UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/AUTOMAÇÃO

Transcrição

1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/AUTOMAÇÃO GABRIELA PIMENTEL DE LARA GUSTAVO BOSCARDIN MICHELLY MIDOHI MIZUMA ESTUDO DO PROCESSAMENTO DA ENERGIA PROVENIENTE DE UM GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2013

2 GABRIELA PIMENTEL DE LARA GUSTAVO BOSCARDIN MICHELLY MIDOHI MIZUMA ESTUDO DO PROCESSAMENTO DA ENERGIA PROVENIENTE DE UM GERADOR EÓLICO DE PEQUENO PORTE Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC do curso de Engenharia Industrial Elétrica/Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Câmpus Curitiba, como requisito para aprovação desta disciplina. Eng. Orientador: Prof. André Alceu Badin, Dr. CURITIBA 2013

3 LISTA DE FIGURAS CRONOGRAMA...11

4 UTFPR MPPT LISTA DE SIGLAS Universidade Tecnológica Federal do Paraná Maximum Power Point Tracking

5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA DELIMITAÇÃO DO TEMA PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA Estudo da Variação da Energia Gerada Estudo Sobre o Gerador Eólico Estudo das Técnicas de MPPT Escolha do Conversor PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 12

6 5 1 INTRODUÇÃO À medida que a disponibilidade recursos energéticos, como o petróleo, diminui e estes se tornam mais caros, é necessário encontrar novas formas de energia alternativas e renováveis como a eólica. A energia eólica, produzida a partir da força dos ventos, é abundante, renovável, limpa e disponível em muitos lugares. Essa energia é gerada a partir de aerogeradores, nas quais a força do vento é captada por hélices ligadas a uma turbina que aciona um gerador elétrico. A quantidade de energia transferida é função da densidade do ar, da área coberta pela rotação das pás (hélices) e da velocidade do vento. [1] Segundo a avaliação do Global Wind Energy Council, organismo internacional que reúne entidades e empresas relacionadas à produção desse tipo de energia, o Brasil é o país mais promissor do mundo em termos de produção de energia eólica. [2] Apesar de algumas divergências entre especialistas e instituições na estimativa do potencial eólico brasileiro, vários estudos indicam valores extremamente consideráveis, sendo que atualmente estima-se que potencial eólico brasileiro é de cerca de 60MW. [3] Apesar do potencial eólico no Brasil não ser completamente utilizado, seu uso vem aumentando nos últimos anos. Atualmente estima que a capacidade instalada brasileira é de aproximadamente 2613,7MW. [4] Com o desenvolvimento dessa tecnologia requisitos como correção do fator de potência, suprimento de potência reativa para o sistema de transmissão, melhoria da estabilidade, entre outros, se tornam de grande importância para a geração de energia eólica, principalmente no que se refere ao máximo aproveitamento da energia e sua estabilidade.

7 6 1.1 TEMA Neste trabalho será discutido como processar a energia elétrica de um gerador eólico de 500W e quais as técnicas a serem utilizadas para se obter a máxima transferência de potência DELIMITAÇÃO DO TEMA Este projeto busca processar a energia elétrica proveniente de um gerador eólico de pequeno porte e velocidade variável. Este processamento será feito utilizando uma técnica para se obter a o ponto de máxima transferência de potência. A geração eólica de baixa potência necessita de um custo reduzido para se tornar economicamente viável, dessa forma, os conversores que processam a energia desta fonte, deve ser simples e de baixo custo. [5] Para este projeto é de suma importância tentar se aproveitar da melhor forma possível a energia gerada. O projeto prevê o processamento da energia para um barramento CC, para posterior interligação com a rede elétrica. Este processamento será realizado através de um conversor estático CA-CC, onde a energia elétrica alternada é transformada em contínua e ligada a um barramento que pode estar interligado a outras fontes de energia renováveis. 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS Assim como a velocidade e outras características do ar que movimenta a turbina de um gerador eólico variam com o tempo, também varia a energia produzida. O gerador pode fornecer formas de onda em corrente contínua ou alternada, onde se tem tensão, corrente e frequência variando com o tempo, dependendo de seu tipo. [6]

8 7 Essa energia ainda não pode ser aproveitada, pois a rede elétrica necessita de formas de onda estáveis e com características específicas, além de uma bateria de uma corrente e tensão contínuas com valores bem definidos. Desta forma é necessário processar a energia produzida pelo gerador eólico, a adequando para a finalidade desejada. [6] Portanto, para que se possa utilizar a energia do gerador eólico, é necessário processar a energia proveniente adequando tensões, correntes e eventualmente frequência. Deste modo, estudos serão feitos para se encontrar a melhor forma de processamento e armazenagem da energia. [6] 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral Processar a energia elétrica produzida por um gerador eólico de pequeno porte interligando a um barramento CC com o rastreamento de máxima potência Objetivos Específicos 1 - Estudar a variação da energia produzida pelo gerador eólico. 2 - Fazer um estudo sobre gerador eólico. 3 - Estudar de técnicas de MPPT. 4 - Escolher o conversor mais adequado. 5 - Escolher o algoritmo de processamento. 6 - Processar energia elétrica proveniente do gerador eólico visando a máxima potência.

9 8 1.4 JUSTIFICATIVA Estudo da Variação da Energia Gerada A energia produzida pelos geradores eólicos não é constante, pois depende de fatores como a velocidade e densidade do ar que movimenta suas pás, sendo que essa variação pode provocar, por exemplo, a degradação da qualidade da energia no sistema, quando ligados a rede elétrica. [5] Estudo Sobre o Gerador Eólico Para se realizar o processamento da energia, é necessário conhecer as características do gerador utilizado. Estas são as características elétricas propriamente ditas, que influenciam o funcionamento do sistema que utiliza o gerador. Apesar da necessidade do conhecimento das características do sistema de geração de energia elétrica usando geradores eólicos parecer óbvio, muitos dos primeiros empreendimentos nesta área apresentam inúmeros problemas na atualidade devido a falta de planejamento e vista grossa aos aspectos técnicos. Por exemplo, a rede de usinas eólicas do estado da Califórnia (EUA). [7] Com o objetivo de facilitar a implantação das primeiras usinas, requisitos técnicos foram relaxados e o planejamento ignorado. A evolução tecnológica que causou o aumento do número e tamanho das usinas resultou em um sistema caótico, saturado e ineficiente. [7]

10 Estudo das Técnicas de MPPT As técnicas de MPPT têm como finalidade aproveitar toda a energia disponível pelo gerador. De forma a evitar desperdícios e aumentar a eficiência do sistema. Isso é importante devido ao dimensionamento dos sistemas e ao impacto dessa forma de energia na qualidade da energia de uma rede elétrica. [6] Escolha do Conversor O processamento exige a escolha de um conversor adequado para o gerador estudado. Este conversor deve ser eficiente e de baixo custo/complexidade, permitindo sua implementação para geradores de pequeno porte. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Inicialmente será realizada uma pesquisa bibliográfica em fontes como livros, monografias, artigos disponibilizados pelo portal Capes, reportagens, vídeos, revistas, além de sites referentes ao tema de pesquisa: desenvolvimento sustentável, geração eólica e outros. Esse material será necessário para se obter uma visão global do tema pesquisado e para que se possa escolher o melhor método de máxima transferência de potência. Com o embasamento teórico, serão feitas análises teóricas e matemáticas e por simulação para verificação do funcionamento das técnicas presentes na literatura especializada. Em seguida serão estudados os conversores que se adequam melhor na resolução do problema e nas técnicas de MPPT para o processamento da energia do gerador eólico. Nesta etapa serão realizadas simulações numéricas para os circuitos projetados.

11 10 Assim que verificado em simulação a eficiência do conversor escolhido, este será implementado e o protótipo será ensaiado em bancada e, se possível, conectado ao gerador em funcionamento. Finalmente, os resultados obtidos serão analisados e comparados aos dados teóricos e os resultados da simulação. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO Capítulo 1 - Introdução com apresentação e delimitação do tema, problemas e premissas, objetivos principais, justificativa, metodologia, cronograma e referências. Capítulo 2 - Desenvolvimento sustentável, energia renovável e novas formas de energia. Capítulo 3 - Geração Eólica, abordando seus aspectos históricos, modo de funcionamento e componentes e introdução a sistema de conversão de energia eólica. Capítulo 4 - Conversor - Fundamentação teórica, Topologia, modo de operação. Capítulo 5 - Método do rastreamento da máxima potência do gerador. Capítulo 6 - Modelo da planta; dimensionamento; escolha de componentes; Modelagem; Implementação física; Confecção do protótipo e/ou Simulações e resultados. Capítulo 5- Discussões dos resultados e conclusão. 1.7 CRONOGRAMA Considerando os procedimentos necessários e os requisitos para o desenvolvimento desta pesquisa, apresentasse o seguinte cronograma (Tabela 1):

12 Figura 1 - Cronograma 11

13 REFERÊNCIAS [1] Ministério do Meio Ambiente. Energia Eólica. Disponível em: < Acesso em 23 fev 2013 [2] Energia Eólica. Disponível em: < > Acesso em 23 fev 2013 [3] Agencia Nacional de Energia Eletrica (ANEEL). Energia Eólica. Disponível em: < Acesso em 23 fev 2013 [4] Associação Brasileira de Energia Eólica. Disponível em: < Acesso em: 23 fev 2013 [5] Oliveira, D.S.; Reis, M.M.; Silva, C.; Colado Barreto, L.; Antunes, F.; Soares, B.L.;, "A Three-Phase High-Frequency Semicontrolled Rectifier for PM WECS," Power Electronics,IEEE Transactions on, vol.25, no.3, pp , March 2010 [6] Koutroulis, E.; Kalaitzakis, K.;, "Design of a maximum power tracking system for wind-energy-conversion applications," Industrial Electronics, IEEE Transactions on, vol.53, no.2,pp , April 2006 [7] NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY Power Quality Aspects in a Wind Power Plant. Disponível em: < Acesso em: 25 fev