Abordagem do controle da rotação de turbinas de eixo horizontal em ensaios em túnel de vento

Transcrição

1 Abordagem do controle da rotação de turbinas de eixo horizontal em ensaios em túnel de vento RESUMO Rafael C. F. Mendes Marianela M. Macias Antonio C. P. Brasil Jr. Taygoara F. Oliveira Universidade de Brasília Este trabalho apresenta uma metodologia para o controle da velocidade de rotação de modelos de turbinas de eixo horizontal em túnel de vento. Um controle do tipo PID de malha fechada foi programado utilizando um microcontrolador Arduino. A metodologia se baseia na utilização da técnica de modulação do tipo PWM (pulse witdth modulation) para ativação de uma carga resistiva fixa conectada ao gerador. Quando a resistência se conecta ao gerador, o mesmo começa a atuar como um freio eletromecânico. A magnitude do freio, definida pelo tempo de modulação da carga, é calculada por meio da comparação entre as velocidades desejada e medida usando o controlador PID. O controlador foi utilizado para obter regimes estáveis da rotação e assim poder levantar as curvas de desempenho de duas turbinas. No primeiro ensaio, foi testada uma turbina eólica de 3 pás, 1 m de diâmetro e 500W. Já no outro, foi utilizado um modelo reduzido de turbina com 3 pás e 0.5 m de diâmetro. As curvas de eficiência em função da velocidade de rotação de cada turbina são apresentadas. PALAVRAS-CHAVE controlador PID modulação PWM rotação turbina de eixo horizontal 1. INTRODUÇÃO Na atualidade mais de 80% da energia global é proveniente da queima de combustíveis fósseis. Estes são apontados como a principal causa das mudanças climáticas do planeta devido à crescente demanda de energia e apresentam uma grande variação de preço no mercado tornando-se uma forte componente de crises econômicas mundiais. O investimento em energias renováveis vem sendo essencial para mudar a matriz energética atual por fontes limpas, e a ação dos governos, empresas, comunidades e indivíduos é fundamental neste esforço de mudança tecnológica. Desde a década de 1980, a energia eólica cresceu em torno a 5% ao ano, número bastante significativo para o mercado energético (Herbert et al., 2007). Este rápido crescimento foi devido a grandes avanços tecnológicos no desenvolvimento das turbinas, tais como melhoras estruturais e aerodinâmicas, que tornaram a energia eólica mais competitiva.

2 As turbinas axiais de eixo horizontal são as turbinas eólicas mais comercializadas no momento pela sua eficiência e robustez (Akon, 2012). Neste tipo de turbinas o fluido escoado é paralelo ao eixo da máquina, e a energia cinética contida no escoamento é transformada em energia mecânica no eixo, que subsequentemente, por meio do gerador, é convertida em energia elétrica. A tecnologia de turbinas hidrocinéticas tem íntima semelhança com a abordagem de conversão de energia eólica. A principal diferença entre ambas as tecnologias reside no fluido de trabalho, ar para energia eólica e água para hidrocinética. No caso de turbinas hidrocinéticas, a maior parte de protótipos que estão sendo construídos na atualidade usam também rotores de eixo horizontal (Kinsey e al., 2011). Devido ao grande porte dos sistemas eólicos e hidrodinâmicos, os testes em túnel de vento e/ou água são muito utilizados já que proporcionam informações aerodinâmicas e estruturais das turbinas em um ambiente livre de fortes anomalias no fluxo e com maior controle sob as condições de entrada. Portanto, testes com modelos de turbinas em túneis de vento contribuem na flexibilidade dos ensaios e no desenvolvimento de metodologias experimentais mais robustas. Bottasso et al. (2013) consideram que estes tipos de testes não substituem nem simulações computacionais nem testes em campo, porém contribuem no objetivo de validação e ampliação de conhecimento do problema em estudo. Neste trabalho foram realizados ensaios em túnel de vento de duas turbinas. No primeiro ensaio, foi testada uma turbina eólica de 3 pás, 1 m de diâmetro e 500W. Já no outro, foi utilizado um modelo reduzido de turbina hidrocinética com 3 pás e 0,5 m de diâmetro. O objetivo do estudo foi o levantamento das curvas de eficiência em função da velocidade de rotação para cada turbina. As curvas de eficiência adimensionais para turbinas são expressas em função das variáveis adimensionais de coeficiente de potência, Cp, versus a razão de velocidade de ponta de pá, TSR. Para a construção destas curvas foi necessário obter dados de velocidade de rotação e torque durante as experiências no túnel de vento para vários regímenes de funcionamento das turbinas. Os ensaios em túnel de vento foram realizados mantendo a velocidade do escoamento constante e variando a velocidade de rotação das turbinas. Com o objetivo de conseguir um desempenho estável em várias faixas de rotação foi implementado um sistema de controle PID para a velocidade de rotação das turbinas. O controle de velocidade PID tem como fim modular uma carga resistiva conectada aos geradores das turbinas pela técnica de modulação PWM. As curvas de desempenho adimensionais, para ambas as turbinas, foram levantadas conseguindo o funcionamento estável das mesmas em todos os pontos de funcionamento. 2. METODOLOGIA Neste trabalho foi utilizada uma metodologia experimental para o controle da velocidade de rotação de turbinas eólicas durante o ensaio em túnel de vento. Os testes foram realizados para uma turbina de 0,5 m de diâmetro, mostrada na Figura 1 (a), e outra com 1,0 metro de diâmetro, Figura 1 (b). O principal objetivo do ensaio de uma turbina em túnel de vento é o levantamento da curva adimensional do coeficiente de potência (Cp) em função do parâmetro velocidade de ponta de pá (TSR, sigla inglesa para tip speed ratio), sendo Cp = %&'()' *,, -. / 1 ; (1) 0 2/ 8

3 𝑇𝑆𝑅 = 56 /0, (2) em que 𝜔 é a velocidade de rotação da turbina, 𝜌 é a densidade do ar, 𝐴 é a área da seção, R é o raio e 𝑈; é a velocidade do escoamento. Como Cp é uma função do TSR é necessário realizar a variação do TSR para obter valores de Cp. Como é possível observar na equação 2, existem duas maneiras para variar o TSR: variar a velocidade de rotação ou a velocidade do escoamento. Sendo nesse trabalho utilizado a primeira opção para variar o TSR. (a) (b) Figura 1 (a) turbina eólica de 0,5 metro de diâmetros ensaiada em túnel de vento fechado. (b) Turbina eólica de 1,0 metro de diâmetros ensaiada em túnel de vento aberto. Detalhes do sensor de proximidade indutivo usado em ambos testes para medição da velocidade de rotação. Sendo assim, durantes os testes aplicados nesse trabalho, a velocidade do vento é mantida constante e a velocidade de rotação é variada. A Figura 3 apresenta o circuito implementado para atuar na velocidade da turbina. Esse circuito é formado pelo gerador DC da turbina, um transistor (IRFZ48N) e uma resistência. O funcionamento dele é similar a um freio, pois quando uma resistência é ligada em série com a saída 3/ 8

4 do gerador uma força de resistência, contrária ao sentido de giro da máquina, atua sobre o eixo freando o gerador. Neste circuito o transistor comporta-se como uma chave que abre e fecha o circuito, sendo assim toda vez que o transistor é acionado a resistência entra em série com o gerador, freando o sistema. Opostamente, toda vez que o transistor está desativado o circuito fica aberto. Figura 3 Circuito aplicado para atuar na velocidade de rotação do ensaio das turbinas. Por meio de um sistema de modulação do transistor é possível controlar a magnitude de frenagem e assim controlar a velocidade da turbina. Foi utilizado um sistema de modulação por largura de pulso (PWM, sigla inglesa para pulse witdth modulation), fornecido pelo microcontrolador Arduino. A Figura 4 apresenta um esquema do funcionamento do PWM, o controle é feito pelo parâmetro tempo de trabalho, que indica a porcentagem da onda que o circuito é acionado. Em analogia com o circuito apresentado na Figura 3, o momento de pico da onda representa o fechamento do circuito. Sendo assim, 100% representa o circuito constantemente fechado e conectado a resistência e 0% representa o circuito aberto. Figura 1 Modulação do tipo PWM utilizada na modulação do transistor para o controle da velocidade de rotação da turbina. 4/ 8

5 Um controle de malha fechada do tipo PID também foi aplicado ao sistema para melhor estabilidade da velocidade. A Figura 5 é o diagrama que descreve o PID aplicado. O tempo de modulação do PWM é regulado por um sistema de controle automático PID da velocidade. O sistema calcula a diferença entre a velocidade de rotação real da turbina e uma velocidade predeterminada (setpoint), esta diferença é chamada de erro. A partir do erro da velocidade o valor do controlador PID é calculado e usado para regular o tempo de modulação do PWM, aumentando ou diminuindo a carga para atingir a velocidade requerida. Segundo o valor do PID, o PWM tomará um valor ou outro regulando a carga conectada ao gerador e assim a velocidade de rotação da turbina. Fisicamente, o transistor é o componente encarregado de abrir e fechar o circuito no tempo de modulação estabelecido. Figura 2 Diagrama do PID aplicado nos testes das turbinas. Os parâmetros do PID foram calculados usando o método de sintonização de Ziegler- Nichols de malha fechada. Em primeiro lugar, aplicando o degrau na planta foi determinada a ganancia crítica, Kcrítico = 2, considerando apenas o ganho proporcional, isto é, fazendo Td igual a zero e Ti igual a infinito. A ganancia crítica é o valor da ganancia proporcional que faz com que o sistema oscile de forma mantida ante qualquer perturbação. Posteriormente, foram determinadas a frequência de oscilação e o período crítico, Tc, com os quais foram calculados os parâmetros do controlador. No ensaio do modelo em malha fechada para Kcrítico = 2 foi obtido o valor do período crítico Tcrítico = 0, 5. Com esses dados foram de terminados Kp, Ti e Td a partir da tabela de sintonização de Ziegler-Nichols. Tabela 1 Tabela de sintonização de Ziegler-Nichols para o cálculo dos parâmetros do PID Parâmetros PID Kp 0,60 K crítico 1,20 Ti 0,50 T crítico 0,25 Td 0,13 T crítico 0,06 5/ 8

6 3. RESULTADOS A Figura 6 mostra a diferença de dois ensaios em túnel aberto realizados no modelo de turbina com e sem controle de velocidade de rotação. Na Figura 6(a) são mostradas as curvas de carga resistiva, a qual era variada manualmente, e da velocidade de rotação correspondente, ambas em função da velocidade angular. O aumento da carga foi constante em passos de 10%, nota-se que a velocidade diminui proporcionalmente à carga aplicada. Entretanto no aumento de 70% para 80% da carga máxima, uma instabilidade ocorre, causando uma queda abrupta da velocidade, cerca de 500 RPM. Essa queda está relacionada ao comportamento não linear complexo do sistema de geração, que é composto pelo rotor e pelo gerador, acoplados. Portanto, como visto na metodologia experimental, um sistema de controle PID foi utilizado para controlar a velocidade. A Figura 6(b) mostra um ensaio utilizando o sistema de controle. Esse ensaio foi configurado para elevar a velocidade de rotação em passos fixos de 100 RPM. Observa-se que o sistema de controle estabiliza a velocidade em todos os pontos, incluindo na região da curva em que se observou a queda acentuada de velocidade angular. (a) (b) Figura 3 Comparação do ensaio com a malha fechada (a) e com a malha aberta (b) para o ensaio aberto. Figura 4 Controle de malha fechada para o ensaio da turbina em túnel de vento fechado 6/ 8

7 A Figura 7 mostra os dados de velocidade e porcentagem do PWM para o ensaio com o controle de velocidade realizado para o caso em túnel fechado. Nota-se que o controle apresenta um bom comportamento para todos os valores de velocidade. Entretanto, ainda é possível observar que para valores de velocidades entre 1400 e 1600 RPM o controle tem os piores resultados. As Figuras 8(a) e 8(b) apresentam as curvas de eficiências obtidas Cp x TSR durante os ensaios em túnel de vento para as duas turbinas estudadas. Observa-se como para ambos os casos foram obtidos regímenes estáveis de funcionamento permitindo o levantamento das curvas de Cp x TSR completas. Devido ao controle de velocidade foi possível a caracterização de uma quantidade significativa de pontos de funcionamento. (a) (b) Figura 5 Curvas de eficiência Cp x TSR. (a) Ensaio em túnel aberto com turbina de 1 m de diâmetro e (b) Ensaio em túnel aberto com turbina de 0,5 m de diâmetro. 3. CONCLUSÕES A necessidade de um sistema para atuar e variar a velocidade de rotação em testes de turbina é fator chave para o sucesso do teste desse tipo de máquina. Observando que as curvas de Cp x TSR, apresentadas na Figura 8, obtiveram pontos suficientes, abrangendo toda faixa de TSR de uma turbina normal, é possível concluir que o circuito aplicado neste trabalho obteve êxito em seu funcionamento. A necessidade de implementação do controle de malha fechada foi observada durante o ensaio em túnel de vento aberto, Figura 6(b). Neste ensaio, há um intervalo de velocidades, entre 100 e 600 RPM, que o controle de malha aberta não é capaz de manter, fato esse que não acontece no controle de malha fechado como observado na Figura 6(a). Está instabilidade do sistema está relacionado com o descolamento da camada limite da pá (stall do inglês) [5]. A mesma instabilidade é observada para a turbina ensaiada no túnel fechado, porém para o intervalo entre 1200 e 1600, que também representa o intervalo do stall desta turbina [6]. Em ambos intervalos de instabilidade é possível observar que a porcentagem do PWM varia muito, representando atividade intensa do sistema de controle no sistema. Outra conclusão interessante a se tomar no final do trabalho é a possibilidade de se 7/ 8

8 realizar um sistema de controle de baixo custo para microturbinas eólicas. Tendo em vista que a maior custo do sistema de controle foi a aquisição do microcontrolador Arduino, cerca de R$ 60, REFERÊNCIAS [1] Akon, A. F. Measurement of Axial Induction Factor for a Model Wind Turbine. Tese (Doutorado) University of Saskatchewan, [2] Bottasso, C.L., Campagnolo, F. and Petrovic, V., Wind tunnel testing of scaled wind turbine models: Beyond aerodynamics. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 127, pp ISSN [3] Herbert, G.J., Iniyan, S., Sreevalsan, E. and Rajapandian, S., A review of wind energy technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 11, No. 6, pp ISSN [4] Kinsey, T., Dumas, G., Lalande, G., Ruel, J., Méhut, A., Viarouge, P., Lemay, J. and Jean, Y., Prototype testing of a hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils. Renewable Energy, Vol. 36, No. 6, pp ISSN [5] Mendes, R. C. F. Estudo do fator de indução axial em turbinas de eixo horizontal. Dissertação (Mestrado) Universidade de Brasília, [6] Macias, M. M. Estudo experimental em túnel de vento de turbinas de eixo horizontal. Dissertação (Mestrado) Universidade de Brasília, / 8