GRUPO DE PESQUISA EM INTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL APLICADA - GICA PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA/UFPB

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1 1 GRUPO DE PESQUISA EM INTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL APLICADA - GICA PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA/UFPB TRANSDUTORES ULTRASSÔNICOS E SUAS APLICAÇÕES EM ENERGIA EÓLICA Prof. Juan Moises Mauricio Villanueva jmauricio@cear.ufpb.br Informações do Projeto 1 Introdução 2 Fundamentos 3 Metodologia 6 Referências 7 Plano 1 Objetivos e Cronograma 8 Plano 2 Objetivos e Cronograma 9 Plano 3 Objetivos e Cronograma 10 Plano 4 Objetivos e Cronograma 11 Anexo Equações e Figuras 12

2 2 TRANSDUTORES ULTRASSÔNICOS E SUAS APLICAÇÕES EM ENERGIA EÓLICA Prof. Juan Moises Mauricio Villanueva INTRODUÇÃO O monitoramento da medição da velocidade do vento é usualmente realizado por estações meteorológicas por meio de sensores chamados de anemômetros. Estas medições tem importância fundamental no setor de energia renovável, especificamente em energia eólica, para a construção de mapas de vento [1] e a determinação dos melhores locais para a instalação de parques eólicos. Assim, a partir da medição da velocidade do vento é possível estimar o potencial eólico, que é definido como a quantidade de energia elétrica que pode ser gerada a partir da energia dos ventos. Diversas instituições no Brasil têm trabalhando neste sentido, por exemplo, a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica) tem realizado estudos que indicam a existência de valores consideráveis do potencial eólico, indicando valores maiores a MW, para uma altura de referência de 50 m [2]. De outro lado, o CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito) tem realizado um estudo, em âmbito nacional, publicando o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro [3], estimando-se um potencial eólico da ordem de 143,5 GW, para uma altura de referência de 50 m [4]. A partir destas informações, pode se observar a existência de divergências com relação ao valor do potencial eólico, isto devido principalmente da falta de informação (dados de superfície), das diferentes metodologias empregadas para medição e os tipos de sensores e incertezas associadas para medição da velocidade do vento. Em [5] foi realizado uma análise das incertezas associadas à Densidade do Potencial do Vento (DPV), observando-se que o erro relativo do DPV é igual a três vezes o erro relativo associado à medição da velocidade do vento. Ou seja, para aumentar a exatidão da estimativa do potencial do vento, se requer ter uma alta exatidão na medição da velocidade do vento. Consequentemente, uma maior confiabilidade do DPV pode ser usada como ferramenta de tomada de decisões para determinar os melhores locais para instalação de turbinas eólicas. Sendo assim, diversos estudos recomenda a instalação de torres anemométricas nos locais apontados como os mais adequados para os projetos de parques eólicos, utilizando sensores com baixa incerteza, minimizando-se assim as incertezas propagação para os cálculos do DPV. Em [6] são apresentadas as novas tendências em medição da velocidade do vento, utilizando anemômetros que utilizam transdutores ultrassônicos que apresentam vantagens quando comparados com anemômetros rotacionais (tipo concha) ou anemômetros de fio quente. Em seguida, são apresentadas as principais vantagens no uso de anemômetros ultrassônicos:

3 3 Não contem partes moveis nas suas estruturas de medição; Operam em ambientes severos de temperatura, chuva e neve; Constante de resposta rápida, com capacidade para detectar e medir rachadas de vento; Alta confiabilidade e baixa incerteza da medição da velocidade do vento, sendo apropriado para a indústria de energia com aplicações de geração híbrida da energia elétrica. Podem ser projetados em sistemas embarcados operando em modo intermitente-pulsado diminuindo-se assim o consumo de energia para seu funcionamento; Com a finalidade de projetar um sistema embarcado de medição da velocidade do vento com baixa incerteza, alta confiabilidade, e com capacidade de determinar o vetor do modulo e direção do vento, este projeto tem como objetivo geral projetar um anemômetro ultrassônico de dois eixos determinando-se os vetores de velocidade e direção do vento. Este desenvolvimento estará baseado no uso de técnicas de processamento de sinais e a avaliação das incertezas seguirá os procedimentos padrões fornecida pelo INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia) que utiliza a guia para a expressão de incerteza de medição. FUNDAMENTOS A) TRANSDUTORES ULTRASSÔNICOS Os transdutores ultrassônicos do tipo piezoelétricos são dispositivos que transformam tensão alternada em ondas mecânicas (no caso de emissores) ou vice-versa, podendo transformar a energia a partir de ondas mecânicas para tensão alternada (no caso de receptores). Este fenômeno físico se deve a que certos cristais produzem expansões e contrações para uma determinada frequência de operação. Estas frequências podem ser estabelecidas dependendo do modo de encapsulamento na fase de fabricação. A medição da velocidade do vento utilizando transdutores ultrassônicos do tipo piezoelétricos pode ser obtida indiretamente como uma função da estimação do tempo de trânsito ou tempo de voo (ToF, Time-of-Flight) de uma onda ultrassônica. Este tempo de trânsito pode ser estimado pela diferença de tempo medida desde o instante da emissão no transdutor transmissor ate sua detecção no transdutor receptor [7]. Outro fator que influência a medição da velocidade de vento baseado em transdutores ultrassônicos é a variação da temperatura do ambiente, que dependente da altura da torre anemométrica. Esta variação da temperatura afeta diretamente a medição da velocidade do som com a qual se propaga a onda ultrassônica no ar. Diversos trabalhos abordam procedimentos para a compensação dos efeitos da temperatura na velocidade do som, estabelecendo equações matemáticas da velocidade do som como uma função

4 4 da temperatura, entretanto estas equações são aproximações que podem influenciar no resultado final da velocidade do vento. Outras abordagens, utilizam configurações de anemômetros ultrassônicos conhecida como de 2 eixos, trazendo como principal vantagem a eliminação da dependência dos efeitos da variação da temperatura [8]. B) TÉCNICAS DE ESTIMAÇÃO DO TEMPO DE TRÂNSITO (ToF) A exatidão na estimação do tempo de trânsito (ToF) dependerá do tipo de técnica utilizada, podendo ser aquelas baseadas nas técnicas de diferença de tempo tais como: a técnica de limiar, diferença de fase, correlação cruzada, transformada de Fourier, Filtro de Kalman [9] [10] [11]. As técnicas de limiar e diferença de fase, podem ser implementadas diretamente utilizando componentes eletrônicos discretos e contadores, entretanto, quando os níveis de ruídos aumentam no meio de medição estas técnicas são limitadas para seu uso devido a que fornecem resultados incompatíveis com o processo de medição. A técnica de correlação cruzada se baseia em técnicas de processamento digital de sinais, apresentando melhores resultados, entretanto tem limitações quanto a sua implementação em hardware de baixo custo, devido a que os sinais transmitidos e recebidos devem ser armazenados em memória, evidenciando-se assim limitações para aplicações em tempo real. A técnica da transformada de Fourier é utilizada para a estimação da diferença de fase entre os sinais transmitido e recebido, aqui são impostas restrições associadas à implementação da Transformada Discreta de Fourier. A técnica de Filtro de Kalman tem sido usada para a estimação de parâmetros de uma função não linear associada a uma envoltória de um sinal ultrassônico recebido. Esta técnica apresentou resultados bastante exatos, entretanto devem ser realizadas algumas aproximações de sistemas não lineares para lineares, introduzindo-se assim um erro de aproximação. C) AVALIAÇÃO DAS INCERTEZAS Embora, possam ser usadas diversas técnicas de estimação do tempo de trânsito ultrassônico (ToF), todas elas devem ser avaliadas com relação à qualidade da estimação, isto é, a incerteza associada. Esta incerteza é gerada devido à presença de ruído no ambiente de medição, podendo ser do tipo aditivo e/ou multiplicativo. Diversas pesquisas tem revelado que a incerteza na estimação do ToF é influenciada basicamente pelo ruído aditivo, construindo-se modelos do tipo normal ou Gaussiano. Estas informações permitem o uso da Guia de Avaliação e Propagação de incerteza em Sistemas de Medição (GUM) que estabelece definições para a avaliação das incertezas

5 5 em sistemas de medição, as quais serão usadas neste projeto para quantificar a qualidade da estimação do ToF e portanto da velocidade do vento usando transdutores ultrassônicos [12] [13]. A guia de avaliação de incertezas, também considera o uso de outras técnicas para avaliação das incertezas e construção de modelos de distribuição, utilizando por exemplo a Simulação do Método Monte Carlo e o uso de números Fuzzy utilizando a matemática intervalar. Estas técnicas podem ser usadas quando os modelos dos ruídos não necessariamente são do tipo normal ou Gaussiano [14]. D) ANEMÔMETROS ULTRASSÔNICOS Os anemômetros ultrassônicos podem ser projetados utilizando hardware embarcado junto com transdutores ultrassônicos. Como foi relatado existem diversas formas de projeto e desenvolvimento destes anemômetros, dependendo da configuração, como por exemplo: Utilizando 1 pares de transdutores ultrassônicos, um transmissor e um receptor. Esta configuração precisa a compensação da velocidade do som devido ao efeito da variação da temperatura. Esta configuração somente proporciona como resultado a velocidade do vento, mas não a direção [7] [8]. Utilizando 2 pares de transdutores ultrassônicos (2 eixos). Esta configuração permite a eliminação da dependência da temperatura. Complementarmente, esta configuração proporciona direção da velocidade do vento por meio da construção do vetor do vento, sendo o módulo a velocidade do vento e o ângulo do vetor a direção do vento [7] [8]. Neste projeto de pesquisa será abordado o projeto de um anemômetro de 2 eixos para a medição e direção da velocidade do vento, para aplicações em estações meteorológicas e nas turbinas eólicas.

6 6 A) OBJETIVO GERAL DO PROJETO METODOLOGIA Desenvolver um anemômetro ultrassônico de 2 eixos para a medição da velocidade e direção da velocidade do vento para aplicações em energia eólica. B) OBJETIVOS ESPECÍFICOS Medição da velocidade do vento sobre diferentes condições do ambiente de medição, isto é, variações de temperatura e variações da velocidade do vento (lentas e bruscas) Estimar a constante de tempo do anemômetro ultrassônico e sua capacidade para a detecção e medição da rachadas ou picos da velocidade do vento. Utilizar um hardware embarcado de baixo custo para a implementação do sistema de medição. C) METODOLOGIA Inicialmente, serão caracterizados e comparados os anemômetros existentes, relacionando-se o principio de medição da velocidade do vento e sua exatidão de medição. Em seguida, serão construídos modelos de medição da velocidade do vento utilizando a ferramenta de simulação para implementar a diversas configurações de anemômetros ultrassônicos. Para isto, serão construídos os modelos de ruídos do ambiente, a atenuação do meio e a construção de modelos dos transdutores ultrassônicos. A partir da modelagem, serão desenvolvidas as técnicas de estimação do ToF e da velocidade do vento, dando ênfase aquelas baseadas nas técnicas de processamento digital de sinais, principalmente aquelas que utilizam estimadores de estados como Filtro de Kalman e Filtro de Kalman Extendido. Após a verificação dos modelos e técnicas de estimação do ToF, será desenvolvido um anemômetro ultrassônico de 2 eixos para a medição da velocidade e direção da velocidade do vento. Para isto, será proposto o uso de hardware embarcado junto com transdutores ultrassônicos de frequência de ressonância de 40 khz. Finalmente, serão realizados os testes em um túnel de vento localizado no Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) da UFPB. Estes testes experimentais serão validados comparando as medições feitas pelo sistema desenvolvido com anemômetros comerciais disponíveis no laboratório.

7 7 REFERÊNCIAS [1] Hauptmann, P., Hoppe, N., Puettmer, A., Ultrasonic sensors for process industry, IEEE Ultrasonic Symposium, Vol. 1, pp: , [2] Potencial Eólico Brasileiro, ( acessado em 05/04/2017) [3] Atlas do Potencial Eólico Brasileiro, 2001, Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito - CRESESB ( acessado em 05/04/2017). [4] As energias solar e eólica no Brasil, 2013 ( acessado em 05/04/2017) [5] Catunda S.Y.C., Pessanha J.E.O., FONSECANETO J.V., CAMELO N. AND SILVA P.R.M. (2004), Uncertainty Analysis for Defining a Wind Power Density Measurement System Structure, IEEE Instrumentation and Measurement, Vol. 2, pp: [6] Pattison A. (2010), A measured Change: The Wind industry is moving toward ultrasonic anemometers and other alternative data collection methods for site assessment and turbine control. Wind Systems [7] Pallas-Areny R., Webster J. (2001), Sensors and Signal Conditioning, 2nd Edition, John Wiley and Sons. [8] Villanueva J.M.M. (2009), Fusão de Dados das Técnicas de Tempo de Trânsito utilizando Transdutores Ultra-sônicos para Medição da Velocidade do Vento, Tese de Doutorado, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. [9] Vilanueva J.M.M., Catunda, S.Y.C., Tanscheit R., (2009), Maximum-Likelihood Data Fusion of Phase-Difference and Threshold-Detection Techniques for Wind Speed Measurement, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 58, Issue 7, pp: [10] Angrisani L., Baccigalupi A., Moriello R.S. (2006), A Measurement Method Based on Kalman Filtering for Ultrasonic Time-of Flight Estimation, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 55, pp: , N. 2. [11] Villanueva J.M.M, Catunda S.Y.C., Freire R.C.S., Costa M.M and Ingaroca N.S.C (2014), â œwind speed measurement based on time-of-flight estimation using Extended Kalman Filterâ IEEE Intern. Inst. and Meas. Technology Conf., pp , [12] Taylor J.R. (1997), An Introduction to Error Analysis the Study of Uncertainties in Physical Measurement, 2nd Ed. Sausalito, Calif. University Science Books. [13] INMETRO, Avaliação de dados de medição: Guia para a expressão de incerteza de medição. [14] Evaluation of measurement data: Supplement 1 to the Guide to the expression of uncertainty in measurement - Propagation of distributions using a Monte Carlo method.

8 8 PLANO 1: ESTIMAÇÃO DO TEMPO DE TRÂNSITO ULTRASSÔNICO BASEADO NO FILTRO DE KALMAN ESTENDIDO OBJETIVOS Implementação de uma técnica de estimação do tempo de trânsito ultrassônico baseado no Filtro de Kalman Estendido para o anemômetro ultrassônico de 2 eixos. Para este propósito os seguintes objetivos específicos serão esperados: a) Modelagem do sistema baseado em espaço de estados b) Implementação do algoritmo em Linguagem para Microcontroladores Embarcados C. c) Teste do algoritmo em plataformas desenvolvidas em projetos anteriores e comparação com as técnicas de correlação cruzada, detecção de limiar e diferença de fase. CRONOGRAMA Este plano de trabalho consta de 6 atividades: ATIVIDADE 1 (meses 1, 2 e 3): Revisão bibliográfica acerca de anemômetros ultrassônicos e filtro de Kalman ATIVIDADE 2 (meses 3, 4 e 5): Definição das equações do sistema em espaço de estados ATIVIDADE 3 (mês 6) Apresentação do relatório parcial. ATIVIDADE 4 (meses 7 e 8): Implementação da técnica de estimação de tempo de trânsito usando Filtro de Kalman Estendido usando a linguagem de programação para microcontroladores C ATIVIDADE 5 (meses 9,10 e 11): Testes do algoritmo em uma plataforma de modelo computacional e comparação de resultados com outras técnicas. ATIVIDADE 6 (mês 12): Elaboração do relatório final e submissão de trabalhos a conferências nacionais/internacionais.

9 9 PLANO 2: AVALIAÇÃO DE INCERTEZAS NO PROJETO DO ANEMÔMETRO ULTRASSÔNICO DE 2 EIXOS OBJETIVOS O objetivo deste plano de trabalho consiste em identificar as fontes de ruídos e avaliar as incertezas no processo de estimação do tempo de trânsito ultrassônico e seu posterior uso na estimação da velocidade e direção do vento. Para este propósito, os objetivos específicos são: a) Uso da guia e o suplemento da guia de avaliação e propagação de incertezas em sistemas de medição (INMETRO). b) Identificar e caracterizar as fontes de ruídos nos transdutores ultrassônicos. c) Identificar e caracterizar as fontes de ruídos nos sistemas eletrônicos de condicionamento. d) Usar as técnicas de Simulação Monte Carlo para a construção de modelos de distribuição de probabilidades do ruído e das incertezas associadas à estimação do tempo de trânsito ultrassônico. CRONOGRAMA Este plano de trabalho consta de 6 atividades: ATIVIDADE 1 (meses 1, 2 e 3): Revisão bibliográfica acerca de anemômetros ultrassônicos e leitura da guia de avaliação de incertezas. ATIVIDADE 2 (meses 3, 4 e 5): Estudo e análise dos ruídos presentes nos modelos dos transdutores ultrassônicos. ATIVIDADE 3 (mês 6) Apresentação do relatório parcial. ATIVIDADE 4 (meses 7 e 8): Estudo e análise dos ruídos presentes nos sistemas eletrônicos de condicionamento de sinais. ATIVIDADE 5 (meses 9, 10 e 11): Avaliação das incertezas utilizando a guia GUM e o método de Simulação Monte Carlo. ATIVIDADE 6 (mês 12): Elaboração do relatório final e submissão de trabalhos a conferências nacionais/internacionais.

10 10 PLANO 3: PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UM ANEMÔMETRO ULTRASSÔNICO DE 2 EIXOS OBJETIVOS O objetivo do projeto e desenvolvimento de um anemômetro de 2 eixos tem como principio fundamental a verificação das características na estimação da velocidade e direção do vento devido a influência de variações na temperatura do meio e flutuações lentas e rápidas da velocidade do vento. Para este propósito, os objetivos específicos são: a) Uso de um ambiente de projeto e implementação de sistemas embarcados para a construção de um sistema de medição da velocidade e direção do vento usando transdutores ultrassônicos. b) Estimação da constante de tempo de medição do tempo de trânsito e da velocidade do vento comparando-a com a constante de tempo dos transdutores ultrassônicos. c) Verificação experimental dos resultados e comparação com anemômetros comerciais por meio do uso de um túnel de vento disponível nas instalações da UFPB (LENHS). CRONOGRAMA Este plano de trabalho consta de 6 atividades: ATIVIDADE 1 (meses 1, 2 e 3): Revisão bibliográfica acerca de anemômetros ultrassônicos e escolha do sistemas embarcado para o uso no projeto. ATIVIDADE 2 (meses 3, 4 e 5): Construção dos sistemas de condicionamento e aquisição de sinais ultrassônicas usando o sistema embarcado ATIVIDADE 3 (mês 6) Apresentação do relatório parcial. ATIVIDADE 4 (meses 7 e 8): Implementação da técnica de estimação de tempo de trânsito no sistema embarcado: limiar e diferença de fase ATIVIDADE 5 (meses 9, 10 e 11): Testes experimentais em um túnel de vento para comparar os valores das medições e das constantes de tempo de medição. ATIVIDADE 6 (mês 12): Elaboração do relatório final e submissão de trabalhos a conferências nacionais/internacionais.

11 11 PLANO 4: MODELAGEM COMPUTACIONAL DE UM ANEMÔMETRO ULTRASSÔNICO DE 2 EIXOS OBJETIVOS O desenvolvimento de um modelo computacional de um anemômetro ultrassônico de 2 eixos tem como objetivo fundamental construir um ambiente de simulação para inserir: a) Modelos de ruídos b) Modelos de propagação direta e multipercurso c) Modelo de atenuação do meio de medição em função da distância d) Modelo dos transdutores ultrassônicos A partir da construção deste modelo computacional, serão implementadas e testadas as técnicas de estimação do tempo de trânsito (ToF) baseadas em: a) Técnica de limiar b) Técnica de diferença de fase c) Técnica de estimação de estados baseada em Filtro de Kalman Com a finalidade de avaliar a qualidade das técnicas serão realizadas as avaliações das incertezas de: a) Avaliação da incerteza associada à estimação do ToF para cada técnica b) Avaliação da incerteza associada à estimação da velocidade e direção do vento CRONOGRAMA Este plano de trabalho consta de 6 atividades: ATIVIDADE 1 (meses 1, 2 e 3): Revisão bibliográfica acerca de anemômetros ultrassônicos e modelagem dinâmica. ATIVIDADE 2 (meses 3, 4 e 5): Construção do modelo do transdutor ultrassônico (Transmissor / Receptor), modelos de propagação e atenuação. ATIVIDADE 3 (mês 6) Apresentação do relatório parcial. O produto deste primeiro semestre consistirá em um modelo básico de um anemômetro ultrassônicos que opera com uma frequência de 40 khz. ATIVIDADE 4 (meses 7 e 8): Implementação da técnica de estimação de tempo de trânsito: limiar e diferença de fase. ATIVIDADE 5 (meses 9, 10 e 11): Aprimoramento e testes do modelo computacional do anemômetro ultrassônico considerando-se diferentes modelos de ruídos - Análise de incertezas. ATIVIDADE 6 (mês 12): Elaboração do relatório final e submissão de trabalhos a conferências nacionais/internacionais.

12 12 ANEXO EQUAÇÕES E FIGURAS Configurações dos Transdutores Ultrassônicos Velocidade do vento: 1 L cos t ToF 20, 074 T K Velocidade do vento L 1 1 t t 2cos AB BA

13 13 Sinais Elétricas Transmitidas e Recebidas e Túnel de Vento Túnel de Vento LENHS - UFPB