e linear que definem a equação da reta que representa a velocidade do vento em função da rotação do anemômetro. A freqüência da amostragem deve ser de pelo menos 1Hz durante pelo menos 3 segundos. A velocidade média de referência é determinada medindo a pressão diferencial no Fig. 1 Procedimentos para calibração de anemômetros 3. PROCEDIMENTO DE CALIBRAÇAO O CE-EÓLICA conta com um túnel de vento (Fig.) que opera por insuflamento acionado por um ventilador centrífugo de 7 kw cuja rotação é controlada por um inversor de freqüência. Na seção de teste de 1,m x 1,m pode ser alcançada uma velocidade de 5m/s. No procedimento de calibração se trabalha numa faixa de,m/s a m/s conforme recomenda a MEASNET. Na Ref. [] descreve-se o procedimento de automação utilizado para levantamento dos dados.

2 Fig. Túnel de vento para calibração de anemômetros. Para a automação do processo, foi desenvolvido um conjunto de aplicativos computacionais que reproduzem, conforme o procedimento MEASNET, as faixa de velocidades necessárias para calibração de anemômetros. Esses aplicativos têm por finalidade controlar a velocidade do túnel de vento assim como controlar a aquisição de dados pelo data logger. Essa automação minimiza os erros por interferência humana na calibração. Depois de instalado o anemômetro na seção de teste, o operador somente dá o comando para iniciar o procedimento monitorando as variáveis adquiridas, não sendo necessária nenhuma intervenção dele ou de outras pessoas durante este processo. Também foi aperfeiçoado o procedimento para determinar a massa específica do ar, resultando numa menor incerteza na velocidade do vento. Para acompanhamento do processo de calibração foi desenvolvido um aplicativo supervisório (Fig.3) que permite o monitoramento on-line de todo o processo em andamento. Após completar o processo, os dados coletados são inseridos numa planilha eletrônica, também automatizada, calculando as incertezas resultantes das variáveis coletadas, gerando automaticamente o armazenamento da informação e emitindo o relatório e o certificado de calibração. No centro da seção de testes do túnel de vento é posicionado um tubo de Pitot fixo durante todo o experimento (Pitot de referência). O perfil de velocidades é determinado através da relação entre a pressão do Pitot de referencia e demais pontos medidos com outro tubo de Pitot que muda de posição fazendo uma varredura na seção de teste, para medir o perfil de velocidades a seção de testes do túnel de vento foi dividida em 91 subseções. Na Fig. e na Fig. 5 se apresentam os resultados da uniformidade do túnel de vento para a velocidade de 1m/s. Na Fig. mostra-se a relação entre a velocidade média de cada ponto e a velocidade média de todos os pontos obtidos na varredura da seção de teste. Na Fig.5 apresenta-se o resultado entre a velocidade média de varredura e a velocidade média de todos os pontos. Fig. Fluxo (V/Vc) a 1 m/s Fig. 3 Supervisório do processo de calibração Nesse procedimento as variáveis são adquiridas com taxa de amostragem de 1Hz onde são coletadas amostras em cada velocidade descrita no procedimento. 3.1 Uniformidade da seção de testes do túnel de vento O estudo do perfil de velocidades de um túnel de vento é extremamente necessário, pois com esta análise é possível verificar a sua homogeneidade. É importante para atividades como calibração de anemômetros e estudos de aerodinâmica. Consiste em relacionar a velocidade obtida com um Pitot em um ponto na seção de testes com a velocidade de referencia obtida com um Pitot situado no centro da seção de testes. Fig. 5 Fluxo (V/Vm) a 1 m/s Resultados semelhantes aos apresentados nas Fig. e Fig.5 foram obtidos na seção de testes para todas as faixas de velocidades requeridas numa calibração de anemômetros (de,m/s a m/s) mantendo-se uma boa uniformidade da

3 velocidade na seção de teste permitindo uma confiabilidade dos resultados realizados nos procedimentos de calibração de anemômetros. 3. Coeficientes de correção no túnel de vento Para a calibração de anemômetros em túnel de vento a velocidade de referência no túnel de vento é determinada utilizando tubos de Pitot e realizando uma correção da velocidade em função de: o coeficiente de correção do tubo de Pitot (k p ), o coeficiente de calibração do túnel de vento (k c ) e o coeficiente de correção por efeito de bloqueio (k b ). Teoricamente a presença do anemômetro não deve influir no campo de escoamento dentro da seção de teste do túnel de aerodinâmico. No entanto, dependendo da área transversal do anemômetro em relação à área transversal do túnel aerodinâmico poderá ocorrer o efeito de bloqueio produzido pelas paredes do túnel. Este efeito considera o coeficiente de correção por efeito de bloqueio (K b ). Para determinarmos o coeficiente de correção por efeito de bloqueio é necessário conhecermos a área da seção de testes do túnel de vento e a área frontal do anemômetro que está sendo utilizado (Fig.). O coeficiente de correção do tubo de Pitot é definido através de uma tabela padrão. Para se obter o coeficiente de correção do tubo de Pitot, é necessário conhecer as dimensões A e B (Fig.), medidas em relação ao diâmetro do tubo de Pitot. Fig. Área do anemômetro e do túnel Observa-se na Fig. 9 os modelos de anemômetros de copos utilizados para a realização da calibração no túnel de vento do CE-EÓLICA, os modelos apresentados são, respectivamente, o anemômetro da Met One A e o anemômetro da Met One 1C. Fig. Tubo de Pitot Para determinar o coeficiente de correção do túnel de vento (k c ) é medida a pressão dinâmica nas posições de referência correlacionada com a pressão dinâmica indicado por um tubo de Pitot instalado na posição do anemômetro (Fig.7). Fig. 9 Anemômetros da Met One A e 1 C As características dos anemômetros utilizados no CE-EÓLICA para determinar os coeficientes de calibração são apresentadas na tabela 1: Tabela 1. Características dos anemômetros utilizados. Fabricante Modelo Nº série Slope Offset Met One, A E7 Instruments (m/s)/hz, (m/s) Met One, C E91 Instruments (m/s)/hz,7 (m/s) Fig. 7 Determinação do coeficiente de correção do túnel de vento.. RESULTADOS As Fig.1 e Fig.11 mostram o resultado de calibração de dois modelos de anemômetros sem coeficientes de correção para velocidade. Da regressão linear do modelo A são

4 obtidos o coeficiente angular (,3) e o coeficiente linear (,395) e do modelo 1C são obtidos o coeficiente angular (,397) e o coeficiente linear (,59). Verificase em todos os resultados que o coeficiente de correlação (R) é maior que o recomendado pela MEASNET (R >,99995). O intervalo de velocidades de,m/s até m/s conforme recomenda a MEASNET. V e l o c i d a d e (m / s ) V e l o c id a d e (m / s ) y =,3x +,395 R =, Fig. 1 Resultados de calibração do A sem constantes. y =,397x +,59 R =,99997,3,,1, -,1 -, -,3,3,,1, -,1 -, -, Fig. 11 Resultados de calibração do 1C sem constantes. Nas Fig. e Fig.13 são apresentados os resultados de calibração dos anemômetros A e 1C, considerando o coeficiente de correção do tubo de Pitot, o coeficiente de correção do túnel de vento (k c ) e o coeficiente de correção do efeito de bloqueio, utilizando o k C médio. O valor do coeficiente de correção do túnel de vento (k c ) é de 1,, e o coeficiente de correção dos tubos de Pitot é de 1,. Já o valor de coeficiente de correção por bloqueio (K b ) do modelo A é de 1, e do modelo 1C é de 1,3, nota-se que são diferentes, pois suas áreas frontais são diferentes. Enquanto que os outros dois coeficientes permanecem iguais. Da regressão linear do modelo A são obtidos o coeficiente angular (,39) e o coeficiente linear (,395) e do modelo 1C são obtidos o coeficiente angular (,19) e o coeficiente linear (,7). Observase que o coeficiente de correlação é maior que o recomendado pela MEASNET para o intervalo de velocidades de,m/s até m/s. R e s í d u o (m / s ) V e l o c i d a d e (m / s ) V e lo cid ad e (m /s) y =,39x +,395 R =, Fig. Resultados de calibração do A, k C médio. y =,19x +,7 R =,99997,3,,1, -,1 -, -,3,3,,1, -,1 -, -, Fig. 13 Resultados de calibração do 1C, k C médio. Nas Fig. e Fig.15 são apresentados os resultados de calibração dos modelos de anemômetros A e 1C, considerando os coeficientes de correção, utilizando k c encontrado para a velocidade de 1m/s. O valor do coeficiente de correção do túnel de vento a 1m/s é de 1,3, e o coeficiente de correção dos tubos de Pitot é de 1,. Já o valor de coeficiente de correção por bloqueio do modelo A é de 1, e do modelo 1C é de 1,3. Da regressão linear do modelo A são obtidos o coeficiente angular (,797) e o coeficiente linear (,397) e do modelo 1C são obtidos o coeficiente angular (,399) e o coeficiente linear (,51). Sabendo que os coeficiente de correlação estão dentro dos padrões da norma MEASNET para os dois modelos de anemômetros. V elo cid ad e (m /s ) 1 1 y =,797x +,397 R =, Fig. Resultados de calibração do A, k C 1m/s.,3,,1, -,1 -, -,3 R esíd u o (m / s)

5 V elocidade (m /s ) 1 1 y =,399x +,51 R =,99997,3,,1, -,1 -, -, Fig. 15 Resultados de calibração do 1C, k C 1m/s. verificar que os valores obtidos nos ensaios são muito próximos aos valores fornecidos pelo fabricante. Velocidade (m/s) Fabricante Sem coeficientes Kc Medio Kc (1m/s) Erro (%) 15% 13% 1% % 5% Erro (%) - Sem Coeficientes Observa-se o resíduo nas Fig.1 a Fig.15 o qual nos informa o resíduo da velocidade obtida quando comparada a velocidade de referência determinada a partir da equação de regressão linear. Na Fig. estão exemplificados os resultados dos ensaios realizados no anemômetro A, curva do fabricante, sem coeficientes de correção, com coeficientes médios e os coeficientes para 1 m/s. É possível concluir que as equações das retas são muito próximas utilizando os três métodos (sem constantes, Kc médio, Kc 1m/s). Em relação à curva estabelecida pelo fabricante pode-se verificar que os valores obtidos nos ensaios são muito próximos aos valores fornecidos pelo fabricante. O erro observado na Fig. e na Fig. 17 é determinado pela velocidade (V fab ) obtida a partir da curva de regressão dada pelo fabricante e a velocidade obtida na curva de regressão na calibração em túnel de vento (V túnel ) sendo dado pela expressão: Velocidade (m/s) V Erro = fab V V fab tunel (%) Fabricante Sem Coeficiente Kc Médio Kc (1m/s) Erro (%) -1% Frequência (Hz) Fig. Efeito dos coeficientes de correção do anemômetro A. Na Fig.17 estão exemplificados os resultados dos ensaios realizados no anemômetro 1C, curva do fabricante, sem coeficientes de correção, com coeficientes médios e os coeficientes para 1 m/s. É possível concluir que as equações das retas são muito próximas utilizando os três métodos (sem constantes, K c médio, K c 1m/s). Em relação à curva estabelecida pelo fabricante pode-se (1) 5% % 3% % 1% % Erro (%) - Sem Coeficientes 5 % Frequência (Hz) Fig. 17 Efeito dos coeficientes de correção do anemômetro 1C. 5. CONCLUSÕES O presente trabalho permitiu aplicar os procedimentos de calibração de anemômetros obtendo os resultados de curva de calibração para dois modelos de anemômetros: A e 1C. Além disso, foi apresentado um estudo verificando a influência dos coeficientes de correção no processo de calibração. Os resultados mostram que existe uma mínima influência nos coeficientes em função de contar com uma seção de teste apropriada para realizar este tipo de ensaio. REFERÊNCIAS [1] MEASNET Cup anemometer Calibration Procedure V.1 Sept [] J. A. V. Ale; G. da S. Simioni; P. da S. Hack. Importância Da Calibração De Anemômetros Nos Empreendimentos Eólicos. CIMMEC - 1º Congresso Internacional de Metrologia Mecânica. Rio de Janeiro/RJ, a 1 de out. [3] Guia para Expressão da Incerteza de Medição Ed. Brasileira, ABNT, INMETRO 3. [] J. A. V. Alé, G. da S. Simioni, P. da S. Hack. Aspectos da Calibração de Anemômetros nos Empreendimentos Eólicos. 1º Congresso Latinoamericano de Energia do Vento. Montevideo/Uruguai, a de nov. de. [5] J. A. V. Alé, G. C. da S. Simioni, P. da S. Hack, L. F. da Silva. Wind Tunnel Activities for Small Wind Turbine Performance Tests and Cup Anemometer Calibrations. DEWEK. Bremen, Alemanha. a 7 de nov.. 3%