Palavras-chave: turbina eólica, gerador eólico, energia sustentável.

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1 Implementação do modelo de uma turbina eólica baseado no controle de torque do motor cc utilizando ambiente matlab/simulink via arduino Vítor Trannin Vinholi Moreira (UTFPR) Hélio Voltolini (UTFPR) Marcelo Henrique Granza (UTFPR) Resumo: Este artigo apresenta um estudo teórico de um sistema de obtenção de energia elétrica através de uma turbina eólica. O sistema em questão foi modelado através de uma análise precisa das condições reais de funcionamento, considerando a inércia do gerador e da turbina e as perdas dos acoplamentos mecânicos. A modelagem do sistema foi simulada em ambiente Matlab/Simulink/SympowerSystem para diferentes velocidades de vento. Palavras-chave: turbina eólica, gerador eólico, energia sustentável. 1. Introdução Desde sua criação, a questão da geração de energia elétrica é amplamente discutida. Ela se tornou vital para a sociedade, abastecendo eletrodomésticos, sistemas de produção, meios de transporte e muitos outros. Atualmente, busca-se gerar energia de forma responsável e sustentável. Nesse contexto ambiental, a energia eólica tem se mostrado uma grande alternativa para a geração de energia limpa. Segunda definição da ANEEL, a energia eólica é uma forma de energia proveniente da cinética dos ventos. Com a utilização de um gerador elétrico a energia cinética é convertida em elétrica. Um sistema eólico é composto basicamente por três blocos. Esses blocos compreendem a captação da energia cinética dos ventos, a caixa multiplicadora de velocidade e a entrega de potência elétrica para a rede como ilustrado na figura 1. A turbina eólica capta a energia contida nos ventos causando movimento de rotação. A velocidade de rotação da turbina não é suficiente para colocar o gerador em operação sendo necessária uma caixa de engrenagens conhecida como gearbox. O gearbox tem como função elevar a velocidade e reduzir o torque imposto ao gerador. O gerador de indução é responsável por converter a energia mecânica na forma de torque e velocidade em energia elétrica na forma de tensão e corrente.

2 Figura 1 Diagrama de blocos Fonte: Costa, Santos e Voltolini Para que este sistema possa operar em velocidade variável é necessário a utilização de conversores eletrônicos entre o gerador e a rede elétrica para processamento da energia injetada na rede elétrica. Este artigo trata da modelagem do sistema mecânico associado a um sistema eólico convencional como representado na figura Modelagem da Turbina O modelo da turbina foi realizado considerando os aspectos aerodinâmicos da mesma. De acordo com Heier (1998), apresentamos a modelagem mecânica do sistema eólico a seguir. A energia cinética do vento é apresentada em (1). E c = ρvw (1) A potência contida nos ventos é apresentada em (2). Pt ρavw (2) A potência mecânica extraída pela turbina é revelada em (3). Pt ρacp(λ,β )Vw (3) O coeficiente de potência (Cp) é um índice que quantifica o quanto a turbina pode extrair de potência, e seu valor depende do ângulo da razão de ponta de pá (λ) e do ângulo de passo da turbina (β) sendo seu valor máximo de 0,59 conhecido como limite de Betz. O coeficiente de potência pode ser calculado a partir de (4), onde os coeficiente c1,c2,c3,c4,c5 e c6 são valores obtidos empiricamente para uma turbina moderna. Cp(λ,β ) c1 3β c4 e 6λ (4) O ângulo λ (razão entre a velocidade de ponta de pá e a velocidade do vento) é apresentado em (5).

3 Onde: λ... ( ) (5) (6) A equação mecânica da turbina é apresentada em (7). Onde: J T T + B T ω T + T g = T T (7) Pt representa a potência mecânica total entregue pelos ventos (W); ρ representa a densidade do ar (kg/m3); A representa a área varrida pelas pás (m2); Cp representa o coeficiente de potência da turbina; λ representa a razão entre a velocidade de ponta de pá e a velocidade do vento; β representa o ângulo de passo da turbina; Vw representa a velocidade do vento (m/s); R representa o raio das pás da turbina (m); J T representa o momento de inércia da turbina (kg.m2); ω ou ω T : velocidade angular das pás da turbina (rad/s); dω T /dt representa a variação da velocidade angular da turbina (rad/s2); B T representa o coeficiente de atrito da turbina (kg.m2/s); Tg representa o torque do gerador (N.m); T T representa o torque da turbina (N.m). Das equações (2) e (3), podemos perceber que a potência fornecida pelos ventos não é a mesma extraída pela turbina eólica. Isso significa que nem toda a potência fornecida pelos ventos é aproveitada. De acordo com Bazzo (2007), isso decorre do fato de que os ventos ainda tem energia depois de girar as pás da turbina, ou seja, nem toda energia é convertida em torque para a turbina. Assim, se faz necessária a introdução do coeficiente de potência (Cp) que limita a potência total extraída a 59,26%, de acordo com a lei de Betz. Esse limite de 59.26% é chamado de coeficiente de Betz. Para o cálculo do coeficiente de potência (de acordo com a equação (4)), as constantes c1, c2, c3, c4, c5 e c6 são obtidas empiricamente. Na literatura acadêmica, é comum que se use c1 = 0,5176, c2 = 116, c3 = 0,4, c4 = 5, c5 = 21 e c6 = 0,0068 segundo Granza e Voltolini (2010). Os valores de β e λ também têm grande influencia no valor do coeficiente de potência. A relação entre Cp, β e λ é ilustrada na figura 2 para uma determinada turbina eólica.

4 Figura 2 - Coeficiente de potência em função de λ e β. Fonte: Bazzo Assim, temos que Cp é máximo para β=0 e λ=8,1. É importante notar ainda que mesmo que os valores de β e λ sejam tais que Cp é máximo, Cp atinge somente o valor de 0,48. Isso se dá pelas perdas relacionadas às características aerodinâmicas expressas por c1, c2, c3, c4, c5 e c6. 3. Simulação e Resultados Finalmente, através da implementação das equações anteriormente descritas, no ambiente Matlab/Simulink/SympowerSystem, chegamos aos diagramas de blocos mostrados nas figuras 3 e 4. Figura 3 Potência e torque na turbina eólica de acordo com a velocidade do vento. Fonte: Autoria própria Figura 4 Realimentação de sistema atrás das relações entre torque e momento de inércia. Fonte: Autoria própria O diagrama da figura 4 representa a modelagem do cálculo do torque da turbina eólica associado a sua equação mecânica, que relaciona inércia, atrito e velocidade. Serão arbitrados valores para os parâmetros físicos do sistema de acordo com a tabela 1:

5 Tabela 1 Parâmetros da turbina eólica Parâmetro Valor Raio (R) 2m Densidade do ar (ρ) 1.22 kg/m 3 Momento de Inércia da Turbina 0.1 kg.m 2 (J) Coeficiente de atrito da turbina kg.m 2 /s (B) Ângulo de passo da turbina (β) 0 Potência Nominal (P n ) 3000W Fator de multiplicação da caixa de engrenagens 282,45 Fonte: autoria própria A partir do modelo apresentado na figura 4, foi feita a simulação, variando-se a velocidade do rotor para diferentes velocidades de vento. As curvas de potência obtidas são apresentadas na figura 5. Figura 5 Curvas de potência para diferentes velocidades de vento, variando a velocidade do rotor. Fonte: Autoria própria Também foi feita outra simulação. Desta vez, variando-se a velocidade do vento para diferentes velocidades do rotor. As curvas de potência obtidas podem ser conferidas na figura Implemetanção e Controle do Sistema A próxima etapa do trabalho consiste em utilizar o Arduino para controlar um motor de corrente contínua emulando o sistema da turbina eólica. Dessa forma, o controle do motor cc será conectado ao Arduino. Este por sua vez estará

6 ligado a um computador rodando a simulação de turbina eólica já criada no Simulink. Assim, o motor elétrico será controlado para funcionar de acordo com a simulação. Então, pretende-se implementar um controle via Arduino. Portanto o usuário poderá controlar o motor enviando comandos à interface do Arduino no computador. O Arduino, então, exercerá o controle sobre o motor. Figura 6 Curvas de potência para diferentes velocidades do rotor, variando a velocidade do vento. 4.1 Arduino Fonte: Autoria própria O Arduino é uma plataforma para criação de protótipos na área da eletrônica. Ele pode receber, processar e enviar sinais para outros dispositivos. Portanto, ele é capaz de se comunicar com um software rodando em um computador pessoal. Existem diversas versões de placas Arduino. Todas elas possuem: -entradas digitais e analógicas; -saídas digitais; -núcleo controlador; -interface serial ou USB (para ligar ao computador). Entre suas vantagens, podemos incluir o fato do mesmo possuir programação flexível. Assim, o Arduino pode ser programado em diversas linguagens como C/C++, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider, ActionScript e Java. Outra grande vantagem reside no fato da plataforma ser open source, ou seja, tem licença grátis.

7 4.2 O Sistema O sistema apresentado será composto basicamente pelos seguintes componentes: Motor cc; Plataforma Arduino; Conversor ca/cc; Computador com Matlab. A figura 7 apresenta o sistema idealizado na modelagem. Figura 7 Diagrama do sistema modelado Fonte: autoria própria Figura 8 Diagrama do sistema proposto Fonte: autoria própria Como ilustrado na figura 8, o Arduino fornecerá a referência de torque para o motor. Nesse caso é necessário a utilização de um conversor ca/cc, pois o Arduino só possui saídas digitais.

8 5. Conclusão e considerações futuras Neste trabalho, foi desenvolvido modelo de sistema aerogerador baseado no controle de torque de motor cc. Foram feitas simulações para velocidades de vento diferentes. Isso permitiu verificar a potência gerada. Nosso objetivo foi atingido, ao ponto que conseguimos gerar energia elétrica através de uma fonte sustentável alternativa. Futuramente, espera-se fazer o controle completo da turbina através da plataforma Arduino. Isso representará um avanço no controle de sistemas eólicos. Referências ANEEL. Atlas. Disponível em: < Acesso em 3 de junho de BAZZO, THIAGO DE PAULA MACHADO. Implementação de controle vetorial em geradores assícronos COSTA, E. M.; SANTOS, B. S. DOS; VOLTOLINI, H. Simulação de um sistema eólico considerando a dinâmica da turbina eólica e multiplicador de velocidade GRANZA, M. H.; VOLTOLINI. H. Modelagem e simulação de um aerogerador a velocidade constante HEIER, S. Grid Integration of Wind Energy Conversion Systems. John Wiley & Sons Ltd, 1998.