Conceção de Módulo Didático para o Ensino de Energias Renováveis

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1 Conceção de Módulo Didático para o Ensino de Energias Renováveis Energia das Ondas Pedro Filipe Bento do Vale Mateus Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Júri Presidente: Prof. Paulo José da Costa Branco Orientador: Prof. Joaquim António Fraga Gonçalves Dente Co-Orientador: Profª. Célia Maria Santos Cardoso de Jesus Vogal: Prof. Duarte de Mesquita e Sousa Julho 2012

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3 Agradecimentos Começo por agradecer aos meus orientadores, Prof. António Dente e Profª. Célia de Jesus, pelo apoio prestado durante a elaboração deste trabalho, pela disponibilidade inexcedível, e pela visão e sentido crítico demonstrados, fundamentais para que o trabalho seguisse o seu rumo. Gostaria de agradecer ao Sr. Duarte por ter sido sempre prestável na elaboração do protótipo e pela amizade criada ao longo de muitas horas passadas no laboratório, e a todos os amigos com quem tive o prazer de conviver durante o meu percurso académico. Agradeço em especial aos meus pais, por todo o amor e dedicação e pelo esforço que fizeram para que eu pudesse concluir o meu percurso académico. Por último, quero agradecer à minha namorada, pelo carinho e apoio que me deu nos momentos difíceis. i

4 Resumo As ondas possuem um elevado potencial para se tornarem um recurso energético renovável com viabilidade económica, o que tem suscitado um crescente interesse por parte da comunidade académica e empresarial e levado a que estudos e desenvolvimentos tecnológicos sobre a matéria surjam cada vez mais. Todavia, persiste a dificuldade de perceção pelo público deste potencial, consubstanciada na falta de ferramentas de apoio para o ensino da energia das ondas, pelo que, importa sensibilizar o público para esta temática e dotar o ensino com material didático específico. Este trabalho pretende dar um contributo no sentido de colmatar estas lacunas atualmente existentes. Começa-se por analisar o recurso, apresentando as condições necessárias para a formação de ondas e caracterizando a energia disponível nas mesmas. De seguida apresenta-se o estado da arte, classificando os diferentes métodos para extração da energia das ondas fazendo referência ao princípio de funcionamento e aos mecanismos de Power Take-Off (PTO) utilizados. Faz-se uma análise com maior detalhe ao sistema de coluna de água oscilante (CAO), explorando os aspetos técnicos relevantes e os principais entraves a ter em conta aquando do projeto de um sistema deste tipo no que concerne à problemática da utilização da energia elétrica. Como ferramenta demonstrativa dos mesmos socorre-se a uma simulação do sistema em ambiente MATLAB /Simulink. Por último, fornece-se informação acerca de aspetos a ter em conta aquando da construção de um reservatório de ondas e relata-se a construção de um módulo prático que engloba dois tipos de conversores de energia das ondas. Palavras-chave: coluna de água oscilante, energia das ondas, módulo didático, acionamento auxiliar ii

5 Abstract The waves have a high potential to become a renewable energy resource with economic viability, this has caused a growing interest from business and academic communities and led to studies and technological developments on the issue increasingly arise. However, remains the difficulty of awareness by the public of this potential, consubstantiated in the lack of support tools for the teaching of wave energy, therefore, important to raise public awareness of this issue and provide the school with specific didactic material. This work aims to provide support tools for the teaching of wave energy in order to fill in the gaps that currently exist. It begins by reviewing the necessary conditions for the formation of waves, characterizing the energy available in them. Then, the state of art is presented, with a classification of the different methods for extraction of wave energy and reference to the principle of operation and the mechanisms for Power Take-Off (PTO) used. The oscillating water column (OWC) system is analyzed with greater detail, exploring the relevant technical aspects and the main obstacles that should be taken into account when designing this kind of system with regard to electricity generation. As a demonstration of the problematic of electricity generation through the waves, it is used a simulation of the OWC system done in MATLAB /Simulink. Finally, the construction of a pratical model, which includes two types of wave energy converters, is reported. Index terms: didactic model, oscillating water column, power take-off, wave energy iii

6 Índice Capítulo 1 Introdução Motivação Objetivo do trabalho... 1 Capítulo 2 O Recurso Introdução Energia associada Distribuição do recurso... 9 Capítulo 3 Tecnologia e extração da energia Introdução Corpos oscilantes Coluna de água oscilante (CAO) Galgamento Aspetos económicos e ambientais Capítulo 4 Sistemas de Coluna de Água Oscilante Introdução Princípio de funcionamento Câmara pneumática Turbina de Wells Gerador Controlo Armazenamento de energia Capítulo 5 Simulação de Sistema de CAO Introdução Sistema completo Modelo da câmara pneumática Modelo da turbina Modelo da caixa de velocidades Modelo do gerador iv

7 5.7. Resultados Capítulo 6 Módulo Prático Introdução Gerador de ondas Aspetos técnicos do reservatório Construção Capítulo 7 Conclusões Capítulo 8 Bibliografia v

8 Lista de Figuras Figura 1: Condições necessárias para a formação de ondas em função da velocidade do vento e parâmetros das ondas resultantes [1]... 3 Figura 2: Ilustração do movimento de uma partícula no oceano em função da profundidade e comprimento de onda [2]... 4 Figura 3: Ilustração de uma onda... 5 Figura 4: Potência por metro de frente de onda [3]... 8 Figura 5: Densidade de potência de uma onda [3]... 8 Figura 6: Perfil do vento e das ondas com a variação da distância à superfície... 9 Figura 7: Distribuição global de potência em KW/m de frente de onda [6] Figura 8: Distribuição de potência em KW/m de frente de onda na Europa [5] Figura 9: Capacidade de potência instalada no mundo e previsão para o futuro [7] Figura 10: Zona piloto para a energia das ondas ao lardo de S. Pedro de Moel Figura 11: Satisfação do consumo eletricidade em Portugal [9] Figura 12: Evolução da potência instalada em Portugal [9] Figura 13: Tipos de movimentos dos corpos oscilantes Figura 14: Exemplo de aplicação do dispositivo Pelamis e breve descrição do seu funcionamento [10] Figura 15: Exemplo de aplicação do dispositivo Archimedes Wave Swing e breve descrição do seu funcionamento [11] Figura 16: Mecanismos de Power Take-Off (PTO)[12] Figura 17: Dimensões relativas de uma bomba hidráulica (à esquerda) e de um motor elétrico (à direita) [6] Figura 18: Esquema simplificado do circuito hidráulico do dispositivo Pelamis [6] Figura 19: Princípio de funcionamento de um gerador linear. Não há necessidade de sistemas intermédios de conversão de energia, indispensáveis no uso de geradores rotativos convencionais [6] Figura 20: Elementos básicos do gerador linear [6] Figura 21: Princípio de funcionamento da coluna de água oscilante Figura 22: Central de coluna de água oscilante instalada na ilha do Pico, Açores Figura 23: Turbina de Wells [13] Figura 24: Princípio de funcionamento do galgamento [14] Figura 25: Tabela de aplicação das turbinas em função da queda e do caudal turbinado Figura 26: Protótipo do dispositivo Wave Dragon instalado na Dinamarca Figura 27: Tarifa subsidiada para energia das ondas em Portugal [16] Figura 28: Possíveis impactos associados à energia das ondas [17] Figura 29: Sistema de coluna de água oscilante instalado na ilha do Pico (Açores) Figura 30: Forças que atuam numa turbina de Wells [18] Figura 31: Parâmetros de uma turbina de Wells [13] Figura 32: Coeficiente de binário versus coeficiente de fluxo Figura 33: Coeficiente de potência versus coeficiente de fluxo Figura 34: Alternativas para geradores do tipo VVFC Figura 35: Vista geral do sistema Figura 36: Controlo da velocidade de rotação [20] vi

9 Figura 37: Rendimento médio,, para ondas regulares, com controlo de fluxo de ar através, de uma válvula de manobra (tracejado), de uma válvula de alívio (ponto e linha) e sem controlo (cheio) [22] Figura 38: Esquema de um sistema combinado de armazenamento de energia Figura 39: Sistema completo usado para simulação de um dispositivo de CAO Figura 40: Pressão registada dentro da câmara pneumática na central do Pico. Condições de registo: turbina parada e válvulas de ar fechadas [24] Figura 41: y versus coeficiente de fluxo Figura 42: Caixa de velocidades Figura 43: Modelo do gerador usado na simulação e ligação à bateria e à carga Figura 44: Pressão na câmara pneumática Figura 45: Potência mecânica disponível à saída da turbina Figura 46: Coeficiente de Fluxo Figura 47: Velocidade de rotação da turbina Figura 48: Velocidade de rotação da turbina com inércia aumentada Figura 49: Potência elétrica gerada Figura 50: Estado de carga, corrente e tensão na bateria Figura 51: Dispositivo testado Figura 52: Pá do tipo aba usada em reservatórios de ondas Figura 53: Pá do tipo pistão usada em reservatórios de ondas Figura 54: Relação entre a altura de onda e a distância de deslocamento da pá versus profundidades relativas [25] Figura 55: Pá com movimento mais complexo de maneira a combinar vários comprimentos de onda [6] Figura 56: Modelo da pá desenhada em SolidWorks Figura 57: Protótipo realizado vii

10 Lista de Abreviaturas Armazenamento de ar comprimido ou Coluna de água oscilante Conversor ligado à rede LED Díodo emissor de luz Máquina de indução duplamente alimentada Power take-off Conversor ligado ao rotor Estado de carga Superconducting magnetic energy storage Nível de água médio (superfície) Velocidade variável, frequência constante Lista de Símbolos Área da conduta Amplitude da onda Área transversal da câmara pneumática Área do corpo oscilante Comprimento das pás Largura das pás Coeficiente de potência Velocidade de grupo Velocidade de fase Coeficiente de binário Pressão pulsante viii

11 Densidade de energia cinética Densidade de energia Densidade de energia potencial Força axial Força de arrasto Força de sustentação Força tangencial Força da água Constante de aceleração da gravidade Relação das engrenagens Profundidade abaixo de SWL Nível máximo de água no reservatório Altura de queda da água Altura da onda Momento de inércia do sistema Momento de inércia do gerador Momento de inércia da turbina Número de onda Coeficiente de reflexão Distância de deslocamento Massa de água Número de pás Pressão dinâmica Pressão atmosférica ix

12 Potência hidráulica Potência total disponível para turbinar numa CAO Perda de potência causada pelo atrito Potência cinética do ar Densidade de potência Potência elétrica Potência por metro de frente de onda Potência transferida Perda de potência no gerador Potência inercial Potência mecânica Potência total de perdas Potência perdida devido à fricção dos rolamentos Potência da turbina Caudal de ar Caudal de água que galga a rampa e se acumula no reservatório Caudal de água desperdiçado Caudal de água que atravessa a turbina Raio médio da turbina Raio da secção transversal da câmara pneumática Altura da rampa acima do nível médio da água Período da onda Binário do rotor do gerador Binário da turbina x

13 Componente horizontal da velocidade do fluido Componente vertical da velocidade do fluido Velocidade de propagação da água Velocidade do ar Energia potencial Velocidade axial Velocidade tangencial Frequência angular da onda Velocidade angular da máquina Velocidade angular da turbina Velocidade relativa do ar Rendimento da turbina Densidade da água Densidade do ar Potência adimensional Potencial de velocidades Ângulo de ataque Superfície livre ou Comprimento de onda Coeficiente relacionado com a porosidade e rugosidade Coeficiente de fluxo xi

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15 Capítulo 1 Introdução 1.1. Motivação Num momento em que o consumo de energia elétrica tem vindo a aumentar, e em que surge uma progressiva consciencialização geral para os impactos ambientais nefastos resultantes da utilização de combustíveis fósseis, torna-se impreterível uma aposta em fontes de energia limpa, produzida de forma sustentável. Assim, a aposta em energias renováveis vem ganhando destaque, impulsionada por diretivas europeias que estipulam uma incorporação de energia proveniente de renováveis no sistema elétrico. Em Portugal, de acordo com a Resolução do Conselho de Ministros nº 29/2010, de 15 de Abril, o Governo aprovou a Estratégia Nacional para a Energia (ENE2020) em que um dos objetivos é o seguinte Garantir o cumprimento dos compromissos assumidos por Portugal no contexto das políticas europeias de combate às alterações climáticas, permitindo que em % da eletricidade produzida e 31% do consumo de energia final tenham origem em fontes renováveis. Atualmente as fontes de energia renováveis com maior capacidade instalada são de origem hídrica, eólica e fotovoltaica. Além das mencionadas existe uma outra com grande potencial de exploração, a energia das ondas. Nos últimos anos a energia das ondas tem passado por um processo cíclico com fases de entusiasmo, desapontamento e reconsideração, refletindo a enorme dificuldade que representa obter uma solução viável. No entanto, os persistentes esforços de I&D (Investigação e Desenvolvimento) e a experiência acumulada nos últimos anos têm permitido melhorar o desempenho das técnicas de extração de energia levando a que alguns protótipos testados à escala real tenham já provado a sua aplicabilidade e estejam perto da fase comercial Objetivo do trabalho Esta dissertação de mestrado realiza-se no âmbito das energias renováveis, em particular na produção de energia elétrica usando como recurso primário a energia das ondas e tem como objetivo a conceção de um módulo didático, composto por ferramentas específicas para o ensino da energia das ondas que evidenciem os aspetos físicos fundamentais inerentes aos processos de conversão de energia e soluções técnicas mais usuais (Power Take-Off (PTO), 1

16 gerador, conversor eletrónico e sistema de acumulação de energia). Considera-se que os públicos-alvo deste trabalho possuem diferentes níveis de conhecimento, sendo eles, jovens alunos que visitam o Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores (DEEC) do Instituto Superior Técnico (IST) e que irão ter um primeiro contacto com a produção de energia elétrica através das ondas, e a comunidade estudantil do IST. Espera-se que este trabalho seja um contributo para a formação na área da energia das ondas, que pelo seu caráter multidisciplinar vê dificultada o seu ensino. 2

17 Capítulo 2 O Recurso 2.1. Introdução Sabendo que 70% da superfície do planeta é coberta por água, os oceanos podem e devem ser vistos como um enorme recurso energético que pode vir a cooperar de forma significativa para suprimir as carências crescentes de energia a um nível global. Os fatores preeminentes na formação das ondas são a profundidade e topografia do solo oceânico, a distância de água sobre a qual o vento atua (fetch), e a velocidade do mesmo, sendo este último o fator dominante. Figura 1: Condições necessárias para a formação de ondas em função da velocidade do vento e parâmetros das ondas resultantes [1] Quando estão reunidas as condições necessárias para o seu desenvolvimento, torna-se possível prever as características das ondas resultantes com bastante fiabilidade. 3

18 Figura 2: Ilustração do movimento de uma partícula no oceano em função da profundidade e comprimento de onda [2] Como ilustrado em cima, ao passar uma onda, as partículas adquirem um movimento circular cujo diâmetro à superfície é igual à altura da onda e que com o aumento da profundidade diminui. A uma profundidade igual a metade do comprimento de onda o diâmetro da órbita é 25 vezes menor que o da superfície, sendo a influência do fundo mar desprezável. Com o aproximar da costa, e consequente diminuição da profundidade, a interação com o fundo acentua-se fazendo com que as características das ondas se alterem Energia associada É de extrema importância conhecer e saber quantificar a física associada ao fenómeno das ondas. Desta forma pode avaliar-se técnica e economicamente o recurso e têm-se ainda elementos que possibilitam conceber e projetar dispositivos para utilizar no aproveitamento deste recurso. Esta secção apresenta os elementos fundamentais a incluir num modelo quantitativo do fenómeno das ondas. 4

19 Figura 3: Ilustração de uma onda A Teoria Linear das Ondas, também conhecida como Teoria de Airy, descreve o movimento linearizado da propagação das ondas, onde se assume que a profundidade do fluido é constante, que o fluido é incompressível, não viscoso e homogéneo, e que o escoamento é irrotacional (rotacional nulo). Assim, pode-se tomar como aproximação que as ondas são representadas por ondas sinusoidais caraterizadas por uma amplitude A e um período T, sendo a altura da sua superfície livre η dada por:, (2.1) em que é a frequência angular da onda, t é o tempo, x o ponto do espaço na direção de propagação da onda e k o número de onda. O número de onda é dado por:, (2.2) onde é a velocidade de fase. Para águas pouco profundas (h < 0.05 λ), vem que e para águas muito profundas (h > λ), vem que. Também a velocidade de grupo, profundas vem que, é afetada pela profundidade do fundo oceano. Para águas pouco (igual à velocidade de fase) e para águas muitos profundas vem que. Isto significa que as ondas com grande comprimento de onda (período) irão viajar mais depressa e que à medida que a profundidade do oceano diminui a velocidade das ondas abranda. As ondas propagam-se na direção horizontal, com coordenada x, e a altura da superfície do fluido é dada pela coordenada. Recorrendo aos pressupostos descritos acima pode- 5

20 se utilizar a teoria do potencial, onde se faz uso de potenciais que satisfaçam a equação de Laplace para modelar forças. O potencial de velocidades está relacionado com as componentes da velocidade do fluido (horizontal) e (vertical) da seguinte forma: e Devido à equação da continuidade para um fluido incompressível, o potencial obedecer à equação de Laplace: tem de 0 (2.3) Como condições fronteira temos, que o fundo do oceano é uma camada impermeável, o que leva a que a velocidade do fluido,, (2.4) e para a superfície, que o movimento vertical do fluido tem de ser igual à componente vertical da velocidade, (2.5) Para a resolução do problema é necessária uma condição fronteira adicional fornecida pela equação de Bernoulli para potenciais de fluxo variantes no tempo, onde neste caso se assume que a pressão abaixo da superfície do fluido é constante e que para efeitos de cálculo toma o valor zero uma vez que não interfere com o fluxo. (2.6) Então, para uma onda monocromática (de frequência única), o potencial de velocidades que satisfaz as condições (2.3), (2.4) e (2.5) é dado por:, (2.7) mas e também têm de obedecer à condição (2.6) o que dá origem a que a frequência angular seja igual a: (2.8) Como tal, a frequência angular e o número de onda, ou o período e o comprimento de onda, não podem ser escolhidos independentemente pois estão relacionados. 6

21 Consideremos agora que. A dependência do tempo é irrelevante para esta dedução. A energia potencial num elemento de massa de fluido,, que se move de a, é expressa por. Consequentemente, a energia potencial total da secção elevada vem: (2.9) Assumindo a equipartição de energia, o valor médio da energia cinética é igual ao valor médio da energia potencial, o que faz com que o total de energia num comprimento de onda seja. Para quantificar a energia disponível nas ondas, é usual utilizar-se como medida, a densidade média de energia por unidade horizontal de área ( ), que resulta da soma do valor médio da densidade de energia cinética ( ), com o valor médio da densidade de energia potencial ( ), que contribuem com igual peso. (2.10) (2.11) (2.12) A energia por período de onda é a densidade de potência e pode ser calculada dividindo a densidade de energia pelo período de onda, (2.13) onde.a potência associada às ondas é usualmente descrita como potência por metro de frente de onda e pode ser calculada pelo produto da densidade da energia pela velocidade de grupo. Para uma onda em águas profundas a potência vem, (2.14) As figuras seguintes ilustram a potência por metro de frente de onda e a variação de densidade de potência em função do período da onda e da sua amplitude. 7

22 Figura 4: Potência por metro de frente de onda [3] Figura 5: Densidade de potência de uma onda [3] Para dimensionar corretamente um conversor de energia das ondas subaquático é necessário conhecer a potência disponível à profundidade de operação. Em geral, a potência da onda abaixo do nível do mar decai exponencialmente com. Esta propriedade pode ser verificada no desenvolvimento da Teoria Linear das Ondas e só é válida para ondas com profundidade., (2.15) 8

23 Figura 6: Perfil do vento e das ondas com a variação da distância à superfície Como se pode verificar na figura anterior, a maior parte da energia das ondas está concentrada perto da superfície, ao contrário do que acontece com o vento que se torna mais energético à medida que se afasta do solo. A eficiência dos sistemas de extração de energia das ondas é fortemente condicionada pela frequência das ondas, sendo que a maximização do aproveitamento se dá para uma onda cuja frequência seja idêntica à frequência própria de oscilação (isto é à frequência de ressonância). Como a equação (2.2) mostra há uma relação entre a frequência e o comprimento de onda. Assim, para uma extração eficiente há que ter em conta o comprimento de onda no dimensionamento dos sistemas de extração de energia [4]. Outro aspeto a ter em conta é a agressividade do mar, que se faz sentir pela força destrutiva das suas ondas bem como pelos fenómenos químicos (corrosão) e biológicos (vida marinha) que se desenvolvem e causam desgaste nas máquinas e destruição nos sistemas Desta forma, os maiores problemas face ao desenvolvimento das soluções tecnológicas para o aproveitamento da energia das ondas prendem-se com [5]: Irregularidade na amplitude das ondas, fase e direção; é difícil de obter a máxima eficiência de um dispositivo para todo o leque de frequências de excitação. Em caso de condições meteorológicas extremas, tais como furacões, a carga estrutural pode ser 100 vezes superior à carga estrutural média. A interligação entre o movimento das ondas, lento e irregular (~0,1 Hz), a geradores elétricos requer sistemas intermédios de conversão para que a rotação dos geradores adquira maior frequência Distribuição do recurso Uma vez criadas, as ondas podem viajar milhares de quilómetros em alto mar praticamente sem perdas de energia [3], diminuindo apenas de intensidade ao aproximarem-se da costa devido à interação com o fundo do mar. Muito importante também, é o fato de as ondas serem 9

24 uma fonte de energia regular cuja intensidade pode ser prevista com vários dias de antecedência antes da sua chegada, sendo mais previsível que a energia eólica e a solar. A potência de uma onda é proporcional ao quadrado da sua amplitude e ao seu período. Ondas de elevada amplitude (cerca de 2 m) e de período elevado (7 a 10 s) excedem normalmente os 50 kw por metro de frente de onda. Assim como a maior parte das renováveis, a energia das ondas está desigualmente distribuída pelo planeta. A maior densidade de energia encontra-se entre as latitudes ~30º e ~60º em ambos os hemisférios induzida pelos ventos predominantes de oeste que sopram nessas regiões [5]. Figura 7: Distribuição global de potência em KW/m de frente de onda [6] 10

25 Figura 8: Distribuição de potência em KW/m de frente de onda na Europa [5] Como se pode constatar nas figuras acima, as ilhas e os países com grande extensão de costa possuem condições atrativas para o aproveitamento da energia das ondas. Estima-se que a potência disponível nas ondas seja de 2 TW, o que é muito significativo quando comparado com a potência instalada no mundo, 5 TW (Figura 9). Figura 9: Capacidade de potência instalada no mundo e previsão para o futuro [7] 11

26 A nossa costa possui condições privilegiadas para o desenvolvimento e o aproveitamento da energia das ondas, pois é um recurso abundante não sendo destrutivo, como sucede noutros países de latitudes mais elevadas. Assim, com o intuito de explorar estas potencialidades e atrair promotores criou-se uma zona piloto para a energia das ondas, pelo Decreto-Lei nº05/2008, ao largo de S. Pedro de Moel. Figura 10: Zona piloto para a energia das ondas ao lardo de S. Pedro de Moel Pensa-se que Portugal tenha um potencial disponível de 21 GW, distribuídos entre 15 GW para o continente e 6 GW para as Regiões Autónomas. Assim, tendo em conta as taxas de conversão em energia elétrica, e os condicionalismos locais, chega-se ao valor de 10 TWh/ano, 5 GW de potência instalada, passíveis de introdução na rede elétrica o que seria suficiente para satisfazer cerca de 20% do consumo energético do país [8]. É interessante comparar estes valores com a potência eólica instalada atualmente, 3.7 GW (Figura 12). 12

27 Figura 11: Satisfação do consumo eletricidade em Portugal [9] Figura 12: Evolução da potência instalada em Portugal [9] 13

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29 Capítulo 3 Tecnologia e extração da energia 3.1. Introdução Ao longo de várias décadas têm surgido diversos tipos de dispositivos utilizados para extrair a energia das ondas e disponibilizá-la noutra forma de energia. Estes dispositivos encontram-se atualmente em níveis diferentes de desenvolvimento. Apesar desta diversidade, não há no entanto uma tecnologia que se destaque como vencedora, pois na sua generalidade continuam a carecer de muito desenvolvimento para fazer face a aspetos críticos, tais como, a durabilidade dos mesmos, a eficiência conseguida e os problemas mecânicos. Existem alguns critérios de classificação propostos para estes dispositivos, sendo a mais usual, a que é feita com base no local de instalação. Os dispositivos de extração de energia das ondas podem ser instalados na costa, em águas pouco profundas ou ao largo, em águas de maior profundidade. De acordo com a localização dos dispositivos é habitual classificá-los como: Dispositivos sobre a costa (shoreline); Dispositivos próximos da costa (near-shore); Dispositivos afastados da costa (offshore); A principal diferença entre os dispositivos próximos da costa e os afastados da costa resulta das profundidades envolvidas. No primeiro caso as profundidades serão normalmente inferiores a 20 metros e os dispositivos serão assentes no fundo do mar, enquanto no segundo caso rondarão os 50 metros e os dispositivos serão flutuantes. É importante notar que o regime de ondas é mais energético em locais afastados da costa do que em locais próximos da costa, facto resultante da perda de energia resultante da interação com o fundo do mar na aproximação à costa, havendo, por este lado, vantagem em colocá-los offshore, além disso, estando afastados da costa, dispõem de um maior número de locais onde podem ser instalados e vêem reduzidos os impactos visuais e auditivos. Por outro lado, os dispositivos afastados da costa apresentam maior dificuldade de acesso o que dificulta o transporte de energia para a costa e estão sujeitos a um regime do meio mais poderoso, o que obviamente aumenta a dificuldade de se conseguir um dispositivo robusto e com custos baixos de manutenção. 15

30 É também comum classificar os dispositivos de acordo com o seu princípio básico de conversão de energia, aspetos que merecem maior referência no âmbito deste trabalho. Assim é possível agrupar os dispositivos em três grandes conjuntos: Corpos oscilantes Coluna de água oscilante Galgamento Estas duas classificações podem ser associadas de forma coerente e lógica como se irá ver mais à frente Corpos oscilantes Os dispositivos de corpo oscilante são usualmente instalados em offshore se forem do tipo flutuante, ou near-shore se forem do tipo submerso. O movimento das ondas interage com os dispositivos fazendo com que estes oscilem (energia mecânica). Figura 13: Tipos de movimentos dos corpos oscilantes Dentro deste tipo de dispositivos, um dos que mais se destaca por se encontrar numa fase précomercial é o dispositivo Pelamis, que já esteve em funcionamento na costa portuguesa (perto da Póvoa de Varzim). A figura seguinte ilustra o seu princípio de funcionamento. 16

31 Figura 14: Exemplo de aplicação do dispositivo Pelamis e breve descrição do seu funcionamento [10] Como se observa na figura anterior, este dispositivo é instalado em zonas com profundidade elevada (offshore) e captura energia através do movimento oscilatório das ondas. Mais à frente será novamente alvo de análise. O dispositivo Archimedes Wave Swing (Figura 15), é uma espécie de pistão preenchido por ar que oscila verticalmente com as diferenças de pressão provocadas pela passagem da onda. Se este dispositivo estivesse à superfície correria o sério de risco de ficar danificado porque a altura da onda poderia exceder a distância de deslocamento do dispositivo (comprimento de curso para o qual o dispositivo foi projetado). A solução para resolver este problema é colocá-lo debaixo de água, como se pode observar na figura seguinte. 17

32 Figura 15: Exemplo de aplicação do dispositivo Archimedes Wave Swing e breve descrição do seu funcionamento [11] Para um dispositivo como o Archimedes Wave Swing, as forças aplicadas podem ser modeladas pela equação de Newton. A massa de água é dada por, onde é a densidade de água, é a área do corpo oscilante e é a altura da onda. Para determinar-nos a potência transferida,,pela onda para o mecanismo multiplicamos o peso da água,, pela velocidade média do corpo que é dada pela distância de deslocamento,, a dividir por metade do comprimento de onda. (3.1) (3.2) Ao mecanismo que extrai a energia das ondas dá-se o nome de Power Take-Off (PTO). Este mecanismo varia de dispositivo para dispositivo, e à exceção dos geradores lineares, recorre a geradores rotativos convencionais para produção de energia elétrica. Uma das principais dificuldades dos sistemas de conversão da energia das ondas reside no acionamento dos geradores. Os dispositivos de corpo oscilante, pelo seu caracter oscilatório de baixa velocidade, não são diretamente compatíveis com geradores rotativos convencionais, pelo que se torna necessário um sistema auxiliar para fazer a interface entre o dispositivo e o gerador elétrico. 18

33 No caso dos dispositivos de corpo oscilante os mecanismos PTO usados são sistemas hidráulicos ou geradores elétricos lineares. Figura 16: Mecanismos de Power Take-Off (PTO)[12] Sistemas Hidráulicos Um sistema hidráulico consiste num pistão, uma bomba hidráulica e um motor hidráulico. O movimento das ondas move o pistão para cima e para baixo que por sua vez bombeia o fluido hidráulico pressurizado através da bomba hidráulica. O motor hidráulico, alimentado pela bomba, cria o movimento rotacional necessário para acionar um gerador convencional, completando o processo de conversão. Embora de pequenas dimensões, as máquinas hidráulicas conseguem suportar forças enormes quando comparadas com as forças que as máquinas elétricas com dimensões semelhantes toleram, o que as torna indicadas quando se pretende captar energia de dispositivos grandes que se movem com velocidade relativamente reduzida. È por isto que uma bomba hidráulica é normalmente muito menor que o motor elétrico que a aciona. Figura 17: Dimensões relativas de uma bomba hidráulica (à esquerda) e de um motor elétrico (à direita) [6] O dispositivo Pelamis consiste num conjunto de cilindros hidráulicos que bombeiam um fluido, através de distribuidores (manifolds) controlados, para dentro de acumuladores de alta pressão, usados para armazenamento de energia de curta duração. Os motores hidráulicos 19

34 usam o fornecimento regular do fluido em alta pressão a partir dos acumuladores para acionar os geradores elétricos ligados à rede. Os acumuladores, que se comportam como uma mola proporcionando um desacoplamento crucial entre a fonte de energia (ondas) e o gerador, são dispositivos que armazenam energia hidráulica através da compressão de um gás dentro de um reservatório. Figura 18: Esquema simplificado do circuito hidráulico do dispositivo Pelamis [6] 20

35 Geradores Lineares A ideia de utilização de geradores lineares como mecanismo de extração da energia das ondas é a possibilidade de conversão direta da energia das ondas em energia elétrica sem recorrer a processos intermédios de conversão, como por exemplo sistemas hidráulicos ou engrenagens. Assim, reduz-se consideravelmente a complexidade mecânica mas aumenta-se a exigência do gerador. Além disso, como utilizam magnetos permanentes dispensam a utilização de uma fonte auxiliar para criação do campo magnético. Figura 19: Princípio de funcionamento de um gerador linear. Não há necessidade de sistemas intermédios de conversão de energia, indispensáveis no uso de geradores rotativos convencionais [6] Os geradores lineares são semelhantes aos geradores rotativos convencionais na medida em que convertem energia mecânica em energia elétrica, contudo, o rotor no gerador linear (translator) é uma peça que se move para cima e para baixo, em oposição ao movimento rotacional do rotor tradicional. O princípio de funcionamento de um gerador linear consiste no movimento do translator, onde estão montados magnetos com polaridades alternadas, que por sua vez irá provocar uma indução de corrente no estator, que contém enrolamentos condutores, provocada pela variação do campo magnético (Lei de Faraday). Entre o translator e o estator está o entreferro. 21

36 Figura 20: Elementos básicos do gerador linear [6] Uma vez que os geradores lineares fazem uso direto do movimento das ondas para conversão de energia, irão automaticamente ficar limitados a uma baixa velocidade de funcionamento, imposta pela baixa velocidade do recurso. Assim a velocidade do translator pode, numa primeira aproximação, ser determinada pela velocidade vertical da superfície de água. Como a potência nominal do gerador,, é proporcional ao produto da tensão,, pela corrente,,, (3.3) e tendo em conta a relação destas grandezas com o fluxo ligado,, e com a densidade de corrente,, (3.4) em que é a densidade de fluxo magnético e a frequência angular, podemos então escrever a relação:, (3.5) em que é a frequência e uma dimensão linear característica. Podemos induzir da relação acima que, como a frequência (baixa) é uma característica do recurso e a densidade de fluxo magnético um constrangimento do material, para uma potência de saída elevada necessitamos de máquinas com grandes dimensões, o que não é desejável, pois o custo das máquinas aumenta e as perdas também. As perdas por efeito de Joule,, vêm, 22

37 , (3.6) onde, é a resistividade do material e é a resistência; e as perdas por histerese por unidade de volume,, verificam a expressão seguinte,, (3.7) onde é um coeficiente. Consequentemente, o rendimento da máquina,, decresce com o aumento do total da potência de perdas,. (3.8) O raciocínio feito acima não é exclusivo dos geradores lineares, aplicando-se também a conversores eletromecânicos rotativos de corrente alternada. A potência de saída deste tipo de sistemas é afetada pela velocidade instantânea do translator, pelo que não será constante. Este comportamento levanta problemas no que diz respeito à ligação do sistema à rede, pois a tensão induzida no estator varia tanto em frequência como em amplitude. Assim, sem um andar conversor de tensão torna-se praticamente impossível a interligação direta à rede. Normalmente usa-se para o efeito uma interface eletrónica AC/DC/AC. Atualmente existem diversas topologias de geradores lineares, sendo que nem todas se adequam ao aproveitamento da energia das ondas, pelo que, para este tipo de aplicação as classes mais usadas são: Geradores de magnetos permanentes com fluxo longitudinal (LFPM) Geradores de magnetos permanentes com relutância variável (VRPM), sendo o gerador de magnetos permanentes com fluxo transverso (TFPM) um subconjunto Geradores de magnetos permanentes com núcleo de ar tubular (TAPM) Entre estes, o gerador de magnetos permanentes com fluxo transverso (TFPM) tem vindo a revelar-se uma opção com algum potencial devido à sua geometria permitir obter densidades de potência elevadas, pese embora a sua complexidade construtiva e problemas que surgem derivados disso Coluna de água oscilante (CAO) Os dispositivos de coluna de água oscilante (CAO) são usualmente instalados sobre a costa e são constituídos por uma câmara pneumática em que a parede frontal possui uma abertura, de modo a deixar que as ondas entrem no interior. A ação das ondas faz com que o nível de água 23

38 na câmara-de-ar, conhecida como câmara pneumática, suba. Assim o ar na câmara é impelido gerando um fluxo de ar através de uma turbina de ar. Quando a onda recua, provocando uma depressão, o ar circula em sentido contrário fazendo mover novamente a turbina no mesmo sentido, o que é possível devido ao uso habitual de turbinas Wells, que serão alvo de análise posterior. Figura 21: Princípio de funcionamento da coluna de água oscilante Figura 22: Central de coluna de água oscilante instalada na ilha do Pico, Açores 24

39 Como resultado da ação das ondas, dentro da câmara pneumática é deslocado um caudal de ar,, e provocada uma oscilação de pressão, onde é a pressão atmosférica (estática) e é uma pressão dinâmica. De acordo com a equação de Bernoulli para fluidos incompressíveis a pressão dinâmica é dada por, que multiplicada pelo caudal de ar, onde é a área transversal da câmara pneumática, nos dá o termo devido à potência cinética do ar, que é comum na análise de turbinas eólicas. A potência total disponível para turbinar numa CAO é então dada por: (3.9) (3.10) Turbina de ar O uso do ar como fluido de trabalho tem como vantagem a sua velocidade elevada, o que não acontece com a baixa velocidade das ondas. A turbina de ar é parte integrante de um sistema que engloba também um mecanismo de captura e um gerador elétrico (Figura 16), sendo que a interação entre o mecanismo de captura e a turbina é um parâmetro fundamental para um bom desempenho do sistema. A turbina a usar terá de estar ligada ao mecanismo de captura através de um conduta de ar, e o gerador elétrico terá de estar ligado à turbina de modo a que cause o mínimo de interferência ao fluxo de ar que sai do sistema. A otimização da interdependência entre a turbina e a CAO é, assim, necessária para maximizar o potencial de conversão de energia, e para isso existem dois princípios que precisam de ser cumpridos [6]: A turbina deve proporcionar um nível de escoamento, que restringe o fluxo de ar que sai do sistema, e assim maximiza a conversão da energia das ondas em energia pneumática pela excitação do ar imediatamente acima da coluna de água. A turbina deverá ser capaz de maximizar a conversão da energia pneumática em energia mecânica (e consequentemente em energia elétrica) numa banda de taxas de fluxo produzidas aquando da saída do ar da camara de admissão. 25

40 Figura 23: Turbina de Wells [13] A turbina tipicamente usada em sistemas de coluna de água oscilante é a turbina de Wells pela sua capacidade de manter o sentido de rotação independentemente do sentido do escoamento do ar e por apresentar desempenhos razoáveis para um leque variado de estados de agitação marítima. As suas desvantagens incluem a dificuldade de arranque, o baixo rendimento (entre 40% e 70%), e possuírem condição de stall, o que faz com que o rendimento da turbina de Wells caia abruptamente para valores de fluxo elevados Galgamento Os dispositivos de galgamento podem ser fixos ou flutuantes e consistem basicamente num reservatório cujas paredes estão acima do nível do mar e que quando as mesmas são galgadas pelas ondas, a água passa por um determinado número de turbinas de baixa queda que desta forma produzem energia. Estes sistemas possuem um princípio de funcionamento que pode ser comparado com o das mini-hídricas convencionais. Figura 24: Princípio de funcionamento do galgamento [14] 26

41 Dependendo das características das ondas (, ) e da altura da rampa acima do nível médio da água ( ), haverá um caudal de água que galga a rampa ( ) e se acumula no reservatório. Se na seguinte iteração o reservatório se encontrar demasiado cheio haverá um caudal de água desperdiçado ( ). Para que este efeito seja minimizado é necessário que o nível de água do reservatório seja mantido abaixo do seu nível máximo ( ). A água acumulada no reservatório é escoada para o mar através de um conjunto de turbinas de baixa queda, tipicamente turbinas Kaplan, que estão ligadas a geradores de magnetos permanentes. A energia produzida é então convertida usando um conversor AC/DC/AC e injetada na rede [14]. Figura 25: Tabela de aplicação das turbinas em função da queda e do caudal turbinado O caudal de água que galga a rampa é um parâmetro de extrema importância e pode ser determinado pela seguinte equação [15],, (3.11) em que, e são coeficientes que dependem das condições da agitação marítima e é a altura da onda. A energia hidráulica, ou hídrica, disponível é a energia potencial da massa de água no reservatório e que pode ser obtida por uma queda de água, sendo depois convertida em energia mecânica por meio de uma turbina hidráulica. A potência hidráulica ( ) que pode ser aproveitada pela turbinação da água é resultado do produto do caudal de água que atravessa a turbina ( ) pela altura de queda da água ( ), pela densidade da água do mar e pela aceleração da gravidade. 27

42 (3.12) Figura 26: Protótipo do dispositivo Wave Dragon instalado na Dinamarca As grandes contrariedades de implementação deste dispositivo residem na dificuldade de amarração do mesmo ao fundo oceânico por forma a garantir a sua estacionariedade, pois é feita em alto mar onde a energia disponível nas ondas é maior e as profundidades muito elevadas, bem como na dificuldade inerente ao exercício de flutuação do dispositivo, de maneira a que fique o mais estável possível, uma vez que a extração de energia não é feita pelo seu movimento oscilatório mas sim pela energia potencial da água armazenada no reservatório. O facto de as únicas peças móveis no dispositivo serem as turbinas e não serem necessários mecanismos auxiliares de conversão é muito relevante porque em alto mar, onde as condições são extremamente adversas, as forças a que o dispositivo está sujeito são enormes e portanto quanto menor for o número de elementos mecânicos sujeitos a esses impactos melhor Aspetos económicos e ambientais É evidente que o projeto de um conversor da energia das ondas tem de ser altamente robusto de modo a ser fiável e a operar eficientemente por um lado, e por outro, economicamente viável. Estudos efetuados levam a crer que a energia das ondas será economicamente viável em zonas com potência por metro de frente de onda superior a 15 KW/m, valor que é suplantado pelas condições naturais de Portugal: 45 KW/m em alto mar e um pouco menos de 30 KW/m em profundidades de cerca de 50 metros [8]. 28

43 É também de referir que Portugal tem um plano de tarifas subsidiadas para este tipo de energia dos mais atraentes (para investidores) em todo o mundo, o que, aliado às condições naturais do recurso em Portugal, possibilitou que o nosso país fosse o escolhido por diversas empresas para testar as suas tecnologias. A tarifa depende da potência instalada por tecnologia no País e no Mundo e a qualidade do projeto e da tecnologia [16]. Para tecnologias de demonstração com potência até 4 MW e que não excedam os 20 MW no total nacional a tarifa é de 260 /MWh, para tecnologias na fase pré-comercial com potência individual até 20 MW e que não excedam os 100 MW no total nacional e os 300 MW no total mundial a tarifa é de 160 /MWh até 210 /MWh, para tecnologias na fase comercial cujo total de potência instalada não exceda os 100 MW a nível nacional e os 300 MW a nível mundial a tarifa é até 160 /MWh, para valores de potência instalada superiores a tarifa decresce como se observa na figura seguinte. Tarifa subsidiada: Demonstração: 260 /MWh Pré-comercial: 160 ~ 210 /MWh Comercial: 75 ~ 160 /MWh Figura 27: Tarifa subsidiada para energia das ondas em Portugal [16] Todas as formas de aproveitamento energético acabam por, de uma maneira ou de outra, ter algum tipo de impacto ambiental, mas é geralmente aceite que a energia das ondas é menos poluente que a maioria das outras, especialmente no que diz respeito a emissões de CO2. Os dispositivos de aproveitamento da energia das ondas não têm emissões gasosas, líquidas ou sólidas e consequentemente, em operação normal, a energia das ondas é uma fonte virtualmente não poluente. Contudo, a instalação destes dispositivos acarreta um variado leque 29

44 de efeitos geralmente nocivos para o meio que os rodeia, aos quais não estão dissociados o local de instalação e o tipo de tecnologia utilizada. Na tabela seguinte é apresentada uma síntese dos possíveis impactos associados aos dispositivos de conversão da energia das ondas e o seu nível de risco. Impactos Construção/Manutenção Visual Recreação Erosão da costa Fluxo da sedimentação Perigo para a navegação Ecossistema marinho Poluição sonora Perda de fluido Ameaça de espécies Danos no dispositivo/amarração Nível Baixo Baixo Baixo / Médio Baixo Baixo Baixo Baixo Baixo Baixo Baixo Baixo / Médio Figura 28: Possíveis impactos associados à energia das ondas [17] 30

45 Capítulo 4 Sistemas de Coluna de Água Oscilante 4.1. Introdução Este trabalho inclui um programa de simulação realizado em MATLAB e um protótipo didático que incidem sobre este tipo de sistemas, e portanto, este capítulo procura explicar com maior detalhe os mesmos, uma vez que anteriormente foram apresentados de modo sucinto, e também alguns dos efeitos das características do recurso na produção de energia elétrica através deste tipo de conversores Princípio de funcionamento Como já foi referido, o princípio de funcionamento baseia-se na oscilação da coluna de água dentro da câmara, que origina uma variação de pressão no rotor da turbina e que por sua vez aciona um gerador elétrico. Os principais componentes deste sistema são, a câmara pneumática, a turbina, o gerador elétrico e as válvulas de controlo. Figura 29: Sistema de coluna de água oscilante instalado na ilha do Pico (Açores) 31

46 4.3. Câmara pneumática A câmara pneumática é um elemento chave do conjunto, com uma série de funções importantes. Em primeiro lugar faz a união entre o domínio hidrodinâmico (na parte interior da câmara) e o domínio das ondas, fazendo a coluna de água oscilar. De seguida, a câmara estabelece a relação entre o domínio hidrodinâmico e o domínio aerodinâmico por via da superfície de água livre. Finalmente, a câmara impede que o mecanismo de PTO entre em contato direto com o meio severo das ondas e atenua o impacto das tempestades. É de notar que a interação entre os vários processos no sistema é complexa e afeta o desempenho do mesmo. Por exemplo, as características da turbina influenciam a resposta da câmara que por sua vez influencia o domínio hidrodinâmico do dispositivo e vice-versa. Um aspeto tecnológico que distingue este dispositivo de os demais é facto de a câmara atuar como uma caixa de velocidades pneumática convertendo o movimento lento da superfície de água livre num fluxo de ar de alta velocidade. A eficiência da conversão na câmara pode ser caraterizada pela eficiência da captura, que é a razão entre a energia pneumática e a energia disponível pela hidrodinâmica da superfície de água, esta última resultando do produto da energia por metro quadrado pela área de captura. A maioria destes sistemas usa a câmara equipada com uma parede vertical de betão armado, como ilustrado na figura acima, contudo alguns usam a câmara com uma parede inclinada. As vantagens desta particularidade residem no aumento da eficiência de captura, conseguida através de dois fatores [19], sendo eles, a redução da turbulência e a agitação da água em primeiro lugar, e em segundo lugar, a inclinação aumenta a área plana de água para uma determinada área transversal da câmara, o que permite que a ressonância da coluna de água, em larga medida determinada pela massa de água que entra na câmara, possa ser acoplada ao maior período de ondas captadas. Em qualquer dos casos, a parte mais baixa da parede da câmara deve ser projetada de forma a estar sempre submersa Turbina de Wells Hoje em dia a turbina mais comum para sistemas de CAO é a turbina de Wells monoplano com passo de pás fixo. Esta turbina tem a capacidade singular de rodar no mesmo sentido independentemente da direção do fluxo de ar. As pás são simétricas e estão dispostas com um ângulo de 0º relativamente ao plano de rotação. 32

47 Figura 30: Forças que atuam numa turbina de Wells [18] A velocidade relativa do ar,, composta pela velocidade axial do fluxo através da turbina,, e pela velocidade tangencial das pás,, origina forças no pá dependentes do ângulo de ataque,. Estas forças são, uma força de sustentação,, normal a, e uma força de arrasto,, paralela a. Estas forças podem ser expressas como coeficientes de uma força tangencial,, e axial : (4.1) (4.2) Para uma pá sujeita a um fluxo de ar oscilante e reversível, como é o caso, as magnitudes e direções de e variam durante o período da onda incidente. Contudo, a direção de permanece inalterada, o que faz com que a turbina tenha a propriedade de ser self-rectifying, ou seja, independentemente do sentido do fluxo de ar, o sentido de rotação da turbina permanece inalterado. Como se pode observar na Figura 29, existe uma válvula de isolamento cuja função principal é proteger a turbina em caso de condições adversas de funcionamento, e com vista a aumentar o rendimento do sistema a turbina é instalada a meio de uma conduta convergente-divergente que acelera o ar. O desempenho da turbina é limitado pelo aparecimento do efeito de stall nas pás. Este efeito provoca uma redução da força sustentação e surge quando o ângulo de ataque é elevado, ou seja, quando a relação é baixa. 33

48 Figura 31: Parâmetros de uma turbina de Wells [13] Como vimos na equação (3.10) a potência pneumática disponível para turbinar, por,, é dada (4.3) onde, é a pressão pulsante gerada pela coluna de água e o caudal de ar. O coeficiente de binário,, é dado por, (4.4) onde, é o binário da turbina, é uma constante e é o raio da turbina e é a velocidade angular da turbina, A variável é a velocidade axial do ar da Figura 30 e o produto é a velocidade tangencial das pás da Figura 30. O binário da turbina,, não é mais que a força tangencial,, multiplicada pelo raio da turbina,, assim, pode também chamar-se ao coeficiente de binário,, coeficiente da força tangencial. A constante é dada por,, (4.5) onde, é a densidade do ar, é o comprimento das pás, é a largura das pás e é o número de pás da turbina. O coeficiente de potência,, é dado por, (4.6) onde, a área da turbina,, é dada por. A força axial,, é o mesmo que o produto pelo que também se pode chamar ao coeficiente de potência,, coeficiente da força axial. Podemos então escrever que o binário da turbina,, é igual a, 34

49 (4.7) O coeficiente de fluxo,, vem, (4.8) e o caudal de ar,, é dado por, (4.9) O rendimento da turbina,, pode ser escrito como, (4.10) O binário e a potência gerados pela turbina podem ser calculados com base nos coeficientes de binário e de potência versus o coeficiente de fluxo (Figura 32 e Figura 33). Da equação (4.8) é possível observar que quando a velocidade do ar aumenta, o coeficiente de fluxo também aumenta, provocando o efeito de stall. Este comportamento também pode ser observado na Figura 32, quando o coeficiente de fluxo se aproxima do valor 0.3 (este valor pode variar de turbina para turbina). Figura 32: Coeficiente de binário versus coeficiente de fluxo 35

50 Figura 33: Coeficiente de potência versus coeficiente de fluxo 4.5. Gerador A agitação marítima vai fazer com que o fluxo de ar que aciona a turbina seja variável, pelo que, para se obter o máximo proveito da energia disponível a turbina deve ajustar-se às condições em cada momento. Como neste caso a turbina é de geometria fixa não permite o ajustamento das pás, forçando a que o ajustamento seja feito no gerador. Isto implica que o gerador a utilizar, para ligação à rede, seja do tipo VVFC (velocidade variável, frequência constante). Este tipo de geradores socorre-se de eletrónica de potência para conseguir o controlo da frequência e tensão de saída. Entre as soluções disponíveis para geradores do tipo VVFC podemos encontrar as seguintes alternativas: 36

51 Figura 34: Alternativas para geradores do tipo VVFC Os geradores de corrente alternada, em especial a máquina de indução, são de construção mais simples e robusta do que as máquinas de corrente contínua, não necessitando de tanta manutenção (em grande parte por não terem coletores), além de que, para uma mesma potência, são bastante mais baratos. No entanto, os sistemas de controlo necessários para o comando das máquinas de corrente alternada são mais complexos do que os utilizados nas máquinas de corrente contínua. Com o crescente desenvolvimento da eletrónica de potência e de novas técnicas de controlo o custo dos conversores e circuitos de comando diminuiu e tornou-se possível operar as máquinas de corrente alternada com o modo de funcionamento que o utilizador deseje, sendo hoje em dia bastante versáteis. 37

52 Das alternativas apresentadas, o gerador tipicamente usado em sistemas de CAO é uma máquina de indução duplamente alimentada (MIDA). A aplicação da máquina síncrona é mais indicada para sistemas onde a velocidade de rotação não sofre grandes variações além de que o seu custo é mais elevado quando comparada com a máquina de indução. Os problemas associados aos coletores das máquinas de corrente contínua excluem à partida a sua escolha e a grande vantagem da máquina de indução duplamente alimentada relativamente às restantes é a de o trânsito de potência para a rede poder ser feito através do rotor e do estator. Estando os conversores ligados diretamente ao rotor, não precisam de ser dimensionados para a potência nominal da máquina (dimensionados para 25%-30% da potência nominal) evitando assim as frequentes limitações de potência dos semicondutores. Figura 35: Vista geral do sistema Com vista a estabelecer a ligação entre a turbina e o gerador é utilizada uma caixa de velocidades. A equação mecânica que traduz a dinâmica desta ligação é dada por:, (4.11) onde, é o momento de inércia do sistema, é o binário do rotor do gerador e é a velocidade angular. A relação das engrenagens,, vem então, (4.12) onde, é a velocidade angular do gerador e a velocidade angular da turbina. O momento de inércia do sistema referido ao lado do gerador é dado por: 38

53 , (4.13) onde, é o momento de inércia do gerador e é o momento de inércia da turbina. A turbina converte potência pneumática em potência mecânica,, (4.14) que por sua vez sofre perdas no processo de conversão para energia elétrica. Assim podemos definir como:, (4.15) onde, é a potência elétrica fornecida pelo gerador, é potência total de perdas e a variação da energia cinética é dada por, onde. O somatório das perdas pode se decomposto em:, (4.16) onde, é a perda de potência causada pelo atrito entre as partículas de ar e a superfície da conduta de ar, é a perda de potência no gerador, e é a potência perdida devido à fricção dos rolamentos Controlo A potência à entrada da turbina varia tanto a curto prazo, resultado das oscilações da ondas, bem como a longo prazo, fruto das condições do mar não serem constantes, o que vai provocar flutuações na potência entregue pelo gerador à carga. Além disso, a potência extraída pelo sistema está limitada pelo efeito de stall da turbina. Este comportamento torna, assim, necessárias medidas de controlo, que por si sós não são suficientes para que na rede/carga a qualidade da energia esteja garantida, mas que atenuam estas flutuações. Algumas das possíveis estratégias de controlo são [20]: Controlo da velocidade de rotação Controlo do fluxo de ar Controlo da velocidade de rotação O efeito de stall pode ser evitado se a turbina acelerar suficientemente rápido em resposta ao fluxo de ar, o que pode ser alcançado modificando a característica binário/escorregamento do gerador, permitindo que o sistema atinga maiores velocidades. 39

54 Figura 36: Controlo da velocidade de rotação [20] A MIDA consiste numa máquina de indução com rotor bobinado e num conversor AC/DC/AC. Os enrolamentos do estator são ligados diretamente aos 50 Hz da rede enquanto o rotor é alimentado por uma frequência variável através do conversor AC/DC/AC. O conversor AC/DC/AC é composto por um conversor ligado à rede (grid-side converter, GSC), e por um conversor ligado ao rotor do gerador (rotor-side converter, RSC) que por sua vez se encontra ligado ao primeiro através de um condensador. O GSC controla a tensão DC e a potência reativa trocada com a rede, sendo o seu objetivo manter a tensão do condensador constante independentemente da amplitude e da fase da potência do rotor, ao passo que o RSC controla a potência ativa e reativa do gerador [21]. Controlo do fluxo de ar O controlo do fluxo de ar toma como entrada a pressão na câmara para conseguir controlar a potência gerada pelo gerador evitando o efeito de stall, e pode ser alcançado por duas formas distintas mas complementares. Uma das formas consiste numa válvula de alívio (bypass relief valve) instalada na parte superior da câmara pneumática (Figura 29), controlada de forma a abrir para que não se exceda o valor de pressão limite que leva ao efeito de stall. A outra forma consiste no uso de uma válvula de manobra (fast-acting valve) instalada em série com a turbina (Figura 29). Teoricamente, estes dois métodos são equivalentes na medida em que limitam o fluxo de ar através da turbina, contudo, as alterações na pressão da câmara são diferentes. No primeiro método verifica-se uma redução nas oscilações da pressão e no segundo método um aumento das mesmas [22]. A figura seguinte mostra o rendimento de uma central de CAO equipada com uma turbina Wells, com e sem controlo das válvulas de ar, em função de uma potência adimensional das ondas incidentes,. 40

55 Figura 37: Rendimento médio,, para ondas regulares, com controlo de fluxo de ar através, de uma válvula de manobra (tracejado), de uma válvula de alívio (ponto e linha) e sem controlo (cheio) [22] 4.7. Armazenamento de energia Um sistema de armazenamento de energia tem como função armazenar a energia que é produzida e que não é consumida num momento específico. Também pode ser visto como uma fonte extra de energia caso o sistema não consiga fornecer energia suficiente à carga. Recentemente tem havido um enorme desenvolvimento no campo do armazenamento de energia. As possíveis soluções para o armazenamento de energia podem ser classificadas com base no tempo de armazenamento e na quantidade de energia a armazenar envolvida. Para uma armazenagem de curta duração podemos encontrar, os volantes de inércia, o armazenamento de energia magnética por supercondutores (SMES), e os supercondensadores. Para tempos superiores as soluções possíveis são, sistemas de armazenamento de ar comprimido (CAES), baterias, e sistemas de bombagem. Como referido anteriormente, a entrega de energia à carga está naturalmente sujeita às oscilações do recurso. Estas oscilações fazem com que a disponibilidade de energia varie minuto a minuto, diariamente e com a sazonalidade do recurso. Assim, torna-se necessário o 41

56 uso de um sistema de armazenamento de energia, por forma a balancear a produção e o consumo de energia elétrica, que seja adequado face a estas oscilações lentas e rápidas. Poderá pensar-se que o uso de baterias recarregáveis resolveria o problema, contudo, as baterias quando sujeitas a ciclos rápidos de carga/descarga vêm o seu tempo de vida drasticamente reduzido pelo que a implementação de baterias isoladamente não será uma boa prática. Uma possível solução para este problema poderá passar pela implementação de um sistema de armazenamento que combine baterias e supercondensadores. Neste caso, a componente lenta das oscilações será tratada pela bateria enquanto a componente rápida das oscilações será tratada pelo módulo dos supercondensadores, recorrendo para isso a eletrónica de potência. Figura 38: Esquema de um sistema combinado de armazenamento de energia 42

57 Capítulo 5 Simulação de Sistema de CAO 5.1. Introdução Para melhor se compreender o processo de conversão da energia das ondas em energia elétrica foi desenvolvido um programa de simulação em MATLAB /Simulink que permite evidenciar qualitativamente as dinâmicas envolvidas no processo de conversão de energia das ondas em energia elétrica. O sistema escolhido para simular foi o sistema de coluna de água oscilante (CAO) Sistema completo O sistema completo é composto por um modelo para a câmara pneumática que se encontra ligado ao modelo da turbina e que por sua vez está ligado ao modelo do gerador através de uma caixa de velocidades. Figura 39: Sistema completo usado para simulação de um dispositivo de CAO 43

58 5.3. Modelo da câmara pneumática Por forma a modelar o comportamento das ondas dentro da câmara pneumática é necessário ter em conta o espetro da agitação marítima de cada local, que indica a quantidade de energia disponível a diferentes frequências da onda. A pressão do ar dentro da câmara pneumática pode também ser expressa por [23]:, (5.1) onde é o raio da secção transversal da câmara pneumática. Considera-se que as variáveis assumem os seguintes valores: : densidade da água do mar = : velocidade de propagação da água = : amplitude da onda = : raio da secção transversal da câmara pneumática = : comprimento de onda = : área da conduta = Note-se que, para que a pressão tenha um característica pulsante foi definido que a amplitude se comportava como uma sinusoide e que devido ao sentido unidirecional de rotação da turbina se torna possível usar o valor absoluto desta pressão pulsante. Esta aproximação não está muito desfasada da realidade, como se pode observar através da figura seguinte. 44

59 Figura 40: Pressão registada dentro da câmara pneumática na central do Pico. Condições de registo: turbina parada e válvulas de ar fechadas [24] 5.4. Modelo da turbina A implementação do modelo da turbina de Wells em Simulink baseou-se nas equações (4.3) a (4.10) e nas curvas apresentadas nas Figura 32 e Figura 33. Para simplificação do modelo, definiu-se a seguinte variável:, (5.2) cujo comportamento em função do coeficiente de fluxo vem ilustrado de seguida. 45

60 Figura 41: y versus coeficiente de fluxo O modelo da turbina usado na simulação recebe como entrada a pressão pulsante e a velocidade angular do sistema vista do lado da turbina, e tem como saídas a potência da turbina,, o binário da turbina,, o fluxo de ar através da turbina,, e a potência pneumática disponível para turbinar, Modelo da caixa de velocidades A caixa de velocidades tem como função multiplicar a rotação da turbina para que o gerador rode mais depressa, o que, como é sabido, é do agrado de qualquer gerador rotativo. A título de exemplo consideremos a seguinte figura: Figura 42: Caixa de velocidades A caixa de velocidades possui uma relação inversamente proporcional entre o binário desenvolvido, e a velocidade angular,, assim: 46

61 (5.3) A equação de Newton aplicada à caixa de velocidades diz-nos que: (5.4) (5.5) Substituindo (5.3) em (5.4) ficamos com:, (5.6) pelo que o binário da turbina vista do lado gerador,, vem igual a: (5.7) 5.6. Modelo do gerador Apesar não ser comum o uso de uma máquina síncrona neste tipo de aplicações, por razões já explicitadas, optou-se pelo seu uso na simulação realizada pois trata-se de uma máquina de simples implementação e que se adequa aos propósitos da simulação. Optou-se também por fazer uso de uma bateria e uma carga em paralelo ligadas ao gerador através de uma ponte retificadora a díodos e de um filtro LC. Esta configuração tem apenas em vista demonstrar as problemáticas associadas a este sistema, não correspondendo de maneira alguma a uma solução possível de implementar na realidade, em parte porque a bateria necessária para sistemas de grande potência teria de ter uma dimensão incomportável e por outro lado porque, como se vai verificar de seguida, a qualidade de energia gerada não permite a interligação com uma bateria. Figura 43: Modelo do gerador usado na simulação e ligação à bateria e à carga 47

62 5.7. Resultados Analisemos agora alguns resultados das simulações realizadas. Vamos tomar como entrada da câmara uma pressão pulsante ilustrada na figura seguinte. Figura 44: Pressão na câmara pneumática Esta pressão é gerada por uma onda com amplitude, comprimento de onda e velocidade de propagação. A turbina, para este espetro de agitação marítima e para determinadas condições do sistema a jusante, torna disponível a seguinte potência mecânica: 48

63 Figura 45: Potência mecânica disponível à saída da turbina Como é possível observar na figura anterior, a turbina, que a princípio está em repouso, não consegue rodar suficientemente rápido para acompanhar a pressão na câmara pneumática pelo que a potência mecânica produzida pela turbina durante os primeiros 30 segundos sofre uma forte atenuação. Este comportamento, já descrito anteriormente, tem o nome de efeito de stall e pode ser comprovado na próxima figura, onde se observa que o coeficiente de fluxo é superior a 0,3 nos primeiros 30 segundos. 49

64 Figura 46: Coeficiente de Fluxo Como é possível observar na figura seguinte, a velocidade de rotação da turbina de início sofre influência do efeito de stall e por fim revela um comportamento oscilatório que não é mais que a repercussão do carácter oscilatório das ondas. Figura 47: Velocidade de rotação da turbina É de salientar que estas oscilações, nefastas ao bom funcionamento do sistema, têm uma amplitude considerável, e se vão fazer sentir na potência gerada pondo a descoberto um dos enormes entraves ao bom aproveitamento da energia das ondas. 50

65 Uma forma de atenuar as oscilações consiste em aumentar a inércia do sistema, como se pode observar na figura seguinte. Figura 48: Velocidade de rotação da turbina com inércia aumentada A potência elétrica gerada,, aparece com sinal negativo, o que quer dizer que o gerador está a entregar energia à carga/bateria. Os momentos em que a potência gerada é nula surgem quando a tensão nominal da bateria é mais elevada que a tensão gerada pela máquina, o que faz com que os terminais da máquina fiquem em circuito aberto. Como referido, a potência elétrica gerada pela máquina síncrona apresenta um comportamento oscilatório com uma inclinação pronunciada, coincidente com o período das ondas que entram na câmara pneumática. Além disso, como seria de esperar a frequência da tensão gerada não é de 50 Hz. 51

66 Figura 49: Potência elétrica gerada A bateria utilizada na simulação é do tipo Li-Ion (iões de lítio), tem uma tensão nominal de 230 V, uma capacidade de 50 Ah (manifestamente insuficiente numa aplicação real) e considera-se que o SOC (estado da carga) inicial é de 20%. Como se pode observar na figura seguinte, apesar do uso de um filtro LC as oscilações voltam a fazer-se sentir. A tensão mantém-se praticamente constante mas a corrente oscila entre os 0A e os -68A. Observa-se que o SOC aumenta em função do tempo pelo que a bateria se encontra a carregar, não obstante, numa situação real estas oscilações não seriam aceitáveis. 52

67 Figura 50: Estado de carga, corrente e tensão na bateria 53

68 54

69 Capítulo 6 Módulo Prático 6.1. Introdução Um dos objetivos deste trabalho era realizar um protótipo que permitisse evidenciar os aspetos físicos inerentes ao processo de conversão da energia das ondas em energia elétrica. Para tal foi construído um reservatório de água em madeira e usado como conversor o seguinte dispositivo, que faz uso de um pequeno gerador rotativo. Figura 51: Dispositivo testado Apesar de ter sido possível fazer com que o sistema funcionasse, acendendo um LED, foi decidido que não seria razoável o seu uso para os fins a que estava destinado, uma vez que as dimensões do tanque necessárias para o seu correto funcionamento seriam demasiado grandes, o que tornaria a sua utilização complicada, não só pela dificuldade em movimentá-lo de um lugar para outro, como em termos de quantidade de água necessária para o encher. Assim, a versão final do módulo sofreu alterações. Este capítulo procura fornecer informação em relação a alguns aspetos a ter em conta aquando do projeto de um tanque de ondas e em relação ao módulo construído. 55

70 6.2. Gerador de ondas A maioria dos tanques usa dois tipos de mecanismos para gerar ondas, um que faz uso de uma pá que oscila, pá do tipo aba, e outro em que a pá é utilizada como um pistão, pá do tipo pistão. A pá do tipo aba é utilizada pra criar ondas com características semelhantes às encontradas em águas profundas, onde o movimento circular das partículas decai exponencialmente com a profundidade e no fundo do tanque o movimento é desprezável. Figura 52: Pá do tipo aba usada em reservatórios de ondas A pá do tipo pistão é usada para simular ondas em zonas onde a profundidade é muito menor que metade do comprimento de onda. Aqui, o movimento circular das partículas é comprimido numa elipse e no fundo do reservatório existe um movimento horizontal considerável. 56

71 Figura 53: Pá do tipo pistão usada em reservatórios de ondas Cyril J. Galvin desenvolveu em 1964 uma teoria para geradores de ondas em águas pouco profundas ( Simplified Wavemaker Theory for Plane Waves in Shallow Water ) em que diz que o volume de água deslocado pelo gerador de ondas deverá ser igual ao volume de água na crista da onda formada. Se considerarmos uma distância de deslocamento para uma pá do tipo pistão num reservatório com profundidade constante, então o volume de água deslocada será dado por. O volume de água na crista da onda vem [25]: (6.1) Igualando os dois volumes vem [25]:, que pode então ser reescrita como [25]:, (6.2) onde é a relação entre a altura da onda e o deslocamento da pá. Esta relação é apenas válida para zonas onde,. Para uma pá do tipo aba o volume de água deslocado vai ser metade do deslocado pela pá do tipo pistão, pelo que a amplitude da onda irá ter uma amplitude duas vezes menor. Então vem que [25]: (6.3) 57

72 Figura 54: Relação entre a altura de onda e a distância de deslocamento da pá versus profundidades relativas [25] Se agora deixarmos cair a restrição da profundidade do reservatório podemos analisar a teoria Complete Wavemaker Theory for Plane Waves Produced By a Paddle, de onde vem que [25]: (6.4) (6.5) Assim, a equação que descreve o movimento da pá do tipo pistão vem definida como [26]:, (6.6) onde é a distância máxima de deslocamento da pá. Derivando (6.6) em ordem ao tempo temos a velocidade do gerador de ondas definida por: (6.7) O controlo do movimento da pá do tipo pistão é feito de acordo com as características da onda que se deseja gerar, e para isso e necessário conhecer o período e a altura da onda a ser gerada. 58

73 A escolha do tipo de pá a instalar deve ser feita com base no tipo de estudo que se pretende fazer no reservatório. Se o objetivo for simular ondas com vários comprimentos de onda, de forma a aproximar a simulação à realidade do oceano, então devem ser escolhidas pás mais complexas. Figura 55: Pá com movimento mais complexo de maneira a combinar vários comprimentos de onda [6] 6.3. Aspetos técnicos do reservatório A escolha da largura do reservatório depende do propósito para que foi construído. Se se utilizar como mecanismo de conversão uma pá que ocupe toda a largura do reservatório, as ondas vão embater num plano, pelo que se observam facilmente os efeitos do embate a duas dimensões, se pelo contrário a pá não ocupar toda a largura do tanque, vai ser possível visualizar os efeitos do embate da onda a três dimensões aquando do contornamento da pá pelos lados. O comprimento do reservatório tem de ser o necessário para permitir três áreas distintas. No seguimento da pá terá de haver espaço suficiente para que as ondas evanescentes da pá decaiam. Depois, há que ter em conta que as ondas precisam de viajar duas vezes a profundidade a que se encontra a pá para que se desenvolvam completamente. Por último, a zona de absorção das ondas (na realidade é a costa) deve estar situada a meio do comprimento de onda projetado de forma a ter uma capacidade de absorção de 90% [6]. A reflexão de ondas incidentes nas superfícies laterais e oposta ao gerador de ondas são extremamente nefastas ao bom desempenho do reservatório de ondas. Para que a energia dessas ressonâncias seja dissipada e o problema da reflexão minimizado é instalado um absorvedor de ondas na extremidade oposta ao gerador. 59

74 Os absorvedores de ondas mais utilizados são planos inclinados com declive constante que se estendem desde o fundo do reservatório até ao nível de água. O inconveniente desta solução é o comprimento demasiado grande que a mesma requer. Como alternativa podem utilizar-se estruturas com declive variável ou com perfil parabólico, reduzindo o comprimento da estrutura. A rugosidade e a porosidade das estruturas absorvedoras de ondas não são alheias ao seu bom desempenho, pelo que a utilização de estruturadas rugosas e porosas é benéfica. A reflexão da onda vai depender da inclinação e características físicas da estrutura absorvedora, e de, o declive da onda. A absorção de energia pela estrutura pode ser quantificada pelo coeficiente de reflexão [27]:, (6.8) em que é um coeficiente relacionado com a porosidade e rugosidade da estrutura, é inclinação da estrutura, o índice 0 refere-se a águas profundas e MED a valores medidos Construção Suponhamos que queremos construir um reservatório de água para testar um conversor da energia das ondas, onde a densidade de potência das ondas é igual a. Tomando como período da onda, da onda vem, e resolvendo a equação (2.13), temos que a altura Usando como gerador de ondas uma pá do tipo pistão, com distância de deslocamento e considerando que o reservatório tem uma profundidade podemos, fazendo uso da equação (6.2), chegar a um valor para o número de onda igual a ; o que, de acordo com a equação (2.2), resulta num comprimento de onda Podemos então concluir que, mesmo para uma pequena densidade de potência, as dimensões necessárias para a construção de um reservatório de ondas seriam enormes. Não sendo então possível o uso de água para construção do protótipo, optou-se pela construção de dois tipos de sistemas de conversão da energia das ondas, a saber, um sistema de coluna de água oscilante (CAO) e um sistema de corpo oscilante similar ao dispositivo da Figura 51. Começou-se por desenhar uma pá (meio de captura) com o programa SolidWorks, bem como as peças necessárias para permitir o seu encaixe com uma seringa que simula um sistema hidráulico. 60

75 Figura 56: Modelo da pá desenhada em SolidWorks Com a pá e as peças de encaixe desenhadas, usou-se uma impressora tridimensional do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) para a prototipagem das mesmas. Para simular as ondas construiu-se um tapete rolante de ondas, já que por razões explicitadas anteriormente não foi possível usar água. Todos os elementos (pá, ondas, turbina, e coluna de ar) estão animados de movimento por intermédio de pequenos motores DC. Concluída a construção, o resultado final foi o seguinte: Figura 57: Protótipo realizado 61