Calibração de Anemômetros
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- João Guilherme Azambuja Marques
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1 Calibração de Anemômetros Alvaro Cuerva Tejero Profesor Titular de Ingeniería Aerospacial. Investigador Titular de Organismo Público de Investigación Julio 2010 Unidade de Pesquisa Aplicada - (UNPA) Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis - CTGAS-ER Consórcio SENAI-PETROBRAS Page 1 de 48
2 1. A importância de determinar o vetor do vento em aplicações para energia eólica. Características do fluxo do vento. Porque usar estatísticas. O uso de estatísticas de medições de vento na energia eólica. Parâmetros estatísticos que podem ser utilizados como descritores das turbinas eólicas. A energia contida nas flutuações do vento e a freqüência de resposta da turbina eólica. 2. O anemômetro de copos. Fundamentos. A calibração em túnel de vento O equipamento. MEASNET. O anemômetro de copos em condições reais. Incertezas na curva de energia. Resposta em fluxos inclinados. Resposta em campo. Classificação dos anemômetros de copos. Page 2 de 48
3 3. Anemômetro Ultra-sônico. Fundamentos. 1 Path. 3 Paths. Calibração em túnel de vento. Diferenças com a calibração do anemômetro de copos. Um exemplo para anemômetros 2D: Reduzindo a tempo e custo. 4. Referencias. Page 3 de 48
4 1. A importância de determinar o vetor do vento em aplicações para energia eólica. u( x,t) ρ ( x,t) Turbina Eólica ( ) f ρ ( x, ), u( x, ) P t = t t P( t) i ( ) L t Fig. 1 O processo de conversão da energia eólica e carregamento da turbina eólica. u(x,t) é o campo de velocidade, ρ(x,t) é o campo da densidade, P(t) é a potencia de saída e L i (t) são as cargas estruturais nos componentes. Page 4 de 48
5 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Características do fluxo de vento. A velocidade do vento é um vetor (três componentes) a qual muda de um ponto a outro no espaço e de um instante a outro no tempo, afetando o comportamento da turbina eólica. Fig. 2. Diagrama do campo de velocidades do vento que afeta a turbina eólica. Adaptado de (Hansen, 2008). Page 5 de 48
6 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Características do fluxo de vento. O fluxo de vento que afeta a turbine eólica é: o Estocástico no espaço e tempo (muda aparentemente de uma maneira caótica no espaço e no tempo). o Randômico de um experimento a outro (realização). (Wyngaard, 2010) Page 6 de 48
7 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Características do fluxo de vento. U+u(t) [m/s] t[s] Fig. 3. Séries temporárias da componente longitudinal u(t) do vento durante 120 s. Page 7 de 48
8 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Por que usar estatísticas. Alta sensibilidade do sistema de condições iniciais à elevada não linearidade. A primeira razão: Tratamento dos dados. A segunda razão: Obtenção de modelos solúveis de equações de dinâmica de fluidos para variáveis com valores médios. Page 8 de 48
9 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Por que usar estatísticas. O que são estatísticas do vento: Tipo de Ordem Característica estatísticas 1-ponto 1 2 n Média Variância Flutuações extremas 2-pontos 2 Densidade espectral de energia Coerências E mais Tab. 1. Tipo de estatísticas de interesse para energia eólica. Page 9 de 48
10 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Características do fluxo de vento. A velocidade média do vento apresenta fluxo superior e inferior! 28 Ultrasonic comp. [m/s] Cup [m/s] Fig. 4. Componentes de velocidade de vento média para 10 minutos (1 ortogonal e 2 paralelas ao rotor da turbina eólica). U V W Page 10 de 48
11 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Uso de estatísticas de vento a partir de medições de vento na energia eólica. Relação direta com a saída da turbina eólica: o O exemplo mais conhecido: A curva de potência. Surpresas!!! Fig. 6. Exemplo da dispersão da curva de potencia da IEC (IEC, 2006) Page 11 de 48
12 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Uso de estatísticas de vento a partir de medições de vento na energia eólica...e olhando mais de perto para diferentes níveis de intensidade de turbulência. Fig. 7. Dependência de valores médios de potência na intensidade de turbulência. (Eecen et al., 2006). Page 12 de 48
13 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Uso de estatísticas de vento a partir de medições de vento na energia eólica. Porém também são importantes para: 1. Validação de códigos computacionais para predição do fluxo do vento. 2. Entrada para modelagem de campos sintéticos de velocidade do vento. Page 13 de 48
14 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. Parâmetros estatísticos que podem ser utilizados como descritores das turbinas eólicas. Fig. 8. Regressão linear de valores médios de 10 minutos da potência elétrica em diferentes descritores estatísticos do vento. (Eecen et al., 2006). Page 14 de 48
15 1. Importância da determinação do vetor de vento em aplicações para energia eólica. A energia contida nas flutuações do vento e a freqüência de resposta da turbina eólica. S S cup u sonic u f [Hz] U = 10 [m/s] r = 0 m r = 30 m r = 60 m 10 2 rot Su [ ] σ s 2 u π f 1 k1= [m ] U Fig. 9. Freqüências de respostas de um anemômetro de copos e de um anemômetro ultra-sônico. A velocidade natural do vento e o espectro testado correspondente. Adaptado de (Kristensen and Hansen, 2002) e (Burton et al., 2001) Page 15 de 48
16 2. O anemômetro de copos. Fundamentos. Fig 10. Anemômetro NRG IceFree (esquerda) e anemômetro Thies (Pindado et al., 2010). Page 16 de 48
17 2. O anemômetro de copos. Fundamentos. O rotor dos copos proporciona um equilíbrio auto-rotativo (o torque médio em 0) e que C Q ωr = 0 U, (0.1) E a partir dessa relação teórica ωr U R = α U = ω; U = Aω α, (0.2) A fricção dos rolamentos faz que ω seja 0 até que o valor limiar de U (U 0 ) seja alcançado, e depois: U U Aω U Aω B 0 = = +, (0.3) Embora analises teórica/numérica sejam possíveis, uma calibração em túnel de vento é geralmente aceita. Page 17 de 48
18 2. O anemômetro de copos. Fundamentos. Fig. 11 Esboço da geometria de um anemômetro de copos. O diâmetro do copo D c, diâmetro do rotor D r e centro do radio de rotação do copo R rc são indicados. (Pindado et al., 2010) Page 18 de 48
19 2. O anemômetro de copos. Fundamentos. Fig. 12 Exemplo de resultados de duas calibrações realizadas no mesmo anemômetro de copos (Thies ) seguindo procedimentos diferentes (AC e AD, como explicado no texto). A velocidade do vento medida pelos instrumentos do túnel de vento V é plotada em comparação a freqüência de saída do anemômetro f. A linha de regressão corresponde à calibração AC é também mostrada. (Pindado et al., 2010) Page 19 de 48
20 2. O anemômetro de copos. Calibração em túnel de vento. O túnel de vento S4 do IDR. Um túnel de vento MEASNET. Fig. 13 Esboço do túnel de vento S4, localizado no Instituto IDR/UPM, utilizado para calibração de anemômetros. As diferentes partes do túnel de vento são indicadas na figura: 1 = ventiladores; 2 = câmara de estabilização; 3 = câmara favo de mel e grelhas; 4 = estrangulamento; 5 = câmara de teste; e 6 = difusor. (Pindado et al., 2010) Page 20 de 48
21 2. O anemômetro de copos. Calibração em túnel de vento. Fig. 14. A seção de teste do túnel de vento S4 durante a calibração de um anemômetro ultra-sônico. Page 21 de 48
22 2. O anemômetro de copos. Calibração em túnel de vento. O equipamento. Pitot. Temperatura. Pressão. Umidade. Os requerimentos (MEASNET/ISO-IEC 17025). Sistema de Qualidade. Inter-comparação Limpeza. Baixa turbulência. Homogeneidade. O verdadeiro MEASNET. Page 22 de 48
23 2. O anemômetro de copos. Calibração em túnel de vento. MEASNET. O inicio da MEASNET e a norma atual. [%] Regular MEASNET RR Tom Lockhart RR2, Anemometer test in different groups Fig. 15. Porcentagem de desvio em relação ao valor verdadeiro para diferentes centros de calibração de diferentes anemômetros. Na era pré-measnet e durante uma rotina MEASNET round robin. Adaptado de (Lockhart, 1997). Page 23 de 48
24 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Quão valiosa é uma calibração de um anemômetro de copos em um túnel de vento se este será utilizado em condições reais? Incerteza de calibração comparada com outras incertezas de velocidade de vento na curva de potência. Page 24 de 48
25 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Incertezas na curva de potência. Tab. 2. Fontes de Incertezas na IEC (IEC, 2006). Page 25 de 48
26 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Incertezas na curva de potência. Um exemplo esclarecedor: Fig. 16. Exemplo da IEC curva de potência com barras de incertezas. Adaptado de (IEC, 2006). Page 26 de 48
27 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Incertezas na curva de potência. Valores na categoria (bin): Fontes de Incerteza nas categorias (Bin) e valores. A incerteza da velocidade do vento para calibração de sites. E tipicamente a incerteza de calibração é 0.1 m/s. Page 27 de 48
28 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Resposta em fluxos inclinados. Fig. 17. Exemplo de teste de ângulo inclinado de um anemômetro de copos. (Dahlberg et al., 2006). Page 28 de 48
29 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Resposta em fluxos inclinados. u 1.06 cup utrue 1.04 Thies Flat RISØ 13 m/s 8 m/s 5 m/s Coseno Fig. 18. Resposta angular de anemômetros de copos RIS e THIES para diferentes velocidades no túnel de vento comparada à resposta plana e cosseno. (Pedersen, 2003, Pedersen, 2003, Pedersen, 2003, Pedersen, 2003) γ [º] Page 29 de 48
30 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Resposta no site. Fig. 19. Um arranjo de teste típico para determinação da resposta de anemômetros de copos nas condições do site. (Cuerva et al., 2006). Page 30 de 48
31 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Resposta no site u THIES u u RISO RISO % < IT < 8% 8% < IT < 12% 12% < IT < 16% 16% < IT < 20% u RISO [m/s] Fig. 20. Diferenças na estimativa para 10 minutos de anemômetros de copos do RIS e THIES para uma função de 10 minutos de velocidade de vento e intensidade de turbulência médias. (Pedersen, 2003). 18 Page 31 de 48
32 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Classificação de anemômetros de copos. É possível calcular uma incerteza geral para um cálculo em condições reais, incluindo fluxo ascendente, turbulência, variações de temperatura? As classes IEC. Tab. 3. Casos de teste da classificação IEC de anemômetros de copos. (Pedersen, 2003). Page 32 de 48
33 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Classificação de anemômetros de copos. Fig. 21. Resultados de classificação de anemômetros de copos do RISØ como sensores horizontais na categoria normal. (Pedersen, 2003). Page 33 de 48
34 2. O anemômetro de copos. O anemômetro de copos em condições reais. Classificação de anemômetros de copos. Fig. 22. Resultados de classificação de anemômetros de copos do RISØ como sensores vetoriais na categoria normal. (Pedersen, 2003). Page 34 de 48
35 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Fundamentos. Fig. 23. Anemômetro ultra-sônico METEK USA-1. (Cuerva et al., 2006). Page 35 de 48
36 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Fundamentos. 1 Path. u u N u P A + e u = c + u e + + F e B u F = c + u e e l ( u e ) ; M ( u e ) M = + = + t l c t l c + e u M P l 1 1 = + 2 tm tm (Cuerva et al., 2008). Page 36 de 48
37 Anemômetros Ultra-sônicos. Fundamentos. 3 Paths. z A u e1 e2 e 3 δ T y A θ T x A Fig. 24. Sistema de referência para Anemômetro ultra-sônico. Adaptado de (Cuerva and Pardyjak, 2007). Page 37 de 48
38 Anemômetros Ultra-sônicos. Fundamentos. 3 Paths. u z 0 O y 0 x 0 (Cuerva et al., 2008). M 1 M 1 u P1 u P1 e1 u P1 M M M 2 = up2 u P2 2 up2 = M M 3 u P3 u P3 e 3 u P3 e e u e u e Page 38 de 48
39 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Fig. 25. Dois exemplos de dispositivos de calibração de anemômetros ultra-sônicos. (Cuerva et al., 2006). Page 39 de 48
40 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. 8 4 δ V γ T = 20º δ V δ V γ T = 0º 22% 45% 70% -4 γ T = -20º θ T [ ] Fig. 26. Resultados da percentagem de desvio em medições do módulo da velocidade total do vento δ V (%) em função da direção verdadeira de vento relativa ao sensor θ T para três diferentes ângulos verdadeiros de inclinação γ T e três velocidade de vento (22% 4.34 m/s; 45% 9.89 m/s e 70% m/s). Túnel de vento Gill Wind Master no IDR. (Cuerva et al., 2006). Page 40 de 48
41 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Diferenças com a calibração de um anemômetro de copos. Anemômetro de copos: Determinação da relação escalar-linear (sem conhecer A e B), (0.4) Anemômetro ultra-sonico: Determinação do vetor não-linear-não-explicito: Ou em termos de magnitude, direção e elevação Adaptado de (Cuerva and Pardyjak, 2007)., (0.5), (0.6) Page 41 de 48
42 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Um exemplo para anemômetros 2D. Fig. 27. Vaisala WS425 SAT durante calibração no túnel de vento do DEWI. (Cuerva et al., 2006). Page 42 de 48
43 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Um exemplo para anemômetros 2D. Fig. 28. Valores da velocidade na calibração (branco) e medidos (cinza) em túnel de vento. Adaptado de (Cuerva and Pardyjak, 2007). Page 43 de 48
44 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Um exemplo para anemômetros 2D γ[ ] V[m/s] Fig. 29. Relação completa f: R 3 R 3 os pontos vermelho indicam os valores verdadeiros dos vetores (U,θ,γ) enquanto os pontos azuis representam os valores (U,θ,γ) determinados pelo SAT. (Cuerva et al., 2006) θ [ ] 300 Page 44 de 48
45 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Reduzindo o tempo e o custo % δ V Num= θ [ ] T Fig. 30. Função de calibração determinada automaticamente para atingir um desvio máximo de 2% de uma estimativa inicial mostrada em vermelho (24 pontos de calibração). Em preto, é mostrada a função de calibração definida como perfeita (1º passo azimutal), em azul, a curva de calibração determinada pelo método (57 pontos de calibração) e em verde, a diferença entre as curvas preta e azul. Resultados mostrados para um ângulo de inclinação γ =0º e velocidade de vento u =10 m/s. Anemômetro é um Gill Wind Master. Túnel de vento do IDR. (Cuerva et al., 2006) Page 45 de 48
46 3. Anemômetros Ultra-sônicos. Calibração em túnel de vento. Reduzindo o tempo e o custo. Error error max%1 error rms% Final points Fig. 31. Desvio máximo (pontos azuis) representado como a diferença máxima entre a curva de calibração prefeita (1º passo azimutal) e a encontrada pelo método, dividida pelos valores correspondentes à curva de calibração ideal. Desvio RMS (pontos vermelhos) definido como a diferença percentual entre a curva de calibração perfeita (1º passo azimutal) e a encontrada pelo método dividida pelos valores correspondentes a curva de calibração perfeita. Ambos os valores são representados em função do número total de pontos determinado pelo método. Resultados mostrados para um ângulo de inclinação γ =0º e velocidade de vento U=10 m/s. Anemômetro é um Gill Wind Master. Túnel de vento do IDR. (Cuerva et al., 2006) Page 46 de 48
47 4. Referencias. Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, E Wind Energy Handbook. John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, England. Cuerva, A., Pardyjak, E.R Sonic Anemometry/Thermometry, in: Tropea, C., Yarin, A.L., Foss, J.F. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics, Springer-Verlag, Berlin, Germany. Cuerva, A., Sanz, S., Pedersen, T.F., Franchini, S., Sanz-Andrés, A A Theoretical Model on Spinner Anemometry Based on Ultrasonic Paths. Cuerva, A., Sanz-Andrés, A., Franchini, S., Eecen, P.J., Busche, P., Pedersen, T.F., Mouzakis, F., Dahlberg, J ACCUWIND. Accurate Wind Measurements in Wind Energy. Task 2. Improve the Accuracy of Sonic Anemometers. Final Report. Dahlberg, J.-., Pedersen, T.F., Busche, P ACCUWIND -Methods for Classification of Cup Anemometers Risø-R-1555(EN). Eecen, P.J., Mouzakis, F., Cuerva, A ACCUWIND: Work Package 3 Final Report ECN-CX Hansen, M.O.L Aerodynamics of Wind Turbines. James & James, London, U.K. IEC IEC Ed.1: Wind turbines - Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines. Kristensen, L., Hansen, O.F Distance Constant of the Risø Cup Anemometer Risø R 1320(EN). Page 47 de 48
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